FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 1.

Átírás

1 FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 1. Dr. Munkácsy Béla PhD szélenergia és tájhasználat adjunktus, Környezet- és Tájföldrajzi Tanszék Okl. környezetgazd. - szakmérnök-képzés (BME) Energiatervezés és fenntarthatóság (Oslo University) ~100% megújuló energia a háztartásban munkacsy@elte.hu I-419. szoba

2 FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 1. FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 2. TERVEZÉS ÉS STRATÉGIA AZ ENERGIAGAZDÁLKODÁSBAN (FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 3.) KORSZERŰ ENERGIAGAZDÁLKODÁS A TERÜLETI TERVEZÉS TÜKRÉBEN - GYAKORLAT (FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 4.)

3 Az energiagazdálkodás célja hogy energiaszolgáltatásokat vehessünk igénybe az élet minden területén a nap minden percében:

4 A rendelkezésre álló energia fő típusai HŐENERGIA fűtés, meleg víz, szárítás VILLAMOS ENERGIA (1963 óta minden magyar településen) hő > mozgás > villamos áram MOZGÁSI ENERGIA közlekedés, szállítás

5 1,2 milliárd ember él áram nélkül - 1,0 milliárd vidéken - 0,2 milliárd városban

6 Alapfogalmak Energia: munkavégzési képesség, egysége a JOULE. Használatos még a Wh (wattóra) - SI-n kívüli mértékegység = ha valami egy órán keresztül 1 watt teljesítménnyel üzemel, akkor ezalatt 1 Wh munkát végez. Átváltása: 1 Wh = 3600 J. A teljesítmény az időegységre eső energia, egysége a WATT (joule/mp); Többfajta energiát különböztetünk meg aszerint, hogy miből ered a munkavégző képesség helyzeti, mozgási, mágneses, Elektromos, Hőenergia - minden spontán folyamatnál bizonyos munka kárba vész, hővé alakul át. A hő csak részben alakítható át másfajta energiává.

7

8 Energiaforrások csoportosítása

9 A világ primer energiaszerkezetének változása (%)

10 Az energiafogyasztás mértékének és szerkezetének forrásoldali változása

11 Az ÖKOLÓGIAI LÁBNYOM kiszámítása igazolja: Az energiagazdálkodás eddig alkalmazott elvei és gyakorlata többé nem elfogadhatók!!

12 Fosszilis: 78,4% Megújuló: 19% Atom: 2,6% Forrás: REN21 Global Status Report 2014

13 Néhány technológiához kapcsolódó teljesítményadat Napelemtáblák névleges teljesítménye ~120 W Szélerőművek névl. teljesítménye ~ W (120 W - 5 MW) Szenes erőműveink névl. villamos teljesítménye ~ W ( MW [Borsodi - Mátrai) Paksi atomerőmű névl. villamos teljesítménye ~ W (2000 MW) megtermelt energia mennyiségének (MWh) kiszámítása szél atom

14 Fogyasztók teljesítménye Világítótestek: Izzó: 60 Watt LED: 10 Watt Laptop: Watt Betonkeverő: Watt Hajszárító: Watt Vasaló: Watt Lift: 5000 Watt (4-6 kwh/hó átlagosan) Elektromos autó (Nissan Leaf): Watt

15 Büki Gergely: Energetika c. tankönyv (BME)

16 Társadalomtudományi és interszektorális összefüggések Pszichológia Szociológia Pedagógia Kommunikáció-tudomány JÓLÉT Életstílus Újrahasználat, újrafeldolgozás Hulladékgazdálkodás Fogyasztás oldali energiagazdálkodás Energiaszolgáltatások (közlekedés, fűtés, hűtés, világítás Építéstudomány Közlekedéstudomány Termékek, berendezések Ellátás oldali energiagazdálkodás Másodlagos energiahordozók (elektromos áram, benzin, Földtajztudomány Területi tervezés Elsődleges energiahordozók (szén, kőolaj, napenergia Környezetgazdaságtan Geológia és bányászat Vízgazdálkodás Mező- és erdőgazdálkodás szerves melléktermékek és hulladékok felhasználása

17 Tim Jackson: Prosperity without Growth Report, 2009

18 Energiatermelés célja és módja szerint (ipari lépték) KIZÁRÓLAG HŐTERMELÉS Fűtőmű: kizárólag hőenergiát (meleg vizet) előállító erőmű (hatásfok: 30-50%) KIZÁRÓLAG ÁRAMTERMELÉS Kondenzációs hőerőmű : a tüzelőanyag elégetése során nyernek hőenergiát, ezzel nagynyomású gőzt fejlesztenek, amely gőzturbinát hajt, az pedig a generátort. (hatásfok ~30-35%) Gázturbinás hőerőmű (széleskörű alkalmazása az 1980-as évektől): A gáz égésterméke hajtja meg a turbinát, nincs vízmelegítés (átl. hatásfok: ~30%) Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű (CCGT): A gázturbinából távozó forró gázzal még vizet is melegítenek, és gőzturbinát hajtanak. (hatásfoka: ~50%)

19 Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű (CCGT) Földgázt vagy turbinaolajat elégetve állítanak elő villamos energiát.

20 A fosszilis erőmű és az atomerőmű elvi felépítése Ami az atomerőműben történik, az a víz melegítésének lehető legbonyolultabb módja. Albert Einstein

21 Paksi atomerőmű Vízmelegítés a radioaktív bomlás hőjével Egy reaktor villamos teljesítménye: 500 MW összes: ~2000 MW p Egy reaktor hőteljesítménye: 1375 MW össz: 5500 MW th 20 MW hő-önfogyasztás 3-6 MW távfűtésre 5 km vezeték 10 cm kőzetgyapot szigetelés Alumínium borkolat 10-12% hőveszteség

22 Kogeneráció Kapcsolt hő és villamos energia termelés CHP combined heat and power A hőerőművekben keletkező hulladékhőt hasznosítják. A hatásfok jellemzően ~75-90%, így például a fűtőanyag ~30-35%-ból villamos áram, 50-55%-ból hőenergia keletkezik. SHP CHP

23 Kulcskérdés az energia szállíthatósága Primer energia: korlátlan Villamos energia: km nagyfeszültség: 120 kv-nál nagyobb AC (gyakoribb) - DC (hosszabb távolságra alkalmasabb) Nagyobb transzformátorállomások között húzódik. Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak. Rácsos szerkezetű, m magas acéloszlopokon. középfeszültség: kv Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak. Főleg lakott területeken kívül halad a vezeték, de belterületen is előfordul. Az oszlopok magassága m. kisfeszültség: 0,4 kv a végfelhasználókat, a fogyasztókat látja el. Lakott területeken húzódik. Többnyire gyengeáramú vezeték (pl. kábeltévé, telefon stb.) is üzemel az oszlopon Hőenergia: km ez szab határt a kogenerációnak!

24

25 A magyar villamosenergia-rendszer importja (2012)

26 Kogeneráció a gyakorlatban Gond: a hőenergia nyári felhasználásának korlátozottsága Amerikai Egyesült Államok a villamosenergia-termelésnek csak 8%-át adta 2008-ban Németország a villamosenergia-termelésnek 13%-át adta 2008-ban Finnország a kogenerációban világelső a villamosenergia-termelésnek 29%-át adta 2008-ban a hőenergia-termelésnek 65%-át adta 2008-ban

27 Tri- és quadgeneráció TRIgeneráció: áram + hő + hűtés a nyári időszak hőelhelyezése hűtésre abszorpciós hűtőszekrény segítségével (hőszivattyúval működő hűtőgép) QUADgeneráció: áram + hő + hűtés + CO 2 viszanyerése (CCS vagy technológiai CO 2 )

28 Decentralizáció Forrás: The Smart Grid An Introduction, U.S. Department of Energy

29 Együttműködő rendszerek

30 Egy háztartás napi áramfogyasztásának mintázata

31

32

33 Grid Smart Grid SMART ENERGY SYSTEMS The Grid: the most significant engineering achievement of the 20th Century (National Academy of Engineering USA), az autópálya 11., az internet csak 13. A smart grid is an evolved grid system that manages electricity demand in a sustainable, reliable and economic manner, built on advanced infrastructure and tuned to facilitate the integration of all involved (ABB).

34

35

36 A jövő energiarendszerének (smart energy system) HÁROM fő jellemzője o Fenntartható: o Elsősorban környezeti szempontból vagyis megújuló alapú o Az energia fogyasztásának időbeni befolyásolására épít o Az energia tárolásának megoldásait alkalmazza o Szivattyús tározás o V2G vehicle to grid o P2G power to gas

37

38 Elkerülhetetlen megoldás a termelés és fogyasztási optimalizálására: az energia tárolása Szivattyús tározás: 65-75% hatásfok Lendkerék: 70-90% hatásfok Akkumulátor: 65-75% hatásfok

39 V2G - Vehicle-to-Grid A gépjárművek az idő legalább 80%-ában parkolnak; A Li-ion akkumulátorok tárolási hatékonysága megközelíti a 100%-ot; Egyetlen jármű kwh energiát tárolhat (Tesla: 30 kwh) fogadhat vagy adhat a hálózatra. Magyarországon 3 millió szgk. - 2,4 millió nincs mozgásban 72 millió kwh = 72 ezer MWh = 36 db Paksi Atomerőmű 1 órán keresztül ennyi áramot biztosít

40 Az elkerülhetetlen paradigmaváltás elvi háttere Etikai Társadalmi környezeti Gazdasági - pénzügyi Energetikai

41 ETIKAI MEGFONTOLÁSOK A FELHASZNÁLÁS IDŐBENISÉGE múlt jelen jövő?? A FELHASZNÁLÁS TERÜLETI JELLEGEZETESSÉGEI

42 Az ember átlagos energiafogyasztásának változása a történelem során

43 Energiafogyasztás/fő kontinensenkénti bontásban

44

45 Az energiarendszer igen hosszú időre határoz meg lényeges dolgokat

46 KÖRNYEZETI MEGFONTOLÁSOK

47 WWF: Living Planet Report, 2004

48 Villamosáram-termelés üvegházgáz-kibocsátása (gco 2 -e/kwh) Szél: 9-10 Víz: Fotovillamos: 32 Biomassza: Geotermális: 38 csökken Atomenergia - növekszik g CO 2 -e/kwh el - Leeuwen, J. W S (U-koncentráció ) 66 g (1,4 288) CO 2 -e/kwh el - Sovacool B.K Földgáz: 443 Kőolaj: 778 növekszik Szén:

49 Az ökológiai lábnyom és főbb komponensei néhány európai országban és Svájc energialábnyoma (Swiss Federal Statistical Office, 2006) 17% 35%

50 103 életcikluselemzés alapján a könnyűvizes atomerőművek üvegházgáz-kibocsátása (gco 2 e/kwh): Bemeneti oldal: 25,1 Építési tevékenység: 8,2 Működtetés: 11,6 Kimeneti oldal: 9,2 Lebontás: 12,0 ÖSSZESEN: ~66,1 gco 2 e/kwh és növekszik Kimeneti oldal: 14% Lebontás: 18% Bemeneti oldal: 38% Sovacool, B. (2008) Működés: 18% Építés: 12%

51 Környezetterhelések szenes erőművek életciklusában Keaton, M. 2001

52 Életciklus szemlélet! Külfejtések hatása: Mátra-Bükkalja lignitbányászat

53 AZ ÉLETCIKLUS ELEJE

54

55 bányameddő

56 AZ ÉLETCIKLUS KÖZEPE Ratcliffe on Soar Power Station, UK

57

58 Az életciklus vége

59

60 Éghajlatváltozás

61 Az atomenergetikához kapcsolódó jelentősebb balesetek

62 GAZDASÁGI és NEMZETSTRATÉGIAI MEGFONTOLÁSOK

63 Magyarország energiaimportja ~ milliárd Ft/év Probléma: Jelenlegi életvitelünk olyan mennyiségben és olyan speciális szerkezetben igényel energiaforrásokat, amelynek kielégítése a hazánkban rendelkezésre álló jelenleg használatos energiaforrásokkal nem lehetséges.

64 Az atomenergiáról nem esik szó a hazai statisztikákban így készítünk stratégiát az atomerőművi fűtőelemek importjával ez 70-75% Forrás. Nemzeti Energiastratégia 2030

65 Externáliák

66 Externália problematikája Külső gazdasági hatás: egy gazdasági szereplő tevékenysége piaci ellentételezés nélkül befolyásolja egy másik szereplő helyzetét Kívülálló személy(ek) jólétét módosítja Nem kötelezik az okozót a kár kompenzálására A hatás nem szándékolt Pozitív és negatív

67 ExternE szennyező fizet elv externáliák: külső gazdasági hatások

68 Különféle technológiák átlagos emissziója a teljes életciklus alatt Németországban szélturbina (g/mwh) széntüzelés (g/mwh) lignittüzelés (g/mwh) olajtüzelés (g/mwh) gáztüzelés (g/mwh) CO SO NOX korom CH N2O 0, Forrás: ExternE National Implementation Germany, 1997.

69 CO2 Különféle technológiák teljes életciklusának összehasonlítása a légszennyezés szempontjából SO2 NOX

70 Az energia szektor externális költségei az EU-ban (cent/kwh) a villamos áram termelés átlagos költsége 4 cent/kwh

71

72

73 1) Környezetszennyezés externális költségek évente: csak a villamosenergia-termelésben, csak a fosszilisokra vonatkozóan és csak a négy vizsgált anyagra összesen 458 mrd forint (2004) baráti alapon számolva. Forrás: Pál Gabriella Huba Bence (2004): Magyarország energetikai környezetértékelése és a kapcsolódó indikátorok meghatározása, különös tekintettel a megújuló energiaforrások felhasználási lehetőségeinek kiaknázására

74 Német állami támogatások 90% hagyományos, 10% RE között átlagosan de 2012-ben is!!!

75 ENERGETIKAI MEGFONTOLÁSOK A jelenlegi rendszer - hatékonysága szánalmasan alacsony; - az energiabiztonság szempontjából az erősen központosított rendszer nem ideális; - a szolgáltatások elosztása nem igazságos; - a káros környezeti következmények azonban kivétel nélkül mindenkit érintenek.

76 Energy Return on (Energy) Investment (EROEI)

77

78 Energetikai megtérülés olajhomok

79 Mennyi idő alatt termeli meg a befektetett energiát egy napkollektor? És egy villanybojler? Egyes megújuló energiaforrások alkalmazására jellemző energia-megtérülési idők Szélerőmű Vízerőmű Termovillamos naperőmű Észak-Afrikában Polikristályos fotovillamos rendszer Közép-Európában Vékonyfilmes fotovillamos rendszer Közép-Európában Napkollektor Geotermikus hőenergia Fosszilis és atomenergiát használó rendszerek forrás: Pehnt, M. et al. (2009) 3-7 hónap 9-13 hónap 3-7 hónap hónap hónap hónap 7-10 hónap soha

80 Új irány

81 2001/77/EK irányelv a megújuló energia részarányára az áramtermelésben

82 RES Direktíva (2020) in final consumption 2009/28/EK IRÁNYELV Lettország 40% Svédország 49% Finnország 38%

83 EU - új áramtermelő kapacitások és évi adatok

84 Az áramtermelő kapacitások változása az EU-ban között

85 Új villamosáram-termelő kapacitások az EU-ban

86 Az újonnan telepített villamosenergiatermelő kapacitás az EU-ban megújuló részarány! MW 71% 70%

87 FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS - 1 1) Hatékonyság fokozása: Egyfelől ugyanazt a szolgáltatást kevesebb energia felhasználásával: pl. világítás, hűtés-fagyasztás 2) Takarékosság: igények ill. kényelmi elvárások visszaszorításával;

88 FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS - 2 Megújuló energiaforrások terjedésének elősegítése decentralizálás - biztonságosabb ellátás, kisebb szállítási veszteség; importfüggőség csökkentése biztonságosabb ellátás, kevesebb kiadás és több bevétel; hazai munkaerő alkalmazása különösen a biomassza hasznosítása esetén; nagyobb egyéni és közösségi felelősség autonomitás és demokrácia erősödése; összehasonlíthatatlanul kisebb környezeti terhelés

89 NAP Szél Víz Biomassza Geotermikus energia Passzív hasznosítás építészeti megoldások Fotovillamos hasznosítás (napelem) Fototermikus hasznosítás - használati melegvíz előállítás (napkollektor) - villamos energia előállítás Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) szolár farm (napvályú) elnyelőtornyos naperőmű (naptorony) parabolatányéros erőmű (naptányér) Szélerőmű Folyóvíz (mikro vagy makro) hegyvidéki (magas völgyzáró gátak, de kis terület) síkvidéki (alacsonyabb duzzasztóművek, de nagyobb terület) Tengervíz hullámzás ár-apály áramlások Energiaültetvény fa olajos magvak cukortartalmú növények Hulladék-biomassza erdészeti és faipari hulladék, napraforgószár stb. trágya Hőenergia Villamos áram

90 Megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos vélekedések Drága A sok közül melyik? Kicsi az energiasűrűsége A teljes életciklusban? helyette: teljesítménysűrűség - az az ütem, amellyel az energia termelődik vagy elfogyasztásra kerül egységnyi területre vetítve. Környezetterhelő (pl. szélturbina lecsapja a madarakat) Mihez képest? A berendezések létrehozásához túl sok energia kell A konkurens megoldás (villanybojler) vajon mikorra termeli meg az előállításához szükséges energiát??

91 Van remény