(KM002_1) 8. Energia és környezet 2008/2009-es tanév, I. félév Dr. Zseni Anikó egyetemi docens SZE, MTK, BGÉKI, Környezetmérnöki Tanszék A világ energiaellátása 8,5 683 6,5 81% 448 47% 77% 37% 63% 53% 23% 19% 2004 2030 2004 2030 fejlődő és átalakuló országok iparilag fejlett országok EJ: 10 18 J 1
Az egy főre jutó primer energiafelhasználás Műholdfelvételekből összerakott kép: a Föld éjszakai kivilágításban (a felvételek értelemszerűen nem egyidőben készültek!) 2
Energiaforrások A, Nem megújuló energiaforrások: szén kőolaj földgáz atomenergia B, Megújuló energiaforrások: napenergia biomassza vízenergia geotermikus energia szélenergia gravitáció (ár-apály) Az energia forrásai Nap: fosszilis energiahordozók, biomassza, szél, beeső sugárzás Naprendszer keletkezését megelőző kozmikus evolúció folyamatai: nukleáris energia Föld magja: geotermikus energia Hold mozgása: árapály-energia 3
A világ energiafelhasználásának struktúrája 6% 2% 11% 24% 5% 2% 12% 23% 21% 24% 36% Összesen 448 EJ 34% Összesen 683 EJ szén olaj gáz atom víz megújulók A világ jövőbeni energiaellátása 4
Energiafelhasználás az elmúlt 50 évben kétszer több energiát használtunk fel, mint civilizációnk történelmében összesen ~10 ezer Mtoe energiafelhasználás (2003) (Mega tonna olajegyenérték: 10 6 kg oe, 1 kg oe = 41,869 MJ) az energiafelhasználás jövőbeni alakulását meghatározza: a világ népességének változása a világ gazdasági és társadalmi (szociális) fejlődésének mértéke, iránya és szerkezete a fenntartható fejlődésre orientált technológia fejlődése és annak széles körű elterjesztése A világ jövőbeni energiaellátása: készletek 5
nemcsak az energiaforrások előteremtéséről kell gondoskodni hanem az energetika közvetetett és közvetlen környezeti (a bioszféra terhelhetősége, az üvegházhatás felerősödése, globális felmelegedés, klímaváltozás), valamint társadalmi, szociális hatásaival is! az energiaellátás drága lesz! fenntartható energiaellátás, megújuló energiaforrások fokozott hasznosítása Az energetika környezeti hatásai: bányászat szén: bányák alatt megsüllyedő talaj (települések) meddők: erózió, tömegmozgás, öngyulladás, tájrombolás, élőhelyvesztés a szén osztályozása szennyvíz sújtólégveszély, zaj-, porszennyezés kőolaj, földgáz: nagy mennyiségű víz (jelentős sótartalmú) is felszínre jut talajra, vízbe kiömlő kőolaj szennyezése 6
Az energia szállításának környezeti kockázatai csővezetéken: csövek korróziója, repedése, törése földgáz: emberi és technológiai hibák esetén gázrobbanások veszélye járművekkel: tengerek olajszennyeződése, vasúti, közúti balesetek magasfeszültségű vezetékeken: biotópok elszigetelődése, táj értéke csökken, egészségügyi hatások? Az energiatermelés környezeti hatásai szén: CO 2, SO 2 stb. szférák szennyezése (ld. korábban), globális hatások salakanyag energiaátalakításkor hőveszteség (vizek hőszennyezése) kőolaj, földgáz: ld. közlekedés, hőerőművek légszennyezése energiaátalakításkor hőveszteség (vizek hőszennyezése) 7
A CO 2 -emisszió alakulása Atomenergia először a nem megújuló hagyományos energiaforrások helyettesítőjének vélték (holott az uránérckészletek nem megújulóak) II. világháború után rohamos fejlődés 1998: 30 országban 473 db atomerőmű, 46 épülőben környezeti problémák: kezdetben: a radioaktív anyagok tulajdonságainak (egészségügyi) hiányos ismerete: óvatlan alkalmazás folyamatosan szigorodó határértékek az erőművekből kikerülő használt fűtőelemek biztonságos elhelyezése: teljesen veszélytelen megoldás nincs (sokat a világtengerekben egyszerűen elsüllyesztettek ezt ma már nemzetközi megállapodás tiltja) az üzemelés biztonsága: nukleáris balesetek 8
Forrás: Mindentudás e, Bencze Gyula (2003) Atomenergia aránya a villamosenergia-termelésben összkapacitás (MWatt) % Franciaország 60 313 76,4 Litvánia 2370 73,7 Belgium 5713 56,8 Szlovákia 2488 53,4 Ukrajna 4884 47,3 Bulgária 3538 45,0 Magyarország 1729 42,2 Dél-Korea 12 949 40,7 Svédország 9440 39,0 Svájc 3077 38,2 Japán 43 650 33,8 Örményország 376 33,0 Németország 21 107 30,6 Finnország 2656 32,1 Spanyolország 7289 27,6 Tajvan 4884 23,6 Egyesült Királyság 12 400 21,9 Csehország 1680 20,1 USA 10799572 19,8 A radioaktív hulladékok elhelyezésének problémái az erőmű néhány évtizedig üzemel a használt radioaktív anyagok több százezer évig is sugároznak egy átlagos reaktorból évente 30 t kimerült fűtőelem kerül ki (150 m 3 közepes, 400 m 3 kis aktivitású hulladék) 2000-re közel 200 ezer tonna hulladék megsemmisítés: reprocesszálás (kimerült fűtőelemek újrahasznosítása) átmeneti megoldás: felszíni vagy felszín közeli átmeneti tárolók (kockázatosabb, de állapota folyamatosan nyomon követhető, szivárgáskor gyors beavatkozás) 9
A radioaktív hulladékok elhelyezésének problémái (folyt.) a legjobb megoldás olyan geológiai szerkezetekben való elhelyezés, amelyek: földtörténetileg is nyugodtnak tekinthetők (nincs földrengés, földmozgás) tömörek szivárgó vizek nem érhetik el (víz: továbbszállíthatja a sugárzó anyagokat ill. a fűtőelemek még sokáig termelnek hőt gőzzé váló víz a felszín felé mozog) minden szempontból megfelelő hely kevés van, és ez is kockázatos: a földmozgást teljesen kizárni sehol sem lehet szóba jöhető kőzetek: gránit, agyag, kősó, vulkáni tufák Nukleáris balesetek több sokáig eltitkolt balesetre az 1986. áprilisi csernobili katasztrófa irányította rá a figyelmet a csernobili események azokat az országokat bizonytalanították el, ahol még nem voltak atomerőművek az atomerőművel rendelkező országok száma nem nőtt (csak a SZU szétesése miatt statisztikailag) kevesebb reaktorral bíró országokra a szintentartás jellemző néhány kitudódott, jelentősebb baleset: USA (1948, 1978, 1979), Nagy-Britannia (1952, 1953, 1985), Jugoszlávia (1958), Szovjetunió (1957, 1983, 1986), Kína (1966), Belgium (1978), Japán (2000) 10
EU: energia és környezet, energiahatékonyság, energiatakarékosság az EU 25-ben EU Fehér Könyv: megújuló energiaforrások teljesítménynövelése (6% 12% (2010)) 2001/77 Irányelv a megújulókból történő villamosenergia-termelésről (14% 22% (2010)) 2002/91 Irányelv az épületek energiahatékonyságáról 2003/30 Irányelv a bioüzemanyagok felhasználásáról 2005. évi Zöld Könyv: az energiahatékonyság javítása EU: energia és környezet megújuló energiaforrások támogatása környezetvédelmi szempontok ellátási biztonság fokozása (kisebb egységekben termelt villamos energia) kisebb a szállítási veszteség (közelebb a fogyasztókhoz) fosszilis energiák veszíteni fognak árelőnyükből (internalizálódó környezetvédelmi költségek) Kiotoi vállalás: 2003-2012: -8% emisszió 1990-hez képest 11
Magyarország primer energiatermelésének szerkezete (Mo körny. állapota 2005) vill. energia termelés: 432,5 PJ (2003) (42% atome) vill. energia felhasználás: 1092 PJ (2003) import: kb. 60%, főleg földgáz Magyarország energiapolitikája: prioritások a megújuló energiák felhasználásának növelése (most: 3,6%, 2010-ig: 6-7%) üvegházhatású gázok kibocsátásának 6%-os csökkentése energiaforrás diverzifikáció javítása energiatakarékosság, energiahatékonyság javítása (energiaintenzitás csökkentése) az energiaellátás biztonságának növelése, új földgáztároló kapacitások építése légszennyezés savas komponenseinek (SO 2, NO x ) csökkentése az üzemanyagok környezetvédelmi követelményeinek megfelelő minőség szabályozása a megújuló energiaforrások részarányának növelése a hajtóanyagokban 12
Megújuló energiaforrások használatuk indokai: üvegházhatású gázok kibocsátásának csökkentése, klímaváltozás megelőzése az importfüggőség csökkentése, helyi energiaforrások kihasználása munkahelyteremtés, vidék fejlesztése mezőgazdasági túltermelés levezetése (energiaerdő, energetikai növénytermesztés) innovatív, decentralizált energiatermelési technológiák elterjesztése Napenergia A napenergia hasznosítása passzív (építészeti) eszközökkel települési szinten építményi szinten A napenergia hasznosítása aktív (épületgépészeti) eszközökkel napkollektoros berendezések fotovillamos hasznosítás 13
napkollektor Napelemek alkalmazása Berlinben 14
Hőszivattyú fűtésre, hűtésre és használati melegvíz előállítására a hőszivattyú a működtetésére felhasznált energiát nem közvetlenül hővé alakítja, hanem a külső energia segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre emeli, legtöbbször a föld, a levegő és a víz által eltárolt napenergiát hasznosítva A hőszivattyú működésének elve (hasonlít a hűtőgép működéséhez) 15
Hőszivattyúk talajkollektoros talajszondás talajvízkutas Biomasssza A BIOMASSZA CSOPORTOSÍTÁSA keletkezési szint szerint átalakított energiahordozó fajtái végtermék szerint tárolhatósága szerint elsődleges (mezőés erdőgazd. hulladék, energia célnövény term.) másodlagos (állattenyésztés melléktermékei) harmadlagos (élelmiszeripar melléktermékei, emberi hulladék) MO mobil berend. üzemanyaga (repceolaj, alkohol) EL elektr. energia termelő aggregát üzemanyaga (biogáz, fagáz, gőz) HE hőenergia ellátóberend. üzemanyaga (szalma, fahulladék) alkohol biodízel biogáz depóniagáz fagáz biobrikett, tüzipellet tüzelőanyag jól tárolható (tüzifa, biobrikett, biodízel, alkohol) közepesen tárolható (szárított biomasszák, bálázott szalma) nehezen tárolható (biogáz, nedves biomassza, állati trágyák) 16
A biomassza alapú energiatermelés előnyei CO 2 kibocsátása: zárt ciklus melléktermék, gyártása nem igényel külön beruházást szállítása kevésbé költséges és környezetszennyező fűtőértéke (13 16 MJ/kg) megközelíti a barnaszenekét, és meddőt nem tartalmaz hamutartalma 2 8%, amely közvetlenül felhasználható talajjavításra homogén formában (brikett, pellett, faapríték) komfortossága azonos a szénnel, de annál sokkal környezetbarátabb alkalmazásukkal elősegíthető a fenntartható fejlődés, kímélhető a földi bioszféra Az E-termelés lehetőségei biomasszából Pécsi és Borsodi Hőerőmű 17
Biogáz A biogáz előállításának alapanyagai: mezőgazdaságból származó másodlagos biomassza (elsősorban állati eredetű szerves trágya) mezőgazdasági melléktermékek élelmiszeripari melléktermékek biomassza céljára termelt növények kommunális hulladék szerves része települési szennyvíziszap Biogáz: előnyök szerves hulladékok ártalmatlanítása hulladéklerakók tehermentesítése káros emissziók csökkentési lehetősége környezetszennyezés csökkentése energiatermelés hulladékokból decentralizált energiatermelés, kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés integrált hulladékgazdálkodás, anyag és energia körfolyamatok helyi, kistérségi zárása gazdasági, pénzügyi előnyök 18
Biogáz termelése, hasznosítása Bio-motorhajtóanyag tervek Magyarországon 2003/30/EK Irányelv alapján a bio-üzemanyagok magyarországi felhasználását a 2233/2004 (IX.22.) korm. határozat írja elő 2010: a forgalmazott üzemanyagokban a bioüzemanyagok energiatartalomra vetített részaránya el kell, hogy érje a 2%-ot a jövedéki adó visszatérítése 2010. december 31-ig érvényben marad meg kell vizsgálni az elhasznált étolaj-hulladékok biodízel gyártásra történő felhasználásának lehetőségét 19
Bioüzemanyagok tervezett felhasználása Magyarországon 2010-ig Bio-ETBE (etil-tercier-butil-éter): bioetanolból előállított benzinkomponens RME (repcemetil-észter): biodízel, a repceolaj észteresített formája Vízenergia néhány ország esetében jelentős tényező vízerőművek, ár-apály energia környezeti problémák gátak mögötti tó: megemeli a talajvízszintet gyorsan feltöltődik alatta a folyók kevesebb hordalékot szállítanak pusztuló deltatorkolatok értékes területek kerülnek víz alá, emberek áttelepítése folyók ökológiai értéke csökken magas építési költségek káros anyag kibocsátás nincs műszakilag hasznosítható készlet 11-20%-át hasznosítják 20
Kiskörei vízerőmű Forrás: Mindentudás e, Kovács Ferenc (2003) Vízerőművek aránya a villamosenergia-termelésben (2000) 1. Norvégia 2. Izland 3. Luxemburg 4. Ausztria 5. Új-Zealand 6. Kanada 7. Svájc 15. Franciaország 19. USA 27. Magyarország Világ OECD % 99,45 82,47 71,67 70,37 66,41 60,97 58,01 13,37 6,86 0,51 14,39 21
Geotermikus energia geotermikus grádiens (Mo: 50 C/km) fűtés, mezőgazdaság, balneológia a hőpazarlás elkerülésére komplex hasznosítás kellene minél inkább: a még nem teljesen lehűlt vizeket is használni kellene! fűtőradiátorok használati melegvíz padlófűtés, strandfűtés energiatermelés: forró vízzel egy hőhordozó közeget elgőzöltetnek kitáguló gőz meghajt egy turbinát villamos energia termelés (kevés helyen) Termálkutak Magyarországon 22
A geotermikus energia környezetvédelmi előnyei helyi viszonylatban egy adott fogyasztó igényét akár 100%- ban is kielégíti komplex hasznosításra, környezetbarát technológiák megvalósítására sokféle lehetőséget kínál CO 2 kibocsátás elhanyagolható használata nem tartalmaz semmilyen szállítási kockázatot a termálvíz üzemű erőmű nem zavarja a természetes tájképet, így a természetbe történő beavatkozás a lehető legkisebb mértékű az alacsonyabb hőmérsékletű termálvizek hasznosításánál mint hőforrás tág tere nyílik a hőszivattyúk alkalmazásának Szélenergia megelőző évszázadokban: igen sok szélmalom Mo. Alföld: 1906-1920: t. m. 500 db Dánia 20. szd. eleje: 30 ezer db Németo. 1875: 30 ezer, 1933: 4500 db robbanómotorok elterjedése visszaszorította 1970-es évek olajválsága: kis teljesítményű szélturbinák üzembe állítása napjainkban: jelentős fejlődés technológia is gyorsan fejlődik lokális felhasználás (szélmotorok, kis teljesítmény) nagyteljesítményű szélerőművek (hálózatra csatlakoznak) 23
Szélenergia hasznosítás a világon Forrás: Tóth P. 2006 Szélenergia: előnyök A szélenergiára alapozott villamos energiatermelés tiszta technológia. Szinte nincs üvegházhatású gáz kibocsátás A legújabb kutatási eredmények szerint kontinentális feltételek mellett is gazdaságos lehet A szélerőművek működése nem akadályozza, hogy a felállítás helyén továbbra is mezőgazdasági tevékenységet folytassanak A teljes életciklus analízis alapján az offshore szélerőműveknél a szélerőmű teljes életciklusában felhasznált villamos energia a szélerőmű kilenc havi villamos energia termelésével, míg onshore szélerőműveknél 8 havi villamos energia termeléssel fedezhető 24
Beépített szélenergia kapacitások Forrás: Tóth P. 2006 Szélerőművek Ausztriában 25
Szélenergia Európában Európa: a világ beépített szélerő-kapacitásának kb. 70%-a szélgenerátorok telepítése: a szél intenzitása és megbízhatósága Nyugat-Európa tengerparti sávjában koncentrálódik terjeszkedés a selfekre és a szárazföld belsejébe is (tengeri szélfarmok: nagyobb szélerősség, de nagyobb a beruházás költsége is) lehetőségek: tengeri szélenergia-kapacitások kihasználása (egész Európa vill. E igényét fedezni lehetne velük elvileg) Szélenergiából történő villamosenergia-termelés részesedése az EU villamos energia felhasználásának százalékában: 2005-ben 2,8%, 2010-ben 5%, 2030-ban ~20% Az EU szélenergia kapacitása Forrás: Tóth P. 2006 26
Szélenergia: Magyarország Forrás: Tóth P. 2006 Erőmű helye Várpalota -Inota Kulcs Mosonmagyaróvár Mosonmagyaróvár Mosonszolnok Mosonszolnok Erk Újrónafő Szápár Vép Bükkaranyos Mosonmagyaróvár Mosonmagyaróvár Mosonmagyaróvár Mosonmagyaróvár Mosonmagyaróvár Mezőtúr Törökszentmiklós Mosonmagyaróvár Felsőzsolca Csetény Ostffyasszonyfa Beépített telj. MW 0.250 0.600 0.600 0.600 0.600 0.600 0.800 0.800 1.800 0.600 0.225 2.000 2.000 2.000 2.000 2.000 1.500 1.500 10.000 1.800 4.000 0.600 Kereskedelmi üzem 2000 2001. május 23. 2003 2003 2002. december 19. 2002. december 19. 2005. május 1. 2005. június 2005. augusztus 9. 2005. július 10. 2004 2005. december 2005. december 2005. december 2005. december 2005. december 2006. augusztus 2006. augusztus 2006 augusztus 2006szeptember 2006 szept., okt. 2006. augusztus 27
Szélenergia hasznosítás Magyarországon 12 10 Megtermel villamos energia (GWh) 9.8 8 6 5.4 4 3.74 2 0.92 1.12 0 GWh 2001 2002 2003 2004 2005 Forrás: Tóth P. 2006 A vízenergia nélkül! Forrás: Mindentudás e, Kovács Ferenc (2003) A megújuló energiaforrások aránya a villamosenergia-termelésben (2000) 1. Dánia 2. Luxemburg 3. Németország 4. Spanyolország 5. Görögország 6. Hollandia 7. Írország 13. Franciaország 19. Belgium 23. Svájc Világ OECD % 11,71 2,50 1,60 1,58 1,52 1,01 0,96 0,12 0,02 0,02 0,30 28