2011.
ENERGIAELLÁTÁS, MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK HASZNOSÍTÁSA
DR. TÓTH LÁSZLÓ GÖDÖLLŐ 2011
-2-
KÉSZÜLT A KLÍMAGAZDASÁGTANI SZAKKÖZGAZDÁSZ KÉPZÉS SZÁMÁRA
ENERGIAELLÁTÁS, MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK HASZNOSÍTÁSA
Szerkesztette: Dr. Tóth László Dr. Fogarassy Csaba
Szerzők: Dr. Tóth László Dr. Schremp Norbert
Gödöllő 2011
-3-
BEVEZETŐ..................................................................................................................................................... - 9 1.
AZ ENERGIA FELHASZNÁLÁS: JELEN ÉS JÖVŐ................................................................................. - 11 1.1 1.2 1.3
2.
A FEJLESZTÉS IRÁNYAI ....................................................................................................................... - 13 A JELEN ÉS A JÖVŐ ENERGIAPOLITIKÁJA .................................................................................................. - 17 A HAZAI ENERGIA HELYZET ................................................................................................................. - 22 HŐENERGETIKA ............................................................................................................................ - 33 -
2.1
A HŐFEJLESZTÉS ANYAGAI ÉS ELEMEI ..................................................................................................... - 33 2.1.1 Tüzelőanyagok ................................................................................................................... - 33 Szilárd tüzelőanyagok...................................................................................................................... - 37 Folyékony tüzelőanyagok ................................................................................................................ - 38 Motorhajtóanyagok ........................................................................................................................ - 38 Gáznemű tüzelőanyagok ................................................................................................................. - 39 -
2.2
HŐKÖZLÉS ..................................................................................................................................... - 40 2.2.1 A passzív hőközlés............................................................................................................... - 40 2.2.2 Termodinamikai rendszerek ................................................................................................ - 43 2.2.3 A direkt hőfelhasználás berendezései .................................................................................. - 45 Tüzelőberendezések szilárd tüzelőanyagokhoz ................................................................................ - 46 Kályhák és kazánok szilárd tüzelőanyagokhoz .................................................................................. - 49 Nagyméretű gőzkazánok ................................................................................................................. - 52 Fluid-ágyas kazánok ........................................................................................................................ - 53 Olaj és gáztüzelésű kazánok ............................................................................................................ - 54 -
2.3 2.4 2.5 2.6
HŐHORDOZÓK, HŐTÁROLÓK ............................................................................................................... - 61 KÖRFOLYAMATOK ............................................................................................................................ - 66 A HŐCSERÉLŐK ÉS SZERKEZETI KIALAKÍTÁSUK ........................................................................................... - 69 HŰTÉS .......................................................................................................................................... - 75 Kompresszoros hűtőberendezések .................................................................................................. - 75 Abszorpciós hűtőgépek ................................................................................................................... - 77 Hűtő- és közvetítőközegek .............................................................................................................. - 77 -
3.
ENERGIAGAZDÁLKODÁS ALAPJAI.................................................................................................. - 81 3.1 3.2
ENERGIAMÉRLEGEK .......................................................................................................................... - 82 AZ ENERGIAHATÉKONYSÁG ÉS MUTATÓI ................................................................................................ - 84 A hatásfok - 84 A hatékonyság ................................................................................................................................ - 85 Fajlagos energiafelhasználás............................................................................................................ - 86 -
3.3 3.4
AZ ENERGIASZÜKSÉGLET TERVEZÉSE ...................................................................................................... - 88 AZ ENERGIA KÖLTSÉGÖSSZETEVŐI ÉS ÁRA ............................................................................................... - 90 Az állandó költségek........................................................................................................................ - 90 Változó költségek............................................................................................................................ - 90 -
3.5
A VILLAMOSENERGIA-FELHASZNÁLÁS JELLEMZŐI ...................................................................................... - 91 Villamosenergia-vételezés ............................................................................................................... - 93 Teljesítménygazdálkodás................................................................................................................. - 93 Teljesítménydíjas árszabás .............................................................................................................. - 95 Alapdíjas árszabás ........................................................................................................................... - 97 -
3.6
AZ ENERGIAÁTALAKÍTÁS KÖLTSÉGEI ...................................................................................................... - 99 Ipari hőenergia-gazdálkodás .......................................................................................................... - 101 Lakossági kommunális hőfelhasználás ........................................................................................... - 101 Lakossági kommunális távhőellátás ............................................................................................... - 102 -
-4-
4.
ENERGIAHORDOZÓK FELHASZNÁLÁSA ERŐMŰVEKBEN .............................................................. - 104 4.1
HŐERŐMŰVEK ...............................................................................................................................- 104 Gőzturbinás erőműveket ............................................................................................................... - 106 Gázturbinás erőművek .................................................................................................................. - 110 -
4.2
ERŐMŰVEK KAPCSOLT ENERGIATERMELÉSE............................................................................................- 112 Nyitott ciklusú gázturbinás erőmű kapcsolt hőtermeléssel ............................................................. - 115 Kombinált gáz/gőzerőmű .............................................................................................................. - 116 -
4.3 4.4 5.
VÍZERŐMŰVEK ...............................................................................................................................- 118 ATOMERŐMŰVEK ...........................................................................................................................- 118 VILLAMOSENERGIA SZÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA .................................................................. - 120 -
5.1 5.2 5.3
NAGYFESZÜLTSÉGŰ ÉS KÖZÉPFESZÜLTSÉGŰ HÁLÓZATOK ............................................................................- 120 VILLAMOS ENERGIA ELOSZTÁSA ÉS IRÁNYÍTÁSI RENDSZERE .........................................................................- 126 A VILLAMOS RENDSZER ....................................................................................................................- 131 A mérlegkör - 131 -
5.4 5.5
TRANSZFORMÁTORÁLLOMÁSOK .........................................................................................................- 134 VILLAMOS HÁLÓZATOK MÉRETEZÉSE ....................................................................................................- 135 Szabadtári hálózatok kivitele ......................................................................................................... - 137 -
6.
BIOMASSZA ................................................................................................................................ - 139 6.1
TÜZELÉSI CÉLÚ SZILÁRD BIOMASSZÁK FIZIKAI ÉS ENERGETIKAI JELLEMZÉSE ......................................................- 142 6.1.1 Tüzelési célra is termeszthető mezőgazdasági haszonnövények ......................................... - 143 6.1.2 A mezőgazdasági növénytermesztés és feldolgozás melléktermékei .................................. - 144 6.1.3 Főnövényként termelt energianövények ............................................................................ - 147 6.1.4 Erdészeti eredetű tüzelőanyagok....................................................................................... - 149 6.1.5 Faipari melléktermékek..................................................................................................... - 150 6.1.6 Energetikai ültetvényből kitermelt fás szárú növények....................................................... - 151 6.1.7 Kommunális hulladékok .................................................................................................... - 153 6.2 A TÜZELÉSI CÉLÚ BIOMASSZA ENERGETIKAI FELHASZNÁLÁSÁNAK ELŐKÉSZÜLETEI ..............................................- 156 6.2.1 Betakarítás, apríték készítés ............................................................................................. - 156 6.2.2 Szárítás............................................................................................................................. - 159 6.2.3 Szállítás ............................................................................................................................ - 160 6.2.4 Aprítás, nemesítés ............................................................................................................ - 162 6.2.5 Energetikai tömörítvények ................................................................................................ - 162 6.2.6 Manipulálás, tárolás ......................................................................................................... - 168 6.3 BIOMASSZA TÜZELŐ BERENDEZÉSEI .....................................................................................................- 171 6.4 TÜZELŐANYAGOK ÉS TÜZELÉSI RENDSZEREK ...........................................................................................- 177 7.
HŐ- ÉS VILLAMOS ÁRAM TERMELÉS SZILÁRD BIOMASSZÁBÓL ................................................... - 181 7.1
7.2 7.3 7.4 7.5 8.
GŐZERŐMŰVEK .............................................................................................................................- 181 7.1.1 Villamos és hőenergia-termelés biomasszából gőzturbinával ............................................. - 181 7.1.2 ORC (Szerves Rankine Körfolyamat) rendszer..................................................................... - 183 GÁZTURBINÁS ERŐMŰVEK ................................................................................................................- 185 A BIOMASSZA ELGÁZOSÍTÁSA HŐ ÉS VILLAMOS ENERGIANYERÉSHEZ..............................................................- 187 ENERGIATERMELÉS BIOMASSZÁBÓL FLUID ÁGYAS GÁZOSÍTÁSSAL .................................................................- 195 KÜLSŐ ÉGÉSTERŰ MOTOR (STIRLING RENDSZER) .....................................................................................- 197 BIOGÁZ ELŐÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA .................................................................................. - 201 -
-5-
8.1 8.2
BIOGÁZ RENDSZEREK ÉS ALAPANYAGOK ................................................................................................- 201 A BIOGÁZ ELŐÁLLÍTÓ BERENDEZÉSEK FELÉPÍTÉSE .....................................................................................- 207 Nedves eljárás .............................................................................................................................. - 207 -
8.3
A BIOGÁZ ÁTALAKÍTÁSA HŐ ÉS (ILL.) VILLAMOS ENERGIÁRA ........................................................................- 214 A rendszerek felépítése ................................................................................................................. - 214 Vezérlés - 219 Gázmotoros kapcsolt energiatermelő rendszer illesztése ............................................................... - 223 -
8.4 8.5 8.6 9.
A BIOGÁZ MIKRO-GÁZTURBINÁS FELHASZNÁLÁSA ....................................................................................- 225 A TERMELT BIOGÁZ NEM KÖZVETLEN FELHASZNÁLÁSA ..............................................................................- 229 AZ ERJEDÉSI MARADÉK HASZNOSÍTÁSA .................................................................................................- 231 TERMÁLENERGIA ÉS FELHASZNÁLÁSI RENDSZEREI...................................................................... - 234 -
9.1
A TERMÁLENERGIA JELLEMZÉSE ..........................................................................................................- 234 A termálenergia meghatározása .................................................................................................... - 234 A termálenergia eredete ............................................................................................................... - 234 A geotermális anomália területei................................................................................................... - 237 Konduktív hőárammal fűtött tárolók ............................................................................................. - 237 Termokonvekcióval fűtött tárolók ................................................................................................. - 238 Mesterséges geotermális tárolók forró, száraz kőzetekben ............................................................ - 239 A termálenergia-kitermelő rendszer .............................................................................................. - 240 -
9.2
A TERMÁLENERGIA HASZNOSÍTÁSA ......................................................................................................- 242 -
9.3 9.4
A TERMÁLENERGIA KÖZVETLEN HASZNOSÍTÁSA .......................................................................................- 245 A TERMÁLENERGIA-HASZNOSÍTÁS HELYZETE MAGYARORSZÁGON ÉS A HATÉKONYSÁG NÖVELÉSÉNEK LEHETŐSÉGEI ...- 246 -
Villamosenergia-termelés termálenergiával ................................................................................... - 242 -
A hasznosítás hatékonyságának növelése ...................................................................................... - 247 A hőszivattyús termálenergia-hasznosítás...................................................................................... - 248 Kétcélú hasznosítás ....................................................................................................................... - 249 Hőcserélők alkalmazása ................................................................................................................ - 249 Szárítás - 249 -
9.5 10.
A HASZNOSÍTOTT TERMÁLVÍZ VISSZAJUTTATÁSA A TÁROLÓ-RÉTEGEKBE .........................................................- 250 GEOTERMIKUS HŐSZIVATTYÚS RENDSZEREK .............................................................................. - 253 -
10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 11.
A HŐSZÍVATTYÚS HASZNOSÍTÁS ELVI MEGFONTOLÁSAI ..............................................................................- 253 A HŐSZIVATTYÚZÁS HATÉKONYSÁGA ....................................................................................................- 254 GEOTERMIKUS HŐSZIVATTYÚS FELHASZNÁLÁSA FŰTÉSRE ÉS HŰTÉSRE ...........................................................- 259 HŐSZIVATTYÚ JELLEMZŐI ..................................................................................................................- 264 A GEOTERMIKUS FŐ TERÜLETEI ...........................................................................................................- 268 A SZORPCIÓS HŰTÉS (HŰTŐHÁZAK) .....................................................................................................- 269 NAPENERGIA HASZNOSÍTÁSA ..................................................................................................... - 272 -
11.1
NAPSUGÁRZÁSI VISZONYOK ...............................................................................................................- 272 A napsugárzásból nyerhető energia ............................................................................................... - 273 Jellemző napsugárzási adatok Magyarországon ............................................................................. - 275 Elnyelő felületen hasznosítható napsugárzás ................................................................................. - 279 -
11.2
A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS FŐ FORMÁI .............................................................................................- 281 11.2.1 Termikus hasznosítás ........................................................................................................ - 281 11.2.2 Fotovillamos hasznosítás .................................................................................................. - 283 11.3 A TERMIKUS RENDSZEREK ESZKÖZEI .....................................................................................................- 285 Sík-kollektorok .............................................................................................................................. - 285 Vákuucsöves kollektorok ............................................................................................................... - 288 -
-6-
11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9
NAPKOLLEKTOROK HATÁSFOKA ..........................................................................................................- 292 A HŐTÁROLÁS A SZOLÁR RENDSZEREKBEN .............................................................................................- 295 TECHNOLÓGIAI MELEGVÍZ-KÉSZÍTÉS .....................................................................................................- 297 MEDENCEFŰTÉS .............................................................................................................................- 304 KONCENTRÁTOROS KOLLEKTOROK .......................................................................................................- 306 FOTOVILLAMOS RENDSZEREK .............................................................................................................- 308 A fotovillamos rendszer felépítése ................................................................................................. - 308 A villamos energia tárolása............................................................................................................ - 315 Alkalmazások - 317 -
11.10 HMV RÁSEGÍTÉS ÉS MEDENCEFŰTÉS (PÉLDA) .........................................................................................- 319 11.11 NÖVÉNYHÁZI NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS .............................................................................................- 323 A hő tárolása................................................................................................................................. - 324 A növényház szerkezetébe integrált napkollektorok ....................................................................... - 325 -
11.12 SZÁRÍTÁS NAPENERGIÁVAL ................................................................................................................- 326 Szoláris gyümölcsszárító ................................................................................................................ - 326 Szoláris szénaszárító...................................................................................................................... - 327 -
11.13 SZOLÁRHŰTÉS ................................................................................................................................- 328 11.14 HIDROGÉN ELŐÁLLÍTÁSA NAPELEMEKKEL ...............................................................................................- 330 11.15 A PASSZÍV HASZNOSÍTÁS ESZKÖZEI .......................................................................................................- 331 A passzív hasznosítás szerkezetei................................................................................................... - 332 -
12.
A SZÉLENERGIA HASZNOSÍTÁSI LEHETŐSÉGEI ............................................................................. - 335 12.1 12.2
BEVEZETÉS ....................................................................................................................................- 335 A SZÉLENERGIAHASZNOSÍTÁS ELMÉLETE ................................................................................................- 338 12.2.1 A szélről általában ............................................................................................................ - 338 A globális széljárás ........................................................................................................................ - 339 A szél struktúrája .......................................................................................................................... - 341 A földi határréteg.......................................................................................................................... - 341 A szél változásai ............................................................................................................................ - 342 -
12.2.2 A szél mozgási energiája ................................................................................................... - 343 12.2.3 A szél időbeli változásának jellemzői ................................................................................. - 348 12.2.4 A szél, magasságtól való függése ...................................................................................... - 350 A szélsebesség a földfelszín közelében........................................................................................... - 350 A szélsebesség és a domborzati magasság kapcsolata .................................................................... - 355 -
12.2.5 A szél mérése .................................................................................................................... - 357 A szél észlelése műszer nélkül ....................................................................................................... - 357 A szél észlelése, műszerrel............................................................................................................. - 358 -
12.3
13.
A SZÉLERŐMŰVEK RENDSZEREZÉSE ......................................................................................................- 364 12.3.1 A szélgépek konstrukciós kialakítása, működése, a termelt energia hasznosítása ............... - 365 12.3.2 A teljesítmény szerinti felosztás......................................................................................... - 366 12.3.3 Áramtermelés szélerőművekkel......................................................................................... - 368 12.3.4 Szigetüzemű alkalmazás ................................................................................................... - 372 12.3.5 Szélerőművek szabályozása .............................................................................................. - 375 12.3.6 Szélerőművek telepítése.................................................................................................... - 376 ENERGIA TÁROLÁSA.................................................................................................................... - 379 -
13.1 13.2 13.3
MECHANIKAI AKKUMULÁTOROK .........................................................................................................- 381 HŐAKKUMULÁTOROK ......................................................................................................................- 386 VILLAMOS ÉS ELEKTROMÁGNESES ENERGIATÁROLÓK ................................................................................- 387 -
-7-
13.4 13.5 14.
ELEKTROKÉMIAI AKKUMULÁTOROK ......................................................................................................- 390 KÉMIAI TÁROLÓK, ENERGIAHORDOZÓK .................................................................................................- 393 MESTERSÉGESEN ELŐÁLLÍTOTT TÜZELŐANYAGOK ...................................................................... - 399 -
14.1 14.2
A HIDROGÉN, MINT ENERGIAHORDOZÓ ................................................................................................- 400 METANOL, MINT ENERGIAHORDOZÓ ....................................................................................................- 405 -
14.3
TÜZELŐANYAGCELLÁK ......................................................................................................................- 406 14.3.1 A tüzelőanyagcellák általános jellemzői ............................................................................ - 406 14.3.2 Tüzelőanyagcellás energiaforrások kialakítása .................................................................. - 408 14.3.3 A tüzelőanyagcellás energiaforrások üzemeltetési feltételei .............................................. - 408 14.3.4 A tüzelőanyagcellákban felhasznált tüzelőanyagok ........................................................... - 410 14.3.5 A tüzelőanyagcellák fajtái ................................................................................................. - 411 -
A mesterséges energiahordozók főbb felhasználási területei.......................................................... - 405 -
14.3.5.1. Alacsony hőmérsékleten üzemeltethető tüzelőanyagcellák ....................................... - 412 Hagyományos lúgos tüzelőanyagcella ............................................................................................ - 412 Protonáteresztő membrános tüzelőanyagcella .............................................................................. - 414 Direkt metanolos tüzelőanyagcellák .............................................................................................. - 417 Cink-alapú tüzelőanyagcella .......................................................................................................... - 417 14.3.5.2. Magas hőmérsékletű tüzelőanyag cellák ................................................................... - 418 Foszforsavas elektrolitú tüzelőanyagcella ...................................................................................... - 418 Olvadt karbonátos tüzelőanyagcella .............................................................................................. - 418 Cirkónium kerámiás tüzelőanyagcella ............................................................................................ - 418 Nagynyomású tüzelőanyagcella ..................................................................................................... - 419 14.3.5.3. A tüzelőanyagcellás és akkumulátoros energiaforrások összehasonlítása................... - 420 Tüzelőanyagcellák alkalmazása...................................................................................................... - 421 14.3.5.4. Közúti járművek villamos energia ellátása ................................................................. - 421 Az akkumulátoros villamos autó .................................................................................................... - 421 Tüzelőanyagcellás villamos autó .................................................................................................... - 423 Tüzelőanyagcellás energiaforrások járművekhez ............................................................................ - 425 Tüzelőanyagcellás energiaforrással megvalósított jármű ................................................................ - 428 -
IRODALOMJEGYZÉK.................................................................................................................................. - 433 FÜGGELÉK ................................................................................................................................................ - 437 -
-8-
Bevezető Könyvünkben az energiagazdálkodás leglényegesebb területeit - egyeseket elméleti, másokat gyakorlati szempontokból is - tárgyaljuk. Bemutatjuk általában az energiatermelést, az energiaátalakítást, a települések energia ellátásában fontos energiagazdálkodást, energiamegtakarítás lehetőségeit és az energiatárolás főbb kérdéseit.
Foglalkozunk a hő- és villamos energiát előállító berendezésekkel, a megújuló energiaforrások kinyerésével, a legjellemzőbb felhasználási módokkal. Az utóbbit azért hangsúlyozzuk, mivel úgy gondoljuk, hogy a közeli és távolabbi jövőben is egyre inkább meghatározóvá válnak energetikai rendszerünkben és a megújuló energiák felhasználásával járó
kihívások.
Ezért
is
részletesebben
foglalkoztunk
a
decentralizált
hő-
és
energiatermeléssel, miközben részletesebben ismertetjük, a megújuló energiaforrásokat felhasználó berendezéseket. Elemezzük az energiatárolást és ehhez a témához kapcsolható mesterséges energiaforrásokat, új energia előállítási formákat. Az energiahordozók feltárása és átalakítása a természettel szoros kapcsolatban van, ezért a környezetre gyakorolt hatása nem vitatható. A mai energiapolitika szerves részévé kell tenni az egészséges és tiszta környezet követelményének érvényesítését, vagyis a környezetnek prioritása van.
Az EU-elvárások ma már Magyarországra is érvényesek. 2020-ig pontosan kitűzött célok vannak, amelyek betartása a tagországokra a vállalásaik alapján kötelező. Magyarország az energiahordozókban szegény, ezért is fokozottan fontos a felhasználás minden ágában a takarékosság. Megítélésünk szerint az emberiség számára elkerülhetetlen, hogy kellő ütemben racionálisan változtasson energiafelhasználási szokásain, egyre inkább az energiaigényeinek jelentős részét a megújuló energiaforrásokra helyezze át, s e területeket felhasználói és elméleti szinten is intenzíven kutassa.
-9-
A magyar kormányzat 2010-től kiemelt szerepet szán az energiaracionalizálással kapcsolatos tennivalóknak. Ezt tükrözi a Nemzetgazdasági Minisztérium programja is az Új Széchenyi Terv vitairatában (NFM Fejlesztéspolitikai Program, 2010. július 28.). Ez alapján a jövőbeni magyar és európai energiapolitika várhatóan az alábbi prioritások mentén alakul:
A gazdasági növekedés támogatása, a foglalkoztatottság növelése.
Az ellátásbiztonság növelése és forrásdiverzifikáció.
Az energiaimport-függőség csökkentése.
A megújuló energia előállítás és felhasználás kiemelt ösztönzése.
Klímavédelem, alacsony szénkibocsátású gazdaságfejlesztés.
Könyvünket
a klímagazdaságtani szakközgazdász tanulmányokat
folytató egyetemi
hallgatóknak, az energiagazdálkodással, a vidék és településfejlesztéssel, a megújuló energiaforrásokkal, a környezetgazdálkodással foglalkozó szakembereknek, és főként alternatív energetika területén beruházást kezdőknek ajánljuk.
- 10 -
AZ ENERGIA FELHASZNÁLÁS: JELEN ÉS JÖVŐ
1.
Az emberi lét energiafelhasználáson alapszik. Létünk fenntartása is energiát igényel, amelyet a táplálkozás során veszünk magunkhoz. De az élet minden területén energiát használunk fel, energia nélkül nincs emberi élet. Az energiaforrások és szükségletek területi eloszlása rendkívül egyenlőtlen. A fűtési energiaszükséglet is különböző a hideg és a mérsékelt égöv alatt, a tüzelőanyag-, a magenergia- és a vízenergia készletek szintén egyenlőtlenül helyezkednek el. Az izomerőt (emberi és állati munkavégzést) követően a fa (biomassza), majd az ipari forradalom után a szén volt a legfontosabb energiaforrás. A XX. század közepe táján szinte ugrásszerűen megnőtt a szénhidrogén (nyersolaj és földgáz) jelentősége. Az olaj- és földgázkitermelés rohamos növekedése mellett a széntermelés mérsékeltebben emelkedett, a kitermelés egyre fokozódó műszaki és gazdasági nehézségei miatt. A földgázfelhasználás növekedése ma az olajfelhasználásén is túltesz. A kiterjedt földgáztelepekkel rendelkező államok gazdálkodásában jövedelemtermelő volta miatt egyre fontosabb szerepet játszik e tüzelőanyag, amely egyre keresettebb árucikké válik, s az energetikai hasznosítása mellett a szerves vegyiparnak is fontos alapanyaga. Ezek miatt az energiafelhasználás szerkezete jelentős mértékben átalakult, miközben az energiafelhasználás rohamos növekedése tapasztalható. A harmadik évezred elején az emberiség két nagy kérdés előtt áll:
hogyan lesz képes kielégíteni a növekvő energiaigényt a világban?
hogyan lesz képes megakadályozni a növekvő energiafelhasználás következtében fenyegető környezeti katasztrófát?
A Föld népessége meghaladta a 6 milliárdot. A prognózisok szerint további növekedés várható. A fejlett országokban él a népesség mintegy 20%-a, amely a Föld összes energiafelhasználásából közel 80%-ban részesedik. Ez a jelentős aránytalanság elsősorban az ipari és az általános emberi fejlődés eltérő üteméből, a jelenlegi fejlettségi szintek egyenetlenségéből adódik, kisebb részben a kontinensek közötti eltérő éghajlati viszonyok következménye.
- 11 -
1.1. ábra A világ egy főre vetített energia felhasználása (1,0), az egyes országok, és térségek vonatkozásában. A fejlődő világ energiafelhasználási igényei minden bizonnyal növekedni fognak. A szakemberek véleménye szerint azonban elképzelhetetlen, hogy a föld teljes népessége a jelenlegi
fejlett
országok
energiafelhasználási
szintjére
fokozza
egy
főre
jutó
energiafelhasználását. A tudomány és a technika jelenlegi fejlettségi szintjén a fenti igény tartósan nem lesz kielégíthető. Két lehetőség kínálkozik:
az energiafelhasználás hatékonyságának növelése, vagyis a termelés fajlagos felhasználásának csökkentése,
új, eddig ismeretlen, vagy ipari méretekben még nem alkalmazott energiaforrások felkutatása és alkalmazásba vétele.
Az energiatermelés (az energiaátalakítása, -szállítása és –felhasználása) nélkülözhetetlen eleme életünknek, de eközben környezetünk szennyezésének is jelentős forrása. A jövő energiafelhasználásával szemben támasztott legfontosabb követelmény azonban az, hogy a lehető legkisebb mértékben károsítsa a környezetet. Az energiagazdálkodás hatékonyságának növelése is ezért, egyrészt környezetvédelmi feladat, másrészt gazdasági érdek. Környezetvédelmi feladat, mert a hatékonyság növelése által megtakarítható energiát nem kell környezetünk rovására megtermelni. A társadalom minden csoportjának érdeke az energia-megtakarítás és a környezet védelme. A tudatformálás mellett a motiváció és az érdekeltség megteremtése a gazdaságpolitika
- 12 -
alakítóinak és a törvényalkotóknak a feladata, a megfelelő gazdasági és jogi környezet kialakításával. A hazai energiaszektor már az elmúlt évtizedben jelentősen csökkentette káros kibocsátását. Ezt számottevően befolyásolta az energiaintenzitás javulása, a megváltozott energiaforrásösszetétel, az energia-előállítás korszerűsödése, s a fogyasztás racionalizálása, főként az energiahasznosító eszközök, gépek és berendezések hatásfokának javulása. A magyar gazdasági fajlagos energia felhasználásának mérséklése a versenyképességünkben meghatározó, miközben a környezetterhelést is csökkenteni kell. Alapvető követelmény, hogy a meglévő nemzetközi és hazai feltételek mellett a lehető legkisebb ráfordítással lehessen biztosítani a gazdaság működéséhez és a fenntartható fejlődéshez szükséges energiát.
1.1
A fejlesztés irányai
Több kutatóintézet prognózisa a várható energia struktúrára 2030és 2050. években. A prognózisokban fellelhető egyébként igen jelentős szóródás ellenére egyértelmű, a fosszilis energiahordozók mérséklődő szerepe, miközben a megújuló energiák térhódítása igen számottevő.
1.2. ábra Az energianyerés jövőbeni alakulása - 13 -
(17 számottevő energetikai kutatócsoport prognózisa) Forrás: Brennstoff-Wärme-Kraft, 61. k. 10. sz. 2009. p. 9 Erőforrásainkat a jövőben, sőt már a jelenben is, nem a primer energiahordozók kitermelésének fokozására, hanem az anyag- és energiatakarékos technológiák fejlesztésére, ill. a környezetkárosító hatások csökkentésére kell fordítanunk. A technológiai fejlődés már napjainkban is ugrásszerű. A fejlett országok fajlagos energiafelhasználása az olajválságot követő elmúlt 30 évben jelentős mértékben csökkent. Ez a tendencia tovább fokozódhat és átterjedhet a fejlődő világ országaira. A környezetterhelés csökkentésére irányuló törekvések egyre meghatározóbbak. A legfontosabb területek:
levegőtisztaság védelem,
vízszennyezés csökkentése,
talajszennyezés csökkentése,
üvegházhatás csökkentése.
Az energiahatékonyság növelésére, a fajlagos energiafelhasználás csökkentésére az élet szinte minden területén nyílik lehetőség. A legfontosabb területek az alábbiak szerint csoportosíthatók:
ipari technológiák energiahatékonyságának növelése,
településeken a fűtési célú energia hatékonyság (szigetelés, hő visszanyerés, jobb hatásfokú fűtőberendezések, stb.),
szállítás energiaigényének csökkentése,
energia felügyeleti és szabályozó rendszerek a fenti területeken.
A megújuló energiaforrások kihasználása az energiaellátás hosszabb távú racionalizálásában és a környezetkárosítás csökkentésében egyaránt fontos szerepet játszik. Ma már egyre több ország él azzal a lehetőséggel, hogy a rendelkezésére álló megújuló energiaforrásokat hasznosítsa. Az illető ország adottságaitól függően elsősorban az alábbi megújuló energiaforrások hasznosításáról beszélhetünk:
napenergia,
szélenergia,
biomassza,
földhő,
- 14 -
vízenergia,
hullámenergia, stb.
A megújuló energiák hasznosítása terén problémát jelent, hogy a legjelentősebbek időben változó mértékben állnak rendelkezésre, eltérnek a felhasználás igényeitől. Ezért is a megújuló energiaforrások hasznosításában a kutatások és a fejlesztések sarkalatos kérdése az energiatárolás nagy volumenekben történő megvalósítása, a villamos iparban a kiegyenlítő rendszerek kialakítása.. A formálódó uniós energiapolitika fókuszában ennek megfelelően a következő témakörök kapnak kiemelt szerepet: az ellátásbiztonság, az európai energiapiac integrációja, a megújuló energiaforrások felhasználásának növelése, az energiahatékonyság, takarékosság ösztönzése. Az EU az összes tagország átlagára vonatkozóan szigorú határértékek kitűzése mellett döntött: 2020-ra a teljes primerenergia használatának 20%-kal való csökkentése 2020-ig 20 %-kal csökkenteni az üvegházhatású gázok kibocsátást az EU-n belül 2020-ig a teljes energiamixének 20 %-át fedezze, a megújuló energiaforrásokból 2020-ra a bioüzemanyagoknak legalább 10 %-os arányt kell elérniük. Az Európai Unió a 2008. január 30-án közzétett „Javaslat - Az Európai Parlament és Tanács irányelve a megújuló forrásokból előállított energia támogatásáról dokumentumban Magyarország felé 2020-ra 13%-os megújuló energiahordozó részarány elvárást határozott meg. Az egyes energia formákra vonatkozóan vállalásunkat a 1.3. ábra szemlélteti.
- 15 -
1.3. ábra A megújulók felhasználása energiahordozók szerint Forrás: Stratégia a magyarországi megújuló energiaforrások felhasználásának növelésére 2008-2020 Ennek megvalósítása mellett a szakemberek kiemelten fontosnak tartják a hatékonyabb kutatást és innovációt az energo-technológiák, az energiahatékonyság és a környezetvédelem területén. Az alábbiakban a teljesség igénye nélkül néhány jellegzetes fejlesztési igényt sorolunk fel: Hagyományos energiahordozók területén:
kombinált fluid tüzelés (többféle energiahordozó alkalmazására),
villamos energia tárolása (nagyteljesítményű akkumulátorok),
hidrogéntermelés, üzemanyagcellák,
szupervezető technika (villamos energiaátvitel),
kapcsolt hő-, és villamosenergia-termelés,
ipari veszteséghő hasznosítása a távfűtésben,
energiatakarékosabb világítás,
épületek hőszigetelése.
Megújuló energiák területén:
napelemek hatásfokának javítása,
- 16 -
integrált, biogázt hasznosító gázturbinák,
biomassza elgázosítás,
fluidágyas tüzelés,
folyók hőenergiájának hasznosítása (fűtés, hűtés),
lakóterületeken, lakóházakban a megújuló energiák rendszerszemléletű hasznosítása.
Ezekkel a kiragadott példákkal a fejlesztések jellegére kívántunk rámutatni, újra hangsúlyozva, hogy a jövőben a rendelkezésre álló erőforrásokat (humán és anyagi erőforrásokat egyaránt) az energiahatékonyság növelésének és a környezetvédelemnek a szolgálatába kell állítanunk.
1.2
A jelen és a jövő energiapolitikája
A világ alapenergia fogyasztási adatait, és az országos törekvéseket vizsgálva levonható egy tendencia, melynek segítségével közelítő értéket kaphatunk arról, hogy a jövőben miképpen fog változni a fogyasztás. Ezen megfontolások alapján elkészítették a 2020-ra, illetve a 2050-re várható fogyasztási adatokat a különböző területek figyelembevételével. A világ egyes területeinek a fejlődése a jövőbeni energiaigény növekedésével jár együtt. A 1.4. ábra a fogyasztás regionális megoszlásának adatait tünteti fel és az egyes régiók növekedési rátáját mutatja be. (A diagrammon az 1990-es évek tényleges adatai – és jelenlegi fejlődési tendenciák – alapján történt becslés a 2050-es év adataira.
- 17 -
1.4. ábra A világba várható primer fogyasztások energiaféleségek szerint az évszázad közepére tce: (betűszó) tonna szénegyenérték; 1 tce = 29,31GJ = 8,14 MWh
A globális összesítésekben felfedezhető kiegyenlítődéssel szemben rendkívül nagyok a lokális eltérések értékei. A fejlődő országok alapenergia felhasználásának növekedési rátája háromszorosa a fejlett országokénak. Ez azt jelenti, hogy a világ szennyező forrásaként a nagy ipari államok mellett mind nagyobb súllyal jelennek meg a fejlődő országok. Tovább növeli az ellentétet az a körülmény, hogy ezek az országok (sok esetben gyakorlatilag földrész méretűek, pl.: Afrika, Kína) kevésbé törődnek a globális környezeti problémákkal és a legolcsóbb megoldást keresik, pl. a szénerőművek építésénél is.
- 18 -
1.5. ábra A világ erőműpiaca technológia szerint (egyéb = megújuló) Forrás: Stróbl A. Energiamérlegekről(előadás) Budapest, 2010. május 15.
1.6. ábra A villamosenergia-termelés összetétele a primerenergia-hordozók szerint a világon (egyéb= megújuló) Forrás: Stróbl A. Energiamérlegekről(előadás) Budapest, 2010. május 15. Az előzőkből levonható globális megállapítások:
- 19 -
A világ alapenergia fogyasztása – egyre gyorsuló ütemben – folyamatosan nőni fog. Belátható időn belül nem várható az energiaigény növekedésének mérséklődése. Ennek a jelenségnek összetevői: a Föld lakossága erőteljesen nő és ugyanakkor az egy főre jutó fajlagos fogyasztás nem csökken, hanem enyhe mértékben, de szintén nő. A alapenergia felhasználás összetételét tekintve az olaj részaránya markánsan csökkeni fog, helyét 2020-ig a földgáz, majd az atomenergia tölti ki. A prognózis az ismert készletek és a kitermelési költségek alapján készült, ezért ezen a jövőben még jelentős módosulás is bekövetkezhet. Környezetvédelmi szempontból kedvező a földgáz előretörése. A szénfelhasználás részaránya 2020-ig szinten marad, majd valamelyest csökkenni fog. Ez a trend akkor is érthető, ha tudjuk, hogy a globális szénkészletek óriásiak, évszázadokra kielégítők. Ugyanis nyilvánvaló, hogy a légköri szennyezés elfogadható szintű mérséklése a széntüzelésnél ma még nem megoldott, ezért a szén felhasználásának átmeneti csökkenése várható addig, amíg elegendő a földgázkészlet. Általánosan megállapítható, hogy a globális komponensek kiegyenlítődése várható 20-23 %-on, kivéve az atomenergiát, amely távlatilag sem fogja elérni a 15 %-ot. Az üzemi
kibocsátások
nyilvánvalóan
a
szempontjából
jelenlegi
kedvező
technológiával
atomenergia
szembeni
mérsékelt
(elsősorban
súlya
politikai)
fenntartásokra és a nagyaktivitású hulladékok kezelésének megoldatlanságára vezethető vissza. Az Európai Unió felismerte, hogy az energetikával kapcsolatos kihívásokra nincs egyedüli megoldás, ezért az Unió számos különböző technológiát nevez meg egyidejűleg a jövőbeli fejlesztések fő irányaként: megújuló energiák technológiái és hasznosításuk, energiahatékonyságot és környezetbarát energiafelhasználást elősegítő fejlesztések (pl. üzemanyagcellák), tiszta szén technológiák, szén-dioxid elnyeletés és megkötés ipari megvalósítása,
- 20 -
gazdaságilag kifizetődő, második generációs bioüzemanyagok kifejlesztése a közlekedés számára, új energiahordozók elterjesztése, mint pl. a hidrogén, vagy a biogáz üzemanyag célú felhasználása, intelligens energia rendszerek, továbbfejlesztett
maghasadás
és
fúzió
kifejlesztése
az
ITER
megállapodás
végrehajtásával. A megújuló energiaforrások hasznosításához, az egyéb területeken megvalósuló technológiai fejlesztések
eredményei
nagyban
hozzájárulhatnak
a
megújulók
felhasználásának
eredményességéhez. Az egyik ilyen terület az energia tárolás terén várható technológiai fejlesztések, amelyek révén
megoldhatók
lennének
az
időjárásfüggő
megújuló
energiatermelés
rendszerszabályozással kapcsolatos nehézségei. Az energiatárolásnak jelenleg több országban is alkalmazott eszköze a szivattyús energiatározó (SZE). Ezt a kedvező domborzati viszonyokkal rendelkező országokban elsősorban a változékony szélenergia termelés kiegyenlítésére alkalmazzák. Magyarország természeti viszonyai miatt sokan ellenzik a szivattyús-tározós erőmű alkalmazását, többen úgy vélekednek, hogy a megújuló alapú
energiatermelés
villamosenergia-rendszerbe
illesztéséhez
költséghatékonyabb
megoldások is ismeretesek. A megújuló alapú villamosenergia-termelés másik jelenleg is elterjedt tárolási módszere az akkumulátor, amelyet nagy valószínűséggel az üzemanyagcellák váltanak majd fel (a közlekedésben és a telekommunikációban is). Küszöbön van a hidrogén alapú gazdaság kiépítése. Ma az Egyesült Államokban a hidrogén üzemanyagként történő gyakorlati felhasználása áll a kutatások fókuszban, de meghatározó szerepet játszhat az energiatárolásban is. Ennek egyik példája, amikor pl. szélerőművek által termelt árammal elektrolízis révén hidrogént állítanak elő, amely tárolható és szállítható. A hidrogént kedvező tulajdonságai alapján (fűtőértéke, hővezető képessége, előfordulása, előállítási és tárolási lehetőségei) már régen alkalmazzák pl. a vegyiparban, a gyógyszergyártásban.
- 21 -
Információ és ismerethiány oldása A megújuló energiahordozó felhasználás növekedése előtt álló korlátok azokból a nehézségekből fakadnak, melyek minden új technológia piacra kerülésekor jelentkeznek. Az egyik fontos elem a potenciális felhasználók megfelelő ismereteinek, s ebből fakadóan a bizalom hiánya. A lakosság tájékoztatásában, meggyőzésében a helyi önkormányzatok szakembereinek szerepe döntő. Szükségszerű a hozzáértő szakemberek, szakreferensek képzése. Olyan szakemberekre van szükség, akik minden szempontból képesek lebonyolítani a megújuló energiák hasznosítását célzó projekteket önkormányzati és regionális szinten is.
1.3
A hazai energia helyzet
A világon meglévő villamos erőművek igen jelentős mértékű átrendeződést mutatnak visszatekintve 1965-ig. Ez a trend feltehetően változik 2020-2025-ig. A változás leginkább az egyéb erőmű kategóriába és a kombinált hő-villamos energia erőművek területén mutatkozik meg. Mindkét helyen növekedés várható. Erősen vitatott, hogy az atomerőmű felhasználás tekintetében a kialakult csökkenő trend fennmarad vagy további változás következik be. Ezt mutatja az 1.5. ábra is, ahol a villamos termelésre felhasznált primer energiák összessége látható világviszonylatban. Igen jelentős csökkenés van atomenergia és az olaj tekintetében. A vízienergia tekintetében a felhasználás trendje ugyancsak csökkenő, viszont jelentős növekedést prognosztizálnak a földgázfelhasználásban és az egyéb energiák területén, amely a megújuló energiákat illeti.
- 22 -
1300 1200
egyéb
1100 1000
primer villany
900 800 700
gáz
600 500 400
olaj
300 200
szén
100
09
07
06
05
08
20
20
20
20
20
04 20
03 20
02
00
99
98
97
01
20
20
20
19
19
19
96 19
95 19
93
92
91
94 19
19
19
19
19
90
0
1.7. ábra A primerenergia-ellátás összetétele 2008 Forrás: MVM éves tájékoztató A hazai energiahelyzetet vizsgálva megállapítható, hogy az elmúlt 18-20 évben a hazai energiahelyzet jelentős mértékben nem változott. Általában az össze energiafelhasználás 1100-1150 PJ mértékben mutatkozik. Csökkenés tapasztalható a szén és olaj felhasználásban. Ugyanakkor a meglévő erőműveink hatékonysága az elmúlt 50 évben jelentős mértékben változott. A hatásfokuk 22-23-24 %-ról 35 %-ra növekedett. Nyilvánvalóan ez igen jelentős mértékben primer energia csökkenéssel járt. Ezt mutatja az a kifejezés, hogy az 1 kWh villamos energia előállítással hány MJ-nyi primer energiát használtunk fel. (1.8. ábra).
- 23 -
1.8. ábra Hatásfok változás és a termelt villamos energiára vonatkoztatott fajlagos tüzelőanyag felhasználás. Forrás: MVM éves tájékoztató
Nevezetes tendencia, hogy jelentősebb mértékben növekedett a nagyerőműveink károsanyagkibocsátása. Drasztikus változás következett be a szén-dioxid kibocsátásban és ma már elmondható, hogy mind a szilárd anyag, a szén-hidrogén és a nitrogén-oxid kibocsátásban is alacsony szinten vannak erőműveink.
- 24 -
1.9. ábra A nagyerőműveink káros anyag kibocsátásának alakulása (ezer tonna/év) Forrás: MVM éves tájékoztató A primer energiaforrásaink kb 63 %-át importáljuk. A hazai termelés csupán 37-38 %-os. Ez igen jelentős kiszolgáltatottságot jelent az energiaiparunk vonatkozásában. A behozatalnak a megosztása is igen kedvezőtlen.
1.10. ábra Primerenergia-források 2008(Magyarország) Nagymértékben hozunk be gáznemű és cseppfolyós energiahordozókat. A cseppfolyós energiahordozók jelentős részét a közlekedés és a vegyipar használja. A gáznemű
- 25 -
energiahordozók nagyrész a lakosságé és jelentős mértékben a villamos energiaipar használja fel. A hazai termelés jelentéktelen.
1.11. ábra A behozatal megoszlása Forrás: Energia Központ Kht. Az összes energiából, melyet hazai vonatkozásban állítunk elő a legjelentősebb - az atomerőmű működése révén - a villamos energia.
1.12. ábra A hazai termelés Forrás: Energia Központ Kht. A megújuló energia hordozókból a villanyt kifejezetten a fa bázisán állítunk elő, amelyet erőműveinkben tüzelünk el, s e helyzet gazdaságosan nem tartható fenn.
- 26 -
1.13. ábra A hazai primerenergia-felhasználás strukutúrájának alakulása (2008) Forrás: Energia Központ Kht. A teljes hazai energiamérleg az 1.13. ábrán látható. Ezen energiamérlegből kiolvasható a hazai termelés és a nettó import, de export is amely a feldolgozás eredménye. Összességében legnagyobb energiafogyasztók a lakosság és az ipar, a közlekedés, valamint a szolgáltatás közel azonos mértékben, de kevesebbet hasnál. Jelentős mértékű az energiaátalakítás vesztesége, de jelentős a veszteség is. Az utóbbiak jelzik, további tennivalóink vannak a jövőben épülő erőművek energiafelhasználási hatékonyságának javításában. Különféle szcenáriók készültek a 2020-2030 és 2050-es évreke, a végső energiafelhasználás vonatkozásában. A becslésnél számoltak az elmúlt évek GDP és energiafelhasználás regressziójával. A végső energiafogyasztás energiahordozók szerint, PJ 1.1 táblázat Kiinduló
Várható (PJ)
2010
2020
2030
2050
Hő
447
461
480
510
Villamos
145
168
195
263
Üzemanyag
200
230
245
274
- 27 -
Összesen
792
859
920
Hő
56,4%
53,7%
52,2%
48,7%
Villamos
18,3%
19,6%
21,2%
25,1%
Üzemanyag
25,3%
26,8%
26,6%
26,2%
100,0%
100,0%
100,0%
100,0%
Összesen
1047
Forrás: Strobl A. 2010
1.14. ábra Teljes energiamérleg 2008-ban (az adatok PJ-ban). Forrás: Stróbl A. Energiamérlegekről (előadás) Budapest, 2010. május 15. A végső felhasználásban ahőenergia felhasználás csökken, a villamos energia részaránya jobban nő – részben a hő-piacon, részben a közlekedésben való nagyobb szerepvállalása miatt. Az üzemanyag részaránya nem vagy keveset változik, mert a közlekedés nagyobb felhasználásában már itt is szerepet kap több alternatíva. - 28 -
Jelentős probléma az energia iparunk előtt, hogy a meglévő erőműveink jelentős részét „le kell cserélni‖. Mint láttuk egyrészt a hatékonyság javítása is szükséges, másrészt pedig az energiahordozókban változás várható. A villamos energia iparban az erőműveket pótolni kell. Az új erőművek építése a csúcstermelés felett kis mértékben elodázható (az ellátásbiztonság kockáztatásáig), de 2017 táján a csúcsterhelést is érinti, addigra tehát feltétlen új erőműveket kell üzembe állítani. 2020-ig új atomerőmű megépítésével nem számolhatunk, tehát az igényt a megújuló energiából és a gázerőművekkel lehet pótolni.
1.15. ábra A globális lehetőségek és az várható (megoldandó) igény Forrás: Stróbl A. Energiamérlegekről(előadás) Budapest, 2010. május 15. A villamosenergia termelésünk napi lefolyását szemlélteti az 1.15. ábra. Jól látható, hogy atomerőmű működése folyamatos. A kiserőművek is a nap nagy részében hasonló kapacitással dolgoznak. Jelentős változást a völgyidőszakok idején a szabályozott erőműveknél következik be. Ennek jelentősége még inkább növekedni fog, ha a megújuló energiák volumene növekszik, hiszen a megújuló energiák rendszerszerű felhasználása szabályozó erőművek nélkül nem valósítható meg.
- 29 -
1.16. ábra A villamos energia termelés egy napja Prognózisok készülnek a megújuló energia várható felhasználására is. A különféle becslésekből kiolvasható: ha el akarjuk érni 2020-ra a 13 %-ot az összes energiafelhasználás vonatkozásában, akkor a megújuló energiaforrásoknál a biomassza hőenergia célú felhasználása mellett a legnagyobb mértékben a villamos energia termelést kell favorizálni. Ezzel a napenergia, a szélenergia és a különféle kombinált biomasszás erőművek jelentősége növekszik meg (1.17. ábra).
1.17. ábra A megújulók várható megoszlása
- 30 -
Forrás: Stróbl A. Energiamérlegekről(előadás) Budapest, 2010. május 15. A végső villamosenergia-fogyasztásból a megújulók 1,2, táblázat Kiinduló
Kedvezőbb (hatékony)
2010
2020
2030
2050
Összes, PJ
144,7
176
215
320
Összes, TWh
40,2
48,9
59,7
88,9
Megújulók
2,85
7,09
13,20
25,00
Biotermikus1
2,20
4,12
5,20
8,85
Primer2
0,65
1,85
6,45
12,65
Geotermikus
0,00
1,12
1,55
3,50
Biotermikus1
5,47%
8,43%
8,71%
9,96%
Primer2
1,62%
3,78%
10,80%
14,23%
Geotermikus
0,00%
2,29%
2,60%
3,94%
7,09%
14,50%
22,10%
28,13%
Összes, %
Megjegyzések: 1 – Biotermikus (szilárd, folyékony, gáznemű megújulók) 2 – Primer megújulók (szél, nap, víz), 100%-os hatásfokúak Látható, hogy elsősorban a primer megújuló forrásokból származó villamos energia növekedhet meg jelentősen (elsősorban a szélerőművek és a naperőművek terjedésével). Erőteljes növekedés várható a geotermikus forrásaink villamosenergia-ipari hasznosításánál. Bizonytalanabbul ítélhető meg a biotermikus erőművek fejlődése. A biogáz, a kommunális hulladékértékesítés és a mezőgazdasági maradványok termikus felhasználása nagyobb növekedés jelenthet, mint a dendromassza (fa) hazai energetikai értékesítése.
KÉRDÉSEK
- 31 -
1. A környezetterhelés csökkentésére és az energiahatékonyság növelésére irányuló törekvések 2. EU az összes tagország átlagára vonatkozóan szigorú határértékek? 3. Fejlesztési igények az energo-technológiák, az energiahatékonyság és környezetvédelem területén 4. A hazai energia helyzet, a felhasználás várható trendje 5. Teljes energiamérleg alakulása
- 32 -
a
HŐENERGETIKA
2.
A hőenergetika témaköréből - terjedelmi lehetőségeink miatt - csupán az alapvető összefüggések és a legjellemzőbb műszaki megoldások közül emeltünk ki néhányat, remélve, hogy azok az újabb technikák megismerését segítik.
2.1
A hőfejlesztés anyagai és elemei
A természetben előforduló tüzelőanyagok legfontosabb éghető alkotórészei a szén (C), a hidrogén (H2) és a kén (S). Az éghető alkotók oxigénnel (O2) való hőfejlődés melletti teljes vagy részleges oxidációját nevezzük égésnek. A szilárd carbon (C) oxidálódás közvetlen magas hőmérsékleten izzik, a gázok és gőzök lánggal égnek. A szilárd és cseppfolyós tüzelőanyagok égésénél a lángképződés onnan ered, hogy azokból a gyulladáspontra való felhevülés folyamán éghető gázok és gőzök távoznak. Az oxidáció sebességét a hőmérséklet, a koncentráció és katalitikus hatás is befolyásolja. A tüzelőanyagok eltérő mennyiségben meddő (innert) anyagokat is tartalmaznak. Közülük a legfontosabb a víz (H 2O), a nitrogén (N2), a szén-dioxid (CO2) és a hamu (karbonátok, foszfátok, oxidok, szulfátok). 2.1.1
Tüzelőanyagok
A tüzelőanyagok csoportosításának számtalan formája lehetséges. Célszerű azonban eredetük, ill. halmazállapotuk szerint csoportosítani. Ezek szerint megkülönböztetünk fosszilis (természetes)
eredetű
és
a
megújuló
energiahordozók
kategóriájába
sorolható
tüzelőanyagokat. Ezen belül is beszélhetünk természetes és mesterséges tüzelőanyagokról. A másik csoportosítási mód a halmazállapot szerinti besorolás, amely szerint a tüzelőanyag lehet szilárd, cseppfolyós vagy gáz- halmazállapotú. Természetes szilárd energiaforrás a fa, tőzeg, barnaszén, kőszén folyékony energiaforrás az ásványolaj (kőolaj) gáznemű energiaforrás a földgáz a nap, a víz és a szél Mesterséges energiaforrások: szilárd a faszén (koksz, brikett, stb.)
- 33 -
folyékony energiaforrás az ásványolaj lepárlási termékei (benzin, gázolaj, stb.) gáznemű (pl. a szén lepárlási termékei, a bontott gázok kohógáz, generátorgáz, világítógáz, propán, butángáz, hidrogén, stb.) A tüzelőanyag alkotó elemei: éghetők: a szén (C), a hidrogén (H), a kén (S) éghetetlenek: az oxigén (O), a nitrogén (N) meddő anyagok: a hamu, a salak, az ásványok és a víz A tüzelőanyagok használhatóságának főbb jellemzi: a fűtőérték és égéshő,
MJ/kg
az illórész-tartalom,
%
a nedvességtartalom,
%
a hamutartalom,
%
a szemcsenagyság,
mm
a tárolhatóság Az energiaforrások csoportosítása 2.1. táblázat
Természetes Mesterséges megújuló Megnevezés
fogyó
energiaforrások Másodlagos
Alapenergia Növényi- és tüzelőanyagok
Szilárd
állati eredetű tüzelőanyagok
energia
Tűzifa – Kukoricaszár Trágya – Egyéb
Faforgács –
mezőgazdasági
Fűrészpor
hulladék
- 34 -
Faszén
Tőzeg – Lignit – Barnaszén –
Ásványi
Félkoksz –
Feketeszén – tüzelőanyagok
Koksz –
Antracit – Olajpala (égőpala)
Szénbrikett – Kokszbrikett Benzin – Petróleum – Gázolaj –
Folyékony
Tüzelőolaj –
Ásványolaj
Fűtőolaj –
tüzelőanyagok
Szintetikus tüzelőolajok Kátrányolaj Szénelgázosítás Szénlepárlás Gáznemű
Földgáz – Bányagáz
tüzelőanyagok
– Mocsárgáz
– Fagáz – Olajgáz – Krakkgáz – Kohógáz – Biogáz
Hasadó
Uránium (U235, U238) 232
– Tórium (Th
anyagok
Hőenergiaforrások
Napsugárzás – Tengervíz
(hőhordozók)
hőmérsékletkülönbsége
- 35 -
)
Plutónium (Pu239) – Uránium (U233)
Vízgőzforrások
Gőz –
(gejzírek) –
Melegvíz –
Melegvíz források
Villamos
(termálvíz) -
energia
Villamos Mechanikai
Vízenergia (folyóvíz,
energiaforrások
árapály) – Szélenergia
energia – Sűrített levegő – Gőz – Gáz – Víz
Forrás: Gépész- és Villamosmérnökök Kézikönyve. 3, 1961. Könyvünkben a megújuló energiaforrásokkal önálló tananyagrészekben foglalkozunk, azaz a természetes energiaforrásoknak (a megújuló primer energiahordozók) azon csoportjával, amelyek gazdaságilag értékelhető időn belül, természetes úton megújulnak. A tüzelőanyagok elégetése A fosszilis tüzelőanyagok elégetésekor az éghető anyag oxigénnel egyesül és a reakció során hő szabadul fel. Az égés folyamatát, mint kémiai átalakulást az ún. sztöchiometrikus egyenletek szemléltetik. Az egyenletek bal oldalán a kezdeti állapotok, a jobb oldalán a végtermékek találhatók. A reakciókat általában ebben az irányban lefolyónak tekintjük, de a valóságban a folyamat egyensúlyi állapotától függően mindkét irányban végbemehet. Mintaként a tiszta szén (karbónium) égésének folyamatát tekintve megállapítható, hogy tökéletes égés (C + O2 = CO2) esetén széndioxid, léghiány esetén (2C + O2 = 2CO) szénmonoxid keletkezik. A hidrogén égésekor (H2 + O2 = H2O) víz(gőz) keletkezik. A metán tökéletes égésekor (CH4 + 2O2 = CO2 + 2H2O) széndioxid és víz(gőz) keletkezik. A víz keletkezéséhez kapcsolódóan értelmezzük a tüzelőanyagok legjelentősebb értékmérőit: a fűtőértéket és égéshőt (a külföldi irodalom e két értékmérőt alsó és felső fűtőértékként különbözteti meg). A fűtőérték: a tüzelőanyag 1 kg-jának a tökéletes elégetésekor keletkezik energia-, ill. hőmennyiség, ha az anyag hőmérséklete az elégetés előtt és a keletkezett égéstermékek hőmérséklete az elégetés után megegyezik, s az anyag nedvességtartalma (az elégetés alkalmával keletkezett víz) elégetés után gőzhalmazállapotban van jelen. Az égéshő a tüzelőanyag 1 kg-jának a tökéletes elégetésekor keletkező energia-, ill. hőmennyiség, s az anyag hőmérséklete az elégetés előtt, valamint a keletkezett égéstermékek hőmérséklete az elégetés után megegyezik, az anyag nedvességtartalma (az elégetés alkalmával keletkezett víz) elégetés után cseppfolyós állapotban van jelen. - 36 -
A kéntartalmú tüzelőanyagokban a kén égése (S + O2 = S2O) is szerepet játszik a hőtermelésben, de (szennyezőanyagként) hatása környezetvédelmi szempontból jelentősebb. A levegőt alkotó gázok (oxigén kivételével) hatása sem elhanyagolható, hiszen az égés során nagy mennyiségben jelenlévő nitrogén (a tüzelőanyag is tartalmazza) a környezetet szennyező nitrogénoxidok (NOx) keletkezésének okozója. Szilárd tüzelőanyagok A fa növényi szövet cellulózból, lignitből és egyéb ásványi anyagokból áll. A tűzifa kis hamutartalmú és nagy illótartalmú tüzelőanyag. A tőzeg - a szénülés első termékeként - sás- és nádfélék víz alatti bomlásakor keletkezik. A szén növényi eredetű üledékes kőzet. A különböző geológiai korokban, nagy tömegben összegyűlt növényi részek maradványa (barnaszén feketeszén antracit). A faszén a jó minőségű, nagy fűtőértékű fa levegőtől elzárt hevítésével keletkezik.. A koksz a szén lepárlási terméke. A szén levegőtől elzártan hevítve kátrányt és világítógázt ad. Az illótartam lepárlási gáz formában történő távozása után a retortában visszamaradt termék a hidrogénben és oxigénben szegényebb, illó alkotórészeket már alig tartalmazó, karbóniumban gazdag szilárd termék a koksz. A brikett a szilárd tüzelőanyagok kitermelésekor, osztályozásakor keletkező apró- és por alakú részeinek darabosított terméke. A darabosítást sajtolással, kötőanyag felhasználásával végzik. A kötőanyag lehet kőszénkátrányszurok, bitumen, pakura, vadgesztenyeliszt. Néhány szilárd tüzelőanyag jellemző adatai Forrás: Ražnjević.: 1964. 2.2. táblázat Tüzelőanyag neve
Fűtőérték1 - Ha Égéshő1 - Hf
Nedvesség
Hamutartalom
Fa
[kJ/kg] 14 277
[kJ/kg] 18 841
[%] 50
[%] 0,5
Tőzeg
14 528
22 609
80
2,5
Barnaszén
20 725
28 470
45
16
Kőszén
28 973
32 238
7
13
- 37 -
Faszén
28 596
30 564
5
1
Folyékony tüzelőanyagok A folyékony tüzelőanyagok a nyersolaj (kőolaj), barna- vagy feketeszénkátrány lepárlásával és cukortartalmú folyadékok erjesztésével előállított éghető termékek. A folyékony tüzelőanyagok legnagyobbrészt nyersolajból származnak. Fűtőolajok nagy viszkozitású, magas a dermedéspontú folyékony tüzelőanyagok. Környezetvédelmi okok miatt a fűtőolaj tüzelése egyre inkább háttérbe szorul. Tüzelőolajok dermedéspontja és viszkozitása alacsony, ill. kicsi, környezeti hőmérsékleten folyékonyak és porlaszthatók. Az alkoholok (pl. Etilén) tüzelőanyagként történő felhasználása a megújuló energiaforrások alkalmazásának terjedésével egyre jelentősebb. Motorhajtóanyagok Üzemanyagoknak nevezzük a belsőégésű motorok működéséhez szükséges hajtó-, kenő-, és hűtőanyagokat. A
benzin
az
Otto-motorok
hajtóanyaga,
tulajdonsága
a
motor
által
támasztott
követelményekhez kell, hogy igazodjon. A motorbenzin alapanyagai a kőolaj lepárlásából nyert alapbenzinen kívül, abból különböző nyert termékek kerülnek ki. A motorbenzin fűtőértéke a kémiai összetételétől függően változó, 42-44 MJ/kg érték közötti. Az egyik legjelentősebb követelmény, hogy a motorbenzin megfelelő kompressziótűréssel rendelkezzen, mert ellenkező esetben az ún. kopogás jelensége lép fel a motorban. A kerozin, vagy más néven petróleum, a speciális követelményekre felkészítve a gázturbinák és a sugárhajtóművek, a gázolaj a dízelmotorok hajtóanyaga. A dízelmotorok jellemző hajtóanyaga a gázolaj. A gázolaj fűtőértéke összetételétől függ: 41,7-43,0 MJ/kg közötti. A gázolajok gyulladási tulajdonságainak értékelésére és ellenőrzésére az ún. cetánszám-skála szolgál.
- 38 -
Alternatív hajtóanyagoknak nevezzük a belső égésű motorok üzemeltetésére szolgáló mindazon hajtóanyagokat, amelyek a benzin, ill. a gázolaj helyettesítésére alkalmasak. Gáznemű tüzelőanyagok Az éghető gázok: keletkezésük szerint - természetes, mesterséges és keverék gázok fűtőértékük szerint - kis, közepes és nagy fűtőértékű gázok fizikai állapotuk szerint - csaknem atmoszferikus, sűrített és cseppfolyós gázok A mesterséges gázokon belül a lepárlási és a kigázosítási gázok szilárd tüzelőanyagok desztillációjának termékei. Ilyenek a kőszéngáz, barnaszéngáz, kokszológáz. A szilárd tüzelőanyagok átalakításának másik módja az elgázosítás. Ilyenkor keletkezik a generátorgáz, vízgáz és oxigáz, de ide sorolható a nagyolvasztókban keletkező torokgáz is. Az egyéb mesterséges gázok közül jelentős biológiai úton nysrhető biogáz. A természetes gázok jellemzője, hogy lelőhelyükön a föld belsejéből nyersolajjal, vagy vízzel együtt, esetleg azoktól függetlenül termelhetők ki. Ilyenek a földgáz, a propán-butángáz és a bányametán. A éghető gázok és gáznemű tüzelőanyagok jellemző adatai Forrás: Ražnjević.: 1964. 2.3. táblázat Sűrűség -
Fűtőérték1 - Ha Égéshő1 - Hf
[kg/Nm3]
[kJ/Nm3]
[kJ/Nm3]
Hidrogén (H2)
0,0838
10 760
12 770
Metán (CH4)
0,6683
35 797
39 858
Etán (C2H6)
1,2604
64 351
70 522
Propán (C3H8)
1,8641
93 575
101 823
i-Bután (C4H10)
2,4806
121 627
132 010
Gáz neve
- 39 -
Generátorgáz
2.2
4 815
5 024
Hőközlés 2.2.1
A passzív hőközlés
Hőenergia – a test molekuláinak rendezetlen termikus mikromozgásának, valamint az egymás erőterében elfoglalt (folyton változó) helyzetükből adódó mikropotenciális energiája. Hőenergiát minden test (anyag) tartalmaz. A testben hőenergia felhalmozódásának fokát a hőmérséklete mutatja. A testnek ez, az anyaghoz kötött energiája a belső energia (jele: U, mértékegysége: J). A belső energia kizárólag a test pillanatnyi állapotától függ, függetlenül attól, hogy milyen úton jutott ebbe az állapotba, az állapotjelzők (hőmérséklet - t; nyomás p; fajtérfogat - v) egyértelműen meghatározzák. Ha a test mechanikai és hőegyensúlyi állapotban van, vagyis minden része nyugalomban van, vagy ugyanolyan nagyságú és irányú sebességgel rendelkezik, továbbá ugyanaz a nyomása és hőmérséklete minden részének, akkor a belső energia arányos a test tömegével. Az arányosságot a fajlagos belső energia, „u” fejezi ki (mértékegysége: J/kg). A folyamatok elemzése során fontos szerepet kap a közeg munkaképessége, mert a belső energia és a mozgási energia a közeghez vannak kötve. A közeghez kötött munkaképességet, mint a belső energia (u) és az úgynevezett átvitt munka (p·v) összegét – entalpiának nevezik. Jele „h‖, mértékegysége: J/kg. A hővezetésnél a hő részecskéről részecskére terjed az egymással szomszédos molekulák során, mint rugalmas golyósoron át, ütközések következtében. Az anyag molekulái nem keverednek össze. Tisztán vezetés útján való hőátadás van pl. egy kazán fémfalán át, általában szilárd testekben, de nagy szerepet játszik a hővezetés folyadékok és gázok szilárd falakkal érintkező határrétegeiben is. A molekulák mozgásának átlagos sebessége, annál magasabb az anyag hőmérséklete. A konvekciós hőterjedésnél maguk az anyagi részecskék is mozognak, keverednek, örvénylenek, mozgásuk közben magukkal szállítva hőfokuknak megfelelő energiájukat. Konvekció csak folyadékokban és gázokban lehetséges, amelyek molekulái egymáshoz képest könnyen elmozdulhatnak.
- 40 -
A hősugárzás lényegében az energiának elektromágneses hullám alakjában a fény terjedésének sebességével való terjedése. Hősugárzással történő hőátvitel mindig létrejön két test között, ha köztük a hősugarakra nézve átlátszó közeg van és a két test hőmérséklete különböző. A hőterjedés jellemzői a hővezetési, hőátadási, hősugárzási és hőátbocsátási tényező. A hővezetési tényező (λ) megadja azt a hőmennyiséget, amely a hőáramlás
irányára
merőleges 1 m2 felületen egy időegység alatt átáramlik, ha a hőmérsékletesés méterenként 1 fok. Mértékegysége: W/m·K. A hőátadási tényező (α) a hőnek szilárd anyagokból gázokba, vagy folyadékokba és fordítva, gázokból vagy folyadékokból szilárd anyagokba való átlépésnél szerepel. Mértékegysége: W/m2·K. A hősugárzási tényező - az időegységenként és négyzetméterenként kisugárzott hőmennyiséget adja meg. Jele: C, mértékegysége: W/(m2 K4). A hősugárzási tényezőt a legtöbb esetben beépítik a hőátadási tényezőbe. Ha a hőterjedés folyamatát nem akarjuk széttagolni, akkor a hőátbocsátási tényezővel számolunk. A hőátbocsátási tényező (k) a fallal határos közegek egy fok hőmérsékletkülönbsége mellett négyzetméterenként az időegység alatt áthaladó hőmennyiség egyenletes hőáramlás esetén. Mértékegysége: W/m2·K.
Hővezetés
Hőátadás
Hősugárzás
2.1. ábra A hőközlés alapformái Ha egy szilárd anyagot melegítünk, egyre intenzívebbé válik elemi anyagrészeinek mozgása és hőmérséklete növekszik mindaddig, amíg el nem érjük az olvadási hőmérsékletet. Ezen a
- 41 -
hőmérsékleten megindul az anyag olvadása (átalakulása folyékony halmazállapotúvá). Ha a melegítést (hőbevitelt) tovább folytatjuk – , és elég lassan végezzük ahhoz, hogy az anyagban a hőmérsékletek kiegyenlítődjenek – , a hőmérséklet nem változik, csak az anyag szilárd halmazállapotú része kevesebb, a folyékony halmazállapotú része több lesz. A hőmérséklet az olvadás teljes folyamata alatt állandó lesz, a hőmérséklet növekedése csak akkor indul meg, amikor az anyag egésze folyékonnyá válik. További hőbevitel hatására a folyadék hőmérséklete növekszik, majd elérjük a forráspontot. Ezen a hőmérsékleten a hőmérséklet növekedése újra megáll, a bevitt hő a folyadék elpárologtatására fordítódik. Újabb hőmérsékletnövekedés csak akkor indul meg, ha a folyadék teljesen elpárolgott. Az 1 kg anyaggal közölt (rendszerbe bevitt) hő hatására bekövetkező entalpia változást és az anyag hőmérsékletét diagramban ábrázolja.
2.2. ábra A hőbevitel és hőelvonás hatása az anyagok hőmérsékletére Az olvadás hőmérsékletét olvadáspontnak, a forrás hőmérsékletét forráspontnak, a teljes olvadáshoz szükséges hőt olvadáshőnek, a teljes elpárolgáshoz szükséges hőt párolgáshőnek nevezzük. Tehát az olvadáspont az a hőmérséklet, amelyen a szilárd halmazállapotú anyag cseppfolyós halmazállapotúvá megy át. Az olvadási- és a fagyási hőmérséklet ugyanarra az anyagra azonos. Az anyagjellemzőkön kívül – mindkettő a nyomástól is függ. Az olvadáshő (fajlagos)
- 42 -
az a hőmennyiség, mely ahhoz szükséges, hogy 1 kg olvadásponton lévő szilárd anyag, állandó nyomáson és hőmérsékleten folyadékká alakuljon át. A párolgás a folyadék felszínén létrejövő halmazállapot változás, melynek során a szabad felszín közelébe jutó folyadék egy része gőzzé alakul át. A forrás az a folyamat, amelynek során az egész folyadéktérben gőz képződik. A forrás és a párolgás ugyanannak a folyamatnak, - a gőzképződésnek – formái. Abban különbözik a forrás a párolgástól, hogy párolgásnál a gőzképződés a felületen történik, forrásnál viszont nem csak a folyadék felszínén, hanem annak belsejében is képződnek gőzbuborékok, amelyek folyamatosan felfelé szállnak, majd a felszínre érve kiválnak a folyadékból. Forrást meghatározott hőmérsékleten észlelhetünk csak, párolgást viszont más, alacsonyabb hőmérsékleten is (a víz kipárolog az edényből, a fehérneműből). A forráspont az a hőmérséklet, melyen – az adott nyomáson – a folyékony halmazállapotú anyagban a forrás elkezdődik. A párolgáshő (fajlagos) az a hőmennyiség, mely ahhoz szükséges, hogy 1 kg forrásponton lévő folyadék, állandó nyomáson és hőmérsékleten telített gőzzé alakuljon át. A folyamat hasonlóan, de ellenkező irányban játszódik le, ha a gőz halmazállapotú anyagot hűtjük, azaz hőt vonunk el. Ilyenkor a gőzből folyadékba történő átmenetet kondenzációnak, a folyadékból szilárdba történő átmenetet fagyásnak vagy dermedésnek nevezzük. 2.2.2
Termodinamikai rendszerek
A termodinamikai rendszer a valóság egy olyan modellje, amelyben csak a hő és mechanikai munka közötti átalakulási folyamatokat vizsgáljuk. Egy vizsgált termodinamikai rendszernek mindig ismert határa van, ami elválasztja a környezettől. A rendszer hatással lehet a környezetére, és a környezet szintén hatással lehet a rendszerre. A rendszer lehet:
zárt (ha a határokon tömegáram nem lép át) vagy nyitott (ha tömegáram is fellép a rendszer és környezete között)
szigetelt (ha a zárt rendszer határain hőáram sem lép át)
homogén (ha a rendszer minden pontjában ugyanazokkal a fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkezik) vagy inhomogén (ha a fizikai és/vagy kémiai tulajdonságok a rendszeren belül folytonos függvény szerint változnak)
- 43 -
heterogén (ha van a rendszernek olyan pontja, amelyben legalább egy fizikai vagy kémiai tulajdonság véges mértékben megváltozik (pl.: két halmazállapot egy rendszeren belül))
Viselkedésük alapján a rendszer lehet:
egyensúlyi (ha külső hatás nélkül a rendszer minden pontjában időtől függetlenül állandóak a fizikai és kémiai paraméterek)
stacioner (ha a rendszer időtől független állandó paramétereit külső hatás tartja fenn (pl.: nyomáskülönbség, hőmérséklet különbség, stb.))
instacioner (ha a rendszernek legalább egy paramétere időben változik)
A rendszert (anyagot, munka közeget) állapotjelzői határozzák meg. Ismert a rendszer, ha állapotjelzői ismertek.
A szokásos °C skálában mért hőmérsékletet „ t ‖-vel, az abszolút, K skálán mért hőmérsékletet „ T ‖-vel jelöljük. T t 273,15
[K]
A normálállapotú gáz (t=0 °C, p=1,0133 bar) térfogatának mértékegységét – ha szükséges a megkülönböztetés – Nm3-rel jelöljük. A fajlagos entrópia, mint származtatott állapotjelző az alábbi összefüggésből számítható:
s s0 ahol: s0
Δq T
kJ kg K
- az előző állapot fajlagos entrópiája, kJ/(kg·K),
Δq
- az 1 kg közeggel közölt hő, kJ/kg
T
- a rendszer átlagos hőmérséklete a hőközlés alatt, K.
Az entrópia zérus értékét a normál állapothoz szokás rendelni. Állapotváltozások
Izochor (v=állandó): Az állapotváltozás zárt, térfogatában állandó térben történő hőbevitelt jelent.
Izobár (p=állandó): Az állapotváltozás olyan zárt térben történik, amely térfogatát a gáz hőtágulásának megfelelően változtatja, ezáltal a nyomás állandó marad. Ilyen pl. egy állandó terhelésű dugattyúval lezárt hengerben lévő gáz.
- 44 -
Izotermikus (T=állandó): Például expanzió, amelyben a munkavégzéshez szükséges energiát folyamatos hőbevitellel pótoljuk, ezáltal a rendszer belső energiája – és ezzel együtt a hőmérséklete sem – nem változik.
Izentróp, adiabatikus (q=0): Olyan szigetelt rendszerben történő expanzió, amelyben az állapotváltozás csak a belső energia rovására történhet (adiabatikus állapotváltozás) és a gázban nem jön létre belső súrlódásokból adódó hőbevitel (izentróp állapotváltozás):
Fenti állapotváltozások megfordíthatók, azaz reverzibilisek, ami azt jelenti, hogy előjelhelyesen alkalmazva ugyanazok az összefüggések írják le a kompressziót, mint az expanziót, és a hőelvonást, mint a hőbevitelt. Reverzibilis állapotváltozások esetén, ha egy expanziót p1 - p2 nyomások között hajtunk végre, akkor a p2 - p1 nyomások között létrehozott kompresszió – ugyanazon az úton – az eredeti állapotba vezet vissza.
A valóságos folyamatoknál a belső súrlódások energiaveszteségeket okoznak, a súrlódási munka hővé alakul, ezért az adiabatikus folyamat esetén is – akár expanzióról, akár kompresszióról van szó - nő az entrópia. Emiatt az azonos nyomásviszonyok között végzett expanzió-kompresszió folyamat eredményeként nem jutunk vissza az eredeti állapotba (2.3.ábra). Az ilyen állapotváltozásokat nem megfordíthatónak, azaz irreverzibilisnek nevezzük
Tipikus irreverzibilis állapotváltozás a fojtás, amikor a nyomás csökkenése munkavégzés nélkül történik ( 2.3. ábra). Fojtás esetén a rendszer entalpiája nem változik (h állandó).
2.3. ábra Fojtásos állapotváltozás
2.2.3
A direkt hőfelhasználás berendezései
A tüzelőanyagok direkt felhasználása, égetése során bonyolult vegyi folyamatok játszódnak le. Az éghető szilárd és gáz alkotórészek hőfejlődés és fény keletkezése közben a levegő
- 45 -
oxigénjével egyesülve füstgázzá alakulnak. A nem éghető ásványi eredetű anyagok szilikátok, alumínium- és vasvegyületek, mész, alkáliák stb. - a hamuban maradnak, vagy pernye formájában távoznak. Az égésnek három alapfeltétele van: éghető anyag (tüzelőanyag), gyulladási hőmérséklet és levegő (oxigén).. Tökéletes égés esetében a füstgázban a levegő alkotórészein (oxigén és nitrogén) kívül csak szén-dioxid (CO2) és vízgőz (H2O) esetleg kén-dioxid (SO2) található. Tökéletlen égés esetében a füstgázban a szén-dioxidon és vízgőzön kívül éghető gázok, elsősorban szénmonoxid (CO) és szénhidrogén vegyületek is találhatók. A szilárd tüzelőanyagokat általában rostélyon égetik. A rostélyveszteség a rostély résein áthullott, el nem égett tüzelőanyag és a salakban maradó elégetlen részek hőtartalmából tevődik össze. Értéke az eltüzelt tüzelőanyag 3-10%-a között van. A tűztér hatásfokát meghatározza a tűztér hőmérséklete, a tüzelőanyag, a tűztéren átáramló légmennyiség, a légviszony-tényezői, a hűtött felületek mérete és kialakítása, valamint a visszasugárzó felületek mérete és alakja. Tüzelőberendezések szilárd tüzelőanyagokhoz A szilárdtüzelésű berendezések alkalmazási cél szerinti csoportjai:
több helyiség, egy vagy több lakás központi fűtését, esetleg használati melegvíz szolgáltatását is ellátó kazánok,
egy-egy helyiség fűtését ellátó kályhák (vaskályha, hordozható és beépített cserépkályha),
főző-sütő tűzhelyek,
gőzkazánok.
A szilárd tüzelőanyagokat általában rostélyokon tüzelik, kivéve az ún. szénpor tüzelést. A rostélyok kialakítása igen sokféle lehet. Fontosabb kialakításuk a következő:
egyenes (vízszintes)
vagy ferde rostély,
egyenes (álló
vagy mozgatható)
rostélypálcákkal (2.4..a ábra), hullámos rostélypálcákkal (2.5..b ábra), fúvókás vagy félfluid rostély (2.4.c ábra),
forgó rostély,
lépcsős rostély (2.4. d ábra),
- 46 -
alátoló rostély,
vándorrostély (2.4.e ábra).
A rostélyokat felépítésük és beépítésük alapján méretükkel, a szén, esetleg a viszszamaradó salak tömege alapján tömeg szerinti tüzeléssel és a hőterheléssel szokás jellemezni. A rostély tömeg szerinti terhelése a rostély egy óra alatt elhelyezett tüzelőanyag-tömeg (B) és a rostély teljes (összes) felületének (A) hányadosa. A rostélyokról megkülönböztetünk összes felületet (A) és eleven felületet (Ae). Az eleven felület a rostélypálcák közötti rés, ahol a levegőáram létre tud jönni. A rostély tömeg szerinti terhelése: (kg/m2h)
- 47 -
2.4. ábra. Rostélyformák a) egyenes rostély; b) hullámos rostély; c) fúvókás rostély; d) lépcsős rostély; e) vándorrostély 1) széntároló, 2) salaktörő, 3) vízcsövek, 4) rostélylánc A rostély hőterhelése a rostély 1 óra alatt elégetett tüzelőanyag mennyiségéből (B), a fűtőértékkel (HI) és az égési hatásfokkal lehet kiszámítani.
(kW/m2)
- 48 -
Kályhák és kazánok szilárd tüzelőanyagokhoz A szilárd tüzelőanyagok közül a különböző szenek hasznosítására készült kályhák és kazánok lehetnek egy- vagy kétaknás, esetleg gépi adagolású tüzelőberendezések. A változó tüzelőanyag rétegű, szakaszos üzemű berendezések az ún. egyaknás rendszerűek (2.5. ábra).
2.5. ábra. Egyaknás tüzelőberendezés 1) rostély; 2) ürítőajtó; 3) hamutér; 4) töltőajtó; 5) indító; rövidre záró csappantyú; 6) füstgázszabályzó Az egyaknás berendezések jellemzője, hogy a rostély felett elhelyezkedő henger vagy hasáb alakú, a tüzelőanyag befogadására alkalmas akna egyben a tűztér is. A kétaknás rendszerek lehetnek kézi és gépi működtetésű (automatikus) berendezések. Kézi berendezések állandó tűzrétegvastagságú, alsó, kézi vagy kézi-mechanikus tüzelésű folytonégő melegvízkazánok és kályhák részei. Jellemzőjük, hogy a tüzelőanyagot az egyik aknába adagolják és a másik aknában, ill. a másik akna irányában égetik el. A rostélyon elégetett tüzelőanyag helyére a szénaknából folyamatosan friss szén kerül. Rendszeres utántöltés és salakolás mellett a tűz folytonégő. Az állandó tűzréteg-vastagságú, alsó, gépi tüzelésű, automatikus szabályozású, folytonégő melegvíz-kazánok jellemzői, hogy a széntároló tartályból a szén gépi mozgatású rostélyra jut, amelyen elég. A hamu és a salak eltávolítását, valamint a friss tüzelőanyag rostélyra juttatását gépi mechanizmus végzi. A rostély időszakos vagy folyamatos működését a vízhőmérséklet termosztát vezérli. Bevált és széles teljesítménysávban gyártják a CARBOROBOT típust, amelynek rostélya egy vízszintes tengely körül forgó bordás henger (,. ábra). A levegőellátást és a füstgázmozgást ventilátor biztosítja. A hőmérsékletfüggő vezérlés kihat mind a rostély
- 49 -
forgatására, mind a füstgázelszívó ventilátor üzemére. A széntartály feltöltése és a salaktartály ürítése, valamint a füstjáratok időszakos tisztítása igényel csak fizikai beavatkozást. A tüzelőanyag, amikor hidegen bekerül a tűztérbe, először csak melegszik. A melegedést a tűztér meleg boltozatának a sugárzása, a már égő tüzelőanyag lángjának a visszasugárzása és a visszakeveredő forró füstgáz biztosítja. Ebben a szakaszban kipárolog a tüzelőanyag felületén lévő nedvesség, majd kb. 110 °C felett az ún. kristályközi nedvesség is. Kb. 250-350 °C között indul meg a hőbomlás, ami az eredeti kristályszerkezet szétesését jelenti, a hosszú szénláncú, szenet és hidrogént tartalmazó molekulák kisebb molekulákra esnek szét. Ezek a kisebb szénláncú molekulák éghető gáz vagy gőz formájában, illóként felszabadulnak és kiválnak a visszamaradó szemcsés szilárd anyagból. A vízgőz kipárolgásához és a hőbomláshoz hő szükséges, ezért ebben a szakaszban a tüzelőanyaggal érintkező levegő hűtő hatása inkább lassítja a folyamatot. Először 350-550 °C közötti tartományban a felszabadult illó gyullad meg. A gáz halmazállapotú bomlástermék a levegővel keveredve gyorsan, nagy lánggal ég el. A gyors égés következtében nagymennyiségű hő szabadul fel. A láng jelentős hőt sugároz a tűztér fala és a még meg nem gyulladt tüzelőanyag felé, de még így is gyorsan nő a hőmérséklet. A gyors égés miatt nagymennyiségű levegőt kell biztosítani. Ha kevés a levegő, vagy nem tud tökéletesen keveredni a felszabaduló illóval, a láng kormozó lesz, sok elégetlen anyag (szén szemcsék ill. korom és szénmonoxid) marad a füstgázban. A szén, jelentős része, mint tiszta karbon, a szilárd anyagban marad vissza. Ennek égése 700 °C körüli hőmérsékleten indul meg. A karbon égés lassú folyamat, ezért jóval kisebb levegőáramot igényel, mint az illó égése. Ha nem veszünk vissza a levegőáramból, a felesleges levegő hűti a tűzteret, a hőmérséklet csökkenés miatt pedig az égés abbamarad anélkül, hogy valamennyi szénszemcse elégett volna.
- 50 -
2.6. ábra. Carborobot automatikus forgórostélyos tüzelőberendezés 1) széntároló ajtó; 2) széntároló; 3) begyújtó nyílás; 4) forgó rostély; 5) hamutároló ajtó; 6) hamutér; 7) ventilátor A CARBOROBOT típusú, automatikus szabályozású kazánokban gazdaságosan eltüzelhető valamennyi hazai barnaszénfajta 5-25 mm közötti szemnagyságú, ún. rostált daraszén frakciója (az újabb megoldásoknál fa apríték, pellet). Minden tüzelőberendezés szükséges velejárója és jó működésének egyik alapvető feltétele a megfelelő kémény. A kémény biztosítja az égéshez szükséges levegőt, másrészt az égés során keletkező égésterméket vezeti a szabadba. A fosszilis tüzelőanyagok elégetésére kifejlesztett kazánok meleg levegő, meleg víz vagy gőz előállítására szolgálnak. Hőteljesítményük széles határok között lehetséges, néhány kWtól, több száz MW-ig. Ezért felépítésük és szerkezetük is igen sokféle. A sokféleség éppen úgy jellemzi a tüzelési módot, mint a hőhasznosítás módját. Kis teljesítményeket általában az egyedi fűtés jellemzi. Kis- és közepes teljesítményeknél a legjellemzőbbek a tagos kazánok. (2.7. ábra).
- 51 -
Kétaknás tagokból összeállított kazán
Öntöttvas tagos kazán egy eleme 2.7. ábra
Öntöttvas tagos kazánok felépítése Nagyméretű gőzkazánok A gőzkazánok csak előkészített (lágyított, ioncserélt vagy sótalanított) vízzel üzemeltethetők. Fokozottabb a korrózió veszélye, egyrészt azért, mert a forráspont közelében a legnagyobb a sókiválás, azaz a vízkőképződés, másrészt azért, mert a gőz gyakorlatilag nem tudja magával vinni a vízben oldott sókat, így azok kicsapódnak és besűrűsödnek a kazándobban lévő vízben. A gőzös rendszerek soha nem lehetnek olyan zártak, mint a meleg- vagy forróvizes rendszerek. Minden vízelőkészítés ellenére a kazán vízterében besűrűsödnek a vízzel bevitt sók iszap formájában, vagy oldatban ellúgosítják a kazánvizet. Emiatt szakaszosan vagy folyamatosan a kazánvíz egy részét le kell cserélni (lelúgozás, leiszapolás), pótvizet kell bevinni a rendszerbe. A gőzkazánokat csak szakképzett személyzet üzemeltetheti. A nagy teljesítményű kazánok fontos típusai az osztott, blokkszerű felépítésű szerkezetek. Példaként bemutatjuk a keresztdobos (2.9. ábra) kazánt, de hasonlóak a meredekcsövű és a ferdecsöves kazánok is.
- 52 -
2.8. ábra.
Keresztdobos kazán 1-szénfeltöltő garat, 2-vándorrostély, 3-vízcsövek, 4-kazándob, 5-ejtőcsvek, 6-túlhevítő, 7tápvíz előmelegítő
Fluid-ágyas kazánok A szénpor-tüzelésű speciális kazánok helyett egyre gyakrabban alkalmazzák az un. fluidágyas kazánokat. A függőleges elrendezésű kazán tűzterének alján lévő fluid-ágyon átáramló levegő lebegtetésben tartja az ágy anyagot, a lebegtetés következtében a teljes felületén ég a tüzelőanyag, ami kedvező kiégést eredményez. A tüzelőanyag szemcsék egy részét a füstgáz magával ragadja, és ezek kijutnak az égőtérből a füstgázzal. A szétválasztás ciklonokban történik, amelyből visszajut a szilárd anyag az ágyba, s a füstgáz a kazán második huzamába távozik. Szemcsés, aprított (pl. faapríték) anyagok jó hatásfokú elégetését biztosítja.
- 53 -
2.9. ábra Fluid ágyas kazán fúvóka egységei (Vértesi erőmű, Juhász 2008)
Olaj és gáztüzelésű kazánok Közepes és nagyteljesítményű kazánok egy- vagy többhuzamú dob- vagy lángcsöves kazánok. Ilyen többek között például a füsthuzamú, hengeres gőzkazán ( 2.10. és2.11. ábra).
2.10. ábra
―GMT 500-800‖ füsthuzamos kazánja Forrás: http://www.dewa.hu
- 54 -
2.11. ábra
2,5 - 8,0 tonna gőz-teljesítményű, 1700 5500- kW teljesítményű füsthuzamos kazán felépítése 1 - Gőz kilépő szelep
9 - Biztonsági nyomás kapcsoló.
2 - Biztonsági szelep
10 - Elektromos vezérlés
3 - Légtelenítő szelep
11 - Gáztermosztát
4 - Túlnyomás szelep
12 - Alsó – felső szintjelző
5 - Töltő szivattyú
13 - Ellenőrző szelep
6 - Nyomásmérő 7 - Nyomásszabályzó kapcsoló
14 - Szintjelző indító szelep 15 - Termosztát cső
8 - Max nyomás kapcsoló
A kis- és közepes teljesítményű (0,5-10 t/h gőztermelésű) kazánok szerkezeti felépítésben hasonlítanak a nagyvízterű melegvizes kazánokra azzal a különbséggel, hogy a kazándob felső részét a gőz tölti ki (2.12. ábra).
- 55 -
Az olajtüzelésnek minden más tüzeléstechnikai eljárással szemben igen sok előnye van. A tüzelőanyag magas fűtőértékéből adódóan nagy teljesítmény esetén is viszonylag kis tömeg szállítására van szükség, egyéb kedvező fizikai jellemzői lehetővé teszik a szállítás teljes gépesítését. A tüzelés teljesen automatizálható, széles határok között könnyen szabályozható. Alacsonyabb kémény is elegendő, a kéményhuzat mértékének csak a saját belső ellenállásával kell egyenlőnek lenni. Hátrányai, hogy ára igen magas, ezáltal a hőellátás költségei nagyok. A folyékony tüzelőanyagok általában kőolajszármazékok, de használják még a szén lepárlásával előállított kő- és barnaszénkátrány-olajokat is. A nyers kőolajból nyert tüzelőanyagok részben az atmoszférikus frakcionált lepárlásból származó és a gázolajhoz hasonló párlatok, részben e desztilláció maradékai. Tüzelésre alkalmasak még a további feldolgozással, vákuumdesztillációval és krakkolással előállított származékok.
2.12. ábra
Háromhuzamú olaj (gáztüzelésű) gőzkazán felépítése Ebbe a kategóriába tartozó kazánok legnagyobb része telített gőzt állít elő, nyomásszintjük 614 bar. Olajtüzelésű berendezés része az olajégő, a hozzátartozó szabályozó-, biztonsági berendezéseket, valamint az olajtüzeléshez szükséges egyéb berendezéseket (olajmelegítő, szivattyúk, stb.). Az olajtüzelő berendezésnek a mezőgazdaságban még igen nagy szerepe van. Az olajégő az olaj eltüzelésének rendszere szerint lehet elgőzölögtetéses, gázosítós és porlasztásos. A gázosító rendszerű égőknél a porlasztó után közvetlenül gázosítókamra helyezkedik el. A gázosítókamrába a beporlasztott olajhoz levegőt kevernek, hogy termikus bomlást idézzenek
- 56 -
elő. A tűztérbe tehát gáz alakjában kerül a tüzelőanyag. A gázosító rendszerű olajégők lángja gázlángszerű. Az égő típusától és beállításától függően a láng lehet magas hőmérsékletű (1600-2200 oC), gázszerű, nem sugárzó vagy sugárzó, kisebb hőmérsékletű (1100-1400 oC). Az olajgázégőknél gyakran előfordulhat a kokszlerakódás. A primer és szekunder levegőadagolást a terhelésnek megfelelően kell, illetve lehet beállítani. A porlasztásos égő az olajat apró cseppekre bontja és így juttatja a tűztérbe. A porszén- és olajtüzelés ebből a szempontból nagyon hasonló, vagyis mindkettőnél követelmény a minél nagyobb fajlagos felület kialakítása. A porlasztásos égők a porlasztás módjától függően lehetnek ún. közvetlen nyomásporlasztású és forgóserleges (rotációs) olajégő. Az olajcseppek nagyságát befolyásolja a fúvókánál fellépő nyomás, az olajviszkozitás és a fúvóka furatmérete. A fúvókát az eltömődéstől megfelelő szűrők beépítésével védeni kell. A nyomásporlasztású égők szabályozhatósági határai szűkek. A nyomásporlasztásos olajégő elrendezését a 2.13. ábra szemlélteti. Az a ábra a kétpont-, a b ábra a hárompont-szabályozású olajégőt szemlélteti.
2.13. ábra.
Nyomásporlasztású olajégő a-kétpont szabályozással, b-hárompot szabályozással 1-szűrő, 2-szivattyú, 3-mágnesszelep, 4-nyomásszabályozó szelep, 5-visszafolyócső, 6nyomócső, 7-olajégő-ház, 8-ventilátor, 9-porlasztó, 10-lángtartó porlasztótárcsa, 11-
- 57 -
gyújtóelektróda, 12-gyújtótranszformátor, 13-hidraulikus munkahenger, rugó visszaállítással, 14-légszelep A forgóserleges égők általában a közös tengelyen lévő porlasztóserlegből és a ventillátorból állnak. A szerkezeti részek örvény- vagy lemezházban helyezkednek el, amelyhez a különböző szabályozóelemek csatlakoznak (olajvezetékek, szekunder levegő bevezetése stb.) A primer levegő mennyiségének változtatásával a láng alakja tág határok között szabályozható, mivel közvetlenül az égő szájánál lép be a tűztérbe. A segédközeggel dolgozó égőknél a porlasztáshoz szükséges energiát részben vagy teljes mértékben a segédközeg energiája szolgáltatja. A segédközeg általában levegő vagy gőz. Az alkalmazható égő kiválasztása Az egyik legfontosabb műszaki követelmény, hogy a tűztér és a láng alakja összhangban legyen (lánghossz, porlasztási kúpszög stb.). A típus kiválasztása után vagy azzal egyidejűleg kell az égő teljesítményét is meghatározni. Az égő teljesítményét az óránkénti tüzelőanyag-felhasználással (B) adják meg. Az olajfelhasználás meghatározásához ismerni kell a folyamat hőigényét (Q), a tüzelőberendezés típusát (hőlégfúvó, kazán) és hatásfokát. A kazánok és az indirekt lég-előmelegítők hatásfoka =70-90 %, a direkt fűtésű hőellátó egységeké (füstgáz-levegő keverék) =95-98 %. A tüzelőolaj fűtőértéke (Hi) ismeretében az olajfogyasztás: B
3600 Q H i
(kg/h)
Gáztüzelő berendezések Előnye az olajtüzeléssel szemben, hogy a tárolásra nincs szükség, az égéstermékek tisztábbak, illetve kevesebb bennük a káros szennyeződés. Az energiaellátásban egyre növekvő mértékben kell számításba venni a gázüzemű tüzelőanyagok felhasználását. A legáltalánosabban használt tüzelőanyag az országos hálózatra vagy a helyi lelőhelyekre alapozott földgáz. Fűtőértéke elsősorban attól függ, hogy milyen arányban tartalmazza a nem éghető gázokat (inert tartalom). A tüzeléstechnikai jellemzők
- 58 -
meghatározásához, az égő teljesítményének kiválasztásához, valamint a tüzelőberendezés konstrukciós és üzemeltetési feltételeinek megteremtéséhez ismerni kell a felhasznált gáz összetételét. A másik várhatóan széles körben bevezetett gáz a biogáz. Éghető gázok jellemzői 2.4. táblázat. Gáznemű tüzelőanyag Fűtőérték Levegőszükséglet Hi (MJ/norm (m3/m3)
Égéstermék
Elméleti
mennyisége
hőmérséklet
(m3/MJ) (m3/m3) (m3/MJ)
.m3)
égési
(disszociáció nélkül) oC
Generátorgáz
5,00
1,25
0,20
2,02
0,34
1750
Városi gáz
16,75
3,95
0,34
4,67
0,28
2110
Biogáz
23,00
5,24
0,23
6,24
0,27
1600
Földgáz
36,00
9,60
0,27
10,61
0,29
2030
Földgáz
50,00
13,95
0,26
15,48
0,29
2050
Propán-bután gáz
100,50
27,38
0,27
29,63
0,29
2090
A gázégők feladata a megfelelő tüzelőanyag-levegő keverék előállítása és a láng stabilizációja.. A jó keverési feltételek lehetőséget adnak a kis légfelesleg alkalmazására. A szokásos légviszony gázégőknél =1,05-1,15. A gázégők kiválasztásakor a névleges teljesítmény mellett igen fontos feltétel a szabályozási tartomány. Az égők helytelen kialakítása, illetve a megfelelő üzemi feltételek hiánya esetén visszagyulladás következhet be. A gázégőkkel világító és nem világító ún. kék láng is létrehozható. Amennyiben a levegőt a gázzal az égés előtt tökéletesen elegyítik, akkor kis térfogatú és nagy hőmérsékletű nem világító gáz keletkezik. Ha égés közben fokozatosan kerül a levegő adagolásra, akkor a láng térfogata megnő, a lassúbb égés következtében kiváló szénrészecskék izzása folytán a láng világítóvá válik, vörösen izzik.
- 59 -
A gázégők igen sokféle megoldása ismert. Csoportosításuk a következő:
Atmoszférikus vagy kisnyomású színgázégők,
Injektoros gázégők,
Ventillátoros gázégők.
A színgázégők a gázt a kiömlőnyílásoknál égetik el. Az égéshez szükséges levegőt szekunder úton kapja, amelynek mozgását a kéményhuzat vagy a ventilátor biztosítja. A lég-keveréses (injektoros) égő az előzőnél kedvezőbb alakú és hőmérsékletű (1400 oC) lángot ad. Az égéshez szükséges levegő egy részét (primer levegő) a nagy sebességgel áramló gáz az injektorhatás következtében ragadja magával. A primer levegő mennyiségét a gáz sebessége szabályozza. Az előző égőtípusok hátrányait a ventillátoros utókeveréses égő részben kiküszöböli. Az égéshez szükséges légmennyiséget ventilátor szállítja, ezért a gáznyomástól függetlenül alakíthatók, pontosan beállítható, a tűztér nyomásra nem érzékeny, előmelegített levegővel is üzemeltethetők.
2.14. ábra. Utókeveréses gázégő
Az aktív energiaátalakítók jellegzetes képviselői a belső és külsőégésű motorok. Az elmúlt évszázadban példátlan jelentőségre tettek szer az élet minden területén, ezért természetes, hogy önálló tudományterületet indukáltak. Ismertetésükre itt nincs mód, de meg kell említeni
- 60 -
– várhatóan a motorikus energia átalakítók egyik legnagyobb vetélytársát – a tüzelőanyag cellákat (az utóbbiak ismertetését lásd a 13. fejezetben).
2.3
Hőhordozók, hőtárolók
Amíg a földgáz és a villamos energia nagy távolságra gazdaságosan szállítható, addig a hőhordozók szállítása csak meghatározott távolságon belül (max. 25-30 km) gazdaságos. Ennek következtében számos, regionális (adott területen) vezetékes hőellátó rendszer épült ki a világon, és hazánkban is. A hőhordozók két alapvető típusa különböztethető meg:
vízgőz: ipari fogyasztók technológiai hőigényének,
víz: lakossági-kommunális fogyasztók fűtési és használati melegvíz hőigényének
kielégítésére. A vízgőznek jelentősen nagyobb a hőszállító képessége, mint a vízé. (Tételezzük fel, hogy a hőt 115 °C-os vízzel illetve gőzzel szállítjuk. A víz fajlagos hőtartalma (entalpiája): 482 kJ/kg, a gőz esetében a hőtartalom a vízhez képest a párolgáshővel (2216 kJ/kg) nagyobb, azaz a telített gőz fajlagos hőtartalma: 2698 kJ/kg.) A víz előremenő hőmérsékletétől függően forróvizes (teo>115 oC) és melegvizes (t eo115 °C) hőellátó rendszerek különböztethetők meg. A lakossági-kommunális hőellátó rendszerek központi hőforrásból (fűtőmű: csak hőt, fűtőerőmű: hőt és villamosenergiát együtt (kapcsoltan) állít elő), távvezeték hálózatból és fogyasztókból (forróvizes rendszerekben fogyasztói hőközpontokon keresztül) állnak. A távhőszolgáltatásban fontos szerepet játszhatnak a megújuló energiaforrások (szilárd biomassza, biogáz, kommunális hulladék, geotermikus energia).
Az energiafajták közül a hő előállítása és szétosztása sok hozzáértést és felügyeletet igényel. A hőelőállító és szétosztó berendezéseket ún. hővázlatokon, hősémákon szokták feltüntetni. Ezek nagyon megkönnyítik az egész rendszer áttekintését. Ezeket a hővázlatokat szabványos jelképekből építik fel.
- 61 -
E kérdés tárgyalásakor vegyük alapul a 2.15. ábra hősémáját. Az üzem központi hőellátó berendezés kapacitásának megállapításához ismernünk kell a hőfogyasztást, a hőszükségletet, de ezok időbeli lefolyását is. Ezt tünteti fel az ábra egy téli napra. A hőszükségleteket összegző és az ábrán eredményvonallal kihúzott görbe adja a kazántól kívánt teljesítményt. Naponként kétszer rövid ideig tartó csúcs lép fel. Ha a kazán teljesítőképességét akkorára választjuk, hogy ezt a csúcsot is le tudja adni, akkor a kazán teljesítőképességének ez a rész a nap többi részében nincs kihasználva. A kérdést úgy hidalhatjuk át, hogy a kazánt csak az ábrába bejelölt Q teljesítőképességre választjuk és a csúcsidő alatt valamelyik megszakítható fogyasztót csökkentjük vagy esetleg lekapcsoljuk.
2.15. ábra.
Az üzem hőelosztási rendszere és terhelési diagramja K- kazán, A,B-fogyasztók, Fh-fűtési hőcserélők, Sz-szivattyú, Bsz-biztonsági szelep Sokszor előfordul azonban, hogy a terhelési diagramban jelentkező csúcsokat nem lehet egyes fogyasztók
korlátozásával
vagy
lekapcsolásával
alkalmaznak.
- 62 -
áthidalni.
Ilyenkor
hőtárolót
A hőtárolók tároló közege legtöbbször víz. Alapelvük, hogy ha m tömegű vizet t2 hőmérsékletre melegítünk, akkor az hőt vesz fel és ezt a hőt, ha lehűtjük, leadja. A víz felmelegítését a tároló töltésének, lehűtését a tároló kisütésének nevezzük. A víz a tárolás egész periódusa alatt cseppfolyós halmazállapotban marad. Ilyen állandó nyomású tároló a Marguerre- és a Kieselbach-tároló. Közülük a Kieselbach-tárolót ismertetjük röviden. A tárolt hőt mindkettőből a forró víz alakjában kapjuk. Ha a hőmérséklet-változás változó nyomáson történik, akkor a tároló nyomása a víz mindenkori hőmérsékletének megfelelő telítési nyomás. Ebből következik, hogy a tárolt hőt változó nyomású gőz alakjában nyerjük ki. A hőtárolóknak csak az egyik előnye, hogy alkalmazásukkal a kazánok teljesítőképességét kisebbre lehet venni. Előnyt jelent még az is, hogy hőtárolóval a kazán terhelése egyenletesebbé tehető. Egyenletes terhelésnél pedig a tüzelés hatásfoka jobb, mint változó terhelés esetén. Ugyanez vonatkozik a kazánok, illetve tüzelések automatikus vezérlésére is. A Kieselbach-tároló olcsó, éppen ezért különösen kis vízterű kazánoknál gazdaságos lenne gyakrabban alkalmazni. Kapcsolását a 2.16. ábra tüntetni fel. A V űrtartalmú T tároló mélyebben fekszik, mint a kazán K vízdobja. Így a kazánban levő víz az ábrán a háromszöggel jelölt szintig, tölcséren át geodetikusan lefolyhat a T tárolóba. Ez a lefolyó víz a kazán p nyomásának megfelelő telítési hőmérsékletű és entalpiájú. Ilyen állapotú vizet tárol tehát a tároló és ebből ilyen vizet nyom vissza a K kazánba az állandóan járó S szivattyú. Így a tároló rendes üzemben a kazán üzemét egyáltalán nem érinti. Ez az állapot mindaddig tart, amíg a kazánba tüzeléssel bevezetett Q hőmennyiség elegendő a szükséges G kg/h gőz termeléséhez.
- 63 -
2.16. ábra.
Kieselbach-tároló K-kazándob, T-tároló, Q-tüzeléssel bevitt hő, S-szivattyú, V-tároló térfogata, B-kazán tápvezeték
Q
G (i g i 'v ) 3600
(kW)
ahol ig a termelt gőz fajlagos entalpiája és
iv' a kazánba nyomott telített tápvíz fajlagos entalpiája.
Megváltozik azonban az üzemállapot akkor, ha a kazán terhelése nagyobb, mint a tüzeléssel bevitt hő. Ennek a következménye, hogy a kazán p nyomása csökken. Ekkor azonban működésbe lép a kazán B tápvízvezetékében lévő szabályozó szelep és csökkenti a kazánba folyó tápvíz mennyiségét. A kazánnyomás csökkenésének második következménye, hogy a tápvíz fojtásával a kazánvízszint a tölcsér éle alá süllyed, aminek következtében nem folyik le a kazánvíz a tárolóba. A kazán táplálását tehát a B tápvezeték helyett az S szivattyú veszi át. A kazán teljesítőképessége tehát a Kieselbach-tároló révén – azonos tüzelés mellett – mintegy 20 %-kal nő. Az időben változó energiaigényeket, a rövid ideig tartó csúcsterheléseket, sokszor célszerű tárolt energiával kielégíteni. A beruházási költség amiatt csökkenhet, hogy a hőforrást nem - 64 -
a csúcshőigényre méretezni és megépíteni. Az üzemeltetési költség csökkenését a névleges teljesítményhez közeli munkapontban történő üzemvitel eredményezheti. A klasszikusnak tekinthető csoportosításban a hőszolgáltató rendszert a termelő, szállító és felhasználó alrendszerek alkotják. Ennek megfelelően a hő tárolására is a termelőnél, a szállító rendszerben és a fogyasztónál van lehetőség ( 2.17. ábra). A hőforrásban történő hőtárolás lehetővé teszi pl., hogy a villamos völgyidőszakban tárolt hővel – gőz tárolása esetén – a csúcsidőszakban villamos energiát termeljenek. A távhőrendszerek elosztóhálózatának nagy térfogata lehetővé teszi a hálózatban történő hőtárolást. Attól függően, hogy a távhőszolgáltatás számára a hőt elsődlegesen hőtermelésre létesített erőműben – ellennyomásos turbinákkal – vagy elsődlegesen villamosenergia termelésre létesített erőművekben – kondenzációs turbinákkal – termelik, az elosztóhálózat feltöltését a villamos csúcs-, vagy völgyidőszakban végzik. A fogyasztónál, vagy közelében létesített hőtárolás nemcsak a termelés, hanem az elosztás csúcsterheléseit és költségeit is csökkenti.
2.17. ábra Az energiatároló rendszer elemei
- 65 -
(A – hőellátó-rendszer, B – villamos energiaellátó rendszer, 1-elsődleges energiaforrás, 2energiaátalakítás (termelés), 3-másodlagos energiaszállítás, 4-másodlagos energiaelosztás, 5másodlagos energiafogyasztó, a-integrált tárolás, b - tárolás a hálózatban, c - tárolás elosztás előtt, d - tárolás fogyasztásmérő
2.4
Körfolyamatok
Körfolyamatok az állapotváltozások olyan periodikus sorozata, amelyekben a periódusok kezdő- és végállapota megegyezik (2.18. ábra).
2.18. ábra Termikus körfolyamat Egy termikus körfolyamathoz mindig tartozik egy magasabb hőmérséklet szintű hőbevitel (A→B szakasz) és egy alacsonyabb hőmérséklet szintű hőelvonás (B→A szakasz). A bevitt és elvont hő közötti különbség alakul át munkává. 1 kg közegre: w q be q el T ds
ami a T-s diagramban az állapotváltozások görbéi által bezárt területtel egyenlő. A körfolyamat termikus hatásfoka a bevitt hőhöz viszonyított munka:
ηt
w q be
Mivel abszolút 0 fokon nem tudunk hőt elvonni, azaz qel>0, a rendszerbe bevitt hő soha nem alakítható át teljes egészében munkává. CARNOT körfolyamat
- 66 -
A Carnot körfolyamat két izoterma (1→2 és 3→4) és két adiabata (2→3 és 4→1) által határolt körfolyamat (2.19. ábra).
2.19. ábra A CARNOT körfolyamat T-s diagramja Bár a valóságban nem tudjuk megvalósítani, jelentősége abban áll, hogy egy adott felső (Tf) és alsó (Ta) hőmérséklet szint között ennél nagyobb termikus hatásfokú körfolyamat nem létezik. A kinyerhető munka és a termikus hatásfok:
w Tf Ta Δs
J kg
és
ηt 1
Ta Tf
A Rankine körfolyamat A gőzök T-s diagramja a folyadék elpárolgási viszonyait is tartalmazza: megjelenik a határgörbe, amelynek bal oldala a folyadék elpárolgásának kezdetét, jobb oldala pedig a párolgás befejeződését jelzi. A határgörbe néhány összetartozó értékét az 2.20. ábra szemlélteti.
- 67 -
2.20. ábra A hagyományos kondenzációs erőművek alap körfolyamata a Rankine-ciklus. A kazánba belépő „1‖ állapotú tápvíz a kazánban felmelegszik, majd az elpárologtató felületeken gőzzé alakul (2-2’ szakasz), végül a túlhevítő felületeken éri el a „3‖ állapotot. A túlhevített gőzt ezek után egy gőzturbinára vezetjük, ahol a „4‖ állapotra expandál. A turbinából alacsony hőmérsékleten kilépő gőzt hűtővízzel vagy levegővel izotermikusan kondenzáljuk, és a kondenzvizet vezetjük vissza a kazánba (4-1 szakasz). A körfolyamatból kinyerhető munka és a körfolyamat hatásfoka:
w h3 h 4
ηt
kJ kg
h3 h 4 . h 3 h1
A h1, h2, h3 és h4 értékek a körfolyamat adott pontjain a gőz, ill. víz energiatartalmát jelentik. A hőátadás elengedhetetlen feltétele a hőmérsékletnek egy adott test vagy térfogat különböző pontjaiban fennálló különbsége. A keletkező hőáram nagysága a hőmérsékleti tér jellegétől függ. Az azonos hőmérsékleti pontokra fektetett felületeket izotermának, a hőmérsékletnek a felület normális irányában vett differenciálhányadost hőmérséklet-gradiensnek nevezzük. Az azonos hőmérsékletű pontok mértani helye az izoterma. A különböző hőmérsékletű testben több izotermikus felület van, de ezek sohasem metszhetik egymást. Hőáram tehát csak akkor lép fel, ha a test egyetlen pontjában sem nulla a hőfokgradiens.
- 68 -
A konvektív hőátadás vagy hőszállítás a fluidum és a vele érintkező szilárd felület között jön létre. A konvektív hőátadás lehet ún. kényszerkonvekciót és ún. szabadkonvekciót. A konvektív hőátadást minden esetben a szilárd felület jelenléte és a fluidum áramlása jellemzi. Ezért a fellépő hőáramot alapvetően a felület közvetlen közelében kialakuló áramlási és hőmérsékleti viszonyok határozzák meg. A hőátadás szempontjából alapvető a fallal érintkező anyag mozgásállapota. Ha a közeg nyugalomban van, olyan értelemben, hogy benne a fallal érintkező anyagrészecskék és a szabad térben lévő anyag hőmérséklet-különbségének hatására legfeljebb felhajtó áramlások alakulnak ki, akkor szabad áramlásról beszélünk, szemben a kényszeráramlással, amely zárt csatornában mesterségesen létesített nyomáskülönbség hatására megy végbe. Mindkét esetben lehetséges lamináris és turbulens áramkép. Lamináris áramlásnál az összes mozgásban lévő részecskék sebességvektora párhuzamos, a turbulens áramkép kialakulása után a hőt a vezetés mellett elsősorban az örvénylő részecskék közvetlen hőtranszportja biztosítja. Határrétegnek általában az áramlás főirányában vett sebességkomponensek intenzív változásának rétegvastagságát nevezzük. Az irodalom a hidraulikai határréteg mellett a hőmérséklet-eloszlás vizsgálatánál bevezeti a termikus határréteg fogalmát is. Az összetett hőátvitel (hőátszármaztatás) olyan komplex hőátadási forma, amely az előzőekben ismertetett klasszikus hőközlési folyamatok (kondukció, radiáció, konvekció) teljes, vagy részleges kombinációjaként épül fel. A hőátadás két rendszer (fluidum) között jön létre egy elválasztófalon keresztül. Ilyen megvilágításban a fal csak a transzportfolyamat része, pontosabban eszköze. A hőátvitel intenzitásának fokozása a passzív hőtechnikai rendszerekben (pl. hőcserélők, hűtési, fűtési rendszerek) kifejezetten kívánatos, elérendő feladat.
2.5
A hőcserélők és szerkezeti kialakításuk
A hőcserélők igen sokféle kivitelben készülnek. A hőcserélők kialakítása a szubjektív tényezők mellett elsősorban a konstrukciós lehetőségektől, a beépítési követelményektől és a hőhordozók jellemzőitől függ. A kettőscsöves hőcserélő tulajdonképpen két koncentrikusan egymásba helyezett cső, ezért cső a csőben típusnak is nevezik. Az ilyen hőcserélőkben tiszta egyen, vagy ellenáram
- 69 -
valósítható meg. Esetenként a belső csövet kiszerelhetővé készítik. Ha egy egyenes szakasszal az elegendő hőátadó felületet nem kapjuk meg, több ilyen egységet kapcsolhatunk sorba. Mind a termikus, mind a hidraulikus méretezés során a külső körgyűrű keresztmetszetű csatornánál az egyenérték átmérővel számolunk. Az egyenérték csőátmérőt az alábbi összefüggésekkel számíthatjuk. A termikus egyenérték átmérő, ahol D a körgyűrű külső, d a belső átmérője. Végül is
hőcserélőkben két különböző hőmérsékletű közeg egymástól fallal elválasztva
áramlik, miközben a melegebb közeg – a falon keresztül – hőt ad át a hidegebb közegnek. Ha a fal két oldalán a két közeg közötti hőmérséklet különbség megszűnik, a hőátvitel is megszűnik. Egy F vonatkoztatási felületű fal dF falelemén kialakuló hőáram:
k t t dF [W] dQ m h ahol k a hőátviteli tényező (W/(m2·K) és tm ill. th a meleg ill. a hideg közeg hőmérséklete, °C vagy K. A vonatkoztatási felület elvileg bármelyik olyan jellemző felülete lehet a hőcserélőnek, amelynek méretével arányosan változik a hőáram, de a gyakorlatban a hőátadó (esetleg bordás) csövek külső felületét szokás kijelölni vonatkoztatási felületnek. A csőköteges hőcserélők előnye, hogy viszonylag kis helyigény mellett nagy fűtőfelület biztosítható. A hőcserélő legelterjedtebb kivitele, hogy viszonylag nagy átmérőjű hengerben (köpenytér) az alkotóval párhuzamosan rögzítik a csöveket (csőköteg). A hengert függőlegesen vagy vízszintesen építik be. Ennek megfelelően beszélhetünk álló vagy fekvő elrendezésű csőköteges hőcserélőről. A 2.21. ábrán egy álló elrendezésű ún. merev csőköteges hőcserélőt mutatunk be. Az egyik hőközlő (B) a csövek (2) belsejében, a másik (A) a csövek közötti ún. köpenytérben (1) áramlik. A csőköteget alkotó csövek (2) a csőkötegfalba (3) vannak erősítve. A beerősítés történhet oldható (menetes tömszelencével), ill. nem oldható módon (préselés, hegesztés stb.). A csővégek hegesztésének többféle változata ismert. A csőkötegfalhoz csatlakoznak a hőcserélő fejrészei, a be- és kivezető, ill. a fordítókamrák (4). A merev csőköteges hőcserélők 100-120 °C hőmérsékletig és 0,3 MPa nyomás alatt használhatók. ,
- 70 -
Az építési hossz többféle körülmény következtében korlátozott. Ha a megvalósítható csőhosszal nem kapjuk meg a szükséges hőátadó felületet, a csőköteget több csoportra osztjuk. Ezeket a köpenytérben egymás mellett helyezzük el, és sorba kapcsoljuk őket a csőköteg végén lévő kamrák segítségével. A sorba kapcsolt csoportokat járatoknak nevezzük. A csövek külső felületén a konvekciós hőátadás javításának éppen úgy mint a csöveken belül elsősorban a sebesség korlátozott volta szab határt.
2.21. ábra. Álló elrendezésű csőköteges hőcserélő 1) köpenytér; 2) cső; 3) csőkötegfal; 4) kamra A csőköteges hőcserélők tárgyalásánál említést kell tenni e típus két speciális megoldásáról. Ezek az U-csöves és a Field-csöves hőcserélők. Az U-csöves hőcserélőnél a csőköteg Ualakban meghajlított csövekből épül fel, amelyek mindkét vége ugyanazon csőkötegfalba van erősítve. A csőkötegfal mögött egy kétterű kamra van felerősítve a be- ill. kivezető csonkokkal. A Field-féle hőcserélőben kettősfalú csövek, ún. patronok vagy más néven fűtőgyertyák vannak beépítve. A csőköteges hőcserélők köpenyterének áramlási keresztmetszete a konstrukciótól függően 1,5-2,5-szerese a csőtérnek. A legtöbb esetben a két térbe vezetett közegnek tömegárama is jelentősen eltérő. A vegyesfázisú közeg áramlásánál a köpenytérben légzsákok jöhetnek létre, amelyek a hőátadást nagymértékben lerontják. Ezért az ilyen közeget minden esetben a csöveken belül
- 71 -
vezetjük. Kivéve a kondenzálódó gőzt, amelyet ha egyéb kényszerítő körülmény nem áll fenn, minden esetben a köpenytérbe vezetjük. Forralni - a kazántípusú hőközlők kivételével minden esetben a csőtérben kell. Homogén fázis esetében mindig azt a közeget kell a csőtérbe vezetni, amelynél nagyobb lerakódásokkal számolhatunk, ill. amelyiknek a nyomása nagyob A bordázott felületű hőcserélőket a kis hőátadási tényező kompenzálására fejlesztették ki. A bordaelemes készülékekben az áramlási és hőátadási viszonyok az esetek nagy részében jelentős eltérést mutatnak a simafalu készülékekhez viszonyítva. A különböző rendeltetésű készülékek bármilyen alakú felületét elláthatjuk bordázattal. Bordázattal lehet ellátni a belső, ill. a külső felületet. A belsőbordás csövek öntési technológiával készülnek (öntöttvas, alumínium) alkalmazásukra ritkán, speciális igények esetén kerül sor. A külsőbordás csövek két fő típusa a hosszanti bordás és a keresztbordás. A hosszanti bordás csöveknél a borda tulajdonképpen a sima csőre alkotó irányban felhegesztett lemezcsík (. ábra). A keresztbordás csövek kialakítása igen változatos. A 2.22 . ábrán néhány jellegzetes kivitelt mutatunk be.
2.22. ábra. Hosszanti bordás hőcserélő cső
2.23. ábra. Bordás cső a) hengerelt vagy öntött; b) párhuzamos lemezbordák; c) felcsavart lemezborda; d) hornyolt borda - 72 -
A bordázott felületű csövekből is készíthetők csőköteges hőcserélők. Legfontosabb alkalmazási területük ott van, ahol az egyik hőhordozó gáz. Ilyen esetekben a gáz a csövekre merőlegesen áramlik. Ezeket a hőcserélőket is lehet többjáratúra készíteni. A csősorok számát a gáz áramlására merőlegesen számítjuk. A hőátvitel szempontjából kritikus kérdés a magcső és a borda jó, fémes kapcsolata. Ha fémes kapcsolat nincs, megromlik a hőátadás, a borda hatásossága. A hosszabb szakaszokra kiterjedő érintkezési hiányosság kedvezőtlenebb, mint a sok kis folytonossági hiba. A lemezes hőcserélők hőátadó felületét hullámosított vagy recézett lemezek alkotják, amelyeket keretszerkezet fog össze. A lemezek távolsága 2-6 mm. A lemezekkel egymástól elválasztott terekben áramlanak a hőátadó közegek, a lemez síkjával párhuzamosan. Minden második térben azonos közeg áramlik. Így minden elválasztó fal hőátadó felület. Az azonos közeget tartalmazó falközi kamrákat a 2.24. ábra szerinti elrendezésben köthetjük sorba (a, b) és párhuzamosan (c, d). Mindkét esetben megvalósítható az egyenáram (a, c), ill. az ellenáram (b, d). A keretbe foglalt téglalap alakú lemezek alul és felül két-két csőre vannak felfűzve és rögzítve.
2.24. ábra. Lemezes hőcserélő a) és b) soros, c) és d) párhuzamos elrendezésű (forrasztott kivitel-jobbra) - 73 -
A hőcserélő készülékekben a meleg és a hideg közegek hőmérséklete pontról pontra változik, ezért a hőcserélő teljesítményének számításához egy átlagos hőmérsékletkülönbséggel számolunk:
k F Δt Q m
W
Tiszta ellenáramú hőcserélők esetén a közepes hőmérséklet különbség a logaritmikus középértékkel egyezik meg: Δt ln
(t m, be t h,ki ) (t m, ki t h,be ) (t t ) ln m, be h,ki (t m, ki t h,be )
[°C]
a többi hőcserélőnél pedig a közepes hőmérséklet különbséget a Δt ln korrekciójával határozzuk meg:
Δt m f Δtln Mivel azonos belépő hőmérséklet különbségek között a tiszta ellenáramú hőcserélőnek a legnagyobb a teljesítménye, a korrekciós tényezőre mindig f ≤ 1. A csövek kivágása és a csöveken belül kialakított határoló, térelválasztó elemek határozzák meg az áramlás rendszerét. A lemezek anyaga ötvözött rozsdamentes acél, vagy réz, vastagsága 1-3 mm. A szétszerelhető szerkezeteknél a tömítések miatt a megengedhető maximális hőmérséklet 150-180 °C, a nyomás 1-1,5 MPa. Ennél nagyobb nyomás és hőmérsékletértékekre készült berendezéseket már hegesztett kivitelben készítik. A lemezek hullámosításának szerepe kettős. Egyrészt merevítési szerepe van, másrészt nagyfokú turbulenciát eredményez. A spirállemezes hőcserélő fő szerkezeti eleme, két csigavonalban meghajlított lemez, amely két párhuzamos négyszög keresztmetszetű spirális csatornát képez. A két csatorna egyik végpontja az ún. spirálmagban van, a csatornák másik végpontja pedig a spirál külső szélén, tangenciális beömlést biztosítva helyezkedik el. A csőkígyós és duplikátorköpenyes készülékek többnyire szakaszos üzemű berendezések. Ezeket általában nem túl nagy mennyiségű anyagok egyszeri lehűtésére, ill. felmelegítésére használják, vagy valamilyen technológiai, folyamat megvalósítása során az állandó hőmérséklet fenntartására szolgálnak. ,
- 74 -
2.6
Hűtés
A gépi hűtés olyan hőenergia-átalakítási folyamat, ahol a hő az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre kerül. Ez egy természetellenes folyamat, tehát a hőátadás hő- vagy munkabefektetés árán valósítható meg. A gépi hűtés folyamatot csak a hűtési körfolyamat segítségével lehet megvalósítani. A gépi hűtés lehet kompresszoros vagy abszorpciós. A hűtés elmélete kiterjedt irodalommal rendelkezik (pl. BEKE, 2000), amelyből az alapössefüggések megismerhetők. Kompresszoros hűtőberendezések A kompresszoros hűtőberendezésekre jellemző hűtési körfolyamat a 2,25. ábrán látható. A hűtőberendezés teljesítménye az óránként elvont hőmennyiséggel, a hűtőteljesítménnyel jellemezhető. A folyamat fenntartása szempontjából meghatározó a kompresszor. A hűtőkompresszor szállítóteljesítményét nem a szállított közeg menynyiség, hanem a kompresszor hűtőteljesítménye jellemzi. A kompresszor hűtőteljesítménye (Q ok) az a hőmennyiség, amely a kompresszor által keringésben tartott hűtőközeg a szabályozószeleptől a szívócsonkig óránként felvesz. A kompresszor hűtőteljesítményének egyenlőnek kell lennie a hűtőberendezés bruttó hűtőteljesítményével. Végül is, ha a hőtechnikai körfolyamatot az óramutató járásával ellentétes irányba vezetjük, azaz a hőbevitel alacsonyabb hőmérséklet szinten játszódik le, mint a hőelvonás, ez a hűtő. Tehát e körfolyamatokban alacsonyabb hőmérséklet szintű helyről – mechanikai munka felhasználásával – egy magasabb hőmérséklet szintű helyre tudunk hőenergiát szállítani. A hűtő körfolyamatok csak nagyon speciális esetekben használnak gáz munkaközeget, az elterjedt berendezések mindig gőzökkel dolgoznak. ,
- 75 -
T-s diagram
Az elvi körfolyamat
lg p-h diagram
2.25. ábra Kompresszoros hűtőgép és körfolyamata A 2.26. ábra a kompresszoros hűtőgép kapcsolását és körfolyamatát ábrázolja. Az alacsony p 0 nyomáson és t 0 hőmérsékleten elpárolgott gőzt egy kompresszor komprimálja a felső p nyomásszintre (1-2 szakasz). A nagyobb nyomáson magasabb a kondenzáció hőmérséklete, így a hőelvonás a kondenzátorban egy magasabb hőmérséklet szinten valósítható meg (2-3 szakasz). A kondenzált folyadék nyomását egy fojtószeleppel vagy kapillárissal (az entalpia, h=áll.) csökkentjük újra a p0 értékre (3-4 szakasz), ekkor a vegyes fázisú (gőz) tartományba kerülünk. Az alsó hőmérséklet szintű hőelvonás a folyadék elpárolgásával történik (4-1 szakasz). A hűtőgépes körfolyamatok számításánál a T-s diagram helyett gyakran a log p-h diagramot használják. Az ábra mindkét diagramban ábrázolja a körfolyamatot. A hűtőgépek hatásosságának mérésére az fajlagos hűtőteljesítmény (ε) fogalmát használják, ami megmutatja, hogy egységnyi munka befektetésével mennyi hőt tudunk elvonni az alsó hőmérséklet szinten:
ε
q 0 h1 h 4 w h 2 h1
- 76 -
A hőteljesítmény javítására a igen sokféle megoldás született, amelyek az alkalmazott gázokra, a kompresszorok típusára, belső hőcserélőkre, hővisszanyerő egységekr, stb. vonatkoznak. Egy egyszerű megoldást szemléltet a 2.26. ábra.
2.26. ábra . Egyfokozatú valóságos hűtés belső hőcserélővel
Abszorpciós hűtőgépek Az abszorpciós hűtőgépek körfolyamata megegyezik a „kompresszorosokéval‖ azzal a különbséggel, hogy a kompresszor helyett egy abszorpciós-deszorpciós körfolyamatban alacsony nyomáson elnyeli a hőhordozó közeg gőzét, az oldat nyomását szivattyúval növeli a felső nyomásszintre, majd a felső nyomásszinten kigőzölögteti az oldatból a hőhordozó közeget (lásd a hőszivattyúknál). Hűtő- és közvetítőközegek Hűtőközegnek a hűtőfolyamatot megvalósító berendezés munkaközegét nevezzük. Hűtőközeg alatt a gyakorlat általában az ún. gőznemű hűtőközegként alkalmazható anyagokat érti. Ez a meghatározás már szűkíti a számításba vehető anyagok körét, mivel az anyag kritikus hőmérsékletének magasabbnak kell lennie a megvalósítandó hűtő-körfolyamat
- 77 -
hőleadási hőmérsékleténél - a kondenzációs hőmérsékletnél - valamint a dermedéspont alacsonyabb kell, hogy legyen, mint a létesítendő elpárolgási hőmérséklet. A freon hűtőközegek a telített szénhidrogének fluort és klórt tartalmazó származékai. Összetételük szempontjából három csoportot képeznek aszerint, hogy felépítésük klór-flourszén (CFC), hidrogén-klór-flour-szén (HCFC), vagy hidrogén-flour-szén (HFC) bázisú. A halogénmentes vegyületek közül leggyakrabban alkalmazott hűtőközegek az ammónia (R17), a propán (R290) és az izobután (R600a). A propán (C3H6) ugyancsak alkalmazható hűtőközegként, környezetvédelmi tulajdonságai igen kedvezőek. A közvetítőközegek szerepe akkor kerül előtérbe, amikor a hűtési feladatot nem közvetlenül a hűtőközeggel oldjuk meg, hanem a hőelvonás közvetítésére más folyadékot alkalmazunk. 0 oC alatti hőmérséklet esetén különböző sólevek, vagy glicerin, glikol, alkohol, minusol stb. oldatok jöhetnek számításba. A sóoldatok vagy sólevek a közvetítő közegek legszokásosabb fajtái, 0 oC-tól -45-55 °C hőmérsékletig használják. Kedveltek az alkoholos oldatok és a glikol. Az etilén-glikol, vagy egyszerűen glikol színtelen, szagtalan folyadék. Forráspontja 197 °C. Hűtésre az etilénglikol vizes oldatát használják. Fagyáspontja az oldat koncentrációjától függ (5%-os vizes oldata -45 °C hőmérsékletig használható). Hűtőházak, hűtőgépek A hűtőházak meghatározó jellemzője a behatároló tér (nettó tárolótér) és a technológiai hőmérséklet. A gyakorlatban azonban nagyon sok esetben a termék fajtára vonatkoztatott befogadóképességet (tömeget) szokták megadni. Funkciójuk alapján a hűtőházak lehetnek:
termelő hűtőházak (pl. gyorsfagyasztók),
technológiai hűtőházak,
tároló létesítmények,
univerzális hűtőházak.
A termelő hűtőházak vagy fagyasztó rendszerek -20 és -45 oC közötti hőmérsékleten működnek.
Jellemzőek a levegőárammal működő teremfagyasztók (sharp freezer-ek), a - 78 -
szakaszos és folyamatos működésű gyorsfagyasztó alagutak, a szalagos és konvejoros gyorsfagyasztó berendezések és a fluidizációs fagyasztók. ,
A technológiai hűtőházak gyorsan romló élelmiszert előállító (feldolgozó) üzemi technológiák részei. Ezekben a hűtőházakban megvannak a technológiai igények kielégítését szolgáló eltérő célú hűtőterek (előhűtés, érlelő és tároló hűtés, mélyhűtés). A technológiai hűtőházak az esetek nagy részében a termelési folyamathoz igazodóan igen sokféle hidegtechnológiai folyamat
megvalósítására is képesek (többfokozatú hűtés, belső
anyagmozgatás, hidegtéri válogatás, csomagolás stb.)
A mezőgazdasági hűtőházak (2.45. ábra) befogadóképessége általában 50-5000 t. A hűtött terek határolófalai hőszigeteltek, a hőátszármaztatási tényező általában 0,4 w/m2K.
A kereskedelmi hűtőházak jellemzője a nagy átmenő forgalom és az áruk sokfélesége. Ez utóbbi kihat a technológia szervezésére, a különböző anyagok előírás szerinti szétválasztására, valamint az eltérő - viszonylag széles - hőmérsékletértékekre. A kereskedelmi hűtőházak ezért általában több tárolótérre osztottak.
A hűtőhelyiségek hűtéstechnikai berendezései igen változatosak. Az elpárologtatók, ill. a hűtőtestek egyik oldala a hűtött tér levegőjével, a másik oldala pedig a hűtőközeggel, ill. közvetítőközeggel (sólével) van érintkezésben. A hűtőtestek alaki és felületi kialakítása az alkalmazandó hűtési módszerektől függ. A légcirkulációs rendszer a ma általánosan használt megoldás. E rendszernél a tároló-, ill. fagyasztótér levegőjét ventilátorok tartják mozgásban. Az iparban használatos nagy hűtőberendezéseknek különféle technológiai hőmérsékletet kell biztosítani, s a rendszer hőterhelése gyakran erősen ingadozik, nemritkán a nulla és a maximális terhelés között.
- 79 -
KÉRDÉSEK 1. A tüzelőanyagok használhatóságának főbb jellemzi? 2. A fűtőérték és égéshő jellemzése? 3. A hőközlés alapformái? 4. A rostélyok jellemezése. 5. Időben változó energiaigények áthidalásának lehetőségei? 6. A hagyományos kondenzációs erőművek alap körfolyamata? 7. Lemezes hőcserélők jellemzői? 8. Ábrázolja kompresszoros hűtőgép kapcsolását és körfolyamatát.
- 80 -
ENERGIAGAZDÁLKODÁS ALAPJAI
3.
Az energiagazdálkodás célja a gazdaság különböző területeihez tartozó energiafogyasztók gazdaságos és zavartalan ellátása minőségileg és mennyiségileg megfelelő energiával, az energiaköltségek minimális értéken tartása mellett. Az energiagazdálkodás feladata az energetikai folyamatok során fellépő energiaveszteségek és ezzel az energiaszükséglet csökkentése (így pl. a berendezések, energiahordozók, alkalmazott technológia helyes megválasztása révén stb.).
Az energiagazdálkodás hármas – műszaki, gazdasági és környezetvédelmi – jellege végigvonul mindazon a sajátos műveleteken és folyamatokon, amelyek az energiagazdálkodás tárgyai. Az alapenergia a bányatermékként nyert energiahordozók energiatartalma és más természeti energiaforrások energiahozama. Az alapenergia-hordozók kitermelése így a bányászat tárgykörébe, a megújuló energiaforrások hasznosítása a megújuló energiaforrás fajtájának megfelelő tárgykörbe tartozik. Az energiagazdálkodás keretében különleges helyet foglal el az energiafelhasználás gyors és nagy ingadozásaira különös figyelmet fordító teljesítménygazdálkodás, amelynek főleg a villamosenergia-, gáz- és hőenergia-gazdálkodásban, általában az energiaszolgáltatásban van nagy jelentősége
Az energiafolyamatok mennyiségi és minőségi értékelésének és elemzésének alapvető eszköze az energia- és költségmérleg; legfőbb rendeltetése az energiaveszteségek mértékének és okainak megállapítása, a szükséges energiamegtakarítási intézkedések kidolgozásának megalapozása.
Az
energiamérleg
az
egyes
energiafolyamatok
során
szereplő
energiamennyiségeket tünteti fel és csoportosítja a folyamatba bevitt, a folyamatból kivett és a veszendőbe ment energiamennyiségek szerint. Beviteli oldalán szerepel a:
folyamatba bevitt energia
a folyamat során lejátszódó hőtermelő reakciókból képződő energia
a veszteségből visszanyert energia
A kiadási oldal tételeit a:
folyamatból kivett energia
- 81 -
a folyamat során lejátszódó hőfogyasztó reakciók lefolyásához szükséges energia
veszteségek.
Az energiaátalakulások és az elemzési szempontok változatossága miatt a különféle fizikai-kémiai folyamatok energiamérlegei általában nem sematizálhatók. Tipizálhatók, ill. rendszerbe
foglalhatók azonban azonos
jellegű
folyamatok,
berendezések,
gépek,
gazdálkodási egységek energiamérlegei, ha azonos szempontok szerint elemezzük az energiafelhasználást. A szokásos energiamérleg tartalmazza egyrészt a rendelkezésre álló energiaforrásokat, beleértve
a
vásárolt
vagy
saját
átalakító
berendezésekben
előállított
energiát,
energiahordozókra bontva, másrészt az energiafelhasználást felhasználási célok (részben energiafajták) szerinti megosztásban. Természetes mértékegységekben tartalmazza az energiahordozók mennyiségét, valamint az átlagos fűtőértékek és hőtartalmak adatait. Az energiamennyiségek összesítéséhez az energiaátalakulásokra érvényes energia egyenértékkel át
kell
számítani
az
egyes
energiafajtákat
hőegységre.
Az
adott
mennyiségű
energiahordozónak megfelelő hőértéket a tüzelőanyagoknál a fűtőérték, hőhordozó közegnél a hőtartalom, villamosenergiánál az elméleti hőegyenérték határozza meg.
3.1
Energiamérlegek
Az energiamérlegek különböző szinteken készülhetnek. Egy egész cégre kiterjedő energiamérleg részletessége korlátozott, nem terjedhet ki összetett átalakítási folyamatok részletesebb bontására. Erre az egyes részfolyamatok energiamérlegei szolgálnak. Ki kell egészíteni továbbá a vállalat és az energiafogyasztás jellege szerint egyes energiahordozók energiafelhasználási célok adatainak további részletezett bontásával
A fajlagos energiafelhasználási mutatószámok (energianormák) megállapításához szükségesek az energetikai mérések (példák a mértékegységekre) 3.1. táblázat
- 82 -
Felhasznált tüzelőanyag mennyiség
kg, Nm3,
Felhasznált tüzelőanyag átlagos fűtőértéke
J/kg, MJ/Nm3,
Tápvízmennyiség
kg
Tápvízhőmérséklet
°C
Gőznyomás
bar
Gőzhőmérséklet
°C
Füstgáz CO2 tartalma
t%, V%
Füstgázhőmérséklet
°C
Felhasznált tüzelőanyag mennyisége
kg
Felhasznált tüzelőanyag fűtőértéke
J/kg
Felhasznált tüzelőanyag összértéke
%
Termelt gázmennyiség
Nm3
Gáznyomás
bar
Gázhőmérséklet
°C
Gázösszetétel
%
Gázfűtőérték
J/ Nm3
Salakégető
%
Gáz kátránytartalma
kg
Aláfúvott gőzmennyiség
kg
Villamosenergiafogyasztás
kWh
Gépórák, normaórák
h
Forgácsmennyiség
kg
Kazán
Gázgenerátor
Szerszámgépek
- 83 -
Fűtés
Világítás
Tüzelőanyag fogyasztás
Nm3, kg, t
Fűtött helyiségek hőmérséklete
°C
Külső levegő hőmérséklete
°C
Fűtött légtér
m3
Üzemeltetési időtartam
h
Villamosenergia-fogyasztás
kWh
Megvilágított alapterület
m2
Megvilágítás erőssége
lux
Az energiahatékonyság és mutatói
3.2
A hatásfok Az energetikai folyamatokban a kinyert energia és a bevitt energia hányadosa a hatásfokot adja. Általános megfogalmazásban:
Eki Eki E Eveszt E 1 be 1 veszt Ebe Eki Eveszt 1 Eveszt Ebe Ebe Eki
Ahol: η
- hatásfok ( 0 < η < 1 )
Ebe
- a folyamatba bevitt energiamennyiség
Eki
- a folyamatból kivett / nyert energiamennyiség
Eveszt - a folyamat során elvesző energiamennyiség
A termodinamika 1. főtétele szerint:
- 84 -
Ebe = Eki + Eveszt
A hatásfok nem egyformán értelmezhető a különféle energetikai folyamatokra. Míg az energiaátalakítási és energiaszállítási hatásfok pontosan értelmezhető és számítható, addig az energia-felhasználó technológiai folyamatok esetében gyakran nehézséget okoz az összes felhasznált energiát alkotó hasznos energia és az energiaveszteségek pontos értelmezése és elhatárolása, és ily módon az energiafelhasználási hatásfok meghatározása. Szokásos módszer ezért az egyes elhatárolható energiafelhasználási részfolyamatok hatásfokának értelmezése és vizsgálata. Kinyert energia: az energiafolyamatokban termelt (átalakított) másodlagos (hasznos) energia. Bevitt energia: az energiaátalakítási folyamatokhoz felhasznált, e folyamatokba bevitt energia, más szóval energiaátalakítási energiafelhasználás. A bevitt energia általában az adott átalakítási folyamattól független energiaforrásokból származik, de előfordul, hogy a bevitt energiában felhasználják az energiaátalakítás eredményeként kapott energiahordozó egy részét is. Ezt önfogyasztásnak nevezik.
A hatékonyság A hatékonyság azt mutatja meg, hogy egy technológiai paraméter eléréséhez mennyi energiabevitelre van szükség. Ilyenek pl.: gyártó sor:
egy év alatt gyártott termékek db. száma ezer db a gyártó sor éves villamose nergia fogyasztása kWh földgáz tüzelésű kemence:
hökezelt munkadarab ok mennyisége tonna GJ földgáz fogyasztás
mezőgazdasági alkalmazás: felszántott földterület m 2 elfogyasztott gázolaj liter
- 85 -
soktermékes vállalatnál:
értékestett termékek árbevétele termelési célú energiaszü kséglet Gyakran
használjuk
a
hatékonyság
ezer Ft GJ
fogalmának
a
reciprokát,
amit
fajlagos
(energia)fogyasztásnak nevezünk. Ezek közül legismertebb a gépkocsik üzemanyag fogyasztása:
üzemanyag fogyasztás liter az üzemanyaggal megtett út 100 km Fajlagos energiafelhasználás A fajlagos energiafelhasználás = az energetikai folyamatokban a felhasznált energiamennyiség, E és a termelésre jellemző mérőszám (technológiai mutató), T hányadosa. e=E / T A termelésre jellemző mérőszám többnyire a folyamat eredményeként létrejött termék, vagy szolgáltatás mennyisége. A
fajlagos
energiafelhasználás
az
energiagazdálkodás
műszaki
és
szervezési
színvonalának egyik fontos mutatószáma. Legfontosabb rendeltetése:
adott
energiafogyasztó
különféle
időpontbeli
vagy
időszakbeli
energiagazdálkodási üzemállapotainak összehasonlítása
adott energiafogyasztó energiagazdálkodási üzemállapotainak összehasonlítása más – ismert, hasonló felépítésű – energiafogyasztó üzemállapotával
adott energiafogyasztó energiaszükségleti tervezése
létesítendő energiafogyasztó energiaszükségletének tervezése
A fajlagos energiafelhasználás nem egyértelmű fogalom, képletének számlálója és nevezője egyaránt magyarázatra és pontos körülhatárolásra szorul. A
fajlagos
energiafelhasználás
vonatkozhat
valamely
technológiai
műveletelemre,
részműveletre, műveletre és műveletsorozatra, energiafogyasztó berendezésre, üzemre, vállalatra, más és nagyobb szervezeti, vagy területi egységre.
- 86 -
A szárítóberendezésekben szárításnál: 13 % nedvességtartalmú végtermékre vetítve a fajlagos vízelvételi hőenergia felhasználása pl. 5,4 MJ/kg víz (különböző kezdeti nedvességtartalom is megadható). Vagy: Az energia felhasználás, ugyancsak 13 % nedvességtartalmú végtermékre vetítve a földgáz felhasználás: 38,0 m3/t (a gáz energiatartama: 34MJ/m3), ill. tüzelőolajból kg/t (42 MJ/kg), stb. Tehenészetben egy férőhelyre vetített évi villamos energia felhasználás, pl.: 350-400 kWh/fh év, egy férőhelyre lekötendő villamos teljesítmény 0,07-0,18 kW/fh. Energiahordozó előállítási folyamataira is értelmezhető a fajlagos energiafelhasználás, s a bevitt (Input), valamint a nyert (Output) aránya is kifejezhető.
A biomassza energiahordozó termelés energia jellemzői 3.2. táblázat
Termelés
Átalakítás
begyűjtés
feldolgozás
kgOE/t*
kgOE/t*
Összes energiainput
output
KgOE/t*
KgOE/t
Energia Output/Input arány
Biogáz (trágya)
0-2
191-203
191-205
210-229
1,0-1.2
Biogáz (szilázs)
11-15
45-75
55-90
255-305
2.8-5.5
220-215
25-35
225-250
515-880
2.1-3.9
Szalma
210-225
0-2
210-227
10301760
4.5-8.4
Bio-ethanol
285-300
287-299
574-598
600-650
1.0-2.1
Repce olajmag
*1 t megtermelt (betakarított) biomassza mennyiségre vetitve;
- 87 -
3.3
Az energiaszükséglet tervezése
Az energiaszükséglet tervezése az energiagazdálkodás kiindulópontja. Nagy a jelentősége a műszaki és a gazdasági tervezésben egyaránt. A gazdasági tervezésben megkülönböztetnek operatív, rövid lejáratú (1–3év), középtávú (5–10éves) és hosszútávú (10–20éves) tervezést. Az energiaszükséglet felbontható terheléstől és időtől függő és független elemekre (. táblázat).
Az energiaszükséglet elemei (Forrás: Zsebik A. 2006) 3.3. táblázat Jelölés Befolyásoló Megnevezés
Meghatározás
és tényezők számítás Termelés,
Gépek vagy berendezések által Technológiai
szolgáltatott
energiaszükséglet
szolgáltatás
termelés
vagy szolgáltatás
létrehozásához során
Eh = eh · P
szükséges energia P Termelés, Technológiai energiaveszteségek
Gépek
vagy
berendezések szolgáltatás terhelésével összefüggő során energiaveszteségek
= e techn ·P E techn v v
P Gépek
vagy
berendezések
Üresjárási
állandósult üresjárási
energiaszükséglet
veszteségeinek fedezésére
Üres járás időtartama Tü
szükséges energia
- 88 -
Eü = eü · Tü
Epr = Eh+ E techn = v Produktív =(eh + e techn )·P = v
energiaszükséglet
= epr P Indítási
Eind
Leállási
Ele
Gépek
Leállási energiaveszteségek
Energiaszükséglet:
vagy
leállítása
berendezések
során
Gép vagy
fellépő berendezés
veszteségek
Ele
mérete
E = Eind + Eü + Eh + E techn + Ele v
Fajlagos energiaszükséglet: e = E / P = epr + eind + ele + (eü Tü/ P)
A vállalati energiaszükséglet meghatározása A vállalati energiaszükséglet meghatározásához ismerni kell a fogyasztói hasznos energiaigények alapjául szolgáló termelési feladatokat, előírásokat és vállalati energianormák rendszerét. A produktív üzemi energiaszükséglet és a rezsijellegű energiaszükséglet alapján lehet tervezni az energiaátalakításokat, figyelembe véve az esetleges értékesítésre kerülő energiamennyiségeket is. Ezek után határozható meg a vásárolandó energiaszükséglet. A számítás az energiamérlegre támaszkodik. Ennek megfelelően célszerű az energiaszükségletet három részre bontani: a termeléshez vagy szolgáltatáshoz, technológiai folyamatokhoz közvetlenül szükséges produktív energiafelhasználás a fűtésre, szellőzésre, világításra, használati melegvíz termelésre, főzésre, stb. szolgáló rezsijellegű energiafelhasználás
- 89 -
az szállítási és tárolási, átalakítási és elosztási energiaveszteségek.
3.4
Az energia költségösszetevői és ára
Az energiagazdálkodás hatékonyságának növelésére a környezet védelemének fontossága mellett elsősorban a költségek csökkentése ösztönöz. Körültekintő energiagazdálkodással úgy kell szervezni az energiaszükségletek kielégítést, hogy a környezetvédelmi szempontok és előírások betartása mellett a fogyasztói helyen legyen a fogyasztó által felhasznált energia egységének költsége a legkedvezőbb. Az energetikai berendezések költsége – függetlenül attól, hogy primer, vagy másodlagos energiahordozó ill. tüzelőanyag termelési, szállítási, vagy tárolási költségéről van szó, – állandó és változó költségelemekből tevődik össze. Az állandó költségek Az állandó költségek elsősorban a létesítmények beruházási költségéhez kötődnek, s terhelik a létesítményt, akár üzemel, akár áll. Az állandó költségeket két csoportra szokás osztani. A két csoport közül az elsőt, mint a tényleges beruházási költséget, a másodikat, mint az üzemviteltől független (pl. kezelői személyzet, stb.) költséget vonatkoztatják a beruházási költségre (B). A leírási tényező
feladata annak biztosítása volt, hogy mire a
létesítmények
„elhasználódnak‖, azok beruházási értékével azonos nagyságú érték jöjjön össze és tegye lehetővé az új beruházást. A fajlagos beruházási költség alkalmas a különböző típusú energetikai berendezések és rendszerek beruházási költségigényességének összehasonlítására és a befolyásoló tényezők elemzésére. Változó költségek A változó költségek két csoportra oszthatók. Az egyik csoportba tartoznak a létesítmény üzemétől függő, de a terheléssel nem arányosan változó költségek, az ún. készenlétben tartási költségek. A második csoportba tartoznak a terheléssel arányosan változó költségek. Az üresjárási költségek az üresjárás során felhasznált tüzelőanyaggal ill. energiával arányosak. - 90 -
A terheléssel arányosan költséghányadot az első ill. másodlagos energia teszi ki, de ide sorolhatók azok a személyzeti és karbantartási költségek, amelyek a terheléssel összefüggően lépnek fel. A tüzelőanyag és az energia ára Általában a tüzelőanyag és az energia, költség és értékarányos. A költségarányt tükrözi az árnak a lekötési, vagy teljesítmény díjnak is nevezett állandó „a0‖, Ft/MJ/s/év, ill. Ft/kW/év és a terhelésfüggő, vagy fogyasztásarányos „ae‖, Ft/MJ ill. Ft/kWh összetevője. A energiaszolgáltatás éves költsége a fenti díjtételekkel K=a0 N + ae E , ahol:
Ft/év
N - a lekötött teljesítmény, kW E
- az elfogyasztott energia, kWh/év
Az „a0‖ és „aE‖ díjtételeket az árrendelet szabja meg, vagy éves viszonylatban szolgáltatói szerződésben rögzítik. A szolgáltatói szerződésben határozzák meg a lekötött teljesítmény nagyságát is. A két tételből álló ár esetén az ár egy része függetlenné válik a tényleges energiafogyasztástól. Végül is villamos energiánál: 1. teljesítménydíjas és 2. alapdíjas, kéttarifás elszámolás valósítható meg. A villamosenergia-gazdálkodás körébe sorolható legfontosabb feladatok: a villamosenergiavételezés előkészítése, ennek érdekében a várható energia és teljesítményigények meghatározása, továbbá a villamosteljesítmény- és meddőenergiagazdálkodás, valamint a fajlagos villamosenergia-felhasználás és a költségek elemzése.
3.5
A villamosenergia-felhasználás jellemzői
A villamos teljesítmény az áramerősség és feszültség szorzata. A villamos energia (egysége: kWh) a meghatározott idő alatt a hálózatból felvett átlagos teljesítmény és idő szorzata. A váltakozó áramú villamos teljesítmény: a látszólagos teljesítmény (egysége: kVA) két
- 91 -
komponens: a hasznos és meddő teljesítmény eredője. A hasznos teljesítmény egysége: kW, a meddő teljesítményé: kvar. A váltakozó áramú villamos energia előállításakor (a generátorok), a villamos feszültség megváltoztatásakor (a transzformátorok) és a villamos energia felhasználásakor (a motorok) a hasznos teljesítmény mellett, meddő teljesítményt is felvesznek. A meddő teljesítmény mértékét a fázistényező befolyásolja (Ha cos φ = 1, a hasznos teljesítmény mellett meddő teljesítményfelvétel nincs, mint pl. ellenállásfűtés vagy izzólámpa világítás esetében. Ha cos φ < 1, a villamos gépek és berendezések a hasznos fogyasztás mellett induktív meddő energiát is igényelnek. A villamosenergia-gazdálkodáshoz az alábbi fogalmak ismerete szükséges:
telephely (vagyis mérőhellyel ellátott vételezési hely) évi energiafelhasználása, kWhban,
a telephely villamos teljesítményigénye nappali (Pn) és csúcsidőszakban (Pcs), egyaránt kW-ban,
a telephely tényleges wattos teljesítményfelvétele és annak havonkénti maximális értéke nappali (Pnmax) és csúcsidőszakban (Pcsmax),
a telephely havonkénti átlagos fázistényezője (cos φ),
a telephely évi teljesítmény-kihasználási óraszáma (γ).
Adott telephely havonkénti átlagos fázistényezőjét az adott hónapban felmerült wattos és meddő energiafogyasztás hányadosaként kapott tangens φ-ből számítjuk:
ahol: Wm - a telephely havi meddőenergia fogyasztása (Kvar); Wh - a telephely havi hasznos fogyasztása (kWh)
A telephely évi teljesítmény-kihasználási óraszáma: (h)
ahol: Wévi - az évi villamosenergia-felhasználás (kWh); Pn - a nappali teljesítményigény (kW)
- 92 -
Villamosenergia-vételezés Villamosenergia-vételezési rend szerint a villamos teljesítményt és energiát Vételezési helyenként külön kell igényelni, és az áramszolgáltató vállalat a vételezési feltételek betartását is az önálló mérőhelyekkel ellátott csatlakozási pontokon ellenőrzi. Ily módon a villamosenergia-fogyasztás kisebb egységeinek az önálló transzformátor állomásról táplált telepeket, üzemeket kell tekinteni. Teljesítménygazdálkodás A villamosteljesítmény-gazdálkodás lehetőségeinek kihasználása: az adott telephelyre feltétlenül szükséges (nappali és csúcsidei) teljesítményigény körültekintő meghatározása, szakszerű igénylése és az engedélyezett villamos teljesítmény pontos betartása a vállalat érdeke. A villamosenergia-termelés és -ellátás műszaki-gazdasági sajátosságaiból következően, a villamos energia önköltsége akkor kedvezőbb, ha az évi villamos energia felhasználása (kWh) nagy, az egyidejű teljesítmény (kW) pedig kicsi, vagyis, ha a hálózat és fogyasztók évi teljesítmény-kihasználási óraszáma nagy. Az érvényben lévő árszabások a fogyasztókat ezen cél elérésére anyagilag, a díjtételeken keresztül közgazdasági eszközökkel ösztönzik. A teljesítménygazdálkodás elsődleges feladata az adott villamos energia vételezési helyen:
a nappali teljesítményigény és
a csúcsidőszaki teljesítményigény
meghatározása. A díjak magállapításánál figyelembe veszik, a törvényileg meghatározott un. zónaidőket, amelyek szorosan összefüggenek a hálózat terhelésével, azaz a fogyasztás alakulásával Az egyes napszakok (zónaidők) időtartama
- 93 -
3.4. táblázat
A fogyasztó szempontjából mérvadó a hálózat kihasználási óraszáma, amelyet a szolgáltató a díjak meghatározásánál ismer el. A kihasználási óraszám a lekötött teljesítménnyel megszorozva az éves fogyasztás kiadódik.
Példa: Egy 30 kW lekötött teljesítménnyel rendelkező fogyasztó éves fogyasztása 97200 kWh. Mennyi a kihasználási óraszáma? Kihasználási óraszám=97200/30=3240 óra Egy év 365*24=8760 óra, így a kihasználtság 40% -os. Fentiekből következik, hogy minél magasabb a kihasználási óraszám, annál kedvezőbb átlagár érhető el. Nagyon alacsony kihasználás irreálisan magas átlagárakat eredményez.
- 94 -
3.1. ábra Az átlagár és a kihasználási óraszám összefüggése (Példa: Zsebik A. 2003)
Teljesítménydíjas árszabás A vezetékes energiahordozók esetén (földgáz, villamos-energia és távhő) a távvezetékek magas beruházási költsége miatt szolgáltatásánál az ár állandó tagját az adott évben várható legnagyobb teljesítményigénytől teszik függővé. Ezért ezt az árszabást teljesítménydíjas árformának is nevezik, annak az ellenértéke, hogy az áramszolgáltató a fogyasztó rendelkezésére bizonyos teljesítményt készenlétben tart. A legnagyobb teljesítményről előre, a szerződés megkötésekor kell nyilatkozni (ezt hívják teljesítmény lekötésnek), ezért az állandó tag mindig prognosztizált értékkel kerül meghatározásra. Ennél nagyobb teljesítmény nem vehető le a csatlakozási pontról. Utólagos korrekcióra általában nincs lehetőség, viszont a lekötött érték túllépése szigorú többletdíjat jelent. A csúcsok csökkentése érdekében az áramszolgáltató gazdasági eszközökkel is mindent elkövet: a csúcsidőszakban nagyobb teljesítménydíjat és áramdíjat számít fel. Oka: A szükséges erőművi és hálózati terhelhetőségi kapacitásoknak alkalmasaknak kell lenniük (a szolgáltatónak alkalmassá kell tenni) ezeknek a terhelési csúcsoknak a szolgáltatására.
- 95 -
Főbb jellemzői: 1.
csak akkor választható, ha legalább az egyik napszakban min. 20kW teljesítmény lekötésre kerül, legalább 12 hónap időtartamra
2.
a lekötött teljesítmény napszakonként külön-külön határozható meg
3.
a szerződésben lekötött teljesítmények túllépése esetén pótdíjat kell fizetni. A pótdíj mértéke az adott túllépési napszakra vonatkozóan a tárgyhavi túllépés éves szintű díjának ¼-ed része. (Ha mind csúcsidőben, mind csúcson kívüli időszakban túllépés történik, úgy mindkét időszakra külön-külön meg kell fizetni!)
4.
a mérés ¼ órás átlagérték rögzítésével történik, ezért a rövid idejű túllépés nem feltétlenül von maga után pótdíjfizetési kötelezettséget a fogyasztó a szerződés tartamán belül a csúcsidőszakra és a csúcsidőn kívüli
5.
időszakra eredetileg lekötött teljesítményeket a szerződéses időszakon (12 hónapon) belül két alkalommal megváltoztathatja , Teljesítmény és áramdíjak csúcsidőktől függően 3.5. táblázat
Díjszabások
Teljesítménydíjak
Áramdíjak
Ft/kW/év
Ft/kWh
csúcsidei díj
csúcsidőn kívüli
csúcsidei
csúcsidőn kívüli
Középfeszültség Teljesítménydíjas 13 260
8 772
10,25
6,75
10 044
6 036
11
8
12 576
8 136
11
7,5
I. Teljesítménydíjas II. Kisfeszültség Teljesítménydíjas I.
- 96 -
Teljesítménydíjas II.
9 564
5 796
12,8
9
Az energiaszolgáltatók a költségeik csökkentése érdekében – a korábban ismertetett energiahatékonysági technikák szellemében – további, a fogyasztókat a fogyasztás jellegének megváltoztatására ösztönző ártényezőket vezetnek be. Ezekkel az árszabások egyre bonyolultabbakká válnak, de hatásuk mind a szolgáltatóknál, mind a fogyasztóknál kimutathatóak. A villamos energiánál pl. megkülönböztetnek csúcsidei és csúcson kívüli díjat, de korrigálni kell az árat a meddőteljesítmény függvényében is. A csúcsidei és csúcson kívüli időszak rendeletben rögzített a téli és a nyári időszámítás függvényében. Ha a szolgáltató, felismerve költségeinek lehetőségét, a fogyasztó részére felkínálja a lehetőséget az árszerkezet választására, a fogyasztó a megfelelő árszerkezettel és az üzemvitel megváltoztatásával csökkentheti az energiaköltségeit. A szükséges erőművi és hálózati terhelhetőségi kapacitásoknak alkalmasaknak kell lenniük ezeknek a terhelési csúcsoknak a szolgáltatására. Az energia gazdálkodásért felelősnek és az intézmény vezetésének szorosan együtt kell működniük. Egy eseti, alkalmi túllépés pótdíja semmivé teheti az év során a teljesítmény gazdálkodásból felhalmozott megtakarítást. Csak ott ajánlható, ahol rendelkezésre áll az energetikusi feladatok ellátására szakember. Alapdíjas árszabás Főbb jellemzői: 1. A vételezhető teljesítmény nagyságát kisfeszültségen az alkalmazott biztosító értékek határozzák meg. Túllépés nem lehetséges, nagyobb terhelés esetén a biztosító leold. 2. Középfeszültségen a vételezhető teljesítmény nagysága szerződésben kerül rögzítésre. A vételezés maximum értékét az áramszolgáltató mérheti (1/4-ed órás átlagérték). Túllépés esetén pótdíjat kell fizetni.
- 97 -
3. A közüzemi szerződést az áramszolgáltatóval legalább 12 hónapra kell megkötni. 4. Középfeszültségen 300 kVA teljesítményhatár alatt választható. 5. Középfeszültségre az alapdíjas tarifán belül csak a kéttarifás alapdíjas választható. 6. Kisfeszültségen egy- és kéttarifás alapdíjas árszabás egyaránt választható. 7. A kisfeszültségű egy- és kéttarifás alapdíjas díjszabás mellé vezérelt különmért díjszabás (éjszakai) is választható. Az áramszolgáltató ezen naponta legalább 8 óra vételezési lehetőséget köteles biztosítani. (De azt adhatja a nap folyamán több részletben is. Pl. délutáni, un. völgyidőszaki ráfűtés, valamint éjszakai időszak. )
Az alapdíjas árszabás jellemző értékei (az értékek a primer energia költsége szerint változnak, de trend jelentősen nem) 3.6. táblázat Alapdíj Ft/ Amper /év
Csúcsidei Ft/kVA/év
Csúcsidőn kívüli Ft/kVA/év
8 820
14,5
10,3
Alapdíj Ft/Amper/év
Csúcsidei Ft/kVA/év
Csúcsidőn kívüli Ft/kVA/év
Alapdíjas kéttarifás
1 740
16,55
12,1
Alapdíjas egytarifás
1 200
15,75
360
9,7
Középfeszültségen
Középfeszültség Alapdíjas kéttarifás
Kisfeszültségen
Alapdíjas vezérelt, külön mért
Az alapdíjas árszabásnál az energia átlagára az éves csúcsfogyasztás arányának növekedésével csökkennek, az éves kihasználás (használati óraszám) csökkenésével növekszenek.
- 98 -
Megtakarítás Ár I. árforma A fogyasztás megváltozása
II. árforma A
B
E
3.2. ábra Megtakarítási lehetőség az árforma megváltoztatásával Forrás: Zsebik A., Falucskai N., József C. Z.: 2003
A 3.2. ábra két választható árformát mutat be. A vastag nyilak közötti szakasz mutatja, hogy adott fogyasztásnál mekkora megtakarítást érhetünk el, ha a II. árforma helyett az I. árformát választjuk. A választásnak azonban nagy a felelőssége, hiszen a változtatás veszteséget is eredményezhet, ha a tervezett B fogyasztás helyett csak A mennyiségű energiát fogyasztunk. Az adott vételezési paraméterekkel meghatározható az a csúcsidei fogyasztás arány, ahol a két egyenes metszi egymás. A metszésponthoz tartozó aránynál nagyobb esetén kéttarifás, az alatt egytarifás díjszabást célszerű választani.
3.6
Az energiaátalakítás költségei Az energiaátalakítás során a költségarányos ár képzésénél sokszor gondot okoz az új
energia fajta árának meghatározása. Ezt úgy kell meghatározni, hogy a fogyasztó bármilyen fogyasztása mellett is fedezze az átalakítás költségeit (állandó és változó költségek együttesét), s mindemellett versenyképes maradjon az esetlegesen fellépő egyéb energiaellátási lehetőségek mellett.
- 99 -
Az energiaátalakítás során a költségarányos ár képzésénél sokszor gondot okoz az új energia fajta árának meghatározása. Ezt úgy kell meghatározni, hogy a fogyasztó bármilyen fogyasztása mellett is fedezze az átalakítás költségeit (állandó és változó költségek együttesét), s mindemellett versenyképes maradjon az esetlegesen fellépő egyéb energiaellátási lehetőségek mellett. Hasonló problémát jelent egyes termelési folyamatokban a termék – árkalkulációjához elengedhetetlen – energiaköltség-tartalmának meghatározása.
Vegyünk egy példát:
Meleg-vizes kazán hőt szolgáltat. Ismert a tüzelőanyag egységára, és meg kell határozni a hő egységárát. Ismert a termelt hő (Q) és a tüzelőanyag fogyasztás között az összefüggés: Q B H ahol:
B
- a tüzelőanyag fogyasztás
H
- a tüzelőanyag fűtőértéke - pedig a kazán hatásfoka
Ha aü a tüzelőanyag egységára, akkor a tüzelőanyag költség:
K aü B Fenti egyenletből kifejezve B-t és behelyettesítve a költség képletébe:
Q a ü Q aq Q H H azaz, a primerenergia költség a hőfogyasztással arányos: K aü
aü H fajlagos hőárral is kifejezhető. Ha a primerenergia fajlagos árának mértékegysége Ft/kg volt, aq
a fűtőérték mértékegysége MJ/kg, akkor a hőár mértékegysége Ft/MJ lesz. Eljárásunkban a primerenergia fogyasztást felírtuk, mint a szekunder energia lineáris függvénye, majd ennek a függvénynek az együtthatóját (az 1/(H·) kifejezést) szoroztuk meg a primerenergia fajlagos árával (aü). Ez a szorzat lett a szekunder energia fajlagos változó költsége.
Az
állandó
költséget
a
tényleges
figyelembevételével kell meghatározni.
- 100 -
költségből
kiindulva
a
kockázat
A fentebbi csak az energiafogyasztással arányos költségek meghatározására alkalmas. A végleges költségekhez még hozzá kell számítani az állandó költségeket.
Ipari hőenergia-gazdálkodás A hőenergia-felhasználás célját tekintve két nagy csoportra osztható: úgy, mint technológiai és szociális hőfelhasználás. Az előzőbe tartozik minden olyan hőfelhasználás, amely egy végtermék előállításához szükséges, az utóbbiba pedig minden olyan hőfelhasználás, amely a fűtésre, szociális melegvíz készítésre vagy klimatizálásra fordítódik. A technológiai és fűtési hőszükséglet közelítő meghatározásakor egy épület vagy helyiség hőszükségletét célszerűen két részre lehet bontani, úgy, mint felfűtési és üzemi hőszükségletre. A felfűtési hőszükséglet a technológiai berendezésekbe, valamint ezek elhelyezésre szolgáló helyiségbe bevezetett hőenergiának az a mennyisége, amely ahhoz szükséges, hogy a hideg állapotban lévő berendezéseket, valamint a helyiséget üzemi hőmérsékletre fűtsük fel. Az üzemi hőszükségleten a technológiai berendezésekbe, valamint ezek elhelyezésére szolgáló helyiségbe bevezetett hőenergiának azt a mennyiségét értjük, amelyet az együttes hőveszteség pótlására használunk fel, és ezzel a munkafolyamatok megvalósításához szükséges üzemi hőmérsékletet állandósítjuk. A hőenergia-gazdálkodás szempontjából döntő jelentőségű a fogyasztói energiafelhasználás feltételrendszere. A fogyasztó által igényelt hőmennyiség valamilyen munkát végez, amelynek során a hőmennyiség technológia által igényelt része átalakul, ennek következtében a hőhordozó közeg hőmennyisége lecsökken, hőmérséklete megváltozik, és ilyen formájában kerül ki a munkavégzés folyamatából.
Lakossági kommunális hőfelhasználás A lakossági kommunális hőfelhasználás általában 30-40% között mozog. Ennek a jelentős energia-mennyiségnek döntő többségét az épületek fűtése, a melegvíz-készítés vagy a különféle épületen belüli tevékenységek fogyasztják el. Az épületek hőveszteségei: épület határoló szerkezetein keresztül távozó transzmissziós hőveszteség, és a szellőzési hőveszteség (Qh).
- 101 -
Az épületek tényleges hőszükségletét a hőveszteségek és a hőnyereségek összegeként kapjuk meg. Az épületek hőnyeresége a belső hőfejlődésből (Qb) és a napsugárzási hőnyereségből (Qs) tevődik össze. Az épületek nettó fűtési hőszükséglete (Qn) egyszerű összegzéssel meghatározható: Az épületek energiafogyasztását mértékadóan befolyásoló tényezők:
a külső klimatikus adottságok (környezeti hőmérséklet, méretezési külső hőmérséklet, hőfokhíd, napsugárzás. szél és eső hatása),
az épületek energetikai jellemzői (alaki jellemzők, külső határoló szerkezetek),
a klimatikus tényezők és az épületjellemzők kölcsönhatása (téli-nyári napsugárzás, természetes-mesterséges megvilágítás),
fűtési, szellőzési világítási rendszerek hatása (típus, hatásfok, szabályozás),
az épület használóinak hatása (szokás, életviteli mód, komfort hőmérséklet, nyílászárók működtetése, szellőztetési követelmények, fűtésszabályozás, az energiafogyasztás célirányos megoszlása).
A meglévő épületeknél energetikai értékelésének alapját az épület fajlagos energiafogyasztása (kWh/m2/év, ill. kWh/m3/év) képezi.
Lakossági kommunális távhőellátás A lakossági-kommunális célú távhő termelése részben forróvíz-kazános fűtőművekben, részben kapcsolt hő- és villamosenergia-termelést megvalósító erőművekből történik. A távhő szállítása hőszállító vezetéken keresztül valósul meg. Az ellátó vezetékek sugaras, hurkos, vagy vegyes rendszerűek lehetnek. A távhővezetékek és vezetékrendszerek tervezése alapvetően meghatározza a távhőrendszer műszaki színvonalát. A távfűtőrendszerek üzemeltetése - leegyszerűsítve - annak a problémának a vizsgálatát jelenti, hogy egy konkrét rendszer adottságain belül a fogyasztók hőigénye hogyan elégíthető ki minimális költséggel. Főbb költségelemek a hőtermelési, a keringetési és a hőveszteségi költségek. A szolgáltató feladata az, hogy a hőtermeléssel, a keringetett forró víz mennyiségével, valamint hőmérsékletszintjével igazodjék a változó fogyasztói igényekhez. Ezeknek a - 102 -
szempontoknak a kvalitatív érvényesítése azt jelenti, hogy a szolgáltató mindenkor a lehetséges legkisebb forró víz mennyiséget keringeti, a lehetséges legalacsonyabb előremenő hőmérséklettel. A hálózatba beadott energiát pedig a legolcsóbb tüzelőanyaggal, a lehető legjobb hatásfokú kazánokkal termeli. A távfűtővezetékek hőveszteségei főleg felületi hő- és áramlástani veszteségekre vezethetők vissza. A használati melegvíz-termelés veszteségei főként az elosztó hálózat és cirkulációs rendszer, valamint az igényen felüli használati melegvíz-fogyasztás hőveszteségeiből tevődnek össze. Egy átlagos (100-200 lakásos) házgyári lakóépületben a használati melegvíz-elosztó hálózatnál 5-8%, a cirkulációs hálózatnál 4-6% veszteségre lehet számítani (részletesebben az Épületgépészet tárgy keretein belül). KÉRDÉSEK 1. Az energiagazdálkodás célja és energiagazdálkodás feladata? 2. Az energiahatékonyság és mutatói? 3. Az energiaszükséglet tervezése, folyamatas 4. Mi a teljesítménygazdálkodás jelentősége? 5. Alapdíjas árszabás? 6. Az energiaátalakítás költségei?
- 103 -
ENERGIAHORDOZÓK FELHASZNÁLÁSA ERŐMŰVEKBEN
4.
A primer energiahordozók jelentős részét különféle néretű erőművekben használják fel hő és villamos energia előállítására. Erőmű rendszerek A villamosenergia-rendszerben betöltött szerep szerint beszélhetünk alap-, menetrendtartó- és csúcserőművekről.
Az erőművet alaperőműnek nevezzük, ha csúcskihasználási időtartama igen magas (5500 h/év felett), közel állandó teljesítményen üzemel. Az alaperőművek általában a korszerű, jó hatásfokkal és/vagy olcsó tüzelőanyaggal üzemelő, – rendszerint új – erőművek (Magyarországon ilyen pl. a Paksi Atomerőmű).
A menetrendtartó erőművek követik a villamosenergia-igények változásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesek terhelésüket változtatni. Menetrendtartásra általában nem építünk új erőművet is, a régebbi alaperőművek válnak fokozatosan menetrendtartóvá (pl. a Tiszai, Dunamenti erőművek).
A csúcserőművek csak a villamos csúcsfogyasztás időszakában üzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk 1500-2000 h/év alatt van. Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségű) erőműveket indokolt létesíteni, melyeknél drága tüzelőanyag és alacsony hatásfok is megengedhető (általában gázturbinás erőművek).
Ennél is kevesebbet, évente legfeljebb 100-200 órát üzemelnek a tartalék erőművek, amelyek csak jelentős mértékű terven felüli hiány esetén kell elindulniuk.
4.1
Hőerőművek
A hőerőművek két nagy csoportját különböztetjük meg:
gőzerőművek,
gázerőművek.
- 104 -
A hazai villamosenergia-ellátásban legnagyobb szerepet a gőzturbinás erőművek játszanak. A gőzerőművek fő egységei:
kazán,
turbina,
generátor
A gőz előállítására a kazánok szolgálnak, ahol a szilárd, cseppfolyós vagy gáznemű tüzelőanyagok elégetésével vízgőzt állítanak elő. A tüzelőtérben a szénhidrogének (szén, kőolaj, földgáz) oxidációjakor felszabaduló hőenergiát használják gőzképzésre. Az így nyert gőzt tovább hevítik, majd gőzturbinába vezetik, ahol a hőenergia mechanikai energiává alakul. A turbina villamos generátort hajt, amelynek segítségével a mechanikai energia villamos energiává alakítható. Az erőmű rendszere, alrendszerei
A hőközlési alrendszer a kazánt és segédrendszereit, továbbá a kazánt a turbinaüzemmel összekötő csővezetékeket foglalja magába. Atomerőműben kazán helyett a reaktor, a teljes primerkör és a gőzfejlesztő értendő. Ebben játszódik le a kémiai vagy magenergia hővé alakítása.
A turbina alrendszer a hőt mechanikai munkává alakítja. Fő berendezése a turbina, de emellett ide tartozik annak legtöbb segédrendszere is (pl. tápvízelőmelegítők, szivattyúk, gáztalanítás, stb.). Ezt belső alrendszernek is nevezik, mert – egy igen csekély hőveszteségektől eltekintve – nincs energiacseréje a környezettel, csak a többi (külső) rendszerrel.
Az elektromos alrendszer végzi a mechanikai munka villamosenergiává alakítását
és
az
erőművi
önfogyasztások
villamosenergia-ellátását.
Fő
berendezései a generátor, a fő- és segédüzemi transzformátorok, a hozzájuk kapcsolódó villamos segédberendezések.
Nem tartozik az energiaátalakítási lánc fő vonulatához a hőelvonási alrendszer, de fontos szerepet tölt be: itt történik az elkerülhetetlen maradék hő elvezetése a környezetbe. Fő berendezései a kondenzátor, a hűtővízellátás és ezek segédrendszerei.
- 105 -
Az erőmű rendszer teljes hatásfoka az alábbi összefüggéssel számítható: ηKE = ηH · ηT · ηE =
Pki /Q ü
Ahol ηKE - erőműhatásfok, ηH - hőközlési alrendszer hatásfoka, ηT - turbina alrendszer hatásfoka, ηE - Villamos alrendszer hatásfoka, Pki - hálózatra kiadott villamos teljesítmény,
Q ü
- tüzelőanyaggal bevitt hőteljesítmény
Gőzturbinás erőműveket Működési elvük szerint három csoportba soroljuk: A kondenzációs erőművek (4.1. ábra) a veszteségek figyelembevétele mellett a teljes fejlesztett hőmennyiséget villamos energiává alakítják. A turbinából kilépő fáradt gőzt kondenzátorban hőelvonás mellett lecsapatják, és a kondenzvizet a tápvíztartályba vezetik.
- 106 -
4.1. ábra. Kondenzációs erőmű Kondenzációs erőmű alrendszerei és az erőmű hatásfokai (Forrás: Zsebik A, 2003) 4.1. táblázat
Alrendszer
Hatásfok
H - Hőközlés
Q H 1 Qü PH
T - Turbina (belső)
T
E - Villamos
E
Közelítő hatásfok
Hatásfok berendezések szerint
Q H 1 Qü
ηH = ηk · ηcs
Pt P Q 1 T
T
Pt Q 1
ηT = η0 · ηi
Pki PH PT Pt
E
Pki Pt
ηE = ηm · ηg · ηtr · ηε
- 107 -
KE Kondenzációs
ηKE = ηH · ηT · ηE =
Pki /Q ü
ηKE = ηk · ηcs · η0 · ηi · ηm · ηg · ηtr · ηε
erőmű Ahol: ηKE - erőműhatásfok, Pki - hálózatra kiadott villamos teljesítmény, Q ü - tüzelőanyaggal bevitt hőteljesítmény,
Q 1
körfolyamatba átvezetett hőteljesítmény, Pt - turbina belső teljesítménye,
ηH - hőközlési alrendszer hatásfoka, ηk - kazánhatásfok, ηcs - csővezetéki hatásfok, η0 körfolyamat hatáfok, ηi - turbina belső hatásfok, ηE - Villamos alrendszer hatásfoka, ηm mechanikai hatásfok, ηg - generátor hatásfok, ηtr - transzformátor hatásfok, ηε - önfogyasztási hatásfok, ηT - turbina alrendszer hatásfoka, PεH - hőközlési alrendszer villamos önfogyasztása, PεT - turbina alrendszer villamos önfogyasztása
Az ellennyomású erőművekben (4.2. ábra) a turbinából távozó gőz nem a kondenzátorba, hanem a gőzfogyasztókhoz kerül. A gőzből nyert hőenergiát technológiai vagy fűtési célra hasznosítják. A gőzelvételes erőműben (4.3. ábra) a gőz a nagynyomású turbinát követően két részre oszlik. Az egyik részt kisnyomású kondenzációs turbinába vezetik, míg a másik részt a hőfogyasztók kapják. A villamosenergia-termelésben túlnyomó részben kondenzációs erőműveket alkalmaznak. Az ellennyomású és gőzelvételes erőművek képezik az úgynevezett kapcsolt vagy kombinált rendszereket, amelyeket villamosenergia-előállítás mellett egy időben hőenergia nyerésre is alkalmaznak.
- 108 -
4.2. ábra. Ellennyomású erőmű
4.3. ábra. Gőzelvételes erőmű
- 109 -
4.4. ábra Turbina szétszerelt állapotban
Gázturbinás erőművek A hőerőművek másik nagy csoportját a gázturbinás erőművek alkotják. A gázturbinás erőműben a tüzelőanyagból nyert hőenergia közvetlenül füstgáz formájában jut a turbinára. Az ún. nyitott rendszerben (4.5. ábra) a kompresszor az égőtérbe nyomja a beszívott levegőt, ahol a tüzelőanyag (jelen esetben: gáz) elég. A keletkező füstgáz hőenergiája a turbinában mechanikai munkává alakul. A hatásfokot itt a kompreszszor, a turbina és az égőtér hatásfokának szorzata adja. A zárt rendszerű gázturbinás erőművekben a hőhordozó közeg levegő (1), amely légkazánban (5) az elégetett fűtőanyagból (2) nyeri a hőt. A hőhordozó levegőt a kompresszor segítségével zárt rendszerben a turbinához (4) áramoltatják.
- 110 -
(3)
6 1
3
4
1-
légbevezetés
2-
üzemanyag
3-
kompresszor
4-
gázturbina
5-
égőtér
6-
Füstgáz kémény
G - generátor
5 E – villamos energia
2
4.5. ábra. Nyitott rendszerű gázturbinás erőmű Hatásfoka: = 35% A kombinált gőz- és gázturbinás erőművek a hőerőművek közül a legjobb hatásfokkal működnek és környezetkárosító hatásuk is a legkisebb. (4.6. ábra) Itt a gázturbinából kilépő hőhordozó közeget (füstgáz) hőhasznosító kazánba vezetik, az itt fejlődött gőzt pedig gőzturbinára engedik rá.
- 111 -
4.6. ábra. Kombinált gáz-gőz turbinás erőmű A kombinált ciklusú folyamatokban rendszerint egy gázos és egy gőzös körfolyamatot kapcsolnak össze. A Hiba! A hivatkozási forrás nem található. . ábra egy gázturbinából ilépő 550 °C körüli hőmérséklettel rendelkező füstgázzal vízgőzt állítunk elő, ami egy Rankine-ciklust valósít meg, majd a lehűlt füstgázt még felhasználjuk „távhő előállítására‖ is. A kapcsolt hő- és villamos energia termelés jellemzésére két energetikai mutatót használunk, az br bruttó hatásfokot és a energiagazdálkodási mutatót:
ηbr ahol:
4.2
P
PQ h Q be
és
σ
P Qh
- az összes termelt villamos teljesítmény
Q h
- az összes hasznosított teljesítmény
Q be
- a bevitt hőteljesítmény
Erőművek kapcsolt energiatermelése
Az energia-megtakarításnak egyik leghatékonyabb eszköze a kapcsolt hő- és villamosenergiatermelés (együtt termelés - kogeneráció), amikor egy villamosenergia-termelő berendezés termodinamikai folyamatok következtében elkerülhetetlenül keletkező hulladék-hőjét olyan hőfokszinten tudjuk előállítani, hogy az még hőigények – elsősorban fűtési igények – kielégítésére
felhasználható.
Az
ilyen
rendszerekben
a
felhasznált
tüzelőanyag
energiatartalmának 80-90 %-a hasznosul villamos és hőenergia formájában. A két energiaforma aránya azonban a választott körfolyamat típusától függően eltérő lehet. Minden
villamos
áramot
fejlesztő
folyamat
tüzelőanyagot
használ
elsődleges
energiaforrásként, amely elégetésével hőt termel. A hagyományos hőerőművekben a munkaközegnek át nem adott hő a környezetbe jut, ami a rendszernek kis energiahatékonyságot eredményez. Egyébként: 1. Kapcsolt termelés az, amikor egy átalakító gyártó – folyamatnak egyszerre két vagy több értékesíthető terméke van.
- 112 -
2. Kapcsolt energiatermelés – energia átalakítás esetén a folyamatnak egyszerre több értékesíthető energetikai terméke van (villany, hő, nagynyomású levegő, stb.). 3. Kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés esetén a folyamatnak két értékesíthető terméke van: a hő és a villamos energia.
A kapcsolt hő- és villamosenergia-előállítás (amelyet kogenerációnak is hívnak, Combined Heat and Power Technology) CHP, felhasználja a hulladék hőt a helyi hőigények kielégítésére. Általában a gyárak, a kereskedelmi épületek és az üzletek, az elektromos művektől veszik az áramot, és tüzelőanyagok égetésével fedezik hőigényeiket. A CHP - technológiák lehetővé teszik az elektromos áram és a hőenergia egyidejű előállítását egyetlen rendszerben, így növelve az összteljesítményt és ajobbhatásfokot. A TRIGENERÁCIÓ kifejezést az áram, hő és hűtési energia egyidejű előállítására használják. Több fajta CHP-technológia ismeretes: A CHP- rendszerben a leggyakoribb a működés szerinti csoportosítás, a jrellemzőek: a gázturbinák a gőzturbinák és a belsőégésű motorok. A CHP rendszer az ismertebb erőműrendszerekkel megvalósítható utólagos átalakítás révén is, így: ellennyomású gázturbinák elvételes, kondenzációs gázturbinák kombinált gáz és gőzturbinás gázturbinák hő hasznosításával belső égésű motorok (pl. gázmotorok) mkro- és mini-gázturbinák hő hasznosításával Stirling-motorok (külső égésű motorok) tüzelőanyag-elemek (üzemanyag-cellák) gőzgépek
- 113 -
Organikus Rankine-körfolyamatok (hűtőközeges gépek), stb.
Lehetséges az első két fő technológia (1 és 2) egyesítése ún. kombinált ciklusú erőmű egységben. Ez a technológia a gázturbinából kilépő égéstermékeket használja a gőzturbina kazánjának fűtésére. A kapcsolt energiatermelést megvalósító berendezések jellemzésére két mutatót használnak. Az összes hatásfok () a két hasznos teljesítmény viszonya a bevezetett hőteljesítményhez (
ü ),
a másik a két hasznos teljesítmény viszonya (a hasznos villamos teljesítmény (P) és
hőteljesítmény ( f) aránya:
PQ f Qü
és
P Qf A σ mutatónak az adja a jelentőségét, hogy különválasztott termelés esetén a csak villamosenergiát termelés hatásfoka általában 20-40%, míg a kettő együtt a 70 - 90 % -ot is elérheti. Kedvezőbb az a megoldás, amelyben több villamos-energia termelhető (értékesebb), vagyis a fajlagosan nagyobb a villamosenergia-termelése hatásfoka.
Hő
Villany
Kapcsolt hő és villany
4.7. ábra A kapcsolt termelés jelentősége
- 114 -
A következőkbe néhány ábrával a jellemzőbb megoldásai mutatjuk be. A mai kisebb erőművek szinte mindegyike a gazdaságosabb üzem miatt kapcsolt hő- és villamosenergiatermelést folytat. Hasonlóan (később) bemutatjuk a biomassza CHP technológiájáit.
Nyitott ciklusú gázturbinás erőmű kapcsolt hőtermeléssel A nyitott ciklusú gázturbinás erőmű lényeges berendezése az a hőcserélő, amely a gázturbinából (1) kilépő hot hasznosítja füstgáz/víz hőcserélőn át (3). Ezzel az erőmű összes üzemanyag hasznosítási hatásfoka több, mint kétszeresére növekszik.
4.8. ábra Nyitott ciklusú gázturbinás erőmű kapcsolt hőtermeléssel B- tüzelőanyag, Q- a felhasználható hőenergia, E- villamos energia a hálózatnak, vagy belső felhasználásra, 1 – turbina, 2 – kompresszor, 3 – hőcserélő (füstgáz/víz)
- 115 -
4.9. ábra Ellennyomású gőzturbina CHP kapcsolása 1- kazán, 2-turbina, 3- tápszivattyú, tv, te HMV be és kimenetek Az összes hatásfok általában 80-90 %, a fajlagos villamosenergia-termelés értéke – a körfolyamat paramétereitől és a hőkiadás hőfokszintjétől függően – 0,2 és 0,4 között lehet.
Kombinált gáz/gőzerőmű A kombinált gáz/gőzerőmű lényeges berendezése az a hőcserélő, amely a gázturbinából kilépő hot hasznosítja (4.10. ábra 5. tétel), és ezzel gőzt termel a „gőzerőmű‖ részére. Jelenleg azokat a hőhasznosító-gőzfejlesztőket tekinthetjük korszerűnek, amelyek min. 2 nyomáson termelnek gőzt, és újrahevítést is megvalósítanak. A gőztermelés és újrahevítés hőfelvételének
hőmérsékletváltozása
meglehetősen
jól
követi
a
kilépő
gáz
hőmérsékletgörbéjét, és lehetővé teszi a kilépő füstgáz gáz lehűtését alacsony hőmérsékletre.
- 116 -
T 2 1 3
5
10
6
4 11
7
9 8 4.10. ábra Kombinált gáz/gőzerőmű kapcsolása (KISPESTI ERŐMÜ) Összes villamos energia termelés = 114 MW Összes eladható hőtermelés = 400 MW 6 - gőzturbina
1 - kompresszor 2 - tűztér 3 - gázturbina 4 - füstgáz kémény
1-
4-
15 - gőzkazán a nagyobb villamos
7 - hőcserélők (füstgáz/gőz,
teljesítményhez
füstgáz/víz)
10 - Kazán a kiadható hő
5-
2-
8 - tápszivattyú
növeléséhez
3-
9 - Hőátadás a fogyasztóknak
G - generátorok T - tüzelőanyag
5 - hőcserélők (füstgáz/gőz, füstgáz/víz)
- 117 -
Forrás (Stróbl A. 2009) A beépített kazánok (10-11) a rendszer optimális kihasználását segítik, a változó hő és villamos energia igény kielégítését teszik lehetővé, s ezzel előnyösebb menetrend adásra alkalmasak.
4.3
Vízerőművek
Hazánkban a vízerőműveknek kisebb a jelentősége, de egyes országokban (Norvégia, Ausztria stb.) az energiaigény meghatározó részét vízenergiából nyerik. A vízerőművek fő részei: a turbina és az általa hajtott generátor. A turbina hajtását a víz mozgási energiája biztosítja, amely a folyami vízerőművek esetén a folyóvíz sodrásával, tározós erőművek esetében pedig a víz helyzeti energiájából nyerhető. Részletes ismertetést csak a szívattyús tározós erőműrendszerről adunk az energiatárolás fejezetben.
4.4
Atomerőművek
A hazai villamosenergia-termelésben meghatározó szerepe van a Paksi Atomerőműnek, amely a villamosenergia-igény mintegy 40%-át biztosítja. Az atomerőművekben nukleáris energiát alakítanak át hőenergiává, majd az így nyert energiát gőz hordozóközeg segítségével gőzturbina hajtására fordítják. A villamos energia nyerése a hőerőművekhez hasonlóan gőzturbinával hajtott generátorokkal történik. Az atomerőmű primer körében a reaktorban nyert hőt hűtőközeggel szállítják a hőcserélőbe. A hőcserélőben keletkezett gőzt túlhevítik, majd a gőzturbinára vezetik. A fáradt gőz a turbináról kondenzátorba, majd a kondenzvíz szivattyú segítségével az előmelegítőbe jut, ahonnan tápszivattyú nyomja vissza a hőcserélőbe.
- 118 -
KÉRDÉSEK 1. Az erőmű rendszere, alrendszerei, teljes hatásfoka 2. Gőzelvételes erőmű 3. Kombinált gáz-gőz turbinás erőmű 4. A kapcsolt hő- és villamosenergia-előállítás, a CHP- rendszer csoportosítása 5. A kapcsolt termelés jelentősége 6. Kombinált gáz/gőzerőmű
- 119 -
5.
VILLAMOSENERGIA SZÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA
Az erőművekben előállított villamos energia a villamos rendszer hálózatán át jut el a fogyasztókhoz.
5.1
Nagyfeszültségű és középfeszültségű hálózatok
Az erőművek által előállított villamos energiát távvezetékek segítségével juttatjuk el a fogyasztóhoz. A villamos energia szállítása annál gazdaságosabb, minél nagyobb feszültségen történik az energiaátvitel. A vezetéken átvitt villamos teljesítmény: (W) összefüggésből számítható. Ugyanakkora teljesítményt nagyobb feszültségen szállítva, kisebb a vezetéken folyó áram. A vezetéken hővé alakuló teljesítmény: (J) vagyis minél kisebb a vezetéken folyó áram, annak négyzetével arányosan lesz kisebb a szállítás vesztesége. Ez az oka annak, hogy az erőművekben előállított 10-20 ezer volt feszültségű villamos energiát először magasabb feszültségszintre transzformálják. A villamos energia szállítása egyen- vagy váltakozó feszültségen történhet. A villamos energia egyenfeszültségen történő szállítása sok kedvező tulajdonsággal rendelkezik. Az egyenáramú távvezetéken a vezeték impedanciáját kizárólag annak ohmos ellenállása szabja meg, míg váltakozó feszültségű hálózaton számolnunk kell az induktív és kapacitív reaktanciák hatásával is. A váltó-egyen-váltó átalakítás többletköltséget jelent, míg a váltakozó feszültségű átvitel esetén ez a többletköltség elmarad. Az országos villamosenergia-átviteli hálózat az erőművektől a fogyasztókig, több különböző feszültségszintű
hálózatból
tevődik
össze.
- 120 -
A
feszültségszinteket
közbenső
transzformátortelepekkel, ún. alállomásokon állítják elő. A hazánkban alkalmazott hálózatok rendeltetésük szerint az alábbiak:
Alaphálózatnak nevezzük azt a hálózatot, amely a villamos energiát az erőművi transzformátorállomásoktól az országrészeket ellátó állomásokba viszi át. Az alaphálózati állomások elosztása az ország egész területén egyenletes. Az alaphálózathoz tartoznak a nemzetközi együttműködést biztosító kooperációs hálózatok, valamint a katonai erőműveket összekötő hálózatok is!
A főelosztó-hálózat az ellátó állomásokból indul ki. A főelosztó-hálózatok pl. egyegy megyényi nagyságú terület ellátását végzik. Hatósugaruk általában 50-100 km.
A középfeszültségű elosztóhálózat vezetékei a főelosztó-hálózat alállomásaiból indulnak ki, és egy-egy településhez vagy üzemhez juttatják el a villamos energiát.
A kisfeszültségű elosztóhálózat a kis települések, üzemek villamos hálózata. Ezen a hálózaton jut a villamos energia közvetlenül a fogyasztóhoz.
A törpefeszültség elsősorban érintésvédelmi energiaellátási funkciót lát el. A különböző rendeltetésű hálózatok feszültségszintjének megválasztása attól függ, hogy
milyen
távolságba,
mekkora
teljesítményt
kell
szállítanunk.
Ún.
ökölszabályként említhetjük meg, hogy a villamos energiát - átvitt értelemben annyi V feszültségen kell szállítani, ahány méterre kívánjuk eljuttatni. A Magyarországon jelenleg alkalmazott legfontosabb szabványos feszültségszintek: Nagyfeszültségek: 750 kV, 400 kV - nemzetközi kooperáció 220 kV - országos alaphálózat 120 kV - főelosztóhálózat Középfeszültségek: (35 kV -középfeszültségű elosztóhálózat*) 20 kV - középfeszültségű elosztóhálózat (10 kV - városok elosztóhálózata*) Kisfeszültségek:
- 121 -
400 V - háromfázisú hálózat vonalfeszültsége 230 V - egyfázisú hálózat *Ma már nem szabványosak. A nagy- és középfeszültségű elosztóhálózatok az áramszolgáltató vállalatok kezelésében vannak. Ezeknek a hálózatoknak a kiépítésénél általában az alábbi alakzatokat alkalmazzák: Sugaras hálózat az egyik végéről táplált, többszörösen szétágazó, nyílt vezetékrendszer, amelyben az áram bármely fogyasztóhoz csak egy úton juthat el. A sugaras hálózat előnye, hogy könnyen áttekinthető, méretezése egyszerű, szerelése olcsó. A hibahely könnyen behatárolható. A vezeték hibája esetén azonban nagy területek maradnak áramellátás nélkül. A fogyasztók vezetékhiba esetén mindaddig energiaellátás nélkül maradnak, amíg a hibát el nem hárítják. Hátrányai miatt ezt a hálózatalakzatot nagy- és középfeszültségű hálózatoknál ritkán alkalmazzák. A két pontban táplált vagy íves hálózat olyan vezetékrendszer, amelynek két végpontját két nagyfeszültségű transzformátorállomáshoz kapcsolják. Ez a rendszer az előbbinél lényegesen nagyobb üzembiztonságot nyújt, mert ha az egyik táppont és a fogyasztók között vezetékhiba keletkezik, a fogyasztók a másik táptranszformátortól kapják az áramot. Ez a megoldás az alap- és főelosztóhálózatok gyakran alkalmazott rendszere. Az egy ponton táplált körvezeték vagy gyűrűs vezeték olyan sugaras hálózatnak fogható fel, amelynek két végpontját összekapcsolják. Az összekapcsolással az üzembiztonság növekszik és a feszültségesés csökken. A körvezetéket egynél több helyen is lehet táplálni, ez az üzembiztonság további növelését jelenti. A vezetékben történt hiba esetén a fogyasztó a körvezeték másik végén kap energiát, míg a táptranszformátor hibája esetén valamely másik transzformátor veszi át a terhelést. A körvezeték a középfeszültségű hálózatok jellegzetes alakzata. A körvezetékek továbbfejlesztett formája az ún. hurkolt hálózat, amelyben a fogyasztó kettőnél több úton juthat energiához, mert a körvezeték egyes pontjait is összekötik egymással a vezetékvonalak. Ezt a rendszert főként a városok energiaellátó rendszerénél alkalmazzák.
- 122 -
A nagy- és középfeszültségű hálózatokat szabadvezetékkel építik ki. Nagyfeszültségű hálózatok tartóoszlopaiként kevés kivételtől eltekintve, rácsos szerkezetű acéloszlopokat alkalmaznak. A 5,1. ábrán ZT jelű acél nagyfeszültséghez alkalmazott oszlopokat mutatunk be. Középfeszültségű
hálózatokon
túlnyomórészt
betonoszlopokat
alkalmaznak.
Betonoszlopoknál megkülönböztetünk tartóoszlopokat, amelyek egyenes hálózatszakaszon csak a vezetők tartására alkalmasak. A saroktartó oszlopok a nyomvonal irányeltérésének helyén az eredő vezetékhúzásnak is ellenállnak. A feszítőoszlopok a nyomvonal meghatározott távolságaiban a vezetéket rögzítik, vagyis a vezetékhúzásból eredő erőt veszik fel. Középfeszültségű hálózatoknál 2-3 km-enként szoktak feszítőoszlopot alkalmazni. A sarokfeszítő-oszlop a nyomvonal irányeltérésének helyén a vezető feszítésére alkalmas, a sarok és feszítőoszlop együttes feladatát látja el. Végoszlopokat a vezetékek végpontján, leágazó oszlopokat a vezetékek elágazásánál alkalmazunk. Az oszlopokon a vezetékeket kereszttartók segítségével szigetelőkön rögzítik. A kereszttartókra szerelt szigetelők különféle típusúak lehetnek. Hazánkban elterjedten alkalmaznak porcelánszigetelőket.
5.1. ábra. Nagy- és középfeszültségű hálózatok acél tartóoszlopai
- 123 -
5.2. ábra. Szabadvezetékek szokásos sematikus oszlopképei ( a), b), c): egyrendszerű középfeszültségű vezetékek; d), e): egyrendszerű nagyfeszültségű vezetékek; f), g): kisfeszültségű vezetékek, h) két rendszerű nagyfeszültségű vezetékek, j) egyrendszerű nagyfeszültségű köteges vezeték elrendezés; Az A1, A2; B1, B2; C1, C2 jelölésnél az azonos betűk azonos fázishoz tartozó vezetőt jelölnek. A fázisvezetők jelölései: A, B, C, a nulla vezető jele: N, védő vezető jele: V)
Magyarországon főként alumínium alapanyagú vezetékeket alkalmaznak. Az alumínium ötvözetű vezetékek nagy szakítószilárdsággal, kis villamos ellenállással, jó korrózióállósággal rendelkeznek. Leggyakrabban a csupaszvezető sodronyt alkalmazzák. A sodronyvezető esetén a minőség jobban biztosítható, a vezeték jó mechanikai tulajdonságokkal, nagy hajlékonysággal, magas kifáradási határral rendelkezik. Nagy- és középfeszültségű hálózatokon az alábbi vezeték-keresztmetszetek a jellemzőek.
- 124 -
A szabadvezetékekre vonatkozó paraméterek összefoglaló táblázata 5.1. táblázat Vezeték
Fesz.
Hull. imp.
Term. telj.
Hat. telj.
Un
A
Dk
Z0
Pt
PtH
kV
mm2
m
Ω
MW
MW
0,4
95
0,61
283
0,001
0,263
20
50
1,7
366
1,09
8,66
120
250
5,2
375
38,4
147,6
220
250
10,1
414
117
270,5
400
3 · 500
15,8
288
556
2328
750
4 · 500
22,04
268
2100
5820
Ahol: Un - a távvezeték névleges vonali feszültsége [kV] A
- a távvezetéksodrony névleges keresztmetszete [mm2]
Dk - a fázisvezetők egymáshoz mérhető közepes távolsága [m] Z0 - a vezeték hullám ellenállása Pt- a vezeték háromfázisú természetes teljesítménye [MW] PtH - a vezeték háromfázisú termikus határteljesítménye [MW] PtH = 3 Un I tH A vezetékeknek az oszlopokon történő elrendezését különböző, gyakran ellentétes előjelű követelmények határozzák meg. Az oszlopképek, oszlopfej-szerkezetek ezért nagyon sokfélék lehetnek. Kialakításuknál az alábbiakat kell szem előtt tartani:
ne álljon fenn összelengés veszélye,
a feszültség alatt álló vezetők a földelt szerkezetektől és földelt száltól megfelelő távolságra legyenek,
a vezetékek elrendezése ne növelje az oszlopmagasságot és az oszlop igénybevételét,
az oszlopfej-szerkezet olcsó, áttekinthető, könnyen szállítható és szerelhető legyen.
- 125 -
5.2
Villamos energia elosztása és irányítási rendszere
Minden villamos energia szolgáltató rendszer termelő, szállító és elosztó-berendezések összességéből áll. Mivel a váltakozó áramú villamos energia nem tárolható, az időben változó fogyasztói igény teljesítése változó termelést is igényel. Alapvető törekvés azonban, hogy a fogyasztást mindig a leggazdaságosabban elégítsük ki. Ezért a termelőegységek – az erőművek – közül a legkisebb önköltségűek és legjobb hatásfokúak üzemelnek a lehető legtöbbet, a drágábban termelők pedig kevesebbet működnek. Az előbbiek képezik a rendszer termelésének alapját, az időben viszonylag állandó terhelést elégítik ki, ezért ezeket a villamos energia termelő egységeket alaperőműveknek nevezzük. A karbantartási és az esetleges javítási idő kivételével állandóan üzemben vannak. A napi fogyasztói igény előre megbecsülhető kisebb terhelésmódosulásait,a változásokat rugalmasan követő gépekkel üzemelő ún. menetrendtartó erőművek elégítik ki. Az időszakosan fellépő csúcsigényeket gyorsan üzembe vehető gépekkel rendelkező csúcs erőművek fedezik. Az erőművekből távvezetékek szállítják el a villamos energiát azokra a nagy hálózati csomópontokra, amelyek segítségével a termelő berendezések,illetve ma már a szomszédos országok kölcsönös együttműködése is megvalósul. Hazánkban ezek az ún. alaphálózati (átviteli hálózati) vezetékek 750, 400 és 220 kV feszültségűek. Ez a hálózat táplálja azután a 120 kV feszültségű főelosztó hálózatot, amely a fogyasztás súlypontjaiba juttatja a villamos energiát.
5.3. ábra
- 126 -
Energia ellátás globális sémája
Az energiarendszerben együttműködő erőművek és hálózatok üzemének irányítását és az üzemmenet állandó ellenőrzését irányító központok– teherelosztók – végzik. Munkájukhoz elengedhetetlenül szükséges formációkat távközlési rendszereken keresztül folyamatosan kapják. A teherelosztó elnevezés elsősorban az erőművek közötti terhelés – pontatlanul teher – elosztására utal, de általános elterjedtsége miatt a villamosenergia-rendszer hálózati üzemirányító központjaira is ezt a megfogalmazást használjuk. A magyar villamosenergia-rendszerben a teherelosztók háromszintes tagolásban működnek. A Magyar Villamosenergia-ipari Rendszerirányító Rt. (MAVIR Rt.) Villamos Teherelosztó (korábban Országos VillamosTeherelosztó – OVT) hatásköre a nagy erőművek és az alaphálózat irányítása és a körzeti „alteherelosztók‖ szakmai felügyelete. Utóbbiak az áramszolgáltató vállalatok szervezetébe tartoznak Körzeti Diszpécser Szolgálat (KDSz) néven.
- 127 -
5.4. ábra A villamosenergia-hálózat elvi felépítése
Feladatuk a már említett főelosztó hálózat, valamint a nagyfeszültségű elosztóhálózat egyes kiemelt elemeinek és az ezekhez kapcsolódó erőművek üzemirányítása. Az elosztóhálózatok működésének irányítását üzemirányító központok (ÜIK) látják el. A villamosenergia-rendszer nemzetközi összeköttetésekkel is rendelkezik. Ezek segítségével lehetőség van szerződésszerinti energiaforgalomra, amelyet ugyancsak az érintett országok országos teherelosztóinak együttműködése tesz lehetővé. Ez azzal az előnnyel jár, hogy egyegy országban kevesebb erőművi termelő berendezés tartalékolására van szükség, mert számítani lehet az országhatáron túlról érkező kisegítésre, akár üzemzavaros helyzetben is.
- 128 -
A villamos mű fogalmán a erőművek, ill. az ezekhez csatlakozó hálózati vezetékek, az átalakító- és kapcsoló berendezések, az fogyasztói vezetékhálózatok értendők. A villamos mű lehet közcélú vagy üzemi. A közcélú villamos mű a lakosság, vállalatok, intézmények és egyéb szervek villamosenergia-igényének kielégítésére, valamint a közvilágítás ellátására szolgál. Az üzemi villamos mű az üzemben tartó saját üzemi villamosenergia szükségletét elégíti ki.
5.5. ábra A decentralizált termelés Nem azonos a decentralizált és a lentebbi un. elosztott termelés. A hazánkban a villamos energia az . ábrán látható rendszerben jut el az üzemekhez vagy a kisfeszültségű csatlakozással rendelkező fogyasztókhoz.
- 129 -
5.6. ábra. A hazai villamosenergia-hálózat elvi felépítése
Az esetek döntő többségében a közép/kisfeszültségű, 20/0,4 kV-os transzformátorállomások az ÁRAMSZOLGÁLTATÓ VÁLLALATOK (pl. ELMŰ, E ON, stb) kezelésébe (tulajdonába) tartoznak. Ilyen esetekben az üzemi villamos mű a transzformátor kisfeszültségű oldalánál kezdődik. A villamosenergia-ipar szigorú üzemeltetési rendje az, hogy bármely berendezés kezelése - a balesetek és üzemzavarok elkerülése végett csak egy üzemben tartó feladata lehet, ezért azt a szerkezeti elemet, csatlakozási pontot, ahol a kérdéses üzemi villamos mű a közcélú hálózatra csatlakozik, egyértelműen meg kell határozni, és ezt a pontot a felhasználó és az áramszolgáltató között megkötendő szerződésben egyértelműen rögzíteni kell. Pl. a következőképpen: az MVM (Magyar Villamos Művek) kezelésében van a nemzetközi együttműködő és a országos alaphálózat, az áramszolgáltatók kezelésében van a középfeszültségű hálózat a transzformátor kisebb feszültségű kivezetéséig, az üzemi villamos mű pedig a 20/0,4 kV-os transzformátor kisfeszültségű kivezetésére csatlakozó kábelsaruknál kezdődik.
- 130 -
5.3
A villamos rendszer
A mérlegkör A szabályozási teljesítmény igénybevételének okozathelyes megállapítására és elszámolására, illetve a kapcsolódó feladatok és vonatkozó felelősségi viszonyok szabályozására szolgáló fogalom. A mérlegkör egy olyan elszámolási egység, amelyet –
a mérlegkör-felelősi funkciót ellátó piaci szereplő szerződéses kapcsolatai definiálnak.
–
a szabályozási teljesítmény rendszerirányítóval történő elszámolásában a mérlegkör-felelős képvisel.
A mérlegkörök feladatai Menetrendek bejelentése Fogyasztási és termelési menetrendek mérlegkör-szintű összesítése és továbbítása a rendszerirányítóhoz. Mérési adatok kezelése A kiegyenlítő energia mérlegkör tagok felé történő tovább allokálásához a szükséges mérési adatok összegyűjtése a rendszerirányítótól és a hálózati társaságoktól. Elszámolás A bejelentett fogyasztási és termelési menetrendek, és a mérési adatok alapján a különbségek elszámolása a rendszerirányítóval, és az eltérések okozta szabályozási teljesítmény igény költségének allokálása a mérlegkör tagjai felé.
- 131 -
5.7. ábra A menetrend szerepe a szolgáltatási, termelési és piaci viszonyokban (Forrás: Stróbl A.,2008) A szabad kereskedelem megjelenésével, a villamosenergia ellátás biztonságának megtartása érdekében a rendszerirányító (MAVIR) integráló szerepe megnőtt. Alapvető szerepet lát el mind a fizikai, mind az adminisztratív (pl. kereskedelmi) kapcsolatok területén.
5,8. ábra
- 132 -
A rendszerirányító (MAVIR) integráló szerepe A
szabályozás
és
a
menetrendadás
szempontjából
erőművek
az
rendszerének
megválasztásánál a céljaink érdekében a tulajdonságaikat figyelembe kell venni. Mi az elsődleges: villany-, vagy a hő nyerés, milyen menetrendet követel meg a helyi ellátás, mi rendszerirányító elvárása, stb. Ellentétes hatás van pl. az ellen nyomású - és az elvételes gázturbinás erőműveknél.
1
2
5.9. ábra Az ellen nyomású (2) és elvételes (1) erőműveknél fennálló ellentétes hatások (Stróbl A. 2009)
Míg az ellen nyomású erőmű hőtermelésének %-os arányát a villamos termeléssel együtt lehet növelni, addig az elvételes rendszerben hőtermelés növelése a villamos termelés csökkenésével érhető el.
- 133 -
Ellen nyomású (1)
Elvételes (2)
5.10. ábra A diagram szerinti erőművek vázlatos jellemzése
Transzformátorállomások
5.4
A transzformátorállomás és ezen belül maga a transzformátor alapvetően meghatározza a rajta keresztül ellátott hálózat üzembiztonságát, fajlagos létesítési és üzemben tartási költségeit. Három jellegzetes csoportra oszthatók:
szabadtéri kivitelű oszlop-transzformátorállomások;
belső téri (épített) transzformátorállomások, amelyek lehetnek önálló épületek, ill. bármely üzemi vagy egyéb épületben, e célnak megfelelően kialakított transzformátorkamrák és kapcsolóterek
vaslemezházas transzformátorállomások.
Üzemi transzformátorállomás létesítése Az
üzem
transzformátorállomásának
létesítése
a
transzformátor
teljesítményének
megválasztásával kezdődik. A teljesítmény megválasztásánál ismernünk kell, hogy a transzformátornak
milyen igényt
kell kielégítenie.
Az
igény a transzformátorról
üzemeltetendő gépek egyidejű teljesítményigényétől függ. Egyszerűsítve:
- 134 -
Ahol:
Pbe - a gépek ún. beépített teljesítménye;
e - az egyidejűségi tényező.
Az egyidejűségi tényezőt numerikus, vagy grafikus úton határozhatjuk meg a gyakorlati tapasztalatok alapján. Az egyidejű teljesítményigény ismeretében a transzformátor teljesítménye:
Ahol:
P- egyidejű teljesítmény (kW)
cos φ – az üzem fázistényezője
k – biztonsági tényező
Az üzem cos φ -jét az üzemeltetett gépek eredő fázistényezője adja, amely 0,6-0,7 között vehető fel. A k tényezőt gyakorlati megfontolások: várható bővítés, az egyidejűségben beálló változás stb. alapján választjuk meg. A transzformátorokat lehetőleg úgy helyezik el, hogy az üzem villamos fogyasztóinak a fogyasztói súlypontja környékén legyen, így jelentős megtakarítás érhető el a kisfeszültségű elosztóhálózat létesítésénél.
5.5
Villamos hálózatok méretezése
Az üzem kisfeszültségű elosztóhálózata az üzemi transzformátorállomástól indulva magában foglalja a villamos fogyasztók teljes villamosenergia-ellátási rendszerét, a vezetékek és elosztó berendezések összességét. A kisfeszültségű elosztóhálózat a létesítés helyétől függően lehet szabadtéri vagy belsőtéri.
- 135 -
A kisfeszültségű elosztóhálózatok rendszerint 3×400/230 V feszültségű háromfázisú hálózatok. Egyfázisú - főként világítási - fogyasztók ellátását gyakran 230 V-os egyfázisú hálózatról oldjuk meg. Ha egyfázisú fogyasztókat látunk el háromfázisú hálózatról, a háromfázisú rendszer egyenletes terhelése érdekében törekedni kell a fogyasztók szimmetrikus elosztására. A vezetékek méretezése során egyidejűleg több követelménynek kell eleget tenni: teljesíteni kell a feszültségesésre, a melegedésre, az üzemszerű és a zárlati mechanikai igénybevételre, az érintésvédelemre és a gazdaságosságra vonatkozó előírásokat. Méretezés feszültségesésre A hálózat táppontja és a fogyasztó között fellépő feszültségesés: (V) ahol:
e - a feszültségesés a vezetéken;
UT - a táppont feszültsége;
UF - a fogyasztó feszültsége.
A feszültségesés százalékos értéke:
A megengedett feszültségesés: = 1-8 % (világítás 1-2%, hő fejlesztők 2-4%, motorikus 5-8%) Vegyes rendeltetésű hálózat esetén a megengedett feszültségesés 2-5% lehet. Váltakozó áramú hálózaton számolnunk kell az induktív és kapacitív reaktanciák hatásával is. A vezető keresztmetszetének meghatározásához ismernünk kell a vezeték hosszát, a vezetéken folyó áramerősséget és a vezetéken megengedhető feszültségesést.
- 136 -
Jelöljük a táppont és a fogyasztó közötti távolságot l-lel. Ebben az esetben az egyfázisú hálózat teljes vezetékhossza 2 l. Ezzel a jelöléssel a feszültségesés:
Ebből:
l – a vezeték hossza
p - a vezető fajlagos ellenállása
A – vezeték kersztmetszete
A fentiből: (mm) Az egyenletben a 2-es szorzó kiküszöbölése érdekében alkalmazzuk az egyszál vezetőre jutó mértékadó feszültségesést. Az egyszál vezetőre jutó feszültségesés a teljes feszültségesés fele.
Szabadtári hálózatok kivitele A kisfeszültségű szabadtéri hálózatok megjelenési formájukat tekintve, három fő csoportra oszthatók: szabadvezeték-hálózatok, földkábelek és szigetelt szabadvezetékek. A kisfeszültségű szabadvezeték-hálózatokat szabvány szrint és típustervek alapján lehet létesíteni. Létesülnek olyan hálózatok is, ahol vegyesen kell alkalmazni a szabadvezetéket a földkábellel, esetleg a szigetelt szabadvezetékkel. A törekvés az, hogy a hálózatok karbantartási igénye minimális legyen, miután az üzemben tartási költségeket leginkább a kiváló minőségű hálózatokkal lehet csökkenteni. A kábelhálózat létesítése költségesebb, mint a szabadvezetéki hálózat. Karbantartást és felügyeletet gyakorlatilag nem igényel, azonban meghibásodása esetén a kábelhibák javítása rendkívül bonyolult. A
szigetelt
szabadvezeték-hálózat
létesítési
költsége
ugyancsak
meghaladja
a
szabadvezetékét, annak mintegy 1,2-szerese. Csak olyan területeken létesítik, ahol
- 137 -
csupaszvezeték- biztonsági okokból nem felel meg, ill. olyan nyomvonalvezetés esetén (pl. különleges növények, fák között), ahol a biztonsági övezetben előírtak a csupaszvezetékekkel nem tarthatók be.
KÉRDÉSEK 1. Nagyfeszültségű és középfeszültségű hálózatok jellemzése. 2. A villamos mű fogalma 3. A mérlegkör fogalma, feladata 4. Miért kell a villamos hálózatokat méretezni (jellemzői).
- 138 -
6.
BIOMASSZA
A mezőgazdasági termelés a légköri szénnek fotoszintézis útján, növényi szerves anyagokban való megkötésén és a nap energiájának kémiai energiává alakításán alapszik. Hazánk területén a növényzet háromszor annyi elemi szenet és energiát köt meg, mint a hazai kitermelésű összes energiahordozók mennyisége. Ennek a növényi produktumnak azonban csak egy részét hasznosítjuk, mint élelmiszert, takarmányt vagy ipari alapanyagot. Kézenfekvő tehát, hogy a fel nem használt hányadot (energianövények, melléktermékek, hulladékok) talajerővisszapótlásra, vagy energianyerésre hasznosítsuk. Az energetikai célra elméletileg felhasználható melléktermékek mennyisége évente mintegy 9-10 millió tonna. Ebből 12-15% nedvességre szárítva 50%-os hatásfokkal is évente 60-70 PJ hő lenne előállítható. A mezőgazdasági fő és melléktermékek energetikai felhasználásának lehetséges módjai a következők:
tüzeléstechnika,
pirolitikus elgázosítás,
metános erjesztés (biogáz),
növényi olaj és szesz előállítás motorhajtóanyagként.
A négy megvalósítási lehetőség közül a mezőgazdasági termelést leginkább a metános erjesztés szolgálja, mert itt az előállított kb. 23-25 MJ/m3 fűtőértékű gáz mellett igen jó minőségű "biotrágya" végtermék is keletkezik, amely segíti a környezetbarát talajerő visszapótlást. A nyers trágya és egyéb hulladékok felhasználásával környezetvédelmi célokat is szolgál. Az olaj és szesz előállítása nem a melléktermékre épít. Ennek ellenére a jövőben a motorhajtó anyagok előállításának egyik jelentős tényezője lehet. A szilárd megújuló energiahordozók közül a fa frissen vágott állapotban 40-60%, légszáraz állapotban 8-15% vizet tartalmaz. A vízmentes fa szerves anyaga a cellulóz, szervetlen anyaga a kálium, a foszfor, a mész és a vas vegyületei. A fa összetétele: szén 39-50%, hidrogén 4-7%, oxigén 36-42%, nitrogén 0,5-4%, egyéb 2-3%. A fűtési célra számításba vehető mezőgazdasági melléktermékek növények, ill. növényi maradványok eredetüket és jellemzőiket tekintve igen sokfélék. Közülük a szőlő és gyümölcsültetvények nyesedékei tüzeléstechnikai jellemzőket tekintve a fa paramétereihez közelállók. Nedvességtartalmuk a tárolás idejétől és módjától függően 12-60%. A szántóföldi növénytermesztés anyagai közül a legnagyobb tömegben a kukoricaszár áll rendelkezésre. - 139 -
Betakarítási nedvességtartalma 45-65%. Tüzeléstechnikai felhasználása csak szárítás után lehetséges. Igen kedvező a különböző kalászos gabonák szalmája hőfejlesztésre. A szálas anyagok szállítása, tárolása, tűztérbe juttatása sok problémát vet fel. Ezért a mezőgazdasági melléktermékeket a tüzelésre előkészítik. A tüzeléstechnikai célra felhasználható anyagok a betakarításkor eltérő, 16-60% nedvességtartalmúak. A nedvességtartalom a huzamosabb tárolás vagy szárítás hatására 1014%-ra csökkenthető. A
legtöbb
melléktermék
esetében
komoly
gondot
jelent
a
magas
betakarítási
nedvességtartalom, mind a tárolás, mind a tüzeléstechnikai felhasználás miatt. Bár az alapanyag
oxidációra
képes
hidrogén
tartalma
viszonylag
alacsony,
a
magas
nedvességtartalom elpárologtatásából adódóan a füstgázokban lévő vízgőz mennyisége jelentős lesz. A növényi maradványtüzelés egyik kiemelt problémája az anyag-előkészítés. Ez egyrészről a nedvességtartalom
csökkentését,
másrészről
a
mechanikai
előkészítést
jelenti.
A
nedvességtartalom csökkentése természetes vagy mesterségesen előmelegített levegővel való szárítással lehetséges. Természetes szárítással általában a kalászosok szalmáját, a szőlővenyigét és a fahulladékokat víztelenítik. A kukoricaszár, kukoricacsutka, fa víztelenítését azonban meleg vagy előmelegített levegővel szárítják, amelynek mind a gépi beruházása, mind az energiaigénye jelentős. A másik - az előzőnél is - fontosabb kérdés az anyag mechanikai előkészítése, a betakarítás, tárolás, tüzeléstechnikai előkészítés technológiai folyamata. Közismert tény, hogy az elsősorban szárrészek alkotta melléktermékek térfogattömege igen alacsony. Ezek szállítása speciális felépítményű járműveket igényel. Magas a fajlagos élőmunka és hajtóanyag igény, de jelentős az eszközlekötés is. A mezőgazdasági eredetű folyékony tüzelőanyagok az alkoholok és a növényi olajok. Az alkohol előállításra nálunk elsősorban a szemes termények közül a kalászos gabonák és a kukorica, valamint a cukorrépa és a burgonya alkalmas. Az olajütés utáni kezeléssel fűtőolaj vagy motorhajtó, esetleg kenőanyag előállításra van mód. Az alkoholok közül mind a metil-alkohol, mind az etil-alkohol alkalmas az elégetésre vagy motorhajtó anyagként történő felhasználásra. Másik felhasználási területük a növényi olajokból készült motorhajtó anyagok (Biodízel).
- 140 -
A növényi olajok közül Magyarországon elsődleges szerepe a repce és a napraforgó olajnak lehet elsősorban a termelési szerkezetbe illesztés és a tárolásbiztonság miatt. A hidegen sajtolt olajok közvetlenül sem fűtőolajnak, sem motorhajtó anyagnak nem használhatók fel. Kezelésüknek több kidolgozott technológiája ismert. Ilyen például az adalékolás, ami nem egyértelmű, ilyen az észterezés (RME-repcemetilészter, SME - napraforgó-metilészter NME), s a glicerin kivonásán alapuló technológia. Ma már több mint reményteljes kísérlet, hogy egyes mezőgazdasági anyagokból (pl. kukoricacsőből) ún. önhevítős katalitikus eljárással etanolt, majd hidrogént állítanak elő, ami várhatóan a jövő tüzelőanyag-celláinak energiaforrásaként szolgál majd. Az eljárás abszolút környezetbarát, mivel a melléktermék víz és levegő. A mezőgazdasági eredetű gáznemű energiahordozók a generátorgáz és a biogáz. A generátorgáz előállítása pirolitikus elgázosításával történik. Alapanyaga a szén és a fa, de lehetséges mezőgazdasági növényi részek (melléktermékek) felhasználása is. A biogáz metános erjesztés eredménye. Alapanyag a trágya és trágyalé, valamint növényi anyagok. A generátorgáz előállítása a gázgenerátorban történik, a szilárd tüzelőanyagból légnemű tüzelőanyag keletkezik. A gázgenerátorban lejátszódó kémiai reakciók a tüzelőanyagtól, az elgázosító közegtől (levegő, vízgőz, vagy a kettő keveréke), valamint a reakciótérben uralkodó nyomástól és hőmérséklettől függenek. Levegővel történő elgázosítás során léggáz, vízgőzzel történő elgázosításkor vízgáz, levegő-vízgőz keverékkel történő elgázosításkor kevertgáz keletkezik. A biogáz a szerves anyagok levegőtől elzárt anaerob metános erjesztése során nyert éghető gáz. Fő összetevői: 40-65% metán, 25-50% szén-dioxid, 5-10% nitrogén, 0,5-1% kénhidrogén 2-4% víz. Fűtőértéke a pillanatnyi metántartalomtól függően 20-26 MJ/m3. A biogáz előállítása levegőtől elzárt térben történik. Működése lehet folyamatos és szakaszos. A folyamatos működésű biogáztelepekben a töltet kigázosítása mérsékeltebb, mint a szakaszos működésűekben. Előnye viszont a folyamatos működés, a tartósan állandó gázösszetétel és gázminőség. A folyamatos működésű telepeken általában a híg vagy más néven hígtrágya technológiát alkalmazzák. Minél nagyobb a szilárd rész hányada, annál nagyobb a szervesanyag-tartalom, annál nagyobb az 1 m3 erjesztőtérből nyerhető biogáz mennyisége és adott biogázt előállító egység fermentor térfogata, vesztesége és bekerülési költsége annál kisebb. A másik típus a 15-28% szárazanyag-tartalmú anyagot (trágya, növényi anyagok és egyéb hulladékok) feldolgozó ún. árasztásos technológia.
- 141 -
A mezőgazdasági melléktermékek elvileg egyéb szilárd tüzelőanyagok égetéséhez tervezett berendezésben eltüzelhetők. Az anyag utánpótlása (adagolása) továbbá a szabályozás és az elfogadható hatásfok szempontjait is figyelembe véve ezek a megoldások azonban nem tekinthetők kiforrottnak. A melléktermék tüzelésnél két alapvető feladatot kell megoldani. Az egyik a tüzelőanyag beadagolása, a másik az égéshez szükséges levegőmennyiség bevezetése és szabályozása. A levegő bevezetéssel szabályozható az égés hőmérséklete. A magas, 1000 °C-nál nagyobb égési hőmérséklet az erős és kellemetlen következményekkel járó salakképződés miatt kimondottan káros. Ezért a tűzteret és a levegő bevezetését úgy kell megtervezni, hogy kétfokozatú égés jöjjön létre. A jól tervezett égési folyamat első fokozata nagyon kis mértékű léghiányban játszódik le, figyelembe véve a tüzelőanyag magas szabad oxigén tartalmát is. Az égést úgy kell szabályozni, hogy itt a hőmérséklet maximuma 900-960 °C legyen. A tűztérben okszerű levegő-bevezetéssel kell az égés második fokozatának feltételeit megteremteni úgy, hogy lehetőleg tökéletes utóégés jöjjön létre. Itt az égési hőmérsékletet már nem korlátozza semmi.
6.1
Tüzelési célú szilárd biomasszák fizikai és energetikai jellemzése
A szilárd, tüzelési célú biomassza igen sokféle lehet. A jelentősebb kategóriákat a 6.1.1. ábra szemlélteti.
- 142 -
Tüzelési célú szilárd biomassza fajták
Energianövény
(Energiafű, Energianád, …)
Szár
(Gabonaszalma, kukoricaszár, …)
Hulladék
(Pelyva, napraforgó maghéj, …)
Egyéb
(Út menti kaszálék, lomb, …)
I. Lágyszárú
Energianövény (Energia fűz, Energia nyár, Energia akác, …) Tűzifa (Akác, bükk, cser, fenyő, tölgy, …) II. Fás szárú
Kéreg (fakéreg, …) Hulladék (Erdészeti, faipari, …) Egyéb (Kerti nyesedék, …)
6.1.1. ábra A tüzelési célú szilárd biomassza fajták osztályozása
6.1.1 Az
Tüzelési célra is termeszthető mezőgazdasági haszonnövények
energiacélú
növénytermesztés
egyik
perspektivikus
módja
a
mezőgazdasági
haszonnövények alkalmazása, hiszen ezek agrotechnikája jól kidolgozott, gépesítésük megoldott és megbízhatóan jó termésátlaggal termeszthetők, jól tárolhatók és kedvező az energiasűrűségük. Ide soroljuk a búza, kukorica, árpa, rozs, tritikálé, stb. szemtermését. A növények energetikai céllal történő termesztésbe vonása egymással markánsan szemben álló kérdéseket vet fel. A világon éhező emberek élelmezése, illetve a mezőgazdasági termelők megélhetésének javítása a két leginkább szembenálló kérdések. Ezek mellett vethető fel a hazai energia stratégiában betöltött potenciál mértéke. Tény, hogy szerkezetátalakítás-, többletberuházás- és átképzés nélküli bevételnövelő megoldást kínál a szántóföldi növénytermesztő ágazat számára.
- 143 -
Amennyiben
energetikai
célra
szeretnénk
felhasználni
egészben
betakarított
gabonanövényeinket, úgy a felállított követelmény rendszer további két fontos tényezővel bővül, amely elsősorban a nemesítés során jelentkezik:
nagyobb Harvest-index, ezáltal nagyobb szalma hozam,
kisebb sikér, de nagyobb szénhidrát és keményítő tartalom.
E jellemzők értékei alapvetően befolyásolják az alkalmazott tüzelőanyag tüzeléstechnikai mutatóit. (Tóvári, 2006) 6.1.2
A mezőgazdasági növénytermesztés és feldolgozás melléktermékei
Gabona szalma
A gabona szalma több európai országban jelentős potenciált adhat az energia szektornak. Alkalmazását két dolog indokolja és segíti elő. Elsőként említhető a keletkező nagy mennyiség, másodikként pedig a lecsökkent állatállomány miatt jelentkező felesleg. Alkalmazásának további előnye, hogy begyűjtésére kidolgozott gépi technológiák állnak rendelkezésre, illetve bálázott formában – ésszerű határokon belül – gazdaságosan szállítható és tárolható. Tüzeléstechnikai jellemzői megfelelőek, azonban az alacsony hamuolvadáspont miatt speciális, lágyszárú növényekhez kialakított tüzelőberendezésekben alkalmazható.
Kukoricaszár és kukoricacsutka
A kukoricaszár és a kukoricacsutka az egyik legnagyobb mennyiségben keletkező melléktermék, amelyből évente megközelítőleg 15 millió tonna keletkezik. Elsősorban a kukoricaszár lehet potenciális tüzelőanyag, azonban a késő őszi betakarítás miatt a magas nedvességtartalom nehezíti a közvetlen felhasználást, a természetes száradáshoz szükséges tárolás viszont a nagy tömeg miatt nem, vagy gazdaságtalanul oldható meg. Kísérleti megfigyelések alapján megfelelő aprítás és tárolás esetén természetes száradás mellett 4-6 hónap alatt a nedvességtartalom lecsökkenthető megközelítőleg 20 %-ra, amely már alkalmas
- 144 -
pelletálásra. A jövőben jelentősége lehet a teljes kukorica növény égetésének, ugyanis betakarítása megoldható, továbbá energetikai jellemzői jók.
Napraforgószár
Az Európai Unió éves átlagos napraforgótermése megközelítőleg 4 - 4.3 millió tonna volt. Irodalmi adatok alapján 1:2 szem-szár aránnyal számolva 8.000.000 tonna szár becsülhető melléktermékként, amely jelentős mennyiséget képvisel a mezőgazdasági melléktermékek között. Jelenleg szinte a teljes szármennyiséget összezúzzák és beszántják, holott a napraforgószár a betakarítás után aránylag alacsony nedvességtartalmú. Energetikai hasznosítása elsősorban helyi szinten, más energianövényekkel együtt javasolt.
Napraforgó és repce préselvény
Préselvény, vagy présmaradék azon szilárd fázisok gyűjtőneve, amelyek a nevezett növények olaj célú feldolgozása során keletkeznek, mint melléktermékek. Ezen anyagokra jellemző az alacsony nedvesség és a magas olajtartalom. Korábban az állattartásban hasznosították kitűnő takarmányként, azonban a napjainkra lecsökkent állat létszám már nem igényli a keletkező mennyiséget. A magas olajtartalom miatt ez a préselvény jó minőségű, nagy energiatartalmú, tüzelőanyagként jól alkalmazható. Megjelenési formáját tekintve, a préselési technológiától függően két féle terjedt el. Az egyik a pellet, a másik az úgynevezett zúzalék, amely lapos, szabálytalan formájú és eltérő méretű anyag. Az utóbbi energetikai alkalmazásában nehézséget okoz az eltérő frakcióméret, ugyanis a tüzelőberendezésbe történő adagolás közben beszorulhat az anyag, vagy jelentős apró frakció esetén eltömítheti a rendszert.
- 145 -
6.1.2. ábra Napraforgó pellet és repce préselvény Szőlővenyige, gyümölcsfa nyesedék
A szántóföldi melléktermékektől eltérően a szőlővenyige és a gyümölcsfa nyesedék jól lokalizálható, azonban kis területen, kisebb mennyiségben keletkező biomassza. A napjainkra kialakult különböző birtok méreteknek köszönhetően a keletkező mennyiség jelentősen szóródik, így energetikai hasznosítása elsősorban csak helyben javasolt. Kereskedelmi forgalomban kapható venyige bálázó, amellyel gazdaságos módon elvégezhető a begyűjtés. A venyige és a nyesedék viszonylag magas fűtőértéke miatt jól tüzelhető, azonban speciális tüzelőberendezést igényel. (Hajdú, 2009)
6.1.3. ábra Szőlővenyige bála
- 146 -
6.1.3
Főnövényként termelt energianövények
Energiafű (Agropyron Elongatum)
Lágyszárú energianövények között a hazai nemesítésű Szarvasi-1 energiafű bír potenciállal. A nagy terméshozam (10-23 t/ha/év) mellett, jó agrotechnikai tulajdonságokkal rendelkezik és nem utolsó sorban termesztéstechnológiája nem igényel külön gépesítést. Fűtőértéke 14-17 MJ/kg között változik, azonban energetikai jellemzői között ismeretes a magas hamutartalom és az alacsony olvadáspont, amely nehezíti a tüzeléstechnikai alkalmazását. Léteznek az eltüzelésére alkalmas, kis és közepes teljesítményű speciálisan kialakított mozgó rostélyos kazánok, amelyekben pelletált formában égethető, azonban erőművi alkalmazása jelenleg még nem megoldott, de jelentős fejlesztések folynak erre vonatkozólag.
6.1.4. ábra Energiafű betakarítás és energiafű pellet (Pecznik,2006) Energianád
A miscanthus, közismertebb nevén kínai nád, vagy energianád távol-keleti eredetű, de Európában már több mint 70 éve szelektált növény. A nádhoz hasonló növény. Európában magot nem terem, ezért rizómákról, vagy szövettenyésztéssel laboratóriumi körülmények között szaporítható, ezáltal igen költséges.
- 147 -
A növény első évben elsősorban rizómáit fejleszti, a szármagasság 1-1,5m, és a hektáronkénti hozam 2-5 tonna zöldanyag. A második évben a hajtásszám jelentősen megnő, a szármagasság 1,5-2 m, a hektáronkénti hozam 7-16 t. A harmadik évtől az állomány záródik. A tövek átmérője 60-70 cm-ben állandósul, és a hozam 20 – 40 t/ha zöld anyag. Betakarítása
kaszáló
és
bálázó
gépekkel
történhet,
de
célszerűbb
sorfüggetlen
vágószerkezettel szerelt járva szecskázókat használni. Tárolása hasonlóan a lágyszárú energianövényekhez megoldható fedett színben, akár aprított vagy bálás formában. Energetikai célú alkalmazásához mindenképpen valamilyen préselvény (bála, pellet, brikett) formájában kell feldolgozni.
Energiakender
Maga a kender kétlaki, egyéves növény. Általában 1–2 méter magasra nő, magvai növényi olajokban gazdagok. A szár, főként a magasabb, idősebb növényeknél fásodó. Energia célra, tapasztalatok alapján 30-40 kg/ha vetőmag normával vetik, míg hazánkban elsősorban rost célra 80 kg/ha. A szikes talaj kivételével minden talajtípuson termeszthető, azonban tápanyagigénye jelentős. Jó gyomelnyomó tulajdonsága miatt növényvédelmét csak „fiatal korában‖ kell elvégezni. Az energiakender hozama 12-15 t/ha között változik. Betakarítására speciális gépre van szükség, azonban gépesítése megoldott. Energetikai jellemzői jók, tüzeléstechnikai alkalmazása elsősorban pellet formájában javasolt.
Cirok
A cirok jelenleg a világ 5. legnagyobb területen termesztett növénye a búza, a rizs, a kukorica és az árpa után. A silócirok nagy zöldtermést adó, dús levelű, lédús szárú, nagy cukortartalmú növény, ebből származik az elnevezése is: cukorcirok illetve édescirok. A szárlé cukortartalma átlagosan 12-14 %, ritkán 20 % körüli is lehet, a fehérjetartalma a kukoricáéhoz hasonló. Ezt elsősorban biogáz célra ajánlott használni, azonban létezik tüzeléstechnikai célú cirok fajta, amelynek 80-120 tonna/ha zöldtermése, azaz 20-30 tonna/ha szárazanyag hozama - 148 -
van.
Hazai
termesztésben
alkalmazható
C4-es
növény,
amely
hagyományos
agrotechnológiával kaszálható, majd bálázást követően szállítható és szükség szerint feldolgozható. (Tóvári, 2008) 6.1.4
Erdészeti eredetű tüzelőanyagok
A magyarországi erdő állományt alkotó fafajok között az akác a legnagyobb százalékban telepített, ezt követi a tölgy és kissé lemaradva a fenyő. A hazai erdőművelési törvény szigorú feltételrendszerében művelt területek 2006-os élő fakészlete 341,4 millió m3, 2005-ben az összes nettó fakitermelés 5,94 millió m3 volt. A fás szárú növények energetikai jellemzői jók, fűtőértékük kicsit magasabb a lágyszárúakénál, hamutartalmuk alacsonyabb. Részletes eredményeket a 6.1.1 táblázat tartalmaz.
Vágástéri hulladék
E gyűjtőfogalomba tartozik minden, a fakitermelés melléktermékeként keletkező gally, kéreg és egyéb famaradványok, amelyek ipari célra nem hasznosíthatóak, azonban energetikai célra megfelelőek. A vágástéri hulladék mennyisége Magyarországon megközelítőleg 1 millió m3, azonban keletkezése decentralizált, így begyűjtése nehéz, élőmunka igénye nagy. Ezen anyagok szennyezettsége jelentős, ezért hamutartalma magas, fűtőértéke pedig alacsonyabb a tűzifáénál. Az észak-európai országokban, ahol jelentős erdőgazdálkodás folyik, ezen anyagok begyűjtésére speciális célgépeket alkalmaznak (6.1.5. ábra), amelyek bekerülési költsége jelentős, így a magyarországi birtok méretek és termelési rendszerek alapján jellemzően nem gazdaságosak.
- 149 -
6.1.5. ábra Vágástéri hulladék gépesített begyűjtése és bálázott „termék” (Tóvári,2006)
6.1.5
Faipari melléktermékek
A fafeldolgozás során keletkező ipari melléktermékeket és hulladékokat (elsősorban forgács és fűrészpor) soroljuk ebbe a kategóriába. A 6.1.6. ábrán látható feldolgozási folyamatábrán követve a termékek százalékos keletkezését és figyelembe véve a hazai, 2005-ben kitermelt 5 940 000 m3 famennyiséget kiszámolható, hogy az éves fűrészpor és faforgács mennyisége megközelítőleg 535 000 m3. Ebben nincs benne az import fűrészipari alapanyagokból származó melléktermékek mennyisége.
- 150 -
6.1.6. ábra A faipari feldolgozás folyamatábrája
6.1.6
Energetikai ültetvényből kitermelt fás szárú növények
Az energetikai faültetvények definiálása és jogi szabályozása a közelmúltban történt meg. Ennek értelmében a fás szárú növényekkel létesített, biológiai energiahordozó termesztését szolgáló növényi kultúrát, amelynek területe meghaladja a 3000 m2-t tekintünk energetikai faültetvénynek.
Ezen belül megkülönböztetünk:
nagyon rövid vágásfordulójú energiaültetvényt, amelynek vágásfordulója nem haladja meg az 5, fenntartási ideje pedig a 15 évet;
rövid vágásfordulójú energiaültetvényt, amelynek vágásfordulója nem haladja meg a 15, fenntartási ideje pedig a 20 évet;
sarjaztatásos cserjeültetvény, amely energetikai ültetvényekhez engedélyezett, nem karógyökérzetű, nem invazív, szántással, talajmaró eszközzel felszámolható fafajból létesítettek.
- 151 -
Az energiaültetvény telepítésének legfontosabb lépései:
Talaj vizsgálat
Talaj előkészítés
Telepítendő dugványok kiválasztása
Telepítési technológia összeállítása
Telepítés
Energetikai ültetvény létesítésére alkalmas legfontosabb fás szárú növények
Nyár
Nemesnyárak (Populus sp.): keresztezéssel és vegetatív szaporítással előállított klónok. Magyarországon a korábbi évtizedekben elsősorban erdészeti szempontok figyelembe vételével honosították. Európában ígéretes energia-klónokat állítottak elő, melyekre jellemző a hektáronkénti nagy hozam, a viszonylag alacsony nedvességtartalom, és a magas fűtőérték. A nyárfa intenzív növekedésű, nagyobb részük ismételt vágást követően is jól sarjad. A termőhelyüket illetően igényesek. Tápanyagban gazdag, jó vízellátottságú, vastag termőrétegű talajon számíthatunk nagy hozamra. Az ültetvények rövid idejű elárasztást is elviselnek, de pangóvizes területen elpusztulnak.
Fűz
Fűzfélék. Nedves termőhelyet igényelnek. Jó termőhelye az öntéstalaj, viszonylag magas iszapfrakcióval és jó víztartó-képességgel. Jó ha a talajvíz 1m körüli mélységben található, vagy a terület viszonylag gyakran kap/kaphat elárasztást. A fűzekkel külföldön és Magyarországon is folynak kísérletek. Az energetikai célú fajták illetve klónok szelektálását jelenleg is folyamatosan végzik. A fűzfélék hozama, megfelelő termőhelyi viszonyok mellett a telepítést követő évben a 8-10 t/h-t, az ismételt betakarítások közben 20-40 t/ha/év mennyiséget is elérheti. Betakarítására a birtokméret, a telepítési mód, ill. a domborzati viszonyok függvényében függesztett, vontatott és magajáró gépi megoldás is választható.
- 152 -
6.1.7. ábra Magajáró ültetvény betakarítógép Akác
Akác (Robinia pseudoacacia): Honosodott fafaj. Fény- és hőigényes, gyorsan növő, jól sarjaztatható fafaj. Magyarországon igen elterjedt. Középkötött, homokos, megfelelő pórushányaddal és humusztartalommal rendelkező meleg talajt kedvel. Félszáraz, üde és félnedves termőhelyeken is jó növekedésű. Gyökerein nitrogénkötő baktériumok szaporodnak el, melyek a talajban levő szerves anyagok bomlását segítik. Már fiatal korban igen intenzíven növekszik. Tuskóról és gyökérről jól sarjad, ezért rövid vágásfordulójú ültetvények esetében „elvadulhat‖, ami az ültetvény gépi betakarítását megakadályozza, így a hosszú vágásfordulójú energia ültetvényeknek lehet alkalmas növénye. Nemesítéssel sikerült a fák hozamát a korábbinak háromszorosára növelni. Térfogat-hozama ugyan nem éri el a jó termőhelyen növő nyárakét, de betakarításkori nedvességtartalma mintegy 10%-kal kisebb. (Pecznik, 2006) 6.1.7
Kommunális hulladékok
Szelektíven gyűjtött hulladék A hazai hulladékgazdálkodási rendszerben lassú, tendenciát mutat a szelektív hulladékgyűjtés. Amennyiben folyamatos és megbízható minőségű, homogén „terméket‖ sikerül előállítani, akkor alternatív tüzelőanyagként alkalmazható. A megfelelő műanyag-papír keveréknek
- 153 -
magas fűtőértékkel rendelkezik. Természetesen a hulladékválogatásra nagy figyelmet kell fordítani, hiszen a környezetszennyező műanyagok és egyéb veszélyes anyagok nem kerülhetnek a tüzelésre kerülő anyag közé.
Szennyvíziszap
A szennyvíziszap fogalmát különböző jogi előírások és műszaki irányelvek határozzák meg. Ezen definíciók sokszor nem azonosak, egymással nem harmonizálnak, ezért volt szükséges egy egységes formára, melyet a DIN EN 12832 számmal „Iszapkezelés- és ártalmatlanítás fogalmai‖ címmel szabványban rögzítettek. Eszerint tehát: „Az iszap víz és szilárd anyag keveréke, amelyet a víztől természetes vagy művi folyamatokkal választanak el. A szennyvíziszap a szennyvíz kezelésénél leválasztott iszap.‖ A szennyvíziszap elterjedt hasznosítási lehetőségei: -
Lerakás (~ 40 %)
-
Mezőgazdasági talajerő visszapótlás (~ 37 %)
-
Égetés (~11 %)
-
Tengerbe juttatás (~ 6 %)
-
Egyéb eljárások (~ 6 %)
A napjainkban leginkább terjedő megoldás a termikus kezelés (égetés, gázosítás, pirolízis, aerob erjesztés), amely egyben energiatermelő megoldás. Az égetésnek két módszere ismert: -
Különleges égetés: az előkezelt szennyvíziszapot speciális kazánokban égetik el, ahol nagy figyelmet kell fordítani a füstgáztisztításra.
-
Együttégetés: ebben az esetben a nedvességtartalom csökkentése érdekében a szennyvíziszapot valamely más tüzelőanyaggal keverik, ezáltal javítva a fűtőértéket és a berendezés energetikai és környezeti hatásfokát. Ez a módszer elterjedtebb, elsősorban széntüzelésű erőművekben alkalmazzák.
Mindkét megoldás esetén folyamatos füstgáz monitoring szükséges és biztosítani kell a megfelelő füstgáztisztítást.
- 154 -
A gyakoribb tüzelésre alkalmas szilárd biomasszák főbb energetikai jellemzői 6.1.1. táblázat: Bruttó
Hozam
Fűtőérték
(t/ha)
(MJ/kg)
Búza
3-5,2
15,32-17,57
45960-92360
1,097-2,205
Rozs
1,5-2,7
14,96-17,43
22440-47060
0,535-1,124
Kukorica
3,5-7,6
16,5-17,87
57750-135810
1,379-3,243
Kukoricaszár
5,2-11,4
16-17,5
83200-199500
1,987-4,764
Kukoricacsutka
-
16,16-17,4
-
-
Gabona szalma
1,5-3,5
15-16,77
22500-58690
0,537-1,401
Repceszalma
2,5-5,8
13-15
32500-87000
0,776-2,077
Repce préselvény
0,6-1,3
19,57-21,5
11740-27950
0,280-0,667
Napraforgószár
1,9-3,5
15,2-17,45
28880-61070
0,689-1,458
Napraforgó préselvény
1,1-1,5
16,6-23,75
18260-35620
0,436-0,850
Szőlővenyige
1,0-2,0
15,23-17,23
15230-34460
0,363-0,823
Gyümölcsfa nyesedék
1,0-2,0
8,4-14,7
8400-29400
0,200-0,702
10,0-15,0
14,78-16,84
147800-252600
3,530-6,033
20-25
14,67-16,8
293400-420000
7,007-10,03
Energiakender
12,1-15,0
16,03-17,25
193960-258750
4,632-6,180
Cukorcirok
20,0-26,2
14,73-16,28
294600-426530
7,036-10,187
Akác
8,0-23
16,325-18,411
130600-423450
3,119-10,113
Tölgy
11,0-20,0
9,046-18,075
99500-361500
2,376-8,634
Bükk
11,0-20,0
10,530-18,156
115830-363120
2,766-8,672
Nyár
15,0-21
11,778-18,472
176670-387910
4,219-9,265
Nyír
11,0-20,0
12,933-18,917
142260-378340
3,397-9,036
Fenyő
11,0-20,0
14,226-18,659
156480-373180
3,737-8,913
Fűz
15-25
14,34-17,98
215100-449500
5,137-10,736
Erdészeti apríték
8,0-9,0
11,6-16,7
92800-150300
2,216-3,589
1,5-2
11,3-14,6
16950-29200
0,404-0,697
Fűrészpor
-
12,4-17,2
-
-
Faforgács
-
11,8-17,8
-
-
-
14,3-28,6
-
-
Megnevezés
Energiafű Energianád
Vágástéri hulladék
Szelektíven válogatott hulladék
- 155 -
energiahozam (MJ/ha)
Olajegyenérték (toe/ha)
A tüzelési célú biomassza energetikai felhasználásának előkészületei
6.2
A megtermelt biomassza keletkezési formájában és helyén, csak kivételes estekben használható fel energetikai célokra. A felhasználáshoz különböző előkészületi műveleteket igényelnek. Ilyenek a:
Betakarítás
Szárítás
Szállítás
Aprítás, nemesítés
Manipulálás tárolás, stb.
6.2.1
Betakarítás, apríték készítés
A szántóföldi növényeknél ezekhez a műveletekhez a hagyományos technológiák általában megfelelnek és rendelkezésre is állnak. Bálázással a mezőgazdasági melléktermékek közül a szalma és a kisebb méretű szár (pl. repceszár), valamint az energiacélú növények (len, energiafű, energianád, stb.) tömöríthetők. A bálázás eredeti célja a biomassza logisztikai tulajdonságainak kedvező megváltoztatása, de a speciális tüzelőberendezések (bálatüzelők), az energiahordozót ebben az előkészítési formában tudják leghatékonyabban hasznosítani. Bálázni csak vékony szálú, kis hajlítószilárdságú anyagokat célszerű, egyébként igen nagy lesz az energiafelhasználás (energiainput). Az apríték készítés műszaki-technikai háttere Az energetikai faültetvények betakarítását befolyásoló legfontosabb jellemzők: -
a fafaj
-
az alaki- és méretjellemzők (magasság, tőátmérő, ágasság, stb.);
-
az anyagismereti jellemzők (az aprítás fajlagos energiaigénye, a térfogati sűrűség, a víztartalom, a fajlagos energiatartalom, stb.);
-
az erdészettechnikai jellemzők (sortáv, tőtáv, hektáronkénti tő- és hajtásszám, stb.);
-
a betakarítások vágásfordulója;
-
az ültetvény területének geometriai jellemzői;
-
a termőhely járhatósága;
-
a felújítás technológiája;
- 156 -
-
az állományjellemzők és a betakarítási technológiák kapcsolata;
-
a betakarítás és az előkészítés helye, illetve a felhasználás helyével való kapcsolata;
-
a hasznosító létesítmény igényei az alapanyag ellátásra, illetve annak előkészítésére.
Az energetikai faültetvények betakarításának számos variációja alakítható ki. A technológiák alkalmazását alapvetően meghatározó tényezők közül -
a betakarítás és a biomassza-hasznosítás folyamatát;
-
az ültetvény betakarításának gyakoriságát (vágásforduló) és a
-
a technológia megvalósításának műszaki szintjét tekintjük meghatározónak.
A betakarítás és a biomassza energetikai hasznosításának folyamatában lényeges, hogy az ültetvényben megtermesztett faanyag térben és technológiában hol kerül olyan homogén állapotba (apríték), amikor már tüzelőberendezésekben is alkalmazható. Ebből a szempontból alapvetően meghatározó művelet az aprítás, amely helyileg történhet: -
az ültetvényterületen kialakított vágásterületen;
-
a vágásterület és a felhasználási hely között (felkészítőhelyen), illetve
-
a felhasználónál.
Az ültetvény területen végzett aprítás esetén a kitermelést követően, vagy azzal egy menetben történik az aprítás. Az előállított apríték gyűjtését, közelítését, kiszállítását, közbenső tárolását,
majd
felhasználóhoz
történő
szállítását
a
műszaki
színvonaltól
és
a
feladatnagyságtól (tömegáram) függő gépek, vagy gépláncok végzik. A legfontosabb jellemző, hogy a biomassza technológiai mozgatása a vágásterület és a felhasználó között apríték formájában (ömlesztett áru) történik. A felkészítő helyen végzett aprítással megvalósuló technológia jellemzője, hogy a faanyag kitermelése a vágásterületen történik, ezután előközelítés, közelítés, kiszállítás történik és csak ezt követi az aprítás a felkészítő helyen. Az első szakaszban tehát a technológiai anyagmozgatás teljes fa, illetve egységrakomány (köteg) formájában történik. A felkészítő helyen (amely a feladat nagyságától függően lehet a vágástér szélén, vagy több vágásterület technológiai kapcsolatában) az aprítási feladat koncentrálódik. A felhasználóhoz - a felkészítő
- 157 -
helyen rövidebb-hosszabb ideig tárolt - apríték beszállítása történik. A közbenső tárolásnak egyéb kedvező hatásaival is számolhatunk: -
A felkészítő helyen tárolt apríték jelentős mértékben veszíthet víztartalmából, így a felhasználónál energia-kihozatali előnyökkel számolhatunk.
-
A közbenső tároló tehermentesítheti a felhasználó üzemi tárolási igényét, mert a közbenső tárolóról tetszés szerinti időben végezhető a beszállítás, ezért a felhasználó tárolóterének nagysága jelentősen csökkenthető.
A felhasználónál végzett aprítás esetén a vágástéri kitermelést követően teljes fa, faköteg, fa részek, stb. formájában történik a beszállítás. Az aprítás a felhasználó saját, többnyire stabil aprítógépével történik. Az aprítógép technológiai szempontból kapcsolódhat a termelői szakaszhoz, vagy a felhasználói technológiához. A termelői szakaszhoz kapcsolódó aprítógép az aprítékot a felhasználó apríték tároló terére juttatja. A felhasználói technológiához kapcsolódó aprítógép része a belső technológiai anyagmozgató rendszernek. Termékét közvetlenül a betápláló rendszerbe juttatja. A bemutatott technológiai variánsok termelői szempontok alapján különíthetők el. A felhasználóhoz egyidejűleg mindhárom technológiával kerülhet energiahordozó.
A vágásfordulót illetően három kategóriát célszerű elkülöníteni: -
Az igen rövid (mini) vágásforduló esetén viszonylag kis tőtávolságban felújuló sarjcsokrok betakarítására kerül sor. A jellemző tőátmérő 0-5 cm, a hajtások magassága 2-5 m. A sarjcsokrokként számításba vehető fatömeg 3-7 kg.
-
Rövid vágásforduló esetén az ismételt vágások során sarjcsokrok jönnek létre, de azok jellege az ültetvényre jellemző telepítési hálózat függvényében jelentősen eltérő. Tág hálózatban a hajtások a kellően nagy növőtérben megerősödnek, és egy tőről több, tőben 3-5 cm átmérőjű, 3-6 m magas sarj jön létre. A tövenkénti fatömeg 7-25 kg. A sűrű tartásban (kis sor- és tőtáv) a sarjcsokor erősebb hajtásai kiugróan növekednek, a gyengébbek elmaradnak, esetenként el is száradnak, így az ültetvény az eredeti állapothoz hasonló képet mutat, de viszonylag sok vékony és elszáradt hajtást is találunk benne.
- 158 -
-
Hosszú vágásforduló esetében az eredeti telepítési hálózattól sok esetben szinte függetlenül egy természetszerű erdő jelleg jelenhet meg, amelyben az öngyérülés eredményeként a 2-4 m2-es növőtérrel rendelkező sarjegyedek, vagy sarjcsokrok erősödnek meg, majd a sarjcsokorban indul meg az öngyérülés. A betakarítást igen változatos tőátmérőjű (1-15 cm) és változatos magasságú (4-12 m) fákkal kell elvégezni.
A technológia megvalósításának három műszaki szintjét célszerű megkülönböztetni: 1) A konzervatív műszaki szint a nagy élőmunka-felhasználással, hagyományos erdészeti megoldások alkalmazásával megvalósuló technológia. Kis termelési feladatok végrehajtásánál vehető figyelembe. 2) A folyamatgépesítés műszaki szintje a jelentősebb tömeggel jellemezhető és nagyobb területű feladatokat adó ültetvények betakarításának gépesítési formája. Valamennyi művelet gépesítésére vannak megoldások, de a folyamatban megjelennek az egyszerűbb kézi működtetésű, és a nagy tömegárammal üzemelő gépek is, ezért a folyamat idő- és térbeli szakaszolással megoldandó rendszer-szakaszolást igényel. 3) A célgépes ültetvény-betakarítási műszaki szint, komplex betakarítógépek (kitermelőaprító) alkalmazását jelenti. Tipikus megoldás a fák kitermelését és a munkamenet közbeni aprítást egyszerre végző járvaaprító. A járvaaprítóhoz a közvetlen gyűjtéskiszállítás (esetleg a távolsági szállítás is) kapcsolódik, így a folyamat (kisebb kapacitású felhasználó esetében) akár rendszerszakaszolás nélkül is megoldható. 6.2.2
Szárítás
A letermelt növények a betakarítástól függően különböző, de mindenképen magas, 30-60% nedvességtartalommal rendelkeznek. A tüzelési célú felhasználásnál, viszont az alacsony nedvességtartalom, 15-20% a követelmény. Ezért a levágott, esetleg fel is aprított biomasszát szárítani szükséges. A szárítás történhet természetes száradással (6.2.1. ábra), amelyet főleg a faalapú biomasszánál és a növényi szármaradványoknál alkalmazzuk. A száraz biomassza növeli a tüzelés-technikai hatásfokot és csökkenti a mindenkori emissziót.
- 159 -
6.2.1. ábra A faapríték száradási diagramja
A szalma nedvességtartalma: -
betakarításkor 30-40%,
-
renden történő szárítás után, bálázáskor 20-25%
-
kazalban történő tárolás után, felhasználáskor 14-18 %
Füstgázzal történő szárítás esetén a forró füstgázt használjuk szárításra, amely vagy magából a biomassza tüzelőből, vagy egyéb kazánból származhatnak. A szárító gáz hőfoka 300-600 °C körül van, és oxigéntartalma a berobbanás elkerülése érdekében nem lehet több 10%-nál. 6.2.3
Szállítás
A mezőgazdasági melléktermékek és maradékanyagok szállítására a technológiák kialakultak. A szállítás módja és munkaerőigénye a bála formájától és fajtájától függ. Kisbálás szállítás esetén, a szántóföldön a szállító járműre kézi villával rakják föl, és traktoros pótkocsival szállítják a tárolás helyére, ahol általában kazlakat képeznek, amelynek kialakítása kézzel, vagy szállítószalag segítségével történhet. Fedett raktározás esetén, amelyet Ausztriában, Németországban stb. alkalmaznak, bálaszállító konvejorokat építenek ki, amelyek a bálákat a raktározás illetve a felhasználás helyére továbbítják.
- 160 -
Hengeres nagybálák rakodása traktoros pótkocsira általában villás emelővel történik. Ezt a gépet mind a szántóföldön mind a raktározás és felhasználás helyén alkalmazzák. A szállításhoz átalakított pótkocsikat használnak, melyek 4-14 bálát képesek mozgatni. Közepes méretű, szögletes bálák rakodása szintén traktoros homlokrakodóval történik, rendszerint ezek 2 bálát tudnak megfogni. A szállításhoz átalakított pótkocsikat használnak, melyek 12-24 bálát visznek egyszerre. Szögletes nagybálák rakodása szintén homlokrakodóval vagy függesztett rakodóval történik. Ezek rendszerint 1 vagy 2 bálát tudnak megfogni. Szállításhoz speciális pótkocsikat használnak, melye 6-18 bálát visznek egyszerre. Nagyobb szállítási távolság esetén a traktor több pótkocsit is húz, így 24 bálát is tud mozgatni.
Faalapú tüzelőanyagok (faapríték, faforgács) szállítása a tároló térhez traktorvontatású pótkocsikkal történik. A kialakított tárolótérbe vagy közvetlen billentéssel, vagy szállítócsiga segítségével jut be az anyag (6.2.2. ábra).
A) Tárolótér; B) Kazántér C) Lakótér; D) Napkollektor 6.2.2. ábra Tárolóterek feltöltése egyedi lakóház vagy épületfűtésnél
A speciális tüzelőanyagokat, pl.: fűrészpor, pellet stb. különleges pneumatikus ürítésű szállítókocsikkal szolgáltatásként szállítják a felhasználás helyére.
- 161 -
6.2.4
Aprítás, nemesítés
A különböző fajta biomasszákat speciálisan kialakított aprítógépekkel aprítják. Az aprításra a tüzelőberendezésbe történő adagolás miatt van szükség. Szerkezeti megoldásuk alapján megkülönböztetünk: késes vagy tárcsás aprítót, függesztett, vontatott vagy önjáró gépeket.
6.2.3 ábra Önjáró aprítógép
6.2.4. ábra Csigás aprító
6.2.5
Energetikai tömörítvények
A biomassza energetikai hasznosításának legegyszerűbb és az energiamérleg szempontjából is legkedvezőbb változata az eredeti-, vagy az eredetihez közeli állapotban történő felhasználás. Emellett azonban, vagy az alapanyag tulajdonságai (pl. kis halmazsűrűségű melléktermék) vagy a felhasználás speciális műszaki megoldásai (pellet kazán, látványkandalló) szükségessé teszik a nemesített tüzelőanyagok előállítását is (biobrikett, biopellet).
- 162 -
A tömörítés elsődleges célja a térfogati sűrűség növelése, ami kedvezően alakítja –
a tárolási helyigényt,
–
a rakodás feltételeit,
–
a tűztérbe juttatás és az égés feltételeit,
–
a fajlagos energiasűrűséget (GJ/m3),
–
esetenként a nedvességtartalmat.
A tömörítés történhet: –
bálázással (hengerbála, kis- és nagybála)
–
brikettálással
–
–
dugattyús préssel (egyirányú, kétirányú, háromirányú prés)
–
csigás préssel (nyomócsigás, őrlőcsigás)
pelletálással (sík matricás, henger matricás)
A tömörítési eljárás alkalmazásával energetikai tömörítvényt állítanak elő. Az energetikai tömörítvény legfontosabb jellemzője a fajlagos térfogati sűrűsége (m3/GJ), és a fajlagos energiatartalma(GJ/m3). A biomassza tömörítése eredeti állapotában, vagy homogenizálást (aprítás) követően történik.
A brikettálás Általános jellemzők Az energetikai tömörítvények egyik fontos változata a brikett. Brikettálásnál, elsősorban a lignocellulózok feldolgozása közben keletkező melléktermékek, energetikai hasznosításra történő előkészítése a cél. A felhasznált anyagok közös jellemzője, hogy –
a melléktermék ill. apríték halmazsűrűsége viszonylag kicsi, ezért a szállítás és a tárolás költséges, ill. helyigényes,
–
az alapanyag nedvességtartalma változó, a hagyományos tüzelőberendezések nem vagy csak részben alkalmasak az adott anyagforma jó hatásfokú elégetésére, ezért brikettálás nélkül a felhasználás berendezéscserét igényelne.
- 163 -
Az ilyen anyagok (például: fapor, finomforgács, maghéj, fa-, szalma-, energianövényőrlemény, stb.) összes mennyisége nem túl nagy, de a keletkezés helyén jelentős is lehet, sőt technológiai zavart is okozhat, ezért a brikettálás egy új energiahordozó előállítása mellett hulladékhasznosítást és a technológiai zavar megelőzését is jelenti (faipari üzemben keletkező por, forgács brikettálása). Ezek a melléktermékek illetve hulladékok akkor vihetők be a lakossági tüzelőberendezésekbe, ha biobrikettet állítunk elő belőlük. A biobrikett –
nagy fűtőértékű (18...18,5 MJ/kg)
–
kis nedvességtartalmú (8–14%)
–
kis hamutartalmú (0,8...7,5%)
–
nagy energiasűrűségű (22...24 MJ/dm3)
–
közepes árfekvésű (850...1200 Ft/GJ)
–
20 – 100 cm2 keresztszelvényű
–
lakossági igényeket kielégítő (darabos, jól kezelhető és tárolható) tüzelőanyag.
A préseléshez felhasznált alapanyag –
nedvességtartalmának 14% alatt kell lennie
–
a frakció méretnek jellemzően 0,5–1,5 mm között kell lennie, a 6 mm feletti anyag részaránya legfeljebb 10–15% lehet
–
a tömörítési viszonyszáma frakció-eloszlás és fafaj függvénye. (A mérési eredmények szerint kevert fűrészpor esetében =1 értéknél és 1 t/h anyagáram mellett 32,5...38,5 kW hajtóteljesítmény szükséges.)
A gyártás alapelve, hogy: –
kis frakcióméretű alapanyag biztosítása (jellemzően mechanikai aprítással)
–
a tömörítést célgépekkel, kötőanyag felhasználása nélkül végzik
–
a présgépben fellépő 800–1600 bar nyomás, a préselés közben képződő, vagy bevitt hő és a túlnyomásos vízgőz hatására, megfelelő hatásidő alatt, a farészecskék kapcsolatba kerülnek egymással, miközben
–
az alapanyag térfogata jelentősen csökken (tömörítési viszonyszám 1:4-1:12)
–
a térfogati sűrűség jelentősen nő, meghaladja a természetes fa térfogatsűrűségét (=0,800-1,4 g/cm3)
–
az alapanyag a kívánt idomú briketté alakul.
- 164 -
A brikettálás présgépekkel történik. Ezek lehetnek: –
dugattyús prések (egyirányú(6.2.5. ábra), kétirányú, háromirányú prés (6.2.6. ábra))
–
csigás prések (nyomócsigás (6.2.7. ábra), őrlőcsigás (6.2.8. ábra))
1. meghajtómotor. 2. lendítőkerekek. 3. töltőgarat. 4. présfejek
5. hűtőcsatorna.
6.2.5. ábra Egyirányú dugattyús présgép
6.2.6. ábra Háromirányú brikettáló gép nézetei
- 165 -
1. alapanyag 2. kúpos csiga 3. préstér 4. hűtő vagy fűtő tér 5. extrúder
6. brikett
6.2.7. ábra Fűtött vagy hűtött fejes csigásprés
6.2.8. ábra Őrlőcsigás brikettáló működési elve
A biobrikett energiahordozó, ezért fontos az, hogy az előállításához felhasznált energia lényegesen kevesebb legyen, mint a belőle kinyerhető (E out>>Ein.). A gyártáshoz (a logisztikai energiaigényen túl) a brikettálást megelőző homogenizáláshoz (aprítás), a kívánatos nedvességtartalom beállításához (szárítás) és a tömörítéshez szükséges energia. Igen jelentős a tömörítési energiaigény. Minél nagyobb sűrűségű tömörítvényt állítunk elő, annál nagyobb az energia-felvétel. Tekintettel arra, hogy a fajlagos energiaigény nem lineárisan nő (6.2.9. ábra), brikettálásnál csak a szüksége tömörség (1-1,1 g/cm3) elérésére célszerű törekedni.
- 166 -
6.2.9. ábra A tömörítés energiaigénye A biobrikett-gyártás technológiái és gazdaságossága A biobrikett-gyártás két alaptechnológiáját alkalmazzák. Ezek beruházási- és üzemeltetési költségeket tekintve alapvetően eltérnek egymástól. Biobrikett állítható elő: (1) a már szárított faanyagot feldolgozó üzemek por- és finomforgács hulladékaiból, szalmaőrleményből, illetve (2) az elsőleges fafeldolgozás változó nedvességtartalmú melléktermékeiből, amelyek utánaprítást, szárítást, osztályozást és technológiai anyagmozgatást igényelnek. Jellemzően fűrészpor-, fa- és kéreg-hulladékból, mezőgazdasági melléktermékekből, termesztett energianövényekből. Pelletálás A pelletálás a biobrikettgyártás speciális változata. Korábban takarmányozási célra állítottak elő pelletet, de kedvező méretei miatt az utóbbi időben igen nagymértékben terjed a tüzipellet-gyártás. A biobrikett igen kedvező tulajdonságokkal rendelkező energiahordozó. Egy nagy hátránya van: méretei miatt kis tüzelőberendezések esetében nem-, vagy csak igen nehezen oldható meg a tüzelőanyag automatizált betáplálása. Erre a célra az igen kis méretű (5-10 mm átmérőjű, és 10-25 mm hosszú) pellet sokkal jobban megfelel, mert csigás- vagy cellás adagolóval igen pontos adagolással juttatható a tűztérbe, tehát egészen kis hőteljesítményű berendezések (2-3 kW) is jó hatásfokkal működtethetők vele. - 167 -
6.2.10. ábra Síkmatricás pelletáló
A pellet igen termelékenyen állítható elő. Az alapanyag por- forgács- apríték- szecska lehet. A gépben a termék előállítása közben is folyik aprítás-őrlés, ezért kevésbé finom szemcseméretű alapanyagot igényel, mint a dugattyús brikettálók. A pellet prések két fontos változata használatos: -
hengermatricás
-
síkmatricás (6.2.10. ábra)
Mindkét esetben járókerekek (görgők) préselik át az alapanyagot a matrica furatain. A pellet 0,7-0,9 g/cm3 sűrűségű. Ömlesztett halmazsűrűsége 600-650 kg/m3. 6.2.6
Manipulálás, tárolás
A kész tüzelőanyagot a lehető leggyorsabban el kell juttatni a tárolás helyére. A legjobb a szállító járműről egyenesen a tárolóba üríteni. Egyes megoldásoknál az aprítógép az aprítékot a tároló helyre fújja. A tárolót lehet kézzel tölteni, pl. báláknál, vagy szalagos, csigás betárolót, esetleg befúvót használni. A felhasználás helyén napi tárolót érdemes kiépíteni, ezért a tárolónak és a felhasználási helynek egymáshoz közel kell lennie. Szalma bálák mozgatásánál villásemelőt használhatunk, amellyel egyenesen a kazánba juttathatjuk az anyagot. Bontott bálás vagy aprított szalmatüzelésnél a bálák egy adagoló asztalra kerülnek, amely a bálabontó aprítóba juttatja őket. Innen pneumatikusan kerül tovább a tüzelőanyag,
- 168 -
melyet a kazán előtt egy ciklon választ le és csigás adagoló segítségével jut az adagoló szerkezetbe.
A 6.2.1. táblázat a tároló helyszükségletet mutatja, különböző tüzelőanyagoknál. 6.2.1. táblázat: Tüzelőanyagok tárolótér szükséglete Éves energiafogyasztás (kWh) 20000 Tüzelőanyag Tárolás 30000 Tüzelőanyag Tárolás 50000 Tüzelőanyag Tárolás
Tűzifa (m3)
Faapríték (20%
Faapríték (40%
nedvességtartalom) nedvességtartalom)
Szalma
(m )
3
(m )
(m3)
29
44
62
167
24
-
-
-
43
67
93
250
31
43
56
92
71
111
154
417
45
65
86
148
3
Az optimális tároló fedett és tágas (6.2.11. ábra). Ha az épület téglából vagy kőből készült, akkor a tüzelőanyag nem érintkezhet a fallal, továbbá a fal és a tüzelőanyag közti teret szellőztetni kell. Ha a tüzelőanyag nedves a tároló falainak átszellőztethetőnek kell lenniük, a fából készült oldalfalakat műanyagból készült hálóval lehet megvédeni.
- 169 -
6.2.11. ábra A kazánház berendezései 1. Tároló, 2. Adagoló csiga, 3. ventilátor, 4. Hamukihordó csiga, 5. Tűzvédelmi szelep, 6. Füstgáz hőmérő, 7. Visszaégés gátló, 8. Tűzfal, 9. Vezérlőszekrény, 10. Visszaégés gátló, 11. Tároló külső fal
6.2.12. ábra
6.2.13. ábra
Csigás kitároló
Éklétrás kitároló
A tüzelőanyagnak a tárolótérből a kazánhoz való juttatásának módjai a tüzelőanyag fajtájától és aprítottsági fokától függ. Ezek lehetnek: csigás kitárolók (6.2.12. ábra), melyek homogén és száraz anyaghoz készülnek, vagy éklétrás kitárolók (6.2.13. ábra), melyek nedves inhomogén anyagokhoz alkalmazhatók.
- 170 -
A kitárolás után a száraz anyagok kazánhoz történő juttatásához alkalmasak a pneumatikus szállítók, vagy végtelen csigás szállítócsövek. A nedves anyagok szállításához kaparóléces vagy szállítószalagos megoldást alkalmaznak. A
tüzelőanyagnak
a
tűztérbe
való
juttatása
a
tüzelőanyag
homogenitásától
és
nedvességtartalmától függ. A homogén és szárazanyaghoz az előbb ismertetett pneumatikus és végtelencsigás megoldások megfelelők. Nedvesebb, darabosabb anyagok adagolásához a dugattyús adagoló a legjobb, mert adagolás közben a dugattyú az adagolócső alsó élénél a hosszabb, szálasabb anyagokat elvágja. Alkalmazzák még a zsilipes adagolást, erre az esetleges visszaégés megakadályozása miatt van szükség.
6.3
Biomassza tüzelő berendezései A különböző tüzeléstechnikai megoldások energetikai hatásfoka 6.3.1. táblázat:
Tüzelési mód
Hatásfok (%)
Tábortűz
5-10
Nyitott kandalló
10-30
Egyaknás kályha
15-30
Kandalló vizes hőcserélő betéttel
15-60
Kétaknás kályha
15-60
Egyaknás kiskazán hőtároló nélkül
40-60
Betétes cserépkályha
40-75
Egyaknás kazán hőtárolóval
50-75
Alsóégésű kazán hőtároló nélkül
50-75
Alsóégésű kazán hőtárolóval
70-85
Előtéttüzelő, automatikus betáplálással
75-92
A tüzelőberendezések kialakítása a tüzelőanyag formájától, az eltüzelés technológiájától és a berendezés teljesítményétől függ. 1) A tüzelőanyag formája alapján lehet, darabos fa tüzelésű kazánok, kályhák, kandallók. Ezek
kisebb,
háztartási
célra
használt
rostélytüzelést alkalmaznak.
- 171 -
berendezések,
melyekben
általában
6.3.1. ábra Átégős rendszerű darabos fatüzelésű
6.3.2. ábra Beépíthető kandallóbetét
kazán
hasábfa tüzelésére
6.33. ábra Alsóégésű darabos fatüzelésű kazán Kis méretben alkalmaznak még aprítéktüzelő vagy szalmatüzelő berendezéseket is.
6.3.4. ábra Apríték előtét tüzelőberendezés elve 1)Kémény; 2)Tűztér; 3)Alátoló csiga; 4)Végtelenített adagoló csiga; 5)Napi tároló; 6)Betároló
- 172 -
6.3.5. ábra Szivarrendszerű szalmatüzelő 1) Szalmabála; 2) Égéstér
Az eltüzelés technológiája alapján 5 főcsoportot különböztetünk meg:
Rostélytüzelés rendszerű
Alátoló rendszerű tüzelés
Befúvatásos rendszerű tüzelés
Gázosító rendszerű tüzelő berendezések
Fluidágyas rendszerű tüzelés
A rostélytüzelés leginkább nagyobb berendezéseknél, 1MW feletti teljesítménynél alkalmazzák. A fejlett rostélytüzelésű berendezések ferde, mozgó rostéllyal rendelkeznek. A tüzelőanyag a rostélyra kerül beadagolásra, amely előre mozgatja azt. A primer levegőt a rostély alatt fújják be a tűztérbe. Így a rostélyon az anyag ki tud száradni és a rostély alsó részére érve teljesen kiég. Jellemzői: magas nedvességtartalmú anyagok és nagyobb hamutartalmú anyagok is elégethetők továbbá alkalmas tüzelőanyag keverékek elégetésére is. 1. Tüzelőanyag adagolás 2. Füstgázelvezetés 3. Hőcserélő 4. Szekunder levegő 5. Száradási zóna 6. Primer levegő 7. Mozgó rostély 8. Kiégési zóna
9. Hamu
- 173 -
6.3.6. ábra Mozgó rostélyos tüzelőberendezés Használnak még vízszintesen mozgó, szalagos rostélyokat is, ahol a szalag alsó része levegővel vagy vízzel hűtött. 1. Beadagolás 2. Hamuürítés
3. Füstgázok
6.3.7. ábra Hűtött rendszerű szalagos rostély Az alátoló tüzelési rendszer elve az, hogy a tüzelőanyagot a rostély közepén alulról adagolják fel, a feltüremkedő tüzelőanyag a tűzágy oldalán szárad ki.
1. Biomassza tüzelőanyag 2. Adagoló tartály 3. Alátoló csiga 4. Levegő bevezetés 5. Tűzágy 6. Hőcserélő
7. Alátolás a rostélyhoz 6.3.8. ábra Az alátoló tüzelés elve
- 174 -
1.
Alátoló csiga és primer levegő bevezetés
2.
Szekunder levegő
3.
Tűztérajtó
4.
Utóégető
5.
Hőcserélő
6.
Keringetett víz
7.
Füstgáz hőmérsékletmérő
8.
Füstgázelvezetés
9.
Füstgáztisztító
10.
Égéstér
11.
Lánghőmérséklet mérő
6.3.9. ábra Alátoló rendszerű kazán felépítése A befúvatásos rendszerű tüzelésnél általában por alakú anyagot nagy sebességgel és légfelesleggel fújnak be a tűztérbe. Ilyenkor a tüzelőanyag részecskéi jól keverednek a levegővel, a tűztér falának sugárzó hőjétől gyorsan fölmelegednek és kiégnek. Általában nagyteljesítményű berendezéseknél használják, száraz tüzelőanyagokhoz.
1. Tüzelőanyag és primer levegő 2. Levegő befúvatás 3. Szekunder levegő 4. Füstgáz 5. Égéstér
6. Hőcserélő
6.3.10. ábra Befúvatásos rendszerű tüzelőberendezés elve
- 175 -
Fluidágyas rendszerű berendezések Ezeknek a rendszereknek két csoportját különböztetjük meg: Nyugvóágyas Visszakeringetett fluidágyas A fluidágyas tüzelőberendezéseknél a tüzelőanyagot apró, szilárd részecskékből álló, általában kvarchomok ágyba fújják be. A homokágy egy fúvókákkal ellátott lemezen fekszik, melyen keresztül levegőt, vagy gázt vezetnek keresztül, amely lebegő állapotban tartja a homokágyat. A bevezetett tüzelőanyag tömege a homokágyhoz képest kicsi, 1-5 %. A homokágy nagy hőkapacitása stabilizálja az égést és mozgása közben jól keveri a tüzelőanyagot a levegővel.
1. Tüzelőanyag 2. Levegő bevezetés
1. Tüzelőanyag 2. Levegő bevezetés
3. Hamuelvezetés 4. Fluid ágy
3. Hamuelvezetés 4. Fluid ágy recirkuláció
6.3.11. ábra Fluidágyas tüzelőberendezések Együttégetés A biomassza tüzelés gyakran különböző egyéb tüzelőanyagokkal együtt is történhet. Ennek előnye, hogy a tüzelőanyag ellátás mindig biztosított és a tüzelőanyag minősége a keverési aránnyal jól beállítható. Egy ilyen összetett rendszert mutatunk be az alábbi ábrán.
- 176 -
1. Faalapú tüzelőanyag, 2. Szalma tüzelőanyag, 3. Szén, 4. Levegő befúvás, 5. Hamu elvezetés, 6. Füstgáz tisztító, 7. Hőcserélő, 8. Porleválasztó, 9. Porelvezetés, 10. Gőz, 11. Villamossági rendszer, 12. Turbina, 13. Generátor, 14. Kondenzátor, 15. Távfűtés, 16. Kémény
6.3.12. ábra Együttégetés és kogeneráció A kogenerációs berendezések általában erőművek vagy távfűtő művek, ahol a hő mellett villamos áramot is előállítanak. Mivel a villamos áram fejlesztésnél sok maradék hő keletkezik ezt lakások, szociális épületek, mezőgazdasági létesítmények (üvegházak) fűtésére lehet használni.
6.4
Tüzelőanyagok és tüzelési rendszerek
Faapríték: Aprítási folyamat eredményeként keletkező, szabálytalan geometriájú szecska, amelyet méreteloszlása alapján különböztetünk meg. Finom (0-10 mm) Normál (10-50 mm) Durva (25-100 mm) Osztályozatlan (0-150 mm) - 177 -
Pellet: A takarmánygyártás technológiájából eredeztethető préselvény, amely kis geometriai méretének és nagy energiasűrűségének köszönhetően jól tárolható és szállítható, tüzeléstechnikai szempontból adagolása pedig jól automatizálható. Méreteit tekintve átmérője lehet 6-8-10-12 mm, hossza pedig 10-25 mm között. A tűzipelletet, mint biotüzelőanyagot számos nemzetközi szabvány szigorú követelmény rendszerrel szabályozza, beleértve a fizikai, energetikai, minőségi jellemzőket is. Bála: Elsősorban mezőgazdasági eredetű, lágyszárú növények összepréselésével előállított tömörítvény,
préselvény,
amely
nagy
geometriai
méretekkel
rendelkezik.
Gépi
anyagmozgatása megfelelő, jól tárolható. Megjelenési formája szerint csoportosítjuk: körbála, szögletes bála (kis bála, nagy bála) A biomassza tüzeléstechnikai alkalmazására számos tüzelőberendezés és technológia létezik, azonban ezek hatásfokai igen eltérőek.
A felhasznált tüzelőanyag megjelenési formája szerinti alkalmazás alapján az alábbi műszaki megoldások ismertek: -
hasábfa-tüzelő
-
darabosfa-tüzelő
-
brikett-tüzelő
-
pellet tüzelő
-
apríték és/vagy fapor tüzelő
A hasábfa-tüzelők nagy tűzterű, hosszú égést lehetővé tevő megoldások. A kialakítástól függően többnyire bálatüzelésre is alkalmasak. A darabosfa-tüzelők főleg hagyományos egyaknás vagy kétaknás kályhák. Az automatizált, háromutas levegőellátással kialakított és fagázosítással működő, berendezés is létezik amelynek rendkívül jó hatásfoka (92%) van. A brikett-tüzelők samottozott kandallók, vagy kétaknás kályhák, kiskazánok, amelyek kismértékben tartalmaznak automatizálást is levegőszabályozó elemekkel.
- 178 -
A pellet tüzelők működtetése kiváló, hiszen a pellet nagy energiasűrűsége, nagyon pontos méretei miatt kiválóan adagolható. A tüzelőberendezés hatásfoka magas, és a vezérlésnek köszönhetően a füstgáz komponensek is alacsonyak. Az apríték tüzelők: Tűzterük legtöbbször samottal bélelt. A tüzelőanyagot kis mennyiségben, de gyakran kell a tűztérbe juttatni, ezért adagolóra vagy anyagmozgató rendszerekre van szükség. Az apríték tüzelő kazánok kialakításának szempontjai: -
az apríték méreteloszlása,
-
nedvességtartalma,
-
hamutartalma,
-
a tüzelőberendezés névleges teljesítménye.
Az apríték tüzelő kazánok kialakítás szerint lehetnek: -
direkttüzeléses
-
előtét-tüzeléses kazánok.
A direkttüzelők jellemzője az, hogy a faapríték tökéletlen égése, azaz az illóanyag tartalom kigázosodása közvetlenül a tűztérben zajlik, jelentősen függve a tűztér pillanatnyi hőmérsékletétől. Ennek eredményeképpen nem vagy csak nehezen szabályozható. Az apríték tűztérbe vezetésének különböző módjai lehetségesek: -
befúvásos,
-
alátolós,
-
rátolós.
A befúvásos adagolás lényege az, hogy a tűztér primer levegőjével együtt fújják be az apró, szinte porszerű aprítékot, amely így jól elkeveredve jut a magas hőmérsékletű égéstérbe. Itt nagy intenzitással bekövetkezik a gázosodás, a keletkező gázok azonnal keverednek az égéslevegővel, majd meggyulladnak a tűztér magas hőmérsékletétől, így az apríték még lebegtetés közben ég el.
- 179 -
A folyamatosan biztosított magas tűztérhőmérséklet egyik alapfeltétele az alacsony nedvességtartalmú apríték alkalmazása, továbbá a bejuttatás és a gyors égési reakciók érdekében a homogén tüzelőanyag biztosítása. A technológiára jellemző az intenzív pernyeképződés, így javasolt az alacsony hamutartalmú tüzelőanyag és korszerű porleválasztó alkalmazása.
6.1. ábra
Befúvásos biomassza tüzelés Az alátoló rendszerekben az eltüzelésre szánt apríték a tűztér alatt, függőlegesen kialakított csatornában kerül előtolásra csigás adagoló segítségével, így először a tűztérbe lépő anyag felszíne gázosodik, majd ég. A parázságyból távozó gázok tökéletes elégetése céljából szekunder és tercier levegő bevezetésére is sor kerül. A csigás adagolás miatt a tüzelőanyag homogenitása fontos, ellenkező esetben mechanikai problémát okozhat.
KÉRDÉSEK 1. A mezőgazdasági eredetű szilárd és folyékony tüzelőanyagok 2. Tüzelési célú szilárd biomasszák fizikai és energetikai jellemzése 3. A mezőgazdasági növénytermesztés és feldolgozás melléktermékei 4. Energianövények és erdészeti eredetű tüzelőanyagok 5. Kommunális hulladékok 6. A tüzelési célú biomassza energetikai felhasználásának előkészületei 7. Energetikai tömörítvények jellemzése 8. Kisteljesítményű biomassza tüzelés berendezései 9. Fluidágyas tüzelés, egyűttégetés - 180 -
HŐ- ÉS VILLAMOS ÁRAM TERMELÉS SZILÁRD BIOMASSZÁBÓL
7.
Mai ismereteink szerint biomasszából csak abban az esetben célszerű villamos energiát termelni, ha a folyamat során egyidejűleg termelődik hő és villamos energia (CHP) Mivel a hőfelhasználás, a hőátadási sajátosságok miatt térben korlátozott, a villamos energia termelést kell a hőfelhasználáshoz igazítani. Éppen ezért a településeken egyre növekszik a kisebb méretű decentralizált egységek létesítése iránti igény. Ezeket az egységeket az elektromos rendszer indításvezérléséhez kell rendelni, a párhuzamos hálózati együttműködésnek megfelelően.
7.1
Gőzerőművek 7.1.1
Villamos és hőenergia-termelés biomasszából gőzturbinával
A gőzturbina (ellennyomásos vagy megcsapolt kondenzációs turbina) segítségével történő kapcsolt hő és villamos energia termelés mind biomassza fűtőanyag, mind pedig a nem megújuló fűtőanyagok tekintetében a kapcsolt termelés legelterjedtebben használt módszere. A rendszerekben lényegi eltérés a működés szisztémájában nincs a hagyományos tüzelőanyagú erőművekhez képest (a megoldásokat lásd korábban). A biomassza a sajátosságához kialakított kazánokban kerül elégetésre. A kazán párologtató egységében telített gőz termelődik, majd ezt követően a kazán kapcsolt hőcserélő felületein túlhevítésre kerül. A füstgázokat a kazán mentén a tápvíz-előmelegítőn keresztül vezetik el, ahol a beadagolt vizet előmelegítik. A füstgázokban lévő hőt később felhasználják a füstgáz-víz hőcserélő egységben. A füstgázok végül a szeparátor berendezésen keresztül a kéménybe távoznak. A termelt gőzt a gőzturbinához vezetik, amely lehet ellennyomásos - ebben az esetben a kombinált termelés összesített hatékonysága magasabb -, egy vagy több szabályozható csapolással ellátott kondenzációs turbina. Az utóbbi estben a villamos energiatermelés nagyobb lehet, a hő kinyerés kevesebb.
- 181 -
A turbina fáradt gőze a kondenzációs hőcserélőn csapódik le, és víz formájában jut a kondenzációs tartályba. Innen a kondenzvizet szivattyú az adagolótartályba nyomja, ez a kazán vízellátója és gáztalanító is. Az adagolószivattyú a kazán tápvíz-előmelegítőjét táplálja. A termelt gőz az adagolom jut a turbinához, amelyhez visszacsatolás van a redukciós szelpen a turbinától és a táptartály felső részéből.
7.2. ábra
Villamos- és hőenergia termelés biomasszából gőzturbinás erőműben 1 - Kazán
10. – Kondenzvíz szivattyú
2 – Turbina
11.- Tápszivattyú
3 – Szabályozó
12 – Szabályozó szelep
4 – Generátor
13 – Szabályozó szelep
5 – Táptartály
14 – Kémény
6 – Vízkezelő
15 – Biomassza betáp
7 – Kondenzációs tartály
16 – Levegő
8 – hő a fogyasztókhoz
17 - Tápvíz
9 - Hőcserélő
- 182 -
A hagyományos dugattyús és az újabb csavarrotoros gőzgépek is alkalmasak a generátorok meghajtására 20kW - 2,5MW teljesítményszintek között. E megoldás legfontosabb előnye, hogy a gyengébb minőségű gőzt jól hasznosítják. Hátrányuk gyengébb hatékonyságú villamos energia termelés. A csavar rotoros gőzgép induló gőznyomása 0,5 - 4 MPa közötti, viszont a gőzigény 0,2 és 25 t/óra. A csavar rotoros gőzgépben a gőz belép a sztator bemeneti terébe, és továbbáramlik a rotor és sztátor közötti térben. Az expanzió itt megy végbe és a felszabaduló energia forgatja a rotor-elemeket és hajtóművön át a generátort.
7.3. ábra
A csavar rotoros gőzgép elvi vázlata 1.- gőz be
4.- csapágy
6.- kenés
2.- gőz ki
5.- kihajtás a generátorhoz
7.- támasztó csapágy
3.- csavar rotor
7.1.2
ORC (Szerves Rankine Körfolyamat) rendszer
Az ORC eljárás során alacsony hőmérsékleten forralható munkaközeg gőzét használják fel. A biomasszát a kazánban elégetik, és itt az első körben kerül felmelegítésre a termo-olaj. Ez fűti a második munkaközeget (pl. szilikon olaj), ami elpárolog, s a gőze a generátorhoz csatlakozó turbinába áramlik.
- 183 -
Az viszonylag alacsony hőmérsékletű hulladék hőt is jól hasznosítják; ezért ez a technológia előnyös lehet a geotermikus források hőjének felhasználására és a termikus napenergiarendszerekekhez is. A villamos energiatermelés hatékonysága nem a legkedvezőbb. A működtető közeg kiválasztásakor a technológiai szempontokon kívül a környezetvédelmi követelményeknek való megfelelést is figyelembe kell venni. Mivel ezek a közegek mérgezőek, s nem lehetnek éghetőek. A turbinából a gőz a kondenzációs hőcserélőbe kerül, ahol ismét cseppfolyóssá válik, és a keringtető szivattyú visszajuttatja a hőcserélőbe.
7.4. ábra
Kapcsolt hő-, és villamos energia termelés ORC eljárás alkalmazásával 1 - Kazán
9 – Kémény
2 – Turbina
10 – Biomassza betáp
3 – Szabályozó
11 – Levegő
4 – Generátor
12– Hőcserélő
5 – Hő a fogyasztókhoz
13 – Termálolaj kör
6 – Hőcserélő
14 – ORC kör
7. – Cirkulációs szivattyú 8.- Cirkulációs szivattyú
- 184 -
7.2
Gázturbinás erőművek
Leginkább villamos energia termelésre használják, maximum 30 MWe kapacitású üzemekben. Önállóan a villamos energia termelés hatékonysága 14 - 30%. A biomassza elégetésekor keletkező füstgázokat keresztül áramoltatják a ciklonon, majd a tisztított gázt közvetlenül a turbinához vezetik, ahol expandál. A folyamat atmoszférikus nyomáson, vagy vákuumban történik. A vákuumos eljárás során a légköri nyomásról a füstgáz a vákuumos tér felé expandál. Az expandált forró füstgázok a hőcserélő rendszerbe áramlanak, ahol is a hőt először a hőellátó rendszer veszi át, majd a kondenzátor vizét melegíti fel, elpárologtatja, s így befecskendezhető a füstgázokba, a turbinába előtti injektoron át. A hő leadását követően a füstgázokat a kompresszor légköri nyomásra sűríti. A sűrítés során nyert hőt hőcserélőn át az égést tápláló levegő veszi át.
7.6. ábra
Kapcsolt hő-, és villamos energia termelés gázturbinával biomasszából 1 - Kazán
8. – Kondenzvíz szivattyú
2 – Turbina
9 – Kémény
3 – Generátor
10 – Biomassza betáp.
4 – Ciklon
11 – Levegő
- 185 -
5 – Gőz injektor
12 – Levegő előmelegítő
6 – Hő a fogyasztókhoz
13 – Kompresszor
7 - Hőcserélő
14 – Elpárologtató 15 – Vaz melegítő hőcserélő
E rendszer fontos eleme a forró levegő tágulásának helyszínéül szolgáló légturbina, és a forró levegőt előállító egységét, amely az égető berendezés integrált része. A forró levegő felhasználásával megelőzhetők azok a problémák, amelyek a szilárd biomassza égetés nyitott folyamata
során,
illetve
a
füstgázok
gázturbinákban
történő
utóhasznosításával
összefüggésben felmerülhetnek. A működési elv a Joule módszeren alapul. A légturbina abban különbözik a gázturbinától, hogy a biomassza égetése a rendszeren kívül történik, és a levegőt a rendszer utólag hasznosítja. A valójában izobár folyamatban a turbina működéséhez szükséges magas hőmérsékletű levegőt névleges a füstgázok hőjével melegítik fel (a léghevítőben). A forró levegő a turbinában légköri nyomásra expandál. A nyert elektromos energia - a gázturbinához hasonlóan - a turbina által termelt munkától és a kompresszor felhasznált munkájától függ.
A hatékonyságot befolyásolja a névleges nyomás, a turbinába belépő levegő hőmérséklete, a léghevítőben keletkező nyomásveszteség, valamint a turbina és a kompresszor szerkezeti kialakítása. A turbina hatékonysága a névleges nyomás értékével nő, egészen a maximális értékig, azután pedig csökkenni kezd. A folyamat igen fontos eleme a léghevítő. A légturbina hatékonyságának maximalizálásához a hevítő egység kimenő részének levegőjét a lehető legmagasabb hőmérsékletűre kell felmelegíteni. A légturbina hulladék hője viszonylag magas hőmérsékletű, és ezért különböző típusú hőcserélőkben felhasználható pl. a mezőgazdaságban (termékek szárítása), fafeldolgozó iparban, stb. Optimálisnak azok az eljárások tekinthetők, amelyek során a turbinából távozó forró levegőt közvetlenül fel lehet használni. Az elérhető hőteljesítmény értéke 500kW-tól akár 2500kW-ig is terjedhet.
- 186 -
7.3
A biomassza elgázosítása hő és villamos energianyeréshez
Pirolízis Közepes hőmérsékleten, oxigénszegény vagy -mentes környezetben végzett termokémiai átalakítás, melynek végeredménye a pirolízisolaj, a faszén és kisebb mennyiségben gáz. A gázosítás és pirolizálás során keletkezett termékgázt kapcsolt energiatermelésben használni lehet villamosenergia-és hőenergia-termelésre egyaránt. E technológiáknak is jelentős beruházásigénye van, azonban számos szakmai fórum szerint és a szakemberek számításai alapján a biomasszából gázosítással termelt villamos energia költsége igen kedvező, sót egyesek szerint a víz-és szélenergia után a leggazdaságosabb megújulókat felhasználó eljárás.
7.7. ábra
Felső töltésű és alsó légbevezetéses, un. ellenáramú rendszer sémája
A száradási szakasz 100-105 Co-on megy végbe, itt már megkezdődik a pirolízis. A pirolízis már 150 Co-nál intenzíven felgyorsul, a hő hatására a tüzelőanyag felbomlik. Új C xHy vegyületekre, szénmonoxidra, széndioxidra, ecetsavakra, metanolra, acetonra, terpentinre és kátrányra bomlik. A kátrány kialakulásának hőmérséklete 400-600 Co
- 187 -
A tüzelőanyagot körülveszik a pirolízis gázok, a gyulladás akkor következik be, amikor a hőfelszabadulás nagyobb, mint a hőfelvétel, ez kb. 270 Co-on történik. A gyulladás függ a külső hőmérséklettől, a gáz és oxigén keverék arányától és a külső energia beviteltől, pl. gyújtóláng. A faalapú tüzelőanyagok gyulladása különösen függ a nedvességtartalomtól, a mérettől és a tüzelőberendezés belső hőmérsékletétől. A gázok égéséhez ilyenkor primer és szekunder levegőt kell hozzávezetni. A szénhidrogének felszabadulása 800 Co körül történik, a szekunder levegő belépésével a tűzágyba a gázok látható lánggal égnek el. A visszamaradt szén később lassú izzás közben ég el, de ilyenkor is szükséges a szekunder levegő bevezetése.
7.8. ábra
A szintézisgáz képződésének fő szakaszai 1.
Gyulladás,
2.
Pirolízis szakasza
3.
Illó anyagok 80-90 %-ának felszabadulása
4.
Szén égése
5.
Hőfelvétel
6.
Hőfelszabadulás
- 188 -
Ha a reaktor szakaszait nézzük, felosztható: szárítási pirolízis redukciós és égési zónára, valamint salak és hamuzóna felfogó térre
Ezeket a berendezéseket kialakítási elveik szerint csoportosítjuk: Egyenáramú Ellenáramú Keresztáramú Fluidágyas Az egyenáramú gázosítónál a tüzelőanyag és a levegő befúvása azonos irányú, a gázelvezetés a tűztér alsó részén történik. Az ellenáramú gázosításnál a tüzelőanyagot felülről, míg a levegőt alulról vezetik be. A gáz elvezetése felülről történik (lásd . ábra). A keresztáramú gázosítónál a levegő és a tüzelőanyag útja keresztezi egymást, a tüzelőanyagot felülről adagolják, míg a levegőt oldal irányból ( . ábra). A gázelvezetés a levegő befúvásával szembeni oldalon történik.
- 189 -
Biomassza
Szárítás Redukció
Levegő
Szintézis gáz Pirolízis
Égés
Salak +Hamu
7.9. ábra
Keresztégésű kivitel A fluidágyas gázosítónál a tüzelőanyag és a levegő bevezetése azonos oldalon történik, a gázt felül vezetik el. Használnak nyugvóágyas és cirkulációs gázosítókat. A cirkulációs gázosító azt jelenti, hogy a fluidágy részecskéi a képződött gázzal együtt távoznak a reaktorból, majd egy ciklonba kerülnek, ahol szétválasztják őket. Ezután a fluid anyagot visszavezetik a reaktorba a gázt, pedig a tisztítóberendezésbe. Ezeknek a rendszereknek két csoportját különböztetjük meg: Nyugvóágyas Visszakeringetett fluidágyas A fluidágyas tüzelőberendezéseknél a tüzelőanyagot apró, szilárd részecskékből álló, általában kvarchomok ágyba fújják be. A homokágy egy fúvókákkal ellátott lemezen fekszik, melyen keresztül levegőt, vagy gázt vezetnek keresztül, amely lebegő állapotban tartja a
- 190 -
homokágyat. A bevezetett tüzelőanyag tömege a homokágyhoz képest kicsi, 1-5 %. A homokágy nagy hőkapacitása stabilizálja az égést és mozgása közben jól keveri a tüzelőanyagot a levegővel. Szintézis gáz
Hamu
Biomassza
Levegő
Gőz
7.10. ábra
Fluid ágyas kivitel A nyersanyagban lévő anyagok (fa apríték) 7.1. táblázat Anyag
Részarány
Érték
Szén
%
39,08
Hidrogén
%
4,73
Nitrogén
%
0,14
Kén
%
0,071
Oxigén
%
33,03
Klór
%
<0,01
Nedvesség
%
22
Hamu
%
0,93
Fűtőérték
MJ/kg
13,8
- 191 -
A nyers szintézis gáz összetétele (forrás Tóvári P. 2006) 7.2. táblázat Mérési eredmények CO
16-18 %
H2
10-25 %
CH4
0,9-1,1 %
CO2
12-15 %
N2
40-60 %
A
gáz 4,2-5,6 MJ/Nm3
fűtőértéke
A pirolízis gáz technológiák során a kimenőoldali produktumok között mindenképpen kell számolni a kátránnyal, amely - irodalmi elemzések szerint- a szénhidrogének lebomlásakor keletkező szabad gyökök összekapcsolódásának eredményeképpen keletkezik. A termékgáz tisztítása tehát összetett feladat, mert a kátrány eltávolítása feltétlenül szükséges. Egyes irodalmi mérések szerint a gázosítótípusának és az alkalmazott tüzelőanyagnak függvényében 3
a kátránytartalom akár 75 g/m is lehet. Kémiai és mechanikai eljárásokkal, pl. katalizátorok segítségével kátrány mentesítik a termékgázt. A pirolízis gáz végső felhasználása a hőenergia előállítás mellett a villamos energia is lehet. Egy végfelhasználás funkcionális elvi sémáit szemléltetik a 7.11. és 7.12. ábrák.
- 192 -
Biomassza adagoló
Hűtőegység Sz. gáz hőcserélő Levegő
Hűtőtorony
Kompresszor Lev. ciklonok
Reaktor
Ülepítő tartály
Kondenzátor
B. szelep Vezérlő
Generátor
Villamos hálózat
Motor
Textil szűrő
Biomassza szűrők
7.11. ábra
Villamos energia előállítása pirolízis gázból A végfelhasználás függvényében a gáztisztítás módja változhat. Az ábra szerint az első tisztítók ciklonok a szilárd szennyeződések leválasztására. Ezt egy levegős hűtőegység követ, amelynek hője más célokra felhasználható. Ezt a vizes hűtés követi , amely során a még mindig 300-400 °C-os termékgázt egy mosón engedik keresztül, és választják le belőle az esetlegesen még benne lévő szilárd szennyeződéseket. Ez után a mosóból magával ragadott vízpárát kondenzálják. A lecsapódott még mindig meleg vizet külső hűtőtoronyban visszahűtik, s a benne lévő anyagokat kiülepítik. A lehűtött gázt biológiai és textil szűrőkön
- 193 -
átvezetve juttatják a gázmotorba, amely generátort hajt és villamos energiát termel a villamos hálózat részére. Haváriák esetén a B, szelep a fáklyázó felé nyit utat. A biomassza elgázosítás rendszer után kapcsolt gázmotorral vagy turbinával igen előnyösen lehet decentralizáltan, kisebb teljesítményű (2 MWe) energiaellátó rendszereket működtetni. A villamos energiatermelés hatásfoka 15-30%.
7.12. ábra
Kapcsolt hő-, és villamos energia termelés biomasszából, gázosítással 1 – elgázosító
8 – gázmotor, v. turbina
15 – hő a fogyasztókhoz
2 – hamu
9 – generátor, vill. hálózat
16 – mosó
3 – ciklon
10 – kémény
17 – hőcserélő-hűtő
4 – száraz gáz
11 – turbó kompresszor
18 – szivattyú
5 – biomassza
12 – levegő
19 – viztároló
6 – hűtő
13 – fáklyázó
20 – szűrők
7 – levegő
14 – hő a fogyasztókhoz
21 – tápvíz a mosóhoz
- 194 -
A biomasszát a gázosító felső részén lévő nyíláson át vezetik a gázosítóba (5). A gázosító falai magasan ötvözött acélból készülnek, a gázosító hőszigeteléséről pedig a fal belső masszív rétegei gondoskodnak. A gázosítást végző levegőt a gázosító kamra mindkét részébe ventillátorral (7) fúvatják be a hűtőn (6), hőcserélőn át . Az előhevített levegő egy része felhasználható a fűtőanyag szárításához.
A gázosítóban termelődő gázt egy nagyhőmérsékletű ciklonon (3) keresztül a hűtő egységbe vezetik (6), ahol a gázt lehűtik, a levegőt pedig felmelegítik. Az újbóli lehűtést követően a hideg vizet a gázba fecskendezik (16). A vízre a gáztermelés közben képződő szennyeződések (főleg kátrányok) eltávolításához van szükség. A gázt ezt követően komprimálják (11) és az égést tápláló levegőhöz keverik. A befújást követően a keveréket bevezetik a gáz motorba, vagy gázturbinába (8). A felhasználható hő a motor hűtéséből (15) és a kipufogó gázból (14) származik
7.4
Energiatermelés biomasszából fluid ágyas gázosítással
A fluid ágyas kazánhoz csatlakozó nagyteljesítményű (> 1MWe) gázturbinával működő energiatermelő (villamos és hő) rendszer jellemző példáját az . ábra szemlélteti.
7.12. ábra
A fluid tüzelés elvi felépítése - 195 -
1-tüzelőanyagok, 2-légkompresszor, 3-primer levegő, 4-szekunder levegő, 5-lebegtetett anyagfelületek, 6-hamú és segédanyag (CaSO4), 7-füstgáz (hajtóanyag)
7.13. ábra:
Biomassza, fluid ágyas elgázosítása kapcsolt hő-, és villamos energiatermeléshez 1 – biomassza
10 – hamu
18 – kémény
2 –-keverő-adagoló
11 – stabilizáló égők
19 – hamu szeparátor
3 – keverő-adagoló
12 – hordozó anyag
20 – kémény-ventillátor
4 – szivattyú
13 – hamuleválasztó
21 – levegő
5 – víztároló
14 – szolgáltatott hő
22 – gáztartály
6 – víz
15 – fáklya
23 – kompresszor
7 – kazán 1. rész
16 – generátor, vill. hálózat
24 – szolgáltatott hő
8 – fluid-ágyas elgázosító
17 – gázmotor, vagy
25 – kémény
9 - kazán 2. rész
gázturbina
26 – légfűtő hőcserélő 27 – hamu leválasztó
- 196 -
Általában 5,0 MWe fölötti teljesítmény esetén realizálható a hatásfok nyereség (villamos - 2330%). A biomassza (1) a gázosítóba kerül, amely két fő részből áll: a gázosító- és az égéstérből (7-9 és 8). A két tér alsó része közös. Az itt lévő szilikon-homokot és katalitikus anyagokat tartalmazó üledékek jelentős része az erős áramlás miatt a füstgáz áramlatba kerül. A gázosító után épített magas hőmérsékletű ciklonban (27) az üledékeket leválasztják a füstgázoktól, és a kazánba visszavezetik. A leülepedett felesleges hamut lerakóhelyen tárolják és később a mezőgazdasági területre kiszórják. A ciklon kivezető nyílását elhagyó gázok hőcserélőben (26) a tűztér víz-adagolójának vízét fűtik fel. A füstgázok innét egy másik a szeparátoron keresztül a kéménybe távoznak (19, 20 és 18). A termelt gázt a hőcserélőben lehűtik, ugyanitt melegítik fel a hőellátási célokat szolgáló vizet. A lehűtött gázt tisztítják, majd, amikor az elérte a megfelelő minőséget, a turbo-kompresszoron (23) keresztül a turbinába (17) vezetik. Az égetést tápláló levegőt össze kell sűríteni a megfelelő nyomásúra. A turbina a generátorhoz kapcsolódik, ami a hálózat részére villamos energiát termel. A turbinában keletkező füstgázok hulladék hője, és a turbina hűtéséből származó hő-ellátási céllal felhasználható (24).
7.5
Külső égésterű motor (Stirling rendszer)
A külső égésterű motor működés ciklus az égési folyamattól független, ezért bármilyen fűtőanyag hasznosítható. Ezt a technológiát leginkább a 10-150kW teljesítménytartományban, kapcsolt rendszerben alkalmazzák. A villamos energia termelés hatékonysága 20-28%. A biomasszát kazánban égetik el és a keletkező füstgázok a Stirling motor hőcserélőjébe áramlanak, ahol hőátadással felmelegítik a működtető közeget. A füstgázok teljes hője a visszahűtő egységbe kerül, ahol az felmelegíti a motort elhagyó fűtővizet. A munka közegéből származó hőt a kondenzációs hőcserélő fűtővize veszi át.
- 197 -
2
1
7.5. ábra:
Un. külső hőforrású Stirling motor egy ütemének vázlata 1-hőforrás, 2- hűtő
Példa:
ERDEI FA TÜZELÉSSEL MŰKÖDŐ VILLAMOS ERŐMŰ A turbina teljesítménye: 30 MWe Hatásfok: 25-30 % A kazán hatásfoka: 90 % Kazánnyomás: 75 bar Gőzhőmérséklet: 495°C Fűtőanyag: faőrlemény 10-15 GJ/t fűtőértékkel Hamutartalom: 1 % Kéntartalom: 0,01 % - 198 -
Éves fafogyasztás: 280 · 103 t A partner erdőgazdaság erdőterülete: 176 000 ha erdő Az egy évben eltüzelt fa fűtőértéke 280 · 103 t · 12,5 GJt–1 = 3,5 · 1015 J = 3,5 PJ Ez 30 %-os hatásfokkal 3,5 · 1015 J · 0,3 = 33,3 MWe 31,54 · 106 s elektromos teljesítményt ad (8760 x 3600 = 31,54 106 s/év) Mivel a növekményből csak a tűzifa-jellegű fát (tehát nem a teljes fahozamot) fűtik el, és ez 1,8 t/ha, az éves üzemeltetéshez tehát 280 · 103 t = 155 000 ha (!) 1,8 t/ha erdőterület éves növekményét használják fel. Ha ugyanezen teljesítményt (hazánkban még csak gondolatként jelenlévő) energiaerdőből kitermelt célfajták teljes faanyagával fedeznék, akkor ehhez csak 280 · 103 t = 28 000 ha-t 10 t/ha kellene évenként tarra vágni.
További kérdések: 1. Kapcsolt termeléssel menyi hőt biztosítana? 2. Hány lakást lát el villannyal (5000 kWh/laké/év) 3. Kapcsolt termeléssel hány lakást látna el hővel? (100 m2/lakás, 180 kWh/m2/év fűtési igény)
- 199 -
KÉRDÉSEK 1. Gőzerőművek jellemzése 2. ORC (Szerves Rankine Körfolyamat) lényege 3. Gázturbinás erőművek jellemzése 4. Mia pirolízis, pirolízis erőművek 5. Fluid ágyas gázosítás és erőművei
- 200 -
BIOGÁZ ELŐÁLLÍTÁSA ÉS FELHASZNÁLÁSA
8.
8.1
Biogáz rendszerek és alapanyagok
A biogáz-termelési és hasznosítási komplex rendszer azt jelenti, hogy a
biológiai hulladékokat fermentációs eljárás során (rothasztással) biogáz előállításához használják fel, a biogázt energiatermelésben hasznosítják, a visszamaradó biotrágya a mezőgazdaságban a talajművelésben tápanyagutánpótláshoz hasznosítható. Az élelmiszer előállításban (mezőgazdaság, feldolgozó élelmiszeripar, kereskedelem, vendéglátás, stb.) a környezetvédelmi előírások betartása többnyire a termelési költségek növekedésével jár. A biológiai hulladékok ártalmatlanítása - megfelelő technológiák alkalmazásával, a bennük rejlő energia hasznosításával – az adott ágazat, de főként a mezőgazdasági számára gazdasági haszonnal járó beruházás lehet akkor, ha a hulladékok hasznosításának integrált komplex módszerét alkalmazzák. A komplex rendszer - alapvetően anaerob erjesztésen alapuló eljárás - ökológiai előnye az, hogy hulladékhasznosítás mellett környezetbarát, CO2-semleges energiatermelést tesz lehetővé. A biogáz-technológia a biológiai hulladékok által okozott környezetterhelést csökkenti, másrészt, jelentős mennyiségű megújuló energiaforrás kihasználását eredményezi.
- 201 -
Tápanyag visszapótlás
Hő- és villamos energia felhasználás
Növénytermesztés
Kogenerációs fűtőmű
Állattenyésztés
Biogáz üzem Gáztárolás, tisztítás
8.1. ábra Az összes anyag a biológiai cikluson belül marad, csupán energia szabadul fel, az égési CO2 a növények által felvételre kerül Hazánkban a legnagyobb mennyiségű biológiai hulladék az állattartásból keletkező trágya. Az állati trágya, ezen belül elsősorban a sertés hígtrágya a jelenlegi trágyakezelési technológiák mellett még jelentős környezetszennyezést okoz. A helytelen trágyakezelés költséges és a felszíni és felszín alatti vízkészletek fő szennyezője. A településeken keletkező kommunális hulladék 30-40%-a biológiailag bontható szerves anyag. Ennek döntő többségét ma még közvetlen talaj, talajvíz és levegőszennyezést okozó szeméttelepeken helyezzük el. A csapadék hatására kioldódó anyagok talaj, talajvíz ezen keresztül pedig felszíni és felszín alatti vízkészlet szennyezést okoznak. A hulladék depóniákban („hegyekben‖) lejátszódó szerves-anyag lebontási folyamatok révén igen jelentős a keletkező depóniagáz (metán CH 4, szén-dioxid CO2), melyek a legerőteljesebb üvegházhatást okozó gázok. A kommunális szennyvizek jelentik a biohulladékok következő csoportját. A biológiai szennyvíztisztítás során keletkező úgynevezett fölösiszap igen magas szervesanyag- tartalmú. A szennyvíztelepek iszapkezelése ma még jelentős arányban megoldatlan. Az élelmiszer-ipar, ezen belül elsősorban a vágóhidak termelik a biohulladékok igen jelentős részét, melyek gyakorlatilag veszélyes hulladéknak minősülnek. Ártalmatlanításuk így jelentős költséget igényel. Különös figyelemmel kell lenni a vágóhídi hulladékok és az állati hullák ártalmatlanítása során az állategészségügyi problémák megelőzésére.
- 202 -
A biohulladékoknak, keletkezési helyüktől és körülményeiktől függetlenül közös tulajdonságuk, hogy biotechnológiai eljárásokkal - a költséges ártalmatlanítás helyett energiatermelésre és a mezőgazdaságban tápanyag-utánpótlásra hasznosíthatók.
8.2. ábra. Energiatermelés biológiai hulladékból
A biológiai hulladékok levegőtől elzárt, úgynevezett anaerob körülmények között, megfelelő hőmérsékleten baktériumok segítségével fermentálódnak. A fermentáció során nagy mennyiségű biogáz keletkezik, amelynek energiatartalma, mintegy 2/3-a földgázénak. Az eljárástól, alapanyagoktól, s ezáltal a metán és szennyezőanyag tartalomtól függően 18-23 MJ/m3. A biogáz összetétele 8.1. táblázat Gázféleség
Képlete
Koncentráció (%)
Metán
CH4
50-75 (80)
Széndioxid
CO2
25-50
- 203 -
Víz
H2O
2 (20C)7 (40C)
Kénhidrogén
H2S
20-20000 ppm (2%)
Nitrogén
N2
2
Hidrogén
H2
1
A Magyarországon évente keletkező állati trágya, vágóhídi hulladék, kommunális biohulladék, kommunális szennyvíziszap összes tömege 32 millió tonna/év, és az azokból előállítható biogáz mennyisége 2000 millió m3/év. A biogáz reaktorok üzemeltetésére valamennyi természetes eredetű szerves anyag alkalmas, így a szerves trágya, fekália, élelmiszer-ipari melléktermékek és hulladékok, zöld növényi maradványok, háztartási hulladékok, kommunális szennyvizek és iszapjaik, stb. A biogázképződés feltételei: - a levegőtől elzárt környezet, - állandó hőmérséklet, - a metánbaktériumok jelenléte, - folyamatos keverés, ami meggátolja a kéregképződést
- 204 -
8.3. ábra
A folyamat során lejátszódó biológiai és kémiai változások A biogázképződés során a szerves vegyületek egyszerűbb vegyületekre bomlanak (savas fázis), majd szétesnek alkotó elemeikre a metanogén fázisú metángázra (kb. 60-70%) és széndioxidra (kb. 30-40%), valamint a kiinduló anyagtól függően különböző elemekre (H,N,S stb.) A biomasszából biogázt 25 5 napos átfutási idővel, 35 2 fokos hőmérsékleten, ún. mezofil, 15 2 napos átfutási idővel 56 5 fokos hőfokon termofil zónában történő erjesztéssel lehet nyerni. Létezik un. vékonyfilm biogáz reaktor, ahol a gázképződés néhány óra alatt lezajlik, de a depóniagáz képződéséhez, kinyeréséhez (hulladéklerakó telepek) 15-20 év is szükséges. A biogáz rendszerek első üzembeállítása igen körültekintő, sok figyelmet igénylő munka, hiszen mind a technikai, mind a biológiai rendszernek kifogástalanul kell működnie, ahhoz, hogy a rendszer beinduljon és a gázképződés a maximális értéket megközelítve folytatódjon. Nagyobb rendszereknél a stabil üzem megközelítéséhez 70-90 nap szükséges
- 205 -
8.4. ábra A mezofil zónás 500 kW teljesítményű generátorral működő villamos energiát termelő biogáz rendszer szembeállítási idő diagramja
8.5. ábra
Különféle anyagokból kierjeszthető biogáz mennyisége: liter/kg (Eredeti konzisztenciára) Kihozatal 30 nap alatt szervesanyag tartalomra vonatkozóan - 206 -
8.2. táblázat
Anyag
Fajlagos gázmennyiség [m3/kg org.sz.a.] 30 nap
8.2
Zöld növények: Fű Lóhere Kukorica növény Cukorrépa levél Burgonyaszár
0,56 0,45 0,75 0,50 0,57
Szilázs: Fű szilázs Kukoricaszilázs
0,56 0,62
Trágya: vizelet bélsár rozsszalma marha trágya
0,01 0,21 0,26 0,23
A biogáz előállító berendezések felépítése
Nedves eljárás Az elmúlt két évtizedben – Európa szerte – igen dinamikusan terjed az állattartó telepeken keletkező trágya hasznosítására az un. nedves eljárás. A fogadó egységben (kezelő épület) többféle technológiai eszköz is lehetséges, pl. speciális, aprítókéses keverők, aprítókéses szivattyúk, fertőzést jelentő anyagok esetén sterilizáló egységek (autokláv), zsír és olaj tárolók, stb. A keverőkkel 10-12% szárazanyag-tartalmú trágya és egyéb szerves anyag (szilázs, szárító és tisztítóüzemi hulladékok, zöld növényi maradványok, stb.), aprítása, homogenizálása, szállítása és keverése is megoldható. A magasabb szárazanyag tartalmú trágya hasznosítása kisebb fermentor térfogatot igényel. A keletkező biotrágyát 180 napos tárolás után a termőföldön tápanyag-utánpótlásra hasznosítják. A technológia elsősorban a híg sertés és szarvasmarha trágya és az ezzel együtt kezelt magasabb szárazanyag-tartalmú biomassza hasznosítására alkalmas.
- 207 -
8.6. ábra
Nedves biogáz technológia (a szárazanyag tartalom < 12%)
8.7. ábra
- 208 -
Az állattartó telepekhez gyakran alkalmazott megoldás
A keverő és előtárolóban az erjesztésre előkészített anyagot a reaktorba szivattyúzzák (töltik), ahol külső vagy belső fűtőberendezéssel (hőcserélőkkel) az anyagot 35-37 C-ra melegítik fel, miközben folyamatosan keverik, azért, hogy a teljes tömegben azonos hőmérsékleti viszonyok álljanak elő. A megfelelő hőmérséklet és összetétel hatására a baktériumok élettevékenysége megindul, s ennek során metánt termelnek.
8.8. ábra
Szubsztrátum aprító és szállító szivattyú Az anyag egyenletes konzisztenciája és hőmérsékleti elosztása, valamint a keletkező gázok kiválása (kihajtása) céljából az anyagot továbbra is keverni kell.
- 209 -
8.9. ábra
A tartályok oldalára, vagy a fedelére szerelhető lapátos keverő berendezés A gáz az erjesztett anyag fölötti zárt un. gáztérben gyűlik össze. Az erjesztés időtartalma 4-6 hétig tart, ez idő alatt a kinyerhető gáz 30%-a az első reaktorban (a leginkább gazdaságos 2 reaktoros kivitelnél) képződik. Ezen idő elteltével az anyag a második reaktorba szivattyúzható át, és ott folyik a további erjesztése. Ami ugyancsak 4-5 hétig tart. Az átszivattyúzott anyag helyére új „masszát‖ töltünk az egyes reaktorba, és a keverést valamint a felfűtést folytatjuk. Mindez addig folytatódik, amíg mind két reaktor a kellő töltöttséget el nem éri. Az első reaktorban a szubsztrátum baktériumos dúsítása a második reaktorból visszaszivattyúzott magasabb baktérium tartalmú anyaggal történik. A második tartályban a hígítás következtésben az anyag szerves anyag tartalma 7%. Ebben a reaktorban, az anyag fölött a gáztérben ugyancsak mintegy 60% metán, 30-32% CO2, és 4-5% vízgőz gyűlik össze. Gyakorlatilag ezen anyag nevezhető biogáznak. A gáz a reaktorok zárt teréből az un. gáztárolóba kerül át. A második reaktorba kierjedt anyag a tároló egységbe jut, amelynek térfogata az üzem kapacitásának megfelelően 6 hónapig képes ezen un. kierjesztett szubsztrátum, azaz „hígtrágya‖ tárolására, melynek szárazanyag tartalma 3-4%. E tároló is zárt, az előzőkhöz viszonyítva azzal a különbséggel, hogy a borítása légzáró műanyag fólia. A tároló borítása több ok miatt is fontos:
- 210 -
3-4% gáz itt is képződik, amely a zárt térből ugyancsak a tárolóba elvezethető. az anyag nem oxidálódik, aerob erjedés nem következik be, nem férhetnek hozzá rovarok, legyek, stb., és nincs emisszió, amely a környezetet bármilyen formában is befolyásolná. E tároló is elv van látva keverő berendezéssel, amely megakadályozza az anyag rétegződését, osztályozódását. Minden kitárolás előtt működtetik, hogy a szállító járművekben a teljes összetételt prezentáló összetételű anyag kerüljön. Az anyag talajerő visszapótlásra kiválóan felhasználható, alapvető jelentősége, hogy nincs emissziója (nem büdös), és semmiféle anyagot nem tartalmaz, amely a növénytermesztésre bármilyen befolyással is bírna. Lehetőség van ezen anyag víztelenítésére, centrifugálással a nedvesség tartalmának csökkentésére, ami előnyös azon szempontból, hogy csökken a kiszállítás költsége, hiszen nagyobb koncentrátumú anyag kerül kiszállításra, a híg leválasztott rész pedig a reaktorokba, mint hígító anyag visszatáplálható. A szilárd (35-38 % szárazanyag tartalmú rész komposztálható.
8.10.ábra
A szilárd anyag leválasztására szolgáló centrifuga-prés A nagyobb szennyvíztisztító telepeken évtizedek óta alkalmazzák az un. folyékony biogáz előállító technológiát. A telepen kívülről érkező víztelenített iszapokat konténerben az erre a célra kialakított szállító járművek szállítják a biogáz telepre. A konténereket szállító járművek egyenesen a fogadó
- 211 -
állomás, fogadó garatjába ürítik az iszapot. A fogadó garat mozgatható tetőszerkezettel van lezárva, mely az ürítés után azonnal vissza-zárul. A garat feletti tér rá van kötve a biológiai szagtalanító állomásra. A fogadó garatokból a víztelenített iszapot a garat aljába épített csigák az u.n. tömő szivattyúba továbbítják, mely ezt az iszapot a homogenizáló tartályba nyomja, ahol azt a telepi fölös iszappal, a homogenizáló tartály keverője összekeveri, hogy elérje a rothasztáshoz szükséges 5 -7 %-os koncentrációt. A tömő szivattyú nyomó vezetéke úgy van kialakítva, hogy szükség esetén a feladásra szánt iszapot a homogenizáló tartály helyett vissza lehessen vezetni a fogadó garatba. A fogadó garatba szükség esetén híg telepi iszap is keverhető, és ennek a sok lehetőséget magában foglaló megoldásnak köszönhetően egy homogénebb, jól összekevert iszap tömeg küldhető a homogenizáló tartályon keresztül a rothasztóba. Ez a megoldás lehetővé teszi, hogy egyéb más, képlékeny, szilárd hulladékot nem tartalmazó anyagokat, melyek rothasztásra alkalmasak, ezekbe a fogadó garatokba ürítsük. Fentiekben leírt keverés után ezek az anyagok szintén a rothasztóba továbbíthatóak. A rothasztókban keletkező biogázt a szennyvíztisztító telep saját hő és villamos energia energiaellátására hasznosítják (gázmotoros, vagy gázturbinás - generátoros üzemben). A kirothadt iszapot víztelenítés után komposztálják, a csurgalékvizet tisztításra visszavezetik a szennyvíztisztítási technológiára. Ha a komposztálás a kirothadt iszapot károsanyag-tartalma miatt nem lehetséges, akkor a termelt hőenergiával a víztelenítés után kiszárítják és kazánokban elégetik. Az ilyen biogáz telep rendszerint a szennyvíztisztító telepek elkülönített, de a telephez kapcsolt része. Saját iszapot és kívülről érkező anyagokat is fogadhat.
- 212 -
8.11. ábra
Alacsony szárazanyag tartalmú un. folyékony eljárás, főként szennyvíztelepek részére
A biogáz gázmotorban elégetve villamos- és hőenergia-termelésre hasznosítható. A fermentáció során a patogén baktériumok és gyommagvak elpusztulnak, így a mezőgazdaság számára kiváló, tápanyagban gazdag biotrágya jön létre. A gáztároló és a fermentorok között a gáz vezetése földbe fektetett műanyag csővezetékeken történik.
A fermentorokban a gáz hőmérséklete 30-35 C, amely csövekben a
talajhőmérsékletére hűl (nyári, téli időszaktól függően 1-2, ill. 8-15 C (tél, nyár). A jelentős hőmérséklet különbség hatására a vízpára kondenzálódik, kicsapódik, és a csőben összegyűlik. A csövek megfelelő lejtése révén meghatározott helyre kerül elvezetésre, és összegyűjtésre. E megoldás jelenti „gáz kiszárítását‖, „vízpára mentesítését‖. A gáz kis mennyiségben tartalmaz kén-dioxidot, ez kisebb berendezésekben azzal csökkenthető, hogy időszakonként a reaktorokba levegőt pumpálunk, s a redukció hatására a kén a reaktorban a szubsztrátum alsó részére süllyed le, és innen az átvezető csöveken a tárolóba kerül. Nagyobb berendezéseknél fizikai, vagy kémiai abszorpciós kéntelenítő berendezéseket, membránokat, molekuláris szűrőket, stb. alkalmaznak. Tehát a motorokba minden időszakban 100 ppm térfogat egységnél kevesebb kéntartalmú gáz kerül, amely a
- 213 -
tűrés hatás alatt van és a motoroknál káros hatást nem fejt ki, de az égést követően sincs káros kibocsátás, nem keletkeznek kénes savak, kéntartalmú vegyületek.
8.3
A biogáz átalakítása hő és (ill.) villamos energiára
A rendszerek felépítése A gáz elégetéséhez leggyakrabban gázmotort alkalmazunk, amely illesztett teljesítményű villamos generátort hajt. Hazai nagyságrendben előnyös lehet 500 kW villamos és 600 -700 kW termikus teljesítményű gázmotoros generátor. A gázmotorokban keletkező mechanikus energiát a generátorok alakítják át villamos energiává. A generátorok 50 Hz-es, általában 500 V-os váltó feszültséget állítanak elő, mely a hálózatba való termeléshez 20 kV-ra transzformálnak. A tüzelőanyag ez esetben is a gázszabályozón keresztül érkezik a motorhoz, a keverékképző végzi el a levegő-gáz arány pontos beállítását (a fordulatszám szabályozás alapja). A keverék ezután a turbófeltöltőn, majd egy keverék visszahűtőn keresztül érkezik a motorba. A turbófeltöltő feladata a motor teljesítményének növelése, a keverék visszahűtő segítségével a turbótöltés miatt felmelegedett keverék visszahűtése történik, mely eredményeként a motor teljesítménye tovább nő (a visszahűtés eredményeként nő a keverék sűrűsége, azaz nagyobb mennyiséget lehet a motorba juttatni). A keverék visszahűtését ez esetben a motor vízköre végzi, ezáltal a keveréktől elvont hő hasznosítható. A motor után a füstgáz a turbótöltő turbina részére áramlik, majd tovább a füstgázhőcserélőre. A turbótöltő és a motor közötti füstgázcső hűtött, az elvont hő szintén hasznosítható. Közepes és nagy méretű gázmotorok esetén a kenőolaj által a motorból elvont hő számottevő, így a kenőolaj minőségének megőrzése érdekében kenőolajhűtő alkalmazása szükséges, mely hőcserélővel elvont hő felhasználható. A fűtési vagy melegvíz termelési feladatot ez esetben is két hőcserélő látja el, a vízköri, mely a keverékből, a motorhűtésből, az olajhűtésből és részben a füstgáztól elvont hőt hasznosítja, valamint a füstgázhőcserélő mely mint neve is mutatja a füstgáz hőjét hasznosítja. A motorhoz tartozó energiafolyam ábrát a 8.12. ábra szemlélteti (Shankey-diagram). A bevitt 100 % tüzelőanyagból 36,7 % fordítódik mechanikai munka termelésére (gázmotor
- 214 -
tengelyteljesítménye), a generátor hatásfokot is figyelembe véve a villamos hatásfok 35,3 %. Ez a magasabb hatásfok több tényező együttes eredménye, magasabb a motor effektív középnyomása, a turbófeltöltés és keverékvisszahűtés szintén növeli a teljesítményt illetve a hatásfokot.
8.12. ábra
Közepes teljesítményű gázmotor energiafolyam ábrája
A hasznosítható hő a hűtővízből (9,1 %), a keverék-visszahűtőből (8,3 %) a kenőolajhűtőből (6,1 %) a vízhűtésű füstgázcsőből (9,8 %) illetve a füstgáz hőcserélő keresztül a füstgázból (20 %) nyerhető. A teljes hasznosítható hőmennyiség 53,3 % a bevitt tüzelőanyagra vetítve. Veszteség keletkezik hősugárzás útján (2,6 %) valamint a távozó füstgázból (7,4 %). A generátor veszteséggel együtt (1,4 %) a teljes veszteség 11,4 %, vagyis az összhatásfok (tüzelőanyag hasznosítás) 88,6 %. A termelt villamos- és hőenergia aránya 0,66. Ez magasabb, mint a kisteljesítményű motor esetén volt. Ez a magasabb villamos hatásfok illetve a nagyobb veszteség, alacsonyabb összhatásfok eredménye. A motorok által felhasznált gázmennyiség energiatartalmának ez csupán 32-36%-a alakul át villamos energiává. A fennmaradó rész a motorokban hővé alakul, amelynek egy része (15-20 %) sugárzási energia formájában távozik. Cél, a hőenergia felhasználása fűtési, ill. egyéb hőtechnikai célokra. 500 kW-os gázmotoros generátor jellemző technikai adatai - 215 -
(GE Jenbacher) 8.3. táblázat
Munkamód
4-ütem
Hengerszám
12
Lökettérfogat
Lit
29,20
Névleges fordulatszám
min-1
1.500
Gázmennyiség
Nm3/h
260
kW
530
kW el.
510
mechanikus teljesítmény Villamos teljesítmény
A keletkező termikus teljesítmény (~) Keverék képzésnél
kW
120
Olaj hűtésből
kW
88
Motorhűtővízből
kW
141
Kipufogógáz lehűtéséből
kW
289
Hűtővíz
kW
131
Összes hasznos termikus teljesítmény (~)
kW
770
Előremenő hőmérséklet
°C
90,0
Visszamenő hőmérséklet
°C
70,0
Meleg víz kör
- 216 -
8.13. ábra A gázmotor (konténerben elhelyezve)
8.14. ábra
A rendszer egyszerűsített felépítése Az ábra jelei: gázcsatlakozás és gázszabályozó (1), gáz-levegő keverő (2), turbófeltöltő (3), gázmotor (4), generátor (5), gáz-levegő keverék visszahűtő (6), kenőolajhűtő (7), vízhűtésű füstgázcső (8), vízköri hőcserélő (9), füstgázhőcserélő (10), kémény (11).
- 217 -
8.14. ábra
A konténerben elhelyezett gázmotorhoz csatlakozó folyadék/víz hőcserélő
A rendszerekhez min. kettő, általában három-öt hőcserélő csatlakozik. A motoroknál alkalmazott léghűtéses hőcserélő helyett folyadék/víz kiviteleket építenek be, miközben vészhelyzetre megtartják a folyadék-levegő hőcserélőket is. A hőcserélőkből felvett hőmennyiség egy része az erjesztő tartályok hőntartását szolgálja (a berendezés kivitelétől függően az összes hő 15-25%-a), a fennmaradó része pedig egyéb hasznos célra, épületek fűtésére, vagy technológiai vízként használható fel. A kipufogóhoz csatlakozó füstgáz-víz hőcserélő, a kipufogón átáramló 600-900 fokos gáz hőmennyiségét hasznosítja, melynek révén magas hőmérsékletű víz, esetleg gőz is elő állítható. E magasabb hőmérsékletű víz a fentebb említett hűtővízhez keverhető, de alkalmazható adszorpciós hűtőgép meghajtására, melynek révén hideg energiát tudunk előállítani, tehát a rendszer hűtőtároláshoz szükséges energiát is képes biztosítani. Jól kiépített és vezérelt rendszer alkalmazása révén a bevitt összes energiamennyiség közel 90%-a hasznosítható.
- 218 -
Vezérlés
2 7
8 9
10
5
1 3
4
15 11 12
6
13 12
14
8.15. ábra
A gázmotor vezérlés egyszerűsített felépítése 1 – tisztított gáz, 2 – légszűrő, 3 - kompresszor, 4 – turbófeltöltő, 5 – gázadagoló (elkerülő ágon), 6 – gázadagoló, 7 – gázadagoló vezérlés, 8 – érzékelők jel feldolgozása, 9 – villamos jelek (gáz-víz), 10 – a keverék nyomása, 11 – a keverék hőmérséklete 12 – hőcserélők, 13 – hőtároló a fogyasztók részére, 14 - villamos hálózati csatlakozó, 15 – kipufogó szabályozó és vezérlő egységek
- 219 -
Többféle anyagot is felhasználó biogázüzem
8.16. ábra
Biogáz üzem (Pálhalma) A Pálhalmai Agrospecial Kft által (PA) létrehozandó biogázüzemet –BGÜ- megújuló energia forrásokból villamos- és hőenergiát állít elő. A BGÜ megoldja a PA trágyakezelési, és talajerő visszapótlási problémáinak jelentős részét. A termelt villamos energia a magyar villamoshálózatnak kerül átadásra. A termelt hőenergiát a PA nagyüzemi mosodája hasznosítja, s ezzel kiváltva fűtéshez használt földgázt. A BGÜ a növénytermesztésből, állattenyésztésből származó anyagokat, illetve a közelben fekvő Adonyi Március 21 Szövetkezet állattenyésztésből és növénytermesztésből származó anyagokat dolgozza fel. Alapanyagok a biogázüzemhez 8.4. táblázat Alapanyag
tonna/év
Szalmás sertéstrágya
14400
Almos szarvasmarha trágya
15,000
Konyhai hulladékok
60
Vágóhídi sertéshulladék
200
Sertésistálló mosóvíz
23,120
- 220 -
Kukorica szilás
12,000
Sertéstrágya
25,000
Napraforgó étolajtermelés maradékai
35
Vágóhídi sertéshulladék
440
Összesen
90255
A vágóhídi sertéshulladék a hatályos előírásoknak megfelelően higenizálás után kerül a biogázüzembe. A fent felsorolt alapanyagokból kétlépcsős mezofil eljárásban, 38°C-on, egy elő és utófermentálóban kerül sor a gáz kinyerésére.
8.17. ábra A szubsztrátum felmelegítése a motorok hulladék hőjével, un cső a csőben hőcserélőkkel történik.
A két előfermentáló (2 x 3000) 6000 m3, az utófermentálók (2 x 4500) 9000m3-esek. A kinyert biogáz átalakítása két biogázmotorban történik. Évente 13376 MWh villamos energia és a 14944 MWh hőenergia keletkezik A rendszer villamos hatásfok 38%, a hőtechnikai 46%, az éves müködési idő 8000 h, a villamos teljesítmény 2 x 836 kW, a hőteljesítmény 2 x 934 kW. Az erjesztett trágya fedett tárolókba kerül, amelyek - előírásoknak megfelelően - 120 napos tárolókapacitással rendelkeznek.
- 221 -
A gázmotort és generátort magába foglaló konténer a
A
fáklyázó csővel (felesleges gáz elégetése, pl. motorhiba
leválasztására szolgáló torony.
estén)
és
a
rendszer
vészhűtőjével
(a
kierjedt
biogázból
a
kén
motor
hőcserélőinek meghibásodása, vagy hőenergia többlet estén
8.18. ábra
Motor és generátor konténer és kénleválsztó Az építés előtti állapotban a szalmás trágya, ill. hígtrágya hónapokon keresztül várt a kihordásra és ez alatt folyamatosan bűzt és metánt bocsát ki, a jelenlegi eljárásban a hermetikusan zárt fermentorokban a környezet számára szagmentes az erjedés és ezzel pozitív hatást gyakorol a régió lakosságának életminőségére. Az évi kibocsátás csökkenés (CO2): Számítható: Kibocsátás csökkenés = baseline kibocsátás - projekt kibocsátása. Számokban kifejezve = 39413 - 1,526 = 37,887 (t CO2/év) projekt kibocsátása = a projekt megvalósítás révén (után) baseline kibocsátási = a projekt megvalósítása nélkül (előtt).
- 222 -
A kierjesztett gázból a vízpárát A fogadó és előkészítő (keverő) helységek eltávozó levegőjét kicsapató, kondenzáló egység
folyadékmosó és biofilter tisztítja, szagtalanítja
8.19. ábra
Biofilter és légmosó A bemutattaból látható, a gázmotoros kapcsolt energiatermelő rendszer két terméket állít elő. Az egyik termék a hőenergia amelyet a távhőszolgáltató rendszeren át közvetlenül a végfelhasználó felé lehet továbbítani. A másik termék a villamos energia, amely egy részét (elenyésző) a fűtőműben lehet felhasználni, nagyobb részét pedig a villamos hálózatra lehet táplálni, az áramszolgáltatóval kötött megállapodás alapján. Gázmotoros kapcsolt energiatermelő rendszer illesztése A fentebbi példa és más tapasztalatok szerint korábbi tapasztalatok alapján egy 1,0 MW villamos és 1,3 MW hőteljesítményű gázmotor telepítésének műszaki, gazdasági szempontokból kisebb településeken jó megoldást jelent. A választás azért esett erre az tartományra, mivel fajlagos beruházási költsége kedvező, segédhűtéssel pedig az egész éves magas kihasználási óraszám is biztosítható. A 8.20. ábra a gázmotoros kapcsolt energiatermelő egységet mutatja hőszolgáltatás tartamdiagramjába illesztve. Mint látszik, téli üzemállapotban a gázmotorral termelt hőenergia teljes egészében felhasználásra kerül, nyári üzemállapotban a használati meleg víz igényen felül megtermelt hőenergia a beépített segédhűtésen keresztül kerül gázmotoros rendszerből elvonásra, de más célokra is felhasználható lenne(pl. fa, vagy terményszárítás, stb.). - 223 -
8.20. ábra
A gázmotoros kapcsolt energiatermelő egység távhőrendszerbe illesztése A 8.21. ábra a gázmotoros egység és a távhőrendszer kapcsolását mutatja. Télen a gázmotor előmelegíti a visszatérő vizet, a meglévő kazánok pedig megemelik a gázmotorból kilépő keringtetett víz hőmérsékletét, amennyiben azt az éppen jelentkező hőigény indokolja. Nyári üzemállapotban a gázmotor biztosítja a HVG termeléshez szükséges hőenergiát. Amennyiben a gázmotoros rendszer által termelt hőenergia meghaladja a hőigényt, a visszatérő víz hőmérséklete emelkedni kezd. A visszatérő ágba beépített segédhűtés ( . ábra, a konténer tetőn lévő levegő/víz hűtő) elvonja a rendszerben fel nem használt hőenergiát és biztosítja, hogy a visszatérő hőmérséklet elegendően alacsony legyen a gázmotor folyamatos működéséhez.
- 224 -
8.21. ábra
Gázmotor - távhőrendszer kapcsolási vázlata A segédhűtés méretezése során figyelembe kell venni a rendszerben uralkodó fogyasztási viszonyokat. A teljesítménye meg kell, hogy egyezzen a legkisebb fogyasztási időszakban fel nem használható hőteljesítménnyel. Legcélszerűbb lehet a teljes hőteljesítmény elvonására alkalmas hűtőrendszer beépítése, amely többletköltsége nem számottevő, azonban lehetővé teszi, hogy amennyiben szüksége lehet, a gázmotor a távhőrendszertől függetlenül is üzemképes.
8.4
A biogáz mikro-gázturbinás felhasználása
A gázmotor generátorán megtermelt villamos energiát előre (1 hónapra) meg kell határozni. Menetrendet kell adni. Attól eltérni nem szabad, mert súlyos bírságot kell fizetni. A megtermelt villamos energiát előre 1 hónapra meg kell határozni. Attól eltérni nem szabad, mert súlyos bírságot kell fizetni.
Megtermelt villamos energia árai (az árak és az arányok is eltérhetnek):
20 MW vagy annál kisebb erőműben
Csúcs
Völgy
Mélyvölgy
32,10
28,72
11,72
Menetrend időszakai: Munkanapok
H-P
mélyvölgy
völgy
csúcs
völgy
0330-0700
0700-0800
0800-2400
2400-0330
-
-
Hétvége SZ-V
0330-0800
800-0330
Megjegyzés: téli és nyári időzóna eltérő.
- 225 -
Példa: van
1 db 500 kW–os gázmotor + 600 kW hő (gyors indítású, villany/hő arány szabályozható, visszaterhelhető)
2 mikro gázturbina, 80-80 kW = 160 kW + 120 kW hő (gyors indítás, villany/hő-arány szabályozható, de visszaterhelésnél hatásfokromlás van, ezért jó, ha optimumon mennek)
Min.: 500 kW hőre mindig szükség van (amelyből 120 kW saját felhasználás- reaktorfűtés). A villamos energia árak és az előző szerint az optimális árbevételre törekedve a globális menetrend: 1. Völgy időszak:
gázmotor 500 kW villany (alacsonyabb a villany ár, a
fennmaradó hőt a léghűtők viszik el (még alacsonyabb villamos energia árnál visszaterhelés lehet előnyösebb) 2. Csúcs időszak:
2 gázturbina 160 kW villany és 120 kW hő (magas villany ár) +
gázmotor szabályozva 420 kW villany és 380 kW hő (a fennmaradó hőt a léghűtők viszik el), téli időszakban a nagyobb hőigény miatt teljes lehet a terhelés. 3. Mélyvölgy :
gázmotor szabályozva - visszaterhelve 440 kW villany, 500-520
kW hő (alacsony villany ár) Tartalékot mindig kell képezni a biogáz üzem nem megfelelő működése miatt (alacsonyabb kihozatal, csökkent fűtőérték, rendkívüli időjárás, alapanyag változás, stb.)
8.22. ábra
- 226 -
Mikro turbinás egység elvi kapcsolása a hő és villamos rendszerbe A rekuperátorban és hőhasznosító hőcserélőben a füstgáz 120 oC-ra hűl.
A turbina kivitele A levegő beömlő nyílás hangszigetelt cső, mely belsejében található a levegőszűrő (1). A generátor 4 pólusú állandó mágneses 3 fázisú generátor, mely nagyfrekvenciás váltóáramot állít elő (0). A kompresszor kisméretű, centrifugál kialakítású radiális kiömléssel. A gázturbinába, a hatásfoknövelés érdekébe beépítettek egy belső hőcserélőt (2). A gyűrűs fordítókamrás tüzelőtérbe (3) nyúlik bele a három kétfunkciós tüzelőanyag fúvóka, s közvetlenül a tüzelőtérbe juttatják a gázt. Kompresszor és a generátor egy tengelyen helyezkedik el az axiális kiömlésű centripetál turbinával (4). A tengelymegtámasztása légcsapágyakkal történnek tekintettel a nagy fordulatszámra és az egyszerűbb üzemeltetésre.
8.23. ábra
Működési vázlat Forrás: http://remotelab.energia.bme.hu/
- 227 -
A. és . ábrán nyomon követhető a turbina működése. A levegőt a generátoron keresztül szívja be a kompresszor, ezzel biztosítva annak hűtését. A centrifugál kompresszorból kilépő nagynyomású levegő a hatásfoknövelés érdekében keresztüláramlik a füstgáz/levegő rekuperátoron, amely azt felmelegíti (4.). A fúvókákon beáramló tüzelőanyag a tüzelőtérbe elkeveredik a levegővel, majd elég (3). Forró égésgáz acentripetál turbinában expandál (4). Expanzió végén, a rekuperátoron keresztüláramló füstgáz még mindig ~275 ºC hőmérsékletű, ez ideálissá teszi kapcsolt meleg víz termelésre. Ezért a kilépő füstgáz útjába helyezhetünk egy víz/füstgáz hőcserélőt. Forró füstgáz expanziója során meghajtott turbina egy tengelyen helyezkedik el a kompresszorral és a generátorral így azok is azonos fordulatszámon fognak forogni. A generátor nagy fordulatszáma miatt nagyfrekvenciás váltóáramot állít elő. A frekvencia átalakítóban először a 2-3 kHz váltóáramot egyenárammá alakítja (DC) és leszűri (kiegyenesíti), majd ebből az egyenáramból készítenek a hálózati frekvenciának megfelelő 50 Hz váltóáramot. Szabályozó rendszer A mikro gázturbina képes sziget üzemben és a hálózati üzemben is működni. PC-re ültetett felhasználói szoftveren keresztül soros vonalon kommunikál a turbina szabályozó egységével. A 110 üzemi paramétert képes regisztrálni és feldolgozni, valamint ezeket file-ba menteni. 8 paraméter folyamatos változását tudja megjeleníteni a képernyőn. A vezérlő program képes előre megadott terhelési ciklusok lefuttatására, a beállított időtartományoknak megfelelően. Energetikai rendszerbe történő integrációját megkönnyíti, hogy telefon és internetes vonalon keresztül képes kommunikálni a teherelosztóval így távvezérlés útján is indítható illetve be lehet avatkozni a turbina működésébe. Több különböző helyen elhelyezett turbina teljesítményét tudják változtatni a felmerült igényeknek (a menetrendtől eltérés adta anomáliáknak) megfelelően.
- 228 -
8.24. ábra
Kisteljesítményű biogáz-üzemű gázturbinák párhuzamos üzemmódban
8.5
A termelt biogáz nem közvetlen felhasználása
Szükség szerint a keletkező gázmennyiség csővezetéken továbbítható lokális felhasználókhoz, pl.: családi házak fűtésére, távolabb lévő növényházak fűtésére stb. De a gáz tisztítás után földgáz hálózatba vezethető, vagy palackozható. Európában már működnek biogáz tankoló állomások is, pl. személygépkocsik részér.
- 229 -
8.25. ábra
Nem közvetlen felhasználás estén a technológiai folyamatok
8.26. ábra
Biogáz tankoló állomás Németországban
A hasznosítás módjától függően a gázból leválasztandó anyagok. 8.5. táblázat
- 230 -
8.6
Az erjedési maradék hasznosítása
A kierjedt anyag (kierjesztett szervesanyag) a biotrágyának is nevezhető. Számos előnnyel rendelkezik a hagyományos állati hígtrágyához képest. Ezek: 1. Közvetlen felhasználható tápanyag-visszapótlásra, jobb a hasznosulása, kisebb a tápanyagveszteség. 2. A kigázosítás után nehezen lebontható szénvegyületek maradnak, így a humusztartalom pótlására jól felhasználható. 3. A kierjesztett szubsztrátum folyékonyabb és homogénebb, mint a kierjesztés nélküli. 4. Tárolás során kevesebb szén és nitrogén (ammóniák formájában) megy veszendőbe. 5. A szerves kötésű nitrogén kierjesztés után a növény részére azonnal felvehető formában áll rendelkezésre. 6. A szagterhelést jelentő illékony szerves vegyületek a metánerjesztés során lebomlanak, ezért mentes a kellemetlen szagoktól. 7. A szerves savak átalakulnak, a kezeletlen hígtrágya maró hatása itt elmarad, növényre, talajlakókra sem káros.
- 231 -
8. Csökken a C/N arány, így a kiérlelt anyag a talajban hatékonyabban lebomlik. 9. Kisebb mértékű az NO2 kibocsátás, mint a hagyományos talajban történő lebontásnál. Így kevesebb az üvegházhatást okozó un. klímagáz kibocsátás. 10. A műtrágyák helyettesítése révén csökken a környezetterhelés (a műtrágya előállítás nagy energiaigényű). 11. Higiénikusabb és a gyommagvak csíraképességét is csökkenti.
Példa: Vizsgáljuk meg a csatornaiszap feldolgozását Budapest példáján. A város éves átlagban 8 · 105 m3/nap vizet fogyaszt, ebből kb. 70 % kerül végülis a csatornákba. Az
észak-pesti
derítő
54 000
m3/nap
csatornahordalékot
fogad;
ennek
száraz
anyagtartalomban megadott csatornaiszap tartalma kb. 24 t/nap. A ténylegesen keletkező biogáz 2400 m3/nap (60 % CH4 + 40 % CO2 összetételben, tehát 100 m3/t csatornaiszap; látható, hogy az iszap leépülő szerves anyagtartalma kisebb, mint átlagos esetben (ld. fentebb)). Ha Budapest teljes csatornaiszapját ( 250 t/nap) biogázzá dolgoznánk fel, akkor naponta 25 000 Nm3 BG képződne. Ez 21,4 MJ/m3 fűtőértékkel (ld. Függelékben F2. táblázat) számolva 535 GJ/nap termikus vagy 160 GJ/nap elektromos energia termelését tenné lehetővé. Egy hónapra számolva ez (1 kWh = 3,6 · 106 J) 160 · 109 · 30 1,33 · 106 kWeh/hó 3,6 · 106 villamos energiát jelent: kb. 6000 átlagos háztartás (ez a budapesti háztartások mintegy 1 %a) fogyasztását.
- 232 -
KÉRDÉSEK 1. Mit ért a biogáz-termelési és hasznosítási komplex rendszere kifejezés alatt 2. A biogáz képződés feltételei 3. Milyen egységekből álla a biogáz előállító berendezés? 4. A biogáz összetétele, fűtőértéke 5. A gázmotoros-generátoros rendszer felépítése, mi a kapcsolt energiatermelés 6. A mikro gázturbinák felépítése, előnyei
- 233 -
9.
9.1
TERMÁLENERGIA ÉS FELHASZNÁLÁSI RENDSZEREI A termálenergia jellemzése
A termálenergia meghatározása A termálenergia olyan belső energia, amelyet a földkéreg, a köpeny és a mag nagy hőmérsékletű tömegei tárolnak. Mivel a Föld belsejében sokkal nagyobbak hőmérsékletek, mint a felszínen, a belső energia szakadatlanul áramlik a nagy mélységű forró zónákból a felszín felé, ez az ún. földi hőáram. A földkéreg hőmérséklete a hővezetés törvényének megfelelően növekszik a mélységgel, így az egységnyi tömegű anyag energiatartalma a mélységgel nő. Nyilvánvalóan annál alkalmasabbak a körülmények a termálenergia kitermelésére, minél közelebb van a felszínhez a belső energiát hordozó nagy hőmérsékletű közeg. Habár a termálenergia a kéregben mindenütt jelen van, a gazdaságosan kitermelhető termálenergia olyan hordozó közeghez kötött, amely nagy fajlagos energiatartalmú, könnyen felszínre hozható, olcsó, nagy mennyiségben rendelkezésre áll, jól kezelhető. Mindezeket a követelményeket a víz elégíti ki legjobban.
A termálenergia eredete Tapasztalati tény, hogy a Föld belsejének hőmérséklete a mélységgel nő. Ennek megfelelően óriási mennyiségű belső energiát tartalmaz. A felső köpeny 75-250 km mélyen eléri azt a hőmérsékletet, ahol a kőzetek egy része már olvadt állapotban van. Ezen a rétegen „úsznak‖ a tektonikus lemezek. A (szilárd) földkéreg 15-40 km mélységig terjed és alsó széle hozzávetőlegesen követi a felszín morfológiáját.
- 234 -
9.1. ábra
A föld szerkezete A termodinamikából ismeretes, hogy a hőmérséklet inhomogén eloszlása a belső energia áramlását idézi elő. Első legdurvább közelítésként a gömb alakú Föld szilárd kérgében a belső energiának csupán vezetéssel folyó, stacionárius áramával számolhatunk. Intenzitásának legalábbis nagyságrendileg a felszín minden helyén azonosnak kellene lennie. A tapasztalat alapján egészen más kép rajzolódik ki. Bizonyos jól meghatározható földtani szerkezetekhez a földi hőáramsűrűség jellegzetes értékei tartoznak. A táguló óceánközépi gerincek mentén nem kiugró a 0,3 W/m2 hőáramsűrűség, az Alföldet a 0,1 W/m2 érték jellem, míg a kontinentális pajzsok vagy az óceáni kéreg hőáramsűrűsége alig éri el a 0,02 W/m2-t. Mindez összefüggésben van a földkéreg és a köpeny szerkezetével és a litoszféralemezek vándorlásával.
9.2. ábra.
A földi hőáramsűrűség eloszlása Magyarországon, (mW/m2) - 235 -
A kontinentális kéreg vastagsága a magas hegységek alatt 70-75 km, a megsüllyedt üledékes medencék alatt viszont alig 20-25 km. Az óceáni kéreg vastagsága sokkal kisebb, átlagosan 10 km.
9.3. ábra
Hőmérsékletváltozás a mélység függvényében A litoszféra nem egyetlen merev héj, hanem hat nagyobb és néhány kisebb lemezdarabból áll, amelyek egymáshoz és a Föld forgástengelyéhez képest állandó mozgásban vannak. A Föld jelenkori magmás és tektonikai tevékenysége szinte kivétel nélkül a lemezhatárok mentén zajlik (un anomáliás területek). A plasztikus köpenyben a belső energia nem csupán vezetéssel, hanem konvekcióval is átadódhat. A gravitáció hatására a nagyobb sűrűségű, hidegebb, felső köpenyanyag lesüllyed, kiszorítja helyéről a könnyebb, melegebb és nagyobb belsőenergia-tartalmú közeget, amely feláramlik a litoszféra határáig, magával víve belsőenergia-tartalmát. Az így kialakuló mozgás a termokonvekció. Az ún. az Alföldön 50-60 °C/km, tehát viszonylag kis mélységben található viszonylag nagy hőmérsékletű, így nagy fajlagosenergia-tartalmú kőzettömegek. Magyarország geotermikus szempontból kiemelkedő pozitív anomáliát mutat, — bár mi e területektől távol esünk. Kedvező adottságaink magyarázata, hogy a földkéreg vastagsága az Alföldön 22-28 km (ez átlagos érték), hazánk egyéb sík területein pedig mintegy 30 km; a geotermikus gradiens (termálgradiens) mintegy 5°C/100 m (a kontinensek átlagában ez 3°C/100 m); a hőfluxus - 236 -
értékek is magasabbak (90-100 mW/m2), mint az az európai kontinens átlaga (62mW/m2). Utóbbiak okozzák a Kárpát-medencében a geotermikus anomáliákat.
A geotermális anomália területei A természetes termálrezervoár kellő kiterjedésű, nagy hőmérsékletű, megfelelő porozitású és permeabilitású hévíztároló képződmény. A termálrezervoárból belső energiát termelnek ki, amelynek hordozó közege a víz. Ezt a környezetvédelem vagy a rétegnyomás fenntartásának céljából vissza kell sajtolni a tárolóba. A bányászat tehát a víz energiatartalmára irányul, nem magára a vízre. A mesterséges termálrezervoár valamely forró, száraz impermeábilis kőzetben létrehozott repedésrendszer. Ez legcélszerűbben hidraulikus rétegrepesztéssel alakítható ki, és a külszínről vizet keringetve, a nagy hőátadó felület (1 km2), mint hőcserélő működik, amellyel forró víz vagy gőz termelhető.
Konduktív hőárammal fűtött tárolók A termálrezervoárt szakadatlanul fűti a földi hőáram. Az egyik nagy rezervoárcsoportba azok a tárolók sorolhatók, amelyek belsőenergia-utánpótlása a vezetéses (konduktív) hőáram. A ma ismert legnagyobb kiterjedésű konduktív fűtésű termálvízrezervoár az Alföld felsőpannon homokos üledéksoraiban található. Átlagos vastagsága 200 m és kb. 40 000 km2 kiterjedésű. Magyarország mai termálvíz-kihozatalának túlnyomó része innen származik.
- 237 -
9.4. ábra.
A konduktív hőárammal fűtött geotermális tároló
Termokonvekcióval fűtött tárolók
A nagy hőmérsékletű magma (650-1200 °C) igen erősen füli a környezetét, és ez a felszín felé igen nagy (1 W/m2) erősségű földi hőáramot okoz. Az üledékes kőzetek hővezetési tényezője legtöbbször elég kicsiny (2 W/°Cm) ezért a mélységgel igen gyorsan nő a hőmérséklet. Szükség van a tároló elegendően nagy függőleges irányú méretére is. Ilyenkor a konvekció hosszabb úton, hatékonyabban viszi át a belső energiát a felszínhez közeli tartományba. Növeli a konvekció intenzitását, ha a tároló hidegvíz-utánpótlást kaphat. Ekkor nagyobb a hőmérséklet-, továbbá a sűrűségkülönbség, és az erőteljesebb fluidummozgás több belső energiát juttathat a felszín közelébe. A konvektív fűtésű porózus tároló fogalmi modelljét a 9.5. ábra szemlélteti.
9.5. ábra.
Termokonvencióval fűtött geotermális tároló A tároló nyomáseloszlása - ha forró víz tölti ki - közel hidrosztatikus, a feláramló forró- és a leszálló "hidegebb" áramlás hatására torzul egy kicsit. A gőzt vagy víz/gőz keveréket tartalmazó tárolók mélység menti nyomásgradiense kisebb, a gőzzónában közelebb áll az állandó értékhez, mint a hidrosztatikushoz. Ekképpen a forró vizet és a gőzt tároló
- 238 -
rezervoárok fizikai viselkedése jellegzetesen különbözik. Energiahasznosítás szempontjából legértékesebbek a túlhevített gőzt tároló lelőhelyek.
Mesterséges geotermális tárolók forró, száraz kőzetekben A termálenergia egységnyi mennyisége annál értékesebb, minél nagyobb hőmérsékletű a hordozó közeg. Villamos energia gazdaságos előállítására a mai műszaki lehetőségek mellett legalább 150 °C hőmérsékletű forró víz vagy gőz szükséges. Ezt a hagyományos villamosenergia-termelés szempontjából alsó határnak vehető hőmérsékletértéket a ma ismert termálmezőknek alig 2%-a éri el. Nem egy esetben a forró kőzettest (hot dry rock-HDR) száraz, egyáltalán nem tartalmaz vizet vagy gőzt. Ebben a mélységtartományban mesterségesen kell a termáltárolót létrehozni. Valamilyen módon töredezetté, repedezetté kell tenni az impermeábilis kőzetet, és a külszínről kell vizet juttatni bele, hogy ott felmelegedjék. Egy forró száraz kőzettesttel szemben támasztott legfontosabb követelmények: legalább 200 °C kőzethőmérséklet, igen kis permeabilitás (< 10-6 darcy), jó hővezető képesség (>4 W/mK), jó repeszthetőség, lehetőleg minél közelebb legyen a felszínhez. Ezeket a tulajdonságokat még közvetve is elég nehéz becsülni, csupán felszíni adatok birtokában. A legfontosabb paraméter, amelyre támaszkodni lehet, a hőmérséklet gyorsan növekvő mélység menti eloszlása, és a földi hőáram anomálisan nagy értéke. Kedvező földtani körülmény, ha jó hővezető képességű gránitalapra rossz hővezető képességű, agyagos üledékrétegek települtek. A termálenergia-készletek számítása Egy geotermális tároló rendszer feltárása és termelésbe állítása során az egyik legfontosabb kérdés a rendelkezésre álló energiamennyiség meghatározása. A földtani készlet természetesen nem termelhető ki teljes egészében. Magyarország üledékes kőzetösszleteiben tárolt ipari termálhőkészlet: 8,55×1019 kJ. Magyarország közel 40 000 km2 területen fejlődtek ki a felső pannon homokos vízadó rétegei. Feltéve, hogy ezeket, 15 °C-ra sikerül lehűteni, a legnagyobb hazai hévíztároló rendszer 4,085×1017 kJ energiát tartalmaz. A tényleges kihozatali tényező 30-40%.
- 239 -
A termálenergia-kitermelő rendszer A termálenergia-kitermelés lényege a tároló belsőenergia-tartalmának felszínre hozása. Ez a módszereket és az eszközöket tekintve a szénhidrogén-kitermeléssel rokon tevékenység. A termálenergia-kitermelés kezdeti időszakában a többé-kevésbé tervszerűen telepített kutakkal megcsapolt tárolóból a víztest rugalmas tágulása vagy a gőz túlnyomása hozta a felszínre a fluidumot. A lehűlt, rendszerint nagy sótartalmú hévizet legtöbbször valamely közeli vízfolyásba vezették, jelentős környezetkárosítást okozva. Eközben a tároló rétegnyomása is egyre csökkent, a kút hozamával és a kútfejhőmérséklettel együtt. Nyilvánvalóvá vált, hogy a tároló rétegenergiájának fenntartása, és a környezetszennyezés elkerülése csak a lehűlt hévíznek a tároló rétegbe való visszasajtolásával lehetséges. A legtöbbször vízkőkiválásra hajlamos vagy agresszív kémiai viselkedésű hévizeket legcélszerűbb egy túlnyomásos zárt körben keringetve, hőcserélőn át lehűtve visszasajtolni a tárolóba. A rendszer több részrendszerből tevődik össze. A tárolóból a termelőkúton keresztül áramlik a felszínre a belső energiát hordozó fluidum (víz, gőz vagy ezek keveréke). A víztermelő kútba a termelés fokozására legtöbbször búvárszivattyút építenek be, vagy gázlifttel segítik elő az áramlást. A gyűjtő- és a gerincvezetékek esetleg szeparátor beiktatásával vezetnek a hőcserélőhöz. A hőcserélőben a nagy sótartalmú, esetleg agresszív rétegvíz (vagy gőz/víz keverék) a szekunder körben áramoltatott víznek, esetleg valamilyen alacsony forráspontú szerves folyadéknak adja át energiatartalmát. A szekunder körben áramló felmelegített folyadék vagy gőz akár villamosenergia-termelésére, akár közvetlen hőhasznosításra használható. A lehűlt hévíz (vagy a kondenzálódott gőz) a besajtolószivattyú energiaközlése után a besajtolókúton át jut vissza a tárolóba. A tároló jellege, a telepfluidum tulajdonságai, a kitermelés és a hasznosítás módja nyilvánvalóan módosíthatják a vázolt alaprendszer több elemét. A besajtolókút irányából hideg víz szivárog a termelőkút felé, a hővezetés iránya viszont ezzel ellentétes. A konvekció és a vezetési áram ellentétes iránya lassítja a hideg front terjedését. A kútban kialakuló áramlás viszont mind a termelő-, mind a besajtolókutakban nyilvánvalóan turbulens. A kútban felszálló forró (T>100 °C) víz nyomása csökken, gőz képződik, oldott gázok szabadulnak fel. Így az áramlás gyakran kétfázisú keverékáramlás. A felmelegedett kút és a hidegebb kőzetkörnyezet
intenzív radiális irányú hőátadást eredményez. Ez gőzkutaknál a
hőveszteségen kívül nyomásveszteséget is okoz.
- 240 -
Mesterségesen termeltetett kutaknál a búvárszivattyú működése mechanikai munka bevezetését jelenti a rendszerbe. A besajtoló-szivattyú a rendszer másik olyan pontja, ahol mechanikai energia bevezetésére kerül sor. A megnövelt nyomású lehűlt hévíz a besajtolókúton keresztül áramlik a tárolóba, nyomása lényegesen, hőmérséklete kis mértékben növekszik az áramlás során. A tárolóba érve a víz újra a termelő kút felé szivárog, közben tovább melegszik, így a ciklus ismétlődése esetén a visszakeringetett víz a kőzettömegek belső energiájának egy részét is átveszi és felszínre hozza. A belső energia transzportját közvetlenül ugyan nem befolyásolja, de az energiatermelő rendszer működéséhez szorosan kötődik néhány további fizikai és kémiai folyamat. A lehűlő és csökkenő nyomású telepfluidumok oldott szilárdanyag- és gáztartalma kiválik, vízkövesedést, esetleg a kút vagy a vezetékek elzáródását is okozhatja. A rezervoárban is kialakulnak a termelés következtében vízkémiai változások, az egyensúlyi nyomásállapot megszűnése a kőzetfeszültségek átrendeződésére. A termálenergia-kitermelő rendszer fő kérdései:
mekkora a tároló energiatartalma?
adott intenzitású kitermelésnél mekkora a mező élettartama?
milyenek a kitermelhető fluidum jellemtői,
a hévíz vagy gőz szükséges szállítási távolsága ( a távvezeték hossza)?
A pontos választ ezekre a kérdésekre akkor lehet megadni, ha az imént vázolt részfolyamatok mennyiségi és minőségi összefüggései ismertek, és a feltárt összefüggéseket a mérnöki gyakorlat számára használható formában fogalmazzák meg. Az Alföld felső pannon homokos rétegeknél (Átlagos porozitása hozzávetőlegesen 20%.) , lezárt kutak kútfejnyomása átlagosan 3 bar. A tárolóban lejátszódó nyomáscsökkenés izotermikus. Ezért a rugalmas tágulással csak a kitermelt hévízzel felszínre kerülő belső energia mennyiségnek a környezeti hőmérséklet fölötti tartományba eső hányada hasznosítható. Ennek értéke: ~7,0 1016 kJ
- 241 -
9.2
A termálenergia hasznosítása
A termálvizek energetikai hasznosítása a célt tekintve két nagy területre terjed ki: 1. Villamosenergia-termelés, melynek során a geotermális fluidum (termálvíz, gáz ill. keverékük) hőjét villamos energiává alakítják át. 2. A közvetlen hőhasznosítás, melynek során a termálvíz hője közvetlenül, átalakítás nélkül kerül hasznosításra (pl. légtérfűtés) A hőmérséklettől függő célszerű felhasználás: 15-60oC között-fűtés, hőszivattyúzás 15-110oC között általános hőenergia ellátás (uszódák, települések főtése, ipari, mezőgazdasági célok 100-150oC között kettős közegű (CRC) rendszerrel villamos energia termelés. 140-240oC között hagyományos villamoserőművel villamosenergia termelés (száraz gőz, kondenzációs)
Villamosenergia-termelés termálenergiával A villamosenergia-termelésre Magyarországon kijelölhetők azok a területek, ahol közepes entalpiájú (100-200 °C közötti kifolyó hőmérsékletű) tárolók helyezkednek el. Földtani szempontból Magyarországon a legalkalmasabb területek az Alföld déli, ill. keleti részén találhatók. Az ország délkeleti részén (Nagyszénás-Fábiánsebestyén) a szénhidrogén-kutatás során jelentkeztek nagy hőmérsékletű és túlnyomásos, ún. geosztatikus típusú hévíztároló rendszerekre utaló adatok. A területen levő Nsz-3 fúrásban rétegvizsgálat során 171 °C kútfejhőmérsékletet mértek. A hazánkban kimutatott és körülhatárolt területeken lévő közepes entalpiájú hévíztárolók villamosenergia-termelési célú hasznosítására a kondenzációs és a segédközeges (bináris) áramtermelési módok alkalmazhatók. Villamos energiatermelés csak akkor lehetséges, ha az adott helyen a geológiai és a hőmérsékleti viszonyok lehetővé teszik.
Ha a termálvízből villamos energiát nyerünk, akkor a termálvizet jelentős mértékben le kell hűtenünk, és a hőmérséklet különbségből villamos energiát állítunk elő, tehát a hőenergia
- 242 -
villamos energiává konvertálódik. Nyilvánvaló e folyamatban is igen jelentős a hatásfok vesztés, hiszen nagyon alacsony hőmérsékletre a kinyert termálvizet nem tudjuk kondenzálni, azonkívül a nagyon alacsony hőfokú termálvizet már nem nagyon tudjuk használni, de az alacsony hőmérséklet a visszatáplálásnak is akadálya lehet.. Előnyös, ha a kondenzált vízmennyiség még tovább hasznosítható. Legelőnyösebb változat (csak megfelelő geológiai adottságok mellett), ha földből (kutakból) vízgőzt nyerünk, amely közvetlenül használható fel villamos energiatermelésre, természetesen meghatározott technikai folyamatok közbeiktatásával ( 9.6. ábra). Villamos erőmű
Termelő kút
Visszasajtoló kút
Talaj
9.6. ábra
Geotermális villamos erőmű Ekkor a gőzben rejlő hőenergiát, közvetlenül mechanikus munkává, majd elektromos árammá alakítjuk át. Ha nincs elég gőz, de van magas hőmérsékletű víz, akkor az ún. ORC körfolyamat (Organic Rankine Cycle) jöhet szóba ( .ábra), amelyben a turbinahajtásra a vízgőz helyett az alacsony hőmérsékleten elgőzölögtethető anyagokat használunk fel, pl. ammóniát. Így alacsonyabb hőmérsékleten (ugyan több fokozatban), viszonylag mérsékelt hatásfok csökkenéssel tudunk villamos energiát előállítani. A több fokozat révén a kapcsolt energia termelés is megvalósul, hiszen villamos energiát és hőenergiát is nyerünk. A fennmaradó kondenzált
vizet pedig hőcserélőkben alacsony hőmérsékletre hűtjük.
Természetesen ennek vannak hátulütői is, pl. a visszasajtolás és a téli időszakban (különösen fűtésnél) a fagyveszély.
- 243 -
9.7. ábra
ORC körfolyamat hűtőtoronnyal (az utóbbi helyette zárt kondenzációs hőcserélős távfűtési hálózatot is üzemeltethet) A termálvíz (konvekcióval kapott melegvíz) hasznosítás hatásfoka igen különböző lehet. Ha közvetlenül hőtermelésre használjuk fel akkor a hatásfokot akár 1-nek is vehetjük, viszont csak villamos energiát állítunk elő, akkor a tényleges hatásfoknál 0,1 értékre csökken, tehát 10-szeres veszteséggel kell számolni, s a fennmaradó 90 % hőmennyiség a környezetbe távozik (esetleg) a hasznosítás számára elvész. Ha kombinált a ciklusban, villamos és hőenergiát is előállítunk, abban az esetben a lehetséges hőmennyiség közel 100 %-os hatásfokkal érvényesül. A fenntebbiek mit is jelentenek: ha csupán hőtermelésre használjuk fel abban az esetben ~100 %-os földgáz kiváltást érhetünk el. ha csak villamos energiát nyerünk a hatékonyság 10 % lehet. Ezekből következik, hogy a rendelkezésünkre álló földhő energiáját, különösen ha azt gőzzel vagy vízzel nyerjük ki akkor erősen megfontolandó, hogy milyen módon és - célra hasznosítjuk. A hasznosításának egyik igen jelentős követelménye a termálvíz vissza szivattyúzása (préselése). Sajnos a hasznosítási e formája csak kitüntetett helyeken használható. Azokon a területeken, ahol megfelelőek a geotermális viszonyok, vagyis a föld mélyén a törésvonalak környezetében jelentős mennyiségű a magas hőmérsékletű vízkészlet, s - 244 -
a visszasajtolás anélkül megvalósítható, hogy a kutak eliszaposodnának (eltömödve csökkenne a vízelnyelő képesség, ezzel együtt a vízhozam. Speciális megoldás a HDR (hotdry-rock - forró kőzet) rendszer – lásd ábrát-, amikor magas-hőmérsékletű repesztett, „száraz kőzetbe‖ sajtolunk vizet (9.8. ábra), s ezzel hozzuk fel a föld melegét (még lehetne sorolni néhány megoldást, elképzelt lehetőséget).
9.8. ábra
A HDR rendszer vázlata (1) Injekciós cső; (2) termelő-cső; (3) megfigyelő furat; (4) stimulált kőzet; (5) tároló-figyelő; (6) injekciós kompresszor; (7) hőcserélő; (8) víztározó; (9) hűtő; (10) áramtermelő; (11) hőelosztó.
9.3
A termálenergia közvetlen hasznosítása
A közvetlen termálhő-hasznosítás során döntően a 100 °C alatti hőmérsékletű termálvizek jönnek számításba. Ezzel pl. lakóházak, lakótelepek fűtésénél jelentős mennyiségű földgázt tudunk kiváltani, amit egyébként a hőtermelésre kellett volna fordítanunk ( 9.9. ábra).
- 245 -
9.9. ábra
Geotermális fűtőerőmű A-és B felhasználók – hőcserélővel, ill. hőszívattyúzással nyert energia felhasználása, C felhasználó – balneológiai célra, ami a szabadba kerülés előtt hőszívattúzható
A termálvíz energiatartlmának hasznosításában a legjelentősebb tényező, az a hőmérséklet különbség, amely a kiáramlásnál és a visszatáplálásnál mérhető (termelő és injektáló szonda hőmérséklet különbsége). Akkor járunk el korrekten, ha a gázból nyert villamos energia hatásfokát, a földből nyert energia hatásfokához viszonyítjuk.
9.4
A termálenergia-hasznosítás helyzete Magyarországon és a hatékonyság növelésének lehetőségei
A termálenergia magyarországi hasznosítására már a 20-as években találunk példát. A 60-as években kezdődött a hazai termálenergia-kitermelés eddigi legeredményesebb korszaka. A mezőgazdasági hasznosításban világviszonylatban is az élre kerültünk 1000 000 m2 üvegház, 1 800 000 m2 fóliasátor, szárítók, állattartó telepek szerepeltek a hasznosítási formák sorában. Ezenkívül több, mint 5300 lakást, kórházakat, üzemcsarnokokat, gyógyfürdőket fűtöttek termálvizzel. Ez mintegy 400 MW hőteljesítményt, 3,0 PJ/év energiafelhasználást jelentett. A
- 246 -
legnagyobb energetikai felhasználó (64%) a mezőgazdaság (kertészet) amelyben hazánk a világelső. Ennek ellenére a termálenergia-hasznosítás részaránya az ország energiamérlegében nagyon kicsi, midössze 0,38%-os részarányt jelent. A dinamikus termálvízkészlet hőtartalmának (63,5 PJ) mindössze 6,4%-a. Látható, hogy lehetőségeink a termálvíz energetikai hasznosításának vonatkozásában nincsenek kihasználva.
9.10. ábra.
A termálvíz vízgazdálkodási és energetikai célú hasznosítása Magyarországon és a termálenergia-hasznosítási tényadatok (2001. I. 1.)
A hasznosítás hatékonyságának növelése Függetlenül attól, hogy a hőhasznosításra a mezőgazdaságban, iparban vagy a kommunális létesítmények, lakások fűtésénél kerül sor, egyaránt megállapítható, hogy a termálvizek energetikai hasznosítása hazánk éghajlati viszonyainak megfelelően idényjellegű, és a régi rendszerek mára már fizikailag, és még inkább műszakilag elavultak. A 2000. évtól épül megoldások már korszerű kinyerő és felhasználói rendszereket takarnak. Ilyenek: a változó térfogatáramú fűtési rendszerek. Az üzemidőszak döntő részében kisebb visszatérő hőmérséklettel üzemelnek, ezért egységnyi tömegáramú termálvízből több hőenergia hasznosítható. A geotermális energiát mint alapenergiát használják, s a meglévő fosszilis energiát mint csúcsenergiát alkalmazva, s ezzel érvényesül a termálenergia additív jellege. Korszerű számítógép vezérelt felügyeleti rendszerek mérik, szabályozzák és irányítják a nem kis bonyolultságú, de hatékony rendszereket.
- 247 -
9.11. ábra
Termálfűtés tartamdiagramja csúcsidejű rásegítéssel
A hőszivattyús termálenergia-hasznosítás A világ közvetlen termálenergia-hasznosításában a hőszivattyúk részaránya jelentős (22%). Magyarországon is igen számottevő volt a fejlődés az utóbbi 4-5 évben.
9.12. ábra
A fejlődési trend az elmúlt 10 évben.
- 248 -
A hőszivattyú-telepítésre a kis hőmérsékletű elfolyó vizek (fürdés, balneológia stb.) légtérfűtésre való hasznosítása jöhet szóba hőtartalmuk megnövelése útján. A jelenlegi extenzív jellegű hőhasznosítás során ugyanis a 60-90 °C felszíni hőmérsékletű termálvizet, hogy fürdésre alkalmassá tegyék, hideg víz bekeverésével lehűtik (külső energiát használva ehhez), majd a fürdés utáni 20-25 °C-os fürdővizet elengedik. Ezt a vízpazarló és környezetszennyező (emisszió) eljárást lehetne felváltani hőszivattyúk telepítésével és működtetésével.
Kétcélú hasznosítás A villamosenergia-termelés és a termálhő-hasznosítás összekapcsolása kézenfekvő. A villamosenergia-termelés után az áramfejlesztő berendezésről lekerülő termálvíz hőmérséklete a legtöbb direkt hőfelhasználási mód, de különösen a légtérfűtés és a használati melegvíz készítés igényét ki tudja elégíteni. Megcsapolásos turbinarendszernél mindenképpen 100 °C fölötti, a kapcsolt ORC, Kalina-körfolyamatú áramfejlesztési módszer esetében pedig ~ 80 °C-os a további felhasználásra alkalmas a termálvíz hőmérséklete.
Hőcserélők alkalmazása Egyszerű és hatékony a zárt rendszerű, a kőzethő, ill. a rétegvíz hőjének kinyerésére szolgáló rendszer, melynek alapegysége a sekély (50-450 m) mélységű, megfelelően kiképzett kutakba épített ún. kúttalpi hőcserélő (bottom hole heat exchanger - BHE). A rendszer a városi vízközműből származó vizet melegíti fel, emeli meg a légtérfűtési hőmérsékletre.
Szárítás A fűtési idényen kívül a közvetlen geotermikus hőhasznosítás talán legkedvezőbb megoldása - a használati meleg víz készítés mellett - a szárítás. Itt ugyanis a termálvíz hőenergiája közvetlenül hasznosul, míg a villamosenergia-termeléskor energiaátalakítás van, az abszorpciós hűtéshez pedig hajtóenergiaként használják a geotermikus hőt, bár meglehetősen kis hatásfokkal, és magas elfolyó vízhőmérsékletek mellett. Az elfolyó víz hőszívattyúzással igen jó hatásfokkal felhasználható, ezzel az egységni mennyiségű kivett termálvízre vetitee hőenergia lényegesen javítható. - 249 -
9.13. ábra.
Termálvízfűtésű szárítótorony 1) befúvóventilátor; 2) termálvizes kalorifer; 3) gáz- vagy olajégető; 4) légcsatorna; 5) szárítótorony
Az iparban és a mezőgazdaságban elterjedt technológia a mesterséges szárítás, amivel különböző alapanyagok (pl. a bútorgyártáshoz használt fa), termények (gabonafélék) vagy élelmiszerek
(zöldségek,
gyümölcsök)
nedvességtartalmát
lehet
csökkenteni.
A
mezőgazdasági termény szárítás meglehetősen energia igényes és a szárítók leginkább fosszilis energiahordozókkal működnek. Mivel kedvezőtlen évjáratban a betakarított szemes termények nedvességtartalma nagy, s szárítás szükséges ahhoz, hogy azokat a minőségromlás veszélye nélkül tárolni lehessen. A zöldség- és gyümölcsszárítás nagy jelentőségű hasznosítási mód lehet a termálvíz számára, mert a beltartalmi érték megőrzése céljából viszonylag alacsony hőmérsékletű kímélő szárítást kell alkalmazni, ami kedvező a termálvíz felhasználhatóságára nézve. ,
9.5
A hasznosított termálvíz visszajuttatása a tároló-rétegekbe
A termálvíz-hasznosítás alapvető feltétele és követelménye, hogy az a vízkészletek fogyása, és a környezet szennyezése nélkül történjen.
- 250 -
A hasznosítás utáni elhasznált - ún. csurgalékvíznek - a víztároló rétegekbe vagy azokkal hidrodinamikai kapcsolatban lévő összletekbe való visszajuttatását a következő okok indokolják: - a termálvízkészletek védelme, azaz a jelentkező vízkészletfogyás megállítása a termelés során kiemelt víz visszajuttatásával (készletvédelmi szempontok), - a felszíni területek és élővizek esetleges környezeti szennyezésének megelőzése, ill. meggátlása (környezetvédelmi szempontok), - a termálvíz mint energiahordozó megújuló jellegének érvényesítése a mesterséges hőkinyerés - természetes visszamelegedés körfolyamatának létrehozásával. A hazai földtani és hidrogeológiai viszonyok között a vízvisszanyomás kérdése kétféle módon jelenik meg: 1. A hasadékos, karbonátos hévíz-rezervoárokba való visszajuttatás muszakilag kivitelezhető és nem költséges megoldás. 2. A porózus, törmelékes (homokkő) rétegekbe való visszanyomás eddigi eredményei ellentmondásosak, nem biztatóak. Geotermikus értékű hőforrásnak általában a 30 °C-nál nagyobb felszíni hőmérsékletű hévizeket tekintjük. A hévizek legrégibb hasznosítási formája a kommunális ellátásban van. Fürdőkben,
strandokon gyógyvízként,
vagy csak
meleg
vízként,
közegészségügyi
intézményekben lakótelepeken futésre és használati melegvíz-ellátásra hasznosítják. Az ipar többsége futésre és technológiai célokra használja a hévizet, az olajbányászat a szénhidrogéntároló rétegek nyomásának megőrzésére sajtolja vissza. Legjelentősebb felhasználási mód a hévizek mezőgazdasági hasznosítása, ahol kertészeti és állattenyésztő telepek fűtését szolgálja. A Dél-Alföldön valamennyi hasznosítási forma megtalálható. A használat során lehult vizek döntő többségét közcsatornákba, tározókba és belvízelvezető csatornákba juttatják, amelyek végső befogadója a Tisza folyó. A hévizek többsége nagy sótartalmú, ezért a felszíni befogadók vizét szenynyezi, megnehezítve azok többcélú hasznosítását. A világ nagy részén a kemény, töredezett-repedezett, hasadékos vagy karsztosodott kőzetekbe történik a visszasajtolás. Magyarországon a visszatáplálásra csak a mészkövek és dolomitok jöhetnek szóba a hasadékos kőzetek közül. Az üzemszerű vízbetáplálást ismertető anyagokból általában arra lehet következtetni, hogy a nyelőképesség az idő előrehaladtával nem csökken. A visszatáplálásra elvileg mindenütt van lehetőség, ahol a karbonátos alaphegységi kőzeteken jó vízadó képességű (500-30001/min) hévízkutak képezhetők ki.
- 251 -
KÉRDÉSEK 1. A termálenergia eredete, formái 2. Villamosenergia-termelés termálenergiával 3. A termálenergia közvetlen hasznosítása, magyar lehetőségek 4. Milyen célokra hasznosítható
- 252 -
10.
10.1
GEOTERMIKUS HŐSZIVATTYÚS RENDSZEREK
A hőszívattyús hasznosítás elvi megfontolásai
Hőszivattyúzás hatékonyságában is vannak különbségek. Ott ahol a geotermikus fluxus nagyértékű, nyilván előnyösebben lehet a műveleteket elvégezni. Előnyös lehet, ha a termálvíz továbbhűtéséből tudunk hőszivattyúval energiát nyerni, mégpedig jobb hatásfokkal, hiszen a normál talajnál magasabb hőmérsékletű (hőtartalmú) a rendelkezésünkre álló folyadék. A már egyszer hasznosított termálvíz továbbhűtése figyelemre méltó, hiszen Magyarországon számos termálvizes fürdő van, és jelenlegi körülmények között, viszonylag magas hőmérsékleten bocsátják ki a szabadban. Egyébként is igen előnyös, hogyha a hőszivattyú elpárologtató oldali hőcserélője tájvízzel kerül kapcsolatba, mivel a hővezetés jelentősen javul. Gyorsabb az elvont hő pótlódása, különösen akkor, ha a talajvíz mozgásban van. Ugyanezt az előny akkor is jelentkezik, ha megfordítjuk a rendszert, tehát hűtést végzünk. Ekkor - rendszerint nyári időszakban - a környezeti melegét szívattyúzzuk a talajba, illetve a talajvízbe. Lényegében igen egyszerű szerkezet, az elvi felépítésében nem különbözik a háztartási vagy ipari hűtőgéptől. A közismert hűtőgépek a zárt térben lévő anyagot lehűtik, vagyis kivonják belőle a hőenergiát, és egy hőcserélőn keresztül átadják a környezetnek. A hőszivattyú viszont a környezet lehűtésével nyeri a hőt, és egy zárt teret, műhelyt, lakást irodát, vagy vizet melegítenek vele. A környezeti hőforrás lehet levegő, talajvíz, talajhő, szennyvíz vagy bármi más hőtartalmú anyag. Hőforrásként a legcélszerűbb az úgynevezett geotermikus szonda alkalmazása. Lényege egy 60-100 m mélységű fúrt kút (szonda). Az adott mélységben a hőmérséklet az évszaktól függetlenül állandó 10-15 °C. Az itt elvonható hőt lehet a hőszivattyú segítségével hasznosítani. A hőszivattyú a hőt szállíthatja a szondától az épület felé (ez a fűtés), vagy az épületből a szondákhoz (ez a hűtés). A hőszivattyú két hőcserélőt tartalmaz, melyeket csővezeték köt össze. A vezetékben munkaközeget keringet a kompresszor. Ez a közeg csak nagy nyomáson cseppfolyósítható, különben hevesen elpárolog. Korábban freont használtak erre a célra, de a légköri ózonpajzs kímélése végett ma már különböző veszélytelen, nem mérgező, nem robbanó gázkeveréket alkalmaznak.
- 253 -
10.1. ábra
A hőszivattyúzás elvi felépítése (fűtési üzemmódban) Qo = felvett hő, Q = a Hf a hőfogyasztókon leadott hő
A termálvizzel a felszínre hozott hő mennyisége:
Ahol: m = a felszínre hozott víz tömege (kg) c = a fajhője ( 4,2 kJ/kg K) T = a termálvíz lehűlése a hasznosítás során (K)
10.2
A hőszivattyúzás hatékonysága
Ha csupán hőenergiát hasznosítunk a (lásd . ábra) a T = Tfo1 – Tf02 , a hatásfok: G ~ 1,0 lesz.
- 254 -
T Tf01 Tf0
mc Tf02
Tfh1
Tfh2
Tfh - 0 oC
0K S
10.2. ábra
A hőszivattyú T-S diagramja (hőnyerés) Az ábrán a felvett (Tf0) és a leadott (Tfh) „fűtési‖ hő, Tf0 = a felvett, Tf01 = kilépő, Tf02 = belépő Tfh = a leadott, Tfh1 = kilépő, Tfh2 = belépő A termodinamikai átlagos hőmérsékletet számításban T n = nagyobb (K) és Tk = kisebb hőmérséklet (K) értékét jelenti, így:
T
Tn Tk T ln n Tk
A termodinamikai átlagos hőmérsékletet mindkét helyzethez ki kell számítani. értékeit kiszámítva meghatározható az hőszivattyú elméleti fűtési tényezője:
ε
fo
Q
Q T fo fo fo E Q Q T T o fo fh fo fh
Tfo =a fűtésre (kimenő) víz átlaghőmérséklete (K)
Tfh = a talajból a hőszivattyúra felkerülő hő átlagos hőmérséklete (K) A valóságos a bemutatott a számítottnál kisebb f = fo
- 255 -
és
Ahol =0,4-0,58 sebesség tényező korrekcióval. Értéke 2 és 8 között változhat, ami annyit jelent, hogy egységnyi bevitt energia felhasználásával 2-8 egységnyi fűtési, fagy hűtési energiát nyerünk. Ha csak villamos energiát állítunk elő akkor a termálvíz TE hőmérsékletre hűl le, s a T = T1 – TE Ekkor:
=
Ezzel a hatásfok (120-140 oC- os fluidium esetén) már csupán 10 12 % körül alakul. Kapcsol ORC, ill. Kalina – körfolyamatú rendszerekben és az ott alkalmazott közegeknél a hatás javul, de valójában csak az lehet előnyös, ha a villamos energiát és a hőt együtt termeljük. Ekkor: T = T1 – TE csak a villamos energia termelésre és a T = TE – Th kizárólag a hőtermelésre fordítódik.
10.3. ábra
Villamosenergia előállítás és hőnyerés
- 256 -
10.4. ábra.
A hőszivattyú elvi sémája A fűtési tényezőt (, COP) az előzőkből láthatóan a kondenzációs és elpárologtatási hőmérsékletből határoztuk meg CARNOcop= Tcond / (Tcond – Telpár), de leírható a bevitt és nyert munka hányadosaként is: CARNOcop= (W + Qo)/W. A fajlagos fűtőteljesítmény értéke a konstrukciós jellemzőkön túl a hűtőközeg tulajdonságaitól, valamint az alsó (hőfelvétel hőmérséklete) és a felső (hőleadás hőmérsékletétől) hőmérséklet függvénye. Értéke ef = 3,5-15 közötti. A raktárbázis helyszínére elvégzett előzetes számítások és ajánlások alapján = 4,5-5,5 közötti. Az energetikai számításoknál = 4-5 értékkel számolunk. Ez azt jelenti, hogy 1 kW villamos teljesítménnyel 4-5 kW fűtési teljesítményt nyerünk. A kompresszoros hőszívattyúknál a melegátvitel alacsonyabb hőfokú közegből magasabb hőfokú közegbe úgy történik, hogy valamely közvetítő közeget egy körfolyamon átviszünk. Ennek lényege, hogy a közeget először összenyomjuk (kp) és azután lehűtjük (kd), végre pedig a nagynyomású lehűtött közeget expandáltatjuk, vagy fojtás útján (fsz) visszük egy kisebb nyomású térbe (ep). Az expanzió, illetve a fojtás által a közeg lehűl, úgyhogy meleget képes felvenni (qo) a hűtendő hideg közegtől. Az expanzió vagy fojtás közben keletkező lehűlés annál nagyobb mérvű, mennél nagyobb az expanzió előtti és utáni nyomás ok viszonya. Tehát az utóbbinak megfelelő megválasztásával úgyszólván tetszésszerinti alacsony
- 257 -
hőfokokat lehet elérni, vagyis bármily alacsony hőfokon lehet hűtést gyakorolni. Ez vonatkozik a melegelvonásra is.
10.5. ábra
A hőszivattyú (hűtőgép) elvi vázlata
10.6. ábra
CARNOT körfolyamat T-S diagramja A meleg hőcserélőben, kondenzátorban (kd) a munkaközeg forró, folyékony állapotban van, 15-25 bar nyomáson, 35-65 °C hőmérsékleten (3). Az innen kilépő munkaközeget egy expanziós (fsz), nyomáscsökkentő) szelep pl. 5 bar nyomásra ejti (4). Ekkor gyorsan elpárolog, lehűl pl. 0 °C-ra. Az elpárolgáshoz szükséges hőt a hideg oldali hőcserélő (elpárologtató) szekunder oldalán átáramló energiaadó közegből - pl. 10 °C hőfokú talajból nyeri, annak 5 °C-re való lehűtésével (qo), miközben a munkaközeg felmelegszik 5 °C-ra (1).
- 258 -
Ezt a kompresszor (kp) elszívja és bepréseli (2) a kondenzátorba (kd), melynek szekunder oldalán áramlik a fűtéshez használt víz vagy levegő, melynek a munkaközeg átadja az átvett hőt (q), valamint a kompresszort meghajtó motor hővé átalakult energiáját (w). Utána ismét a nyomáscsökkentő szelepre kerül, és a körfolyamat folyatódik. A legkedvezőbb hőforrás a talajvíz, amelynek hőfoka az évszaktól függetlenül közel állandó, mert 1-2 méternél mélyebben a légkör hőmérséklete már nem befolyásolja a folyamatosan felfelé áramló földhőt, amely a talajvízben jelenik meg, és lehetővé teszi a földhő elosztását. Ennek mértéke hazánkban 0,09 W/m2/óra. A földhőt közvetlenül lehet kinyerni talajkollektorral. Ez nem más, mint a talajba, a fagyhatár alá fúrt kútban elhelyezett csőkígyó, azaz talajszonda, amelyben glykolos vizet keringetve nyerjük ki a földhőt.
10.3
Geotermikus hőszivattyús felhasználása fűtésre és hűtésre
A geotermikus hőszivattyú a korszerű és intelligens épület olyan monovalens hőközpontja, amely egy készülékben biztosítja a téli fűtési és a nyári hűtési hőigényét (teljesítményszükségletet). A geotermikus hőszivattyú olyan gép, mely a befektetett elektromos energia többszörösét (4-5 szeresét) adja le hőenergiaként, ill. hűtőenergiaként. A talajból vett hőt hasznosítja a környezettel összhangban, annak károsítása nélkül. A létesítmények fűtésénél, hűtésénél alkalmazandó geotermikus hőszivattyú a földbe telepített talajkollektorokon, vagy ~100 méter mélyen fúrt talaj-hőszondákon (zárt csőhálózat) keresztül a földkéregből hőt von (vagy ad le) el és ezt a hőt 40-50 °C-os fűtővíz formájában a választott fűtéshez, vagy hűtéshez szükséges hőmérsékletű hőleadó rendszerébe "pumpálja". A hőszivattyúk szekunder oldalán közvetlenül működő nagyfelületű, alacsony hőmérsékletű fűtési rendszerek vannak. Ilyenek a padló, vagy falfűtés, de egyre inkább terjed a légfűtésre és hűtésre is jól szabályozhatóan telepíthető (régi rendszerekben a un. fűtőradiátorok helyére ) a fűtésre ée hűtésre is alkalmazható fan-coile egységek.
- 259 -
1
2
3
5
4
7
6
10.7. ábra
Fűtési és/vagy hűtési, klimatizálási célra alkalmazott legjellemzőbb kollektor elrendezések a területi és természeti adottságok függvényében
1- függőleges, 2- vízszintes, 3- vízszintes hurkolt, 4-nyílt vizű kutakban, 5-nyílt vizű kút és folyó, 6- tóban – vízszintes- hurkolt, 7- tóban vízszintesen keringtetett
- 260 -
10.8. ábra
Horizontális hőszonda elrendezése (Forrás: Hidro-Geodrilling Kft.)
10.9. ábra
A vertikális talajhőszonda elrendezése (Forrás: Hidro-Geodrilling Kft.)
- 261 -
Függőleges szondák
Vizszinte sekély szondák (kollektor)
50-300 m 10.10. ábra.
A talajhőszondák elrendezése, a legjellemzőbb megoldások
10.11. ábra.
A talaj hőmérsékletének változása a mélységgel évszakok szerint (teljes stabilizálódás 13 m alatt)
- 262 -
14,00
13,50
y = 0,0016x + 12,243 R² = 0,9887
Hőmérséklet (oC)
13,00
12,50
12,00
11,50
11,00 1
101
201
301 401 501 Mélység változás (x100mm)
601
10.12. ábra
A talaj hőmérséklete a furat mélységének függvényében (un. alapállapot, Törökbálint: 2007-07-17)
10.13. ábra.
A geotermikus hőszivattyú elvi felépítése
- 263 -
701
801
Magyarország egy ritka geotermikus energiakincs birtokában van, mivel az ország területén a geotermikus gradiens értéke duplája a világátlagnak. Itt a kőzethőmérséklet 100 méter mélységben is már jelentős: 10-14 °C. A földhő fluxusa hazánk felszínén 0,09 W/m2/óra, 100 m mélységben 0,11 W/m2/óra. A földhőszonda a talaj jellemzőitől függően 60-120 m mélyre fúrt 120 mm átmérőjű „furat‖. Ebbe kerül a hőfelvevő folyadék áramlását biztosító csőhurok, melynek elhelyezése után a kollektorlyukat bentonittal kevert fúróiszappal töltik fel. A rendszer lényege, hogy víz kivétel nincs, csak hőelvétel. Hűtés esetén a geotermikus hőszivattyú fordított üzemmódban működik.
10.4
Hőszivattyú jellemzői
A rendszer meghatározó fő egysége a hőszivattyú. A piacon hozzáférhető gépek általában megbízhatóak, de célszerű a referenciával rendelkező legjobbakat kiválasztani. Nagyobb teljesítmény igénynél beépítés oly módon célszerű, hogy több párhuzamos egységből épüljön fel a rendszer, s ezekhez szakaszolható osztókon csatlakozzon az ugyancsak párhuzamos kapcsolású primer és szekunder oldal.
10.14. ábra
Komplett hőszívattyú blokk - 264 -
A hőszivattyút - akár a hűtőgépet - a gyárban készre szerelik, és a felállítási helyen csak az elektromos és a csőkapcsolatokat kell felszerelni.
10.15. ábra
Korszerű , teljesen zárt csavarkompresszor
3
7
6 9 2
10
8
1
12 4
11
5
10.16. ábra
Családi ház méretű egység primer oldala 1. szondák, 2. keringtető szivattyú, 3. primer oldali hőcserélő, 4. hőszivattyú, 5. szekunder oldali hőcserélő, 6. szekunder oldali keringtető szivattyú, 7. puffer tartályok, 8. puffer tartályok utáni keringtető szivattyú, 9. a fan-coilok csatlakozó bementi és visszatérő ága.
- 265 -
3
8
4
6
2 7
5
1
10.17. ábra
Szekunder oldal (fan-coil-ok) 1. hőszivattyú, 2. a szekunder oldal bement, 3. kiegyenlítő tartály, 4. a nyári hűtésnél alkalmazott hőcserélők primer oldala, 5. a nyári hűtésnél alkalmazott hőcserélő szekunder oldala, 6. a szekunder oldal kimenő csatlakozója, 7. a primer oldal kimenő ága, 8. a primer oldal visszatérő ága, 9. feltöltő csap, 10. osztók a kimenő és visszatérő ághoz, 11. a szondák kimenő és visszatérő ága, 12. váltó csap, a nyári fűtés alkalmával a hőszivattyú kiiktatása céljából
10.18. ábra
A hőszívattyú vezetékelése a szigetelés elött
- 266 -
10.19. ábra
A primer oldali osztó és a szondacsatlakozások
10.20. ábra
Külső hőcserélő a nyári hűtés ellátásához
10.21. ábra
A fűtő-hűtő fan-coil-ok - 267 -
10.5
A geotermikus fő területei
Az ipari termálhő-hasznosítás fő területei: a) ipari folyamatok (fa- és papíripar stb.); b) mezőgazdasági és ipari szárítás, ill. hűtés; c) haltenyésztés; d) hóolvasztás (úttest, közterület fűtése); e) kogenerációs és hibrid hőhasznosítás pl. termálhő+biomassza kapcsolt (kogenerációs) erőmű, stb.
10.22. ábra
Hőszivattyúk lehetséges hőhordozóinak illetve hőforrásainak csoportosítása A különböző iparágakban kialakult technológiák között számos, jelentős hőigényű technológiai részfolyamat található. Miután a fosszilis energiahordozók elégetésével járó CO2-kibocsátás csökkentése ma már általánosan felismert szükségszerűség, ahol erre mód nyílik fokozott mértékben kell alkalmazni az olcsó és gyakorlatilag légszennyezéssel nem járó termálenergiát ezek energiaszükségletének kielégítésére. A terlmálvizet is kinyerő geotermikus energiahasznosító rendszer két fő egységre bontható: Geotermikus energiát biztosító, átadó részegység (termálkút, szivattyúk, hőcserélő) "hasznos" megtakarítást eredményező berendezés. a)lehűlt termálvíz elhelyezését biztosító részegység (hűtő/tároló tó, elvezetőcső a felszíni befogadóig) b) a vízvisszanyomó rendszer.
- 268 -
A közvetlen hőhasznosítás új lehetőségeinek kutatása mindenekelőtt azért indokolt, mert a hagyományosnak számító fűtési célú hasznosítással a kiépített termálrendszerek csak a fűtési idényben vannak kihasználva. A kommunális fogyasztók használati melegvíz-ellátása, mint egész
éves
kihasználást
eredményező
hasznosítási
mód
a
meglévő
geotermikus
energiaforrásoknak csak szűk körét érinti, és nyáron általában azoknál is jelentős szabad kapacitás jelentkezik. Magyarországon a geotermikus hőforrások energetikai hasznosításának súlypontja a mezőgazdaság, ezért elsősorban olyan felhasználási módokat kell keresni, amelyek a mezőgazdasági termeléssel kapcsolatosan igényeket elégítenek ki. Ilyen lehet a hűtés és a szárítás is.
10.6
A szorpciós hűtés (hűtőházak)
A hőenergia hűtési célú felhasználását a különböző szorpciós elven működő berendezések teszik lehetővé. Ezek közül talán a legelterjedtebb, és ipari méretekben is használt az abszorpciós hűtőgép, amelynek termálvizes fűtésű módját a 8.14. ábra kapcsolási rajza mutatja be. Az abszorpciós hűtésnél a munkaközeg két különböző anyag oldata, melyek közül az egyik hűtőközeg (pl.: ammónia), a másik oldószer (pl.: víz). A kompresszoros kivitelektől lényegesen eltérő az abszorpciós rendszer. Ennél a közvetítő közeg felmelegítését, s ezzel a nyomás növelését nem a kompresszióval, hanem a közvetítő közeg oldatának közvetlen felmelegítésével (pl. termálvizzel) eszközöljük. Közvetítő közeg gyanánt a leggyakrabban ammoniákot használnak.
10.23. ábra.
Az abszorpciós hűtés folyamatábrája - 269 -
Ma már széles körben használatoasak a lítium-bromid (LiBr) oldószerrel és víz hűtőközeggel működő berendezések, amelyekben a légköri nyomás alatti körfolyamatot valósítanak meg. Így biztosítható, hogy az oldószer meghibásodás esetén sem kerül ki a környezetbe. , A folyamatos működésű abszorpciós hűtési folyamat két nyomásszintből és három hőmérsékletszintből áll:
Nyomásszintek: - kis: oldó és elpárologtató, - nagy: kiűző és kondenzátor,
hőmérsékletszintek: - magas: kiűző, - környezeti: kondenzátor és oldó, - alacsony: elpárologtató (hűtés).
A geotermikus hőenergia a kiűzőben hasznosul. A kondenzátorban és az oldóban jelentős mennyiségű hőenergiát kell elvonni lehetőleg minél alacsonyabb hőmérsékleten, gyakorlatilag azonban a környezeti hőmérsékleten. Erre legalkalmasabb egy közelben lévő megfelelő hozamú felszíni vízfolyás, ennek hiányában léghűtőket, leginkább vizes hűtőtornyokat kell alkalmazni. A hűtési körfolyamatokat a fajlagos hűtőteljesítmény (FH) értékével szokás jellemezni, amely a hasznos hűtési teljesítmény és a betáplált energia hányadosa. A fajlagos hűtőteljesítmény annál kisebb, minél alacsonyabb hőmérsékletre kell hűteni. Az abszorciós hűtéstől eltérő reszorpciós hőszivattyúnál a kondenzátort egy nagynyomású oldó (reszorber), az elpárologtatót pedig egy kisnyomású, alacsony hőmérsékletű kigázosító (főző) helyettesíti. Ezáltal a hőcserélőkben mind a hő hozzávezetésénél, mind az elvezetésnél változó hőmérséklet keletkezik, ami a hőátadás szempontjából kedvezőbbé teszi a folyamatot az abszorpciós hőszivattyúkhoz képest. A reszorpciós hőszivattyúnak tehát meg van az az előnye, hogy a hőcserélőkben a hőforrás és a hőelnyelő változó hőmérsékleteit munkaközegével igen jól megközelíti, ill. azokat igen jól követni tudja. Ezenkívül a munkaközeg koncentrációjának megválasztásával a nyomásszintek értékét is kedvezően tudja befolyásolni, ill. ennek segítségével be lehet állítania hőszivattyú rész nagynyomású oldalán a nagy értékek csökkenését. Hátrányaként kell említeni a rendszer nagyobb beruházási költségét.
- 270 -
Annak eldöntéséhez, hogy egy hűtési igény kielégítésére adott esetben termálvízfűtésű abszorpciós berendezést vagy villamos hajtású kompresszoros hűtőgépet használjanak-e, kiterjedt műszaki-gazdaságossági számításokat kell elvégezni. Egyedileg dönthető el ugyanis az, hogy az abszorpciós berendezés kisebb fajlagos hűtőteljesítményét az olcsóbb energia mennyiben tudja ellensúlyozni.
KÉRDÉSEK 1. A hőszivattyús hasznosítás lényege, előnyei 2. A hőszivattyúzás hatékonyságának jellemzése 3. A hőszivattyú elvi vázlata, a CARNOT körfolyamat 4. A hőszivattyús rendszer egységei, felépítése 5. A legjellemzőbb kollektor elrendezések, a primer és szekunder oldal elemei 6. A hőszivattyús fűtés és hűtés lényege
- 271 -
11. 11.1
NAPENERGIA HASZNOSÍTÁSA
Napsugárzási viszonyok
A Nap sugárzásából adódóan a földi élet számára elsősorban az elektromágneses sugárzás, a fény a legjelentősebb. A Nap sugárzó teljesítményének a Földet elérő része mintegy 1 731 012 kW, ami több ezerszeresen meghaladja az emberiség energiaigényét. Az átlagos intenzitás mértékéül az ún. napállandót használjuk, amelynek étéke: I0 = 1 353 W/m2, és a Föld légkörének határát elérő sugárzás nagyságát adja meg. A Föld teljes energiamérlegét a 11.1. ábra (Farkas, 2003) szemlélteti.
11.1. ábra A Föld energiamérlege
- 272 -
A napsugárzásból nyerhető energia A napsugárzás egy része direkt módon jut el a Föld felszínére, míg másik része a légkör miatt részben visszaverődik, ennek egy részéből kialakul ki a szórt (diffúz) sugárzás rész. Az energetikai hasznosítás szempontjából mind a két összegével, a teljes, un. globális sugárzással számolunk: Itot = Idir + Iszórt .
(6.1)
A nyerhető energia az érkező sugárzás hullámhosszától függ. Ebben szerepe van a légköri szennyeződések abszorbeáló képességétnek (11.2. ábra)
11.2. ábra Föld felszínre érkező napsugárzás intenzitása a hullámhossz függvényében
A ténylegesen hasznosítható napsugárzást befolyásolja a földrajzi helyz, valamint az évszakok és a napszakok is, amelyek oka a napsugár vízszintessel bezárt szöge. A 11.3. ábra a napsugárzás intenzitás eloszlását mutatja az érkezési szög függvényében.
- 273 -
11.3. ábra A napmagasság (érkezési szög) hatása a napsugárzás intenzitására
De a ténylegesen felhasználható mennyiséget további tényezők is befolyásolják, úgymint a levegő nedvességtartalma, a felhőzet és az ún. homályosság. A homályosságot a légkörszennyeződés határoza meg. A számszerűsítésre használható mérőszámok jellemző értékei (Gyurcsovics, 1982): - tiszta idő, derült nap:
2;
- hegyvidéki területek:
2,8;
- falu:
3,5;
- város:
4;
- ipari területek:
5.
A számok azt jelentik, hogy a fényáteresztés, ennyiszer lenne nagyobb tiszta légkör esetén. A napállandóval jelzett 1353 W/m2-es értékből kb. 250 W/m2 elnyelődik a légkörben. A légkör felső határától a világűrbe történő visszasugárzás 100 W/m2-re tehető. Így a Föld felszínén a mérhető napsugárzás ~1000 W/m2 (11.4. ábra, Farkas, 2003).
- 274 -
11.4. ábra A Földfelszínre jutó napsugárzás alakulása
Végül is a felszínt érő sugárzás ~58%-át a szárazföldi növényzet ill. a tengerek elnyelik, s ~42%) verődik vissza a légkör felé. Értékei különféle felszíni lefedés esetén az alábbiak: - friss hó:
0,84;
- kavics, durva homok: 0,15; - erdő:
0,05-0,18;
- földfelszín átlagos:
0,42.
A felhasználható napsugárzás értékének számszerűsítése a Nap-Föld geometria figyelembe vételével lehetséges. Jellemző napsugárzási adatok Magyarországon Magyarországon rendszerese végeznek megfigyeléseket (OMSZ) a napsugárzásra és a napsütés időtartamának regisztrálására (11.5., és 11.6. ábrák).
- 275 -
11.5. ábra A napsugárzás évi átlagos összege kWh/m2-ben
11.6. ábra Az évi átlagos napsütéses órák száma Magyarországon
- 276 -
A globális sugárzás a déli órákban a téli félévben (október-március) 250-600 W/m2, a nyári félévben (április-szeptember) 600-1000 W/m2. A szórt sugárzás a 40-50%-ot is elér.
Budapesten vízszintes felületre naponta és havonta érkező átlagos napsugárzás 11.1. táblázat Napi átlagos
Havi átlagos
besugárzás
besugárzás
kWh/m2
kWh/m2
Január
0,7756
24
Február
1,468
41
Március
2,733
85
Április
4,13
124
Május
5,171
160
Június
5,75
172
Július
5,807
180
Augusztus
4,988
155
Szeptember
3,82
115
Október
2,184
68
November
0,826
25
December
0,533
15
Hónap
Évi összes:
1164
Forrás: Kaboldy (1999)
- 277 -
A Budapesten lehetséges és tényleges napsütéses órák számát havonkénti bontásban a . táblázat tartalmazza. A tényleges és a lehetséges napsütéses órák számának különbségét elsősorban a felhőzet okozza.
Budapesten a tényleges napsütéses órák száma és aránya 11.2. táblázat Hónap
Tényleges, óra/hó
%
Január
58
20
Február
85
29
Március
140
38
Április
196
47
Május
250
53
Június
275
57
Július
309
64
Augusztus
283
64
Szeptember
213
56
Október
145
43
November
60
21
December
43
16
Évi összes:
2057
46
Forrás: Kaboldy (1999)
- 278 -
A napenergia-hasznosítás energetikai megítélésének számításához rendkívül fontos a teljes sugárzás intenzitás napi alakulásának ismerete is. A táblázatokban Budapestre érvényes, vízszintes felületre vonatkozó adatokat találhatunk e tekintetben, havonként egy átlagos derült ill. borult napra vonatkozóan.
11.7. ábra
Budapestre vonatkozó globálsugárzási adatok havi bontásban (derült napra), W/m2-ben
Elnyelő felületen hasznosítható napsugárzás A napenergia-hasznosító berendezések elnyelő felületének elhelyezkedését az optimum közelében célszerű megválasztani. A helzsetet befolyásolják a telepítés adottságai. Teljes, Térbeli napkövető rendszer létrehozása költséges. Egy tetszőleges helyzetű elnyelő felület és a napsugárzás helyzetének viszonyát a 11.8. ábra szemlélteti.
- 279 -
11.8. ábra
Az elnyelő felület geometriai viszonyai
Az ábrán alkalmazott – eddig még nem ismertetett – változók jelölése a következő: – az elnyelőfelület vízszintessel bezárt szöge, – az elnyelőfelület tájolása, a – a Nap azimutszöge a déli iránytól mérve, – a napsugárzás iránya és az elnyelőfelület normálisa által bezárt szög. Geometriai megfontolások alapján a tetszőleges helyzetű elnyelőfelületre számított sugárzási intenzitás: I I cos I cos(m - ) cos(a - )
.
Az összefüggés révén kiszámítható a napenergia-hasznosító berendezés egy adott időszakra vonatkozó elnyelő felületének optimálist megközelítő dőlésszöge (β). Budapestre körzetére (Farkas, 1992):
- 280 -
- télen (decembertől februárig):
76,2,
- nyáron (júniustól augusztusig):
18,5,
- egész évben:
43,5.
Az értékeket a telepítés körülményei (pl. épületek, fák árnyékoló hatásai) tovább módosítják. A napkollektor dőlésszögét úgy célszerű megválasztani, hogy a felhasználási időszakban optimális működést biztosítson. Lényeges, hogy az éves napsugárzási energia 60-70%-a a nyári időszakban éri a földfelszínt. Ha teljesen nyári üzemre tervezzük napkollektoros rendszereünket (medence fűtés, nyaraló használati melegvíz ellátása stb.), akkor az optimális napkollektor dőlésszög 15° és 25° között van, mivel nyáron a nap magasabban helyezkedik el az égen. Ha a napkollektoros rendszert egész éves üzemre tervezzük (használati melegvíz ellátás, alacsony hőmérsékletű fűtés), akkor 45° és 60° közötti napkollektor dőlésszög szolgáltatja az optimális teljesítményt. A napkollektorok függőleges helyzetben az épület déli homlokzatán is felszerelhetőek, ugyanis az átmeneti időszakokban és télen a nap alacsonyabban helyezkedik el az égen, így megfelelő teljesítményt biztosítanak a függőleges déli tájolású napkollektorok is (A közvetlen meghatározást lásd később).
11.2
A napenergia-hasznosítás fő formái
Aktív a hasznosítás, ha erre a célra készített kollektor, ill. napelem segítségével alakítjuk át a napsugárzási energiát hővé vagy villamos energiává. Az aktív hasznosítás fototermikus (egyszerűen termikus napkollektor) vagy fotovillamos (napelem, gyakran alkalmazott jelölése PV) módon lehetséges. A passzív hasznosítás az épületek kialakításával és tájolásával valósítható meg. 11.2.1 Termikus hasznosítás A fototermikus megoldás azt jelenti, hogy a napenergiát folyadék vagy levegő közeget áramoltató átalakító eszköz (napkollektor) révén közvetlenül hővé alakítjuk. Ebben az esetben a közeg áramoltatása külön energiát igényel. A felmelegített folyadékot leggyakrabban
- 281 -
melegvíz előállítására használjuk fel, de egyéb más technológiai célok is szóba jöhetnek úgymint épületek, uszodák, növényházak fűtése; gyümölcsök, növények szárítása, aszalása; akvakultúrák vízellátása, állattartás vízellátása, stb. A folyadék munkaközegű termikus rendszerek elvi működését a 11.9. ábra szemlélteti.
A
B 11.9. ábra
A termikus vizes napkollektor rendszerek
A – egykörös, B - kétkörös 1 - Hőtermelés (napkollektor), 2 - Szabályozó, működtető berendezések, 3 - Hidegvíz hálózat, 4 - Hőtárolás (melegvíz tároló), 5 - Hőfogyasztás (melegvíz hálózat)
- 282 -
Levegős kiviteleket akkor alkalmaznak, ha a munkaközeg levegő kell, hogy legyen (pl. terményszárítás, légcsere).
11.10. ábra
Tetőre szerelhető levegős napkollektor
E rendszereknél leggyakoribb feladat a begyűjtött hőenergia tárolása. Szükségességének oka, hogy a termelés és a felhasználás ideje eltérő. Folyadékoknál a leggyakoribb megoldás, megfelelő méretű szigetelt tartály beépítése. A hasznosítás fő területei a technológiai- ill. használati melegvíz-készítést. 11.2.2 Fotovillamos hasznosítás A fotovillamos megoldás során napelem segítségével alakítjuk át a napenergiát közvetlenül villamos energiává. Az ily módon kapott 12 vagy 24 V-os egyenfeszültséggel közvetlenül lehet fogyasztókat (pl. világítás, szellőztetés, stb.) működtetni. Szükség esetén, 230 V-os váltóáramú hálózati fogyasztók is működtethetők egy inverteres egység közbeiktatásával. A napenergia-hasznosítás segítségével történő villamosenergia-előállítás vázlatát a 11.11. ábra szemlélteti.
- 283 -
11.11. ábra A fotovillamos napenergia-hasznosítás sémája
PV panel
Inverter Hálózat részére
Mérőegység Saját célra
11.12. ábra Fotovillamos rendszer létesítése saját célra és eladásra (hálózatba termelés)
- 284 -
A fotovillamos cellák a napsugárzást közvetlenül villamos energiává alakítják. Az összegyűjtött energiát kémiai úton akkumulátorokban vagy más módon, pl. víz helyzeti energiájaként tárolják, majd azt igény esetén éjszaka vagy alacsony napsugárzási viszonyok esetén használják fel. Fotovillamos rendszerek fontosabb alkalmazásai a következők lehetnek: -
hálózattól távoli létesítmények, farmok, épületek, istállók, raktárak villamos energia ellátása (világítás, szellőztetés, vagyonvédelem stb.),
-
öntözés, vízszivattyúzás (belvíz), állattartó telepek vízellátása,
-
hírközlő berendezések villamos energia ellátása,
-
közszükségleti berendezések energiaforrása.
11.3
A termikus rendszerek eszközei
Sík-kollektorok A sík-kollektorok legfontosabb tulajdonsága, hogy egyaránt alkalmasak a direkt és a szórt sugárzási komponensek hasznosítására. A hőelnyelő felület (abszorber) lefedettségét illetően két fő csoportra oszthatók. Így megkülönböztetünk lefedés nélküli vagy lefedett kollektorokat. A fedetlen elnyelő szerkezetek általában hőszigetelést sem tartalmaznak, így csak kis hőmérséklet-növekedést biztosítanak. Bizonyos esetekben azonban az egyszerű felépítés, a gyors kivitelezhetőség és természetesen az alacsony ár kedvező szempontok lehetnek az alkalmazásukhoz. Elsősorban nyári üzemű zuhanyzóknál, úszómedencéknél alkalmazzák őket, ahol a 30-40C-os kilépő vízhőmérséklet elegendő. Anyaguk általában hő- és UV álló műanyag vagy gumi. Ezért, gyakran abszorber vagy szolár szőnyegnek is nevezzük őket. Szerkezetüket tekintve párhuzamos csövekből állnak, amelyek osztó és gyűjtő vezetékkel is csatlakozhatnak egymáshoz, illetve a felhasználás helyéhez. A szerkezet felépítését és alkalmazását a 11.13. ábra mutatja.
- 285 -
11.13. ábra Fedés nélküli sík-kollektor felépítése
A fedett sík-kollektor esetében a műanyag vagy üveg lezárás csökkenti a hőveszteséget, és egyúttal növeli a fényelnyelési jellemzőket. Ezek a kollektorok minden esetben hőszigeteléssel vannak ellátva. Mérsékelt égövön a kétkörös rendszerek a szokásosak. Az egész éves működtetésük miatt a munkaközegük általában fagyálló folyadék. Az elérhető kilépő közeghőmérséklet általában 60-80 oC. Egy folyadék munkaközegű sík-kollektor elvi felépítése a 11.14. ábrán (Kaboldy, 2003) látható.
11.14. ábra Folyadék munkaközegű fedett sík-kollektor elvi felépítése
- 286 -
11.15. ábra Folyadék munkaközegű sík-kollektor kiviteli példája (Forrás: http://napkollektorok.hupont.)
11.16. ábra A kollektorok soros, a tárolók párhuzamos kapcsolása
- 287 -
MK
HB
11.17. ábra Folyadék munkaközegű sík-kollektor szerkezeti elrendezése HB – a hideg folyadék bevezető csőcsonkja, MK- a felmelegedett folyadék kivezető csőcsonkja
A sík-kollektorok hatásfokát jelentősen javítja, ha az abszorber lemezt, amely általában jó hővezető fémből készül, s ún. szelektív bevonattal látják el. Ebben az esetben az emissziós tényező jelentősen javul, amelynek révén a termikus hasznosítás összhatásfoka akár 15-20%kal is növekedhet a sima fekete festékbevonattal ellátott kivitelekhez képest. Ezáltal a szórt fény hasznosítása is kedvezőbben alakul.
Vákuucsöves kollektorok Még különlegesebb változat, amikor az elnyelő felületet egy elpárolgó közeggel együtt a kollektor belsejében párhuzamosan elhelyezett
vákuumcsövekben helyezik el.
Az
vákuumcsöves rendszerű kollektor minden egyes vákuumcsövében (a kettősfalú üvegcsövek, amelyek között vákuum van, a végeken membránnal lezárva) hőcső van beszerelve. A belső üvegcsövet szelektív abszorpciós bevonattal látják el. A vákuumcső belső abszorpciós bevonata elnyeli a beérkező napsugárzást és a hőenergiát továbbítja a hővezető lemezen keresztül a hőcsőbe. A hőcsőben található folyadék a hő hatására felforr (pl. alkohol és víz keveréke már alacsony hőmérsékleten is), s a keletkező gőz felszáll a felső - 288 -
kondenzátor részbe, ahol felmelegíti a gyűjtőcsövön átáramló közeget (víz-glykol keverék) és eközben lekondenzálódik. A lekondenzálódott folyadék visszacsorog a hőcső alsó részébe ahol ismét hőt vesz fel és ezzel megvalósítva a folyamatos állapotváltozási körfolyamatot.
11.18. ábra A vákuumcső elvi felépítése Forrás: http://www.vetsey.hu/
- 289 -
KONDENZÁCIÓ
HŐÁTADÁS
HIDEGVÍZ
MELEGVÍZ
ELPÁROLGÁS, HŐFELVÉTEL
11.19. ábra Hőátadó rész, a csövek csatlakoztatása a munkaközeg körébe
Az úkjabb gyártású csöveket rendkívül erős bórszilikát üvegből készítik, mely a hengeres kialakítás miatt sokkal nehezebben törik, mint a síkkollektorok biztonsági üvegei. Kibírják a 2,5 cm átmérőjű jégverést is. A csövek végét belülről báriumréteggel vonják be. A bárium megköt minden gázrészecskét, így biztosítva a vákuumot, ezen felül ellenőrző szerepe is van. A báriumbevonat ezüstös színű, de ha valami oknál fogva a vákuum megszűnik, a bevonat elszíneződik. A vákuumcsöves kollektorok alkalmazása elsősorban akkor javasolható, ha a biztosítandó munkaközeg hőmérséklet magas, 80-100 oC felett van. Ily módon elsősorban fűtési célokra (lakások irodák, esetleg abszorpciós hűtőgépek kazánjainak fűtésére) előnyösek.
- 290 -
MK
HB
11.20. ábra A vákuumcsöves kollektor egy paneljének felépítése (HB – bemenő hidegvíz a csövek kondenzációs végéhez, MK – kimenő melegvíz, miután felvette a kondenzációs hőt)
11.21. ábra A vákuumcsöves kollektorok csoportos elhelyezése
- 291 -
KEVERŐCSAP HIDEGVÍZ
MELEGVÍZ
11.22. ábra A kollektor csoportok párhuzamos és soros kötése A viz közvetítő közeggel dolgozó sík kollektornál az alkoholos elegyet használó vákuumcsöves napkollektor 20-30 %-kal lehet hatékonyabb. A vákuum, mint hőszigetelő a csövekben szintén kedvezőbb hatást eredményez. A vákkumcsövek az alakjuknál fogva lehetővé teszik a ferde szögből érkező napsugárzás hatékonyabb hasznosítását is. Ezzel ellentétben
viszont
a
meredek
szögből
érkező
napsugárzást
a
sík
kollektorok
eredményesebben hasznosítják. Tehát az erős napsütésben, déli órákban, vagy nyáron a sík kollektor többet termelhet. Amennyiben a téli félévben vizsgáljuk ugyanezt a termelést, így inkább a vákuumcsöves napkollektort részesíthetjük előnyben. A földrajzi körülményektől (különböző égtájakon) függően a napsugárzás beesési szöge megkönnyíti a döntést. E szempontokat nem csak a vásárlók, hanem a telepítők is figyelembe veszik. A vákuumcsöves rendszert egyszerűbb telepíteni, mert a tartókeret önállóan könnyebben telepíthető, majd a csöveket ez után már egyszerűbb beilleszteni. Ezzel szemben a sík kollektort vagy abból létesített rendszer tetőre szerelése bonyolultabb.
11.4
Napkollektorok hatásfoka
- 292 -
A napkollektor a felületére érkező napsugárzásnak csak egy részét alakítja át hasznos hőenergiává. Hasznosított hőenergiának (az átlagértéke 20-80%), azt nevezzük, amit a hőhordozó közeggel elvezetünk a napkollektorból. A napkollektorok hatásfokát az alábbi, nemzetközi szabványok által elfogadott összefüggés szerint szokás megadni: η = η0 - a1 ΔT/ G - a2 ΔT²/G Ahol: η: a napkollektor hatásfoka, η0: a napkollektor optikai hatásfoka, a1: az elsőfokú hőveszteségi együttható, a2: a másodfokú hőveszteségi együttható, ΔT: hőmérsékletkülönbség ΔT = (tkollektor - tlevegő) tkollektor: napkollektor közepes hőmérséklete tkollektor= (tki + tbe)/2 tki: a napkollektorból kilépő közeg hőmérséklete, tbe: a napkollektorba belépő közeg hőmérséklete tlevegő: a környezeti levegő hőmérséklete G: a napkollektor felületére érkező globális napsugárzás
Másodfokú görbe egyenletével jellemezhető a hatásfok: y = b0 + b1 X + b2 X² Ahol: b0 = η0 b1 = -a1 b2 = -a2 G X = ΔT/ G - 293 -
Ezzel: η = η 0 - a1 X - a2 G X 2 A hatásfokgörbét az X = ΔT/ G (Km²/W) független változó függvényében szokás ábrázolni, az alábbi képlet szerint:
11.23. ábra Hatásfok diagram ( = f (X ))
Tehát a hatásfok ΔT/ G viszonyszám függvényében csökken.
11.24. ábra Hatásfok diagram a ΔT függvényében, különböző napsugárzási értékek mellett( I *W/m2] )
- 294 -
Ez azt jelenti, hogy nagy növekvő ΔT (= tkollektor - tlevegő), vagyis kollektor folyadék és külső levegőhőmérséklet különbség estén a hatásfok csökken, mégpedig az alacsonyabb sugárzási intenzitások mellett drasztikusabban.
11.25. ábra Különböző típusú napkollektorok jellemző hatásfokgörbéi
A jobb hőtechnikai hatásfok elérésére kifejlesztették a sík-kollektorok speciális változatát, az ún. vákuumos kollektorokat. Ennél a típusnál a kollektor belsejében vákuumot hoznak létre, ami jó hőszigetelő, ezáltal a termikus hatásfok javul. A vákuum fenntartása miatt a kollektor szerkezete bonyolultabb, így ára is nagyobb.
11.5
A hőtárolás a szolár rendszerekben
A szoláris termikus rendszerek igen fontos eleme a tároló. A napsugárzásból származó energia általában nem akkor áll rendelkezésre, amikor arra éppen szükségünk van, ezért hőtárolókat kell a rendszerbe építeni (éjszakai, vagy kora reggali fogyasztás).
- 295 -
A tároló méretete, ürtartalmának megválasztása a rendszer zavartalan működése miatt fontos. Az előállított melegvíz hőmérséklete és felhasználásának körülményei meghatározzák, hogy a tárolót mekkora méretre és milyen hőátvételi formára tervezzük (egy napra, több napra vagy akár szezonra). A hőtárolók kialakításával szembeni követelmény, hogy jó legyen a hőszigetelésük, s ezáltal kicsi a hőveszteségük, lehetőleg egyszerű legyen a feltölthetős és leürítés. A működésük során jó rétegződési tulajdonsággal is fontos, hiszen a melegvíz elvétel általában a tartály felső-, a hidegvíz bevitele pedig az alsó ponton van. A tápvíz beáramlásánál keletkező örvénylésnek nem szabad megzavarni a sűrűség-különbség hatására kialakult hőmérsékleti rétegződést. A gyártók a beáramlási sebességek
megfelelő
megválasztásával vagy terelőlemezek
alkalmazásával érik el. A szoláris hőtárolók szerkezeti felépítésüket tekintve lehetnek fűtőköpenyes vagy csőkígyós kivitelűek, amint az a 11.26. ábrán látható (Kaboldy, 2003).
11.26. ábra Szoláris hőtárolók
- 296 -
A fűtőköpenyes megoldásnál a kollektorból belépő víz a tárolót a palást mentén melegíti. Itt az áramlási ellenállás kisebb, de a kisebb felület miatt csak alacsonyabb teljesítmények esetében alkalmazható. Nagyobb teljesítményigényű rendszereknél csőkígyós megoldást célszerű alkalmazni. Célszerű beépíteni kiegészítő fűtést is, s így a tárolt víz hőmérséklete állandó értéken tartható. Nagy rendszereknél a kűlső hőcserélők alkalmazása előnyösebb, nagyobb a hatékonyság és csökken a beruházási költség (11.27. ábra).
11.27. ábra Külső hőcserélő
11.6
Technológiai melegvíz-készítés
A szoláris termikus rendszereket a családi házakban leginkább a használati melegvíz (HMV) előállítására használják. Tekintettel arra, hogy a pl. egy családi ház melegvíz igény nem változik lényegesen még évszakok szerint sem, ezért tipizált szerelési egységeket lehet alkalmazni. Szinte minden gyártónál és forgalmazónál előre gyártott elemek kápezik a rendszereket, amelyek magukba foglalják a 2-3 kollektort és szerelvényeit, a 150-300 liter térfogatú tárolót, az egyéb működtető egységeket (szivattyú, belső, vagy külső hőcserélőt és tágulási tartály), valamint a vezérlő egységet. Ilyen egységet szemléltet a 11.28. ábra.
- 297 -
11.28. ábra Családi ház használati melegvíz-készítő berendezés, tárolóval, belső hőcserélővel (fűtőpatronnal kiegészítve) Forrás: http://www.solarkollektor.hu/
- 298 -
A rendszer elemei (a rajz számozása szerint): 1. Napkollektorok
10. Napkollektor tároló hőmérsékletérzékelő
2. Egy csőkígyós függőleges tároló
11. Napkollektor hőmérsékletérzékelő
3. Napkollektor-tároló köri hőcserélő
12. Tároló hőmérő
4. Napkollektor-köri tágulási tartály
13. Hidegvíz hálózat
5. Napkollektor-köri töltő-ürítő csap
14. Nyomáscsökkentő szelep (javasolt 5 bar)
6. Napkollektor-köri biztonsági szelep (max 4.
15. Egyirányú szelep
bar)
16. Tágulási tartály és biztonsági szelep (6 bar)
7. Napkollektor-köri keringető szivattyú
17. Fűtőpatron
8. Légtelenítő szelep
18. Használati meleg víz (HMV)
9. Napkollektor vezérlő egység
11.29. ábra Családi ház tetejére szerelt kollektorok
- 299 -
11.30. ábra Használati melegvíz előállítás (kazán rásegítéssel) Forrás: http://www.naplopo.hu/
A használati melegvíz készítő berendezés kiválasztásakor, tervezésekor a következő fontos jellemzőket kell számba venni illetve meghatározni: - a melegvíz szükségletet, -a szükséges kollektorfelületet, és - a leghatékonyabb tárolótérfogatot. A felsorolt főbb jellemzőkön kívül természetesen szükség van még a hőcserélő nagyságának, a csőátmérők méretének, a keringtető szivattyú teljesítményének valamint a tágulási tartály térfogatának meghatározására, kiválasztására (erre ma már fejlesztő célszoftverek állnak rendelkezésre. A családi méretű rendszerek méreteinak kalkulációjához a következő összefüggéseket használhatjuk. Átlagos napi melegvíz szükséglete literben:
V n V1 , ahol: n
- a személyek száma,
V1 - a személyenkénti melegvíz fogyasztás *l/nap], - 300 -
A napi literben mért fogyasztásra (V1) a következő értékek vehetők alapul: - magas igények:
60 - 120,
- átlagos igények:
40 - 60,
- alacsony igények esetén:
30 - 40.
A szükséges tárolókapacitás literben: Vt = V, (liter/nap) ahol a fogyasztási szokásoktól függően =1,3 - 1,7. A melegvíz igény előállításához szükséges hőmennyiség [Wh]-ban:
Q c V (t m - t h ) (Wh/nap) ahol: c
- a víz fajhője (1,16 Wh/kgK)
th - a hálózati hidegvíz névleges hőmérséklete (10 oC, tm - a tárolt melegvíz tervezett hőmérséklete (45-60 C)
- a hőveszteszteség tényezője (szigeteléstól függően 1,1-1-25),
- a víz sűrűsége 1,0 kg/liter,
A szükséges kollektor felület meghatározásához szükség van a működtetés időszakában rendelkezésre álló hasznosítható energiamennyiségre (Qh = Wh/m2 nap), amelyet napsugárzási adatokból számíthatunk. A kollektor felülete: , (m2) ahol:
- 301 -
k - a tájolás és a dőlésszög tényezője, - a külső hő veszteségeket és az időjárási ingadozásokat korrigáló tényező (~1,2).
A tájolási és a dőlésszög k tényezőjénél a . ábra értékeit kell figyelembe venni (a hatásosság értékének a 0,01 részét).
Tájolás
100
Dél = 0 °
98 96
+/- 30 °
94 Hatásosság, %
+/- 15 °
+/- 45 ° +/- 60 °
92 90 +/- 90 ° 88 86 84 82 80 Vízsz. 0
15
30
45
60
75
Függ. 90
Dőlésszög, ° 11.31. ábra
A napkollektor hatásossága a tájolás és a dőlésszög függvényében (k tényező %-ban)
- 302 -
A kiszámított kollektor felület alapján eldönthető az adott rendszerbe beépítendő kollektorok száma. Speciális egyszerű kivitel A HEATPIPE napkollektor használati melegvíz előállítását szolgálja. Kialakítása révén rövid idő alatt képes melegvizet előállítani.
A - Kiviteli példa
B - Elvi felépítés 11.32. ábra
HEATPIPE napkollektor Forrás: http://www.acrux.hu/sun/napkollektor4.html
A kollektor, a hőcserélő és a melegvíztároló egy zárt egységben került kialakításra (. ábra B rész). A napkollektor abszorberében (elpárologtató sik kollektorában) vákuum alatt etanol van. A napsugárzás hatására, alacsony hőmérsékleten az etanol egy része elgőzölög, a hőcserélőbe jutva kondenzálódik az alacsonyabb hőmérsékletű víz hatására, a hőenergiáját a víznek átadja, melynek révén a hőmérsékletét felemeli, majd folyadék halmazállapotban lecsurog a kollektor aljába, s a folyamat ismétlődik. Az ismétlődő halmazállapot változásoknál felvett és leadott hő a rendszer „motorja‖, s ezzel szükségtelen a szivattyú és a szabályozó elektronika. ha nincs hőelvétel, nincs kondenzáció, igy nem tudja felforralni a tároló vizét.
- 303 -
Medencefűtés
11.7
Szabadtéri medencék vizének előmelegítése kézenfekvő alkalmazási példa a napenergia fototermikus alkalmazására, tekintettel, hogy a rendelkezésre álló napenergia éppen a felhasználás időszakában van jelen a legnagyobb intenzitással. A medencék fűtéséhez szükséges kollektor felület kiválasztása során sok szempontra figyelemmel kell lenni. A legfontosabbak: a párolgási veszteség, illetve a medence elhelyezése, fekvése. A medencéket éjszakára fóliatakaróval célszerű lefedni, hogy párolgás mérsékeljük. A kollektrok összes felületének meghatározása. Tapasztalati adatok alapján számítható felület: Fk = k T F m
(m2)
ahol: Fm - a medence felülete *m2], k
- a kollektor tájolásától és dőlésszögétől függő tényező,
T
- a medence típusától függő dimenzió nélküli tényező (11.3. táblázat).
Medence típusok "T" tényezői 11.3. táblázat Szabadtéri medence, takarás nélkül Védett fekvés
0,7
Részben védett fekvés
0,9
Szabad fekvés
1,0
Szabadtéri medence, takarással Védett fekvés
0,5
Részben védett fekvés
0,6
Szabad fekvés
0,7
- 304 -
Fedett medence Takarással
0,3
Takarás nélkül
0,5
A Szent István Egyetem gödöllői campusán található strand területén 2000-ben megépült egy kombinált napenergiás vízmelegítő rendszer. A rendszer az úszómedence üzemeltetésének időszakában a medence vizének fűtését segíti, amit korábban kizárólag földgázüzemű kazán biztosított. A strand üzemeltetési időszakán kívül a rendszer a szomszédban található óvoda használati melegvizének előfűtését végzi. A 11.33. ábrán a medence mellett telepített kollektor mező látható.
11.33. ábra Az úszómedence mellett telepített napkollektoros rendszer (SZIE, Farkas I. 2006)
- 305 -
11.8
Koncentrátoros kollektorok
A napsugárzásból származó energia hővé való átalakításának legalapvetőbb eszköze a napkollektor. A kollektorok felépítésüket, hőhordozó munkaközegüket (folyadék, levegő) illetően különböző kivitelűek lehetnek. Leggyakrabban koncentrátoros illetve síkkollektorokat alkalmazunk. A koncentrátoros kollektor lényege, hogy a napsugárzást a szokásos elnyelő szerkezeten (abszorberen)
túlmenően
reflektáló
lemezek
(tükrök)
segítségével
hasznosítja.
Jellegzetessége, hogy a koncentrálás révén nagyobb hőmérséklet előállítására alkalmas, így ugyanazon teljesítmény eléréséhez kisebb hőcserélő felület szükséges. A koncentrátorok készülhetnek lineáris vagy parabola tükör segítségével. A lineáris koncentrátorok síktükrök segítségével többszörözik, majd egy elnyelő felületre vetítik a napsugárzást. Az elnyelő felület általában a felmelegítendő tárgy vagy eszköz, amiben a munkaközeg áramlik.
Parabolatükör
1-tükör,
(lözéppontban az elnyelő
2–abszorber cső,
csö az áramoltatott
3–állvány,
hőhordozó folyadékkal
4–csövezeték a turbinához
A párhuzamosan kapcsolt tükrök
11.34. ábra
Parabolatükrös osztott ereőmű rendszer (Luz Collector Technology)
A parabolikus koncentrátorok a beérkező napsugárzást – a tükröző felület gyújtópontjában – egy pontban vagy egy vonalban koncentrálják. Az utóbbi ún. parabolavályú esetében az elnyelő szerkezet egy cső, amelyben a folyadék áramlik. Ebben az esetben a napmagasság követése elengedhetetlen. Európában a földrajzi helyzet miatt ezek az eszközök nem igazán terjedtek el.
- 306 -
11.35. ábra
Integrált kombinált ciklusú naperőmű vázlata (Integrated Solar Combined Cycle System - ISCCS) Forrás: http://www.flagsol-gmbh.com/
A munkaközeg hőmérséklete a sík-kollektoroknál megszokotthoz képest, ~300C körüli kilépő érték. Az előállított magas hőmérsékletű munkaközeg – többféle megoldásban is villamos energia termelésére használható. A kollektorokat napmagasság követő automatikus vezérléssel kell ellátni, a sugárzási energia mind nagyobb mértékben történő begyűjtése céljából. A magas hőmérséklet miatt általában olajat keringtetnek az abszorber csövön keresztül (lásd . ábrát). A kollektormező több párhuzamos körből áll, melyek egy kelet-nyugati tengely mentén helyezkednek el. Az elnyelt napenergiát olaj szivattyúzásával szállítják a kollektorcsövön keresztül a turbinák gőzfejlesztőjének hőcserélőjébe. A gázturbinák magas hőenergia-tartalmu fűstgáza és a napkollektorok szogáltatják a gözturbinák müködtetéséhez szükséges nagynyomású gőzt. Ezek révén a gözturbina gyakorlatilag hulladék hővel és napenergiával működik. - 307 -
11.9
Fotovillamos rendszerek
A fotovillamos rendszer felépítése A fotovillamos napenergia-hasznosítás legalapvetőbb eszköze a napelem, amely a napsugárzás energiáját alakítja át közvetlenül villamos energiává. A napelemek készítésének alapanyaga megfelelő vastagságú p-n átmenettel (lyuk-elektron párt szétválasztó réteggel) rendelkező félvezető. Ebben zajlik le az energiaátalakítás folyamata. A jó hatásfokú energia átalakító eszköz készítéséhez általában egykristályos vagy polikristályos szilíciumot használnak. Az így készült napelem szerkezeti felépítése a 11.36. ábrán (Pálfy, 2003) látható, ahol feltüntettük az egyes rétegek jellemző geometriai méreteit is.
11.36. ábra
Az egykristályos és polikristályos szilícium napelem elvi felépítése
- 308 -
NAPSUGÁRZÁS SUGÁRZÁS OLDALI VEZETŐ
REFLEXIÓ GÁTLÓ
FÉLVEZETŐ ANYAG
HÁTOLDALI VEZETŐ
11.37. ábra
A napelem működésének egyszerűsített vázlata
A napelemek alapanyaguktól és technológiájuktól függően különböző hatásfokkal képesek villamos energiát termelni. A hatásfok (η) százalékosan fejezi ki, hogy a napelem mennyi napenergiát alakít át elektromos energiává. A hatásfokot a következő képlet szerint számítják:
, ahol
Pm a fényelem által leadott maximális teljesítmény,
E a napsugárzás energiája (W/m2),
Ac a napelem felülete (m2)
A hatásfokot a környezeti és a konstrukcióval összefüggő tényezők egyaránt befolyásolják. A környezeti tényezők közül a hőmérséklet a legfontosabb, de ide lehet sorolni a cella felületének tisztaságát, a megvilágítás erősségét is.
A szilícium-fotoelem feszültsége félvezető zárórétegben a töltéshordozók felszabadulása és szétválasztása révén keletkezik. A keletkező forrásfeszültség a megvilágítás erősségével nő. A forrásfeszültség nagy megvilágításkor sem nagyobb 0,6 V-nál. A rövidzárási áram a fényerősséggel arányos. A szilícium fotoelemek hatásfoka 10%. Max sugárzásnál kb. 10 mW/cm2
- 309 -
A hasznos hullámhossz tartományban a napcella energiaátalakítási hatásfoka () annál nagyobb, minél kisebb a reflexiós tényező és ugyanakkor minél nagyobb az abszorpciós tényező () és az ún. kollekciós hatásfok (Q). A reflexió csökkentését (10% alatti érték elérését) különböző optikai bevonatokkal lehet elérni. Az abszorpció magas értékét megfelelő anyagvastagsággal lehet biztosítani. Az abszorpciós tényező hullámhossztól () való függését a 11.38. ábra (Backhus, 1976) mutatja. 5
10
cm-1
104 3
10
2
10
10 1
0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
1,4
m 11.38. ábra
Egykristályos szilícium abszorpciós tényezője a hullámhossz függvényében
A kollekciós hatásfokot döntően a konstrukció, az alkalmazott technológia és anyagválasztás befolyásolja. A 11.39. ábra (Pálfy, 2003) az egykristályos szilíciumból készült napelem kollekciós hatásfokát mutatja a hullámhossz függvényében.
- 310 -
1,0 0,8
Q (
0,6 0,4 0,2 0,4
0,6
0,8
1,0
1,2
m 11.39. ábra
Egykristályos szilícium kollekciós hatásfoka a hullámhossz függvényében
A napelemek gyakorlati elterjesztésének egyik nagyon fontos szempontja az elérhető maximális mértékű energiaátalakítási hatásfok, amelyet az anyag- és villamos jellemzők valamint a működési hőmérséklet egyaránt befolyásol. Az egy töltésszétválasztó réteggel rendelkező napelemek elméletileg elérhető hatásfoka szobahőmérsékleten 27% körüli érték. Többrétegű konstrukciók alkalmazásával napjainkban akár 60% fölötti hatásfokot is elérhető. A 11.40. ábra egy töltésszétválasztó réteg alkalmazása esetén mutatja az elméletileg elérhető hatásfok értékeket különböző hőmérsékletekre (Rappaport, 1995).
- 311 -
11.40. ábra
Különböző anyagok elméleti energiaátalakítási hatásfoka Napjainkban a legtöbb napelemet szilíciumból (Si) készítik. Ezek konstrukciójukat tekintve lehetnek egykristályos, polikristályos és a vékony rétegű technológiával készülő amorf kivitelűek. Hatásfokuk sorrendben 15-17%, 13-15% illetve 4-6%. Elterjedésben ezt követi az ugyancsak vékonyrétegű technológiát alkalmazó kadmium-szulfid (CdS) alapanyag felhasználása. Magas hőmérsékletű alkalmazásoknál általában gallium-arzenid (GaAs) alapanyagot használnak. A kadmium-szulfid/kadmium-tellurid (CdS/CdTe) alapanyagú napelemek előnye, hogy egyszerű, olcsó technológiával állíthatók elő. Az egyedi napelemek villamos és mechanikai jellemzői általában nem elegendőek az ipari méretű alkalmazásoknak, tekintettel arra, hogy például a kristályos szilícium napelemek felülete 50-200 cm2, üresjárási feszültsége 0,55-0,65 V, teljesítménye pedig 13-17 mW/cm2 között van. A nagyobb feszültség és teljesítmény elérésére a napelemeket modulokba szerelik össze. A modulokon belül az egyes napelemeket általában sorosan kapcsolják. Az így kialakított modulok szokásos feszültsége 12 V. A modulok nagyobb méretű egységeké állíthatók össze a felhasználási céloktól függően. - 312 -
Polikristályos foto villamos cellák
Monokristályos szilícium cella
modulba építve 11.41. ábra
Polikristályos és monokristályos PV cellák
A polikristályos cellák gyártása olcsóbb, mint a nonokistályosoké, de kisebb a hatásfokuk is.
- 313 -
CELLA
MODUL, PANEL
TÖMB
11.42. ábra
A foto villamos rendszer felépítése A napelem modul teljesítménye jelentősen függ a működési hőmérséklettől. Ennek illusztrálása látható egy szilícium napelem esetében a 11.43. ábrán.
11.43. ábra
Szilícium napelem modul teljesítményének hőmérsékletfüggése
- 314 -
A kereskedelmi forgalomban kapható napelem modulok mérete és teljesítménye tág határok között változik. A felső mérethatár néhány négyzetméter, a névleges teljesítmény pedig néhány száz Wp nagyságrendben van. A napelemek általában műanyagba vannak beágyazva, a modulokat pedig általában alumínium keretszerkezet határolja. Ez lehetővé teszi a tartószerkezetekhez való rögzítést (tömbökké). A modulok villamos csatlakoztatása a hátoldalon e célra kialakított csatlakozó dobozon keresztül történik. A napelem modulok átlagos élettartama 30 év.
A villamos energia tárolása A napkollektoroknál az energiatermelés és felhasználás egybeesési problémájával kapcsolatban elmondott szempontok a napelemekkel megtermelt energiára is teljes egészében vonatkoznak. Tehát a fotovillamos átalakítókkal megtermelt energiát is tárolni kell. Erre a feladatra célszerűen akkumulátorokat alkalmazhatunk. A napelemes áramforrásoknál használt akkumulátorokkal szemben azonban speciális igények fogalmazhatók meg (Pálfy, 2003): - jó energiatárolási hatásfok, - kismértékű önkisülés, - mélykisütés tűrése, - széles működési hőmérséklettartomány, - karbantartás mentesség, - hosszú élettartam.
A napelemes áramforrásokban egyaránt szokás alkalmazni lúgos elektrolitú nikkel-kadmium és savas elektrolitú ólomakkumulátorokat mind nyitott és zárt kivitelben is. A napelemes áramforrásokban alkalmazott nikkel-kadmium akkumulátorok főbb jellemzői az alábbiakban foglalhatók össze (Pálfy, 2003): - a névleges cellafeszültség 1,2 V; nagyobb feszültségigénynél a cellákat gyárilag vagy a felhasználásnál villamosan sorba kapcsolják,
- 315 -
- hosszú élettartam, akár 10-15 év és 500 feltöltési/kisütési ciklus felett, - széles működési hőmérséklettartomány - 40 oC tól + 55 oC-ig, - jó túltöltés és mélykisütés tűrés, - a gyors töltést és kisütést az ólomakkumulátornál jobban tűri, - viszonylag magas önkisülés (kb. 20 %/hónap), - általában az ólomakkumulátoroknál alacsonyabb töltés/kisütési energetikai hatásfok (kb. 80%), - az ólomakkumulátornál kedvezőtlenebb fajlagos energiatároló képesség (15-20 Wh/kg), - az ólomakkumulátoroknál minimum 50%-kal magasabb ár, - zárt és nyitott kivitelben is gyártják. A napelemes áramforrásokban alkalmazott ólomakkumulátorok főbb jellemzői az alábbiakban foglalhatók össze (Pálfy, 2003): - a névleges cellafeszültség 2 V; nagyobb feszültségigénynél a cellákat gyárilag vagy a felhasználásnál villamosan sorba kapcsolják, - mérsékelt élettartam, de jó ciklizálhatóság, típusoktól és az üzemmódtól függően 5-10 év, 500-1500 ciklus, - mérsékelt működési hőmérséklet-tartomány -20 oC tól +40 oC-ig, - túltöltést és mélykisütést egyáltalán nem tűri, - gyors töltést és kisütést csak megfelelő védelem mellett tűri, - alacsony önkisülés (kb. 3 %/hónap), - kedvező töltés/kisütési energetikai hatásfok, akár 90% fölött is, - kedvező fajlagos energiatároló képesség, akár 40 Wh/kg fölött is, - a nikkel-kadmium akkumulátornál alacsonyabb ár, - zárt és nyitott kivitelben is gyártják. - 316 -
A belső térben való alkalmazási igény esetén zárt felépítésű akkumulátorokat alkalmaznak. Ezek tetszőleges pozicióban helyezhetők el, lényegében nem igényelnek karbantartást, de ugyanakkor az áruk is magasabb. Alkalmazások A napelemek alkalmazása az 1970-es években indult. Napjainkban mind a gyártás mind pedig az alkalmazás jelentős mértékben növekszik.
Mérő és adatgyűjtő és adattovábbító szélmérőállomásnál használt rendszer. Az alkalmazás jellemzői a 11.44. ábrán látható.
50 W-os panel
Jelleggörbe 25 oC-on. 11.44. ábra
A panel és jelleggörbék
- 317 -
11.45. ábra
A napelemmel működtetett mérőegység
Példák a napelemek alkalmazására (11.46. ábrán).
Forrás: Pálfy 2003
Forrás: www.pluginbayarea.org
11.46. ábra
Hordozható napelemes energiaforrású és mérőműszer és villamos autótöltő állomás
- 318 -
11.10 HMV rásegítés és medencefűtés (példa) A ráckevei WELLNESS HOTEL tulajdonosa a hagyományos fosszilis tüzelőanyaggal működő hőtermelő berendezések mellé napenergia-hasznosító rendszert épített (48 db kollektor, 86 m2 felülettel). A napkollektoros rendszer a használati melegvíz (HMV) előállítás során a hálózati hidegvizet előmelegíti. Így a meglévő földgáztüzelésű kazánokkal fűtött tárolókba a hálózati hidegvíz helyett a szoláris rendszer által előmelegített, magasabb hőmérsékletű víz kerül. A medence esetén a napkollektoros rendszer a keringetett medence vizet külső hőcserélőn át fűti. A rendszer kollektorait a 11.47. ábrán látható tetőfelületekre telepítették. A medencevíz fűtésre . ábra szerinti tetőfelületre szerelt kollektorok szolgálnak.
D-Ny-i oldal (HVM termelés
D-K-i oldal (medencefűtés)
+ 4 db PV panel) 11.47. ábra
Kollektorok a tetőre szerelve A létesítmény 2100 m3/év, 55-60C-os HMV mennyiségének a felmelegítéséhez ~150 MWh hőmennyiség (~23000 m3 földgáz elégetése) szükséges. A napenergia-hasznosító rendszer kialakításával a teljes évi HMV készítésre fordított földgáz mennyiségének 35-36 %-a, évente mintegy 82000-85000 m3 földgáz elégetése takarítható meg. Ezzel megközelítőleg 18,7 t/év CO2 kibocsátás csökkenést is eredményez. A beltéri medence vizének napkollektoros fűtésrásegítése révén a földgáz megtakarítás 2600 m3/év, a CO2 kibocsátás csökkenés pedig 5,8 t/év. Így egyűttesen földgázfelhasználása évente ~11000 m3-el, míg a CO2 kibocsátása 25 t-val csökken.
- 319 -
A HMV termelésre rásegítő napenergia-hasznosító berendezés tárolóinak térfogata 6000 liter, amelyre az eltérő idejű vízfelhasználás miatt volt szükség (késő esti fürdés, vacsorát követő mosogatás, stb.).
Hőközpont a melegvizes tárolókkal
1000 l-es tároló tartályok 11.48. ábra
Fűtőközpont a földgáz kazánokkal és a 6000lite meleg víztárolóval
Felszerelésre került egy fotovillamos rendszer is, amely a napkollektoros rendszerek szabályozó elektronikáinak és a keringető szivattyúk szünetmentes áramellátására szolgál. Ezzel a napkollektoros rendszerek esetén elkerülhetővé vált – az áramszolgáltatásban bekövetkező kimaradás estén fellépő – nemkívánatos tulmelegedési üzemállapot.
- 320 -
Az uszoda rész keringtető szivattyúja
A tartályok és kollektorok közötti külső hőcserélő
11.49. ábra
Keringtető szivattyú és szigetelt külső hőcserélők
11.50. ábra
Sikkolektoros rendszer vezérkő egység
- 321 -
11.51. ábra
A bemutatott (megvalósított) rendszer közelítő kapcsolási sémája Forrás: http://www.solarkollektor.hu/
Az ábra jelei: 1. Napkollektorok
11. Egyéb hőleadókhoz
2. Kollektor-medence külső hőcserélő
12. Medence fűtés-köri keringető szivattyú
3. Napkollektor-köri tágulási tartály
13. Tágulási tartály és biztonsági szelep
4. Kollektor-köri ürítő- és biztonsági szelep (max. 4 bar)
14. Kollektor-medence hőcserélő hőmérsékletérzékelő
5. Napkollektor-köri keringető szivattyú
15. Medence
6. Egyirányú szelep
16. Medence vízforgató (cirkuláltató) szivattyú
7. Napkollektor vezérlő egység
17. Medence vízszűrő
8. Napkollektor hőmérsékletérzékelő
18. Medence túlfolyó
9. Kazán-medence hőcserélő
19. Medence hőmérsékletérzékelő
10. Kazán
20. Medenceürítő - 322 -
11.11 Növényházi napenergia-hasznosítás Az üveg vagy fóliaborítású növényházak a napenergiát hőcsapdaként hasznosítják. Ez azt jelenti, hogy a növényházi lefedés a beeső rövidhullámú sugárzást átengedi, de a növényzetről illetve a talajról visszaverődő kisebb energiájú, nagyobb hullámhosszú sugárzást nem engedi át a borításon. A napenergiának a növényház (főleg) éjszakai fűtésre való alkalmazásakor két fontos feladatot kell megoldani, nevezetesen a sugárzási energia hővé alakítását, ill. ennek az energiának a tárolását. Erre a célra alapvetően három különböző technikai megoldás lehetséges (6.46-48. ábrák), amelyeket a következőkben tárgyalunk.
Hasznosítás külső napkollektorokkal
A növényház szerkezetébe integrált napkollektorok
A növényház, mint napkollektor
A külső napkollektorokkal által termelt energiát hőtárolókban tárolják, majd azt éjszakai fűtésre, vagy szükség esetén akár fagymentesítésre használják fel (11.52. ábra).
11.53. ábra
Hasznosítás külső napkollektorokkal
A növényház szerkezetébe integrált napkollektorokat a növényház belsejében helyezik el úgy, hogy azok éjszaka egyben fűtőfelületként is szolgáljanak (pl.: levegős kollektor-hőágyas hőtároló, vagy vizes kollektor-vizes hőtároló).
A növényház, mint napkollektor a legkézenfekvőbb megoldásnak tekintettel, hogy a növényházban az elnyelt napsugárzás hatására hőtermelés történik. Napközben a szellőztetés révén elvezetett felesleges energiát tárolni lehet, s az az éjszakai fűtésre felhasználható. A hő tárolása. Fontos kérdés annak eldöntése, hogy milyen típusú tároló anyagot használjunk, pl.: kő, víz, talaj, fázisváltós anyagok. A növényházi levegő munkaközeg miatt a kőágyas tárolásnál nem kell külön hőcserélőről gondoskodnunk, addig, pl. a vizes rendszereknél arra is szükség van. A tárolásnál (Zabeltitz,1987) figyelembe veendő szempontok: 1. A tároló anyaga 2. A tároló anyag hőtárolási kapacitása [kWh/m3 vagy kWh/kg]; 3. A töltési és a ürítési teljesítmény [kW]; 4. A tároló hatásfoka, ami a tárolóból kinyerhető valamint az oda bevitt energia aránya (beleértve a szükséges kiegészítő energiát is), 5. A tároló elhelyezése, struktúrája.
A tervezéséhez a következőket kell megválaszolni: 1. Az alap fűtési rendszer típusa. 2. A területre jellemző napsugárzás. 3. A fűtési energia mekkora hányada lesz a napenergia. A feltételek régiónként változnak, főként a növényházi termesztési időszakok miatt. Hasznosítás külső napkollektorokkal (részletesebben lásd: Farkas, 2003) Fémalapú abszorberes vizes kollektor Fólia abszorberes vizes kollektor Gumi abszorberes kollektor keresztmetszeti képe Szilárd kőzetű őtárolós kollektor
- 324 -
Naptó rendszerű kollektor A növényház szerkezetébe integrált napkollektor (Farkas, 2003)
A növényház szerkezetébe integrált napkollektorok Mozgatható abszorberű kollektorokkal felszerelt növényház Folyadéktetős növényház A növényház, mint napkollektor A növényház szerkezeti megoldását úgy alakítják ki, hogy a növényház egyben "napkollektor" funkciót is ellát. A 11.54. ábra hengeres alakú fóliás növényházak napkollektorként való üzemeltetésének lehetséges módozatait (Garcia, 1986, Farkas, 2003) mutatja be. A fő esetekben az egyes elemek értelmezése a következő: a1/
1 - fólia lefedés, 2 - PVC cső, 3 - PVC fólia lefedés, amely egy zárt teret hoz létre a növényház felső részén, 4 - talajba telepített műanyag cső.
a2/
Ugyanaz mint a1/ a (2) perforált PVC cső nélkül.
a3/
Ugyanaz mint a2/, de a (2) perforált PVC cső helyett a (5) nyitott PVC csatorna szerepel.
b1/
Ugyanaz mint a1, de itt a (6) PVC fólia lefedéséhez nem hozunk létre zárt teret.
b2/
Ugyanaz mint b1/, de PVC cső nélkül.
b3/
Ugyanaz mint b2/, de kiegészítve az (5) nyitott PVC csatornával.
- 325 -
11.54. ábra
Növényház napkollektorként való alkalmazásának lehetőségei
11.12 Szárítás napenergiával A napenergiával történő szárítás fő célja, hogy elvárt nedvességtartalmú végterméket állításunk elő azonnali felhasználásra, vagy további, hosszú távú biztonságos tárolásra. Ennek a feltételnek egy mérsékelt hőmérséklet-szinten kell eleget tenni, mivel a szárítandó anyagok egy része magasabb hőmérsékletre érzékeny. Erre a feladatra szoláris szárítása technika teljes egészében megfelel. Szoláris szemestermény szárító (Lásd: Farkas és Smith, 1988; Farkas, 1992). Szoláris gyümölcsszárító A szárítandó terménytől függően a szárító szekrényben kétféle tálcarendszert lehet alkalmazni, amelyek a szárítószekrénybe cserélhető módon helyezhetők el. Azon termények szárításához, amelyek kis méretüknél fogva tömören helyezkednek el egy adott rétegben, és így a levegő átáramoltatása a terményrétegen nem valósítható meg, felületi szárítás alkalmazható. A tálcarendszer kialakítása ebben az esetben az áramló levegőt a tálcák felett tereli el, így a termény felszíne szárad nagyobb mértékben. Ezt szemlélteti a 11.55. ábra.
- 326 -
11.55. ábra
Felületi szárítás megvalósítása Ha a termény mérete nagyobb, ill. az nem alkot olyan tömör réteget, akkor intenzívebb száradás érhető el, ha a szárító levegőt átáramoltatjuk a terményrétegen. A szárítás sebessége növelhető a szárító közeg hőmérsékletének növelésével, mivel a párolgás magasabb hőmérsékleten intenzívebb. A szárító szekrénybe bejuttatott száraz levegőt emiatt célszerű előmelegíteni, ami egy levegős napkollektorral valósítható meg. A szárítás sebessége szempontjából a másik fő tényező a terméket körülvevő levegő relatív nedvességtartalma, ami a levegő hőmérsékletének növelése mellett azzal is csökkenthető, hogy a nedves levegő helyébe száraz levegőt juttatunk. Ez a természetes konvekció mellett segíthető egy ventillátorral kényszerített levegőáramlás létrehozásával. A szárító moduláris felépítése négyféle fő működtetési megoldást tesz lehetővé, úgymint: Szoláris szénaszárító A legnagyobb energiafogyasztók egy farmon általában a terményszárítók, amelyek előmelegített levegőt igényelnek a szárítás folyama alatt. Ennek ellenére úgy tűnik, hogy az napenergia integrációjának érdekében feltételében ajánlatos folyadék munkaközegű napkollektorokat használni. Ez egyszerű csatlakoztatást tesz lehetővé a gazdaságban más esetleg meglévő melegvíz tárolóhoz, amely egyidejűleg mint energiatároló is szolgál. Ily
- 327 -
módon a szárító közvetve csatlakozhat a gazdaság energetikai rendszerén keresztül a levegő/víz hőcserélőhöz.
11.13 Szolárhűtés Az épületeinket hűteni akkor kell, amikor a napsütés intenzív, különösen nyáron. Amennyiben napkollektorok működnek az épületen, a forró nyári hóhapokban már nem képesek a megtermelt hőt hova leadni, mivel nyáron fűtésre nincs szükség, a HVM-et pedig gyorsan elkészítik. A "feleslegesen" megtermelt napenergia (hő) abszorpciós hűtőgépet képes működtetni az épületem hűtésére? Tehát külön klímaberendezéseket nem kell beépítenem és működtetni. A vákuumcsöves vizes napkollektor rendszerek kiválóan alkalmasak, a megfelelő mennyiségű és hőmérsékletű meleg víz előállítására a szolárhűtés érdekében az abszorpciós hűtőgép számára, A könyvünkben szóltunk a (hasonló) nyári hűtés megoldására, a hőszivattyús aktív eljárásról, valamint a geotermikus passzív hűtés lehetőségéről. Az abszorpciós berendezésekben a hűtőfolyadék hő hatására történő kompresszióját (entalpia növelését) egy speciális hűtő/szorbens eleggyel és hőenergia (szolárhő) közlésével oldják meg, s ezáltal nincs szükség villamos energiára a mechanikus kompresszorok hajtásához. Az alacsony hőmérsékletű hűtővíz előállításához általában H 2O/LiBr oldat használatos. A rendszerben a belső szivattyú keringteti a folyadékot (munkaközeget), aminek minimális az energia igénye. A hőátadási (állapotváltozási) folyamatokat szabályozni kell, hogy elkerüljük a H2O/LiBr oldat kristályosodását. A forróvíz meghajtású hűtők hatékonyságának meghatározásában kiemelkedő szereppel bír a teljesítmény tényező COP (Coefficient Of Performance), ami a hűtőkörből elvont hő és a meghajtáshoz szükséges hőmennyiség hányadosa, tehát a COP termal = Qhütés / Qfűtés. Ez nem azonos a hagyományos, elektromos kompresszoros hűtők COP W adatával, ahol COPW = Qhűtés / Whajtás, ahol W a hűtő által felhasznált elektromos energiát jelenti.
- 328 -
A COPtermal együttható meghatározásánál (a jelentéktelen cirkulációs energiát elhanyagolva) nem vesznek figyelembe semmilyen más külső energia felhasználást. Minél kisebb a COP, annál nagyobb hőbevitelre van szükség, illetve annál több hőt kell eltávolítani a hűtőtoronyban. Amennyiben a páratartalom szabályozására is szükség van, a lehűtött víz hőmérsékletének általában 6 -9°C. Amennyiben csak hűtött levegő fújunk be , vagy a falban, illetve mennyezetben keringtetünk hidegvízet, úgy elegendő a 12 -16°C, ami hatékonyabb működést tesz lehetővé. A hided energiát a hűtőfolyadék párologtatóban (evaporator) alacsony hőmérsékleten történő párolgása biztosítja. Az abszorberben a vízpárát elnyeli a szorbens, miáltal a H2O/LiBr oldat felhígul. Az abszorpció hatékonyságának növeléséhez az oldatot folyamatosan a generátorba kell keringtetni, ahol a hőközlés (forralás) történik. A meghajtásukhoz szükséges forróvíz hőmérséklete az egykörös rendszerek esetében 80°C körül van, amikor 0.6 - 0.8 COP érhető el.
A napkollektoroktól érkező fűtővíz
Hűtővíz (pl. hűtőtoronyból)
Kiforraló kazán(generátor)
Kondenzátor
Fojtószelep
Elpárologtató Abszorber (elnyelető) Lehűtött víz a fan- coilok-hoz, vagy hűtőfalhoz
Hideg víz
11.56. ábra
A rendszer elvi felépítése (IST Power az International Solar Technology)
- 329 -
A
B 11.57. ábra
Abszorciós hűtőgép (A) és vákuumcsöves napkollektorok (Freiburg, Németrország) http://www.alternativ-energia.eu/
11.14 Hidrogén előállítása napelemekkel A nap által termelt villamos energiával hidrogént állítanak elő (pl. vízbontással), amelyet a tárolóba vezetnek. Innét a szükséges időpontban a hidrogént (H2) üzemanyag cellákhoz vezetik és villamos energiát állítanak elő. Ez a villamos energia a szükséges időpontban a lakóház villamos hálózatába vezethető a közbeiktatott inverteren keresztül. A felesleg a közüzemi villamos hálózatnak eldaható. Kisérleti berendezés 30 kW teljesítménybe több éve működik az USA-ban.
- 330 -
11.58. ábra
„Hidrogén háztartás‖
11.15 A passzív hasznosítás eszközei Az épületek hőháztartásának - napenergia-hasznosítással történő - optimálására számos eszköz jöhet szóba. Ezek közül is kiemelhetjük a tájolást, a határoló felületek energiatudatos formálását valamint réteges falszerkezetek kialakítását. Alapvető tervezési szempont, hogy a lakóépületekben a legnagyobb fűtési igényű szobákat a napsugárzásból nyerhető energia és fény miatt D-DK-K-i irányba tájoljuk. Ugyanakkor a kisebb fűtési igényű helyiségekkel szigetelni, védeni célszerű a nagy fűtési igényűeket. A ferdesíkú üvegezett felületek jelentős mértékben elősegítik az épület benapozását. A határoló felületek energiatudatos kialakítására alapvetően kétféle szemlélet alkalmazható (Zöld, 1999). Ezek egyike a defenzív tervezési szemlélet, aminek a lényege, hogy télen a fűtési hőveszteség, nyáron pedig a szoláris hőnyereség csökkentésével szabályozzuk az épület energiaigényét. Technikai eszközei a kis üvegezési arány, a jó légzárás és hőszigetelés. A másik módszer, a szoláris szemlélettel tervezett épület esetében télen a szoláris hőnyereség, nyáron pedig a hőveszteség - természetes szellőztetés révén - való növelését kívánja elérni. Ily
- 331 -
módon jelentős szerepe van a tájolásnak, benapozásnak, azaz nagy üvegezési arány és nagy hőtároló tömegek a jellemzői. A réteges falszerkezetek alkalmazásával mind a hőszigetelési, mind pedig a hőtárolási követelmények is megoldhatók. A külső és a közbenső szigetelésű falazatok is eszközei ennek a megoldásnak. A passzív napenergia-hasznosítás lényege, hogy a felsorolt eszközöket nem külön-külön, hanem lehetőleg integrált módon használjuk fel.
A passzív hasznosítás szerkezetei A passzív napenergia-hasznosító berendezéseket szokás direkt és indirekt csoportra bontani. A direkt megoldás esetén közvetlenül a fűtendő épület szerkezeteit használjuk fel, addig az indirekt megoldás azt jelenti, hogy elkülönített energiagyűjtő illetve tároló tereket alakítunk ki. A direkt rendszerek kialakításának fontosabb szempontjai a következőkben foglalhatók össze (Zöld, 1999): - Elegendően nagy felületű, kedvező tájolású, jó fényáteresztésű üvegezett homlokzat biztosítása; - Elegendően nagy hőtároló tömeg biztosítása: a magyar szabvány szerint 1 m2 tökéletesen áteresztő nyílás (ablakszerkezet) mögött legalább 2000 kg aktív hőtároló tömegre van szükség a jó hasznosítás érdekében. A hőtároló tömegek energiaszintje jelentősen eltérő lehet attól függően, hogy közvetlen besugárzás éri, vagy csak az előbbiekkel sugárzásos hőcserével vannak kapcsolatban; - A hasznosító tér számára mozgatható hőszigetelő-árnyékoló szerkezetekkel kell biztosítani
az
energianyereség,
ill.
a
hőveszteség
egyéni
szabályozhatóságát.
Az indirekt rendszerek alapvető megoldásai a következők (Zöld, 1999):
- 332 -
igények
szerinti
- az energiagyűjtő falak és födémek: tömegfal, Trombe-fal, transzparens szigetelésű fal, "fekete padlás" rendszer; - napterek: mezőgazdasági üvegházak, fóliaborítású termesztő berendezések és a lakóépületek homlokzati üvegezett tereinek jelentős része (üvegezett verandák, erkélyek, loggiák, télikertek, virágablakok); - levegő hőhordozós rendszerek: falkollektor, falkollektorhoz zárt áramkörrel kapcsolódó légjáratos hőtároló (Barra-Constantini rendszer) és a kihelyezett kollektoros rendszer.
11.59. ábra
Passzív szoláris rendszerek csoportosítása (Szücs 2003) - 333 -
KÉRDÉSEK 1.
A napsugárzásból nyerhető energia jellemzése
2.
Mit nevezünk globál sugárzásnak, hogyan határozzuk meg
3.
A napenergia-hasznosítás fő formái, előnyök-hátrányok
4.
A termikus vizes napkollektor rendszerek felépítése
5.
Fotovillamos hasznosítás alapegysége, a fotovillamos rendszer felépítése
6.
Sík-kollektorok elvi felépítése
7.
A vákuucsőves renszer elvi felépítése, előnyök, hátrányok
8.
A napkollektorok hatásfoka, a várható teljesítmény meghatározása
9.
Szoláris hőtárolók és hőcserélők
10. A HVM előállítás alap kapcsolási vázlata, a méretezés elve 11. Koncentrátoros hasznosítás lényege, mit nevezünk naperőműnek 12. Komplex meleg víz előállító rendszer 13. Szolár hűtés, hidrogén előállítás 14. Mi a passzív hasznosítás
- 334 -
12. 12.1
A szélenergia hasznosítási lehetőségei
Bevezetés
Az energiagazdálkodás és ennek kapcsán a fenntartható energiaellátás a XXI. század gazdaságának egyre inkább központi kérdésévé válik. Évtizedek óta folynak a fenntartható fejlődéssel kapcsolatos nemzetközi kutatások és tárgyalások. A széleskörű együttműködés és munka célja, hogy a fejlődő világ egy kíméletes kapcsolatot alakítson ki az őt körülvevő természetes környezettel, a gazdasági növekedés fenntartása és az emberi életkörülmények javítása mellett. „Az energia felhasználása csak akkor fenntartható, ha egy széleskörű és tartós rendelkezésre állást biztosít az alkalmazott energiaforrásokból és ezzel egyidejűleg a vele kapcsolatos negatív hatásoknak korlátot szab.‖ (ENSZ Környezet és Fejlődés Konferencia (UN Conference on Environment and Development) 1992. június) Az iparosítás óta az emberiség energiafelhasználása sokkal gyorsabban nő, mint a népesség létszáma. Miközben a világ lakosságának létszáma négyszeresére, 6,3 milliárdra nőtt, addig az energiafelhasználás és ezzel együtt a fosszilis energiahordozók, a szén, az ásványi olaj és a földgáz felhasználás a 60-szorosára. 2004-ben 450Exajoule (1EJ=1018J) (12.1.1 ábra). A szél egyike azoknak a természeti energiaforrásoknak, amelynek szerepe az emberiség története során többször is változáson ment át. A szél mozgási energiája, mechanikai munkává alakítva többek között felhesználható villamos generátorok hajtására. A technikatörténet során műszaki szempontból különféle megoldások kerültek kialakításra, mégis mára a vízszintes forgástengelyű szélgenerátor vált a legelterjedtebbé. Ennek oka a jelentős többlet villamosenergia termelés más műszaki megoldásokhoz képest.
- 335 -
74 122
59 024
39 295
31 181
50 000
24 322
100 000
47 693
120 903
150 000
93 930
200 000
203 500 Becslés
P [MW] 250 000
159 213
A Világon Telepített Szélerőművek Összes Teljesítménye
0
2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 Évek
12.1. ábra
A szélerőműkapacitás növekedése a világban (2001-2009) és a 2010-ben várható fejlődés (forrás: WWEA, World Wind Energy Report 2009)
A szélerőművek hatásfoka függ a telepítés helyétől és az egymáshoz való elhelyezkedéstől. Ezek figyelembevételével alapvetően két-két megoldás ismeretes: a tengeri és a szárazföldi, valamint az egyedi és a csoportos telepítés. Magyarország viszonylatában a szárazföldi jellegű erűművek közül az egyedi és a csoportos telepítés jöhet számításba. A szélerőmű lehet hálózati, vagy szigetüzemben, de a szélerőműpark, mint komplex energiatermelő egység is megjelenhet. Hazánktól nyugatra fekvő európai országokban, annak érdekében, hogy egy adott kedvező területről a lehető legtöbb energiát nyerjék ki, ma már túlnyomó részt a csoportos telepítésre törekednek. Ez összetett és pontos műszaki ismereteket igényel. A szélerőműparkok telepítése nehezebb feladat, mint egyetlen szélerőmű felállítása, mégis a gazdaságosság és az energiatermelés fokozása érdekében célszerű a bonyolultabb megoldást választani. A gazdaságosság fokozásának másik útja, a hatékonyság növelése révén a költségek csökkentése. Az Európai Szélenergia Szövetségnél közzé tett tanulmányok alapján a jövőbeli cél a 1994-es árak fokozatosan 50%-ra való csökkentése 2030-ig. - 336 -
Mindezeknek köszönhetően a szélenergiahasznosítás jelentős iparággá nőtte ki magát. Az új konstrukciós
aerodinamikai
megoldások
kialakításán
keresztül
a
számítástechnikai
szoftverfejlesztésig minden műszaki terület dinamikus fejlődésnek indult. Jelenleg a világ szélerőműkapacitása mintegy 160000 MW (12.1.2. ábra) Új lapátprofilok, nagyobb és jobb hatásfokú generátorok, magasabb tartó oszlopok, hosszabb szárnylapátok, új anyagszerkezeti megoldások, könnyebb konstrukciók, hatékonyabb és megbízhatóbb vezérlési megoldások a mai korszerű szélerőművek jellemzői. Pontosabb mérőrendszerek és adatfeldolgozás. Az energiatermelést befolyásoló tényezők egyre szélesebb körű figyelembe vétele. A dinamikus, teljes vertikumra kiterjedő fejlesztéseknek köszönhetően, a 2010-re tervezett költségcsökkentés és az energiatermelés növelése az EU-ban már 2002-re megvalósult, sőt 8000MW helyett közel 23000MW villamos teljesítményű szélerőmű létesült. A fejlesztések további pozitív eredménye, hogy azonos teljesítményű erőműveknek kisebb a területigénye, tehát javul a területkihasználás. Dániában például az 1980-as évek 100000-es szélgenerátor darabszámával szemben 2005-re már csak 5590 darab erőmű állt. Ezek a dán villamosenergia felhasználás 20%-át biztosították a korábbi 10%-kal szemben. A technológiai fejlődés lehetővé tette, hogy a 80-as évektől kezdődően, a tengerpartokról egyre inkább a szárazföldek belseje felé telepítsék a generátorokat, oda ahol az energiafelhasználás folyik. Ezáltal az energia szállítási-vesztesége és a létesítés költsége is csökkent.
- 337 -
12.2.ábra
A szélgenerátorok fejlődési trendje (forrás: Jos Beurskens, ECN 2005)
Szárazföldi körülmények között az úgynevezett másodosztályú szelek jellemzőek. Itt jelentősebb a turbulencia, és a nagyobb energiatartalmú áramlatok csak nagyobb felszín feletti magasságokban fordulnak elő. Éppen ezért a fejlesztések egy jelentős része az oszlopok magasságának növelésére irányult. Mivel szárazföldön műszaki szempontból az ipari létesítményekhez, villamos elosztó berendezésekhez a lehető legközelebb építhetők fel a szélerőművek, számos hálózatfejlesztési és hálózatterhelési probléma is megoldódott.
12.2
A szélenergiahasznosítás elmélete
12.2.1 A szélről általában A szél egyike azoknak a természeti energiaforrásoknak, amelynek szerepe az emberiség története során többször is változáson ment át. Keletkezése alapvetően arra épül, hogy a földfelszín által elnyelt napsugárzás nagyobb mértékű az egyenlítőnél, mint a sarkoknál és leegyszerűsített megközelítéssel a légtömegek az egyenlítőtől a sarkok felé áramlanak. Ezt a Föld forgása módosítja, s ezzel számos örvénylés alakul ki mind az északi, mind a déli féltekén. A keleties szélövekben a légkör - 338 -
impulzusmomentumot nyer, a nyugatias szélövben a légkör impulzusmomentumot ad le. (12.2.1. ábra)
12.3. ábra
A globális impulzusmomentum mérleg (forrás: Bartholy 2006)
A változó sebességgel áramló levegő mozgási energiája munkavégzésre képes. Ez a munkavégző képesség a gázok áramlási törvényei alapján a sebesség harmadik hatványával arányos. Éppen ezért rendkívül jelentős hatást gyakorol a villamosenergia-termelésre.
A globális széljárás A Föld felszíne óceánokkal és szárazföldekkel tagolt, s ezek az eltérő felszínek különbözőképpen befolyásolják a légtömegek áramlást, pl.: -
légnyomásváltozáson,
-
a napsugárzás különböző fokú elnyelésén,
-
eltérő csapadékmennyiségen keresztül.
- 339 -
Az óceánok szintén jelentős mértékben nyelik el a hőt. Az említett hatások mind befolyással vannak a globális, és számos állandó helyi szélre is, mint például a monszunra. Az állandó lokális szelek szezonális vagy napi rendszerességgel jelentkezhetnek, a helyi felmelegedés és lehűlés váltakozásával. A légáramlást az egyenlítő és a trópusok között, az úgynevezett Hadley - cirkuláció irányítja. A légtömeg az egyenlítőtől száll felfelé a trópusokig. A lehűlt levegő kb. a 30-as szélességi foknál ereszkedik le. A felszíni szél aztán visszatér az egyenlítőhöz keleti irányból. Ezt hívjuk passzátszélnek, mely egész évben megfigyelhető. Ezen a területen csak kis ingadozás tapasztalható a szélsebességben, mely általában elég nagy az energiatermeléshez. Az ázsiai kontinens és az óceán hőmérsékletének változása szezonális szelet eredményez, ez a monszun. Nyáron a kontinens erősen felmelegszik, alacsony légnyomású terület jön létre és hűvös párás levegő áramlik az Indiai-óceán felől a szárazföld belseje felé. Télen a kontinens lehűl, és nagy légnyomás alakul ki. A szél ekkor a szárazföld felől fúj az óceán felé. A közepes szélességi fokoknál megfigyelhető áramlásokat az atmoszférában az úgynevezett Rossby – hullámok irányítják, összekeverik a sarkok közeléből származó hideg levegőt a trópusi, melegebb levegővel. A légáramlás ezen a területen jellemzően nyugati, de a keveredések a szélsebesség nagy változékonyságához vezet, s frontok képződnek. Az északi félgömbön a nagy vízfelületek és a kontinensek eloszlása hatással van a nyugati áramlásra. A hegyvidékek részben lelassítják, részben el is terelik az áramló légtömegeket. A sarki területeken a felszínt borító jég visszaveri a beérkező nyári napsugárzást, s a folyamatos hűtő hatás állandó anticiklonos állapothoz vezet. Jellemzőek az igen erősek a keleti szelek.
- 340 -
A szél struktúrája A szél sebességét és irányát az atmoszférában folyó lég cirkuláció, a helyi termikus viszonyok és a talajegyenetlenségek befolyásolják, a változása az általános légcirkuláció keretében lassan órák, vagy napok alatt megy végbe. A talaj egyenetlenségei és a légkör termikus jelenségei széllökéseket idéznek elő, amikor is a szél sebességében és irányában pillanatnyi változások következnek be, amelyeket turbulenciáknak nevezünk. A függőleges hőmérséklet-gradiensektől függően az atmoszférának három lehetséges egyensúlyi alakja különböztethető meg: stabilis, indifferens és labilis. A stabilis egyensúlynál a föld felületén felmelegedett levegőnek nincs függőleges mozgása. Turbulenciák kizárólag mechanikus úton jöhetnek létre, a terepen levő akadályok miatt, de a turbulens áramlás által érintett légréteg vastagságát az atmoszféra állapota korlátozza. Indifferens egyensúly esetén a mechanikus turbulenciát az atmoszféra termikus rétegezettsége nem csillapítja. Labilis egyensúly esetén a hőmérséklet-gradiens nagyobb, mint az adiabatikus gradiens, s így a konvekció által előidézett és a mechanikus turbulencia egyaránt kialakul. 6 m/s-nál kisebb szélsebességeknél - szorosan a talaj fölött - a turbulenciát főként konvekció okozza. Nagyobb szélsebességeknél az akadályok okozta mechanikus turbulencia játszik nagyobb szerepet. A nagyobb légtömeg az akadályokon mind kisebb energia- és impulzus-értékűekre oszlanak, s egy bizonyos ideig, tér egyes pontjain szélsebesség- és szélirányváltozások formájában megtartják tulajdonságaikat.
A földi határréteg A legerősebb, egyenletes és állandó szelek a földfelszín felett néhány 10km-es magasságban találhatók. A szélturbinák az atmoszféra legalsó 30-160m magasságú rétegében működnek. Ezen a magasságon a szélre közvetlen hatással van a talajfelszín, s a súrlódás miatt a szélsebességek alacsonyabbak. A légkörnek ezt a rétegét hívják földi határrétegnek, amely a nap során a hőmérséklet növekedésével vastagodik. E határrétegben végbemenő folyamatok: a hőátadás, a rotáció és a turbulens áramlás. Ezen folyamatok
- 341 -
megértése igen fontos a szélgenerátorok optimális helyének kiválasztása, és a szerkezetet érő terhelések felmérése szempontjából. A felszín hatása A felszíni súrlódás fékező erőt fejt ki az áramló légtömegre, melynek sebessége gyakorlatilag nulla a talajszinten. Lefelé ható nyomatékok és nyíróerők ébrednek a szél szabad áramlási rétegéig. A szabad áramlás a geosztrofikus, vagy a határréteg feletti szél. A nyíróerők által uralt határréteget hívják semleges, vagy semlegesen könnyű határrétegnek. A szélsebesség növekedése a magasság függvényében igen fontos az energianyerés szempontjából. Ez a felismerés vezetett el a magas építésű szélgenerátorok építéséhez. A határréteg alsó 100 métere az úgynevezett felszíni réteg. Itt a földfelszín által okozott súrlódás a legjelentősebb hatás. Ezzel szemben a magasság függvényében a Föld forgásának hatására ébredő Coriolis - erő változása elhanyagolható. Ez az áramlatok egyszerűbb áttekintését teszik lehetővé, és mivel a berendezések ebben a rétegben találhatók, az energiatartalom számításánál jelentős könnyebbítés. A felszíni szél a nyomásból, a Coriolis-, és a súrlódási erő egyensúlyából keletkezik, iránya az alacsonyabb légnyomás felé mutat.
A szél változásai A szél sebessége folyamatosan változik, ami jól érzékelhető bármely anemométeres szélsebesség mérés során. Ha a hosszú távú szélsebesség-mérési eredményeket, mint idősorokat átalakítjuk gyakorisági függvénnyé, akkor egyfajta energiaspektrumot kapunk, vagyis megismerhetjük, hogy mely szélsebességek tartalmazzák a legtöbb energiát. Ez alapján megbecsülhetjük a kinyerhető energia mértékét is. A mérsékelt égövet két kiemelkedő érték jellemzi. Az egyiket a nagy időjárási rendszerek elhaladása, a másikat pedig ezen áramlatokban lévő turbulencia okozza. Az utóbbi a széllökésekben észlelhető. Hatása az energiatermelésre nem jelentős, de fontos a lapátokat, és az oszlopokat érő dinamikus terhelés miatt. Az energiatermelés, a gyakori szélirányváltozásoktól függően csökken, hiszen a turbina nem minden esetben áll
- 342 -
közvetlenül a szél irányában, és az irányba állási idő és az energiafelhasználás miatt a hatásfok csökken. A várható energiatermelésben jó átlageredményt a szélgenerátorok nagy területen történő csoportos elhelyezése jelent, ami által a helyi szélsebesség különbségek kiegyenlítődnek. Természetesen még ekkor is előfordulhat, hogy egy-egy nagyobb anticiklon hatása miatt napokon keresztül az egész térségben csak gyengén fúj a szél.
12.2.2 A szél mozgási energiája A szél a légkör termikus egyensúlyának megbomlásából eredő légmozgás, azaz a levegő áramlása. Az A keresztmetszeten, v sebességgel átáramló légtömeg tömegárama: m* = Av
kg/s,
amelynek egy másodpercre vonatkozó mozgási energiája: Pk
1 A v v 2 1 A v 3 2 2
W,
Ahol:
- a levegő sűrűsége *kg/m3], A – a vizsgált (pl. generátoroknál a rotor által súrolt) felület *m2], v - a zavartalan szél sebessége *m/s]. Az egyenlet három tényezőre is felhívja a figyelmet: A szélenergia arányos a levegő sűrűségével. Vagyis a magasabb hegységekben ugyanahhoz a szélsebességhez kevesebb energia tartozik. A szélenergia a szélsebesség köbével arányos, ezért igen fontos a nagy átlagos szélsebességű helyek kiválasztása. (10%-kal nagyobb szélsebesség 30%-kal több energiát jelent.)
- 343 -
A szélgenerátoroknál a szélenergia arányos a rotor által súrolt felülettel, vagy a rotor átmérőjének a négyzetével. A szélerőmű teljesítménye: Minél több energiát hasznosít egy szélerőmű a szélből, annál inkább fékezi az áramlást. Amennyiben az összes energiát hasznosítanánk, a rotor mögött nulla lenne a szélsebesség, ami tulajdonképpen azt jelentené, hogy a szél nem is hagyná el a szélerőművet. Azonban ebben az esetben egyáltalán nem tudnánk hasznosítani az energiát, mivel a szél a rotor másik oldalára nem gyakorolna hatást. A másik szélsőséges esetben fékezés nélkül áramoltatnánk át a szelet. Természetesen ebben az esetben sem tudnánk energiát nyerni belőle. Éppen ezért arra kell következtetnünk, hogy a két szélső helyzet között kell lennie egy olyan állapotnak, amikor a szél fékezése által, hasznos mechanikai energiát állíthatunk elő. A jelenség pontosabb vizsgálata során kiderül, hogy a megoldás egészen egyszerű. Az ideális szélerőmű, a mindenkor uralkodó szélsebességet 2/3-ával csökkenti. Ennek megértésére az aerodinamika alaptörvényeit kell a szélerőművekre alkalmazni. A Betz törvény azt mondja ki, hogy egy szélerőmű a szél kinetikus energiájának legfeljebb 16/27-ed részét (59%) tudja mechanikai energiává alakítani. Ezt a törvényt Albert Betz német fizikus 1919-ben alkotta. Egy szélerőmű elméleti maximális teljesítménye az alábbi összefüggésel határozható meg: Pvill
16 1 A v3 27 2
[W]
ahol: Pvill = a szélerőmű elméleti maximális villamos teljesítménye *W+ A = a szélerőmű rotorjai által súrolt felület *m2] ρ = a mindenkori levegő sűrűsége *kg/m3] v = a levegő sebessége *m/s+ 16/27 = a Betz féle maximum hatásfok tényező
- 344 -
A turbina karakterisztikájától függetlenül a turbina energia-előállítási képességét a területen mért szélsebességtől függő energiasűrűséggel fejezhetjük ki W/m2 – ben:
Szélsebesség (m/s) Teljesítmény* 2
(W/m )
5.0
10.0
76.6
612.5
15.0
20.0
25.0
2067.
4900.
9570
2
0
0.3
*Normál atmoszféránál, 1,225 kg/m3 – es légsűrűségnél.
Normál légköri nyomáson, 15°C hőmérsékleten a levegő sűrűsége 1,225kg/m3, viszont a nedvességtartalom növekedésével ez az érték csökken. Ezen kívül a hideg levegő sűrűbb, mint a meleg levegő. Nagyobb magasságokban, például a hegyekben, alacsonyabb a légnyomás, ami által a levegő sűrűsége csökken. (12.2.1. táblázat)
Ennek bizonyítást kezdjük mindjárt egy ésszerű meggondolással, mely szerint a rotorfelületen áthaladó közepes szélsebesség az érkező, tehát a rotor előtti v1 és a távozó, tehát a rotor mögötti v2 szélsebesség számtani átlaga, azaz (v1+v2)/2. (Erre Betz egy bizonyítást készített. Forrás: DAWIA, 2003)
12.2.1. táblázat: A levegő sűrűsége, atmoszférikus nyomáson A levegő sűrűsége atmoszférikus nyomáson Hőmérséklet
A száraz levegő sűrűsége
Legnagyobb nedvességtartalom kg/m3
3
[°C]
kg/m
-25
1,423
-20
1,395
-15
1,368
- 345 -
-10
1,342
-5
1,317
0
1,292
0,005
5
1,269
0,007
10
1,247
0,009
15
1,225 *)
0,013
20
1,204
0,017
25
1,184
0,023
30
1,165
0,030
35
1,146
0,039
40
1,127
0,051
*) A szélenergiahasznosítás területén, az atmoszférikus nyomáson 15°c-os száraz levegő, tengerszintnél mérhető sűrűség-értékét tekintjük általánosan alkalmazott adatnak. (forrás: DAWIA 2003)
A rotoron másodpercenként átáramló légtömeg: m * A*
v1 v2 2
Ahol: m = az átáramló tömeg, ρ = a légsűrűség, A = a rotor által súrolt felület és v1 v 2 = a rotorfelületen átáramló közepes szélsebesség. 2
A rotor által az átáramló szélből nyerhető teljesítmény azonos a tömeg és a sebességek négyzetének különbségéből képzett szorzattal. P
1 * m * v12 v22 2
- 346 -
Helyettesítsük be a tömeget a fenti összefüggéssel, akkor a következőt kapjuk. P
4
* v12 v22 * v1 v2 * A
A rotor által súrolt felülettel azonos keresztmetszeten (A), zavartalanul átáramló levegő teljesítménye a következő összefüggéssel határozható meg: P0
2
* v13 * A
Hasonlítsuk össze a két teljesítményt, és képezzük az átlagukat. A kinyerhető és a szabad áramlásban rejlő teljesítmény viszonya a következő módon alakul:
P 1 v 2 1 P0 2 v1
2
v * 1 2 v1
A teljesítményviszony és a sebességviszony alakulása P/P0 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
1
12.4. ábra
A teljesítményviszony és a sebességviszony kapcsolata (forrás: DAWIA 2003)
Most már P/P0 hányadost v2/v1 függvényében ábrázolhatjuk (12.2.6 ábra)
- 347 -
v2 /v1
A függvényből kiolvasható, hogy v2/v1 = 1/3-nál éri el a maximumát és ez a szélből nyerhető energia 59%-a, vagy másként 16/27 része az összes teljesítménynek. Azaz egy D [m] átmérőjű rotorral, v [m/s] szélsebesség mellett kinyerhető teljesítmény értéke:
Pmax
16 3 D 2 v 27 2 4
kg m 2 N m J , , , W 3 s s s
Az adott generátorral termelhető villamos energia mennyiségét alapvetően a pillanatnyi átlagos szélsebesség határozza meg. A szélsebességet és a szélirányt az atmoszféra légcirkulációja, a helyi hőmérsékleti viszonyok, és a domborzat tagoltsága együttesen befolyásolják. A szél jellegének változása az általános légcirkuláció hatására hosszabb-rövidebb időszak (órák, vagy napok) alatt megy végbe. Hirtelen betörő meteorológiai frontok ezzel szemben pillanatok alatt képesek megváltoztatni a teljes áramképet (2006. 08. 20., 2007.08.20, 2010.08.06.-09.). A szélnek ez a változékonysága azonban a villamos áram termelésére is kifejti hatását. Éppen ezért arra kell törekedni, hogy megfelelően választott mérési pontok és mérőrendszer széladatbázisa segítségével, jó leírást adjunk, ezen változásokról. A légkör termikus jellegétől és a domborzat tagoltságától függően kisebb-nagyobb széllökések keletkeznek. Ennek hatására mind a szél sebességében, mind pedig irányában pillanatnyi változások következnek be. Ezen a változások jól érzékelhetők, ha a szél struktúráját úgy képzeljük el, mint különféle méretű, háromdimenziós örvények sorozatát a fő áramlás mentén. Ezt nevezzük turbulenciának. A turbulenciának is van hatása az energiatermelésre, de nem közvetlen módon, mivel a szélerőművek nem képesek a szél sebességének, vagy irányának változására azonnal reagálni. 12.2.3 A szél időbeli változásának jellemzői Egy terület szélenergetikai jellemzése során gyakran az éves átlagos szélsebesség értékét adják meg. Egyetlen adat azonban elfedi a rövidebb ideig tartó változásokat. Mivel a termelhető villamos energia a szélsebesség köbével arányos, az ilyen jellegű elhanyagolás,
- 348 -
illetve átlagolás jelentős eltérést okozhat az éves energiapotenciál becslésénél. E probléma a széladatok részletes, éves adatfelvételével megszűntethető. Ezért az energetikai szélmérés gyakorlatában 1-60 másodperces mintavétel átlagából képzett, 1-10 perces adatrögzítés terjedt el. A mérés során minden szélirányban tárolni kell a szélsebesség nagyságát, és végül éves szinten kell kiértékelni a kapott adathalmazokat. Így kapjuk az adott terület széljárásának statisztikai leírását. A legjobb statisztikák készítéséhez a méréseket éveken át - tíz évig - kell folytatni ahhoz, hogy az egyes évek közti eltéréseket is figyelembe tudjuk venni. Számos
statisztikai
eloszlásfüggvényt
próbáltak
ki a
szélsebesség
leírásához.
A
kétparaméteres Weibull-eloszlás bizonyult a leginkább alkalmasnak erre a célra azáltal, hogy a legjobb pontossággal illeszkedik az adatsorokra.
k v f (v ) c c
k 1
e
v c
k
[%]
ahol: v = szélsebesség *m/s+ c = méret tényező *m/s+ k = alaktényező. Ha k=2, akkor megkapjuk a Rayleigh-eloszlást, amennyiben k=1, akkor exponenciális eloszlást kapunk. Ezek a Weibull-eloszlás speciális esetei. Észak-Európa nagy részén a k tényező közel egyenlő kettővel. A c tényező értéke az adott átlagos szélsebesség értékével egyezik meg. A Rayleigh eloszlásfüggvény:
f (v )
v 2 vá2
e
v 4 vá
ahol: vá = az átlagos szélsebesség.
- 349 -
2
%,
A szélsebesség-eloszlás matematika leírása lehetővé teszi a szélerőmű teljesítményjelleggörbéivel való összevetést. Így megkapható a szélerőmű éves energiahozama. Továbbá lehetőség nyílik olyan konstrukció kiválasztására, amely lehetővé teszi adott helyszínen, a legnagyobb üzemi hatásfok elérését. (forrás: Tóth-Horváth 2003)
12.5. ábra
A Weibull eloszlás alakulása különböző k értékek esetén (forrás: Tóth 2005)
12.2.4 A szél, magasságtól való függése
A szélsebesség a földfelszín közelében A szélsebesség tetszőleges z magasságban számítható, ha adott zR referencia magasságban ismert az értéke. A logaritmus-szabály szerint:
- 350 -
v vR
z ln z0 z ln R z0
ahol: v a keresett szélsebesség (m/s), a z magasságon(m) vR az ismert szélsebesség (m/s), a zR referencia magasságon (m) z0 az érdességi hossz (m). A referencia-magasság a meteorológiai méréseknél általában 10m, mivel a legtöbb átlagos szélsebesség érték erről a magasságról származik. Az eltérő magasságban rögzített adatokat 10 méterre átszámítják. Az érdességi hossz meghatározásához két ismert magasságban szükséges rögzíteni a szélsebesség értékét. Az egyes magasságokból származó átlagos szélsebességet a magasság logaritmusának függvényében ábrázolva határozhatjuk meg z0 értékét (12.2.8. ábra).
- 351 -
12.6. ábra
Az érdességi hossz grafikus meghatározása
A mérnöki gyakorlat, a könnyebb kiértékelhetősége miatt, a hatványkitevő segítségével kifejezett függvénykapcsolatot részesíti előnyben: v z D vR z R
Az α kitevő értéke jellemzően 0,1 és 0,5 között változik. Nagyságát számos tényező befolyásolja: a táj felszínének jellege, a területen található növényzet, az épületek és a különböző meteorológiai jellemzők (páratartalom, hőmérséklet, nyomás). (forrás: Tóth-Horváth 2003) Az α, magassági hatványkitevő, a földfelszín feletti magasság függvényében folyamatosan változik. Értéke, szakszerűen kivitelezett méréssorozat adatbázisából kiszámítható.
12.2.2. táblázat: Egyenetlenségi osztályok és a Hellmann-tényező értéke Érdességi osztály 0
z0 [m] 0.0002
A felszínborítás jellege
Hellmanntényező
Nyílt vízfelszín
0,01
Kifutópálya, nyírt füves terület, 0,5
Simított földfelszín, 0,0024
Sima havas felület,
0,1
Sima homokos felület Nyílt mezőgazdasági terület, fák és 1
0.03
bokrok nélkül, távolra elszórt épületekkel, nagyon enyhe lankák
- 352 -
0,15
Mezőgazdasági terület kevés építménnyel, fával, 1,5
0,055
Max. 8m-es bozótossal,
0,17
legalább 1250m távolságban Mezőgazdasági terület kevés építménnyel, fával, 2
0,1
0,2
Max. 8m-es bozótossal, legalább 500m távolságban Mezőgazdasági terület kevés építménnyel, fával, 2,5
0,2
Max. 8m-es bozótossal,
0,25
legalább 250m távolságban Falvak; kisvárosok; mezőgazdasági 3
0,4
területek kis,vagy magas bozóttal, erdők;
0,3
nagyon durva, egyenetlen domborzat Nagyvárosok, magas épületekkel, 3,5
0,8
4
1,6
extrém domborzat
0,5
Nagyvárosok, magas épületekkel és felhőkarcolókkal, hegyvidék
> 0,7
A szél magasságtól való függése, a korábban már leírtak szerint, exponenciális összefüggéssel fejezhető ki: v h v g h g
ahol: h: magasság (m) hg: határmagasság (m) v: h magasságban mérhető sebesség (m/s)
- 353 -
(m/s)
vg: gradiens szél sebessége a határmagasságban (m/s) α: a terep egyenetlenségétől (érdességétől), a szélsebességtől függő tényező (forrás: Tóth-Horváth 2003)
12.7. ábra
A felszíni egyenetlenségek befolyásoló hatása a függőleges szélprofilra (forrás: EWEA 2006)
A terep egyenetlensége, a beépítés sűrűsége, a meglevő építmények nagysága, valamint a növényzet összetétele és jellege (ez utóbbi miatt az évszakok változása is) határozza meg az α értékét (12.2.8 ábra). Az egyenetlenség nem az egyes akadályok hatásából, hanem számos akadály összegződött hatásából származik (Forrás:Davenport 1960). Davenport vizsgáltai szerint az α kitevő értéke a felszín érdességétől függően a következőképpen alakul: Sík mező
0,12
Nyílt terep
0,16
Erdős síkság
0,28
Város alacsony épületekkel 0,35 Város magas házakkal
0,50
- 354 -
A nem homogén területekre a leírt törvények módosított változatai használhatók, ezekhez táblázatok és grafikonok állnak rendelkezésre (Gasch 1991)
A szélsebesség és a domborzati magasság kapcsolata
A domborzat különösen meghatározó a felszín közeli szélviszonyokra.
12.8. ábra:
A domborzat enyhe változásának hatása
A 10-20%-nál kisebb domborzati meredekség változás, a mozgó légtömeg áramvonalainak irányválktoztatásával és azok besűrítése által, jelentősen felgyorsítja a szélsebesség vektor vízszintes irányú komponensét. Ezáltal kedvező áramlási feltételt teremt a szélerőművek üzemeltetéséhez a dombtetőn. E miatt, a szélerőművek elhelyezésénél nagyon fontos a helyi domborzati adottságok ismerete. Ez a kedvező hatás, a szélerőművek oszlopmagasságának emelésével tovább növelhető.
Bizonyos domborzati viszonyok, valamint a felületi érdességet meghatározó felszíni, tájalkotó elemek hatása azonban már hátrányosan befolyásolja a légtömegek áramlását, akadályt képeznek a szél útjában. Épületek, magas fák, a domborzat hirtelen változása, a 20%-nál nagyobb lejtő, illetve emelkedő, turbulens hatást váltanak ki, valamint mögöttük jelentős mértékben lecsökken a szél sebessége (12.2.9. ábra)
- 355 -
Szél Szél Szél
Magasság
12.9. ábra
A sűrű növényzet hatásaára kialakuló turbulencia
Mivel a dombok ritkán szimmetrikusak, ezért egyes irányokból igen jó áramlási kép alakulhat ki, míg más irányokból kifejezetten kedvezőtlen.
12.10. ábra
Hirtelen magasság-növekedésnél turbulencia lép fel.
- 356 -
A felszíntől mért magasság / Az akadály magassága (%)
Az akadálytól mért távolság / Az akadály magassága (%) 12.11. ábra
A szélsebesség csökkenés százalékos mértéke, az akadályok mögött
Számos numerikus modell van a domborzat hatásának elemzéséhez, de a legtöbb dombos vagy hegyvidéki terület komplexitása igen megnehezíti a helyzetet. Az atmoszferikus stabilitás gyakran szintén légmozgást okoz, melyet nehéz előre jelezni. Ezen okok miatt a leendő telephely előzetes felmérése alapvető, meghatározó fontosságú feladat.
12.2.5 A szél mérése
A szél észlelése műszer nélkül A szélirány, becsléssel történő megállapítására sok lehetőség nyílik. Alkalmas erre a célra a kéményekből felszálló füst, amely igen érzékeny a szélirányváltozásokra. Felhasználhatjuk a repülőtereken lévő szélzsákokat, a falevelek, ágak vagy a fák mozgását. Ezzel szemben a felhők vonulási iránya nem ad megfelelő támpontot, mivel még alacsonyan mozgó felhők
- 357 -
esetén is az adott magasságban uralkodó szélviszonyok a földfelszín közeli adottságoktól jelentős mértékben eltérhetnek. A szél sebességének műszer nélküli becslése azon a hatáson alapszik, amit a különböző erejű szelek a növényzetre, az épületekre és az emberre gyakorolnak. Ezeknek a megfigyelésével készült a Beaufort-féle tapasztalati szélerő skála, amely eredetileg a szélcsenden kívül 12 erősségi fokozatot különböztetett meg, de újabban 17 részre bővítették, s ezzel a nagy trópusi viharokat is osztályozni lehet. Az egyes szélerő értékeket nehéz pontosan elhatárolni egymástól. Az 1-2 fokozat gyenge, a 3-4 mérsékelt, az 5-6 erős szelet jelöl, amit közönséges értelemben is szélnek nevezünk. A vihar a 7-es fokozattal kezdődik. A fokozat megállapításánál sohasem a legerősebb széllökést figyeljük, hanem az átlagos erősséget becsüljük meg. Az említett összeállítás az egyes szél-fokozatokat szárazföldi használatra adja meg; a tengeren való alkalmazására más hatások - elsősorban a szél által keltett hullámok alakja és mérete szolgálnak.
A szél észlelése, műszerrel A szélsebesség és a lökésesség mérése A szélsebesség sosem állandó, az idővel arányosan folyton változik. A széllökéseket és a turbulencia mértékét a helyszín és az érdesség erősen befolyásolja. A kontinensek belseje felé haladva és a nagyobb felületű sík vidékeken egyre inkább nyugodtak a szélviszonyok, mivel itt a légtömegek szabadon áramolhatnak. A leginkább a tengerek, illetve az óceánok felett válik egyenletessé a szél mozgása.
12.2.3. táblázat: Az IEC szélosztályok (Forrás: MSZ EN 61400-1)
IEC szélosztályok
Átlagos
A legnagyobb
A legnagyobb
A legnagyobb
szélsebesség a
50éves, 10 perces
50éves, 3
évenkénti, 3
rotortengely
átlagsebesség
másodperces
másodperces
- 358 -
magasságában
(m/s)
széllökés (m/s)
széllökés (m/s)
(m/s)
A
IV
6,0
30,0
42,0
31,5
III
7,5
37,5
52,5
39,4
II
8,5
42,5
59,5
44,6
I
10,0
50,0
70,0
52,5
Beaufort
skálát
elsősorban
atengerészeti
és
szabadidős
célok
(vizisí,
szörf)
meghatározásánál alkalmazzák. A szélenergiaiparban egy másik skálát alkalmnazunk egy terület jellemzésére, illetve osztályba sorolásához, az IEC szélosztályokat (12.2.3. táblázat). Ennél a besorolásánál minnél nagyobb az osztály számozása, annál alacsonyabb az átlagos szélsebesség a rotortengely magasságában. A szélsebesség mérésére szolgáló műszereket anemométereknek nevezzük, a szélsebességet folytonosan regisztrálókat pedig anemográfoknak. A szélsebességmérők vagy az egységnyi felületre ható szélnyomást mérik, vagy a szél időegység alatt megtett útját. A legegyszerűbb ilyen műszer az imént említett szélzászló fölött alkalmazott nyomólap, amit a szél, nyugalmi helyzetéből kimozdít. A többi szélsebességmérőnél az alábbi mérési elvek érvényesülnek: 1. Forgókerekes (a szél okozta nyomás egy kereket forgat, melynek forgási sebessége a szélsebességgel arányos) 2. Aerodinamikus (a szélsebességtől függő dinamikus nyomást mérik 3. Elektromos (a szél hűtő hatásán alapszik) 4. Akusztikus (például a Doppler-effektus alkalmazásával)
Forgókerekes (rotációs) szélsebességmérők: Legelterjedtebb a forgókanalas szélsebességmérő. Ezek függőleges forgástengelyű műszerk. A vízszintes síkban forgó kerék rendszerint három vagy négy küllőjére, műanyagból készült félgömböt erősítenek. A szélnek kitett érzékelőrész forgásba jön, bármilyen legyen is a
- 359 -
szélirány, mert a kanalak homorú felületére a szél nagyobb nyomóerőt gyakorol, mint a domborúra. A kanál-körülfordulások időegységre vonatkoztatott számából meghatározható a közepes szélsebesség.
12.12. ábra
Különféle kialakítású kanalas anemométerek Abban az esetben, ha írókészülékkel kapcsoljuk össze a műszert, regisztrálásra is felhasználható. Az idővonal mentén fölrajzolt jelek számából meg lehet határozni a sebességet.
Az akusztikus szélmérő:
12.13. ábra
Az „akusztikus szélmérő‖ érzékelő teste (forrás: Makra 1991) - 360 -
A 12.2.11. ábrán egy „akusztikus szélmérő‖ érzékelő részének felépítését látjuk. A speciális fémkereten 6 db kettős rendeltetésű (hangkibocsátó és érzékelő) mérőtest helyezkedik el. Az egyes mérőtestek által kibocsátott hangimpulzusok a széliránytól és szélsebességtől függően különböző időbeli eltéréssel jutnak el a többi mérőtesthez. Mindezt elektronikus berendezés értékeli és a kapott jelek bonyolult halmazából rekonstruálja a szélvektor háromdimenziós változásait.
A SODAR:
a) A SODAR mérési elve
b) A 64 darab hanglokátor 12.14. ábra
A SODAR-működése (forrás Varga et al. 2005)
A SODAR (SOnic Detection And Ranging) egy olyan távérzékelési eszköz, amely a hanghullámok segítségével méri a szél irányát és sebességét. A mérés a légkörben állandóan jelenlévő mikroturbulenciák, örvények érzékelésén alapul. A mikroturbulenciák szabálytalan változása határozza meg a szél pillanatnyi értékének függőleges és vízszintes összetevőjét. Keletkezésük egyrészt az atmoszféra termikus változásaiból ered, másrészt az áramló levegő útjában lévő természetes és mesterséges akadályok okozzák. E hatások az atmoszférában különböző turbulens rétegeket hoznak létre. Az atmoszférába kibocsájtott hanghullám találkozik, áthalad ezeken a turbulens rétegeken és az energiája minden irányba szétszóródik. Habár a különböző termikus és mechanikus
- 361 -
turbulenciák elnyelik az energia egy részét, valamennyi visszajut a hangforráshoz. Ezt a visszasugárzott energiát (az atmoszféra visszhangját) méri a monostatikus SODAR rendszer. A monostatikus SODAR-nál a hangkibocsátó és fogadó antenna egy egységet alkot. Az érzékelt örvény és a fogadóantenna által bezárt szög 180°. A visszasugárzott energia kizárólag termikus turbulenciákról érkezik. A bistatikus SODAR rendszereknél a kibocsátó és fogadó antennák egymástól elkülönített egységek. Ebben az esetben az örvény és a jelfogó által bezárt szőg eltér a 180°-tól. A rendszer a termikus és mechanikus hatások okozta turbulenciáról érkező jelet is érzékeli. Ez egy erősebb és folyamatosabb mért jelet eredményez. A gyakorlatban alkalmazott SODAR rendszerek többsége monostatikus, mivel ennek felépítése egyszerűbb és gyakorlatiasabb. A Doppler jelenség következtében a kibocsátott és visszatérő jel frekvenciájában történő változás mérése alapján meghatározható az örvény mozgása és helyzete. Amennyiben az örvény a SODAR antennája felé halad akkor a visszaverődő jel frekvenciája magasabb lesz, mint a kibocsátott jel frekvenciája. Következésképpen, ha az örvény távolodik a jelfrekvencia gyengül. Ezt a fizikai jelenséget használják fel a Doppler SODAR-nál az atmoszférikus szél és turbulencia mérésére. A visszatérő jel intenzitásának és frekvenciájának időarányos mérése alapján a kibocsátó antennától különböző távolságra meghatározható a sebesség változása az atmoszférában. További információ nyerhető a függőleges irányba és a függőlegeshez képest kissé döltve, merőlegesen kibocsátott kettő, vagy több egymásutáni jelből. Ebből számítható a vertikális szélirány és a szélsebesség vízszintes és függőleges komponense. A SODAR rendszer meghatározott hullámhosszúságú jeleket bocsát ki és fogad. Minél távolabbi helyről érkezik vissza a kibocsátott jel annál gyengébb, ezért a rendszer érzékeny a háttérzajokra. Egy adott vételi jelgyengülés esetén a háttérzaj oly mértékben zavarhatja a rendszert, hogy az adatok értelmezhetetlenné válnak.
- 362 -
A visszaérkező jeleket a talaj közelében lévő tárgyak szintén befolyásolják. Ezek lehetnek például a mérőrendszer közelében lévő fák, vagy magas épületek. Ilyen esetben a visszaérkező jel szintén értelmezhetetlenné válik. Fontos továbbá hangsúlyozni, hogy a SODAR-nál a hanghullámokat közvetítő közeg a levegő, ezért a közeg megváltozása (magas páratartalom, sűrű eső) is befolyásolhatja a visszatérő jeleket.
12.15. ábra
A DSDPA.90-64 típusú Doppler SODAR rendszer A SODAR-mérőrendszer (forrás Varga et al. 2005)
A SODAR alpvetően mintegy 40-600 méter közötti tartományban, 20 méterenként képes a szélsebesség és a szélirány mérésére. A széliparban elsősorban az úgynevezett Mini-SODARokat alkalamzzák, melyek működési tartománya kisebb, mintegy 20-150 méter közötti, felbontásuk azonban pontosabb, 5-10méter. A SODAR hátránya, a gyenge bejövő jel érzékeléséből eredő pontatlanság mellett, a jelentős energiaigény. Míg a hagyományos, kanalas
szélsebességmérők
akkumulátoros
áramforrás
segítségével
könnyedén
üzemeltethetők, addig a SODAR jellemzően hálózati energiaellátást igényel (230V-50Hz). A SODAR kiemelendő előnyös tulajdonsága, hogy a szélerőműrotor teljes üzemi szintjéből szolgáltat a szélsebességre, szélirányra és a szélnyírásra vonatkozó adatokat.
- 363 -
12.16. ábra:
Az anemométerek adatai alapján szerkesztett logaritmus profil (vα) és a SODAR-ral rögzített (vp) szélprofil
A 12.2.14. ábra az átlagos szélprofilt szemlélteti, a kapott adatokat irányonként bontva, az eltérés még markánsabb.
12.3
A szélerőművek rendszerezése
- 364 -
12.3.1 A szélgépek konstrukciós kialakítása, működése, a termelt energia hasznosítása A szélerőgépek segítségével a szél kinetikai energiája alapvetően mozgási, vagy villamos energiává alakítható át. Napjainkban e konstrukcióknál elsősorban a szivattyúk hajtása jöhet számításba, amelyekkel víztárolókat töltenek fel, vagy légtartályokat feltöltő légsűrítő berendezéseket hajtanak. Az így tárolt energiát a későbbiekben pl. olajmotorok, vízturbinák, vagy különféle légmotorok hajtására lehet felhasználni. Az 12.3.1. ábrán a jelenleg is gyártásban lévő vízhúzó változatok láthatóak. Ezek közül a legnagyobb darabszámban az amerikai rendszerű sűrű lapátozású szélmotorokat gyártják.
12.17. ábra
Szivattyúkat hajtó szélmotorok A) dugattyús szivattyú; B) membránszivattyú; C) csavarszivattyú; D) centrifugál szivattyú; E) többfokozatú centrifugál szivattyú; F) csigaszivattyú; G) kanalas láncos vízemelő; H) mamutszivattyú (forrás: Tóth-Horváth, 2003)
A szélerőgépek másik változata a kinetikai, majd a mechanikai energiát villamos energiává alakítja át. Ezeket a berendezéseket már szélerőműveknek nevezzük. A jelenlegi korszerű szélerőművek vízszintes tengely elrendezésűek, mely megegyezik a szél jellemző irányával. Csoportosításuk a vízszintes tengelyen lévő lapátok száma és elhelyezése szerint is történhet (12.3.2. ábra). Legegyszerűbb változatot képez az egylapátos kivitel, mely egyszerű szerkezeti kialakítást takar, viszont nagyobb berendezéseknél akadályt jelent a lapát kiegyensúlyozása (különösen a teljesítmény növelésénél).
- 365 -
12.18. ábra
A szélerőművek lapátozása (forrás: Patay: A szélenergia hasznosítása)
A legjellemzőbb a 3 lapátos konstrukciós kialakítás, amely a világ szélgenerátor állományának nagyobb hányadára és a legújabb típusokra is jellemző. Másik
jellemző
csoportosításuk
az
alkalmazott
generátor
szerint
történhet.
Így
megkülönböztetünk szinkron és aszinkron rendszerű generátorokat.
12.3.2 A teljesítmény szerinti felosztás Az alapvető kiviteleket három csoportra sorolhatjuk: A kicsi, különálló turbinák csoportja, amelyeket akkumulátor töltésére, vagy fűtésre használnak (10 kW tartomány alatt). Ezek, gazdaságosság szempontjából a villamos hálózatoktól távol eső helyeken a legsikeresebbek (12.3.3. és 12.3.4. ábrák). Alapkivitelben a generátorok akkumulátorokat töltenek és a tárolt energiát a későbbiek során a célnak megfelelően alakítják át. A legegyszerűbb alkamazás, amikor a háztartási berendezések közvetlen az akkumulátorok egyenfeszültségéről működnek (rádiók, televíziók, hűtőszekrények, stb.). Előnyösebb lehet, ha a telepekben tárolt energiát invertereken keresztül ismételten váltakozó feszültségű (a hálózatból nyert háztartási villamos energiához hasonló feszültségű és periódusú) 50 Hz–es energiává alakítják át, s így a hagyományos háztartási berendezések közvetlenül üzemeltethetők. Az így nyert energia költsége többszöröse lehet a hálózatból nyert villamos energiának, vagyis olyan helyeken, ahol hálózati villamos energia is rendelkezésre áll, kevésbbé gazdaságosak.
- 366 -
12.19. ábra
12.20. ábra
5,0-10,0 kW teljesítményű generátor, rácsos
1,0-3,0 kW teljesítményű gyorsjárású
oszlopon
generátor (vitorlás hajókon is használatosak)
A második csoportba tartoznak a hibrid energiarendszerek közepes méretű szélturbinái (10 – 150 kW tartomány), amelyeket más energiaforrásokkal is kombinálnak, pl. fotoelektromos panelekkel, vagy dízelgenerátorokkal.
12.21. ábra
Helyi villamos hálózat ellátása és akkumulátor töltése(5,0-15,0 kW) A- vezérlő és szabályzó, B- fűtőegység, C- inverter, D- akkumulátorok, E háztartási berendezések meghajtása, F vízszivattyú, G- TV, rádió, videó, stb.
- 367 -
A harmadik csoportba tartoznak a közép- illetve nagyméretű szélturbinák, melyek teljesítménye a 80-as évek óta 100-ról 1500-3000 kW-ra nőtt. A tengeri kölülmények között üzemelők teljesítménye meghaladja az 5,0MW-ot. A hálózatba kapcsolt szélgenerátorok gyakran un. szélfarmon üzemelnek. Napjainkban a legelterjedtebbek a háromlapátos, vízszintes tengelyű kivitelek, amelyek fix, vagy vezérelt fordulatszámmal működnek. Kontinentális viszonyok között a változó fordulatszámú megoldások számos előnnyel rendelkeznek. Egyre hatékonyabb alkalmazásukat a mikroelektronika nyújtotta lehetőségek és a célraorientált szoftverek is segítik. 12.3.3 Áramtermelés szélerőművekkel A szélerőművek üzemeltetéséből eredően közvetve, vagy közvetlenül számos más energiahordozó állítható elő (12.3.6. ábra), mindezek közül az egyik legjelentősebb a villamos energia előállítása.
12.22. ábra
A szélerőművek üzemeltetéséből származó energiatermelési lehetőségek (forrás: Tóth-Horváth, 2003) - 368 -
A villamos energia előállítására alkalmazott szélerőművek alapvetően két generátor típussal kerülnek kialakításra. A szélerőművekben alkalmazott generátorok a hagyományos erőművekben alkalmazott generátorokhoz képest jelentősen eltérő alkalmazást jelentenek. Itt ugyanis a forrás oldali mechanikus energia folyamatosan változik, nagysága tág határok között ingadozik. A nagyobb teljesítményű (150kW felett) szélgenerátorok általában háromfázisú áramot állítanak elő 690V feszültségértéken. Ez a feszültség a szélerőműben, vagy a szélerőmű mellett elhelyezésre kerülő transzformától segítségével, a helyi hálózati feszültség függvényében 10-30 kV-ra lesz feltranszformálva. A szélerőművekben alkalmazott generátorok lehetnek szinkron, vagy aszinkron üzeműek, melyeket direkt, vagy indirekt csatlakoztathatunk a helyi villamos hálózatra.
12.23. ábra
Közvetlen hajtás az Enercon E-70 típusú generátornál (forrás: Enercon GmbH)
Közvetlen kapcsolat abban az esetben hozható létre, amennyiben a szélerőmű a hálózati feszültséggel azonosan szinkronizált háromfázisú feszültséget állít elő. Közvetett kapcsolat esetén a szélgenerátorral előállított feszültség különböző elektronikai egységeken keresztül kerül szinkronizálásra, majd ezt követően táplálják a hálózatba.
- 369 -
A szinkron üzemű generátorok, működési elvüknél fogva csak szinkron fordulatszámon tudnak üzemelni. Szélerőművek esetén a változó szélsebességből eredő fordulatszám ingadozást a pólusszám változtatása segítségével kompenzálják. Ez azt jelenti, hogy nem a legegyszerűbb, kétpólusú generátort alkalmaznak, hanem a póluspárok számának növelésével érik el, hogy alacsony fordulatszámon is megfelelő szinkron feszültség indukálódjon. Szinkron generátor alkalmazása esetén a villamos hálózati csatlakozás közvetett módon történik. A változó számú rotor fordulat hatására indukálódó változó frekvenciájú feszültséget először egyenirányítják, majd egy váltó-egyenirányító segítségével a hálózati feszültségnek megfelelően alakítják. Így mechanikus áttételek alkalmazása nélkül, széles fordulatszám tartományban tudják üzemeltetni a szinkron generátorral szerelt szélerőműveket.
12.24. ábra
A Vestas V90 típusú szélerőmű meghajtás kialakítása (forrás: Vestas Wind Systems A/S)
Az aszinkron generátoroknál a szükséges fordulatszám tartását hajtómű alkalmazásával oldják meg. E generátorok alkalmazásának két fő oka: a nagyfokú műszaki megbízhatóság és a kedvező költségarány. Továbbá olyan műszaki tulajdonságok (szlip, túlterhelhetőség), melyek különösen előnyösek a szélerőművekben történő alkalmazásnál. Az aszinkron generátor több nevezetes fordulatszámot ismerünk: üresjárási-, szinkron- és üzemi fordulatszámot. Míg a szinkron generátorokban csak a szinkron fordulatszámon
- 370 -
indukálódik feszültség, addig az aszinkron generátorokban, ugyanezen a fordulatszámon nem történik ez meg. Ennek oka a generátor működéséből adódik. Ahhoz, hogy az aszinkron generátorban feszültség indukálódjék a szinkron fordulatnál nagyobb fordulatszámot kell produkálni. A szinkron és az üzemi fordulatszám közötti különbség a szlip (mindössze 1%), mely egy előnyös mechanikai tulajdonság, mivel a generátor a nyomaték változását (mely a szélsebesség változásából ered) könnyen tudja követni. Ennek köszönhető, hogy az aszinkron generátorokat (a szinkron generátorokkal ellentétben) szívesebben kapcsolják közvetlenül a villamos hálózatra. Az áramtermelő szélgenerátorok teljesítménye
vBe
vN vMax
vLe
12.25. ábra
A pitch lapátvezérléssel rendelkező szélerőművek teljesítmény – szélsebesség és teljesítmény-tényező – szélsebesség diagramja
A szélgenerátorok leadott teljesítménye nem egy állandó érték. Ezt szemlélteti a 12.3.9. ábra, amely pitch rendszerű szélerőmű esetében, a szélsebesség függvényében ábrázolja a teljesítmény (P) és a teljesítmény-tényező (cp) értékének változását. A rotor forgása A rotor forgása a bekapcsolási szélsebességnél indul el (vBe) , ekkor a leadott teljesítmény, a diagramban jelölt szélerőműnél (Enercon E-82, 2000kW) 3,0kW. A bekapcsolási szélsebesség értéke erőművenként eltérő, általában 2,0 – 4,0 m/s érték között változik. A példában szereplő szélerőmű, a névleges teljesítményét 12,5m/s szélsebességnél éri el. Ekkor - 371 -
a leadott teljesítmény 2000kW. A rotor forgása a lekapcsolási szélsebesség (vLe) eléréséig tart, amikor a vezérlő rendszer leállítja az erőmű működését. Ez általában 25,0m/s szélsebességnél következik be. A névleges teljesítmény eléréséhez tartozó és a lekapcsolási szélsebesség közötti tartomány a névleges teljesítmény tartomány. A szélerőműveket, működésük közben egy felügyeleti rendszer folyamatosan ellenőrzi és feldolgozza a külső (környezeti) és a belső (rendszer) paramétereket. A begyűjtött és kiértékelt adatok alapján tíz perces időintervallumokban megváltoztatja a rendszer beállításait, amennyiben ez szükséges. Ennek eredményeként lehet elérni az adott külső feltételek mellett a rendszer aktuális optimalizált állapotát. Ennek a szabályozásnak az eredménye az is, hogy a névleges teljesítmény nem egy állandó érték. A névleges teljesítmény tartományban is kisebb intervallumban változik az értéke. Ezt szemlélteti a 12.3.9. ábra egy kiemelt részlete, a 12.3.10. ábrában.
12.26. ábra
A pitch vezérelt szélerőművek leadott teljesítménye a névleges tartományban
12.3.4 Szigetüzemű alkalmazás Szélerőművek szigetüzemű alkalmazásról akkor beszélünk, amikor a megtermelt energiát egy helyi hálózatba tápláljuk, például egy családi ház, vagy egy üzem energiaigényének kisegítésére.
- 372 -
szabályzás
szigetüzemű hálózat
G
akkumulátor töltő
szárnylapát állítás
külső vezérlés
12.27. ábra
A szigetüzem vázlata (forrás: Tóth-Horváth, 2003)
A rendszer megtervezésénél fő feladat a szélerőgép kiválasztása és a tárolókapacitás meghatározása. A szélerőgép névleges teljesítményét az alábbi egyszerű összefüggésből határozhatjuk meg: v v P n (P P ) n n v b v v a a
n P P [W] v i i 1
Ahol: vn - a névleges teljesítményhez tartozó szélsebesség *m/s+, va - a helyre jellemző átlagos szélsebesség [m/s], Pb - a beépített teljesítmény, a fogyasztók összes névleges teljesítménye [W]. Pv a hálózat veszteségteljesítménye *W+.
- 373 -
Pv-t meglehetősen körülményes meghatározni, ezért célszerű a hálózati jellemzők függvényében (vezetékhossz, keresztmetszet, fajlagos ellenállás, terhelés) a beépített teljesítmény 5-20 %-a között megbecsülni. A tárolókapacitást a következő összefüggés segítségével kalkulálhatjuk:
K
P n m n i *Aó+ A i U i 1 n
Ahol: m a tartaléknapok száma, azaz egy feltöltéssel elérhető üzemidő napokban,
P i az i. fogyasztó áramfelvétele *A+ U n
ni az i. fogyasztó napi üzeme *ó+
Az energiaellátás biztonsága m helyes megválasztásán múlik. Ha a tárolókapacitás kicsi, időszakonként ellátási problémák lehetnek. Ha túl nagy, a megtermelt energia egy része veszendőbe mehet, mivel a feltöltött tárolókapacitás nem képes további energiát befogadni. Az egyenfeszültségű hálózat és fogyasztók alklmazása energetikailag nem előnyös megoldás. Kedvezőbb a váltóáramú hálózat kialakítása, normál váltóáramú fogyasztókkal. A váltóáramú ellátást úgy oldhatjuk meg, hogy a hálózat és az akkumulátorok közé egy DC/AC invertert (egyenáramú/váltóáramú átalakítót) építünk. Az átalakítás ugyan némi veszteséggel és többletköltséggel jár, azonban hosszabb távon a befektetés megtérül és nem kell speciális fogyasztókat beszerezni. Ahol elektromos hálózat is rendelkezésre áll, a két rendszer kombináltan alkalmazható. Az ellátást a villamos szélerőgép által megtermelt energiára alapozzuk, de szükség esetén (pl. csúcsfogyasztás) a rendszert a hálózatról üzemeltetjük. A vegyes üzem intelligens áramköri elemekkel könnyen megoldható.
- 374 -
12.3.5 Szélerőművek szabályozása Az üzemeltetés legnagyobb kihívása, hogy a megtermelt energiát pillanatról-pillanatra illeszteni kell a fogyasztók véletlenszerűen változó igényeihez. Egy szélerőmű a rövid időre szükséges energiatárolást a kinetikus energia növekedése vagy csökkenése útján tudja megvalósítani.
Azonban
teljesítményváltozásának
átmenetileg, hatására,
akár
megváltozhat
a
fogyasztók, a
generátor
akár
a
szélerőmű
szögsebessége,
illetve
frekvenciája. A fogyasztók viszont joggal várják el, hogy az erőmű mind a frekvenciát, mind a feszültséget állandó értéken tartsa. Ezt úgy oldják meg, hogy a szabályozás segítségével megváltoztatják a generátor teljesítményét, úgy hogy állandósult állapotban a generátor teljesítménye azonos legyen az úgynevezett tranziens teljesítménnyel.
A meddő
teljesítményeknek szintén egyensúlyban kell lenniük. Azonban fontos kérdés, hogy ez az egyensúly milyen feszültségértéknél jöhet létre. Ezt a második szabályozási feladatot általában egy második, feszültségszabályozó hurok valósítja meg. Erre a célra különösen jól megfelel egy feszültségszabályozott szinkron generátor. Aszinkron generátor esetében a szabályozott meddő energiaforrásra is szükség van, hogy a feszültséget állandó értéken tudjuk tartani. Példaként először tételezzük fel, hogy a szélből az erőmű által kinyerhető teljesítmény meghaladja az ellátott fogyasztók együttes pillanatnyi igényét. Ekkor a frekvenciát a generátor fordulatszám szabályozójával, a feszültséget pedig a generátor gerjesztésével lehet a kívánt értékre beállítani. Szinkron generátor esetén a feszültség és frekvencia egymástól kölcsönösen függő változók, amelyeket célszerű két – többé-kevésbé függetlenített – szabályozókörrel beállítani Kontinentális viszonyok között üzemelő szélerőműveknél alkalmazott egyik szabályozási mód a lapátszög szabályozás. Segítségével a rotor szögsebessége közel állandó értéken tartható. A fő szabályozási kör a generátor kimenő teljesítményére épül. A szabályozás lényege, hogy a teljesítmény szabályozó kimenő jelét korlátozza a fordulatszám szabályozó, amelyik a kívánt értéken tartja a szögsebességet. A lapátszög szabályozás alárendelt sebesség szabályozással rendelkezik, amely így megfelelő stabilitást kölcsönöz az egész körnek.
- 375 -
Aszinkron generátorok esetében feszültség szabályozó kondenzátor telepek ki- és bekapcsolásával tartják a fogyasztó oldali feszültséget egy tolerancia-sávon belül. A gyakorlatban 2 – 12 lépcsőben szokták megvalósítani az átkapcsolást. Ha a fogyasztók pillanatnyi teljesítménye meghaladja a szélből kivehető maximális teljesítményt, akkor a működés a következő intézkedések valamelyikével tartható fenn: -
a fogyasztók egy részének kikapcsolása,
-
járulékos energiaforrás bekapcsolása.
12.3.6 Szélerőművek telepítése A szélerőműveket egyedileg, vagy csoportosan telepítik. Az egyedi telepítés egyik változata a fent leírt szigetüzemű alkalmazás.
12.28. ábra
Szélerőművek vonalas telepítése (forrás: AWP GmbH. Eisenstadt AT)
- 376 -
A szélenergia hasznosításban gazdasági előnyt jelent, ha az erőműveket csoportosan telepítjük. Így viszonylag kis helyen erőműhálózat hozható létre, amely a fajlagos beruházási és üzemeltetési költségeket jelentősen csökkenti, a szélből nyert villamos energia piaci versenyképességét növeli. A szélfarmokkal kapcsolatban meglehetősen sok tapasztalat gyűlt már össze elsősorban az Egyesült Államokban (Kalifornia) és Nyugat Európában (Dánia, Anglia, Németország) létesített erőműhálózatok révén. Az erőműtelepeket a jó széljárású, tengerparti vidékeken és szeles fennsíkokon kezdték el telepíteni, ahol általában a lakosság gyér, a gépek telepítésére szinte korlátlanul áll rendelkezésre hely. Más a helyzet kontinentális viszonyok között, például Európa „belsejében‖. A viszonylagos helyszűke miatt a csoportos telepítés helyszíneinek kiválasztása nagy körültekintést igényel. A csoportos telepítés egyik alapvető kérdése a berendezések elhelyezésének maghatározása úgy, hogy az erőművek ne zavarják egymás működését. A telepítési rend maghatározásához tudnunk kell, hogy hogyan alakulnak az áramlási viszonyok az erőmű után.
12.29. ábra
Térhálós telepítésű szélerőművek (forrás: AWP GmbH. Eisenstadt AT)
- 377 -
Csoportos telepítésnél a telepítési rendet nagyon sok tényező befolyásolja (domborzat, uralkodó szélirány(ok), természetes ill. épített objektumok stb.) melyek közül az egyik legfontosabb a hatásukra, valamint a szélerőmű, mint áramlást módosító akadály hatására kialakuló áramlási viszonyok. Szélerőgépek telepítési rendje alapvetően kétféle lehet: vonalas (12.3.12. ábra) vagy térhálós (12.3.13. ábra). Vonalas telepítés akkor előnyös, ha van igen határozott uralkodó szélirány (pl. tengerpartokon, hegygerinceken). Ebben az esetben a gépeket sűrűn egymás mellé telepíthetjük ezzel is csökkentve a kiszolgáló infrastruktúra (utak, elektromos hálózat) fajlagos költségeit. Általános kontinentális viszonyok között a térhálós elrendezés a jellemző. Így könnyebben hasznosítható a kettő, vagy több fő irányból érkező szél energiája.
KÉRDÉSEK 1.
Jellemezze a szélenergia felhasználás fejlődési trendjét, fejlődési irányok
2.
A szél fő jellemzői
3.
Szélerőmű teljesítménye (mitől függ)
4.
A szél mérése eszközei, jelentősége
5.
A szélerőművek rendszerszerű csoportosítása
6.
Hogyan szabályozzuk a gépek üzemét
- 378 -
13.
ENERGIA TÁROLÁSA
A megújuló energiaforrások a fosszilis energiahordozókkal szemben technikai értelemben sok hátránnyal (kis energia áramsűrűség, szakaszos rendelkezésre állás stb.) rendelkeznek. Ebből fakadóan a megújuló energia felhasználásánál problémák adódnak, melyeket meg kell oldani:
A megújuló természetes energiaforrások egy része, például a szél-, a nap-, az árapályenergia csak szakaszosan áll rendelkezésre. A napenergiával működő napelem-telep pl. csak nappal tud energiát leadni, a szélenergiával működő szélerőmű csak akkor tud energiát leadni, ha fúj a szél stb. Szünetidőben hagyományos energiaforrásból, vagy , átmeneti tárolóból nyert energiára van szükség. Lényegében a rendelkezésre állási idő alatt a megújuló energia egy részével energiatárolók tölthetők fel, amelyek a szünetidőben energiaforrásként szolgálnak.
A megújuló energiaforrások egy része a felhasználás helyétől távol, szélsőséges körülmények között áll rendelkezésre, például a tengeri szél, amit szigetekre épített szélerőművel hasznosítanak, vagy a fókuszált napenergia, amelyet a forró vidékeken, sivatagban épített hevítő berendezéseknél hasznosítanak. Ekkor a termelt energiát a helyszínen mesterséges energiahordozó előállítására használják. A mesterséges energiahordozó energiatárolásra alkalmas anyag, amely az előállítás helyszínéhez képest nagy távolságra szállítható.
Az erőműveket állandó terheléssel a jó hatásfokú munkapontban célszerű üzemeltetni. A változó energia-leadású üzemeltetés nem gazdaságos. Ezért jelentkezik az energiatárolási
igény
a
fogyasztásingadozások
miatt
is.
Azokban
az
időintervallumokban, amikor a fogyasztás lecsökken, a többletenergiát eltárolják és azt a fogyasztási-csúcsok kiegyenlítésére használják. A megújuló energiaforrások hasznosítása tehát elválaszthatatlan a termelt energia átmeneti vagy hosszabb idejű tárolásától és szállításától. Energiatárolásra sokféle megoldást dolgoztak ki. A könyv ezen fejezetében főként a megújúló energia forrásokkal kapcsolatos tárolási kérdésekre koncentrálunk (nem azt jelenti, hogy ne lennének alkalmasak az említett hálózati kiegyenlítésre is.
A szakaszos üzemű
energiaforrásokhoz és erőművek terheléskiegyenlítésére helyi, átmeneti energiatárolókat, akkumulátorokat alkalmaznak (13.1. ábra).
- 379 -
13.1. ábra
Energiatárolás szakaszos üzemű energiaforrásoknál
13.2. ábra
Energiatárolás energiahordozóval Amikor a megújuló energiaforrás rendelkezésre áll, és energia leadására képes, az energialeadás folyamatát a folyamatos nyíl szemlélteti. A megújuló energiaforrás (szél, nap, ár-apály stb.) hiánya esetén az energialeadás a szaggatott vonallal jelölt módon az energiatárolóból történik. A termelt energia nagy távolságú átvitele esetén más tárolási módszert alkalmaznak. A megújuló energiaforrást úgy hasznosítják, hogy helyileg, jó energiatárolási képességgel rendelkező mesterséges energiahordozókat előállítanak elő, amelyek gazdaságosan nagy távolságra, a felhasználás helyére szállíthatók (13.2. ábra). A sokféle energiatárolót jellemzőik alapján lehet összehasonlítani. Ezek közül néhány:
az energiatároló tömegegységre vagy térfogategységre vonatkoztatott fajlagos energiatároló képessége; a tárolás és szállítás során jelentkező veszteség, vagy ami ezzel összefügg, az energiatárolás lehetséges időtartama, ill. a szállítás távolsága; a tárolásnál és üzemeltetésnél betartandó műszaki adatok (pl. hőmérséklet, nyomás); műszaki követelmények: biztonság, egyszerű kezelés, kevés karbantartási igény stb. - 380 -
A gyakorlatban alkalmazott energiatárolók néhány fajtája: mechanikai akkumulátorok; hőakkumulátorok; villamos és elektromágneses energiatárolók; elektrokémiai akkumulátorok; kémiai energiatárolók, energiahordozók.
13.1
Mechanikai akkumulátorok
A mechanikai energia helyzeti vagy mozgási energia alakjában tárolható. A helyzeti energia a Föld gravitációs terében vagy szilárd test rugalmas alakváltozásával tárolható. A mozgási energia leggyakrabban lendkerék forgási energiájaként tárolható. Helyzeti energia formájában történő tárolására jó példa a szivattyús tározó erőmű (13.3. ábra).
H
Felső tó VV
Tra ÜCS
ÜT
M és G
SZ és T
Alsó tó
13.3. ábra
Szivattyús tározó erőmű elvi rajza SZ és T = szivattyú és turbina, M éa G = Motor és generátor, ÜT = üzemvíz cső, VV 7 villamos vezetékek, Tra = transzformátor (kétirányú), H = esésmagasság.
- 381 -
A szivattyús tározós erőmű (SZET) ma egyelőre ez az egyetlen, nagyobb energetikai léptékű tároló megoldás. A SZET egy alsó és felső tározó tóból áll, amelyek között elhelyezett szivattyú feltárolja a vizet a felső tóba és vízturbinán keresztül eresztik vissza az alsó tóba, vagy folyóba. A folyamatban a rendszer energiát fogyaszt (raktároz), majd villamos energiát termel. Amikor a villamosenergia-rendszerben energiatermelési kapacitás többlet van (pl. éjszakai mélyvölgyben, vagy sok szélerőmű működik), akkor ezen olcsó energiából fogyaszt a berendezés, majd csúcsidőben, amikor a termelési kapacitások szűkében vagyunk,energiát termelünk. A vízerőmű kialakítása megegyezik más vízerőművekkel. Nagy szintkülönbségnél Pelton turbinát alkalmaznak, kisebb esésnél Kaplan turbinát. A gyakorlatban megépített SZETek tipikus töltési (betározási) teljesítménye 100-1000MW, míg kisütése akár 3000 MW teljesítménnyel is történhet. Az ilyen tárolók hatásfoka 70-85% között van, gyorsindításúak, azaz kb. 3 perc alatt indíthatóak. A fentiek miatt rendkívül jó eszközt jelentenek a rendszerirányító kezében a gyors beavatkozást igénylő, a tervezett menetrendtől eltérő üzemi helyzetek kezeléséhez. Ilyen helyzetek lehetnek: ha egy nagy fogyasztó, vagy fogyasztói körzet kiesik üzemmódtól függően hirtelen felterhelés, vagy erőművek leterhelése helyett indítás szivattyús üzemmódban. A hálózat gyors leterhelése szivattyúval, vagy szolgáltatás (felterhelés) generátoros üzemmódban. esés és
Adott
(m3/s) vízhozam esetén az elméletileg hasznosítható teljesítmény: (W)
ahol: g 9.81
m s
2
és
1000
kg m3
.
A fogyasztásminimumok idején az erőmű által termelt villamos energia egy részét szivattyú működtetésére használják, és vizet szivattyúznak (SZ) egy alacsonyan levő víztartályból egy magasabban levő víztározóba (T). A M-jelű villamos gép ilyenkor motorként üzemel. A villamos
hálózat
csúcsterhelési
időszakaiban
a
szivattyú
járókerék
vízturbinaként
működtethető (T) a fenti tározóból lefolyó vízzel. A villamos gép ilyenkor generátorként működik és szolgáltatja a csúcsterheléshez szükséges pótlólagos energiát. A mindkét üzemre alkalmazható szivattyú-turbinát már az 1930-as években kifejlesztették. A tározó erőmű megvalósítható két gépcsoporttal is, amelyből az egyik a szivattyú-motor, a másik a turbina-
- 382 -
generátor egység. A vízszintkülönbség létrehozásához általában a felszíni adottságokat használják ki, esetenként az alsó víztárolót mélyen a földfelszín alá telepítik. Előfordul, hogy mesterséges gátat építenek. Mechanikai energiatárolás sűrített gázzal is megvalósítható, mely lehet levegő, vagy más gáz halmazállapotú energiahordozó. A megújuló villamosenergia-forrás szünetidejében úgy lehet a villamosenergia-ellátást folyamatossá tenni, hogy a sűrített levegővel gázturbinát üzemeltetnek, amely egy villamos generátort hajt. Ehhez 50-100 bar nyomású levegő szükséges. A sűrített levegő tárolására kétféle módszer alakult ki. Kis mennyiségben a sűrített levegőt általában tartályban tárolják. Ilyen tartályos energiatárolást valósítanak meg például a szélerőművel működő farmoknál. Újabban folynak kísérletek tartályban tárolt sűrített levegővel működő járművek kifejlesztésére is. Nagy mennyiségű sűrített levegő tárolására bányaaknákat használnak. Például Ohióban 700 m mély bányaaknában hoztak létre sűrítettlevegő-tárolót, Németországban és USA-ban pedig sóbánya üregeit használják tárolásra. Példa: Az 1,0g tömegű sűrített gázból nyerhető (wmax) maximális energia a következőképpen számolható:
wmax RT / M , R az egyetemes gázállandó, mely minden gázra: 8,34 J/(mol K); M a gáz moltömege g/mol-ban; T a Kelvin-fokban mért gázhőmérséklet. Az összefüggésből következik, hogy minél könnyebb a gáz, annál nagyobb a kinyerhető fajlagos energiája. Hidrogénre M = 2, így szobahőmérsékleten (T~300 K) a kinyerhető fajlagos energia: 1247 kJ/kg, ami megfelel 0,346 kWh/kg-nak. Az egy m3 térfogatban tárolt energia független a gáz fajtájától és számértékre egyenlő a gáz p nyomásával. Ha a nyomás egysége Pa, akkor az energia mértékegysége J/m3, pl. az 1 m3 térfogatú, p = 5MPa nyomású tetszőleges gáz legnagyobb teljesíthető munkája 5000 kJ (~1,4 kWh). Lendkerekes energiatárolás a mozgási energiatárolás ismert módja. A lendkerekes energiatároló tulajdonképpen egy igen nagy fordulatszámmal forgó tömeg. A lendkerékkel tárolható mozgási energia:
- 383 -
Ahol: Θ = tehetetlenségi nyomaték ω = szögsebesség A négyzetes összefüggés miatt a szögsebességet célszerű minél nagyobbra választani. A fordulatszám növelésének az anyag mechanikai szilárdsága szab határt. Minden anyagra jellemző egy, a szakítószilárdságával megszabott nagyságú maximális fordulatszám, és az ehhez tartozó maximális fajlagos energia. A legnagyobb fajlagos energia az acélból és üvegszálas műanyagból készült lendkerékkel tárolható. A tárolható fajlagos energia 10 000 kJ/kg (~2,8 kWh/kg) nagyságrendű, ami a fosszilis tüzelőanyagokban tárolt energiával összemérhető. A lendkerekes tárolás előnye, hogy sokkal jobb (n~90%) hatásfokkal átalakítható villamos energiává, mint a tüzelőanyag kémiai energiája. A mozgási energiát használó energiatárolóknál a tárolás energiaveszteséggel jár, ami az energiatárolás időtartamát jelentősen korlátozza. A lendkerekek veszteségének fő oka a csapágysúrlódás és a légellenállás. Ezek csökkentésére a lendkereket vákuumban forgatják, és a szokásos csapágyak helyett elektromágneses lebegtetésű csapágyakat alkalmaznak. Irodalmi adatok szerint létezik 200000min-1 (w = 20 940 rad/s) fordulatszámú lendkerekes energiatároló, amelynek éves vesztesége kisebb, mint 20%. A lendkerekes energiatárolás bonyolult és drága megoldás, nagy beruházási költséget igényel. Az energiatároláshoz a lendkereket fel kell pörgetni. A pörgetéshez turbinát, vagy villamos motort használnak, melyek megújuló energiaforrásról működtethetők. A 13.4./a ábra tároló szabályozott üzemű energia "feltöltését" mutatja. Az LK lendkerék felpörgetéshez használt villamos gép motoros üzemben működik, ehhez a hálózatból villamos energiát vesz fel. A 13.4./b ábra a lendkerekes tároló szabályozott üzemű energia "leadását" mutatja. Ekkor az LK lendkerék által hajtott villamos gép generátorként működik és energiát ad le a hálózat felé. A lendkerekes energiatárolás hátránya, hogy viszonylag hosszú a felpörgetési idő. Előnye, hogy a lendkerékben tárolt energia azonnal rendelkezésre áll, nagyon gyorsan visszanyerhető, ha szükséges néhány másodperc alatt.
- 384 -
13.4. ábra.
Lendkerekes villamosenergia-tárolás a) lendkerék felpörgetése; b) lendkerékben tárolt energia felhasználása, jobbra a kiviteli formája
13.5. ábra
A működés energia folyamata E tulajdonsága miatt jól használható rövid idejű csúcsteljesítmény leadására pl. szünetmentes áramforrásokhoz a rövid idejű hálózatkiesés pótlására. Az elérhető maximális leadott teljesítményt a jövőben 10-20 MWra becsülik, a tárolási időt pedig 25 perc nagyságúra. Az energia-visszanyerés eredő hatásfoka 80-90%-os. Ismertebb lendkerékgyártók: Active Power, AFS Trinity, Beacon Power, ASPES AG, Flywheel.
- 385 -
Járművekben a lendkerekes energiatárolásra mindig két egymással szemben forgó közös tengelyű lendkereket alkalmaznak a precessziós hatás miatt fellépő iránytartási és stabilitási problémák elkerülésére
13.2
Hőakkumulátorok
A hőakkumulátorok az energiát hőbevitellel halmozzák fel. A hőakkumulátorok két típusát különböztetjük meg. Az elsőnél a hőmérséklet a hőbevitel során emelkedik, a másodiknál a bevitt hő valamilyen halmazállapot-változást (leggyakrabban olvadást) idéz elő. Az első esetben a tárolt fajlagos energiát a tároló anyag hőkapacitása és a rá megengedhető hőmérsékletváltozás, a másodikban a halmazállapot-változás rejtett hője határozza meg. A hőakkumulátorok fajtája szerkezete és költsége főleg a tárolás kívánt időtartamától függ. A hőtárolás olyan fűtési célra alkalmazott megújuló energiaforrásoknál szükséges, amelyeknek az üzeme szakaszos, pl. napenergia fűtési célú hasznosításánál, ahol a betárolt felesleges napenergiát hő formájában adja le, amikor szükséges. Ebben az esetben a hőtároló az energiafogyasztási görbe kiegyenlítésére szolgál. A hő energetikai értéke attól a hőmérséklettől függ, amelyen átadható. Ezért a hőt a lehető legnagyobb hőmérsékleten kell tárolni, lehetőség szerint annak a hőforrásnak a hőmérsékletéhez közel, amelynek az energiáját tárolni akarják. Minden test, amelynek a hőmérséklete nagyobb a környezeténél, hőt ad le. Ez a hőveszteség hővezetéssel, konvekcióval és sugárzással jöhet létre. A vezetési veszteséget hőszigeteléssel lehet csökkenteni. Ma készülnek szálas és habanyagokból olyan jó hőszigetelők, amelyeknek a hővezetési tényezője: 0,03-0,04 W/m°C , ami alig nagyobb a levegő hővezető képességénél. Problémát
jelent, hogy a hőszigetelő anyagoknak a szigetelőképessége
növekvő
hőmérsékletnél romlik a hősugárzás miatt. Tökéletesebb, de sokkal drágább hőszigetelés a kettősfalú tartály, a falak között vákuumszigeteléssel. Ez a megoldás gyakorlatilag kiküszöböli a hővezetést, mert a kettős fal kevés helyen érintkezik, továbbá a konvekciót a vákuum miatt. A hőszigetelés javításával csökken a hőveszteség, és nő a tárolt energia megőrzésének időtartama. A hőakkumulátor napi, szélsőséges esetben heti tárolást tesz lehetővé.
- 386 -
A kedvelt hőtároló anyag 100 °C-ig, a víz, melynek fajlagos hőkapacitása: c = 4,2 kJ/kg°C = 1,6 Wh/kg°C. A víz 100 °C feletti hőmérsékleten is alkalmazható. Ebben az esetben nyomás alatt kell tárolni, ami bonyolítja és drágítja a hőtárolást. Felhevített anyagban tárolt hő csővezetéken is szállítható nem túl nagy távolságra pl. hőerőműből szállított forró vízzel történő távfűtés esetén. Az egyszerű és olcsó hőtárolók szilárd szemcsés anyagot, szilícium-oxidot tartalmaznak, melynek hőkapacitása kb. 1 kJ/kg °C és néhány száz °C-ig alkalmazhatók [80]. A hőtárolók viszonylag alacsony fajlagos energiájuk
folytán főként
helyhez kötött, telepített
berendezésekben alkalmazhatók.
13.3
Villamos és elektromágneses energiatárolók
Kondenzátor, mint közvetlen villamosenergia-tároló elektrosztatikus energiát tárol. Egy U feszültségre feltöltött C kapacitású kondenzátorban tárolható energia:
Ahol r a szigetelő relatív permittivitása, 0 = 8,85.10-12 F/m a vákuum permittivitása, A = a kondenzátor fegyverzetének felülete, ρ = a szigetelő vastagsága.
- 387 -
Minél kisebb ρ, annál jobb a fajlagos energiatárolási mutató, viszont értéke nem csökkenthető adott ρmin alá, mivel további csökkentése villamos átütéshez vezet, és a kondenzátor tönkremegy. Az Eát átütési szilárdság a villamos szigetelőanyagok jellemzője. Ezzel megfogalmazva a kondenzátor működéséhez az szükséges, hogy a U/ρ< = Eát feltétel fennálljon. Ha vonatkoztatási alapul a szigetelő, m = A ρ p tömegét választjuk, ahol p a szigetelőanyag sűrűsége, akkor a síkkondenzátor maximális fajlagos energiatároló képessége alapján:
A kondenzátorok fajlagos energiatároló képessége viszonylag kicsi, és a tárolás időtartama sem nagy. Ez utóbbi oka az, hogy a villamos ellenállása nem végtelen. Ezért a kondenzátorban tárolt energia az idővel csökken. A hagyományos kondenzátorok energiatároló képessége a legjobb polietilén szigetelőanyagra is csak kb. 400 J/kg (0,1 Wh/kg). Az utóbbi idők egyik új és jelentős műszaki terméke az ún. ultrakapacitás. Ez egy különleges kondenzátor, mely extra nagy csúcsteljesítmények felvételére és leadására alkalmas. Az ultrakapacitás speciális elektrokémiai technológiával készült óriási: 500-1500 F kapacitású és kis veszteségű, nagy élettartamú elem. A fajlagos energiatároló képessége a hagyományos kondenzátorokhoz képest sokkal nagyobb: 18 kJ/kg (5 Wh/kg). Egy-egy szerkezeti elemre megengedett feszültség kicsi (3-5 V), ezért általában több sorba kapcsolt elemből építik fel. Az ultrakapacitás fegyverzetei rétegelt síkalakúak, vagy tekercseltek. Az elektródák közötti anyag a típustól függően: lehet karbon-fémrost kompozit, habkarbon, aktivált szintetikus monolitikus karbon, polimer film karbon szövet, fém oxidréteg stb.. Az elektródák közötti távolság igen kicsi, esetenként néhány angström (10-14 m). Ultrakapacitást ma több cég gyárt pl.: ESMA, ELIT, NESS, PowerCache, SAFT. Sok alkalmazásnál nem annyira az energiatároló képességét használják ki, hanem azt a tulajdonságát, hogy az ultrakapacitás extra nagy csúcsteljesítmény leadására és felvételére képes impulzusszerűen, azaz rövid ideig. A kondenzátor teljesítménye P=UI, ahol U a feszültség, I a töltő- vagy kisütő-áram. Az ultrakapacitásra típustól függően akár 2,5 kW/kg
- 388 -
fajlagos teljesítmény is megengedhető pillanatszerűen. Ez azt jelenti, hogy pl. 1 kg tömegű és 2,5 V-ra feltöltött ultrakapacitáson 1000 A áram is megengedhető átmenetileg. Az áram iránya az üzemtől függően lehet töltő, ekkor az ultrakapacitás teljesítményt vesz fel, és lehet kisütő, ekkor teljesítményt ad le. Az ultrakapacitás egyik fontos alkalmazási területe a villamos autó, ahol gyors energiatárolásra és -leadásra alkalmazzák másodlagos energiatárolóként. Alkalmazásával megkímélhető az akkumulátoros energiaforrás a lökésszerű igénybevételektől, ezáltal nő az élettartama. Az ultrakapacitás alkalmazását mutatja be a 13.6. ábra az akkumulátoros villamos autókban. Folytonos vonal jelöli a menetüzemben érvényes áramirányt, szaggatott vonal a féküzemben érvényes áramirányt. A fő energiaforrás az akkumulátor. Az ultrakapacitással és megfelelő szabályozóval
megoldható,
hogy a
gyors
terhelésváltozásokból
adódó
lökésszerű
igénybevételt az ultrakapacitás az akkumulátortól átvegye. Lökésszerű igénybevétel járművekben egyrészt gyorsításkor, másrészt fékezéskor jelenik meg. Hatásos, energia-visszanyerő tulajdonságú villamos fékezést csak úgy lehet megvalósítani, ha van olyan eszköz, amelyik gyors és nagy energia felvételre alkalmas. Ezt a szerepet tölti be az ultrakapacitás. A féküzem alatt felhalmozott energiát a menetüzemben pl. a legközelebbi gyorsításnál fel lehet használni.
13.6. ábra.
Ultrakapacitás alkalmazása villamos autókban
- 389 -
Közvetlen elektromágneses energiatároló az árammal átjárt tekercs, ill. az így létrehozott mágneses tér. A tárolt energia és az I tekercsáram közötti kapcsolat:
ahol L a tekercs induktivitása. A tekercsben tárolt energia az áram négyzetétől függ, és csak akkor áll rendelkezésre, ha a tekercsen áram folyik. Az áram a tekercs R ohmos ellenállásán RI 2 energia veszteséget okoz. A tárolható energia növeléséhez a tekercs áramát növelni kell. Az áram növelésével nő a tekercs melegedését kiváltó Joule-veszteség. Az elektromágneses energiatárolók egyik megoldásánál, a tekercset hűthetőre alakítják ki és a keletkező hőt felhasználják. A másik megoldás a tekercs radikális hűtése cseppfolyós nitrogénnel.
13.4
Elektrokémiai akkumulátorok Az elektrokémiai akkumulátorok a kémiai energiatárolók külön csoportját
képezik, amelyek kémiai reakció közvetlen eredményeként tárolják, adják le, vagy nyerik vissza a villamos energiát. A reakció gyakran hőtermeléssel is együtt jár. Az akkumulátor folyékony, zselé állapotú egyes megoldásoknál szilárd elektrolittal elválasztott elektródákból épül fel. Az elektródák képezik az akkumulátor két villamos kivezetését. Az elektrolit és az elektródák anyaga olyan kémiai reakciók létrehozására képes, amelyek villamos töltések cseréjével is együtt jár. Az elektroncsere a cellán kívüli fogyasztói áramkörön jön létre. Terhelésmentes állapotban az akkumulátor két villamos kivezetése között mérhető állandósult feszültséget nyugalmi feszültségnek nevezik. A nyugalmi feszültség az akkumulátor típusra jellemző érték-tartományú, és az elektrolit összetételétől, az akkumulátor hőmérsékletétől és öregedési állapotától függ. Az akkumulátorban a kémiai reakció megindításához elegendő zárni a külső villamos kört. Azt a folyamatot, amikor az akkumulátor villamos energiaforrásként üzemel, kisütésnek nevezik. Kisütéskor a cellák aktív anyaga elfogy, vagy kémiai állapota megváltozik. Teljes kisütésnek, vagy végkisütésnek nevezik, amikor már több energia újratöltés nélkül a cellából nem vehető ki. Az eredeti kémiai állapot helyreállítása, a kisütéshez képest fordított irányú kémiai folyamat. Ezt a folyamatot töltésnek nevezik. A töltéshez, a kisütési irányhoz képest fordított áramlási irányú
- 390 -
elektronáram szükséges. Ehhez külső villamos energiaforrás kell. A töltéskor a cellák aktív anyaga kémiai reakcióval, külső anyag hozzáadása nélkül, újra felépül. Az akkumulátorok legfontosabb jellemzője az energiatároló képesség, ami a jelenleg kapható akkumulátor típusoknál 30-170Wh/kg nagyságú. Gépkocsik 100km-es hatótávolságú üzemeltetéséhez minimálisan kb. 15kWh/kg energia szükséges. Ez azt jelenti, hogy 50Wh/kg energiatárolási
képességgel
rendelkező
akkumulátorból
300kg-ot
kell
beépíteni.
Hagyományos felépítésű akkumulátorok;
Magas hőmérsékletű akkumulátorok;
Különleges akkumulátorok;
Újabb fejlesztésű akkumulátorok.
A hagyományos felépítésű akkumulátorokat és legfontosabb jellemzőiket a 13.1. táblázat mutatja. Hagyományos akkumulátorok néhány jellemző adata. 13.1. táblázat.
Akkumulátor típus
Ólom akkumulátor
Nikkel-fémhidrid
Üzemi hőmérséklet
-10-55ºC
-40-50ºC
Elektrolit
Kénsav vizes oldata
Lúg vizes oldata
Nyugalmi feszültség
2,1V
1,35V
Fajlagos energia
20-40Wh/kg
50-80Wh/kg
Fajlagos teljesítmény
80-120W/kg
200-250W/kg
Élettartam
400-750 ciklus
600-1000 ciklus
A felsorolt akkumulátorok normál légköri hőmérsékleten üzemeltethetők. Ez lehetővé teszi általános célú felhasználásukat. Segédberendezés nélkül használhatók járművekben.
- 391 -
Az előbbiektől eltérőek az un. magas hőmérsékletű akkumulátorok. Az elektróda anyaga könnyű elem, nátrium, lítium és ezeket nem lehet vizes elektrolittal építeni, mert reakcióba lépnének a vízzel. Az ilyen akkumulátorokban az elektrolit vagy szilárd anyagú, vagy szerves anyag, olvasztott sók keveréke. Ahhoz, hogy ilyen elektrolit kedvező vezetőképességű legyen, magas hőmérsékleten kell üzemeltetni. A magas hőmérsékletű akkumulátorokat járművekben nem alkalmazzák. A különleges akkumulátorok felépítése a hagyományostól eltér. Az elektróda anyaga, a kémiai reakcióhoz szükséges anyag a cellán kívül van. A cink-bróm akkumulátornál, pl. az elektróda folyékony állapotú, és kívülről vezetik a cellába. A cinklevegő akkumulátornál, pedig a reakcióhoz szükséges anyag a kívülről hozzávezetett levegő. Az újabb fejlesztésű akkumulátorok lítium-ion és lítium-polimer akkumulátorok, amelyekkel szemben nagy reményeket támasztanak. Az intenzív fejlesztés ellenére sem sikerült eddig jelentős áttörést elérni, a hagyományos akkumulátorok mutatóihoz képest. A fajlagos teljesítmény az akkumulátorok tömegére vonatkoztatott jellemző, amely megmutatja, hogy az akkumulátor pillanatszerűen mekkora fajlagos teljesítmény leadására, illetve felvételére képes. Ebből az adatból, az akkumulátor feszültségének ismeretében, közvetve következtetni lehet arra, hogy az akkumulátortípusra mekkora áram túlterhelhetőség engedhető meg. Az elektrokémiai akkumulátorok a megújuló energiaforrások energiatárolójaként csak azoknál az energiaforrásoknál használhatók, amelyek közvetlenül villamos energiát állítanak elő.
Ilyen
megújuló
energiaforrás,
például
a
napelem-telep.
A
napelem-telepes
energiaforrások, elektrokémiai akkumulátoros energiatárolóval együtt építve tipikus üzemeltetési ciklus szerint működnek. Ha a napsugárzás intenzitása megengedi, akkor a napelem-telep a fogyasztók villamos energiaellátásán túlmenően az akkumulátort is tölti.
- 392 -
13.5
Kémiai tárolók, energiahordozók
Az elektrokémiai akkumulátorok a kémiai energiatárolók külön csoportját képezik, amelyek kémiai reakció közvetlen eredményeként tárolják, adják le, vagy nyerik vissza a villamos energiát. A reakció gyakran hőtermeléssel is együtt jár. Az akkumulátor folyékony, zselé állapotú, egyes megoldásoknál szilárd elektrolittal elválasztott elektródákból épül fel. Az elektródák képezik az akkumulátor két villamos kivezetését. Az elektrolit és az elektródák anyaga olyan kémiai reakciók létrehozására képes, amelyek villamos töltések cseréjével is együtt járnak. Az elektroncsere a cellán kívüli fogyasztói áramkörön jön létre. Terhelésmentes állapotban az akkumulátor két villamos kivezetése között mérhető állandósult feszültséget nyugalmi feszültségnek nevezik. A nyugalmi feszültség az akkumulátor típusra jellemző értéktartományú, és az elektrolit összetételétől, az akkumulátor hőmérsékletétől és öregedési állapotától függ. Az akkumulátorban a kémiai reakció megindításához elegendő zárni a külső villamos kört. Azt a folyamatot, amikor az akkumulátor villamos energiaforrásként üzemel, kisütésnek nevezik. Kisütéskor a cellák aktív anyaga elfogy, vagy kémiai állapota megváltozik. Teljes kisütésnek, vagy végkisütésnek nevezik, amikor már több energia újratöltés nélkül a cellából nem vehető ki. Az eredeti kémiai állapot helyreállítása a kisütéshez képest fordított irányú kémiai folyamat. Ezt a folyamatot töltésnek nevezik. A töltéshez, a kisütési irányhoz képest fordított áramlási irányú elektronáram szükséges. Ehhez külső villamosenergiaforrás kell. A töltéskor a cellák aktív anyaga kémiai reakcióval, külső anyag hozzáadása nélkül újra felépül. Az akkumulátorok legfontosabb jellemzője az energiatároló képesség, ami a jelenleg kapható akkumulátor típusoknál 30-170 Wh/kg nagyságú. Gépkocsik 100 km-es hatótávolságú üzemeltetéséhez minimálisan kb. 15 kWh/kg energia szükséges. Ez azt jelenti, hogy 50 Wh/kg energiatárolási képességgel rendelkező akkumulátorból 300 kg-ot kell beépíteni. A másik fontos jellemző az energia-hatásfok, amely azt fejezi ki, hogy a betöltött energia hány százaléka vehető ki az akkumulátorból. Sokféle elektrokémiai akkumulátortípus létezik, és folyik újabbak kutatása. Az egyes típusok többféle szempontból hasonlíthatók össze: fajlagos energia, energia -hatásfok, üzemi
- 393 -
hőmérséklet, élettartam, gyártási költségek, robusztusság, karbantartási igény szempontjából. Az akkumulátorok egyik lehetséges csoportosítása a következő:
hagyományos felépítésű akkumulátorok;
magas hőmérsékletű akkumulátorok;
különleges akkumulátorok;
újabb fejlesztésű akkumulátorok.
A legismertebb és legrégebbi akkumulátorok a savas, vagy ólom akkumulátor és a lúgos akkumulátorok közül a nikkel-vas és nikkel-kadmium akkumulátor. A vasúti célokra korábban használt nikkel-vas (Ni-Fe) akkumulátor elavult típus, jelentősége lecsökkent. A szerepét fokozatosan átvette a szintén lúgos elektrolitú nikkel-kadmium akkumulátor, ami sokkal jobb tulajdonságokkal rendelkezik, mint a Ni-Fe akkumulátor. A nikkel-kadmium akkumulátor használatát azonban újabban, a veszélyes hulladéknak számító kadmium miatt az új környezetvédelmi intézkedések tiltják. Hagyományos akkumulátorok néhány jellemző adata. 13.2. táblázat
További kutatás eredményeképpen kifejlesztették a nikkel-kadmium akkumulátorokhoz hasonló tulajdonságú nikkel-fémhidrid (Ni-MH) akkumulátorokat. A felsorolt akkumulátorok normál
légköri
hőmérsékleten
üzemeltethetők.
Ez
lehetővé
teszi
felhasználásukat. Segédberendezés nélkül használhatók járművekben is.
- 394 -
általános
célú
Magas hőmérsékletű akkumulátorok néhány jellemző adata. 13.3. táblázat
A magas hőmérsékletű akkumulátorokat és legfontosabb jellemzőiket a 13.3. táblázat mutatja. A magas hőmérsékletű akkumulátorok jellemzője, hogy az elektróda anyaga könnyű elem, nátrium, lítium és ezeket nem lehet vizes elektrolittal építeni, mert reakcióba lépnének a vízzel. Az ilyen akkumulátorokban az elektrolit vagy szilárd anyagú, vagy szerves anyag, olvasztott sók keveréke. Ahhoz, hogy ilyen elektrolit kedvező vezetőképességű legyen, magas hőmérsékleten kell üzemeltetni. A magas hőmérsékletű akkumulátorokat járművekben nem alkalmazzák. Különleges akkumulátorok felépítése a hagyományostól eltér. Az elektróda anyaga, a kémiai reakcióhoz szükséges anyag a cellán kívül van. A cink-bróm akkumulátornál pl. az elektróda folyékony állapotú, és kívülről vezetik a cellába. A cink-levegő akkumulátornál pedig a reakcióhoz szükséges anyag a kívülről hozzávezetett levegő. Az újabb fejlesztésű akkumulátorok lítium-ion és lítium-polimer akkumulátorok, amelyekkel szemben nagy reményeket támasztanak. A felsorolásból látható az akkumulátorok sokfélesége, és az, hogy az intenzív fejlesztés ellenére sem sikerült eddig jelentős áttörést elérni, a hagyományos akkumulátorok mutatóihoz képest jelentős javulást felmutatni. A különböző akkumulátortípusok energetikai tulajdonságának összehasonlítására gyakran használják a 13.7. ábrán látható Ragone-diagramot. A diagram a különböző akkumulátor típusok
fajlagos
energiatároló
képességét
mutatja
teljesítménysűrűség függvényében.
- 395 -
a
típusokra
jellemző
fajlagos
A fajlagos teljesítmény az akkumulátorok tömegére vonatkoztatott jellemző, amely megmutatja, hogy az akkumulátor pillanatszerűen mekkora fajlagos teljesítmény leadására, ill. felvételére képes. Ebből az adatból, az akkumulátor feszültségének ismeretében, közvetve következtetni lehet arra, hogy az akkumulátortípusra mekkora áram-túlterhelhetőség engedhető meg. Az elektrokémiai akkumulátorok a megújuló energiaforrások energiatárolójaként csak azoknál az energiaforrásoknál használhatók, amelyek közvetlenül villamos energiát állítanak elő. Ilyen megújuló energiaforrás például a szélenergia park. A szélerőművek az elektrokémiai akkumulátoros energiatárolóval együtt építve tipikus üzemeltetési ciklus szerint működnek. Ha a szél intenzitása a szükségesnél nagyobb, akkor generátorok nem csak a hálózatnak szolgáltatnak, hanem az akkumulátorokat is tölti (13.7. ábra).
13.7. ábra.
Elektrokémiai akkumulátortípusok összehasonlító diagramja
- 396 -
13.8. ábra.
Szélerőmű park elektrokémiai akkumulátoros tárolója (NaS akkumulátorok) (C.E.C Corporation NAS Battery)
A szélenergia hiánya, ill. szélsebesség ingadozása esetén, a fogyasztó energiaigényét az akkumulátor látja el a 13.9. ábra szerint. Az elektronikus kapcsolást és szabályozást úgy választják meg, hogy a napelem-telep a lehető legjobb hatásfokkal tudjon működni, és az árama folytonos legyen. A rendszer fajlagos tároló kapacitása 151kWh/m3, ill. 45 Wh/kg.
13.9. ábra
Példa: Egy meglévő szélerőmű termelésének kiegyenlítése NAS Battery-vel
- 397 -
Japánban egy 50 MW teljesítményű parkot 35 MW tárolási teljesítményű elektrokémiai akkumulátoros tárolóval egyenlítenek ki. Előny az azonnali készenlét a töltésre és a kisütésre. Az USA-ban építés alatt van egy 500 MW teljesítményű szélpark rendszer kiegyenlítése 400 MW tárolókapacitással.
13.10. ábra
Kiegyenlítés kémiai tárolóval, üzemanyag cellás rendszerrel
- 398 -
14.
MESTERSÉGESEN ELŐÁLLÍTOTT TÜZELŐANYAGOK
Mesterséges energiahordozón, mesterséges tüzelőanyagon olyan anyagokat értünk, amelyek egymással, vagy a környezetben található, általában szervetlen anyagokkal (levegő, víz, szénsav) reakcióba lépve energiát képesek termelni. Az esetek többségében ezek a reakciók megújulhatnak, vagyis szükséges energiaráfordítás árán az anyagok állapota visszatérhet a kiinduló állapothoz. Az ilyen mesterséges tüzelőanyagot energiahordozónak kell tekintenünk akkor is, ha kevesebb energiát tudnak leadni, mint amennyi az előállításukhoz kell. Kémiai energiahordozó mesterséges előállításának és felhasználásának elvi vázlatát a 13.11. ábra mutatja.
13.11. ábra.
Mesterséges tüzelőanyag előállítása és felhasználása
A mesterséges tüzelőanyagokat általános megnevezéssel élve, kémiai reaktorban állítják elő. A kémiai reaktor bármely energiaforrással működtethető, ideális esetben megújuló energiaforrással. A működéséhez felhasználhat a környezetből felvett anyagokat, például levegőt, vizet. A reaktorban az előállított fő termék, a mesterséges tüzelőanyag mellett melléktermék is keletkezhet, amelyek egy része ugyancsak hasznosítható. A 13.11. ábrán látható folyamat fontos része az energiahordozó szállítása. A fogyasztás helyszínére szállított tüzelőanyag kémiai energiáját a fogyasztó számára szükséges energiává
- 399 -
a helyszínen alakítják át. Ehhez az átalakításhoz szintén felhasználhatók kiegészítő anyagok a környezetből. Az átalakításkor keletkező reakciótermékek vagy regenerálhatók, vagy a környezetbe kerülnek. A rendszer anyagáramlási körfolyamata zárt, csak nagy távolságra szállítás esetén a körfolyamat nem közvetlenül záródik, pl. az átalakításkor keletkező vizet nem kell visszavezetni a reaktorhoz, felvehető a reaktor helyszínén is. A rendszer energiafolyama veszteségeket is mutat. Például veszteséggel működik a reaktor, veszteséges a szállítás, és az átalakítás is. A mesterségesen előállított energiahordozók közül a legjelentősebbek a hidrogén, metanol, ammónia.
14.1
A hidrogén, mint energiahordozó
A hidrogén a fosszilis tüzelőanyagok, benzin, olaj, földgáz, szén kiváltására leginkább alkalmas anyag. Főbb jellemzői: A hidrogén energiatároló képessége a fosszilis energiahordozókra jellemző érték többszöröse. A fajlagos energiatárolási képessége, tiszta oxigénnel elégetve a fűtőértéke ~120000kJ/kg (32,5kWh/kg), levegővel égetve ennél kisebb. A hidrogén normál légköri nyomáson és hőmérsékleten gáz halmazállapotú és sűrűsége igen kicsi: 0,009kg/m3. Ebből az következik, hogy normálállapotban a térfogatra vonatkozó fajlagos energiája kicsi. A hidrogén legelőnyösebb tulajdonsága az, hogy elégetésekor vízgőz keletkezik, ami a környezetre veszélytelen. Ha az égetés levegővel történik, akkor a vízgőz mellett nitrogénoxid és nitrogéndioxid is keletkezik, amelynek a légkörre való káros hatása ugyanúgy megjelenik, mint fosszilis tüzelőanyagok égetésekor. A hidrogén hátránya, hogy nehezen cseppfolyósítható gáz. A cseppfolyósításához nagyon alacsony, -252ºC hőmérséklet kell. A hidrogén cseppfolyósítása nagy energiaráfordítást igényel és a cseppfolyós állapotban tartásához elég drága és bonyolult kriosztát szükséges.
- 400 -
A hidrogén hátránya a szivárgás- és robbanásveszély. Ezért a hidrogént tároló, szállító és felhasználó berendezéseket fokozott ellenőrző és biztonsági berendezésekkel kell ellátni
A hidrogén előállítási módok: Hidrogén előállítása földgázból; Hidrogén előállítása vízből elektrolízissel; Hidrogén előállítása vízből termikus disszociációval; Hidrogén előállítása biogázból, illetve bomlástermékből; Hidrogén előállítása ammóniából.
Hidrogén - földgázból. Jelenleg a legtöbb hidrogént természetes gáz, metán átalakításával állítják elő, vízgőz hozzáadásával. Az eljárást reformálásnak, és az így keletkező hidrogént reformált hidrogénnek nevezik. Metánt felhasználva a reformálás során a hidrogén mellett széndioxid is keletkezik a következő egyenlet szerint:
2H 2O CH 4 CO2 4H 2 Hidrogén - vízből elektrolízissel, vízbontással. A vízbontási folyamatnál bemenő anyag a víz, kimenő anyagok a hidrogén és az oxigén. Az elrendezés fő elemei az elektródák és az elektrolit. Az átbocsátott elektromos áram hatására az elektródák egyikén (a katódon) hidrogén, a másikon (az anódon) oxigén válik ki a következő egyenlet alapján:
2H 2O 2H 2 O2 A vízbontáshoz használt hagyományos berendezés vázlatos rajza a 13.12. ábrán látható.
- 401 -
13.12. ábra.
Hagyományos vízbontó berendezés Ennél az elrendezésnél az elektrolit, maga a felbontandó víz (a kémiai reakció elősegítésére savas, vagy lúgos oldat), ebbe merül bele a két elektróda. Folytonos vonal jelzi a vízbontáshoz szükséges áramirányt, illetve a szaggatott vonal az ennek megfelelő elektronáramlási irányt. A magas üzemi hőmérsékletű, szilárd elektrolitú vízbontó berendezés, jobb hatásfokú, de villamos energia és hő felhasználással működik (Hagenmuller P. 1997). Az elektrolízishez villamos energia, magas hőmérsékletű vízbontáshoz villamos energián kívül hőközlés is szükséges. Az elektrolízis energiaigényes eljárás, ezért keresik a leginkább gazdaságos megoldásokat. Az elektrolízishez használható minden olyan megújuló energiaforrás, ami villamos energiát állít elő, pl. a foto villamos panelek, a szélerőművek, vagy a vízierőművek. Hidrogén előállítható vízből termikus disszociációval, hőközléssel. Ehhez az eljáráshoz előnyös minden olyan megújuló energiaforrás, ami hőt állít elő. Hidrogén előállítható biogázból, illetve egyéb bomlás-termékekből származó gázokból. De előállítható hidrogén szénhidrogén tartalmú biómasszából is hőközléssel, és elgázosítással. A biogáz (ADG gáz) főként metán (CH4), széndioxid (CO2), hidrogénszulfid (H2S) és egyéb gázok keveréke. A korábban bemutatott biogáz előállító technológia kiegészítésre kerül a tisztító egységekkel, első a benne lévő víz kondenzálása és leválasztása, majd a H2S redukciója (kálilúggal aktivált faszénnel, hidrogén kloriddal) levegő segítségével elemi kénre és vízre.
- 402 -
A hidrogén tárolása és szállítása A hidrogén tárolása és szállítása háromféle formában történhet: Nagynyomású gázként, gáztartályban, vagy csővezetéken; Kriotechnikai berendezéssel cseppfolyós alakban tárolva; Fémhidrid alakban, fémben elnyeletve.
A hidrogén gáz halmazállapotú tárolásához célszerű nagy nyomású tárolást alkalmazni azért, mert légköri nyomáson és hőmérsékleten igen kicsi a sűrűsége. A gáztartályban tárolt hidrogén szokásos tárolási nyomása 16-68MPa. A tartály anyaga rendszerint acél vagy karbon-fiber bevonatú alumínium. A hidrogén a földgázhoz hasonlóan csővezetéken is szállítható. A hidrogén cseppfolyós halmazállapotú tárolásához a hidrogént először cseppfolyós állapotba kell hozni, amelyhez kriosztát szükséges. A hidrogén cseppfolyós halmazállapotba hozásához atmoszférikus nyomáson 20,4K, azaz -253ºC hőmérséklet szükséges. A cseppfolyós- és gáz-halmazállapot közötti fázishatár a nyomástól függ. A tipikus fázisdiagram a 13.13. ábrán látható (Dunlap R. A. 1988)
13.13. ábra.
A hidrogén fizikai formái a hőmérséklet és a nyomás függvényében
- 403 -
A CP a kritikus határpont, amely azt a legmagasabb hőmérsékletet mutatja, amelyen a cseppfolyós halmazállapot még létrehozható. A TP pont a három halmazállapot-fázis találkozásában van. A BP-jelű pont a cseppfolyósításhoz szükséges hőmérsékletet jelöli atmoszférikus nyomáson. A hidrogén cseppfolyósításához a folyékony nitrogén nem elegendő. Kettős hűtőrendszerrel működő kriosztátot kell alkalmazni folyékony nitrogén és hélium felhasználásával.(13.14. ábra, Dunlap R. A. 1988). A hidrogén cseppfolyós állapotban tartásához folyamatosan energiát kell felhasználni. Az ehhez szükséges energia elérheti a tárolt energia 30%-át is! A hidrogén fém-hidridben tárolásánál a fémötvözetek nagy mennyiségű hidrogént képesek adszorbeálni. Ilyen fémötvözetek az alkáli alumínium szilikát, az un. zeolit. Az adszorbeálható gáz mennyisége alacsony hőmérsékleten nagyobb, ezért a gáz elnyeletéshez a zeolitot folyékony nitrogénnel hűtik (13.14. ábra).
13.14. ábra.
Adszorpciós berendezés (Forrás: Dunlap R. A. 1988)
A hidrogén molekulákat , szivattyú nyomja a zeolit felületére, hogy ott megkötődjenek. Az eljárás végén a zeolit már szállítható.
- 404 -
Metanol, mint energiahordozó
14.2
A metanol (metilalkohol) (CH3OH) a hidrogénhez hasonlóan jól felhasználható tüzelőanyag. A metanol hidrogén előállító anyagként is felfogható, mivel a kémiai folyamatokban általában úgy vesz részt, hogy felbomlik hidrogénre és szénmonoxidra. A metanol előnye a hidrogénhez képest az, hogy normál hőmérsékleten és nyomáson folyékony állapotú, ezért tárolása, kezelése, töltése és szállítása sokkal egyszerűbb, mint a cseppfolyós hidrogéné. A metanol fajlagos energia tartalma ~ 20MJ/kg (5.55kWh/kg). Ez lényegesen kisebb, mint a hidrogéné és kb. fele akkora, mint a benziné. A metanolhoz hasonló tulajdonságú energiahordozó az ammónia (NH3), amelynek a fajlagos energiatároló képessége kb. 16,7MJ/kg (4,65kWh/kg). Az ammónia felhasználható hidrogén helyi előállítására, a disszociációhoz kb. 700ºC szükséges.
A mesterséges energiahordozók főbb felhasználási területei A mesterséges energiahordozók közül a legjelentősebb a hidrogén, a metanol és az etanol. A hidrogén és metanol, tüzelőanyagként háromféleképpen használható fel:
Hőtermelésre;
Belsőégésű motorok közvetlen üzemanyagaként;
Tüzelőanyagcellák üzemeltetésére.
A tüzelőanyagcella a hidrogén és metanol egyik leggazdaságosabb hasznosítási módja. A tüzelőanyagcella közvetlenül, hidrogén és metanol felhasználásával, viszonylag jó hatásfokkal villamos energiát állít elő.
- 405 -
14.3
Tüzelőanyagcellák
Az első folyamatos működésre képes tüzelőanyagcellát Francis Thomas Bacon készítette el 1957-ben. A tüzelőanyagcellák ipari megvalósítását célozó világméretű fejlesztési munka az 1960-as években, az űrprogramokkal egyidejűleg indult meg. Nagy lendületet vett - a kutatás napjainkban is folyik - az alkalmazható elektrolit-, elektróda-, katalizátorok és tüzelőanyagféleségek kutatása, új eljárások fejlesztése.
14.3.1 A tüzelőanyagcellák általános jellemzői A
tüzelőanyagcella
elektrokémiai
áramforrás.
Egyenfeszültségű
villamos
energiaforrásként használható, és két villamos kivezetéssel rendelkezik. A tüzelőanyagcellás energiaforrás elvi rajzát a 13.15. ábra mutatja.
13.15. ábra.
A tüzelőanyagcellás energiaforrás elvi rajza
A két villamos kivezetés a tüzelőanyagcella belsejében levő két elektródához, az anódhoz és katódhoz csatlakozik. Az elektródák közötti térben, vagy az elektródákat körülfogva helyezkedik el az elektrolit. Az elektrolit anyaga lehet folyékony, vagy szilárd halmazállapotú.
- 406 -
13.16. ábra
A fűtőanyag cella működési elve (egy cellaegység) (Gibert J. 2006)
A tüzelőanyagcella
az
akkumulátorral
összehasonlítva
nem
energiatároló,
hanem
energiaforrás funkciót tölt be. A villamos energia előállításához folyamatosan tüzelőanyagot használ fel. Az energiatárolási funkció szerepét a tüzelőanyag tartály látja el. A tüzelőanyagcella működése a tüzelőanyag ionos elektrokémiai oxidációján alapul. A kémiai reakciókhoz szükséges aktív anyag a tüzelőanyag és az oxigén. A működéshez fontos, hogy a cella aktív anyagának egyik komponensére nézve az oxidáció és az elektrolitikus disszociáció különböző elektródákon történjen. Ezzel lehetővé válik, hogy a kémiai reakcióval járó elektroncsere, az elektronáram az akkumulátorhoz hasonlóan, a cellán kívüli villamos áramkörön, a fogyasztón, keresztül jöjjön létre. Az elektródák anyaga hibamentes működés közben nem fogy el, nem alakul át. A kémiai reakció fenntartható mindaddig, amíg az elektródákhoz a tüzelőanyagot hozzávezetik. Az akkumulátor kisülési, illetve lemerülési jelenségeihez hasonló problémák tüzelőanyagcelláknál nem lépnek fel. A tüzelőanyagcellás energiaforrás tipikus terhelési jelleggörbéjét a 13.17.a. ábra mutatja. - 407 -
13.17. ábra.
Tüzelőanyagcella villamos jelleggörbéi a./ terhelési jelleggörbe, b./ tehelésfelvétel időbeli lefolyása
Növekvő terhelőáramnál a kapocsfeszültség nemlineárisan csökken. A legnagyobb megengedhető áramnál az U0 üresjárási feszültséghez képest a feszültségesés mértéke a 4050%-ot és elérheti.
14.3.2 Tüzelőanyagcellás energiaforrások kialakítása A tüzelőanyagcellák cellánként kiadható kapocsfeszültsége alacsony, U ≤ 1,0V tartományba esik. Nagyobb feszültségű energiaforrás kialakításához nem ritka a több száz sorba kapcsolt cellából álló elrendezés. A tipikus áram terhelhetőségük az aktív elektróda felületre vonatkoztatva: 0,5-1,0A/cm2. A teljes elektróda felületnek az a része tekinthető aktív felületnek, amelyen az elektronok kiválásához szükséges kémiai folyamatok ténylegesen lejátszódnak.
14.3.3 A tüzelőanyagcellás energiaforrások üzemeltetési feltételei Az energiaforrás a leírt villamos tulajdonságokkal csak abban az esetben rendelkezik, ha a cella üzemeltetéséhez szükséges feltételek teljesülnek:
- 408 -
A cella működtetéséhez szükséges megfelelő mennyiségű, minőségű, és nyomású tüzelőanyag folyamatosan álljon rendelkezésre;
Az elektrokémiai oxidációhoz álljon rendelkezésre megfelelő mennyiségű és nyomású oxigén, illetve levegő;
A cella működtetéséhez szükséges üzemi hőmérséklet biztosítva legyen;
Megfelelő intenzitású elektrokémiai folyamattal biztosítani lehessen a szükséges mennyiségű elektroncserét.
A felsorolt üzemi feltételek az energiaforrás üresjárási, azaz terhelésmentes állapotához is szükségesek, a nyitott kapcsokon az U0 üresjárási feszültség csak a fenti feltételek teljesülése esetén mérhető. Az energiaforrás terhelése a terhelés nagyságának megfelelő tüzelőanyag és oxigénfogyasztással jár együtt, azaz folyamatos utánpótlásról kell gondoskodni. Az üzemeltetési feltételek biztosításához a tüzelőanyagcellákat segédberendezésekkel és védelmi berendezésekkel kell ellátni. Külön feladat a tüzelőanyagcella üzemének indítása. A tüzelőanyag fajtája szerint különleges feladat a tárolt tüzelőanyag utántöltése, a tüzelőanyag mennyiség, a fogyasztás folyamatos ellenőrzése. A tüzelőanyagcellás energiaforrások üzemeltetéséhez szükséges segédberendezések:
Tüzelőanyag ellátó rendszer;
Oxigén ellátó rendszer;
Üzemi hőmérséklet szabályozó és hűtőrendszer;
Indító berendezés;
Teljesítmény szabályozás;
Tüzelőanyag fogyasztás ellenőrzés.
A segédberendezésekre háruló konkrét feladatok a tüzelőanyagcellák típusától függően nagyon eltérőek lehetnek. A tüzelőanyagcellák hatásfoka a sokféle egyéb módon kialakított villamos energiaforrás hatásfokához képest viszonylag magas, 50% körüli értéket is elérhet.
- 409 -
14.3.4 A tüzelőanyagcellákban felhasznált tüzelőanyagok A tüzelőanyag megválasztása szerint a cellák feloszthatók:
Direkt hidrogén-alapú tüzelőanyagcellák;
Reformált hidrogénnel működő cellák;
Direkt metanollal működő cellák;
Egyéb tüzelőanyaggal működő cellák.
A hidrogén-alapú tüzelőanyagcella a leggyakoribb (Eggertson B. 2003). A hidrogén két módon tárolható: tartályban, vagy fémhidrid ötvözetben elnyeletve, abszorbeálva (10.1.7. fejezet). Gáz halmazállapotú hidrogén-tárolásnál a hidrogént, a térfogat jobb kihasználása végett általában a légköri nyomás sokszorosára sűrítve (több száz bar nyomással) kell tárolni. A tüzelőanyagcella közvetlen működtetéséhez a hidrogént gáz halmazállapotban használják, az előbbihez képest lényegesen kisebb nyomással, néhány bar nyomásra redukálva (Kishinevsky Y.2003). Reformált hidrogénnel működő tüzelőanyagcelláknál a tartályban tárolt tüzelőanyag nem hidrogén, hanem hidrogén előállítására alkalmas szénhidrogén tartalmú gáz, metanol, biogáz, széngáz, természetes gáz stb. A reformer, olyan berendezés, ami reformált hidrogén előállítására képes.
13.18. ábra
Reformált hidrogénnel működő tüzelőanyagcellák
- 410 -
A reformáló berendezéssel ellátott tüzelőanyagcella tulajdonképpen hidrogén-alapú cella, ami helyileg előállított hidrogénnel működik. Direkt metanollal működő tüzelőanyagcelláknál a tartályban tárolt tüzelőanyag folyékony halmazállapotú metanol [9]. 14.3.5 A tüzelőanyagcellák fajtái
A 100ºC-nál kisebb hőmérsékleten üzemeltethető tüzelőanyagcella típusok jellemző adatai. 13.4. táblázat.
Elektrolit
Hagyományos cella
PEM cella
Cink-alapú cella
KOH oldat
Polimer membrán
KOH vagy polimer membrán
Üzemi hőmérséklet
80-200ºC
80ºC
80ºC
Tüzelőanyag
Hidrogén
Hidrogén
Cink
Oxidáló anyag
Oxigén
Oxigén
Oxigén
Hatásfok
40-50%
40-50%
40-50%
Teljesítmény tartomány
0.1-20kW
0.1-100kW
0.1-20kW
Alkalmazás
Kisfogyasztók
Járművek,
Járművek,
kisfogyasztók
kisfogyasztók
Forrás: Ballard 2003. és Xcellsis: Gyártmány katalógus.
A 100ºC-nál nagyobb hőmérsékleten üzemeltethető tüzelőanyagcella-típusok néhány jellemzőjét a 10.6. táblázat foglalja össze.
- 411 -
A 100ºC-nál nagyobb hőmérsékleten üzemeltethető tüzelőanyagcella-típusok jellemző adatai. 15.5. táblázat Foszforsavas cella, PAFC
Olvadt karbonátos
Cirkónium kerámiás
cella, MCFC
cella, SOFC
Elektrolit
Foszforsav
Olvadt só
Kerámia
Üzemi hőmérséklet
190-210ºC
650ºC
800-1000ºC
Tüzelőanyag
Hidrogén
Hidrogén
Hidrogén, szénmonoxid
Oxidáló anyag
Oxigén
Oxigén
Oxigén
Hatásfok
≥50%
≥50%
≥50%
Teljesítmény
≥10MW
≥100MW
≥100MW
Villamos erőművek
Villamos erőművek
Villamos erőművek
határérték Alkalmazás
Nagyobb teljesítményű, jobb hatásfokú energiaforrásként általában a magasabb hőmérsékletű tüzelőanyagcellák használhatók.
14.3.5.1. Alacsony hőmérsékleten üzemeltethető tüzelőanyagcellák
Hagyományos lúgos tüzelőanyagcella A legismertebb, alacsony hőmérsékletű, hidrogén üzemanyagú cella a 13.5. táblázat első oszlopában szereplő lúgos elektrolittal működő cella. Konstrukciója az egész világon hasonló. A legegyszerűbb ilyen cella elvi rajza a 13.19. ábrán látható.
- 412 -
13.19. ábra.
A hagyományos tüzelőanyagcella elvi felépítése
A hidrogén és oxigén porózus felületű csöveken áramlik. Az elektródákat képező csövek kálium-hidroxid vizes oldatából képzett elektrolitba vannak merítve. A hidrogén elektrolitikus disszociációval pozitív ionokra és elektronokra bomlik: H 2 2 H 2e
A porózus felületű anód elektródán átjutva, a pozitív hidrogénionok egyesülnek az elektrolit hidroxilgyökével, és víz keletkezik az alábbi egyenlet szerint: H OH H 2O
A negatív töltések, azaz az elektronok, a negatív elektródán válnak ki, és a külső áramkörön, a terhelésen keresztül a pozitív elektródához, a katódhoz törekszenek, ahol az oxigénnel egyesülnek. Ennek eredményeként az RT terhelő ellenálláson keresztül elektromos áram folyik. A keletkező vizet el kell vezetni a rendszerből.
- 413 -
Protonáteresztő membrános tüzelőanyagcella Az angol elnevezés nyomán az ilyen cellákra a PEM cella (Proton Exchange Membran vagy Polimer Electrolit Membran cella) rövidítés terjedt el. A PEM tüzelőanyagcella olyan szilárd elektrolitú cella, amelyik alacsony hőmérsékleten, 70-90ºC-on képes üzemelni. Általános műszaki adatait a 10.5. táblázat második oszlopa mutatja. Ez a tüzelőanyagcella a hagyományoshoz hasonlóan hidrogén tüzelőanyaggal működik. Az elektrokémiai folyamat eredményeként víz keletkezik. Az elektrolit szerepét a protonáteresztő tulajdonsággal bíró, vízzel nedvesített, általában platina bevonatú, szilárd műanyag lemez, polimer membrán látja el. A platina bevonat katalizátor szerepű. A protonáteresztő membrán alkalmazása nagy lépést jelentett tüzelőanyagcellák továbbfejlesztésében. Ilyen membrán alkalmazása esetén elhagyható a folyékony elektrolit és a hagyományos lúgos cellákhoz képest is alacsonyabb üzemi hőmérsékleten működtethető. A PEM cella elvi rajza a 13.20. ábrán látható.
13.20. ábra
Protonáteresztő membrános tüzelőanyagcella elvi felépítése L – levegő. A – Porózus anód, E – elektrolit és a körülvevő protonáteresztő membrán katalizátor, K – porózus katód, H2 – tüzelőanyag, (H2) - maradék
- 414 -
A hidrogént a porózus anyagból készült anódhoz, az oxigént a szintén porózus katódhoz vezetik. Az anódon a hidrogén vízgőzzel segített elektrolitikus disszociációval pozitív ionra, azaz protonra és elektronra bomlik. A hidrogénion, proton számára a membrán áteresztő tulajdonságú, míg az elektronokat nem engedi át. Az elektronok a külső áramkörön a fogyasztón keresztül (RT) kényszerülnek áramolni . Ha a külső kör zárt, a fogyasztón elektromos áram jön létre (U, I). A hidrogénionok a membránon átjutva reakcióba lépnek az oxigénnel úgy, hogy eközben felveszik a külső körön átáramló elektronokat is: 2H 1 / 2O2 2e H 2O
A folyamat végterméke víz. A keletkező víz egy részét a disszociációt megsegítő vízgőz előállítására használják fel, egy része a folyamat közben elpárolog, egy részének az elvezetéséről külön gondoskodni kell. A keletkező vízgőz egy részét használják fel a reformálási folyamathoz is, ha a hidrogént helyi reformáló berendezéssel állítják elő. A protonáteresztő membrános cellában megengedhető az, hogy 4-5bar nyomásúra sűrített hidrogénnel és oxigénnel üzemeljen. Ezzel növelhető az energiasűrűség ugyanakkor csökkenthető a tüzelőanyagcella feléledési ideje. A PEM cella felhasználói szempontból legelőnyösebb tulajdonságai: az egyszerű felépítés és alacsony üzemi hőmérséklet, viszonylag magas teljesítménysűrűség. E tulajdonságai miatt a villamos autókban és a villamos közúti járművekben,
ezt
a
tüzelőanyagcella
típust
alkalmazzák
leginkább
egyenáramú
energiaforrásként. A járműves alkalmazásnál egy nagy hátránya van, az, hogy a PEM cella nem alkalmas villamos energia felvételére. Külön kiegészítő berendezés nélkül nem valósítható meg vele energia visszatápláló fékezés. Szakirodalmi adatok alapján (Gilchrist T. 1998) a PEM membrános tüzelőanyagcellával elérhető teljesítménysűrűség a cella térfogatára vonatkozóan: 1000W/l, üresjárási feszültsége: 1,0V, névleges fajlagos áram terhelhetősége: 1A/cm2. Proton áteresztő membrános tüzelőanyagcellával épített egyenáramú energiaforrások tipikus felépítését a 13.21. ábra mutatja.
- 415 -
13.21. ábra.
Nuvera gyártmányú tüzelőanyagcella (100 sorba kapcsolt elemből álló egység 80 kW, 135 A, mérete: 250x180x550 mm)
Az energiaforrás több, egymás mellé szerelt, villamosan sorba kapcsolt cellából áll. Az energiaforrás eredő kapocsfeszültsége az egyes cellák kapocsfeszültségének összege. Az energiaforrás árama a cellák aktív elektróda felületének méretétől függ. Az egyes cellákat bipoláris
lemezek
választják el egymástól,
amelyeknek
mindkét
oldalán sekély,
szerpentinalakú mélyedések vannak. Ezeken a csatornákon keresztül áramlik, a bipoláris lemezek között elhelyezkedő polimer membrán egyik oldal felületéhez a hidrogén, a másik oldal felületéhez az oxigén. Az elválasztó lemezek bipoláris tulajdonságára azért van szükség, mert a lemez egyik felülete az egyik cella anód kivezetése, míg a másik felülete a szomszédos cella katód kivezetése. A villamos sorba kapcsolás így nagyon egyszerűen megvalósul.
- 416 -
13.22. ábra
Protoncserélő membrános tüzelőanyag (PEM) cellákkal működő hő- és villamos erőmű (hidrogén bázison)
Direkt metanolos tüzelőanyagcellák A direkt metanolos táplálású tüzelőanyagcella a PEM cellákhoz hasonló felépítésű, szilárd polimer elektrolittal készül, és alacsony hőmérsékleten, kb. 110ºC-on üzemeltethető. A direkt metanolos cellák előnye, hogy olcsóbb katalizátorral készíthetők, mint a PEM-cellák, platina helyett grafitpapír réteggel.
Cink-alapú tüzelőanyagcella A cink-alapú tüzelőanyagcella különlegessége, hogy szilárd tüzelőanyaggal működik. Tüzelőanyaga szilárd cinklemez, amely a cellában lejátszódó elektrokémiai oxidációs folyamat végeredményeként cinkoxiddá alakul át. Az ilyen celláknál az elhasználódott cinkoxidot ki kell emelni és helyette új cink lemezt, vagy cink rudat kell behelyezni. A fém úgy alakul át fémoxiddá, hogy közben elektron keletkezik, ami a külső körben elektromos áramot hoz létre (Gavine A. 2001).
- 417 -
14.3.5.2. Magas hőmérsékletű tüzelőanyag cellák
Foszforsavas elektrolitú tüzelőanyagcella A szakirodalomban erre a cellatípusra a PAFC (Phosphoric Acid Fuel Cell) rövidített jelölést használják az angol elnevezésnek megfelelően. A hagyományos lúgos tüzelőanyagcellához hasonló működésű és hasonló műszaki adatokkal rendelkezik. Üzemi hőmérséklete kb. 190ºC. A hagyományos lúgos tüzelőanyagcellához viszonyítva sokkal nagyobb teljesítményű energiaforrás gyártását teszi lehetővé. A foszforsavas elektrolitú tüzelőanyagcellák alkalmazhatók decentralizált erőművekben, csúcserőművekben, régi elavult erőművek leváltására. Erőművek működnek 10-40MW teljesítménnyel az Egyesült Államokban és Japánban (Imre L., Bitai A., Hecker G. 2000).
Olvadt karbonátos tüzelőanyagcella A szakirodalomban erre a cellatípusra a MCFC (Molten Carbonate Fuel Cell) rövidítést használják az angol elnevezésnek megfelelően. A tüzelőanyagcellák e csoportjának elektrolit anyaga olvadt só, nátrium vagy kálium karbonát, lítium-alumínium oxidban (LiAlO2) tárolva. Az elektrolitikus kémiai folyamatok ebben játszódnak le. Az ilyen cellákat két okból kell magas hőmérsékleten üzemeltetni. Egyrészt, csak magas hőmérsékleten lehet fenntartani az elektrolit folyékony halmazállapotát, másrészt csak magas hőmérsékleten lehet az elektrolit villamos vezetőképességét oly mértékben javítani, hogy a cella hatásfoka jó legyen (η ≥ 50%).
Cirkónium kerámiás tüzelőanyagcella A szakirodalomban erre a cellatípusra általánosan a szilárd-oxidos elnevezést használják, az SOFC (Solid Oxid Fuel Cell) rövidítést bevezetve az angol elnevezésnek megfelelően. A magas üzemi hőmérsékleten működő tüzelőanyagcellák közül nagy jelentőségű a cirkónium kerámiával készült tüzelőanyagcella [17]. A kerámia magas, 800…1000ºC üzemeltetési hőmérsékletet enged meg, ami jó hatásfokú elektrokémiai folyamatok lejátszódását teszi lehetővé.
- 418 -
A cella tüzelőanyaga lehet tiszta hidrogén vagy szénhidrogén tartalmú gázból nyert hidrogén és szénmonoxid keverék. Ha a tüzelőanyag tiszta hidrogén, akkor a cella üzemeltetése során keletkező égéstermék víz. Ha a tüzelőanyag hidrogén és szénmonoxid keveréke, akkor az égéstermék széndioxid és víz.
Nagynyomású tüzelőanyagcella Az egyik legismertebb nagynyomású tüzelőanyagcella a Bacon-cella. A cella elektrolitikus folyamatai a hagyományos lúgos tüzelőanyagcelláéhoz hasonlóan játszódnak le, csak a cella felépítése más (Roginszkij V. J. 1977).
13.23. ábra.
Bacon-cella elvi felépítése
A cella házán található 1-jelű nyíláson keresztül kb. 60bar nyomású hidrogént, a 3-jelű nyíláson pedig oxigént préselnek be. A felesleges hidrogén a 2-jelű nyíláson át távozik. A 4jelű, oxigénnel átjárt pozitív elektróda porózus nikkelszivacsból készül, ide csatlakozik a villamos kivezetés egyik sarka. Az 5-jelű, elektrolittal átjárt negatív elektróda ugyancsak nikkelszivacsból készül, ide csatlakozik a villamos kivezetés másik sarka. Az elektrolit a hagyományos cellákhoz hasonlóan lúgos, káliumhidroxid oldat, amely a két elektróda között áramlik. Az elektrolit diffúzióját a gáz adagolási térbe, a hidrogén és az oxigén nagy nyomása akadályozza meg.
- 419 -
14.3.5.3. A tüzelőanyagcellás és akkumulátoros energiaforrások összehasonlítása
Az akkumulátor üzemeltetése töltési és kisütési folyamatok váltakozásából áll. A töltéshez felvesz, a kisütéskor lead villamos energiát. Az átmenet a töltési és kisütési folyamatok között folytonos és időkésleltetés nélküli. Hasonlóan időkésleltetés nélküli az akkumulátor dinamikus terhelésfelvétele. Az akkumulátoros energiaforrások a névleges terhelőáramhoz képest sokszoros nagyságú, lökésszerű kisütőáramot is elviselnek. A töltőáramra nézve hasonló tulajdonságot mutatnak. A névleges töltőáramhoz képest sokszoros töltőáram használható gyorstöltés céljából. E tulajdonságai miatt az akkumulátorok nagyon előnyösen használhatók munkavezeték nélküli villamos járművek energiaforrásaként. A tüzelőanyagcellák energiaforrás funkciót töltenek be. Fordított energiaáramlásra, a villamos energia felvételére általában nem alkalmasak, csak egyes cellatípusok. Ilyen például a cirkónium kerámiás tüzelőanyagcella. A hidrogén tüzelőanyagú tüzelőanyagcellákban lejátszódó elektrokémiai folyamathoz képest fordított folyamat az elektrolízis, azaz a vízbontás. Járművek villamos energiaforrásaként csak úgy használható, ha kombinálják a dinamikus terhelés felvételére, az energia átmeneti tárolására és leadására alkalmas akkumulátoros, vagy kondenzátoros energiatárolóval. A tüzelőanyagcellák élettartama az akkumulátorokéhoz viszonyítva sokkal hosszabb, mivel az elektródák anyaga üzemszerűen a kémiai reakciókban nem vesz részt. A tüzelőanyagcellás
energiaforrás
hátránya,
hogy az
üzemi
feltételek
fenntartásáról
folyamatosan gondoskodni kell, akkor is, ha a kimeneten villamos fogyasztás nincs. A tüzelőanyagcellára is jellemző, hogy energiaforrásként nem használható addig, amíg az üzemeltetési feltételek (üzemi hőfok, nyomás) nem állandósulnak. A hagyományos ólomakkumulátorok fajlagos energiatároló képessége: 20-40Wh/kg (60-100Wh/l), de az új fejlesztésű akkumulátoroknál sem érnek el 100-150Wh/kg-nál nagyobb energiatároló képességet. Tüzelőanyagcelláknál a tárolt tüzelőanyag, például a tárolt hidrogén energiatárolási képességét lehetne alapul venni. A hidrogén energiatároló képessége kb. 32,5kWh/kg, ami a benzin és dízelolaj kb. 12,0kWh/kg energiatárolási képességénél is sokkal nagyobb érték.
- 420 -
Tüzelőanyagcellák alkalmazása A tüzelőanyagcellák jellegzetes alkalmazási területei:
Űrhajók, űrtechnikai, katonai berendezések energiaellátása;
Közúti járművek villamos hajtásának energiaellátása;
Helyi, szigetüzemi- vagy szükségáramforrások építése;
Alternatív nagyteljesítményű energiaforrások, erőművek építése.
14.3.5.4. Közúti járművek villamos energia ellátása A tüzelőanyagcellák alkalmazásának nagyon fontos területe a közlekedési eszközök energiaellátása. A nagy mennyiségű szennyezőanyagot kibocsátó belsőégésű motoros járművek kiváltásának egyik lehetséges módja az áttérés villamos hajtású közúti járművekre, és villamos motoros hajtású autókra. Átmeneti megoldású járművek is születnek a villamos és a belsőégésű motoros hajtás kombinált alkalmazásával (Bitsche O., Friedrich J., Noreikat K. E. 2000). Ezek az úgy nevezett hibrid villamos járművek (HEV Hybrid Electric Vehicle), amelyeknél a károsanyag kibocsátás csak mérsékelhető. Károsanyag
kibocsátásmentes
villamos
autó
akkumulátoros,
napelemes
vagy
tüzelőanyagcellás energiaforrással készíthető. Egészen új próbálkozás a Ford által 2003. júniusában bemutatott hidrogén tüzelőanyagú belsőégésű motorral épített hibrid villamos autó (HHEV vagy H2EV Hydrogen Hybrid Electric Vehicle, Gilchrist T. 1998).
Az akkumulátoros villamos autó (BEV Battery Electric Vehicle) akkumulátorról táplált villamos hajtással működik. Az akkumulátoros energiaforrás alkalmazásának előnyei:
Egyszerű felépítés;
Túlterhelhetőség;
Az energia visszatáplálásának lehetősége üzem közben;
Jó hatásfokú üzem;
Viszonylag kis üzemeltetési költség. - 421 -
Az akkumulátoros energiaforrás villamosan sorba kapcsolt akkumulátorcellák halmazából áll. A járművekben alkalmazott akkumulátorok általában külön segédberendezés nélkül üzemeltethetők, karbantartást nem, vagy csak időszakosan igényelnek.
13.24. ábra
Akkumulátoros villamos autó kapcsolási rajza
A hagyományos autó kb. 14%-os eredő hatásfokához képest az akkumulátoros autó eredő hatásfoka magasabb, kb.18%-os (Beuzit P. 1999). Az eredő hatásfok a villamos energia ipari méretű előállítási, szállítási hatásfokát, és az akkumulátor töltési hatásfokát is figyelembe veszi. Az akkumulátoros járművek üzemeltetési költségének nagyon fontos összetevője az akkumulátor élettartama. Ez szabja meg, hogy milyen időközönként kell kicserélni a teljes készletet. Az akkumulátoros energiaforrás alkalmazásának hátrányai:
Viszonylag kis energiatárolási képesség;
Kis hatótávolság;
Gyakori töltés igény, a gyorstöltés megvalósítási nehézségei;
Viszonylag rövid élettartam;
Az akkumulátoros autók jó tulajdonságait leginkább városi közlekedésben lehet kihasználni Az akkumulátorok kis energiatárolási képessége miatt gyakran kell töltésről gondoskodni. A töltési mód alapvetően kétféle: lassú, vagy gyorstöltés. A lassú töltés
- 422 -
viszonylag egyszerű berendezéssel a háztartási hálózatról megvalósítható. A gyorstöltés sokkal több problémát vet fel. Ahhoz, hogy villamos autóknál a jelenlegi benzin vagy dízelolaj utántöltéshez hasonló gyorsaságú akkumulátortöltés megvalósulhasson, több száz kW teljesítményű töltőállomásokat kellene kiépíteni. Valamint a nagy teljesítménynek megfelelő
biztonságról,
védelemről
kellene
gondoskodni.
Léteznek
már
olyan
töltőberendezések, amelyek a feladatnak megfelelnek. A töltéshez szükséges energiát, a töltőberendezéshez villamos kábellel csatlakozó, villamos töltőfejjel viszik át a járműre. A töltőfej alakja és kezelése a benzin betöltéshez hasonló, csak hosszabb idejű.
Tüzelőanyagcellás villamos autó (FCEV Fuel Cell Electric Vehicle) sok fejlesztőmérnök véleménye szerint a jövő autója (Chizek P. 2007, Crosse J. 2001, Daumler Chrysler kutatás 2001, Michel A. 1977). A tüzelőanyag a hagyományos belsőégésű motoros járművekhez hasonlóan tartályban tárolható, és a jövőben a benzinkutakhoz hasonló töltőállomásokon tölthető. Megoldották az életvédelmi szempontból biztonságos hidrogéntárolást, tűz és robbanás elleni védelmet. Megoldották a korábban gondot okozó tüzelőanyagszint
figyelést is. Külön problémát jelent a
tüzelőanyagcellás energiaforrás hideg állapotból történő indítása, üzembe helyezése. A tüzelőanyagcellás energiaforrás nem működik csak akkor, ha az üzemeltetéséhez szükséges összes feltétel fennáll. A tüzelőanyagcellás energiaforrás feléledési ideje a jármű indításakor, gyorsításakor jelent problémát. Mivel a tüzelőanyagcella szabályozásához és az új munkapont eléréséhez idő kell (13.25. ábra), a motor árama csak késleltetéssel tudna kialakulni. Gyorsításhoz a járműhajtás áramát és a szükséges teljesítményt ultrakapacitással és/vagy akkumulátorral kell előállítani. A kiegészítő energiatárolóval szemben támasztott követelmény a nagy fajlagos teljesítménysűrűség, azaz képesség a nagy áramcsúcsok elviselésére. A járművekben alkalmazott tüzelőanyagcellák fordított energiaáramlásra (vízbontásra) nem használhatók. Kiegészítő ultrakapacitással és/vagy akkumulátorral az energiavisszatápláló fékezés is problémamentesen megvalósítható. A fékezéskor felvett energiát a kiegészítő energiatárolóval gyorsításkor hasznosítani lehet.
- 423 -
A ultrakapacitással kombinált tüzelőanyagcellás villamos autó kapcsolási rajza a 10.28. ábrán látható.
13.25. ábra
Ultrakapacitással kombinált tüzelőanyagcellás villamos jármű kapcsolási rajza Ennél a kapcsolásnál a tüzelőanyagcella a fő energiaforrás, az ultrakapacitás a másodlagos energiatároló. A kapcsolás a 13.26. ábrához hasonló, és hasonló az ultrakapacitás szerepe is. Feltöltött állapotban az ultrakapacitás a jármű gyorsításához szükséges lökésszerű terhelőáramot késleltetés mentesen képes szolgáltatni. Fékezéskor, pedig képes a fordított irányú áramlökések felvételére, és az ilyenkor felvett energiát a legközelebbi gyorsításig tárolni. A 10.28. ábra szerinti kapcsolás megvalósítható ultrakapacitás helyett akkumulátorral is. Ilyenkor az akkumulátor az ultrakapacitással azonos szerepű. A 10.28. ábra szerinti villamos táplálás nem küszöböli ki azt a problémát, hogy a tüzelőanyagcellás energiaforrás kimenő feszültsége széles tartományban változik. A tüzelőanyagcellás töltésű akkumulátoros villamos autó kapcsolási rajza a 13.26. ábrán látható.
13.26. ábra
Tüzelőanyagcelláról töltött akkumulátoros villamos jármű kapcsolási rajza
- 424 -
Ennél a kapcsolásnál az akkumulátor a fő energiaforrás, az tüzelőanyagcellás energiaforrás az akkumulátor töltésének szerepét látja el. Az elrendezés hasonló a belsőégésű motor tengelyére szerelt generátor által megvalósított akkumulátortöltéshez, vagy még inkább a soros hibrid villamos autó felépítéséhez (Schmidt I., Rajki I.,Vincze Gy-né. 2002). A jármű villamos hajtása az akkumulátor kapcsaira csatlakozik. Ez a főáramkör. A tüzelőanyagcellás energiaforrás folyamatosan tölti az akkumulátort, közelítőleg a jármű átlagos terhelésének megfelelő árammal. Ez az üzem a tüzelőanyagcellás energiaforrás számára egyenletes terhelést jelent. Az átlagos terheléstől eltérő áramigényt az akkumulátor szolgáltatja. Tüzelőanyagcellás energiaforrások járművekhez Járművek
és
egyéb
fogyasztók
táplálására
ma
már
készen
kaphatók
komplett
tüzelőanyagcellás energiaforrások. A hidrogén-alapú tüzelőanyagcellás energiaforrás teljes kiépítésének elemeit a 13.27. ábra mutatja be.
13.27. ábra.
Hidrogén-alapú tüzelőanyagcellás energiaforrás teljes kiépítése
A tüzelőanyag környezeti hőmérsékletű és magas nyomású (10bar) sűrített gáz halmazállapotú hidrogén, tartályban tárolva. A berendezés modulokból tevődik össze.
- 425 -
A berendezés lelke a tüzelőanyagcella, amely 1-4 bar nyomáson és 70-85ºC hőmérsékleten üzemel. A környezeti hőmérsékletre megengedhető tartomány: üzemeltetéskor 5-40ºC, tároláskor 10-40ºC. Nagyobb teljesítményű energiaforrásokra megengednek szélesebb környezeti hőmérsékleti tartományt is pl. -20-40ºC-ot.
Légsűrítő és légnedvesítő modul szolgál a tüzelőanyagcella működtetéséhez szükséges levegő előkészítésére. A légsűrítő modul tulajdonképpen egy kompresszor, ami a beszívott és szűrt levegőt a szükséges nyomásúra sűríti, mielőtt bekerül a légnedvesítőbe. Ez a modul gondoskodik a tüzelőanyagcella által termelt víz egy részének visszanyeréséről is. A visszavezetett víz a légnedvesítőt táplálja. A víz visszavezetéssel a légnedvesítő vízfogyasztása gazdaságossá tehető. A légnedvesítő modul szolgál arra, hogy a hidrogén tüzelőanyag és a sűrített levegő áramot nedvesítse a deionizált víz hűtőkörből vett vízzel. Ezután kerül a hidrogén és a levegő a tüzelőanyagcellába, szabályozott mennyiségben adagolva.
Nyomásszabályozó modul szolgál arra, hogy a 10bar nyomáson tárolt hidrogén nyomását a tüzelőanyag üzemeltetéséhez szükséges 1-4 bar értékre szabályozza. A nyomás szabályozása és a tüzelőanyag áramoltatása a hidrogén visszavezetésével történik.
A
rendszer
fontos
eleme
még
a
hűtőmodul,
amely
a
tüzelőanyagcella
hőfokszabályozását végzi hűtőszivattyúval külső radiátoron átáramoltatott etilénglikol hűtőfolyadékkal.
A rendszerhez tartozik még egy beépített feszültség szabályozó modul. A beépített feszültség szabályozó egy DC/DC, azaz egyenfeszültség/egyenfeszültség átalakító, amelynek a szabályozott kimenőfeszültsége 10-16V. A DC/DC átalakítóról tölthető a segédüzemi akkumulátor, valamint erről látható el esetlegesen, egy olyan közbenső hőcserélő, amely a tüzelőanyagcella által termel hőt képes a jármű fűtésére hasznosítani.
Az egész rendszer mikroprocesszoros vezérlésű. Az információáramlást, az adatforgalmat és a berendezés felügyeletét a központi mikroprocesszoros vezérlő látja el. A rendszer ezen keresztül csatlakozik a jármű vezérlőhöz (Gilchrist T. 1998). .
- 426 -
A metanol tüzelőanyaggal működő cellákból álló energiaforrás a hidrogén-alapú tüzelőanyagcelláshoz képest kicsit más felépítésű. Ezt egy ugyancsak Xcellsis gyártmányú rendszeren keresztül mutatjuk be. Metanol-alapú komplett tüzelőanyagcellás energiaforrás teljes kiépítését a 13.28. ábra mutatja [36].
13.28. ábra.
Metanol-alapú tüzelőanyagcellás energiaforrás teljes kiépítése
A tüzelőanyag a folyékony halmazállapotú metanol, tartályban, környezeti hőmérsékleten és nyomáson tárolva. A rendszert felépítő modulok és szerepük a következő:
Levegő modul a hidrogén alapú tüzelőanyagcellás rendszerhez hasonlóan a cella üzeméhez szükséges sűrített levegőt állítja elő. Különbség az, hogy itt a sűrített levegő egy része a metanol gáz tisztításához kell, ezért kétfokozatú sűrítést alkalmaznak.
Adagoló modul a tartályból vett metanolt a visszavezetett vízzel keverik és az úgynevezett „forró modulban‖ levő gőzölögtetőbe injektálják olyan adagokban, ahogyan a teljesítmény szükséglet ezt megkívánja. - 427 -
A „forró modul‖, tulajdonképpen a reformer és a gáztisztító berendezés. A tartályból jövő metanolt a tüzelőanyag működése során keletkezett vízzel felgőzölik és átalakítják hidrogén-dús gázzá. A folyamatban keletkező CO gázt oxidálják széndioxiddá.
Perifériális modul látja el a maradék feladatokat. Például a tüzelőanyagcella végtermékeként keletkező víz tárolását és egy részének a visszavezetését a gáztisztító felé.
Az egész rendszer vezérlése a hidrogén-alapú rendszerhez hasonlóan mikroprocesszoros. A terhelési és hatásfok jelleggörbe menete hasonló a hidrogén-alapú rendszerre érvényes jelleggörbékhez.. A hatásfok azonban sokkal kisebb, mint hidrogén-alapú rendszernél, maximálisan 40%, és névleges terhelés környékén 25%-ra csökken. Az XCS-ME-75 típusú Xcellsis gyártmányú metanol-alapú tüzelőanyagcellás energiaforrás feléledési ideje 0-90% terhelésugratásra 2s, azaz a hasonló teljesítményű hidrogén-alapú rendszerhez képest kétszeresen lassúbb.
13.29. ábra.
XCS-ME-75 típusú tüzelőanyagcellás
Tüzelőanyagcellás energiaforrással megvalósított jármű Tüzelőanyagcellás városi buszból néhányat először 1998 márc. 16.-án helyeztek üzembe Csikágóban. A Dbb Fuel Cell Engines-Ballard gyártmányú cellákkal üzemelő, 200kW teljesítményű hajtással ellátott buszok nagynyomású hidrogén tartálya a busz tetején van elhelyezve [15]. - 428 -
A világ első tüzelőanyagcellás személyautója a Daimler Benz által Frankfurtban 1997 szeptemberében bemutatott NECAR 3 (New Car) típusjelű jármű. A Mercedes Benz Aosztály átépítésével készült jármű üzemanyaga cseppfolyós metanol. A tárolt metanolból reformer állít elő hidrogént. A 40literes tankban tárolt metanollal a jármű hatótávolsága 400km. A folyékony tüzelőanyag gyors és egyszerű utántöltést tesz lehetővé és a párolgás is kicsi. A tüzelőanyagcellás egység gyártója a Ballard Power Systems, Dbb Fule Cell Engines GmbHNabern Germany. A 2001-ben bemutatott NECAR 5 ugyancsak folyékony metanol üzemanyagú, Ballard Mk9 típusú 75kW-os, Xcellsis rendszerű tüzelőanyagcellával készült (440 sorba kapcsolt cella, teljes terhelésnél 265V kimeneti feszültséggel). A járműhajtás inverterről táplált aszinkrongépes villamos hajtás. A jármű legnagyobb sebessége 150km/h (Scarlett M. 2000). A General Motors által kifejlesztett típus a Zafira [28]. A Zafira MPV’2000 cseppfolyós kompresszált hidrogén-tárolású. Az 5kg folyékony hidrogén tárolására használt duplafalú és vákuum-szigetelésű rozsdamentes acél-tartály súlya 95kg. A jármű villamos energiaforrása 200db sorba kötött PEM cella, amely 125-200V-on 80kW (maximálisan 120kW) leadására képes. Ez 200V-on 600A-nek felel meg. A vontatásra felhasználható teljesítménye állandó üzemben 55kW, rövididejű terhelés esetén 60kW (250-305Nm nyomaték).
13.30. ábra
A General Motors által kifejlesztett Zafira MPV '2000
- 429 -
A Toyota autógyár hidrogén-alapú tüzelőanyagcellás energiaellátású villamos autóinak típusa: FCHV-1-3. A beépített tüzelőanyagcella jó hatásfokú polimer elektrolitos PEM-cellákból tevődik össze. A tápforrás kimenő teljesítménye: 90kW. A járműhajtó motor 80kW-os
és
260Nm
energiatárolóként
névleges
nikkel-fémhidrid
nyomatékkal (Ni-MH)
rendelkezik.
Másodlagos,
akkumulátorokat
kiegészítő
alkalmaznak.
A
tüzelőanyagcella táplálására szolgáló hidrogént fémhidrid ötvözetben adszorbeálva tárolják (Gilchrist T. 1998). A Ford autógyár által kifejlesztett tüzelőanyagcellás autó jelölése: FOCUS FCV Chizek Ph. 2001, Crosse J. 2001). Két 41 literes hidrogén tankkal rendelkezik. A hidrogén tárolási
nyomásának maximális értéke 355bar, és minimális értéke a tank kifogyási határán 3,6bar. A tüzelőanyagcella működéséhez szükséges szabályozott hidrogén nyomás 3bar. A Ford biztonsági berendezései: 4 hidrogén érzékelő, ebből kettő a csomagtartóban, egy a motorházban és egy az utastérben. Ha a detektor hidrogén szivárgást észlel, akkor jelez, 8 kis ventilátor folyamatosan szellőztet, ha nem elég kinyitja a védelem az ablakot.
13.31. ábra
Ford Focus FCV A Honda tüzelőanyagcellával üzemelő kísérleti járműveinek típusjele FCX-V. Az FCX-V1 aluminium ötvözetű lantán-metal-hidrid tankban tárolt folyékony hidrogénnel működik (1,4kg lehűtött hidrogén, 200-245bar nyomással). A tüzelőanyagcella a Honda által továbbfejlesztett PEM cella. A járműhajtás 49kW-os állandómágneses szinkron szervóhajtás. Az FCX-V2 metanollal és hidrogén reformálással és 60kW-os PEM cellával működik (Gilchrist T. 1998).
- 430 -
A Mazda Motor Corporation (Hiroshima) fémhidrides hidrogén tárolással, és másodlagos energiatárolóként ultrakapacitás használatával kísérletezik (Gilchrist T. 1998).
13.32. ábra
A hidrogén-autók német jövőjéről
- 431 -
KÉRDÉSEK 1. Az energiatárolás szükségessége, a fajlagos tárolóképesség 2. Ismertesse a mechanikus akkumulátorokat 3. Hőakkumulátorok 4. Villamos és elektromágneses energiatárolók 5. Elektrokémiai akkumulátorok, a legjellemzőbb felhasználási módok 6. Mesterséges tüzelőanyagok, a hidrogén jellemzői 7. A hidrogén előállítása, tárolása és szállítása 8. A tüzelőanyagcellák általános jellemzése, az energiaforrás elvi felépítése, üzemeltetési feltételei 9. Protonáteresztő membrános tüzelőanyagcella felépítése 10. Protoncserélő tüzelőanyag (PEM) cellákkal működő hő- és villamos erőmű (hidrogén bázison) 11. Tüzelőanyagcellák alkalmazása, hátránya a gépkocsikban 12. Az ultrakapacitás és jelentősége 13. A hidrogénnel működő tüzelőanyagcellás jármű felépítése
- 432 -
IRODALOMJEGYZÉK 1. 2. 3. 4.
Bai Attila és szerzőtársai: 2002 Biomassza felhasználása. Szaktudás Kiadó Ház Budapest Ballard: 1981. Gyártmány katalógus. Brennstoffzellen-Modul. Mark 900 Series. Barótfi István: Tüzeléstechnika I Agrártudományi Egyetem MG Kar Gödöllő Barótfi, I. (szerk.): 1994.Energiafelhasználói kézikönyv. Környezettechnikai Szolgáltató Kft Kiadó, Budapest, 5. Beke, Gy. (szerk.): 2002.Hűtőipari kézikönyv, Mezőgazdasági Kiadó, Budapest, 6. Beke, J. (szerk.): 1997.Terményszárítás. Agroinform Kiadó, Budapest, 7. Beke, J.: 2000.Műszaki hőtan mérnököknek. Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 8. Beuzit P.: 1999.Fuel cell fever. Electic and Hybrid Technology pp. 14-21. 9. Bitsche O., Friedrich J., Noreikat K. E.: 2000. Electric drives for hybrid, fuel cell and battery powered vehicles. Proceeding of ICEM. Espoo 2000. pp. 1317-1321. 10. Bohoczky F.: 2000. Megújuló energiaforrások terjedése Magyarországon, Energiagazdálkodás, 41. évf., 12. sz., 13-15. o. 11. Boyle G. 1996. Renewable energy. Power for a suitainable future. Oxford University Press. Oxford. ISBN 0-19-856452-X. 12. Buzás J.-Farkas I.-Lágymányosi A.-Tóth M.: 2002 Úszómedence napenergiás vízmelegítő rendszerének monitorozási eredményei, Energiagazdálkodás, 43. évf., 3. sz., 24-28. o. 13. Büki G. (1997): Energetika. Műegyetemi Kiadó, Budapest 14. Büki G.: 1997. Energetika. Egyetemi Tankönyv, Műegyetemi Kiadó, Bp. 15. ChanC. C.: 1996.Overwiew of electric vehicles – Clean and energy efficient urban transportation. Proceeding of PEMC, Power Electronics and Motion Control. pp. K7-K15. 16. Chizek Ph.: 2001.Fuel cells in Focus. Electic and Hybrid Technology pp. 32-35. 17. Crosse J.: 2001.Cells of this century. Electic and Hybrid Technology pp. 13-15. 18. DaumlerChrysler: 2001. Kutatás-fejlesztés ismertető: Alternative Antriebe. (Typ: NECAR 5, Commander 2). Hightech Report S. 58-61. 19. DaumlerChrysler: 2001.Kutatás-fejlesztés ismertető: Direktmethanol Brennstoffzelle. Hightech Report S. 54-57. 20. Dezső, Gy.: 1986.Áramlás energetika csővezetékrendszerekben. Műszaki Könyvkiadó, Budapest, (303. o.). 21. Dietzel, F.: 1979 Műszaki hőtan. Röviden és tömören sorozat, Műszaki Könyvkiadó, Bp. 22. Dunlap R. A.: 1988.Experimental Phisics-Modern methods. Oxford University Press. New York-Oxford. pp. 373. ISBN 0-19-504949-7. 23. Eggertson B.: 2003.The hydrogen economy. Refocus July/August pp. 57-58. 24. Farkas I. /szerk./: 2003. Napenergia a mezőgazdaságban, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 25. Farkas I.-Biró A.-Buzás J.: 1999,Napenergia növényházi hasznosítása, Energiagazdálkodás, 40. évf., 1. sz., 11-14. o. 26. Farkas I.-Mészáros Cs.-Seres I.: 1997.Szoláris szárító áramlástani vizsgálata, Járművek, Építőipari és Mezőgazdasági Gépek, 44. évf., 6. sz., 214-216. o. 27. Farkas I.-Bencsik T.-Buzás J.-Hegyi K-Seres I.: 1998Víztározóval kiegészített fotovillamos energiatermelő rendszerek telepíthetősége, Magyar Energetika, VI. évf., /1. sz., 25-29. o.
- 433 -
28. Fenyvesi L.-Pecznik Pál: 2003.”Converting biomass to solid fuel” CHOPS 4th International Conference for Conveying and Handling of Particulate Solisdes Proceedings Volume I Budapest 29. Gács I., Falucskai N. J., Kiss L., Zsebik A.: 2003, Villamosenergia-termelés, szállítás (Oktatási segédanyag) Kézirat E.ON Hungária Rt. 30. Gavine A.: 1998.Zinc or swim. Electic and Hybrid Technology pp. 99-102. 31. Gilchrist T.: 1998.Fuel cells to the fore. IEEE Spectrum Nov. pp. 35-40. 32. Hagenmuller P., Van Gool W.: 1978.Solid electrolytes. Academic Press, New York. IBSN 0-12-313360-2. 33. Horváth G. – Tóth L. (2001):A szélenergia hasznosítása. Magyar Tudomány. MTA Folyóirata Budapest, 11.sz.1300-1306.p. 34. http://www. lior.be „Biomass Combustion” Cd Version 1 Lior CD-rom collection 1999 35. http://www.fotoszintezis.hu/ 36. Hunyár M., Schmidt I., Veszprémi K., Vincze Gy-né: 2001. A megújuló és környezetbarát energetika villamos gépei és szabályozásuk. (339 o.) Műegyetemi Kiadó, Budapest. ISBN 963 420 670 0. 37. IEEE Power & Energy Magazine Nov/Dec 2003. pp.20-25. 38. Imre L., Bitai A., Hecker G.: 2000.Megújuló energiaforrások. Felsőfokú oktatási segédlet. BME Energetika Tanszék Budapest 39. Kaboldy E.: 2003,Fototermikus rendszerek, Napenergia a mezőgazdaságban /szerk. Farkas I./, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 53-99. o. 40. Kaboldy E.: 1998.Melegvízkészítés napenergiával, Alternatív Energiák 4. füzet, Fiorentini Hungary Kft., Budapest, 41. Kacz K.-Neményi M.: 1998.Megújuló energiaforrások, Mezőgazdasági Szaktudás Kiadó, Budapest, 42. Kishinevsky Y., Zelingher Sh.: Coming clean with fuel cells. 43. Marosvölgyi Béla: 2003 Biogáztermelés és hasznosítás Mezőgazdasági vállalkozók tanácsadó füzete MGBSZ Gödöllő 44. Monoki Ákos: Megújuló energia http://www.nyf.hu/ 45. Mujumdar, A.S. – Beke, J.: 2002.Gyakorlati szárítás. Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, 46. Nagy I. (1997): Elektrotechnika példatár 20. fejezet. Műegyetemi Kiadó, Budapest 47. Napoli A.D., Caricchi F., Crescimbini F.: 1995.Ultracapacitor based bidirectional DC-DC converter prototype for recovery of the braking energy in EV motor drives. Proceeding of EPE. Sevilla. Pp. 2.141-2.146. 48. NAS Battery Application, 2010. Distributed Energy Storage An Alternative or Supplement to Pumped Hydro, C.E.C. Corporation 49. Pálfy M.: 1998.Fotovillamos áramellátás, Alternatív Energiák 6. füzet, Fiorentini Hungary Kft., Budapest, 50. Pálfy M.: 2003 Fotovillamos rendszerek, Napenergia a mezőgazdaságban /szerk. Farkas I./, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2003, 100-149. o. 51. Pálfy M.: 1995 Környezetbarát villamosenergia-termelés lehetőségei Magyarországon napenergiából napelemekkel, Magyar Energetika, 1995/2, 11-13. o. 52. Pecznik Pál szerk.: Megújuló energiaforrások. Mezőgazdasági vállalkozók tanácsadó füzete MGBSZ Gödöllő 2003
- 434 -
53. Réczey Istvánné: Etanol előállítása lignocellulózokból http://www.nonfood.bme.hu/ 54. Scarlett M.: Made in Japan. Electic and Hybrid Technology 2000. pp. 150-151. 55. Schmidt I., Rajki I.,Vincze Gy-né.: Járművillamosság. (342 o.). Műegyetemi Kiadó, Budapest. 2002. ISBN 963 420 710 3. 56. Schrempf, N. – Tóth, L. (2004): Controlling of Energetic Wind Measurement (Calibration of Cup Anemometers) Hungarian Agricultural Engineering N° 17/2004, 71-74p. 57. Sembery P. (1989): Alkalmazott villamosságtan. GATE egyetemi jegyzet, Gödöllő 58. Sembery P. (2001): Villamos gépek. SZIE jegyzet, Gödöllő 59. Sembery P-Tóth L.: 2005. Hagyományos és megújuló energiák, Szaktudás Kiadó Ház. Budapest, 522 p. 60. Stempel R.: In safe hands. Electic and Hybrid Technology 2003. pp. 86-87. 61. Stróbl A.: 2008. A budapesti erőművek múltja, jelene és jövője, Budapest, 62. Stróbl A.: 2010. Magyarország energiamérlegeiből Budapest. 63. Szűcs M.: Passzív napenergia-hasznosítás a mezőgazdasági építészetben, Napenergia a mezőgazdaságban /szerk. Farkas I./, Mezőgazda Kiadó, Budapest, 2003, 207-240. o. 64. Tóth G. – Horváth G. – Tóth L. (2001): Energetikai célú szélmérés és széltérkép-készítés. Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás, MTA, SZIE Gödöllő, 2. Kötet 15-19.p. 65. Tóth L. – Horváth G. – Schrempf N. (2004): Energetikai széltérkép készítésének metodikája; MTA AMB, K+F Tanácskozás Nr. 28 Gödöllő, 4. kötet 246-250. p. 66. Tóth L. – Horváth G. – Szlivka F. – Tóth G.: 2000.Computer adided planning of the first Hungarian wind turbine installation Gépészet 2000. Springer Orvosi Kiadó, Budapest 78-82 p. 67. Tóth L. – Schrempf N. – Tóth G. (2004): A szél jellemzése, várható energiatermelés, Áram és Technológia, III. évf. 4. szám, 34-37. p. 68. Tóth L. – Schrempf N. – Tóth G. (2004): A szélerőmű környezeti hatásai Áram és Technológia, III. évf. 7-8. szám, 23-27. p. 69. Tóth L. – Schrempf N. – Tóth G. (2004): A villamos szélerőgépek működése Áram és Technológia, III. évf. 5-6. szám, 32-36. p. 70. Tóth L. – Szlivka F. – Balló B. – Tóth G. – Schrempf N. (2004): Szélsebességmérők kalibrálására alkalmas szélcsatorna fejlesztése; MTA AMB, K+F Tanácskozás Nr. 28 Gödöllő, 4. kötet 417-421 p. 71. Tóth L.-(2002)-Szélerőművek telepítése és üzembeállítása-Mérnök Újság-október-12-14.p. 72. Tóth L.: 2000.Wind Energy Analsis of Hungary, Hungarian Agricultural Research, Hungary, Vol 9, No 4,. 8-12. p 73. Tóth L.: 2006. Megújuló energiák hálózatra csatlakoztatása, VET követelmények „Certified Energy Regulatory Manager Course”, , Institute of International Research (The Word’s Leading Conference Campani), Budapest, 2006.aug. 22-24. Konferencia kiadvány 110 p. 8p. 74. Tóth L.: 2006. Megújuló energiák szerepe a villamos energia ellátásban, fókuszban az átvételi árak, Workshop, Institute of International Research (The Word’s Leading Conference Campani), EnKon az IIR éves rendezvénye, Budapest, 2006.júni. 12-15. Konferencia kiadvány 210 p. 4 p. 75. Tóth L.-Horváth G.: 2003.Alternatív energia. Szélmotorok, szélgenerátorok, Szaktudás Kiadó Ház, Budapest,
- 435 -
76. Tóth László és szerzőtársai: 1995Gépi vállalkozók könyve. Mezőgazda Kiadó Budapest 77. Vajta M (1968): Pattantyús gépész és villamos mérnökök kézikönyve 9. Műszaki Könyvkiadó, Budapest 78. Vas, A.:2000 Kalorikus gépek. Szent István Egyetem, Gödöllő, 79. Zöld, A. 1993.Épületfizika. BME jegyzet, Budapest, 80. Zsebik A., Falucskai N., József C. Z.: 2003 Energiagazdálkodás, Oktatási segédanyag, E-ON Hungaria RT. Budapest.
- 436 -
FÜGGELÉK Az energetikában használatos fontosabb szabályos és használatos (elfogadott) MÉRTÉKEGYSÉGEK Egység neve Szimbólum Definíció Átszámítás SI egységre 3 Térfogat, m köbméter (SI egység) m³ 1m×1m×1 m liter l 1 dm³ barrel (hordó) (petróleum) bl 42 gal (US) = 158,987 294 928 l Tömeg, m kilogramm kg (SI alap egység) Idő, t másodperc s (SI alapegység) Sebesség, v méter per másodperc (SI m/s 1 m/s egység) Gyorsulás, a méter per másodperc m/s² 1 m/s² négyzet (SI egység) Erő, F newton (SI egység) N kg·m/s² Nyomás, p (kis betű) pascal (SI egység) Pa N/m² = kg/(m·s²) vízoszlop milliméter (3,98 mmH2O ≈ 999,972 = 9,806 38 Pa (= °C) kg/m³ × 1 mm 0,999972 kgf/m²) ×g higanymilliméter mmHg 13 595,1 = 133,322 387 415 kg/m³ × 1 mm Pa × g ≈ 1 torr atmoszféra (technikai) atm 1 kgf/cm² = 98,0665 kPa bár bar 105 Pa atmoszféra (szabványos) atm 101 325 Pa kilogramm-súly per kgf/mm² 1 kgf/mm² = 9,806 65 MPa négyzetmilliméter Energia, E joule (SI egység) J N·m = W·s = = kg·m²/s² V·A·s kalória (20 °C) cal20 °C ≈ 4,1819 J kalória (átlagos) calmean ≈ 4,190 02 J kilokalória; kcal; Cal 1000 calIT = 4,1868 kJ lóerőóra hp·h 1 hp × 1 h = 2,6845 MJ kilowattóra; kW·h 1 kW × 1 h = 3,6 MJ
- 437 -
TNTtonna olaj ekvivalens hordó szén ekvivalens tonna olaj ekvivalens tonna
tTNT bboe TCE TOE
1 Gcalth ≈ 5,8 MBTU59 °F 7 Gcalth 10 Gcalth
watt (SI egység) BTU (nemzetközi) per óra
Teljesítmény, P W J/s = N·m/s BTUIT/h 1 BTUIT/h
= 4,184 GJ ≈ 6,12 GJ = 29,3076 GJ = 41,868 GJ = kg·m2/s3 ≈ 0,293 071 W
BRITISH THERMAL UNIT
lóerő (európai elektromos)
LE (hp)
SI egység
J·s
amper
A
coulomb (SI egység)
C
75 kp·m/s
= 736 W
Perdület, J kg·m²/s Elektromos áram, I (SI alapegység) Elektromos töltés, Q A·s Elektromos feszültség, U volt (SI egység)
kg·m²/(A·s³)
V Elektromos ellenállás, R Ω V/A Dinamikus viszkozitás, η Pa·s N·s/m²
ohm (SI egység) pascal másodperc (SI egység)
= kg/m·s
Kinematikai viszkozitás, ν m²/s m²/s Információ entrópia, H J/K 1 J/K Hőmérséklet, T K SI alapegység T[K] = T[°C] + 273,15 °C T [°C] = T [K] − 273,15
SI egység SI egység Kelvin Celsius fok
Prefixumok: energetikában használatos
kilo mega giga tera peta exa
= kg·m²/(A²·s³)
k M G T P E
103 · 106 · (millió) 109 · (milliárd; USA: billion) 1012 · (billió) 1015 · 1018 ·
- 438 -
Időegységek:
másodperc
s;
óra h; nap d; év a; 1 év = 8760 h 1 év = 31,536 · 106 s
s–1 : másodpercenként h–1 : óránként d–1 : naponként a–1 : évenként
A hazai és nemzetközi gyakorlatban használatos energiaegységek:
1 J = 1 Ws 1 Ws = 1 J 1 Wh = 3600 J 1 kWh = 3,6 MJ 1 MWh = 3,6 GJ 1 GWh = 3,6 TJ 1 TWh = 3,6 · 103 TJ 1 Wa = 31,536 · 106 J = 31,536 MJ 1 kWa = 31,5 · 109 J = 31,5 GJ 1 MWa = 31,5 · 1012 J = 31,5 TJ = 31,5 · 10–6 EJ 1 GWa = 31,5 PJ 1 MJ = 0,2778 kWh 1 GJ = 0,2778 MWh 1 TJ = 0,2778 GWh 1 EJ = 277,8 · 103 GWh ● 1 Mtoe (millió tonna olajegyenérték) 1 Mtoe = 11 630 GWh 41,87 PJ 1 MWh = 3,6 GJ = 3,6 · 10–6 PJ = 8,6 · 10–8 Mtoe 1 GWh = 8,598 · 10–5 Mtoe 8,6 · 10–5 Mtoe 1 TWh 8,6 · 10–2 Mtoe 1 PWh 86 Mtoe 1 MJ = 2,4 · 10–11 Mtoe 1 GJ = 2,4 · 10–8 Mtoe 1 TJ 2,4 · 10–5 Mtoe 1 PJ = 0,02388 Mtoe 2,4 · 10–2 Mtoe ● 1 t FTA (tonna egyezményes kőszénegyenérték, németül SKE) 1 t ETA = 29,3 · 109 J = 8,141 · 103 kWh
- 439 -
Néhány anyag energiatartalma (gross heat of combustion) és fűtőértéke (net heat of combustion)
Etilalkohol (C2H5O4) Metilalkohol (CH3OH)
32,8 141,9 55,57 (39,8 MJ/m3) 29,89 22,46
Fűtőérték MJ/kg (MJ/m3)) 32,8 120 50,05 (35,8 MJ/m3) 26,96 19,5
Antracit Kőszén Barnaszén Száraz fa Erdőszáraz fa Fa (50 % nedvesség)
33,5 – 34,7 29,3 – 35,1 12,98 – 10,47 15,9 – 18 ~ 10,7
26,6 – 33,9 27,2 – 34,1 8,3 – 11,4 14,7 – 16,7 12,5 ~ 8,4
43,9 44,4 – 45,6
42,5 42,3 – 43,5
-
10 – 16 6 – 13 3–6 34,2 MJ/m3 17,66 (21,42 MJ/m3)
Anyag C (karbon) H2 (hidrogén) CH4 (methán)
Benzin Dízel Szalma Csatornaiszap Háztartási szemét Földgáz Biogáz (BG) (60 v% CH4 + 40 % CO2)
Energiatartalom MJ/kg
Megjegyzések: EtOH = 0,789 g/m3 MeOH = 0,792 g/cm3 benzin = 0,703 g/cm3 1 Nm3 BG = 1,213 kg (0,428 kg CH4 + 0,785 kg CO2) 1 mól BG = 27,2 g 1 Nm3 CH4 = 0,713 kg
- 440 -
1 Pa
technikai
fizikai
(torr)
font per
pascal
bár
atmoszféra
atmoszféra
és
négyzethüvelyk
(Pa)
(bar)
(at)
(atm)
(Hgmm)
(psi)
1 N/m²
10−5
10,197·10−6 9,8692·10−6 7,5006·10−3
145,04·10−
Villamos ipari kifejezések -
ME – megújuló energiaforrás: nem fosszilis és nem nukleáris energiaforrás (nap, szél, geotermikus energia, hullám-, árapály- vagy vízenergia, biomassza, biomasszából közvetve vagy közvetlenül előállított energiaforrás, továbbá hulladéklerakóból, illetve szennyvízkezelő létesítményből származó gáz, valamint a biogáz).
-
Hulladékból
nyert
energia:
hulladékgazdálkodási
előírások
hulladéknak betartása
a
-
mellett
-
környezetvédelmi tüzelőanyagként
és
történő
felhasználása során nyert energia. -
Kapcsoltan termelt energia: azonos technológiai folyamatban egyidejűleg termelt mechanikai, hő- és villamos energia.
-
Megújuló erőműnek a KÁT mérlegkörben a megújuló energiaforrást (jelenleg biogáz, biomassza, szél, víz) vagy hulladékot tüzelőanyagként felhasználó erőművet tekintjük.
-
Kapcsolt erőműnek a KÁT mérlegkörben a fosszilis energiahordozót (jelenleg gáz, fűtőolaj, tüzelőolaj, szén) felhasználó hő- és villamos energiát előállító erőművet tekintjük.
-
Időjárásfüggő
erőművek:
szélerőművek
és
naperőművek
(jelenleg
KÁT
mérlegkörben naperőmű nincs). -
KE – kiegyenlítő energia: az átviteli rendszerirányító által a pozitív, vagy negatív irányú menetrendi eltérés kiegyenlítő szabályozás során a mérlegkör-felelősökkel elszámolt villamos energia.
- 441 -
-
HM – havi menetrend: a KÁT Értékesítők (energiát termelő) által a Befogadó (MAVIR ZRt.) részére előzetesen megadott tervezett termelési adatait tartalmazó összesített menetrend a hónap minden napjára negyedórás bontásban.
-
NM – napi menetrend: a KÁT Értékesítők által a Befogadó részére előző nap megadott tervezett termelési adatait tartalmazó összesített menetrend negyedórás bontásban.
-
zsinór energia: olyan energiamennyiség, mely minden időintervallumban azonos.
-
havi zsinór: a KÁT Értékesítők összesített havi menetrendjéből meghatározott kétszintű zsinór energia (alsó szint – mélyvölgy időszak, felső szint – völgy és csúcs időszak).
-
napi kiosztás: a KÁT Értékesítők napi menetrendjének és a havi menetrendből meghatározott havi zsinór különbsége negyedóránkénti bontásban. Amennyiben egyazon időintervallumban a havi zsinór nagyobb, mint a napi menetrend, akkor ez az érték nulla.
-
TT – ténytermelés
-
KÁT egységár: a KÁT Átvevők részére szétosztott, átvételi kötelezettség alá eső villamos energia adott hónapra megállapított elszámolási ára a korrekciók figyelembe vételével.
-
Nyersár: a KÁT egységár korrekciók nélküli része, vagyis az egyes KÁT Értékesítők tervezett havi termelése zónaidőnkénti bontásban és a külön jogszabályban meghatározott, az adott Értékesítőre vonatkozó hatósági ár szorzatainak összege.
-
KÁT szabályozási költség: a KÁT mérlegkör kiegyenlítése során előző hónapban igénybe vett szabályozási energia költsége, csökkentve az Értékesítőktől befolyt szabályozási pótdíjak, valamint a jogosulatlanul értékesített villamos energia után fizetett visszatérítések összegével.
- 442 -
