Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Dr. İsz János
Energiapolitika energetikai MSc szak
2. témakör Globális problémák
Globális problémák • Gazdasági-társadalmi különbségek (energiaszegénység). • 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.
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
Világ • Nagyságrendnyi társadalmi, gazdasági (köztük energetikai) különbségek: – Népesség: • 1900: 1,6 milliárd fı (0,7 milliárd fı ipari országok, 44 %), • 2003: 6,0 milliárd fı (1,4 milliárd fı ipari országok, 23 %).
– GDP/fı.év: • Országtól függıen néhány száz USD/fı-tıl néhány tízezer USD/fı (két nagyságrend).
– Energiafogyasztás: • Világátlag: 80 GJ/fı.év, • Fekete Afrika: 13 GJ/fı.év, • USA: 325 GJ/fı.év.
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
Világgazdaság • • •
Kétpólusú: Európa, USA kb. 1945-ig, USA-SZU 1990-ig (?). Multipólusú: napjainkban (ország-csoportok). Multikulturális (Huntington: „civilizációk harca”): – – – – – –
•
Feltörekvı országok: – – –
• • •
Protestáns (USA, Kanada, Ausztrália, Ny-Európa), katolikus (DNY- és Kö-Európa), ortodox (DK-Európa, Oroszország), Római katolikus (Dél-Amerika), Iszlám, Tao, buddhista, shinto, Hindu, Törzsi. Kína, India, Brazília, Mexikó, Dél-Afrikai Köztársaság.
G-8, G-20, G-42. Regionális együttmőködések, szervezıdések. Centrum (Ny-Európa, K-USA, napjainkban K-Ázsia, Ny-USA), fejlett, elsı világ és periféria, fejletlen országok, harmadik világ „harca”.
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
Energiaszegénység
Létszám (milliárd fı)
Fejletlen
Fejlıdı
Fejlett
2,0
2,9
1,4
információtech, hőtés, egyéb
villen
vízszivattyú
dízelgenerátor
hőtés
villen
villen
szállítás
üzemanyag
üzemanyag
fızés
biomassza
biomassza, petróleum, LPG
gáz, villen, LPG
főtés
biomassza
biomassza, szén
gáz, szén, főtıolaj, villen
világítás
gyertya, elemlámpa
petróleum-, elemlámpa, villen
villen
Energiaszegénység • Közel 2 milliárd fı villamos energia nélkül. • Biomassza részarány: – Zambia, Mozambik, Tanzánia 95 % (lakosság 9060 %-a), – Algéria 5 % (lakosság <5 %).
• Számos helyen autonóm villamosenergiatermelés (dízelgenerátor, törpe vízerımő, biomassza erımő, szél, PV/nap). • Hálózati veszteségek: – Nigéria 32 %, – OECD 8 %.
2. Primer energiahordozók végessége •
Energiahordozó készletek „látható” véges mennyisége: – – – – –
•
A szénhidrogének eloszlása egyenlıtlen: – –
• • •
szén (200 év), kıolaj (40-50 év, olajpalával 100 év), földgáz (60-80 (100?) év, szénbıl mesterséges metán?), urán (U-235 (5 g/kg), 80-100 év, jobb hasznosítással („zárt” üzemanyag-ciklus, más üzemanyaggal (Th-232→U-233)?), A tüzelıanyagok egymással való helyettesítése korlátozott. kıolaj (62 % arab országok, 12 % Oroszország), földgáz (40 % arab országok, 36 % Oroszország (+közép-ázsiai utódállamok)).
A szén és urán eloszlása kiegyensúlyozottabb, de urán üzemanyag-elıállítás csak néhány országban (USA, Oroszország, Anglia-Franciaország, Kína, India, Izrael, Dél-Afrikai Közt., Pakisztán) Nukleáris energia hasznosítása: proliferáció, biztonság, társadalmi elfogadottság. Ennek következtében az energiahordozók ára növekszik: – – –
egyre drágább lelıhelyek kitermelése, az egyenlıtlen eloszlás miatt nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus), jövıben (?): környezet, szőkösség, erıszak.
Megújuló energiaforrások hasznosítása •
Napsugárzás: 5,4.106 EJ/év, – – – – –
• • • •
Óceán árapály: 93,6 EJ/év, Vulkánok, forró források: 9,36 EJ/év, Hıvezetés a kızetekben (átlag 30 km): 1,01.103 EJ/év. A világ jelenlegi primerenergia-felhasználása: 504 EJ/év, azaz a napenergia elvileg 5060-szor, szél 23-szor, a biomassza 2,5-ször több, mint a jelenlegi évi felhasználás. Akkor mi a probléma? – – – –
•
Ebbıl levegıben, földön óceánon hıvé alakul (47 %): 2,55.106 EJ/év, Rövid hullámon visszaverıdik az őrbe (30 %): 1,64.106 EJ/év, Hidrológiai (elpárolgás, csapadék) ciklus (23 %): 1,26.106 EJ/év, Szél, hullámzás (<1 %): 11,7.103 EJ/év, Fotoszintézis (biomassza): 1,26.103 EJ/év,
2/3 (tenger) : 1/3 (szárazföld), kicsi teljesítmény-sőrőség, rendelkezésre állás (éjjel-nappal, fúj-nem fúj, termesztési ciklus). Az eddig ismert technológiák nem elég hatékonyak.
Ennek következtében a megújuló energiaforrásokból elıállított energia egyelıre drágább, mint a tüzelıanyagokból a meglévı technológiákkal elıállított.
3. Ellátásbiztonság •
Arányos energiahordozó struktúra (fejlett országok növekvı importfüggése): – Saját termelés (fosszilis, karbon-mentes), – Import (primer, szekunder). A hazai energiahordozók elınyben részesítése!
•
Forrásdiverzifikáció: – Az import energiahordozók több forrásból való beszerzése (ha lehetséges).
•
Készletezés, tartalék: – A tárolható primerenergia (szén, földgáz, olaj), üzemanyagok és tüzelıanyagok felhalmozása a kisebb fogyasztású idıszakban (pl. földgáz nyáron) a nagyfogyasztású idıszakra (pl. földgáz télre); – A nem tárolható villamos energia (csúcs, menetrendtartó, alap) erımő összetétele, szabályozhatósága, tartalékerımővek; – A kevés tüzelıanyagot felhasználó atomerımővek (42 t főtıelem-köteg (14 t üzemanyag)/440 MWeév).
•
Energiatakarékosság: – Hatékonyabb (jobb hatásfokú) energiatermelés, – Hatékony, takarékos energiafelhasználás.
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, az utóbbi idıben szakember-hiány!). – Feltörekvı országok (Kína, India, Brazília, Mexikó) gyorsan fejlıdı gazdaságainak energiaigénye jelentısen nı.
• Növekvı verseny → a nagy fogyasztók energiaellátásának egyre nagyobb része importból → importfüggıség → az ellátásbiztonság sérül. • Nemzetközi feltételektıl való erıs függés (terrorizmus, politikai zsarolás, bizonytalan jövıbeli környezetvédelmi követelmények) → konfliktusok lehetısége. • Nagy kereskedelmi szervezetek (pl. OPEC, de szervezıdıben a földgázra is) által szervezett együttmőködési szabályok.
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 földgáz-import 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 GAZPROM-tól való függése
100 90
80
70
60
50
40
30
20
10
4. Környezeti kibocsátások •
Globális felmelegedés: CO2 (vitatott?) –
Karbon-kibocsátású technológiák: • • •
–
•
•
Hidrogén: Hü=119,6 GJ/t, Atomerımővek, Megújuló energiaforrások (nap, szél, víz, geotermikus). DE az elıállításukhoz, felépítésükhöz felhasznált (számított) fosszilis energia CO2-kibocsátása.
Jogilag karbon-mentes, „karbon-semleges”: •
•
Hü=33,8 GJ/t, 3,66 t CO2 , 0,108 GJ/t; Hü=40 GJ/t, 3,09 t CO2, 0,077 GJ/t; Hü=49,5 GJ/t, 2,75 t CO2, 0,055 GJ/t.
Karbon-mentes technológiák: • • • •
–
(Tiszta) Szén: Kıolaj (C8H18): Földgáz (CH4):
Másodlagos biomassza-technológiák (termesztésükhöz, energetikai felhasználásukhoz kevesebb CO2 kibocsátással járó fosszilis energiafelhasználás, mint ami eltüzelésükkel jár. Kommunális, ipari hulladék (kényszer).
Sztratoszférikus ózonréteg károsodása: üvegházhatású gázok (metán, fluor, stb.). Lokális környezetszennyezés (technológiailag megoldott, többletköltség?): • • •
Pernye (leválasztás), SOx (füstgáz-kéntelenítés), NOx (DENOX, fluid-tüzelés, katalizátor).
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 • ÜHG emisszióinak 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”
