1.
Primer és szekunder energiahordozók. A magyar primer energiaellátás helyzete, struktúrája.
Az energiát általában anyag közvetíti. Azokat az anyagokat, amelyek valamilyen halmazállapotban energiát tartalmaznak energiahordozóknak nevezzük. Megkülönböztetünk primer és szekunder energiahordozókat. A primer energiahordozóknak a természetben található energiaforrásokat tekintjük. Ilyenek a szénféleségek, kőolaj, földgáz, uránérc stb. Ezeket az urán kivételével fosszilis energiahordozóknak, más néven nem megújuló (kimerülő, elhasználódó) energiaforrásoknak is nevezzük, mert a földtörténet során hosszú idő alatt jöttek létre, így felhasználásuk során a Földben található készletek folyamatosan csökkennek. Vannak megújuló primer energiaforrások is mint a nap-, szél-, vízenergia, a biomassza stb. A szakirodalom általában megújuló energiaként kezeli a geotermikus energiát is, bár megújulása hosszabb idő alatt következik be, ezért más irodalmak az elhasználódó energiák között tartják számon. A primer energiahordozóknak csak kisebb hányadát használják fel közvetlenül. Ezeket általában eltüzelés útján hasznosítják, közvetlenül fűtés, meleg víz készítés stb. céljából. Ilyen például a szén, földgáz, biomassza közvetlen eltüzeléses hasznosítása. Gyakran a megújuló primer energiákat is hasznosítjuk közvetlenül: pl. napenergiával fűtünk vagy vizet melegítünk, szélenergiával vizet szivattyúzunk stb. A primer energiák nagyobbik hányadát azonban valamilyen eljárással szekunder energiává alakítjuk és ezt követően használjuk fel valamilyen célra. A szekunder energiáknak három csoportját különböztetjük meg: • A primer energiahordozók nemesítésével rendszerint értékesebb anyagot állítanak elő, mint pl. szénből brikettet, kokszot, gázt; kőolajból benzint, gázolajat, tüzelőolajat, fűtőolajat; uránércből dúsított üzemanyag elemeket. • A szekunder energiahordozók másik fajtája a hőenergia, amelynek hordozóközege általában forró víz, gőz, gáz és amelyet valamilyen energia átalakítóban: kazánban, hőerőműben vagy reaktorban állítanak elő. A hőenergiát rendszerint fűtésre használják, vagy turbina segítségével mechanikai energiává alakítják. • A szekunder energiák harmadik csoportjába a villamos energiát soroljuk, amelyet napjainkban számtalan területen hasznosítunk. Előállítása turbinával hajtott generátorral történik. A megújuló primer energiákat is gyakran alakítjuk villamos energiává pl. vízerőmű, szélerőmű, naperőmű, napelem segítségével. A magyar primer energiaellátás helyzete, struktúrája Magyarország energiafelhasználása közelítőleg 1 EJ (exajoule=1018 J). A hazai energia kitermelés jelenleg 400-500 PJ között van. (1 PJ= 1015 J). 2002-ben az összes energiafelhasználás 62,6%-át importáltuk. 2002-ben az összes energiafelhasználás 35,5%-át az ipar és az építőipar, 3,6%-át a mezőgazdaság és az erdőgazdaság, 4,6%-át a szállítás, a posta és a távközlés, 37%-át a lakosság, és 18,9%-át a kommunális és egyéb fogyasztók használták el.
A felhasznált kőolaj mennyiségének 86%-a import, a szénnek (lignittel együtt 25%-a, a földgáznak a 81%-a, a villamos energiának a 18%-a import. Végezetül tekintsük át a hazai energiaellátás teljes rendszerét a mellékelt sematikus folyamatábra szemlélteti. Jelölések: IP - import primer energia; HP - hazai kitermelésű primer energia; ÖP - összes primer energia; ÁE(S) - átalakított (szekunder) energia; ÁV - átalakítási veszteség; KFP - közvetlen felhasználású primer energia; IS - import átalakított (szekunder) energia; ÖSF - összes szekunderenergia-felhasználás; ÖF - összes felhasználás; SZV - szállítási veszteség; FV - felhasználói veszteség; NE - nem energetikai célú hasznosítás (pl. műanyag, vegyszer); E - energetikai célú felhasználás. 2.
Az energiagazdálkodás főbb szempontjai (feladata, területe és tárgya).
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 energiával, mint természeti erőforrással való gazdálkodáshoz kapcsolódik a rendelkezésre álló anyagi eszközökkel való gazdálkodáshoz kapcsolódik a rendelkezésre álló anyagi eszközökkel való gazdálkodás, az energiaköltségek csökkentése, az energetikai beruházások hatékonyságának növelése. Az energiagazdálkodás a rendelkezésre álló energiaforrások és készletek leggazdaságosabb felhasználásának és kihasználásának biztosítására és megszervezésére, az energiaszükségletek gazdaságos és biztonságos kielégítésére, az energiaveszteségek csökkentésére, a fölösleges veszteségforrások megszüntetésére irányuló gyakorlati tevékenységet jelenti. Az energiagazdálkodás keretében az energia nemcsak fizikai és műszaki fogalomként jelentkezik, hanem mint gazdasági szükségletek kielégítésére alkalmas termelési vagy fogyasztási eszköz is. Az energiagazdálkodás természettudományi alapjait és műszaki alkalmazását összefoglaló ismereteket energetikának, is nevezik. Az energiagazdálkodás tudományának és gyakorlatának alapjai egyrészt az energetika, másrészt a gazdaságtudományok. Az energiagazdálkodás nem foglalkozik az energetika tárgykörének teljességével, hanem csak azokkal az energetikai folyamatokkal, amelyek egyben gazdálkodási problémákat is felvetnek. Így pl. általában nem foglalkozik azokkal a változatos, de rendszerint nagyon csekély energia-mennyiséget érintő energetikai folyamatokkal, amelyek egy-egy gépszerkezet vagy mechanizmus működését érintik, nem foglalkozik továbbá a bioenergetikai folyamatokkal, az emberi munka végzésének az ergonómiai tárgykörébe tartozó kérdéseivel, vagy az állati energia kifejtésének problémáival.
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 energiatartama és más természeti energiaforrások energiahozama. Az alapenergiahordozók kitermelése így a bányászat tárgykörébe, a megújuló energiaforrások hasznosítása a megújuló energiaforrás fajtájának megfelelő tárgykörébe tartozik. Az energiagazdálkodás határterülete az energetikai gépek és fogyasztói berendezések energiagazdálkodás szempontjából helyes szerkesztése és gyártása. A fogyasztói energiagazdálkodást szoros szálak fűzik az energiafelhasználási célt meghatározó ipari, mezőgazdasági, háztartási stb. technológiához. Az átalakított, ún. másodlagos energiahordozók energiaátalakításához (fejlesztéséhez ill. termeléshez) felhasznált alapenergiahordozókból nyerik energiatartalmukat. Az energiaátalakítási folyamatokkal másodlagos energiahordozók előállítása, a kapott energiafajta fogyasztók közötti elosztása, a fogyasztói berendezések gazdaságos üzemeltetése, valamint az energiafelhasználás ellenőrzése az energiagazdálkodás sajátos területei. Az energiagazdálkodás végső rendeltetése az energiafelhasználás, amelyben nemcsak az energiagazdálkodási szempontoknak, hanem a fogyasztók szükségleteiből kiinduló technológiai szükségleteknek is jelentősége, meghatározó szerepe van.
3.
Csoportosítsa az energiaforrásokat (halmazállapot, természetes- megújuló, fogyó és mesterséges szempontok szerint).
Szilárd tüzelőanyagok
Természetes Mesterséges Megújuló Fogyó Megnevezés Energiaforrások Alapenergia Másodlagos energia Tűzifa kukoricaszár Növényi- és Faforgács rizshéj - trágya Faszén, faforgács brikett és pelet állati eredetű fűrészpor egyéb tüzelőanyagok mezőgazdasági hulladék Tőzeg - lignit barnaszén Koksz - félkoksz - szénbrikett Ásványi feketeszén kokszbrikett tüzelőanyagok antracit - olajpala (égőpala) Benzin - petróleum - gázolaj Folyékony tüzelőolaj - fűtőolaj - szintetikus Ásványolaj tüzelőanyagok tüzelőolajok - kátrányolaj Szénelgázosítás (generátorgáz, vízgáz, kevertgáz, földalatti Földgáz elgázosítás) - szénlepárlás Gáznemű bányagáz (kamragáz, városi gáz) - fagáz tüzelőanyagok mocsárgáz olajgáz - krakkgáz - kohógáz biogáz - acetiléngáz Uránium (U235, Plutónium (Pu239) - Uránium U238) - Tórium Hasadó anyagok (U233) (Th232) Napsugárzás vízgőzforrások tengervíz Hőenergia (gejzírek) Gőz - melegvíz - villamos energia hőmérsékletforrások szénsavforrások különbsége (hőhordozók) földhő (termálvíz) Vízenergia (folyóvíz, árapály) Villamos energia - sűrített levegő Mechanikai Szélenergia gőz - gáz - víz energiaforrások
4.
Az energiahatékonyság mutatószámait. A kinyert és bevitt energia. Mit értünk fajlagos energiafelhasználás alatt.
Hatásfok: Energetikai folyamatokban a kinyert és bevitt energia hányadosát jelenti: E Ekinyert E = 1 − veszteség , η = kinyert = Ebevitt Ebevitts + E veszteség Ebevitt ahol: η : hatásfok (0 < η < 1) , Ekinyert: a folyamatból kivett / nyert energiamennyiség Ebevitt: a folyamatba bevitt energiamennyiség, Eveszteség: a folyamat során elvesző energiamennyiség A befektetett energia és a hasznos energia különbsége a veszteség, amely hőként, hangként, vagy egyéb formában a környezetbe távozik (Termodinamika I. főtétele szerint): Eveszteség=Ebevitt – Ekinyert. Az energiamegmaradás törvényéből következik, hogy a hatásfok 1-nél, vagy százalékban kifejezve 100%-nál nagyobb nem lehet. Gyakorlatilag a hatásfok mindig kisebb 100%-nál. A javítása a veszteség csökkenésével vagy egy részének hasznosításával történik. Néhány energiaforrás hatásfoka: • Hagyományos villanykörte: 5-10% • Fénycsövek: 28% • Energiatakarékos izzók: <30% • Hagyományos hőerőmű: 30-50% • Kombinált ciklusú kondenzációs hőerőmű: <60% • Hőhasznosító erőmű (távfűtés): <90% • Transzformátor: 90% • Belsőégésű motor: 10-50% • Gázturbina: <40% • Vízturbina: <90% • Szélerőművek: 59% (elméleti határ) • Napelem: jelenleg maximális 42,8% • Üzemanyagcella: <80% • Vízbontás elektrolízissel: 50-70% • Villamos fűtés: 95% Hatásosság: az ellenőrző felülettel körülzárt rendszerünkben valamilyen, számunkra hasznos paraméter megváltozását viszonyítja az elméletileg lehetséges legnagyobb változáshoz. Az egyik legismertebb hatásosság fogalom a hőcserélők Bosnjakovič -féle Φ - tényezője, ami a hőcserélőkben létrejövő legnagyobb tényleges hőmérsékletváltozást viszonyítja az elméletileg létrejöhető legnagyobbhoz, azaz a közeg belépő hőmérsékletének különbségéhez: t −t Φ = 1be 1ki , t 2be − t 2 ki Ahol az „1” index a kisebb, a „2” index a nagyobb vízértékáramú közegre utal. (Vízértékáram: a víz tömegáramának és fajhőjének szorzata. Jele: W)
Hatékonyság: azt mutatja meg, hogy egy technológiai paraméter eléréséhez mennyi energiabevitelre van szükség. felszántot t terület ⎡ m 2 ⎤ Például: ⎢ ⎥ , vagy: elfogyaszt ott gázolaj ⎣ l ⎦
hőőkezel munkadarabok mennyisége ⎡ t ⎤ ⎢ GJ ⎥ . földgáz fogyasztás ⎣ ⎦ Gyakran használjuk a hatékonyság fogalmának reciprokát, amit fajlagos (energia) fogyasztásnak nevezünk. Ezek közül a legismertebb a gépkocsik üzemanyag fogyasztása: üzemanyag fogyasztás ⎡ l ⎤ ⎥. ⎢ az üzemanyaggal megtett út ⎣100 km ⎦ Fajlagos energiafelhasználás: az energetikai folyamatokban a felhasznált energiamennyiséget (E) és a folyamatra jellemző, az energiafelhasználást befolyásoló mérőszám – technológiai mutató – (T) hányadosa. (A fajlagos energiafelhasználás az energiagazdálkodás műszaki és szervezési színvonalának egyik fontos mutatószáma.) A folyamatra jellemző és az energiafelhasználással összefüggő mennyiségi mutatószám többnyire a folyamat eredményeként létrejött termék, vagy szolgáltatás mennyiség. A fajlagos energiafelhasználás dimenzióját E és T dimenziója határozza meg. E e= , T (A téglagyártás fajlagos hőenergia szükséglete például: 1,25-1,88 MJ/kg.) 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
5.
Mit értünk ellátásbiztonság alatt. Milyen tényezőktől függ. Milyen minőségi és mennyiségi jellemzők tartoznak hozzá.
Ellátásbiztonság: az energiaellátást akkor nevezhetjük biztonságosnak, ha a fogyasztói kör indokolt energiaigényének kielégítéséhez szükséges energia az igényelt mennyiségben és minőségben, egy elfogadható kockázati szint mellett rendelkezésre áll. Minden ország esetében központi jellegű kérdés az energiaellátás biztonsága. A villamosenergia-szolgáltatás megbízhatóságát a termelő és szállító eszközök, berendezések, az üzemirányítási rendszer és a kezelést végző ember együttesen határozza meg. A zavarmentes működéshez korszerű, megbízható berendezések, megfelelő szervezés, fizikai és adatvédelem, a felelősségi körök pontos meghatározása és jól képzett, az energetikát hivatásának tekintő kezelőszemélyzet egységes rendszere szükséges. A MAVIR-nál mindez rendelkezésre áll. A rendszerirányító (MAVIR) felelős azért, hogy a villamos energia megfelelő mennyiségben, minőségben és biztonsággal jusson el a fogyasztókhoz, ezért az ország villamosenergiahálózatán mindig elegendő áteresztőképesség tartalékot, az erőművekben teljesítmény tartalékot kell biztosítani. A szállítás biztonságát növeli, hogy mind a 220-400 kV-os átviteli hálózat, mind a 120 kV-os elosztóhálózat hurkolt. Ez azt jelenti, hogy az egyes hálózati csomópontok között többirányú összeköttetés van, így egy elem elvesztése nem okozhat nagy kiterjedésű zavart a villamosenergia ellátásban (topológiai biztonság). A különböző feszültségszintű hálózatok egymásnak természetes tartalékot jelentenek, tehát pl. egy 400 kV-os távvezeték kiesése esetén a rajta áramló teljesítmény egy része a többi 400 kV-os vezetékre, egy része a 120 kV-os hálózatra terhelődik át Az egyes országok hálózatai egymással összekapcsolva üzemelnek, rendszer-egyesülést alkotnak. Ez nem csak a topológiai biztonságot, hanem a termelés biztonságát is növeli. Az erőművekben keletkezett üzemzavarok esetén a kiesett teljesítmény pótlásában részt vesznek az együttműködő energiarendszerek. Az együttműködés Nyugat- és Közép-Európa minden országára kiterjed és több mint 300.000 MW teljesítményű energiarendszer kooperációját jelenti (összehasonlításul a magyar energiarendszer elmúlt évi csúcsteljesítménye nem érte el a 6000 MW-ot). Az országok közötti kapcsolat az energia-szolgáltatás fizikájából adódóan rendkívül szoros, bármely rendszerben is lép fel hiány, a vele szinkronban működő energiarendszerek mindegyike részt vesz annak pótlásában. Az automatikus segítségnyújtás biztosítja, hogy a fogyasztó nem veszi észre a hazai erőművek valamelyikében bekövetkezett gépkiesést, legyen az bármilyen méretű. Ez a nem tervezett import formájában megjelenő teljesítmény azonban nem vehető igénybe korlátlan ideig. Előírás, hogy minden energiarendszernek 15 percen belül gondoskodnia kell teljesítmény-mérlege egyensúlyának helyreállításáról. Ez a szabály biztosítja, hogy a nagy európai rendszer folyamatosan készen álljon tagjainak kisegítésére. Az előírás megszegésének legsúlyosabb következménye az lehet, ha megszüntetik a kapcsolatot a szabály ellen vétő rendszerrel. Ilyen nálunk még nem fordult elő, bár ennek érdekében 2003 januárjában mintegy 300 MW mértékben korlátoznunk kellett a fogyasztást. Az energiarendszer szórt struktúrája, többszörösen hurkolt topológiája, a nemzetközi együttműködés nagy biztonságú ellátást biztosít. Ellátási zavarok csak kis területre lokalizáltan, a fogyasztók kis csoportjánál és rövid ideig lép(het)nek fel. A gyakorlat azt mutatja, hogy nagyon kevés azoknak az üzemzavaroknak a száma, amelyeknél a fogyasztói kiesés a villamos-energia iparág működését meghatározó Üzemi Szabályzatban jelentéskötelesként meghatározott 50 MWh-t eléri.
Bár a fentiek szerint az ellátás biztonsága tervezhető és felügyelhető, az üzemzavarok sokkal „találékonyabbak” annál, mintsem így leegyszerűsítsék a Rendszerirányító dolgát. Fel kell készülni előre nem látható helyzetek kezelésére is. Hetente, naponta történnek olyan események, amelyek kezelése nem kisebb figyelmet igényel, mint az említett üzemzavarok elhárítása, következményeik csökkentése, de ezeket csak az üzemeltetők és üzemirányítók szűk köre ismeri. Ez így van rendjén, a fogyasztót nem a munka nehézsége, hanem eredménye győzi meg, vagyis ha az üzemzavart észre sem veszi. Legjobb a bajt megelőzni. A biztonságot még az üzem előkészítésekor kell megalapozni. Ekkor a várható eseményekre készülünk fel, megfelelő tartalékokat hagyva az erőművekben és a hálózaton. Vannak események, amelyek talán soha nem következnek be, de kizárni nem lehet őket. Még olyan estre is van forgatókönyv, amikor az országban már csak a gyertyák világítanak, minden erőmű áll, minden nemzetközi távvezeték ki van kapcsolva. Vannak olyan erőműveink, amelyek ilyen helyzetben is el tudnak indulni, és segítségükkel beindítható a többi erőmű, fokozatosan elláthatók a fogyasztók. Hiába a legalaposabb felkészülés, a bajt nem mindig lehet elkerülni. Ha mégis bekövetkezik, akkor mindent el kell követnünk, hogy a lehető legkisebb kárt okozza. Célunk, hogy a rendszer működőképességét, nemzetközi kapcsolatait mindenáron fenntartsuk. Az ennek érdekében történő operatív beavatkozások sajnos nem mindig fájdalommentesek. A komoly üzemzavarok általában felborítják a villamosenergia-rendszer teljesítményegyensúlyát. Egy nagy, vagy 2-3 kis blokk kiesése nem jelent a fogyasztó számára is érzékelhető eseményt, erre számítani lehet és kell. A rendszer működéséhez hozzátartozik, hogy rendelkezik megfelelő tartalékokkal ezek gyors pótlására. A gond akkor kezdődik, ha az üzemzavar miatt hiányzó teljesítmény jelentősen meghaladja az ésszerű tartalék mértékét. Lehetne persze sokkal nagyobb tartalékokat üzemeltetni, de azt a fogyasztók zsebe bánná. Ha kikapcsolódik egy erőművi blokk, a teljesítmény-egyensúly helyreállítására két lehetőség kínálkozik: vagy a termelést kell növelni, vagy a fogyasztást kell csökkenteni. Az elsőről éppen most szóltunk, ez az általánosan elterjedt gyakorlat. A második módszer, a fogyasztás csökkentése kellemetlenül érinti a kikapcsolt fogyasztókat, ezért ha csak lehet, el kell kerülni. Ha mégis ehhez az eszközhöz kell nyúlnunk, azt szigorú szabályok szerint tesszük, az érvényes minisztériumi rendeletnek megfelelően. Mindig csak a feltétlenül szükséges, legkevesebb fogyasztót kapcsoljuk ki. Ebből a célból előre elkészített „csomagok” állnak a rendelkezésünkre, mindegyikről tudjuk, hány MW fogyasztót tartalmaz. Ezekbe a „csomagokba” – hivatalos nevükön korlátozási fokozatokba – csak olyan fogyasztók kerülhetnek, akiknél a kikapcsolás nem okoz életveszélyt, nagy anyagi kárt. Nem kapcsolható ki például egy kórház, vagy egy bánya, de nem lehet a korlátozott fogyasztók között veszélyes vegyipari nagyüzem, a vízmű vagy a metró sem és törekszünk arra, hogy a korlátozás minél később érintse nagy számban a lakosságot. Sok olyan gyár, iroda és háztartási fogyasztó van, ahol a kikapcsolás természetesen kellemetlen, de nem jár visszavonhatatlan következményekkel. A több korlátozási fokozat megléte lehetőséget ad arra, hogy ne ugyanazok legyenek hosszú ideig kikapcsolva, szükség esetén cserélni lehessen. Erre még soha nem volt szükségünk. Az ellátásbiztonság függ: Teljesítménygazdálkodástól Tüzelőanyag ellátástól Hálózati infrastruktúra rendelkezésre állásától Határkeresztezésekhez való hozzáféréstől A kereskedő fizetőképességétől Minőségi jellemzők: frekvencia, feszültség, hullámalak, rendelkezésre állás Mennyiségi jellemzők: 230 V, 50 Hz ...
6.
A napenergia. A főbb felhasználási módok (aktív, illetve passzív megoldások). A földre érkező napenergia jellemzése.
A Nap a földi élet egyik nélkülözhetetlen alkotóeleme. A Nap egy olyan kivételes energiaforrás, amely a Föld teljes felszínén rendelkezésünkre áll, de az intenzitása földrajzi elhelyezkedéstől, évszakoktól, és időjárási viszonyoktól is függ. Átlagosan, a Föld légkörének felső határát elérő napsugárzás intenzitási értéket napállandónak nevezzük, amelynek értéke: E0=1353 W/m2. A Nap Földre besugárzó energiája mintegy 6000-szer meghaladja a Föld teljes energiaigényét. Magyarország adottságai a napenergia-hasznosítás szempontjából igen kedvezőek, mivel az intenzitás mértéke nyáron 600-1000 W/m2, télen 250-600 W/m2 értékek között mozog, így éves szinten az 1 m2 felületre várható beeső sugárzási érték eléri a 1170-1300 kWh/m2 értéket. A globális sugárzás három összetevőből áll. Direkt sugárzásnak nevezzük a sugárzásnak azt a részét, amely akadálytalanul közvetlen a Föld felszínére jut. Ez 60-70%-át adja a teljes sugárzásnak. Diffúz sugárzásnak nevezzük a sugárzásnak azt a részét, amely a légkörben lévő szennyeződések miatt megtörik, egy része visszaverődik, és kialakul a szórt sugárzás. A teljes sugárzásnak ez a 20-25%-át teszi ki. Reflektált sugárzásnak nevezzük a különböző tárgyakról visszaverődő fényeket, amely átlagosan a teljes sugárzás 10%-át jelenti, de bizonyos esetekben, mint például a sípályákon, ahol a hó fényvisszaverő hatása igen magas, többszörös reflexió alakul ki, ilyenkor ez az érték 15-20% is lehet. Passzív hasznosítás A fosszilis energiahordozók piaci árának radikális növekedése arra készteti a szakembereket, hogy az épületek energiafogyasztását lecsökkentsék. Megoldásként szolgálhat a napenergia passzív hasznosítási formája. Magyarországra viszonyítva nem rendelkezünk olyan adatokkal, amely a passzív hasznosításnak a mértékét vizsgálná. Passzív napenergia-hasznosító eljárások közé tartozik az épületek tájolása, különböző szigetelőanyagok kiválasztása a kedvező hőtároló és hővezető tulajdonságaik alapján, a nyílászárók megfelelő kiválasztása, valamint az olyan terek kialakítása, ahol a napsugárzás által felmelegített levegő természetesen tud áramolni. Magyarországon egyre több programot indítanak a panelházak gazdaságos energiafogyasztását elősegítésére, ugyanis a hatvanas évektől a rendszerváltásig mintegy 788 ezer lakás szerkezeti állapotuk, és korszerűtlen fűtési rendszerük miatt energia-pazarlóak. Megoldást a homlokzatok, illetve a tetőszerkezet hőszigetelése, esetenként tetőtér ráépítés, nyílászáró csere, illetve a fűtési rendszer átalakítása jelenthet, mellyel akár 50%-os energiamegtakarítás is elérhető. Aktív hasznosítás A napenergia aktív hasznosítására fototermikus, és fotovillamos rendszerek állnak a rendelkezésünkre. Fototermikus hasznosításnál a Napból érkező elektromágneses sugárzás hőhasznosítása történik. A beeső sugárzás a hőhasznosító felületeken abszorbeálódik, és hővé alakul át. Az aktív fototermikus hasznosításnak a megfelelő szerkezetét napkollektoroknak nevezzük. A napkollektor különböző fluidumokkal működhet, ezért megkülönböztetünk levegő, illetve
folyadék közegű napkollektort. Ezen eszközök, és berendezések segítségével a viszonylag kicsi energiasűrűséget a megfelelő értékre lehet növelni. A berendezéseket működési hőmérsékletük szerint csoportosíthatjuk alacsony, közepes és magas hőmérsékletű kollektorok közé. Az alacsony hőmérsékletű kollektorokat általában közvetlen klimatizálásra, vagy mezőgazdaságban termény szárítására alkalmazzák. Ezeknél a típusú kollektoroknál a hőmérsékletet szállító közeg a levegő, hatásfokuk 30-35%-al alacsonyabb, mint a folyadék közeggel működő kollektoroké. Közepes hőmérséklet tartományokban a folyadék üzemű napkollektorok állnak a rendelkezésünkre, itt a munkaközeg általában víz, glükóz, vagy speciális szoláris folyadék. Jelenleg a piacon kapható kollektorok közül a vákuumcsöves napkollektorok rendelkeznek a legmagasabb hatásfok értékkel, ez az érték meghaladhatja akár a 80%-ot is. Hatásfokuk növelése érdekében szelektív bevonattal látják el a kollektorokat, illetve a gyártás során alkalmazott jó minőségű abszorber lemezek, kollektor szigetelés és üvegezés felel a jó hatásfokérték eléréséért. Villamosenergia-termelésre alternatívát jelentenek a koncentrátoros naperőművek, melyeknél a napsugárzás direkt összetevőjét tükrökkel koncentráltan juttatják a hőátadó közeg felé, amely elérheti akár az 1200 °C-t is, ezért a magas hőmérsékletű kollektoroknál a munkaközeg legtöbb esetben olaj. Három különféle módszerű naperőmű létezik: parabolavályús, parabolatányéros, illetve naptorony rendszerű. Az ilyen típusú rendszereknél csak a direkt napsugárzás hasznosítható, ezért elengedhetetlen a felhőtlen, alacsony páratartalmú éghajlat. Fotovillamos rendszerek A növekvő energiaköltségek, a környezetvédelmi szempontok, és az energiaellátástól távol eső területek villamosenergia-igénye mind-mind elősegítették, hogy mára a fotovillamos energiatermelés meghatározó eleme legyen az energiaellátásnak. Mára egész fotovillamos erőműveket telepítettek szerte a világon. Németország vezető szereppel bír a fotovillamos energia-előállítás területén. Magyarországon a fotovillamos napenergia-hasznosítás a környező országokhoz viszonyítva jelenleg még csak gyerek cipőben jár. Az ország mindösszesen 0,5 MW beépített napelem kapacitással rendelkezik, viszonyítás képen a régióban, tőlünk északabbra található Csehország már 1 GWp teljesítménnyel rendelkezik. Hazánkban a fotovillamos energiatermelés elterjedésének a hiánya több okkal magyarázható. Egyrészt a környező országokhoz képest a zöldenergia kötelező átvételi ára, másrészről a megújuló energiaforrásokra irányuló állami támogatások mértéke alacsony, általában a teljes beruházás értékének a 30%-a, ezen felül a rendelkezésre álló keretösszegek végesek, nem mindig állnak rendelkezésre.
7.
Mit ért primer és szekunder tartalékon a villamos energiaellátás szempontjából. A primer és szekunder tartalékok hol állnak rendelkezésre.
Előre jelzési tartalék: A villamosenergia-igény előre jelzésének pontossága miatt többlet tartalék teljesítmény igény, amely az időjárás, a gazdasági környezetváltozás, tervezettől eltérő alakulásának, eseményeknek a villamosenergiaigényre gyakorolt hatásából adódik. Primer tartalék: a villamosenergia-rendszer közös frekvenciájának az előírt értéktől történő nagyobb eltéréseit mérséklő kollektív, rendszernagyság arányos gyors és automatikus termelői teljesítmény változtatás forrása. A forgó tartalék primerszabályozást biztosító része, melynek fele 5 másodpercen belül, egésze 30 másodpercen belül vehető igénybe. A villamosenergia-termelés és fogyasztás egyensúlyának – a zavar fellépését követő maximum 30 másodpercen belüli – helyre állítása automatikusan működésbe lépő, turbina – beállított arányosságának megfelelő – fordulatszám szabályozás. Magyarországon a primer tartalék 50 MW (<30s), kb. a villamosenergia-rendszer összteljesítményének 1 %-a. Szekunder tartalék: Összekapcsolt villamosenergia-rendszerben a frekvencia arányos nemzetközi kooperációs szaldó menetrendtartásához szükséges igénybe vehető teljesítmény forrása. A szekunder szabályozást biztosító forgó, vagy gyorsan indítható hideg tartalék, lekapcsolható nagyfogyasztó, más villamosenergia-rendszerből igénybe vehető teljesítmény, amelyekkel a hálózati frekvencia névleges értéke és a csúcsteljesítmény szaldója 15 percen belül helyre állítható. A villamosenergia-termelés és fogyasztás egyensúlyának – a zavar fellépését követő néhány percen belül – helyre állítására automatikusan működésbe lépő frekvencia szabályzó berendezés. Magyarországon a szekunder tartalék 460 MW (<15 min), értéke megegyezik a villamosenergia-rendszerben üzemelő legnagyobb erőművi blokk teljesítményével. Tercier tartalék: a villamosenergia-rendszerben bekövetkező, a termelés és fogyasztás egyensúlyát megbontó, váratlan termelő berendezés kiesés pótlásához szükséges, legfeljebb 15 perc alatt igénybe vehető teljesítményforrás. A villamosenergia-rendszerben a termelés és fogyasztás egyensúlyát megbontó váratlan termelő berendezés kiesés pótlásához szükséges, legfeljebb 15 perc alatt igénybe vehető teljesítmény. A szekunder szabályzó teljesítmény biztosításában a résztvevő gépek munkapontjának automatikus vagy kézi eltolása annak érdekében, hogy a szekunder szabályzó teljesítmény mind mennyiségileg, mind időben garantáltan rendelkezésre álljon, továbbá, hogy a szekunder szabályozó teljesítmény elosztása az egyes gépekre optimálisan történjen. Magyarországon a tercier tartalék 540 MW (perces, ill. órás aktiválási idejű forrásokból)
8.
Milyen megújuló energiaforrásokat ismer. A szélerőművek teljesítmény-sebesség diagramja. Mit nevezünk Betz maximumnak. A diagram jellemzőbb pontjai, a szabályozás szükségessége.
Megújuló energiaforrások: olyan természetes energiaforrások összessége, amelyek természeti folyamatok során folyamatosan rendelkezésre állnak, vagy újratermelődnek. Ezek a következők: • Szélenergia, • Vízenergia, • Napenergia, • Biomassza, illetve biomassza eredetű energiák • Geotermikus energia A szélerőművek teljesítmény-sebesség diagramja:
A szélgenerátor szélsebességteljesítmény jelleggörbéjét a gyártó megadja!
A szél által hajtott vízszintes tengelyű szélerőművek által leadott teljesítmény: P = 0,5 ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v 3 ⋅η , ahol:
ρ : a levegő sűrűsége (hőmérséklet függő tényező, 1,29 kg/m3) η : szélkerék hatásfoka (amely Magyarországon 20-30%, de Mosonmagyaróvár környékén 35%, rövid időközön belül – 1 hónap alatt – ez az érték akár 37-39% is lehet) v: a szélkerék sebessége A: a lapátok által súrolt terület mértéke, A = 2 2 ⋅ π = d 2 ⋅
π
4
, ahol r – a lapát hossza, d a
szélerőmű átmérője Az indulási szélsebesség (vi): 3-3,5 m/s, a munkagép indítási nyomatékigénye határozza meg: a gépcsoport mindaddig nem indul be, amíg az álló rotoron ébredő nyomaték meg nem haladja a munkagép indítási nyomatékigényét. Ennek megfelelően az indulási szélsebességet úgy kapjuk, hogy megkeressük azt a szélsebességet, amelynek M0 (indítási) nyomatéka éppen Ms. Ilyenkor a generátor által termelt villamos-energia a gép saját veszteségeinek a fedezésére elegendő. Névleges szélsebesség: 10-12 m/s, az a szélsebesség, amelyen a szélerőmű képes a névleges teljesítményének a leadására. Lekapcsolási szélsebesség: 20-25 m/s, az a szélsebesség, amelynél a szélerőmű károsodásának elkerülése érdekében automatikusan biztonsági mechanizmusok lépnek életbe: mechanikus fékezés – a lapátok a szélirányból kifordulnak, illetve elektromechanikus fékezés.
Betz maximum:
Pmax = ahol:
16 1 ⋅ ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v13 , 27 2
16 tényező tehát a rotor ideális (vagy maximális) teljesítmény tényezője (Betz 27 maximum), értéke cwmax ≈ 0,5926
A teljesítmény tényező a rotor energetikai hatásfoka, amely megmutatja, hogy a rotor – adott terhelés mellett – milyen mértékben használja ki a szél mozgási energiáját. A szélerőmű szabályozása és védelme: a szélsebesség- és szélirányváltozások dinamizmusa hatással van a szélerőmű üzemére. A szélsebesség változásokból adódó feszültség, illetve nyomatékingadozás lényeges hatással lehet a kapcsolt munkagép működésére, a szélirányváltozások, pedig megkövetelik, hogy gondoskodjunk olyan szerkezetről, amely a rotort folyamatosan a szélirányba állítja, így biztosítva a lehető legnagyobb teljesítmény elérését. A szélirány változás csak a vízszintes tengelyű szélerőműveknél okoz gondot. A szélerőművel kapcsolatban legalább három alapvető szabályzásra lehet igény: • Sebesség korlátozás, amely megakadályozza a forgó részek károsodását • Sebesség szabályozás, amely az adott rendszerben a szélenergia maximális hasznosítását célozza meg • Teljesítmény szabályozás, amely a szélsebesség ingadozása mellett egyensúlyban tartja a kimenő és bejövő teljesítményeket. Lapát szabályozás Generátor szabályozás (szinkron – asszinkron) Pitch-control: a lapátszög változtatása a lapát hossztengelye körüli elforgatásával. Stall-control: a szárny profiljának speciális kialakítása, amely egy adott relatív szélsebesség felett szélkerék teljesítmény és sebesség vesztésével jár. A fő generátorok általában 15-25 m/s-os szélsebességig működnek. Ekkor működésbe lép a teljesítmény leszabályozás. Ami történhet a lapátvégekkel, ill. alapátok aerodinamikai fékhatásával (Stall), vagy a lapát teljes elfordításával (Pitch). A tengelyfékkel rögzítik a már leállt szélturbinát. Amennyiben a szélsebesség a megengedett határ alá kerül, úgy a turbina automatikusan újra bekapcsol.
9.
A biomassza fogalma. Mit nevezünk primer és szekunder biomasszának (elsődleges és másodlagos biomassza).
A biomassza valamely élettérben egy adott pillanatban jelen levő szerves anyagok és élőlények összessége. A létrejött szerves anyag a zöld növények által a fotoszintézis során a Nap sugárzó energiájából átalakított és megkötött kémiai energia. A mező- és erdőgazdasági termelés tulajdonképpen a napenergia transzformációja: a Föld felszínére érkező napenergiát a növények a klorofill segítségével kémiai energiává alakítják át. A biomassza tehát transzformált napenergia. A jelenlegi energiaforrásaink (szén, kőolaj, földgáz) is az évmilliókkal ezelőtt földre érkezett napenergia biológiailag megkötött és tárolt alakja. A biomassza fogalom alatt a szárazföldön és vízben található, összes élő és nemrég elhalt szervezetek (mikroorganizmusok, növények, állatok) tömegét - a mikrobiológiai iparok termékeit - a transzformáció után (ember, állat, feldolgozó iparok) keletkező valamennyi biológiai eredetű terméket, hulladékot kell érteni. (Maga az ember is biológiai tömeg, azaz biomassza, de nem tartozik bele a biomassza rendszerezésbe - az ember által termelt melléktermék azonban már igen.) A biomassza keletkezése alapján: • Elsődleges biomassza: a természetes vegetáció (mezőgazdasági növények, erdő, rét, legelő, kertészeti növények, a vízben élő növények), • Másodlagos biomassza: állatvilág, ill. az állattenyésztés fő- és melléktermékei, hulladékai, • Harmadlagos biomassza: a feldolgozó iparok gyártási mellékterméke, az emberi életműködés mellékterméke. Az energetikai biomassza potenciál Az energianyerés céljára alkalmas bioanyagok sokféleképpen csoportosíthatók, a jövőbeli felhasználás szerint az alábbi felosztást javasoljuk:
1. Melléktermékek, amelyek a mező- és erdőgazdálkodás, a ráépülő feldolgozóipar, a kommunális szilárd- és folyékony hulladékkezelés területéről származnak. A legfontosabbak: • gabonaszalma, kukorica- és napraforgószár, kukoricacsutka, napraforgó maghéj, szőlővenyige, gyümölcsfanyesedék, nádhulladék stb. • Tűzifa, erdei apríték, fűrészpor, forgács, kéreg, háncs stb. • Parkok, fasorok karbantartásának hulladékai, különböző bomló szerves anyagok, ill. a belőlük keletkező biogázféleségek. 2. Energianyerés céljából termesztett növények, ezek közül a legfontosabbak: • Szántóföldi növények: teljes-növény, repce, magkender, és mindazon növényféleségek, amelyek valamilyen átalakításával energiahordozó nyerhető, • Fás energetikai ültetvények. Az első csoportba tartozó anyagféleségek származási helye és megjelenési formája sokféle, a legnagyobb tömeget a fás anyagok és a lágyszárú növények szár- levél stb. maradványai képezik. Fontos, hogy a keletkező és ténylegesen energiacélra felhasználható mennyiségek között jelentős különbség van, ezért beszélünk elméleti- és technikai potenciálról. A kettő közötti különbség tartalmazza az elsődleges, azaz élelmezési-, vagy ipari felhasználásra, a talajerő visszapótlására fordított, valamint a gyakorlatilag begyűjthetetlen, vagy felhasználásra alkalmatlan, elvesző mennyiségeket.
10.
Mi a villamos energiaipar mérlegkör, mi a felelős feladata. Miért szükséges a menetrendadás. Milyen előfeltételei vannak a rendszer működésének.
A villamos-energia egy olyan speciális „áru”, amely az előállítása pillanatában felhasználásra kerül, ezért fontos, hogy a termelését és a fogyasztását egyensúlyba tartsák. Mérlegkör: egy virtuális elszámolási egység, amely egy szabályozási zónán belül (például egy országon belül) tetszőleges számú betáplálási és elvételi pontban áll, amelyeket a hálózati csatlakozásért felelős hálózati üzemeltetőnek kell megnevezni, és ezáltal pontosan definiálttá válnak. Egy mérlegkörön belül a beszerzésnek és a leadásnak egyensúlyban kell lennie. Mérlegkör felelős: ő készíti el a villamosenergia-felhasználás tervét a mérlegkörben, és egyben képviseli a mérlegkört a rendszerirányító (MAVIR) felé. Mérlegkör felelős például a MVM RT. Menetrend: egy megállapodás az ügyfél és a szolgáltató között, a teljesítmény- és energia beszerzés tervezett időbeni lefolyásáról. A villamosenergia-termelőknek negyedórás lebontásba a következő napi energiatermelést kell megadni minden nap délután fél egyig, ez alól most már kivétel a szél- illetve naperőművek, ugyanis nekik napi göngyölt mennyiséget kell megadni. A menetrendadás a piaci működés alapja (prognózis). A menetrendadás és a menetrend szerinti termelés azért szükséges, mert a terv-tény eltérése a MAVIR-nak drága kiegyenlítő energiával kell igénybe vennie. Az átviteli rendszerirányító által +, vagy – irányú eltérést kiegyenlítő szabályozás során a mérlegkör-felelősökkel elszámolt villamos energia. A szabályzási pótdíj alkalmazása ösztönzi az értékesítőket (termelőket) a menetrend minél pontosabb tartására.
A rendszer működésének előfeltételei: Frekvenciatartás: a rendszer váltakozó árammal működik. A váltakozó áramnak a frekvenciája 50 Hz, melyet százados pontossággal kell tartani a berendezések működése érdekében.
Fázisszög: a rendszerben található összes villamosenergia-termelő háromfázisú generátorok fázisszöge megegyezik, amennyiben a fázisszög nem megfelelő, úgy a generátor nem képes a megtermelt energiát a hálózatba juttatni.
Feszültségtartás: a villamosenergia-termelésnél fontos, hogy a generátor által termelt villamos-energia feszültsége az előzőleg meghatározott értékeket vegye fel. Zavartatás mentesség: a villamosenergia-előállítása folyamatosan azonos minőségi és mennyiségi követelményeknek kell megfelelnie.
11.
A biomassza energia célú felhasználásának lehetőségei. E lehetőségek jellemzése. A növényi eredetű folyékony energiahordozók fajtái, felhasználási területei. Az előállítás legjellemzőbb megoldásai. Mit nevezünk biodízelnek, milyen főbb jellemzőkkel rendelkezik.
Az energianyerés céljára alkalmas bioanyagok sokféleképpen csoportosíthatók, a jövőbeli felhasználás szerint az alábbi felosztást javasoljuk: 1. Melléktermékek, amelyek a mező- és erdőgazdálkodás, a ráépülő feldolgozóipar, a kommunális szilárd- és folyékony hulladékkezelés területéről származnak. A legfontosabbak: • gabonaszalma, kukorica- és napraforgószár, kukoricacsutka, napraforgó maghéj, szőlővenyige, gyümölcsfanyesedék, nádhulladék stb. • Tűzifa, erdei apríték, fűrészpor, forgács, kéreg, háncs stb. • Különböző bomló szerves anyagok, ill. a belőlük keletkező biogázféleségek. 2. Energianyerés céljából termesztett növények, ezek közül a legfontosabbak: • Szántóföldi növények: teljes-növény, repce, magkender, és mindazon növényféleségek, amelyek valamilyen átalakításával energiahordozó nyerhető, • Fás energetikai ültetvények. Az első csoportba tartozó anyagféleségek származási helye és megjelenési formája sokféle, a legnagyobb tömeget a fás anyagok és a lágyszárú növények szár- levél stb. maradványai képezik. Fontos, hogy a keletkező és ténylegesen energiacélra felhasználható mennyiségek között jelentős különbség van, ezért beszélünk elméleti- és technikai potenciálról. A kettő közötti különbség tartalmazza az elsődleges, azaz élelmezési-, vagy ipari felhasználásra, a talajerő visszapótlására fordított, valamint a gyakorlatilag begyűjthetetlen, vagy felhasználásra alkalmatlan, elvesző mennyiségeket. A növényi eredetű folyékony energiahordozókat különböző növénycsoportokból, különböző technológiákkal és eltérő felhasználási célokkal állíthatják elő. A biológiai eredetű energiahordozók
Származtatásuk szerint lehetnek - növényi eredetűek, - állati eredetűek, - egyéb eredetűek mikrobák, gombák stb. • Az energiahordozók fajtája szerint - olajok; - zsírok; - alkoholok. • A felhasználási terület szerint: - tüzelési célra; --- átalakítás nélkül, --- átalakítással, - motorhajtóanyagként; --- átalakítás nélkül, --- átalakítással, - egyéb üzemanyagként; --- kenőolajok, --- munkafolyadékok. •
Előállítása: a folyékony energiahordozó alapanyagát olajnövényekből sajtolással, cukor- ill. keményítőtartalmú növényekből alkoholos erjesztéssel, lignocellulózokból termokémiai eljárással (pirolízis) lehet előállítani. A növényi eredetű biomasszából előállított energiahordozók tüzelési célra, motor hajtóanyagként, és vegyipari alapanyagként használhatók fel. A felhasználás jellemzője, hogy a növényi eredetű energiahordozó kémiai energiáját hő-, ill. mechanikai energiává alakíthatjuk át. Biodízel: Olajnövényekből főtermékként növényi olajat állítanak elő, melléktermékként préselési maradvány (dara, pogácsa, pellet) és növényi szár marad vissza. A növényi eredetű folyékony energiahordozó előállítása során tehát jelentős mennyiségű szilárd energiahordozót is nyernek, melyet a már korábban bemutatott módon energiatermelésre is fel lehet használni. A növényi olaj Magyarországon elsősorban repcéből ill. napraforgóból állítható elő. Az olajnövény magjából 25-30%-ban nyerhető ki olaj. A kinyerés préseléssel/sajtolással (nagy nyomással) történik. A hő bevitele nélkül végzett préselés a hidegsajtolás. Ha a sajtolás közben a bevitt anyagot melegítjük, növelhető a kihozatal. A legnagyobb hozam hő- és oldószer alkalmazásával érhető el. A sajtolással előállított növényolaj nyers formában vagy vegyi átalakítást követően használható fel energiatermelésre. Nyers formában a növényi olaj energianyerésre nehezen használható fel. Ennek magyarázata az, hogy lobbanáspontja magas (250-320 oC), ezért nehezen gyújható, viszkozitása nagy, tehát nehezen porlasztható, és alacsony hőmérsékleten gyorsan dermed. A nyers növényi olajat tüzelési célra, és motor hajtóanyagaként használhatják. A kedvezőtlen tulajdonságokkal járó hátrányokat adalékolással (gázolaj, kerozin keverése az olajhoz), vagy speciális motorok (Elsbet-dízel) alkalmazásával küszöbölik ki. Vegyi átalakítással a hagyományos motorok üzemeltetéséhez is felhasználható hajtóanyagot állítanak elő. A növényi olajok motorüzem szempontjából kedvezőtlen tulajdonságai kémiai átalakítással is megváltoztathatók. A legelterjedtebb átalakítás a növényi olajok zsírsavainak metanollal történő átészterezése. Az eljárással repceolajból RME (repce metil-észter) állítható elő. Észterezéssel a lenmagolaj és a napraforgóolaj is biodízel-olajjá alakítható. Az így előállított LME és SME fűtőértéke és cetánszáma közel egyező a dízelolajéval.
12.
A bioalkoholok előállítása és felhasználása. A felhasználás előnyei és hátrányai.
Etanol előállítása lignocellulózokból A XX. században fokozódott az érdeklődés a biomassza folyékony üzemanyag célú hasznosítása, pl. az etanol előállítása iránt. A cellulóz alapú alkoholgyártás folyamata alapvetően egyszerű: a cellulóz glükózzá történő hidrolízise és az azt követő fermentáció után az etanol desztillációval kinyerhető. Egy gazdaságosan megvalósítható technológia alkalmazása esetén csökkenne a nyersolajtól való függőség. A lignocellulóz biomassza szénhidrát-tartalma alapvetően három úton alakítható át fermentálható cukrokká. Egylépcsős tömény savas, kétlépcsős híg savas hidrolízissel, valamint enzimes hidrolízissel. Az egylépcsős tömény savas hidrolízis során a biomassza cellulóz és hemicellulóz tartalmának lebomlása koncentrált ásványi sav pl. kénsav, sósav, fluorsav hatására alacsony hőmérsékleten (<100 °C), egyetlen technológiai lépésben történik. Az eljárás legfőbb hátránya, hogy jó minőségű rozsdamentes acél berendezéseket igényel, ami jelentősen megnöveli a beruházási költségeket. A hemicellulóz frakció jellemzően gyorsabban hidrolizálódik, mint a cellulóz, ezért a hemicellulózból származó monoszaharidok a szükségesnél hosszabb ideig vannak kitéve a sav hatásának, minek következtében a cukrokból különféle degradációs termékek keletkeznek, melyek anyagveszteséget jelentenek. Gazdasági és környezeti szempontból szükséges a felhasznált sav visszanyerése.
A kétlépcsős híg savas eljárásban a cellulóz és a hemicellulóz frakciót külön-külön hidrolizálják. A hemicellulóz hidrolizátumot elválasztják az első hidrolízist követően. Ezzel a módszerrel mindkét frakció hidrolízise optimálható. Mivel a második lépcsőben jóval magasabb hőmérsékletet alkalmaznak (200 °C körül), jelentős menynyiségű cukor és lignin degradációs termék keletkezik.
Az enzimes hidrolízis első lépéseként a lignocellulóz biomasszát előkezelik, ezzel növelve a hozzáférhetőséget a cellulózbontó enzimek számára. Az előkezelés során a hemicellulóz hidrolízise hasonló módon történik, mint a kétlépcsős híg savas eljárásnál, minek következtében melléktermékek keletkeznek. Az enzimes hidrolízis szintén egy kétlépcsős technika, de itt a cellulóz frakció hidrolízise nem sav, hanem celluláz enzimek hatására megy végbe. Mivel az enzimes hidrolízis körülményei jóval enyhébbek, kevesebb melléktermék keletkezik, így nagyobb a fermentálható cukrok kihozatala. A cellulóz nagy arányú konverziójának eléréséhez nagy mennyiségű celluláz enzim adagolása szükséges, ez jelentősen megnöveli a költségeket. Ebből következően az enzimtermelés a folyamat kritikus lépése. A gazdaságosság javításának legfontosabb tényezője a hatékony enzimtermelés, mely olcsó, a folyamatban rendelkezésre álló szénforrás felhasználásával valósítható meg. Az elmúlt évtizedben intenzíven vizsgálták a cellulóz enzimes konverzióján alapuló technológia lehetőségét. Ez a folyamat min. öt fő lépést tartalmaz: a nyersanyag előkezelését, mely magában foglalja a faapríték méretének csökkentését, frakcionálását és a hemicellulózok hidrolízisét; a celluláz enzim termelését; a cellulóz enzimes hidrolízisét; a fermentációt megfelelő élesztő törzzsel; és az etanol finomítását (l. sematikus ábra fentebb). Az etanol desztillációval 95%-osra töményíthető, melyből az eotróp desztillációval történő vízelvonással 100%-os, tiszta etanol nyerhető. Előnyök és hátrányok: A bioetanol évente megújuló növényekből előállított üzemanyag, és mint bioüzemanyag, elvileg semleges hatású az üvegház-hatásra. A megújuló energiaforrásokhoz hasonlóan ugyanis a bioetanol elégetésekor a légkörbe kerülő szén-dioxid és más üvegház hatású gázok a következő évben felnövő növények (gabonák, burgonya, cukorrépa, fűfélék, szalma) testébe visszaépülnek. Ez az egyenlőség azonban csak akkor áll fenn, ha a felhasznált növényeket olyan helyen termesztik, ahol egyébként semmi sem volt. A tiszta bioetanol-felhasználás 17%-kal fogná vissza az üvegházhatású gázok kibocsátását. Egy tanulmány szerint csak a cukorrépából valamint a cellulózgyártás melléktermékeként nyert etanol termel kevesebb üvegházhatású gázt, mint a fosszilis üzemanyagok. Előnyként említik azt is, hogy bioetanol nyersanyagát ásványkincsekben szegény, mezőgazdasági területeken is elő lehet állítani, így a kőolajban szegény országok (például Magyarország) importfüggősége csökkenthető, valamint a helyi munkaerő is nagyobb mértékben foglalkoztatható. A bioetanol gyártás hátránya a gyártási folyamat fajlagosan magas villamosenergia- és hőenergia igényét, a kinyert energia százalékos arányban sokkal kisebb mértékben haladja meg a befektetett mennyiséget, mint a hagyományos energiahordozóknál. Az energiamérleg javítható az előállítás során keletkező hőenergia hasznosításával és a melléktermékek, például a növényi hulladék takarmányként történő felhasználásával, azonban nem lehet korlátlan mennyiségű takarmányt felhasználni. További negatívumként szokás említeni, hogy élelmezési célra használható növényeket, táplálékokat felhasználni üzemanyag-gyártás céljára akkor, amikor a Föld jelentős népessége éhezik – egy etikai vonzatú dilemma.
13.
A biogáz előállítás alapvető rendszerei. A mezofil és termofil eljárás jellemzése. Milyen anyagokat használunk biogáz előállítására. Mit nevezünk primer és szekunder biomasszának a biogáz előállítása céljából.
A biogáz előállítás alapvető rendszerei: A feldolgozandó nyersanyagoktól függően: • nedves fermentációs eljárások • száraz fermentációs eljárások A reaktorok hőmérsékletének alapján: • mezofil erjesztés • termofil erjesztés Az erjesztés végbemehet egy, kettő vagy több lépésben. A lebomlás 4 szakasza ezáltal térben is elkülönülhet egymástól. Száraz fermentálás: • A 30-35 % sz.a. tartalmú biohulladékot egylépcsős reaktorokban erjesztik. A kezelés során a nyersanyagokat csigás szivattyú segítségével a reaktor egyik végén betöltik, majd a lebomlás befejeztével a másik végén kiengedik. Az átalakulási folyamatokat a beépített keverőberendezések és a befúvatott biogáz is elősegíti. • Igen száraz biohulladék esetében (40%-os sz. a. tartalom) fennáll a veszélye annak, hogy a nyersanyagok nem megfelelően keverednek és áramlanak a fermentálóban. Egylépcsős fermentáló reaktorok esetében a kezelés mezofil körülmények között 3-4 hétig, termofil körülmények között pedig 2-3 hétig tart. • A száraz fermentálás előnye az alacsony nedvességtartalomból fakadó csekély anyagáramlás. A nedves fermentálás: • A nyersanyagok szárazanyag-tartalmát az előkezelés során kb. 10%-osra állítják be. • Az anyagok ilyen magas nedvességtartalma és megfelelő állaga lehetővé teszi az egyenletes anyagáramlást és keveredést a reaktoron belül. • Előnyösek a feltételek az átalakulási és hőképződési folyamatokhoz, valamint a gázképződéshez. • A nedves biogáz-gyártás alapanyaga általában hígtrágya vagy élelmiszer-ipari szervesanyag-tartalmú folyadék, melyeknek szárazanyag-tartalma 2-8%, és szervesanyag-tartalma 40-60% között van. Az alapanyagot általában naponta több alkalommal szivattyúval táplálják be az erjesztő-térbe. Az erjesztő-térben az úszókéreg, valamint a leülepedés megakadályozására szakaszos, vagy folyamatos keverést kell biztosítani. Mezofil és termofil fermentálás
Az anaerob kezelés egyes szakaszaiban résztvevő baktériumoknak más és más a hőmérsékleti optimumuk. Az erjesztő baktériumok számára a legmegfelelőbb körülmények 30°C-on biztosíthatóak, a mezofil metanogén baktériumok optimuma 33 – 37°C között van, a termofil metanogéneké pedig 55 – 60°C közötti. A baktériumfajok számát tekintve elmondható, hogy az erjesztésben résztvevők nagyobb része a mezofil tartományba tartozik. A legtöbb anaerob kezelési technológia a mezofil baktériumok tevékenységén alapszik.
Mivel a szerves anyagok anaerob úton történő lebomlása során igen kevés energia szabadul fel, a reaktorok megfelelő hőmérsékleten tartásához külső energiaforrást kell igénybe venni. A termofil fermentálás előnyei közé sorolható a nagyfokú higiénizáció, valamint az, hogy a mezofil eljárásokhoz képest akár 10%-kal is hatékonyabb lehet a lebomlás foka, és ezzel együtt a termelt gáz mennyisége is. Ezzel szemben viszont a nettó energianyereség alacsonyabb, mivel a magas hőmérséklet szinten tartásához a termelt biogázból is többet kell felhasználni. A termofil kezelés másik hátránya az, hogy a folyamat során az ammónium–ammónia egyensúly hőmérsékletfüggősége miatt magasabb lesz az ammóniakoncentráció, s ez a metanogén baktériumokra gátlólag hat, sőt akár toxikus is lehet számukra. Egy- és kétlépcsős folyamatok • Az egylépcsős folyamatoknál a lebontás minden lépése egyetlen reaktorban zajlik. A folyamat során a hőmérséklet és egyéb paraméterek menet közben nem változtathatóak, így azok beállításakor a bontás összes lépésének optimumát figyelembe kell venni. • Kétlépcsős folyamatoknál a szilárd és folyékony fázis szétválasztása történhet a metánképződés előtt és azt követően is. A metánképződés előtti szétválasztásnak az az előnye, hogy a folyékony fázis – mint az a szennyvízkezelés gyakorlatában már bebizonyosodott -, nagy teljesítményű reaktorokban viszonylag rövid idő alatt lebontható. Kétlépcsős folyamatoknál a hidrolízis és a savképződés a műszaki berendezések szempontjából is elkülönül az acetát- és metánképződés szakaszaitól Biomasszák a biogáz előállítás szempontjából: •
Elsődleges biomassza: a természetes vegetáció (mezőgazdasági növények és melléktermékei, erdő, rét, legelő, a vízben élő növények)
•
Másodlagos biomassza: állatvilág, ill. az állattenyésztés fő- és melléktermékei, hulladékai
14.
A szivattyús energiatározók, előnyei és hátrányai. Az alkalmazás feltételei.
A szivattyús energiatározók célja, hogy az erőművek kis kihasználtsága idején pl. éjszaka a termelhető és a fogyasztók által nem igényelt energia felhasználásával vizet szivattyúzzanak egy magasan fekvő tározóba, ahonnan a csúcsfogyasztás idején a vizet visszavezetve a vízerőtelepen villamos energiát termeljenek. A szivattyús energiatározó három típusát különböztetjük meg:
1. a tiszta, 2. a vegyes üzemeltetésű és 3. a vegyes rendeltetésű szivattyús energiatározót. A tiszta szivattyús energiatározó energiát nem termel, hanem csak tároz és átalakít. A vegyes üzemeltetésű szivattyús energiatározó nemcsak szivattyúzás révén tároz vizet, hanem a tározóhoz tartozó vízgyűjtő területről gravitációsan is. Ez utóbbi növeli a szivattyúzásból származó energiamennyiséget. Ez a típus gazdaságosabb is, mint az előbbi, minthogy a gravitációs vízmennyiségből származó energiamennyiséget csak az egyszeres energiaátalakításból származó veszteségek terhelik. A vegyes rendeltetésű szivattyús energiatározó a hidraulikus energiatározáson kívül más célra (öntözés, vízellátás) is szivattyúz vizet. A szivattyús energiatározó más használatos megnevezései: hidraulikus energiatározó, szivattyús-tározós vízerőmű. A szivattyús energiatározók hálózati szerepét röviden a következőkben foglalhatjuk össze: a) Turbinaüzemben a terhelési csúcsok fedezése. b) Szivattyúüzemben a kis terhelésű időszakban nagyfogyasztóként az alaperőművek egyenletes kihasználásának biztosítása, az energia időbeli áthelyezése. c) Az energiarendszer rövid idejű tartalékának biztosítása váratlan kiesés esetén. d) Meddő-teljesítmény szolgáltatása. e) Az energiarendszer feszültség- és frekvenciaviszonyainak állandó szinten tartása.
Világszerte egyre több szivattyús energiatározó épül. Ezek valójában egy völgykatlanban, ill. elhagyott bányaüregekben kialakított mesterséges tavak, ahová vizet szivattyúznak fel azokban az időszakokban, amikor az erőművek olcsón termelnek. A villamos energia nagyipari méretekben ugyanis nem tárolható. A csúcsterhelések időszakában előnyös - a gyorsan indítható tározós vízerőművi egységek - használata. A csúcsenergia-igény kielégíthető hőerőművekkel is, költsége mintegy 30-40%-kal nagyobb. A szivattyús energiatározó előnye még, hogy rendkívül gyors az üzemkészsége. Amíg egy hőerőművet a jelzéstől számítva 100-140 perc alatt lehet teljes üzemre állítani, addig a hidraulikus energiatározó 2-10 perc alatt éri el teljes üzemkész állapotát. Az energia a víz helyzeti energiájában tárolódik. Természetesen a szivattyús energiatározó a vízemelés, majd a turbinán való átvezetés következtében csak mintegy 70-75% eredő hatásfokkal rendelkezik. Ennek ellenére gazdaságos, mert a csúcsáram díja mintegy 3-5szöröse az átlagos áramköltségnek. A tározós vízerőmű turbógenerátorai két irányban működnek. Éjszaka munkagépként a hálózatból felvett villamos energia felhasználásával vizet szivattyúznak a magaslaton elhelyezett víztározóba. Nappal a csúcsterhelés időszakában a tározóból lefolyó víz hajtja meg a hidrogenerátort és termel áramot. Az eljárással elérhető energiavisszanyerési hatásfok 70-85%-os.
15.
A földre érkező napsugárzás átlagos értéke az év folyamán hogy alakul. A napenergia hasznosítás fő módjai. A termikus hasznosítás jellemzése. Az általánosan használatos eljárás sémája.
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 173 1012 kW, ami több ezerszeresen meghaladja a jelenlegi energiaigényünket. Az átlagos intenzitás mértékéül az ún. napállandót használjuk, amelynek értéke: I0=1353 W/m2, és a Föld légkörének határát elérő sugárzás nagyságát adja meg. A sugárzás egy része közvetlen (direkt) módon jut el a Föld felszínére, míg másik része a légkör szennyezettsége (por, vízgőz stb.) miatt megtörik, részben visszaverődik, amelyből végül is kialakul a szórt (diffúz) sugárzási komponens. Az energetikai hasznosítás szempontjából a két komponens összegével, a teljes (totális vagy globális) sugárzással számolunk:
A napállandóval jelzett 1353 W/m2-es értékből kb. 250 W/m2 elnyelődik a légkörben. A légkör felső határától a világűrbe történő visszasugárzás mértéke kb. 100 W/m2-re tehető. Ezekből az következik, hogy a Föld felszínén a mérhető napsugárzás értéke - ideális esetben - mintegy 1000 W/m2, ahogy ezt a 6.5. ábra is szemlélteti.
Magyarországon a globális sugárzás értéke a déli órákban átlagos napsütés esetén, a téli félévben (október-március) 250-600 W/m2, a nyári félévben (április-szeptember) 6001000 W/m2 között változik. A szórt sugárzás részaránya elérheti a 40-50%-ot is, ezért a hazai viszonyokra a sík-kollektorok alkalmasabbak, mivel azok a szórt és direkt sugárzást egyaránt jól hasznosítják. átlagos napi globál sugárzás [kWhm-2]
7
A
6
5
4 3
2
1
0 1
2
3
4
5
6
7
8
napsugárzás éves eloszlása Magyarországon
9
10
11
12
hónap
A napenergia közvetlen hasznosításának legelterjedtebb módjait két fő csoportba szokás sorolni. Ezek egyike az ún. aktív hasznosítás, amikor valamilyen külön erre a célra készített eszköz (kollektor, napelem) segítségével alakítjuk át a napsugárzási energiát hővé vagy villamos energiává. A napenergia aktív hasznosítása alapvetően fototermikus vagy fotovillamos módon mehet végbe. A másik megoldás a passzív hasznosítás, amikor külön kiegészítő eszköz, berendezés nélkül tudjuk a napenergiát hasznosítani. Ez lényegében az épületek kialakításával, tájolásával kapcsolatos. 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 meleg víz előállítására használjuk fel, de egyéb technológiai célok is szóba jöhetnek úgymint épületek, uszodák, növényházak fűtése; gyümölcsök, növények szárítása, aszalása; intenzív akvakultúrák vízellátása, tehenészeti telepek vízellátása, borjúnevelők tejelőkészítése, biogáz rendszerek melegvíz-ellátása, istállóépületek padlófűtése stb. Egy folyadék munkaközegű szoláris termikus rendszer elvi működési vázlatát a 6.10. ábra mutatja be.
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 6.11. ábra szemlélteti.
6.11. ábra. A fotovillamos napenergia-hasznosítás sémája
16.
Melyek az üvegház-hatású gázok. Milyen módon lehet csökkenteni ezek mértékét a légkörben, mely energia-előállítási módok szolgálják a kibocsátás mérsékelését.
Üvegházhatású gázok: Szén-dioxid (CO2), Metán (CH4), Dinitrogén-oxid (N2O)
ÜHG (GHG) típusa: Részesedés az összes GHG-ból % Az energia-szektor részaránya % A keletkezés oka
CO2 CH4 N2O Egyéb 82 12 4 2 96 35 26 n. a. Tüzelőanyag Elillanó Tüzelőanyag n. a. elégetés gázok elégetés Az energiaszektor szerepe az üvegházhatású gázok kibocsátásában (1995)
Összesen 100 85
A leghatékonyabb ellenstratégia a fosszilis energiahordozók felhasználásának mérséklésére az energiatakarékosság és a megújuló energiahordozók felhasználása. Mindkét lehetőség csak célzatos árpolitikával valósítható meg. Világszerte erőteljes kutató-fejlesztő munka folyik a környezetszennyezés mérséklésére. Az egyre szigorodó környezetvédelmi előírások teljesítésére egyrészt fejlesztik a kibocsátásokat csökkentő technológiákat (pl. porleválasztás, füstgáz-kénmentesítés, nitrogén-oxidkiválasztás, katalizátoros gépkocsik, fedélzeti számítógéppel vezérelt járműmotorok stb.), másrészt igyekeznek csökkenteni a tüzelőanyagokban levő szennyezőanyagokat (kőolajfeldolgozás, tisztaszén-technológiák). Ezt a célt is szolgálja a veszteségek csökkentésével az energiaátalakítási technológiák hatásfokának növelése is. Nagy kérdés, hogy a fejlődő országok szerény anyagi lehetőségeikből tudják-e vállalni a költségtöbbletet. Az energiaszükségletek fedezésének vonzó lehetőségét képviselik a megújuló energiák. Jelenleg nagy léptékben hasznosítják a vízenergiát és a tűzifát, egyes fejlődő országokban a növényi hulladékokat. Érvényesülésük legfőbb akadálya, hogy nehezen válnak versenyképessé, mert nagy a fajlagos beruházási költségük. Ennek ellenére érdemes a megújuló energiák kiaknázását ösztönözni és támogatni, mert ezek elégítik ki leginkább a fenntartható fejlődés követelményét. Hasznosításuk utódaink lehetőségeit alig befolyásolja, mivel az igénybe vett energiaforrások nem apadnak ki, és környezetszennyezésük is viszonylag kicsi. Mind a megújuló, mind a nukleáris energia hasznosításánál visszahúzó erő a magas fajlagos beruházási költség. A megújulóknál ennek elsődleges oka kis teljesítménysűrűségük, ezért viszonylag nagyméretű, anyagigényes berendezésekkel kell az energiát összegyűjteni. Másrészt tovább növeli a beruházási terhet szezonalitásuk. Nagy léptékű hasznosítás esetén energiatárolót, vagy más energiára támaszkodó háttérkapacitást kell létesíteni azokra az időszakokra, amikor nem süt a nap, nem fúj a szél, kevés a vízhozam stb. A létesítési költségek csökkenését a kis berendezéseknél (pl. napelem, hőelem, síkkollektor stb.) a tömeggyártástól, nagy létesítményeknél (szélerőmű, naperőmű) a konstrukciók tökéletesítésétől lehet remélni.
17.
A napenergia fotovillamos hasznosításának általános jellemzések. A hasznosítás sémája.
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 6.11. ábra szemlélteti.
6.11. ábra. A fotovillamos napenergia-hasznosítás sémája
A mezőgazdasági termelés jellegéből adódóan számos esetben olyan helyen kell energiaellátást biztosítani, ahol nem áll rendelkezésre kiépített energiaszolgáltató hálózat, például tanyák esetében, vagy a termeléshez kapcsolódó időszakos technológiai folyamatok igényének megfelelően. Az energiaellátó hálózat kiépítésére viszont a magas bekerülési költség, valamint az ellátási feladat mobil jellege miatt általában nincs lehetőség. Ebben az esetben lehetséges megoldásként kínálkozik a fotovillamos rendszerek önálló vagy más, pl. dízelmotoros áramfejlesztővel kombinált, ún. hibrid alkalmazása. A fotovillamos panelek 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 telepek, farmok, épületek, istállók, raktárak villamos energiaellátása (világítás, szellőztetés, vagyonvédelem stb.), hálózatra visszatápláló háztartási rendszerek, öntözés, vízszivattyúzás (belvíz), állattartó telepek vízellátása, hírközlő berendezések villamosenergia-ellátása, közszükségleti berendezések energiaforrása. A fotovillamos rendszerek előnyei a következőkben foglalhatók össze:
• • • •
minimális üzemeltetési-karbantartási költség, nincs káros emisszió (égéstermék, zaj), hosszú élettartam nincs szükség üzemanyagra (így nem kell szállítani és tárolni sem), nem tartalmaz mozgó alkatrészt, így nincs mechanikus meghibásodás,
18.
A hidrogén, mint energiahordozó (előállítása, felhasználása, tárolása és szállítása).
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) ~120 000 kJ/kg (32,5 kWh/kg), levegővel égetve ennél kisebb. A hidrogén normál légköri nyomáson és hőmérsékleten gáz halmazállapotú és sűrűsége igen kicsi: 0,009 kg/m3. Ebből az következik, hogy 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 körülményektől függően a vízgőz mellett nitrogén-oxid és nitrogén-dioxid is keletkezhet, amelyeknek a légkörre való káros hatása ugyanúgy megjelenik, mint fosszilis tüzelőanyagok getésekor. • A hidrogén hátránya, hogy nehezen cseppfolyósítható gáz. A cseppfolyósításához nagyon alacsony, -252 oC hőmérséklet kell. A hidrogén cseppfolyósítása nagy energiaráfordítást igényel és a cseppfolyós állapotban tartásához elég drága és bonyolult kriosztát szükséges. • A hidrogén hátránya a szivárgás- és robbanásveszély. Ezért a hidrogént tároló, szállító és felhasználó berendezéseket fokozott ellenőrző és biztonsági berendezésekkel kell ellátni. •
A hidrogén nemcsak energiahordozóként hasznosítható, hanem sok szerves szintézisnek is fontos anyaga. Ezenkívül a fémkohászatban is alkalmazható ércből közvetlen fémkinyerésre.
A hidrogén előállítása A hidrogén előállítására többféle eljárás van. Az eljárások közül többnél is lehetséges megújuló energiaforrás felhasználása. A hidrogén-előállítási módok: • • • • •
hidrogén előállítása földgázból; hidrogén előállítása vízből elektrolízissel; hidrogén előállítása vízből termikus disszociációval; hidrogén előállítása biogázból, ill. bomlástermékből; hidrogén előállítása ammóniából.
Hidrogén előállítható 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 szén-dioxid is keletkezik a következő egyenlet szerint:
Ennél a folyamatnál megújuló energiát pl. a vízgőz előállítására lehet felhasználni. A folyamatnál a szén-dioxid keletkezése nem kerülhető el. Hidrogén előállítható vízből elektrolízissel. Vízbontással hidrogén és oxigén keletkezik. 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:
Hidrogén előállítható vízből termikus disszociációval, hőközléssel. Ehhez az eljáráshoz használható minden olyan megújuló energiaforrás, ami hőt állít elő pl. a napfókuszáló. A termikus disszociációhoz nagyon nagy, ~2000 oC hőmérséklet szükséges. Különleges kémiai anyagok hozzáadásával ez a hőmérséklet lecsökkenthető 700 oC közelébe, ami leegyszerűsíti az eljárást. Hidrogén előállítható biogázból, ill. egyéb bomlástermékekből származó gázokból. De előállítható hidrogén szénhidrogén tartalmú biomasszából is hőközléssel, és elgázosítással. Hidrogén előállítható ammóniából is. A kb. 700 oC-ra hevített ammónia képes disszociációra, nitrogén és hidrogén keletkezik, amely viszonylag egyszerűen szállítható és szeparálás után a hidrogén felhasználható.
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. Nagy nyomású tárolással a tároláshoz szükséges térfogat csökkenthető. A gáztartályban tárolt hidrogén szokásos tárolási nyomása 16-68 MPa (160-680 bar). A tartály anyaga rendszerint acél vagy karbon-fiber bevonatú alumínium. A hidrogén a földgázhoz hasonlóan csővezetéken is szállítható. A csővezetéken a hidrogén csak kisebb (kb. 8 MPa) nyomással szállítható, mint gáztartályban, és a szállítási vesztesége nagyobb. A hidrogén cseppfolyós halmazállapotú tárolásához a hidrogént először cseppfolyós állapotba kell hozni. Ehhez drága berendezés, kriosztát szükséges. A hidrogén cseppfolyós halmazállapotba hozásához atmoszferikus nyomáson 20,4 K, azaz -253 oC hőmérséklet szükséges. A cseppfolyós és gázhalmazállapot közötti fázishatár a nyomástól függ. A hidrogén cseppfolyósításához a táblázat adataiból láthatóan a folyékony nitrogén nem elegendő. Kettős hűtőrendszerrel működő kriosztátot kell alkalmazni folyékony nitrogén és hélium felhasználásával. A hidrogén fém-hidridben tárolásához azt használják ki, hogy egyes fémötvözetek nagy mennyiségű hidrogént képesek adszorbeálni. Ilyen fémötvözetek az alkálialumíniumszilikátok, az ún. zeolitok. A zeolitok gázelnyelő képességét azzal a felülettel szokták jellemezni, amely adott tömegű anyag esetén az elnyeléshez rendelkezésre áll. Az alkálialumínium-szilikátokra jellemző elnyelő felület 1000 m2/g. Ebből következik, hogy 1 liter atmoszferikus nyomású gáz kb. 10 g tömegű zeolitban adszorbeálható. Mivel az adszorbeálható gáz mennyisége alacsony hőmérsékleten nagyobb, ezért a gáz elnyeletéséhez a zeolitot folyékony nitrogénnel hűtik.
19.
Napkollektorok alkalmazásánál miért szükséges a hőtárolók alkalmazása. Milyen szoláris hőtárolókat ismer. Hogyan állítunk elő háztartásokban használati melegvizet napenergiával.
A szoláris termikus rendszerek igen fontos eleme a tároló. A napsugárzásból származó energia általában nem akkor áll rendelkezésre, amikor arra éppen szükségünk van, ezért kell tárolókat alkalmaznunk. Elegendő csak a nappali energiatermelésre és az éjszakai fogyasztásra gondolni. A tároló méretezése, nagyságának kiválasztása a szoláris rendszer muködése szempontjából nagyon fontos. Az adott szoláris rendszer felhasználásának körülményei meghatározzák, hogy a tárolót milyen muködési időszakra (napi, több napi vagy akár szezonra) kell terveznünk. A hőtárolók kialakításával szembeni követelmény, hogy kicsi legyen a hőveszteségük, könnyu legyen a feltölthetőségük és leüríthetőségük. A muködésük során jó rétegződési tulajdonsággal is kell, hogy rendelkezzenek. Erre azért van szükség, mert a meleg víz elvétel általában a tartály tetejéről, a hideg víz bevitele pedig az aljáról történik. A tápvíz beáramlásának nem szabad lerombolnia a suruségkülönbség hatására kialakult hőmérsékleti rétegződést. Ez a beáramlási sebességek kellő megválasztásával vagy terelőlemezek alkalmazásával érhető el.
A szoláris hőtárolók szerkezeti felépítésüket tekintve lehetnek futőköpenyes vagy csőkígyós kiviteluek.
A szoláris termikus rendszerek alkalmazásának leginkább elterjedt módja a használati melegvíz (HMV) készítés. Tekintettel arra, hogy pl. egy családi ház meleg víz igénye nem változik lényegesen még évszakok szerint sem, így egy meglehetősen tipizált berendezést lehet alkalmazni erre a célra. Ezek a berendezések általában előre gyártott elemekből állnak, amelyek magukba foglalják a 2-3 kollektorból álló kollektormezőt, a 150-300 liter térfogatú szoláris tárolót, az egyéb működtető egységeket (szivattyú, hőcserélő és tágulási tartály) valamint a szabályozó egységet. 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. Nagyméretű rendszerek esetében a tervezés szimulációs szoftverekkel történik.
20.
A szélgenerátorok szerkezeti felépítése, a főbb szerkezeti egysége. Miért szükséges a lapátszög változtatása, azaz a pitch mechanizmus.
A generátorházak (gondolák) 30-120 m magas tornyokon nyernek elhelyezést. Fontos szerkezeti elemük a lapátkerekeket szélirányba beállító mechanizmus, amely függőleges tengely körül elfordítja a tornyon levő házat, és ezzel eléri, hogy a lapátkerék a mindenkori szélirányra merőlegesen álljon. A torony magassága általában 1,0-1,7-szerese a lapátkerék átmérőjének. A lapátkerékagy rendszerint a főtengelyen nyugszik, s e tengelyen található a tárcsafék, a melyet a tengelykapcsoló követ, s így jut el a lapátkerék forgatónyomatéka a generátor előtti hajtóműhöz, majd a generátorhoz. Egyszerűségük miatt az aszinkron generátorok igen kedveltek, de újabban a szinkron generátorok kerültek az érdeklődés homlokterébe. A szabályozó rendszer feladata, hogy illessze (kihasználhatóvá tegye) a rendelkezésre álló szélenergiát a generátorba beépített teljesítménnyel, vagyis szélirányba szabályozza a lapátkereket, a tengelye körül forgatható lapátokat a szélsebességnek, ill. a villamos terhelésnek megfelelő szöghelyzetbe hozza (Pich rendszer), működtesse a védelmi rendszert (lapátfék, tengelyfék), optimalizálja a kimenő teljesítményt stb.
A főtengely jó minőségű edzett, ötvözött acél. A főcsapágyak rendszerint többsoros golyós, vagy görgős csapágyak. A csapágy veszi fel a széllökésekből és a lengő tömegerőkből fakadó terheléseket, s így mérséklik a hajtómű igénybevételét. A rugalmas tengelykapcsoló csillapítja a szél által lökdösött lapátkerék és a generátor váltakozó terhelése (generátoros-, motoros-, ismét generátoros-üzem stb.) által létrejövő csavaró lengéseket, védve mind a hajtóművet, és a tengelyt az esetleges túlterhelésektől. A forgató nyomatékot létrehozó szárnyra ható aerodinamikai felhajtóerő erő négyzetesen arányos a szél sebességével. A szárnylapátra ható tolóerő (ellenállás) kelti az oszlopon létrejövő hajlító nyomatékot. Pitch mechanizmus feladata: A villamos terhelésnek megfelelő szöghelyzetbe hozza a szárnylapátokat, működtesse a védelmi rendszert (lapátfék, tengelyfék), optimalizálja a kimenő teljesítményt stb.
A lapátkerékagy általában acélöntvény, s csavarozott csôkarimával rögzítik a fôtengelyhez. A Pitch-rendszernél a lapátot az elforgatható, csapágyazott csôkarimához rögzítik. A lapát elforgatása történhet hidraulikus és mechanikus úton. Alaphelyzetei: A - álló helyzet, amikor a lapát a legnagyobb nyomaték felvételére, a szerkezet "várakozik a szélre", B - üzemi helyzet, szabályozási állapot, a lapát a szélsebességhez igazodva az optimális nyomaték felvételére kész, a rotor forog, C - viharos szélben a lapát a nem vesz fel nyomatékot, a forgást lefékezi, a lapátkerék megáll.
21.
A szél változása a magasság függvényében. Az időbeni változásnak jellemzése, a szélgenerátorok jelleggörbéje. A szélből nyerhető energia jellemzése. A szélerőművek környezeti hatásai
A légkör termikus rétegeződése kihat a gyenge szél profiljának a függőlegességére. Erős szél esetén (6 m/s felett), 10 m feletti magasságban, ez a hatás elenyészően kicsi, ha erős, mechanikus turbulencia lép fel (viharok, zivatarok vagy frontok alkalmával kivételek is előfordulhatnak, ha alul igen meleg levegő áramlik). A gradiens-sebességnek itt annyiban van hatása, hogy az erős szél magassággal kapcsolatos sebességnövekedése kisebb, mint a gyenge szélé. Erős szél esetén a terep egyenetlensége a döntő. A szél magasságtól való függése exponenciálisan fejezhető ki. v ⎛⎜ h = vg ⎜⎝ hg
a
⎞ ⎟ , m/s ⎟ ⎠
ahol: h magasság, m; hg határmagasság; v h magasságban mérhető sebesség; vg gradiens szél sebessége a határmagasságban; a: a terep egyenetlenségétől (érdességétől), a szélsebességtől függő tényező. • • • • •
sík mező: 0,12 nyílt terep: 0,16 erdős síkság: 0,28 város alacsony épületekkel: 0,35 város magas házakkal: 0,50
. A felszíni egyenetlenségek befolyásoló hatása A szél időbeni változásának jellemzői
Az éves átlagos szélsebesség elfedi a rövidebb ideig tartó változásokat. Mivel a kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos, az elhanyagolása komoly kihatással lehet az éves energiapotenciál becslésére. E probléma csak a szélsebességek várható éves eloszlásának leírásával hidalható át. Ezért egy másodpercenkénti mintavételek, és a 10 perces átlagok rögzítése szükséges. A mérés során minden szélsebesség-tartományban tárolni kell az előfordulások számát, és végül éves összeget kell képezni. Így kapjuk az adott terület széljárásának statisztikai leírását. A legjobb statisztikák készítéséhez a méréseket éveken át tíz évig - kell folytatni ahhoz, hogy figyelembe vehessük az évek közti eltéréseket is. Számos statisztikai eloszlásfüggvényt kipróbáltak a szélsebességek leírásához. A kétparaméteres Weibull-eloszlás bizonyult a leginkább alkalmasnak azáltal, hogy az adatsorokhoz megfelelő pontossággal illeszkedik. k −1
⎛v⎞
k
k ⎛ v ⎞ −⎜ ⎟ f (v ) = ⎜ ⎟ e ⎝ c ⎠ , % c⎝c⎠ ahol: v szélsebesség, m/s; c a méret tényező, m/s; k alaktényező. Ha k=2, akkor megkapjuk a Rayleigh-eloszlást, amennyiben k=1, akkor exponenciális eloszlást kapunk. Ezek a Weibulleloszlás speciális esetei. Észak-Európa nagy részén a k tényező közel egyenlő kettővel. A c tényező értéke az adott átlagos szélsebesség értékével egyezik meg.
A szélsebesség-gyakoriságok matematika leírása lehetővé teszi a generátorok teljesítménygörbéivel való összevetést. Így megkapható a turbina éves energiahozama, valamint lehetséges olyan turbina kiválasztása, amely be- ill. kikapcsolási szélsebességének figyelembevételével,amely lehetővé teszi a legnagyobb termelékenységet. Szélgenerátorok jelleggörbéi:
A szélből nyerhető energia: A különféle sebességekkel áramló levegő mozgási energiájánál fogva képes munkavégzésre. Ez a munkavégző képesség azonban a gázok áramlási törvényei alapján nem közvetlenül a kinetikus energiával, vagyis az áramló légtömegek sebességének négyzetével, hanem a sebesség harmadik hatványával arányos. Az erőművek hatásfoka ezért oly rendkívül érzékeny a szélsebesség változására. Alapvetően a szél kinetikai energiája mozgási vagy villamos energiára alakítható át a konvertáló berendezésekben (szélerőgépekben). A XX. század elején és azt megelőzően a nyert mechanikai energiát közvetlenül malmok és egyéb gépek, berendezések meghajtására használták. Napjainkban elsősorban a szivattyúk hajtása jöhet számításba, amelyekkel víztárolókat töltenek fel, vagy légtartályokat feltöltő légsűrítő berendezéseket hajtanak. Az így tárolt energiát a későbbiekben fel lehet használni pl. olajmotorok, vízturbinák vagy különféle légmotorok hajtására. A szélerőművek másik változatánál kinetikai, majd mechanikai energiát a szélerőműben villamos energiává alakítjuk át. Az előállított villamos energiatárolásnak különféle lehetőségei vannak: a leggyakoribb akkumulátoros tárolás, ismert az elektrokémiai lehetőség, vagyis hidrogén előállítása hidrolízissel majd a hidrogén tárolása, felhasználása belsőégésű motorok hajtására, fűtésre. Fejlesztés alatti megoldás, amikor ismételten elektromos energiát állítunk elő belőle üzemanyagcellák felhasználásával. A szélerőművek környezeti hatásai: Vizuális hatás: Manapság a legtöbb szélerőmű hosszú, kúpos acéltoronyra van felszerelve, amit a legtöbb ember esztétikusabbnak talál mint az USA-ban széles körben használt rácsos tornyokat. A napfény periodikus tükröződésének (felvillanás) vagy megszakításának (árnyék vibrálás) hatásait a gép telepítésénél és a lapátkerék felületi kezelésénél figyelembe veszik Zajhatás: Sok erőfeszítés történt a jelenlegi csendes gépek megalkotása érdekében, amelynek során részleteiben is figyelmet fordítottak a formára, a lapátkerékre továbbá a gép mechanikus részeire. Ennek eredményeként a hang nem okoz gondot a modern szélturbináknál, amelyeket körültekintően telepítettek. Árnyékhatás: Napmagasságból és szélerőmű magasságából számítható a keletkező árnyék. Elektromágneses hatás: A szélturbinák úgy kelthetnek elektromágneses zavaró hatást, hogy a jelek visszaverődnek a lapátkerékről úgy, hogy a közelben lévő vevőkészülék fogja mind a közvetlen, mind a visszaverődött jeleket.
