Azonosítási szám: SZ 06 ENERGIAGAZDÁLKODÁS. Oktatási segédanyag Kézirat. Budapest, június. Energiagazdálkodás.doc.doc

Átírás

1 Azonosítási szám: SZ 06 ENERGIAGAZDÁLKODÁS Oktatási segédanyag Kézirat Budapest, június Energiagazdálkodás.doc.doc

2 E.ON Hungária Rt Budapest Széchenyi rkp. 8. megbízása alapján készült oktatási segédanyag az energiagazdálkodáshoz kapcsolódó ismeretek bővítésére és az előtanulmányokhoz kapcsolódóan új ismeretek megszerzésének segítésére. A tananyag tématerületei: Alapismeretek: Azonosító Energiaforrások és készletek A - 01 Hőtechnikai alapok A - 02 Áramlástechnikai alapok A - 03 Villamosságtani alapok A - 04 Szakismeretek: Méréstechnika SZ-01 Hőtermelés, szállítás, tárolás SZ-02 Villamosenergia-termelés, szállítás SZ-03 Épületgépészeti berendezések energetikája SZ-04 Világítástechnika SZ-05 Energiagazdálkodás SZ-06 Villamos hajtások SZ-07 Energiatermelés megújuló energiaforrásokból SZ-08 Energiafelügyelő információs rendszerek SZ-09 Energiaveszteség-feltárás SZ-10 Témafelelős a megbízónál: Témafelelős a megbízottnál: Szerkesztette: Pál Norbert dr. Zsebik Albin dr. Zsebik Albin Falucskai Norbert József Czinege Zoltán JOMUTI Kft. zsebik@axelero.hu 1172 Budapest, Almásháza u. 55. Cégjegyzékszám: Tel./Fax: , , Bankszámlaszám:

3 Tartalomjegyzék Bevezetés Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Az energiagazdálkodásról általában Az energia források és energiaszükséglet Az energiafelhasználás elemzése energia- és költségmérleg Fajlagos energiafelhasználási mutatószámok Az energiahatékonysági mutatók A hatásfok A hatásosság A hatékonyság Fajlagos energiafelhasználás Energianormák - célértékek Az energiaszükséglet tervezése Az energiaszükségleti függvények és energetikai jelleggörbék A vállalati energiaszükséglet meghatározása A fűtési energiaszükséglet meghatározása Az energia értéke A rendszerszemlélet az energiagazdálkodásban Rendszerelem egyenszilárdsága Összetett rendszer egyenszilárdsága Az energia költségösszetevői és ára Az állandó költségek Változó költségek Az óránkénti költségek A tüzelőanyag és az energia ára Az energiaköltségek terjedése Az energiatárolás szerepe az energiagazdálkodásban Az energiafelhasználás időbeli alakulása Az energiatárolás alkalmazása Hőenergia tárolása Állandó nyomású tárolók Nyomásesáses tároló (Ruths-tároló) Hőtárolás szilárd anyagban Rejtett hő tárolása Egyéb hőtároló rendszerek Hidegenergia tárolása Primer energiaforrások tárolása, készletezés Földalatti gáztárolás Hőveszteségek hasznosítása Hőmérséklet korlát...60 Irodalom Melléklet: Fűtőturbina üzemvitelének elemzése Melléklet: Hőtermelés gazdaságosságának növelése hőtárolással...72 JOMUTI Kft. zsebik@axelero.hu 1172 Budapest, Almásháza u. 55. Cégjegyzékszám: Tel./Fax: , , Bankszámlaszám:

4 Bevezetés Bevezetés Az energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -felhasználás amellett, hogy nélkülözhetetlen eleme életünknek, környezetünk szennyezésének is jelentős forrása. Az energiagazdálkodás hatékonyságának növelése ezért egyrészt környezetvédelmi feladat, másrészt gazdasági érdek. Környezetvédelmi feladat, mert a hatékonyság növelése által megtakarítható energiát nem kell környezetünk rovására megtermelni. Gazdasági érdek pedig azért, mert a megtakarítható tüzelőanyag vagy energia értékével csökkenthető a termékek előállításának, ill. a hőkomfort biztosításának költsége. A hatékony és környezetkímélő energiagazdálkodás egy másik megközelítésben szemlélet; a gazdasági kultúra, a műszaki-, természet-, környezet- és közgazdaságtudományi ismeretek, valamint a rendelkezésre álló anyagi források kérdése. Napjaink egyik legfontosabb feladata, hogy felhívjuk a társadalom minden csoportjának figyelmét az energiamegtakarítás és a környezet védelmének fontosságára. A tudatformálás mellett a motiváció és az érdekeltség megteremtése a gazdaságpolitika alakítóinak és a törvényalkotóknak a feladata, a megfelelő gazdasági és jogi környezet kialakításával. Az alapvető műszaki-, természet-, környezet- és közgazdaságtudományi ismeretek elsajátítása mindenki számára fontos, de az energiagazdálkodással foglalkozó szakemberek számára nélkülözhetetlen. Jelen tananyagrész ismerteti az energiagazdálkodás fogalmát, alapvető célkitűzéseit és feladatait, bemutatja az energiamérleg készítésének módját, a fajlagos energiafelhasználási mutatókat. Javaslatot ad a technológiai és fűtési energiaszükséglet meghatározásához, ismerteti az energiahatékonysági technikákat. Külön fejezet foglalkozik az energiaköltségekkel, a költség és értékarányos ár jellemzőivel. Az energiagazdálkodásban fontos szerepet játszó energiatárolással, valamint a fűtés és hűtés összekapcsolásával szintén jelen tananyagrész foglalkozik, míg a hő- és villamosenergia termelés és szállítás témakörök önálló kötetekben kerülnek ismertetésre. 1

5 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése 1.1. Az energiagazdálkodásról általában Az energiagazdálkodás célja a gazdaság különböző területeihez tartozó energiafogyasztók gazdaságos és zavartalan ellátása minőségileg és mennyiségileg megfelelő energiával, az energiaköltségek minimális értéken tartása mellett. Az energiagazdálkodás feladata az energetikai folyamatok (1. ábra) során fellépő energiaveszteségek és ezzel az energiaszükséglet csökkentése (így pl. a berendezések, energiahordozók, alkalmazott technológia helyes megválasztása révén stb.). Az energiával, mint természeti erőforrással való gazdálkodáshoz kapcsolódik a rendelkezésre álló anyagi eszközökkel való gazdálkodás, az energiaköltségek csökkentése, az energetikai beruházások hatékonyságának növelése. Energiaforrás: az energiaszükséglet fedezésére közvetlenül, vagy átalakítás után felhasználható energiahordozó. Ennek megfelelően megkülönböztetnek természetes és mesterséges energiaforrást. A természetes energiaforrások tovább rendezhetők. Vannak megújuló és fogyó energiaforrások. Az energetikai folyamatok elemzése során fontos szerepet kap a környezet. Az anyag- és energiamérlegek készítésénél a vizsgált rendszer határát alkotja. Paramétereivel a folyamatokat befolyásolja. Az 1. ábrán szaggatott vonallal két környezethatárt jelöltünk. A teljes környezetet jelképező K a természeti környezetet jelöli. A határain belül képződtek a fogyó ill. képződnek a megújuló energiaforrások, keletkeznek az energiaveszteségek, majd az energia hasznosításával zárul a körfolyamat. A K Á -val jelölt környezetben folyik az energiaátalakítás. A folyamatba alapenergiahordozókként belépő energia, átalakított formában, vagy veszteségként, távozik a szaggatott vonallal határolt rendszerből. 1. ábra Energia(kör)folyam 2

6 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése A fentiek figyelembevételével az energiagazdálkodás a rendelkezésre álló energiaforrások és készletek leggazdaságosabb felhasználásának és kihasználásának biztosítására és megszervezésére, az energiaszükséglet gazdaságos és biztonságos kielégítésére, az energiaveszteségek csökkentésére, a fölösleges veszteségforrások megszüntetésére irányuló gyakorlati tevékenységet jelenti. Az energiagazdálkodás keretében az energia nemcsak fizikai és műszaki fogalomként jelentkezik, hanem mint gazdasági szükségletek kielégítésére alkalmas termelési vagy fogyasztási eszköz is. Az energiagazdálkodás természettudományi alapjait és műszaki alkalmazását összefoglaló ismereteket energetikának, is nevezik. Az energiagazdálkodás tudományának és gyakorlatának alapjai egyrészt az energetika, másrészt a gazdaságtudományok. Az energiagazdálkodás nem foglalkozik az energetika tárgykörének teljességével, hanem csak azokkal az energetikai folyamatokkal, amelyek egyben gazdálkodási problémákat is felvetnek. Így pl. általában nem foglalkozik azokkal a változatos, de rendszerint nagyon csekély energiamennyiséget érintő energetikai folyamatokkal, amelyek egy-egy gépszerkezet vagy mechanizmus működését érintik, nem foglalkozik továbbá a bioenergetikai folyamatokkal, az emberi munka végzésének az ergonómia tárgykörébe tartozó kérdéseivel, vagy az állati energia kifejtésének problémáival. Az energiagazdálkodás hármas műszaki, gazdasági és környezetvédelmi jellege végigvonul mindazon a sajátos műveleteken és folyamatokon, amelyek az energiagazdálkodás tárgyai. Az alapenergia a bányatermékként nyert energiahordozók energiatartalma és más természeti energiaforrások energiahozama. Az alapenergia-hordozók kitermelése így a bányászat tárgykörébe, a megújuló energiaforrások hasznosítása a megújuló energiaforrás fajtájának megfelelő tárgykörbe tartozik. Az energiagazdálkodás határterülete az energetikai gépek és fogyasztói berendezések energiagazdálkodás szempontjából helyes szerkesztése és gyártása. A fogyasztói energiagazdálkodást szoros szálak fűzik az energiafelhasználási célt meghatározó ipari, mezőgazdasági, háztartási stb. technológiához. Az átalakított, ún. másodlagos energiahordozók az energiaátalakításhoz (fejlesztéshez ill. termeléshez) felhasznált alapenergia-hordozókból nyerik energiatartalmukat. Az energiaátalakítási folyamatokkal másodlagos energiahordozók előállítása, a kapott energiafajta fogyasztók közti elosztása, a fogyasztói berendezések gazdaságos üzemeltetése, valamint az energiafelhasználás ellenőrzése az energiagazdálkodás sajátos területei. Az energiagazdálkodás végső rendeltetése az energiafelhasználás, amelyben nemcsak az energiagazdálkodási szempontoknak, hanem a fogyasztók szükségleteiből kiinduló technológiai szükségleteknek is jelentősége, meghatározó szerepe van. Energiaforrás: az energiaszükséglet fedezésére közvetlenül, vagy átalakítás után felhasználható energiahordozó. Ennek megfelelően megkülönböztetnek természetes és mesterséges energiaforrást. A természetes energiaforrások tovább rendezhetők. Vannak megújuló és fogyó energiaforrások. Megújuló energiaforrások: A természetes energiaforrások azon csoportja, amelyek gazdaságilag értékelhető időn belül természetes úton megújulnak. Ide tartozik, pl. a tűzifa, mezőgazdasági hulladék, folyóvíz, apály-dagály, szélenergia. Fogyó energiaforrások: A természetes energiaforrások azon csoportjai, amelyek gazdaságilag értékelhető időn belül nem újulnak meg természetes úton. Ide tartoznak a szilárd, folyékony, gáznemű, ásványi, természetes tüzelőanyagok és hasadó anyagok. Alap energiahordozók (primer): a tüzelő- (hasadó) anyagok, napsugárzás, víz és szél. Energiafajták: hőenergia, villamos energia, vegyi energia, stb. (az energiaszükséglet meghatározott fajtájú energiában jelentkezik, a rendelkezésre álló energiahordozókból közvetlenül, vagy átalakítás útján elégíthető ki). Energiaátalakítás: valamely energiafajta átalakítása más energiafajtává technikai eszközökkel. A természetben, emberi beavatkozás nélkül lejátszódó hasonló folya- 3

7 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Az energiafelhasználás célja meghatározza a szóban forgó technológiai folyamat elvégzéséhez szükséges energiafajtát. Így pl. a munkadarabok forgácsolásához mechanikai energiára, hevítéséhez hőenergiára, járművek mozgatásához mechanikai energiára, fűtéshez hőenergiára stb. van szüksége a fogyasztóknak. Egy-egy energiafajtát többféle energiahordozóval lehet szolgáltatni (pl. hőenergiát fejleszthetnek bármelyik szilárd, folyékony, vagy gáznemű tüzelőanyagból, a hő szállítható gőzzel, vagy vízzel). Az energiagazdálkodás egyik alapvető feladata, az adott célnak legjobban megfelelő műszaki, gazdasági és környezetvédelmi szempontból optimális energiahordozó kiválasztása. A különböző energiahordozókhoz különféle energetikai berendezések és energiafogyasztó készülékek, az energiaellátás meghatározott rendszere tartozik. Ennek tudatában az energiagazdálkodás fontos célkitűzése az energiafogyasztók adott energiafajta szükségletének gazdaságilag és környezetvédelmi szempontból kedvező biztonságos kielégítése a feltételeknek megfelelő és legalkalmasabb energiahordozóval és berendezésekkel. Az energiagazdálkodás többféle szempont szerint tagolható és rendszerezhető (2. ábra). Feladata szerint az alapcsoportosítás a kitermelés (bányászat), átalakítás, elosztás és felhasználás. Tárgya szerint kiterjeszkedik az energiaforrásokra, energiafajtákra, energiahordozókra, és gépi berendezésekre. Ilyen értelemben beszélünk, pl. szén-, olaj-, gázgazdálkodásról, hő- és villamos-energiagazdálkodásról stb.. Energiafogyasztók szerint megkülönböztetik a különféle gazdasági, esetleg földrajzi területek, (ipar, közület, lakossági stb.), szervezetek (üzem, vállalat, gazdasági ág), technológiai szektorok (pl.: acélgyártás, közúti szállítás), gépi berendezések (pl. kemencék, különféle munkagépek, közlekedési eszközök stb.) energiagazdálkodását. matok energiaátalakulási folyamatok. Energiatermelés (fejlesztés): energiaátalakítás, mesterséges energiaforrások termelése. Ide tartozik pl. a gázfejlesztés, gőzfejlesztés, villamosenergia termelése. Fontos megjegyezni, hogy napjaink terminológiája gyakran energiatermelés alatt érti a primer energiahordozók átalakítását, mint pl.: a villamos energia termelést. (A következő oldalon folytatódik.) 4

8 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése 2. ábra Az energiagazdálkodás tagolása (folytatás) Az energiagazdálkodás keretében különleges helyet foglal el az energiafelhasználás gyors és nagy ingadozásaira különös figyelmet fordító teljesítménygazdálkodás, amelynek főleg a villamosenergia-, gáz- és hőenergia-gazdálkodásban, általában az energiaszolgáltatásban van nagy jelentősége Az energia források és energiaszükséglet Az energiaforrások (1. táblázat) összehasonlító és összesítő értékelésében nehézségeket okoz a különféle energiafajták energiatartalmának közös mértékegységben való megállapítása. Szilárd tüzelőanyagok Megnevezés Növényi- és állati eredetű tüzelőanyagok Ásványi tüzelőanyagok Folyékony tüzelőanyagok Gáznemű tüzelőanyagok 1. táblázat Az energiaforrások csoportosítása Természetes megújuló fogyó energiaforrások Alapenergia Tűzifa Kukoricaszár Rizshéj Trágya Egyéb mezőgazdasági hulladék Faforgács Fűrészpor Tőzeg Lignit Barnaszén Feketeszén Antracit Olajpala (égőpala) Ásványolaj Földgáz Bányagáz Mocsárgáz Mesterséges Másodlagos energia Faszén Koksz Félkoksz Szénbrikett Kokszbrikett Benzin Petróleum Gázolaj Tüzelőolaj Fűtőolaj Szintetikus tüzelőolajok - Kátrányolaj Szénelgázosítás (generátorgáz, vízgáz, kevertgáz, földalatti elgázosítás) Szénlepárlás (kamragáz, városi gáz) Fagáz Olajgáz Krakkgáz Kohógáz Biogáz Acetiléngáz 5

9 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Hasadó anyagok Hőenergiaforrások (hőhordozók) Mechanikai energiaforrások Napsugárzás Tengervíz hőmérsékletkülönbsége Vízenergia (folyóvíz, árapály) Szélenergia Uránium (U 235, U 238 ) Tórium (Th 232 ) Vízgőzforrások (gejzírek) Melegvízforrások (termálvíz) Szénsavforrások Plutónium (Pu 239 ) Uránium (U 233 ) Gőz Melegvíz Villamos energia Villamos energia Sűrített levegő Gőz Gáz Víz Nehézségek adódnak az energiamennyiségek összesítésekor az energiaátalakítási hatásfokok számbavételéből, illetve különböző értelmezéséből. Az energiaforrások és szükségletek területi eloszlása rendkívül egyenlőtlen. A fűtési energiaszükséglet is különböző a hideg és a mérsékelt égöv alatt, a tüzelőanyag-, a magenergia- és a vízenergia készletek szintén egyenlőtlenül helyezkednek el. Az energiafelhasználás szerkezete jelentős mértékben átalakult az energiafelhasználás rohamos fejlődésével (3. ábra). 3. ábra A világ primerenergia-szerkezetének alakulása [6] Az izomerőt (emberi és állati munkavégzést) követően a fa (biomassza), majd az ipari forradalom után a szén volt a legfontosabb energiaforrás. A XX. század közepe táján szinte ugrásszerűen megnőtt a szénhidrogén (nyersolaj és földgáz) jelentősége. Az olaj- és földgáz-kitermelés rohamos növekedése mellett a széntermelés mérsékeltebben emelkedett, a kitermelés egyre fokozódó műszaki és gazdasági nehézségei miatt. A földgázfelhasználás növekedése az olajfelhasználásén is túltesz. A kiterjedt földgáztelepekkel rendelkező államok gazdálkodásában jövedelemtermelő volta miatt egyre fontosabb szerepet játszik e tüzelőanyag, amely egyre keresettebb árucikké válik, s az energetikai hasznosítása mellett a szerves vegyiparnak is fontos alapanyaga. Az energiaszerkezet változását sohasem a korábban hasznosított energiaforrások kimerülése idézte elő, hanem az előtérbe került energiafajták előnyösebb gazdasági és műszaki jellemzői. Az árszerkezet megváltozása miatt az elmúlt 20 évben a fűtőolaj kiváltása Magyarországon is jelentős mértékű költségmegtakarítást eredményezett és kedvelt energiahatékonysági intézkedéssé vált. Napjainkban, az európai fogyasztókhoz közeli föld- 6

10 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése gázkészletek egyre inkább kimerültek, emiatt a kitermelési és szállítási költségek emelkedésére kell számítani Az energiafelhasználás elemzése energia- és költségmérleg Az energiafelhasználás elemzésének célja: az energiafelhasználást meghatározó tényezők és számszerű befolyásuk megállapítása energiaveszteségek és forrásaik feltárása veszteségcsökkentő energiahatékonysági intézkedések kidolgozása a jövőbeli várható energiaszükséglet kiszámítása (2. táblázat) 2. táblázat Az energiafelhasználás elemzésének alapvető formái Megnevezés Elemzési szempont Az elemzés eszköze Megoszlás energiafajták, felhasználási Szerkezeti (strukturális) elemzés célok, energiahordozók, hasznos energia Energiamérleg összeállítása és veszteségek szerint Időbeli alakulás Okozati (kauzális) elemzés Az energiafelhasználás és elemeinek időbeli alakulása Az energiafelhasználás alakulását befolyásoló tényezők Energiafelhasználási idősorok elemzése (trendszámítás) A befolyásoló tényezők számszerű befolyásának meghatározása műszaki és statisztikai számításokkal (korrelációszámítás) Az energiafolyamatok mennyiségi és minőségi értékelésének és elemzésének alapvető eszköze az energia- és költségmérleg; legfőbb rendeltetése az energiaveszteségek mértékének és okainak megállapítása, a szükséges energiamegtakarítási intézkedések kidolgozásának megalapozása. Az energiamérleg az egyes energiafolyamatok során szereplő energiamennyiségeket tünteti fel és csoportosítja a folyamatba bevitt, a folyamatból kivett és a veszendőbe ment energiamennyiségek szerint. Beviteli oldalán szerepel a: folyamatba bevitt energia a folyamat során lejátszódó hőtermelő reakciókból képződő energia a veszteségből visszanyert energia A kiadási oldal tételeit a: folyamatból kivett energia a folyamat során lejátszódó hőfogyasztó reakciók lefolyásához szükséges energia veszteségek. Az energiaátalakulások és az elemzési szempontok változatossága miatt a különféle fizikai-kémiai folyamatok energiamérlegei általában nem sematizálhatók. Tipizálhatók, ill. rendszerbe foglalhatók azonban azonos jellegű folyamatok, berendezések, gépek, gazdálkodási egységek energiamérlegei, ha azonos szempontok szerint elemezzük az energiafelhasználást. A szokásos energiamérleg tartalmazza egyrészt a rendelkezésre álló energiaforrásokat, beleértve a vásárolt vagy saját átalakító berendezésekben előállított energiát, energiahordozókra bontva, másrészt az energiafelhasználást felhasználási célok (részben energiafajták) szerinti megosztásban. Égés: (általában) a tüzelőanyagok éghető alkotóinak nagy sebességű oxidációja, melynek folyamán kémiai energia átalakul hőenergiává. A felszabaduló hő részben a környezetnek adódik át sugárzás és konvekció útján, részben az égéstermékek hőtartalmát növeli. Az égés fenntartásához számos fizikai feltétel kielégítése szükséges. 7

11 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Természetes mértékegységekben tartalmazza az energiahordozók mennyiségét, valamint az átlagos fűtőértékek és hőtartalmak adatait. Az energiamennyiségek összesítéséhez az energiaátalakulásokra érvényes energia egyenértékkel át kell számítani az egyes energiafajtákat hőegységre. Az adott mennyiségű energiahordozónak megfelelő hőértéket a tüzelőanyagoknál a fűtőérték, hőhordozó közegnél a hőtartalom, villamosenergiánál az elméleti hőegyenérték határozza meg. Az energiamérlegek különböző szinteken készülhetnek. Egy egész cégre kiterjedő energiamérleg részletessége korlátozott, nem terjedhet ki összetett átalakítási folyamatok részletesebb bontására. Erre az egyes részfolyamatok energiamérlegei szolgálnak. Ki kell egészíteni továbbá a vállalat és az energiafogyasztás jellege szerint egyes energiahordozók energiafelhasználási célok adatainak további részletezett bontásával. Az energiamérleget grafikus formában ábrázolja az energiafolyam ábra. (4. ábra és a hozzá tartozó táblázat). Jel E vás Vásárolt energia sz Ev e E v ü E vás Tüzelőanyag szükségletre vetített hőmérleg: Különleges célú számításokhoz ( például energiahordozó csere esetén ) szükségessé válhat az energiamérlegben szereplő másodlagos energiamennyiségek helyett az előállításukhoz szükséges alapenergia feltüntetése. Ilyenkor a megfelelő átalakítási hatásfok arányában megnövelt hőértékadatokat veszünk figyelembe. Megnevezés Szállítási, tárolási energiaveszteség Elosztási energiaveszteség Üzemi felhasználáshoz vásárolt energia á E vás Átalakításhoz vásárolt energia á E á E v E t ü E t ö E á E t é E t Átalakításhoz felhasznált energia Átalakítási energiaveszteség Termelt másodlagos energia Üzemi felhasználáshoz termelt energia Összes felhasznált (halmozott) energia Átalakításhoz termelt energia Értékesítésre termelt energia ü Produktív üzemhez felhasznált E pr energia ü E r Rezsicélokra felhasznált energia h E pr Hasznos produktív energia 4. ábra Egy iparvállalat energiafolyamábrája (1 Ft/MJ földgázárral számolva a TJ-ban megadott értékek MFt-al egyeznek meg. Így az adott esetben a TJ helyett MFt értéket helyettesítve a költségfolyamábrát kapjuk.) h E r E h pr E v r E v ü E v ü,á E v E v Hasznos rezsienergia Hasznos energia Felhasználási veszteség produktív energiából Felhasználási veszteség a rezsicélokra felhasznált energiából Felhasználási energiaveszteség Átalakításra használt, visszanyert felhasználási energiaveszteség Összes energiaveszteség 8

12 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése E vás = E á vás + E ü vás + E sz v + E e v E = E + E + E t ü t ü E pr = E h pr + E pr v sz v ö á E = E + E E v = E + E e v + E + E E á t á v ü é t ü v ü,á v Összefüggések á á vás ü,á v E = E + E á t + E = E t + E ü ü vás E = E + E ü t = E + E ü r = E + E ü r ü pr E = E + E ü v h r pr v r v E = E + E r v h á v ü v ü,á v sz v á v sz v E vás = E ö E t E + E é t + E + E e v = E ü + E + E + E e v E + E é t = E ü + E E + E = E h + E + E ü,á v v ü v é t v é t Az energiamérlegek az egyes energiafajták költségének és/vagy árának figyelembevételével költségmérlegekké, az energiafolyam ábrák költségfolyam ábrákká alakíthatók. Azért is javasolt az energia mérlegek ill. folyamábrák mellett a költségmérlegek ill. folyamok elkészítése, mert a veszteségek forintban kifejezett értéke jobban ösztönöz a csökkentésre, az üzemvitel jobbításának keresésére Fajlagos energiafelhasználási mutatószámok Az energiamennyiségek abszolút értékeit és költségeit tartalmazó mérlegek és a folyamábrák az energetikai folyamatokban résztvevő energiamennyiségek egymáshoz viszonyított arányának csupán közvetett jellemzésére alkalmasak. Célszerű a folyamatokhoz felhasznált energiát és költséget egységnek, vagy 100-nak tekinteni és ehhez mérten ábrázolni a többi energiamennyiséget ill. költséget. Vonatkoztathatók azonban az egyes tételek az energetikai folyamatot jellemző, másféle alapvető tényezőre is ( ábra és 3. táblázat). 5. ábra Kupolókemence energiafolyamábrájának (energia)százalékos ábrázolási módja 9

13 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése 6. ábra Kupolókemence energiafolyamábrájának éves ábrázolási módja 7. ábra Kupolókemence energiafolyamábrájának fajlagosított ábrázolási módja 3. táblázat A fajlagos energiafelhasználás (felhasználási energianorma) vonatkoztatási alapjai Ipari termelés Mennyiség Termelés, termék Érték Mennyiség Felhasznált anyag Érték Szakmunkás Munkáslétszám Betanított munkás Segédmunkás Szakmunkás Munkateljesítmény Betanított munkás Segédmunkás Gépi berendezés teljesítménye db, súly, térfogat,...stb. Ft db, súly, térfogat,...stb. Ft Fő Munkaóra, normaóra Gépóra 10

14 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Mezőgazdasági termelés Közlekedés Háztartási, kommunális és szociális szolgáltatások Gépi berendezés teljesítménye Gépóra Megmunkált terület Hold, hektár, km 2,...stb. Szállítási teljesítmény Áruszállítás Tkm (Mpkm), vonatkm Személyszállítás Utaskm, vonatkm Fűtés Fűtött légtér Térfogat Világítás Megvilágított terület Felület Főzés Adag A vállalati energiamérleg tartalmazza az átalakítási hatásfokot és a legfontosabb fajlagos energiafelhasználási mutatószámok értékeit is. Az energiagazdálkodás hatékonyságának növelésére irányul az ún. célértékek meghatározása. Célértéknek választható a kedvező energiafelhasználás abszolút értéke, vagy fajlagos mutatója. 4. táblázat A fajlagos energiafelhasználási (energianormák) csoportosítása [2] Csoportosítási szempont Energiagazdálkodási rendeltetés Energiafelhasználási cél Kiterjedtség Tárgy Vonatkoztatási alap Számítási mód Rendeltetés Érvényesség Megnevezés Átalakítási Elosztási Felhasználási Termelési (technológiai) Szolgáltatási Fűtési, szellőztetési Világítási Egyedi Összetett Műveleti Berendezési Termelvényi Üzemi, vállalati Iparági, minisztériumi Területi Országos Termékegységre vonatkoztatott Termelési értékre vonatkoztatott Egyéb alapra vonatkoztatott Tapasztalati-statisztikai Tapasztalati-műszaki Számított Tervezési Elszámolási mutatószámok energiafelhasználási mutatószámok Értékelési normatívák (irányértékek) Energianormák (kötelező jelleggel előírt mutatószámok) Kötelező jelleggel elő nem írt mutatószámok 5. táblázat A fajlagos energiafelhasználási mutatószámok (energianormák) megállapításához szükséges fontosabb energetikai mérések Légkompresszor telepek Hajtómotor energiafogyasztása Sűrített levegő nyomása Sűrített levegő mennyisége Hűtővízmennyiség kwh, J bar Nm 3 m 3 /h 11

15 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Kazántelepek Gázgenerátor telepek Ipari kemencék általában Fémolvasztó kemencék Kúpolókemencék Felhasznált tüzelőanyag mennyiség Felhasznált tüzelőanyag átlagos fűtőértéke Tápvízmennyiség 150 m 2 Tápvízhőmérséklet fűtőfelületig Gőznyomás Gőzhőmérséklet Füstgáz CO 2 tartalma Füstgázhőmérséklet 150 m 2 fűtőfelület felett Az előzőkben felsoroltakhoz itt még hozzájön: Termelt gőzmennyiség Ajánlatos további mérések kg, t előtt C Levegőhőmérséklet a léghevítő után C előtt C a tápvízelőmelegítő után C Füstgázhőmérséklet előtt C a léghevítő után C Tűztérhőmérséklet (időszakosan) C az elgőzölögtető felületek C Füstgázösszetétel Felhasznált tüzelőanyag mennyisége Felhasznált tüzelőanyag fűtőértéke Felhasznált tüzelőanyag összértéke Termelt gázmennyiség Gáznyomás Gázhőmérséklet Gázösszetétel Gázfűtőérték Salakégető Gáz kátránytartalma Aláfúvott gőzmennyiség Beadagolt betét súlya Munkatér (tűztér) hőmérséklete Kemencefal külső hőmérséklete Tüzelőanyag-, ill. villamosenergia-fogyasztás Tüzelőanyagok átlagos fűtőértéke Távozó füstgázok hőmérséklete Távozó füstgázok összetétele Ajtók nyitvatartásának időtartama Hűtőközeg mennyisége Hűtőközeg hőmérséklete be- és kilépésnél Az előzőkben felsoroltakhoz itt még hozzájön: Betétanyagok összetétele Csapolt fém mennyisége Csapolt fém összetétele Lecsapolt salakmennyiség Hidegbetét mennyisége Alapkoksz mennyisége Adagkoksz mennyisége Aláfúvott levegő nyomása Aláfúvott levegő mennyisége Csapolt folyékony fém hőmérséklete Csapolt folyékony fém mennyisége a tápvízelőmelegítő után C a léghevítő C kg, Nm 3,...stb. J/kg, MJ/Nm 3, kg C bar C t%, V% C kg J/kg % Nm 3 bar C % J/ Nm 3 % kg kg kg, t C C Nm 3, kg, t, kwh J / Nm 3, J / kg C % h m 3 /h C % kg, t % kg, t kg, t kg, t kg, t bar Nm 3 C kg, t Kovácsoló gépek Gőzfogyasztás Sűrítettlevegő fogyasztás Kovácsolt termék súlya t Nm 3 kg, t 12

16 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése Sűrítettlevegővel hajtott gépek Sűrítettlevegő fogyasztás Termelvény súlya Nm 3 kg, t Szárítókemencék Tüzelőanyag-, illetve villamosenergiafogyasztás Szárított termék súlya Nm 3, kg, t, kwh kg, t Forgácsoló szerszámgépek Fűtés Világítás Villamosenergiafogyasztás Gépórák, normaórák Forgácsmennyiség Tüzelőanyag fogyasztás Fűtött helyiségek hőmérséklete Külső levegő hőmérséklete Fűtött légtér Üzemeltetési időtartam Villamosenergia-fogyasztás Megvilágított alapterület Megvilágítás erőssége kwh h kg Nm 3, kg, t C C m 3 h kwh m 2 lux 1.5. Az energiahatékonysági mutatók A hatásfok Az energetikai folyamatokban a kinyert energia és a bevitt energia hányadosa a hatásfokot adja. Általános megfogalmazásban: Hatásfok? Eki Eki 1 Ebe Eveszt Eveszt Kinyert energia: az η = = = = = 1 E E energiafolyamatokban be Eki + Eveszt veszt 1+ Ebe Ebe termelt (átalakított) E ahol: η - hatásfok ( 0 < η < 1 ) E be - a folyamatba bevitt energiamennyiség E ki - a folyamatból kivett / nyert energiamennyiség E veszt - a folyamat során elvesző energiamennyiség A termodinamika 1. főtétele szerint: E be = E ki + E veszt A hatásfok nem egyformán értelmezhető a különféle energetikai folyamatokra. Míg az energiaátalakítási és energiaszállítási hatásfok pontosan értelmezhető és számítható, addig az energia-felhasználó technológiai folyamatok esetében gyakran nehézséget okoz az összes felhasznált energiát alkotó hasznos energia és az energiaveszteségek pontos értelmezése és elhatárolása, és ily módon az energiafelhasználási hatásfok meghatározása. Szokásos módszer ezért az egyes elhatárolható energiafelhasználási részfolyamatok hatásfokának értelmezése és vizsgálata. ki másodlagos (hasznos) energia Bevitt energia: az energiaátalakítási folyamatokhoz felhasznált, e folyamatokba bevitt energia, más szóval energiaátalakítási energiafelhasználás. A bevitt energia általában az adott átalakítási folyamattól független energiaforrásokból származik, de előfordul, hogy a bevitt energiában felhasználják az energiaátalakítás eredményeként kapott energiahordozó egy részét is. Ezt önfogyasztásnak nevezik. 13

17 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése A hatásosság A hatásosság az ellenőrző felülettel körülzárt rendszerünkben valamilyen, számunkra hasznos paraméter megváltozását viszonyítja az elméletileg lehetséges legnagyobb változáshoz. Az egyik legismertebb hatásosság fogalom a hőcserélők Bosnjakovičféle Φ-tényezője, ami a hőcserélőben létrejövő legnagyobb tényleges hőmérsékletváltozást viszonyítja az elméletileg létrejöhető legnagyobbhoz, azaz a két közeg belépő hőmérsékletének különbségéhez: t Φ = t 1be 1be ahol az 1 index a kisebb, a 2 index a nagyobb vízértékáramú közegre utal A hatékonyság A hatékonyság azt mutatja meg, hogy egy technológiai paraméter eléréséhez mennyi energiabevitelre van szükség. Ilyenek pl.: t t gyártó sor: egy év alatt gyártott termékek db. száma ezer db a gyártósor éves villamosenergia fogyasztása kwh földgáz tüzelésű kemence: hökezelt munkadarab ok mennyisége tonna földgáz fogyasztás GJ 1ki 2be mezőgazdasági alkalmazás: 2 felszántott földterület m elfogyasztott gázolaj liter soktermékes vállalatnál: értékestett termékek árbevétele termelési célú energiaszükséglet ezer Ft GJ Gyakran használjuk a hatékonyság fogalmának a reciprokát, amit fajlagos (energia)fogyasztásnak nevezünk. Ezek közül legismertebb a gépkocsik üzemanyag fogyasztása: üzemanyag fogyasztás liter az üzemanyaggal megtett út 100 km Fajlagos energiafelhasználás Az energetikai folyamatokban a felhasznált energiamennyiséget, E és a folyamatra jellemző, az energiafelhasználást befolyásoló mérőszám (technológiai mutató), T hányadosa a fajlagos energiafelhasználás. A legfontosabb energiagazdálkodási mutatószámok közé tartozó fajlagos energiafelhasználás általános képlete: e = E / T Hatásosság? Vízértékáram: A víz tömegáramának és fajhőjének szorzata. Jele: W Hatékonyság? Fajlagos energiafelhasználás? 14

18 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése a folyamatra jellemző és az energiafelhasználással összefüggő mennyiségi mutatószám többnyire a folyamat eredményeként létrejött termék, vagy szolgáltatás mennyisége. A fajlagos energiafelhasználás dimenzióját E és T dimenziója határozza meg. A téglagyártás fajlagos hőenergia szükséglete pl.: 1,25-1,88 MJ/kg. A fajlagos energiafelhasználás az energiagazdálkodás műszaki és szervezési színvonalának egyik fontos mutatószáma. Legfontosabb rendeltetése: adott energiafogyasztó különféle időpontbeli vagy időszakbeli energiagazdálkodási üzemállapotainak összehasonlítása adott energiafogyasztó energiagazdálkodási üzemállapotainak összehasonlítása más ismert, hasonló felépítésű energiafogyasztó üzemállapotával adott energiafogyasztó energiaszükségleti tervezése létesítendő energiafogyasztó energiaszükségletének tervezése A fajlagos energiafelhasználás nem egyértelmű fogalom, képletének számlálója és nevezője egyaránt magyarázatra és pontos körülhatárolásra szorul. A felhasznált energia vonatkozhat a folyamat összes energiafajtáira vagy energiahordozóira, vagy csak néhányukra. Tisztázni kell a folyamat határait, el kell dönteni, beletartoznak-e az energiafelhasználás vizsgálatába a segédberendezések, a kapcsolódó berendezések, a folyamat lebonyolításához szükséges fűtés, szellőztetés, világítás stb.. A végső energiafelhasználásra korlátozódik-e a felhasznált energia, vagy tartalmazza azokat az energiaátalakítási és egyéb veszteségeket, amelyek a technológiai folyamathoz közvetlenül szükséges energia, vagy energia hordozó előállítására szolgáló átalakítási folyamatokban fellépnek. Többféle energiafajta, vagy energiahordozó számbavételekor nehézséget okozhat a közös mértékegység és az átszámítási egyenértékek helyes megállapítása, elméleti, vagy tényleges értékek alapul vétele. A technológiai folyamatot jellemző T mutatószámot az energiafelhasználás jellemzésére kívánják felhasználni, ezért minél szorosabban kapcsolódnia kell a felhasznált energiamennyiséghez. A technológiai folyamat jellegétől függ elsősorban, hogy melyik mutatószám a legalkalmasabb. A vonatkozási alapot pontosan kell értelmezni mind tartalmilag, mind számszerűen. Az ipari termelés körében pl.: pontos meghatározást igényelnek a termék fogalma, a termelési selejt és meghatározása, a termék minőségi kritériumai stb.. A fajlagos energiafelhasználás vonatkozhat valamely technológiai műveletelemre, részműveletre, műveletre és műveletsorozatra, energiafogyasztó berendezésre, üzemre, vállalatra, más és nagyobb szervezeti, vagy területi egységre. Az energiaátalakítási folyamatokra is értelmezhető a fajlagos energiafelhasználás: E = E be a felhasznált ill. az energiaátalakítási folyamatba bevitt energia, T = E ki pedig a kinyert, átalakított energia. Ha E és T mértékegysége azonos, a fajlagos energiafelhasználás az energiaátalakí- Technológiai mutatók? A hatásfok és a fajlagos energiafelhasználás kapcsolata? 15

19 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése tási hatásfok reciprok értéke: e = E/T = E be / E ki = 1/η Nemcsak térbelileg és érvényességi terület szerint, hanem időbelileg is pontosan el kell határolni a fajlagos energiafelhasználás érvényességét naptári, vagy üzemi időszakok szerint. Az E és T azonos időszakra vonatkozzon. Tisztázni kell, hogy a fajlagos energiafelhasználás csak az állandósult üzemállapot időszakára vonatkozik-e, vagy felöleli az indítási és leállítási időszakot, továbbá az üresjárási időszakot, tehát a felhasznált energia tartalmazza-e a vonatkozó és a terhelésváltozásokból eredő egyéb energiaveszteségeket is. Az fajlagos energiafelhasználás lehet halmozatlan, vagy halmozott energiafelhasználás, mégpedig négyféle változatban, aszerint, hogy halmozott vagy halmozatlan E és T van a képletben. A halmozás a szóban forgó technológiai folyamatot megelőző folyamatokból közvetve, a szóban folyamatra háruló energia számbavétele, ill. a T esetében pl. a termelési érték halmozott számbavétele Energianormák - célértékek A legáltalánosabban értelmezett fajlagos energiafelhasználási mutatószám előírt értéke az energianorma, vagy célérték. Megállapításához az előző időszak adataiból számított energetikai mutatószámokból kell kiindulni és figyelembe kell venni az energiafelhasználást befolyásoló tényezők és körülmények változását, ill. a változások hatását a fajlagos energiaszükségletre. Célszerű megkülönböztetni a berendezéseket üzembentartó és kezelő személyzettől függő befolyásoló tényezőket az energiagazdálkodás területén kívülálló tényezőktől és külön vizsgálni mindkét csoportbeli tényezők várható hatását. Az energiagazdálkodás alapvető feladata az energiaszükséglet ésszerű, gazdaságos csökkentése az energiaszükségletet közvetlenül, vagy közvetve befolyásoló intézkedésekkel. Az energiafelhasználás részletes elemzése nyomán megállapított energianormák (célértékek) kitűzik az energiamegtakarítás irányait és a veszteségek csökkentésének elérhető mértékét. Célérték? Az energiafelhasználás célértékeit a nagy energia átalakító és energiafogyasztó berendezések, valamint a termelő egységek összesített fogyasztásán kívül célszerű elkészíteni kisebb termelőegységekre is. A termelő egységek nem normázott energiafogyasztása az összes energiafogyasztásnak lehetőleg csupán néhány százaléka legyen Az energiaszükséglet tervezése Az energiaszükséglet meghatározása (tervezése) műszaki, gazdasági, vagy statisztikai számítási eljárásokkal történhet. Az energiaszükséglet tervezése céljával összhangban kiterjedhet az összes energiákra vagy csupán egyetlen, vagy néhány energiafajtára, energiahordozóra, különféle energiaátalakító, vagy energiafogyasztó berendezésekre, folyamatokra, kisebbnagyobb szervezeti egységekre és földrajzi területekre stb.. Az energiaük é l t t é i dálk dá kii d ló tj N j l tő Energiaszükséglet: Energiafelhasználás céljának megvalósításához, ill. az energiafelhasználási folyamat műszaki- és szervezési körülményei és adottságai között objektíven szükséges energia. 16

20 1. Az energiagazdálkodás fogalma és célkitűzése szükséglet tervezése az energiagazdálkodás kiindulópontja. Nagy a jelentősége a műszaki és a gazdasági tervezésben egyaránt. A gazdasági tervezésben megkülönböztetnek operatív, rövid lejáratú (1 3 év), középtávú (5 10 éves) és hosszútávú (10 20 éves) tervezést. A komplex energiaszükséglet meghatározható globális és szektoriális módszerrel, az utóbbi esetben az energiaszükséglet külön-külön tervezett elemeinek összegezésével. Az energiaszükséglet tervezése felöleli az energiafelhasználási prognózisokat is. Valamely berendezés, vagy folyamat energiaszükségletét műszaki számítások alapján általában meglehet határozni, az energiaátalakító berendezésekét viszonylag nagy pontossággal. Ha több berendezés, vagy berendezés csoport van, ez az eljárás rendszerint nem követhető. A statisztikai számítások, eljárások az energiafelhasználási mutatókon, fajlagos energiafelhasználásokon, vagy az energiafelhasználási elaszticitáson alapulnak. A várható energiaszükséglet meghatározásának pontossága jelentős mértékben függ a tervezés fázisától. Ha pl. egy beépítetésre tervezett városrész energiaellátási koncepcióját mérlegeljük, a beépítés funkciójából indulunk ki. Ha azt tudjuk, hogy egy adott alapterületű részt (pl. a Petőfi és Lágymányosi híd között a pesti Dunapart) szállodákkal és kulturális létesítményekkel tervezik beépíteni, a hasonló beépítésű területek fajlagos energiaszükségletéből indulunk ki. Amint további részletek állnak rendelkezésre pl. szállodaszobák száma, kulturális létesítmények jellege a számítási eredményeket pontosítjuk a szobaszámra vetített energiaszükséglettel stb. A nemzetközi gyakorlat a tervezés fázisától függő pontosságot feltételez és enged meg Az energiaszükségleti függvények és energetikai jelleggörbék Az energiaszükséglet felbontható terheléstől és időtől függő és független elemekre (6. táblázat). Az energiaszükségletet elvileg a hasznos energia és a veszteségtényezők kiszámításával lehet meghatározni. A gyakorlatban célszerű az energiaszükséglet elemeit alkalmas módon összevonni. Így gyakran összevontan határozzák meg a hasznos energiát és a terheléssel összefüggő veszteségeket, vagyis a produktív energiaszükségletet; mellőzik az üresjárási energiaszükséglet kiszámítását olyan folyamatoknál, ahol ez a veszteség csekély. 6. táblázat Az energiaszükséglet elemei Megnevezés Technológiai energiaszükséglet Meghatározás Gépek vagy berendezések által szolgáltatott termelés vagy szolgáltatás létrehozásához szükséges energia Mechanikai energiát felhasználó és szolgáltató gépeknél Hajtáshoz, megmunkáláshoz, szállításhoz, közlekedéshez,... szükséges energia; hasznos energia Hőenergiát felhasználó és szolgáltató berendezéseknél (kemencék, kályhák, hőcserélők...) Olvasztáshoz, hevítéshez,... szükséges energia; hasznos hő Legfőbb befolyásoló tényezők Termelésre, szolgáltatásra jellemző mérőszám(ok) P Jelölés és számítás E h = e h P 17