Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. İsz János. Energetika I-II.

Átírás

1 Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. İsz János Energetika I-II. energetikai BSc szak

2 1. témakör Energetika és fenntartható fejlıdés

3 Tartalom 1. Energetika. 2. Energiamérleg. 3. Energiahatékonyság. 4. Fenntartható fejlıdés (energetika).

4 Az energetika kölcsönhatásai Természet Társadalom primer energiahordozók megújuló energiaforrások környezetszennyezés igények energia Gazdaság erıforrások energia Állam szabályozás jövedelem

5 1. Energetika Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mezıgazdasági üzemek, az intézmények és a lakosság) biztonságos, gazdaságos, környezetbarát és fenntartható ellátása. Területei: energiahordozók elıállítása, szállítása, elosztása, tárolása, energia-végfelhasználás. Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszínőség. A fogyasztók mindig teljesítményt igényelnek, melynek idı szerinti integrálját az energiát tartjuk nyilván.

6 Az energiaellátás rendszerstruktúrája Energiahordozók elõállítása Energiahordozók szállítása elosztása tárolása Energia végfelhasználás

7 1.1. Energiahordozók elıállítása Primer energiahordozók = tüzelıanyagok: az anyagokban kötött kémiai és nukleáris energia. Tüzelıanyagok: szén (C), szénhidrogének (CH): kıolaj és földgáz, nukleáris (A): urán, (tórium). Tüzelıanyagok termelése = bányászat, mely a mővelt terület elhelyezkedése szerint - külszíni, - mélymőveléső. Kitermelésnél keverék = tüzelıanyag/ok/ + egyéb anyagok, ezért szükséges a feldolgozásuk tüzelıanyagok (koksz, földgáz, főtıolaj, főtıelem-kazetták).

8 1.1. Energiahordozók elıállítása Megújuló energiaforrások: a természeti folyamatok által keletkezı energiák. Fajtái: napsugárzás, szél, víz, árapály, (geotermikus), biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) megújuló tüzelıanyagok.

9 (Megújuló) (Geotermikus): ha a föld mélyébıl kivett víz visszasajtolásra kerül. (Hulladékok): az emberi tevékenység által megújuló (jogilag: szelektíven győjtött, újrahasznosítható (köztük energetikai célra) hulladék). A gazdasági, a lakossági-kommunális szektor energetikai hasznosításra alkalmas hulladékai elsısorban a deponálandó hulladék térfogatának kb. 1/3-1/6 (tizedére) való csökkentése miatt. (A hulladékgazdálkodás feladata a hulladékok összegyőjtése, szelektálása, hasznosító mővekhez való eljuttatása.) - külön kategória: veszélyes hulladékok (pl. gumiabroncs, gépkocsi kenıolajok, elhullott állatok).

10 Fosszilis tüzelıanyagok Szén: feldolgozás nélkül és a feldolgozás maradéka gızerımővekben villamosenergia-termelés, feldolgozott: ipari (koksz) és lakossági szén (brikett), szénelgázosítás szintézisgáz ((CO)+H 2 ), szintetikus CH 4 (földgáz) jövı? a bányából gáz halmazállapotú tüzelıanyag felhozatala (vizsgálat alatt).

11 Fosszilis tüzelıanyagok Kıolaj: nyersolaj feldolgozása = finomítás, melynek termékei: ipari termékek és energiahordozó (motor üzemanyag, főtıolaj). Földgáz: feldolgozása, melynek termékei: ipari termékek és energiahordozó (földgáz (tüzelıanyag, motor üzemanyag?), PB-gáz, inertes és inert gáz). A prognosztizált becslések szerint a kıolaj és a földgáz a fı energiahordozó az elkövetkezı évben.

12 Fisszilis tüzelıanyagok Nukleáris (maghasadás): természetes urán (U-235 (0,72 %), U-238 (99,27 %), dúsítás (U-235 1,6, 2,4, 3,6% és nagyobb 4,4%), Jövı?: Th-232 U-233 főtıelem és kazetta gyártás, kiégett főtıelemek reprocesszálása, transzmutációja? Nukleáris (fúzió): H-2+H-2 He-4 (nap).

13 Szekunder energiahordozók Szekunder energiahordozók: szállításra (tárolásra?) és felhasználásra alkalmas ( kényelmes ) energiahordozók: Hı (hıhordozók), Villamos energia, Üzemanyag/ok/.

14 Hı (hıhordozók) Hı: a hımérséklet-eloszlás inhomogénitására létrejövı transzportmennyiség: a hıhordozó hıátadó képessége. Hıhordozók: - víz (melegvíz, forróvíz, gız), - levegı, - termoolaj. A fosszilis és (fisszilis) tüzelıanyagokból, több megújuló energiaforrásból (nap, biomassza, geotermikus, hulladék) elıállítható főtımővekben, főtıerımővekben és főtıberendezésekben, továbbá hulladékhı-hasznosítással is.

15 Villamos energia Villamos energia: villamos jelenségek formájában elıállított munkavégzı és/vagy hıátadó képesség (legjobb használati értékő szekunder energiahordozó). A fosszilis és fisszilis tüzelıanyagokból, és elvileg az összes megújuló energiaforrásból elıállítható erımővekben.

16 Üzemanyagok Üzemanyagok: belsı égéső motorokban, gázturbinák égıterében elégethetı, adalékanyagokkal ellátott, kémiailag kötött energia: benzin, gázolaj, (földgáz), (hidrogén?). Nyersolajból, (földgázból), termesztett biomasszából elıállítható finomítókban.

17 Primer-szekunder energiahordozó Primer enhord. Üzemanyag Villamos energia Hı Szén Nyersolaj Főtıolaj Földgáz Nukleáris Napsugárzás Szél Víz Geotermikus Növényi biomassza Hulladék ()

18 1.2. Energiahordozók szállítása Elosztás szervezeti: a primer és szekunder energiahordozók termelık és fogyasztók közötti kereskedelme, területi = szállítás: a primer és szekunder energiahordozók eljuttatása a területileg szétszórt termelıkhöz és fogyasztóhoz. Tárolás: az energiaigények szezonális és piaci egyenlıtlenségeinek kiegyenlítése az egyenletes ütemben elıállított energiahordozók felhalmozásával.

19 Energiahordozók szállítási módjai Energiahordozó Vasút Víz Közút Távvezeték Szén Nyersolaj Olajtermék Földgáz X (cseppfolyósított) PB-gáz Villamos energia Hıhordozó

20 1.3. Energia végfelhasználás Különbözı statisztikai feldolgozás. Energia szerint: hajtás (mechanikai): % (közlekedés, technológia), hı: % (technológia, főtés(hőtés)+hmv), világítás, információtechnika: 3-10 %. Szektorok szerint: gazdasági szektor (ipar, mezıgazdaság), lakossági-kommunális szektor, (távfőtés) közlekedés, egyéb.

21 Végenergia-szekunder energiahordozó Végenergia Hajtás -technológia -közlekedés Hı -technológia -főtés+hmv Világítás, információtechnika -hőtés+klíma Szekunder energiahordozó villamos energia üzemanyag Tüzelıanyagok (koksz, brikett főtıolaj, földgáz) villamos energia villamos energia hıhordozó

22 1.4. A világ primerenergia-felhasználása

23 A világ primerenergia-felhasználása Brennstoff-Wärme-Kraft, 2004/11. p energiafelhasználás, EJ fejlıdı országok ipari országok

24 A világ primerenergia-felhasználása között (25 év alatt) a világ primerenergiafelhasználása megkétszerezıdött, s elérte a 95, kwh/év=342 EJ/év=8, toe értéket ben 504 EJ/év. Az átlagos növekedés elıtt 5 %/év, 1994-tıl 2 %/év, de a fejlıdık miatt növekszik. Új fejlıdı nagyfogyasztók (Kína (1300 Mfı), India (1000 Mfı), Brazília, Meikó ( Mfı), Dél-Afrika (50 Mfı) megjelenése. OECD országok ( EJ/év, között közel változatlan): közlekedés, szállítás: 31 %, ipar: 34 % (vegyipar 6 %), háztartás és mezıgazdaság: 35 %.

25 A világ primerenergia-felhasználása 2007-ben [IEA, 2009] Primer energiahordozó % Mtoe EJ Olaj Szén 26, Földgáz 20, Biomassza 9, Nukleáris energia 5, Víz 2, Egyéb (geotermikus, nap, szél, stb) 0, Összes

26 2. Energiamérleg Energiamérleg: a különbözı energiahordozók, különbözı veszteségek, különbözı szintő, együttes mennyiségi számbavétele. Nemzetközi, országos energiamérleg: toe [1 toe 42 GJ (=41,868 GJ) vagy tsze [1 tsze=28 GJ] PJ, EJ [10 15, J], kwh (EU-ban). Mértékegységek közötti átváltás! 1 kwh=3, J.

27 Az energiaellátás folyamábrája Hazai termelés Import Primer energiahordozók Import Hazai termelés Szekunder energiahordozók Átalakítási, feldolgozási veszteségek Szállítás, elosztás, tárolás Szállítási, tárolási veszteségek Energia végfelhasználás Hasznosult energia Felhasználási veszteségek

28 Energiamérleg Nemzetközi statisztikákban: TPES (Total Primary Energy Supply): összes primerenergia-ellátás=hazai termelés+import. Világ 2007-ben: Mtoe=504 EJ TFC (Total Final Consumption): összes vég(energia) felhasználás. Világ 2007-ben: 8286 Mtoe=346 EJ. A primerenergia-átalakítás átlagos hatásfoka 69 % (csak a villamosenergia-átalakítás veszteségeit hıerımővekben tartalmazza).

29 Energiamérleg Tervezés: a múlt tény- és a jövı becsült adatai alapján különbözı (várható, optimista, pesszimista) forgatókönyvek készítése. Energiahordozók korlátozott mértékő alternativitása! Energiahordozó és végfelhasználási struktúra lassú (évtized) változása. A technológiai átalakítások évtizedekben mérhetık.

30 3. Energiahatékonyság Energiahatékonyság: meghatározott energiafelhasználás mellett a gazdaság mekkora termelési értéket valósít meg. A nemzetgazdaság energiaigényessége energiaigé nyesség= primerenergiahordozó felhasználás [ toevagymj / év] GDP [ GrossDomestic Product [ FtvagyUSD / év] A nemzetközi statisztikák gyakran az egy fıre esı primerenergia-, villamosenergiafelhasználást adják meg.

31 Energiahatékonyság Az energiaigények, és ezáltal az energiafelhasználás csökkentése! Hı: jól hıszigetelt épületek, kisebb hıfelhasználású technológiák. Üzemanyag: kisebb fogyasztású autók. Villamos energia: jobb hatásfokú erımővek, kapcsolt hı- és villamosenergia-termelés, takarékos fogyasztású berendezések. Fogyasztói szokások megváltozása (kisebb helyiséghımérséklet, tömegközlekedés, áramfogyasztók kikapcsolása)?

32 4. Fenntartható fejlıdés Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. A fenntartható fejlıdés olyan fejlıdés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jövı generációit abban, hogy ık is kielégíthessék szükségleteiket. [Brundtland Közös jövınk jelentés, ]: Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jövı generációk életlehetıségeit veszélyeztetik. A lehetı legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jövı generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthetık. Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük. környezeti hatástanulmány, engedély.

33 Fenntarthatóság Fenntarthatóság Ellátásbiztonság Környezet, klímavédelem Versenyképesség

34 EU közös energiapolitikai célok Versenyképesség (Lisszabon): belsı piac, verseny, hálózati kapcsolatok, európai villamosenergiahálózatok, K+F (tiszta szén, CO 2 -elnyeletés, alternatív tüzelıanyagok, energiahatékonyság, nukleáris energia). Környezetvédelem (Kyoto): megújuló energiaforrások hasznosítása, energiahatékonyság, nukleáris energia, innováció és kutatás, CO 2 - emisszió kereskedelem. Ellátásbiztonság: nemzetközi párbeszéd, beszerzési források diverzifikálása, európai készletgazdálkodás (olaj, földgáz), finomító kapacitás és energiatárolás.

35

36 A fenntartható fejlıdés problémái Gazdasági-társadalmi különbségek. Természeti kincsek végessége (lásd készletek). Kibocsátások és azok hatásai (levegı-szennyezettség, klímaváltozás?). Energetikai ellátásbiztonság sérülése. A technikai fejlıdés kétarcú, pozitív és negatív hatások, a fejlıdés egyik mozgatóereje, csak régebben idıben és térben korlátozott hatások, míg ma a hatások és a veszélyek globálisak. Az energetika a fejlıdés feltétele, motorja, de ökológiai hatásai negatívak: kibocsátások, hatás a globális felmelegedésre, hatás az ózonlyuk növekedésére, hatás a biológiai sokféleségre.

37 4.1. Társadalmi-gazdasági különbségek A világ népességének alakulása (kb. 75 Mfı/év növekmény) Brennstoff-Wärme-Kraft, 2004/11. p világ összesen ipari országok ,5 lakosság, milliárd fı , ,1 1,2 1,4 0,

38

39 VÁLTOZÁSOK A VILÁGGAZDASÁG PÓLUSRENSZERÉBEN 2 pólusú rendszer MULTI PÓLUSÚ RENDSZER ORSZÁGCSOPORTOK MULTIKULTURÁLIS VILÁGGAZDASÁG 1, szén, vas 2, gőz, acél KANADA ÉSZAK-AMERIKA MEXIKÓ EUROPE ARAB ORSZÁGOK KÍNA OROSZOR SZÁG INDIA JAPÁN - AUSZTRÁLIA 3, motorok, villamosság, vegyészet 4, atom, elektronika 5, környezetbarát technológiák DÉL- AMERIKA DÉL- AFRIKA KIS TIGRISEK

40 GDP-eloszlás a világon

41 Gazdasági-társadalmi különbségek Népesség, gazdaság növekedése egyenlıtlen, különbözı kultúrák, óriási különbségek. Migráció erısödése. Nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus). Környezetromlás, globális ökológiai hatások. Az emberiség fokozatosan felismeri a veszélyt: - mekkora a föld eltartó képessége, - az egyenlıtlenségek, a migráció, a környezetromlás hogyan csökkenthetı, - a társadalmi, gazdasági és ökológiai fenntarthatóság szoros kölcsönhatásban van egymással.

42 Energetikai egyenlıtlenségek A régiók egy fıre esı energiafelhasználásának aránya Fekete Afrika: 13 GJ/fı; Világátlag: 80 GJ/fı; É-Amerika: 325 GJ/fı Fekete Afrika India Dél Ázsia Kína Latin Amerika Világátlag Magyarország Európai Unió Egyesült Államok 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

43 4.2. Energetikai ellátásbiztonság Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: megfelelı energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, ésszerő energiatakarékosság.

44 4.2. Energetikai ellátásbiztonság Nagy egyenlıtlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. A primerenergia-források messzebb, nehezebb körülmények között vannak, egyre hosszabbak a szállítási útvonalak. Egyre több szők keresztmetszet (csıvezetékek, tankerek, olajfinomítók, szakember-hiány!). Kína, India, Brazília, gyorsan fejlıdı gazdaságainak energiaigénye jelentısen nı. Növekvı verseny a nagy fogyasztók energiaellátásának nagy része importból importfüggıség az ellátásbiztonság sérül. Nemzetközi feltételektıl való erıs függés (terrorizmus, politikai zsarolás, bizonytalan jövıbeli környezetvédelmi követelmények) konfliktusok lehetısége.

45 Az EU importfüggése ,8 88,5 81, ,7 67,5 % , , Szilárd tüz. Olaj Földgáz Összes

46 Az EU importfüggése Már ma is nagy. Ha nem történik változás, akkor az importfüggés továbbnı. A bıvítéssel a helyzet nem változott, romlott. Nagy gond, mert alig vannak saját eszközeink a helyzet megváltoztatására. Lemondás a szénrıl és nukleáris energiáról, következmény a földgázfelhasználás növekedése, a GAZPROM-tól függés erısödése.

47 EU földgázimport eredet szerint (bcm=milliárd Nm 3 )

48 Az EU országok földgáz-ellátásának GAZPROM-tól való függése Bosznia-Herc. Észtország Finnország Macedonia Lettország Litvánia Moldávia Szlovákia Bulgária Magyarország Lengyelország Cseh Közt. Törökország Ausztria Románia Németország Olaszország Franciaország %

49 4.3. Az energetika környezeti kibocsátásai Kibocsátások és azok hatásai: üvegházhatás, ózon vékonyodás, biológiai sokféleség csökkenése, radioaktív sugárzás egészségügyi hatásai. A teljes vertikumot kell tekinteni!

50 Az energetika jelentısebb környezeti kibocsátásai

51 Üvegházhatású gázok: globális szennyezés Energetika: szén-dioid (CO 2 ), kén-heafluoridok (SF 6, transzformátorok). Más területek: metán (CH 4 ), dinitrogén-oid (N 2 O), fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluor karbonátok (PFC-k).

52 A világ CO 2 -kibocsátása [Mt/év]

53 Szén-dioid hatása Globális széndioid-kibocsátás (folytonos) és koncentráció (szaggatott) A föld átlagos hımérsékletének változása (vastag: porkoncentráció figyelembe vétele nélkül)

54 Globális klímaváltozás a 21. században (elırejelzések)

55 A földfelszín hımérsékletének változása ( )

56 Szén-dioid kibocsátás Fosszilis tüzelıanyagok kibocsátásai: szén: 108 [g CO 2 /MJ tüzelıhı, karbon], olaj: 70-75, földgáz: 58. Az energetika összes CO 2 -kibocsátása jelenleg kb. 27 milliárd t/év. A gépkocsi-forgalom jelentıs szerepe: azokban a városokban, ahol jelentıs a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.

57 A villamosenergia-termelı eljárások CO 2 -kibocsátása [kg/kwh]

58 Kén- és nitrogén-oidok: lokális szennyezés Károsítják az emberi egészséget, és hozzájárulnak a talaj, az erdık és a felszíni vizek savasodásához regionális környezetszennyezés. Természeti víz savas (ph 5,5) az oldott CO 2 miatt savasodás ph<5 (SO és NO miatt). SO -k kibocsátása a tüzelıanyagtól függ (2 kg SO 2 füstgáz/1 kg S tüzelıanyag): C (1-3 %): 2-5 g/mj, kıolaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/mj. Megoldás: fütgáz-kéntelenítés.

59 Kén- és nitrogén-oidok NO X -k: A tüzelés során, a levegı nitrogénjébıl 1100 o C hımérséklet felett keletkezik. Elıírások a kibocsátásokra: <30 mg/nm 3. Megoldások: DeNO berendezés, NO -szegény égık, vízbefecskendezés (földgáztüzeléső gázturbinák), katalizátoros motorok, fluid-tüzeléső kazánok (t<1000 o C).

60 Radioaktív kibocsátások Folyékony és légnemő radioaktív kibocsátások. Radioaktív hulladékok: kisaktivitású, közepes aktivitású, nagyaktivitású. Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés főtıelemek transzmutációja.

61 Az ellátásbiztonság és környezetvédelem ellentmondása Az ellátásbiztonság érdekei Az import csökkentése, elsısorban a földgázé. A hazai források (elsısorban szén, lignit) fokozott használata. Tiszta szén technológiák (CCS) terjesztése. A nukleáris energia fokozott használata. A környezetvédelem érdekei CO 2 emisszió csökkentése szén, lignit felhasználás csökkentése. Ellenzi a CCS technológia és a nukleáris energia felhasználását. Következmény: növekvı földgázfelhasználás az ellátásbiztonság sérül.

62 Dilemma: melyik világ lesz versenyképesebb? Gyorsan nı az energiafelhasználás. Gyorsan nı a fosszilis energiák szerepe. A megújuló energiaforrások hasznosítása lassan nı. A nukleáris energiát fejlesztik. A tiszta szén technológia a közeljövı megoldása. Amit meg lehet csinálni 20 %-os primerenergiafelhasználás csökkentés. Leépítik a fosszilis (szén) energiákat. A megújuló energiaforrások felhasználásának erıltetett növelése (20 %). A nukleáris energia jövıje kérdéses. A tiszta szén technológiában nem hisznek. Ami jó lenne