Fenntartható energetika

Átírás

1 Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Molnárné Dőry Zsófia Fenntartható energetika

2 Fenntartható energetika Fenntartható energetika (2 óra, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék): a három szekunder energiahordozó (üzemanyag, hő, villamos energia) versenyképessége, ellátásbiztonsága, környezet- és klímavédelme. Az előállított hő és villamos energia illeszkedése a meglévő energetikai rendszerekhez. Előkövetelmény volt energetikai mérnököknek Energetika II, választható tárgyból nincs hivatalos előtanulmány a témakörben 2

3 Tartalom Funkciók ellátása, mi kell az élethez? Energiaforrások Szekunder energiahordozók Fogyasztás: mennyiség, minőség Megújuló energiaforrások hasznosítása Szempontok: Potenciálok, Technológiák, Technológiaváltás/illeszkedés a meglévő energetikai rendszerekhez, Fenntartható fejlődés/ha változtatni kellene, Ingadozás/energiatárolás, Gazdaságosság/versenyképesség, Szennyezések/környezet- és klímavédelem, Ellátásbiztonság, Helyben történő felhasználási arány Fenntartható energetika háztartási méretekben Megoldások háztartási méretekben 3

4 Funkciók ellátása, mi kell az élethez? Helyváltoztatás Szállítmányozás Termékelőállítás Fűtés Használati melegvíz Főzés Hűtés Étel Ital Higiénia Egészségügy. Milyen végső energiahordozóval? Meg akarjuk-e oldani megújuló energiaforrásokkal, amennyire lehetséges? Kategóriák: létszükséglet, norma, luxus kényelmetlenségi fok. Hogyan lehet megújuló energiaforrás alapon megoldani? 4

5 Energiaforrások Fogyó: Fosszilis: kőolaj, földgáz, szén (véges készlet, telített légkör és tengervíz) Nukleáris (véges készlet, kockázatos terrorizmus és hulladéktárolás) Emberi léptékben újratermelődő/termelhető: Megújuló: napenergia, szélenergia, vízenergia, geotermikus energia Megújítható: biomassza 5

6 Világ primer energia fogyasztása [millió tonna olaj egyenértékben] Világ primer energia fogyasztása [BP statistical review 2016] 6

7 Világ primer energia fogyasztása [millió tonna olaj egyenértékben] Megújuló: 316,6 Víz (elektromos): 884,3 Megújuló: 364,9 Víz (elektromos): 892, Nukleáris: 583,1 Nukleáris: 575,5 Szén: 3911,2 Szén: 3839,9 Földgáz: 3081,5 Földgáz: 3135,2 Kőolaj: 4251,6 Kőolaj: 4331, Primer energiaforrások felhasználása [BP statistical review 2016] 7

8 Véges energiahordozó készletek: kőolaj [BP statistical review 2016] 8

9 Véges energiahordozó készletek: földgáz [BP statistical review 2016] 9

10 Véges energiahordozó készletek: szén [BP statistical review 2016] 10

11 Megújuló energiaforrások részaránya a végső energiafogyasztásban 11

12 Szekunder energiahordozók Üzemanyag Hő: fűtés, hűtés, használati melegvíz, technológiai hő Villamosenergia 12

13 Megújuló energiaforrás kapacitás növekedés [%] a szekunder energiahordozók szerint 13

14 Megújuló energiaforrások energiaaránya a villamos energia termelésben 14

15 Biomassza aránya a szekunder energiahordozók szerint 15

16 Fogyasztás: mennyiség, minőség Népesség régiók szerinti különbségek, oktatás, tudatos családtervezés, gazdasági befolyásolás. 100 év alatt a népesség a 4-szeresére nőtt. Egységnyi energiafogyasztás csökkentés. 100 év alatt az energiafogyasztás 12-szeresére nőtt! Egységnyi termelés csökkentés. 100 év alatt a termelés 20-szorosára nőtt! Pénz ~ energia: kb. 84 Ft/kWh = GDP/Energiafogyasztás, 530 Ft/1kg CO 2 16

17 milliárd fő Népesség az elmúlt 2016 évben (kialakulása kb. 160 ezer éve) 2050: 9 milliárd fő? 2016: 7,4 milliárd fő Népesség alakulása [milliárd fő] 17

18 Emberi tevékenység mértékének változása a Földön 18

19 Megújuló energiaforrások hasznosítása: szempontok Potenciálok Technológiák Technológiaváltás/illeszkedés a meglévő energetikai rendszerekhez Ingadozás/energiatárolás Gazdaságosság/versenyképesség Szennyezések/környezet- és klímavédelem Ellátásbiztonság Helyben történő felhasználási arány 19

20 Potenciálok, technológiák Második órától kezdve részletesen tárgyaljuk az egyes energiaforrások esetében. Általánosságban: Megújuló energiaforrás potenciál Elméleti Műszaki Megvalósítható Gazdaságosan kinyerhető Értékelés sok (Nap, geotermikus, víz ) fejlesztési irányok, piaci technológia van-e elég ebből versenyképesség a már kiépített, fosszilis/nukleáris rendszerekkel Területi eloszlás: egyenlőtlen, hol milyen technológia alkalmazható? 20

21 Ingadozás, energiatárolás Második órától kezdve részletesen tárgyaljuk az egyes energiaforrások esetében. Energiasűrűség, teljesítménysűrűség: Fosszilis: 500 millió év vs. Miért mi használhatjuk el? Múlt/jelen. Földrajzi eloszlás, háborúk. Húsvét-szigeteki példa! Atomenergia: szabályozott folyamat, kibocsátás: hosszú felezési idejű, nagy aktivitású hulladékok. Koncentrált energiaforrások. Ezekkel kell versenyezni? Ingadozás: Szezonális, frontkövető, napi, pillanatnyi. Hosszú időre nagy energiamennyiséget tárolni nehéz! Nem is ez a cél. Megoldandó feladat, kreatív hozzáállást igényel. 21

22 22

23 Technológiaváltás/illeszkedés jelenlegi rendszerekhez Funkciók üzemanyag-igények esetén: Autó bicikli, elektromos kisjármű, tömegközlekedés, vonat, busz, Szállítás helyi termékek Utazás (kikapcsolódás) igények természetesek vagy mesterségesek? Síelés korizás, tengerpart evezés hazai folyókon, Utazás (munka) helyi munkahelyek Továbbiak Funkciók hőenergia-igények esetén: Fűtés szigetelés, faültetvények, hősziva yú, közösségi fűtőmű Továbbiak Funkciók villamosenergia-igények esetén: Világítás, fűtés segédenergiaigénye, élelmiszerhűtés energiatakarékosan Termékek kevesebbet, energiaszegényebbet Média, szórakozás éjjelre kikapcsolás Főzés (hőenergia kategóriában is) befőzés, mélyhűtés Mosás napenergiához igazíto an Továbbiak 23

24 Energiafogyasztás és szennyezések a további igények/funkciók kielégítésére Étel mezőgazdaság (csirke vs. marha, vegyszerek vs. ökotechnológiák) Víz vezetékes víz, kútvíz, esővíz, folyó/patak/tó/tenger, vízhiány Gyógyszerek, egészségügy szükséges, megelőzhető, helyettesíthető Tisztítószerek Öltözék Épületek vályog, fa, szerkezetek Használati tárgyak Miért kell? Mennyi kell? Jut mindenkinek? A kicsi a szép elve. 24

25 Fenntartható fejlődés Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. A fenntartható fejlődés olyan fejlődés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jövő generációit abban, hogy ők is kielégíthessék szükségleteiket. [Brundtland Közös jövőnk jelentés, ]: Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jövő generációk életlehetőségeit veszélyeztetik. A lehető legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jövő generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthetők. Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük. környezeti hatástanulmány, engedély.

26 Párizsi klímaegyezmény től érvényes: felmelegedés <2 C alatt maradjon az iparosodás előtti időkhöz képest. 195 ország, köztük USA, Kína (két legnagyobb széndioxid-kibocsátó) Egyezmények betartása? UNEP: erősebb célok kellenek. 26

27 Ha változtatni kellene? Ha nagyon muszáj lenne, meg tudnánk oldani? Azonnal, ma? Nem. Kis idő alatt? Változtatásokkal igen. Hosszú távon? Majd a következő generációk. (Ezzel már elkéstünk. Lásd: problémák a következő diákon.) Szólok, változtatni kell. Azonnal/kis idő alatt. Funkciók megtartása, elvetése vagy alakítása (minőség, mennyiség): elvekkel, átgondoltan. Miért mi? Magánszemély, mérnök, energetikai mérnök. Új technológiák alkalmazása: illesztése vagy kiépítése. 27

28 Gazdaságosság, szennyezések Általánosságban, összefoglaló adatokkal: következő diákon. Ökolábnyom: földterület igény az életmód, szennyezések alapján (jelzés) Életciklus-elemzés: termékek, technológiák forrásigénye, szennyezése Fontos: összes kibocsátás típus vizsgálata (bányászat/előállítás/átalakítás/szállítás/felhasználás során légkör/talaj/víz/bioszféra károsító lokalizált/helyi/globális) Gazdaságosság: Mutatók rosszak? Milyen mutatók? Pénz, növekedés, fogyasztás jelenlegi helyzet: légkör, klíma, atomhulladék, savas esők, bioszféra kiirtása Jelenlegi rendszerből pénz új rendszer kiépítése 28

29 Az élet energiaterületei Széndioxid-kibocsátás és pénzkiadás összefüggései Megoldás: összes energia fogyasztás egy főre kwh/nap. Egyéni, országos szinten. Megvalósított példa alapján. 29

30 Energetikához köthető főbb szennyezőanyagok 30

31 Szén körfolyamat 1990-es években 6,4 Gt C kibocsátás, 2006-ban 8 Gt C és nő 31

32 Légköri széndioxid koncentráció (Mauna Loa Observatory) :404, Óceánok savasodása, korallzátonyok kihalása Üvegházhatású gázok (CO 2, CH 4, ), klímaváltozás Felszabaduló metán-hidrát, elpusztult élőlények (öngerjesztő folyamat) 32

33 Ajánlott irodalom: co2-ice-core-data 33

34 Légköri széndioxid-koncentráció [ppm] az elmúlt 650 ezer évben 34

35 Légköri CO 2 koncentráció [ppm] és hőmérsékletingadozás [ C] 35

36 Előrejelzések a 21. századra klímaváltozás ügyében 36

37 Jégtakaró olvadása, tengerszint emelkedés 37

38 Szén-dioxid kibocsátás energetikai vonzata Fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásai: szén: 130 [g CO 2 /MJ tüzelőhő, antracit], olaj: 70-75, földgáz: 58. Az energetika összes CO 2 -kibocsátása kb. 27 milliárd t/év. A gépkocsi-forgalom jelentős szerepe: azokban a városokban, ahol jelentős a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.

39 A villamosenergia-termelő eljárások CO 2 -kibocsátása [kg/kwh]

40 Kén- és nitrogén-oxidok Károsítják az emberi egészséget, hozzájárulnak a talaj, az erdők és a felszíni vizek savasodásához regionális környezetszennyezés. Természeti víz savas (ph 5,5) az oldott CO 2 mia savasodás ph<5 (SO x és NO x miatt). SO x -k kibocsátása a tüzelőanyagtól függ (2 kg SO 2 füstgáz/1 kg S tüzelőanyag): C (1-3 %): 2-5 g/mj, kőolaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/mj. Megoldás: füstgáz-kéntelenítés. Csökkentés.

41 Kén- és nitrogén-oxidok NO X -k: A tüzelés során, a levegő nitrogénjéből 1100 o C hőmérséklet felett keletkezik. Előírások a kibocsátásokra: <30 mg/nm 3. Megoldások: NO x -szegény égők, vízbefecskendezés (földgáz-tüzelésű gázturbinák), katalizátoros motorok, fluid-tüzelésű kazánok (t<1000 o C), csökkentés.

42 Radioaktív kibocsátások Folyékony és légnemű radioaktív kibocsátások. Radioaktív hulladékok: kisaktivitású, közepes aktivitású, nagyaktivitású. Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés fűtőelemek transzmutációja. Csökkentés.

43 Antarktiszi ózonlyuk 2006-ban [NASA] Klór, fluor vegyületek hűtőgépekben is voltak. Klímaváltozás növelheti. 43

44 Biológiai sokféleség csökkenése: (2006 óta napja: május 22) területpusztítás, kibocsátások, közlekedés, élettér-zavarás, mezőgazdaság, klímaváltozás (óceán savasodása, vizek oxigén-tartalmának csökkenése), légkör szennyezése között: 400 gerinces faj tűnt el. Évi 50 faj kerül hozzá közelebb: 25% emlős, 41% kétéltű + Tömeges pusztulások is gyakoribbak. 44

45 Ellátásbiztonság, helyi hasznosítási ráta Társadalmi-szociális-gazdasági-energiapolitikai kérdések: népesség, gazdaság növekedése egyenlőtlen migráció, klímamenekültek háború, terrorizmus Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: megfelelő energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, energiatakarékosság. Területi eloszlás: energiaforrások, víz, élelem, jólét. Helyben történő hasznosítás: megtermelt energia helyi [km] felhasználásának aránya. 45

46 Energiafogyasztás egy főre jutó mértéke a Földön - fenntarthatatlan 46

47 Fenntartható energetika háztartási méretekben: Megújuló energia otthon Energiaigények: Hőenergia: fűtés, hűtés, használati melegvíz Villamos energia: kisfogyasztók, nagyfogyasztók, időzíthető fogyasztók, energia igény csökkentés Megújuló (megújítható) energiaforrások háztartási szinten: biomassza napenergia földhő levegő hőenergiája, mozgási energiája (szél) vízenergia 47

48 Megújuló energiaforrásokat hasznosító technológiák Passzív napenergia-hasznosítás Tájolás, hőtartó falak, megfelelő árnyékolás, szigetelés, veteményeskert Aktív napenergia-hasznosítás Napkollektor, terményszárító, aszaló, fóliasátor Napelem Biomassza-hasznosítás (megújítható = újratelepítés esetén megújuló) Fa, fagáz, faapríték, pellet kazán, víztartályos kazán/kemence Repce olaj pogácsa generátor, bioüzemanyagú generátor Földhő, levegőhő hasznosítása Hőszivattyú Szél Szélgenerátor Víz Mikrovízturbina 48

49 Szempontok, problémák, fogyasztó oldali megoldási, beavatkozási lehetőségek Rendelkezésre állás Kényelmetlenségi fok (mennyire automatizálható, energiatárolás megoldott-e) Engedélyek Beruházási költség (ár) Karbantartás, csere alkatrészek ára Segéd energia igény (mekkora, megújuló energiaforrással fedezhető-e) FELADATOK: Fogyasztók felmérése, funkciók, energiaigények pontosítása Szabályozási kérdések Időzíthető fogyasztók Energiatárolás El nem használt energia fontossága! 49

50 Megoldások háztartási méretben Hőszigetelés, redőnyök, fogyasztók tételes áttekintése (szükségtelenek kiiktatása, legrégibb, alacsony hatásfokú fogyasztók lecserélése (lámpa, hűtő), 2-3 mechanikus kapcsolóóra (megújulók termelésének időszakára, völgyidőszakra), lekapcsolható hosszabbító, emberi munka, másik energiafajtával ellátás (tűzhely, sütő), közvetlen ellátás és alternatív energiatárolás (öntözőszivattyú tartállyal, gravitációs öntözés)) Biomassza-tüzelésű kazán/közösségi fűtőmű, napkollektor hőtartállyal fűtés és használati melegvíz, energiaerdő Napelem helyi hasznosítással (legszükségesebb fogyasztók ellátása szigetüzemben) Közlekedés gyalog, biciklivel, elektromos kisjárművel, busszal, vonattal Energetikán kívüli egyéb funkcióknál: ökotechnológiák (faforgácsos komposztwc nem budi, madarak téli etetése a gyümölcsfák védelméhez, ) 50

51 Cél: Önfenntartó közösségek, kistérségek. A lokalitás évezredeken át fenntarthatóan működött, a globalizáció 100 év alatt felélte a Föld tartalékait. Saját fogyasztásunk mekkora? 51

52 Köszönöm a figyelmet! 52