A JÖVŐ ENERGIATERMELÉSE

Átírás

1 A JÖVŐ ENERGIATERMELÉSE Világadatok Globális mennyiség TPES felhasználás(2010) 502 EJ (ipar 30%, közlekedés 29%, lakosság 22%,mezőgazdaság, szolgáltatás 19%, villamos energia 40%) Villamosenergia kapacitás 4,4 Tw e Éves villamosenergia 21,3 PWh=77,2 EJ Emberek villamosenergia nélkül 1,44 milliárd Emberek ivóvíz nélkül 0,884 milliárd Éhező emberek 0,925 milliárd 1

2 Hőerőgépek ciklusainak felosztása Rankine ciklus: stacionáris rendszert (villamos hőerőművek, fosszilis és atom), hatásfok~30% Brayton ciklus: földgáz és olaj gázturbinás erőművek, hatásfok~28% Kombinált Rankine Brayton ciklus: csak földgázra, hatásfok~60%! Otto ciklus: belsőégésű szikragyújtású motorok, hatásfok ~ 25% Dieselciklus: kompressziós gyújtású belsőégésű motorok, hatáfok~30% Rankine ciklusok elméleti hatásfokai Rankine ciklus Hatásfok, % Hőátadás hőmérséklete K 0 C Alap 41, Túlhevített 45, Túlhevített+újrahevített 46, Túlhevített+tápvíz előmelegített 52, Túlhevített+újrahevített+tápvíz 53, előmelegített Szuperkritikus 56,

3 Összehasonlító CO2 emissziók: Forrás Kg C/MWh energia Hasadási reaktor 4 Szélerőmű 8 Vízerőmű 8 Energianövények 17 Geotermikus erőmű 79 Naperőmű 133 Gázturbinás erőmű 430 Olajtüzelésű erőmű 828 Szénerőmű 955 Forrás: British Royal Academy of Engineering (2006) 3

4 Energiatermelés a jövőben A világ primer energia felhasználása folyamatosan növekszik (évente ~2,3%- al), a kezdeti értékmintegy 100-szorosára nőtt. Jelenleg ~10 TW és döntöen fosszilis eredetű! Jelenleg ~900 MJ/nap/fő (10,4 kw/fő). Napi táplálékunk energiatartalma ~0,14 kw/fő (3000 kcal/nap), ami az össz energiafogyasztás 1 % a. Az energiafogyasztás nagyon szór, Svédország kwh/fő/év, Tanzánia 100 kwh/fő/év. A világ lakossága is folyamatosan növekszik, tehát az energia felhasználásnak is növekednie kell. Hatékonyabban kell többet termelni. Az energia intenzitás (kwh/$ előállított érték nagyjából állandó ezért évi 2% os GNP növekedés kell a növekvő energiaigény kielégítésére. Rubbia professzor számításai szerint 10 milliárd ember európai szinttű energiaellátásához ~39 TW teljesítmény ( a jelenlegi mintegy háromszorosa) szükséges! Ezt a hatalmas energiaigényt csak új nagy volumenű energiaforrással lehet kielégíteni. A szén, olaj, gáz és urán készletek jelenlegi fogyasztás mellett becsült tartama 230, 45, 63 és 54 év. A fosszilis éra vége közeledik! A megújuló energia források (szél, nap, geotermia stb.) önmagukban nem elégségesek a megháromszorozódott energiaigény kielégítésére! Ezt az energiaigényt csak a napból közvetve, vagy közvetlenül lnyerhető ő forrásból bóllh lehet kielégíteni! i! 4

5 Mekkora energia nyerhető a napból? A Föld legnaposabb régióiban az éves primer napsugárzás energiája ~2500 kwh/m 2, ami ~285 W/m 2. A 30 TW energiát 1, /η km 2 területen lehet összegyűjteni, ahol η a napenergia átalakítási hatásfoka hasznosítható energiává. A hatásfok a napelemeknél 0,1, a gyorsan növő biomasszánál pedig 0,005. Tükrökkel fókuszálva o C hőmérsékletű hő állítható elő szeres koncentrációval akár 200 W/cm 2, azaz 200 MW/m 3 teljesítmény sűrűség is előállítható, ami megegyezik a nukleáris reaktorok teljesítmény sűrűségével. A következő ábrán látható naptoronnyal szeres koncentrálást sikerült elérni. Egy 3000 MW t azaz 1000 MW e teljesítményű reaktorral ekvivalens naperőmű kollektorainak felülete ~20 km 2. A jelenlegi 10 TW teljesítményt tehát n=10 13 W /10 9 W=10 4 =10000 db 1000 MW e teljesítményű naperőművel lehetne előállítani, ami 10000*20 km 2 = km 2 kollektor felületet igényelne, ez pedig a Föld összes megművelt területének (10 7 km 2 ) 1% a MW t hőteljesítmény költsége jelenleg 1,5 2 milliárd US dollár a nukleáris és a naperőmű esetén is. Jelenleg 200 US dollár/m 2 a beruházási költség, de ez US dollár/m 2 értékre csökkenthető. Egy megfelelően konstruált naperőmű üzemi élettartama ugyanannyi, mint az atomerőműveké ~40 év. Ugyanakkor karbantartási alacsonyabb, üzemanyag költsége pedig nulla. Nem kell hulladék keletkezésével, tárolásával számolni. A napi ingadozások elsimítását hatásos energitárolók alkalmazásával lehet elérni. Ez nitrit sóolvadékok hevítésével ( o C között olvadt, stabil állapotú) megoldható, mely hőszigetelt tartályokban tárolható. Hosszabb napsütés üé hiányában áb fosszilis, vagy más tartalék energiaforrás használható. Ha a napenergiát megfelelően nagy mennyiségben hasznosítjuk versenyképessé tehető a jelenlegi energiaforrásokkal. η~0,25 esetén a felület igénye megfelelő. 5

6 Magyar napenergia potenciál Napsugárzás energia hozama 1265kWh/m 2,év = 4914 MJ/m 2,év Magyarország területe 9,3 millió hektár = 93 x 10 9 m 2 Magyarország területére eső napenergia 457x10 3 PJ Magyarország energia felhasználása ~1150 PJ Napenergia/energia felhasználás 400 szoros 1 m 2 napkollektor ~ 500 kwh/év = 1800 MJ/év 4 PJ ~ 2,2 millió m 2 kollektor Mi a konvencionális (fissziós) nukleáris energiatermelés jellemzője? Kezdetben korlátlan, olcsó és elegendő energiaforrásnak tekintették! Ez a megítélés fokozatosan romlott. Meglévő előnyei a fosszilis energiahordozókkal szemben: nincs szén-dioxid kibocsátása és rendkívül nagy teljesítmény sűrűségű. 1 t urán ha teljesen elhasadna 3 millió tonna szén, vagy 2,225 millió m 3 olajenergiájával ekvivalens energiát szolgáltatna, azaz a kémiai energia szorosát! A jelenlegi földi teljesítmény igény 10 TW évi 3900 tonna hasadóanyag elhasításával előállítható lenne. Sajnos, a jelenlegi LWR hasadási reaktorok jobbára termikus neutronnal és dúsított uránnal üzemelnek és messze vannak az ideális működéstől. Csak a 0,7%-ban jelenlévő 235 U hasad, melynek csak mintegy 60%-át nyerik ki a dúsításnál, ál így csak a természetes t urán energiatartalmának t 0,4%-át hasznosítják energetikailag. Így 1 GW e x30 év=6,1 TWhx30~183 TWh energia előállításához 45 millió tonna 0,2% U tartalmú ércet kell kibányászni, az ugyanennyi energiához szükséges 321 millió tonna szénnel szemben! 6

7 Ezen felül jelentős tömegű hosszú élettartamú radioaktív izotóp (gázok is) kelekezik, melyek egy része a környezetbe jut. Az atomerőművi balesetek csökkentették a nukleáris energiatermeléssel szembeni bizalmat. A keletkezett hosszú élettartamú radioaktív hulladékok (évente ~12000 tonna), a katonai felhasználás és a teorizmus veszélye ugyancsak csökkentette ezen energiatermelési mód előnyeit. Ráadásul a termikus hatásfok csak ~33%, növelni kellene a hőmérsékletet és a klasszikus LWR reaktorok telített vízgőzös energetikai ciklusát el kell hagyni. Tehát ÚJ NUKLEÁRIS TECHNOLÓGIÁK SZÜKSÉGESEK (fúzió és gyorsítóval üzemelő fisszió)! A konvencionális nukleáris energiatermelés fejlődése 7

8 I Generáció: Magnox reaktor (UK) Wylfa, Anglesey (UK) MW e units Magnox fűtőelem köteg természetes urán grafit moderátor CO 2 hűtés relative kis hatásfok II Generáció: advanced gas-cooled reactor (AGR) Hinkley Point B dúsított urán szén-dioxid hűtés naygobb aktív zóna jobb hatásfok kevésbé hatékony kiégés A hőcserélő acélbetétes beton konténerben van. 8

9 II Generáció: Nyomottvizes reaktor-pressurised water reactor (PWR) Sizewell B PWR (UK) III. Generáció: Olkiluoto NPP (EPR-PWR), Finnország The second Gen-III reactor under construction; 1600 MW 9

10 Olkiluoto NPP unit 3: (Evolutionary Power Reactor of the PWR-type. An Areva/Siemens undertaking) Areva EPR (France) (Evolutionary Power Reactor of the PWR-type) 1. Reaktor zóna 5. Turbogenerátor turbine 2. Szabályzó rudek 6. Hűtővíz 3. Nyomásfokozó 7. Kontéjnment 4. Hőcserélő Jellemzők: Javított elrendezés Jobb technológia, nagyobb biztonság Egyszerűbb karbantartás Kevesebb hulladék, kilépő áram 10

11 Westinghouse AP1000 fejlesztett passzív reaktor: 1. Aktív zóna 2. Hőcserélő 3. Nyomásfokozó 4. Passzív vészhűtő víz rendszer 5. Acél kontéjnment 6. Turbinák Passzív biztonsági rendszerek 50%-al kevesebb szelep és tolózár 35%-al kevesebb szivattyú IV. Generáció: szuperkritikus vízhűtésű reaktor: Jellemzők: Sokkal magasabb T és P értéken üzemel mint a II. Gen. erőművek Közvetlen egyszer átömlésű ciklus Magas termikus hatásfok Olcsóbb villamos energia 11

12 IV. Generáció: - Fűtőelemgolyó töltetű moduláris reaktor Fűtőelemgolyó töltetű reaktor elrendezése: A fűtőelemegolyó töltet: 12

13 ÚJ NUKLEÁRIS TECHNOLÓGIÁK Alapvetően két technológia a fúzió és a gyorsítóval működő energiaerősítő jöhet szóba. Mindkét technológia esetén η~1, azaz a tüzelőanyag teljes elégetésre kerül és lényegében végtelen nagyságú készlet áll rendelkezésre. 1. Fúzió A legegyszerűbb esetben komprimált trícium ( 3 H) égéséről beszélünk: H + 1H 0n+ 2He + 17,6 MeV A radioaktív tríciumot lítiumból fejlesztik a keletkezett neutron segítségével: Li + 0n 2He+ 1H + 4,9 MeV További trícium szükséges a veszteségek pótlására a következő reakcióban keletkezik: Li + 0n 2He+ 1H+ 0n Itt a neutron nem veszik el és egyensúly érhető el, amikor a keletkező és fúzionáló trícium mennyisége megegyezik. Ennek a reakciónak nagy hátránya az, hogy a keletkező energia zömét a gyors (14 MeV) neutronok hordozzák, melyek a környező atommagokkal ütközve felaktíválják a reaktor szerkezeti anyagát! A következő fúziós reakció kevesebb felaktívált anyagot generál: He+ 1H 2He+ 1p + 18 MeV Itt mintegy 6% ban neutronok is keletkeznek a 1 H+ 1H 2He+ 0n + 3,27 MeV 3 reakcióban. Itt az a probléma, hogy a nem 2He áll rendelkezésre csak a Holdon! Ezért valószínűtlen, hogy onnan ezer tonna számra a Földre szállítsák! Ezért olyan exoterm fúziós reakcióra van szükség, mely nem termel neutront és így inherens módon inaktív reakció termékek keletkeznek. Egy ilan reakció: p+ 5B 2He + [ ] 8,78 MeV 13

14 Sajnos ez a fúziós reakció nem gyújtható be mágnesesen komprimált berendezésben (Tokamak) és inerciável komprimált fúzióban sem. Ez a reakció sem gamma sem neutron sugárzást nem generál, mindkét reakció komponens negy mennyiségben áll rendelkezésre! Ezen reakció energetikai hasznosítására azonban forradalmian új műszaki megoldás szükséges! 2. Fisszió A gyorsítóval meghajtott energiaerősítő (EA) a következő hasadási reakciót hasznosítja: U+ n 2,33 n + 2FF 200 [ ] MeV és a hasítást egy nagy energiájú gyorsítóban előállított neutronok hozzák áklétre. Akárcsak a fúzió esetében, a természetben nem létező 233 U magokat természetes tóriumból szaporítással állítjuk elő egy másodlagos neutronnal: β Th+ 0n 90Th + γ 92U+ 1 e Ebben a reakcióban a neutronokat külső forrásból kell pótolni a gyorsítóval, mert a hasadáskor keletkezett 2,33 neutronból 2 neutron kell a szaporító ciklushoz és a mindenkori veszteségek miatt a 0,33 neutron nem elégséges a kritikusság fenntartásához! Egyensúly áll be, ha az elhasadt és keletkezett 233 U mennyisége ugyanannyi! Az energiaerősítő képes teljesen elhasítani a neutronbefogásos megreakciókkal létrejövő transzuránokat is, melyek a 233 U neutron adszorpciójával jöttek létre (a hasadások ~5% a). Tehát az energiaerősítő zárt aktinida ciklussal rendelkezik, teljes mértékben elhasítja a 232 Th üzemanyagot és így η~1! A keletkezett hulladékban csak hasadvány iztópok vannak, melyek nagy aktivitásúak ugyan, de jóval rövidebb élettartamúak mint a transzuránok! Úgy a fúziós, mint az energiaerősítős nukleáris energiatermelő berendezések subkritikus rendszerek és így a zónaolvadás lehetetlen! Mindkét berendezésben a termelt elektromos energia 5 30% át recirkulálják a plazma felfűtésére, vagy a gyorsító üzemelésére. 14

15 Az ábrán a könnyűvizes hasadási reaktorokban (LWR), a fúzió és az energiaerősítő rendszerekben keletkező radioaktív hulladékok radiotoxicitását mutatjuk be az idő függvényében. Az energiaerősítő rendszerekben a keletkezett radioaktív hulladékok mennyisége kevesebb és gyorsabban bomlik, a fúziós rendszerekben pedig nagyságrendekkel kisebb. A fluidizációs technológia széles körben jelenleg atmoszferikus nyomású tűztérrel kerül alkalmazásra, de nagyobb nyomású változatát is jelentősen fejlesztik. A jelenlegi fejlettségi szintet reprezentálja Franciaországban a Provance Erőmű 4. blokkja, atmoszferikus fluidizációs tüzeléssei, 250 MW e névleges teljesítménnyel. Főbb paraméterek: 610 MWt, 260 MW e, 740 t/h gőz, 1.69 bar, 567 o C, 565 o C, kazánhatásfok 94%; Ca/S 1 3,5. A SO 2 kibocsátás 400 mg/m 3 alatti, a NO x 240 mg/m 3, pernye 20 mg/m 3 A jövő energetikai szénhasznosítását megalapozó jelenlegi fejlesztések a technológiák széles körét ölelik lik fel, flés négy nagyobb csoportba sorolhatók: Az ultra szuperkritikus USC gőzparaméterekkel rendelkező erőmű, o C gőzhőmérséklet esetén 12Cr minőségű acél alkalmazásával. A technológia kulcsa a hőálló acél. Az új 12Cr acél kifejlesztése megfelel az igen szigorú feltételeknek. Még Cr V és 9Cr acél alkalmazásával építhető 1000 MWe blokk 24,5 MPa, o C gőzparaméterekkel. Ilyen az Electric Power Development Co., Ltd. (EPDC) blokkja Matsuura ban. A nyomás alattifluidizációstüzelés (PFBC) alkalmazásával250 MW blokk, kombinált ciklussal A nyomás alatti fluidizációs tüzelés (PFBC) alkalmazásával 250 MW e blokk, kombinált ciklussal (néhány MW teljesítménnyel kísérleti berendezések üzemelnek). A nyomás növelése a fluidizációs tüzeléseknél is régóta igény a tüzeléstechnikában. Különösen előtérbe került ez a törekvés a gőz gáz körfolyamatok mind szélesebb elterjedésével. A nyomás alatti tüzelés (Pressurized tluidized bed combustion, PFBC) alkalmazásánál alap vetően két irányban indult erőteljes fejlesztés, úgymint a tüzelöanyag teljes égése utáni füstgámak gázturbinára való vezetése és a fluidkazánban a tüzelőanyag elgázosítása és a gáznak a gázturbina égőtérben történő eltüzelése. 15

16 Az integrált szénelgázosításos kombinált ciklusú (IGCC) és az integrált szénelgázosításos tüzelőanyag cellás (IGFC) kombinált ciklusú erőművi blokkok kutatási munkái és fejlesztése; az olvasztott karbonátos tüzelőanyag cellák (MCFC) elvi tanulmányozása és az MCFC alkalmazásával energiafejlesztés megvalósítása a tiszta, nagy hatásfokú energiafejlesztés érdekében. A szénelgázosításkor keletkező gáz főképpen szén monoxidot tartaimaz. Az elgázosítás során jelentős problémát okoz a gáz tisztítása mind szilárd, mind a gáznemű szennyező anyagoktól. Az olvasztott karbonátos tüzelőanyag cellák (MCFC) elvi tanulmányozása és az MCFC alkalmazásával yg ( ) y energiafejlesztés megvalósítása a tiszta, nagy hatásfokú energiafejlesztés érdekében. Az MCFC kémiai energiafejlesztési eljárás, mivel a hidrogén és az oxigén elektrokémiai reakcióját használja. A reakció során keletkezett elektronok az anódról a katódra áramlanak és villamos energiát fejlesztenek. A folyamatba a szénelgázosítás során keletkezett H 2 és CO is bekapcsolható. A rendszer 650 o C on működik, és gázturbinás kapcsolás alakítható ki. Szénelgázosítással kombinált MCFC energiafejlesztési körfolyamattal 50 52% villamosenergia fejlesztési hatásfok érhető el. 16