Energetikai gazdaságtan 1. gyakorlat Alapfogalmak

Átírás

1 nergetikai gazdaságtan 1. gyakorlat Alapfogalmak NRGIA, TLJSÍTMÉNY, NRGTIKAI TCHNOLÓGIÁK A gyakorlat célja, hogy a hallgatók A. elsajátítsák az energia és teljesítmény, ár és költség fogalmak pontos használatát; B. az alapvető energetikai technológiák jellemzőit meg tudják ítélni és ki tudják számítani. A. NRGIA-TLJSÍTÉNY-ÁR-KÖLTSÉG A feladatokban feltüntetett árak aktuális értékek, az egyetemes szolgáltatói díjszabás szerintiek. 1. Bekapcsolva felejtettünk egy 100 W teljesítményű izzót 10 h időtartamra. Hány forinttal növelte ez meg villanyszámlánkat? (1 villamos energia ára 50 Ft.) Ft A költség: C = P τ p = 0,1kW 10h 50 = 50Ft 2. gy 4,5 V-os zsebtelep mintegy tíz óráig működtetne egy 0,2 A erősségű áramot igénylő izzólámpát. A telep ára 450 forint. Mennyibe kerül ebben az esetben 1 villamos energia? 4,5 A szolgáltatott energia: = U I τ = kv 0,2A 10h = 0, Ctelep 0,009 Ft A szolgáltatott energia fajlagos költsége (ára): p = = = Ft Megjegyzés: a kémiai áramforrásból nyert villamos energia fajlagosan rendkívül drága. 3. gy hagyományos 100 W teljesítményű izzólámpa ára 100 Ft, élettartama mintegy 1000 h. A hasonló fényerőt adó alacsony fogyasztású, úgynevezett kompakt fénycső ára 2500 Ft, villamos teljesítménye 17 W. Várható élettartama hozzávetőlegesen óra. Gazdaságossági szempontok szerint hasonlítsuk össze a két eszköz működését! (gyszerű megtérülés.) A két eltérő eszközzel végzett világítás során a bekerülési (beruházási) és üzemköltséget hasonlítjuk össze. Azt vizsgájuk, hogy a kompakt fénycső többlet beruházási költsége mennyi idő alatt térül vissza az energiafogyasztás-megtakarításból. A vizsgálat során (a) figyelmen kívül hagyjuk az évenkénti villamosenergia-árváltozást; (b) évenkénti átlagos 4%-os áramáremelkedést és napi 5 h üzemidőt veszünk figyelembe. τkompakt 15000h (a): A kompakt fénycső várható élettartama alatt n izzó = = = 15 darab izzó szükséges. τ 1000h zt is meg kell venni még most, mivel már nem gyártható a vonatkozó U direktíva szerint. A kereskedők csak a meglévő készleteket árusíthatják ki. Beruházási többlet-költség: I = I kompakt n izzó I izzó = 2500 Ft Ft = 1000 Ft. Megjegyzés: az olcsóbb kompakt fénycsövekhez képest a hagyományos izzók még akár többlet beruházási költséget is jelenthetnek! Az elérhető energiaköltség-megtakarítás (használjuk az 1. feladat energia ár értékét): Ft Az izzó energiaköltsége: Cizzó = nizzó Pizzó τizzó p = 15 0,1kW 1000h 50 = 75000Ft A kompakt fénycső energiaköltsége: Ft Ckompakt = Pkompakt τkompakt p = 0,017 kw h 50 = Ft A megtakarítás: C = C izzó C kompakt = Ft Ft = Ft izzó

2 A kompakt fénycső alkalmazása a vizsgált időtartamon (15000 h) belül: C Ft ROI = ROR = = = 62,5-szeresen térül meg. I 1000 Ft Megjegyzés: ROI=return of investment; ROR=rate of return h z azt jelenti, hogy a megtérülési idő a vizsgált élettartam -öd része, azaz τ R = = 240h, 62,5 62,5 vagyis már egy hagyományos izzó élettartamán belül megtérül. A megtérülési idő még rövidebb lesz, ha figyelembe vesszük, hogy valójában a vizsgálati időhorizontot elegendő egy hagyományos izzó élettartamával azonosnak tekinteni. (b): Mivel a megtérülési idő ilyen rövid, ezért több évet átfogó, áramár emelkedést is figyelembe vevő vizsgálatnak nincs értelme. Megjegyzés: a mai energia- és világítótest árak mellett a hagyományos izzók gazdaságilag versenyképtelenek. Műszaki szempontokat is figyelembe véve azonban a kompakt fénycsövek élettartamát a ki- és bekapcsolások nagy száma csökkenti, teljes fényerejüket csak bizonyos idő múlva érik el, továbbá belső felépítésükből adódóan felharmonikusokkal szennyezik a villamos hálózatot, valamint gyártásuk és végső ártalmatlanításuk jóval több szennyezőanyag (pl. higany) kibocsátásával járhat együtt. zek tények árnyalják a kompakt világítótestek gazdaságilag pozitív képét. 4. Vajon mennyibe kerül egy fürdőkádnyi víz melegítése? gy fürdéshez mintegy 80 liter vizet használunk fel. Az érkező hideg víz hőmérséklete 15 C, a fürdővízé 40 C. A melegítést 80% hatásfokú gázbojlerrel végezzük. A gáz fűtőértéke 34 MJ/m 3. gy MJ gáz ára 3,3 Ft. Hány m 3 gázt fogyasztunk? Hogyan változik a költség, ha a melegítés 90% hatásfokú elektromos vízmelegítővel történik? (1 villamos energia ára 31 Ft [vezérelt fogyasztás, ami olcsóbb].) Vízmelegítés gázbojlerrel: 4,2 MJ c víz mvíz ( thideg t 80kg 25K meleg ) 1000 kg K Ft Cgáz = p gáz = 3,3 = 34,65Ft 0,8 MJ gázbojler A szükséges gázmennyiség: 4,2 MJ c víz mvíz ( thideg t 80kg 25K meleg ) 1000 kg K Vgáz = = = 0,309 m 3. Hgáz MJ gázbojler 34 0,8 3 m Vízmelegítés villanybojlerrel, figyelemmel arra, hogy 1 = 3,6 MJ: 4,2 MJ c víz mvíz ( thideg t 80kg 25K meleg ) 1000 kg K Ft Cvill. = p vill. = 31 = 80,37Ft MJ vill.bojler 3, 6 0,9 Megjegyzés: a számítási eredmények alapján a gázzal történő vízmelegítés tűnik gazdaságosabbnak, azonban a képet árnyalja, hogy a. a gáztüzelés mindenképpen szén-dioxid (üvegházhatású gáz) és nitrogén-oxid (NO2, emberi egészségre káros gáz) kibocsátással jár a fogyasztó a közvetlen közelében, nem is beszélve a nem megfelelő nyílászárókkal és szellőztetéssel rendelkező lakásokban a szén-monoxid kibocsátásról és a minden évben előforduló halálesetekről; b. a villamos-energia megtermelhető szén-dioxid és egyéb szennyezőanyag kibocsátástól mentesen (pl. atomerőmű, vízerőmű), akár hazai megújuló (pl. biomassza, szél) bázison, aminek nemzetgazdasági szintű előnyei (munkahelyteremtés, importfüggőség csökkenés) vannak.

3 5. Becslések szerint a fotoszintézis évente J energiát igényel. nnek az energiának 45%-a szerves anyagok előállítására fordítódik, 55%-a oxidációs reakciókban, párolgási és egyéb veszteségekben újra szabaddá válik. A növények mennyi szerves anyagot állítanak elő évente, ha 1 kg szilárd szerves anyag fotoszintézissel történő előállításához 1, J energiára van szükség? A megoldás előtt ismertessük a fotoszintézis eredő hatásfokát: A fotoszintézis hatásfoka (hasznosítási foka az érkező napsugárzásra vonatkoztatva): F = λ geom. reak. resp. λ : hasznosítható hullámhossz tartomány (0,4..0,5); geom. : geometriai hatásfok (visszaverődés, elnyelődés, mennyi jut el a klorofilhoz, ~0,8); reak. : kémiai reakció hatásfoka (0,4..0,5); : párolgási és hőveszteségek (0,4..0,5). resp. redő hatásfok: F = 2..5%. A feladatban említett hatásfokok az = és az hatásfokok, míg az energia a hasznosítható reak szerves resp. hullámhossz-tartományban érkező, ténylegesen elnyelt, a klorofilhoz eljutó, megfelelő hullámhossztartományban lévő energia. Megjegyzés: a növények tulajdonképpen anyagi formában napenergiát tárolnak, amit a különféle biomasszák energetikai célú hasznosítása során ismételten felszabadítunk A szerves anyag előállítására fordított energia: szerves = teljes szerves = 6 10 J 0, 45 = 2,7 10 J Az előállított biomassza tömege: m biomassza 21 szerves 2,7 10 J 14 = = = 1, kg évente. eszerves 7 J 1,67 10 kg

4 6. A Föld országainak összes energiafogyasztása napjainkban mintegy 320 J évente. a. Mekkora teljesítménynek felel ez meg? b. Ha ezt kőolajjal fedeznénk hány évig lenne elég a becsült hozzávetőlegesen 1500 Mrd bbl kőolajkészlet? c. Mit válaszolhatunk ugyanerre a kérdésre földgáz esetén? bből a becsült készlet 6370 Q (quad). d. Mi a helyzet, ha átlagosan 29,3 MJ/kg fűtőértékű szénnel számolunk? bből a bizonyított mennyiség tonna. A feladat megoldása során a nemzetközi gyakorlatban használt RPR vagy R/P arányt (reserve-toproduction ratio) határozzuk meg. A feladat megoldása előtt ismételjük át az egzotikus mértékegységeket: 1 bbl (barrel) olaj = 6,12 GJ = 6, J 1 Q = BTU = 1,055 J = 1, J. (BTU=british thermal unit, 1 BTU=1055 J) Az energiafelhasználás éves átlagos teljesítménye: 18 world J 13 J P = = = 1, W = 10,15TW = 320 τ s a annum ( ) Minden készletet (R, reserve) SI egységre (J) számítunk át. 9 = 9 J 21 R oil bbl 6,12 10 = 9,18 10 J = 9180J bbl 18 J 21 R nat.gas = 6370Q 1, = 6,72 10 J = 6720J Q 12 = 9 J 22 R coal 10 t 29,3 10 = 2,93 10 J = 29300J t Az RPR mutatók meghatározásánál egyrészt 100%-os átalakítási hatásfokot tételezünk, másrészt azt is, hogy a Föld teljes energiafogyasztását ebből az energiahordozóból fedezzük. A két közelítés valamelyest kompenzálja egymást, így a kapott értékek közelítő jellegű kimerülési időnek tekinthetők a jelenlegi viszonyokat alapul véve. Roil 9180 J Rnat.gas 6720 J RPRoil = = = 28,7a RPRng = = = 21a P J P J a a RPR c Rcoal J = = = 91,6a. P J 320 a

5 B. NRGTIKAI TCHNOLÓGIÁK Mivel ez a gyakorlat előadás előtt, ill. közvetlenül utána van, így nem épít az azon elhangzottakra! Itt a gyakorlatvezetőknek kell a szükséges elméleti ismereteket is elmondani. Feladatok és Megoldások: 1. FLADAT Mekkora tüzelőhő megtakarítás érhető el egy kapcsolt energiaátalakító erőművel, ha annak bruttó (mennyiségi) hatásfoka 80%, a fajlagosan kiadott villamos energia 0,6, a szolgáltatott fűtési hőteljesítmény 25 MW? A referencia hatásfokok: forróvízkazán: 90%, villamosenergia-rendszer: 35%. MGOLDÁS A feladat megoldása előtt röviden ismertessük a energiatermeléssel kapcsolatos alábbi fogalmakat: Közvetlen energiatermelés (egy termék, egy technológia) hő fűtőmű villamos energia erőmű Kapcsolt energiatermelés (két termék, egy technológia) fűtőerőmű Kombinált ciklusú kapcsolt energiatermelés (két termék, két/több technológia) villamos energia kombinált ciklusú erőmű vill. en. & hő kombinált ciklusú fűtőerőmű A megoldáshoz vázoljuk fel a közvetlen és kapcsolt energiatermelés alábbi folyamatábráit és röviden magyarázzuk el a kettő közötti különbséget. Mennyiségi értékelés (I. főtétel): hatásfok Részhatásfok A termék: A = nergiafolyam- (Sankey-) diagram be be be Mérleg B termék: B = veszt. haszn. Hatásfok = = haszn. be veszt. be Közvetlen energiaátalakítás (energiatermelés) be veszt. haszn.,a haszn.,b haszn.,a haszn.,b be redő (bruttó) hatásfok: + haszn.,a haszn.,b R = = A + B be Termékarány: σ = haszn.,a haszn.,b Kapcsolt energiaátalakítás (energiatermelés)

6 27,8 primer energia 42,9 50 veszteség veszteség veszteség hő vill. en. hő vill. en fűtőmű + kond. erőmű ellennyomású fűtőerőmű primer energia megtakarítás: 20,6 azonos tüzelőanyag bázis! Kiadott villamos teljesítmény: PF = σq ɺ F = 15 MW. A F-ben felhasznált tüzelőhő: PF + Qɺ F Qɺ ü,f = = 50 MW. Közvetlen hőfejlesztés tüzelőhő felhasználása: ɺ ɺ QF Qü,FM = = 27,78 MW. A kondenzációs erőmű tüzelőhő felhasználása: Qɺ ü,k FM,ref PF = = 42,86 MW. K,ref Qɺ = Qɺ + Qɺ Qɺ = 20,6 MW. A megtakarítás: ( ) ü,meg ü,fm ü,k ü,f Fel kell hívni a hallgatók figyelmét, hogy a tüzelőanyag megtakarítás egyben: szennyezőanyag-kibocsátás csökkenést (NOx, SOx, por, hősszennyezés, zaj); kereskedelmi mérleg javulást (energiaimport); energiafüggőség csökkenést (ha import gázról van szó); ÜHG (üvegházhatású gáz) kibocsátás csökkenést, így eladható kvótát eredményez. Hátránya a megoldásnak, hogy megfelelő hőigény (hőpiac) esetén építhető ki, ill. üzemeltethető gazdaságosan.

7 3. FLADAT gy kombinált ciklusú gáz/gőz munkaközegű erőmű tüzelőanyag hőteljesítmény felhasználása: Q ɺ F= 445 MW, a gázturbinás rész villamos teljesítménye 145 MW. A gőzkörfolyamatú erőműrész villamos hatásfoka 30%. Mekkora az erőmű eredő villamos hatásfoka? A megoldás előtt vázoljuk a kombinált ciklusú erőmű struktúráját (1: gázkörfolyamat, gázturbinás erőmű; 2: gőzkörfolyamat, Rankine-körfolyamat). Kombinált ciklus be RNDSZR = 1,haszn. 1 be = 2,haszn. 2 1,veszt. 1 1,veszt. 2 2,haszn. MGOLDÁS 1,haszn. 2,veszt. 1,haszn. + 2,haszn. = = + ( 1 ) A gőzkörfolyamat villamos teljesítménye: P ( ɺ ) A kombinált ciklusú erőmű hatásfoka: R be = Q P = 90 MW; ST F GT ST CC PGT + PST = = Qɺ 0,528=52,%. F

8 3. FLADAT A Föld légkörének határán a Napból érkező sugárzás teljesítménysűrűsége 1360 W/m 2. Magyarország területén ez átlagosan 200 W/m 2 értéket jelent a felszínen (a légköri elnyelődés és visszaverődés és a beesési szög miatt). Magyarország éves villamosenergia-felhasználása a évben 41,2 TWh volt. Mekkora felületű fotovillamos cellára lenne szükség ennyi villamos energia előállításához, ha a napsütéses órák száma 2500 h/a és a fotovillamos cella hatásfoka 15%? Az energiaigények kielégítéséhez 550 km 2 területre lenne szükség, valamint 100% hatásfokú tárolókra. A terület az ország területének ( km 2 ) 0,6%-a. 4. FLADAT Mennyi a szivattyús energiatározó tározási hatásfoka, ha a vízgép hatásfoka szivattyúüzemben 78%, turbinaüzemben 82%, a villamosgép hatásfoka motorüzemben 97,5%, generátoros üzemben 98,2%, valamint a villamos transzformátor hatásfoka 99%. A megoldás előtt vázoljuk a vízerőmű-típusokat: átfolyós átfolyós-tározós Vázoljuk az energiaátalakítás láncolatát! szivattyús-tározós Az eredő hatásfok a részhatásfokok szorzata: SZT = sziv. mot. transzf. turb. gen. transzf. = ( 0,78 0,975 0,99) ( 0,82 0,982 0,99) = 60,02%. betározás kitározás