Energiafelszabadítás- és átalakítás - Energiahordozók Kovács Helga egyetemi docens 2020. 09. 22.
Alapfogalmak Mit nevezünk energiának? Energiának nevezzük valamely anyag, test vagy szerkezet munkavégzésre való képességét. A szén, a fa, a kőolaj és a földgáz kémiai energiát tárol, ami a helyzeti (potenciális) energia egyik formája. A mozgó víznek, a szélnek mozgási (kinetikus) energiája van. A Nap, hő és fény formájában sugároz energiát. 2
Elsődleges energiahordozók csoportosítása Fogyó energiahordozók Nem, vagy csak évmilliók alatt termelődnek újra, emiatt a kitermeléssel a készleteik fogynak: pl. szén, földgáz Megújuló energiahordozók A természet gondoskodik a folyamatos újratermelődésről: pl. nap, biomassza, szél 3
Elsődleges energiahordozók csoportosítása Fogyó energiahordozók Nem, vagy csak évmilliók alatt termelődnek újra, emiatt a kitermeléssel a készleteik fogynak: pl. szén, földgáz Megújuló energiahordozók A természet gondoskodik a folyamatos újratermelődésről: pl. nap, biomassza, szél 4
Primer energiahordozók Szenek Feketeszén,antracit Barnaszén Fosszilis Szénhidrogének Kőolaj Földgáz Tőzeg, lignit Primer Nukleáris Fissziós Fúziós Olajpala, bitumenes homok Nap Biomassza Óceán Megújuló Geotermikus Víz Szél 5
Energiaátalakítási alapfolyamatok Szén Kigázosítás Elgázosítás Hidrofrakcionálás, pirolízis Koksz, kokszkemencegáz Szintetikus földgáz Folyékony üzemanyag Kőolaj Olajpala Atmoszférikus desztilláció Pirolízis Krakkolás Benzin Petróleum Gázolaj Pakura Benzin, tüzelőolaj, gázolaj Gázolaj, kenőolaj, bitumen Vákuumdesztilláció Földgáz Propán-bután Tüzelőanyag, üzemanyag Termikus bontással vegyipari alapanyag 6
Szilárd energiahordozók átalakítása Szilárd tüzelőanyaggá: kigázosítás A szenet levegő kizárásával külső fűtésű, keramikus anyagból készült kamrás kemencékben nagy hőmérsékleten hevítve párolják. Termék: koksz, kokszkemencegáz Gáznemű tüzelő- v. alapanyaggá: elgázosítás A szilárd tüzelőanyagot nagy hőmérsékleten hevítik, és levegő, vízgőz, vagy mindkettő hozzáadásával elgázosítják. Termék: éghető gáz (CO, H2) Folyékony tüzelő- v. üzemanyaggá: hidrofrakcionálás, pirolízis A hőbontás (pirolízis) során a szenet megfelelően kialakított reaktorban, hő hatására, oxigénszegény vagy oxigénmentes közegben szabályozott körülmények között bekövetkező kémiai lebontása. A pirolízis folyamatban rendszerint magas nyomást és magas, 500 C feletti hőmérsékletet alkalmaznak. 7
Folyékony energiahordozó átalakítása Atmoszférikus desztilláció: A különböző forráspontú komponensekből álló elegyeket légköri nyomáson forráspontjuk szerint frakciókra választják szét. Kőolaj krakkolása: nagyobb molekulatömegű szénhidrogéneknek nagy nyomáson és magas hőmérsékleten való átalakítása kisebb móltömegű és kisebb szénatomszámú szénhidrogénekké. 8
Miért fontos a fosszilis energiaforrások helyettesítése alternatív, megújuló energiaforrásokkal? Mennyiség Világ népessége és energiafogyasztása Légszennyezés Fenntarthatóság Első lépések Rohamosan csökken Növekvő tendencia A fosszilis energiahordozók légszennyezést okoznak A megújuló energiahordozók fenntarthatóbbá teszik a Világot Az átálláshoz hosszú időre van szükség 9
Amiről szót kell ejtenünk 10
CO2 kibocsátás Magyarországon ágazatonként 11
Nitrogén oxidok Természetes források Mesterséges források Hatások Villámlás Energiatermelés Szekunder energiafelhasználás Egészségügyi hatások Savaseső 12
Magyarország Nox kibocsátása 13
Közlekedés Nox kibocsátása 14
SO2 kibocsátás hatása Légzőszervi megbetegedéseket okozhat Vízzel érintkezve kénsavvá alakul, és a savas esők kialakulásáért felelős Magyarországon a rendszerváltást megelőző években a kén-dioxid szennyezés komoly légszennyezési probléma volt. Azóta a vezetékes gáz bevezetése, az ipari szerkezetváltás miatt lényegesen javult a helyzet. 15
Kén-dioxid (SO2) kibocsátás Magyarországon 16
17
Fosszilis energiahordozók - szén Mennyiség Felhasználás Jövőkép A világ fosszilis energiahordozó készleteinek legalább 70%-a szén Szénből állítják elő a világon a villamos energia 33%-át és a szén képviseli a felhasznált primer energiahordozók 27%- át A szén a világ energiaellátásában jelenleg és a jövőben is fontos szerepet fog betölteni. 18
Szén képződése az idő függvényében Milyen szénfajták vannak? Tőzeg kis fűtőérték. Lignit legfiatalabb szén, szerkezete még erősen fás, fűtőértéke 3,5-10 MJ/kg. Barnakőszén 60-75 millió évvel ezelőtt, fűtőértéke 17-20 MJ/kg. Feketekőszén 300-350 millió évvel ezelőtt, fűtőértéke: 17-33 MJ/kg. Antracit legidősebb szénféleség, teljesen homogén. 19
A szén felhasználása A XX. század elején a széntüzelésű erőművek hatásfoka kicsi volt (max. 10%) és igen sok tüzelőanyag ment kárba. Az 1920-30-as években bevezetett új technológia a porszéntüzelés volt. A 40-es évekre már elérték a 20%-os hatásfokot. Magyarországi erőművek belépése a magyar villamosenergia termelésbe. A 60-as években már elérték a 33%-os hatásfokot. Ennek ellenére jelenleg hanyatlik a szén alapú energiatermelés. 20
Szenek összetétele, tulajdonságai Nedvesség: A feketeszenek nedvességtartalma kisebb, mint 15% m/m, a ligniteké eléri az 50% m/m-ot is. A szenek kisebb-nagyobb mértékben mindig tartalmaznak kénvegyületeket. A szenek hamutartalma a kitermeléskor annak minőségétől függően 5-25% között változik. Szilárd energiahordozó Összetétel, % m/m C H O+N Fa 40-50 4-7 40-50 Tőzeg 55-64 5-7 39-45 Lignit 18-45 1-3 10-40 Barnaszén 60-78 4-8 17-34 Feketeszén 75-95 4-8 3-15 Antracit 92-98 1-3 1-3 21
Szilárd energiahordozó Összetétel, % m/m Nedvesség Illó Fix-karbon Hamu Fa 50 17 32 1,0 Tőzeg 80 5,0 12 3,0 Barnaszén 45 11 28 16 Feketeszén 5,0 7 78 10 Antracit 2,0 5,0 87 6,0 22
Széntartalékok a világban (2018) 23
24
Magyarország széntermelése 25
Hagyományos izzó energiahatékonysága speciális esetben 26
Fosszilis energiahordozók - kőolaj Felhasználás Probléma Jövőkép Főszerep a közlekedésben A kőolaj több mint 75%-át szénhidrogének alkotják Alternatív meghajtású járművek problémái Felmerülő olaj-válságok Helyettesítése nem megoldott (hidrogén, villamosenergia) 27
Kőolaj keletkezése A tengerekben elhalt és a fenékre süllyedt állati és növényi, elsősorban egysejtű lények alkotta iszap levegőtől elzártan, mikroorganizmusok hatására bekövetkezett bomlásának terméke. 28
A kőolaj tulajdonságai A nyersolajok sűrűsége 700-1000 kg/m 3 között változik. A nyersolaj sűrűsége a H/C viszonytól függ, minél kisebb a H/C, annál nagyobb az olaj sűrűsége. A besorolás alapja a sűrűség és a lelőhely Elem % m/m C 80-88 H 10-14 S 0,01-5 N 0.1-1.7 O 0,5-7,0 29
Kőolaj tartalékok a világban 30
Kőolaj termelés a világon 31
Kőolaj export-import a világban 32
Fosszilis energiahordozók - földgáz Felhasználás Összetétel Lelőhely A legelőnyösebben felhasználható primer energiahordozó Döntően szénhidrogén gázokat tartalmaz. További gázösszetevői lehetnek a szén-dioxid, a nitrogén és a kénhidrogén A szénhidrogénkészletek közel 1/3-ában a kőolaj és a földgáz együtt van jelen 33
Magyarország kőolaj- és földgáz lelőhelyei 34
Földgáz tartalékok a világban, 2016 35
Földgáz termelés a világban 36
Földgáz kereskedelem, 2016 (millió m3) 37
38
A földgáz ellátás alakulása 2011-2014 39
A földgáz cseppfolyósítása, az LNG Előállítás Célja Szállítás és tárolás A cseppfolyós állapothoz atmoszferikus nyomáson - 161 C hőmérsékletre kell hűteni a gázt. Kisebb térfogat Célja a fogyasztói helyektől nagy távolságra lévő földgázkészletek gazdaságos szállítása Földrészek között tankerekben 40
Az LNG részesedése a világ földgázfelhasználásában 41
42
Atomenergia Atomenergiával kapcsolatban a kockázatot úgy szokták jellemezni, hogy az elképzelhető baleset igen súlyos, de a bekövetkezés valószínűsége nagyon kicsi. Valkó János 43
Fogalmak Rendszám (Z) Atomtömeg Tömegszám (A) A rendszám (Z) a magban lévő protonok száma (az atom kémiai minőségének egyértelmű meghatározója). Az atomtömeg a magban lévő proton és neutron (N) tömegének összege A tömegszám (A) a protonok és neutronok számának összege, vagyis N=A-Z, ami azért fontos, mert így különböző tömegszámok tartozhatnak egyetlen rendszámhoz 44
A természetben előforduló urán-izotópok aránya A különböző tömegszámú, de azonos rendszámú atomok kémiailag egyazon elem különböző tömegszámú változatai. Ezek az izotópok azonos helyűek (a periódusos rendszer azonos kockájában helyezkednek el). A magenergia hasznosítása szempontjából jelentős különbségek vannak az izotópok között. Előforduló izotópok 238U = 99,238% m/m, 235U = 0,711% m/m, 234U = 0,006% m/m 45
Az egy nukleonra eső kötési energia a tömegszám függvényében 46
A kötési energia felszabadításának módszerei Az atommagban rejlő energia felszabadítására két lehetőség kínálkozik: a nehéz magok széthasítása (maghasadás, fisszió), vagyis egy nagy rendszámú, nehéz atom két középnehéz atommagra való széthasítása során az egy nukleonra eső kötési energia növekszik; a tömeghiány nagyobb lesz, ezért energiának kell felszabadulnia; a könnyű atomok egyesítése (magfúzió), mivel a belőlük keletkező nehezebb magoknál az egy nukleonra jutó kötési energia nagyobb, ezért ez esetben ugyancsak energiának kell felszabadulnia (1 MeV =4,15.10-20 kwh). 47
A láncreakció 235U izotópot neutronbesugárzás éri, akkor 236-os uránizotóp mag jön létre. Ez a mag nem stabilis, egy 92-es kriptonná és egy 142-es báriumizotóppá hasad, továbbá újabb szabad neutronok is keletkeznek, miközben óriási energia szabadul fel. Az újabb neutronok újabb uránatomokat hasíthatnak szét, így a folyamat robbanásszerűen terjedhet tová 48
Atomerőművek a világban 49
Erőművi kapacitások 50
Atomenergia egyes országok villamosenergia termelésében 51
Az atomenergia jövője Fosszilis energiahordozók csökkenő készlete. Biztonságos? (balesetek, veszélyek) Atombomba esete. Csernobil, Fukusima esete. Környezetszennyezés csökkentése, növelése? (hulladékok keletkezése) Társadalmi elfogadottság hiánya. 52
Megújuló energiaforrások Abban a pillanatban hogy elkötelezed magad a célod mellett, és nem halogatsz tovább, mindenféle véletlen esemény, találkozás és dologi segítség jelenik majd meg, hogy támogasson téged. Napoleon Hill 53
Megújuló energiák felhasználása 54
Megújulók alakulása a világban 55
Miről fognak szólni a következő előadások? 2016 56
Köszönjük! Kovács Helga +36 46 565 111 / 15-25 kovacs.helga@uni-miskolc.hu www.energy.uni-miskolc.hu