FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS

Átírás

1 FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 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 Az igénybe vett energia fő típusai HŐENERGIA fűtés, meleg víz, szárítás VILLAMOS ENERGIA (1963 óta minden magyar településen) hő > mozgás > villamos áram MOZGÁSI ENERGIA közlekedés, szállítás

3 1,2 milliárd ember él áram nélkül - 1,0 milliárd vidéken - 0,2 milliárd városban

4 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 energia: 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..

5

6 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) Feladat: megtermelt energia mennyiségének kiszámítása szél atom

7 Fogyasztóberendezések 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

8 Energiaforrások csoportosítása

9 A világ primer energiaszerkezetének változása (%)

10

11 Az energiafogyasztás mértékének és szerkezetének forrásoldali változása

12 DE! EU áramtermelésben már 30% RE, 2030-ra 50%! Hivatalos EU célok 2030-ra BAU-hoz képest: 40% CO2-csökkentés 27% RE általános cél 27% hatékonyságjavulás

13

14 Az ipar hőigénye 32 európai ország adatai alapján

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

16 A globális végső energiafogyasztás forrásszerkezete (2014) 78,3 % 19,2 % 2,5 %

17 2014-es becsült adatsor Fosszilis: 78,3% Megújuló: 19,2% Atom: 2,5% Forrás: REN21 Global Status Report 2014

18 Új és kumulált megújulós áramtermelő kapacitás

19 Mozgatórugó: ÁRAK, KÖLTSÉGEK Olajár: 15 $/hordó legolcsóbb kitermelési költség (Szaúd-Arábia) $/hordó legdrágább kitermelési költség (olajpala) Áramár: $/MWh - PV, szél; $/MWh Hinley Point C Időjárási katasztrófák növekvő költségei

20 A komplex hozamcsúcs probléma (termovillamos)

21 Az energialánc

22 Büki Gergely: Energetika c. tankönyv (BME)

23 Egy lényeges lépés az elejéről lemaradt: a magyar erőművekben 320,7 PJ primer energia fordítódik áramtermelésre 101,3 PJ (28132 GWh) villamos áramot adnak fel a villamos hálózatra

24 Társadalomtudományi és interszektorális összefüggésekkel kiegészített energialánc 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

25 Tim Jackson: Prosperity without Growth Report, 2009

26 Energiatermelés célja és módja szerint (ipari lépték) KIZÁRÓLAG HŐTERMELÉS Fűtőmű: kizárólag hőenergiát (meleg vizet) előállító erőmű (hatásfok: 30-50%) KIZÁRÓLAG ÁRAMTERMELÉS (SHP - separate heat and power production) 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%)

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

28 A fosszilis erőmű és az atomerőmű elvi felépítése az atomerőmű egy atombombával fűtött gőzgép

29 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

30 Az atomenergia a jelenlegi magyar villamosenergia-rendszerben

31 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

32 Kulcskérdés az energia szállíthatósága Primer energia: korlátlan Villamos energia: km, esetleg 1000 km távolság átviteli hálózat nagyfeszültség: 120 kv-nál nagyobb ( kv) AC (gyakoribb) - DC (hosszabb távolságra alkalmasabb) Nagyobb transzformátorállomások között húzódik. Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak 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. elosztói hálózat 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!

33

34 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

35 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 )

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

37 Együttműködő rendszerek

38 Egy háztartás napi áramfogyasztásának mintázata

39

40 Fogyasztási mintázat időbeli átalakítása

41 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

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

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

44 Az ember átlagos energiafogyasztásának változása a történelem során E. Cook, "The Flow of Energy in an Industrial Society" Scientific American, 1971 p. 135.

45

46 Energiafogyasztás/fő kontinensenkénti bontásban

47 Az áramfogyasztás mértékének előrejelzése nem egyszerű műszaki probléma tényleges nettó áramfogyasztás (GWh) 2007-ben előrejelzett (GWh)

48 Az energiarendszer elemeinek életideje igen hosszú

49 KÖRNYEZETI MEGFONTOLÁSOK

50 WWF: Living Planet Report, 2004

51 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:

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

53 103 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%

54 *Pripjaty *Csernobil A robbanás következtében a környezetbe kikerült radioaktivitás a Hirosimában és Nagaszakiban felrobbantott atombombák együttes radioaktivitásának körülbelül kétszázszorosa volt.

55 Az atomenergetikához kapcsolódó jelentősebb balesetek

56 Környezetterhelések szenes erőművek életciklusában Keaton, M. 2001

57 AZ ÉLETCIKLUS ELEJE

58 AZ ÉLETCIKLUS KÖZEPE Ratcliffe on Soar Power Station, UK

59

60 Életciklus vége (?)

61 Átlagos légköri CO 2 -szint az elmúlt évben + metán (CH 4 ); dinitrogén-oxid (N 2 O); halogénezett C x H y

62 Éghajlatváltozás

63 GAZDASÁGI és NEMZETSTRATÉGIAI MEGFONTOLÁSOK

64 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.

65 Az atomenergiáról nem esik szó a hazai statisztikákban az atomerőművi fűtőelemek importja 100% - ezzel a teljes szektor kiszolgáltatottsága 70-75% Forrás. Nemzeti Energiastratégia 2030

66 Munkahelyek az energetikában (Németo.)

67 Externáliák

68 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 A hatás lehet pozitív és negatív

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

70 CO 2 Különféle technológiák teljes életciklusának összehasonlítása a légszennyezés szempontjából SO 2 NO X

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

72

73

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 (energiaszegénység); a káros környezeti következmények azonban kivétel nélkül mindenkit érintenek.

76 Energetikai megtérülés

77 Energiamegtérülés mutatói Energy Return on (Energy) Investment (EROEI) - Nettó energia részarány (Net Energy Ratio = NER): ratio of useful energy output to the grid to the fossil-fuel energy consumed during the lifetime of the technology - Külső energia részarány (External Energy Ratio =EER): In cases where the primary energy of the fuel is not included in the energy inputs ~ ismeretes úgy is mint Energy Payback Ratio

78

79 Mennyi idő alatt termeli meg a befektetett energiát egy napkollektor vagy napelem? 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 irányzatok a nemzetközi energiapolitikában

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

84 Az áramtermelő kapacitások változása az EU-ban között

85 Új áramtermelő-kapacitások az OECD európai tagállamaiban között ns/publication/repoweringmarkets.pdf

86 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? Nem tárolható az energia a szükséges mennyiségben A berendezések létrehozásához túl sok energia kell A konkurens megoldás (villanybojler) vajon mikorra termeli meg az előállításához szükséges energiát??

87 Van remény