ENERGIAHASZNOSÍTÁS. (Lesz-e energiaválság?) Az energiagazdálkodás fogalma

(C) http://kgt.bme.hu/

ENERGIAHASZNOSÍTÁS (Lesz-e energiaválság?)

Az energiagazdálkodás fogalma Azoknak a tevékenységeknek az összessége, amelyeknek célja a rendelkezésre álló energia gazdaságos hasznosítása. Az energiagazdálkodás során gondoskodni kell az elsıdleges energiahordozók (a szén, földgáz, nyersolaj stb.) és másodlagos energiahordozók (a villamos energia, gız stb.) tervszerő elosztásáról, felhasználásáról, ennek ellenırzésérıl. Az energiafogyasztást (mennyiségét, szerkezetét) az árakkal befolyásolni lehet. (Úgy alakítják ui., hogy fogyasztása elınyös legyen a lakosság számára is?!)

1 /19


Rendszerszemlélet! Ahhoz, hogy a természet nyújtotta energiaforrásokat – legyen az akár megújuló eredető, akár fosszilis - a lehetı leghatékonyabb módon használjuk fel, nem elegendı, ha az egyes részegységek energiahatékonyságát külön-külön optimalizáljuk. A globális rendszer egyes elemeinek energiahatékonyságát összehangoltan, a kölcsönös egymásra hatást figyelembe véve kell maximalizálni. Ez azért fontos, mert hosszú távon mindenki számára – beleértve a végsı energiafogyasztókat is - az a legkedvezıbb megoldás - mind környezeti, mind gazdasági szempontból -, amely globális értelemben is az energiahatékonyság maximalizálását eredményezi, és ésszerően, fenntartható módon használja a Föld energiaforrásait. (a hıszivattyú rendszertechnikailag)

Akár az energiatermelés, -átalakítás, vagy -fogyasztás szintjérıl beszélünk, alapvetıen három elvet kell követnünk a hatékony és fenntartható energia felhasználás érdekében.

• Az elsı, hogy csökkentenünk kell a rendszer energiaveszteségeit. A „rendszer” szó alatt itt érthetünk egy épületet, amelyet főteni és/vagy hőteni kell, valamilyen terméket gyártó ipari létesítményt, vagy akár egy villamos energiát elıállító erımővet, stb. Az energiaveszteségek csökkentésére épületek esetében jó példa a külsı határoló szerkezetek hıszigetelése. Ipari létesítmények, illetve erımővek esetében pedig korszerő technológia alkalmazásával érhetünk el nagyobb hatékonyságot.

• A második, hogy a fosszilis tüzelıanyagok (földgáz, kıolaj, kıszén, stb.) helyett, ahol csak lehetséges, a lehetı legnagyobb mértékben használjunk megújuló forrásból származó energiákat. Ez azért nagyon fontos, mert azzal, hogy a fosszilis primerenergia hordozókat kiváltjuk megújuló forrásból származó, gyakorlatilag kimeríthetetlen energiákkal, egyrészt takarékoskodunk a Föld véges energiakészleteivel, másrészt jelentıs károsanyag kibocsátástól kíméljük meg környezetünket.

2 /19


• A harmadik, hogy a felhasznált fosszilis energiahordozók energiatartalmát a lehetı leghatékonyabban hasznosítsuk. Ez azt jelenti, hogy a különféle energiaigények – ez lehet épületfőtés, hőtés, ipari tevékenység, stb. - esetén az energiaigény minıségi szintjét figyelembe véve, mindig a megfelelı minıségő / fajtájú energiahordozót használjuk. Tehát az energiaellátás minıségi szintjét az energiaigények minıségi szintjéhez kell illesztenünk.

A harmadik pont elsı ránézésre talán kissé nehezen értelmezhetınek és kézzel nem megfoghatónak tőnik. Miért teszünk minıségi különbséget a különféle energiahordozók között, melyek ugyanannyi energiát tartalmaznak? A válasz az energiafajták átalakíthatóságában, hasznosíthatóságában, vagy másként kifejezve munkavégzı képességében (exergia tartalmában) rejlik. Az exergia a rendszerbıl adott K környezet mellett maximálisan kinyerhetı munka. Tehát az exergia az a felhasználható energia, ami rendelkezésre áll. Ha a rendszer és környezete egyensúlyba érnek, az exergia nulla lesz. „Az exergia a rendszerbıl reverzibilis folyamatban kikerülı maximális munkát méri, míg az extrópia a teljesen irreverzibilis folyamatban fellépı maximális entrópiatermelést”. (Martinás és Nánási 1999).

Az energia fajtákat átalakíthatóságuk, hasznosíthatóságuk szempontjából feloszthatjuk magas és alacsony minıségi szintet képviselı energiákra. A magas minıségő energiák mind mőszaki, mind gazdasági értelemben a legértékesebbek, ezért ezekkel a lehetı legtakarékosabban kell bánnunk. Magas minıségi szintet képviselnek például a fosszilis energiahordozók (földgáz, kıolaj, kıszén, stb.), illetve a villamos energia. Ezeket kizárólag olyan energiaigények fedezésére szabad felhasználnunk, amikor nem jöhet szóba alacsonyabb minıségi szintet képviselı energiahordozó használata. A víz, levegı, vagy bármilyen egyéb hıhordozó közegben tárolt termikus energia alacsony minıségi szintet képvisel. Minél közelebb áll a hıhordozó közeg (pl. főtıvíz) hımérséklete a környezeti hımérséklethez (a mindenkori külsı, környezeti hımérséklet), annál alacsonyabb minıségő a benne tárolt energiamennyiség – még egyszer hangsúlyozzuk, hogy mennyiségileg ugyanannyi energiáról van szó. Ezek sokkal rugalmatlanabbak az átalakíthatóság, a hasznosíthatóság szempontjából.

3 /19


Primer energiahordozók: • Fosszilis tőzelıanyagok szén (tızegtıl a kıszénig), kıolaj, földgáz, szalmától a fáig • Helyzeti energia (folyóvíz, ár-apály) • Geotermikus energia • Nukleáris energia • Nap- és szélenergia • Egyéb energiahordozók (háztartási hulladék [szemét], trágya, stb)

Megújuló – nem megújuló • Megújulók: - Fosszilis (szalmától a fáig) - Helyzeti és mozgásenergia (folyóvíz, ár-apály, szél) - Geotermikus energia - Napenergia - Egyéb energiahordozók (háztartási hulladék [szemét], trágya, stb) • Nem megújulók: - Fosszilis (szén (tızegtıl a kıszénig), kıolaj, földgáz) - Nukleáris energia 4 /19


Amit ebbıl ma használunk … • Nem megújulók: - Fosszilis (szén (tızegtıl a kıszénig), kıolaj, földgáz) - Nukleáris energia Ezek adják jelenleg a felhasznált energia > 90 %-át A többi felhasználása ma még elhanyagolható.

A felhasználás?

5 /19


Idézet (Natúrsziget)

A sötétre festett jövı „a társadalom nyersanyag-felhasználása már így is megegyezik a teljes élıvilág nyersanyagforgalmával, a fénymegkötéssel (fotoszintézis) felhalmozott növényi erıforrások felét az ember hasznosítja. Az erıltetett gazdasági növekedés biztosan a végpusztulásba juttatja a bolygót, akár azzal, hogy megkétszerezi az üvegházgázokat a légkörben és ezzel az élıvilág összeomlik, akár (de inkább ezzel együtt) úgy, hogy feléli az összes elérhetı olcsó ısmaradványi erıforrását, és az olcsó erıforrásokra épült társadalom összeomlik. Az összeomlás sorrendje: az erıforrás-kínálat csökken, a gazdaság zsugorodik, a közegészségügy, mint a legdrágább és legkifinomultabb ágazat, összeomlik, ezt követik a zavargások, járványok és éhínségek.”

A probléma egyik oldala: A jelenlegi energiafelhasználásunk zöme nem megújuló energiaforrásból származik, amelyek mennyisége véges. Pótlásukhoz természeti katasztrófák (óriási erdık elsüllyedése) mellett évmilliókra lenne szükség.

6 /19


A probléma egy másik oldala: A gazdaságosság (mit, hol, mikor, mivel)

és harmadik oldala: Energiatermelés hatásfoka Az energia tárolása, szállítása

A gazdaságos energiafelhasználás kényszere • a XX. század 3. harmadáig olcsó volt az energia. A termékek árának (beleértve a gyártási, szállítási, raktározási, csomalási költségeket) néhány %-át tették ki. • 1971. Olajárrobbanás. • Azóta folyamatosan emelkedı energiaárak – az olajár maga után húzza a többi fosszilis energiahordozó árát is. A gazdaságosság alapja a jó hatásfok. 7 /19


.

Hıerıgépek és körfolyamataik hatásfoka

Entalpia, entrópia és hatásfok • Entalpia: H = U + W = U + pV dH = dU + pdV + Vdp dq T W , ahol • Hatásfok: η = Q0

• Entrópia: dS =

W – az erıgép által leadott munka, Q0 – a bevezetett hımennyiség

• Fajlagos hőtıteljesítmény: ε =

Q0 W

, ahol

Q0 - az 1 kg hőtıközeg által elvont hımennyiség, W - a kompresszor által végzett munka egy körfolyamat során (hıszivattyúnál teljesítménytényezınek nevezzük)

8 /19


. .

A Carnot-körfolyamat termikus hatásfoka pl. 20 oC alsó és 200 oC felsı hımérséklet esetén:

T0 293 ηT = 1 − = 1− ≈ 38% T 473 • A legrégebben megvalósított körfolyamat: ...?

9 /19


A vízgız körfolyamat

.

η=

h   4

− h  −  h − h  5  2 1 h −h 4 1 10 /19


Gázturbina .

2

3

1

4

11 /19


Gázturbina körfolyamata:

Joule – körfolyamat • termikus hatásfoka I. qbe = cp( T3-T2) qel= cp( T4-T1) W = qbe - qel = cp((T3-T2) - (T4-T1)) = T4 − T1 = c p (T3 − T2 )(1 − ) T3 − T2

T2 T3  V1  = =   T1 T4  V2 

κ −1

= ε κ −1 κ

p2 p3  V1  = =   = ε κ p1 p4  V2  12 /19


Joule termikus hatásfoka II.

T3 / T2 = T4 / T1 T4 − T1 T1 p1 = =( ) T3 − T2 T2 p2

κ −1 κ

 T1  qbe − qel = c p (T3 − T2 )1 −   T2   p1  qbe − qel T1 ηt = = 1 − = 1 −   qbe T2  p2 

Kombinált erımő = gáz + gızturbina Hibrid erımő = kombinált + a tápvíz elımelegítés geotermikus energiával

13 /19

κ −1 κ

1

= 1−

π

κ −1 κ


Az Otto-körfolyamat termikus hatásfoka: ηt = ηt

q23 − q41 q23

( T3 − T2 ) − (T4 − T1 ) T4 − T1 = = 1− T3 − T2

T3 − T2

T4 T1( − 1) T1 T1 1 =1− =1− = 1 − κ −1 T3 T2 ε T2 ( − 1) T2

ahol ε – a kompresszióviszony

14 /19

=


A Diesel-körfolyamat termikus hatásfoka: ηt = ηt =

q 23 − q 41 q 23

c p (T3 − T2 ) − c v (T4 − T1 ) c p (T3 − T2 )

= 1−

1 T4 − T1 = κ T3 − T2

T4 − 1) 1 1 1 ϕκ − 1 T1 = 1− = 1− T κ T ( 3 − 1) κ ε κ −1 (ϕ − 1) 2 T2

(

T1 (

ahol ϕ – az elızetes expanzióviszony

15 /19

)


Hőtıgépek és hıszívattyúk • hőtıgépek: - megfordított hıerıgépek, ahol energiát használunk fel, hogy - a környezetnél alacsonyabb hımérsékletet állítsunk elı • hıszivattyúk: - megfordított hőtıgépek, ahol a bevitt energiánál több hıt állítunk elı - a többletenergiát a környezetbıl vonjuk el

Hőtıkörfolyamat II. - 1-2 adiabatikus kompresszió, - 2-3 izotermikus kompresszió, - 3-4 fojtás, - 4-1 izotermikus expanzió.

2

b

c

1 a

W

q

q0 3

T

4 log p

d

2

3

T

a: elpárologt at ó b: kompresszor c: kondenzát or d: f ojt ószelep

p

p

3

2 T

p0 p0

T0 h=áll.

4

1

4

T0

1

s

h h4

16 /19

h1


Hıszivattyú: teljesítménytényezı 3 ÷ 6

.

17 /19


Környezeti hıforrások A környezet hımérsékletét a párologtatón keresztül tudjuk "megcsapolni" a következı eszközökkel: • talajszonda • talaj kollektor • masszív hıelnyelı • kútvíz (talajvíz) • levegıhı • termálvíz

Hıerıgépekkel szemben támasztott követelmények: 1.) Ár → Elvégzendı feladathoz mennyire kihasznált, a befektetett összeg megtérülési ideje 2.) Üzemeltetési költség: - fajlagos tüzelıanyag felhasználás - fajlagos energiaigény (pl.: hőtıgép) - karbantartási igény 3.) Megbízhatóság 4.) Élettartam 5.) Éves kihasználtság: - alaperımő (legjobb η) - csúcserımő (kis beruházási költség, gyors terhelhetıség ) - Kazán (részterhelésen rosszabb η)

18 /19


Energiatárolás (a jövı megoldandó kérdése) ???

Ismert és korszerő energiatárolási rendszerek • • • • • • • • • • • • • •

Víztározók Hıtárolás Mechanikai lendkerekes tárolás (lassú, gyors) Szuperkondenzátorok Korszerősített savas akkumulátorok Ni-Cd akkumulátorok Nátrium-kén akkumulátor (NaS) Lítium-ion akkumulátorok Na-klorid-nikkel akkumulátor Fém-levegı akkumulátor Cink-bróm akkumulátor Plurion folyadék akkumulátor Regenesys-poliszulfid-bróm akkumulátor Sőrített levegıs energiatárolás (CAES)

19 /19

ENERGIAHASZNOSÍTÁS. (Lesz-e energiaválság?) Az energiagazdálkodás fogalma

Recommend Documents