ENERGIATERMELÉS
Dr. Pátzay György
MI AZ ENERGIA? Az energia változásokat idéz elő. Hajtóerő, mely mozgatja a testeket, gyártási folyamatokat visz végbe, előidézi az élőlények növekedését, szaporodását, mozgását, az emberi gondolkodást. A tudósok szerint az energia MUNKAVÉGZŐ KÉPESSÉG. Az energiának különböző megjelenési formáival találkozunk, de általánosan két nagy csoportba osztható: POTENCIÁLIS és KINETIKUS ENERGIÁRA POTENCIÁLIS ENERGIA Ez tárolt energia forma és helyzeti, gravitációs energia. A potenciális energiának különböző formáit ismerjük: Kémiai energia Az atomok és molekulák kötéseiben tárolt energia. Ez az energia tartja össze a részecskéket. A biomassza, a kőolaj, a földgáz jó példái a tárolt kémiai energiának. Tárolt mechanikai energia Erők alkalmazásakor a tárgyakban tárolt energia. Az összenyomott rúgó, a kinyújtott gumiszalag jó példák a tárolt mechanikai energiára. Nukleáris energia Az atomok magjában tárolt energia, mely az atommagokat alkotó nukleonokat tartja össze. Ez az energia szabadul fel, ha atommagok kapcsolódnak, vagy hasadnak. A jelenleg üzemelő atomerőművekben az urán atommagjait hasítják (hasadási energia), a napban és a jövő fúziós erőműveiben a hidrogén izotópjai egyesülnek (fúziós energia). Gravitációs energia Ez a helyzeti, vagy pozíciós energia. A hegytetőn lévő szikla a hegylábához képest gravitációs energiával rendelkezik. A magasan fekvő duzzasztó gát mögött lévő víz jó példája a helyzeti, vagy gravitációs energiának. Dr. Pátzay György
2
KINETIKUS ENERGIA Ez a mozgási energia, a hullámok, elektronok, atomok, molekulák, anyagok és tárgyak mozgásából adódó energia. A kinetikus energiának különböző formáit ismerjük: Elektromos energia Az elektronok mozgásából adódó energia. Világunk anyagai atomokból épülnek föl. Az atomokat protonok, neutronok és elektronok alkotják. Erő hatására az elektronok mozognak. A vezetőkben mozgó elektronokat elektromos áramnak nevezzük. Az elektromos áram energiáját sok helyen, így többek között a világításban, fűtésben, mozgatásban használjuk föl. Sugárzási energia Ez elektromágneses energia, mely a transzverzális hullámokban terjed. Magában foglalja a látható fény, a röntgen sugárzás, a gamma sugárzás és a rádióhullámok tartományát. A napsugárzás a sugárzási energia jellemző példája.
Termikus energia Más néven hőenergia, mely az anyag belső energiája és az anyagban lévő atomok és molekulák rezgési és mozgási energiáját jelenti. Mozgási energia Az anyag és a tárgyak mozgását jelenti egyik helyről a másik helyre. A tárgyak és anyagok mozognak, ha a newtoni törvények szerint erő hat rájuk. A szél jó példája a mozgási energiának. Hangenergia Az energia az anyagban longitudinális hullámokban (sűrűsödés és ritkulás) terjed. Hang keletkezik, ha erő hatására egy anyag vagy tárgy rezgésre kényszerül, a hangenergia az anyagban hullám formájában terjed. Dr. Pátzay György
3
Az energia SI mértékegysége 1 J. egyéb mértékegységei 1 cal (kalória)= 4.1868 J 1 kcal= 4186.8 J 1 Btu (British thermal unit)= 1055.05 J 1 thermie= 4.184E6 J 1 ft.lbf= 1.35582 J 1 kJ= 1000 J 1 MJ= 1E6 J 1 LEh (lóerőóra)= 2.6845E6 J 1 kWh= 3.6E6 J 1 MWh= 3.6E9 J 1 eV (elektron volt)= 0.16021E-18 J 1 erg= 1E-7 J 1 Quad=1015 BTU
Dr. Pátzay György
4
ENERGIA MEGMARADÁS, HATÉKONYSÁG Energia nem hozható létre és nem semmisíthető meg. A hasznosítható energia az a felhasználható energia mennyiség, melyet egy rendszerből ki lehet nyerni. Az energia egyik formájának másik formába történő átalakításakor veszteségek lépnek föl.
ENERGIAFORRÁSOK Két csoportba sorolhatók: MEGÚJULÓ és NEM-MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK. A nem-megújuló energiaforrások: szén, a kőolaj, a földgáz, az urán. Jelenleg az emberiség energiaellátásában döntő a szerepük.
A VILÁG ENERGIAFOGYASZTÁSÁNAK FORRÁSAI 2000-BEN
A megújuló energiaforrások: a biomassza, a geotermális energia, a vizenergia, a napenergia és a szélenergia. Döntően villamos energia előállítására alkalmazzák. A villamos energia különbözik a többi energiaforrástól, mert MÁSODLAGOS ENERGIAFORRÁS. A másodlagos energiaforrás létrehozásához más ELSŐDLEGES ENERGIAFORRÁS felhasználása szükséges. Dr. Pátzay György
5
Fosszilis tüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj és földgázkincs; tehát az éghető
tüzelőanyagok. Fissziós üzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapuló atomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán). Fúziós üzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járó energiaátalakítás energiahordozói (pl. deutérium, trícium).
Technikai rendszerek az energetikában 1. Energetikai paramétermódosító rendszerek (hőcserélő, villamos transzformátor) 2. Energiaváltoztató rendszerek (hűtőgép, villamos motor) 3. Energiaszállító rendszerek (elektromos táv-vezetékhálózat, gázvezetékhálózat) 4. Energiatároló rendszerek (akkumulátor, kondenzátor) 5. Az energetika állapottartó rendszerei (légkondicionáló) 6. Az energetika output-tartó rendszerei (feszültségstabilizátor, nyomásszabályozó) ENERGIAHORDOZÓK -Ásványi energiahordozók
Dr. Pátzay György
Energiatartalom (MJ/kg)
6
Dr. Pátzay György
7
Energiaforrások, átalakítások, szállítások, elosztások, tárolások és felhasználások kapcsolata
Dr. Pátzay György
8
ENERGIAFORMÁK ÁTALAKÍTÁSA Energia átalakítás
hatásfok (%)
Elektromos melegítő
100
Elektromos generátor
95
(elektromos/termikus)
(mechanikus/elektromos)
Elektromotor nagy (kicsi)
90 (65)
Akkumulátor
90
Gőzkazán
85
Házi gáz (olaj,szén) kályha
85(65,55)
Gőzturbina (gázturbina)
45(30)
Gépjármű motor
25
Fluoreszcens lámpa
20
Szilícium napcella
15
Gőzmozdony
10
Izzólámpa
5
(elektromos/mechanikus) (kémiai/elektromos) (kémiai/hő) (kémiai/hő)
(kémiai/mechanikai) (kémiai/mechanikai) (elektromos/fény) (nap/elektromos)
(kémiai/mechanikai)
(elektromos/fény)
Dr. Pátzay György
9
Energiaátalakító technológiák területigénye Technológia 1000 MWe területigénye •Nukleáris •Szén •Víz •Napelem •Szél •Biomassza •Geotermikus •Gáz turbina/tüzelőanyag cella
Dr. Pátzay György
•8,8 km2 •18,13-32,26 km2 •72,5 km2 •103,6 km2 •259 km2 •2590 km2 •7,8 km2 •Esettől függ
10
Területigények Teljesítmény fajlagos km2/GW
Kihasználtság %
Energia fajlagos Km2/GWh
Víz
4000
30
13333
Biomassza (direct fire)
4879
80
6098
Szél
242
30
806,7
Nap – PV (flat plate)
50
20
250
Szén
96
70
137
Nap – Thermal (parabolic trough)
22
34
65
Geotermikus
34
90
38
Földgáz
15
40
37,5
Olaj
7
30
23,3
Nukleáris
12
90
13,3
Technológia
Forrás: “Renewable Energy Technology Characterizations,” DOE’s Office of Utility Technologies, Energy Efficiency and Renewable Energy, and EPRI, 1997; “Generic Environmental Impact Statement for License Renewal of Nuclear Plants,” NRC, 1996; “The Most Frequently Asked Questions About Wind Energy,” American Wind Energy Association, 2002; “PV FAQ’s,” DOE, Energy Efficiency and Renewable Energy, 2004; Capacity factors from Global Dr. Pátzay György 11 Decisions/Energy Information Administration.
Energiaátalakító technológiák hatásfokai Biomassza
1
Geotermikus
8
Napelem Szélerőmű
10
Nukleáris
25
Gáz turbina
33
Széntüzelésű erőmű
38
Tüzelőanyag cella
43
Gáz-kombinált ciklus
50
Hibrid tüzelőanyag cella
58
Vízerőmű
66 80 0
20
40
Dr. Pátzay György
60
80
100 12
Energiagazdálkodás • Energiaszükségletek és rendelkezésre álló energia fajták felmérése • Termelés és szükséglet összehangolás • Leggazdaságosabb energiaátalakítási módszerek meghatározása • Környezeti hatás csökkentése (Üvegházhatású gázok!)
Dr. Pátzay György
13
Energiasűrűség (J/dm3) egy rendszerben, vagy térrészben lévő tárolt energiamennyiséget jelzi és főleg tüzelőanyagok jellemzésére alkalmazzák. Fajlagos energiatartalom (J/kg) az egységnyi tömegben lévő energiatartalmat jelzi és főleg élelmiszerek energiatartalmának kifejezésére alkalmazzák. Fontos jellemző, mert például interkontinentális repülőgépek üzemanyagául sosem alkalmaznak földgázt, mert kis fajlagos energiatartalma mintegy ezredrésze a folyékony kerozinnak. A hegymászók nem sárgarépát, henem csokoládét visznek magukkal a hegyi megerőltető túrára. Energia koncentráció (J/m2) az energiaforrás adott irányú sűrűsége. A kis kőolajmezők energia koncentrációja <1GJ/m2, míg a világ legkoncentráltabb olajmezőjén (al-Burkazin, Kuvait) 1TJ/m2, a kanadai olajpala koncentrációjának tízszerese. Mindenesetre az energia koncentráció jól jelzi Földünk korlátozott lehetőségeit.
Energiahatékonyság (J/J) az energiaformák átalakítását végző hatékonyságát jellemzi. A vízturbinák például a potenciális energiát közel 90%-os hatásfokkal alakítják át elektromos energiává. Lényegében hatásfokot jelöl. Teljesítmény sűrűség (W/m2) a talaj, vagy tenger egységnyi felszínén kinyerhető vagy szükséges teljesítményt jelzi. Olajmezők, erőművek, épületek fajlagos teljesítmény leadását, vagy felvételét jelzi. Háztetőkre szerelt napkollektorokkal például nem lehetséges vaskohó hőteljesítmény igényét fedezni. Energiaintenzitás (energia igényesség) (J/pénzegység) egységnyi termék, vagy szolgáltatás előállításához szükséges energia szükségletet jelzi. A bruttó primer energia ellátás (TPES) ás a bruttó nemzeti termék (GDP) aránya adja az energia intenzitás értékét. Sajnos gyakran hibásan határozzák meg. Dr. Pátzay György
14
Fosszilis energiahordozók • • • • •
Szén Kőolaj Földgáz Fa Magyarországon a szénhidrogének felhasználási aránya kb. 70%
Hatásfok • •
• • •
Elektromos energia kőszénből 35-40% Elektromos energia + gőz kőszénből ellennyomású erőműben 72% Gőzgép 11% Diesel motor 30% Háztartási fűtés olajkazánban 66%
Dr. Pátzay György
15
Anyag alumínium tégla cement réz üveg vas mészkő nickel papír polietilén polisztirol PVC homok szilícium acél kénsav titán víz tüzifa
Fajlagos energia “költség” (MJ/kg) 230-340 2-5 5-9 60-125 18-35 20-25 0,07-0,1 70-230 25-50 87-115 62-108 85-107 0,08-0,1 200-250 20-50 2-3 900-950 0,001-0,01 3-7
Dr. Pátzay György
Kiindulási anyag bauxit agyag, márga agyag, mészkő szulfidos rézérc homok, agyag, márga vasérc mészkő szulfidos nikkelérc facellulóz nyersolaj nyersolaj nyersolaj folyómeder szilícium-dioxid nyersvas kén titánérc folyók, tavak, talajvíz erdő
16
SZÉN 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 következő táblázat mutatja.
tőzeg lignit barnaszén feketeszén antracit
C [%]
Q[MJ/kg]
55-65 60-65 65-80 80-93 93-98
6,3-7,5 7,0-8,4 5,4-24 24-32 35-37,5
Dr. Pátzay György
17
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. Szénkitermelés: felszíni és mélyművelésű bányákban.
Dr. Pátzay György
18
Szénhidrogének KŐOLAJ
A kőolaj szerves, főleg állati eredetű maradványok átalakulási terméke. A kőolaj tömeg %-ban adott összetételét a következő táblázat mutatja A kőolaj összetétele C 80-88% H 10-14% S <5% O <7% N <1,7% Hamu <0,03% A kőolaj fűtőértéke: 33-40 MJ/kg. A szénhidrogének csoportjai: paraffinok (normál- ill. izo-paraffinok), cikloalkánok (naftének), aromások. Olefinek, acetilének~0.
FÖLDGÁZ A természetben található gáznemű tüzelőanyag, szénhidrogénekből áll. A kőolaj-előfordulásnak rendszerint kisérője. Legértékesebbek azok a földgázok, melyek sok metánt tartalmaznak, de kisebb-nagyobb mennyiségben etán, propán, bután, pentán stb. is található a metán mellett. Az olyan földgázt, ami túlnyomó részt metánból áll és csak igen kevés C2-C6 – szénhidrogént tartalmaz, „száraz” földgáznak is nevezik. Az olajjal együtt feltörő földgázok rendszerint ún. „nedves” földgázok, ezek számottevő mennyiségben tartalmaznak C2-C6 szénhidrogéneket.
Dr. Pátzay György
19
CH4 26-99%, C2H6 0,1-9,5%, CnH2n+2 <16%, N2 <38%, H2S <15% (CO2 0-75%).
Energiahordozók kiaknázása
Dr. Pátzay György
20
Energiatermelés kémiai technológiái Kémiai energia
CH4 + 2 O2 = CO2 + 2 H2O
Hőenergia
Égéshő: 5,55*104 kJ/kg Fűtőérték: 4,99*104 kJ/kg
Atomenergia Hőenergia
235
92U
+n
236
92U*
90
36Kr*
143
+
56Ba*
+ 3n
Atommag hasadással termelődő energia 8,21*1010 kJ / kg 235U
Kémiai energiahőenergiamechanikai energiavillamos energia
Atomenergiahőenergiamechanikai energiavillamos energia Dr. Pátzay György
21
Tüzeléstechnika •
Égéshő kJ/kg
33808*C% + 144184*(H% - 1/8 O%) + 10460*S% 100
(1 g oxigénhez 1/8 g hidrogén tartozik a vízben)
•
Fűtőérték kJ/kg
F= É – R
R=
2510 (9*H% + nedv.%)
(1 g hidrogénből 9 g víz keletkezik)
100
Égési hőmérséklet az a maximális hőmérséklet, amely a tüzelőanyag elméleti levegőszükséglettel való elégetése során keletkezik, ha nincs hőcsere és veszteség. Légfelesleg tényező a ténylegesen használt és az elméletileg szükséges levegő hányada. Gyulladási hőmérséklet az a legkisebb hőmérséklet, amire ha az éghető anyagot felmelegítik levegőn, akkor magától meggyullad. Túl gyors égés: robbanás, robbanó elegy jellemzői az alsó és felső robbanási határ.
Dr. Pátzay György
22
Levegő hozzávezetés, égéstermék elvezetés, veszteségek, robbanó elegyek
• • •
A levegőt az égés sebességének megfelelő ütemben kell odavezetni, az égéstermékeket kellő gyorsasággal kell eltávolítani. Hőveszteségek: a füstgáz hőtartalma, sugárzási és vezetési hőveszteség, tökéletlen égés miatti veszteség. Alsó és felső robbanási határ, a már és a még robbanó tüzelőanyag-levegő elegy koncentrációja.
Dr. Pátzay György
23
Szilárd, cseppfolyós (tömeg%) és gáz (tf%) halmazállapotú tüzelőanyagok összetétele
Kőszén (antracit) Kőszén (gázkőszén) Koksz Barnaszén (nyers) Benzin (könnyű) Tüzelőolaj (könnyű) Tüzelőolaj (nehéz)
Hamu
Víz
C
H
S
O
N
Égéshő (kJ/kg)
4
1
85,4
3,8
1,2
2,3
2,3
33390
3,7
3,5
77,3
5
1
8,5
1
30000
9
1,8
84
0,8
1
1,7
1,7
29310
2,7
59,3
23
1,9
1,6
6
6,1
8000
-
-
85,6
14,35
0,05
-
-
43500
-
0,1
85,5
13,5
0,9
-
-
42600
1
0,5
84
11,7
2,8
-
-
40500
Földgáz Hidrogén Szénmonoxid Metán Földgáz (holland, olasz) Kokszoló gáz Kohó (torok) gáz
CH4
H2
CO
CO2
N2
C2H6(stb)
0,8 2 8
14,4 10 59,7
3,9 2 -
100 100 100 80,9 25 0,3
55 2
6 30
Dr. Pátzay György
Égéshő (kJ/kg) 10760 12640 35795 32000 17375 3975 24
Ideális tüzelés
Reális tüzelés
Dr. Pátzay György
25
Tüzeléstechnikai számítások Az égési folyamatok mennyiségi leírása a technikai tüzelőrendszerekben rendkívül nehéz. Így csak rendkívül leegyszerűsített folyamatokat vesznek figyelembe. Ezen egyszerűsített modell sémája:
A három legfontosabb elemi komponens (C, H, S) égési reakciói elméleti, sztöchiometrikus esetben:
Elméleti levegőszükséglet (Lo, Nm3levegő/kg tüzelőanyag) A tüzelőanyag elemi összetételének (szén-, hidrogén- és általában kéntartalmának) ismeretében, az égési reakciók alapján kiszámítható 1kg tömegű tüzelőanyag tökéletes elégetéséhez szükséges oxigén, ill. ezen keresztül a szükséges levegő mennyisége.
L0
8,876 X C
26,678 X H Dr. Pátzay György
3,32 X S 26
C 12kg 1kg
79 79 N2 ) CO2 N2 21 21 79 79 22,41Nm3 ( 22,41Nm3 ) 22,41Nm3 22,41Nm3 21 21 22,41Nm3 79 22,41Nm3 22,41Nm3 79 22,41Nm3 ( ) 12 21 12 12 21 12 O2 (
Elméleti (száraz és nedves) füstgáz-mennyiség (V0sz, V0n, Nm3 füstgáz/kg tüzelőanyag)
Az elméleti száraz füstgáz CO2-t, SO2-t és N2-t tartalmaz, míg a nedves füstgázban a vízgőz is benne van.
Légviszony tényező (n)
V0sz
8,876 X C
21,07 X H
V0n
8,876 X C
32,0 X H
n=
3,32 X S 3,32 X S
L L0
A tüzelőanyag tökéletes elégetéséhez az elméletinél nagyobb mennyiségű levegőt kell felhasználni. A többletlevegőt légviszony tényezővel (n) fejezzük ki, amely megadja, hogy a ténylegesen felhasznált levegő (L) hányszorosa az elméleti levegőszükségletnek (Lo). Dr. Pátzay György
27
A felesleges levegő változás nélkül halad át a tüzelőszerkezeten, a tűztér hőmérséklete nem túl magas. (Ellenkező esetben a levegő nitrogénje részben nitrogén-oxidokká alakul!). A légviszony tényezőt gyakorlatilag a füstgáz elemzési adataiból (O2 és CO2 tartalmából) tudjuk kiszámítani.
A száraz füstgázok O2-tartalmából legegyszerűbben:
n=
számíthatjuk.
Vsz=V0sz+(n-1)L0 és 0,21(n-1)L0=O2(füstgázban)(V0sz+(n-1)L0 Mivel V0sz~L0 n=21/(21-O2(füstgázban))
n =1
21 21-O2 mér t
O2mért V0sz L0 21 O2mért
A száraz füstgázok CO2-tartalmából pedig: n =1
V0sz CO2 max CO2mért L0 CO2mért
Ez utóbbi képletek használatához az elméleti levegőszükséglet (Lo) és a keletkező száraz füstgáz térfogat (Vosz) értékén kívül ismerni kell a füstgázok maximális CO2 tartalmát is (CO2max). Tüzelőanyag
%CO2max
Metán/földgáz
11,7%
LPG
13,9%
Tüzelőolaj
15,7%
Szén (100%)
21,0%
CO2 max
Dr. Pátzay György
22,41 Nm 3CO2 kg szén C 12 kg szén kg tüz. anyag = 3 sz Nm füstgáz V0 kg tüz. anyag 28
A tüzelés során képződött valódi füstgáz mennyiségek a légviszony tényező és az elméleti levegő- és füstgázmennyiség ismeretében kiszámíthatók:
V
sz
Vn
sz 0
V
V0n
n 1 L0
Tüzelőanyag
n
Földgáz
1,03-1,3
Tüzelőolaj
1,1-1,4
Darabos szén
1,4-2,0
Porszén
1,2-1,5
n 1 L0
Égési folyamatokat befolyásoló paraméterek Biztosítani kell: • elegendően nagy levegőmennyiség • elegendően magas oxigéntartalmú levegő • megfelelően kiakakított tűztér • füstgázok elvezetése • gyulladási hőmérséklet az égés beindításához • elegendően nagy égési reakciósebességek Tüzelés során háromféle lehetséges üzemmód fordul elő: a léghiányos tüzelés, az elméleti értékek mellett végzett tüzelés és a légfelesleges tüzelés. Fontos tüzeléstechnikai jellemző az égési hőmérséklet. Dr. Pátzay György
29
Tüzelési folyamatoknál a különböző légviszony tényező mellett végzett tüzelések hatására a füstgáz oxigén tartalma eltérő. A tüzelőberendezések emissziós méréseinek eredményei csak akkor hasonlíthatók össze, ha azonos füstgáz oxigén tartalmakra vonatkoztatjuk a mért emissziós értékeket. Adott légszennyező füstgáz komponens mért koncentrációját a következő összefüggéssel számíthatjuk át a megadott oxigén tartalomra:
C O2 ref ( mg / m 3 )
21( tf %) O2 ref ( tf %) 21( tf %) O2 mért ( tf %)
C O2 m ért ( mg / m 3 )
CO2 ref,CO2 mértadott légszennyező anyag koncentréciója a referencia és a mérés során létező oxigén koncentráció mellett O2 ref, O2 mértaz összehasonlításhoz megadott és a mérési körülmények között a füstgáz oxigén koncentrációja A hazai és nemzetközi gyakorlatban a füstgáz referencia oxigén koncentrációja gáztüzelésnél 3 tf%, szén- és olajtüzelésnél pedig 6 tf% vagy 7 tf%! Tehát az egyes füstgázkomponensek koncentrációit egységesen a fenti oxigéntartalmú füstgázokra számítjuk át.
Dr. Pátzay György
30
h 100% qA
Tüzeléstechnikai hatásfok (h) (qA – füstgáz veszteség %)
A füstgáz veszteség tüzelőanyagtól függően két különböző formulával számítható. A számítások alapja a füstgázhőmérséklet (tfg) és a tüzeléshez felhasznált levegő hőmérséklete (tlev) közötti különbség.
qA
f
t fg tlev
qA
CO2
szilárd tüzelőanyagnál
CO2
CO2 max
21 O2 21
t fg tlev
A2 21 O2
B
folyékony és gáznemű tüzelőanyagnál Tüzelőanyag
A2
B
F
COmax
Tüzelőolaj
0,68
0,007
-
15,5
Földgáz
0,65
0,009
-
11,9
Foly. Gáz
0,63
0,008
-
13,9
Koksz, fa
0
0
0,74
20,0
Brikett
0
0
0,75
19,9
Barnaszén
0
0
0,90
19,2
Kőszén
0
0
0,60
18,5
Kokszgáz
0,6
0,011
-
-
Városi gáz
0,63
0,011
-
11,6
Dr. Pátzay György
31
Dr. Pátzay György
32
Füstgáz komponensek
Forrás termék •C •H. H2O •N2 •O2 •S
előfordulás CO2 ,(C, CO) H2O N2 (NO,NO2) O2 SO2 HC, hamu
Dr. Pátzay György
7-15% (50-150 ppm)
75-80% (<10 ppm) 2-8% <200 ppm
33
CO !!!!!!!!!!! Színtelen, szagtalan, ízetlen, éghető, erősen mérgező gáz. A „csendes gyilkos” tökéletlen égés során keletkezik, pl. nem megfelelő huzat esetén. koncentráció 9 ppm
Maximálisan megengedett érték rövid időtartamra élő környezetben
35 ppm
Maximálisan megengedett érték 8 órás folyamatos időtartamra élő környezetben
200 ppm
Maximálisan megengedett érték bármely időtartamra élő környezetben. 2-3 óra után fáradság, fejfájás, hányinger
800 ppm
45 percen belül hányinger és görcs, 2-3 órán belül halál
3200 ppm
5-10 percen belül fejfájás, hányinger, 30 percen belül halál
Dr. Pátzay György
34
Dr. Pátzay György
35
Tüzelőanyagok elméleti és gyakorlati tűztéri hőmérsékletei Tüzelőanyag
Fűtőérték (kJ/kg)
Elméleti tűztéri hőm. (0C)
Gyakorlati tűztéri hőm. (0C)
Kőszén
30000
2300
1200...1500
Barnaszén(száraz)
20000
1500
1000...1200
Tüzelőolaj
40000
2000
1200...1500
Földgáz
36000
2000
1200...1600
Tüzelőszerkezetek • • • •
A tüzelőanyagok elégetésére és a keletkező hő hasznosítására szolgálnak. Felépítésük a tüzelőanyag halmazállapotától függ. Működés kívánalmai: jó tüzelési hatásfok, sokféle tüzelőanyag elégetésére legyen alkalmas, jól szabályozható és gazdaságos legyen. Gáz, porlasztott olaj és szénpor tüzelés
Dr. Pátzay György
36
SZÉNTÜZELÉS
Tüzelőberendezések
Vándorrostélyú tüzelőszerkezetben a rostély végtelen láncot képez, melyet két lánckerék mozgat. A lánc végéről a salak folyamatosan távolítható el. A tűztérbe kerülő szén fokozatosan felmelegszik, kokszolódik és végül elég.
Az alkalmazott rostélyhossz ált. 4m, az égési folyamat 1mm/sec rostélysebesség mellett kb. 1 óra alatt megy végbe. A vándorrostélyos tüzelés néhány centiméteres széndarabok tökéletes elégését biztosítja. Maximum 100 MW termikus teljesítményű kazánokhoz alkalmazható.
Dr. Pátzay György
37
Dr. Dr. Pátzay Pátzay György György
38
A finomszemcsés szilárd anyagot (szén és hamu max. 1 cm átmérőjű szemcséinek keverékét levegő tartja lebegésben. Jó hatásfokú hőcsere megy végbe Az égési hômérséklet 800-900 0C így az NOx gázok képződése erősen korlátozott. A fluidizációs tüzelőberendezések maximum 200 MW termikus teljesítményértékig alkalmazhatók.
Dr. Pátzay György
39
Cirkulációs (instacionér) fluidizációs tüzelés Az instacionér (fluidizációs) széntüzelésnél a gáz-szilárd elegyet kivezetik a tűztérbôl és utánkapcsolt hôhasznosító berendezésen vezetik át. Dr. Pátzay György
40
Dr. Pátzay György
41
Porszéntüzelésű hőerőmű
porleválasztó
túlhevítő
A szenet malomban 50 m szemcseméret alá aprítják. A porszéntüzelés biztosítja a legjobb hőátadást, mert itt a legnagyobb a szén fajlagos felülete. Az elérhetô termikus teljesítmény 2000 MW. Dr. Pátzay György
42
Szénportüzelés CO2 lekötéssel (jelenkor)
Amin (MEA) kereskedelmileg hozzáférhető USA-ban 3 erőmű üzemel: MEA, <15 MWe, >90% ΔCO2 alapkövetelmények: ~20000-25000 m2 szükséges egy 600 MW erőműhöz SO2 és NO2~0 Nagy rebojler gőzszükséglet (MEA>KS-1>Ammonia) Sok új feltétel vált ismertté!
CO2 tisztításra és kompresszióra Tisztított füstgáz a levegőbe
Abszorber torony
CO2 sztripper
füstgáz
MEA-monoetanol amin SCR-szelektív katalitikus redukció ESP-elektrosztatikus por- és pernyeleválasztó
CO2 sztripper rebojler
Dr. Pátzay György
43
TISZTA SZÉNALAPÚ ENERGIATERMELŐ TECHNOLÓGIÁK (CCT) Az integrált elgázosító kombinált ciklusú széntüzelés (IGCC) újtípusú széntüzelésnél a szenet oxigénnel és vízgőzzel reagáltatják és döntően szénmonoxidból és hidrogénből álló fűtőgáz keletkezik. Ezt a gázt megfelelő tisztítás után gázturbinában elégetik. A fejlődött hő jelentős részét gőzfejlesztésre használják, mely további elektromos energiát fejleszt. Az IGCC erőművek magas hatásfokkal rendelkeznek még rosszabb minőségű szenek esetén is. Jelenleg néhány kísérleti erőmű üzemel az EU országaiban, az USA-ban és Japánban. Karbonát ciklus a CO2 megkötésére:
Dr. Pátzay György
44
füstgáz tisztító
elgázosító
IGCC
gázégő
szén gázturbina elektromosság
salak
generátor gőz injektálás
Emisszió ellenőrzés
elektromosság gőzturnina
gőzfejlesztő generátor kondenzátor
tápvíz szivattyú Dr. Pátzay György
IGCC 45
A CO2 leválasztás lehetséges útjai
Lehetséges elválasztási eljárások: • Abszorpció • Adszorpció • Membrántechnika • Kriogén eljárás
Dr. Pátzay György
46
A leválasztott CO2 lehetséges tárolása, elhelyezése
Dr. Pátzay György
47
Széntüzeléseknél a CO2 megkötés lehetőségei és költségei
Égetés után, égetés előtt és CO2 recirkulációval
BoABrown coal power plant with Optimized plant engineering ALPCDr. Pátzay György
Advanced Lignite Pulverized Coal 48
OLAJTÜZELÉS
A tüzelőolajokat betűk és számok kombinációjával nevezik el. Így pl a TH 5/20 háztartási tüzelőolajat jelöl, mely 5 0C -on még szivattyúzható és 20 0C -on még porlasztható. Dr. Pátzay György
49
GÁZTÜZELÉS
GB-GANZ gázégők választéka Dr. Pátzay György
50
Dr. Pátzay György
51
A nukleáris energiatermelés elvi alapjai
Ahogy nő a nukleonok száma elérjük a vas környékén a kötési energia maximumát. A nagyobb tömegű magok kevésbé stabilak. Ezért egyaránt energia nyerhető a kis magok egyesüléséből fúziójából és a nagy magok hasadásából. Ezért jellemző az alfa-bomlás a nehéz magok esetén. Így energia nyerhető kétféleképpen: Maghasadással: atomok elhasadása--> ez történik a hasadási atomreaktorokban. •energia nyerhető, ha nagy a mag •minél kisebb a végtermék mag, annál stabilabb Dr. Pátzay György
52
A NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS: MAGHASADÁS
LÁNCREAKCIÓ
Kritikus reakció:amikor éppen elegendő hasadás történik ahhoz, hogy a láncreakció fönnmaradjon. Ez a nukleáris energiatermelés alapja. Szuperkritikus reakció: Amikor a láncreakcióban hasítóképes neutronfelesleg keletkezik és nő a hasadás sebessége. Ez történik az atombombákban. KRITIKUS TÖMEG: a hasadóanyag legkisebb tömege, mely fenntartja a láncreakciót. Ez esetében 56 kg. Dr. Pátzay György
235U
53
HASADÁSI ENERGIA A hasadási reaktorok zömében jelenleg az 235U az alkalmazott hasadóanyag. Egy lehetséges hasadási reakció: 1n + 235U -->92Kr + 141Ba + 3 1n + energia vagy
Egy urán atom elhasadásakor kb. 200 MeV energia szabadul föl. 100 g 235U elhasadása 8,21 .1012 J=1785 tonna TNT energiájának megfelelő energiát képvisel.
Dr. Pátzay György
54
HASADÓANYAGOK Mag
232Th
233U
234U
235U
236U
Átmeneti mag
233Th
234Th
235U
236U
237U
Neutron energia (MeV)
1,3
T
0,4
T
0,8
Dr. Pátzay György
238U
239U
1,2
237Np
239Pu
240Pu
238Np
240Pu
241Pu
0,4
t
>0
55
Dr. Pátzay György
56
ERŐMŰREAKTOROK
TERMIKUS
VÍZHŰTÉSŰ
GYORS
GÁZHŰTÉSŰ
NAGY HŐMÉRSÉKLETŰ (HTR)
KÖNNYŰVIZES
FORRALÓVIZES (BWR, RBMK)
NYOMOTTVIZES (PWR, VVER)
NEHÉZVIZES (CANDU)
Paksi atomerőmű 4 db 440 MWe VVER-440/213, 1 fűtőelem l=2,4 m, 99%Zr 1%Nb 1 kötegben 126 db fűtőelemrúd van, az aktív zónában 312 db köteg (42 t UO2 3,5% 235U) Dr. Pátzay György
57
A reaktor részei
A nyomottvizes atomerőmű (PWR)
TMI PWR (USA) Dr. Pátzay György
Source: U.S. Nuclear Regulatory Commission
58
A VVER-440/213 nyomottvizes reaktor
1 Reaktor tartály 2 gőzfejlesztő 3 fűtőelem töltő 4 kiégett fűtőelem tároló medence 5 elnyelető torony 6 tápvíz előkezelés 7 védőburkolat 8 elnyelető torony 9 permetező rendszer 10 ellenőrző csatorna 11 levegő beszívás 12 tubina 13 kondenzátor 14 turbina blokk 15 tápvíz tartály 16 előhevítő 17 turbina csarnok daru berendezések, vezérlések
18
elektromos
Dr. Pátzay György
59
Dr. Pátzay György
60
Nukleáris üzemanyagciklusok
Egyszeri felhasználású nukleáris üzemanyagciklus Zárt nukleáris üzemanyagciklus
Dr. Pátzay György
61
Dr. Pátzay György
62
Dr. Pátzay György
63
1 GW.év elektromos energia termeléséhez tartozó hasadóanyag felhasználások Dr. Pátzay György
64
Az erőművek általában villamos energia termelésére épített létesítmények.
Az energiaforrás szerint: • Hőerőművek • Vizerőművek • Szélerőművek • Egyéb erőművek Dr. Pátzay György
65
Hőerőgép. . . Expandálás
Hevítés
HŐ
Kazán
Kondenzátor
HŐ
Hűtés
Turbina
Szivattyú Komprimálás Domain
Dr. Pátzay György
67
A termelt vagy szolgáltatott energia szerint: Tisztán villamos energiát szolgáltató Villamos energiát és hőenergiát szolgáltató erőművek Az erőművek kihasználása szerint: Alaperőművek, egész évben egyenletesen termel, jól kihasználja a kapacitását Menetrendtartó erőművek, igények alapján előre megszabott menetrend szerint Csúcserőművek, csak a terhelési csúcsok idején szolgáltat energiát
Kondenzációs erőmű
Ellennyomásos erőmű
Dr. Pátzay György
68
Elvételes kondenzációs erőmű
Egyszerű vízgőzős Rankin-Clausius körfolymat
Dr. Pátzay György
69
Olajtüzelésű kazán
Dr. Pátzay György
70
A Carnot-ciklus a p-v és T-s diagramokban
Carnot hatásfok:
Dr. Pátzay György
Th Tl Th
71
A Rankine-Clausius körfolyamat Kazán
Gőzturbina
(túlhevítővel)
Villamos generátor
4 3 2 1
5
Kondenzátor
6 Szivattyú Dr. Pátzay György
72
A Rankine-Clausius körfolyamat T(K)
1-2 Folyadékhevítés
4
4
2-3 Elgőzölgés
3 2
1
3-4 Túlhevítés
5
2
3
4-5 Expanzió 5-6 Kondenzáció 6-1 Szivattyúzás
6
1
6
5
s (J/kg·K) Dr. Pátzay György
73
Ideális Rankin ciklus 1-2 reverzibilis adiabatikus szivattyúzás 2-3 hevítés állandó nyomáson (részben izoterm) 3-4 reverzibilis adiabatikus expanzió 4-1 hűtés állandó nyomáson (részben izoterm)
3
T
2s 1
4s
s Dr. Pátzay György
74
Reális Rankin ciklus 1-2 nemizentrópiás szivattyúzás 2-3 irreverzibilis hevítés 3-4 nemizentróoiás expanzió 4-1 irreverzibilis hűtés
3 2
T 1
4
s Dr. Pátzay György
75
Hatások javítási lehetőségek Kapcsolt energiatermelés (kogeneráció)
Dr. Pátzay György Dr. Pátzay György
76
kapcsolt energiatermelés villamos energia, 20
tüzelő anyag
Ideális kapcsolt energiatermelés
hőenergia 65
külön hő- és villamosenergia termelés tüzelőanyag 55
villamos energia, 20 veszteség 35
100 veszteség 10
veszteség 15
Tüzelőhő megtakarítás: 55 + 75 – 100 = 30
Dr. Pátzay György
tüzelőanyag 75
hőenergia 65
77
MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK Felosztás: 1. Eltüzelhető megújulók és hulladékok (CRW). -Szilárd biomasszák és állati termékek. Ilyen a fa, fahulladék, rost-hulladék, állati hulladékok és más szilárd biomasszák. A biomasszából készült faszén is ide tartozik. -A biomasszából keletkező folyékony és gáznemű energiahordozó anyagok. Ide tartozik a biogáz. -Háztartási hulladékok. Lakossági és kórházi hulladékok. -Ipari hulladékok. Szilárd és folyékony hulladékok, pl. autógumik. 2. Vízenergia A víz potenciális és kinetikus energiáját elektromos energiává alakítják a vizierőművekben. 3. Geotermális energia A föld hőjét gőz és/vagy melegvíz formájában hasznosítják közvetlen fűtésre, vagy elektromos energia előállítására. 4. Napenergia A napenergiát forró víz előállítására vagy elektromos energia előállítására alkalmazzák. 5. Szélenergia A szél kinetikus energiáját szélmotorokban elektromos energiává alakítják. 6. Árapály, hullám, óceán energia Mechanikai energiát elektromos energiává alakítanak. Dr. Pátzay György
78
Megújuló energiaforrások - Energia jövőkép 2050
• A fosszilis energiahordozók a közeljövőben kimerülnek, vagy alkalmazásuk kérdésessé válik. • A világ fosszilis energia termelése a következő évtizedekben csökkenni fog. • Megnő a megújuló energiaforrások szerepe, megváltoznak a társadalmi szokások. • Az energiakrízis előtt szükséges az energiaforrások váltása. CRW- éghető megújulő és hulladék
Dr. Pátzay György
79
Napenergia • • •
A napból jövő sugárzási energia (1372 W/m2) átjut az atmoszférán és a felszínt átlagosan 345 W/m2 (Magyarországon ~170 W/m2). A levegő, a felhők, a pára csökkentik a felszínre jutó energiát. Az energia kinyerhető a sugárzás hőenergiájaként és a foto-elektromos cellák révén előállított elektromos energia formájában
Dr. Pátzay György
80
Integrált kombinált ciklusú naperőmű vázlata
Dr. Pátzay György
81
Napenergia: fotoelektromos hatás
•
•
• •
A fényelektromos cellák a sugárzó energia ~15%-át képesek elektromos energiává alakítani (az elméleti érték ~ 21%). Kisfeszültségű egyenáram keletkezik, cellánként ~0,55 Volt feszültségen; a telepeket összekapcsolják ~16 V eléréséig, hogy a 12 V-os akkumulátorokat tölteni tudják. A cellasorokat rögzített vagy a nap mozgását követő elrendezésben. alkalmazhatják. Az elektromos energiát tárolni kell, hacsak nem alakítják át a megfelelő feszültségű váltóárammá.
A fényelektromos cellák (PV) árai estek, de még mindig drágák az erőműipar számára
Dr. Pátzay György
82
Megújuló energiák Németországban 1990-2006
Dr. Pátzay György
83
Napenergia fotovoltaikus alkalmazása Németországban 1990-2006
Dr. Pátzay György
84
Napenergia napkollektoros alkalmazása Németországban 1990-2006
Dr. Pátzay György
85
Szélenergia • • •
Az atmoszféra hőmérsékleti egyenlőtlenségeiből származik A szélenergia tartalékok világszerte ingadoznak A kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos
Ref.: www.freefoto.com/pictures/general/ windfarm/index.asp?i=2
Dr. Pátzay György
86
A szélenergia a tengerpartokon, síkságokon használható fel elsősorban •
• •
Pl. Florida partjainál 2-es szélfokozat esetén (160-240 W/m2) --- az energia kevés erőművi célra, de a vizsgálatokhoz megfelelő. A Sziklás-hegységben a nagyközepes szélsebesség (300-1000 W/m2) alkalmas erőművi célokra. Minden földrajzi területnek meg van a széltérképe, mely alapján eldönthető a szélenergia alkalmazhatósága.
Dr. Pátzay György
87
Szélerőművek fejlődése
Dr. Pátzay György
88
Szélenergia Németországban 1990-2006
Dr. Pátzay György
89
Dr. Pátzay György
90
Bioenergia (Biomassza) • A biomassza direkt tüzelése, más tüzelőanyaggal együtt tüzelése és elgázosítása a biomasszaenergiatermelés alapja. • Etanol készíthető gabonából, vagy szójából, metanol pedig cellulózból állítható elő. • A folyékony tüzelőanyagok nagy energiasűrűségük révén a szállító járművek hajtóanyagai. • Tudatosan erre a célra termeszthetik (pl. nyárfák) vagy éghető hulladékot alkalmaznak
• A biomassza részben kiválthatja a fosszilis energiahordozókat, bár nem túl hatékony energiaforrás
Dr. Pátzay György
91
Bioüzemanyagok Németországban 1996-2006
Dr. Pátzay György
92
ÜZEMANYAGCELLÁK
Dr. Pátzay György
93
Vízenergia •
•
• • •
Az óceánok és más felszíni vizek vize a nap sugárzásának hatására részben elpárolognak, majd csapadékkén visszahullnak a föld felszínére és részben megnövekedett potenciális energiára tesz szert. A felszíni vizek ezen potenciális energiáját régóta használják munkavégzésre és elektromos energia előállítására A vizerőművek jelentős része az 1930as években épült, de azóta többet megszüntettek Megépítés után alacsony költségek mellet termelik az elektromos energiát A világ legnagyobb vízerőművei (Bratszk, Krasznojarszk, Quebeq) 5-6 GW nagyságrendűek.
Dr. Pátzay György
94
Vízenergia
Bánki turbina
www.srh.noaa.gov/tlh/cpm/ chattahoochee.html
Dr. Pátzay György
95
Vízerőművek Nagy vízerőmű: néhány MW-tól >10 GW-ig
Kis vízerőmű: 10 MW alatt, ezen belül:
Kis vízerőmű : 2 MW-10 MW Mini-vízerőmű : 0,2 MW-2 MW Mikro-vízerőmű : <0,2 MW Költség:
nagy vízerőmű: ~ 2c€/kWh kis vízerőmű: ~ 4c€/kWh
Árapályerőmű (la Rance, 240 MW) 5-10c€/kWh. Hullámveréses erőmű (1W/m2, 50 KW/m) ~ 8c€/kWh Az óceánok hőenergiája (nagyon költséges, de 100szoros az energiája, mint a hullámverési energia Dr. Pátzay György
96
Geotermális energia Eredet: radioaktivitás 235U
(18 J/g/y),
40K
vagy Th (0,8 J/g/y), ….
• 0,06 W/m2 azaz 3500-szor kisebb, mint a napsugárzás fluxusa
• Geotermális gradiens = 3,3°C/100m
• vannak kedvezőbb területek is • Kisentalpiás fluidumok (30°C-100°C) hőhasznosítás • Közepes- és nagyentalpiás fluidumok termelés
villamos energia
•CO2,CH4,N2,H2S, vízkő(CaCO3) korrózió
Dr. Pátzay György
97
Geotermális Energia • Az első geotermális erőmű Olaszországban épült 1903-ban • A kaliforniai The Geysers gejzírei gőzt és melegvizet szolgáltatnak, az erőmű teljesítménye 824 MWe. • A “Hot, dry rock” (HDR) (forrósziklás) típusú geotermális erőművek a sziklákba préselt vízből keletkezett gőzt hasznosítják. • Kisebb hőmérsékletek esetén egy légkondicionáló hőt von ki a talajból télen és ad le a talajnak nyáron.
Dr. Pátzay György
98
Geotermális erőműtípusok
Száraz-gőzös erőmű
Dr. Pátzay György
Elpárologtatós (flash)erőmű
Bináris ciklusú erőmű
99
A világon 2000-ben 21 országban 8500 MW erőművi kapacitás mellett 71 TWe villamos energiát állítottak elő geotermikus erőművekben és 60 millió ember érintett a geotermikus energiatermeléssel és közvetlen hasznosítással kapcsolatban.
Dr. Pátzay György
100
Költségek (2000) Energiatermelési fajlagos költségek ECU/MWh Geotermikus energia Biomassza energia Napenergia Tüzelőolaj Földgáz
5-20 48-60 48-360 14 9
1993 Costs of Electricity at Power Plant (cents/kWh) Fuel Operating Maintenance Total Coal 1.531 0.172 0.262 1.967 Gas 2.833 0.236 0.332 3.402 Oil 2.609 0.347 0.451 3.408 Nuclear 0.602 0.962 0.587 2.152
Coal ($/ton) Oil ($/barrel) Natural Gas ($/Mcf)
2000 2005 2010 2015 2020 2025 17.18 16.56 15.14 14.77 14.57 14.59 28.35 28.65 32.51 32.95 33.02 33.05 3.83 2.91 3.34 3.51 3.67 3.92
2000-2025 -15.08% 16.58% 2.35%
Dr. Pátzay György
101
Erőművek teljes életciklusára vonatkoztatott költségek (US cent/kWh) (nukleáris és szabályozási probléma mentes esetre)
Dr. Pátzay György
102
Elektromos energia termelési költségek Technológia
beruházási költség ($/kWe)
fajlagos beruházási költség (cent/kWh)
Nem-üza O&M költségek (cent/kWh)
kapacitási faktor (%)
összes fajlagos költség (cent/kWh)
gázturbina
329
0.4
1.1
85
6.0
kombinált ciklus
480
0.6
2.1
85
5.9
biomassza
2,630
3.3
1.1
80
8.4
geotermikus
1,765
2.7
1.1
80
3.8
Nap-termikus
3,064
9.5
1.3
42
10.8
Napelektromos
4,283
19.2
0.4
28
19.6
778
3.1
0.9
31
4.0
Szél
Dr. Pátzay György
103
Dr. Pátzay György
104
Energiatermelés és a környezet
Dr. Pátzay György
105
A természetes és antropogén emissziók éves becsült mennyiségei és az antropogén emissziók arányai
légszennyező gáz
Széndioxid (CO2) Szénmonoxid (CO) Szénhidrogének Metán (CH4) Ammónia (NH3) Nitrogén-dioxid (NO2)
természetes emisszió Mt/év 600000 3800 2600 1600 1200 770
antropogén emisszió természetes/antropog én emisszió Mt/év % 22000 3,6 550 14,5 90 3,46 110 6,87 7 0,58 53 6,88
Dinitrogén-oxid (N2O)
145
4
2,76
Kéndioxid (SO2)
20
150
750
Dr. Pátzay György
106
Energiahordozók fajlagos CO2 kibocsátása
Dr. Pátzay György
107
Égetés során keletkező NOx mennyisége a hőmérséklet függvényében
Tűztéri fokozatos égetés elve
Dr. Pátzay György
108
Dr. Pátzay György
109
Néhány füstgáz kéntelenítő eljárás Eljárás
Szorbens
Vég/mellék - termék
Nedves elnyeletés
Mész / Mészkő Mész / Pernye
Gipsz, kalcium szulfát/szulfit Kalcium szulfát/szulfit/pernye
Spray-száraz elnyeletés
Mész
Kalcium szulfát/szulfit
Dual - alkáli
Primer: NaOH Szekunder: mész
Kalcium szulfát/szulfit
Tengervizes
Primer: tengervíz Szekunder: mész
Waste seawater
Walther
Ammónia
Ammónium-szulfát
2
Dr. Pátzay György
110
CaCO3 + hő (825–900oC) → CaO + CO2 • Ca(OH)2 + hő → CaO + H2O • CaO + SO2 → CaSO3 + hő • CaO + SO2 + ½ O2 → CaSO4 + hő Dr. Pátzay György
111
Dr. Pátzay György
112
Áramtermelő technológiák fajlagos emissziói
Dr. Pátzay György
113
Dr. Pátzay György
114
Dr. Pátzay György
115
Mike Corradini, UW
Széndioxid emissziók Beruházás/Üzemelés/Tüzelőanyag előkészítés (kg CO 2 / kWh) 1.18
1.2
0.004
0.02
0.025
0.06
0.1
0.58
0.38
0.79
Biomassza/ gőz
Napelem
0.2
Nukleáris
0.4
Szél
0.6
Geotermális
0.8
Víz
CO 2 Emissziók (kg CO
1
1.04
Szén
Földgáz
2 /kWh)
1.4
0 Dr. Pátzay György
116
Fajlagos CO2 emissziók Tüzelőanyag
Fajlagos emisszió (kgCO2/kWh)
Realtív érték
Földgáz
0,19
100%
Tüzelőolaj
0,29
153%
Feketeszén
0,33
174%
Lignit
0,35
184%
Tüzifa
0,36
189%
Tőzeg
0,37
195%
CO2 elválasztási eljárások CO2 eltávolítás
Erőmű
Oxyfireing
Szén
Oxyifireing erőmű
Utóégetés
Szén
Porszéntüzelésű erőmű
Előégetés
Gáz
Földgáztüzelés, kombinált ciklus
Szén
IGCC
Gáz
IRCC
Tüzelés Szén/gáz oxigénes tüzelése
CO2 eltávolítás elve Tiszta CO2 füstgáz
Tüzelés levegővel
Füstgázból CO2 elnyeletése
H2 tüzelése levegővel
Belépő gázból CO2 elnyeletése
IGCC-Integrated Gasification Combined Cycle, IRCC-Integrated Reforming Combined Cycle
Dr. Pátzay György
117
Szén-dioxid-mentes szénerőművek 1. fázis
2. fázis
3. fázis
4. fázis
0,5 MW(t) 2006 közepe
30 MW(t) 2008 közepe
300 MW(e) 2012-2015
1000 MW(e) 2015-2020
szénpor primer füstgáz-recirkuláció égő gáz
adalék
levegő
GHCS
NH3
tűztér
FKM
2. huzam
füstgázkénmentesítő
filter
katalizátor
kondenzátor
CO2-folyamat
külfejtés
villamos energia
3. huzam
salak
szekunder füstgáz-recirkuláció oxigén
GHCS
gőzfűtésű hőcserélő
GHCS levegőbontó
levegő levegő
nitrogén
Forrás: BWK – Brennstoff-Wärme-Kraft, 59. k. 3. sz. 2007. p. 53.
Dr. Pátzay György
118
5 0
4
2
3
Wind
4
10
Hydro
10
Gas
15
Coal
20
8
7
5
5 2 Dr. Pátzay György
14
6
19
17
50-75
Solar-PV
25
Geothermal
Biomass
30
Nuclear
Cost of Electricity (cents/kWh)
35
Solar Thermal
Villamosenergia költség (Globális átlagos) (¢/kWh)
12
2 119
Fajlagos hulladékképződés az energiatermelésben
Dr. Pátzay György
120
A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) ENERGIAHORDOZÓK SZERINT (2009) (Mtoe)
** geo, nap, szél, hő stb.
Dr. Pátzay György
121
A világ primerenergia felhasználása energiahordozók szerint 1995-2010
Dr. Pátzay György
122
A VILÁG TELJES ENERGIA FELHASZNÁLÁSA (TPES) RÉGIÓK SZERINT(2009) (Mtoe)
** Kína nélkül
Dr. Pátzay György
123
Széntermelők, exportálók, importálók 2010
Dr. Pátzay György
124
Kőolajtermelők, exportálók, importálók 2009-2010
Dr. Pátzay György
125
Földgáztermelők, exportálók, importálók 2010
Dr. Pátzay György
126
NUKLEÁRIS ENERGIATERMELÉS A VILÁGON 2009
Dr. Pátzay György
127
VIZENERGIA TERMELÉS A VILÁGON 2008-2009
Dr. Pátzay György
128
Villamosenergia termelés tüzelőanyag szerint 2009
Dr. Pátzay György
129
Dr. Pátzay György
130
Reális és nominális kőolajárak
Dr. Pátzay György
131
2004 A világ teljes primer energia fogyasztásának (TPES) mgoszlása
Dr. Pátzay György
132
Energetikai importfüggőség az EU-25-ben Portugália
99.4%
Luxem burg
99.0% 94.0%
Lettország
90.2%
Írország Olaszország
86.8% 85.1%
Spanyolroszág Ausztria
82.6% 80.7%
Belgium
70.8%
Görögország
69.3%
Finnország
67.8%
Szlovákia Magyarország Magyarország
65.3%
Ném etország
65.1%
Litvánia
63.1%
EU-25 EU-25
56.2%
Szlovénia
55.9% 54.5%
Franciaország
45.0%
Svédország
38.9%
Hollandia
37.6%
Csehország Észtország Lengyelország Egyesült Királyság
33.9% 18.4% 13.0%
Dr. Pátzay György
2005
100%-ig Ciprus és Málta Nettó exportáló Dánia
Az atomenergia hazai forrásnak számítva. Forrás: epp.eurostat.ec.europa.eu/portal 133
Magyarország energiagazdálkodása Magyarország elsődleges energiafelhasználása 2008-ban 1126,3 PJ, millió tonna olajegyenértékben kifejezve 26,9 Mtoe-t tett ki, és szinte megegyezett a 2007. évi felhasználással (1125,4 PJ). Az összes energiaigény kielégítésére 1158,6 PJ forrás állt rendelkezésre, melynek 37,6 %-a hazai termelés 435,9 PJ (az atomerőmővi termelést hazaiként számba véve), 62,4 %-a (722,7 PJ) pedig nettó importált energia. Amennyiben az atomerőművi termelést importként kezeljük: a termelés 23,7 %-ot, a nettó import 76,3 %-ot képviselt
Az energiafelhasználáson belül a szénfelhasználás aránya a 2007. évi 11,9%-kal megegyezett. Kis mértékben csökkent a kőolaj- és kőolajtermékek (27,5%-ról 27,4%-ra), 2008-ban 6,7 Mt kőolajimport mellett 0,8 Mt volt a termelés, a földgáz (39,8%-ról 39,3 %-ra), 11,4 Mrdm3 import mellett 2,6 Mrdm3 volt a termelés, valamint az import villamosenergia aránya 1,3%-ról 1,2%-ra. Az összes primer energiafelhasználáson belül az atomerőművi villamosenergia 2007-ben 14, 2%-ot, 2008-ban 14,3 % -ot képviselt. A megújuló energiafelhasználás részaránya a 2007. évi 5,1 %-ró l 5,9 %-ra növekedett.
Dr. Pátzay György
134
A földgázfelhasználás 13,1 milliárd m3 volt. A földgáz fogyasztói csúcsigény január 04én jelentkezett és 79,1 Mm3 volt. 2008-ban a zavartalan földgázellátást a 2,6 milliárd m3 hazai termelés és 11,4 milliárd m3 import földgázvásárlás biztosította.
A magyarországi villamosenergiatermelés hőerőművekre és atomerőművekre épül első sorban. A magyarországi termelés összetétele azt mutatja, hogy hazánkban jelentős a fosszilis (szén és szénhidrogének) felhasználása. A hazai villamosenergia-termelő erőművek közül a Paksi Atomerőmű 14 TWh energiát termel évente. 1 TWh évi termelés felett van még a fosszilis energiát felhasználó Dunamenti Hőerőmű (6 TWh), a Mátrai Hőerőmű (4,1 TWh) és a Tisza II. Erőmű (3 TWh). További erőműveink, melyek energiatermelése alacsonyabb: Tiszapalkonya, Bánhida, Pécs, Oroszlány, Inota, Ajka. A kiskörei és a tiszalöki vízerőművek energiatermelése ezekhez képest elhanyagolható néhány GWh évente.
Dr. Pátzay György
135
Dr. Pátzay György
136
Dr. Pátzay György
137
A magyar villamosenergia-rendszer összes villamosenergia-felhasználása 2010-ben 39 TWh volt. A hazai villamosenergia-termelés 33,8 TWh; a villamosenergia-fogyasztás 34,7 TWh, melyben az import részaránya közel 15% (~5,2 TWh). A hazai bruttó villamos erőművi teljesítőképesség (9˙317 MW) import nélkül is biztonságosan kielégíti a legmagasabb havi csúcsterhelést (6˙560 MW decemberben). A villamosenergia-termelés kb. 21,5%-át a KÁT rendszerben előállított villamos energia teszi ki. A felhasznált energiaforrások tekintetében nagyjából a következő a megoszlás: 37%-a hasadóanyag, 29%-a szénhidrogén, 14%-a szén, 7%-a megújuló energiaforrás, 13%-a import.
Jelenleg a magyar villamosenergia-behozatal legjelentősebb részét a szlovák import fedezi havi 300-600 GWh-val. Ezt követi az ukrán import, 100-250 GWh. A horvát metszéken 50-500 GWh exportszállítások voltak jellemzők 2010-ben.
Dr. Pátzay György
138
Az ország energiafelhasználásának alakulása (PJ)
Erőművekben felhasznált energiahordozók (TJ)
Dr. Pátzay György
139
A GDP, a villamosenergia-felhasználás és az összes energiafelhasználás alakulása, 1970 = 100
Dr. Pátzay György
140
A villamos energia és hűtés-fűtés szektorokban felhasznált megújuló energiahordozók megoszlása (2010)
Magyarország 2005 Magyarország megújuló energiatermelésének megoszlása
Dr. Pátzay György
141
Erőműpark Magyarországon (2005) Tulajdonos Erőműtársaságok
Erőművek Ajkai Erőmű
Energiaforrás
Beépített villamosteljesítmény (MW)
Szén
102
Biomassza
30
Bakonyi Erőmű Rt.
Magyar pénzügyi befektető
Budapesti Erőmű Zrt.
EdF (francia)
Budapesti Erőmű Rt. négy telephely
Szénhidrogén
455,6
Dunamenti Erőmű Rt.*
Electrabel-Suez (belga) + MVM (25%)
Dunamenti Erőmű Rt.
Szénhidrogén
1367
Dunamenti GT.
Szénhidrogén
386
EMA-Power
Dunaferr-csoport tulajdonosainak érdekelt-ségi köre (ukrán)
Szénhidrogén
69
Mátrai Erőmű Rt.*
RWE (német) + MVM (25%)
Lignit
836
Tüzelőolaj
410
Nukleáris
1866
Szén
132
Biomassza
50
Szénhidrogén
396
Szénhidrogén
900
Szén+biomassza
137
Bakonyi Bioenergia
GTER Kft. Paksi Atomerőmű Rt.
MVM
Pannonpower Holding Rt.
Dalkia (francia)
Csepeli Áramtermelő Kft.
Atel (svájci)
AES Tisza Erőmű Rt.
AES- USA
AES Borsodi Energetikai Rt.
AES- USA
Vértesi Erőmű Zrt.
MVM
Oroszlányi Erőmű
DKCE Kft.
E.ON (német)
Debreceni GT
Tiszai Vízerőmű Kft.
ÁPV Zrt.
Hernádvíz Vízerőmű Kft.
ÁPV Zrt.
Pannon Hőerőmű Pannon Green Csepel GT
Borsodi Erőmű Tiszapalkonyai Erőmű
200
Szén
240
Szénhidrogén
95
Kisköre
Víz
28
Tiszalök
Víz
11,4
Víz
4,4
Engedélyköteles erőművek összesen
7647
Kiserőművek Összesen
Szén+biomassza
953
Dr. Pátzay György
8600
142
A hazai erőművi társaság(csoport)ok piaci részesedése beépített kapacitás (2009) és termelés (2010) szerint
Dr. Pátzay György
143
A villamos energia tarifa árainak európai összehasonlítása a lakossági fogyasztóknál (adók nélkül, évi 2 500–5 000 kWh fogyasztás, 2010. éves adatok, euró/kWh)
Dr. Pátzay György
144
A hazai földgázrendszer maximális technikai kapacitása 2010. okt. 15-én (millió m3/nap)
Az országos földgázfogyasztás összetétele 2010-ben (milliárd m3/év)
A magyarországi kereskedelmi gáztárolók kapacitásainak alakulása 2010. október 15. után Hosszú távú földgáz importszerződések és hatályuk: •Panrusgas 9000 millió m3/év 2015-ig • E.ON Ruhrgas 500 millió m3/év 2015-ig • Bothli Trade AG 900 millió m3/év 2014-ig • Gaz de France 600 millió m3/év 2012-ig
Az import földgázforrások elsősorban orosz eredetűek, még az ausztriai Baumgartenből érkező HAG vezetéken a Gaz de France-tól és az E.ON Ruhrgas-tól vásárolt földgáz nagy része is molekulárisan orosz eredetű. 2010-ben a hazai termelés és az import közötti megoszlás kb. 20–80% volt. Dr. Pátzay György
145
Megújuló energiaforrásokból előállított villamos energia alakulása Magyarországon (GWh)*
Dr. Pátzay György
146
Az egyes erőművek termelői árai 2004–2006 (Ft/kWh) Vértesi Erőmű Rt. Oroszlányi erőmű Pannon Hőerőmű Rt.
2006
Paksi Atomerőmű Rt.
2005
M átrai Erőmű Rt.
2004
EM A-POWER Kft. Dunamenti Erőmű Rt, Debreceni Kombinált Ciklusú Erőmű Kft Csepeli Áramtermelő Kft. Budapesti Erőmű Rt. Bakonyi Erőmű Rt. Ajka AES Tiszai Erőmű AES Tiszapalkonyai erőmű AES Borsodi erőmű
0
5
Dr. Pátzay György
10
15
20
25
30 147
A villamosenergia-termelés megoszlása energiahordozók szerint
Hasadóanyag
Földgáz
Kőolaj
Szén
1) Szén 2) Kőolaj 3) Földgáz 4) Hasadó anyag 5) Megújuló + hulladék Forrás: A magyar villamosenergia-rendszer 2005. évi adatai. MVM–MAVIR, 2006. Dr. Pátzay György
148
Széndioxid emisszió tüzelőanyagonként és szektoronként
Dr. Pátzay György
149
A hazai energia felhasználás néhány jellemzője
Az összenergia felhasználás nem változik ’92 óta (csak az időjárás változásai befolyásolják, 1992: 1057 PJ, 2002: 1055 PJ)
Az energiaintenzitás kb. évi 3-4 %-kal csökken A földgáz a domináns primer energia forrás A földgáz részesedése lassan, de növekszik A földgáz szerepe egyre nő két területen:
1. Villamosenergia termelés 2. Fűtés (lakosság, kommunális és kereskedelmi szektor) Ezért szezonalitás nő, nő a tárolási igény (beruházás igény) Az alternatív energiaforrások visszaszorulása (árak miatt is)
Dr. Pátzay György
150
