TARTALOMJEGYZÉK 1 Az energiagazdálkodás alapjai és irányelvei Energiagazdálkodás politikai és környezetvédelmi vonzatai

TARTALOMJEGYZÉK 1

2

Az energiagazdálkodás alapjai és irányelvei .................................................. 3 1.1

Energiagazdálkodás politikai és környezetvédelmi vonzatai ................. 3

1.2

Energiagazdálkodás legfontosabb műszaki alapfogalmai ..................... 6

Energiaforrások ............................................................................................... 10 2.1

2.1.1

Földgáz............................................................................................... 11

2.1.2

Kőolaj és földgáz............................................................................... 11

2.1.3

Szén.................................................................................................... 12

2.1.4

Nukleáris energia .............................................................................. 14

2.1.5

Hulladék, mint energiaforrás............................................................ 15

2.2

3

Hagyományos energiaforrások............................................................... 10

Alternatív vagy megújuló energiaforrások............................................. 16

2.2.1

Napenergia......................................................................................... 16

2.2.2

Szélenergia ........................................................................................ 18

2.2.3

Vízenergia .......................................................................................... 20

2.2.4

Biomassza, mint energiahordozó .................................................... 20

2.2.5

Geotermikus energia ........................................................................ 22

Energia-átalakító rendszerek.......................................................................... 24 3.1

Erőművekről általában............................................................................. 24

3.2

Erőművek csoportosítása ....................................................................... 27

3.3

Szénerőművek .......................................................................................... 27

3.4

Szénhidrogén-tüzelésű erőművek .......................................................... 27

3.5

Hulladékégetők......................................................................................... 27

3.6

Atomerőművek ......................................................................................... 29

3.6.1

Urán és a maghasadás ..................................................................... 29

3.6.2

Atomreaktor működése .................................................................... 31

3.6.3

Radioaktív hulladékok tárolása........................................................ 32

3.7

Vízenergia hasznosítása.......................................................................... 33

3.7.1

Vízerőmű ............................................................................................ 33

3.7.2

Tározós vízerőmű.............................................................................. 39

3.7.3

Árapály-erőmű................................................................................... 41

3.8

Napenergia-hasznosítás .......................................................................... 42

3.8.1

Napkollektor ...................................................................................... 42

3.8.2

Napelem ............................................................................................. 43 1

3.8.3

Naperőművek .................................................................................... 44

3.8.4

. Egyéb napenergia hasznosítási módok ........................................ 48

3.9

3.9.1

Szélkerék............................................................................................ 51

3.9.2

Kisteljesítményű szélturbina............................................................ 56

3.9.3

Szélerőművek .................................................................................... 57

3.10

4

Szélenergia hasznosítás.......................................................................... 51

Geotermikus energiahasznosítás ........................................................... 59

3.10.1

Hőszivattyú működése, jelentősége................................................ 59

3.10.2

Geotermikus energiák ...................................................................... 61

3.10.3

3.7.1 Talajszonda............................................................................... 62

3.10.4

3.7.2.Talajkollektor ............................................................................ 62

3.10.5

HOT-DRY-ROCK:............................................................................... 63

3.10.6

Zárt rendszerű geotermikus energiahasznosítás........................... 64

3.10.7

Gejzírek energiájának hasznosítása................................................ 64

Energiaelosztó rendszerek ............................................................................. 68

2

Energiagazdálkodás 1

1.1

Az energiagazdálkodás alapjai és irányelvei

Energiagazdálkodás politikai és környezetvédelmi vonzatai

A globális felmelegedés kérdése napjainkban már nemcsak politikai szinten vált fontossá, hanem környezetvédelmi, gazdasági és ezen belül műszaki szempontból is. Először a politikai és környezetvédelmi vonatkozásokról lesz szó. Néhány évvel ezelőtt létrejött az un. Kyoto-i Egyezmény, mely a CO2 kibocsátás korlátozására, ill. csökkentésére fogalmazott meg az egyes államokra vonatkozó kötelező előírásokat, kvótákat. Mára meg kellett ismerkednünk a tudósok által javasolt fenntartható fejlődés fogalmával, mely biztosítja a jelen szükségleteinek kielégítését anélkül, hogy lehetetlenné tenné a jövő generációk szükségleteinek kielégítését. Egy másik megfogalmazás szerint csak olyan ipari fejlődés engedhető meg, amely még hosszútávon sem veszélyezteti az egészséges földi életet. A fenntartható fejlődés megvalósításában pedig az energiagazdálkodásnak lényeges szerep jut. A környezet változása és a gazdasági fejlődés közötti összefüggésekről már sok elemzés készült. Ezek közül sok modelleket állít a környezet szélsőséges változásának, katasztrófák kialakulásának A Földnépességének alakulása a Földtörténet folyamán: Népesség napjaink

jégkorszak

1

6

Idő (milliárd év)

3

Megfigyelhető, hogy a Föld népessége egészen a jégkorszakig viszonylag állandó volt. A jégkorszak után rohamos növekedésnek indult a népesség. Ha csak az utóbbi két évszázad technikai fejlődését vesszük, érthető hogy ezzel az emberek jóléte is javult. Ez maga után vonta, hogy a népesség rohamosan növekedett, hiszen például járványok kialakulásának kisebb lett az esélye. A technika fejlődésével azonban nemcsak a népesség szociális helyzete, hanem a gazdaság is gyors fejlődésnek indult. A gazdasági növekedés még napjainkban is tart. A növekvő termelés azonban jelentős hatást gyakorol a környezetre. környezeti javak

1. A környezet semlegesíti a szennyező hatásokat

2. A környezet károsodik 3. Környezeti katasztrófák Anyagi javak

A fenti görbe jól mutatja, hogy minél több anyagi javat halmoz fel a társadalom (minél többet termel a valós szükségleteken felül), annál nagyobb problémát okoz a környezetben. 1. Környezeti eltartó képesség - gazdaság kapcsolatának optimista modellje: eltartó képesség gazdaság

idő

4

Az optimista modell feltételezi, hogy a gazdaság folyamatos növekedésével a Föld eltartó képessége – lassabb mértékben, de – növekedni fog. Példa lehet erre a modellre a mezőgazdasági földek termőképességének javítása (trágyázás, jobb vetőmagvak előállítása); a környezet asszimiláló képességének növelése (hulladékok lebontása, szennyvizek szellőztetése). 2. A környezeti eltartó képesség - gazdaság önkorlátozó modellje: Az önkorlátozó modell feltételezi, hogy a gazdaság résztvevői józanul gondolkodnak (önkorlátozóak), így csökkenhet a fajlagos anyag- és energiafelhasználás. Példa erre a tengerek és folyók élővilágának változása a különböző szennyezések hatására (ipar és mezőgazdaság által okozott olaj vagy vegyszerek szennyezés).

Eltartó képesség

Gazdaság

idő

3. A környezeti eltartó képesség - gazdaság katasztrófa modellje:

Gazdaság

Eltartó képesség

5

idő

A modell a gazdasági túltermelés visszafordíthatatlan vagy csak nehezen, hosszú időtartam alatt visszafordítható környezeti változásokat mutatja. A katasztrófa modellre példa az erdők, esdőerdők kiirtása miatti talajpusztulás, légkörváltozás; illetve egyes vidékeken a túllegeltetés miatti elsivatagosodás.

1.2

1.

Energiagazdálkodás legfontosabb műszaki alapfogalmai

A technika állapotváltozTATÁSokat valósít meg, szemben a természetben

emberi

beavatkozás

nélkül

(spontán)

lejátszódó

folyamatokkal,

az

állapotváltozásokkal. 2.

Erő: Minden test megtartja egyenes vonalú, egyenletes mozgását, vagy

nyugalmi állapotát mindaddig, amíg erő nem hat rá. A változás oka —Newton törvénye szerint— az erő. 3.

Energia:

A

test

mozgásállapotának

megváltozása

nemcsak

az

erő

nagyságának a megváltozásától függ, hanem az erőkifejtő képesség kapacitásától is. Ez a kapacitás az energia. Az univerzum egyik általános tapasztalati törvénye az energia-megmaradás: energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg, csak átalakulhat egyik formából a másikba. 4.

A termodinamika az anyag és az energia áramlásával illetve átalakulásával

foglalkozó tudományterület. A termodinamikai rendszer az anyagi valóság egy, általunk kiválasztott szempont vagy szempont rendszer szerint elhatárolt része. Az anyagi valóság termodinamikai rendszeren kívüli részét környezetnek nevezzük. A termodinamikai rendszer és a környezet közötti elhatárolás történhet valóságos vagy látszólagos fallal. A fal tulajdonságaitól függően a termodinamikai rendszer és a környezet között kölcsönhatás jöhet létre. Magára hagyott rendszer, mely környezetétől minden kölcsönhatással szemben elszigetelt. A termodinamikai rendszert állapotjelzőkkel (extenzív-tömeg, energia, entrópia, villamos töltés, stb.; intenzív – hőmérséklet, nyomás, villamos és kémiai potenciál,

6

stb. ) és anyagjellemzőkkel (fajhő, dinamikai viszkozitás, köbös hőtágulási és hővezetési együttható, stb…) jellemezhetjük. 5.

Termodinamika 0. főtétele: Magára hagyott termodinamikai rendszer akkor

van egyensúlyban, ha benne nincsen makroszkopikus változás, azaz a rendszeren belül az intenzív állapotjelzők homogén eloszlásúak. Más megfogalmazásban: Egymással kölcsönhatásban lévő rendszerek egyensúlyának szükséges és elegendő feltétele, hogy a kölcsönhatásokhoz tartozó intenzív állapotjelzők egyenlőek legyenek. 6.

Termodinamika I. főtétele: energia nem keletkezhet és nem semmisülhet meg

csak átalakulhat egyik formából a másikba. Ez alapján a rendszer és környezete energiájának összege állandó; amit a rendszer lead, azt a környezete felveszi és fordítva. A rendszerrel közölt hőmennyiség(Q) egyik része a rendszer belső energiáját (U) növeli, a másik része munkavégzésre (W) fordítódhat.

Q = U +W 7.

Termodinamika II. főtétele: (Kelvin szerint) Nem lehetséges olyan körfolyamat,

melynek során egy hőtartályból elvont hő, egyéb hatás nélkül, teljes egészében munkavégzésre fordítható lenne. (Clausius szerint) Nem lehetséges olyan körfolyamat, melynek során hidegebb testről önként hő menne át melegebb testre. (Oswald szerint) Nem készíthető olyan periódikusan működő gép, mely munkát tudna végezni kizárólag a környezete termikus energiájának rovására. 8.

Termodinamika III. főtétele: Egy termodinamikai rendszer hőmérsékletét nem

lehet véges számú lépésben az abszolút nulla értékre csökkenteni. 9.

A rendszer energiája (∆E) két részből tevődik össze: mechanikai energiából

és belső energiából. ∆E rendszer = ∆E mechanikai + U A belső energia (U) a rendszer mikroszkopikus építőelemeinek a tömegközéppontra vonatkoztatott kinetikus és potenciális energiáinak összegeként adódik. A belső energia három részre bontható: a) Érzékelhető belső energia: a belső energia azon része, mely a kémiai hőmérséklet módosítása nélkül változtatható. b) Kémiai belső energia: a kémiai mozgásformák által kötött belső energia

7

c) Magenergiák által kötött belső energia Ha például a hőmérséklet-különbséget használjuk, az energiaátalakítás folyamatát addig tudjuk fenntartani, amíg a rendszer egyensúlyba nem kerül környezete hőmérsékletével. Az egyensúly elérésével megszűnnek a számunkra hasznosítható folyamatok és a rendszer belső energiája tovább nem alakítható át. Tehát a belső energia soha nem alakítható át teljesen más energiaformákká, ám a mechanikai, elektromos stb. energia viszont teljes egészében átalakítható belső energiává. 10.

Az energetika feladata: az energiaigények gazdaságos és biztonságos

kielégítése. Az energetika egy adott gazdasági egységre (üzem, ország stb) vonatkoztatva az egység technikai rendszereinek energiainputjainak és -outputjainak a megfelelő műszaki paramétereken történő, gazdaságilag optimális biztosítását jelenti. Az egység technikai rendszerei energiainputjaik és outputjaik révén kapcsolódhatnak egymáshoz, s alkotnak az egység méreteiből és technikai fejlettségi szintjétől függő bonyolultságban energiaáram-láncokból és -hálózatokból álló egységes rendszert. Mindez lehetővé teszi az energiaáram-hálózat kapcsolódását más gazdasági egységek hasonló hálózataihoz, azaz a rendszerhatáron keresztüli energiainputot és -outputot, (-importot és -exportot) is. Az energetika területei

Energiahordozók

Energia-

Energia-

Energia-

Energia-

termelése

termelés

szállítás

tárolás

felhasználás

Az energetika főbb területei Az energetika lényegéhez tartozik a biztonságosság és a gazdaságosság, tehát nem csak műszaki területről van szó, s így ha a fenti területeken (energiahordozók termelése, energiatermelés, -szállítás, -tárolás, -felhasználás) a tervezés, fejlesztés, gyártás,

létesítés,

üzemeltetés

teljes

rendszeréről

beszélünk,

akkor

az

energiagazdálkodás fogalmáról beszélünk. 11.

Az

energetika

technikai

rendszereinek

feladata,

hogy

a

bemeneti

energia(fajta), megfelelő átalakítás után további rendszerek bemenő energiájaként

8

szolgáljon, vagy megfelelő helyen és időben a környezetbe kerülve emberi célokat elégítsen ki. Ezek az átalakító rendszerek: -

Paramétermódosító rendszer (a be- és kimeneti energiaáram dominánsan azonos energiafajta.) Ilyen például: hőcserélő, villamos transzformátor, mechanikai transzformátor stb.

-

Energiaváltoztató rendszer (bemeneti energiafajta egy (vagy több) más kimeneti energiafajtává alakítja át.) Például hűtőgép, villamos motor, napelem, atomerőmű stb.

-

Energiaszállító rendszerek (térbeli energia-transzformációt valósítanak meg) Jellemző példák: elektromos táv-vezetékhálózat, gáz-vezetékhálózat stb.

-

Energiatároló rendszerek (az energia időben történő transzformációja, állandó paraméterek mellett) Jellemző példa: akkumulátor, kondenzátor, légtározós erőmű nagynyomású tartálya stb.

-

Állapottartó rendszer (az adott állapottér energetikai paramétereinek konstans értéken tartása) Példa: hűtőgép, légkondicionáló berendezés stb.

-

output-tartó rendszer (a kimenet egyes energetikai paramétereinek konstans értéken tartása) Jellemző példa: feszültség-stabilizátor, nyomásszabályozó berendezés stb.

9

2

Energiaforrások

Az energiaforrás számos definíciója közül elfogadható az meghatározás, mely szerint: energiaforrásoknak a természet olyan anyagi rendszereit tekintjük, melyekből technikailag hasznosítható energia nyerhető, az adott társadalmi, politikai, műszaki fejlettségi stb. körülmények között gazdaságosan. Az energiaforrások csak ritkán használhatók közvetlenül technikai rendszerek energetikai inputjaként, (pl. termálvízzel fűtenek egy melegházat), legtöbbször át kell alakítani őket energiahordozókká (pl. ki kell termelni a kőolajat, s megfelelő technológiával előállítani a benzint). A természet energiaforrásainak eredete: a/ a fisszió b/ a fúzió és c/ a gravitáció. A fisszió a földkéregben található nehézelemek bomlása. Közvetlen technikai hasznosítása: az atombomba és az atomerőművek. A természetes radioaktivitásnak a természetes —régóta hasznosított— termálvizeket köszönheti az emberiség. A természetes fúzió, a könnyű elemek egyesülése a Nap sugárzásának forrása. A napsugárzás mechanikai munkát végez a földi gravitációs erőtér ellenében: fenntartja a hidroszféra és az atmoszféra mozgását (víz és szélenergia). Közvetetten ennek eredménye a biomassza, sőt a fosszilis energiahordozók (ásványi szerek, kőolaj stb.) is. A fúzió közvetlen technikai megvalósulása a hidrogénbomba. A fúziós erőmű megvalósításának —legalábbis a technika mai szintjén— megoldhatatlan(nak tűnő) akadályai vannak.

2.1

Hagyományos energiaforrások

Nem megújuló, azaz hagyományos energiaforrások: az ásványi szenek, a szénhidrogének (kőolaj, földgáz), a hasadóanyagok. Ezekben az esetekben nyilvánvaló, hogy a készletek előbb-utóbb kimerülnek. Ennek időpontját nehéz megjósolni, hiszen újabb készletek felfedezésén túl, az új technológiák is egyre több lehetőséget tesznek kihasználhatóvá, (pl. újrahasznosításokat gazdaságossá).

10

A fosszilis tüzelőanyagok folyamatos elégetése azonban nemcsak a készletek mielőbbi kimerülésének veszélyével jár, hanem ökológiai katasztrófa is előrevetít. A környezetbe kerülő káros anyagok megbetegedéseket okozhatnak az élővilág szinte valamennyi egyedében. E tüzelőanyagoknak már a szállítása és tárolása is komoly veszélyekkel jár. (például tartályhajó balesetek, vegyi üzemekben bekövetkezett robbanások) A legnagyobb gondot azonban a föld globális felmelegedésében játszott szerepük okozza. A szén és a szénhidrogének égése közben nagy mennyiségű széndioxid keletkezik, mely a környezetbe jutva felelős az un. üvegház hatás felerősödéséért. Az üvegházhatás azt jelenti, hogy a napból érkező és a föld saját belső kisugárzásából eredő hőmennyiség illetve az ipari tevékenységből származó, de a megszokott földi élethez már felesleges hőmennyiség nem tud a világűrbe kisugárzódni, így az hozzájárul a Föld un. globális felmelegedéséhez. (például ez az oka a szélsőséges időjárási jelenségeknek, az Antarktisz jegének gyorsuló ütemű olvadásának)

2.1.1 Földgáz

2.1.2 Kőolaj és földgáz A kőolaj szerves, főleg állati eredetű maradványok átalakulási terméke. A tengerben elhalt élőlények szerves anyaga rosszul szellőző tengerrészek iszapjában rothadó iszapot ún. szapropélt képez, melyből különféle szénhidrogének keletkeznek. A keletkezett anyag fokozatosan vándorol a magasabb szintek irányába, ez a migráció. A migráció során egy földtani ún. csapdába kerül, mely megakadályozza a továbbvándorlást. A kőolaj összetételét a 4. ábra mutatja A kőolaj összetétele C

80-88%

H

10-14%

S

<5%

11

O

<7%

N

<1,7%

Hamu

<0,03% 4. ábra

A kőolaj fűtőértéke: 33-40 MJ/kg, mert összetétele viszonylag kis intervallumon belül változik A földgáz összetétele CH4

26-99%

C2H6

0,1-9,5%

CnH2n+2

<16%

N2

<38%

N2S

<15% 5. ábra

Érdekességként említenénk meg, hogy a széndioxid tartalom még szélsőségesebb értékek között változhat, 0 %-tól akár a 75 %-ot meghaladó értékig (pl. Magyarországon Mihályi és Répcelak környékén).

2.1.3 Szén A fa, mint tüzelőanyag, kedvező tulajdonságokkal rendelkezik, mivel alacsony a kénés hamutartalma; ugyanakkor hőtartalma meghaladja a gyengébb minőségű barnaszénét.

Elégetése

után

leválasztott

égésterméke

a

fahamu

pedig

környezetbarát; talajjavításra és tápanyagpótlásra használható. A növényi anyagok szénné alakulásának két fő szakasza van: a/ A lerakódás és az ezzel kapcsolatos felszíni átalakulás, eredménye a tőzeg. b/ A nagy nyomás és hőmérséklet hatására a földkéregben létrejövő metamorfózis, a szénülés. A szénülés során a tőzeg fokozatosan átalakul, s lignit, barnaszén, feketeszén majd antracit keletkezik. A széntartalom és a kémiailag kötött energia változását a szénülés foka szerint a 3. ábra mutatja. Szénfajták

Széntartalom [%]

Energiatartalom Q[MJ/kg] 12

tőzeg

55-65

6,3-7,5

lignit

60-65

7,0-8,4

barnaszén

65-80

5,4-24

feketeszén

80-93

24-32

antracit

93-98

35-37,5 3. ábra

A szénülés során csökken a hidrogén és oxigéntartalom, amely a növényeknél 6, illetve 44 % körüli érték volt, az antracitnál nem éri el a 2, illetve 4 %-ot. Az ásványi szenek a karbon és hidrogén mellett más éghető és nem éghető anyagokat is tartalmaznak. Az éghető gázok (ún. illóanyagok) égéskor elégnek és eltávoznak, az éghetetlen szilárd anyag a hamu visszamarad. A magyarországi szenek leggyakoribb hamualkotói: a kovasav (SiO2), az alumíniumoxid (Al2O3), a vasoxid (Fe2O3), a foszforpentoxid (P2O5) és a kalciumoxid (CaO). A szén tüzeléstechnikai értéke annál nagyobb minél kisebb a nedvesség- és hamutartalma. A szén durva nedvességtartalma a hótól vagy a mosóműből kerül a szénbe, a higroszkopikus nedvességtartalmat pedig a szénfelület abszorbeálja, s a szénben lévő kapillárisok tárolják. A szénben három féle hamu van. a/ Primer hamu: olyan ásványi anyag, mely még szén ősét jelentő fában is megtalálható volt. Csak különleges eljárásokkal távolítható el. b/ Szekunder hamu: a szénülés folyamatában a geológiai rétegmozgások következtében keveredett a szénnel. Eltávolítása az ún. flotálás, mely során a flotálómedencében a szén és a meddő fajsúlykülönbségét használják fel a szétválasztásra. c/ Tercier hamu: a bányászati folyamat során a szénbe kerülő meddő. Eltávolítása egyszerű, ez az ún. szénmosás. A kokszolás, más néven szénlepárlás a szénnek a levegőtől elzárt helyen történ hevítése. Az eljárás terméke a kohókoksz, mellékterméke az ún. városi gáz. Szénlepárlásra a legalább 25 % illóanyag-tartalmú szének a legalkalmasabbak. Nagyobb illóanyagtartalmú szenet is szoktak kokszolni a gázhozam növelése érdekében, de az így nyert koksz minősége rosszabb, csak háztartási fűtőanyagként

13

használható. A kokszolás nagy teljesítményű ún. kamrás kemencékben történik, melyekbe 10-15 tonna szenet öntenek be. A kokszolás során a következő folyamatok zajlanak le: − 100 °C-ig a szén kiszárad − 100-300 °C között: a kötött állapotú víz kiválik, széndioxid, kénhidrogén bomlik le, a gyantaanyagok eldesztillálnak − 300-450 °C között: a szén megolvad, kátrány (a kokszolás másik mellékterméke) és szénhidrogén gázok keletkeznek − 450-550 °C között : a kátrányképződés befejeződik, kialakul a félkoksz szerkezet − 550-700 °C között: történik a gázképződés − 700 °C felett: a szénhidrogének elbomlanak, hidrogén keletkezik, a szén megszilárdul, s egyre tömörebb kokszszerkezet alakul ki. − Nagyobb hőmérsékleten a szén grafit formájában szilárdul meg, a koksz ezüstös színűvé és nagy szilárdságúvá válik. Ha szenet elgázosító közeg segítségével tökéletlenül égetjük el, salak és éghető alkotórészekből álló gáz keletkezik. A széngázosítás célja nem fűtőgáz, hanem vegyipari, vagy más ipari célokat szolgáló gáz előállítása.

2.1.4 Nukleáris energia Az előzőekben tárgyalt fosszilis energiahordozók, a szén, a kőolaj és a földgáz a földtörténet őskorából ránk maradt napenergia-tárolóknak tekinthetők, míg a hasadóanyagok a szupernóva robbanások során létrejött magfúziók eredményét őrzik. Az urán hasznosítható energiatartalmát 83 × 1012 J/kg-nak tekinthetjük. A semleges atomokban a protonok és az elektronok száma azonos, ez a rendszám (Z), azaz az atom helye a periódusos rendszerben. A protonok és neutronok (N) számának összege az atommag tömegszáma (A). A= Z+N

14

Egyes atommagokban a protonok száma eltérő lehet, ezek az illető atom izotópjai. Például a 92-es rendszámú urán 238-as tömegszámú izotópja N= 238-92= 146

neutront tartalmaz. Jele:

238 92

U.

EK: az atommag kötési energiája Ek/A: az egy nukleonra eső fajlagos kötési energia. (1eV energiát jelent, ha egy elektron 1V feszültségkülönbségű térben áthalad 1eV=1,60219x10-19 J) A fajlagos kötési energia változása a tömegszám függvényében rámutat az atomenergia-felszabadítás két lehetőségére a fúzióra és a fisszióra. A fúzió az atommagok hasadásával, a fisszió pedig atommagok egyesítésével szabadít fel nagy mennyiségű energiát.

2.1.5 Hulladék, mint energiaforrás Környezetvédelmi, gazdasági és műszaki okok miatt szükségessé vált, hogy a hulladékokat valamilyen módon tárolják, hasznosítsák vagy megsemmisítsék. A hulladékártalmatlanítás legegyszerűbb és költség szempontjából kedvezőbb megoldása a rendezett lerakás. A hulladékok kezelésének másik változata a hasznosítás / újrahasznosítás (recycling). Az utóbbi időben nagy teret hódított magának a termikus hulladékhasznosítás. Előnyeként említhető, hogy a hulladék térfogat-, és veszélyességi mértékének csökkenését eredményezi. Ezen kívül az égetés során keletkező hőmennyiséget 15

energetikailag hasznosítani lehet. Eme eljárás hátránya, hogy az égetés folyamán mineralizálódó hulladékból levegőt szennyező gázok szabadulnak fel és távoznak a füstgázzal. Ez a hátrány azonban korszerű füstgáztisztító rendszerek kiépítésével – jóllehet költséges, de – kiküszöbölhető.

2.2

Alternatív vagy megújuló energiaforrások

Megújuló energiaforrások: a nap-, a szél-, a vízenergia, de ide sorolhatjuk az ár-apály energiáját, a geotermikus energiát, s még folytathatnánk a sort. Ezen energiaforrások megújulását a felhasználás mértéke nem befolyásolja. Helyes gazdálkodás, a felhasználás helyes mértéke mellett megújuló energiaforrás a fa vagy a biomassza is. Ez utóbbiaknál azonban a helytelen (rabló)gazdálkodás — mint azt sajnos a Föld több országában láthatjuk— ezeket az energiaforrásokat is nem megújulóvá teheti, ami általában ökológiai katasztrófát (elsivatagodás stb.) jelent.

2.2.1 Napenergia Ma már tudjuk, hogy a Földön az életet a Nap melege, a Nap sugárzása teszi lehetővé. A növényekben elraktározott szerves vegyületek létüket a Nap melegének köszönhetik. A kőolaj, a földgáz, a szén létrejötte a Nap melegére vezethető vissza. A Nap melege emeli a tavak, tengerek, folyók elpárolgó vizét a felhők közé. Innen jut a csapadék a hegyekbe, a hegyekből lezúduló víz pedig felhasználható energiát ad. A napsugárzásra vezethető vissza energiaforrásaink jelentős része. Évezredek óta sejti, tudja az emberiség, hogy számára milyen fontos a Nap, mely több, mint 2700 éves. Az emberiséget mindig érdekelte, hogy a Nap energiaforrásának mi az oka. Az ókorban úgy képzelték, hogy a Nap melege a Napon égő tűztől származik. Kant, német filozófus a XVIII. században úgy gondolta, hogy a Nap éghető anyagból áll, és az égitesten lévő oxigénnel történő egyesüléssel, égéssel adja melegét. Robert Mayer 1848-ban arra gondolt, hogy a Nap hőenergiáját a beléhulló meteorok táplálják. Helmholtz, német fizikus azt feltételezte, hogy a Napnak a saját anyaga

16

zuhan egyre az égitest középpontja felé, és az ebből származó energiaváltozás alakul át hővé. A megoldást Albert Einstein elmélete adta meg, mely szerint bármely nyugalmi tömegű

testben

igen

nagy

energiamennyiség

van

elraktározva.

Ez

az

energiamennyiség felszabadulhat sugárzási energiává. Ilyen energiaforrás fedezheti a Nap sugárzási energiáját is. A nap összes sugárzó teljesítményéből mintegy 2 × 1015 W ékezik a Földre. Ez óriási mennyiség, 5000-szer nagyobb, mint amennyit a Föld az összes többi energiaforrásból nyer, s 15 perc alatt a Földre jutó energia több, mint amennyit az emberiség évente felhasznál. A világűrből érkező sugárzás és a világűrbe távozó hő normál körülmények között egyensúlyban van (…. ábra). A földi élettel és az emberi tevékenységgel járó csekély hőáramok (technikai hőfejlesztés és a növények által hasznosított hő) azok, amelyekkel az egyensúlyt - sajnos rossz irányban befolyásolni

lehet.

Ez

történik

jelenleg:

a

technológiai

szén-dioxidtermelés

határozottan befolyásolja a légkör sugárzás-átbocsátó képességét. A kényes egyensúly felbillent, a Földön többlethő marad (üvegházhatás).

…..ábra: Sugárzás és hőáramok egyensúlya Nagyon sok és egyre szigorúbb mérést végeztek az úgynevezett napállandó meghatározására. A napállandó az a számérték, amely megadja, hogy átlagos FöldNap távolságban, a légkör felső határán, a sugárzás haladási irányára merőleges 17

egységnyi felületre időegység alatt mennyi energia esik. Ma elfogadott átlagos értéke 1353 W/m2. Mivel a Föld a Nap körül ellipszispályán kering - melynek egyik gyújtópontjában van a Nap - ezért a Nap - Föld távolság folyamatosan változik, így a napállandó ennek megfelelően 1307 W/m2 és 1398 W/m2 között változik az év során. A napsugárzás intenzitása a légkörön való áthaladáskor csökken: a légkör alkotórészei részben elnyelik, részben visszaverik és megtörik a sugárzást. A légkör határáig párhuzamosnak tekinthető sugárnyalábok egy része a légkörben szórt (diffúz) sugárzássá alakul. A ténylegesen a Földre érkező energia elsősorban a felhőzet mennyiségétől függ. A legtöbb besugárzást júliusban kapjuk, annak ellenére, hogy a nappalok már valamivel rövidebbek; a Nap delelési magassága kisebb, viszont a felhőzet mennyisége csekélyebb, mint nyár elején. Az évente napenergiából előállított energia mennyiség előreláthatóan 2010-re eléri az 5000 MW-ot, elegendő energiát szolgáltatva 7 millió embernek, és 46 millió hordó olajat fog a napenergia felhasználása évente kiváltani. Érdekesség, hogy a Föld sivatagaira jutó napenergia-mennyiség 1%-a ki tudná váltani a teljes fosszilis energia felhasználást. A napenergiát nemcsak ipari átalakítók hasznosítják - elsősorban elektromos energia termelésre-, hanem egyedi háztartások is alkalmazzák főleg fűtésre vagy melegvíz előállításra.

2.2.2 Szélenergia A légkör alsó rétegeiben végbemenő légáramlást - a szelet - a Nap sugárzó energiája hozza létre. A napsugárzás a Föld felületét érve elnyelődik és átalakul hővé. Az így keletkező hő nagy része kisugárzódik és a légkört melegíti fel. A felszálló meleg levegő helyébe a hidegebb levegő áramlik.

18

A trópusi területeken felmelegedő légtömegek a sarkok felé veszik útjukat (ez a magassági szél az antipasszát). A sarkok felé haladó légtömegek pályája a Föld gömbjéhez igazodva fokozatosan leszűkül, és miközben lehűl, a nyomásuk és súlyuk megnő. A leszálló hideg légtömegek a földfelszín közelében az egyenlítő irányába haladnak a trópusok irányába, ezt nevezzük passzátszélnek. Az egész Földet átfogó légáramlások mellett megfigyelhetők ezeknek a leáramlásaik, illetve a helyi estinappali eltérő áramlatok, vagy a tenger felől a szárazföld felé tartó áramlatok. A szélenergiát évezredek óta hasznosítja az emberiség (pl. vitorlás hajó). A múlt század végén Hollandia és Dánia területén mintegy százezer szélmalom működött. Tehát hajózáson kívül szivattyúzásra, gabonaőrlésre fogták a szélenergiáját. Ezeket a berendezéseket különböző szempontok alapján lehet csoportosítani, mint például méret, felhasználási terület, megtermelt energia fajtája. Hasznosítási lehetőség alapján a három fő csoport: (lsd. Bővebben 3.9 fejezetben) − Szélkerekek − Kis teljesítményű, vagy mikro-szélturbinák − Nagy teljesítményű szélerőművek

19

A szél mozgási energiáját 100 TW-ra becsülik, ennek persze csak kis része hasznosítható, de a szélenergia "megszelídítése" nem "szélmalomharc", az alternatív energiatermelés lehetőségeinek egyike.

2.2.3 Vízenergia A vízkörforgásban —miután egyetlen 1 kg víz elpárologtatásához, s a felhőkbe juttatásához 2700 kJ kell— óriási energiák működnek. Hozzávetőlegesen a Napból Földre jutó energiamennyiségnek kb. 23 %-a a víz körforgásának fenntartására fordítódik.

Ennek

az

energiának

mintegy

99

%-a

a

párolgás-lecsapódás

átalakulásához szükséges. A párolgás-lecsapódás energiaátalakulása számunkra kihasználhatatlan. A megmaradó töredék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. Az állóvizek csak helyzeti és nyomási energiával rendelkeznek, de az áramló vizeknél ezek mellett a mozgási (kinetikai) energia is megjelenik. Vízenergián ezen energiák összességét értjük. Ennek technikailag gazdaságosan hasznosítható része még így is 5 millió MW-ra becsülhető. Az ún. bruttópotenciált (WPP= Water Power Potential) egy adott keresztmetszetre a •

sokévi átlagos térfogatáram( Q ) és az adott folyószakasz kezdő- és végmagassága közötti vízszintkülönbség(∆H) alapján számítható a Bernoulli egyenlettel, szorozva — az aktuális— időtartammal(∆t). •

WPP= 9,81 Q ∆Hρ∆t

2.2.4 Biomassza, mint energiahordozó Biomasszának nevezzük azokat a növényi anyagokat, mezőgazdasági illetve erdészeti

hulladékokat

és

melléktermékeket,

melyeket

tüzelőanyagként

energiatermelésre lehet használni. Biomassza energetikai eljárásokkal előállítható biodízel, bioetanol, biobrikett és biogáz is. Összehasonlításként a biomassza energiává alakításakor csak a növények által rövid idővel azelőtt megkötött széndioxid mennyiség kerül a légkörbe, ám a fosszilis energiaforrások (szén, kőolaj, földgáz) a több ezer évvel ezelőtt megkötött (többlet) széndioxiddal terhelik a környezetet. 20

Biogáz hasznosítás - bioüzemanyagok A Metán biológiailag lebontható hulladékból is előállítható. Magasabb hőmérsékleten ég, mint a földgáz ezért kevesebbre van szükség belőle ugyanannyi energia előállításához. A metán gáz előállításához és tárolásához már van megfelelő technológia és a harmadik világban gyakran alkalmazzák is. A trágyából oxigéntől elzártan metángáz termelődik, melyet- ha elegendő keletkezik- generátorokat is meghajthatnak vele, így jutván elektromos áramhoz. Másik alkalmazási példája a dieselmotor. A biodízel előállítására mezőgazdasági növények alkalmasak. Elállítható például repcéből, napraforgóból. Ezen növényolajok metilésztere a biodízel. A biodízel előnye, hogy -

a keletkező égéstermékek károsító hatása kisebb a gázolajhoz képest; a kipufogó gázok kén-dioxid tartalma gyakorlatilag nulla. Gázolaj esetén ez az egyik legkritikusabb szennyező, mivel számos betegséget (bronchitis, asztma) és savas esőket okoz. Kiemelendő még, hogy a biodízel kipufogógázokban lényegesen kevesebb policiklusos aromás szénhidrogén található, melyeknek rákkeltő hatásuk van.

-

Biodízel használatával zárt körfolyamat valósul meg: a kipufogógázokkal a környezetbe jutó szén-dioxidot a növények fotoszintézis során hasznosítják.

Hátránya lehet, hogy a mezőgazdaság termelési viszonyaitól, lehetőségeitől függhet az előállítása. Az alkoholok, mint üzemanyagok rég óta használatosak, bár ilyen formájú előállításuk nehezebb. Ahhoz, hogy üzemanyagként használhassuk őket, 180-190 fokos alkoholra van szükség. Jóllehet

az

alkohol

tisztán

ég

és

nem

keletkeznek

környezetszennyező

égéstermékek, de igen korrozív hatásúak. A metilalkohol mindez mellett még mérgező hatású is. A fa gázosítása, más néven üzemi gáz gyártás, feltehetőleg a legbiztonságosabb módja az alternatív üzemanyag gyártásnak. Gáz előállítása szilárd fából egyszerű technológiai lépés. Ennek egy módja egy jól megtervezett égő, ami a fát és a levegőt kombinálja. Kétféleképp állíthatunk elő fagázt – elégtelen égéssel, vagy destruktív desztillációval. Destruktív desztilláció fő terméke a metán (~75%), de más üzemanyagformák is keletkeznek (~25%). Mindkét eljárás könnyen kezelhető üzemanyagot

ad,

ami

alkalmas

a

fosszilis

üzemanyagok,

földgáz

és 21

benzinszármazékok helyettesítésére. A fagázt ráadásul alacsony nyomáson is tárolhatjuk, egy egyszerű tartályban.

2.2.5 Geotermikus energia A geotermális energia, más néven földhő a magmából ered és a földkéreg közvetíti a felszín felé. A hő felszínre jutása az útjába akadó kőzetek jellegétől és azok vastagságától függ. A Kárpát-medence, üledékes eredetű, víztározó porózus kőzetekből áll, amik jó hővezető képességűek. A Kárpát-medencén

belül

Magyarország területe alatt a földkéreg az átlagosnál vékonyabb, ezért hazánk geotermikus adottságai igen kedvezőek. A Föld belsejéből kifelé irányuló hőáram átlagos értéke 90-100 mW/m2, ami mintegy kétszerese a kontinentális átlagnak. Ezen termikus adottságok miatt nálunk 1000 m mélységben a réteghőmérséklet eléri, sőt meg is haladja a 60 °C-t. A hőmérsékleti izotermák 2000 m mélységben már 100 °C feletti hőmérsékletű jelentős mezőket fednek fel. Hazánkban a geotermikus energia hordozóját döntően a termálvíz képviseli, amely a nagy vastagságú, több helyen 6 km-t is meghaladó üledékes kőzetösszletek porózus - permeábilis tartományait tölti fel. A

geotermikus

energiát

leggyakoribb

hasznosítási

helyei

a

balneológia

(gyógyfürdők), a lakossági, kommunális, mezőgazdasági létesítmények fűtése, amelyet a komplett hasznosítás megfelelő hőmérsékleti szintjén célszerű igénybe venni. Egy közelmúltban elkészített szakértői vélemény szerint Magyarországon több, mint kétmillió m2 felület (üvegház, fóliasátor) fűtött termálvízzel. A geológiai felmérés az észak-kelet- magyarországi régióban különösen Gyöngyösön és Poroszlón ítéli gazdaságosan létesíthetőnek a termálvizes fűtőrendszereket. A meglévő fűtési rendszerrel rendelkező lakó- és középületek fűtési és használati melegvíz-igényét a 80-90 °C-os hévizet adó kutakkal távhőszolgáltatási rendszerrel ki lehet elégíteni, ahol csak az úgynevezett csúcskazán működik földgázzal. Az új épületeknél

célszerű

az

úgynevezett

közepes-

és

kishőmérsékletű

fűtési

rendszereket (padlófűtések, légfűtések) kialakítani, mivel ezeknél a 60 °C feletti hőmérséklet-tartományba tartozó hévizek is jól felhasználhatók. 22

A

mezőgazdaságban

hévízzel

azok

az

alacsonyhőmérsékletű

szárítók

is

üzemeltethetők, amelyekkel a vetőmagok, szálas takarmányok, gyógynövények és zöldségek felesleg víztartalmát lehet eltávolítani. Az alacsony hőmérsékletű szárítás során, ahol 60 °C-nál magasabb hőmérsékletű hévízre van szükség, mert így a magvak megőrzik csírázó képességüket. Ez a szárítási módszer egyébként jól kombinálható a napenergia felhasználásával. A már említett alkalmazási területeken kívül a hévíz felhasználható az élelmiszeriparban is a különböző szárítási műveletekhez.

23

3

Energia-átalakító rendszerek

3.1

Erőművekről általában

Az erőművek olyan energiaátalakító technikai rendszerek, melyek bemenete valamely (nem villamos) energiahordozó, a kimenete pedig a villamos áram és/vagy az ún. kapcsolt energiatermelés esetén a távhőellátást biztosító forró víz vagy gőz. (Vannak speciálisan a távhőellátást biztosító ún. fűtőművek is.) A bemeneti energia lehet a víz mechanikai energiája, a fosszilis tüzelőanyagok kémiailag kötött energiája, vagy az atomenergia és még folytathatnánk a sort. A villamos áram és kinetikus energia termelésére szolgáló energia átalakító rendszerek jellemző működési egysége a turbina. A turbinák a hozzávezetett közeg szerint lehetnek: − Gőzturbina − Gázturbina − Vízturbina − Egyéb… A gőzturbinák a hozzávezetett víz vagy más folyadék gőzének hőenergiáját mechanikai energiává alakítják át. A gőzturbinában lejátszódó folyamatokat a termodinamikában a Rankine-Clausius körfolyamat írja le. Gőzturbinák csoportosítása: −

Egyes fokozatok működési elve szerint: akciós vagy reakciós

−

Teljesítmény és méret szerint: kis, közepes és nagy turbinák

−

Házak száma szerint: egy, két és többházas turbinák

−

Fordulatszámuk alapján: normál vagy gyorsforgású turbinák

−

Munkát végzett gőz „hovafordítása” szerint: Kondenzációs

turbina:

a

turbinából

a

fáradtgőzt

atmoszférikusnál kisebb nyomású térbe vezetik, ahol valamilyen hűtőközeggel cseppfolyósítják (kondenzáltatják). Ezeket a turbinákat túlnyomó részben csak elektromos energia előállítására alkalmazzák. Ellennyomásos atmoszférikusnál

turbina:

nagyobb

a

turbináról

nyomáson

távozó

valamilyen

fáradtgőzt hőfogyasztó

hőszükségletének fedezésére hasznosítjuk. Ez a turbina típus tehát nemcsak elektromos áram, hanem fűtőgőz előállításra is alkalmas. Az ellennyomás értéke 3-9 bar. 24

Előtétturbina : működési elve azonos az ellennyomásos turbináéval, ám az ellennyomás értéke nagyobb, 11 bar feletti. A gázturbinák működési elve azonos a gőzturbinákéval. A közvetítő közegként alkalmazott nagy hőfokú égéstermék vagy levegő hőenergiáját alakítja át a tengelyén levehető mechanikai munkává. Egy nagy különbség a gőz- és gázturbina között, hogy a gőzturbinánál a közvetítő közeg halmazállapot változáson megy keresztül, addig gázturbinák esetén a közvetítő közeg halmazállapota nem változik. Gázturbinák csoportosítása: -

Rendeltetés szerint: helyhezkötött vagy stabil turbina: hosszú élettartamra törekednek a telepítésénél jármű gázturbina: kis fajlagos súlyra törekszenek a megépítésükkor (pl. repülőgépek hajtómű turbinái)

-

Hőközléls lefolyása szerint: Lassú égésű gázturbina: lehet nyitott vagy zárt ciklusú. A nyitott ciklusú folyamatnál az égéstermék a közvetítőközeg, mely a ciklus befejeződtével az atmoszférába távozik. A zárt ciklusú gázturbinában a munkát végző közvetítő közeg egy teljesen zárt rendszerben keringő levegő; s a hőközlés hőátadó felületek keresztül történik. Robbanó vagy explóziós gázturbina

Víz- és egyéb turbinákat lsd. a későbbi fejezetekben. Az energetikában legtöbbször folyamatos energia-átalakító folyamatokra van szükség. A folyamatos energiaátalakítás csak körfolyamatokkal valósítható meg. A környezettel való egyensúly elérésekor a munkaközeg állapota nem azonos kiindulási állapotával, tehát megfelelő folyamatokkal vissza kell juttatni a kezdeti állapotba, hogy a körfolyamatot megismételhessük. Az energiaátalakításra alkalmazott körfolyamatok lehetnek: -

zártak (pl. hőerőművek vízgőz körfolyamata), vagy

-

nyitottak, ahol az állapotváltoz(tat)ási kör a környezeten keresztül záródik (pl. belsőégésű motorok).

25

1. Carnot körfolyamat: A hőnek mechanikai munkává (villamos energiává) történő átalakítását a hőközlés és hőelvonás hőmérsékletei befolyásolják. Adott hőmérséklethatárok között az átalakítás legnagyobb hatásfokát olyan körfolyamattal érhetjük el, amelyben mind a hőközlés (T1), mind a hőelvonás hőmérséklete (T2) állandó (izotermikus) és az energiaszállítás minden részfolyamata veszteségmentes (reverzibilis). Ez a Carnot-körfolyamat. T[°C] 1.

4.

Q1

T1=T4

T2=T3 2.

3.

Q2

s [kJ/kg]

Az energiatermeléshez közölt hőteljesítmény: •

•

Q 1 = T1 ∆ S

Hasznosan kinyerhető mechanikai (villamos) teljesítmény: •

PKE 0 = (T1 + T2 )∆ S

Az elvonandó, mechanikai teljesítménnyé át nem alakult hőteljesítmény (veszteség): •

•

Q 2 = T2 ∆ S Hőmérleg: •

•

Q1 = PKE 0 + Q 20

Az ideális villamosenergia-termelésre jellemző Carnot-hatásfok:

η KE = 0

PKE 0 •

Q1

•

=

•

Q10 + Q 20 •

Q1

= 1−

T2 T1

26

3.2

Erőművek csoportosítása

A nyert energia szerint: -

Hőerőművek - villamos energiatermelésre

-

Hőszolgáltató erőmű – hő- és villamos energia ellátásra

-

Fűtőmű – csak hőszolgáltatásra

A működtető energiaforrás szerint: -

Szén erőmű

-

Naperőmű

-

Szénhidrogén tüzelésű erőmű

-

Vízerőmű

-

Atomerőmű

-

Szélerőmű

-

Hulladékégetők

-

Gotermális

A következőkben a bevitt energiaforrások alapján csoportosított erőművekről illetve ezen energiák egyéb hasznosítási módjairól lesz szó. 3.3

Szénerőművek

3.4

Szénhidrogén-tüzelésű erőművek

3.5

Hulladékégetők

A hulladékégetés során a hulladék szervesanyag-komponensei a levegő oxigénjével reagálva gázokká, vízgőzzé alakulnak, és füstgázként távoznak a rendszerből. Az éghetetlen szervetlen anyag salak és pernye formában marad vissza. A különféle típusú és kémiai összetételű anyagok égetése az égetési viszonyokat igen bonyolulttá, az égési reakciót rendkívül heterogénné teszi. A kifogástalan égetéshez megfelelő hőmérséklet, áramlási viszonyok, tartózkodási idő és a szokásosnál nagyobb mennyiségű levegő bevezetése szükséges. A hulladékégetéses ártalmatlanításhoz a következők ismerete szükséges: -

Halmazállapot ( szilárd, folyékony, pasztás, kevert)

-

kémiai

összetétel

(szén,

hidrogén-,

oxigén-,

nitrogén-,

kén-,

víz-

és

hamutartalom, illetve fix szén, illóanyag tartalom) -

fűtőérték

-

sűrűség

-

fém-, halogén-, nehézfémtartalom

27

-

mérgezőanyag tartalom

-

szilárd hulladéknál szemcseméret eloszlás, anyagfajták szerinti eloszlás és maximális darabnagyság

-

folyékony hulladék esetén viszkozitás, gyulladás- és lobbanáspont, kémhatás, esetleges szilárd tartalom szemcsemérete

-

hamu olvadási jellemzői

-

mennyiségi adatok

A hulladékégetés technológiai lépései: -

átvétel és tárolás

-

hőhasznosítás

-

anyag-előkészítés

-

füstgáztisztítás

-

adagolás

-

salak- és pernyekezelés

-

égetés

A tökéletes, bűzmentes égés érdekében mindig biztosítani kell legalább 800 °C-t. A tűztér hőmérsékletének felső határát 1050 °C körülire választják. Mindebből látható, hogy a szemétégető kazánjának tervezésekor jóval több szempontot kell figyelembe venni, mint a fosszilis anyagokkal dolgozó hőerőművek esetében, mert ez utóbbiaknál az energiahordozó minősége –viszonylag - állandó. A hulladék minél jobb elégetéséhez az égéstérben az átkeveredéshez szükséges turbulens áramlási viszonyokat kell létrehozni. Ezt mechanikai módszerekkel (mozgó rostélyokkal, forgókemencével és bolygató rendszerekkel) lehet elérni. Minden szemétégető berendezésnél megtalálható a szemétszárító és előkészítő, a szemétbunker, az égető tér, a füstgázhűtő, a füstgáztisztító és a salakmentesítő. Hulladékok termikus ártalmatlanításának módjai: a. elégetés (tökéletes oxidáció megfelelően nagy légfelesleggel, λ>1) b. pirolízis (szétbomlasztás melegen, levegő nélkül, λ=0) c. elgázosítás (részleges oxidáció kevés levegővel, λ<1) Ahol λ a légfelesleg tényező: az égéshez szükséges levegőhányad. A három eljárástípushoz a hulladék fajtájától függően többféle berendezést, különféle reaktorokat használhatnak, melyet a következő táblázatban is láthatunk.

28

Termikus ártalmatlanítás alkalmazásának és módszereinek táblázata Folyamat

Hulladék

Termikus reaktor

Elégetés

Kommunális szemét Különleges ipari hulladék

Rostély, fluid ágy Forgó csőkemence, fluid ágy, olvasztótégely Fluid ágy, forgó etázskemence Forgó csőkemence, tolókemence, rostély Forgó csőkemence, fluid ágy Lebegőáramos, merevágyas, ciklonos és fluid ágyas elgázosító

Szennyvíztisztítási iszap Pirolízis

Kommunális szemét

Elgázosítás

Különleges ipari hulladék, Szennyvíztisztítási iszap Kommunális szemét, Különleges ipari hulladék, Szennyvíztisztítási iszap

Hulladékégető művek energetikai jelenősége, hogy az ártalmatlanításon felül távfűtési és használati melegvíz ellátó rendszerbe bekapcsolhatók. Villamos energia előállításra nem használják.

3.6

Atomerőművek

3.6.1 Urán és a maghasadás Az urán az egyik legnagyobb sűrűségű, természetes állapotban megtalálható elem, minden egyes atomja a hasadás szélén „egyensúlyoz”. Az uránnak különböző megjelenési formái vannak, melyek kémiai szempontból azonosak, ám atommagjuk különböző méretű. Ezek a különböző megjelenési formák az izotópok. Az egyik izotóp az urán-235, melynek atommagja 235 részecskéből áll. A másik izotóp az urán-238. A természetben 1000 uránatomból csak 7 urán-235, a többi urán-238. Az urán atom magjának csak egy kis „lökésre” van szüksége, hogy kettéváljon. Amikor a mag kettéválik, óriási mennyiségű energia szabadul fel. Ezt nevezzük maghasadásnak. ( Érdekességképp egy kis maroknyi urán ugyanannyi elektromos energiát termel, mint 70 t szén vagy 390 hordó olaj- 1 hordó=159 liter. Például egy 1 milliós város energiaellátását szolgáló atomerőmű 3 kg uránt fogyaszt naponta.) A maghasadást előidézhetik az atommagot körülvevő neutronok, melyek az atommagnak ütköznek. A hasadás során legalább két újabb, gyors neutron keletkezik- nagy hőtermelődés mellett-, melyek az atommagtól kirepülve újabb

29

atommagok hasadását idézik elő (. Ábra: maghasadás). A beindult folyamat szinte vég nélkül folytatódhat.

. ábra: maghasadás A reaktorok belsejében a fűtőanyag elemek vékony csövekbe töltött urániumdioxid gömböcskékből állnak. A csöveket függőleges kötegekben állítják be a reaktorba. A csöveket távtartókkal különítik el egymástól. A reaktorba került fűtőelemek akár három évig is a helyükön maradhatnak és még ekkor sem használódott el bennük az összes urán. Ennyi idő után azonban melléktermékek felhalmozódása kezdődik meg: kripton gáz vagy szilárd cézium, stroncium és plutónium. Mielőtt a melléktermékekből sok felhalmozódna vagy a fűtőelemcsövek a víz hatására korrodálódnának, a fűtőelemeket eltávolítják. Ezeket a fűtőelemeket egy speciális reaktorban újra feldolgozzák: elkülönítik a még hasadóképes uránt a plutóniumtól és a hulladékanyagoktól (Reprocesszálás). A plutóniumot ezután szintén az atomenergia ipar hasznosítja, mert az uránhoz hasonlóan hasadóképes. Az urán-238-as atommagja neutronnal ütközve nem hasad olyan könnyen, mint a urán-235-ösé. Az urán-238-as nagyobb valószínűséggel alakul át egy új elemmé: plutónium-239 izotóppá. Reaktorok esetében ez nem szerencsés, mert az urán-238-as az ilyen átalakuláskor sok neutront nyelnek el, mielőtt azok az urán-235 atommagjával ütköznének és beindítanák a maghasadást. A maghasadás beindításához két módszert is alkalmaznak:

− az egyik a dúsítás − a másiknál pedig moderátort használnak. A dúsításnál a természetes 7/1000 urán-235/ urán-238 –ra vonatkozó arányszámot 40/1000-re növelik. Ezt a fűtőelemek elkészítése előtt egy speciális centrifugában történik. 30

A másik módszer esetén a reaktorban a gyors neutronok mozgását moderátorral lassítják, így növelve a maghasadások beindulási esélyét (.ábra). Moderátorként nehézvizet vagy grafitot használnak. A nehézvíz molekuláiban a hidrogén atomot deutériumnak nevezett izotópja helyettesíti.

.ábra: moderátoros maghasadás

3.6.2 Atomreaktor működése A maghasadás által termelt hőenergiát lassan is fel lehet szabadítani. Ekkor a hővel vízből

gőzt

fejlesztenek,

mellyel

elektromos

áramot

termelő

generátorokat

működtetnek. A maghasadás hőjét két féle képpen vezethetik el a reaktorból. Az egyik, hogy vízzel nyeletik el a reaktor hőjét és gőz keletkezik. A másik módszer, hogy a reaktornak van egy ún. primer vagy nyomott vizes köre. Az ebben lévő nagyobb nyomású víz egy hőcserélő segítségével párologtatja el a szekunder körben lévő, légköri nyomású vizet. A szekunder körben keletkező gőzt vezetik a turbinára. A turbina generátort működtet, mely elektromos áramot állít elő. A következő ábrán egy nyomott vizes atomreaktor látható

31

Nyomott vizes atomreaktor

3.6.3 Radioaktív hulladékok tárolása A nagy rádióaktív sugárzású hulladék évezredeken keresztül is veszélyes marad, ám térfogata kicsi: egy 1000MW teljesítményű erőmű éves hulladéka 2 m3. Közismert, hogy a radioaktív hulladékok tárolásának kérdését máig nem sikerült megnyugtatóan rendezni, hiszen még napjainkban is olyan konténerekbe zárjuk e veszélyes anyagokat, amelyek százéves élettartamuknál fogva nem jelentenek valódi megoldást. A kutatások az utóbbi években egyre intenzívebben folynak, s egyre újabb és újabb lehetséges anyagokról számolnak be, melyek a sugárzó hulladékok tárolására szolgálhatnak. A soros jelöltek a komplex oxidok közé tartozó kerámiák, amelyek az anyagcsoportra alapvetően jellemző vegyi formulával írhatók le: két pár fémion és hét oxigénatom. A fémek pozitív töltésű kationjai méretüktől függően a rendezettség legkülönbözőbb fokát mutató struktúrát biztosítanak az anyagnak. A piroklórhoz hasonló anyag állítható elő például nagyon eltérő méretű ionpárokkal, melyek nehezen cserélnek helyet. Ezzel szemben a fluorittal összevethető, lazán rendezett szerkezetű kerámiát kapunk hasonló méretű fémion-párokból. A kerámiák feladatát napjainkban még az üveg tölti be. Az előkezelt és csak szilárd alkotó részeket tartalmazó hulladékot üvegképző anyagokkal keverik. A keveréket egy függőleges olvasztókamrában 1500 °C-ra hevítik. A kamra alján az üveg ömledék rozsdamentes acéltartályokba folyik, melyeket az üveg megszilárdulása után leforrasztanak. Ezeket a tartályokat speciális beton kamrákban vagy aknában tárolják, ahol folyamatos hűtést kell biztosítani, mert még ezután is hőt termelnek. A 32

következő ábrán a nukleáris hulladékot tartalmazó olvasztott üveget a platina olvasztótégelyből egy rozsdamentes acéltartályba.

Nukleáris hulladék öntése Az erősen radioaktív hulladékból öntött üvegtömb tárolására szolgáló hengeres acél tárolótartály a következő ábrán látható:

Üvegtömb és tárolótartály

3.7

Vízenergia hasznosítása

3.7.1 Vízerőmű A víz volt az a legrégebbi erőforrás, amit arra használtak, hogy csökkentsék az emberi és állati terhet. Nem lehet tudni biztosan mikor is találták fel a vízikereket, de az biztos, hogy a legrégebbi öntözőrendszerek kb. 5000 évesek. A vízikereket már az ókori Kelet országaiban: Egyiptomban, Kínában és Indiában is használták; vízimalmok pedig az ókori Görögországban és Rómában is működtek. A legkorábbi vízimalmok talán a függőleges tengelyű kukoricaőrlő malmok voltak, melyeket norvég ill. görög típusú malom névvel illettek.

33

A XVIII. század végére három vízikeréktípus volt használatban, amelyek a víz nyomómagasságában térnek el:

− alulcsapott vízikerék, melynél a lapátok belemerülnek az áramló folyóba, így szinte minden áramló vízben lehet használni. A hátránya azonban, hogy használhatatlan, ha a víz folyásiránya áradás miatt megváltozik

− felülcsapott vízikerék: itt a zárt lappátokra felülről érkezik a víz, ezért maga a kerék sokkal masszívabb mivel el kell bírnia a víz súlyát. Az áradások nem befolyásolják a működését, mivel a víz egy olyan csatornán keresztül érkezik a kerékre, amelyen egy zsilipkapuval szabályozható a víz mennyisége.

− középen csapott vízikerék: a víz itt is egy csatornán keresztül érkezik és kb. a keréktengelynél folyik a kerék lapátjaiba. Előnye, hogy nem szükséges olyan nagy esésmagasság, mint a felülcsapottnál, - ahol a beáramló és kiáramló víz magasságkülönbségének legalább akkorának kell lennie, mint a kerék átmérője. Az ilyen fajta vízikerekeket a bányászatban alkalmazták, ám a gőzgépek megjelenésével

háttérbe

szorultak.

További

alkalmazása

csak

Faraday

elektromágneses indukcióra vonatkozó felfedezése után merült fel, és nyitott újabb távlatokat a vízenergia hasznosítására. A víz energiájának hasznosítása a kezdeti időben azért volt korlátozott, mivel azt csak helyben tudták felhasználni. A fejlődésnek óriási lendületet adott a villamos energia termelésének lehetősége amely az energia nagyobb távolságra való szállítását is biztosította. Különböző típusú turbinákat fejlesztettek ki, melyek a különböző vízhozamú és esésmagasságú vizek energiáját a lehető legnagyobb hatásfokkal hasznosították. Vízturbina minden olyan erőgép, amely a folyadék munkavégző-képességét járókerék forgatásával mechanikai munkává alakítja. A víz a felvízből egy nyomócsövön keresztül lép be a turbinába annak nyomócsonkján keresztül. A turbina járókerekén, energiáját átadva mechanikai energiát közöl a járókerékkel, majd a szívócsövön keresztül az alvízbe ömlik

34

….ábra: duzzasztómű A turbinák járókerekén átáramló folyadék iránya szerint lehetnek:

− radiális, − axiális, − félaxiális. Attól függően, hogy a járókeréken való átáramláskor a víz nyomása megváltozik, vagy sem lehet beszélni reakciós ill. akciós turbinákról. Reakciós turbina például a Francis-turbina és a Kaplan-turbina, akciós a Pelton- és a Bánki-turbina. 3.7.1.1 Francis-turbina: Napjainkban

az

erőműveknél

leggyakrabban

a

Francis

turbinát

(….ábra)

alkalmazzák (1849). Itt a víz nyomócsonkon keresztül a támlapátokkal merevített csigaházban körbehalad a turbina kerületén, majd a szabályozás céljából állítható vezető-lapátkoszorún keresztül áramlik a járókerékre. A járókerék hajtja a vele közös tengelyre szerelt villamos generátort. A víz a szívócsövön keresztül áramlik a szabadba. A víz a járókerékre radiális irányban lép be és axiális irányba lép ki. A Francis-turbina a közepes esésű és közepes vízhozamú vízerőművek turbinája; a terhelésingadozásokat a lapátok állításával lehet követni. Fordulatszáma 60-450 (1/min)

lehet.

A turbina

járókerekének az alakja függ a fordulatszámtól.

Megkülönböztetünk lassú járású (n = 60-125), normál járású (n = 125-225) és gyors járású (n = 225-450) járókereket.

35

…ábra: Francis-turbina

3.7.1.2 Bánki turbina (…ábra) Bánki turbinát feltalálójáról Bánki Donátról nevezték el. A Bánki-turbina egy kétszeres átömlésű szabadsugár turbina. A kétszeres átömlés azt jelenti, hogy a vízsugár először a járókerék belsejébe kerül és innen — egy második átömléssel — a szabadba. Dob alakú járókerekében két tárcsa között köríves (hengerfelületű) lapátok vannak. A vízsugár a szabályozó nyelvel ellátott vezetőcsatornából, vagy vízszintesen, vagy függőlegesen a járókerék külső palástján lép be a lapátok közé, majd a lapátokon túljutva belülről újból átömlik a lapátkoszorún. Elsősorban törpe vízerőművekben alkalmazzák.

36

…ábra: Bánki turbina 3.7.1.3 Pelton turbina (…ábra) A Pelton turbinát 1880-ban szabadalmaztatta Lester Pelton. A turbinát a californiai gyorsfolyású

hegyi

vízerőművekben víztárolóból

folyókra

tervezte,

így

alkalmazzák.

Ideálisan

alkalmazható,

csővezetéken

keresztül

vezetik

a a

nagyesésű, vizet

ahol a

kis

vízhozamú

magasan

fekvő

mélyebben

fekvő

turbinaállomásra. A nyomócsövön érkező víz a szabályozótűvel ellátott sugárcsőből nagynyomáson lép ki a járókerék kettős kanalaiba. Fordulatszáma egy sugárcsővel 4-30 [1/min], több sugárcsővel 30-70 [1/min] is lehet. A vízhozamot a szabályozótű előre vagy hátra mozgatásával ill. a sugárlevágóval lehet szabályozni. E kettős szabályozással elkerülhetők a hosszú nyomóvezetékben kialakult nyomáslengések.

…ábra: Pelton turbina

37

Az ún. szárnylapátos vízturbinákra jellemző a nagy fordulatszám és az axiális átömlés. Elnevezésük onnan ered, hogy a járókerék lapátok a szárnyelmélet alapján méretezett profilokból vannak kialakítva. Három típusát különböztetjük meg: Kaplanturbina, propeller és Thomann turbina. 3.7.1.4 Kaplan-turbina (…ábra) Ennél a turbinánál mind a járókerék, mind a vezetőkerék-lapátjai állíthatóak. Összehangolt állításukkal elérhető, hogy a turbina nagy eséstartományokban jó hatásfokkal tudjon dolgozni. A víz a beton csigaházon a támlapátokon és a vezetőkerék állítható lapátjain keresztül - 90° -os irány elérést követően tengelyirányban érkezik a szintén állítható lapátú járókerékre, majd egy könyökszerű szívócsövön át jut az alvízbe. Kis vízszintkülönbségek, de nagy víztömegek energiájának hasznosításakor előnyös.

…ábra: Kaplan-turbina Vízerőmű létesítése: Ahol nagy esésmagasságok vannak, azok a helyek kiválóan alkalmasak vízerőmű építésére. Az energia hatékonyságot lehet növelni a felszíni adottságoknak megfelelően, ha például egy könnyen lezárható völgyben, vagy völgykatlanban, kanyonban völgyzárógátak segítségével megnöveljük a szintkülönbséget, és ugyanakkor egyenletessé tudjuk tenni a vízhozamot. A vízenergia nagysága mindig szorosan

összefügg

a

folyóvizek

vízjárásával

is.

A

vízierőművek

építése

szempontjából a kétperiódusú esős övezet a legkedvezőbb, ahol egyenletes a folyók vízjárása, pl. a Kongóé, az Amazonasnak a vízjárása rendkívül egyenletes. Az egyperiódusú esőzónában és a trópusi monszunéghajlat alatt már igen nagy eltérésekkel találkozunk, félévenként a vízhozam szakaszosságával kell számolni, pl. a Nílus, az Orinoco, a Gangesz is. Korszerű erőműveknél figyelembe kell venni az eljegesedést, a téli fagyást, a jégzajlást és még sok egyéb tényezőt is. Alacsony 38

hőmérsékletnél a folyók nem kapnak elegendő vizet még akkor sem, ha a tél egyébként

csapadékos.

teljesítmények,

de

nagy

A

völgyzáró

veszélyeket

gátak is

igen

hordanak

jelentős magukban.

kultúrmérnöki Igen

fontos

megvizsgálni a környezet geológiai viszonyait és a tervezést, előkészítést körültekintően kell megtenni.

3.7.2 Tározós vízerőmű A villamos energia nagyipari méretekben nem tárolható. A csúcsterhelések időszakában előnyös —a gyorsan indítható tározós vízerőművi egységek— használata. A tározós vízerőmű turbógenerátorai két irányban működnek. Éjszaka munkagépként a hálózatból felvett villamos energia felhasználásával vizet szivattyúznak egy magaslaton elhelyezett víztározóba. Nappal a csúcsterhelés időszakában a tározóból lefolyó víz hajtja meg a hidrogenerátort és termel áramot. (Magyarországon a Dömsöd és Dobogó között tervezett tározós erőművet nem építették meg.) Az alacsony esésű erőműveket többnyire beépítik a folyómederbe, pl. ilyen a tiszalöki erőmű. A középesésű erőműveknél szintén gyakori ez a megoldás, de az energia jobb kihasználása érdekében a folyóvizet nem egyszer elzárják gáttal és az erőművek külön épített mederbe, terelik. Az ilyen erőműveket üzemi víz csatornás erőműveknek nevezik. A nagyesésű erőművek építésénél különleges megoldásokat alkalmaznak, a víz esését többnyire duzzasztógátakkal (. Ábra:) növelik, amellyel a hasznosítható energia is növekszik. A következő két ábra tározós erőművet ábrázol; a Hoover gátat (. Ábrák:) az USA-ban:

39

. Ábra: Hoover-gát a Colorado folyón

. Ábra: Hoover-gát

. Ábra: Duzzasztó gátak

40

3.7.3 Árapály-erőmű Az árapály változását a Hold vonzása okozza, s a tengervíz szintjének periodikus ingadozását hasznosítják az árapály-erőművek. A 18. században Európa partvidékein malmok hasznosították az árapályhullámokat. A dagályhullámokat nyitott zsilipen keresztül egy tározóba engedték és az ár csúcspontján a zsilipeket bezárták. Apály idején a víz csak a vízikeréken keresztül tudott távozni, mely eközben mozgásba jött forgási energiát létrehozva. Árapály erőmű megépítésének egyik feltétele, hogy az árapály amplitúdója megfelelően nagy legyen (8-20 méter), s legyen olyan öbölszakasz, melynek torkolatát viszonylag rövid gáttal el lehet zárni. Az árapály erőművek turbináinak értelemszerűen mindkét irányban kell működniük. A világon a skóciai Fundy-öbölben a legerősebb az árapálymozgás; a szintkülönbség néhol a 18 m-t is eléri. Legújabb adatok szerint Wales-től délre megépítették a világ első víz alatti turbináját. Ez a kísérleti turbina a dagály esetén 20-30 m-es mélységben dolgozik és 2-3 m/s sebességet ér el. Mivel a teljesítmény a sebesség harmadik hatványával nő, ez a sebesség jelentős energiaforrás. Előnyösebb a nap és szélenergiával összevetve, hogy a tenger áramlása folytonos. További szempont, hogy a víz sűrűbb a levegőnél, így egy azonos méretű rotor a tengerben sokkal több energiát állít elő, mint a levegőben. A tengeri turbina tornya 50 m magas és 2,5 m átmérőjű. A 15 m mélyen a tengerfenékbe betonozott oszlop tengeráramlástól függően 5-10 m-re emelkedik ki a tengerből. A kétszárnyú rotor szárnyai 180°-ra vannak egymástól beállítva és percenként 15 fordulatot tesz meg. Érdekességként megemlítjük a hullámerőműveket is. Erőműről talán még túlzás ebben az esetben beszélni, a hullámzás energiáját bóják és világítótornyok áramtermelésére használják.

41

3.8

Napenergia-hasznosítás

A napenergia —végső soron— kétféleképp hasznosítható energetikailag a napkollektorokkal és napelemekkel.

3.8.1 Napkollektor A napkollektor (lat. collektio = összeszedés, gyűjtés) a nap sugárzási energiáját gyűjti össze, tárolja, leggyakrabban víz felmelegítésével. A legegyszerűbb napkollektor sötét színű tartály vagy csővezeték, amely a ráeső sugárzási energiát elnyeli és a benne tartott (vagy áramló) folyadéknak átadja, annak hőmérsékletét emeli. Ez idáig igen egyszerű, ha csupán egy balatoni üdülő kertjében lévő házilag barkácsolt zuhanyozóra gondolunk.

.ábra: Síkkollektor elvi vázlata A naperőmű "kazánjában" nagyméretű optikai gyűjtőlencsék, tükrök gyújtópontjában elhelyezett hőcserélőkben melegítik fel, illetve gőzölögtetik el a munkaközeget, általában vizet. További részeit tekintve a naperőmű —elvben— úgy működik mint egy hőerőmű. Annak

ellenére,

hogy

a

naperőmű

igen

tiszta,

szinte

nem

okoz

környezetszennyezést, építése mégis rengeteg problémát vet fel. Naperőművet csak olyan helyre érdemes építeni, ahol nagy a napos órák száma, elég erős a napsugárzás és még folytathatnánk a sort. Épült már néhány kisebb naperőmű, de a szakirodalom nagyobb jövőt jósol a napelemeknek. 42

Napenergia hasznosítás lehet: Aktív = napkollektorok, napelemek használatával valósul meg: Elsősorban melegvízellátás, villamos energia előállítás. Passzív

=

építészeti

eszközök

alkalmazását

jelenti:

üvegházak,

tájolás,

fűtéstechnika; mezőgazdasági hasznosítás, szárítók, aszalás.

3.8.2 Napelem A napelem a fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává átalakító technikai rendszer. Működése a több mint száz éve ismert fotoelektromos hatáson alapul. A fotoelektromos elemek két alapvető rétegből épülnek fel. Az egyikben a fény elnyelésekor töltéshordozók keletkeznek, a másik réteg pedig potenciálgát, amely ezeket a töltéshordozókat szétválasztja. Erre a célra jól használhatók a szalagformára növesztett szilícium egykristályok. A szalag vastagsága néhány tized mm, a záróréteg néhány µm-re a felszín alatt található. A megvilágításkor a fényenergia hatására a felső rétegben töltéshordozók keletkeznek. Minden félvezető csak meghatározott energiaszinttől képes elnyelni a fényt. A létrejövő elektron lyukpárok a hőmérséklettől függő mértékben szétválnak és a záróréteg két oldalán növekszik a potenciálkülönbség, ami a szilíciumlapka két szemközti felülete között elektromos feszültséget idéz elő. A napelemek az űrkutatásban játszottak fontos szerepet, műholdak, űrállomások biztonságos energiaforrásai voltak. Ma már egyre több fogyasztási cikkben is megjelennek, mint pl. a számológépek és az órák. A napelemek alkalmazásának további főbb területei a következők:

− Lakóházak, tanyák áramellátása. − Közszükségleti cikkek, pl. számológépek, órák, játékok, rádiók, televíziók, akkumulátortöltők áramforrásának biztosítása.

− Helyi telefonközpontok áramellátása. − Villamos hálózattal kapcsolatban lévő energiatermelő rendszerek kialakítása. Ezeknél a fényelemmel szolgáltatott áramot elektronikus módszerrel váltóárammá alakítják, ezt először 800 V-ra, majd 20 KV-ra transzformálják, és az áramot betáplálják a közüzemi hálózatba.

43

− Napenergiával különböző járműveket is üzemeltetnek, pl. elektromos autókat, motorcsónakokat,

repülőgépet.

Napsugárzásból

fényelemekkel

előállított

árammal üzemeltethető elektromos autó

3.8.3 Naperőművek A legtöbb naperőmű hasonló elven működik, azaz egy hőátadó folyadékkal a hőt egy klasszikus erőműben alakítják át villamos energiává. A szárazgőz az erőművi technológiák alapja, nagy nyomású és magas hőfokú (kb. 10 bar 395 °C) vízgőz, ami a turbinát meghajtja. ( a "normál" gőzből túl gyorsan kicsapódik - kondenzálódik, és a vízcseppek gyorsan "megeszik" a turbinalapátokat). Ezen az elven működő erőműtípusok:

−

napteknő,

−

naptorony,

−

naptányér.

3.5.2.1. Napteknő : Teknő alakú tükrök követik a Nap mozgását, a tükrök fókuszában egy cső található, benne hőátadó folyadék kering és veszi fel a hőt.

…Ábra :A napteknőt felépítő tükör kialakítása A …. ábrán látható parabola egy speciális görbe, ami az alábbi képlettel írható le: y = Ax2 + Bx + C

44

Ha tükörfelületet hajlítunk parabola alakra, akkor egy fókuszpontot kapunk, ahová az összes visszaverődő fény koncentrálódik. A fókuszpontba kell elhelyezni a gyűjtőt, ami egy abszorber (fényelnyelő) anyaggal bevont cső, melyben hőátvevő folyadék kering. Az abszorber elnyeli a napfény nagy részét, és hővé alakítja, melyet átad a folyadéknak. Ha az abszorberrel bevont csövet, vagy csöveket vákuumcsőben helyezzük el, a cső felületén keletkező hő csak a folyadék irányába tud elnyelődni, így a hatásfok tovább növelhető. További hatásfoknövelést eredményez, ha a teknőt napkövető rendszerrel látják el. A …. képen egy Kaliforniában megépült naperőmű elvi sémája látható. Ha letakarjuk a séma bal oldalát, akkor egy szimpla gázfűtésű hőerőművet látunk az ábrán. Az elv gyakorlatilag azonos. A napenergia vagy a gázkazán által megtermelt hő hőcserélőkön keresztül szárazgőzt termel, ami a turbinát meghajtja. A turbina által megforgatott és a hálózatra szinkronizált generátor termeli az áramot. A turbináról a gőz a kondenzátorba kerül, ahol a hűtővíz egy hőcserélőn keresztül lehűti. A hűtővíz a hűtőtoronyban leadja a felvett hőt, a kondenzvíz pedig ismét a hőcserélőhöz kerül, ahol vagy a napenergia vagy az elégetett gáz hőjét veszi fel. A teknő alakú tükrök fókuszpontjában egy cső található, ami a visszavert napsugarakat elnyeli, és a keletkezett hőt a benne áramló hőátadó folyadéknak továbbítja. A "teknők" napkövető mechanizmussal mindig a Nap irányába fordulnak, így ha süt a Nap, az erőmű is működik. A hőátadás két lépcsőben történik. A már részben lehűlt hőátadó folyadék a gőzgenerátorban elgőzölögteti a kondenzvizet, majd az így keletkező gőz hőmérsékletét emeli tovább a hőcserélőben a magas hőfokú folyadék, és ezáltal szárazgőzt állít elő.

45

.ábra: napteknős napeőmű 3.8.3.1 . Naptorony : Koncentrikus körökbe telepített nagy felületű és napkövető síklap tükrök irányítják a visszavert fényt a középpontban álló torony tetejére. Itt egy tartályban található a hőátadó folyadék, ami felveszi a hőt. A ….ábrán a Boeing által kifejlesztett naptorony erőmű sémája látható. Ennél a konstrukciónál a hőátadást hevített só látja el. A sót a jobb oldali tartályból szivattyúzzák fel a toronyba, ahol a rá irányított tükrök (heliostat-ok) által termelt hőt veszi fel. Innen először egy tárolótartályba, majd egy hőcserélőhöz szivattyúzzák a sót, ahol vizet melegít fel szárazgőzzé, és a gőz egy turbinát hajt meg.

46

….Ábra A Boeing eddig három ilyen erőművet épített, kettőt Kaliforniában (Barstow, CA), egyet pedig dél-Spanyolországban. A legújabb toronyerőművet (….ábra) a kaliforniai Mojave-sivatagban állították fel. A telep tükröző felülete 40 hektár és összesen 1818 körkörösen elhelyezett tükör irányítja a napsugarakat a 78 m magas torony tetején lévő kazánra. Ez a kaliforniai telep elegendő energiát ad egy kisváros lakossági igényeinek kielégítésére.

…..Ábra 3.8.3.2 Naptányér : Több korong alakú homorú tükröt mozgat egyszerre a napkövető állványzat. A tükrök közös fókuszpontjában veszi át a hőt a hőátadó folyadék. A …ábrán a naptányér kialakítása látható.

47

…..Ábra: naptányér kialakítás A kollektor tányér az abszorberre irányítja a napfényt, mely összegyűjti és hővé alakítja

át

azt.

A

keletkezett

hőt

a

hőkezelő

berendezés

által

lehet

továbbtranszformálni.

3.8.4 . Egyéb napenergia hasznosítási módok 3.8.4.1 Napkémény (termikerőmű) kialakításánál nagy földterületet borítanak kör alakú üveg vagy műanyagszerkezettel, ami a kör közepének irányába magasodik. Középen egy magas torony található, itt található vagy találhatók a szélturbinák. …ábra

….ábra: Termikerőmű kialakítása A kör és a földfelszín között a levegő képes cirkulálni. Napsütés hatására az üveg (vagy műanyag) alatt található levegő felmelegszik, és mert a meleg levegő

48

könnyebb, mint a hideg, a torony irányába kezd áramlani, helyét átadva a perem felől érkező hideg levegőnek. A toronyban a meleg levegő felszáll, mozgásával a turbina lapátjait megforgatja. A turbinához generátor csatlakozik, mely a mozgási energiát villamos energiává alakítja. …..ábra

…ábra: termikerőmű turbinája Az első termikerőművet Spanyolországban építették. Ez a napkémény 1986 júliusától 1989 februárjáig gyakorlatilag megszakítás nélkül üzemelt, teljesítményének csúcsértéke 50 kW. A kollektorának átmérője 240 méter, felülete 46.000 m2. A kémény átmérője 10 méter, magassága 195 méter. Ilyen erőművet ott érdemes létrehozni, ahol a napsugárzás mértéke eléri a 2.5MWh/m2 értéket. Egy 5 MW teljesítményű erőműhöz 1100 m átmérőjű kollektor szükséges, a kémény magasságának el kell érni a 445 métert, átmérőjének a 27 métert. Egy 200 MW-os erőműhöz ugyanezek a paraméterek: 5000 m átmérőjű kollektor, 1000 méter magas, és 150 méter átmérőjű kémény. A kéményben a légáram sebessége 8 m/s, ha a turbina és a generátor üzemben van, enélkül 15 m/s. Egy olyan termikerőmű, melynek a kollektorának az átmérője 7000 m, egy olyan területen, ahol a napsugárzás értéke eléri a 2.3MWh/m2, egy év alatt körülbelül 700800 GWh energiát termelhet. Ezzel az energiamennyiséggel egy nukleális erőművet képes kiváltani. 3.8.4.2 Naptó Alapjában véve a napsugárzás hőenergiájának tárolására szolgálnak. A naptó működési elve egyszerű: a meleg levegő vagy víz fölfelé áramlik, ennek látványos példája a hőlégballon. Normál tavaknál a felmelegedő víz a felszínre áramlik, és ott 49

elveszti a hőjét, átadva azt az atmoszférának. Ebben az esetben a tó hőmérséklete többé-kevésbé megegyezik a levegő hőmérsékletével. A naptó ezt a hőt akadályozza meg a felszínre jutásban, azáltal, hogy az alsó rétegében oldott só található, így ez a víz túl nehéz ahhoz, hogy a felszínre áramolhasson.

…ábra: A naptóban három vízréteg található. A felső réteg a felületi zóna. Ennek a hőmérséklete megegyezik a levegő hőmérsékletével és csak enyhén sós. Az alsó réteg nagyon meleg, 70°– 85° C-os, és nagyon sós. Ez a réteg gyűjti be és tárolja a hőt. E között a két réteg között található az elválasztó zóna. Ebben a zónában a só koncentrációja a mélység arányában csökken. Ebben a zónában a víz nem áramlik, és a só koncentrációja alacsony, ezáltal a réteg világos. Az alsó réteg sókoncentrációja magas, és a középső réteg által áteresztett fényt elnyeli, hővé alakítja. Gyakorlatilag egy fénycsapdaként működik ez a réteg, és mivel a só miatt nem tud feláramolni, a hőt eltárolja. Naptó létrehozása ott előnyös, ahol a só olcsón beszerezhető, könnyen utántölthető az elpárolgó víz - lehetőség szerint tengervízzel, a napsugárzás intenzív és a terület (telek) ára sem lehet magas. A Bhuj naptó Indiában található, 1987-ben hozták létre. Jelenleg ez a legnagyobb működő naptó. Területe 6000 m2. A tó 100 méter hosszú, 60 m széles és 3,5 m mély. A vízbe 4000 tonna sót oldottak fel. Átlagos hőfoka a víznek egész évben 75° C. A következő táblázat a fent említett napenergia hasznosító berendezések néhány műszaki adatait tartalmazza: 50

Jellege:

farm

farm

torony

Kollektor típusa:

teknő

tányér

torony

Koncentrálóképesség

10...100

100...600

100...1000

Elnyelő hőmérséklet

150...350

400...900

450...1200

6...12

8...20

15...25

20...10

16...6

8...5

80...40

60...25

40...20

thermo-olaj

thermo-olaj

-

szerves

víz,

víz, levegő,

folyadék,

gáz

hélium,

(°C) Hatásfoka (%) Kollektorra

vetített

teljesítménye m2/kW Beépített vetített

felületre teljesítménye

2

m /kW Hőtőfolyadék Munka

(hőátvevő)

folyadék

víz Turbina típusa

nátrium

csavaros,

csavaros,

gőzturbina,

gőzturbina

gőzturbina,

gázturbina

Stirling-motor

3.9

Szélenergia hasznosítás

3.9.1 Szélkerék Ezek a viszonylag hagyományosnak mondható egyszerű berendezések mechanikus energiát állítanak elő, melyet elsősorban víz szivattyúzására használnak. A szélkerekek különböző fémekből készülnek, amelyek rendkívül ellenállóak a különféle időjárási viszonyoknak. A rotor lapát jellemző anyaga alumínium, míg a tartószerkezet általában acél. Magasságuk 5-15 méter között lehet, míg a lapátok száma 18-30 között változhat a mérettől és így a teljesítménytől függően. 51

.Ábra: Szélkerék A szélirányba való fordulásról a szélkerék tengelyére erősített függőleges vezérsík gondoskodik. Hazánkban ezek a szélgépek a legelterjedtebbek, főleg az alföldi térségeken. Itt kell említést tenni a malmokról. Legkorábbi történelmi emlékeink a perzsákig datálhatók vissza. Az oldalt látható un. vertikális (függőleges) tengelyű szélmalom az ő alkalmazásukban állt, körülbelül 200-ban, Perzsiában (a mai Irán területén). Ennek a szerkezetnek a karjait vitorlákkal szerelték fel, és gabonájuk őrlését a szélre bízták. 3.9.1.1 Malmok vízszivattyúzásra A horizomtális tengelyű szélmalmok először a mediterrán égtájakon, a tizedik században bukkantak fel, és terjedtek el, a La mancha-i lovag által eléggé elítélt módon. Ezeket a szerkezeteket víz szivattyúzására és gabonaőrlésre alkalmazták.

52

.Ábra: Az első szélmalmok Ennek az alsó ábrán látható szélmalomnak 25 méteres átmérőjű lapátjai vannak, és körülbelül 30 kW energiát tud kinyerni a légáramokból. Ez körülbelül a negyede a hasonló méretű modern szélturbinák által kinyerhető energiának. Ezek a malmok akkoriban meglehetősen széles körben terjedtek el, csak Hollandiában 9000 lehetett belőlük, összkapacitásuk elérte a 250 MW mechanikai erőt. Napjainkig körülbelül ezer malom élte túl a történelem tombolását. Hollandiában vannak olyan területek, melyeket a tengertől hódítottunk vissza mélyföld - és a tenger áradásokkal követeli vissza a jussát. Ezeknek a területeknek szeles az időjárásunk. Ezeken a belvizes területeken alkalmazták a vízemelő szélmalmokat.

.Ábra: Vízemelő szélmalmok A szélmalmokat rendszerint csoportokba szervezték. A mélyebb területekről kiindulva általában 5 lábanként (kb. 1,6 méterenként) telepítettek egy malmot. Általában három egymást követő malom után következik egy körcsatorna, ahová az egy szinten található csoportok egyszerre "dolgozhatnak", és ebből a csatornából a magasabban fekvő szélmalomcsoportok emelik tovább a vizet. A nagy malmokkal szemben a réti malom (….ábra) nem a körcsatornákra "dolgozik", hanem csak kisebb feladatokat, - pl. mélyedésekből kell kiszivattyúzni a vizet - lát el. 53

Jellemzően nem nagyobb 10 - 13 lábnál (3 - 4 m). Ezek a kicsi malmok a 19. század elején nyertek teret és mind a mai napig fellelhetők, jellemzően az Észak-Holland területeken.

…Ábra: Réti malom szivattyúzásra Ezek a … ábrán vázolt szerkezetek gyakorlatilag önjáróak, a vezérsík segítségével beállnak a szélirányba. A vízemelést egy örvényszivattyú (centrifugális szivattyú) végzi, a forgatónyomatékot a három- vagy négytollú fából készült szélkerék adja. 3.9.1.2 A gabonamalmok (…Ábra) A toronymalmok rendszerint terasszal épültek, gyakran láthatók régi belvárosokban, rendszerint a városfalra épültek. Téglából épül a falazatuk, átmérőjük általában 30 láb (10 m). több szoba és helység található bennük. Az alsó szinten a bejárati ajtót lovas szekerekre méretezték, itt érkezett a szemes gabona és távozott a liszt. A szemes takarmányt csörlő segítségével először a magtárba húzták fel. A szinteken önzáródó csapóajtók találhatók, melyek csak felfelé engedték mozogni a zsákokat, visszafelé záródtak. A zsákokból a gabonát a garatokba töltötték, innét került az őrlőkövek alá, majd a liszt átszitálás után, többnyire finomság szerint válogatva került a lisztes zsákokba.

54

…Ábra: Gabonamalmok és felépítési vázlatuk 3.9.1.3 Fűrészmalom (…Ábra)

.Ábra: Fűrészmalmok 55

Fűrészmalom felépítése

3.9.2 Kisteljesítményű szélturbina A kis szélturbinák elektromos áramot állítanak elő. Méretükre jellemző az 5-30 m közötti toronymagasság. A rotor lapátok hossza általában 0.5-3 méter között változik. Teljesítményük néhány Wattól néhány 10 kW-ig terjedhet, mely teljesítmény elegendő energiát szolgáltat egyszerűbb berendezések üzemeltetésétől kisebb gazdaságok ellátásáig. A turbinák lapátjai kezdetben fából, illetve fémből készültek, ma már üvegszálból, kevlárból, karbonszálas anyagból készítik a kedvezőbb tulajdonságaik miatt. A kis teljesítményű szélgépek esetében a rotor lapátok elhelyezése lehetséges a függőleges, valamint a vízszintes tengely mentén is. (2. kép)

56

A gépek általában úgy vannak megtervezve, hogy 2-3 m/s szélsebességnél kapcsoljanak be. A maximális teljesítményt - gyártmánytól függően - 12-20 m/s-nál adják le, biztonsági okokból pedig 25 m/s-nál automatikusan kifordulnak szélirányból és leállnak. A gyártók jellemző műszaki paraméterként megjelölik az ún. "túlélési" szélsebességet is, amelyet a berendezés sérülés nélkül elvisel, ez általában 60 m/s. A turbina által megtermelt elektromos áramot egy inverter (átlalakító) segítségével a tulajdonos közvetlenül felhasználhatja. Adódik viszont a kérdés: mi van abban az esetben, ha a turbina több elektromos áramot termel, mint amire az adott pillanatban szükség van, illetve ha nem fúj a szél? Alapvetően e problémára két széles körben elterjedt megoldás van: 1. A "felesleges" többlet energiát akkumulátorokban tárolják. Ez a megoldás abban az esetben rentábilis, ha a ház messze esik az elektromos hálózattól például tanyás területek -, ugyanis annak kiépítése igen költséges. Itt meg kell jegyezni, hogy az akkumulátorok használata nem környezetbarát megoldás, de távol az elektromos hálózattól ez a lehetőség marad számunkra. 2. A megtermelt és fel nem használt elektromos energiát a villamos hálózatba visszatáplálják. Ebben az esetben külön megállapodást kell kötni az áramszolgáltató vállalattal a megtermelt áram átvételéről, a hálózatra való csatlakozás műszaki feltételeiről, valamint a szolgáltató által fizetendő átvételi árról.

3.9.3 Szélerőművek Ezeket a hatalmas gépeket elsősorban vidéki, mezőgazdasági területekre telepítik, bár az utóbbi időben már városi körülmények között is láthatóak. A szélerőművek

57

névleges teljesítménye 100 kW - 3 MW között változhat. Méreteiket tekintve is jelentősek, hiszen magasságuk meghaladja a 40 – 120 m-t, a rotor átmérője pedig 30-60m-t is elérheti.

Szélturbinák

Szélturbina típusok A habverőre emlékeztető gépek szalag alakú lapátjai egy forgó tengelyre vannak felerősítve. Ezzel a konstrukcióval a teljesen kiküszöbölhetők

a szélirány

változásából adódó problémák. Előnyük továbbá, hogy a generátor nehéz gépezetét az oszlop teteje helyett a földön lehet elhelyezni. 58

A legújabb fejlesztések nyomán Németországban mutatták be azt a szélturbinát, amelynek a maximális teljesítménye meghaladja az 5 MW-ot, a magassága pedig eléri a 130 métert. Németországban, Dániában bevett szokás, hogy a földdel rendelkező farmerek önkéntes alapon szövetkezetekbe tömörülve saját földjeiken valósítanak meg szélerőműves beruházásokat, a turbina által megtermelt áramot pedig közvetlenül értékesítik az áramszolgáltatónak. A szél energiáját sikeresen aknázzák ki főleg Ausztria keleti felében. A hegyeshalmi határátkelőhöz közel (Zurndorf térsége) már láthatók azok a szélturbinák, amelyek az utóbbi néhány év fejlesztései nyomán kerültek a helyükre. Nyugati szomszédunknál

a szél

segítségével előállított elektromos energia 2002. őszén meghaladta a 100 megawatt teljesítményt. Magyarországon 3 helyszínen összesen 4db ilyen gép található. Az első berendezést a Várpalota - Inotai Hőerőmű területén állították fel. Kulcs községben található az első kereskedelmi céllal létrehozott szélerőmű, valamint 2002. végén Mosonszolnok határában állítottak fel 2 turbinát. Az osztrák példa jól mutatja, hogy kontinentális viszonyok mellett is van lehetőség a szél energiájának hasznosítására, így várható hogy a közeljövőben Magyarországon is nagyobb számban jelennek meg ezek a környezetbarát energiatermelő megoldások.

3.10 Geotermikus energiahasznosítás

3.10.1 Hőszivattyú működése, jelentősége A geotermikus energia hasznosításában segítenek a hőszivattyúk. A hőszivattyú tulajdonképpen a hűtőszekrény működési elvét követi, csak "fordítva van bekötve". A hőszivattyú előnye, hogy napsütéstől és évszakoktól függetlenül üzemkész, illetve környezetre káros emisszió és szennyezést nem okoz, mivel a berendezések üzemelése során nincs égés. Hátránya, hogy függ a villamos hálózattól, az összenergia harmadát, negyedét teszi ki a villamos energia.

59

…Ábra: hűtőgép működési sémája A hűtőszekrényben egy speciális folyadék áramlik, kívül hőt ad le, belül pedig hőt vesz fel. A kitáguló illetve elpárolgó közvetítőközeg hőt vesz fel környezetéből, az összesűrített közvetítőközeg pedig hőt ad le. Tehát a hűtőszekrényben felvett hő jó részét a hűtő hátoldalán végigfutó rácson adja le a készülék. …Ábra Hogyan lehet ezt a folyamatot megfordítani? Egy ún. földszonda a Föld hősugárzását használja ki, azaz télen-nyáron egyenletes hőmérsékletet biztosít a keringő folyadék számára. A folyadék lehűlt állapotban érkezik a szondába, és ott a környezeti hő melegíti fel. Ez a "felmelegített" folyadék egy hőcserélőbe jut, ahol átadja hőjét a közvetítőközegnek (mint a hűtőszekrényben), ami lecsapódik, és felveszi a továbbított hőt. A szivattyú ezután továbbítja ezt a lecsapódott közeget a másik oldali hőcserélőbe, mely a fűtés felé adja át hőjét. A hőszivattyús rendszer tehát a környezeti hőt használja fűtésre, melegvíz ellátásra. …Ábra

..Ábra: Hőszivattyús fűtési rendszer

60

Hőszivattyúk típusai lehetnek:

−

Levegő - levegő típus

−

Levegő - víz típus

−

Víz - víz típus

−

Víz - levegő típus

3.10.2

Geotermikus energiák

Jelenleg hazánkban több, mint 200 hévízkutat használnak a fürdők, gyógyfürdők vízellátására. A hévizek gyógyturizmus (balneológiai) céljára történő hasznosítása sok példát lehet említeni, ám a fürdők hulladékhőjének hasznosítására kevés a példa. A termálmezőkről a víz nem minden esetben jut ki a szabadba, ilyenkor a szivattyúzás a megfelelő módszer a felszínre juttatásra. A már kihűlt vizet egy injektoron keresztül juttatjuk vissza a mélybe, így megelőzve forrásunk elapadását. Ez a módszer meglehetősen költségigényes, ezért minél sokoldalúbban kell élni a rendelkezésre álló hővel. A lakóházaknál "elhasznált" vizet még gazdasági épületek, halneveldék fűtésére tovább lehet használni. A visszajutó kihűlt vizet először hőcserélőn keresztül melegíti fel a termálvíz, majd, ha ez nem elégséges, egy hőszivattyú is rásegíthet a hőátadásra. A következő ábra a termálvíz hasznosítás egyik módját szemlélteti.

termálvíz hasznosítás ….ÁBRA

61

3.10.3

3.7.1 Talajszonda

A talajszondák a Föld mélyebb rétegeibe nyúlnak le, mélységük jellemzően 30 - 100 méter között mozog. Általában "dupla U" típusú szondát alkalmaznak (PE csövek) , 2 elmenő és 2 visszatérő összeállításban. A szonda felső végére, a szondafejre csatlakoztathatók a betápláló vezetékek. A szondát jó hővezető folyadékkal, például betonittal töltik fel. Körülbelül 15 m mélység alatt a hőmérséklet állandó, az évszakok változása nem befolyásolja, ám a felszínre érkező víz hőmérsékletét hőszivattyúval meg kell emelni.

.Ábra: talajszondás hőhasznosítás

3.10.4

3.7.2.Talajkollektor

A talajban két méternél mélyebbre nem érdemes lefektetni a csövet, ugyanis nevével ellentétben ("geotermikus") főleg nem a földhőt, hanem inkább a napsugárzásból adódó - felszínközeli - hőenergiát aknázza ki. Hátránya lehet, hogy a hőmérséklet még nem elégséges épületfűtésre, ezért hőszivattyúval kell a hőmérsékletet megemelni.

62

.Ábra: talajkollektor

3.10.5

HOT-DRY-ROCK

Persze előfordulhat, hogy a forró sziklát már megleltük a mélyben, de víznek még nyoma sincs. Kézenfekvő a megoldás: juttassuk oda a vizet. A technológia lényege, hogy egy közeli folyóból / tóból vizet szivattyúznak ki, megtisztítják, és nagynyomású szivattyúval a mélybe juttatják. Ott a forró kőzeteken elpárolog, és nagy nyomású gőzként tér vissza a felszínre, ahol turbinát forgat meg, és a turbinához tartozó generátoron keresztül áramot termel. A kihűlt vizet visszanyomják a mélybe. Ezeknél a berendezéseknél komolyabb problémát vet fel, hogy a vizen kívül sok egyéb más anyag is a felszínre kerül a mélyből: CO2, H2S, NH3, radon stb. A HDR technológia az alapja különböző iparágak hőhasznosítási rendszereinek

63

..Ábra:

3.10.6

Zárt rendszerű geotermikus energiahasznosítás

A fenti probléma kiküszöbölése

3.10.7

Gejzírek energiájának hasznosítása

64

3.10.7.1

Dry Steam (szárazgőz) technológia:

A dry steam erőművek olyan esetekben használhatók, amikor a mélyből közvetlenül cseppmentes gőz jut a felszínre, amit közvetlenül a turbinához lehet vezetni. A turbinához csatolt generátor termeli a villamos áramot. A turbináról érkező alacsonyabb hőmérsékletű gőz a kondenzátorban csapódik le, a turbina felé ezzel egy szívóhatást biztosítva. Ezt a melegvizet egy injektor juttatja a mélybe. A kondenzátor hőcserélőjéből kiáramló felmelegedett hűtővizet a hűtőtornyokban ellenáramú légáramlattal hűtik le, majd keringetőszivattyúk juttatják vissza a kondenzátorba. A kapcsolási vázlat a következő ábrán látható:

…ábra: szárazgőz technológia Ez a technológia gyakorlatilag azonos egy "klasszikus" erőműben alkalmazottal, hatásfoka alacsony, körülbelül 30% körül mozog. Problémát jelenthetnek még a gőzzel a felszínre érkező gázok is, például a széndioxid, vagy a kénhidrogén. Ezeket a gőzből le kell választani, amennyiben mennyiségük zavarná a technológiát, de ez további költségeket indukál. Ezen a technológia teljesítménye jellemzően a 35MW - 120 MW között mozog. Az Egyesült Államokban és Olaszországban találhatók a legnagyobb ilyen jellegű erőművek. A kaliforniai gejzírmezők is ezzel az eljárással aknázhatók ki; itt található a világon a legnagyobb geotermikus potenciál, aminek 1,100MW a becsült értéke. 65

Feltörő gejzírgőz

3.10.7.2

Flash Steam (kigőzölögtető) technológia

A flash steam erőművek a magas hőmérsékletű, cseppfolyós vagy részben cseppfolyós kőzetvíz esetén alkalmazhatók.

Feltörő kőzetvíz A kőzetvíz egy felszínen lévő tartályba jut, ahol a nyomáscsökkenés hatására gőz keletkezik, és ez a gőz kerül a turbinára. A turbinához kapcsolt generátor áramot fejleszt, a turbinából kiáramló gőz a kondenzátorba jut, ahol lecsapódik, ezzel egy szívóhatást gerjesztve a turbina felé. Az innen kijutó magas hőmérsékletű víz távfűtésre alkalmazható, majd visszajut a mélybe egy nyomószivattyún keresztül. A kondenzátor hőcserélőjéből kiáramló felmelegedett hűtővizet a hűtőtornyokban ellenáramú légáramlattal hűtik le, majd keringetőszivattyúk juttatják vissza a kondenzátorba. A következő ábrán a kapcsolási vázlat látható:

66

…ábra: kigőzölögtető technológia Az erőműbe jutó kőzetvíz több lépcsőben, több nyomásszinten is kigőzölögtethető, így a technológia több fokozatú is lehet. Ebben az esetben minden egyes szinthez külön turbinakört kell létrehozni. Ezekre az erőművekre a 20 - 25%-os hatásfok jellemző. A generátorok méretezése jellemzően a 10 MW - 55 MW határokon belül mozog, de sok országban, például Mexikóban és a Fülöp-szigeteken a 20 MW-os generátort tekintik standardnak. 3.10.7.3

Organic Rankine Cycle (szerves folyadék ciklusú) technológia vagy

Binary Cycle (bináris ciklusú) technológia Ez az erőműtípus alacsonyabb hőmérsékletű geotermikus forrásoknál alkalmazható, illetve, ha a felérkező víznek túl magas az ásványi anyagtartalma. Ebben az erőműben a felszínre érkező víz nem kerül közvetlenül felhasználásra, hőcserélőn adja át energiáját majd visszaszivattyúzzák. A hőcserélőben egy alacsony forráspontú folyadék veszi át a hőt, amely ezáltal gőzt fejleszt, és a turbinára kerül. A turbinához kapcsolt generátor áramot fejleszt, a turbinából kiáramló gőz a kondenzátorba jut, ahol lecsapódik, ezzel egy szívóhatást gerjesztve a turbina felé, majd ez a folyadék áramlik vissza a hőcserélőhöz. 67

A kondenzátor hőcserélőjéből kiáramló felmelegedett hűtővizet a hűtőtornyokban ellenáramú légáramlattal hűtik le, majd keringetőszivattyúk juttatják vissza a kondenzátorba. A hűtőrendszer vizét külső forrásból kell biztosítani. A következő ábrán a kapcsolási vázlat látható:

…ábra: ORC, szerves folyadék ciklusú) technológia Kísérletek folynak, hogy a flash steam erőművet ki lehet egészíteni az ORC eljárással, az így létrehozott hibrid erőműben az elhasznált vízből az ORC eljárással további energia nyerhető ki. Ilyen hibrid erőmű üzemel például Új-Zélandon. 4

Energiaelosztó rendszerek

68