Energetika I-II. energetikai mérnök szak

Átírás

1 Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. sz János Energetika I-II. energetikai mérnök szak

2 1. témakör Energiaellátás és fenntartható fejl dés

3 Tartalom 1. Energiaellátás. 2. Energiamérleg. 3. Energiahatékonyság. 4. Fenntartható fejl dés.

4 Az energetika helye

5 1. Energiaellátás Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mez gazdasági üzemek, az intézmények és a lakosság) biztonságos, gazdaságos és környezetbarát ellátása. Területei: energiahordozók el állítása, szállítása, elosztása, tárolása, energia-végfelhasználás. Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszín ség. A fogyasztók mindig teljesítményt igényelnek, melynek id szerinti integrálját az energiát tarjuk nyilván.

6 Az energiaellátás rendszerstruktúrája Energiahordozók elõállítása Energiahordozók szállítása elosztása tárolása Energia végfelhasználás

7 1.1. Energiahordozók el állítása Primer energiahordozók = tüzel anyagok: az anyagokban kötött kémiai és nukleáris energia. Tüzel anyagok: szén (C), szénhidrogének (CH): k olaj és földgáz, nukleáris (A): urán, (tórium). Tüzel anyagok termelése = bányászat, mely a m velt terület elhelyezkedése szerint - külszíni, - mélym velés. Kitermelésnél keverék = tüzel anyag/ok/ + egyéb anyagok, ezért szükséges a feldolgozásuk szekunder energiahordozó el állítása.

8 1.1. Energiahordozók el állítása Megújuló energiaforrások: a természeti folyamatok által keletkez energiák. Fajtái: napsugárzás, szél, víz, árapály, (geotermikus), biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) megújuló tüzel anyagok.

9 (Megújuló) (Geotermikus): ha a föld mélyéb l kivett víz visszasajtolásra kerül. (Hulladékok): az emberi tevékenység által megújuló. A gazdasági, a lakossági-kommunális szektor energetikai hasznosításra alkalmas hulladékai els sorban a deponálandó hulladék térfogatának kb. 1/3-1/6 (tizedére) való csökkentése miatt. (A hulladékgazdálkodás feladata a hulladékok összegy jtése, szelektálása, hasznosító m vekhez való eljuttatása.) - külön kategória: veszélyes hulladékok (pl. gumiabroncs, elhullott állatok).

10 Szekunder energiahordozók Szekunder energiahordozók: szállításra (tárolásra) és felhasználásra alkalmas energiahordozók. Tüzel anyagok: fosszilis: kémiailag kötött energia (C, CH), fisszilis: nukleárisan kötött energia (A).

11 Fosszilis tüzel anyagok Szén: feldolgozás nélkül és a feldolgozás maradéka h er m vekben villamosenergia-termelés, feldolgozott: ipari (koksz) és lakossági szén (brikett), szénelgázosítás szintetikus CH 4 (földgáz) jöv?

12 Fosszilis tüzel anyagok K olaj: nyersolaj feldolgozása = finomítás, melynek termékei: ipari és energiahordozó (motor üzemanyag, tüzel - f t olaj). Földgáz: feldolgozása, melynek termékei: ipari és energiahordozó (földgáz, PB-gáz, inertes és inert gáz). A prognosztizált becslések szerint a k olaj és a földgáz a f energiahordozó az elkövetkez évben.

13 Fisszilis tüzel anyagok Nukleáris: természetes urán (U-235 (0,72 %), U-238 (99,27 %), dúsítás (U-235 1,6, 2,4, 3,6% és nagyobb), f t elem és kazetta gyártás, kiégett f t elemek reprocesszálása.

14 Villamos energia Villamos energia: villamos jelenségek formájában el állított munkavégz és/vagy h átadó képesség (legjobb használati érték szekunder energiahordozó). A fosszilis és fisszilis tüzel anyagokból, és elvileg az összes megújuló energiaforrásból el állítható er m vekben.

15 H H : a h mérséklet-eloszlás inhomogénitására létrejöv transzportmennyiség: a h hordozó h átadó képessége. H hordozók: - víz (melegvíz, forróvíz, g z), - leveg, termoolaj. A fosszilis és (fisszilis) tüzel anyagokból, több megújuló energiaforrásból (nap, biomassza, geotermikus, hulladék tüzel anyag) el állítható f t m vekben, f t er m vekben és f t berendezésekben, továbbá hulladékh - hasznosítással is.

16 1.2. Energiahordozók szállítása Elosztás szervezeti: a primer és szekunder energiahordozók termel k és fogyasztók közötti kereskedelme, területi = szállítás: a primer és szekunder energiahordozók eljuttatása a területileg szétszórt termel khöz és fogyasztóhoz. Tárolás: az energiaigények szezonális és piaci egyenl tlenségeinek kiegyenlítése az egyenletes ütemben el állított energiahordozók felhalmozásával.

17 1.2.1.Energiahordozók szállítási módjai Energiahordozó Vasút Víz Közút Távvezeték Szén x x x Nyersolaj x x Olajtermék x x x Földgáz X x (cseppfolyósított) PB-gáz x x Villamos energia x H hordozó x

18 1.3. Energia végfelhasználás Különböz statisztikai feldolgozás. Energia szerint: hajtás (mechanikai): %, h : %, világítás, információtechnika: 3-8 %. Szektorok szerint: gazdasági szektor (ipar, mez gazdaság), lakossági-kommunális szektor, (távf tés) közlekedés, egyéb.

19 A világ primerenergia-felhasználása között (25 év alatt) a világ primerenergia-felhasználása megkétszerez dött, s elérte a 95, kwh/év=3, PJ/év=8, toe értéket. Az átlagos növekedés el tt 5 %/év, 1994-t l 2 %/év. OECD országok: közlekedés, szállítás: 31 %, ipar: 34 % (vegyipar 6 %) háztartás és mez gazdaság: 35 %.

20 2. Energiamérleg Energiamérleg: a különböz energiahordozók, különböz veszteségek, különböz szint, együttes mennyiségi számbavétele. Nemzetközi, országos energiamérleg: toe [1 toe=42 GJ] vagy PJ [10 15 J]. Mértékegységek közötti átváltás! (1 kwh=3, J)

21 Az energiaellátás folyamábrája Hazai termelés Import Primer energiahordozók Import Hazai termelés Szekunder energiahordozók Átalakítási, feldolgozási veszteségek Szállítás, elosztás, tárolás Szállítási, tárolási veszteségek Energia végfelhasználás Hasznosult energia Felhasználási veszteségek

22 2. Energiamérleg Nemzetközi statisztikákban: TPES (Total Primary Energy Supply): összes primerenergia-ellátás, TFC (Total Final Consumption): összes vég(energia) felhasználás.

23 2. Energiamérleg Tervezés: a múlt tény- és a jöv becsült adatai alapján különböz forgatókönyvek készítése. Energiahordozók korlátozott mérték alternativitása. Energiahordozó és végfelhasználási struktúra lassú (hosszú ideig tartó) változása. A technológiai átalakítások évtizedekben mérhet k.

24 3. Energiahatékonyság Energiahatékonyság: meghatározott energiafelhasználás mellett a gazdaság mekkora termelési értéket valósít meg. A nemzetgazdaság energiaigényessége energiaigé nyesség = primerenergiahordozó felhasználás [ toe vagy MJ / év] GDP [ Gross Domestic Pr oduct [ Ft vagyusd / év] A nemzetközi statisztikák gyakran az egy f re es primerenergia-felhasználást adják meg.

25 Energiahatékonyság Az energiaigények, és ezáltal az energiafelhasználás csökkentése!: H : jól szigetelt épületekkel, kisebb h felhasználású technológia. Üzemanyag: kisebb fogyasztású autók. Villamos energia: jobb hatásfokú er m vek, kapcsolt energiatermelés, energiatakarékos berendezések. Fogyasztói szokások megváltozása?

26 4. Fenntartható fejl dés Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. A fenntartható fejl dés olyan fejl dés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jöv generációit abban, hogy k is kielégíthessék szükségleteiket. [Brundtland Közös jöv nk jelentés, ]: Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jöv generációk életlehet ségeit veszélyeztetik. A lehet legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jöv generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthet k. Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük.

27 4. Fenntartható fejl dés Az energetika kiemelt jelent séggel bír a fenntartható fejl désben: a fejl dés feltétele, motorja és jellemz je, ökológiai hatásai: kibocsátások, hatás a globális felmelegedésre, hatás az ózonlyuk növekedésére, hatás a biológiai sokféleségre.

28 4. Fenntartható fejl dés Jelenlegi állapot: természeti kincsek végessége (lásd készletek), gazdasági-társadalmi különbségek, energetikai ellátásbiztonság, kibocsátások és azok hatásai. A technikai fejl dés kétarcú, pozitív és negatív hatások, a fejl dés egyik mozgatóereje, csak régebben id ben és térben korlátozott hatások, míg ma a hatások és a veszélyek globálisak.

29 4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek növekedés jelenleg kb. 77 millió f /év A föld népessége millió f év

30 4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek Népesség, gazdaság növekedése egyenl tlen, óriási különbségek. Migráció er södése. Nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus). Környezetromlás, globális ökológiai problémák. Az emberiség fokozatosan felismeri a veszélyt: - mekkora a föld eltartó képessége, - az egyenl tlenségek, a migráció, a környezetromlás hogyan csökkenthet, - a társadalmi, gazdasági és ökológiai fenntarthatóság szoros kölcsönhatásban van egymással.

31 Energetikai egyenl tlenségek A régiók primer tüzel h -felhasználása (E=10 18 )

32 Energetikai egyenl tlenségek A régiók egy f re es energiafelhasználásának aránya Fekete Afrika India Dél Ázsia Kína Latin Amerika Világátlag Magyarország Európai Unió Egyesült Államok 0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5

33 4.2. Energetikai ellátásbiztonság Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: megfelel energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, ésszer energiatakarékosság.

34 4.2. Energetikai ellátásbiztonság Nagy egyenl tlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. Ezért a nagy fogyasztók energiaellátásának nagy része importból importfügg ség. Ezáltal az ellátásbiztonság sérül. Nemzetközi feltételekt l való er s függés konfliktusok lehet sége.

35 Az EU importfüggése Már ma is nagy (olaj: kb. 50 %, földgáz: kb. 40 %). Ha nem történik változás, akkor az importfüggés továbbn (2030-ig olaj: kb. 80 %, földgáz: kb. 70 %). A b vítéssel a helyzet nem változik, esetleg romlik. Nagy gond, mert alig vannak saját eszközeink a helyzet megváltoztatására.

36 4.3. Az energetika környezeti kibocsátásai Kibocsátások és azok hatásai: üvegházhatás, ózon vékonyodás, biológiai sokféleség csökkenése, radioaktív sugárzás egészségügyi hatásai. A teljes vertikumot kell tekinteni!

37 4.3. Az energetika jelent sebb környezeti kibocsátásai

38 Üvegházhatású gázok globális szennyezés szén-dioxid (CO 2 ), metán (CH 4 ), dinitrogén-oxid (N 2 O), fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluor karbonátok (PFC-k), kén-hexafluoridok (SF 6 ).

39 Szén-dioxid Globális széndioxid-kibocsátás (folytonos) és koncentráció (szaggatott) A föld átlagos h mérsékletének változása (vastag: porkoncentráció figyelembe vétele nélkül)

40 Szén-dioxid Fosszilis tüzel anyagok kibocsátásai: szén: 130 [g CO 2 /MJ tüzel h, antracit], olaj: 70-75, földgáz: 58. Az energetika összes CO 2 -kibocsátása jelenleg kb. 27 milliárd t/év. A gépkocsi-forgalom jelent s szerepe: azokban a városokban, ahol jelent s a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.

41 A villamosenergia-termel eljárások CO 2 -kibocsátása [kg/kwh]

42 Kén- és nitrogén-oxidok lokális szennyezés Károsítják az emberi egészséget, és hozzájárulnak a talaj, az erd k és a felszíni vizek savasodásához regionális környezetszennyezés. Természeti víz savas (ph 5,5) az oldott CO 2 miatt savasodás ph<5 (SO x és NO x miatt). SO x -k kibocsátása a tüzel anyagtól függ (2 kg SO 2 füstgáz/1 kg S tüzel anyag): C (1-3 %): 2-5 g/mj, k olaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/mj. Megoldás: fütgáz-kéntelenítés.

43 Kén- és nitrogén-oxidok NO X -k: A tüzelés során, a leveg nitrogénjéb l 1100 o C h mérséklet felett keletkezik. El írások a kibocsátásokra: <30 mg/nm 3. Megoldások: NO x -szegény ég k, vízbefecskendezés (földgáztüzelés gázturbinák), katalizátoros motorok, fluid-tüzelés kazánok (t<1000 o C).

44 Radioaktív kibocsátások Folyékony és légnem radioaktív kibocsátások. Radioaktív hulladékok: kisaktivitású, közepes aktivitású, nagyaktivitású. Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés f t elemek transzmutációja.