Célkitűzés Kémiai technológia I. (környezetmérnököknek) 3 kredit, heti két óra, egy félév Kémiai és Környezeti Folyamatmérnöki Tanszék Dr. Pátzay György E-mail:gpatzay@mail.bme.hu A tárgy célja, hogy megismertesse a kémiai technológiák szerepét az ipar több területén és az energiatermelésben, bemutassa működésük alapjait, néhány kémiai, fizikai- kémiai, 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. Témakörök: a vegyipar szerkezete és jellegzetességei, szervetlen kémiai technológiák energiatermelés, vízkémia, szénhidrogénipar, építőanyagok előállítása, szerkezeti anyagok (fémek, műanyagok) előállítása, műtrágyák Könyvek 1. Energia felhasználói kézikönyv, szerk.: Barótfi István, Környezettechnika Szolgáltató Kft, Budapest, 1993 2. Handbook of Energy Systems Engineering, John Wiley and Sons, New York, 1985 3. Speigh, J. G.:Fuel Science and Technology Handbook, Marcel Dekker, New York, 1990 4. Büki Gergely: Energetika Műszaki Kiadó, 1997 5. Hancsók Jenő: ő Korszerű ű motor- és sugárhajtómű ű üzemanyagok I-II. II Veszprémi egyetemi kiadó,1997,1999 6. Pátzay György Energiatermelés 1-8, elektronikus tankönyv, kankalin.vmt.bme.hu, 7. Vajta L., Szebényi I., Czencz M. Általános kémiai technológia, Tankönyvkiadó, Budapest, 1989. 8. P. J. Chenier: Survey of industrial chemistry, VCH, N.Y. 1992. 9. Ullmann s Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley, 2000-10. Réti, Tungler, Tőrös: Kémiai technológia elektronikus jegyzet 2007 11. Pátzay, Tungler, Mika: Kémiai technológia, elektronikus jegyzet, 2011 1
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 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. 2
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.] 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 k között ött leggazdaságosabban képes a terméket t előállítani. Scale up factor A léptékhatás vagy méretváltoztatási tényező (scale up factor) jellemző érvényesülési területe, a technológiai méretnövelés következtében bekövetkező fajlagos beruházási költségváltozás. x Az összefüggés egyszerűsített formája: B K 2 2 = ahol: B K 1 1 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 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.) 3
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. 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. folyó Anyagmérleg rendszerhatár 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 Input Tó bomlás Belépő tömeg+keletkezett tömeg-kilépő tömeg-fogyasztás=felhalmozódás felhalmozódás Energiamérleg: integrális-differenciális (U + PV)+ E k + E p = Q W ahol U + PV = H (entalpia) E k kinetikus energia E p potenciális energia Q közölt hőmennyiség W végzett munka szennyvíz Input 4+5-4-3=2 Output 4
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 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 gy legyen a környezet szennyezés befogadó képességének mértékével, amit a mindenkori környezet asszimilációs kapacitása határoz meg. 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 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 5
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 A vegyipar szerkezete Relatív érték Nyersolaj 1 Tüzelőanyag 2 Tipikus petrolkémiai termék 10 Tipikus fogyasztási cikk 50 6
Az Európai Únió kémiai iparának felosztása szektorok szerint (2006) Egy dollár bevétel hasznontartalma 2005. Vegyipar jellemzői ENERGIATERMELÉS 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 7
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 i 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. Az energia SI mértékegysége 1 J. egyéb mértékegységei: 1 cal (kalória)= 4.1868 J 1 kcal= 4186.8 J 1 Btu (British thermal unit)= 1055.05 J 1 thermie= 4.184E6 J 1 ft.lbf= 1.35582 J 1 kj= 1000 J 1 MJ= 1E 6 J 1 LEh (lóerőóra)= 2.6845E 6 J 1 kwh= 3.6E 6 J 1 MWh= 3.6E 9 J 1 ev (elektron volt)= 0.16021E -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. 8
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 ENERGIAHORDOZÓK -Ásványi energiahordozók Energiatartalom (MJ/kg) Mid 21st Century Late 20th Century Early 20th Century Mid 19th Century 15th Century 0% 20% 40% 60% 80% 100% Animal Biomass Coal Oil Natural Gas Nuclear Hydrogen Wood Coal Crude Oil Kerosene Ethanol Methanol Methane Natural Gas Gasoline Hydrogen 0 20 40 60 80 100 120 140 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) 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) 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 2 259 km 2 2590 km 2 7,8 km 2 Esettől függ 9
Energiaátalakító technológiák hatásfokai Energiagazdálkodás Biomassza Geotermikus Napelem Szélerőmű Nukleáris Gáz turbina Széntüzelésű erőmű Tüzelőanyag cella Gáz-kombinált ciklus Hibrid tüzelőanyag cella Vízerőmű 0 20 40 60 80 100 1 8 10 25 33 38 43 50 58 66 80 Energiaszükségletek és rendelkezésre álló energia fajták felmérése Termelés és szükséglet összehangolás Leggazdaságosabb energiaátalakítási módszerek meghatározása Környezeti hatás csökkentése (Üvegházhatású gázok!) 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 55-65 6,3-7,5 lignit 60-65 7,0-8,4 barnaszén 65-80 5,4-24 feketeszén 80-93 24-32 antracit 93-98 35-37,5 10
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 á anyag, mely még szén ősét é jelentő jl ő 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: é 33-40 MJ/kg. A szénhidrogének é 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. Energiatermelés kémiai technológiái CH 4 26-99%, C 2 H 6 0,1-9,5%, C n H 2n+2 <16%, N 2 <38%, H 2 S <15% (CO 2 0-75%). Energiahordozók kiaknázása Kémiai energia Hőenergia CH 4 + 2 O 2 = CO 2 + 2 H 2 O Égéshő: 5,55*10 4 kj/kg Fűtőérték: 4,99*10 4 kj/kg Atomenergia Hőenergia 235 236 90 143 92U U + n 92 U* 36 Kr* + 56 Ba* + 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 11
Tüzeléstechnika Égéshő kj/kg 33808*C% + 144184*(H% - 1/8 O%) + 10460*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 l l való elégetése é 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. Szilárd, cseppfolyós (tömeg%) és gáz (tf%) halmazállapotú tüzelőanyagok összetétele Hamu Víz C H S O N Égéshő (kj/kg) Kőszén 4 1 85,4 3,8 1,2 2,3 2,3 33390 (antracit) Kőszén 3,7 3,5 77,3 5 1 8,5 1 30000 (gázkőszén) Koksz 9 1,8 84 0,8 1 1,7 1,7 29310 Barnaszén 2,7 59,3 23 1,9 1,6 6 6,1 8000 (nyers) Benzin - - 85,6 14,35 0,05 - - 43 500 Tüzelőolaj - 0,1 85,5 13,5 0,9 - - 42600 (könnyű) Tüzelőolaj 1 0,5 84 11,7 2,8 - - 40 500 (nehéz) Földgáz CH 4 H 2 CO CO 2 N 2 C 2 H 6 (stb.) Égéshő (kj/kg) Hidrogén 100 10 760 Szénmonoxid 100 12640 Metán 100 35 795 Földgáz 80,9 - - 0,8 14,4 3,9 32 000 (holland, orosz) Kokszoló gáz 25 55 6 2 10 2 17375 Kohó (torok) gáz 0,3 2 30 8 59,7-3975 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 12
C + 79 79 O2 ( N2) CO2 + N 21 21 2 12kg 3 79 3 3 79 22,41Nm ( 22,41Nm ) 22,41Nm 22,41Nm 21 21 3 1kg 3 3 3 22,41Nm 79 22,41Nm 22,41Nm 79 22,41Nm ( ) 12 21 12 12 21 12 3 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 z is benne van. V = 8,876 X + 21,07 X + 3,32 X sz 0 n 0 C C H H S S V = 8,876 X + 32,0 X + 3,32 X 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: 21 n = 21-O 2 mér t számíthatjuk. A száraz füstgázok CO 2- tartalmából pedig: V0 n = 1+ L0 sz O2 21 O 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 = 3 22,41 Nm CO2 kg szén C 12 kg szén kg tüz. anyag 3 sz Nm füstgáz V0 kg tüz. anyag mžrt 2 mžrt 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 30000 2300 1200...1500 Barnaszén(száraz) 20000 1500 1000...1200 Tüzelőolaj 40000 2000 1200...1500 Földgáz 36000 2000 1200...1600 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 13
Tüzelőberendezések SZÉNTÜZELÉS 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. Porszéntüzelésű hőerőmű Cirkulációs (instacionér) fluidizációs tüzelés 14
TISZTA SZÉNALAPÚ ENERGIATERMELŐ TECHNOLÓGIÁK (CCT) elgázosító füstgáz tisztító gázégő IGCC 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. szén salak gőz injektálás gázturbina generátor elektromosság Karbonát ciklus a CO 2 megkötésére elektromosság Emisszió ellenőrzés gőzturnina gőzfejlesztő generátor kondenzátor tápvíz szivattyú IGCC OLAJTÜZELÉS 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 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. 15
A nukleáris energiatermelés elvi alapjai GÁZTÜZELÉS GB-GANZ gázégők választéka 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 A NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS: MAGHASADÁS LÁNCREAKCIÓ HASADÁSI ENERGIA A hasadási reaktorok zömében jelenleg az 235 U az alkalmazott hasadóanyag. Egy lehetséges hasadási reakció: 1 n + 235 U --> 92 Kr + 141 Ba + 3 1 n + energia vagy Egy urán atom elhasadásakor kb. 200 MeV energia szabadul föl. 100 g 235 U elhasadása 8,21.10 12 J=1785 tonna TNT energiájának megfelelő energiát képvisel. 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. 16
HASADÓANYAGOK Mag 232 Th 233 U 234 U 235 U 236 U 238 U 237 Np 239 Pu 240 Pu Átmeneti mag Neutron energia (MeV) 233 Th 234 Th 235 U 236 U 237 U 239 U 238 Np 240 Pu 241 Pu 1,3 T 0,4 T 0,8 1,2 0,4 t >0 A reaktor részei ERŐMŰREAKTOROK TERMIKUS VÍZHŰTÉSŰ GYORS GÁZHŰTÉSŰ FORRALÓVIZES (BWR, RBMK) NYOMOTTVIZES (PWR, VVER) KÖNNYŰVIZES NAGY HŐMÉRSÉKLETŰ (HTR) A nyomottvizes atomerőmű (PWR) 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) Source: U.S. Nuclear RegulatoryTMI Commission PWR (USA) 17
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 Nukleáris üzemanyagciklusok Egyszeri felhasználású nukleáris üzemanyagciklus Zárt nukleáris üzemanyagciklus 18
1 GW.év elektromos energia termeléséhez tartozó hasadóanyag felhasználások Hőerőgép... Expandálás Turbina s Hevítés HŐ Kazán Kondenzátor HŐ Hű tés Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények. Az energiaforrás szerint: Hőerőművek Vizerőművek Szélerőművek Egyéb erőművek Domain Komprimálás Szivattyú 19
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 Elvételes kondenzációs erőmű Egyszerű vízgőzős Rankin-Clausius körfolymat Kondenzációs erőmű Ellennyomásos erőmű A Rankine-Clausius körfolyamat Kazán (túlhevítővel) Gőzturbina 3 4 Villamos generátor 2 1 5 Kondenzátor Carnot hatásfok: A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban Th Tl η = T h Szivattyú 6 20
A Rankine-Clausius körfolyamat 3 2 4 T(K) 4 1 5 6 3 2 1 1 24 5 3 6 5 1-2 Folyadékhevítés 2-3 Elgőzölgés 3-4 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 Hatások javítási lehetőségek Kapcsolt energiatermelés (kogeneráció) Ideális kapcsolt energiatermelés kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20 tüzel ő- hőenergia anyag 65 100 veszteség 15 Tüzelőhő megtakarítás: 55 + 75 100 = 30 külön hő- és villamosenergia termelés villamos tüzelőanyag energia, 20 55 veszteség 35 tüzelőanyag 75 veszteség 10 hőenergia 65 21
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. Megújuló energiaforrások - Energia jövőkép 2050 Napenergia 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 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 22
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 Megújuló energiák Németországban 1990-2006 Napenergia fotovoltaikus alkalmazása Németországban 1990-2006 23
Szélenergia Az atmoszféra hőmérsékleti egyenlőtlenségeiből származik A szélenergia tartalékok világszerte ingadoznak A kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos Napenergia napkollektoros alkalmazása Németországban 1990-2006 Ref.: www.freefoto.com/pictures/general/ windfarm/index.asp?i=2 A szélenergia a tengerpartokon, síkságokon használható fel elsősorban Szélerőművek fejlődése Pl. Florida partjainál 2-es szélfokozat esetén (160-240 W/m 2 ) --- az energia kevés erőművi célra, de a vizsgálatokhoz megfelelő. A Sziklás-hegységben a nagyközepes szélsebesség (300-1000 W/m 2 ) alkalmas erőművi célokra. Minden földrajzi területnek meg van a széltérképe, mely alapján eldönthető a szélenergia alkalmazhatósága. 24
Szélenergia Németországban 1990-2006 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 1996-2006 25
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 1930- 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. Vízenergia Vízerőművek Bánki turbina Nagy vízerőmű: néhány MW-tól >10 GW-ig Kis vízerőmű: 10 MW alatt, ezen belül: Kis vízerőmű : 2 MW-10 MW Mini-vízerőmű : 0,2 MW-2 MW Mikro-vízerőmű : <0,2 MW Költség: nagy vízerőmű: ő ű ~ 2c /kwh kis vízerőmű: ~ 4c /kwh Árapályerőmű (la Rance, 240 MW) 5-10c /kwh. Hullámveréses erőmű (1W/m 2, 50 KW/m) ~ 8c /kwh www.srh.noaa.gov/tlh/cpm/ chattahoochee.html Az óceánok hőenergiája (nagyon költséges, de 100- szoros az energiája, mint a hullámverési energia 26
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 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. Geotermális Energia Geotermális erőműtípusok 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. Száraz-gőzös erőmű Elpárologtatós (flash)erőmű Bináris ciklusú erőmű 27
Költségek (2000) Elektromos energia termelési költségek Energiatermelési fajlagos költségek ECU/MWh Geotermikus energia 5-20 Biomassza energia 48-60 Napenergia 48-360 Tüzelőolaj 14 Földgáz 9 1993 Costs of Electricity at Power Plant (cents/kwh) Fuel Operating Maintenance Total Coal 1.531 0.172 0.262 1.967 Gas 2.833 0.236 0.332 3.402 Oil 2.609 0.347 0.451 3.408 Nuclear 0.602 0.962 0.587 2.152 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2000-2025 Coal ($/ton) 17.18 16.56 15.14 14.77 14.57 14.59-15.08% Oil ($/barrel) 28.35 28.65 32.51 32.95 33.02 33.05 16.58% Natural Gas ($/Mcf) 3.83 2.91 3.34 3.51 3.67 3.92 2.35% Technológia beruházási költség ($/kwe) fajlagos beruházási költség (cent/kwh) Nem-üza O&M költségek (cent/kwh) kapacitási faktor (%) összes fajlagos költség (cent/kwh) gázturbina 329 0.4 1.1 85 6.0 kombinált 480 0.6 2.1 85 5.9 ciklus biomassza 2,630 3.3 1.1 80 8.4 geotermikus 1,765 2.7 1.1 80 3.8 Nap-termikus 3,064 9.5 1.3 42 10.8 Napelektromos 4,283 19.2 0.4 28 19.6 Szél 778 3.1 0.9 31 4.0 Erőművek teljes életciklusára vonatkoztatott költségek (US cent/kwh) (nukleáris és szabályozási probléma mentes esetre) Energiatermelés és a környezet 28
CO2 Emissziók (kg CO 2 /kwh) Széndioxid emissziók Beruházás/Üzemelés/Tüzelőanyag előkészítés (kg CO 2 / kwh) 1.4 1.2 1 0.8 0.6 0.4 0.2 0 Víz 0.004 Szél 0.02 Nukleáris 0.025 Geotermális 0.06 Napelem 0.1 Földgáz 0.58 0.38 1.04 0.79 Szén 1.18 Biomassza/ gőz Mike Corradini, UW (cents/kwh) Cost of Electricity 35 30 25 20 15 10 5 0 Nuclear Villamosenergia költség (Globális átlagos) ( /kwh) Gas Coal 10 Hydro 4 4 5 3 2 2 Wind 8 7 5 Bio omass 14 6 19 Geothermal 2 Solar Thermal 17 12 50-75 Solar-PV Áramtermelő technológiák fajlagos emissziói 29
Fajlagos hulladékképződés az energiatermelésben A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) ENERGIAHORDOZÓK SZERINT (Mtoe) ** geo, nap, szél, hő stb. 30
A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) RÉGIÓK SZERINT (Mtoe) Széntermelők, exportálók, importálók 2006 ** Kína nélkül Kőolajtermelők, exportálók, importálók 2005-2006 Földgáztermelők, exportálók, importálók 2006 31
NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS A VILÁGON 2005 VIZENERGIA TERMELÉS A VILÁGON 2005 Villamosenergia termelés tüzelőanyag szerint 2005 32
Reális és nominális kőolajárak Magyarország energiagazdálkodása A magyar energiatermelés szerkezete 1973-2020 1975-2005: tényadatok, 2005-2030: prognózis (egyéb: geotermikus, nap, szél, éghető megújulók és hulladék) 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. 33
A magyar energiafelhasználás szerkezete 1973-2020 (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 Erőműpark Magyarországon (2005) Erőműtársaságok Tulajdonos Erőművek Energiaforrás Beépített villamosteljesítmény (MW) Az egyes erőművek termelői árai 2004 2006 (Ft/kWh) Ajkai Erőmű Szén 102 Bakonyi Erőmű Rt. Magyar pénzügyi befektető Bakonyi Bioenergia Biomassza 30 Budapesti Erőmű Zrt. EdF (francia) Budapesti Erőmű Rt. négy telephely Szénhidrogén 455,6 Dunamenti Erőmű Rt. Szénhidrogén 1367 Dunamenti Erőmű Rt.* Electrabel-Suez (belga) + MVM (25%) Dunamenti GT. Szénhidrogén 386 EMA-Power Dunaferr-csoport tulajdonosainak érdekelt-ségi köre Szénhidrogén 69 (ukrán) Mátrai Erőmű Rt.* RWE (német) Lignit 836 + MVM (25%) GTER Kft. Tüzelőolaj 410 Paksi Atomerőmű Rt. MVM Nukleáris 1866 Pannon Hőerőmű Szén 132 Pannonpower Holding Rt. Dalkia (francia) Pannon Green Biomassza 50 Csepeli Áramtermelő Kft. Atel (svájci) Csepel GT Szénhidrogén 396 AES Tisza Erőmű Rt. AES- USA Szénhidrogén 900 Borsodi Erőmű Szén+biomassza 137 AES Borsodi Energetikai Rt. AES- USA Tiszapalkonyai Erőmű Szén+biomassza 200 Vértesi Erőmű Zrt. MVM Oroszlányi Erőmű Szén 240 DKCE Kft. E.ON (német) Debreceni GT Szénhidrogén 95 Kisköre Víz 28 Tiszai Vízerőmű Kft. ÁPV Zrt. Tiszalök Víz 11,4 Hernádvíz Vízerőmű Kft. ÁPV Zrt. Víz 4,4 Engedélyköteles erőművek 7647 összesen Vértesi Erőmű Rt. Oroszlányi erőmű Pannon Hőerőmű Rt. 2006 Paksi Atomerőmű Rt. 2005 Mátrai Erőmű Rt. 2004 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 0 5 10 15 20 25 30 Kiserőművek 953 Összesen 8600 34
A villamosenergia-termelés megoszlása energiahordozók szerint Hasadóanyag Kőolaj Földgáz Széndioxid emisszió tüzelőanyagonként és szektoronként Szén 1) Szén 2) Kőolaj 3) Földgáz 4) Hasadó anyag 5) Megújuló + hulladék Forrás: A magyar villamosenergia-rendszer 2005. évi adatai. MVM MAVIR, 2006. 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 35
A világ szénkészletei Különböző szenesedésű szenek analitikai adatai Szenesedési sor: atomarányok H/C vs. O/C Tőzeg Lágy Lignit Barna Fekete Antracit Analitikai adat lignit szén szén Nedvesség >75 56,7 38,7 31,2 3,7 1,0 t% Elemi összetétel szárazanyagra t% C 58,2 70,3 71,4 73,4 82,6 92,2 H 5,63 4,85 4,79 4,86 4,97 3,30 N 1,94 0,74 1,34 1,16 1,55 0,15 S 0,21 0,27 0,60 0,31 1,50 0,98 O mint különbség 34,02 23,84 21,87 20,27 9,38 3,37 Elemarány H/C 1,15 0,82 0,80 0,79 0,72 0,43 O/C 0,44 0,25 0,23 0,21 0,09 0,03 Fűtőérték száraz, hamumentes kj/kg 23500 27500 28500 29400 30600 35700 36
Felszini szénbánya Rajnavidéki lignit bánya rekultivációja Szénrétegek hozzáférhetősége Földalatti szénbányászat 37
Szénhasznosítási és feldolgozási eljárások Szénelgázosítás Villamos e.& Gőz benzin viaszok Fischer- Tropsch Folyadék szén/kőolajkoksz elgázosítás Szintézis gáz H 2 Városi gáz Ammónia &karbamid FT Diesel FT benzin Metanol Dimetil éter ecetsav metil acetát Etilén& propilén VAM Ketén Acetát észterek műszén PVA Diketén & vegyületek Ecetsav anhidrid Oxo-vegyületek Poliolefinek Wiser modellje a szén szerkezetéről Bituminiites szén Primér és szekunder reakciók a szén pirolízise közben Az illékony anyag tartalom, a lágyuláspont és a bomlási pontok a szénre 38