5. témakör Megújuló energiaforrások
Tartalom 1. A világ energiapotenciálja 2. Magyarország energiapotenciálja 3. Energiatermelés megújuló energiaforrásokból 3.1. Vízer m 3.2. Széler m 3.3. Napenergia 3.4. Geotermikus energia 3.5. Biomassza 3.6. Hulladékok
Az energiatermelés folyamata megújuló energiaforrásból természeti energiaforrás Energiaátalakító berendezés h villamos energia
1. A világ energiapotenciálja Napsugárzás (legnagyobb potenciál): szárazföldre esik 22 PW. A nagylépték hasznosítás (naper m : jó hatásfokú villamosenergia-termelés) még várat magára. A kontinensek területének jelent s része kizárható (nehezen megközelíthet térségek, más célra hasznosuló területek (erd, mez gazdaság, leárnyékolások ökológiai hatásai). Realisztikus feltételezés a 22 PW ezredének (22 TW, 700 EJ/év) hasznosítása.
1. A világ energiapotenciálja Szárazföldi vízfolyások (legmegbízhatóbb kép): A szárazföldi vízfolyások potenciálja 300 EJ/év. M szaki problémák (kis esésmagasság, csekély vízhozam, széls séges vízjárás) miatt ennek csupán fele 150 EJ/év 5 TW aknázható ki, melynek negyedét tartják gazdaságosnak (40 EJ/év 1,2 TW. A fejlett országok már kiaknázták, de óriási lehet ségek Afrikában és Dél-Amerikában, igaz távol a fogyasztói súlypontoktól.
1. A világ energiapotenciálja Tengeri energiák hasznosítása (egyel re elvi lehet ség): Árapály, ahol nagy az apály és dagály szintkülönbsége, a költségesen kiépíthet lehet ségek 64 GW. Tengeri áramlások és hımérsékletkülönbségek teljesítménye 30-60 GW (1-2 EJ/év). Hullámzás energiája (parti övezetekben) 0,5-1,5 TW (15-45 EJ/év).
1. A világ energiapotenciálja Szél (csak a légkör legalsó, 100-200 m kiterjedés réteg jöhet szóba): A becslések 15 TW körül mozognak, melynek 20 %-a jut a szárazföldre (3 TW). Csak azok a térségek jöhetnek szóba, amelyekben a szélsebesség a gazdaságossági küszöbértéket (3-4 m/s) meghaladja, s ritkán lépi túl a biztonságosan uralható mértéket (15-20 m/s). Az így behatárolt potenciált 1 TW-ra (31 EJ/év) becsülik.
1. A világ energiapotenciálja Biomassza: Ha feltételezzük, hogy az erd k éves szaporulatának 20 %-át (200 EJ/év) és a mez gazdasági termékek felét kitev hulladékokat (30 EJ/év) energetikai célra hasznosítják, akkor az elvi határ 230 EJ/év, ami mögött a gyakorlati lehet ség egy nagyságrenddel elmarad (0,7 TW, 23 EJ/év). A leghátrányosabb helyzető térségek fı tüzelıanyaga. Fejlett országokban vonzó, ha hulladékhasznosítással párosul, vagy nem m velt mez gazdasági területek kiaknázásán alapul.
1. A világ energiapotenciálja Geotermikus energia: csak nagyon kis hányada hasznosítható. A földkéreg fels 3,5 km-es héjának h tartalma 10 22-10 23 J. A h vezetéssel felszínre kerül, szárazföldre jutó teljesítmény 9 TW, de ezt az igen kis gradiens miatt nem lehet megcsapolni. A h hordozókban feljutó teljesítmény (6 GW) pedig ennek elenyész hányada, s ennek is csak nagyon kis része hasznosítható, s csak lokálisan. A becsült potenciálok szórnak, fels határuk 1,15-0,30 TW (5-10 EJ/év).
A megújuló energiák hasznosítási lehet ségei
1.1. A hasznosítási célok és korlátok Az IEA becslése szerint a megújulók részaránya a világ primerenergia-felhasználásában a jelenlegi 18 %-ról 2050-re is csak 30-40 %-ot fog kitenni (f leg vízenergia és biomassza). Ugyanakkor a legszegényebb térségekben a gazdasági fejl dés együtt jár a biomassza-tüzelésr l a fosszilis energiahordozókra való áttéréssel. EU a jelenlegi 6 %-ról 2010-re 12 %-ra kívánja növelni. A lassú terjedést az magyarázza, hogy egyel re gazdaságilag csak ritkán versenyképesek, mert kicsi a teljesítmény- és energiasőrőségük.
Primer energiahordozó ellátottság [WEC]
1.1. A hasznosítási célok és korlátok A nagy létesítési költségek csökkentése technológia-fejlesztéssel, nagy darabszámban értékesíthet konstrukciókkal. A versenyképességet tovább csökkenti a megújuló energiaforrások idıszakos rendelkezésre állása (nap: éjszaka, felh s id ; szél: szélcsend, er s szél, szélsebesség szeszélyes ingadozása; vízhozam: vízgy jt terület csapadékviszonyai, de jégzajlás, árvíz, aszály). A bizonytalan rendelkezésre állás ellensúlyozására vagy tárolni kell az energiát (víztározó), vagy fosszilis energiahordozókra támaszkodó, tartalék energiaforrással kell biztosítani az energiaellátás folytonosságát. Mindkét megoldás többletköltséget jelent.
Energiaforrások teljesítmény- és energias r sége (a megújulóké nagyságrendekkel kisebb, mint a tüzel anyagoké)
A világ ellátottsága megújuló energiákkal
2. Magyarország megújuló energiapotenciálja [EJ/év]
2. Magyarország megújuló energiapotenciálja A Mo-ra es napsugárzás hasznosítható potenciálja ugyan az éves energiafelhasználás közel 40 %-a, de ezt a szezonális megoszlás, az id járás nagyságrendekkel leértékeli. A 3 km-es mélységen belül fellelhet 2,5.10 3 km 3 -nyi hévizeink h tartalmát 500 EJ-ra becsülik, de termálvizeink átlagos h mérséklete (68 o C) alacsony, ezért ennek töredéke hasznosítható. A teljes magyar biomassza produkció szervesanyag-tartalma 800-900 PJ/év energiaértéket reprezentál. Ennek fele melléktermék, melynek 20-30 %-a hasznosítható energetikai célra (80-120 PJ/év), ha sikerül megszervezni begy jtésüket. Ehhez járulhat 1,6 Mha-nyi erd területr l 2-2,5 Mt faanyag, melynek energiaértéke 10-15 PJ/év. Tehát összesen 100 PJ/év (3,2 GW) potenciál remélhet. Ett l nagyobb potenciál elgázosítással és biodízellel remélhet. A nem jelent s vízer -potenciál 16 PJ/év, de ennek 80 %-a B s- Nagymaros.
Magyarország napenergia potenciálja
Hazai geotermikus tározók területei
3. Energiatermelés megújuló energiaforrásokból Villamosenergia-termelés: víz, szél, nap, geotermikus. H termelés: nap, geotermikus. Megújuló tüzel anyagok: biomassza (beleértve a hulladékokat is).
3.1. Vízer m
Vízer m teljesítménye Vízer -potenciál (elméleti teljesít képesség): Turbina teljesítmény: Vízer m teljesítmény: [ ] m H s m V s m g m kg W s J s Nm s kgm W To = = = = 3 2 3 3 2 & & ρ T T W To W η & & = TR G W T P η η & =
Gazdaságosság Vízer -potenciál Vízesés/vízhozam ( H / V & ) viszony. A vízhozam ingadozása: vízhozam tartóssági görbe (max, átlag, 50%, min) hosszabb id szak (30, 50, 100 év) alapján. Az évi villamosenergia-termelés kb. 20 %-át adják (30 országban meghatározók).
Duna vízer -potenciálja Ausztriában
Vízhozam tartóssági görbe
Típusok
Tiszalöki vízer m
3.2. Széler m
2.2. Széler m
Szélkerekek fejl dése
Beépített teljesítmények
Beépített teljesítmények Európában 2001-ig
Szélenergia-hasznosítás A szél kinetikus energiája E = 1 mw 2 2 Leveg tömegáram adott keresztmetszetben m& = dx ρ A = dt ρ Aw Széler -potenciál & W To kgm 3 s 2 3 [ ] 2 3 m w Nm J 1 2 1 kg = = = W = E& = mw & = ρ 3 A m 3 s s 2 2 m s
3.2. Szélturbina Teljesítmény: P T = W & To ϕη G = 1 2 ρaw 3 ϕη G 1,2 kg/m 3 a leveg s r sége, w m/s, a leveg áramlási sebessége, A m 2, szélkerekek súrolta felület, transzmissziós tényez = f(w min, adott szélirányba való befordulás, lapátprofil, állítható lapátok), generátor hatásfok. G
Szélkerék és generátor
A leveg áramlása a szélkerék körül
Energiatérkép
A szélkerék m ködésének intervalluma a szélsebesség függvényében
Szélkerék geometria
Széler m (wind farm) Teljesítmény: P n = SZE P Ti i=1 η TR Rendelkezésre álló teljesítmény: RT = E BT SZE [ kwh / év] 8760[ h / év] = (0,2 0,25) BT
3.3. Napenergia
Napkollektor h szigetelés fényátereszt borítólemezek abszorbens bevezetés h hordozó közeg cs vezetéke kivezetés
Napenergia hmv-termelésre
60 lakásos társasház napkollektor tet, hmv el állítás
Napenergia villamosenergia-termelésre
3.3. Napenergia Hı: jelenleg használati melegvíz termelésre. Villamos energia: jelenleg egyedi berendezések.
3.4. Geotermikus energia Egyedi és távf tés. Csak visszasajtolással, a kitermelt folyadék visszajuttatása a földkéregbe. Jó hazai példa: Hódmez vásárhely városközpont távf tése. Villamosenergia-termelésre hazánkban vizsgálat alatt.
3.4.1. Hódmez vásárhely: távh hmv MK Hódtó MK R1 R2 90/70 C visszasajtolás hmv-kút 1106 m 43 C Mátyás u. Hódtó F tési kút 1-2 2300m 2000m 85 C 80 C 70/45 C strand visszasajtolás
3.4.2. Villamosenergia-termelés: flash-type. m g GT. m f K m& g m = & f h [ pr] h [ p r[ p KG ] KG ] 130-150bar 130-150 C visszasajtolás
3.4.2. Villamosenergia-termelés: binary-cycle 1 GF 2 GT. m f K visszasajtolás munkaközeg : szervesanyag Q& GF = m& f [ h 1 h2]
3.5. Biomassza A biomassza csoportosítása és hazai éves energiapotenciálja (becsült tüzel h jükkel, [Marosvölgyi]): Dendromassza (fa-biomassza): t zifa (20-22 PJ/év, H ü =12 MJ/kg, 1,7 Mt/év). Növényi fı- és melléktermékek: energiafa (ültetvényb l), vágási hulladék, els dleges faipari hulladék, gabonanövények melléktermékei, egyéb növényi melléktermékek (szárak, levélzet, venyige), termesztett energianövények, bioüzemanyagok el állításával kapcsolatos melléktermékek (74-108 PJ/év, H ü =10 MJ/kg, 7,4-10,8 Mt/év).
3.5. Biomassza Másodlagos biomasszák (18-23 PJ/év). Harmadlagos biomasszák: (54-134 PJ/év): hígtrágya (0,7-1,0 PJ/év), állati hulladékok és melléktermékei (13-15 PJ/év), feldolgozási hulladékok (5-7 PJ/év, élelmiszeripari hulladékok (3-5 PJ/év), élelmezési hulladékok (6-9 PJ/év), szennyvíz-iszapok (15-40 PJ/év), kommunális hulladékok (30-80 PJ/év).
3.5.1. Dendromassza 3.5.2. Növényi f - és melléktermékek Fa H ü =9-15 MJ/kg=f(nedvesség-tartalom). Els sorban h termelésre (Fatüzelés FK-k, FK =0,8-0,85). Kapcsolt h - és villamosenergia-termelésre hatékony ( bruttó =0,75-0,85), de h igény szükséges (távh?). Villamosenergia-termelésre a kis teljesítmény miatt nem hatékony, alacsony KE. Az energianövények termesztése, a melléktermékek összegy jtése, beszállítása a kiser m be, tüzelésre alkalmassá tétele (logisztika megteremtése).
3.5.3. Harmadlagos biomassza állati hulladékok és melléktermékei hígtrágya fermentáció szennyvíz-iszapok biogáz GM GT kommunális hulladék szerves része. P Q lágyszárú nagy CH-tartalmú növények Víztelenített (w max =60%) Fermentációs maradék tüzelés fluidkazánban. Q
Nyírbátor biogáz-kiser m
3.5.3. Harmadlagos biomassza Állattenyésztési (szarvasmarha, sertés) hígtrágya, városi szennyvíz-iszap, kommunális hulladék szerves része oxigént l elzártan (mezofil 32-35 o C és termofil (53-57 o C) anerob fermentáció,) metánra bomlik biogáz (AFG). Az AFG gázmotorban, gázturbinában tüzel anyagaként hasznosítható. A hulladék keletkezésének telephelyén, kis teljesítmény minier m vek (decentralizált energiatermelés). A termelt villamos energia betáplálása a helyi hálózatba, a h hasznosítása f tésre (a fermentáció h igénye mellett). Kombinálható a lágyszárú, nagy CH-tartalmú növények, az elhullott állatok, az ételmaradékok elgázosításával. (Környezetvédelmi hulladékok (pl. gumi, ken olaj) ártalmatlanítása kapcsolt energiatermeléssel.
Az AFG-k (CH 4 +CO 2 )f t értéke A gázkeverék f t értéke a szén-dioxid tartalom függvényében 40 35 ıérték [MJ/Nm3] őt 30 25 20 15 Hü f 10 5 0 0 0,2 0,4 0,6 0,8 1 CO2-tartalom [tfarány]
Kommunális hulladék energetikai hasznosítása (1 millió lakos: 40 MW e, 60 MW t ) Tüzel anyag-el készítés kommunális hulladék Válogatás feldolgozás szervesben dús szervetlen anyagban dús fermentor biogáz gázturbina f üstgáz P H hasznosító g zkazán P fém deponálandó (nem éghet ) fermentációs maradék Fluidtüzelés g zkazán g zturbina. Q
Kommunális hulladék energetikai hasznosítása (0,4-0,5 millió lakos: 20 MW e, 30 MW t ) Tüzel anyag-el készítés Gázmotor er m kommunális hulladék Válogatás feldolgozás szervesben dús szervetlen anyagban fermentor biogáz gázmotor P dús H hasznosítók fém deponálandó (nem éghet ) Q fermentációs maradék Fluidtüzelés forróvízkazán
Hazai reális lehet ség Szarvasmarha: 20-50 MWe, Sertés: 30-100 MWe, Baromfi: 5-10 MWe, Nagyvárosi szennyvíz-iszap: 10-15 MWe. Kommunális hulladék: 150-180 MWe. Összesen: 215-355 MWe.
3.5.4. Veszélyes hulladék: pl. elhasznált ken olajok energetikai hasznosítása
Elhasznált ken olajok energetikai hasznosítása