Energiafelszabadítás- és átalakítás - Energiahordozók

Átírás

1 Energiafelszabadítás- és átalakítás - Energiahordozók Kovács Helga egyetemi docens

2 Alapfogalmak Mit nevezünk energiának? Energiának nevezzük valamely anyag, test vagy szerkezet munkavégzésre való képességét. A szén, a fa, a kőolaj és a földgáz kémiai energiát tárol, ami a helyzeti (potenciális) energia egyik formája. A mozgó víznek, a szélnek mozgási (kinetikus) energiája van. A Nap, hő és fény formájában sugároz energiát. 2

3 Elsődleges energiahordozók csoportosítása Fogyó energiahordozók Nem, vagy csak évmilliók alatt termelődnek újra, emiatt a kitermeléssel a készleteik fogynak: pl. szén, földgáz Megújuló energiahordozók A természet gondoskodik a folyamatos újratermelődésről: pl. nap, biomassza, szél 3

4 Elsődleges energiahordozók csoportosítása Fogyó energiahordozók Nem, vagy csak évmilliók alatt termelődnek újra, emiatt a kitermeléssel a készleteik fogynak: pl. szén, földgáz Megújuló energiahordozók A természet gondoskodik a folyamatos újratermelődésről: pl. nap, biomassza, szél 4

5 Primer energiahordozók Szenek Feketeszén,antracit Barnaszén Fosszilis Szénhidrogének Kőolaj Földgáz Tőzeg, lignit Primer Nukleáris Fissziós Fúziós Olajpala, bitumenes homok Nap Biomassza Óceán Megújuló Geotermikus Víz Szél 5

6 Energiaátalakítási alapfolyamatok Szén Kigázosítás Elgázosítás Hidrofrakcionálás, pirolízis Koksz, kokszkemencegáz Szintetikus földgáz Folyékony üzemanyag Kőolaj Olajpala Atmoszférikus desztilláció Pirolízis Krakkolás Benzin Petróleum Gázolaj Pakura Benzin, tüzelőolaj, gázolaj Gázolaj, kenőolaj, bitumen Vákuumdesztilláció Földgáz Propán-bután Tüzelőanyag, üzemanyag Termikus bontással vegyipari alapanyag 6

7 Szilárd energiahordozók átalakítása Szilárd tüzelőanyaggá: kigázosítás A szenet levegő kizárásával külső fűtésű, keramikus anyagból készült kamrás kemencékben nagy hőmérsékleten hevítve párolják. Termék: koksz, kokszkemencegáz Gáznemű tüzelő- v. alapanyaggá: elgázosítás A szilárd tüzelőanyagot nagy hőmérsékleten hevítik, és levegő, vízgőz, vagy mindkettő hozzáadásával elgázosítják. Termék: éghető gáz (CO, H2) Folyékony tüzelő- v. üzemanyaggá: hidrofrakcionálás, pirolízis A hőbontás (pirolízis) során a szenet megfelelően kialakított reaktorban, hő hatására, oxigénszegény vagy oxigénmentes közegben szabályozott körülmények között bekövetkező kémiai lebontása. A pirolízis folyamatban rendszerint magas nyomást és magas, 500 C feletti hőmérsékletet alkalmaznak. 7

8 Folyékony energiahordozó átalakítása Atmoszférikus desztilláció: A különböző forráspontú komponensekből álló elegyeket légköri nyomáson forráspontjuk szerint frakciókra választják szét. Kőolaj krakkolása: nagyobb molekulatömegű szénhidrogéneknek nagy nyomáson és magas hőmérsékleten való átalakítása kisebb móltömegű és kisebb szénatomszámú szénhidrogénekké. 8

9 Miért fontos a fosszilis energiaforrások helyettesítése alternatív, megújuló energiaforrásokkal? Mennyiség Világ népessége és energiafogyasztása Légszennyezés Fenntarthatóság Első lépések Rohamosan csökken Növekvő tendencia A fosszilis energiahordozók légszennyezést okoznak A megújuló energiahordozók fenntarthatóbbá teszik a Világot Az átálláshoz hosszú időre van szükség 9

10 Amiről szót kell ejtenünk 10

11 CO2 kibocsátás Magyarországon ágazatonként 11

12 Nitrogén oxidok Természetes források Mesterséges források Hatások Villámlás Energiatermelés Szekunder energiafelhasználás Egészségügyi hatások Savaseső 12

13 Magyarország Nox kibocsátása 13

14 Közlekedés Nox kibocsátása 14

15 SO2 kibocsátás hatása Légzőszervi megbetegedéseket okozhat Vízzel érintkezve kénsavvá alakul, és a savas esők kialakulásáért felelős Magyarországon a rendszerváltást megelőző években a kén-dioxid szennyezés komoly légszennyezési probléma volt. Azóta a vezetékes gáz bevezetése, az ipari szerkezetváltás miatt lényegesen javult a helyzet. 15

16 Kén-dioxid (SO2) kibocsátás Magyarországon 16

17 17

18 Fosszilis energiahordozók - szén Mennyiség Felhasználás Jövőkép A világ fosszilis energiahordozó készleteinek legalább 70%-a szén Szénből állítják elő a világon a villamos energia 33%-át és a szén képviseli a felhasznált primer energiahordozók 27%- át A szén a világ energiaellátásában jelenleg és a jövőben is fontos szerepet fog betölteni. 18

19 Szén képződése az idő függvényében Milyen szénfajták vannak? Tőzeg kis fűtőérték. Lignit legfiatalabb szén, szerkezete még erősen fás, fűtőértéke 3,5-10 MJ/kg. Barnakőszén millió évvel ezelőtt, fűtőértéke MJ/kg. Feketekőszén millió évvel ezelőtt, fűtőértéke: MJ/kg. Antracit legidősebb szénféleség, teljesen homogén. 19

20 A szén felhasználása A XX. század elején a széntüzelésű erőművek hatásfoka kicsi volt (max. 10%) és igen sok tüzelőanyag ment kárba. Az as években bevezetett új technológia a porszéntüzelés volt. A 40-es évekre már elérték a 20%-os hatásfokot. Magyarországi erőművek belépése a magyar villamosenergia termelésbe. A 60-as években már elérték a 33%-os hatásfokot. Ennek ellenére jelenleg hanyatlik a szén alapú energiatermelés. 20

21 Szenek összetétele, tulajdonságai Nedvesség: A feketeszenek nedvességtartalma kisebb, mint 15% m/m, a ligniteké eléri az 50% m/m-ot is. A szenek kisebb-nagyobb mértékben mindig tartalmaznak kénvegyületeket. A szenek hamutartalma a kitermeléskor annak minőségétől függően 5-25% között változik. Szilárd energiahordozó Összetétel, % m/m C H O+N Fa Tőzeg Lignit Barnaszén Feketeszén Antracit

22 Szilárd energiahordozó Összetétel, % m/m Nedvesség Illó Fix-karbon Hamu Fa ,0 Tőzeg 80 5,0 12 3,0 Barnaszén Feketeszén 5, Antracit 2,0 5,0 87 6,0 22

23 Széntartalékok a világban (2018) 23

24 24

25 Magyarország széntermelése 25

26 Hagyományos izzó energiahatékonysága speciális esetben 26

27 Fosszilis energiahordozók - kőolaj Felhasználás Probléma Jövőkép Főszerep a közlekedésben A kőolaj több mint 75%-át szénhidrogének alkotják Alternatív meghajtású járművek problémái Felmerülő olaj-válságok Helyettesítése nem megoldott (hidrogén, villamosenergia) 27

28 Kőolaj keletkezése A tengerekben elhalt és a fenékre süllyedt állati és növényi, elsősorban egysejtű lények alkotta iszap levegőtől elzártan, mikroorganizmusok hatására bekövetkezett bomlásának terméke. 28

29 A kőolaj tulajdonságai A nyersolajok sűrűsége kg/m 3 között változik. A nyersolaj sűrűsége a H/C viszonytól függ, minél kisebb a H/C, annál nagyobb az olaj sűrűsége. A besorolás alapja a sűrűség és a lelőhely Elem % m/m C H S 0,01-5 N O 0,5-7,0 29

30 Kőolaj tartalékok a világban 30

31 Kőolaj termelés a világon 31

32 Kőolaj export-import a világban 32

33 Fosszilis energiahordozók - földgáz Felhasználás Összetétel Lelőhely A legelőnyösebben felhasználható primer energiahordozó Döntően szénhidrogén gázokat tartalmaz. További gázösszetevői lehetnek a szén-dioxid, a nitrogén és a kénhidrogén A szénhidrogénkészletek közel 1/3-ában a kőolaj és a földgáz együtt van jelen 33

34 Magyarország kőolaj- és földgáz lelőhelyei 34

35 Földgáz tartalékok a világban,

36 Földgáz termelés a világban 36

37 Földgáz kereskedelem, 2016 (millió m3) 37

38 38

39 A földgáz ellátás alakulása

40 A földgáz cseppfolyósítása, az LNG Előállítás Célja Szállítás és tárolás A cseppfolyós állapothoz atmoszferikus nyomáson C hőmérsékletre kell hűteni a gázt. Kisebb térfogat Célja a fogyasztói helyektől nagy távolságra lévő földgázkészletek gazdaságos szállítása Földrészek között tankerekben 40

41 Az LNG részesedése a világ földgázfelhasználásában 41

42 42

43 Atomenergia Atomenergiával kapcsolatban a kockázatot úgy szokták jellemezni, hogy az elképzelhető baleset igen súlyos, de a bekövetkezés valószínűsége nagyon kicsi. Valkó János 43

44 Fogalmak Rendszám (Z) Atomtömeg Tömegszám (A) A rendszám (Z) a magban lévő protonok száma (az atom kémiai minőségének egyértelmű meghatározója). Az atomtömeg a magban lévő proton és neutron (N) tömegének összege A tömegszám (A) a protonok és neutronok számának összege, vagyis N=A-Z, ami azért fontos, mert így különböző tömegszámok tartozhatnak egyetlen rendszámhoz 44

45 A természetben előforduló urán-izotópok aránya A különböző tömegszámú, de azonos rendszámú atomok kémiailag egyazon elem különböző tömegszámú változatai. Ezek az izotópok azonos helyűek (a periódusos rendszer azonos kockájában helyezkednek el). A magenergia hasznosítása szempontjából jelentős különbségek vannak az izotópok között. Előforduló izotópok 238U = 99,238% m/m, 235U = 0,711% m/m, 234U = 0,006% m/m 45

46 Az egy nukleonra eső kötési energia a tömegszám függvényében 46

47 A kötési energia felszabadításának módszerei Az atommagban rejlő energia felszabadítására két lehetőség kínálkozik: a nehéz magok széthasítása (maghasadás, fisszió), vagyis egy nagy rendszámú, nehéz atom két középnehéz atommagra való széthasítása során az egy nukleonra eső kötési energia növekszik; a tömeghiány nagyobb lesz, ezért energiának kell felszabadulnia; a könnyű atomok egyesítése (magfúzió), mivel a belőlük keletkező nehezebb magoknál az egy nukleonra jutó kötési energia nagyobb, ezért ez esetben ugyancsak energiának kell felszabadulnia (1 MeV =4, kwh). 47

48 A láncreakció 235U izotópot neutronbesugárzás éri, akkor 236-os uránizotóp mag jön létre. Ez a mag nem stabilis, egy 92-es kriptonná és egy 142-es báriumizotóppá hasad, továbbá újabb szabad neutronok is keletkeznek, miközben óriási energia szabadul fel. Az újabb neutronok újabb uránatomokat hasíthatnak szét, így a folyamat robbanásszerűen terjedhet tová 48

49 Atomerőművek a világban 49

50 Erőművi kapacitások 50

51 Atomenergia egyes országok villamosenergia termelésében 51

52 Az atomenergia jövője Fosszilis energiahordozók csökkenő készlete. Biztonságos? (balesetek, veszélyek) Atombomba esete. Csernobil, Fukusima esete. Környezetszennyezés csökkentése, növelése? (hulladékok keletkezése) Társadalmi elfogadottság hiánya. 52

53 Megújuló energiaforrások Abban a pillanatban hogy elkötelezed magad a célod mellett, és nem halogatsz tovább, mindenféle véletlen esemény, találkozás és dologi segítség jelenik majd meg, hogy támogasson téged. Napoleon Hill 53

54 Megújuló energiák felhasználása 54

55 Megújulók alakulása a világban 55

56 Miről fognak szólni a következő előadások?

57 Köszönjük! Kovács Helga / kovacs.helga@uni-miskolc.hu