FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 1. Dr. Munkácsy Béla PhD – szélenergia és tájhasználat adjunktus, Környezet- és Tájföldrajzi Tanszék Okl. környezetgazd. - szakmérnök-képzés (BME) Energiatervezés és fenntarthatóság (Oslo University) ~100% megújuló energia a háztartásban
[email protected] I-419. szoba
FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 1. FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 2. TERVEZÉS ÉS STRATÉGIA AZ ENERGIAGAZDÁLKODÁSBAN
(FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 3.) KORSZERŰ ENERGIAGAZDÁLKODÁS A TERÜLETI TERVEZÉS TÜKRÉBEN - GYAKORLAT (FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 4.)
Az energiagazdálkodás célja hogy energiaszolgáltatásokat vehessünk igénybe az élet minden területén a nap minden percében:
A rendelkezésre álló energia fő típusai
HŐENERGIA fűtés, meleg víz, szárítás
VILLAMOS ENERGIA (1963 óta minden magyar településen) hő > mozgás > villamos áram MOZGÁSI ENERGIA közlekedés, szállítás
1,2 milliárd ember él áram nélkül - 1,0 milliárd vidéken - 0,2 milliárd városban
►
►
►
Alapfogalmak Energia: munkavégzési képesség, egysége a JOULE. Használatos még a Wh (wattóra) - SI-n kívüli mértékegység = ha valami egy órán keresztül 1 watt teljesítménnyel üzemel, akkor ezalatt 1 Wh munkát végez. Átváltása: 1 Wh = 3600 J.
A teljesítmény az időegységre eső energia, ► egysége a WATT (joule/mp); Többfajta energiát különböztetünk meg aszerint, hogy miből ered a munkavégző képesség helyzeti,
mozgási, mágneses, Elektromos, Hőenergia - minden spontán folyamatnál bizonyos munka kárba vész, hővé alakul át. A hő csak részben alakítható át másfajta energiává.
Energiaforrások csoportosítása
A világ primer energiaszerkezetének változása (%)
Az energiafogyasztás mértékének és szerkezetének forrásoldali változása
Az ÖKOLÓGIAI LÁBNYOM kiszámítása igazolja: Az energiagazdálkodás eddig alkalmazott elvei és gyakorlata többé nem elfogadhatók!!
Fosszilis: 78,4% Megújuló: 19% Atom: 2,6%
Forrás: REN21 – Global Status Report 2014
Néhány technológiához kapcsolódó teljesítményadat ►
Napelemtáblák névleges teljesítménye ~120 W
►
Szélerőművek névl. teljesítménye ~ 2 000 000 W (120 W - 5 MW)
►
Szenes erőműveink névl. villamos teljesítménye ~ 500 000 000 W (150-950 MW [Borsodi - Mátrai)
►
Paksi atomerőmű névl. villamos teljesítménye ~ 2 000 000 000 W (2000 MW)
►
megtermelt energia mennyiségének (MWh) kiszámítása szél atom
Fogyasztók teljesítménye Világítótestek: Izzó: 60 Watt LED: 10 Watt Laptop: 40-50 Watt Betonkeverő: 500-1200 Watt Hajszárító: 1000-2000 Watt
Vasaló: 2400-3000 Watt Lift: 5000 Watt (4-6 kWh/hó átlagosan) Elektromos autó (Nissan Leaf): 80-90 000 Watt
Büki Gergely: Energetika c. tankönyv (BME)
Társadalomtudományi és interszektorális összefüggések
Pszichológia Szociológia Pedagógia Kommunikáció-tudomány
JÓLÉT
Életstílus
Újrahasználat, újrafeldolgozás
Hulladékgazdálkodás
Energiaszolgáltatások (közlekedés, fűtés, hűtés, világítás Fogyasztás oldali energiagazdálkodás Másodlagos energiahordozók (elektromos áram, benzin, Ellátás oldali energiagazdálkodás
Építéstudomány Közlekedéstudomány
Földtajztudomány Területi tervezés Környezetgazdaságtan
Elsődleges energiahordozók (szén, kőolaj, napenergia
Geológia és bányászat
Vízgazdálkodás
Mező- és erdőgazdálkodás
szerves melléktermékek és hulladékok felhasználása
Termékek, berendezések
Tim Jackson: Prosperity without Growth Report, 2009
Energiatermelés célja és módja szerint (ipari lépték) KIZÁRÓLAG HŐTERMELÉS Fűtőmű: kizárólag hőenergiát (meleg vizet) előállító erőmű (hatásfok: 30-50%) KIZÁRÓLAG ÁRAMTERMELÉS Kondenzációs hőerőmű : a tüzelőanyag elégetése során nyernek hőenergiát, ezzel nagynyomású gőzt fejlesztenek, amely gőzturbinát hajt, az pedig a generátort. (hatásfok ~3035%) Gázturbinás hőerőmű (széleskörű alkalmazása az 1980-as évektől): A gáz égésterméke hajtja meg a turbinát, nincs vízmelegítés – (átl. hatásfok: ~30%) Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű (CCGT): A gázturbinából távozó forró gázzal még vizet is melegítenek, és gőzturbinát hajtanak. (hatásfoka: ~50%)
Kombinált ciklusú gázturbinás erőmű (CCGT)
Földgázt vagy turbinaolajat elégetve állítanak elő villamos energiát.
A fosszilis erőmű és az atomerőmű elvi felépítése
„Ami az atomerőműben történik, az a víz melegítésének lehető legbonyolultabb módja.” Albert Einstein
Paksi atomerőmű ► ► ►
► ►
Vízmelegítés a radioaktív bomlás hőjével Egy reaktor villamos teljesítménye: 500 MW – összes: ~2000 MWp Egy reaktor hőteljesítménye: 1375 MW – össz: 5500 MWth 20 MW hő-önfogyasztás 3-6 MW távfűtésre 5 km vezeték 10 cm kőzetgyapot szigetelés Alumínium borkolat
10-12% hőveszteség
Kogeneráció Kapcsolt hő és villamos energia termelés CHP – combined heat and power A hőerőművekben keletkező hulladékhőt hasznosítják. A hatásfok jellemzően ~75-90%, így például a fűtőanyag ~30-35%-ból villamos áram, 50-55%-ból hőenergia keletkezik.
SHP
CHP
Kulcskérdés az energia szállíthatósága Primer energia: „korlátlan” Villamos energia: 500-600 km • nagyfeszültség: 120 kV-nál nagyobb • AC (gyakoribb) - DC (hosszabb távolságra alkalmasabb) • Nagyobb transzformátorállomások között húzódik. Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak. Rácsos szerkezetű, 25-40 m magas acéloszlopokon.
• középfeszültség: 10-35 kV • Lakossági fogyasztók a vezetékre közvetlenül nem kapcsolódnak. Főleg lakott területeken kívül halad a vezeték, de belterületen is előfordul. Az oszlopok magassága 10-15 m.
• kisfeszültség: 0,4 kV • a végfelhasználókat, a fogyasztókat látja el. Lakott területeken húzódik. Többnyire gyengeáramú vezeték (pl. kábeltévé, telefon stb.) is üzemel az oszlopon
Hőenergia: 50-60 km – ez szab határt a kogenerációnak!
A magyar villamosenergia-rendszer importja (2012)
Kogeneráció a gyakorlatban Gond: a hőenergia nyári felhasználásának korlátozottsága
► Amerikai Egyesült Államok
a villamosenergia-termelésnek csak 8%-át adta 2008-ban ► Németország
a villamosenergia-termelésnek 13%-át adta 2008-ban ► Finnország a kogenerációban világelső
a villamosenergia-termelésnek 29%-át adta 2008-ban a hőenergia-termelésnek 65%-át adta 2008-ban
Tri- és quadgeneráció TRIgeneráció: áram + hő + hűtés a nyári időszak hőelhelyezése hűtésre abszorpciós hűtőszekrény segítségével (hőszivattyúval működő hűtőgép) QUADgeneráció: áram + hő + hűtés + CO2 viszanyerése (CCS vagy technológiai CO2)
Decentralizáció
Forrás: The Smart Grid – An Introduction, U.S. Department of Energy
Együttműködő rendszerek
Egy háztartás napi áramfogyasztásának mintázata
Grid Smart Grid SMART ENERGY SYSTEMS ► The Grid: the most significant engineering
achievement of the 20th Century (National Academy of Engineering – USA), az autópálya 11., az internet csak 13. ► A smart
grid is an evolved grid system that manages electricity demand in a sustainable, reliable and economic manner, built on advanced infrastructure and tuned to facilitate the integration of all involved (ABB).
A jövő energiarendszerének (smart energy system) HÁROM fő jellemzője o Fenntartható: o Elsősorban környezeti szempontból – vagyis megújuló alapú
o Az energia fogyasztásának időbeni befolyásolására épít o Az energia tárolásának megoldásait alkalmazza o Szivattyús tározás o V2G – vehicle to grid
o P2G – power to gas
Elkerülhetetlen megoldás a termelés és fogyasztási optimalizálására: az energia tárolása
Szivattyús tározás: 65-75% hatásfok Lendkerék: 70-90% hatásfok Akkumulátor: 65-75% hatásfok
V2G - Vehicle-to-Grid ►
A gépjárművek az idő legalább 80%-ában parkolnak;
►
A Li-ion akkumulátorok tárolási hatékonysága megközelíti a 100%-ot;
►
Egyetlen jármű 20-40 kWh energiát tárolhat (Tesla: 30 kWh) – fogadhat vagy adhat a hálózatra.
►
Magyarországon 3 millió szgk. - 2,4 millió nincs mozgásban ► 72 millió kWh = 72 ezer MWh = 36 db Paksi Atomerőmű 1 órán keresztül ennyi áramot biztosít
Az elkerülhetetlen paradigmaváltás elvi háttere Etikai Társadalmi – környezeti
Gazdasági - pénzügyi Energetikai
ETIKAI MEGFONTOLÁSOK A FELHASZNÁLÁS IDŐBENISÉGE
múlt jelen jövő??
A FELHASZNÁLÁS TERÜLETI JELLEGEZETESSÉGEI
Az ember átlagos energiafogyasztásának változása a történelem során
Energiafogyasztás/fő kontinensenkénti bontásban
Az energiarendszer igen hosszú időre határoz meg lényeges dolgokat
KÖRNYEZETI MEGFONTOLÁSOK
WWF: Living Planet Report, 2004
Villamosáram-termelés üvegházgáz-kibocsátása (gCO2-e/kWh) Szél: 9-10 Víz: 10-13 Fotovillamos: 32 Biomassza: 14-41 Geotermális: 38
csökken
Atomenergia - növekszik
84-130 98-144 g CO2-e/kWhel - Leeuwen, J. W S. 2012 (U-koncentráció…) 66 g (1,4 – 288) CO2-e/kWhel - Sovacool B.K. 2008
Földgáz: 443 Kőolaj: 778 Szén: 960-1050
növekszik
Az ökológiai lábnyom és főbb komponensei néhány európai országban – és Svájc energialábnyoma (Swiss Federal Statistical Office, 2006)
17% 35%
103 életcikluselemzés alapján a könnyűvizes atomerőművek üvegházgáz-kibocsátása (gCo2e/kWh): Bemeneti oldal: 25,1 Építési tevékenység: 8,2 Működtetés: 11,6 Kimeneti oldal: 9,2 Lebontás: 12,0 ÖSSZESEN:
~66,1 gCO2e/kWh és növekszik
Lebontás: 18%
Bemeneti oldal: 38%
Kimeneti oldal: 14%
Működés: 18%
Sovacool, B. (2008)
Építés: 12%
Környezetterhelések szenes erőművek életciklusában
Keaton, M. 2001
Életciklus szemlélet! Külfejtések hatása: Mátra-Bükkalja lignitbányászat
AZ ÉLETCIKLUS ELEJE
bányameddő
AZ ÉLETCIKLUS KÖZEPE
Ratcliffe on Soar Power Station, UK
Az életciklus vége
Éghajlatváltozás
Az atomenergetikához kapcsolódó jelentősebb balesetek
GAZDASÁGI és NEMZETSTRATÉGIAI MEGFONTOLÁSOK
Magyarország energiaimportja ~ 1500-2000 milliárd Ft/év Probléma: Jelenlegi életvitelünk olyan mennyiségben és olyan speciális szerkezetben igényel energiaforrásokat, amelynek kielégítése a hazánkban rendelkezésre álló jelenleg használatos energiaforrásokkal nem lehetséges.
Az atomenergiáról nem esik szó a hazai statisztikákban – így készítünk stratégiát… az atomerőművi fűtőelemek importjával ez 70-75%
Forrás. Nemzeti Energiastratégia 2030
Externáliák
►
Externália problematikája
Külső gazdasági hatás: egy gazdasági szereplő tevékenysége piaci ellentételezés nélkül befolyásolja egy másik szereplő helyzetét Kívülálló személy(ek) jólétét módosítja Nem kötelezik az okozót a kár kompenzálására A hatás nem szándékolt Pozitív és negatív
ExternE ►
szennyező fizet elv
►
externáliák: külső gazdasági hatások
Különféle technológiák átlagos emissziója a teljes életciklus alatt Németországban szélturbina (g/MWh)
széntüzelés (g/MWh)
lignittüzelés (g/MWh)
olajtüzelés (g/MWh)
gáztüzelés (g/MWh)
CO2
6 460
815 000
1 047 000
935 000
362 000
SO2
15
326
425
1611
3
NOX
20
560
790
985
277
korom
5
182
511
67
18
CH4
20
3313
26
145
1700
N2O
0,1
43
46
25
2
Forrás: ExternE National Implementation – Germany, 1997.
CO2
Különféle technológiák teljes életciklusának összehasonlítása a légszennyezés szempontjából
SO2
NOX
Az energia szektor externális költségei az EU-ban (cent/kWh) a villamos áram termelés átlagos költsége 4 cent/kWh
1) Környezetszennyezés externális költségek évente: csak a villamosenergia-termelésben, csak a fosszilisokra vonatkozóan és csak a négy vizsgált anyagra összesen 458 mrd forint (2004) – baráti alapon számolva.
Forrás: Pál Gabriella – Huba Bence (2004): Magyarország energetikai környezetértékelése és a kapcsolódó indikátorok meghatározása, különös tekintettel a megújuló energiaforrások felhasználási lehetőségeinek kiaknázására
Német állami támogatások 90% hagyományos, 10% RE 1970-2012 között átlagosan de 2012-ben is!!!
ENERGETIKAI MEGFONTOLÁSOK A jelenlegi rendszer ► - hatékonysága szánalmasan alacsony;
► - az energiabiztonság szempontjából az erősen
központosított rendszer nem ideális; ► - a szolgáltatások elosztása nem igazságos; ► - a káros környezeti következmények azonban kivétel nélkül mindenkit érintenek.
Energy Return on (Energy) Investment (EROEI)
Energetikai megtérülés
olajhomok
Mennyi idő alatt termeli meg a befektetett energiát egy napkollektor? És egy villanybojler? Egyes megújuló energiaforrások alkalmazására jellemző energia-megtérülési idők Szélerőmű Vízerőmű Termovillamos naperőmű Észak-Afrikában Polikristályos fotovillamos rendszer Közép-Európában Vékonyfilmes fotovillamos rendszer Közép-Európában Napkollektor Geotermikus hőenergia Fosszilis és atomenergiát használó rendszerek forrás: Pehnt, M. et al. (2009)
3-7 hónap 9-13 hónap 3-7 hónap 36-60 hónap 24-36 hónap 18-30 hónap 7-10 hónap soha
Új irány
2001/77/EK irányelv a megújuló energia részarányára az áramtermelésben
RES Direktíva (2020) – in final consumption 2009/28/EK IRÁNYELV
Lettország 40%
Svédország 49% Finnország 38%
EU - új áramtermelő kapacitások 2012. és 2013. évi adatok
2012 2013
Az áramtermelő kapacitások változása az EU-ban 2000-2013 között
Új villamosáram-termelő kapacitások az EU-ban 2012
2013
Az újonnan telepített villamosenergiatermelő kapacitás az EU-ban MW
71% megújuló részarány! 70%
FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS - 1
1) Hatékonyság fokozása: Egyfelől ugyanazt a szolgáltatást kevesebb energia felhasználásával: pl. világítás, hűtés-fagyasztás
2) Takarékosság: igények ill. kényelmi elvárások visszaszorításával;
FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS - 2 Megújuló energiaforrások terjedésének elősegítése
decentralizálás - biztonságosabb ellátás, kisebb szállítási veszteség; importfüggőség csökkentése – biztonságosabb ellátás, kevesebb kiadás és több bevétel; hazai munkaerő alkalmazása – különösen a biomassza hasznosítása esetén; nagyobb egyéni és közösségi felelősség– autonomitás és demokrácia erősödése; összehasonlíthatatlanul kisebb környezeti terhelés
Passzív hasznosítás – építészeti megoldások Fotovillamos hasznosítás (napelem) Fototermikus hasznosítás - használati melegvíz előállítás (napkollektor) - villamos energia előállítás Ocean Thermal Energy Conversion (OTEC) szolár farm (napvályú) elnyelőtornyos naperőmű (naptorony) parabolatányéros erőmű (naptányér) Szél Szélerőmű Víz Folyóvíz (mikro vagy makro) hegyvidéki (magas völgyzáró gátak, de kis terület) síkvidéki (alacsonyabb duzzasztóművek, de nagyobb terület) Tengervíz hullámzás ár-apály áramlások Biomassza Energiaültetvény fa olajos magvak cukortartalmú növények Hulladék-biomassza erdészeti és faipari hulladék, napraforgószár stb. trágya Geotermikus Hőenergia energia Villamos áram NAP
Megújuló energiaforrásokkal kapcsolatos vélekedések ►
Drága A sok közül melyik?
►
Kicsi az energiasűrűsége A teljes életciklusban? helyette: teljesítménysűrűség - az az ütem, amellyel az energia termelődik vagy elfogyasztásra kerül − egységnyi területre vetítve.
►
Környezetterhelő (pl. szélturbina lecsapja a madarakat) Mihez képest?
►
A berendezések létrehozásához túl sok energia kell A konkurens megoldás (villanybojler) vajon mikorra termeli meg az előállításához szükséges energiát??
Van remény…
