A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények

Atomenergia és Fenntartható fejlődés fenntartható fejlődés és energetika (BMETE809008)

(BMETE80AF06)

A legfontosabb fizikai törvények • A termodinamika I. főtétele – az energia-megmaradás elve

Tárgy weblap: http://www.reak.bme.hu/index.php?id=407

3. előadás Energiatermelési módok részletes ismertetése: a fosszilis energiahordozók

• „Az energia nem vész el, csak átalakul” • Zárt rendszer esetén a belső energia (U) megváltozása a beés elvezetett hőenergia (Q) és a be- vagy elvezetett mechanikai munka (W) előjeles összegének felel meg. U2 - U1 = Q + W

2011/2012. tanév tavaszi félév

Prof. Dr. Aszódi Attila, Yamaji Bogdán BME NTI Fenntartható fejlődés és energetika

Dr. Aszódi Attila, BME NTI

1

A legfontosabb fizikai törvények

2

• Veszteségek az energiaátalakításban

– az energia minőségére ad útmutatást • Hő hidegebb helyről melegebb helyre (külső segítség nélkül) nem áramolhat. • A hőenergia teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává, viszont a mechanikai munka 100%-ban hőenergiává alakítható. ⇒az energiaátalakítások során szükségszerűen végbemennek olyan folyamatok, amelyek nem megfordíthatóak! • Zárt rendszer összes entrópiája nem csökkenhet.




• A termodinamika II. főtétele

Fenntartható fejlődés és energetika


3

– Mennyiségi veszteségek: Az első főtétel betartása mellett az energia egy része elvész a hasznosítás szempontjából (pl. megszökik a rendszerből - elégtelen hőszigetelés, gőzveszteség). – Minőségi veszteségek: A hőenergia minőségét a hőmérséklet jellemzi! ⇒Minél magasabb hőmérsékleten áll rendelkezésre ugyanaz a hőmennyiség, annál értékesebb. ⇒A hőmérséklet csökkenése adott hőmennyiségnél a hő „minőségének” romlását okozza. Fenntartható fejlődés és energetika


4


Energiaátalakítás

• A termodinamika kimondja az energiamegmaradás elvét (I. főtétel), de egyben meghatározza az egyes energiafajták egymásba alakításának korlátait is (II. főtétel).

• Energetikai nagyberendezések típusai: – erőmű – fűtőerőmű – fűtőmű



5


Energiaátalakítás


6

Hőerőgépek • Dugattyús gőzgépek • Belső égésű motorok

Erőműhatásfok fejlődése

– Otto motorok – Diesel motorok

• Gőzturbinák

ηCarnot = 1 − Fenntartható fejlődés és energetika


Talacsony

• Gázturbinák

Tmagas 7



8

Hőerőművi körfolyamat



Gőzturbina működése

9

Gőzturbina működése


a., levegő belépés


10

Gázturbinák tüzelőanyag bevezetés

3

füstgáz kilépés

égőkamra (É)

4

2

1

b., lehűtött füstgáz

kompersszor (K)

regenerátor (R)

turbina (T)

Turbinafokozat lapátprofiljai

2*

Turbinafokozat sebességábrája

forró füstgáz

Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk

2

levegő belépés

tüz. a 3

előmelegített komprimált 4* levegő

komprimált levegő 1 égőkamra (É)

kompresszor (K) turbina (T)

90 MW-os főturbina forgórész Fenntartható fejlődés és energetika

Hőcserélővel kiegészített egytengelyes erőművi gázturbinás blokk

Százhalombattai 215 MW-os gőzturbina javítása Dr. Aszódi Attila, BME NTI

11



12

Gázturbina

Gázturbina moduláris atomreaktorral

Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk

– USA-fejlesztésű, 10-25 MWe teljesítményű gázhűtésű, gázturbinás reaktor – A 850 oC kilépő hőmérsékletű hélium hűtőközeg közvetlenül a gázturbinára jut Fenntartható fejlődés és energetika


13

Mobil gázturbina





14

Gázturbina forgórész hőterhelése

15



16

Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű gőzturbinás hőhasznosítással

A világ energiafelhasználásának megoszlása energiahordozónként

Q& ü

T4

T1

h1 m& g

T2

T3

Fosszilis energiahordozók • Szén • Kőolaj • Földgáz

PGT PKE

T G

h1′

V

ηG/G

P + PKE = GT Q& ü

Dunamenti erőmű, Százhalombatta

T HH

Mai tipikus hatásfok 50% fölött! Fenntartható fejlődés és energetika


Pasco, USA

17



• Égéshő [kJ/kg, MJ/kg] – tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelőanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hőmennyiség, ha a tüzelőanyagban lévő eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után cseppfolyós állapotban van jelen.

• Fűtőérték [kJ/kg , MJ/kg] – tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelőanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hőmennyiség, ha a tüzelőanyagban lévő eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után gőz halmazállapotban marad.

⇒ Fosszíliák kialakulása.


18

Égéshő és fűtőérték

A fosszilis energiahordozók keletkezése • Fosszilis energiaforrások: A Nap sugárzási energiája több száz millió évvel ezelőtt került betárolásra. • Élő szervezetek -- tengerfenék -- baktériumok + rárakódott kőzetek okozta magas nyomás és hőmérséklet ⇒ oxigénhiányos környezet.


19



20

Tüzelőanyagok égése

Tüzelőanyagok fűtőértéke

• Szilárd tüzelőanyag: – – – – –

a felhevítés és a nedvességpárolgás folyamata; az illó eltávozása és a kokszképződés; az illó égése; a koksz égése; salakképződés.

Tüzelőanyag Komlói feketeszén

Nedvességtartalom

[MJ/kg]

[%]

Hamutartalom [%]

16-18

4-6

40-46

Donyeci antracit

25

7

18

Sziléziai aknaszén

20

10-15

13-22

Borsodi barnaszén

• Gáznemű tüzelőanyag:

Fűtőérték

9-11

23-29

25-30

Visontai külfejtés

5,5-6,7

45-50

19-27

Háztartási tüzelőolaj

41-42

Nehéz fűtőolaj

39-40

Gudron

39-40

Földgáz

41-42

– felhevítés; – égés.



21

A szén összetétele



22

Mélyművelésű szénbányászat

A Márkushegyi Aknaüzem (Vértesi Erőmű Rt.) az ország legnagyobb és legkorszerűbb bányája Fenntartható fejlődés és energetika


23



24





25






26

Felszíni szénfejtés

27



28



Meddőtermelés marótárcsás kotrógéppel Fenntartható fejlődés és energetika


Széntermelés merítéklétrás kotrógéppel 29


Visontai lignit főbb jellemzői: fűtőérték: 6,2 MJ/kg nedvesség: 48,7% hamu: 20,2% kén: 0,8% hidrogén: 1,7% szén: 19,7% nitrogén: 0,4% oxigén: 8,5% Fenntartható fejlődés és energetika

Hamu jellemzői: SiO2-tartalom: Al2O3-tartalom:




30

Felszíni fejtés - a meddő elszállítása

64% 21%

31



32

A szén szállítása

Széntüzelésű erőművek

• Közvetlen szállítószalag, ha a bánya közel van. • Legolcsóbb: vízi út. Több 10 000 tonnás tengerjáró hajók. Folyami közlekedésben 1000 - 1500 t. • A szárazföldi szállítás zöme vasúton történik: a fejlett országokban a vasúton szállított áruk 1/3át a szénszállítás teszi ki. • Közút: egy tragédia.



33





Kényszercirkulációs kazánok

Síkbeli tűztérfal (membránfal) gyártása



35



34

36



Fluidizációs tüzelés az emisszió csökkentés érdekében Fenntartható fejlődés és energetika


37




38

Lignittüzelésű erőmű - példa

A visontai Mátrai Erőmű. 2 x 100 MW és 3 x 212 MW-os beépített villamos teljesítményű széntüzelésű blokk. Az erőmű napi lignitfelhasználása 20-25 000 tonna. Átlagos rendelkezésre állása 80%.

Fluidizációs tüzelés Fenntartható fejlődés és energetika


39



40



Visontán épült az ország első kénleválasztó berendezése. A világon egyedülálló módon a berendezés száraz HellerForgó féle hűtőtorony belsejében létesült. A képen az abszorber. RWE-MVM tulajdon. Fenntartható fejlődés és energetika


41

Kőszéntüzelésű erőmű - példa





42


43



44





45




46

Az USA szénkészletei

• Horvátország, Plomin-2 • Építés indult 1985-ben, financiális okokból megszakadt 1991-ben. • HEP (horvát) - RWE (német) közös vállalat (50-50%) 1997ben, a munkák újraindulnak. • Első szinkronüzem 1999. szeptember 29-én, üzemi gépként 1999. december 1. Max. 210 MWe. • Tervezett üzemidő 30 év, amely várhatóan 10 évvel hosszabbítható. • Import kőszén (24 MJ/kg) fogyasztása 80 t/h, termelői ár ~0,03 USD/kWh, 6350 h/év kihasználási tényezővel. • Saját szenük 8-11% kéntartalmú, mára gazdaságtalan.

• Az USA szénvagyonának energiatartalma 100x nagyobb, mint az olaj- vagy gázvagyonának energiatartalma. • 1900-ban a szénből már 3x annyit nyertek, mint a fából • 1995 941 millió t szénfelhasználás (USA) – – – –

erőművek: ipar, közlekedés: koksz az acélgyártásban: lakosság és szolgáltatás:

88% 7,7% 3,5% 0,6%

• AZ USA 1995-ben a 941 millió t szénfelhasználás mellett még 88 millió t-t exportált is.

• Plomin-1 1970 óta üzemel, 105MWe, saját szénre. Fenntartható fejlődés és energetika


47



48

Az USA szénkészletei • USA szénvagyona 1,5×1012 t • Felhasználása 1000×106 t/év – 1500 éves készlet (a jelenlegi felhasználással)! • USA villamosenergia-termelés 52%-a szénből!

A kőolaj

• Többek között ezért nem akarta az USA ratifikálni a kiotói jegyzőkönyvet!



49


A kőolaj lelőhelyek geológiája

• • • •


50

A kőolaj bányászata • Létezett néhány természetes forrás az USA-ban, ahol az olaj magától a felszínre jött, néhány 10 liter/nap mennyiségben. • 1859 - Titusville, Pennsylvania • „Colonel" Drake mélyített egy 69 láb mély fúrást, ahol olajat talált, amit a felszínre szivattyúzott. • A fő probléma: nem volt mibe tölteni, mert az erre alkalmas hordók többe kerültek, mint a beléjük tölthető olaj akkori értéke.

Olaj és gázlelőhely tipikus geológiai formációja. A gáz az olaj felett, az olaj víz felett helyezkedik el. Mindez porózus kőzetben található. Az egész formációt vízzáró kőzet fedi.



51



52

A kőolaj bányászata

A kőolajtermelés az USA-ban

• Az Olajfinomítás nagyot változtatott: a kerozin biztos piacra talált (főzés, fűtés, világítás). • 1862 - egy év alatt 75 kútból 3 millió hordó olajat hoztak felszínre csak Pennsylvaniában. • Intenzív kutatás indult több amerikai államban (Ohio, Indiana, California, Texas), ahol olajat találtak. • 1909 - az USA olajtermelése 500 000 hordó/nap, több mint az egész világ együttvéve. • 1 barrel (hordó) = 42 gallon = 42 x 3,885 l = 163 liter Fenntartható fejlődés és energetika


53

Kőolajkészletek • USA - sok, kis termelékenységű kút. • Szaud-Arábia: kevés, nagy termelékenységű berendezés, sokkal jobb mezők.


• Hanyatlás (~1930): elektromos világítás. • Újabb felívelés: az autó megjelenése. • 1970 - a csúcs elérése az alaszkai olajvezeték üzembevételével. Ezután a termelés esik. • 1948 óta az USA évről-évre több olajat importál. • Ma az USA fogyasztásának 50%-a import. Fenntartható fejlődés és energetika


54

Olajárak a világpiacon

Főbb olajtermelő országok Termelés Ország (103 hordó/nap) Szaúd-Arábia 8 231 Ex-Szovjetunió 6 550 Egyesült Államok 6 530 Irán 3 735 Kína 3 015 Venezuela 2 940 Mexikó 2 618 Egyesült Királyság 2 489 Nigéria 2 160 Irak


Készletek Olajkutak (106 hordó) száma 257 504 858 57 000 145 000 26 177 603 000 92 850 361 24 000 43 700 59 040 12 752 51 983 4 740 3 825 762 17 100 1 432 100 000 820

55



56

Olajárak alakulása


Crude Oil Price (oil-price.net) Price : 1yr fcast:

2007. 02. 28.

2007. 10. 03.

2008. 02. 26.

60,69 $/Barrel 79 $/Barrel



2008. 09. 23.

2009.03.10.



Crude Oil Price (oil-price.net) Price : 1yr fcast:

2009. 10. 13.

2010. 03. 29.

2010.09.07.



74,09 $/Barrel 103,76 $/Barrel 85 $/Barrel 119 $/Barrel

2011.03.29.

2011.09.06.

2012.02.21.

86,09 $/Barrel 104,88 $/Barrel 99 $/Barrel 121 $/Barrel

Nyersolaj-árak változása 1861-2004 között, 2004-es dollár jelenértéken (zöld) és akkori értéken (sárga) Fenntartható fejlődés és energetika


57

Olajárak hatása a világpiacon





58

Olajárak hatása a világpiacon

59

http://www.wtrg.com/daily/oilandgasspot.html Fenntartható fejlődés és energetika


60

Olajárak a világpiacon


• Sok államnak az olajexport a fő bevételi forrása ⇒ létkérdés az export ⇒ az olaj árát sok esetben nem az igazi piaci mechanizmusok, hanem spekulációk határozzák meg. • Az OPEC célja a mennyiség korlátozásával az ár felhajtása. • Az autók fogyasztása az elmúlt 30 évben közel a felére esett ⇒ az autós közlekedést ez is olcsóbbá teszi napjainkban. • A világpiaci igény a nagy, intenzíven fejlődő országok (Kína, India) kereslete miatt gyorsan és folyamatosan nő. Ez és a világpolitika ma a meghatározó felhajtóerő! Fenntartható fejlődés és energetika


61

• Világpolitikai változások • Az igazolt kőolajkészletek kb. 62%-a a politikailag instabil Közel-Keleten található

A világ igazolt kőolaj-készletének földrajzi eloszlása Fenntartható fejlődés és energetika

Olajárak alakulása • Világpolitikai változások • Az igazolt kőolajkészletek kb. 62%-a a politikailag instabil Közel-Keleten található

62

Olajárak alakulása • Hagyományos számítás szerint (1200 milliárd hordó igazolt készlet a jelenlegi fogyasztás mellett) kb. 40 évre elegendő a kőolaj-készlet • „Peak-oil” elmélet:

wikipedia

– 2012: Irán, Hormuzi-szoros

oil-price.net Fenntartható fejlődés és energetika



63

– számos elemző szerint lassan elérjük a maximális kitermelési kapacitást ⇒ további árnövelő hatás – az optimális kitermelés Gaussgörbével modellezhető, a csúcs után a termelés gyorsan csökken – növekvő kereslet mellett a csúcs után növekvő hiány – a csúcs időpontját az elemzések 2007-2027 közé teszik, újabban egyre korábbra Fenntartható fejlődés és energetika

Egy valós peak-oil: az északi-tengeri nyersolajtermelés csúcsa 1999-ben volt, azóta évi 2,8%-kal csökken a termelés Dr. Aszódi Attila, BME NTI

64

Modern kutatás

A kőolaj bányászata

• Olaj előkutatás:

• Szénhidrogének porózus kőzetben.

– robbantás, – nagy rezgő tömegek által keltett rezgések visszaverődésének érzékelése.

(olajtartalmú réteg vastagsága: néhány méter - néhány 10 méter).

• A normális kihozatali ráta csak 30%! • Termelési módszerek:

• A teljesen biztos lelőhely igazolás csak fúrással lehetséges. • A mező kiterjedésének meghatározása további fúrásokkal lehetséges ⇐ igazolt készletek. • A kutatófúrások rendszerint kis ráfordítással átállíthatóak termelőkutakká.

– elsődleges: a belső nyomás hajtja ki (gázsapka, víz felhajtóereje). Kitermelés során a nyomás és a hozam csökken. – másodlagos (+5-15%): gáz visszanyomása a gázsapkába, vagy víz benyomása alulra. – harmadlagos:

– Legmélyebb termelőkút 9600 m. – Átlagos napi hozam: 10-100 t/kút. – Átlagos élettartam: 40 év. Fenntartható fejlődés és energetika


• viszkozitást csökkentő melegítés forró vízzel vagy gőzzel; • az olaj föld alatti meggyújtása + levegő bejuttatása; 65

A kőolaj tengeri bányászata



66

A kőolaj finomítása és jellemzői

• 200 méteres vízmélységig fix állványról, afölött lehorgonyzott mesterséges szigetekről. • Rekord: 6,3 km víz alatt 600 m-es behatolás. • Kitermelési együttható: ~40%.

• Lepárlás • Vákuumdesztilláció • Krakkolás - a fehéráru kihozatal javítása Nyersolaj-feldolgozás termékei (benzin kihozatal Frakció Molekulaméret Forráspont [°C] Felhasználás Földgáz C -C -164 - +30 Tüzelőanyag 2-3-szoros) Oldószer (száraz Petroléter C -C 30 - 90 tisztítás) • Probléma: a 30 - 200 Benzin C -C Üzemanyag Tüzelés, dízel, Petróleum (kerozin) C -C 175 275 szennyezők (kén) repülés Tüzelőolaj C -C 375 alatt Tüzelőanyag a nehezebb Kenőolaj C -C 350 fölött Kenés félkemény Zsírok C és fölötte Kenés frakciókban Paraffin C és fölötte olvad: 52 - 57 Gyertya maradnak. Szurok, kátrány fölötte lepárlási maradék Tető, útépítés 1

5

5

7

5

12

12

16

15

18

16

20

18 20



67



68

A kőolaj és a fehéráru szállítása

A földgáz • A legnemesebb fosszilis energiahordozó • Fűtőértékre vonatkoztatva alacsonyabb széntartalom egységnyi hőfelszabadulásra kevesebb CO2 termelés, mint a szén elégetése során! • Szállítása és tárolása problémásabb, mint a kőolajtermékeké, felhasználása viszont könnyű • Magyarország ma túlzottan nagy mértékben épít a földgázra.



69


A földgáz fűtőértéke

Tüzelőanyag Komlói feketeszén

Fűtőértéék

Nedvességtartalom

[MJ/kg]

[%]

[%]

16-18

4-6

40-46

25

7

18

20

10-15

13-22

9-11

23-29

25-30

Visontai külfejtés

5,5-6,7

45-50

19-27

Háztartási tüzelőolaj

41-42 39-40

Gudron

39-40

Földgáz

41-42



Főbb gázkészletek Ország Készlet (tcf) Ex-Szovjetunió 1977 Irán 742 Katar 250 Egyesült Arab 205 Emírségek Szaúd-Arábia 186 Egyesült Államok 164 Venezuela 140 Algéria 128 Nigéria 110 Irak 109 Norvégia 47 Malájzia 68 Indonézia 69 Mexikó 68 Kanada 67 Hollandia 65 Ausztrália 20 Kuvait 53 Kína 59 Líbia 46

Hamutartalom

Sziléziai aknaszén

Nehéz fűtőolaj

70

Földgázkészletek

Donyeci antracit Borsodi barnaszén


71



tcf = 1012 ft3

72

Földgázkitermelés

A földgáz szállítása

• 15%-ban együtt történik a kőolaj kitermelésével. • Létezik 100 bar saját nyomással rendelkező gázkút (rekordmélység 7,5 km). • Száraz kutakból a gáz 60-80%-a saját nyomásától a felszínre jön. Vizes elárasztással a kitermelés 85-95%-os. • Kitermelés további javítása - rétegtörés: – hidraulikus repesztés; – föld alatti kémiai robbantás; – föld alatti atomrobbantás (oroszok több km mélyen, 40 kt-ás töltettel kísérleti jelleggel így növelték a kihozatalt ). Fenntartható fejlődés és energetika


73

• Csővezetéken, gáz halmazállapotban – – – –

∆p nagynyomású vezetékrendszer, gázátadó állomások alacsonyabb nyomású elosztóvezetékek nyomásemelő kompresszorállomások

– fogyasztónál a szállított gáz „minősége”: megfelelő forgalom és nyomás


A földgáz szállítása


74

A földgáz tárolása

http://www.eon-hungaria.com/letoltes/pdf/EON_Magyarorszagon_Cegprezentacio_2009.pdf www.mol.hu/repository/165062.pdf Fenntartható fejlődés és energetika


75



76



• Tárolók: 5 (E.On) + 1 biztonsági: Szőreg (MOL)

• Szőreg-1 (SZBT-1)

– mobilgáz: a tárolható és kitermelhető gáz – párnagáz: nem kitermelhető

• Föld alatt – be- és kitárolás – kitárolás üteme nem változtatható tetszőlegesen – kitárolás során csökken a rétegnyomás, így az elérhető maximális kitárolási teljesítmény is – be- és kitárolás iránya sem változtatható tetszőlegesen • jellemzően évente kétszer

– kimerült gáz- és olajmezők, víztároló rétegben kialakított tároló, sótömbök

http://www.mol.hu/hu/a_molrol/mediaszoba/sajtotajekoztatok/megkezdodott_az_uzemszeru_besajtolas_a_szoreg-1_gaztaroloba/ http://www.mol.hu/repository/512886.pdf



77




78

Gáztüzelésű erőmű - Százhalombatta

http://www.mol.hu/hu/a_molrol/mediaszoba/sajtotajekoztatok/megkezdodott_az_uzemszeru_besajtolas_a_szoreg-1_gaztaroloba/ http://www.mol.hu/repository/512886.pdf Fenntartható fejlődés és energetika


79



80

Fosszilis energiafelhasználás légszennyező hatása

Főbb ellenőrző kérdések és témakörök 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14. 15. 16. 17. 18.

VOC = Volatile organic compounds = illékony szerves vegyületek Fenntartható fejlődés és energetika


81

Főbb ellenőrző kérdések és témakörök 19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. 35.

Legfontosabb fosszilis tüzelőanyagok fűtőértéke, jellemző nedvesség- és hamutartalma Mélyművelésű bányászat Külszíni széntermelés A szén szállításának módozatai Széntüzelésű erőművek tüzelőberendezéseinek fő fajtái, működésük Az USA szénvagyona A kőolaj lelőhelyek geológiája A kőolaj lelőhelyek kutatása A kőolaj bányászata, különböző kitermelési módszerek és azok kihozatali aránya A legfontosabb kőolajtermelő országok és készleteik Az olajárak világpiaci alakulása és befolyása egyéb energiahordozók árára A „peak-oil” elmélet Kőolajfinomítás A földgáz lelőhelyek geológiája és kutatása A földgáz bányászata Földgázkészletek a világon Földgáz szállítása, tárolása



83

A termodinamika I. főtétele A termodinamika II. főtétele Mennyiségi és minőségi veszteségek az energiaátalakításban Energetikai nagyberendezések főbb típusai A hőerőgépek elvi felépítése, főbb típusaik A Carnot körfolyamat és hatásfoka A gőzturbinák működése (vázlatosan) A gázturbinák működése (vázlatosan) A gázturbinák főbb típusai Gázturbina moduláris atomreaktorral Mobil gázturbinák főbb típusai Gázturbina lapátok hőterhelése Kombinált ciklusú gázturbinás erőművek Fosszilis energiahordozók keletkezése Égéshő definíciója Fűtőérték definíciója Az égéshő és a fűtőérték közötti különbség Szilárd és gáznemű tüzelőanyagok égésének folyamata (vázlatosan)



82

A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények

Recommend Documents