A legfontosabb fizikai törvények. Fenntartható fejlıdés és atomenergia. A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények

A legfontosabb fizikai törvények

Fenntartható fejlıdés és atomenergia

• A termodinamika I. fıtétele – az energia-megmaradás elve • „Az energia nem vész el, csak átalakul”

3. elıadás Energiatermelési módok részletes ismertetése: a fosszilis energiahordozók

• Zárt rendszer esetén a belsı energia (U) megváltozása a beés elvezetett hıenergia (Q) és a be- vagy elvezetett mechanikai munka (W) elıjeles összegének felel meg. U2 - U1 = Q + W

Dr. Aszódi Attila egyetemi docens Fenntartható fejlıdés és atomenergia

Dr. Aszódi Attila, BME NTI

#03 / 1

A legfontosabb fizikai törvények – az energia minıségére ad útmutatást • Hı hidegebb helyrıl melegebb helyre (külsı segítség nélkül) nem áramolhat. • A hıenergia teljes egészében nem alakítható mechanikai munkává, viszont a mechanikai munka 100%-ban hıenergiává alakítható. ⇒az energiaátalakítások során szükségszerően végbemennek olyan folyamatok, amelyek nem megfordíthatóak! • Zárt rendszer összes entrópiája nem csökkenhet.



#03 / 2

A legfontosabb fizikai törvények • Veszteségek az energiaátalakításban

• A termodinamika II. fıtétele



#03 / 3

– Mennyiségi veszteségek: Az elsı fıtétel betartása mellett az energia egy része elvész a hasznosítás szempontjából (pl. megszökik a rendszerbıl - elégtelen hıszigetelés, gızveszteség). – Minıségi veszteségek: A hıenergia minıségét a hımérséklet jellemzi! ⇒Minél magasabb hımérsékleten áll rendelkezésre ugyanaz a hımennyiség, annál értékesebb. ⇒A hımérséklet csökkenése adott hımennyiségnél a hı „minıségének” romlását okozza. Fenntartható fejlıdés és atomenergia

A legfontosabb fizikai törvények

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


#03 / 4

Energiaátalakítás

• Energetikai nagyberendezések típusai: – erımő – főtıerımő – főtımő



#03 / 5



#03 / 6

Energiaátalakítás

Hıerıgépek • Dugattyús gızgépek • Belsı égéső motorok

Erımőhatásfok fejlıdése

– Otto motorok – Diesel motorok

• Gızturbinák

ηCarnot = 1 − Fenntartható fejlıdés és atomenergia

Talacsony

• Gázturbinák

Tmagas


#03 / 7


Hıerımővi körfolyamat




#03 / 8

Gızturbina mőködése

#03 / 9

Gızturbina mőködése


a., levegı belépés


#03 / 10

Gázturbinák tüzelıanyag bevezetés

3

füstgáz kilépés

égıkamra (É)

4

2

1

b., lehőtött füstgáz

kompersszor (K)

regenerátor (R)

turbina (T)

Turbinafokozat lapátprofiljai

2*

Turbinafokozat sebességábrája

forró füstgáz

Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk

2

levegı belépés

tüz. a 3

elımelegített komprimált 4* levegı

komprimált levegı 1 égıkamra (É)

kompresszor (K) turbina (T)

90 MW-os fıturbina forgórész Fenntartható fejlıdés és atomenergia

Hıcserélıvel kiegészített egytengelyes erımővi gázturbinás blokk

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

#03 / 11



#03 / 12

Gázturbina

Gázturbina moduláris atomreaktorral

Egytengelyes nyílt ciklusú gázturbinás blokk

– USA-fejlesztéső, 10-25 MWe teljesítményő gázhőtéső, gázturbinás reaktor – A 850 oC kilépı hımérséklető hélium hőtıközeg közvetlenül a gázturbinára jut Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 13

Mobil gázturbina




#03 / 14

Gázturbina forgórész hıterhelése


#03 / 15

Kombinált ciklusú gázturbinás erımő gızturbinás hıhasznosítással



#03 / 16

A világ energiafelhasználásának megoszlása energiahordozónként

Q& ü

T4

T1

h1 m& g

T2

T3

Fosszilis energiahordozók • Szén • Kıolaj • Földgáz

PGT PKE

T G

h 1′

V

ηG/G =

PGT + PKE Q& ü

Dunamenti erımő, Százhalombatta

T HH

Mai tipikus hatásfok 50% fölött! Fenntartható fejlıdés és atomenergia


Pasco, USA

#03 / 17



#03 / 18

Égéshı és főtıérték

A fosszilis energiahordozók keletkezése • Fosszilis energiaforrások: A Nap sugárzási energiája több száz millió évvel ezelıtt került betárolásra. • Élı szervezetek -- tengerfenék -- baktériumok + rárakódott kızetek okozta magas nyomás és hımérséklet ⇒ oxigénhiányos környezet.


– tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelıanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hımennyiség, ha a tüzelıanyagban lévı eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után cseppfolyós állapotban van jelen.

• Főtıérték [kJ/kg , MJ/kg] – tömegegységnyi (gázoknál esetleg térfogategységnyi) tüzelıanyag tökéletes elégetésekor felszabaduló hımennyiség, ha a tüzelıanyagban lévı eredeti nedvesség és az elégetés során keletkezett nedvesség az elégetés után gız halmazállapotban marad.

⇒ Fosszíliák kialakulása.


• Égéshı [kJ/kg, MJ/kg]

#03 / 19


Tüzelıanyagok égése


#03 / 20

Tüzelıanyagok főtıértéke

• Szilárd tüzelıanyag: – a felhevítés és a nedvességpárolgás folyamata; – az illó eltávozása és a kokszképzıdés; – az illó égése; – a koksz égése; – salakképzıdés.

Tüzelıanyag Komlói feketeszén Donyeci antracit

Nedvességtartalom

[MJ/kg]

[%]

[%]

16-18

4-6

Hamutartalom 40-46

25

7

18

Sziléziai aknaszén

20

10-15

13-22

Borsodi barnaszén

9-11

23-29

25-30

5,5-6,7

45-50

19-27

Visontai külfejtés

• Gáznemő tüzelıanyag:

Főtıérték

Háztartási tüzelıolaj

41-42

Nehéz főtıolaj

39-40

Gudron

39-40

Földgáz

41-42

– felhevítés; – égés.



#03 / 21

A szén összetétele



#03 / 22

Mélymőveléső szénbányászat

A Márkushegyi Aknaüzem (Vértesi Erımő Rt.) az ország legnagyobb és legkorszerőbb bányája Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 23



#03 / 24





#03 / 25





#03 / 27



#03 / 28

Felszíni szénfejtés

Meddıtermelés marótárcsás kotrógéppel Dr. Aszódi Attila, BME NTI

#03 / 26





Széntermelés merítéklétrás kotrógéppel #03 / 29



#03 / 30


Visontai lignit fıbb jellemzıi: főtıérték: 6,2 MJ/kg nedvesség: 48,7% hamu: 20,2% kén: 0,8% hidrogén: 1,7% carbon: 19,7% nitrogén: 0,4% oxigén: 8,5% Fenntartható fejlıdés és atomenergia

Hamu jellemzıi: SiO2-tartalom: Al2O3-tartalom:

Felszíni fejtés - a meddı elszállítása

64% 21%


#03 / 31

A szén szállítása



#03 / 32

Széntüzeléső erımővek

• 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.



#03 / 33




#03 / 34


Kényszercirkulációs kazánok Fenntartható fejlıdés és atomenergia


Síkbeli tőztérfal (membránfal) gyártása #03 / 35



#03 / 36



Fluidizációs tüzelés az emisszió csökkentés érdekében Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 37




#03 / 38

Lignittüzeléső erımő - példa

A visontai Mátrai Erımő. 2 x 100 MW és 3 x 212 MW-os beépített villamos teljesítményő széntüzeléső blokk. Az erımő napi lignitfelhasználása 20-25.000 tonna. Átlagos rendelkezésre állása 80%.

Fluidizációs tüzelés Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 39




#03 / 40


Visontán épült az ország elsı kénleválasztó berendezése. A világon egyedülálló módon a berendezés száraz HellerForgó féle hőtıtorony belsejében létesült. A képen az abszorber. RWE tulajdon. Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 41



#03 / 42

Kıszéntüzeléső erımő - példa



#03 / 43






#03 / 45

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

#03 / 44



Kıszéntüzeléső erımő - példa • Horvátország, Plomin-2



#03 / 46

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

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

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

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

• Plomin-1 1970 óta üzemel, 105MWe, saját szénre. Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 47



#03 / 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 szénbıl!

A kıolaj

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



#03 / 49


A kıolaj lelıhelyek geológiája

• • • •

Olaj és gázlelıhely tipikus geológiai formációja. A gáz az olaj felett, az olaj víz felett helyezkedik el. Mindez porózus kızetben található. Az egész formációt vízzáró kızet fedi.



#03 / 51

A kıolaj bányászata


#03 / 50

A kıolaj 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 fı probléma: nem volt mibe tölteni, mert az erre alkalmas hordók többe kerültek, mint a beléjük tölthetı olaj akkori értéke. Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 52

A kıolajtermelés az USA-ban

• Az Olajfinomítás nagyot változtatott: a kerozin biztos piacra talált (fızés, főtés, 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 fejlıdés és atomenergia


#03 / 53

• Hanyatlás: elektromos világítás. • Újabb felívelés: az autó megjelenése. • 1970 - a csúcs elérése az alaszkai olajvezeték üzembevételével. Ezután a termelés esik. • 1948 óta az USA évrıl-évre több olajat importál. • Ma az USA fogyasztásának 50%-a import. Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 54

Kıolajkészletek • USA - sok, kis termelékenységő kút. • Szaud-Arábia: kevés, nagy termelékenységő berendezés, jobb mezık.


Olajárak a világpiacon

Fıbb olajtermelı 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


Olajárak alakulása

Crude Oil Price (oil-price.net) 2007. február 28. Price : 60,69$/Barrel 1 year forecast: 78,90$/Barrel

#03 / 55

2007. október 3. 80,25$/Barrel 104,33$/Barrel



#03 / 56

Olajárak hatása a világpiacon

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


#03 / 57


Olajárak a világpiacon


#03 / 58


• Sok államnak az olajexport a fı 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 fejlıdı országok (Kína, India) kereslete miatt gyorsan és folyamatosan nı. Ez és a világpolitika ma a meghatározó felhajtóerı! Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 59

• Világpolitikai változások • Az igazolt kıolajkészletek kb. 62%-a a politikailag instabil Közel-Keleten található • „Peak-oil”: számos elemzı szerint lassan elérjük a maximális kitermelési kapacitást ⇒ további árnövelı hatás A világ igazolt kıolaj-készletének földrajzi eloszlása Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 60

Modern kutatás


• Olaj elıkutatás:

• Hagyományos számítás szerint (1200 milliárd hordó igazolt készlet a jelenlegi fogyasztás mellett) kb. 40 évre elegendı a kıolaj-készlet • „Peak-oil” elmélet: – az optimális kitermelés Gaussgörbével modellezhetı, a csúcs után a termelés gyorsan csökken – növekvı kereslet mellett a csúcs után növekvı hiány – a csúcs idıpontját az elemzések 2007-2027 közé teszik, újabban egyre korábbra Fenntartható fejlıdés és atomenergia

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


#03 / 61

– robbantás, – nagy rezgı tömegek által keltett rezgések visszaverıdésének érzékelése.

• A teljesen biztos lelıhely igazolás csak fúrással lehetséges. • A mezı kiterjedésének meghatározása további fúrásokkal lehetséges ⇐ igazolt készletek. • A kutatófúrások rendszerint kis ráfordítással átállíthatóak termelıkutakká. – Legmélyebb termelıkút 9600 m. – Átlagos napi hozam: 10-100 t/kút. – Átlagos élettartam: 40 év. Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 62

A kıolaj tengeri bányászata

A kıolaj bányászata

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

• Szénhidrogének porózus kızetben. (olajtartalmú réteg vastagsága: néhány méter - néhány 10 méter).

• A normális kihozatali ráta csak 30%! • Termelési módszerek: – elsıdleges: a belsı nyomás hajtja ki (gázsapka, víz felhajtóereje). Kitermelés során a nyomás és a hozam csökken. – másodlagos (+5-15%): gáz visszanyomása a gázsapkába, vagy víz benyomása alulra. – harmadlagos: • viszkozitást csökkentı melegítés forró vízzel vagy gızzel; • az olaj föld alatti meggyújtása + levegı bejuttatása; Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 63

A kıolaj finomítása és jellemzıi



#03 / 64

A kıolaj és a fehéráru szállítása

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

5

5

7

5

12

12

16

15

18

16

20

18 20



#03 / 65



#03 / 66

A földgáz

A földgáz főtıértéke

• A legnemesebb fosszilis energiahordozó • Főtıértékre vonatkoztatva alacsonyabb széntartalom egységnyi hıfelszabadulásra kevesebb CO2 termelés, mint a szén elégetése során! • Szállítása és tárolása problémásabb, mint a kıolajtermékeké, felhasználása viszont könnyő • Magyarország ma túlzottan nagy mértékben épít a földgázra. Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 67

Tüzelıanyag Komlói feketeszén Donyeci antracit

[%]

Hamutartalom [%]

16-18

4-6

40-46

25

7

18

20

10-15

13-22

Borsodi barnaszén

9-11

23-29

25-30

Visontai külfejtés

5,5-6,7

45-50

19-27

Háztartási tüzelıolaj

41-42

Nehéz főtıolaj

39-40

Gudron

39-40

Földgáz

41-42



#03 / 68

Földgázkitermelés

Fıbb gázkészletek Ország Készlet (tcf) Ex-Szovjetunió 1977 Irán 742 Katar 250 Egyesült Arab 205 Emirátusok Szaúd-Arábia 186 Egyesült Államok 164 Venezuela 140 Algéria 128 Nigéria 110 Irak 109 Norvégia 47 Malájzia 68 Indonézia 69 Mexikó 68 Canada 67 Hollandia 65 Ausztrália 20 Kuvait 53 Kína 59 Líbia 46 Dr. Aszódi Attila, BME NTI

Nedvességtartalom

[MJ/kg]

Sziléziai aknaszén

Földgázkészletek


Főtıértéék

tcf = 1012 ft3#03 / 69

• 15%-ban együtt történik a kıolaj kitermelésével. • Létezik 100 bar saját nyomással rendelkezı 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 fejlıdés és atomenergia


#03 / 70

Fosszilis energiafelhasználás légszennyezı hatása

A földgáz szállítása

VOC = Volatile organic compounds = illékony szerves vegyületek Fenntartható fejlıdés és atomenergia


#03 / 71



#03 / 72

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

Fıbb ellenırzı kérdések és témakörök

A termodinamika I. fıtétele A termodinamika II. fıtétele Mennyiségi és minıségi veszteségek az energiaátalakításban Energetikai nagyberendezések fıbb típusai A hıerıgépek elvi felépítése, fıbb típusaik A Carnot körfolyamat és hatásfoka A gızturbinák mőködése (vázlatosan) A gázturbinák mőködése (vázlatosan) A gázturbinák fıbb típusai Gázturbina moduláris atomreaktorral Mobil gázturbinák fıbb típusai Gázturbina lapátok hıterhelése Kombinált ciklusú gázturbinás erımővek Fosszilis energiahordozók keletkezése Égéshı definíciója Főtıérték definíciója. Az égéshı és a főtıérték közötti különbség Szilárd és gáznemő tüzelıanyagok égésének folyamata (vázlatosan)



19. 20. 21. 22. 23. 24. 25. 26. 27. 28. 29. 30. 31. 32. 33. 34. #03 / 73

Legfontosabb fosszilis tüzelıanyagok főtıértéke, jellemzı nedvesség- és hamutartalma Mélymőveléső bányászat Külszíni széntermelés A szén szállításának módozatai Széntüzeléső erımővek tüzelıberendezéseinek fı fajtái, mőködésük Az USA szénvagyona A kıolaj lelıhelyek geológiája A kıolaj lelıhelyek kutatása A kıolaj bányászata, különbözı kitermelési módszerek és azok kihozatali aránya A legfontosabb kıolajtermelı országok és készleteik Az olajárak világpiaci alakulása és befolyása egyéb energiahordozók árára A „peak-oil” elmélet Kıolajfinomítás A földgáz lelıhelyek geológiája és kutatása A földgáz bányászata Földgázkészletek a világon



#03 / 74

A legfontosabb fizikai törvények. Fenntartható fejlıdés és atomenergia. A legfontosabb fizikai törvények. A legfontosabb fizikai törvények

Recommend Documents