Kémiai technológia I. (környezetmérnököknek)

Átírás

1 Kémiai technológia I. (környezetmérnököknek) 3 kredit, heti két óra, egy félév Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Dr. Pátzay György gpatzay@mail.bme.hu Célkitűzés A tárgy célja, hogy megismertesse a kémiai technológiák szerepét az ipar több területén és az energiatermelésben, bemutassa működésük alapjait, néhány kémiai, fizikaikémiai, katalízissel kapcsolatos és vegyipari-műveleti alapelv érvényesülését, a felhasznált anyagok eredetének és a kibocsátott termékek felhasználásának ill. a melléktermékek és hulladékok alkalmazásának valamint ártalmatlanításának módszereit, mindvégig szem előtt tartva, hogy a technológiának hatékonynak, környezetbarátnak és gazdaságosnak kell lennie. Dr. Pátzay György 1

2 Témakörök: A vegyipar szerkezete és jellegzetességei, Energiatermelés, tüzeléstechnika Szén, kőolaj, földgáz kémiai technológiája A víz kémiai technológiája Szervetlen kémiai technológiák, szilikát és építőanyag iparok, nitrogénipar, kénsav, műtrágyák, vas- és alumíniumgyártás, klór-alkáli iparok, korrózió Szerves vegyipari technológiák, petrolkémia, etilénoxid, esetsav, szénhidrogénipar, műanyagipar, gyógyszergyártás, felületaktív anyagok Könyvek 1. Energia felhasználói kézikönyv, szerk.: Barótfi István, Környezettechnika Szolgáltató Kft, Budapest, Handbook of Energy Systems Engineering, John Wiley and Sons, New York, Speigh, J. G.:Fuel Science and Technology Handbook, Marcel Dekker, New York, Büki Gergely: Energetika Műszaki Kiadó, Hancsók Jenő: Korszerű motor- és sugárhajtómű üzemanyagok I-II. Veszprémi egyetemi kiadó,1997, Pátzay György Energiatermelés 1-8, elektronikus tankönyv, kankalin.vmt.bme.hu, 7. Vajta L., Szebényi I., Czencz M. Általános kémiai technológia, Tankönyvkiadó, Budapest, P. J. Chenier: Survey of industrial chemistry, VCH, N.Y Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley, Réti, Tungler, Tőrös: Kémiai technológia elektronikus jegyzet 2007 Dr. Pátzay György 2

3 Kémiai technológiák definíciója A kémiai technológia mindazon tudásanyag, ami a kémiai reakciók ipari hasznosítását lehetővé teszi. A kémiai technológiák működnek a vegyiparban és azon kívül is: energiatermelés, kohászat, építőanyagipar, élelmiszeripar, közlekedés, víztisztítás, korrózióvédelem. Bővebb, mint a vegyipari technológiák Kémiai technológiák jellemzői Nagy számú változóval dolgoznak Vezérlő változó a költség Nagyméretű berendezések Szervezés döntő szerepet játszik Dr. Pátzay György 3

4 A technológia fogalmát nehéz röviden és egyértelműen definiálni. A kifejezés a technika[1] és a logos[2] görög (τεχνολογια) szavak összevonásából származik. A tágabb értelmű technológia fogalma az anyagi javak előállításával foglalkozó szakemberek számára: eszközök, módszerek, eljárások szerves összessége, amelyek segítségével tudatos átalakítások révén nyers-,[3] és alapanyagokból[4] (segédanyagokból) energiaráfordítással, tényleges szükségletek kielégítésére alkalmas ipari termékeket vagy energiát állítunk elő. [1]technika: tágabb értelemben: bármely emberi tevékenységhez tartozó eszközök, eljárások, műfogások összessége, szűkebb értelemben: a termelőmunka eszközeinek és módszereinek összessége. [2] logos: gondolat, ész, tudomány. [3] nyersanyagok: a természetben előforduló és termelés céljára hasznosítható természeti erőforrások [4] alapanyagok: gyártási eljárások kiindulási anyagai, amelyek lehetnek más folyamatok végtermékei. Know-how A technológia, arra vonatkozó gyakorlati tudás, hogy mit, hogyan kell elkészíteni, elvégezni. Ez termékekben, valamint eljárási hardverek és szoftverek formájában ölt testet. A technológiának, mint ismeret- vagy tudásbázisnak legfontosabb része a know-how ( tudni azt, hogyan ), amely azoknak az ismereteknek, gyártási eljárásoknak pontos, reprodukció képes leírása, amelyek valamilyen műszaki problémának új, vagy újszerű megoldását adják. Ezáltal jelentős anyagi értéket képviselnek és áruként adhatók-vehetők. A know-how, innovációk eredményeként létrejött szellemi, nem megfogható (intangibilis) vagyon, vagyoni értékű jog, amely az alkalmazó vállalatok egyik legfontosabb erőforrása. Védelméhez mindenkor komoly érdeke fűződik a jogtulajdonosnak. Innen a technológiai ismeretek, információk bizalmas, védett jellege, szemben az általános, már közismertnek vagy általánosnak (generic) számító, egyéb műszaki közismeretekkel. High-tech Technológiai értelemben a legkorszerűbb tudományos és műszaki elveket és megoldásokat alkalmazó gyártási eljárás. Ezen ismereteknek különösen nagy a jelentősége a korszerű környezetkímélő eljárások és technológiák megvalósításában. Dr. Pátzay György 4

5 A technológiai életciklus törvénye Miként minden terméknek, úgy minden technológiai eljárásnak is megvan a maga jellegzetes életciklusa. A technológiai életciklus S-görbe, négy jellegzetes szakaszra bontható 1.szakasz: a teljesítőképesség lassan növekszik, mert a fejlesztők járatlan úton járnak.2.szakasz: a teljesítőképesség gyorsan javul, mert már kritikus tömegű tudás gyűlt össze.3.szakasz: a technológiai fejlődésnek lassulásával a gyorsaságnál fontosabbá válnak a költségek.4.szakasz: egyre kevesebb lehetőség nyílik radikálisan új termék kifejlesztésére, mert a technológia megközelíti a teljesítőképességének fizikai korlátait. A költségparaméter, és csökkenésének törvénye Az ipari technológiáknak a gyakorlati tapasztalatok által bizonyított fejlődési törvényszerűsége, hogy az életciklus során a technológiai eljárások fejlesztésének és fejlődésének eredményeként a termelés önköltsége tendenciaszerűen csökken, úgy hogy tartósan egy minimumhoz közeledik. Függvény formában kifejezve: ahol: Y = a + cτ be Y = átlagár az idő [év] függvényében; a= Y értéke az aszimptotikus minimumnál; τ = az idő [év]; b = pozitív konstans; c = negatív konstans; e = természetes alapú logaritmus alapja Minden technológiai eljárásnak megvan egy előállítási költség minimuma és egy elviselhető költségmaximuma. Ezt a maximumot a termék mindenkori irányadó főpiaci ára határozza meg. Normális körülmények között, nem tekinthető alkalmazhatónak az olyan ipari eljárás, amely bár műszaki és környezeti szempontból kifogástalan terméket ad, de az előállítás összköltsége tartósan az eladási ár felett van. [Rendkívüli körülmények átmenetileg felülírhatják ezt a szabályt.] Dr. Pátzay György 5

6 A léptékhatás törvénye Minden technológiai eljárás az első kísérlettől a megvalósításig, egy fejlődési pályát fut be. A kívánt mennyiségű és minőségű termék előállítását teljesíteni képes üzemi eljáráshoz csak többlépcsős, tudatos fejlesztő munka eredményeként lehet eljutni. Ennek fő állomásai (un. kulcs lépcsők): laboratóriumi kísérlet kísérleti üzem próbaüzem nagyüzem. A technológiai berendezések fizikai méretének növelése, bizonyos határon túl, jelentős minőségi változásokkal jár. Ennek közérthető oka, hogy a térfogat a harmadik hatvány szerint, míg a felület a második hatvány szerint nő. Az optimális gyártási méret Az optimális méret vagy (gyártási kapacitás) az a méret, amely a fennálló műszaki gazdasági körülmények között leggazdaságosabban képes a terméket előállítani. Scale up factor A léptékhatás vagy méretváltoztatási tényező (scale up factor) jellemző érvényesülési területe, a technológiai méretnövelés következtében bekövetkező fajlagos beruházási költségváltozás. Az összefüggés egyszerűsített formája: ahol: B1 K1 B1 és B2: a kisebb, illetve a nagyobb üzem beruházási költsége, K1 és K2: a kisebb, illetve a nagyobb üzem kapacitása azonos mértékegységben (Kt/év; t/d, stb.) x: tapasztalati együttható, értéke 0,6-0,9 között változik B 2 K 2 = x Az ipari termelőegységek felépítése Minden ipari üzem olyan rendszer, amely négyféle alapvető elemtípusból építhető fel. Az elemtípusok is funkciójuk és alkalmazásuk szerint két csoportba rendszerezhetők: I. A technológiai folyamatokban felhasználásra kerülő anyagok fizikai és kémiai átalakítását végző termelő vagy műveleti egységek: Allaktorok: a fizikai átalakításokat végző készülékek. (talajmarók, jövesztők, aprítógépek, szárítók, bepárlók, hűtők, mechanikai megmunkálásra szolgáló gépcsaládok) Reaktorok: a kémiai átalakításokat végző készülékek. (kohók, kémiai reaktorok, elektrolízáló kádak, hulladékégetők, kazánok.., stb. II. A technológiai folyamatokban a gyártás logisztikai kiszolgálást végző eszközök és berendezések: Szállítóeszközök: pályához kötött és pályához nem kötött anyag és energiamozgató berendezések (csőhálózatok, járművek, konvejorok, szállítószalagok, kompresszorok, ventillátorok, szivattyúk,..stb.) Tároló berendezések: a kiindulási, félkész- és végtermékek tárolására szolgáló eszközök. (tartályparkok, raktárak és berendezéseik, hányók stb.) Dr. Pátzay György 6

7 A termelést kiszolgáló infrastrukturális alapszolgáltatások A négy legfontosabb alapszolgáltatás: víz (ivó-, technológiai- és hűtővíz), levegő (műszer és kompresszor), energiaszolgáltatás (gőz, villamos áram, földgáz fűtőolaj), informatikai infrastruktúra. A folyamatábrák Az alapanyagtól a végtermékig tartó gyártás/termelés folyamatát egyezményes, szabványosított jelképekkel és jelölésekkel lehet szimbolizálni. A technológiai folyamatok ezen rajzos formáját folyamatábrának nevezik. A folyamatábrák az adott gyártási eljárásban szereplő műveletek és folyamatok egymásutánját, egymáshoz való kapcsolódását szemléltetik. A műszaki gyakorlat megkülönbözteti az elvi-, és a technológiai folyamatábrázolást. A folyamatábra lehet: vázlatos (az eljárásnak csak a jellemző mozzanatait szimbolizálja) és részletes (technológiai folyamatábra). A technológiai folyamatábra Tartalmazza az alkalmazott gépeket és készülékeket, - szofisztikáltabb formában - akár lépték és szinthelyesen. Feltüntetésre kerül a műveleti egységek egymáshoz való kapcsolódási rendszere, az egységekbe be és kilépő valamennyi anyag, valamint a legfontosabb műszaki és mennyiségi adatok. A folyamatábra tartalmazza a főfolyamatot, továbbá az érthetőséghez szükséges mellékfolyamat(ok) kapcsolását. Párhuzamos berendezések a példányszám jelölésével, de csak egyszeresen kerülnek feltüntetésre. A technológiai folyamatábrák információt tartalmaznak: kvantitatívan, az alapanyagok, közbenső termékek, segédanyagok minőségéről és mennyiségéről, azaz a technológiai folyamat teljes anyagforgalmáról, továbbá az alapanyagok, közbenső termékek, segédanyagok fizikai és termodinamikai állapotáról, amely egyben magában foglalja a technológiai folyamat energiaforgalmát, az egyes műveleti folyamatok, fázisok sorrendjéről, továbbá a fő és mellékfolyamatok kapcsolatáról, az alkalmazott gépek és készülékek típusáról, számáról, fontosabb műszaki paramétereiről. A technológiai folyamatábra a legszorosabb kapcsolatban van a folyamatok anyag-, és energiaforgalmával, ezért az egyes eljárásokra jellemzően specifikus ismereteket hordoz. Dr. Pátzay György 7

8 A technológiai mérlegek Az anyag- és energiamérlegek mind a termelés hatékonysága, mind a környezetbe kibocsátott károsanyagok számbavétele szempontjából kiemelkedő fontosságúak. A technológiai folyamatábrák által jól reprezentálhatók a gyártási folyamat egyes, elkülönülő egységeihez tartozó input-output anyag-, energia-, mennyiségek vagy (folytonos üzemű egységeknél) áramok. A tömeg és energia (hő) megmaradási tételek érvényessége alapján a be-, és kilépő anyag-, energia mennyiségek (áramok) mérlegszerű összevetése fontos mérnöki információk levonására ad lehetőséget. A vizsgálat tárgyát képező technológiára több szempont szerint készíthetünk tömeg és/vagy energia mérlegeket. Tömegmérleg: integrális-differenciális Belépő tömeg+keletkezett tömeg-kilépő tömeg-fogyasztás=felhalmozódás Energiamérleg: integrális-differenciális (U + PV)+ E k + E p = Q W ahol U + PV = H (ent( entalpia) E k kinetikus energia E p potenciális energia Q közölt hőmennyiség W végzett munka Anyagmérleg folyó rendszerhatár Input Tó bomlás Input felhalmozódás Output szennyvíz =2 Dr. Pátzay György 8

9 A technológiai folyamatok hatékonyságnak mérőszámai A terméket gyártó/előállító technológiai folyamatok hatékonyságának megállapítására (nem csak gazdaságossági megfontolásokból) használatos mérőszámok: termelés konverzió A termelés (hozam, kihozatal, Yield): százalékban fejezi ki azt, hogy a gyártott termék [P] mennyisége hányad része a gyártásba bevitt nyersanyagból [R], elméletileg előállítható mennyiségnek. Amennyiben a kiindulási anyag(ok) csak részben alakulnak át a gyártási folyamat során, és azok a termék(ek)től elválasztva újra felhasználhatók, úgy a kitermelés számításánál a folyamatba bevitt kiindulási anyag és az át nem alakult [r] és elválasztott kiindulási anyag mennyiségének különbségét kell alapul venni. R 1 P r P R-r A konverzió (átalakulás): százalékban kifejezi azt, hogy a technológiai folyamatban egyszeri áthaladás során, a bevezetett anyag [R] hányadrésze alakul át bármilyen más anyaggá vagy anyagokká [P]. A konverzió jelentheti az összes vagy csak a hasznos konverziót. A fenntartható fejlődés követelményei: a megújuló természeti erőforrások felhasználásának mértéke kisebb vagy megegyező legyen a természetes vagy irányított regenerálódó (megújuló) képességük mértékével; a kimerülő erőforrások ésszerű felhasználási üteme, ne haladja meg a megújulókkal való helyettesíthetőségének lehetőségét, [ezt a mindenkori technológiai haladás határozza meg]; a hulladékok keletkezésének mértéke/üteme kisebb vagy megegyező legyen a környezet szennyezés befogadó képességének mértékével, amit a mindenkori környezet asszimilációs kapacitása határoz meg. Dr. Pátzay György 9

10 A környezeti megfelelés szempontból általános érvényű számszerűsítés nélkül az alábbi kritérium listát kell folyamatosan szem előtt tartani: a technológiai folyamatból emisszió[1] révén ne kerüljön ki olyan por, füst, köd vagy véggáz szennyezés (v. gáznemű gyártási melléktermékek), amely által létrejött imisszió[2] káros a bioszférára, a tüzelőberendezések minél jobban közelítsék meg a tökéletes elégést, a kibocsátott égéstermékek ne tartalmazzanak kormot, pernyét, és csak minimális SO2 és NOx t. ne bocsássanak ki olyan szennyvizeket vagy folyékony melléktermékeket, hulladék anyagokat, melyek biológiai úton nem bonthatóak le, az eljárások szilárd melléktermékei (salak, meddő, kőzet, termelésközi hulladék, stb.) lehetőség szerint teljes körűen tovább feldolgozásra, hasznosításra kerüljenek. [1] emisszió: Környezetvédelemben az időegység alatt történő szennyező anyag kibocsátást emissziónak nevezzük [tömeg/időegység] [2] imisszió: Az ökoszisztémába bejutó emissziók hatására kialakult szennyezőanyag koncentrációt imissziónak nevezzük. [g/m3; ppm; ppb]. Az imisszió nem számítható az emissziók mechanikus összegzésével. Az ipar fontosabb alágazatai, ahol kémiai technológiák működnek Papír és csomagolóanyag Vegyi anyagok Szénhidrogén és szénfeldolgozás Műanyag és gumi Szilikátok, építőanyag Dr. Pátzay György 10

11 Vegyianyagok fajtái Szervetlen vegyületek, ipari gázok (NaOH, klór, kénsav, O 2, N 2, CO) Műanyag monomerek (etilén, vinilklorid) Gyógyszerek (acetilszalicilsav, penicillin) Háztartási vegyszerek (szappan, mosószer) Szinezékek (indigó) Szerves vegyületek (metanol, ecetsav) Mezőgazdasági kemikáliák (műtrágyák, gyomirtók) Egyebek (robbanószerek) Vegyipar adatai A teljes ipari termelés kb 10%-a (fejlett országokban) A fejlődése az ipar átlagánál nagyobb (US 5%) Kinek adják el a termékeiket? 52% iparágon belül, ipar más ágai 32%, kormány és a fogyasztók 16% (ezen belül 3,3% védelem) (US adatok) Fizetések Dr. Pátzay György 11

12 A vegyipar szerkezete Relatív érték Nyersolaj 1 Tüzelőanyag 2 Tipikus petrolkémiai termék 10 Tipikus fogyasztási cikk 50 Dr. Pátzay György 23 Dr. Pátzay György 12

13 Az Európai Únió kémiai iparának felosztása szektorok szerint (2006) Dr. Pátzay György 25 Egy dollár bevétel hasznontartalma Dr. Pátzay György 26 Dr. Pátzay György 13

14 Vegyipar jellemzői Gyors növekedés Vegyianyagok nemzetközi kereskedelme Nagy K+F ráfordítás (termelési érték 4-5%-a) Erős verseny Nélkülözhetetlen, mindenre kiterjedő Tőkeigényes Legkisebb, gazdaságos termelési volumen Gyors amortizáció Ciklikus árváltozások ENERGIATERMELÉS Dr. Pátzay György 14

15 MI AZ ENERGIA? Az energia változásokat idéz elő. Hajtóerő, mely mozgatja a testeket, gyártási folyamatokat visz végbe, előidézi az élőlények növekedését, szaporodását, mozgását, az emberi gondolkodást. A tudósok szerint az energia MUNKAVÉGZŐ KÉPESSÉG. Az energiának különböző megjelenési formáival találkozunk, de általánosan két nagy csoportba osztható: POTENCIÁLIS és KINETIKUS ENERGIÁRA POTENCIÁLIS ENERGIA Ez tárolt energia forma és helyzeti, gravitációs energia. A potenciális energiának különböző formáit ismerjük: Kémiai energia Az atomok és molekulák kötéseiben tárolt energia. Ez az energia tartja össze a részecskéket. A biomassza, a kőolaj, a földgáz jó példái a tárolt kémiai energiának. Tárolt mechanikai energia Erők alkalmazásakor a tárgyakban tárolt energia. Az összenyomott rúgó, a kinyújtott gumiszalag jó példák a tárolt mechanikai energiára. Nukleáris energia Az atomok magjában tárolt energia, mely az atommagokat alkotó nukleonokat tartja össze. Ez az energia szabadul fel, ha atommagok kapcsolódnak, vagy hasadnak. A jelenleg üzemelő atomerőművekben az urán atommagjait hasítják (hasadási energia), a napban és a jövő fúziós erőműveiben a hidrogén izotópjai egyesülnek (fúziós energia). Gravitációs energia Ez a helyzeti, vagy pozíciós energia. A hegytetőn lévő szikla a hegylábához képest gravitációs energiával rendelkezik. A magasan fekvő duzzasztó gát mögött lévő víz jó példája a helyzeti, vagy gravitációs energiának. KINETIKUS ENERGIA Ez a mozgási energia, a hullámok, elektronok, atomok, molekulák, anyagok és tárgyak mozgásából adódó energia. A kinetikus energiának különböző formáit ismerjük: Elektromos energia Az elektronok mozgásából adódó energia. Világunk anyagai atomokból épülnek föl. Az atomokat protonok, neutronok és elektronok alkotják. Erő hatására az elektronok mozognak. A vezetőkben mozgó elektronokat elektromos áramnak nevezzük. Az elektromos áram energiáját sok helyen, így többek között a világításban, fűtésben, mozgatásban használjuk föl. Sugárzási energia Ez elektromágneses energia, mely a transzverzális hullámokban terjed. Magában foglalja a látható fény, a röntgen sugárzás, a gamma sugárzás és a rádióhullámok tartományát. A napsugárzás a sugárzási energia jellemző példája. Termikus energia Más néven hőenergia, mely az anyag belső energiája és az anyagban lévő atomok és molekulák rezgési és mozgási energiáját jelenti. Mozgási energia Az anyag és a tárgyak mozgását jelenti egyik helyről a másik helyre. A tárgyak és anyagok mozognak, ha a newtoni törvények szerint erő hat rájuk. A szél jó példája a mozgási energiának. Hangenergia Az energia az anyagban longitudinális hullámokban (sűrűsödés és ritkulás) terjed. Hang keletkezik, ha erő hatására egy anyag vagy tárgy rezgésre kényszerül, a hangenergia az anyagban hullám formájában terjed. Dr. Pátzay György 15

16 Az energia SI mértékegysége 1 J. egyéb mértékegységei: 1 cal (kalória)= J 1 kcal= J 1 Btu (British thermal unit)= J 1 thermie= 4.184E6 J 1 ft.lbf= J 1 kj= 1000 J 1 MJ= 1E 6 J 1 LEh (lóerőóra)= E 6 J 1 kwh= 3.6E 6 J 1 MWh= 3.6E 9 J 1 ev (elektron volt)= E -18 J 1 erg= 1E -7 J 1 Quad=10 15 BTU ENERGIA MEGMARADÁS, HATÉKONYSÁG Energia nem hozható létre és nem semmisíthető meg. A hasznosítható energia az a felhasználható energia mennyiség, melyet egy rendszerből ki lehet nyerni. Az energia egyik formájának másik formába történő átalakításakor veszteségek lépnek föl. ENERGIAFORRÁSOK Két csoportba sorolhatók: MEGÚJULÓ és NEM-MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK. A nem-megújuló energiaforrások: szén, a kőolaj, a földgáz, az urán. Jelenleg az emberiség energiaellátásában döntő a szerepük. A VILÁG ENERGIAFOGYASZTÁSÁNAK FORRÁSAI 2000-BEN A megújuló energiaforrások: a biomassza, a geotermális energia, a vizenergia, a napenergia és a szélenergia. Döntően villamos energia előállítására alkalmazzák. A villamos energia különbözik a többi energiaforrástól, mert MÁSODLAGOS ENERGIAFORRÁS. A másodlagos energiaforrás létrehozásához más ELSŐDLEGES ENERGIAFORRÁS felhasználása szükséges. Dr. Pátzay György 16

17 Fosszilis tüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj és földgázkincs; tehát az éghető tüzelőanyagok. Fissziós üzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapuló atomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán). Fúziós üzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járó energiaátalakítás energiahordozói (pl. deutérium, trícium). Technikai rendszerek az energetikában 1. Energetikai paramétermódosító rendszerek 2. Energiaváltoztató rendszerek 3. Energiaszállító rendszerek 4. Energiatároló rendszerek 5. Az energetika állapottartó rendszerei 6. Az energetika output-tartó rendszerei Mid 21st Century Late 20th Century Early 20th Century Mid 19th Century 15th Century 0% 20% 40% 60% 80% 100% ENERGIAHORDOZÓK -Ásványi energiahordozók Energiatartalom (MJ/kg) Animal Biomass Coal Oil Natural Gas Nuclear Hydrogen Wood Coal Crude Oil Kerosene Ethanol Methanol Methane Natural Gas Gasoline Hydrogen ENERGIAFORMÁK ÁTALAKÍTÁSA Energia átalakítás hatásfok (%) Elektromos melegítő 100 (elektromos/termikus) Elektromos generátor 95 (mechanikus/elektromos) Elektromotor nagy (kicsi) 90 (65) (elektromos/mechanikus) Akkumulátor 90 (kémiai/elektromos) Gőzkazán 85 (kémiai/hő) Házi gáz (olaj,szén) kályha 85(65,55) (kémiai/hő) Gőzturbina (gázturbina) 45(30) (kémiai/mechanikai) Gépjármű motor 25 (kémiai/mechanikai) Fluoreszcens lámpa 20 (elektromos/fény) Szilícium napcella 15 (nap/elektromos) Gőzmozdony 10 (kémiai/mechanikai) Izzólámpa 5 (elektromos/fény) Dr. Pátzay György 17

18 Energiaátalakító technológiák területigénye Technológia 1000 MWe területigénye Nukleáris Szén Víz Napelem Szén Biomassza Geotermikus Gáz turbina/tüzelőanyag cella 8,8 km 2 18,13-32,26 km 2 72,5 km 2 103,6 km km km 2 7,8 km 2 Esettől függ Dr. Pátzay György 18

19 Energiaátalakító technológiák hatásfokai Biomassza Geotermikus Napelem Szélerőmű Nukleáris Gáz turbina Széntüzelésű erőmű Tüzelőanyag cella Gáz-kombinált ciklus Hibrid tüzelőanyag cella Vízerőmű Energiagazdálkodás Energiaszükségletek és rendelkezésre álló energia fajták felmérése Termelés és szükséglet összehangolás Leggazdaságosabb energiaátalakítási módszerek meghatározása Környezeti hatás csökkentése (Üvegházhatású gázok!) Dr. Pátzay György 19

20 Fosszilis energiahordozók Szén Kőolaj Földgáz Fa Magyarországon a szénhidrogének felhasználási aránya kb. 70% Hatásfok: Elektromos energia kőszénből 35-40% Elektromos energia + gőz kőszénből ellennyomású erőműben 72% Gőzgép 11% Diesel motor 30% Háztartási fűtés olajkazánban 66% SZÉN A növényi anyagok szénné alakulásának két fő szakasza van. a/ A lerakódás és az ezzel kapcsolatos felszíni átalakulás, eredménye a tőzeg. b/ A nagy nyomás és hőmérséklet hatására a földkéregben létrejövő metamorfózis, a szénülés. A szénülés során a tőzeg fokozatosan átalakul, s lignit, barnaszén, feketeszén majd antracit keletkezik. A széntartalom és a kémiailag kötött energia változását a szénülés foka szerint a következő táblázat mutatja. C [%] Q[MJ/kg] tőzeg ,3-7,5 lignit ,0-8,4 barnaszén ,4-24 feketeszén antracit ,5 Dr. Pátzay György 20

21 A szénülés során csökken a hidrogén és oxigéntartalom, amely a növényeknél 6, illetve 44 % körüli érték volt, az antracitnál nem éri el a 2, illetve 4 %-ot. Az ásványi szenek a karbon és hidrogén mellett más éghető és nem éghető anyagokat is tartalmaznak. Az éghető gázok (ún. illóanyagok) égéskor elégnek és eltávoznak, az éghetetlen szilárd anyag a hamu visszamarad. A magyarországi szenek leggyakoribb hamualkotói: a kovasav (SiO 2 ), az alumíniumoxid (Al 2 O 3 ), a vasoxid (Fe 2 O 3 ), a foszforpentoxid (P 2 O 5 ) és a kalciumoxid (CaO). A szén tüzeléstechnikai értéke annál nagyobb minél kisebb a nedvesség- és hamutartalma. A szén durva nedvességtartalma a hótól vagy a mosóműből kerül a szénbe, a higroszkopikus nedvességtartalmat pedig a szénfelület abszorbeálja, s a szénben lévő kapillárisok tárolják. A szénben három féle hamu van. a/ Primer hamu: olyan ásványi anyag, mely még szén ősét jelentő fában is megtalálható volt. Csak különleges eljárásokkal távolítható el. b/ Szekunder hamu: a szénülés folyamatában a geológiai rétegmozgások következtében keveredett a szénnel. Eltávolítása az ún. flotálás, mely során a flotálómedencében a szén és a meddő fajsúlykülönbségét használják fel a szétválasztásra. c/ Tercier hamu: a bányászati folyamat során a szénbe kerülő meddő. Eltávolítása egyszerű, ez az ún. szénmosás. Szénkitermelés: felszíni és mélyművelésú bányákban Szénhidrogének KŐOLAJ A kőolaj szerves, főleg állati eredetű maradványok átalakulási terméke. A kőolaj tömeg %-ban adott összetételét a következő táblázat mutatja A kőolaj összetétele C 80-88% H 10-14% S <5% O <7% N <1,7% Hamu <0,03% A kőolaj fűtőértéke: MJ/kg. A szénhidrogének csoportjai: paraffinok (normál- ill. izo-paraffinok), cikloalkánok(naftének), aromások. Olefinek, acetilének~0. FÖLDGÁZ A természetben található gáznemű tüzelőanyag, szénhidrogénekből áll. A kőolajelőfordulásnak rendszerint kisérője. Legértékesebbek azok a földgázok, melyek sok metánt tartalmaznak, de kisebb-nagyobb mennyiségben etán, propán, bután, pentán stb. is található a metán mellett. Az olyan földgázt, ami túlnyomó részt metánból áll és csak igen kevés C 2 -C 6 szénhidrogént tartalmaz, száraz földgáznak is nevezik. Az olajjal együtt feltörő földgázok rendszerint ún. nedves földgázok, ezek számottevő mennyiségben tartalmaznak C 2 -C 6 szénhidrogéneket. Dr. Pátzay György 21

22 CH %, C 2 H 6 0,1-9,5%, C n H 2n+2 <16%, N 2 <38%, H 2 S <15% (CO %). Energiahordozók kiaknázása Energiatermelés kémiai technológiái Kémiai energia Hőenergia CH O 2 = CO H 2 O Égéshő: 5,55*10 4 kj/kg Fűtőérték: 4,99*10 4 kj/kg Atomenergia Hőenergia U + n 92 U* 36 Kr* + 56Ba* + 3n Atommag hasadással termelődő energia 8,21*10 10 kj / kg 235 U Kémiai energia- hőenergia mechanikai energia villamos energia Atomenergia hőenergia mechanikai energia villamos energia Dr. Pátzay György 22

23 Tüzeléstechnika Égéshő kj/kg 33808*C% *(H% - 1/8 O%) *S% 100 Fűtőérték kj/kg F= É R R = 2510 (9*H% + nedv.%) 100 Égési hőmérséklet az a maximális hőmérséklet, amely a tüzelőanyag elméleti levegőszükséglettel való elégetése során keletkezik, ha nincs hőcsere és veszteség. Légfelesleg tényező a ténylegesen használt és az elméletileg szükséges levegő hányada. Gyulladási hőmérséklet az a legkisebb hőmérséklet, amire ha az éghető anyagot felmelegítik levegőn, akkor magától meggyullad. Túl gyors égés: robbanás, robbanó elegy jellemzői az alsó és felső robbanási határ. Levegő hozzávezetés, égéstermék elvezetés, veszteségek, robbanó elegyek A levegőt az égés sebességének megfelelő ütemben kell odavezetni, az égéstermékeket kellő gyorsasággal kell eltávolítani. Hőveszteségek: a füstgáz hőtartalma, sugárzási és vezetési hőveszteség, tökéletlen égés miatti veszteség. Alsó és felső robbanási határ, a már és a még robbanó tüzelőanyaglevegő elegy koncentrációja. Dr. Pátzay György 23

24 Szilárd, cseppfolyós (tömeg%) és gáz (tf%) halmazállapotú tüzelőanyagok összetétele Hamu Víz C H S O N Égéshő (kj/kg) Kőszén ,4 3,8 1,2 2,3 2, (antracit) Kőszén 3,7 3,5 77, , (gázkőszén) Koksz 9 1,8 84 0,8 1 1,7 1, Barnaszén 2,7 59,3 23 1,9 1,6 6 6, (nyers) Benzin ,6 14,35 0, Tüzelőolaj - 0,1 85,5 13,5 0, (könnyű) Tüzelőolaj 1 0, ,7 2, (nehéz) Földgáz CH 4 H 2 CO CO 2 N 2 C 2 H 6 (stb.) Égéshő (kj/kg) Hidrogén Szénmonoxid Metán Földgáz 80, ,8 14,4 3, (holland, orosz) Kokszoló gáz Kohó (torok) gáz 0, , Tüzeléstechnikai számítások Az égési folyamatok mennyiségi leírása a technikai tüzelôrendszerekben rendkívül nehéz. Így csak rendkívül leegyszerűsített folyamatokat vesznek figyelembe. Ezen egyszerűsített modell sémája: A három legfontosabb elemi komponens (C, H, S) égési reakciói elméleti, sztöchiometrikus esetben: Elméleti levegôszükséglet (L o, Nm 3 levegő/kg tüzelőanyag) A tüzelôanyag elemi összetételének (szén-, hidrogén- és általában kéntartalmának) ismeretében, az égési reakciók alapján kiszámítható 1kg tömegű tüzelôanyag tökéletes elégetéséhez szükséges oxigén, ill. ezen keresztül a szükséges levegô mennyisége. L = 8,876 X + 26,678 X + 3, 32 X 0 C H S Dr. Pátzay György 24

25 C + 12kg 1kg 79 O2 ( N2) CO ,41Nm ( 22,41Nm ) 22,41Nm ,41Nm 79 22,41Nm 22,41Nm ( ) N ,41Nm ,41Nm Elméleti (száraz és nedves) füstgáz-mennyiség (V 0sz, V 0n, Nm 3 füstgáz/kg tüzelőanyag) Az elméleti száraz füstgáz CO 2 -t, SO 2 -t és N 2 -t tartalmaz, míg a nedves füstgázban a vízgôz is benne van. V V sz 0 n 0 = 8,876 X + 21,07 X = 8,876 X + 32,0 X C C H H + 3,32 X + 3,32 X S S Légfeleslegtényezô (n) n = L L 0 A tüzelôanyag tökéletes elégetéséhez az elméletinél nagyobb mennyiségű levegôt kell felhasználni. A többletlevegôt légfeleslegtényezôvel (n) fejezzük ki, amely megadja, hogy a ténylegesen felhasznált levegô (L) hányszorosa az elméleti levegôszükségletnek (L o ). A felesleges levegô változás nélkül halad át a tüzelôszerkezeten, a tűztér hőmérséklete nem túl magas. (Ellenkező esetben a levegő nitrogénje részben nitrogén-oxidokká alakul!). A légfelesleg tényezôt gyakorlatilag a füstgáz elemzési adataiból (O 2 és CO 2 tartalmából) tudjuk kiszámítani. A száraz füstgázok O 2 -tartalmából legegyszerűbben: n = O 2 mér t számíthatjuk. A száraz füstgázok CO 2- tartalmából pedig: sz V O 0 2 n = 1+ L0 21 O mžrt 2 mžrt Ez utóbbi képletek használatához az elméleti levegôszükséglet (L o ) és a keletkezô száraz füstgáz térfogat (V osz ) értékén kívül ismerni kell a füstgázok maximális CO 2 tartalmát is (CO 2max ). CO 2 max = 22, Nm CO2 kg szén C kg szén kg tüz. anyag 3 sz Nm füstgáz V0 kg tüz. anyag Dr. Pátzay György 25

26 A tüzelés során képzôdött valódi füstgáz mennyiségek a légfeleslegtényezô és az elméleti levegô- és füstgázmennyiség ismeretében kiszámíthatók: V V sz n = V = V sz 0 n 0 + ( n 1) L ( n 1) L0 Égési folyamatokat befolyásoló paraméterek Biztosítani kell: elegendôen nagy levegômennyiség elegendôen magas oxigéntartalmú levegô megfelelôen kiakakított tűztér füstgázok elvezetése gyulladási hômérséklet az égés beindításához elegendôen nagy égési reakciósebességek + Tüzelés során háromféle lehetséges üzemmód fordul elô: a léghiányos tüzelés, az elméleti értékek mellett végzett tüzelés és a légfelesleges tüzelés. Fontos tüzeléstechnikai jellemzô az égési hômérséklet. 0. Tüzelőanyagok elméleti és gyakorlati tűztéri hőmérsékletei Tüzelőanyag Fűtőérték Elméleti tűztéri hőm. Gyakorlati tűztéri hőm. (kj/kg) ( 0 C) ( 0 C) Kőszén Barnaszén(száraz) Tüzelőolaj Földgáz Tüzelőszerkezetek A tüzelőanyagok elégetésére és a keletkező hő hasznosítására szolgálnak. Felépítésük a tüzelőanyag halmazállapotától függ. Működés kívánalmai: jó tüzelési hatásfok, sokféle tüzelőanyag elégetésére legyen alkalmas, jól szabályozható és gazdaságos legyen. Gáz, porlasztott olaj és szénpor tüzelés Dr. Pátzay György 26

27 SZÉNTÜZELÉS Tüzelőberendezések Vándorrostélyú tüzelőszerkezetben a rostély végtelen láncot képez, melyet két lánckerék mozgat. A lánc végéről a salak folyamatosan távolítható el. A tűztérbe kerülő szén fokozatosan felmelegszik, kokszolódik és végül elég. Dr. Pátzay György 27

28 Cirkulációs (instacionér) fluidizációs tüzelés Porszéntüzelésű hőerőmű Dr. Pátzay György 28

29 TISZTA SZÉNALAPÚ ENERGIATERMELŐ TECHNOLÓGIÁK (CCT) Az integrált elgázosító kombinált ciklusú széntüzelés (IGCC) újtípusú széntüzelésnél a szenet oxigénnel és vízgőzzel reagáltatják és döntően szén-monoxidból és hidrogénből álló fűtőgáz keletkezik. Ezt a gázt megfelelő tisztítás után gázturbinában elégetik. A fejlődött hő jelentős részét gőzfejlesztésre használják, mely további elektromos energiát fejleszt. Az IGCC erőművek magas hatásfokkal rendelkeznek még rosszabb minőségű szenek esetén is. Jelenleg néhány kísérleti erőmű üzemel az EU országaiban, az USA-ban és Japánban. Karbonát ciklus a CO 2 megkötésére elgázosító füstgáz tisztító gázégő IGCC IGCC szén gázturbina elektromosság salak generátor gőz injektálás elektromosság Emisszió ellenőrzés gőzturnina gőzfejlesztő generátor kondenzátor tápvíz szivattyú IGCC Dr. Pátzay György 29

30 Égetés után, égetés előtt és CO 2 recirkulációval BoA- Brown coal power plant with Optimized plant engineering ALPC- Advanced Lignite Pulverized Coal Széntüzeléseknél a CO 2 megkötés lehetőségei és költségei OLAJTÜZELÉS A tüzelôolajokat betűk és számok kombinációjával nevezik el. Így pl a TH 5/20 háztartási tüzelôolajat jelöl, mely 5 0 C -on még szivattyúzható és 20 0 C -on még porlasztható. Dr. Pátzay György 30

31 GÁZTÜZELÉS GB-GANZ gázégők választéka A nukleáris energiatermelés elvi alapjai Ahogy nő a nukleonok száma elérjük a vas környékén a kötési energia maximumát. A nagyobb tömegű magok kevésbé stabilak. Ezért egyaránt energia nyerhető a kis magok egyesüléséből fúziójából és a nagy magok hasadásából. Ezért jellemző az alfa-bomlás a nehéz magok esetén. Így energia nyerhető kétféleképpen: Maghasadással: atomok elhasadása--> ez történik a hasadási atomreaktorokban. energia nyerhető, ha nagy a mag minél kisebb a végtermék mag, annál stabilabb Dr. Pátzay György 31

32 A NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS: MAGHASADÁS LÁNCREAKCIÓ Kritikus reakció:amikor éppen elegendő hasadás történik ahhoz, hogy a láncreakció fönnmaradjon. Ez a nukleáris energiatermelés alapja. Szuperkritikus reakció: Amikor a láncreakcióban hasítóképes neutronfelesleg keletkezik és nő a hasadás sebessége. Ez történik az atombombákban. KRITIKUS TÖMEG: a hasadóanyag legkisebb tömege, mely fenntartja a láncreakciót. Ez 235 U esetében 56 kg. HASADÁSI ENERGIA A hasadási reaktorok zömében jelenleg az 235 U az alkalmazott hasadóanyag. Egy lehetséges hasadási reakció: 1 n U --> 92 Kr Ba n + energia vagy Egy urán atom elhasadásakor kb. 200 MeV energia szabadul föl. 100 g 235 U elhasadása 8, J=1785 tonna TNT energiájának megfelelő energiát képvisel. Dr. Pátzay György 32

33 HASADÓANYAGOK Mag 232 Th 233 U 234 U 235 U 236 U 238 U 237 Np 239 Pu 240 Pu Átmeneti mag 233 Th 234 Th 235 U 236 U 237 U 239 U 238 Np 240 Pu 241 Pu Neutron energia (MeV) 1,3 T 0,4 T 0,8 1,2 0,4 t >0 Dr. Pátzay György 33

34 ERŐMŰREAKTOROK TERMIKUS VÍZHŰTÉSŰ GYORS GÁZHŰTÉSŰ KÖNNYŰVIZES NAGY HŐMÉRSÉKLETŰ (HTR) FORRALÓVIZES (BWR, RBMK) NYOMOTTVIZES (PWR, VVER) NEHÉZVIZES (CANDU) Paksi atomerőmű 4 db 440 MW e VVER-440/213, 1 fűtőelem l=2,4 m, 99%Zr 1%Nb 1 kötegben 126 db fűtőelemrúd van, az aktív zónában 312 db köteg (42 t UO 2 3,5% 235 U) A reaktor részei A nyomottvizes atomerőmű (PWR) TMI PWR (USA) Source: U.S. Nuclear Regulatory Commission Dr. Pátzay György 34

35 A VVER-440/213 nyomottvizes reaktor 1 Reaktor tartály 2 gőzfejlesztő 3 fűtőelem töltő 4 kiégett fűtőelem tároló medence 5 elnyelető torony 6 tápvíz előkezelés 7 védőburkolat 8 elnyelető torony 9 permetező rendszer 10 ellenőrző csatorna 11 levegő beszívás 12 tubina 13 kondenzátor 14 turbina blokk 15 tápvíz tartály 16 előhevítő 17 turbina csarnok daru 18 elektromos berendezések, vezérlések Dr. Pátzay György 35

36 Nukleáris üzemanyagciklusok Egyszeri felhasználású nukleáris üzemanyagciklus Zárt nukleáris üzemanyagciklus Dr. Pátzay György 36

37 1 GW.év elektromos energia termeléséhez tartozó hasadóanyag felhasználások Dr. Pátzay György 37

38 Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények. Az energiaforrás szerint: Hőerőművek Vizerőművek Szélerőművek Egyéb erőművek Hőerőgép... Expandálás MUNKA Turbina Hevítés HŐ Kazán Kondenzátor HŐ Hűtés Szivattyú Komprimálás Domain Dr. Pátzay György 38

39 A termelt vagy szolgáltatott energia szerint: Tisztán villamos energiát szolgáltató Villamos energiát és hőenergiát szolgáltató erőművek Az erőművek kihasználása szerint: Alaperőművek, egész évben egyenletesen termel, jól kihasználja a kapacitását Menetrendtartó erőművek, igények alapján előre megszabott menetrend szerint Csúcserőművek, csak a terhelési csúcsok idején szolgáltat energiát Kondenzációs erőmű Ellennyomásos erőmű Elvételes kondenzációs erőmű Egyszerű vízgőzős Rankin-Clausius körfolymat Dr. Pátzay György 39

40 Carnot hatásfok: Th Tl η = T h A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban A Rankine-Clausius körfolyamat Kazán (túlhevítővel) Gőzturbina Villamos generátor Kondenzátor Szivattyú 6 Dr. Pátzay György 40

41 A Rankine-Clausius körfolyamat T(K) Folyadékhevítés Elgőzölgés Túlhevítés 4-5 Expanzió 5-6 Kondenzáció 6-1 Szivattyúzás 6 s (J/kg K) 18/b. ábra Az egyszerű ideális túlhevített vízgőzös Rankin-ciklus The McGraw-Hill Companies, Inc.,1998 Dr. Pátzay György 41

42 Hatások javítási lehetőségek Kapcsolt energiatermelés (kogeneráció) Ideális kapcsolt energiatermelés kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20 tüzelő - anyag 100 hőenergia 65 veszteség 15 Tüzelőhő megtakarítás: = 30 külön hő- és villamosenergia termelés tüzelőanyag 55 tüzelőanyag 75 villamos energia, 20 veszteség 35 veszteség 10 hőenergia 65 Dr. Pátzay György 42

43 Magyarországi erőművek villamosenergia értékesítési átlagárai 2001 Erőmű tüzelőanyag ár (Ft/kWh) Dunamenti olaj, gáz 13,0 Mátrai lignit 12,0 Tiszai olaj, gáz 12,0 Borsodi szén 19,0 Bakonyi szén 31,0 Vértesi szén 15,0 Pécsi szén 17,0 Budapesti gáz 13,0 Paksi nukleáris 6,40 Csepeli gáz 14,0 Debreceni gáz 12,0 MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK Felosztás: 1. Eltüzelhető megújulók és hulladékok (CRW). -Szilárd biomasszák és állati termékek. Ilyen a fa, fahulladék, rost-hulladék, állati hulladékok és más szilárd biomasszák. A biomasszából készült faszén is ide tartozik. -A biomasszából keletkező folyékony és gáznemű energiahordozó anyagok. Ide tartozik a biogáz. -Háztartási hulladékok. Lakossági és kórházi hulladékok. -Ipari hulladékok. Szilárd és folyékony hulladékok, pl. autógumik. 2. Vízenergia A víz potenciális és kinetikus energiáját elektromos energiává alakítják a vizierőművekben. 3. Geotermális energia A föld hőjét gőz és/vagy melegvíz formájában hasznosítják közvetlen fűtésre, vagy elektromos energia előállítására. 4. Napenergia A napenergiát forró víz előállítására vagy elektromos energia előállítására alkalmazzák. 5. Szélenergia A szél kinetikus energiáját szélmotorokban elektromos energiává alakítják. 6. Árapály, hullám, óceán energia Mechanikai energiát elektromos energiává alakítanak. Dr. Pátzay György 43

44 Megújuló energiaforrások - Energia jövőkép 2050 A fosszilis energiahordozók a közeljövőben kimerülnek, vagy alkalmazásuk kérdésessé válik. A világ fosszilis energia termelése a következő évtizedekben csökkenni fog. Megnő a megújuló energiaforrások szerepe, megváltoznak a társadalmi szokások Az energiakrízis előtt szükséges az energiaforrások váltása CRW- éghető megújulő és hulladék Napenergia A napból jövő sugárzási energia (1372 W/m 2 ) átjut az atmoszférán és a felszínt átlagosan 345 W/m 2 (Magyarországon ~170 W/m 2 ). A levegő, a felhők, a pára csökkentik a felszínre jutó energiát. Az energia kinyerhető a sugárzás hőenergiájaként és a foto-elektromos cellák révén előállított elektromos energia formájában Dr. Pátzay György 44

45 Integrált kombinált ciklusú naperőmű vázlata Napenergia: fotoelektromos hatás A fényelektromos cellák a sugárzó energia ~15%-át képesek elektromos energiává alakítani (az elméleti érték ~ 21%). Kisfeszültségű egyenáram keletkezik, cellánként ~0,55 Volt feszültségen; a telepeket összekapcsolják ~16 V eléréséig, hogy a 12 V-os akkumulátorokat tölteni tudják. A cellasorokat rögzített vagy a nap mozgását követő elrendezésben. alkalmazhatják. Az elektromos energiát tárolni kell, hacsak nem alakítják át a megfelelő feszültségű váltóárammá. A fényelektromos cellák (PV) árai estek, de még mindig drágák az erőműipar számára Dr. Pátzay György 45

46 Megújuló energiák Németországban Napenergia fotovoltaikus alkalmazása Németországban Dr. Pátzay György 46

47 Napenergia napkollektoros alkalmazása Németországban Szélenergia Az atmoszféra hőmérsékleti egyenlőtlenségeiből származik A szélenergia tartalékok világszerte ingadoznak A kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos Ref.: windfarm/index.asp?i=2 Dr. Pátzay György 47

48 A szélenergia a tengerpartokon, síkságokon használható fel elsősorban Pl. Florida partjainál 2-es szélfokozat esetén ( W/m 2 ) --- az energia kevés erőművi célra, de a vizsgálatokhoz megfelelő. A Sziklás-hegységben a nagyközepes szélsebesség ( W/m 2 ) alkalmas erőművi célokra. Minden földrajzi területnek meg van a széltérképe, mely alapján eldönthető a szélenergia alkalmazhatósága. Szélerőművek fejlődése Dr. Pátzay György 48

49 Szélenergia Németországban Dr. Pátzay György 49

50 Bioenergia (Biomassza) A biomassza direkt tüzelése, más tüzelőanyaggal együtt tüzelése és elgázosítása a biomassza-energiatermelés alapja. Etanol készíthető gabonából, vagy szójából, metanol pedig cellulózból állítható elő. A folyékony tüzelőanyagok nagy energiasűrűségük révén a szállító járművek hajtóanyagai. Tudatosan erre a célra termeszthetik (pl. nyárfák) vagy éghető hulladékot alkalmaznak A biomassza részben kiválthatja a fosszilis energiahordozókat, bár nem túl hatékony energiaforrás Bioüzemanyagok Németországban Dr. Pátzay György 50

51 ÜZEMANYAGCELLÁK Vízenergia Az óceánok és más felszíni vizek vize a nap sugárzásának hatására részben elpárolognak, majd csapadékkén visszahullnak a föld felszínére és részben megnövekedett potenciális energiára tesz szert. A felszíni vizek ezen potenciális energiáját régóta használják munkavégzésre és elektromos energia előállítására A vizerőművek jelentős része az as években épült, de azóta többet megszüntettek Megépítés után alacsony költségek mellet termelik az elektromos energiát A világ legnagyobb vízerőművei (Bratszk, Krasznojarszk, Quebeq) 5-6 GW nagyságrendűek. Dr. Pátzay György 51

52 Vízenergia Bánki turbina chattahoochee.html Vízerőművek Nagy vízerőmű: néhány MW-tól >10 GW-ig Kis vízerőmű: 10 MW alatt, ezen belül: Kis vízerőmű : 2 MW-10MW Mini-vízerőmű : 0,2 MW-2 MW Mikro-vízerőmű : <0,2 MW Költség: nagy vízerőmű: ~ 2c /kwh kis vízerőmű: ~ 4c /kwh Árapályerőmű (la Rance, 240 MW) 5-10c /kwh. Hullámveréses erőmű (1W/m 2, 50 KW/m) ~ 8c /kwh Az óceánok hőenergiája (nagyon költséges, de 100- szoros az energiája, mint a hullámverési energia Dr. Pátzay György 52

53 Eredet: radioaktivitás Geotermális energia 235 U (18 J/g/y), 40 K vagy Th (0,8 J/g/y),. 0,06 W/m 2 azaz 3500-szor kisebb, mint a napsugárzás fluxusa Geotermális gradiens = 3,3 C/100m vannak kedvezőbb területek is Kisentalpiás fluidumok (30 C-100 C) hőhasznosítás Közepes- és nagyentalpiás fluidumok villamos energia termelés CO 2,CH 4,N 2,H 2 S, vízkő(caco 3 ) korrózió Geotermális Energia Az első geotermális erőmű Olaszországban épült 1903-ban A kaliforniai The Geysers gejzírei gőzt és melegvizet szolgáltatnak, az erőmű teljesítménye 824 MWe. A Hot, dry rock (HDR) (forrósziklás) típusú geotermális erőművek a sziklákba préselt vízből keletkezett gőzt hasznosítják. Kisebb hőmérsékletek esetén egy légkondicionáló hőt von ki a talajból télen és ad le a talajnak nyáron. Dr. Pátzay György 53

54 Geotermális erőműtípusok Száraz-gőzös erőmű Elpárologtatós (flash)erőmű Bináris ciklusú erőmű A világon 2000-ben 21 országban 8500 MW erőművi kapacitás mellett 71 TW e villamos energiát állítottak elő geotermikus erőművekben és 60 millió ember érintett a geotermikus energiatermeléssel és közvetlen hasznosítással kapcsolatban. Dr. Pátzay György 54

55 Költségek (2000) Energiatermelési fajlagos költségek ECU/MWh Geotermikus energia 5-20 Biomassza energia Napenergia Tüzelőolaj 14 Földgáz Costs of Electricity at Power Plant (cents/kwh) Fuel Operating Maintenance Total Coal Gas Oil Nuclear Coal ($/ton) % Oil ($/barrel) % Natural Gas ($/Mcf) % Elektromos energia termelési költségek Technológia beruházási költség ($/kwe) fajlagos beruházási költség (cent/kwh) Nem-üza O&M költségek (cent/kwh) kapacitási faktor (%) összes fajlagos költség (cent/kwh) gázturbina kombinált ciklus biomassza 2, geotermikus 1, Nap-termikus 3, Napelektromos 4, Szél Dr. Pátzay György 55

56 Erőművek teljes életciklusára vonatkoztatott költségek (US cent/kwh) (nukleáris és szabályozási probléma mentes esetre) Energiatermelés és a környezet Dr. Pátzay György 56

57 Széndioxid emissziók Beruházás/Üzemelés/Tüzelőanyag előkészítés (kg CO 2 / kwh) 1.4 Mike Corradini, UW CO2 Emissziók (kg CO 2/kWh) Víz Szél 0.02 Nukleáris Geotermális Napelem Földgáz Szén 1.18 Biomassza/ gőz Villamosenergia költség (Globális átlagos) ( /kwh) 35 Cost of Electricity (cents/kwh) Nuclear Gas Coal 10 Hydro Wind Biomass Geothermal 2 Solar Thermal Solar-PV Dr. Pátzay György 57

58 Áramtermelő technológiák fajlagos emissziói Dr. Pátzay György 58

59 Fajlagos hulladékképződés az energiatermelésben Dr. Pátzay György 59

60 A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) ENERGIAHORDOZÓK SZERINT (Mtoe) ** geo, nap, szél, hő stb. Dr. Pátzay György 60

61 A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) RÉGIÓK SZERINT (Mtoe) ** Kína nélkül Széntermelők, exportálók, importálók 2006 Dr. Pátzay György 61

62 Kőolajtermelők, exportálók, importálók Földgáztermelők, exportálók, importálók 2006 Dr. Pátzay György 62

63 NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS A VILÁGON 2005 VIZENERGIA TERMELÉS A VILÁGON 2005 Dr. Pátzay György 63

64 Villamosenergia termelés tüzelőanyag szerint 2005 Dr. Pátzay György 64

65 Reális és nominális kőolajárak Dr. Pátzay György 65

66 Magyarország energiagazdálkodása A magyarországi energiatermelés hőerőművekre és atomerőművekre épül első sorban. A magyarországi termelés összetétele azt mutatja, hogy hazánkban jelentős a fosszilis (szén és szénhidrogének) felhasználása. A hazai villamosenergia-termelő erőművek közül a Paksi Atomerőmű 14 TWh energiát termel évente. 1 TWh évi termelés felett van még a fosszilis energiát felhasználó Dunamenti Hőerőmű (6 TWh), a Mátrai Hőerőmű (4,1 TWh) és a Tisza II. Erőmű (3 TWh). További erőműveink, melyek energiatermelése alacsonyabb: Tiszapalkonya, Bánhida, Pécs, Oroszlány, Inota, Ajka. A kiskörei és a tiszalöki vízerőművek energiatermelése ezekhez képest elhanyagolható néhány GWh évente. Ha az erőművek teljesítményeit vizsgáljuk, akkor 1999 januári adatok szerint a hazai villamosenergia-rendszer teljesítőképessége 7800 MW, melyből 3826 MW (49%) szénhidrogének égetésével nyeri az energiát, 1840 MW (23%) az atomerőmű kapacitás, 1954 MW (25%) a szénerőművek összes potenciális teljesítménye. A további két energiatípus a vízerőmű 48 MW (1%) és az ipari energiák (2%). Ezek az erőművek nem termelnek egész évben teljes kapacitással. A magyar energiatermelés szerkezete : tényadatok, : prognózis (egyéb: geotermikus, nap, szél, éghető megújulók és hulladék) Dr. Pátzay György 66

67 A magyar energiafelhasználás szerkezete (egyéb: geotermikus, nap, szél, éghető megújulók és hulladék) Biomass 38.3% Geothermal 6.6% Firewood 47.4% Community waste 3.6% Biofuel 1.7% Hydro 1.2% Biogas 0.8% Wind 0.3% Solar 0.2% Biomass-biomassza Geothermal-geotermikus Community wastekommunális hulladék Biofuel-bioüzemanyag Hydro-vízenergia Wind-szélenergia Solar-Napenergia Firewood-tűzifa Magyarország 2005 Magyarország megújuló energiatermelésének megoszlása Dr. Pátzay György 67

68 Erőműpark Magyarországon (2005) Erőműtársaságok Tulajdonos Erőművek Energiaforrás Beépített villamosteljesítmény (MW) Bakonyi Erőmű Rt. Magyar pénzügyi befektető Ajkai Erőmű Bakonyi Bioenergia Szén Biomassza Budapesti Erőmű Zrt. EdF (francia) Budapesti Erőmű Rt. négy telephely Szénhidrogén 455,6 Dunamenti Erőmű Rt.* Electrabel-Suez (belga) + MVM (25%) Dunamenti Erőmű Rt. Dunamenti GT. Szénhidrogén Szénhidrogén EMA-Power Dunaferr-csoport tulajdonosainak érdekelt-ségi köre (ukrán) Szénhidrogén 69 Mátrai Erőmű Rt.* RWE (német) + MVM (25%) Lignit 836 GTER Kft. Tüzelőolaj 410 Paksi Atomerőmű Rt. MVM Nukleáris 1866 Pannonpower Holding Rt. Dalkia (francia) Pannon Hőerőmű Pannon Green Szén Biomassza Csepeli Áramtermelő Kft. Atel (svájci) Csepel GT Szénhidrogén 396 AES Tisza Erőmű Rt. AES- USA Szénhidrogén 900 AES Borsodi Energetikai Rt. AES- USA Borsodi Erőmű Tiszapalkonyai Erőmű Szén+biomassza Szén+biomassza Vértesi Erőmű Zrt. MVM Oroszlányi Erőmű Szén 240 DKCE Kft. E.ON (német) Debreceni GT Szénhidrogén 95 Tiszai Vízerőmű Kft. ÁPV Zrt. Kisköre Tiszalök Víz Víz 28 11,4 Hernádvíz Vízerőmű Kft. ÁPV Zrt. Víz 4,4 Engedélyköteles erőművek összesen 7647 Kiserőművek 953 Összesen 8600 Az egyes erőművek termelői árai (Ft/kWh) Vértesi Erőmű Rt. Oroszlányi erőmű Pannon Hőerőmű Rt. Paksi Atomerőmű Rt. Mátrai Erőmű Rt. EMA-POWER Kft. Dunamenti Erőmű Rt, Debreceni Kombinált Ciklusú Erőmű Kft Csepeli Áramtermelő Kft. Budapesti Erőmű Rt. Bakonyi Erőmű Rt. Ajka AES Tiszai Erőmű AES Tiszapalkonyai erőmű AES Borsodi erőmű Dr. Pátzay György 68

69 A villamosenergia-termelés megoszlása energiahordozók szerint Hasadóanyag Kőolaj Földgáz Szén 1) Szén 2) Kőolaj 3) Földgáz 4) Hasadó anyag 5) Megújuló + hulladék Forrás: A magyar villamosenergia-rendszer évi adatai. MVM MAVIR, Széndioxid emisszió tüzelőanyagonként és szektoronként Dr. Pátzay György 69

70 A hazai energia felhasználás néhány jellemzője Az összenergia felhasználás nem változik 92 óta (csak az időjárás változásai befolyásolják, 1992: 1057 PJ, 2002: 1055 PJ) Az energiaintenzitás kb. évi 3-4 %-kal csökken A földgáz a domináns primer energia forrás A földgáz részesedése lassan, de növekszik A földgáz szerepe egyre nő két területen: 1. Villamosenergia termelés 2. Fűtés (lakosság, kommunális és kereskedelmi szektor) Ezért szezonalitás nő, nő a tárolási igény (beruházás igény) Az alternatív energiaforrások visszaszorulása (árak miatt is) A szén kémiai technológiája Szénelőfordulások Szenek tulajdonságai Szénbányászat Szénelőkészítés Szénfeldolgozás Széncseppfolyósítás kokszolás Dr. Pátzay György 140 Dr. Pátzay György 70