Budapesti M szaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Dr.
sz János
Energetika I-II. energetikai mérnök szak
1. témakör Energiaellátás és fenntartható fejl dés
Tartalom 1. Energiaellátás. 2. Energiamérleg. 3. Energiahatékonyság. 4. Fenntartható fejl dés.
Az energetika „helye”
1. Energiaellátás • Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mez gazdasági üzemek, az intézmények és a lakosság) biztonságos, gazdaságos és környezetbarát ellátása. • Területei: – energiahordozók el állítása, – szállítása, elosztása, tárolása, – energia-végfelhasználás.
Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszín ség. A fogyasztók mindig teljesítményt igényelnek, melynek id szerinti integrálját az energiát tarjuk nyilván.
Az energiaellátás rendszerstruktúrája
Energiahordozók
Energiahordozók
Energia
elõállítása
szállítása
végfelhasználás
elosztása tárolása
1.1. Energiahordozók el állítása • Primer energiahordozók = tüzel anyagok: az anyagokban kötött kémiai és nukleáris energia. • Tüzel anyagok: – szén (C), – szénhidrogének (CH): k olaj és földgáz, – nukleáris (A): urán, (tórium). Tüzel anyagok termelése = bányászat, mely a m velt terület elhelyezkedése szerint - külszíni, - mélym velés .
Kitermelésnél keverék = tüzel anyag/ok/ + egyéb anyagok, ezért szükséges a feldolgozásuk szekunder energiahordozó el állítása.
1.1. Energiahordozók el állítása • Megújuló energiaforrások: a természeti folyamatok által keletkez energiák. • Fajtái: – – – – – –
napsugárzás, szél, víz, árapály, (geotermikus), biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) megújuló tüzel anyagok.
(Megújuló) • (Geotermikus): ha a föld mélyéb l kivett víz visszasajtolásra kerül. • (Hulladékok): az emberi tevékenység által „megújuló”. A gazdasági, a lakossági-kommunális szektor energetikai hasznosításra alkalmas hulladékai els sorban a deponálandó hulladék térfogatának kb. 1/3-1/6 (tizedére) való csökkentése miatt. (A hulladékgazdálkodás feladata a hulladékok összegy jtése, szelektálása, hasznosító m vekhez való eljuttatása.) - külön kategória: veszélyes hulladékok (pl. gumiabroncs, elhullott állatok).
1.1.2. Szekunder energiahordozók • Szekunder energiahordozók: szállításra (tárolásra) és felhasználásra alkalmas energiahordozók. • Tüzel anyagok: – fosszilis: kémiailag kötött energia (C, CH), – fisszilis: nukleárisan kötött energia (A).
1.1.2.1. Fosszilis tüzel anyagok • Szén: – feldolgozás nélkül és a feldolgozás h er m vekben maradéka villamosenergia-termelés, – feldolgozott: ipari (koksz) és lakossági szén (brikett), – szénelgázosítás szintetikus CH4 (földgáz) jöv ?
1.1.2.1. Fosszilis tüzel anyagok • K olaj: nyersolaj feldolgozása = finomítás, melynek termékei: – ipari és – energiahordozó (motor üzemanyag, tüzel f t olaj).
• Földgáz: feldolgozása, melynek termékei: – ipari és – energiahordozó (földgáz, PB-gáz, inertes és inert gáz). A prognosztizált becslések szerint a k olaj és a földgáz a f energiahordozó az elkövetkez 30-50 évben.
1.1.2.2. Fisszilis tüzel anyagok • Nukleáris: – természetes urán (U-235 (0,72 %), U-238 (99,27 %), – dúsítás (U-235 1,6, 2,4, 3,6% és nagyobb), – f t elem és kazetta gyártás, – kiégett f t elemek reprocesszálása.
1.1.2.3. Villamos energia • Villamos energia: villamos jelenségek formájában el állított munkavégz és/vagy h átadó képesség (legjobb használati érték szekunder energiahordozó). A fosszilis és fisszilis tüzel anyagokból, és elvileg az összes megújuló energiaforrásból el állítható er m vekben.
1.1.2.4. H • H : a h mérséklet-eloszlás inhomogénitására létrejöv transzportmennyiség: a h hordozó h átadó képessége. H hordozók: - víz (melegvíz, forróvíz, g z), - leveg , termoolaj. A fosszilis és (fisszilis) tüzel anyagokból, több megújuló energiaforrásból (nap, biomassza, geotermikus, hulladék tüzel anyag) el állítható f t m vekben, f t er m vekben és f t berendezésekben, továbbá hulladékh hasznosítással is.
1.2. Energiahordozók szállítása • Elosztás – szervezeti: a primer és szekunder energiahordozók termel k és fogyasztók közötti kereskedelme, – területi = szállítás: a primer és szekunder energiahordozók eljuttatása a területileg szétszórt termel khöz és fogyasztóhoz.
Tárolás: az energiaigények szezonális és piaci egyenl tlenségeinek kiegyenlítése az egyenletes ütemben el állított energiahordozók felhalmozásával.
1.2.1.Energiahordozók szállítási módjai Energiahordozó
Vasút
Víz
Közút
Szén
x
x x
x
Nyersolaj Olajtermék
x
Földgáz
x X
Távvezeték
x x x
(cseppfolyósított)
PB-gáz Villamos energia H hordozó
x
x x x
1.3. Energia végfelhasználás • Különböz statisztikai feldolgozás. • Energia szerint: – hajtás (mechanikai): 20-30 %, – h : 60-70 %, – világítás, információtechnika: 3-8 %.
• Szektorok szerint: – – – – –
gazdasági szektor (ipar, mez gazdaság), lakossági-kommunális szektor, (távf tés) közlekedés, egyéb.
1.3.1. A világ primerenergia-felhasználása • 1965-1990. között (25 év alatt) a világ primerenergia-felhasználása megkétszerez dött, s elérte a 95,1.1012 kWh/év=3,42.105 PJ/év=8,15.109 toe értéket. • Az átlagos növekedés 1974. el tt 5 %/év, 1994-t l 2 %/év. • OECD országok: – közlekedés, szállítás: 31 %, – ipar: 34 % (vegyipar 6 %) – háztartás és mez gazdaság: 35 %.
2. Energiamérleg • Energiamérleg: a különböz energiahordozók, különböz veszteségek, különböz szint , együttes mennyiségi számbavétele. • Nemzetközi, országos energiamérleg: – toe [1 toe=42 GJ] vagy – PJ [1015 J]. Mértékegységek közötti átváltás! (1 kWh=3,6.106 J)
Az energiaellátás folyamábrája Hazai termelés
Import
Primer energiahordozók
Import
Hazai termelés
Szekunder energiahordozók
Szállítás, elosztás, tárolás Szállítási, tárolási veszteségek
Energia végfelhasználás Hasznosult energia
Felhasználási veszteségek
Átalakítási, feldolgozási veszteségek
2. Energiamérleg • Nemzetközi statisztikákban: – TPES (Total Primary Energy Supply): összes primerenergia-ellátás, – TFC (Total Final Consumption): összes vég(energia) felhasználás.
2. Energiamérleg • Tervezés: a múlt tény- és a jöv becsült adatai alapján különböz forgatókönyvek készítése. • Energiahordozók korlátozott mérték alternativitása. • Energiahordozó és végfelhasználási struktúra lassú (hosszú ideig tartó) változása. • A technológiai átalakítások évtizedekben mérhet k.
3. Energiahatékonyság • Energiahatékonyság: meghatározott energiafelhasználás mellett a gazdaság mekkora termelési értéket valósít meg. • A nemzetgazdaság energiaigényessége primerenergiahordozó felhasználás [toe vagy MJ / év] energiaigényesség = GDP [Gross Domestic Pr oduct [ Ft vagy USD / év]
• A nemzetközi statisztikák gyakran az egy f re es primerenergia-felhasználást adják meg.
Energiahatékonyság • Az energiaigények, és ezáltal az energiafelhasználás csökkentése!: – H : jól szigetelt épületekkel, kisebb h felhasználású technológia. – Üzemanyag: kisebb fogyasztású autók. – Villamos energia: jobb hatásfokú er m vek, kapcsolt energiatermelés, energiatakarékos berendezések. – Fogyasztói szokások megváltozása?
4. Fenntartható fejl dés • Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. • „A fenntartható fejl dés olyan fejl dés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jöv generációit abban, hogy k is kielégíthessék szükségleteiket.” [Brundtland „Közös jöv nk” jelentés, 1984-87.]: – Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jöv generációk életlehet ségeit veszélyeztetik. – A lehet legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jöv generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthet k. – „Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük.”
4. Fenntartható fejl dés • Az energetika kiemelt jelent séggel bír a fenntartható fejl désben: – a fejl dés feltétele, motorja és jellemz je, – ökológiai hatásai: • • • •
kibocsátások, hatás a globális felmelegedésre, hatás az ózonlyuk növekedésére, hatás a biológiai sokféleségre.
4. Fenntartható fejl dés • Jelenlegi állapot: – természeti kincsek végessége (lásd készletek), – gazdasági-társadalmi különbségek, – energetikai ellátásbiztonság, – kibocsátások és azok hatásai. A technikai fejl dés kétarcú, pozitív és negatív hatások, a fejl dés egyik mozgatóereje, csak régebben id ben és térben korlátozott hatások, míg ma a hatások és a veszélyek globálisak.
4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek növekedés jelenleg kb. 77 millió f /év
A föld népessége 7000 6000 millió f
5000 4000 3000 2000 1000 0 0
500
1000
1500 év
2000
2500
4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek • Népesség, gazdaság növekedése egyenl tlen, óriási különbségek. • Migráció er södése. • Nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus). • Környezetromlás, globális ökológiai problémák. Az emberiség fokozatosan felismeri a veszélyt: - mekkora a föld eltartó képessége, - az egyenl tlenségek, a migráció, a környezetromlás hogyan csökkenthet , - a társadalmi, gazdasági és ökológiai fenntarthatóság szoros kölcsönhatásban van egymással.
4.1.1. Energetikai egyenl tlenségek A régiók primer tüzel h -felhasználása (E=1018)
4.1.1. Energetikai egyenl tlenségek A régiók egy f re es energiafelhasználásának aránya Fekete Afrika India Dél Ázsia Kína Latin Amerika Világátlag Magyarország Európai Unió Egyesült Államok
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
3,5
4
4,5
4.2. Energetikai ellátásbiztonság • Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: – – – –
megfelel energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, ésszer energiatakarékosság.
4.2. Energetikai ellátásbiztonság • Nagy egyenl tlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. • Ezért a nagy fogyasztók energiaellátásának importfügg ség. nagy része importból • Ezáltal az ellátásbiztonság sérül. • Nemzetközi feltételekt l való er s függés konfliktusok lehet sége.
4.2.1. Az EU importfüggése • Már ma is nagy (olaj: kb. 50 %, földgáz: kb. 40 %). • Ha nem történik változás, akkor az importfüggés továbbn (2030-ig olaj: kb. 80 %, földgáz: kb. 70 %). • A b vítéssel a helyzet nem változik, esetleg romlik. • Nagy gond, mert alig vannak saját eszközeink a helyzet megváltoztatására.
4.3. Az energetika környezeti kibocsátásai • Kibocsátások és azok hatásai: – üvegházhatás, – ózon vékonyodás, – biológiai sokféleség csökkenése, – radioaktív sugárzás egészségügyi hatásai. A teljes vertikumot kell tekinteni!
4.3. Az energetika jelent sebb környezeti kibocsátásai
4.3.1. Üvegházhatású gázok globális szennyezés
• • • • • •
szén-dioxid (CO2), metán (CH4), dinitrogén-oxid (N2O), fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluor karbonátok (PFC-k), kén-hexafluoridok (SF6).
4.3.1.1. Szén-dioxid Globális széndioxid-kibocsátás (folytonos) és koncentráció (szaggatott) A föld átlagos h mérsékletének változása (vastag: porkoncentráció figyelembe vétele nélkül)
4.3.1.1. Szén-dioxid
• Fosszilis tüzel anyagok kibocsátásai: – szén: 130 [g CO2/MJ tüzel h , antracit], – olaj: 70-75, – földgáz: 58. Az energetika összes CO2-kibocsátása jelenleg kb. 27 milliárd t/év. A gépkocsi-forgalom jelent s szerepe: azokban a városokban, ahol jelent s a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.
A villamosenergia-termel eljárások CO2-kibocsátása [kg/kWh]
4.3.1.2. Kén- és nitrogén-oxidok lokális szennyezés • Károsítják az emberi egészséget, és hozzájárulnak a talaj, az erd k és a felszíni regionális vizek savasodásához környezetszennyezés. • Természeti víz savas (pH 5,5) az oldott CO2 miatt savasodás pH<5 (SOx és NOx miatt). • SOx-k kibocsátása a tüzel anyagtól függ (2 kg SO2 füstgáz/1 kg S tüzel anyag): – C (1-3 %): 2-5 g/MJ, – k olaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/MJ. Megoldás: fütgáz-kéntelenítés.
4.3.1.2. Kén- és nitrogén-oxidok • NOX-k: A tüzelés során, a leveg nitrogénjéb l 1100 oC h mérséklet felett keletkezik. • El írások a kibocsátásokra: <30 mg/Nm3. • Megoldások: – NOx-szegény ég k, vízbefecskendezés (földgáztüzelés gázturbinák), – katalizátoros motorok, – fluid-tüzelés kazánok (t<1000 oC).
4.3.1.3. Radioaktív kibocsátások
• Folyékony és légnem radioaktív kibocsátások. • Radioaktív hulladékok: – kisaktivitású, – közepes aktivitású, – nagyaktivitású. Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés f t elemek transzmutációja.
