Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Dr. İsz János
Energetika I-II. energetikai BSc szak
1. témakör Energetika és fenntartható fejlıdés
Tartalom 1. Energetika. 2. Energiamérleg. 3. Energiahatékonyság. 4. Fenntartható fejlıdés (energetika).
Az energetika kölcsönhatásai Természet
→ primer energiahordozók → megújuló energiaforrások ← környezetszennyezés
Társadalom
→ igények ← energia
Gazdaság
→ erıforrások ← energia
Állam
→ szabályozás ← jövedelem
1. Energetika • Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mezıgazdasági üzemek, az intézmények és a lakosság) biztonságos, gazdaságos, környezetbarát és fenntartható ellátása. • Területei: – energiahordozók elıállítása, – szállítása, elosztása, tárolása, – energia-végfelhasználás.
Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszínőség. A fogyasztók mindig teljesítményt igényelnek, melynek idı szerinti integrálját az energiát tartjuk nyilván.
Az energiaellátás rendszerstruktúrája
Energiahordozók
Energiahordozók
Energia
elõállítása
szállítása
végfelhasználás
elosztása tárolása
1.1. Energiahordozók elıállítása • Primer energiahordozók = tüzelıanyagok: az anyagokban kötött kémiai és nukleáris energia. • Tüzelıanyagok: – szén (C), – szénhidrogének (CH): kıolaj és földgáz, – nukleáris (A): urán, (tórium). Tüzelıanyagok termelése = bányászat, mely a mővelt terület elhelyezkedése szerint - külszíni, - mélymőveléső.
Kitermelésnél keverék = tüzelıanyag/ok/ + egyéb anyagok, ezért szükséges a feldolgozásuk → tüzelıanyagok (koksz, földgáz, főtıolaj, főtıelem-kazetták).
1.1. Energiahordozók elıállítása • Megújuló energiaforrások: a természeti folyamatok által keletkezı energiák. • Fajtái: – – – – – –
napsugárzás, szél, víz, árapály, (geotermikus), biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) → megújuló tüzelıanyagok.
(Megújuló) • (Geotermikus): ha a föld mélyébıl kivett víz visszasajtolásra kerül. • (Hulladékok): az emberi tevékenység által „megújuló” (jogilag: szelektíven győjtött, újrahasznosítható (köztük energetikai célra) hulladék). A gazdasági, a lakossági-kommunális szektor energetikai hasznosításra alkalmas hulladékai elsısorban a deponálandó hulladék térfogatának kb. 1/3-1/6 (tizedére) való csökkentése miatt. (A hulladékgazdálkodás feladata a hulladékok összegyőjtése, szelektálása, hasznosító mővekhez való eljuttatása.) - külön kategória: veszélyes hulladékok (pl. gumiabroncs, gépkocsi kenıolajok, elhullott állatok).
Fosszilis tüzelıanyagok • Szén: – feldolgozás nélkül és a feldolgozás maradéka → gızerımővekben villamosenergia-termelés, – feldolgozott: ipari (koksz) és lakossági szén (brikett), – szénelgázosítás → szintézisgáz ((CO)+H2), szintetikus CH4 (földgáz) → jövı? – a bányából gáz halmazállapotú tüzelıanyag felhozatala (vizsgálat alatt).
Fosszilis tüzelıanyagok • Kıolaj: nyersolaj feldolgozása = finomítás, melynek termékei: – ipari termékek és – energiahordozó (motor üzemanyag, főtıolaj).
• Földgáz: feldolgozása, melynek termékei: – ipari termékek és – energiahordozó (földgáz (tüzelıanyag, motor üzemanyag?), PB-gáz, inertes és inert gáz). A prognosztizált becslések szerint a kıolaj és a földgáz a fı energiahordozó az elkövetkezı 30-50 évben.
Fisszilis tüzelıanyagok • Nukleáris (maghasadás): – természetes urán (U-235 (0,72 %), U-238 (99,27 %), – dúsítás (U-235 1,6, 2,4, 3,6% és nagyobb 4,4%), – Jövı?: Th-232 → U-233 – főtıelem és kazetta gyártás, – kiégett főtıelemek • reprocesszálása, • transzmutációja?
• Nukleáris (fúzió): – H-2+H-2 →He-4 (nap).
Szekunder energiahordozók • Szekunder energiahordozók: szállításra (tárolásra?) és felhasználásra alkalmas („kényelmes”) energiahordozók: – Hı (hıhordozók), – Villamos energia, – Üzemanyag/ok/.
Hı (hıhordozók) • Hı: a hımérséklet-eloszlás inhomogénitására létrejövı transzportmennyiség: a hıhordozó hıátadó képessége. Hıhordozók: - víz (melegvíz, forróvíz, gız), - levegı, - termoolaj. A fosszilis és (fisszilis) tüzelıanyagokból, több megújuló energiaforrásból (nap, biomassza, geotermikus, hulladék) elıállítható főtımővekben, főtıerımővekben és főtıberendezésekben, továbbá hulladékhı-hasznosítással is.
Villamos energia • Villamos energia: villamos jelenségek formájában elıállított munkavégzı és/vagy hıátadó képesség (legjobb használati értékő szekunder energiahordozó). A fosszilis és fisszilis tüzelıanyagokból, és elvileg az összes megújuló energiaforrásból elıállítható erımővekben.
Üzemanyagok • Üzemanyagok: belsı égéső motorokban, gázturbinák égıterében elégethetı, adalékanyagokkal ellátott, kémiailag kötött energia: – benzin, gázolaj, – (földgáz), – (hidrogén?).
Nyersolajból, (földgázból), termesztett biomasszából elıállítható finomítókban.
Primer-szekunder energiahordozó Primer enhord.
Üzemanyag
Villamos energia
Hı
x
x
x
x
x
x
Nukleáris
x
x
Napsugárzás
x
x
Szél
x
Víz
x
Geotermikus
x
x
Szén Nyersolaj
x
Főtıolaj Földgáz
x
Növényi biomassza
x
x
x
Hulladék
(x)
x
x
1.2. Energiahordozók szállítása • Elosztás – szervezeti: a primer és szekunder energiahordozók termelık és fogyasztók közötti kereskedelme, – területi = szállítás: a primer és szekunder energiahordozók eljuttatása a területileg szétszórt termelıkhöz és fogyasztóhoz.
• Tárolás: – az energiaigények szezonális és piaci egyenlıtlenségeinek kiegyenlítése az egyenletes ütemben elıállított energiahordozók felhalmozásával.
Energiahordozók szállítási módjai Energiahordozó
Vasút
Víz
Közút
Szén
x
x x
x
Nyersolaj Olajtermék
x
Földgáz
x X
Távvezeték
x x x
(cseppfolyósított)
PB-gáz Villamos energia Hıhordozó
x
x x x
1.3. Energia végfelhasználás • Különbözı statisztikai feldolgozás. • Energia szerint: – hajtás (mechanikai): 20-30 % (közlekedés, technológia), – hı: 60-70 % (technológia, főtés(hőtés)+hmv), – világítás, információtechnika: 3-10 %.
• Szektorok szerint: – – – – –
gazdasági szektor (ipar, mezıgazdaság), lakossági-kommunális szektor, (távfőtés) közlekedés, egyéb.
Végenergia-szekunder energiahordozó Végenergia
Hajtás -technológia -közlekedés
Hı -technológia -főtés+hmv -hőtés+klíma
Szekunder energiahordozó
villamos energia üzemanyag
Tüzelıanyagok villamos energia (koksz, brikett főtıolaj, földgáz) villamos energia hıhordozó
Világítás, információtechnika
1.4. A világ primerenergia-felhasználása
A világ primerenergia-felhasználása Brennstoff-Wärme-Kraft, 2004/11. p. 44-48.
energiafelhasználás, EJ
1000
fejlıdı országok ipari országok
800
794
568
600
436 369
400
305 231 200
0
1970
1980
1990
2003
2020
2050
A világ primerenergia-felhasználása • 1965-1990. között (25 év alatt) a világ primerenergiafelhasználása megkétszerezıdött, s elérte a 95,1.1012 kWh/év=342 EJ/év=8,15.109 toe értéket. • 2007-ben 504 EJ/év. • Az átlagos növekedés 1974. elıtt 5 %/év, 1994-tıl 2 %/év, de a fejlıdık miatt növekszik. • Új fejlıdı nagyfogyasztók (Kína (1300 Mfı), India (1000 Mfı), Brazília, Mexikó (150-100 Mfı), Dél-Afrika (50 Mfı) megjelenése. • OECD országok (175-200 EJ/év, 1970-2050 között közel változatlan): – közlekedés, szállítás: 31 %, – ipar: 34 % (vegyipar 6 %), – háztartás és mezıgazdaság: 35 %.
A világ primerenergia-felhasználása 2007-ben [IEA, 2009]
Primer energiahordozó
%
Mtoe
EJ
Olaj
34
4090
171
Szén
26,5
3188
133
Földgáz
20,9
2514
105
Biomassza
9,8
1179
49
Nukleáris energia
5,9
710
30
Víz
2,2
265
11
Egyéb (geotermikus, nap, szél, stb)
0,7
84
4
Összes
100
12029
504
2. Energiamérleg • Energiamérleg: a különbözı energiahordozók, különbözı veszteségek, különbözı szintő, együttes mennyiségi számbavétele. • Nemzetközi, országos energiamérleg: – toe [1 toe≈42 GJ (=41,868 GJ) vagy – tsze [1 tsze=28 GJ] – PJ, EJ [1015, 1018 J], – kWh (EU-ban). Mértékegységek közötti átváltás! 1 kWh=3,6.106 J.
Az energiaellátás folyamábrája Hazai termelés
Import
Primer energiahordozók
Import
Hazai termelés
Szekunder energiahordozók
Szállítás, elosztás, tárolás Szállítási, tárolási veszteségek
Energia végfelhasználás Hasznosult energia
Felhasználási veszteségek
Átalakítási, feldolgozási veszteségek
Energiamérleg • Nemzetközi statisztikákban: – TPES (Total Primary Energy Supply): összes primerenergia-ellátás=hazai termelés+import. Világ 2007-ben: 12029 Mtoe=504 EJ – TFC (Total Final Consumption): összes vég(energia) felhasználás. Világ 2007-ben: 8286 Mtoe=346 EJ.
• A primerenergia-átalakítás átlagos hatásfoka 69 % (csak a villamosenergia-átalakítás veszteségeit hıerımővekben tartalmazza).
Energiamérleg • Tervezés: a múlt tény- és a jövı becsült adatai alapján különbözı (várható, optimista, pesszimista) forgatókönyvek készítése. • Energiahordozók korlátozott mértékő alternativitása! • Energiahordozó és végfelhasználási struktúra lassú (évtized) változása. • A technológiai átalakítások évtizedekben mérhetık.
3. Energiahatékonyság • Energiahatékonyság: meghatározott energiafelhasználás mellett a gazdaság mekkora termelési értéket valósít meg. • A nemzetgazdaság energiaigényessége primerenergiahordozó felhasználás [toe vagy MJ / év] energiaigényesség = GDP [Gross Domestic Pr oduct [ Ft vagy USD / év]
• A nemzetközi statisztikák gyakran az egy fıre esı primerenergia-, villamosenergiafelhasználást adják meg.
Energiahatékonyság • Az energiaigények, és ezáltal az energiafelhasználás csökkentése! – Hı: jól hıszigetelt épületek, kisebb hıfelhasználású technológiák. – Üzemanyag: kisebb fogyasztású autók. – Villamos energia: jobb hatásfokú erımővek, kapcsolt hı- és villamosenergia-termelés, takarékos fogyasztású berendezések. – Fogyasztói szokások megváltozása (kisebb helyiséghımérséklet, tömegközlekedés, áramfogyasztók kikapcsolása)?
4. Fenntartható fejlıdés • Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. • „A fenntartható fejlıdés olyan fejlıdés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jövı generációit abban, hogy ık is kielégíthessék szükségleteiket.” [Brundtland „Közös jövınk” jelentés, 1984-87.]: – Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jövı generációk életlehetıségeit veszélyeztetik. – A lehetı legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jövı generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthetık. – „Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük.” → környezeti hatástanulmány, engedély.
tá lá El
Környezet, klímavédelem
g sá on
Fenntarthatóság
t iz sb
Ve rs en yk ép es sé g
Fenntarthatóság
EU közös energiapolitikai célok • Versenyképesség (Lisszabon): belsı piac, verseny, hálózati kapcsolatok, európai villamosenergiahálózatok, K+F (tiszta szén, CO2-elnyeletés, alternatív tüzelıanyagok, energiahatékonyság, nukleáris energia). • Környezetvédelem (Kyoto): megújuló energiaforrások hasznosítása, energiahatékonyság, nukleáris energia, innováció és kutatás, CO2emisszió kereskedelem. • Ellátásbiztonság: nemzetközi párbeszéd, beszerzési források diverzifikálása, európai készletgazdálkodás (olaj, földgáz), finomító kapacitás és energiatárolás.
A fenntartható fejlıdés problémái • Gazdasági-társadalmi különbségek. • Természeti kincsek végessége (lásd készletek). • Kibocsátások és azok hatásai (levegı-szennyezettség, klímaváltozás?). • Energetikai ellátásbiztonság „sérülése”. A technikai fejlıdés kétarcú, pozitív és negatív hatások, a fejlıdés egyik mozgatóereje, csak régebben idıben és térben korlátozott hatások, míg ma a hatások és a veszélyek globálisak.
• Az energetika a fejlıdés feltétele, motorja, de ökológiai hatásai negatívak: – – – –
kibocsátások, hatás a globális felmelegedésre, hatás az ózonlyuk növekedésére, hatás a biológiai sokféleségre.
4.1. Társadalmi-gazdasági különbségek A világ népességének alakulása (kb. 75 Mfı/év növekmény) Brennstoff-Wärme-Kraft, 2004/11. p. 44-48.
10
lakosság, milliárd fı
8
világ összesen ipari országok
2025
2003
6
8,5
6,0
4 193
2
2,1 1,2
1,4
0,7
0 1400
1500
1600
1700
1800
1900
2000
2100
VÁLTOZÁSOK A VILÁGGAZDASÁG PÓLUSRENSZERÉBEN 2 pólusú rendszer
MULTIKULTURÁLIS VILÁGGAZDASÁG
MULTI PÓLUSÚ RENDSZER ORSZÁGCSOPORTOK
1, 1780 – 1840 szén, vas 2, 1840 – 1890 gőz, acél 3, 1890 – 1950 motorok, villamosság, vegyészet 4, 1950 – 2010 atom, elektronika 5, 2010 – 2050 környezetbarát technológiák
OROSZOR SZÁG EUROPE KANADA ÉSZAK-AMERIKA MEXIKÓ
ARAB ORSZÁGOK
KÍNA
INDIA
KIS TIGRISEK DÉLAMERIKA
DÉLAFRIKA
JAPÁN AUSZTRÁLIA
GDP-eloszlás a világon
Gazdasági-társadalmi különbségek • Népesség, gazdaság növekedése egyenlıtlen, különbözı kultúrák, óriási különbségek. • Migráció erısödése. • Nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus). • Környezetromlás, globális ökológiai hatások. Az emberiség fokozatosan felismeri a veszélyt: - mekkora a föld eltartó képessége, - az egyenlıtlenségek, a migráció, a környezetromlás hogyan csökkenthetı, - a társadalmi, gazdasági és ökológiai fenntarthatóság szoros kölcsönhatásban van egymással.
Energetikai egyenlıtlenségek A régiók egy fıre esı energiafelhasználásának aránya Fekete Afrika: 13 GJ/fı; Világátlag: 80 GJ/fı; É-Amerika: 325 GJ/fı
Fekete Afrika India Dél Ázsia Kína Latin Amerika Világátlag Magyarország Európai Unió Egyesült Államok
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
4.2. Energetikai ellátásbiztonság • Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: – – – –
megfelelı energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, ésszerő energiatakarékosság.
4.2. Energetikai ellátásbiztonság • Nagy egyenlıtlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. – A primerenergia-források messzebb, nehezebb körülmények között vannak, egyre hosszabbak a szállítási útvonalak. – Egyre több szők keresztmetszet (csıvezetékek, tankerek, olajfinomítók, szakember-hiány!). – Kína, India, Brazília, gyorsan fejlıdı gazdaságainak energiaigénye jelentısen nı.
• Növekvı verseny → a nagy fogyasztók energiaellátásának nagy része importból → importfüggıség → az ellátásbiztonság sérül. • Nemzetközi feltételektıl való erıs függés (terrorizmus, politikai zsarolás, bizonytalan jövıbeli környezetvédelmi követelmények) → konfliktusok lehetısége.
Az EU importfüggése 100
88,5
90
81,4
76,8
80
67,5
65,7
70 60 %
51,3 50 40
48
33,2
30 20 10 0
Szilárd tüz.
Olaj
Földgáz 2002
2030
Összes
Az EU importfüggése • Már ma is nagy. • Ha nem történik változás, akkor az importfüggés továbbnı. • A bıvítéssel a helyzet nem változott, romlott. • Nagy gond, mert alig vannak saját eszközeink a helyzet megváltoztatására. • „Lemondás” a szénrıl és nukleáris energiáról, következmény a földgázfelhasználás növekedése, a GAZPROM-tól függés erısödése.
EU földgázimport eredet szerint (bcm=milliárd Nm3)
0
Franciaország
Olaszország
Németország
Románia
Ausztria
Törökország
Cseh Közt.
Lengyelország
Magyarország
Bulgária
Szlovákia
Moldávia
Litvánia
Lettország
Macedonia
Finnország
Észtország
Bosznia-Herc.
%
Az EU országok földgáz-ellátásának GAZPROM-tól való függése
100 90
80
70
60
50
40
30
20
10
4.3. Az energetika környezeti kibocsátásai
• Kibocsátások és azok hatásai: – üvegházhatás, – ózon vékonyodás, – biológiai sokféleség csökkenése, – radioaktív sugárzás egészségügyi hatásai. A teljes vertikumot kell tekinteni!
Az energetika jelentısebb környezeti kibocsátásai
Üvegházhatású gázok: globális szennyezés
• Energetika: – szén-dioxid (CO2), – kén-hexafluoridok (SF6, transzformátorok).
• Más területek: – metán (CH4), – dinitrogén-oxid (N2O), – fluorozott szénhidrogének (HFC-k), – perfluor karbonátok (PFC-k).
A világ CO2-kibocsátása [Mt/év]
Szén-dioxid hatása Globális széndioxid-kibocsátás (folytonos) és koncentráció (szaggatott) A föld átlagos hımérsékletének változása (vastag: porkoncentráció figyelembe vétele nélkül)
Globális klímaváltozás a 21. században (elırejelzések)
A földfelszín hımérsékletének változása (1960-2060)
Szén-dioxid kibocsátás
• Fosszilis tüzelıanyagok kibocsátásai: – szén: 108 [g CO2/MJ tüzelıhı, karbon], – olaj: 70-75, – földgáz: 58. Az energetika összes CO2-kibocsátása jelenleg kb. 27 milliárd t/év. A gépkocsi-forgalom jelentıs szerepe: azokban a városokban, ahol jelentıs a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.
A villamosenergia-termelı eljárások CO2-kibocsátása [kg/kWh]
Kén- és nitrogén-oxidok: lokális szennyezés
• Károsítják az emberi egészséget, és hozzájárulnak a talaj, az erdık és a felszíni vizek savasodásához → regionális környezetszennyezés. • Természeti víz savas (pH≈5,5) az oldott CO2 miatt → savasodás pH<5 (SOx és NOx miatt). • SOx-k kibocsátása a tüzelıanyagtól függ (2 kg SO2 füstgáz/1 kg S tüzelıanyag): – C (1-3 %): 2-5 g/MJ, – kıolaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/MJ. Megoldás: fütgáz-kéntelenítés.
Kén- és nitrogén-oxidok
• NOX-k: A tüzelés során, a levegı nitrogénjébıl 1100 oC hımérséklet felett keletkezik. • Elıírások a kibocsátásokra: <30 mg/Nm3. • Megoldások: – DeNOx berendezés, – NOx-szegény égık, vízbefecskendezés (földgáztüzeléső gázturbinák), – katalizátoros motorok, – fluid-tüzeléső kazánok (t<1000 oC).
Radioaktív kibocsátások
• Folyékony és légnemő radioaktív kibocsátások. • Radioaktív hulladékok: – kisaktivitású, – közepes aktivitású, – nagyaktivitású. Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés → főtıelemek transzmutációja.
Az ellátásbiztonság és környezetvédelem ellentmondása Az ellátásbiztonság érdekei • Az import csökkentése, elsısorban a földgázé. • A hazai források (elsısorban szén, lignit) fokozott használata. • „Tiszta szén” technológiák (CCS) terjesztése. • A nukleáris energia fokozott használata.
A környezetvédelem érdekei • CO2 emisszió csökkentése → szén, lignit felhasználás csökkentése. • Ellenzi a CCS technológia és a nukleáris energia felhasználását. • Következmény: növekvı földgázfelhasználás → az ellátásbiztonság sérül.
Dilemma: melyik „világ” lesz versenyképesebb? • Gyorsan nı az energiafelhasználás. • Gyorsan nı a fosszilis energiák szerepe. • A megújuló energiaforrások hasznosítása lassan nı. • A nukleáris energiát fejlesztik. • A tiszta szén technológia a közeljövı megoldása. „Amit meg lehet csinálni”
• 20 %-os primerenergiafelhasználás csökkentés. • Leépítik a fosszilis (szén) energiákat. • A megújuló energiaforrások felhasználásának erıltetett növelése (20 %). • A nukleáris energia jövıje kérdéses. • A tiszta szén technológiában nem hisznek. „Ami jó lenne”
