A legfontosabb fizikai törvények. Fenntartható fejlıdés és atomenergia. A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények

Átírás

1 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 1 Fenntartható fejlıdés és atomenergia 3. elıadás Energiatermelési módok részletes ismertetése: a fosszilis energiahordozók Dr. Aszódi Attila egyetemi docens A legfontosabb fizikai törvények A termodinamika I. fıtétele az energia-megmaradás elve Az energia nem vész el, csak átalakul Zárt rendszer esetén a belsı energia (U) megváltozása a beés elvezetett hıenergia (Q) és a be- vagy elvezetett mechanikai munka (W) elıjeles összegének felel meg. U 2 - U 1 = Q + W Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 2 A legfontosabb fizikai törvények A termodinamika II. fıtétele az energia minıségére ad útmutatást Hı hidegebb helyrıl melegebb helyre (külsı segítség nélkül) nem áramolhat. A hıenergia teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává, viszont a mechanikai munka 100%-ban hıenergiává alakítható. az energiaátalakítások során szükségszerően végbemennek olyan folyamatok, amelyek nem megfordíthatóak! Zárt rendszer összes entrópiája nem csökkenhet. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 3 A legfontosabb fizikai törvények Veszteségek az energiaátalakításban Mennyiségi veszteségek: Az elsı fıtétel betartása mellett az energia egy része elvész a hasznosítás szempontjából (pl. megszökik a rendszerbıl - elégtelen hıszigetelés, gızveszteség). Minıségi veszteségek: A hıenergia minıségét a hımérséklet jellemzi! Minél magasabb hımérsékleten áll rendelkezésre ugyanaz a hımennyiség, annál értékesebb. A hımérséklet csökkenése adott hımennyiségnél a hı minıségének romlását okozza. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 4 A legfontosabb fizikai törvények Energiaátalakítás A termodinamika kimondja az energiamegmaradás elvét (I. fıtétel), de egyben meghatározza az egyes energiafajták egymásba alakításának korlátait is (II. fıtétel). Energetikai nagyberendezések típusai: erımő főtıerımő főtımő Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 5 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 6

2 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 7 Energiaátalakítás Erımőhatásfok fejlıdése Dugattyús gızgépek Belsı égéső motorok Otto motorok Diesel motorok Hıerıgépek η Carnot T = 1 T alacsony magas Gızturbinák Gázturbinák Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 8 Hıerımővi körfolyamat Gızturbina mőködése Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 9 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 10 Gızturbina mőködése a., levegı belépés tüzelıanyag bevezetés füstgáz kilépés Gázturbinák 3 égıkamra (É) b., lehőtött füstgáz Turbinafokozat lapátprofiljai Turbinafokozat sebességábrája kompersszor (K) turbina (T) Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk levegı belépés 3 regenerátor (R) komprimált levegı 2* tüz. a 4* elımelegített komprimált levegı forró füstgáz 2 égıkamra (É) 1 90 MW-os fıturbina forgórész Százhalombattai 215 MW-os gızturbina javítása Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 11 kompresszor (K) turbina (T) Hıcserélıvel kiegészített egytengelyes erımővi gázturbinás blokk Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 12

3 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 13 Gázturbina Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk Gázturbina moduláris atomreaktorral USA-fejlesztéső, MWe teljesítményő gázhőtéső, gázturbinás reaktor A 850 o C kilépı hımérséklető hélium hőtıközeg közvetlenül a gázturbinára jut Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 14 Mobil gázturbina Gázturbina forgórész hıterhelése Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 15 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 16 T 3 Kombinált ciklusú gázturbinás erımő gızturbinás hıhasznosítással T 4 Q & ü T 1 T G V T 2 P GT h 1 m& g h 1 P KE Dunamenti erımő, Százhalombatta A világ energiafelhasználásának megoszlása energiahordozónként Fosszilis energiahordozók Szén Kıolaj Földgáz η G/G PGT + P = Q& ü KE T HH Mai tipikus hatásfok 50% fölött! Dr. Aszódi Attila, BME NTI Pasco, USA #03 / 17 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 18

4 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 19 A fosszilis energiahordozók keletkezése Fosszilis energiaforrások: A Nap sugárzási energiája több száz millió évvel ezelıtt került betárolásra. Élı szervezetek -- tengerfenék -- baktériumok + rárakódott kızetek okozta magas nyomás és hımérséklet oxigénhiányos környezet. Fosszíliák kialakulása. Égéshı és főtıérték Égéshı [kj/kg, MJ/kg] tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelıanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hımennyiség, ha a tüzelıanyagban lévı eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után cseppfolyós állapotban van jelen. Főtıérték [kj/kg, MJ/kg] tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelıanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hımennyiség, ha a tüzelıanyagban lévı eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után gız halmazállapotban marad. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 20 Tüzelıanyagok égése Szilárd tüzelıanyag: a felhevítés és a nedvességpárolgás folyamata; az illó eltávozása és a kokszképzıdés; az illó égése; a koksz égése; salakképzıdés. Gáznemő tüzelıanyag: felhevítés; égés. Tüzelıanyagok főtıértéke Tüzelıanyag Főtıérték [MJ/kg] Nedvességtartalom [%] Hamutartalom [%] Komlói feketeszén Donyeci antracit Sziléziai aknaszén Borsodi barnaszén Visontai külfejtés 5,5-6, Háztartási tüzelıolaj Nehéz főtıolaj Gudron Földgáz Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 21 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 22 A szén összetétele Mélymőveléső szénbányászat A Márkushegyi Aknaüzem (Vértesi Erımő Rt.) az ország legnagyobb és legkorszerőbb bányája Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 23 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 24

5 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 25 Mélymőveléső szénbányászat Mélymőveléső szénbányászat Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 26 Mélymőveléső szénbányászat Felszíni szénfejtés Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 27 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 28 Felszíni szénfejtés Felszíni szénfejtés Meddıtermelés marótárcsás kotrógéppel Széntermelés merítéklétrás kotrógéppel Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 29 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 30

6 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 31 Felszíni szénfejtés Felszíni fejtés - a meddı elszállítása Visontai lignit fıbb jellemzıi: főtıérték: 6,2 MJ/kg nedvesség: 48,7% hamu: 20,2% kén: 0,8% hidrogén: 1,7% carbon: 19,7% nitrogén: 0,4% oxigén: 8,5% Hamu jellemzıi: SiO 2 -tartalom: 64% Al 2 O 3 -tartalom: 21% Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 32 A szén szállítása Közvetlen szállítószalag, ha a bánya közel van. Legolcsóbb: vízi út. Több tonnás tengerjáró hajók. Folyami közlekedésben t. A szárazföldi szállítás zöme vasúton történik: a fejlett országokban a vasúton szállított áruk 1/3- át a szénszállítás teszi ki. Közút: egy tragédia. Széntüzeléső erımővek Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 33 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 34 Széntüzeléső erımővek Széntüzeléső erımővek Kényszercirkulációs kazánok Síkbeli tőztérfal (membránfal) gyártása Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 35 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 36

7 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 37 Széntüzeléső erımővek Széntüzeléső erımővek Fluidizációs tüzelés az emisszió csökkentés érdekében Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 38 Széntüzeléső erımővek Lignittüzeléső erımő - példa Fluidizációs tüzelés Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 39 A visontai Mátrai Erımő. 2 x 100 MW és 3 x 212 MW-os beépített villamos teljesítményő széntüzeléső blokk. Az erımő napi lignitfelhasználása tonna. Átlagos rendelkezésre állása 80%. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 40 Lignittüzeléső erımő - példa Lignittüzeléső erımő - példa Visontán épült az ország elsı kénleválasztó berendezése. A világon egyedülálló módon a berendezés száraz Heller- Forgó féle hőtıtorony belsejében létesült. A képen az abszorber. RWE tulajdon. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 41 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 42

8 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 43 Kıszéntüzeléső erımő - példa Kıszéntüzeléső erımő - példa Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 44 Kıszéntüzeléső erımő - példa Kıszéntüzeléső erımő - példa Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 45 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 46 Kıszéntüzeléső erımő - példa Horvátország, Plomin-2 Építés indult 1985-ben, financiális okokból megszakadt 1991-ben. HEP (horvát) - RWE (német) közös vállalat (50-50%) ben, a munkák újraindulnak. Elsı szinkronüzem szeptember 29-én, üzemi gépként december 1. Max. 210 Mwe. Tervezett üzemidı 30 év, amely várhatóan 10 évvel hosszabbítható. Import kıszén (24 MJ/kg) fogyasztása 80 t/h, termelıi ár ~0,03 USD/kWh, 6350 h/év kihasználási tényezıvel. Saját szenük 8-11% kéntartalmú, mára gazdaságtalan. Plomin óta üzemel, 105MWe, saját szénre. Az USA szénkészletei Az USA szénvagyonának energiatartalma 100x nagyobb, mint az olaj- vagy gázvagyonának energiatartalma ban a szénbıl már 3x annyit nyertek, mint a fából millió t szénfelhasználás (USA) erımővek: 88% ipar, közlekedés: 7,7% koksz az acélgyártásban: 3,5% lakosság és szolgáltatás: 0,6% AZ USA 1995-ben a 941 mio t szénfelhasználás mellett még 88 mio t-t exportált is. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 47 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 48

9 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 49 Az USA szénkészletei USA szénvagyona 1, t Felhasználása t/év 1500 éves készlet (a jelenlegi felhasználással)! USA villamosenergia-termelés 52%-a szénbıl! Többek között ezért nem akarta az USA ratifikálni a kiotói jegyzıkönyvet! A kıolaj Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 50 A kıolaj lelıhelyek geológiája Olaj és gázlelıhely tipikus geológiai formációja. A gáz az olaj felett, az olaj víz felett helyezkedik el. Mindez porózus kızetben található. Az egész formációt vízzáró kızet fedi. A kıolaj bányászata Létezett néhány természetes forrás az USA-ban, ahol az olaj magától a felszínre jött, néhány 10 liter/nap mennyiségben Titusville, Pennsylvania Colonel" Drake mélyített egy 69 láb mély fúrást, ahol olajat talált, amit a felszínre szivattyúzott. A fı probléma: nem volt mibe tölteni, mert az erre alkalmas hordók többe kerültek, mint a beléjük tölthetı olaj akkori értéke. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 51 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 52 A kıolaj bányászata Az Olajfinomítás nagyot változtatott: a kerozin biztos piacra talált (fızés, főtés, világítás) egy év alatt 75 kútból 3 millió hordó olajat hoztak felszínre csak Pennsylvaniában. Intenzív kutatás indult több amerikai államban (Ohio, Indiana, California, Texas), ahol olajat találtak az USA olajtermelése hordó/nap, több mint az egész világ együttvéve. 1 barrel (hordó) = 42 gallon = 42 x 3,885 l = 163 liter A kıolajtermelés az USA-ban Hanyatlás: elektromos világítás. Újabb felívelés: az autó megjelenése a csúcs elérése az alaszkai olajvezeték üzembevételével. Ezután a termelés esik óta az USA évrıl-évre több olajat importál. Ma az USA fogyasztásának 50%-a import. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 53 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 54

10 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 55 Kıolajkészletek Olajárak a világpiacon USA - sok, kis termelékenységő kút. Szaud-Arábia: kevés, nagy termelékenységő berendezés, jobb mezık. Ország Fıbb olajtermelı országok Termelés (10 3 hordó/nap) Készletek (10 6 hordó) Olajkutak száma Szaúd-Arábia Ex-Szovjetunió Egyesült Államok Irán Kína Venezuela Mexikó Egyesült Királyság Nigéria Irak Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 56 Olajárak alakulása Crude Oil Price (oil-price.net) február október 3. Price : 60,69$/Barrel 80,25$/Barrel 1 year forecast: 78,90$/Barrel 104,33$/Barrel Olajárak hatása a világpiacon Nyersolaj-árak változása között, 2004-es dollár jelenértéken (zöld) és akkori értéken (sárga) Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 57 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 58 Olajárak a világpiacon Sok államnak az olajexport a fı bevételi forrása létkérdés az export az olaj árát sok esetben nem az igazi piaci mechanizmusok, hanem spekulációk határozzák meg. Az OPEC célja a mennyiség korlátozásával az ár felhajtása. Az autók fogyasztása az elmúlt 30 évben közel a felére esett az autós közlekedést ez is olcsóbbá teszi napjainkban. A világpiaci igény a nagy, intenzíven fejlıdı országok (Kína, India) kereslete miatt gyorsan és folyamatosan nı. Ez és a világpolitika ma a meghatározó felhajtóerı! Világpolitikai változások Az igazolt kıolajkészletek kb. 62%-a a politikailag instabil Közel-Keleten található Peak-oil : számos elemzı szerint lassan elérjük a maximális kitermelési kapacitást további árnövelı hatás Olajárak alakulása A világ igazolt kıolaj-készletének földrajzi eloszlása Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 59 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 60

11 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 61 Olajárak alakulása Hagyományos számítás szerint (1200 milliárd hordó igazolt készlet a jelenlegi fogyasztás mellett) kb. 40 évre elegendı a kıolaj-készlet Peak-oil elmélet: az optimális kitermelés Gaussgörbével modellezhetı, a csúcs után a termelés gyorsan csökken növekvı kereslet mellett a csúcs után növekvı hiány a csúcs idıpontját az elemzések közé teszik, újabban egyre korábbra Egy valós peak-oil: az északi-tengeri nyersolajtermelés csúcsa 1999-ben volt, azóta évi 2,8%-kal csökken a termelés Modern kutatás Olaj elıkutatás: robbantás, nagy rezgı tömegek által keltett rezgések visszaverıdésének érzékelése. A teljesen biztos lelıhely igazolás csak fúrással lehetséges. A mezı kiterjedésének meghatározása további fúrásokkal lehetséges igazolt készletek. A kutatófúrások rendszerint kis ráfordítással átállíthatóak termelıkutakká. Legmélyebb termelıkút 9600 m. Átlagos napi hozam: t/kút. Átlagos élettartam: 40 év. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 62 A kıolaj bányászata Szénhidrogének porózus kızetben. (olajtartalmú réteg vastagsága: néhány méter - néhány 10 méter). A normális kihozatali ráta csak 30%! Termelési módszerek: elsıdleges: a belsı nyomás hajtja ki (gázsapka, víz felhajtóereje). Kitermelés során a nyomás és a hozam csökken. másodlagos (+5-15%): gáz visszanyomása a gázsapkába, vagy víz benyomása alulra. harmadlagos: viszkozitást csökkentı melegítés forró vízzel vagy gızzel; az olaj föld alatti meggyújtása + levegı bejuttatása; A kıolaj tengeri bányászata 200 méteres vízmélységig fix állványról, afölött lehorgonyzott mesterséges szigetekrıl. Rekord: 6,3 km víz alatt 600 m-es behatolás. Kitermelési együttható: ~40%. Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 63 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 64 A kıolaj finomítása és jellemzıi Lepárlás Vákuumdesztilláció Krakkolás - a fehéráru kihozatal javítása (benzin kihozatal 2-3-szoros) Probléma: a szennyezık (kén) a nehezebb frakciókban maradnak. Nyersolaj-feldolgozás termékei Frakció Molekulaméret Forráspont [ C] Felhasználás Földgáz C1-C Tüzelıanyag Petroléter Oldószer (száraz C5-C7 tisztítás) Benzin C5-C Üzemanyag Petróleum (kerozin) Tüzelés, dízel, C12-C16 repülés Tüzelıolaj C15-C alatt Tüzelıanyag Kenıolaj C16-C fölött Kenés Zsírok C18 és fölötte félkemény Kenés Paraffin C20 és fölötte olvad: Gyertya Szurok, kátrány fölötte lepárlási maradék Tetı, útépítés Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 65 A kıolaj és a fehéráru szállítása Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 66

12 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 67 A földgáz A legnemesebb fosszilis energiahordozó Főtıértékre vonatkoztatva alacsonyabb széntartalom egységnyi hıfelszabadulásra kevesebb CO 2 termelés, mint a szén elégetése során! Szállítása és tárolása problémásabb, mint a kıolajtermékeké, felhasználása viszont könnyő Magyarország ma túlzottan nagy mértékben épít a földgázra. A földgáz főtıértéke Tüzelıanyag Főtıértéék [MJ/kg] Nedvességtartalom [%] Hamutartalom [%] Komlói feketeszén Donyeci antracit Sziléziai aknaszén Borsodi barnaszén Visontai külfejtés 5,5-6, Háztartási tüzelıolaj Nehéz főtıolaj Gudron Földgáz Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 68 Földgázkészletek Fıbb gázkészletek Ország Készlet (tcf) Ex-Szovjetunió 1977 Irán 742 Katar 250 Egyesült Arab Emirátusok 205 Szaúd-Arábia 186 Egyesült Államok 164 Venezuela 140 Algéria 128 Nigéria 110 Irak 109 Norvégia 47 Malájzia 68 Indonézia 69 Mexikó 68 Canada 67 Hollandia 65 Ausztrália 20 Kuvait 53 Kína 59 Líbia 46 Földgázkitermelés 15%-ban együtt történik a kıolaj kitermelésével. Létezik 100 bar saját nyomással rendelkezı gázkút (rekordmélység 7,5 km). Száraz kutakból a gáz 60-80%-a saját nyomásától a felszínre jön. Vizes elárasztással a kitermelés 85-95%-os. Kitermelés további javítása - rétegtörés: hidraulikus repesztés; föld alatti kémiai robbantás; föld alatti atomrobbantás (oroszok több km mélyen, 40 kt-ás töltettel kísérleti jelleggel így növelték a kihozatalt ). Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 69 tcf = ft 3 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 70 A földgáz szállítása Fosszilis energiafelhasználás légszennyezı hatása VOC = Volatile organic compounds = illékony szerves vegyületek Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 71 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 72

13 Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 73 Fıbb ellenırzı kérdések és témakörök Fıbb ellenırzı kérdések és témakörök 1. A termodinamika I. fıtétele 2. A termodinamika II. fıtétele 3. Mennyiségi és minıségi veszteségek az energiaátalakításban 4. Energetikai nagyberendezések fıbb típusai 5. A hıerıgépek elvi felépítése, fıbb típusaik 6. A Carnot körfolyamat és hatásfoka 7. A gızturbinák mőködése (vázlatosan) 8. A gázturbinák mőködése (vázlatosan) 9. A gázturbinák fıbb típusai 10. Gázturbina moduláris atomreaktorral 11. Mobil gázturbinák fıbb típusai 12. Gázturbina lapátok hıterhelése 13. Kombinált ciklusú gázturbinás erımővek 14. Fosszilis energiahordozók keletkezése 15. Égéshı definíciója 16. Főtıérték definíciója. 17. Az égéshı és a főtıérték közötti különbség 18. Szilárd és gáznemő tüzelıanyagok égésének folyamata (vázlatosan) 19. Legfontosabb fosszilis tüzelıanyagok főtıértéke, jellemzı nedvesség- és hamutartalma 20. Mélymőveléső bányászat 21. Külszíni széntermelés 22. A szén szállításának módozatai 23. Széntüzeléső erımővek tüzelıberendezéseinek fı fajtái, mőködésük 24. Az USA szénvagyona 25. A kıolaj lelıhelyek geológiája 26. A kıolaj lelıhelyek kutatása 27. A kıolaj bányászata, különbözı kitermelési módszerek és azok kihozatali aránya 28. A legfontosabb kıolajtermelı országok és készleteik 29. Az olajárak világpiaci alakulása és befolyása egyéb energiahordozók árára 30. A peak-oil elmélet 31. Kıolajfinomítás 32. A földgáz lelıhelyek geológiája és kutatása 33. A földgáz bányászata 34. Földgázkészletek a világon Dr. Aszódi Attila, BME NTI #03 / 74