Környezettechnika. 1. A környezettechnika alapjai és jelentősége. Energiaforrások és felhasználásuk.

Átírás

1 Fodor Béla Környezettechnika 1. A környezettechnika alapjai és jelentősége. Energiaforrások és felhasználásuk. Megj.: - A napenergia, biomassza s geotermikus energia tématerületén részben a Nimfea Természetvédelmi Egyesület online rendelkezésre álló anyaga található az előadás prezentációs anyagában. - További felhasznált irodalom a biomassza tématerületén: Barótfi István Környezettechnika Környezettechnika 1

2 Ember Környezet Ipar A természet és az ipar közti környezeti egyensúly fenn kell tartani, annak érdekében, hogy a technikai fejlődés ne veszélyeztesse az emberek életterét.. Környezettechnika feladata: Olyan ismeretek kialakítása, amelyek segítségével környezetvédelmi szempontok figyelembevételével jelenlegi és jövőbeli helyzeteket feltárhatunk és rendszerezhetünk. Valamint olyan ismeretek és szemlélet kialakítása, amely rámutat arra, hogy a technikai környezetben létrehozott rendszerek energiaellátását folyamatosan, a megfelelő paraméterekkel kell biztosítani, úgy hogy a különböző technikai és technológiai folyamatokat megismerjük, és a működtetés kockázatát és a felelősségét feltárjuk Környezettechnika 2

3 Környezettechnika a műszaki gyakorlatban Ipar: A műszaki gyakorlatban, minden intézkedés a hatékonyság növelését célozza meg tisztán a jobb működés érdekében, az ezzel kapcsolatos termelési és gazdasági intézkedések a költségek csökkentését és hatékonyság növelését célozzák meg. Az ipari energiafelhasználás mértéke évről évre nő mely a piacon jelenlévő környezetterhelő anyagok, valamint az előállításukhoz felhasznált energiahordozók mennyiségét növeli. Mely folyamatosan növekvő terhelést jelent. Törekvések: A műszaki gyakorlatban törekednünk kell arra mind az energiafelhasználásnál mind a termékek tervezésénél, hogy a legkisebb környezetterhelés jöjjön létre. Energiatakarékossági intézkedések Megújuló energiaforrások alkalmazása Technológiai intézkedések Üzemeltetési megfontolások Politika: A törekvéseket lakossági és ipari területen is érvényesíteni kell, amelynek gazdasági és politikai hatásai is lehetnek. A környezetvédelem érdekében nemzetközi szabályok és szankciók biztosítják az egyes környezetterhelő hatások elfogadható keretek közötti mozgását Környezettechnika 3

4 Környezetpolitika (EU alapszerződés 130R cikkely) Megelőző fellépés A projekt tervezésének első szakaszában figyelembe kell venni a műszaki beruházások hatásait, azaz környezeti hatásvizsgálatot kell végezni, Technológiai fejlesztés, Elkerülendő a természeti erőforrások olyan hatásvizsgálata, mely károsítja a biológiai egyensúlyt. A környezetszennyezést a forrásnál kell megakadályozni Emissziós szabványok A szennyező fizessen Ennek az elvnek a következtében sokféle szankcióval sújtható az, aki az előírásokat megsérti. Integráció A környezetvédelem az EU ágazatainak is eleme. A gyakorlatban ezt az elvet több direktíva és érvényesíti. Szubszidiaritás Ez az elv az EU és a tagállamok közötti hatáskör-megosztásra vonatkozik: kisegítés, a hatalmi szintek közötti munkamegosztásról szól, a különféle problémákat a keletkezési szinten kell megoldani, az EU csak akkor lép közbe, ha az állam nem tud közbenjárni Környezettechnika 4

5 A megújuló energiaforrások hasznosításának tényezői Globálisan: A fosszilis energiahordozók tartalékainak kimerülésével felértékelődnek az megújuló energiaforrások. A környezetvédelmi világszemlélet előtérbe kerülése. A termelési folyamatok során keletkező melléktermékek hasznosításának lehetősége. Országos és regionális szinten: Az import energia felváltása, a külső piac által kevésbé befolyásolt energiapolitika. A környezetvédelmi szempontból is fenntartható gazdasági fejlődés. Nemzetközi egyezményekben aláírt kötelezettségek betartása. Az országos energiaellátási rendszer tehermentesítése. Munkanélküliség enyhítése. Helyi energiaforrások jobb kihasználása. Infrastruktúra fejlesztés. Vállalkozás fejlesztés. Az EU forrásainak megszerzése. Vállalkozási és lakossági szinten: Az előállított (kvótákkal nem szabályozott) termékek széles körű hasznosítása. Az energiaköltségek csökkentése. A jövedelem és a gazdasági hatékonyság fokozása Környezettechnika 5

6 Megújuló energiaforrások használatának terjedését hátrányosan befolyásoló tényezői Az igen magas beruházási költségek. Egyes fosszilis energiahordozók alacsony ára. Az alacsony energiasűrűség. Magas szállítási és tárolási költségek. A környezetvédelmi, makrogazdasági előnyök nem jutnak kellően érvényre a fogyasztói döntésekben és a támogatás-politikában. Az új eljárások bevezetésével járó szemléletváltozás nehézségei mind a fogyasztói, mind a döntéshozói szinten Környezettechnika 6

7 Energiafogyasztás a történelem során Környezettechnika 7

8 Megújuló energiaforrások Nem megújuló energiaforrások Kőolaj Földgáz Kőszén Atomenergia Környezettechnika 8

9 Hő hasznosítás Használati melegvíz Napi melegvízfogyasztás V= nv 1 Q= n c ρ V t t Felfűtéshez szükséges hőmennyiség ( ) b m h Táblázat: Átlagos melegvízfogyasztás Fogyasztó Fogyasztási egység Fajlagos fogyasztás (l) Hőmérséklet ( C) V1 Lakóépület, állandó kp. 1 fő/nap meleg vízellátással Szállodák és panziók 1 ágy/nap Kórházak, általános 1 ágy/nap jellegű szanatóriumok közös vizes csoporttal Szanatóriumok, üdülők 1 ágy/nap szobánkénti fürdőszoba Kórházak és 1 ágy/nap szanatóriumok iszap és gyógykezeléssel Vendéglő 1 adag/nap Mosoda 1 kg száraz ruha Iskola 1 fő/nap Óvoda 1 fő/nap Bölcsőde 1 fő/nap Környezettechnika 9

10 Föld energiamérleg Gépészmérnöki és Informatikai Kar Környezettechnika 10

11 A napenergia hasznosításának főbb területei energiahatékony építkezés használati melegvíz előállítás uszodafűtés légfűtés és szárítás aktív szolár légtechnikai berendezésekkel elektromos áram előállítás a háztartásokban, valamint nap-erőművekben Környezettechnika 11

12 Földre érkező napsugárzási paraméterek Direkt sugárzás Szórt sugárzás Teljes napsugárzás Sugárzási felületi teljesítmény [W/m2] Besugárzottság [J/m2] Kirchoff féle sugárzási törvény értelmében α = ε Energia megmaradás ε +α + τ + ρ = Környezettechnika 12

13 Geometriai paraméterek Földrajzi szélesség Deklináció Óraszög Napmagasság (altitude) Nap azimut szöge Zenit szög Környezettechnika 13

14 Magyarországi adatok Környezettechnika 14

15 Hő hasznosító berendezések - Aktív Az aktív napenergia hasznosítás az alábbi résztevékenységekből áll össze: a napsugárzás összegyűjtése az abszorber felületen történő elnyeletése a felfogott hővel a hőcserélő felmelegítése a hőcserélő hőjét hasznosító rendszer üzemeltetése Kollektor típusok Napelem típusok Fényezett panelú kollektor Fotoelektromos napelem Sík kollektor Monokristályos szilícium elem Vákumcsöves kollektor Gallium-arzenid elemek Hővezető cső Amorf szilícium napelemek Vonalas fókuszú kollektor Multikapcsolatos fotoelektromos elemek Pont fókuszú kollektor Foto-elektrokémiai elemek Környezettechnika 15

16 Hő hasznosító berendezések - Passzív Passzív napenergia-hasznosítás az építkezésben: az épület hosszában minél nagyobb felülettel tekintsen dél felé, hogy több napsugárzás érje (déli, dél-keleti, dél-nyugati fekvésűnek kell lennie) lehetőség szerint kerülni kell, hogy egy másik épület leárnyékolja megfelelő szigetelés alkalmazása a hő visszatartására, a hőveszteség minimálisra csökkentés érdekében rugalmasan regáló, kis fogyasztású, jó hatásfokú fűtési rendszer kiépítése az épületben a nyári túlmelegedés elkerülés érdekében termálisan masszívnak kell lennie, érdemes a déli fekvésű, nagy üvegfelülettel rendelkező oldal elé lombhullató fákat ültetni, a nyári túlhevülés kivédésére az épület tervezésénél nagy figyelmet kell fordítani arra is, hogy megfelelő mennyiségű természetes fény jusson a lakásba, a világítás költségeinek csökkentés érdekében A passzív napenergia-hasznosítás hatékonysága függ: az épület belső hőmérsékletétől, az átlagos külső hőmérséklettől, a napsütéses órák számától, az ablak irányától, árnyékoltságától, az ablak egyéb tulajdonságaitól Környezettechnika 16

17 fogalomkörébe tartozó anyagok mezőgazdasági termények melléktermékei, hulladékai (szalma, kukorica-szár/csutka, stb.) energetikai célra termesztett növények (repce, cukorrépa, különböző fafajok) állati eredetű biomassza (trágya, stb.) erdőgazdasági és fafeldolgozási melléktermék illetve hulladék (fa apríték, nyesedék, forgács, fűrészpor, háncs, stb.) Táblázat: Néhány a biomassza mennyiségével kapcsolatos adat az Open University alapján A szárazföldi növények össztömege Az erdők teljes tömege A világ népessége (1993) Az egy főre jutó szárazföldi biomassza A szárazföldi biomasszában raktározott energiamennyiség A nettó évi szárazföldi biomassza produkció. Az összes energiafogyasztás (minden fajtáját beleértve) Biomasszából származó energiafogyasztás Táplálékból származó energiafogyasztás 1800 milliárd tonna 1600 milliárd tonna 5,5 milliárd fő 400 tonna exajoule, 3000 EJ/év (95TW) Mt/év 1 Exajoule (EJ) = 1000 millió megajoule 1 Terawatt (TW) = 1 millió megawatt 400 EJ/év (12TW) 55 EJ/év (1,7 TW) 10 EJ/év (0,3TW) Környezettechnika 17

18 A biomassza, mint energiahordozó jellemzői: megújulása a fotoszintézisnek köszönhető az energia tárolása az által valósul meg, hogy a fotoszintézis során a növényekben létrejövő szerves anyagokban kémiai energia formájában raktározódik el a napfény energiája az energetikai hasznosítást úgy lehet megvalósítani, hogy nem növeljük a légköri széndioxid mennyiségét nagyban elősegíti az ásványkincsek megőrzését jelentősen kisebb a káros anyag emisszió a fosszilis energiahordozókhoz képest az élelmiszer-túltermelés következtében felszabaduló földterületek reális alapot adnak a racionális hasznosításához kedvező hatással van a vidékfejlesztésre, a munkahelyteremtésre Táblázat: az üzemanyagok átlagos energia tartalmára vonatkozó adatok Üzemanyag Energia tartalom GJ/t GJ/m3 Fa (20% nedvességtartalmú) Papír (újság kötegek) 17 9 Trágya (szárított) 16 4 Szalma (bálás) 14 1,4 Cukornád (légszárított szár) Háztartási hulladék 9 1,5 Kommunális hulladék (UK átlag) 15 * Fű (frissen vágott) 4 3 Olaj (petróleum) Szén (UK átlag) Földgáz 55 0,04 * Az anyag típusától függően változó Környezettechnika 18

19 Hasznosítás 1. Közvetlenül: - tüzeléssel, előkészítés nélkül, vagy előkészítés után 2. Közvetve: - kémiai átalakítás után (cseppfolyósítás, elgázosítás), folyékony üzemanyagként, vagy éghető gázként alkohollá erjesztés után üzemanyagként növényi olajok észterezésével biodízelként anaerob fermentálás után biogázként Környezettechnika 19

20 Táblázat: néhány biomassza-energiahordozó fűtőértékét és energiahozamát mutatja Nedvességtartalom % hozam t/ha Fűtőérték MJ/kg Nettó hőérték kgoe/ha* Nettó energiahozam kgoe/ha* Gabona szalma ,5-3,5 15,3-16,2 0,29-0, HE Rizsszalma ,3-3,2 13,5-14,4 0,26-0, HE Napraforgószár ,9-3,5 12,4-13,5 0,24-0, HE Kukoricaszár ,5-5,5 10,2-12,4 0,19-0, HE Tűzifa ,0-2,5 13,5-15,3 0,26-0, HE Erdei fahulladék ,5-2,0 12,4-13,5 0,21-0, HE Erdei faapríték ,0-9,0 11,3-13,5 0,22-0, HE Repceolajmag - 1,0-1,5 35,6-36,8 0,85-0, HA Repceszalma ,0-4,0 15,3-16,2 0,29-0, HE Bioethanol - 1,5-3,5 25,1-27,2 0,60-0, HA * Hatásfok: 80%; HE Hőenergia; HA Hajtóanyag Környezettechnika 20

21 A szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása Az energetikai célú növénytermesztésnek számos akadálya van: Nehéz termelői-társadalmi elfogadtatás. Feldolgozó módszerek nehéz beilleszthetősége a meglévő agrártechnológiákba. Az átalakító berendezések kis energetikai hatásfoka. Az átalakítás gyenge energetikai input/output hatékonysága. A biomassza hasznosításának nagy a beruházási igénye. Energetikai hasznosítás céljából az alábbi növények jöhetnek számításba: Különböző fafajok (nyár, fűz, akác, fű). Magas cukortartalmú haszonnövények (cukorcirok, cukorrépa). Magas olajtartalmú növények (napraforgó, repce, szója). Előnyei: Fűtőértéke a hazai barnaszénnek felel meg ( kj/kg), de azoknál tisztább. A szén 15-25%-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8% hamut tartalmaz, melyet talajerő visszapótláshoz lehet használni. Kéntartalma maximálisan 0,1-0,17%, amely a szén kéntartalmának ad része. Hátránya: nedvesség hatására szétesik, de nedvességtől gondosan elzárt helyen korlátlan ideig tárolható Környezettechnika 21

22 A folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása A növényi eredetű biomasszából előállított folyékony energiahordozók alkoholok, zsírok és olajok lehetnek, melyeket az alábbi módokon lehet hasznosítani: motorhajtóanyagként, hidraulika- és fékfolyadékként, kenőolajként, tüzelési célokra, vegyipari és élelmiszer-ipari alapanyagként. Motorhajtóanyagként az alkoholok és a növényi olajok felhasználhatók: nyers formában, vegyi átalakítás után, hagyományos hajtóanyagokhoz keverve, adagolva. A növényi olajok hasznosításának hátrányai: nagyobb lobbanáspont (nehezebb gyújtás) nagy viszkozitás (rossz porlaszthatóság) kokszosodási hajlam Környezettechnika 22

23 A gáz halmazállapotú biomassza hasznosítása A gáznemű energiahordozók két fajtája: biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képződő Biogáz termokémiai (pirolitikus és gázosítási) folyamatokban keletkező gázok A biogáz hasznosításának három fő lehetősége: Termikus hasznosítás Gázmelegítők Gázégők Komplex hasznosítás elektromos és termikus: gázmotor/turbina generátorral és hőcserélővel mechanikus és termikus: gázmotor/gázturbina és hőcserélő Mechanikus hasznosítás Gázmotor Gázturbina Környezettechnika 23

24 Tüzelőberendezések Alsóégésű kazán Általános vegyestűzelésű kazán faaprítékadagolóval Átégős kazán Környezettechnika 24

25 Szélenergiát hasznosító berendezések csoportjai Elnevezések: Szélmotor (mechanikus energia), Szélerőgép (mechanikus, ritkábban villamos energia), Szélturbina (villamos energia), Szélgenerátor (villamos energia), Szélerőmű (villamos energia).. A lapátkerekek elhelyezés szerinti: függőleges, a szélirányra merőleges, vízszintes, a széliránnyal párhuzamos, vízszintes, a szélirányra merőleges tengelyű kivitelek, Uralkodó szélirány Magyarországon Környezettechnika 25

26 hasznosító berendezések 1. Lapát 12. Hajtómű (kimeneti tengely) 2. A lapát elforgató (pich) mechanizmus 13. Burkolat 3. A lapát csatlakozó része 14. Anemométer (szélsebesség mérő 4. Lapátkerék agy 15. Generátor 5. Hidraulikus munkahenger 16. Olajhűtő 6. Elülső borítólemez 17. Hátsó borítólemez 7. Főtengely 18. Hidraulikus egység (szivattyú, tartály, stb.) 8. Főcsapágy ház 19. Borítólemez 9. Főcsapágy 20. Hajtóműház 10. Tengelykapcsoló (a hajtómű elött) 21. Mechanikus fék (hajtómű elött) 11. Mechanikus fék (a hajtómű után) 22. Torony Környezettechnika 26

27 . Gépészmérnöki és Informatikai Kar Turbina típus Esésmagasság [m] Kaplan and Propeller 2 < H < 40 Francis 10 < H <350 Pelton 50 < H < 1300 Banki Michell 3 < H < 250 Turgo 50 < H < Környezettechnika 27

28 hasznosító berendezések Tározós erőmű Árapály erőmű Hullámerőmű Folyadék mozgási energiáját hasznosító propellererőmű Természetes vagy duzzasztott esésmagassággal rendelkezésre álló turbinaerőművek Környezettechnika 28

29 Gépészmérnöki és Informatikai Kar Alkalmazási terület A mezőgazdaságban az üvegházak fűtésére A haltenyésztésben Lakások fűtésére Elektromos áram termelésére Az utak téli jégmentesítésére Hasznosítási lehetőségek Száraz gőz erőmű Egyszerű gőz-kiáramlásos erőmű Kettős ciklusú erőmű Kettős ciklusú erőmű Közvetlen felhasználásra alkalmas források Geotermikus hőszivattyúk (GHP) Táblázat: közvetlen felhasználásra alkalmas források 20 C Haltenyésztés 30 C Uszodafűtés, biolebontás, erjesztés 40 C Talaj melegítés 50 C Gombatermesztés, balneológia 60 C Állattenyésztés, üvegházak lég és melegágyfűtése 70 C Alacsony hőmérsékletű hűtés 80 C Fűtés, üvegházak légfűtése 90 C Intenzív jégtelenítés, raktározott hal szárítása 100 C Szerves anyagok szárítása, tengeri moszatok, zöldségek, széna szárítás, gyapjúmosás és szárítás 110 C Közép-hőmérsékletű hűtés, cementlapok szárítása 120 C Desztillálás, összetett párologtatás 130 C Bepárlás a cukorfinomításban, sók extrakciója, sűrítés, kristályosítás 140 C Mezőgazdasági termékek szárítása, konzerválás 150 C Timföldgyártás Bayer módszerrel 160 C Halhús és fűrészáru szárítás 180 C Magas koncentrációjú vegyületek bepárlása, ammónia abszorpcióval történő hűtés, diatómaföld szárítás Környezettechnika 29

30 Környezetre gyakorolt hatásai A fúrás során jelentős zaj-szennyezés keletkezik. Az elhasznált fúrófolyadékokat ülepítő medencékben tárolják. A hő-bányászati tevékenységet három fontos tényező egy időbeni megléte határozza meg: kedvező geotermikus gradiens, nagy mennyiségű hévízkészletek, megfelelő mélységi nyomásviszonyok. A geotermikus energia a felszíni hőhasznosítás szempontjából elsősorban hőmérsékletszintjével jellemezhető. Hőmérsékletszintek szerint két nagy csoport: 100 C alatti hévizek, 100 C feletti ( ún. nagy entalpiájú) fluidumok Környezettechnika 30

31 Hőhasznosító berendezések Környezettechnika 31