FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS 1

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

Ipari hőigény 32 európai ország adatai alapján

Az ÖKOLÓGIAI LÁBNYOM kiszámítása igazolja: Az energiagazdálkodás eddig alkalmazott elvei és gyakorlata többé nem elfogadhatók!!

Fosszilis: 78,3% Megújuló: 19,1% Atom: 2,6%

Forrás: REN21 – Global Status Report 2014

Mozgatórugó: ÁRAK, KÖLTSÉGEK

Olajár: 15 $/hordó legolcsóbb kitermelési költség (SzaúdArábia) 80-90 $/hordó legdrágább kitermelési költség (olajpala) Időjárási katasztrófák növekvő költségei

Új és kumulált megújulós áramtermelő kapacitás

A komplex hozamcsúcs probléma

(termovillamos)

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!

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… az atomerőművi fűtőelemek importja 100% - ezzel a teljes szektor kiszolgáltatottsága 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 (energiaszegénység); ► - a káros környezeti következmények azonban kivétel nélkül mindenkit érintenek.

Energetikai megtérülés

Mutatók Energy Return on (Energy) Investment (EROEI) - Nettó energia részarány (Net Energy Ratio = NER): ratio of useful energy output to the grid to the fossil-fuel energy consumed during the lifetime of the technology

- Külső energia részarány (External Energy Ratio =EER): In cases where the primary energy of the fuel is not included in the energy inputs ~ ismeretes úgy is mint Energy Payback Ratio

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” irányzatok a nemzetközi energiapolitikában

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. 2013. 2014. évi adatok

2013

2012

2014

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 70%részarány!

EU 2014-ben: ~80% új megújuló kapacitás 2000-2014 között: 56,2% megújuló

http://www.iea.org/publications/freepublicatio ns/publication/REPOWERINGMARKETS.pdf

FENNTARTHATÓ ENERGIAGAZDÁLKODÁS a) ENERGIAFELHASZNÁLÁS CSÖKKENTÉSE 1) Hatékonyság fokozása: Egyfelől ugyanazt a szolgáltatást kevesebb energia felhasználásával: pl. világítás, hűtés-fagyasztás 2) Takarékosság, mértékletesség:

b) MEGÚJULÓK

c) RENDSZERBEN GONDOLKODNI

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…