Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék
Molnárné Dőry Zsófia
Fenntartható energetika
Fenntartható energetika • Fenntartható energetika (2 óra, Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék): a három szekunder energiahordozó (üzemanyag, hő, villamos energia) versenyképessége, ellátásbiztonsága, környezet- és klímavédelme. Az előállított hő és villamos energia „illeszkedése” a meglévő energetikai rendszerekhez. • Előkövetelmény volt energetikai mérnököknek Energetika II, választható tárgyból nincs hivatalos előtanulmány a témakörben
2
Tartalom • Funkciók ellátása, mi kell az élethez? • Energiaforrások • Szekunder energiahordozók • Fogyasztás: mennyiség, minőség • Megújuló energiaforrások hasznosítása Szempontok: Potenciálok, Technológiák, Technológiaváltás/illeszkedés a meglévő energetikai rendszerekhez, Fenntartható fejlődés/Ha változtatni kellene, Ingadozás/energiatárolás, Gazdaságosság/versenyképesség, Szennyezések/környezet- és klímavédelem, Ellátásbiztonság, Helyben történő felhasználási arány • Fenntartható energetika háztartási méretekben Megoldások háztartási méretekben 3
Funkciók ellátása, mi kell az élethez? • • • • • • • • • • • •
Helyváltoztatás Szállítmányozás Termékelőállítás Fűtés Használati melegvíz Főzés Hűtés Étel Ital Higiénia Egészségügy ….
• Milyen végső energiahordozóval? • Meg akarjuk-e oldani megújuló energiaforrásokkal, amennyire lehetséges? • Kategóriák: létszükséglet, norma, luxus → kényelmetlenségi fok. • Hogyan lehet megújuló energiaforrás alapon megoldani? 4
Energiaforrások • Fogyó: • Fosszilis: kőolaj, földgáz, szén (véges készlet, telített légkör és tengervíz) • Nukleáris (véges készlet, kockázatos terrorizmus és hulladéktárolás)
• Emberi léptékben újratermelődő/termelhető: • Megújuló: napenergia, szélenergia, vízenergia, geotermikus energia • Megújítható: biomassza
5
Világ primer energia fogyasztása [millió tonna olaj egyenértékben] 14 000 12 000 10 000 8 000 6 000 4 000 2 000 0 1960
1970
1980
1990
2000
2010
2020
Világ primer energia fogyasztása [BP statistical review 2016] 6
Világ primer energia fogyasztása [millió tonna olaj egyenértékben] Megújuló: 364,9
14 000
Megújuló: 316,6 Víz (elektromos): 892,9
12 000
Víz (elektromos): 884,3
10 000
Nukleáris: 583,1
Nukleáris: 575,5
8 000
Szén: 3839,9
Szén: 3911,2
6 000
Földgáz: 3081,5 Földgáz: 3135,2
4 000 Kőolaj: 4251,6
2 000
Kőolaj: 4331,3
0 2014
2015
Primer energiaforrások felhasználása [BP statistical review 2016] 7
Véges energiahordozó készletek: kőolaj [BP statistical review 2016] 8
Véges energiahordozó készletek: földgáz [BP statistical review 2016] 9
Véges energiahordozó készletek: szén [BP statistical review 2016] 10
Megújuló energiaforrások részaránya a végső energiafogyasztásban 11
Szekunder energiahordozók • Üzemanyag • Hő: fűtés, hűtés, használati melegvíz, technológiai hő • Villamosenergia
12
Megújuló energiaforrás kapacitás növekedés [%] a szekunder energiahordozók szerint
13
Megújuló energiaforrások energiaaránya a villamos energia termelésben 14
Biomassza aránya a szekunder energiahordozók szerint
15
Fogyasztás: mennyiség, minőség • Népesség → régiók szerinti különbségek, oktatás, tudatos családtervezés, gazdasági befolyásolás. 100 év alatt a népesség a 4-szeresére nőtt. • Egységnyi energiafogyasztás → csökkentés. 100 év alatt az energiafogyasztás 12-szeresére nőtt! • Egységnyi termelés → csökkentés. 100 év alatt a termelés 20-szorosára nőtt! • Pénz ~ energia: kb. 84 Ft/kWh = GDP/Energiafogyasztás, 530 Ft/1kg CO2 16
milliárd fő 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0
Népesség az elmúlt 2016 évben (kialakulása kb. 160 ezer éve) 2050: 9 milliárd fő? 2016: 7,4 milliárd fő
500
1000
1500
2000
2500
Népesség alakulása [milliárd fő] 17
Emberi tevékenység mértékének változása a Földön 18
Megújuló energiaforrások hasznosítása: szempontok • Potenciálok • Technológiák • Technológiaváltás/illeszkedés a meglévő energetikai rendszerekhez • Ingadozás/energiatárolás • Gazdaságosság/versenyképesség • Szennyezések/környezet- és klímavédelem • Ellátásbiztonság • Helyben történő felhasználási arány 19
Potenciálok, technológiák • Második órától kezdve részletesen tárgyaljuk az egyes energiaforrások esetében. Általánosságban: Megújuló energiaforrás potenciál
Értékelés
Elméleti
„sok” (Nap, geotermikus, víz…)
Műszaki
fejlesztési irányok, piaci technológia
Megvalósítható
van-e elég ebből
Gazdaságosan kinyerhető
versenyképesség a már kiépített, fosszilis/nukleáris rendszerekkel
• Területi eloszlás: egyenlőtlen, hol milyen technológia alkalmazható? 20
Ingadozás, energiatárolás • Második órától kezdve részletesen tárgyaljuk az egyes energiaforrások esetében. • Energiasűrűség, teljesítménysűrűség:
• Fosszilis: 500 millió év vs. Miért mi használhatjuk el? Múlt/jelen. Földrajzi eloszlás, háborúk. Húsvét-szigeteki példa! • Atomenergia: szabályozott folyamat, kibocsátás: hosszú felezési idejű, nagy aktivitású hulladékok. • Koncentrált energiaforrások. Ezekkel kell versenyezni?
• Ingadozás:
• Szezonális, frontkövető, napi, pillanatnyi. • Hosszú időre nagy energiamennyiséget tárolni nehéz! Nem is ez a cél. Megoldandó feladat, kreatív hozzáállást igényel. 21
22
Technológiaváltás/illeszkedés jelenlegi rendszerekhez • Funkciók üzemanyag-igények esetén:
• Autó → bicikli, elektromos kisjármű, tömegközlekedés, vonat, busz, … • Szállítás → helyi termékek • Utazás (kikapcsolódás) → igények természetesek vagy mesterségesek? Síelés → korizás, tengerpart → evezés hazai folyókon, • Utazás (munka) → helyi munkahelyek • Továbbiak…
• Funkciók hőenergia-igények esetén:
• Fűtés → szigetelés, faültetvények, hősziva yú, közösségi fűtőmű • Továbbiak…
• Funkciók villamosenergia-igények esetén: • • • • • •
Világítás, fűtés segédenergiaigénye, élelmiszerhűtés → energiatakarékosan Termékek → kevesebbet, energiaszegényebbet Média, szórakozás → éjjelre kikapcsolás Főzés (hőenergia kategóriában is) → befőzés, mélyhűtés Mosás → napenergiához igazíto an Továbbiak…
23
Energiafogyasztás és szennyezések a további igények/funkciók kielégítésére • • • • • • •
Étel → mezőgazdaság (csirke vs. marha, vegyszerek vs. ökotechnológiák) Víz → vezetékes víz, kútvíz, esővíz, folyó/patak/tó/tenger, vízhiány Gyógyszerek, egészségügy → szükséges, megelőzhető, helyettesíthető Tisztítószerek Öltözék Épületek → vályog, fa, szerkezetek Használati tárgyak
• Miért kell? Mennyi kell? Jut mindenkinek? „A kicsi a szép” elve. 24
Fenntartható fejlődés • Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. • „A fenntartható fejlődés olyan fejlődés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jövő generációit abban, hogy ők is kielégíthessék szükségleteiket.” [Brundtland „Közös jövőnk” jelentés, 1984-87.]:
• Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jövő generációk életlehetőségeit veszélyeztetik. • A lehető legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jövő generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthetők. • „Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük.” → környezeti hatástanulmány, engedély.
Párizsi klímaegyezmény • 2016. 10. 05-től érvényes: felmelegedés <2°C alatt maradjon az iparosodás előtti időkhöz képest. • 195 ország, köztük USA, Kína (két legnagyobb széndioxid-kibocsátó) • Egyezmények betartása? • UNEP: erősebb célok kellenek.
26
Ha változtatni kellene? • Ha nagyon muszáj lenne, meg tudnánk oldani? • Azonnal, ma? Nem. • Kis idő alatt? Változtatásokkal igen. • Hosszú távon? „Majd a következő generációk.” (Ezzel már elkéstünk. Lásd: problémák a következő diákon.)
Szólok, változtatni kell. Azonnal/kis idő alatt. • Funkciók megtartása, elvetése vagy alakítása (minőség, mennyiség): elvekkel, átgondoltan. • Miért mi? Magánszemély, mérnök, energetikai mérnök. • Új technológiák alkalmazása: illesztése vagy kiépítése.
27
Gazdaságosság, szennyezések • Általánosságban, összefoglaló adatokkal: következő diákon. • Ökolábnyom: földterület igény az életmód, szennyezések alapján (jelzés) • Életciklus-elemzés: termékek, technológiák forrásigénye, szennyezése • Fontos: összes kibocsátás típus vizsgálata (bányászat/előállítás/átalakítás/szállítás/felhasználás során légkör/talaj/víz/bioszféra károsító lokalizált/helyi/globális) • Gazdaságosság:
• Mutatók rosszak? Milyen mutatók? • Pénz, növekedés, fogyasztás → jelenlegi helyzet: légkör, klíma, atomhulladék, savas esők, bioszféra kiirtása • Jelenlegi rendszerből pénz → új rendszer kiépítése 28
• Az élet energiaterületei • Széndioxid-kibocsátás és pénzkiadás összefüggései • Megoldás: összes energia fogyasztás egy főre 40-50 kWh/nap. • Egyéni, országos szinten. • Megvalósított példa alapján. 29
Energetikához köthető főbb szennyezőanyagok 30
Szén körfolyamat 1990-es években 6,4 Gt C kibocsátás, 2006-ban 8 Gt C és nő 31
Légköri széndioxid koncentráció (Mauna Loa Observatory) 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 1940
2016:404,21
1960
1980
Óceánok savasodása, korallzátonyok kihalása Üvegházhatású gázok (CO2, CH4,…), klímaváltozás Felszabaduló metán-hidrát, elpusztult élőlények (öngerjesztő folyamat)
2000
2020
32
Ajánlott irodalom: https://www.co2.earth/ co2-ice-core-data 33
Légköri széndioxid-koncentráció [ppm] az elmúlt 650 ezer évben 34
Légköri CO2 koncentráció [ppm] és hőmérsékletingadozás [°C]
35
Előrejelzések a 21. századra klímaváltozás ügyében
36
Jégtakaró olvadása, tengerszint emelkedés 37
Szén-dioxid kibocsátás energetikai vonzata • Fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásai: • szén: 130 [g CO2/MJ tüzelőhő, antracit], • olaj: 70-75, • földgáz: 58.
• Az energetika összes CO2-kibocsátása kb. 27 milliárd t/év. • A gépkocsi-forgalom jelentős szerepe: azokban a városokban, ahol jelentős a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.
A villamosenergia-termelő eljárások CO2-kibocsátása [kg/kWh]
Kén- és nitrogén-oxidok • Károsítják az emberi egészséget, hozzájárulnak a talaj, az erdők és a felszíni vizek savasodásához → regionális környezetszennyezés. • Természeti víz savas (pH≈5,5) az oldott CO2 mia → savasodás pH<5 (SOx és NOx miatt). • SOx-k kibocsátása a tüzelőanyagtól függ (2 kg SO2 füstgáz/1 kg S tüzelőanyag): • C (1-3 %): 2-5 g/MJ, • kőolaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/MJ.
• Megoldás: füstgáz-kéntelenítés. Csökkentés.
Kén- és nitrogén-oxidok • NOX-k: A tüzelés során, a levegő nitrogénjéből 1100 oC hőmérséklet felett keletkezik. • Előírások a kibocsátásokra: <30 mg/Nm3. • Megoldások: • • • •
NOx-szegény égők, vízbefecskendezés (földgáz-tüzelésű gázturbinák), katalizátoros motorok, fluid-tüzelésű kazánok (t<1000 oC), csökkentés.
Radioaktív kibocsátások • Folyékony és légnemű radioaktív kibocsátások. • Radioaktív hulladékok: • kisaktivitású, • közepes aktivitású, • nagyaktivitású.
• Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés → fűtőelemek transzmutációja. Csökkentés.
Antarktiszi ózonlyuk 2006-ban [NASA] Klór, fluor vegyületek – hűtőgépekben is voltak. Klímaváltozás növelheti. 43
Biológiai sokféleség csökkenése: (2006 óta napja: május 22) területpusztítás, kibocsátások, közlekedés, élettér-zavarás, mezőgazdaság, klímaváltozás (óceán savasodása, vizek oxigén-tartalmának csökkenése), légkör szennyezése 1900-2015 között: 400 gerinces faj tűnt el. Évi 50 faj kerül hozzá közelebb: 25% emlős, 41% kétéltű + Tömeges pusztulások is gyakoribbak. 44
Ellátásbiztonság, helyi hasznosítási ráta • Társadalmi-szociális-gazdasági-energiapolitikai kérdések: • népesség, gazdaság növekedése egyenlőtlen • migráció, klímamenekültek • háború, terrorizmus
• Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: • • • •
megfelelő energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, energiatakarékosság.
• Területi eloszlás: energiaforrások, víz, élelem, jólét. • Helyben történő hasznosítás: megtermelt energia helyi [km] felhasználásának aránya.
45
Energiafogyasztás egy főre jutó mértéke a Földön - fenntarthatatlan 46
Fenntartható energetika háztartási méretekben: Megújuló energia otthon • Energiaigények: • Hőenergia: fűtés, hűtés, használati melegvíz • Villamos energia: kisfogyasztók, nagyfogyasztók, időzíthető fogyasztók, energia igény csökkentés
• Megújuló (megújítható) energiaforrások háztartási szinten: • • • • •
biomassza napenergia földhő levegő hőenergiája, mozgási energiája (szél) vízenergia 47
Megújuló energiaforrásokat hasznosító technológiák • Passzív napenergia-hasznosítás • Tájolás, hőtartó falak, megfelelő árnyékolás, szigetelés, veteményeskert • Aktív napenergia-hasznosítás • Napkollektor, terményszárító, aszaló, fóliasátor • Napelem • Biomassza-hasznosítás (megújítható = újratelepítés esetén megújuló) • Fa, fagáz, faapríték, pellet kazán, víztartályos kazán/kemence • Repce olaj pogácsa generátor, bioüzemanyagú generátor • Földhő, levegőhő hasznosítása • Hőszivattyú • Szél • Szélgenerátor • Víz • Mikrovízturbina
48
Szempontok, problémák, fogyasztó oldali megoldási, beavatkozási lehetőségek • Rendelkezésre állás • Kényelmetlenségi fok (mennyire automatizálható, energiatárolás megoldott-e)
FELADATOK: • Fogyasztók felmérése, funkciók, energiaigények pontosítása
• Engedélyek • Beruházási költség (ár) • Karbantartás, csere alkatrészek ára • Segéd energia igény (mekkora, megújuló energiaforrással fedezhető-e)
• Szabályozási kérdések • Időzíthető fogyasztók • Energiatárolás • El nem használt energia fontossága! 49
Megoldások háztartási méretben • Hőszigetelés, redőnyök, fogyasztók tételes áttekintése (szükségtelenek kiiktatása, legrégibb, alacsony hatásfokú fogyasztók lecserélése (lámpa, hűtő), 2-3 mechanikus kapcsolóóra (megújulók termelésének időszakára, völgyidőszakra), lekapcsolható hosszabbító, emberi munka, másik energiafajtával ellátás (tűzhely, sütő), közvetlen ellátás és alternatív energiatárolás (öntözőszivattyú tartállyal, gravitációs öntözés)) • Biomassza-tüzelésű kazán/közösségi fűtőmű, napkollektor hőtartállyal fűtés és használati melegvíz, energiaerdő • Napelem helyi hasznosítással (legszükségesebb fogyasztók ellátása szigetüzemben) • Közlekedés gyalog, biciklivel, elektromos kisjárművel, busszal, vonattal • Energetikán kívüli egyéb funkcióknál: ökotechnológiák (faforgácsos komposztwc nem budi, madarak téli etetése a gyümölcsfák védelméhez,…) 50
Cél: Önfenntartó közösségek, kistérségek. A lokalitás évezredeken át fenntarthatóan működött, a globalizáció 100 év alatt felélte a Föld tartalékait. Saját fogyasztásunk mekkora?
51
Köszönöm a figyelmet!
52
