A megújuló energiaforrás
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Definíció: A természetes környezetben folyamatos, illetve folyamatosan ismétlődő energiaáramok formájában jelen lévő energiaforrások
6. előadás Megújuló energiaforrások
Hasznosítása: A teljes áram egy részének mellékágakon történő kicsatolása, átalakítása, tárolása és felhasználása útján
2012/2013. tanév őszi félév
Megújuló elsődleges energiahordozók:
Prof. Dr. Aszódi Attila, Yamaji Bogdán
A felhasználás mértéke nem haladja meg a megújulásét → csak a keletkezés ütemében aknázhatók ki. Jellemzőjük, hogy nem, vagy csak részben tárolódnak
BME NTI
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
1
Fenntartható fejlődés és atomenergia
A megújulók részaránya
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
2
A megújuló energiaforrások fajtái • • • • • •
Víz Biomassza Szél Nap Geotermikus Árapály, tengeri hullámzás A biomassza, víz-, szél- és napenergia a Nap földre sugárzott energiájának hasznosítása
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
3
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
4
Vízenergia
Vízenergia
Körforgás: a beeső napenergia elpárologtatja a felszíni vizet → felhő → kondenzáció → csapadék → felszíni vízfolyások → állóvizek Hasznosítható: a tengervízig vezető út során a potenciális energia egy része
Duzzasztás: lelassul a vízfolyás (a súrlódásból adódó veszteség a sebesség négyzetével arányos)
Itaipu, Paraná folyón (20x700 MW), a brazil-paraguayi határon
Mesterséges medrek: súrlódás csökkentése • üzemvíz csatorna • csővezeték
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
5
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Vízenergia
Három Szurdok Gát, Kína, Jangce 26(32)x700 MW Dr. Aszódi Attila, BME NTI
6
Vízenergia • A világ potenciális vízenergia-készlete:
• Erőművek jellemzői
– ~ 300 EJ, ebből műszakilag hasznosítható: ~ 160 EJ – gazdaságosan kihasználható: ~ 40 EJ – Kiépített:
– Magas beruházásigények – Alacsony üzemeltetési költség – Nagy mértékű változás a környezetben (természet, települések) – Időszakosság (hóolvadás, esőzések)
• • • •
Japánban mintegy 64% Nyugat-Európában 60% USA 50% Világon: 31% (2004)
– Vízenergia termelés a világon 2004-ben: 2 809 TWh (2,2%) – Az IEA 2030-ra 2%/éves növekedéssel számol, így 2030ra ~4750 TWh lehet a vízerőművi áramtermelés. Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
7
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
8
Vízenergia
Vízenergia • A potenciális energia hasznosítása – akár 90-95 %-os hatásfokkal – függ: • vízhozamtól – a terület csapadékviszonyaitól – hóolvadás lefolyásától – hosszú távú ingadozások (!)
• domborzattól • a folyóvíz kihasználtságától – vízgyűjtés módja – nem energetikai célú vízkivétel – további vízerőművek
P = ρ ⋅ g ⋅ H ⋅ Q ⋅η Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
9
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Vízenergia
[W ]
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
10
Vízenergia
• Nagyesésű (hegyvidéki) tározós erőmű
• Közepes esésű (duzzasztott tavas) erőmű
– H ≥ 50 m – Pelton turbina
– 50 m > H ≥ 15 m – Francis turbina
• max. 120 MW
Itaipu, Brazília
• max. 1200 MW
Három Szurdok Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
11
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
12
Vízenergia
Vízenergia Szivattyús-tározós erőmű
• Kis esésű, tározótavas erőmű
– nagy esésű, kis teljesítményű erőművek – szivattyúval a felső tározóba nyomják a vizet, majd a terhelési időszakban a turbinán keresztül leengedik az alsó tározóba – a hasznosított energetikai potenciált nem növeli, csupán az időbeli átütemezésre ad módot; a veszteség mintegy 20-25% – alaperőművek (vízerőmű, atomerőmű) mellé
– 15 m > H – Kaplan turbina • Csőturbina, Straflo, Arno-Fisher • max. 120 MW
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
13
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Vízenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
14
Vízenergia
• Szivattyús-tározós erőmű: Fekete-Vág, Szlovákia
• Szivattyús-tározós erőmű: Fekete-Vág, Szlovákia
1148 m
722 m Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
15
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
16
Vízenergia
Vízenergia
• Szivattyús-tározós erőmű: Okinawa, Japán Vízenergia kapacitás és villamosenergiatermelésbeli részesedés változása az USA-ban
http://www.hitachi.com/rev/1998/revoct98/r4_108.pdf Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
17
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Vízenergia
18
Vízenergia
• Kaprun
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
• Kaprun
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
19
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
20
Vízenergia
Vízenergia
• Uruguay
• Magyarországon: – Tiszalök – 7,5 m szintkülönbség, Kaplan turbina, 3 db, beépített teljesítmény 12 MW
– Kisköre – 6,27 m, csőturbina, 3 db, 21 MW
– Kesznyéten (Hernád) – – – –
– 13,8 m, Kaplan, 2 db, 4,7 MW Gibárti Erőmű (Hernád - 0,59 MW) Felsődobszai vízerőmű (Hernád - 0,51 MW) Ikervári vízerőmű (Rába - 1,47 MW) Tassi erőmű (Soroksári Duna-ág - 0,65 MW) Tiszalök
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
21
Vízenergia
Fenntartható fejlődés és atomenergia
22
• Egy adott biotopikus környezetben található – eleven és holt – szerves anyag – producensek: víz + CO2 + napfény → cukor + O2 (fotoszintézis) – konzumensek: növényevők és az azokat fogyasztó ragadozók – lebontók: mikroorganizmusok, gombák; lebontják a szerves anyagot, és CO2-t, CH4-t termelnek
• A biomassza elégetése is termel füstgázt, de a keletkező CO2 1-2 éven belül újra szerves anyagként jelenik meg, így nem okoz feldúsulást de egyéb szennyezők is kikerülnek
Energiatörő műtárgy Dr. Aszódi Attila, BME NTI
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
Biomassza
– Paksi melegvíz csatorna mint lehetséges vízturbina telepítési hely?
A melegvíz csatorna
Fenntartható fejlődés és atomenergia
23
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
24
Biomassza
Biomassza • Föld éves biomassza hozama: ~ 165 Mrd tonna – szárazföldi: ~ 110 Mrd tonna • trópusi erdők: ~ 30 tonna/ha • kultúrnövények: ~ 6,5 tonna/ha
– tengerek, óceánok: ~ 55 Mrd tonna Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
25
Fenntartható fejlődés és atomenergia
26
Biomassza
Biomassza • Mezőgazdasági melléktermékek fűtőértéke
• Energetikai célú felhasználás: – – – –
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
közvetlen eltüzelés pirolízis (elgázosítás) sajtolás (brikett, pellet, olaj) fermentálás (erjesztés - alkohol, biogáz)
leggyakoribb a közvetlen hőtermelés
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
27
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
28
Biomassza
Biomassza
• Tüzelés: amit megtermelünk...
...a kazánokban
Bálákban a mezőgazdasági melléktermék
Fa
Energiaültetvény gyorsan fejlődő fajtákkal Fa brikett
... azt elégetjük... Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
29
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Biomassza • hagyományos: 300-500 °C-on, a végtermék gáz és faszén. A gáz magas illóolajtartalma kondenzálással kinyerhető, így alkalmas fűtőolajnak • gyors: 800-900 °C-on, a végtermék gázban főleg CO van • 1970-es évekig Budapesten a „városi gáz” előállítására • jelentősége csökken
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
30
Biomassza
• Pirolízis: hő hatására megindul a szerves anyag bomlása
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
31
• A mezőgazdasági melléktermékek sajtolása – térfogatcsökkentés, szállítási költsége csökkentése – brikett, pellet • széntüzelésű erőműben adalékként csökkenthető a károsanyag-kibocsátás
– növényi olajok
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
32
Biomassza
Biomassza
• Fermentáció: a biomassza erjesztése
• Biogáz: oxigéntől elzárt baktériumos erjedésből
– alkoholok előállítása üzemanyag céljából
– valamennyi mezőgazdasági melléktermék és élelmiszeripari szerves hulladék alkalmas (szalma, szár, csutka, trágya, zsír, stb.) – összetétel: 50-70% CH4, 35-50 % CO2, 0-0,2% H2, H2S – átlagos energiatartalom: 22 600 kJ/Nm3 (a földgázé: 33 500 kJ/Nm3)
• etilalkohol: benzinhez adalékként (Brazília) • metilalkohol
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
33
Biomassza
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
34
Biomassza-szén párharc Svédországban
Állattartáshoz kapcsolódó biogáz előállítás
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
35
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
36
Bioüzemanyag dilemma • Túltermelés van mezőgazdasági árukból • Szükség van környezetbarát energiaforrásokra • Meg kell őrizni a vidéki emberek munkalehetőségét • Élelmiszer túltermelés helyett állítsanak elő energetikailag hasznosítható biomasszát • Meg kell akadályozni a klímaváltozás fokozódását, a biomassza felhasználás széndioxidsemleges
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Bioüzemanyag dilemma
• Nincs elegendő terület arra, hogy egyszerre elégítsük ki az emberiség élelem, növényi rost, energia szükségletét • Energiamérleg? – Termesztés, betakarítás, szállítás, feldolgozás, konverzió
• Szén-dioxid megtakarítás? • Az energetikai ültetvények célja a magas produkció,
– ezt ültetvényekkel lehet elérni – élőhely? – Ezt alacsony diverzitású rendszerekkel lehet elérni – faji diverzitás? – A fajokat az előnyös tulajdonságra szelektálni kell – genetikai diverzitás? Dr. Aszódi Attila, BME NTI – Nagy kiterjedést igényel – izoláció? 37
• Az ültetvények Brazíliában, Ázsiában az esőerdők, mocsarak, mezők pusztításával növekednek → a Föld „tüdeje” összemegy • Indonézia mára a 3. szén-dioxid kibocsátó a világon, mert olajpálma ültetvényeket létesítettek a kiirtott erdők helyén • Nem mindegy, milyen növényt alkalmazunk bioüzemanyag gyártásra: – – – – –
cukornád :-) kukorica :-( repce :-( szója :-( hulladék! :-)
• Élelmiszerválság • Ki lakjon jól: az ember vagy az autó? 300 kg kukorica = 100 liter etanol VAGY táplálék 1 főnek másfél évig (ezer kilométer, vagy másfél év élet) • Magyarország: 2 milliárd liter benzin, 2,8 milliárd liter gázolaj fogyott 2005-ben. – Ennek helyettesítésére: kb. 2 millió ha-n kukorica (etanol), 2 millió ha repce (biodízel). Összes hazai szántóföld 4,509 millió hektár. Max. 400 ezer ha-ral, kb. 500 millió liter bioüzemanyaggal lehet számolni, ez 10% körüli helyettesítés Fenntartható fejlődés és atomenergia
Szélenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
38
Szélenergia
Napenergia különböző mértékben melegíti fel a földfelszínt, vizeket, azok pedig más-más mértékben hevítik fel a vele érintkezésben levő levegőt. A melegebb levegő fel, a hidegebb leszáll...
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
39
• Globális szélrendszerek
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
40
Szélenergia
Szélenergia
• Helyi szelek
• A levegőmozgás jellemzői
– szárazföldi, tengeri, tavi, hegy-völgyi, főn jellegű szelek, bora, chinook, misztrál, nemere – kanyonszelek, hegyszorosi szelek – instabilitási szelek – zavartalan áramlás, nyomásgradiens eredménye
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
41
– nem állandósul – befolyásolja: • légkör stabilitása • földfelszín (műtárgyak, domborzat, növényzet)
– lokális jelenségek – a szélsebesség talaj feletti változása:
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Szélenergia
42
Szélenergia • Vízszintes tengelyű szélmotorok
• Gazdasági megfontolások: – ott célszerű kiaknázni a szélenergiát, ahol az éves átlagsebesség a talajszint felett 10 m-rel meghaladja a 4 m/s-ot • Budapest: 1,8 m/s • Debrecen: 2,5 m/s • Magyaróvár: 4,9 m/s
– kiforrott rendszerek – 100 – 200 – 600 kW egységenként (mára 1000-2000 kW tipikus) Az A [m2] felületen áthaladó légtömeg sebessége: v [m/s] Az A felületen egységnyi idő alatt áthaladó levegő térfogata: & [m3/s] = A [m2] × v [m/s] V A V& térfogatáramú levegő tömegárama, ha a levegő sűrűsége ρ [kg/m3]: & [kg/s] = ρ [kg/m3] × V& [m3/s] m
• Szélmotorok elméleti maximális hatásfoka: 60% – gyakorlatban maximum 45-50% Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
Az A keresztmetszeten áthaladó levegő mozgási energiája: E [J] = 1/2 × m [kg] × v2 [m2/s2] Az egységnyi idő alatt áthaladó levegőmennyiség mozgási energiájából adódó maximális teljesítmény: & [kg/s] × v2 [m2/s2] P [W] = E& [J/s]= 1/2 × m & [m3/s] × v2 [m2/s2] = = 1/2 × ρ [kg/m3] × V = 1/2 × ρ [kg/m3] × A [m2] × v3 [m3/s3] De a hatásfok (max 60%) figyelembe veendő!
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
43
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
44
Szélenergia
Szélenergia
• Vízszintes tengelyű szélmotorok
• Függőleges tengelyű szélmotorok
– ideális elosztás: szélturbinák között 5D távolság – turbina maximális teljesítménye:
– Darrieus kerekek – jobban alkalmazkodik a változó szélirányhoz, de csak 5 m/s felett alkalmazható
1 3 D2π ρv × 2 4 – egységnyi földterületre vetítve:
1 3 D2π ρv × 3 2 4 = ρv π 200 (5D )2 – 50% teljes átalakítási hatásfok, 10 m/s: 9,42 W/m2 --> 1000 MWe ~ 108 m2 = = 100 km2 (10 km x10 km) (Budapest területe: 525 km2)
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
45
Szélenergia
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
Szélenergia kapacitás a világban
• Gyenge pontok:
Összes beépített teljesítmény (MW)
– nem csak szélcsendben, de kis szélsebesség mellett sem képesek teljesítményt leadni – nagy sebesség esetén biztonsági okokból le kell állítani (a nagyobb berendezés darabszámmal megszaporodtak a szélkerékhez köthető balesetek ⇐ pózna kidőlés)
• Nem kiszámítható rendelkezésre állás a villamosenergia-rendszerben → gyakorlatilag csak tüzelőanyag-megtakarítást eredményeznek • A kapacitás 80-90%-ának megfelelő egyéb (tipikusan fosszilis) forgó tartalék szükséges! Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
46
47
Beépített kapacitások országonkénti megoszlása
ROW = Rest of World
Beépített szélerőművi teljesítmény a világon (World Wind Energy Association) 2005: 59 012 MW 2010: 196 986 MW 2011: 237 016 MW Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
48
Szélerőművek terjedése
Szélenergia - Magyarország
www.eon-netz.com/Ressources/downloads/EON_Netz_Windreport2005_eng.pdf
Magyarországon 2006. október végén 26 szélerőmű működött, összesen 36,46 MW kapacitással, 2008 elején 112 MW. Jelentős fejlesztés van folyamatban, a kiadható szélerőművi kapacitásengedélyek korlátja 330 MW (Magyar Energia Hivatal). Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
49
Telepített szélerőművi kapacitás Németországban, 1990-2004 Fenntartható fejlődés és atomenergia
Telepített szélerőművi kapacitás Németországban, előrejelzés 2020-ig
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
50
Nehézségek
Probléma: alacsony kihasználtság
• 2004-ben a német szélerőművek átlagos kihasználtsága 20% volt • Az E.ON területén 2004 folyamán a maximális szélenergiabetáplálás 85%-a volt a beépített teljesítménynek • Az átlagos betáplálás 20%-át tette ki az átlagos kapacitásnak, az év több mint felében a kapacitás 14%-át sem érte el • A szélerőművek mögé a kapacitás 80-90%-ának megfelelő tartalék (hagyományos, tipikusan fosszilis) kapacitást kell biztosítani a termelés ingadozása miatt – 2003-ban az E.ON-nak 100 millió euró többlet költség • Pontatlan a szélerősség előrejelzése, így rossz a termelt energia és a villamos rendszer tervezhetősége
• Az erősen változó szélerősség miatt erősen ingadozik a termelés is (az E.ON területén a napi hálózati csúcsterhelésnek 0-30%-a) • Néhány óra alatt több ezer MW-os termelés-ingadozások is lehetnek (példa: 2004.12.24. – 4024 MW csökkenés 10 óra alatt, a csökkenés elérte a 16 MW/perc-et is! Valamint két nap múlva 40 MW alá esett!)
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
51
Szélerőművek termelésének aránya a napi csúcsterhelésben Fenntartható fejlődés és atomenergia
Szélerőművek termelésének aránya a napi csúcsterhelésben
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
52
Probléma: pont amikor kellene… • A nagy nyári hőség (nagy légkondicionálási igény) és a tartós téli hideg (nagy fűtési igény) közös jellemzője a stabil nagynyomású időjárási rendszerek jelenléte. Ilyenkor általában nem fúj a szél…
Szélerőművi részesedés a 2003-as nyári hőhullám alatt
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Probléma: előrejelzés • A hálózati frekvencia tartásához minél pontosabb termelési és terhelési (fogyasztási) előrejelzés kell • A szélerőművi termelés előrejelzése a szélerősségelőrejelzés pontatlansága miatt nagyon rossz, igen pontatlan (a rekord -2500 és +4000 MW eltérés)
Szélerőművi részesedés egy téli hétköznapon
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
53
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
54
Szélerőművi projektek régiónkban
Hálózat-fejlesztés • Németország szeles részein a villamos hálózat terhelése elérte határait: pl. Schleswig-Holsteinben nagyobb szélerőművi termelés lenne lehetséges, mint amennyit el tudnak szállítani az ottani távvezetékek • Ok: a hagyományos erőműveket a fogyasztókhoz közel telepítették, a szélerőműveket azonban oda, ahol szél van • Elektromos hálózat kiépítése szükséges a „szeles” környékeken • A hálózatépítés költségeit is be kell tervezni a szélerőműpark bővítésekor, ami tovább növeli a villamosenergia-rendszer költségeit
• A nyugat-európai szélkerék gyártók jól megerősödtek a német és osztrák zöld kormányok alatt. • Magyarországon csak néhány helyszín van, ahol a széljárás megfelelő. • Szélerőművi projektek nem rentábilisak a beruházások állami támogatása és a magas garantált átvételi áramár nélkül. • Komoly lobbitevékenység zajlik a háttérben. • A fogyasztói villamosenergia-ár http://www.mavir.hu/web/mavir/szeltermeles jelentősen nőne magas rendszerszintű szélerőművi arány esetén, és a rendszer szabályozhatóságának biztosítása (ha egyáltalán lehetséges) tovább növelné a költségeket. • Magas szélerőművi arány esetén a rendszer villamosenergia-tárolás nélkül gyakorlatilag szabályozhatatlan lenne. (Tározós vízerőmű kell.) Magyar szélerőművi betáplálás terv/tény, 2012. március
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
55
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
56
Ha csődöt mond a védelmi rendszer...
Vízenergia - Magyarországon ...
Dánia, 2008. február
Bős-Nagymarosi vízlépcső-rendszerről most ne beszéljünk… Szivattyús energiatároló – Energia-túltermelés idején vizet szivattyúznak egy magasan fekvő víztározóba – Szükség esetén turbinákon keresztül leeresztik – 75-80 %-os tárolási hatásfok – Feketevág (Szlovákia)
Wind turbine topples, kills worker, The Oregonian, August 26, 2007 12:20PM http://blog.oregonlive.com/breakingnews/2007/08/wind_turbines_column_snaps_kil.html
• 445 m magas • 3,7 millió köbméter
– Magyarországon lehetséges: Prédikálószék • 500 m magasság • 1200 MW teljesítmény Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
57
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Napenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
58
Napenergia
• A legnagyobb jelentőségű megújuló energiaforrás – A földfelszínre jutó átlagos teljesítmény: 1,35 kW/m2 – A Földre jutó napenergia 1 ‰-énél többet nem lehet energetikai célokra elvonni anélkül, hogy ökológiai zavarokat ne okoznánk
• Alkalmazások: – mezőgazdaság (fotoszintézis) • melegházhatás kihasználása • gyorsan növő növényi tüzelőanyagok termesztése: energiaültetvények → biomassza
– hő „begyűjtése” Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
59
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
60
Napenergia
Napenergia
• Hátrányok:
• Földi megoszlás
– a napsugárzás változékony és szakaszos jellege → energiatárolásra van szükség – kis energiasűrűség • a felhasználástól és az energiaátalakítástól függően 1 kWhoz 10-50 m2 szükséges → 1 GW: 10-50 km2 ! másra nem alkalmazható területekre
– ott lehet versenyképes, ahol nagy a napos órák száma, és nagy az intenzitás • beeső évi átlagos sugárzási energia: – Magyarország: 1168-1305 kWh/ m2 – Afrika: 2250-2500 kWh/ m2 – Ausztráliában a maximum: 2500 kWh/ m2 Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
61
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Napenergia
• Síkkollektor – fényáteresztő felület alatt abszorbens felület, alatta munkaközeg (pl. víz) szállítja a termelt hőt – a víz akár forráspontig melegíthető – max. hatásfok 40-50%, de párás időben lecsökkenhet 0%-ra
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
63
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
62
Napenergia • Magas hőmérsékletű kollektorok villamosenergia-termelés céljára – Parabolatükrök • „vályú” • „tányér”
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
64
Napenergia
Napenergia
– Naptornyok
– Összehasonlítás
• Solar 2 (USA, Mojave-sivatag) sóolvadékos torony, 10 MWe – sóolvadék melegági hőmérséklete: 565 °C – hidegági hőmérséklet: 288 °C
forrás: www.cancee.org - Climate Action Network Central and Eastern Europe Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
65
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Napenergia
66
Napenergia
• Fotovoltaikus elemek
– Gyártás, felhasználás
– napenergia közvetlen villamos energiává alakítása – gyenge hatásfok, de erős fejlődés: • • • • • •
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
• 20%-os éves növekedés • 2007-ben a világon legyártott cellák: 3800 MW • termelt villamos energia egységára még mindig nagyon magas (gyártási költségek - félvezető technológia) • tendencia: hatásfok csökkenése az olcsó gyárthatóság érdekében
1978: ~ 1% (26 USD/Wpeak) 1986: ~ 7% (7,5 USD/Wpeak) 1996: ~ 16% (5 USD/Wpeak) 2002: ~ 18% (2 USD/Wpeak) 2007: ~ 20% (25% laboratóriumban) elméleti korlát: ~ 31%
– Si: olcsóbb, de rosszabb hatásfokot ad – GaAs, CdTe, AlSb, InP: drágább, jobb hatásfok
http://www.earthpolicy.org/Indicators/Solar/2007_data.htm
• megfelelően alacsony ár esetén erőművi alkalmazás is megoldható (50-75 km2/GW területigény), de alacsony éves kihasználás! http://www.earthpolicy.org/Indicators/Solar/2007_data.htm
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
67
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
68
Napenergia
Napenergia • • • •
• Napkollektor: használati melegvíz előállítása
Űrtechnika (MIR, ISS) kisméretű alkalmazások ellátása épületek ellátása erőművek kiegészítő energiaforrásaként, mellékberendezésekhez (< 1kW)
– Jó kiegészítés a gázzal vagy az árammal előállított melegvíz mellett – Villamos energia előállítására gyakorlatilag nem alkalmas
• Fotovoltaikus cellák: napenergia közvetlen árammá alakítása – Űrtechnika – Kis méretű alkalmazások ellátása (karóra, kisegítő világítás, parkolóóra, kommunikáció biztosítása a villamos hálózattól távoli helyeken) – Az áram akkumulátoros tárolásában nagyon környezetszennyező anyagokat alkalmaznak!
• A nap- és szélenergia fejlődéséhez a költségek csökkenése mellett forradalmi energiatárolási megoldásra lenne szükség! Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
69
Geotermikus energia
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
70
Geotermikus energia • Nagy geotermikus potenciál, de:
• Óriási mennyiségű hő a bolygóban
– csak véges számú helyen lehet megcsapolni – reálisan megközelíthető mélységben a hő viszonylag alacsony hőmérsékleten van jelen → 10-15%-os hatásfok
– radioaktív bomlás! – földfelszínnél:3 °C/100 m
• Lokálisan: – vulkanikus övezetekben: gőzdómok, forrásvizek – Magyarország: az ország területének 70%-án a geotermikus gradiens kétszerese az átlagosnak Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
71
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
Rudas fürdő 72
Geotermikus energia
Geotermikus energia
• Termálvizek hasznosítása
• Mesterséges források
– balneológia – forró termálvíz/termálgőz energetikai hasznosítása
– Hot-Dry-Rock eljárás • kísérleti erőművek: pl. Los Alamos mellett (5 MW) Brandenburg (5 MW)
Az elzászi Soultz-sous-Forêts erőmű (1,5 MW)
Takigami - termálgőz hasznosítás, 25 MW Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
73
Geotermikus energia
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
74
Árapály, tenger hullámzása
• Hasznosíthatóság
• Hullámzás:
– termálvizek lokálisan alkalmazhatók – kiaknázás fokozza a kimerülés veszélyét (a legtöbb geotermikus erőműben fokozatosan csökken a gőznyomás) – a megvalósított erőművek 70%-át száraz gőz táplálja
– elméleti számítások szerint 1 m hosszú hullámfront teljesítménye • 1 m magas hullám esetén 1 kW • 2 m magas hullám esetén 10 kW • 13 m magas hullám esetén 1 MW
– Északi-tenger: átlagos hullámmagasság 1,5 m, 6 s periódusidővel – túl erős hullámzás veszélyezteti a berendezést – kisteljesítményű (100-500 W) bóják ellátása Japán Alpok, Nagano
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
75
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
76
Árapály, tenger hullámzása
Árapály, tenger hullámzása
– koncepciók: Óriás Bálna (120 kW) oszcilláló hullám oszlop (180 kW)
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
• Árapály – Hold 24 óra 50 perces keringési ideje, árapály 12 óra 25 perces ciklusa, illetve a maximumok szinuszos változása 14 napos ciklussal – lokálisan változó mértékű: néhány cm-től 15-20 m-ig – számítások szerint a földi árapály teljesítménye 2,6-3 TW
77
Árapály, tenger hullámzása
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
78
Árapály, tenger hullámzása
– erőművek
– La Rance
• Kanada, Új-Skócia (16 MW) • Oroszország, Fehér-tenger (1 MW) • Franciaország, St. Malo mellett a La Rance folyón (240 MW)
• 1967 óta évente 600 millió kWh termelt energia, összesen 16 milliárd kWh • 24, két irányba is üzemeltethető turbina (Kaplan jellegű), egyenként 10 MW • 750 m hosszú, 13 m magas gát • 1996: 18,5 centime/kWh (8 Ft/kWh)
La Rance, St. Malo (EDF) Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
79
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
80
Német erőművek éves kihasználási óraszáma – h/a, 2011
Óceáni hőenergia-átalakítás • OTEC (Ocean Thermal Energy Conversion)
atom
7640
barnaszén
6850
biomassza
6030
feketeszén
3790
átfolyós víz
3500
földgáz
3210
szél
1650
olaj
Fenntartható fejlődés és atomenergia
szivattyús, tárolós
980
napelem (PV)
970
A 100 MWe erőműkoncepció egy 25 MWe-os blokkja; átmérője 100 m
elméleti max. hatásfok: 6-7%
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
1120
Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 62. k. 7. sz. 2012. p. 16-20., Stróbl Alajos
81
2012 januárjának első két napja – Németországban
82
Különbség a kapacitás és a termelés között, Németország GW, kapacitás
80 GW
80 GW
70
70
60
60
27 590 25 810
szél, PV
növekvő terhelés
24 900
25 000 gáz
19 977
20 000
50
D - 2011
29 075
30 000
50
40
15 000
40
12 065 szén
30
30
20
10 000
20
leálló szél
10
10
atomerőművek
0
0
kötelező átvétel
0
6
12
18
2012.01.01. Vasárnap
24
6
12
5 454
5 345
5 500
5 710
olaj
tárolós
5 000
18
2012.01.02. Hétfő
24
0
6
12
18
2012.01.01. Vasárnap
Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 62. k. 7. sz. 2012. p. 16-20., Stróbl Alajos
24
6
0 atom
12
18
2012.01.02. Hétfő 83
24
lignit
biomassza
feketeszén
víz
földgáz
szél
TWh
108,0
153,0
32,0
114,5
19,5
84,0
46,5
7,0
5,6
19,0
h/a
7640
6850
6030
3790
3500
3210
1650
1120
980
970
Forrás: Energiewirtschaftliche Tagesfragen, 62. k. 7. sz. 2012. p. 25., Stróbl Alajos
napelem
84
Főbb ellenőrző kérdések és témakörök 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12.
Főbb ellenőrző kérdések és témakörök
A megújuló energiaforrás definíciója, hasznosítása és a megújuló elsődleges energiahordozók A megújuló energiaforrások fajtái A vízenergia hasznosítás elve, a vízkörforgás A vízerőművek jellemzői A Pelton turbina rövid jellemzése A Francis turbina rövid jellemzése A Kaplan turbina rövid jellemzése A szivattyús-tározós erőmű A biomassza fogalma A biomassza energetikai célú felhasználásának módjai és azok rövid ismertetése A szélenergia fogalma és a légköri áramlások jellemzői A szélenergiával kapcsolatos gazdasági és műszaki megfontolások
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
13. 14. 15. 16. 17. 18. 19. 20. 21.
85
Szélenergetikai megfontolások a hálózat-fejlesztéssel kapcsolatosan A napenergia fogalma, alkalmazásának módjai, gazdasági és műszaki megfontolások A síkkollektor jellemzői A magas hőmérsékletű kollektor jellemzői A naptorony jellemzői A fotovoltaikus elemek ismertetése A geotermikus energia fogalma, jellemzői Az árapály energia, a tengeri hullámzás energetikai felhasználása Az óceáni hőenergia-átalakítás
Fenntartható fejlődés és atomenergia
Dr. Aszódi Attila, BME NTI
86