Energiaforrások és alkalmazásuk
Természeti energiaforrások Energiaforrás: a természet olyan anyagi rendszereit tekintjük, melyekből technikailag hasznosítható energia nyerhető, az adott társadalmi, politikai, műszaki fejlettségi stb. körülmények között gazdaságosan.
Természeti erőforrások csoportosítása-1 Sajátosság: a Földön egyenlőtlenül helyezkednek el. Ennek oka, hogy a szilárd kéreg kialakulása a földtörténet során időben és a földrajzi térségek szerint változóan, más és más körülmények között, eltérő geológiai, geokémiai folyamatok és feltételek mellett ment végbe. Előfordulás szerint lehetnek: bárhol megtalálhatóak: pl. O2 gyakran előforduló erőforrások: pl. vasércek ritkán előforduló erőforrások: pl. wolfrám egyetlen helyen megtalálható erőforrások: pl. kriolit (Grönland)
Természeti erőforrások csoportosítása-2 Nem megújuló: 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).
- szén - kőolaj Megújuló: a felhasználás mennyiségüket
- nap - víz
- földgáz - atomenergia mértéke
nem
befolyásolja
megújulásukat
és
- szél -geotermikus energia
Helyes gazdálkodás, a felhasználás helyes mértéke mellett - fa - biomassza A helytelen (rabló)gazdálkodás e két utóbbit nem megújulóvá tehetiökológiai katasztrófát, pl. elsivatagodást okozva.
Természeti erőforrások csoportosítása-3 A természeti energiaforrások aszerint, hogy milyen állapot- változtatások szükségesek ahhoz, hogy a természetben talált energiaforrás technikai rendszerek energiai inputjaként hasznosítható legyen, lehetnek: Primer energiaforrás: technológiai hasznosításukat csak fizikai átalakítás előzi meg. (kőszén, földgáz, kőolaj)
Szekunder energiaforrás: kémiai összetételében is változik és többszöri átalakítás eredménye. (koksz, városi gáz)
Tercier energiaforrás: villamos energia
Ásványi energiahordozók csoportosítása Halmazállapot szerint: - szilárdak (pl. kőszén, ércek), - folyékonyak (kőolaj) - légneműek (földgáz) Anyagi összetétel szerint: - ércek (pl. vasérc, bauxit), - nem érces ásványok (pl. kaolin) Keletkezés szerint: - fosszilis (kőszén), - magmatikus, vulkáni (rézérc, bazalt), - üledékes (mészkő), - átalakult, metamorf (márvány) ásványi nyersanyagok.
Fosszilis energiahordozók 1. Szén: A szénféleségek szerves növényi anyagok talajban, levegőtől elzártan történő átalakulásainak eredményeként jöttek létre. Az átalakulások folyamatát szénülési sorozatnak nevezik, ami a tőzegképződéstől az antracit keletkezéséig tart.
A széntartalom és a kémiailag kötött energia változása, a szénülés folyamata
C [%] tőzeg 55-65 lignit 60-65 barnaszén 65-80 feketeszén 80-93 antracit 93-98
Q[MJ/kg] 6,3-7,5 7,0-8,4 5,4-24 24-32 35-37,5
Fosszilis energiahordozók-szén Szénképződés mértékét meghatározza: • Nedvességtartalom, • Kéntartalom, • Hamutartalom. A szenek kéntartalmából a felhasználása során a levegőbe szennyező kén-dioxid (SO2) keletkezik. Vízzel érintkezve kénessav (H2SO3) és kénsav (H2SO4) keletkezik, amely a savas eső kialakulásáért felelős.
Megoldás:
füstgáz-kéntelenítés-gipszképzés a szénelőkészítés során történő mechanikus kéntelenítés és biológiai módszerekkel történő kivonás
Fosszilis energiahordozók-szén Szén égetése során felszabaduló széndioxid (CO2) és szénmonoxid (CO) az üvegházhatásért felelős. A szénmonoxid (CO) és a vörösvérsejtekben található hemoglobin hem részének irreverzibils kapcsolódása közvetlen súlyos élettani hatással bír.
Megoldás: elnyeletés, csökkenteni a szénfelhasználás
mennyiségét.
Fosszilis energiahordozók-kőolaj
1.Kőolaj elhalt tengeri növényi és állati egysejtű élőlények levegőtől elzárt bomlásának a terméke.
A geológiai készleteknek csak a nagy koncentrációjú része hasznosítható. Ezek a készletek a kőolajcsapdának nevezett, át nem eresztő kőzetek között halmozódtak fel. A kőolaj mindig valamilyen likacsos, repedezett kőzetben gyűlik össze, amely lehet homok, likacsosszemcsés mészkő vagy repedezett mészkő dolomit. A kőolaj fűtőértéke:
33-40 MJ/kg,
Fosszilis energiahordozók-kőolaj Kőolaj főbb komponensei:
Parafin Intermedier Naftén Aszfalt bázisú vegyületek
A kőolaj összetétele C 80-88% H 10-14% S <5% O <7% N <1,7% Hamu <0,03%
Fosszilis energiahordozók-földgáz
1. Földgáz rövid, 1-4 szénatom számú szénhidrogénekből álló gázkeverék. Főbb alkotóelemei: - Etán - szén-dioxid, - Metán, - Nitrogén - Propán - Bután
- Kén
Fosszilis energiahordozók-földgáz
A földgáz összetétele CH4
26-99%
C2H6
0,1-9,5%
CnH2n+2
<16%
N2
<38%
N2S
<15%
A földgáz fűtőértéke:35-40 MJ/Nm3
Ha nő a nem éghető gázok koncentrációja, akkor csökken a földgáz fűtőértéke.
Magyarország energiamérlege
Energiahordozók lakossági felhasználása
Földgáztermelés és felhasználás
A világ földgáztermelésének alakulása /ezer milliárd m3/ (A BP Statistical Review of World Energy 1999. alapján)
A földgáz arányának változása a világ energiamérlegében /%/ (A BP Statistical... alapján.)
Földgáz értékesítés éves eloszlása
Sugárzások Ionizáló sugárzások Előbb fizikai, kémiai majd később biológiai változások
Nem ionizáló sugárzások Egészségügyileg kevésbé veszélyesek Például: elektromágneses sugárzások, lézerek Atommagok jellemzői:
Nukleon=Proton+Neutron Izotóp:azonos proton, de eltérő neutronszám(hidrogén és deutérium, U-238 (99,3%) és U-235 (0,7%) ) Stabil magok: protonszám=neutronszám Mag stabilitása kicsi, elbomlik: átalakul,sugároz
Sugárzások-2 Természetes sugárforrások: Kozmikus: (napsugárzás, galaktikus)
nagy energiájú részecskék az atmoszférával ütköznek és n0, p, és sugarakat szabadítanak fel
Földi:
kőzetekben feldúsultak radionuklidok. Ezek általában inaktív izotóppá váltak, kivétel pl.: urán-rádium, tórium, aktínium sor Légáramlás, csapadék révén a légkörben képződő izotópok a bioszférába kerülnek
Mesterséges sugárforrások: Zárt radiaktív sugárzás Nyitott radiaktív készítmények Sugárzás típusai:
Alfa-sugárzás Béta- sugárzás Gamma- sugárzás
Sugárzások-3 Alfa-sugárzás: A nagyobb rendszámú „nehéz” elemek He-atommagot bocsátanak ki. Rendszám kettővel tömegszám néggyel csökken.
Alfa részecskék nagy mérete miatt áthatolóképességük kicsi • levegőben néhány cm • emberi szövetekben néhány mikrométer • elhalt hámsejteken nem tudnak áthatolni, lenyelve ártalmasak.
Sugárzások-4 Béta-sugárzás: kétféle lehet Negatív béta-bomlás, azaz atommagban túl sok neutron van. - Egy neutron protonná és elektronná alakul, - Rendszám eggyel nő tömegszám nem változik - Elektron kibocsátás történik
Sugárzások-4 Pozitív béta-bomlás, azaz atommagban túl kevés neutron van. - elektronnal azonos számú neutron távozik, - Rendszám eggyel csökken tömegszám nem változik
Béta részecskék áthatolóképessége nagyobb • Testszövetekben nagyobb utat tud megtenni • Külső sugárforrás, a bőr szöveteit károsítja Pl.: szén-14, foszfor-32, stroncium-90
Sugárzások-5 Béta-sugárzás: A gerjesztett mag bomlás után kisebb energiaszintre kerül, közben az energiafeleslegét gamma-fotonok formájában leadja. - Nincs töltéssel rendelkező részecske kisugárzás - Sem a rendszám, sem a tömegszám nem változik - A sugárzás áthatolóképessége nagy, árnyékolására nagy rendszámú anyagokat használnak.
Sugárzások-6 Neutron emisszió: - Néhány izotóp bomlása során neutronokat bocsát ki. (pl.: bróm-87 béta bomlás után neutront bocsát ki)
- Néhány nehéz mag spontán hasad, -fotonok és neutronok távoznak (pl.: kalifornium-252-es izotóp) Az élő szövetekben roncsoló hatású, a szövetek víztartalma elnyeli: • A n0 a H atomokkal ütközéskor hamar lefékeződik • ezért az energia kis mélységre koncentrálódik A neutronsugárzást nehéz leárnyékolni (neutronbomba)
Sugárzások-7 Radioaktív izotópok alkalmazása 2.Orvosi: Röntgendiagnosztika
Fájdalom nélküli, képszerűen dokumentálható eljárás
Izotópdiagnosztika Rövid felezési idejű izotópok pl.: technécium-99, tumorhoz Ga-67 Sugárterápia Sugárforrás lehet: - külső nagy aktivitású zárt sugárforrás, röntgenkészülék, vagy
terápiás
- gyorsító nyitott izotóp: lenyeletik vagy keringési rendszerbe juttatják, az izotóp beépül.
Daganatos betegségek gyógyítása
Izotópos agyvizsgálat
Sugárzások-8 1.
Ipari alkakmazás:
Besugárzó állomások
Csírátlanításra, tartósításra gamma sugárforrások
Vastagság és sűrűségmérés Összefüggés az áthatolt sugárzás és a vastagság, illetve a sűrűség között
Kopásvizsgálat
A felületen finom eloszlásban rögzítik az izotópot, a kopás mértékét a sugárszint csökkenése jelzi
Nedvességtartalom meghatározása H-atomok nagy hatásfokkal reflektálják a neutronsugárzást
Füstérzékelők Az érzékelőbe jutó füstszemcsék csökkentik az ionizációs áramot
Nukleáris energiatermelésre
Sugárzások-9 A természetes háttérsugárzás összetevői
Lakossági sugárterhelés
Sugárzás hatásai
• Fizikai
• Kémiai
• Biokémiai
• Biológiai
Megújuló energiaforrások 1. VÍZENERGIÁN a vízhozamú folyók energiáját értjük.
nagy esésű és/vagy vizének mechanikai
A vízerőmű passzív részrendszere a duzzasztómű, aktív egysége a turbógenerátor (hidrogenerátor).
Duzzasztó mű
Megújuló energiaforrások 1. NAPENERGIA
A felhasználható energia szinte teljes egészében a Napból (fosszilis energia, biomassza szél, beeső sugárzás)ered. A napsugárzásból eredő energia- mennyiség: 178 ezer terrawattév. (1 TW=1012 W). 15 perc alatt a Földre jutó energia több, mint amennyit az emberiség évente felhasznál. Beeső sugárzás 30 %-a visszaverődik; 50 %-a elnyelődik, majd visszasugárzódik. A maradék 20 % tartja fenn a víz körforgását. A napsugárzásnak csak egy nagyon kicsi százaléka (0,06 %) fordítódik fotoszintézisre.
Megújuló energiaforrások 1.SZÉLENERGIA A légkör alsó rétegeiben végbemenő légáramlást - a szelet - a Nap sugárzó energiája hozza létre. A felszálló meleg levegő helyébe a hidegebb levegő áramlik. http://www.xsany.hu/documents/h_023/tengszel1.jpg
Megújuló energiaforrások A szélenergiát évezredek óta hasznosítja az emberiség :
hajózás szivattyúzásra gabonaőrlésre Energiatermelésre-manapság (szélkerekek, szélturbina, szélerőmű)
A szél mozgási energiáját 100 TW-ra becsülik.
Szélenergia szivattyúzásra
Megújuló energiaforrások 1.BIOENERGIA A biogáz termelő berendezés egy zárt tartályból áll, amiben növényi anyagok (levelek, aprított fás részek, fű, stb.), vagy állatok ürüléke vizes közegben rothadnak. A rothadáskor keletkező metánt egy tartályban össze lehet gyűjteni, és sima földgázzal üzemelő berendezésben elégetni. Biomassza energetikai eljárásokkal előállítható biogázon kívül biodízel, bioetanol, biobrikett is.
Biogáz előállítás
Megújuló energiaforrások 1.GEOTERMIKUS ENERGIA A geotermális energia, más néven földhő a magmából ered és a földkéreg közvetíti a felszín felé. Hasznosítási helyei : balneológia lakossági (épületek fűtésére) mezőgazdasági kommunális (fűtőmű) Egyéb: élelmiszeriparban szárításra
Erőművek típusai Hőerőmű: olyan technikai rendszer, melynek erőgépeiben az energiahordozó (szén, szénhidrogének, hulladékok) kémiailag kötött energiája felszabadul, s az átalakulási folyamat végén villamos energiát szolgáltat. Hőszolgáltató erőmű: hőellátást és egyidejűleg villamos energiát is adó technikai rendszer Fűtőmű: nagyobb fűtési körzetet ellátó kazántelep fűtőközponttal, hőszolgáltatással. ( villamosenergia-fejlesztés nélkül).
Erőművek legfőbb részei Einput
1
2
3 Eoutput
1. A "forrás", ahol az input energiahordozóban kötött energia felszabadul. 2. A "csatorna", mely a felszabadított energiát a termelő egységhez szállítja. 3. A turbógenerátor, mely a villamos energiát állítja elő.
Hőerőművek működése • A hőerőművekben az előkészített input energiahordozó kémiailag kötött energiáját a kazánban szabadítják fel. Kazán olyan technikai rendszer, melyben a fosszilis tüzelőanyagot elégetik, gondoskodva a felszabaduló energia tárolásáról, illetve elvezetéséről (általában vízgőz felhasználásával), valamint az égéstermékek eltávolításáról. • A kazán főbb részrendszerei: tűztér, tüzelőanyagellátás, levegőellátás, égéstermék eltávolítás, vízgőzrendszer.
Turbina és generátor Gőzturbina: rögzített fúvókákból és tengelyre szerelt, ezzel együtt forgó kerületén lapátokat hordozó futókerékből áll. A fúvókákban a gőz a nyomáscsökkenéssel egyidejűleg felgyorsul és a lapátkeréken átáramolva a kerekeket forgatja. A turbinák (a velük egy tengelyre ékelt) generátorokat hajtják meg.) Generátor: a gőz energiaáramát villamos energiaárammá.
alakítja át
Gőzturbina típusok Kondenzációs: a gáz egészen kis gőznyomásig expandál Elvételes-kondenzációs: Elvételes-kondenzációs a gőz egy részét a fogyasztók által kívánt nyomáson megcsapolják Ellennyomású: a gőz teljes egészét, általában a légkörinél nagyobb nyomáson, ipari vagy fűtési hálózat kapja, tehát a rendszernek nincs kondenzátora .
Távfűtőművek A fűtési, szellőzési, klimatizálási, használati melegvizet szolgáltató távfűtő rendszer lehet: zárt, amikor minden víz a hálózatban marad és az csak hőhordozóként szolgál, nyitott, amikor a fogyasztók a forró vizet részben vagy egészben felhasználják, közvetlenül a hálózatból.
