Atomenergia és fenntartható fejlődés (BMETE809008) Fenntartható fejlődés és energetika (BMETE80AF06) Tárgy weblap: http://www.reak.bme.hu/index.php?id=407 A legfontosabb fizikai törvények A termodinamika I. főtétele az energia-megmaradás elve Az energia nem vész el, csak átalakul 3. előadás Energiatermelési módok részletes ismertetése: a fosszilis energiahordozók 2011/2012. tanév tavaszi félév Zárt rendszer esetén a belső energia (U) megváltozása a beés elvezetett hőenergia (Q) és a be- vagy elvezetett mechanikai munka (W) előjeles összegének felel meg. U 2 - U 1 = Q + W Prof. Dr. Aszódi Attila, Yamaji Bogdán BME NTI 1 2 A legfontosabb fizikai törvények A termodinamika II. főtétele az energia minőségére ad útmutatást Hő hidegebb helyről melegebb helyre (külső segítség nélkül) nem áramolhat. A hőenergia teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává, viszont a mechanikai munka 100%-ban hőenergiává alakítható. az energiaátalakítások során szükségszerűen végbemennek olyan folyamatok, amelyek nem megfordíthatóak! Zárt rendszer összes entrópiája nem csökkenhet. A legfontosabb fizikai törvények Veszteségek az energiaátalakításban Mennyiségi veszteségek: Az első főtétel betartása mellett az energia egy része elvész a hasznosítás szempontjából (pl. megszökik a rendszerből - elégtelen hőszigetelés, gőzveszteség). Minőségi veszteségek: A hőenergia minőségét a hőmérséklet jellemzi! Minél magasabb hőmérsékleten áll rendelkezésre ugyanaz a hőmennyiség, annál értékesebb. A hőmérséklet csökkenése adott hőmennyiségnél a hő minőségének romlását okozza. 3 4
A legfontosabb fizikai törvények Energiaátalakítás A termodinamika kimondja az energiamegmaradás elvét (I. főtétel), de egyben meghatározza az egyes energiafajták egymásba alakításának korlátait is (II. főtétel). Energetikai nagyberendezések típusai: erőmű fűtőerőmű fűtőmű 5 6 Energiaátalakítás Hőerőgépek Erőműhatásfok fejlődése Dugattyús gőzgépek Belső égésű motorok Otto motorok Diesel motorok η Carnot =1 T alacsony T magas Gőzturbinák Gázturbinák 7 8
Hőerőművi körfolyamat Gőzturbina működése 9 10 Gőzturbina működése a., levegő belépés tüzelőanyag bevezetés füstgáz kilépés Gázturbinák 3 égőkamra (É) 2 4 1 b., lehűtött füstgáz Turbinafokozat lapátprofiljai Turbinafokozat sebességábrája kompersszor (K) turbina (T) Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk levegő belépés 3 regenerátor (R) komprimált levegő 2* tüz. a 4* előmelegített komprimált levegő forró füstgáz 2 égőkamra (É) 1 kompresszor (K) 90 MW-os főturbina forgórész Százhalombattai 215 MW-os gőzturbina javítása 11 turbina (T) Hőcserélővel kiegészített egytengelyes erőművi gázturbinás blokk 12
Gázturbina Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk Gázturbina moduláris atomreaktorral USA-fejlesztésű, 10-25 MWe teljesítményű gázhűtésű, gázturbinás reaktor A 850 o C kilépő hőmérsékletű hélium hűtőközeg közvetlenül a gázturbinára jut 13 14 Mobil gázturbina Gázturbina forgórész hőterhelése 15 16
T 3 Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű gőzturbinás hőhasznosítással T 4 Q & ü T 1 T G V T 2 P GT h 1 h 1 m& g P KE Dunamenti erőmű, Százhalombatta A világ energiafelhasználásának megoszlása energiahordozónként Fosszilis energiahordozók Szén Kőolaj Földgáz η G/G P = GT + P Q& ü KE T HH Mai tipikus hatásfok 50% fölött! Pasco, USA 17 18 A fosszilis energiahordozók keletkezése Fosszilis energiaforrások: A Nap sugárzási energiája több száz millió évvel ezelőtt került betárolásra. Élő szervezetek -- tengerfenék -- baktériumok + rárakódott kőzetek okozta magas nyomás és hőmérséklet oxigénhiányos környezet. Fosszíliák kialakulása. Égéshő [kj/kg, MJ/kg] Égéshő és fűtőérték tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelőanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hőmennyiség, ha a tüzelőanyagban lévő eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után cseppfolyós állapotban van jelen. Fűtőérték [kj/kg, MJ/kg] tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelőanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hőmennyiség, ha a tüzelőanyagban lévő eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után gőz halmazállapotban marad. 19 20
Tüzelőanyagok égése Szilárd tüzelőanyag: a felhevítés és a nedvességpárolgás folyamata; az illó eltávozása és a kokszképződés; az illó égése; a koksz égése; salakképződés. Gáznemű tüzelőanyag: felhevítés; égés. Tüzelőanyagok fűtőértéke Tüzelőanyag Fűtőérték [MJ/kg] Nedvességtartalom [%] Hamutartalom [%] Komlói feketeszén 16-18 4-6 40-46 Donyeci antracit 25 7 18 Sziléziai aknaszén 20 10-15 13-22 Borsodi barnaszén 9-11 23-29 25-30 Visontai külfejtés 5,5-6,7 45-50 19-27 Háztartási tüzelőolaj 41-42 Nehéz fűtőolaj 39-40 Gudron 39-40 Földgáz 41-42 21 22 A szén összetétele Mélyművelésű szénbányászat A Márkushegyi Aknaüzem (Vértesi Erőmű Rt.) az ország legnagyobb és legkorszerűbb bányája 23 24
Mélyművelésű szénbányászat Mélyművelésű szénbányászat 25 26 Mélyművelésű szénbányászat Felszíni szénfejtés 27 28
Felszíni szénfejtés Felszíni szénfejtés Meddőtermelés marótárcsás kotrógéppel Széntermelés merítéklétrás kotrógéppel 29 30 Felszíni szénfejtés Felszíni fejtés - a meddő elszállítása Visontai lignit főbb jellemzői: fűtőérték: 6,2 MJ/kg nedvesség: 48,7% hamu: 20,2% kén: 0,8% hidrogén: 1,7% szén: 19,7% nitrogén: 0,4% oxigén: 8,5% Hamu jellemzői: SiO 2 -tartalom: 64% Al 2 O 3 -tartalom: 21% 31 32
A szén szállítása Széntüzelésű erőművek Közvetlen szállítószalag, ha a bánya közel van. Legolcsóbb: vízi út. Több 10 000 tonnás tengerjáró hajók. Folyami közlekedésben 1000-1500 t. A szárazföldi szállítás zöme vasúton történik: a fejlett országokban a vasúton szállított áruk 1/3- át a szénszállítás teszi ki. Közút: egy tragédia. 33 34 Széntüzelésű erőművek Széntüzelésű erőművek Kényszercirkulációs kazánok Síkbeli tűztérfal (membránfal) gyártása 35 36
Széntüzelésű erőművek Széntüzelésű erőművek Fluidizációstüzelés az emissziócsökkentés érdekében 37 38 Széntüzelésű erőművek Lignittüzelésű erőmű - példa Fluidizációs tüzelés A visontai Mátrai Erőmű. 2 x 100 MW és 3 x 212 MW-os beépített villamos teljesítményű széntüzelésű blokk. Az erőmű napi lignitfelhasználása 20-25 000 tonna. Átlagos rendelkezésre állása 80%. 39 40
Lignittüzelésű erőmű - példa Lignittüzelésű erőmű - példa Visontán épült az ország első kénleválasztó berendezése. A világon egyedülálló módon a berendezés száraz Heller- Forgó féle hűtőtorony belsejében létesült. A képen az abszorber. RWE-MVM tulajdon. 41 42 Kőszéntüzelésű erőmű - példa Kőszéntüzelésű erőmű - példa 43 44
Kőszéntüzelésű erőmű - példa Kőszéntüzelésű erőmű - példa 45 46 Kőszéntüzelésű erőmű - példa Horvátország, Plomin-2 Építés indult 1985-ben, financiális okokból megszakadt 1991-ben. HEP (horvát) - RWE (német) közös vállalat (50-50%) 1997- ben, a munkák újraindulnak. Első szinkronüzem 1999. szeptember 29-én, üzemi gépként 1999. december 1. Max. 210 MWe. Tervezett üzemidő 30 év, amely várhatóan 10 évvel hosszabbítható. Import kőszén (24 MJ/kg) fogyasztása 80 t/h, termelői ár ~0,03 USD/kWh, 6350 h/év kihasználási tényezővel. Saját szenük 8-11% kéntartalmú, mára gazdaságtalan. Plomin-1 1970 óta üzemel, 105MWe, saját szénre. Az USA szénkészletei Az USA szénvagyonának energiatartalma 100x nagyobb, mint az olaj- vagy gázvagyonának energiatartalma. 1900-ban a szénből már 3x annyit nyertek, mint a fából 1995-941 millió t szénfelhasználás (USA) erőművek: 88% ipar, közlekedés: 7,7% koksz az acélgyártásban: 3,5% lakosság és szolgáltatás: 0,6% AZ USA 1995-ben a 941 millió t szénfelhasználás mellett még 88 millió t-t exportált is. 47 48
Az USA szénkészletei USA szénvagyona 1,5 10 12 t Felhasználása 1000 10 6 t/év 1500 éves készlet (a jelenlegi felhasználással)! USA villamosenergia-termelés 52%-a szénből! Többek között ezért nem akarta az USA ratifikálni a kiotói jegyzőkönyvet! A kőolaj 49 50 A kőolaj lelőhelyek geológiája Olaj és gázlelőhely tipikus geológiai formációja. A gáz az olaj felett, az olaj víz felett helyezkedik el. Mindez porózus kőzetben található. Az egész formációt vízzáró kőzet fedi. A kőolaj bányászata Létezett néhány természetes forrás az USA-ban, ahol az olaj magától a felszínre jött, néhány 10 liter/nap mennyiségben. 1859 - Titusville, Pennsylvania Colonel" Drake mélyített egy 69 láb mély fúrást, ahol olajat talált, amit a felszínre szivattyúzott. A fő probléma: nem volt mibe tölteni, mert az erre alkalmas hordók többe kerültek, mint a beléjük tölthető olaj akkori értéke. 51 52
A kőolaj bányászata Az Olajfinomítás nagyot változtatott: a kerozin biztos piacra talált (főzés, fűtés, világítás). 1862 - egy év alatt 75 kútból 3 millió hordó olajat hoztak felszínre csak Pennsylvaniában. Intenzív kutatás indult több amerikai államban (Ohio, Indiana, California, Texas), ahol olajat találtak. 1909 - az USA olajtermelése 500 000 hordó/nap, több mint az egész világ együttvéve. 1 barrel (hordó) = 42 gallon = 42 x 3,885 l = 163 liter A kőolajtermelés az USA-ban Hanyatlás (~1930): elektromos világítás. Újabb felívelés: az autó megjelenése. 1970 - a csúcs elérése az alaszkai olajvezeték üzembevételével. Ezután a termelés esik. 1948 óta az USA évről-évre több olajat importál. Ma az USA fogyasztásának 50%-a import. 53 54 Kőolajkészletek Olajárak a világpiacon USA - sok, kis termelékenységű kút. Szaud-Arábia: kevés, nagy termelékenységű berendezés, sokkal jobb mezők. Ország Főbb olajtermelő országok Termelés (10 3 hordó/nap) Készletek (10 6 hordó) Olajkutak száma Szaúd-Arábia 8 231 257 504 858 Ex-Szovjetunió 6 550 57 000 145 000 Egyesült Államok 6 530 26 177 603 000 Irán 3 735 92 850 361 Kína 3 015 24 000 43 700 Venezuela 2 940 59 040 12 752 Mexikó 2 618 51 983 4 740 Egyesült Királyság 2 489 3 825 762 Nigéria 2 160 17 100 1 432 Irak 100 000 820 55 56
Olajárak alakulása Olajárak alakulása Crude Oil Price (oil-price.net) 2007. 02. 28. 2007. 10. 03. 2008. 02. 26. 2008. 09. 23. 2009.03.10. Price : 60,69 $/Barrel 80,25 $/Barrel 101,13 $/Barrel 106,78 $/Barrel 47,54 $/Barrel 1yr fcast: 79 $/Barrel 104 $/Barrel 131 $/Barrel 123 $/Barrel 55 $/Barrel Nyersolaj-árak változása 1861-2004 között, 2004-es dollár jelenértéken (zöld) és akkori értéken (sárga) Crude Oil Price (oil-price.net) 2009. 10. 13. 2010. 03. 29. 2010.09.07. 2011.03.29. 2011.09.06. 2012.02.21. Price : 74,21 $/Barrel 80,43 $/Barrel 74,09 $/Barrel 103,76 $/Barrel 86,09 $/Barrel 104,88 $/Barrel 1yr fcast: 85 $/Barrel 92 $/Barrel 85 $/Barrel 119 $/Barrel 99 $/Barrel 121 $/Barrel 57 58 Olajárak hatása a világpiacon Olajárak hatása a világpiacon 59 http://www.wtrg.com/daily/oilandgasspot.html 60
Olajárak a világpiacon Sok államnak az olajexport a fő bevételi forrása létkérdés az export az olaj árát sok esetben nem az igazi piaci mechanizmusok, hanem spekulációk határozzák meg. Az OPEC célja a mennyiség korlátozásával az ár felhajtása. Az autók fogyasztása az elmúlt 30 évben közel a felére esett az autós közlekedést ez is olcsóbbá teszi napjainkban. A világpiaci igény a nagy, intenzíven fejlődő országok (Kína, India) kereslete miatt gyorsan és folyamatosan nő. Ez és a világpolitika ma a meghatározó felhajtóerő! Világpolitikai változások Az igazolt kőolajkészletek kb. 62%-a a politikailag instabil Közel-Keleten található Olajárak alakulása A világ igazolt kőolaj-készletének földrajzi eloszlása 61 62 Olajárak alakulása Olajárak alakulása Világpolitikai változások Az igazolt kőolajkészletek kb. 62%-a a politikailag instabil Közel-Keleten található 2012: Irán, Hormuzi-szoros wikipedia oil-price.net Hagyományos számítás szerint (1200 milliárd hordó igazolt készlet a jelenlegi fogyasztás mellett) kb. 40 évre elegendő a kőolaj-készlet Peak-oil elmélet: számos elemző szerint lassan elérjük a maximális kitermelési kapacitást további árnövelő hatás az optimális kitermelés Gaussgörbével modellezhető, a csúcs után a termelés gyorsan csökken növekvő kereslet mellett a csúcs után növekvő hiány a csúcs időpontját az elemzések 2007-2027 közé teszik, újabban egyre korábbra Egy valós peak-oil: az északi-tengeri nyersolajtermelés csúcsa 1999-ben volt, azóta évi 2,8%-kal csökken a termelés 63 64
Modern kutatás Olaj előkutatás: robbantás, nagy rezgő tömegek által keltett rezgések visszaverődésének érzékelése. A teljesen biztos lelőhely igazolás csak fúrással lehetséges. A mező kiterjedésének meghatározása további fúrásokkal lehetséges igazolt készletek. A kutatófúrások rendszerint kis ráfordítással átállíthatóak termelőkutakká. Legmélyebb termelőkút 9600 m. Átlagos napi hozam: 10-100 t/kút. Átlagos élettartam: 40 év. A kőolaj bányászata Szénhidrogének porózus kőzetben. (olajtartalmú réteg vastagsága: néhány méter - néhány 10 méter). A normális kihozatali ráta csak 30%! Termelési módszerek: elsődleges: a belső nyomás hajtja ki (gázsapka, víz felhajtóereje). Kitermelés során a nyomás és a hozam csökken. másodlagos (+5-15%): gáz visszanyomása a gázsapkába, vagy víz benyomása alulra. harmadlagos: viszkozitást csökkentő melegítés forró vízzel vagy gőzzel; az olaj föld alatti meggyújtása + levegő bejuttatása; 65 66 A kőolaj tengeri bányászata 200 méteres vízmélységig fix állványról, afölött lehorgonyzott mesterséges szigetekről. Rekord: 6,3 km víz alatt 600 m-es behatolás. Kitermelési együttható: ~40%. A kőolaj finomítása és jellemzői Lepárlás Vákuumdesztilláció Krakkolás - a fehéráru kihozatal javítása (benzin kihozatal 2-3-szoros) Probléma: a szennyezők (kén) a nehezebb frakciókban maradnak. 67 Nyersolaj-feldolgozás termékei Frakció Molekulaméret Forráspont [ C] Felhasználás Földgáz C 1 -C 5-164 - +30 Tüzelőanyag Petroléter C 5 -C 7 30-90 Oldószer (száraz tisztítás) Benzin C 5 -C 12 30-200 Üzemanyag Petróleum (kerozin) C 12 -C 16 175-275 Tüzelés, dízel, repülés Tüzelőolaj C 15 -C 18 375 alatt Tüzelőanyag Kenőolaj C 16 -C 20 350 fölött Kenés Zsírok C 18 és fölötte félkemény Kenés Paraffin C 20 és fölötte olvad: 52-57 Gyertya Szurok, kátrány fölötte lepárlási maradék Tető, útépítés 68
A kőolaj és a fehéráru szállítása A földgáz A legnemesebb fosszilis energiahordozó Fűtőértékre vonatkoztatva alacsonyabb széntartalom egységnyi hőfelszabadulásra kevesebb CO 2 termelés, mint a szén elégetése során! Szállítása és tárolása problémásabb, mint a kőolajtermékeké, felhasználása viszont könnyű Magyarország ma túlzottan nagy mértékben épít a földgázra. 69 70 A földgáz fűtőértéke Tüzelőanyag Fűtőértéék [MJ/kg] Nedvességtartalom [%] Hamutartalom [%] Komlói feketeszén 16-18 4-6 40-46 Donyeci antracit 25 7 18 Sziléziai aknaszén 20 10-15 13-22 Borsodi barnaszén 9-11 23-29 25-30 Visontai külfejtés 5,5-6,7 45-50 19-27 Háztartási tüzelőolaj 41-42 Nehéz fűtőolaj 39-40 Gudron 39-40 Földgáz 41-42 Földgázkészletek Főbb gázkészletek Ország Készlet (tcf) Ex-Szovjetunió 1977 Irán 742 Katar 250 Egyesült Arab Emírségek 205 Szaúd-Arábia 186 Egyesült Államok 164 Venezuela 140 Algéria 128 Nigéria 110 Irak 109 Norvégia 47 Malájzia 68 Indonézia 69 Mexikó 68 Kanada 67 Hollandia 65 Ausztrália 20 Kuvait 53 Kína 59 Líbia 46 71 tcf = 10 12 ft 3 72
Földgázkitermelés 15%-ban együtt történik a kőolaj kitermelésével. Létezik 100 bar saját nyomással rendelkező gázkút (rekordmélység 7,5 km). Száraz kutakból a gáz 60-80%-a saját nyomásától a felszínre jön. Vizes elárasztással a kitermelés 85-95%-os. Kitermelés további javítása - rétegtörés: hidraulikus repesztés; föld alatti kémiai robbantás; föld alatti atomrobbantás (oroszok több km mélyen, 40 kt-ás töltettel kísérleti jelleggel így növelték a kihozatalt ). A földgáz szállítása Csővezetéken, gáz halmazállapotban p nagynyomású vezetékrendszer, gázátadó állomások alacsonyabb nyomású elosztóvezetékek nyomásemelő kompresszorállomások fogyasztónál a szállított gáz minősége : megfelelő forgalom és nyomás 73 74 A földgáz szállítása A földgáz tárolása www.mol.hu/repository/165062.pdf http://www.eon-hungaria.com/letoltes/pdf/eon_magyarorszagon_cegprezentacio_2009.pdf 75 76
A földgáz tárolása Tárolók: 5 (E.On) + 1 biztonsági: Szőreg (MOL) mobilgáz: a tárolható és kitermelhető gáz párnagáz: nem kitermelhető Föld alatt be- és kitárolás kitárolás üteme nem változtatható tetszőlegesen kitárolás során csökken a rétegnyomás, így az elérhető maximális kitárolási teljesítmény is be- és kitárolás iránya sem változtatható tetszőlegesen jellemzően évente kétszer kimerült gáz- és olajmezők, víztároló rétegben kialakított tároló, sótömbök Szőreg-1 (SZBT-1) A földgáz tárolása http://www.mol.hu/hu/a_molrol/mediaszoba/sajtotajekoztatok/megkezdodott_az_uzemszeru_besajtolas_a_szoreg-1_gaztaroloba/ http://www.mol.hu/repository/512886.pdf 77 78 A földgáz tárolása Gáztüzelésű erőmű - Százhalombatta http://www.mol.hu/hu/a_molrol/mediaszoba/sajtotajekoztatok/megkezdodott_az_uzemszeru_besajtolas_a_szoreg-1_gaztaroloba/ http://www.mol.hu/repository/512886.pdf 79 80
Fosszilis energiafelhasználás légszennyező hatása VOC = Volatile organic compounds = illékony szerves vegyületek Főbb ellenőrző kérdések és témakörök 1. A termodinamika I. főtétele 2. A termodinamika II. főtétele 3. Mennyiségi és minőségi veszteségek az energiaátalakításban 4. Energetikai nagyberendezések főbb típusai 5. A hőerőgépek elvi felépítése, főbb típusaik 6. A Carnot körfolyamat és hatásfoka 7. A gőzturbinák működése (vázlatosan) 8. A gázturbinák működése (vázlatosan) 9. A gázturbinák főbb típusai 10. Gázturbina moduláris atomreaktorral 11. Mobil gázturbinák főbb típusai 12. Gázturbina lapátok hőterhelése 13. Kombinált ciklusú gázturbinás erőművek 14. Fosszilis energiahordozók keletkezése 15. Égéshő definíciója 16. Fűtőérték definíciója 17. Az égéshő és a fűtőérték közötti különbség 18. Szilárd és gáznemű tüzelőanyagok égésének folyamata (vázlatosan) 81 82 Főbb ellenőrző kérdések és témakörök 19. Legfontosabb fosszilis tüzelőanyagok fűtőértéke, jellemző nedvesség- és hamutartalma 20. Mélyművelésű bányászat 21. Külszíni széntermelés 22. A szén szállításának módozatai 23. Széntüzelésű erőművek tüzelőberendezéseinek fő fajtái, működésük 24. Az USA szénvagyona 25. A kőolaj lelőhelyek geológiája 26. A kőolaj lelőhelyek kutatása 27. A kőolaj bányászata, különböző kitermelési módszerek és azok kihozatali aránya 28. A legfontosabb kőolajtermelő országok és készleteik 29. Az olajárak világpiaci alakulása és befolyása egyéb energiahordozók árára 30. A peak-oil elmélet 31. Kőolajfinomítás 32. A földgáz lelőhelyek geológiája és kutatása 33. A földgáz bányászata 34. Földgázkészletek a világon 35. Földgáz szállítása, tárolása 83