FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS Dr. Munkácsy Béla PhD – szélenergia és tájhasználat
adjunktus, Környezet- és Tájföldrajzi Tanszék Okl. környezetgazd. - szakmérnök-képzés (BME)
Energiatervezés és fenntarthatóság (Oslo University) ~100% megújuló energia a háztartásban
[email protected] I-419. szoba
Az igénybe vett energia fő típusai
HŐENERGIA fűtés, meleg víz, szárítás VILLAMOS ENERGIA (1963 óta minden magyar településen) hő > mozgás > villamos áram MOZGÁSI ENERGIA közlekedés, szállítás
1,2 milliárd ember él áram nélkül - 1,0 milliárd vidéken - 0,2 milliárd városban
►
Alapfogalmak Energia: munkavégzési képesség, egysége a JOULE. Használatos még a Wh (wattóra) - SI-n kívüli mértékegység = ha valami egy órán keresztül 1 watt teljesítménnyel üzemel, akkor ezalatt 1 Wh munkát végez. Átváltása: 1 Wh = 3600 J. ►
A teljesítmény az időegységre eső energia, ► egysége a WATT (joule/mp);
►
Többfajta energia: miből ered a munkavégző képesség helyzeti, mozgási, mágneses, Elektromos, Hőenergia - minden spontán folyamatnál bizonyos munka kárba vész, hővé alakul át. A hő csak részben alakítható át másfajta energiává. .
Néhány technológiához kapcsolódó teljesítményadat ►
Napelemtáblák névleges teljesítménye ~120 W
►
Szélerőművek névl. teljesítménye ~ 2 000 000 W (120 W - 5 MW)
►
Szenes erőműveink névl. villamos teljesítménye ~ 500 000 000 W (150-950 MW [Borsodi - Mátrai)
►
Paksi atomerőmű névl. villamos teljesítménye ~ 2 000 000 000 W (2000 MW)
►
Feladat: megtermelt energia mennyiségének kiszámítása szél atom
Fogyasztóberendezések teljesítménye Világítótestek: Izzó: 60 Watt LED: 10 Watt
Laptop: 40-50 Watt Betonkeverő: 500-1200 Watt Hajszárító: 1000-2000 Watt Vasaló: 2400-3000 Watt Lift: 5000 Watt (4-6 kWh/hó átlagosan)
Elektromos autó (Nissan Leaf): 80-90 000 Watt
Energiaforrások csoportosítása
A világ primer energiaszerkezetének változása (%)
Az energiafogyasztás mértékének és szerkezetének forrásoldali változása
DE!
EU áramtermelésben már 30% RE,
2030-ra 50%! Hivatalos EU célok 2030-ra BAU-hoz képest: 40% CO2-csökkentés 27% RE – általános cél 27% hatékonyságjavulás
Az ipar hőigénye 32 európai ország adatai alapján
Az ÖKOLÓGIAI LÁBNYOM igazolja: Az energiagazdálkodás eddig alkalmazott elvei és gyakorlata többé nem elfogadhatók!!
A globális végső energiafogyasztás forrásszerkezete (2014) 78,3 %
19,2 % 2,5 %
2014-es becsült adatsor Fosszilis: 78,3% Megújuló: 19,2% Atom: 2,5%
Forrás: REN21 – Global Status Report 2014
Új és kumulált megújulós áramtermelő kapacitás
Mozgatórugó: ÁRAK, KÖLTSÉGEK Olajár: 15 $/hordó legolcsóbb kitermelési költség (Szaúd-Arábia) 80-90 $/hordó legdrágább kitermelési költség (olajpala)
Áramár: 30-50 $/MWh - PV, szél; 130-140 $/MWh – Hinley Point C
Időjárási katasztrófák növekvő költségei
A komplex hozamcsúcs probléma
(termovillamos)
Az energialánc
Büki Gergely: Energetika c. tankönyv (BME)
Egy lényeges lépés az elejéről lemaradt: a magyar erőművekben 320,7 PJ primer energia fordítódik áramtermelésre 101,3 PJ (28132 GWh) villamos áramot adnak fel a villamos hálózatra
Társadalomtudományi és interszektorális összefüggésekkel kiegészített energialánc Pszichológia Szociológia Pedagógia Kommunikáció-tudomány
JÓLÉT
Életstílus
Újrahasználat, újrafeldolgozás
Hulladékgazdálkodás
Energiaszolgáltatások (közlekedés, fűtés, hűtés, világítás Fogyasztás oldali energiagazdálkodás Másodlagos energiahordozók (elektromos áram, benzin, Ellátás oldali energiagazdálkodás
Építéstudomány Közlekedéstudomány
Földtajztudomány Területi tervezés Környezetgazdaságtan
Elsődleges energiahordozók (szén, kőolaj, napenergia
Geológia és bányászat
Vízgazdálkodás
Mező- és erdőgazdálkodás
szerves melléktermékek és hulladékok felhasználása
Termékek, berendezések
Tim Jackson: Prosperity without Growth Report, 2009
Energiatermelés célja és módja szerint (ipari lépték) KIZÁRÓLAG HŐTERMELÉS Fűtőmű: kizárólag hőenergiát (meleg vizet) előállító erőmű (hatásfok: 30-50%)
KIZÁRÓLAG ÁRAMTERMELÉS (SHP - separate heat and power production) Kondenzációs hőerőmű : a tüzelőanyag elégetése során nyernek hőenergiát, ezzel nagynyomású gőzt fejlesztenek, amely gőzturbinát hajt, az pedig a generátort. (hatásfok ~3035%) Gázturbinás hőerőmű (széleskörű alkalmazása az 1980-as évektől): A gáz égésterméke hajtja meg a turbinát, nincs vízmelegítés – (átl. hatásfok: ~30%) Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű (CCGT): A gázturbinából távozó forró gázzal még vizet is melegítenek, és gőzturbinát hajtanak. (hatásfoka: ~50%)
Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű (CCGT)
Földgázt vagy turbinaolajat elégetve állítanak elő villamos energiát.
A fosszilis erőmű és az atomerőmű elvi felépítése
„az atomerőmű egy atombombával fűtött gőzgép”
Paksi atomerőmű ► ► ►
Vízmelegítés a radioaktív bomlás hőjével Egy reaktor villamos teljesítménye: 500 MW – összes: ~2000 MWp Egy reaktor hőteljesítménye: 1375 MW – össz: 5500 MWth ► 20 MW hő-önfogyasztás ► 3-6 MW távfűtésre 5 km vezeték 10 cm kőzetgyapot szigetelés Alumínium borkolat
10-12% hőveszteség
Az atomenergia a jelenlegi magyar villamosenergia-rendszerben
Kogeneráció Kapcsolt hő és villamos energia termelés CHP – combined heat and power A hőerőművekben keletkező hulladékhőt hasznosítják. A hatásfok jellemzően ~75-90%, így például a fűtőanyag ~30-35%-ból villamos áram, 50-55%-ból hőenergia keletkezik.
SHP
CHP
Kulcskérdés az energia szállíthatósága Primer energia: „korlátlan”
Villamos energia: 500-600 km, esetleg 1000 km távolság • átviteli hálózat • nagyfeszültség: 120 kV-nál nagyobb (220-440-750 kV) • AC (gyakoribb) - DC (hosszabb távolságra alkalmasabb) • Nagyobb transzformátorállomások között húzódik. Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak. 25-40 m magas acéloszlopokon.
• középfeszültség: 10-35 kV • Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak. Főleg lakott területeken kívül halad a vezeték, de belterületen is előfordul. Az oszlopok magassága 10-15 m.
• elosztói hálózat • kisfeszültség: 0,4 kV • a végfelhasználókat, a fogyasztókat látja el. Lakott területeken húzódik. Többnyire gyengeáramú vezeték (pl. kábeltévé, telefon stb.) is üzemel az oszlopon
Hőenergia: 50-60 km – ez szab határt a kogenerációnak!
Kogeneráció a gyakorlatban Gond: a hőenergia nyári felhasználásának korlátozottsága
► Amerikai Egyesült Államok
a villamosenergia-termelésnek csak 8%-át adta 2008-ban ► Németország
a villamosenergia-termelésnek 13%-át adta 2008-ban ► Finnország a kogenerációban világelső
a villamosenergia-termelésnek 29%-át adta 2008-ban a hőenergia-termelésnek 65%-át adta 2008-ban
Tri- és quadgeneráció TRIgeneráció: áram + hő + hűtés a nyári időszak hőelhelyezése hűtésre abszorpciós hűtőszekrény segítségével (hőszivattyúval működő hűtőgép) QUADgeneráció:
áram + hő + hűtés + CO2 viszanyerése (CCS vagy technológiai CO2)
Decentralizáció
Forrás: The Smart Grid – An Introduction, U.S. Department of Energy
Együttműködő rendszerek
Egy háztartás napi áramfogyasztásának mintázata
Fogyasztási mintázat időbeli átalakítása
V2G - Vehicle-to-Grid ►
A gépjárművek az idő legalább 80%-ában parkolnak;
►
A Li-ion akkumulátorok tárolási hatékonysága megközelíti a 100%-ot;
►
Egyetlen jármű 20-40 kWh energiát tárolhat (Tesla: 30 kWh) – fogadhat vagy adhat a hálózatra.
►
Magyarországon 3 millió szgk. - 2,4 millió nincs mozgásban ► 72 millió kWh = 72 ezer MWh = 36 db Paksi Atomerőmű 1 órán keresztül ennyi áramot biztosít
Az elkerülhetetlen paradigmaváltás elvi háttere Etikai Társadalmi – környezeti Gazdasági - pénzügyi Energetikai
ETIKAI MEGFONTOLÁSOK A FELHASZNÁLÁS IDŐBENISÉGE múlt jelen jövő??
A FELHASZNÁLÁS TERÜLETI JELLEGEZETESSÉGEI
Az ember átlagos energiafogyasztásának változása a történelem során
E. Cook, "The Flow of Energy in an Industrial Society" Scientific American, 1971 p. 135.
Energiafogyasztás/fő kontinensenkénti bontásban
Az áramfogyasztás mértékének előrejelzése nem egyszerű műszaki probléma
42 000 40 000
38 000 36 000 34 000 32 000
2008
2009
2010
tényleges nettó áramfogyasztás (GWh)
2011
2012
2007-ben előrejelzett (GWh)
2013
Az energiarendszer elemeinek életideje igen hosszú
KÖRNYEZETI MEGFONTOLÁSOK
WWF: Living Planet Report, 2004
Villamosáram-termelés üvegházgáz-kibocsátása (gCO2-e/kWh) Szél: 9-10 Víz: 10-13 Fotovillamos: 32 Biomassza: 14-41 Geotermális: 38
csökken
Atomenergia - növekszik
84-130 98-144 g CO2-e/kWhel - Leeuwen, J. W S. 2012 (U-koncentráció…) 66 g (1,4 – 288) CO2-e/kWhel - Sovacool B.K. 2008
Földgáz: 443 Kőolaj: 778 Szén: 960-1050
növekszik
Az ökológiai lábnyom és főbb komponensei néhány európai országban – és Svájc energialábnyoma (Swiss Federal Statistical Office, 2006)
17% 35%
103 életcikluselemzés alapján a könnyűvizes atomerőművek üvegházgáz-kibocsátása (gCo2e/kWh): Bemeneti oldal: 25,1 Építési tevékenység: 8,2 Működtetés: 11,6 Kimeneti oldal: 9,2 Lebontás: 12,0 ÖSSZESEN:
~66,1 gCO2e/kWh és növekszik
Lebontás: 18%
Bemeneti oldal: 38%
Kimeneti oldal: 14%
Működés: 18%
Sovacool, B. (2008)
Építés: 12%
*Pripjaty *Csernobil A robbanás következtében a környezetbe kikerült radioaktivitás a Hirosimában és Nagaszakiban felrobbantott atombombák együttes radioaktivitásának körülbelül kétszázszorosa volt.
Az atomenergetikához kapcsolódó jelentősebb balesetek
Környezetterhelések szenes erőművek életciklusában
Keaton, M. 2001
AZ ÉLETCIKLUS ELEJE
AZ ÉLETCIKLUS KÖZEPE
Ratcliffe on Soar Power Station, UK
Életciklus vége (?)
Átlagos légköri CO2-szint az elmúlt 10000 évben
+ metán (CH4); dinitrogén-oxid (N2O); halogénezett CxHy
Éghajlatváltozás
GAZDASÁGI és NEMZETSTRATÉGIAI MEGFONTOLÁSOK
Magyarország energiaimportja ~ 1500-2000 milliárd Ft/év Probléma: Jelenlegi életvitelünk olyan mennyiségben és olyan speciális szerkezetben igényel energiaforrásokat, amelynek kielégítése a hazánkban rendelkezésre álló jelenleg használatos energiaforrásokkal nem lehetséges.
Az atomenergiáról nem esik szó a hazai statisztikákban… az atomerőművi fűtőelemek importja 100% - ezzel a teljes szektor kiszolgáltatottsága 70-75%
Forrás. Nemzeti Energiastratégia 2030
Munkahelyek az energetikában (Németo.)
Externáliák
Külső gazdasági hatás: egy gazdasági szereplő tevékenysége piaci ellentételezés nélkül befolyásolja egy másik szereplő helyzetét Kívülálló személy(ek) jólétét módosítja Nem kötelezik az okozót a kár kompenzálására
A hatás nem szándékolt A hatás lehet pozitív és negatív
Különféle technológiák átlagos emissziója a teljes életciklus alatt Németországban (Forrás: ExternE National Implementation – Germany, 1997)
szélturbina (g/MWh)
széntüzelés (g/MWh)
lignittüzelés (g/MWh)
olajtüzelés (g/MWh)
gáztüzelés (g/MWh)
CO2
6 460
815 000
1 047 000
935 000
362 000
SO2
15
326
425
1611
3
NOX
20
560
790
985
277
korom
5
182
511
67
18
CH4
20
3313
26
145
1700
N2O.
0,1
43
46
25
2
CO2
Különféle technológiák teljes életciklusának összehasonlítása a légszennyezés szempontjából
SO2
NOX
Az energia szektor externális költségei az EU-ban (cent/kWh) a villamos áram termelés átlagos költsége 4 cent/kWh
Német állami támogatások 90% hagyományos, 10% RE 1970-2012 között átlagosan de 2012-ben is!!!
ENERGETIKAI MEGFONTOLÁSOK A jelenlegi rendszer ► hatékonysága szánalmasan alacsony; ► az energiabiztonság szempontjából az erősen
központosított rendszer nem ideális; ► a szolgáltatások elosztása nem igazságos
(energiaszegénység); ► a káros környezeti következmények azonban kivétel
nélkül mindenkit érintenek.
Energetikai megtérülés
Energiamegtérülés mutatói Energy Return on (Energy) Investment (EROEI) - Nettó energia részarány (Net Energy Ratio = NER): ratio of useful energy output to the grid to the fossil-fuel energy consumed during the lifetime of the technology
- Külső energia részarány (External Energy Ratio =EER): In cases where the primary energy of the fuel is not included in the energy inputs ~ ismeretes úgy is mint Energy Payback Ratio
Mennyi idő alatt termeli meg a befektetett energiát egy napkollektor vagy napelem? És egy villanybojler? Egyes megújuló energiaforrások alkalmazására jellemző energia-megtérülési idők Szélerőmű Vízerőmű Termovillamos naperőmű Észak-Afrikában Polikristályos fotovillamos rendszer Közép-Európában Vékonyfilmes fotovillamos rendszer Közép-Európában Napkollektor Geotermikus hőenergia Fosszilis és atomenergiát használó rendszerek forrás: Pehnt, M. et al. (2009)
3-7 hónap 9-13 hónap 3-7 hónap 36-60 hónap 24-36 hónap 18-30 hónap 7-10 hónap soha
„Új” irányzatok a nemzetközi energiapolitikában
2001/77/EK irányelv a megújuló energia részarányára az áramtermelésben
RES Direktíva (2020) – in final consumption 2009/28/EK IRÁNYELV
Lettország 40%
Svédország 49% Finnország 38%
EU 2000-2016
Az áramtermelő kapacitások változása az EU-ban 2000-2016 között
Új áramtermelő-kapacitások az OECD európai tagállamaiban 1960-2014 között
http://www.iea.org/publications/freepublicatio ns/publication/REPOWERINGMARKETS.pdf
Megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos vélekedések ►
Drága A sok közül melyik?
►
Kicsi az energiasűrűsége A teljes életciklusban? helyette: teljesítménysűrűség - az az ütem, amellyel az energia termelődik vagy elfogyasztásra kerül − egységnyi területre vetítve.
►
Környezetterhelő (pl. szélturbina lecsapja a madarakat) Mihez képest?
Nem tárolható az energia a szükséges mennyiségben ► A berendezések létrehozásához túl sok energia kell ►
A konkurens megoldás (villanybojler) vajon mikorra termeli meg az előállításához szükséges energiát??
Van remény…
