Ipari üzem önálló energiaellátó rendszerének tervezése megújuló energiára alapozva

MISKOLCI EGYETEM Gépészmérnöki és Informatikai Kar Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke

Ipari üzem önálló energiaellátó rendszerének tervezése megújuló energiára alapozva

DIPLOMATERV Műszaki Menedzser szak, Gépészeti szakirány, Energiagazdálkodás blokk

Készítette:

TURZÓ BALÁZS Neptun kód: K5XEKH

Miskolc-Egyetemváros

2012

TARTALOMJEGYZÉK 1. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE ........................................................... 1 2. BEVEZETÉS .................................................................................................... 2 3. AZ ENERGIA SZEREPE ÉLETÜNKBEN ......................................................... 3 4. A MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK ............................................................. 3 4.1.

Jelentősége ................................................................................................ 3

4.2.

Áttekintés ................................................................................................... 4

4.3.

Ipari és gazdasági trendek ......................................................................... 5

4.4.

Globális ipari áttekintés .............................................................................. 6

4.5.

A megújuló energiákról források szerint ..................................................... 6

4.6.

A megújuló energiaforrás területei: ............................................................ 7

4.6.1.

Biomassza ........................................................................................... 7

4.6.2.

Vízenergia ........................................................................................... 9

4.6.3.

Napenergia .......................................................................................... 9

4.6.4.

Szélenergia ....................................................................................... 11

4.6.5.

Geotermikus energia ......................................................................... 11

5. MAGYARORSZÁG MEGÚJULÓ ENERGIA POTENCIÁLJA.......................... 13 5.1.

Magyarország elméleti napenergia potenciálja ........................................ 14

5.2.

Magyarország elméleti geotermikus energiapotenciálja .......................... 15

5.3.

Magyarország elméleti szélenergia potenciálja ........................................ 16

5.4.

Magyarország elméleti vízenergia potenciálja ......................................... 16

5.5.

Magyarország elméleti biomassza energia potenciálja ............................ 17

6. EGY KONKRÉT ÜZEM SAJÁT ENERGIAELLÁTÁSÁT RÉSZBEN VAGY TELJES

EGÉSZÉBEN

MEGVALÓSÍTÓ,

MEGÚJULÓ-ENERGIA

TERMELŐ

RENDSZER MEGVALÓSÍTÁSI LEHETŐ-SÉGEINEK VIZSGÁLATA................... 18 6.1.

A megújuló energiára épülő rendszer kiépítésének feltérképezése, a

műszaki szempontból lehetséges megoldások számbavétele ........................... 18 6.2.

A

célszerű

megoldások

konkrét

számításokkal

alátámasztott

tervezésének leírása. ......................................................................................... 20 6.2.1.

Biológiailag aktív szennyvíziszap anaerob fermentációjára épülő

biogáz generátor telepítése ............................................................................ 20 6.2.2.

Fotovoltaikus napelemes park telepítése .......................................... 29

6.2.3.

Befolyó szennyvíz hőenergiáját hasznosító hőszivattyús rendszer

telepítése ........................................................................................................ 32 6.3 A tervezett műszaki beruházások gazdaságossági elemzése, a beruházási összeg felmérése, megtérülési számítások. ...................................................... 38 6.3.1.

Biogáz erőmű létesítésének költségei, megtérülési ideje .................. 38

6.3.2.

Fotovoltaikus

napelemes

park

beruházás

gazdaságossági

és

megtérülési vizsgálata .................................................................................... 41 6.3.3 Hőszivattyús fűtőrendszer beruházás gazdaságossági és megtérülési vizsgálata........................................................................................................ 44 7. ÖSSZEFOGLALÁS, KÖVETKEZETETÉSEK LEVONÁSA ............................. 47 8. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS………………………………………………………..49 9. IRODALOMJEGYZÉK……………………………………………………………...50 10. FÜGGELÉKEK………………………………………………………………………52 MELLÉKLETEK

1. JELÖLÉSEK ÉS INDEXEK JEGYZÉKE Jelölések: η

[-]

hatásfok

Pr [MPa]

nyomás

T

[0C,K]

hőmérséklet

A

[km2,m2]

terület, felület

gr [0C/100m] geotermikus gradiens H

[mW/m2] 2

hőáram

m [W/m ]

energiasűrűség

P

teljesítmény

[kW]

Qhő [kWh]

hőenergia

Evill [kWh]

villamos energia

d

[mm,cm]

átmérő

U

[V]

feszültség

f

[Hz]

frekvencia

t

[nap]

idő

fg [Nm3/kgvss] fajlagos gázképződés Ha [kWh/m3]

fűtőérték

[m3]

térfogat

V

COP [-] 3

jósági tényező

Qv [m /h]

térfogatáram

I

beruházási költség

[Ft]

Am [Ft]

amortizáció

B

bevétel

[Ft]

1

2. BEVEZETÉS Az energia a természetben lejátszódó folyamatok nélkülözhetetlen eleme a fizikai, kémiai, biológiai folyamatok mozgatója. A gépészmérnöki tudomány területén az energia a gépek működéséhez szükségesek. Felhasználásuk folyamatos, pótlásuk nélkülözhetetlen, amiben egyre nagyobb szerepet kapnak a megújuló energiaforrások. A fizikai, kémiai, és biológiai alaptudományok megteremtették azt az elméleti alapot, amit a mérnöki tudomány fel tud fejleszteni az alkalmazhatóság szintjére. Az utóbbi időben ez az iparág rohamos fejlődésnek indult és a létrehozott berendezések megjelentek nem csak a gazdaságban, hanem a lakosság szintjén is. A nemzetgazdaságok a ma még jelentős beruházási költségek miatt vissza nem térítendő támogatással ösztönzik az elterjedését. A Miskolci Egyetem Áramlás és Hőtechnikai Gépek Tanszéke által nyújtott szakmai ismeretek révén, valamint a műszaki-menedzser képzés során szerzett műszakigazdasági

ismereteket

ötvözve,

egy

diplomaterv

szintjén

hasznos

következtetéseket lehet kimunkálni néhány, Magyarországon jó feltételekkel alkalmazható megújuló energiatermelés vonatkozásában. Korábbi években készített dolgozatomat továbbfejlesztve egy miskolci biogáz erőmű elvi, tervezési adataiból kiindulva lett megvizsgálva az energiatermelés folyamata, annak beruházási költség igényei és megtérülésének vizsgálata. Ezen túlmenően vizsgálat alá került egy hőszivattyús energianyerési megoldás a tisztított szennyvíz hőtartalmából kiindulva, valamint egy napelemes energia termelési megoldás is, természetesen itt is vizsgálat alá került a beruházás költsége és a megtérülés is, bízva abban, hogy a szakirodalom tanulmányozásából kiemelt ismeretek és azok újszerű összegzése, valamint a kiválasztott gyakorlati megoldások hasznos információkat adnak e diplomamunka olvasójának.

2

„Nem a Föld sérülékeny, hanem mi magunk. A Természet az általunk előidézetteknél sokkal nagyobb katasztrófát is átvészelt már. A tevékenységünkkel nem pusztíthatjuk el a természetet, de magunkat annál inkább.” James Lovelock

3. AZ ENERGIA SZEREPE ÉLETÜNKBEN Alapvető

emberi

igényeink

kielégítésére

az

őskortól

használjuk

a

Föld

ásványkincseit és forrásait. Jelentősebb mértékben csak az ipari forradalomtól, azaz az 1800-as évektől kezdve nőtt meg a fogyasztásuk. Az elektromosság feltalálásával, az urbanizációval, az ipar robbanásszerű fejlődésével egyenes arányban nőtt a világ energiaigénye, melynek kielégítésére a ’80-as, ’90-es évekig szinte kizárólag fosszilis energiahordozókat használtunk (szén, kőolaj, földgáz stb.). A

mai

napig

ezek

fedezik

a

szükségletek

nagy

részét,

azonban

környezetszennyező hatásuk és rohamosan csökkenő mennyiségük miatt már a ’80-as években megjelent az igény egy újfajta alternatív energiaforrásra (megújuló energia). Ez kiegészítheti, illetve pótolhatja legalább részben a hagyományos energiatermelést. Másik fontos tény, hogy az energiafogyasztás növekedése nem állt le, sőt tovább emelkedett, gondoljunk csak Kína, India és más fejlődő országok hatalmas infrastrukturális és gazdasági fejlődésének energia igényére. Az összes energiafelhasználás évi átlagos növekedése napjainkban ~ 1,7%.

4. A MEGÚJULÓ ENERGIAFORRÁSOK A megújuló energiaforrás olyan közeg, természeti jelenség, melyekből energia nyerhető ki, és amely akár naponta többször ismétlődően rendelkezésre áll, vagy jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül újratermelődik. [1]

4.1. Jelentősége A megújuló energiaforrások jelentősége, hogy használatuk összhangban van a fenntartható fejlődés alapelveivel, tehát alkalmazásuk nem rombolja a környezetet, 3

ugyanakkor nem is fogják vissza az emberiség fejlődési lehetőségeit. A fosszilis energiaforrások (kőszén, kőolaj, földgáz, stb.) használatával ellentétben azonban nem okoznak olyan halmozódó káros hatásokat, mint az üvegházhatás, a levegőszennyezés, vagy a vízszennyezés.

4.2. Áttekintés Az emberiség által használt energia a kezdetektől fogva többnyire megújuló forrásokon alapult, mint a tűzifa, szél és vízimalmok, ezek használata azonban az ipari forradalmat követően jelentősen visszaszorult. Napjainkban a technikai lehetőségeknek és a globális energiaválságnak köszönhetően a megújuló energiaforrások használata ismét előtérbe került. A megújuló energia 4 fontos területen váltja a hagyományos energiát, ezek az elektromos áramtermelés, a fűtés, az üzemanyag és a hálózaton kívüli (off-grid) áramtermelés. [ 2 ] -

Elektromosság. A legújabb 2012-es adatok alapján elmondható, hogy 2011ben a világ összes elektromos energia felhasználását

-ban fedezték

megújuló energiák. -

Fűtés.

A

napkollektoros

fűtés

jelentősen

hozzájárul

a

megújuló

hőtermeléshez számos országban, ahol mintegy 50-60 millió háztartás melegvíz ellátását valósítja meg. Egyre jobban elterjedőben lévő technológia a hőszivattyú és a geotermikus szivattyúk által megvalósított fűtés háztartási szinten is. Előnye, szemben a hagyományos fosszilis tüzelőanyagokra alapozott fűtési technológiákkal, hogy nem termel üvegházhatású gázokat, jelentősen lépéseket téve ezzel a környezettudatos életmód felé. -

Transzport üzemanyagok. Már 2006-tól hozzájárulnak a megújuló bioüzemanyagok a fosszilis olajfogyasztás csökkenéséhez. A 2009-ben termelt liter fosszilis üzemanyagot váltott

liter bio-üzemanyag ki világszerte, amely

át teszi ki az összes üzemanyag fogyasztásnak.

A megújuló energiaforrások technológiától független előnyei: Globálisan:

4



a fosszilis energiahordozók tartalékainak kimerülésével felértékelődnek a megújuló energiaforrások



a környezetvédelmi világszemlélet előtérbe kerülése



a termelési folyamatok során keletkező melléktermékek hasznosításának lehetősége

Országos és regionális szinten: 

az import energia kiváltása, a külső piac által kevésbé befolyásolt energiapolitika



a környezetvédelmi szempontból is fenntartható gazdasági fejlődés



nemzetközi egyezményekben aláírt kötelezettségek betartása



az országos energiaellátási rendszer tehermentesítése



munkanélküliség enyhítése



helyi energiaforrások jobb kihasználása



infrastruktúra-fejlesztés

4.3. Ipari és gazdasági trendek Az

IEA

(Nemzetközi

Energia

Ügynökség)

által

periódusban, az egy főre jutó energiafelhasználás

1990-től

2008-ig

felmért

-al nőtt világszinten. 2008-

ban mért adatok szerint a globális összes energiafelhasználás (továbbiakban: EJ) (

) volt.

A megújuló energiaforrások globális elméleti, becsült potenciálja ezzel szemben, technológiákra bontva a következő: -

Napenergia

-

Szélenergia

-

Geotermikus energia

-

Biomassza

-

Vízenergia

-

Óceán energia

A fenti adatokból adódik, hogy a jelenleg becsült összes megújuló elméleti energiapotenciál

világszinten

mintegy

energiamennyiséget

amelyből számítható, hogy

5

tesz

ki,

azaz, ha az összes megújuló elméleti energiapotenciálunk mindössze

-át ki

tudnánk használni, azzal a világ energiafogyasztását fedezhetnénk. Ehhez természetesen hozzátartozik, hogy a jelenleg elérhető legjobb technológiákkal is ezen megújuló energiát hasznosító berendezések hatásfoka általánosan –

érték közötti, továbbá ezen erőművek, napelemek stb. létesítésének

megvalósíthatóságát is számos körülmény korlátozza még. [ 3 ]

4.4. Globális ipari áttekintés A 2010-es évben a globális energiafelhasználás energiaforrások. Ebből mintegy

-át fedezték megújuló

származott modern megújuló energiákból – pl:

a víz-, szél-, nap-, geotermikus energiaforrások, bio-üzemanyagok és a modern biomassza.

A

tradicionális

energiafelhasználás körülbelül

biomassza

felhasználás,

a

teljes

megújuló

-át teszi ki, melynek megoszlását az 1. ábra

szemlélteti. [ 4 ]

1. ábra: Megújuló energiák aránya a globális energiafelhasználásban

1

4.5. A megújuló energiákról források szerint A földi életet meghatározó napsugárzás, a Földön hasznosítható megújuló energiaforrások túlnyomó részének forrása,

1

Renewables 2012 Global Status Report ábrája 6

gyakorlatilag

kimeríthetetlennek

tekinthető. Egyrészt fotovoltaikus napelemekkel és napkollektorokkal közvetlenül hasznosítható

napsugárzást

szolgáltat,

másrészről

közvetett

módón

áramlástechnikai módszerekkel hasznosítható szélenergiához juttatja a Föld lakosságát, tekintve, hogy a szelek kialakulása a Föld különböző területein kialakuló hőmérséklet

különbségek

kiegyenlítődése

által

létrejött

légáramlatok

következménye. A legnagyobb arányban széleskörűen felhasznált, hagyományos és modern biomasszát sem lehetne fenntartható és megújuló jelzőkkel illetni, ha nem lenne napsugárzás. Ez a Földre érkező nagy mennyiségű energiapotenciál, energiamennyiség összevetve a Föld lakosságának mindössze energiafelhasználásával, tekintélyesnek mondható. Az emberiség ebből a hatalmas potenciálból különféle átalakítási módszerekkel, mesterséges technológiákkal, különböző energiapotenciálokat képes befogni és hasznosítani, mint elméleti megújuló energiaforrásokat. Ezen hasznosítható energiaforrások eloszlása globális tekintetben meglehetősen diverz. A megújuló energiaforrások potenciálja széles földrajzi területeken érhető el, ellentétben az egyéb energiaforrásokkal, melyek kevés számú országban koncentrálódnak. Mint előzőekben látható a megújuló energia a hagyományos energiahordozókat az alábbi 4 fő területen váltja fel: elektromosság, meleg víz/fűtés, motor üzemanyagok, és hálózattól elkülönített (off-grid) esetekben.

4.6. A megújuló energiaforrás területei: ∙ biomassza ∙ vízenergia ∙ napenergia ∙ szélenergia ∙ geotermikus energia

4.6.1.

Biomassza

A biomassza fő felhasználási területei az élelmiszeripar, rost és takarmány előállítás, ami több mint szén

és

földgáz

után

-ban járul hozzá a világ energiaellátásához. Az olaj, a

negyedik

legnagyobb 7

részaránnyal

rendelkező

energiaforrás. Széles skálájú technológiákra alapozva a gáz, folyadék és szilárd halmazállapotú biomassza jelentős bázisa a hő, elektromos áram és üzemanyagok előállításának. A biomassza felhasználási területeit és tipikus forrásait a 2. ábra szemlélteti:

2. ábra: Biomassza energiává konvertálásának lehetőségei

2

A biomassza ipar különböző szilárd, folyadék és gáznemű üzemanyagokat termel amihez erdei, mezőgazdasági és kommunális hulladék forrásokat használ fel. Ezen alapanyagokat specifikusan erre a célra kifejlesztett technológiákra épülő berendezésekben, például biomassza bojlerek üzemében használják fel, főképp otthoni és kisüzemi alkalmazások során. A fenti ábra azonban jól szemlélteti, hogy ezen alapanyagok túlnyomó részét nem az energia iparban hasznosítják, hanem állati takarmányozásra, bio-alapanyagok és biokémiai termékek előállítására. Fontos megemlíteni, hogy a hagyományos biomassza esetén a főleg tüzelésre felhasznált bio-alapanyagok kitermelése nem ellenőrzött, és talán még fontosabb, hogy nem fenntartható módon történik. A megújuló energiatechnológia célja az is, hogy ezen tradicionális biomassza felhasználás részarányát fokozatosan modern biomassza technológiákkal váltsák fel. [ 5 ]

2

Renewables 2012 Global Status Report ábrája 8

4.6.2.

Vízenergia

A vízenergia olyan megújuló energia, amely nem szennyezi a környezetet és nem termel sem szén-dioxidot, sem más, üvegházhatást kiváltó gázt. Ezen technológiára épülő berendezések különösen a nagyesésű gyorsfolyású folyókra épített vízerőművek, vagy nagyobb víztározók duzzasztógátjaival elért víztömeg helyzeti energiájának kihasználásával nyerik az energiát és jelentős volumenűek. A világ vízerőműveinek összteljesítménye 2012-es adatok alapján mintegy

, és

régiónkénti eloszlásukat a 3. ábra szemlélteti.

3. ábra: Működő vízenergia hasznosításának megoszlása országonként

3

Az ábra jól szemlélteti, hogy a világon a legjelentősebb vízenergia potenciállal és megvalósított rendszerekkel rendelkező országok, kedvező helyzetüknél fogva és megépített erőművei révén csaknem

teljesítménnyel dolgoznak.

A vízerőmű előnyei között van, hogy nem termel CO2-t, alacsony költségekkel tartható fenn, rugalmasan működtethető. Hátránya lehet a környező területek eliszaposodása és egyéb kismértékű ökoszisztéma károsító hatása. [ 6 ] 4.6.3.

Napenergia

A nap energiája hő és fény formájában éri el a Földet, melyet egyre fejlettebb technológiákkal hasznosítanak. A napenergiához kapcsolódó technológiák, mint a

3

Renewables 2012 Global Status Report ábrája 9

napfűtés, a fotovoltaikus berendezések, a naperőművek vagy a nap energiáját felhasználó épületek segíthetnek megoldani az emberiség előtt álló legnagyobb kihívásokat. A napenergia kiaknázási lehetőségének meghatározásában fontos statisztikai adat az éves napsütéses órák száma és a napsugárzás intenzitása. Mivel ezek adatok alapvetően befolyásolják a kinyerhető energia mennyiségét, többéves statisztikai adatok alapján napsugárzási térképeket állítanak elő a vizsgált régióra vonatkozólag. Európának

-re vonatkoztatott sugárzási térképe a 4.

ábrán látható.

4. ábra: Európa napbesugárzási térképe

4

A napenergia hasznosításának napjainkban két alapvető módja van: napkollektoros fűtés és fotovoltaikus elven működő elektromos energia előállítás. A

napkollektor

felhasználásával

olyan

épületgépészeti

közvetlenül

állít

elő

berendezés, fűtésre,

amely

a

vízmelegítésre

napenergia használható

hőenergiát. A hőcserélő fűtőközege többnyire folyadék, de levegőt használó változatai is vannak. A napelem vagy fotovillamos elem olyan berendezés, amely az elektromágneses sugárzást közvetlenül villamos energiává alakítja.

4

Global Horizontal Irradiance Map of Europe,SolarGis 2011 ábrája 10

„ Az energiaátalakítás alapja, hogy a sugárzás elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít, vagyis elektromos áram jön létre.” Előnye, hogy csökkenti a más országoktól való energiafüggést, tiszta, szinte minden földrajzi területen elérhető és az egyszeri telepítési költségeken kívül attól kezdve ingyen szolgáltat energiát. Hátránya, hogy a napsugárzás intenzitása és időbeli eloszlása változó és nehezebben tervezhető előre, csak átlagértékekkel számolnak és beruházási költsége is jelentős. [ 7 ] 4.6.4.

Szélenergia

A szélenergiát már évszázadok óta hasznosítja az emberiség, kezdetben szélmalmok segítségével mechanikai munka előállítására, főként mezőgazdasági termények őrlésére. A szélenergia kitermelésének modern formája a szélturbina lapátjainak forgási energiáját alakítja át elektromos árammá. A szélturbinák gyártása Dániában kezdődött az 1979-es években, majd fokozatosan terjedt el az egész világon. Elterjedési ütemét jól mutatja a globális kapacitásnövekedés. 1996ban még csak körülbelül

áramot állítottak elő szélturbinák segítségével, ez

az érték 2011-re fokozatosan elérte a

-ot. Előnye, hogy szinte teljesen

veszélytelen, semmilyen hulladékot nem termel, kiemelten költséghatékony (befektetett/termelt energiaviszonya 1:5), élettani hátránya, hogy hangfrekvenciája zavaró lehet, illetve madárpusztító hatásukat emlegetik még. [ 8 ] 4.6.5.

Geotermikus energia

A geotermikus energia a Föld belsejében létrejövő, felszín alatti hő-áramban bizonyos szintig feljutó és a kőzetekben, pórusvízben tárolódó termikus energiamennyiség. Különösen azokon a területeken lehet potenciális előnye, ahol kedvezőek a földtani adottságok, ahol viszonylag kis mélységben már nagy hőmérséklet uralkodik és megfelelő felszín alatti vízadó képződmények vannak jelen. A geotermikus energiát napjainkban elsősorban lokális energiaigények kielégítésére

használják.

A

hasznosíthatósága

a

felszínre

törő

hévíz

hőmérsékletétől függ, ami a lehetséges hőfoklépcső (a hasznosító rendszerbe belépő és onnan kilépő víz hőmérséklet-különbsége) értékét megadja.

11

Ha a vékony kőzetrétegen keresztül megfelelő mennyiségű és forró, hőmérsékletű gőz (ún. magas entalpiájú források) tud áramlani, az elektromos áram fejlesztésre alkalmazható gőzturbinák segítségével. A túlhevült

nyomású gőz több száz km/h

-os,

sebességgel éri el a felszínt.

-os hőmérsékleten kellően nagy

nyomáson hatékonyabb az áramtermelés. Egyre gyakrabban alkalmazott, lehetséges felhasználási módja a geotermikus energiának a hőszivattyús rendszereken keresztül történő közvetlen hőkitermelés. Ezzel a módszerrel a hőszivattyú primer csövei a földfelszín alá futnak. A bennük lévő folyadék felmelegszik a Föld belső hőjétől és ezt hőszivattyú segítségével vezetik az épületbe. Fordított esetben hűtésre is használható. A csövekben áramló közeg az épület hőjét felvéve azt a földfelszíne alatt adja le. Ezen technológiára épülő berendezések 2011-ben globálisan [9]

12

energiát termeltek.

5. MAGYARORSZÁG MEGÚJULÓ ENERGIA POTENCIÁLJA Magyarország

klimatikus

adottságai

alapján

kedvező

helyzetben

van.

Mezőgazdasági szempontból potens, kiváló minőségű termőföldjei miatt biomassza tekintetben kitörési lehetősége adott, de fontos megemlíteni, hogy kedvező földtani és geotermikus adottságai miatt is relatíve jelentős megújuló energia adottságokkal rendelkezik, melyből jelenleg olyan kevés mennyiséget használ fel, amely a teljes éves energiafelhasználásának mindössze

-át fedezi.

Lényeges ebben a pontban az értelmezés megkönnyítése végett tisztázni az energiapotenciálok fogalmi rendszerét. „ Az elméleti potenciál (amely alatt a jelenlegi ismereteink szerint fizikailag rendelkezése álló energiamennyiséget kell érteni az adott területen) magába foglalja az átalakítható, vagy konverziós potenciált (amely az adott technológiai szinten kiaknázható, ezen belül felöleli a technikai, a gazdasági és fenntartható potenciál volumeneket is.) A technikai potenciál (a strukturális korlátok között műszakilag reálisan kiaknázható) az ismert technológiákkal megvalósítható volumen, amely még mindig nagyobb, mint a gazdasági potenciál (amely a gazdaságosan kiaknázható potenciált jelenti). A gazdasági potenciálhoz képest a ténylegesen (reálisan) hasznosítható ún. fenntartható potenciál (azaz a társadalmi-ökológiai tényezőkkel összhangban kiaknázható potenciál) még kisebb, még jobban behatárolt, pontosabban csak valamivel több, mint amit az adott vizsgálati időszakban célértékként, ill. realizálható, hasznosítható potenciálként fogalmaznak meg, pl. egy középtávú stratégia szintjén.” A potenciál hierarchia szintjeit az 5. ábra szemlélteti. Ezen MTA által bevezetett potenciál-hierarchiát a magyarországi megújuló energia stratégiába adaptálva, műszaki, gazdasági, ökológiai szempontokkal összehangolt fenntartható potenciált értelmezünk, és a hosszú távú 2030-ig realizálható és hasznosítható energiavolument, vagy középtavú 2020-ig megvalósítható célértéket veszünk alapul. [ 10 ]

13

5. ábra: Megújuló energiapotenciál szintek

5.1.

5

Magyarország elméleti napenergia potenciálja

A napban lejátszódó termonukleáris reakció során a hatalmas nyomás és hő hatására a hidrogén atomok, héliummá fúzionálnak, eközben hatalmas energia szabadul fel. Ezen reakció évente átlagosan mintegy

energiát szór

sugárzás formájában a Földre, mely a Föld energiaigényének tízszeresét teszi ki. A napból vízszintesen a Föld felületére jutó sugárzási energia fajlagos értékét globál sugárzásnak nevezzük. Ezen sugárzás egy része derült időben közvetlenül éri a felszínt, más része különböző atmoszférikus akadályokba ütközve részben visszaverődve éri el a felszínt. Ezt hívják diffúz sugárzásnak. Magyarország területén, a vízszintes felületen mért globál napsugárzási átlagérték az 1958 és 1972 között mért periódusban viszonylatra vetítve

–

között van, ami éves

mennyiségnek feletethető meg.

Az ország méreteit tekintve lévén, hogy viszonylag egy kisebb földrajzi egységet képvisel, a Kárpát-medencét fedi le, sem vertikálisan (tengerszintfeletti magasságai nem térnek el kiugróan egymástól), sem horizontálisan nem fog át különböző éghajlattípusokat, napsugárzási volumene viszonylag homogénnek mondható ( körüli a maximális eltérés mértéke). A kisebb mértékű eltéréseket és az évi sugárzási átlagértékeket a 6. ábra mutatja.

5

Pylon Kft. – Dr. Unk Jánosné: „Magyarország 2020-as megújuló energiahasznosítási kötelezettség vállalásának teljesítési ütemterv javaslata” ábrája 14

6. ábra: Magyarország napbesugárzási térképe

Számszerűsítve a

6

területre évente bejövő energia az említett értékek

átlagával számolva,

. Ez Magyarország évi mintegy

elektromos energia felhasználásának energiafelhasználás

szerese, illetve a teljes

szorosa. Az akadémia becslései szerint a jövőben

rövidtávon telepíthető napkollektor felület körülbelül

–en lehetséges,

illetve a mezőgazdaságban várható hőigény belátható időn belül nagyságot tehet ki. A fotovillamos technológiával üzemeltethető berendezések felületméreteire vonatkoztatott számítások szerint mintegy

beépíthető

terület hasznosítható kedvező feltételekkel. Az ebből származó kapacitás

5.2.

energetikai potenciálnak feleltethető meg. [ 12 ]

Magyarország elméleti geotermikus energiapotenciálja

A geotermikus energia azon források közé tartozik, melyeket nem a napból érkező sugárzás, hanem a föld belsejének a földtörténet során meg nem szilárdult izzó képlékeny magjának hőenergiája táplál. A geotermikus gradiens a felszín alatti hőmérsékletnövekedés

mérőszámaként

használt

mutató,

az

egységnyi

mélységváltozásra jutó hőmérsékletváltozást fejezi ki. Értéke földi átlagban

6

Global Horizontal Irradiance Map of Europe,SolarGis 2011 ábrája 15

, Magyarországon viszont az átlagos geotermikus gradiens között mozog. „Ennek oka, hogy a Magyarországot magába foglaló Pannon-medencében a földkéreg vékonyabb a világátlagnál. Mindössze vastag, tehát mintegy

–

-rel vékonyabb a szomszédos területekhez képest. Így

a forró magma a felszínhez közelebb van, és jó hőszigetelő üledékek (agyagok, homokok) töltik ki a medencét.” Az ezekből az adatokból levezetett mérőszám a hőáram (a magma irányából fölfelé irányuló

konduktív

hőáramlás)

átlagos

értéke

,

ami

kétszerese a kontinentális átlagnak. Magyarország értékes felszín alatti vízfolyásai a magmatikus felmelegítés következtében különösen gazdag hévíz, termálvíz forrásokkal gazdagítanak. Ennek jelentősége energetikai szempontból is nagyon fontos; a VITUKI közelítő becslése szerint az ország kitermelhető - elméletileg átalakítható – geotermikus energiakészlete mintegy készletszámítási

módszerekkel

mélységig

,

ismert földtani

melyből

képződmények legalább

a

legjobban

. Az elméleti

hőmennyiség

es

hozzáférhető

negyedidőszaki

és legfeljebb

hőmennyiséget tárolhatnak,

mely éves energiaszükségletünk akár többszörösét is fedezhetné. [ 13 ]

5.3.

Magyarország elméleti szélenergia potenciálja

A megújuló energiaforrások közül a napenergiát követően a szélenergia potenciálja a legnagyobb, mely nagysága arányos az adott területen uralkodó szélsebesség köbével. Ezt az úgynevezett energiasűrűséggel ( fejezzük ki, ahol behelyettesítendő az adott közeg (pl. levegő) sűrűsége és annak áramlási sebessége. A kutatások és mérések kimutatták, hogy az országos területre vetített elméleti szélenergia potenciál konverziós potenciál párhuzamban

(ebből

, melyből az átalakítható -s magasságban

mintegy

névleges

teljesítményű

. Ezzel szélerőmű

telepíthető az országban. [ 14 ]

5.4.

Magyarország elméleti vízenergia potenciálja

Magyarországot 3 nagy folyó a Duna, a Tisza és a Dráva képviseli vízenergetikai beruházások lehetőségeként, melyek a potenciális vízerőkészlet Az összes magyarországi folyami elméleti vízerőkészlet 16

-át teszik ki. eszmei

energiamennyiséget biztosíthat. Az elméleti rendelhető.

A

teljesítmény jelenlegi

-os tartósságú vízhozamhoz

és

technológiákkal

vízerőművek ma mindösszesen

és

elméleti

energiaérték

beruházásokkal

megvalósult

energiamennyiséget termelnek ki (a

távlati vízerőművi fejlesztésekkel is összesen

), tehát ezen erőforrások

kihasználása még nagyon sok lehetőséget hordoz magában. [ 15 ]

5.5.

Magyarország elméleti biomassza energia potenciálja

Magyarországon is a biomassza alatt az energetikailag hasznosítható növényeket, terméseket, melléktermékeket, növényi és állati hulladékokat értjük. „A biomasszát a fenntartható energiagazdálkodás részeként kézenfekvő kezelni, megszabva és behatárolva annak energetikai hasznosítási lehetőségeit a komplex ökológiai – társadalmi – gazdasági és műszaki ellátórendszerén belül…” Középarányos becslések szerint a hasznosítható, konverziós biomassza potenciál értéket közelít, melyből üzemanyag,

tüzelési célú,

pedig biogáz felhasználásból származhat. [ 16 ]

17

bio

6. EGY KONKRÉT ÜZEM SAJÁT ENERGIAELLÁTÁSÁT RÉSZBEN VAGY TELJES EGÉSZÉBEN MEGVALÓSÍTÓ, MEGÚJULÓENERGIA TERMELŐ RENDSZER MEGVALÓSÍTÁSI LEHETŐSÉGEINEK VIZSGÁLATA 6.1. A megújuló energiára épülő rendszer kiépítésének feltérképezése, a műszaki szempontból lehetséges megoldások számbavétele Az ipari üzem önellátó energiatermelésének lehetőségeit a Miskolci Vízmű Kft. szennyvíztisztító telepének példáján keresztül fogom ismertetni. A Miskolc külterületén

elhelyezkedő

körülbelül

-en

szennyvíztisztító részlege egy

elterülő

közszolgáltató

-es gravitációs főgyűjtő csatornán

érkező Miskolc város, és a csatlakozott agglomeráció (Alsózsolca, Arnót, Bükkszentkereszt, Felsőzsolca, Kistokaj, Mályi, Nyékládháza, Szirmabesenyő) szennyvizeinek tisztításáért, s a tisztított szennyvíz ártalommentes Sajóba történő bevezetéséért felelős. A tisztítást mechanikai és eleveniszapos biológiai tisztítási eljárással végzik. A telep megújuló energia szempontból különféle potenciális adottságokkal rendelkezik. A telep építészeti alaprajzát, műszaki-technológiai adottságait, működését tanulmányozva 3 gazdaságosan kialakítható hatékony, rendelkezésre álló technológiákkal kiaknázható energiaforrást találtam. A telep főtevékenysége során, a beérkező szennyvízből származó nagy mennyiségű,

biológiailag

aktív

iszap,

folyékony

biomasszaként

való

felhasználása ad lehetőséget energiatermelésre. A telepre érkező szennyvíz éves átlagban számolva

lesz a készített tanulmánytervek alapján. A

telepre érkező szennyvízből

(SZA) szennyvíziszap keletkezik. Az

elképzelt biogáz üzem, ezzel a szennyvíziszappal és terv szerint további külső forrásból származó hulladékokkal fog működni. fogadni

élelmiszeripari

üzemekből

és

hulladékot terveznek mennyiségben

szennyvíziszapot a környék tisztítótelepeiről. Összességében

további iszap

feldolgozásával számolnak. Ezen szerves biomassza anaerob környezetben történő fermentálásával, nagy mennyiségű (számításokat lásd következő fejezet) biogáz állítható elő, amely gázmotorokban történő felhasználásával fedezni tudja a telep villamos energia igényének nagy részét.

18

A berendezés működése során keletkező, jelentős mennyiségű hulladékhőből, hőcserélő közbeiktatásával elsősorban az iszaprothasztó tornyok fűtését kell biztosítani és a maradék hő hasznosítható a telep szociális rendszerében. Másrészről a telep alaprajzát tekintve (1. sz. melléklet) jól látható, hogy a szennyvíztisztító

telep

területéhez

kapcsolódó

területű sík, zavaró környezeti tényezőktől mentes terület lehetőséget biztosít egy nagyobb kiterjedésű napelemes rendszer kialakításához. Ennek legcélravezetőbb alkalmazása egy inverteres rendszer kiépítése, mely a napelemek által termelt egyenáramot váltóárammá alakítja és egy oda-vissza mérő óra segítségével méri, hogy egy adott időszakban mennyi villamos energiát használt fel a telep és mennyit táplált be a hálózatba. A napelemek által termelt egyenáram átalakítása U -re történik és a hálózati visszatáplálást is az inverter szabályozza. A bejövő szennyvíz mennyiségi és hőmérsékleti adatait tanulmányozva harmadik lehetőségként, a szennyvízben lévő hőenergia hőszivattyúzással történő kitermelésének lehetőségét elemzem. A beérkező szennyvíz, egy

-

es gravitációs főgyűjtő csatornán érkezik a telepre. Terv szerint, napi szinten átlagosan

mennyiségű szennyvíz átlagos hőmérséklete

mely a téli fagyos hónapokban sem csökken T

,

alá. Hőszivattyú segítségével

alternatív lehetőségként ez a hőmennyiség is felhasználható a szociális épületek fűtésére. A kiszolgáló épületek fűtési hőigényét az épületben található helyiségek különböző fűtési hőigényeinek összessége határozza meg. Alapvetően meghatározza az épület szigeteltségének típusa, fekvése, a terület éghajlati viszonyai, napi átlaghőmérsékletek és a napszakonkénti fűtési igény. Egy helyiség fajlagos térfogati hőigényét a helység falain távozó hőmennyiség, illetve a szellőztetéskor a nyílászárókon távozó hőmennyiség összegéből kivont a bent tartózkodók hőfejlesztéséből származó hőenergia és a napsugárzásból származó hőmennyiség előjeles összegeként határozhatjuk meg. Mivel ezek a számítások kívül esnek a dolgozatomban tárgyalt műszaki vizsgálatok tárgykörén, a fűtéshez szükséges energiát a telepen fűtésre felhasznált földgáz statisztikai adataiból kalkulálva közelítem meg és elemzem, hogy a biogáz 19

üzemben keletkezett és ott fel nem használt többlet hőenergia milyen hányadban fedheti le a telep fűtési igényét.

E ponton röviden kitérnék Magyar Energia Hivatal által lefektetett megújuló energiákból származó elektromos áram kötelező átvételének áraira és jogi szabályozására, mivel a fent felsorolt technológiák által termelt villamos energia napszakonkénti és éves fluktuációt mutat, melyből következik, hogy a megtermelt többlet energia több esetben - a telep szintén váltakozó igényeiből kiindulva – hálózatba történő visszatáplálásával eladásra kerülhet. A jelenleg hatályos átvételi jogszabályt és aktuális árakat a Magyar Energia Hivatal adatbázisából (Függelék 1.) idézem.

6.2. A célszerű megoldások konkrét számításokkal alátámasztott tervezésének leírása.

6.2.1.

Biológiailag aktív szennyvíziszap anaerob fermentációjára épülő biogáz generátor telepítése

Elsődleges megoldásnak a biogáz alapú energiatermelés lehetőségét tekintem, több okból: A) A bejövő nagymennyiségű szennyvíziszap magas biomassza értékéből jelenleg semmi nem kerül felhasználásra, ami gazdálkodási szempontból gazdaságtalan B) A telep műszaki berendezéseinek folyamatosan van szüksége villamos energiára. C) A biogázt hasznosító gázmotor jelentős mennyiségű hulladékhőt termel, amely a fermentorok hőigényének kielégítésére kiválóan alkalmas. Tömör összefoglaló a szennyvíziszapból termelt biogázról, előállításáról és a biogáz erőműről. Mi a biogáz? (összetétel, szervesanyag lebontás, biodegradáció, fermentáció)

20

Biogáz

a

szerves

anyagokból

/pl.:

kommunális

szennyvíziszap,

állati

melléktermékek, élelmiszeripari hulladékok stb./ anaerob, azaz oxigéntől elzárt rendszerben, rothasztó mikroorganizmusok segítségével erjesztett metán tartalmú gáz. A biogáz összetétele:

-Metán



-Szén-dioxid



-Nitrogén



-Hidrogén



-Hidrogén szulfid



-Oxigén



Biodegradációról, illetve fermentációról abban az esetben beszélünk, ha a mikroorganizmusok hatására természetes feltételek között aerob vagy anaerob körülmények között lebomlás történik. Anaerob fermentáció Szerves anyagok anaerob körülmények közötti lebontásakor metán, víz, széndioxid és energia keletkezik -



-



-



Az anaerob fermentáció szélső hőmérsékleti értékeit

-ban szokták

–

megjelölni. Alapvető fontosságú még, hogy a fermentáció hőmérséklete alapján különböztetik meg az anaerob folyamatokat: „ A biogáz előállítás mikrobiológiai folyamatainak és technológiáinak legfontosabb rendező tényezője a hőmérséklet. A mikroszervezetek más-más csoportja jellemző a mezofil és a termofil hőmérséklettartományában. A mezofil baktériumok

–

között tevékenyek, a termofilok

21

–

között.”

A biogáz erőmű fontosabb részei Az előtárolóból a fermentorokba bekerülő csökkentett víztartalmú szennyvíziszapot keverni kell. A biológiai folyamatok közül a hidrolízis már itt elkezdődik, melynek következtében a fermentorokba kerülő iszapban a biogáz képződés folyamata felgyorsulhat. Ez a keverék a biogáz-reaktorba jut.

7. ábra: Anaerob rothasztó sematikus működési rajza

Újabb rendszerekben a szubsztrátumokat közvetlenül a fermentorba juttatják be, s az egyes anyagok elegyítése itt történik meg: 7. ábra. Ez a biogáz reaktor az erőmű egyik fő része. Készülhet betonból vagy fémből, lehet álló vagy fekvő típusú, tojás vagy hengeres formájú. Meghatározó, hogy a bioreaktor jól tömített, víz és gázálló legyen. Egy keverő-berendezés segítségével a szubsztrátumok jól elegyíthetők, és meggátolható a kiindulási anyagoktól függően az úszó- vagy ülepedő réteg képződése, mert a fermentorban a folyadék felületén képződő úszó kéreg a biológiai folyamatok stabilitását veszélyezteti. A sok szilárd anyag leülepedését a fermentorok aljáról pedig el kell távolítani. A fermentor fűtésével biztosítható a biológiai folyamatok megfelelő lezajlásához szükséges hőmérséklet. A biogázképzésben résztvevő baktériumokat a számukra optimális hőmérséklettartományok alapján három csoportba osztjuk: a pszichrofil baktériumok kb. mezofil tartomány

-ig működnek, a biogáztermelésük igen alacsony. A és

között helyezkedik el. Ebben a tartományban a

baktériumok igen aktívak, képesek a nagyobb hőmérséklet-ingadozásokat is 22

elviselni a gáztermelés csökkenése nélkül. A termofil tartományban, az optimum a , a baktériumok gáztermelése itt nagyobb, mint a mezofilben, de az érzékenységük is igen nagy a hőmérsékletváltozásra. A kierjesztett anyagok az utótárolóba kerülnek. Abban az esetben, ha az utótároló fedett és fűtött, utóerjesztőről beszélünk. A még képződő biogáz itt is felfogásra kerül, és az energiatermelés folyamatában vesz részt. Ennek előnye, hogy a még lebontható maradék szerves anyagok egy része hasznosításra kerül, hátránya, hogy a tároló fűtését meg kell oldani. Az utótároló méretét úgy kell kialakítani, hogy az a legalább 4 hónap alatt keletkező erjesztési maradék mennyiségét képes legyen befogadni. Fermentáció előnyei: -Energiaforrás, biogáz előállítás -Szaghatások csökkennek -Szerves hulladék környezetkímélő lebontása -Kevésbé légszennyező, mint a földgáz -Javul a növények tápanyag felhasználási hatékonysága -Kis tápanyag veszteség A biogáz üzem telepítésének műszaki és energetikai számításai A biogáz üzem megvalósítását a Biogas-Miskolc Kft. végzi. A projekt rendelkezik megvalósíthatósági tanulmánnyal, ezért a biogáz üzem vizsgálatát a tanulmány alapadatainak felhasználásával végeztem. A biogáz üzem energia rendszerének számításait

ezen

adatok

alapján

végezetem,

továbbá

az

egyszerűsített

megtérülésre vonatkozó számításokat a gazdasági adatok alapján készítettem. Az energetikai számításoknál abból indulok ki, hogy az előző év fogyasztási rekordjaira alapozva összemérem azt, hogy a rendelkezésre álló és beszállításra kerülő biomasszából kinyerhető biogáz milyen teljesítményű generátort képes ellátni és ez a teljesítmény milyen arányban fedi le a telep saját igényeit. A szennyvíztisztító 2011-es évi, jelenleg iszaphasznosító nélküli, villamos energia és földgáz felhasználását az 1. táblázat szemlélteti:

23

Gáz fogyasztás 3 (m )

Villamos energia fogy. (kWh)

Havi átlag

19.294 17.694 13.727 6.176 2.145 2.013 1.733 1.583 1.737 8.715 14.292 16.051 8.736

366.165 325.752 348.365 346.063 347.051 356.580 367.095 414.288 357.202 366.240 369.046 377.059 361.742

Éves összes

105.160

4.340.906

2011 Január Február Március Április Május Június Július Augusztus Szeptember Október November December

1. táblázat

Miskolc város és 8 agglomerációs településének szennyvíztisztítását a fejlesztést követően egy

kapacitású biológiai és III. tisztítási fokozattal

rendelkező telep látja el. A szennyvíztisztítás során kinyert szennyvíziszap – mely

-ban tartalmaz

szerves anyagot – hasznosítására célszerű beruházás lehet egy biogáz üzem megépítése és a termelt biogáz hasznosítása villamos energia előállítása céljából. A létesítmény energetikai adatai: A szennyvíztisztító telepen a

beérkező szennyvízből és a további

fogadott, külső élelmiszeripari hulladékkal együtt naponta összesen iszap áll majd rendelkezésre a fejlesztés megvalósításának időszakában, melynek -a szerves anyag, azaz

.

A rothasztó fő adatai: Iszaprothasztó térfogat Iszaptartózkodási idő A szerves anyagnak várhatóan

-a kerül lebontásra

rothasztási hatásfokon, amiből

biogáz keletkezik

fajlagos gázképződéssel számolva.

24

A biogáz hasznosítása során számolva

biogázból

fűtőértékkel

energia keletkezik, amiből a hasznosítható: [17]

 villamos energia

és

 hőenergia  veszteség

Az alkalmazandó gázmotor méret kiválasztása:  villamos teljesítmény  hőteljesítmény 2 db gázmotort alkalmazása esetén 1 db gázmotor: leadott villamos teljesítmény leadott hőteljesítmény felvett teljesítménye biogáz fogyasztása

(

=

motoronként. Biogáz üzemben (1 hónap üzemszünetet feltételezve) megtermelhető:  villamos energia  hőenergia

A termelt villamos energia biogáz üzem

lentebb

említett

kell, hogy fedezze a gépészeti berendezéseinek működtetéséhez

szükséges

energia mennyiségét is, mely a következő

részveszteségekből tevődik össze: Gázmotorok villamos energia fogyasztása -

hűtés, olajozás, levegőellátás éves vonatkozásban:

25

Rothasztási technológia villamos energia fogyasztása -

iszapfogadás, homogenizálás, rothasztóüzem

-

gáztartály, fáklya, gázsűrítő, kéntelenítő

-

épületgépészet biofilter vonatkozásban együttesen: a fenti berendezések működésének egyidejűségi tényezője: éves vonatkozásban:

Hálózati veszteség -

mértéke a veszteség mennyisége:

Mindösszesen: A fenti saját fogyasztásokkal és veszteségekkel csökkentett felhasználható villamos energia mennyisége:

A telep éves villamos energia szükséglete (táblázatból kapott adatokból):

Látható, hogy a biogáz üzemből kiadható villamos energia a telep villamos energia igényét

,

-ban fedezi.

A szennyvíztisztító telep jelenlegi (iszaphasznosító létesítmények nélküli) villamos teljesítmény igénye: . A biogáz erőműhöz szükséges gépészeti berendezések (szivattyúk, iszapkeverők, ventillátorok, különböző mozgató berendezések) villamos energia szükséglete fogyasztástöbbletet eredményez

a fejlesztés megvalósítását

követően, így tehát ezen saját technológiák teljesítményigény többlete:

.

26

A telep felvett teljesítményigénye tehát a beruházás után:

A biogáz üzem hőmérlege: A rothasztó fűtési teljesítmény igénye (nyáron mértékben fedezhető a gázmotorok együttes

; télen

), teljes

hő teljesítményéből.

A gázmotorokon keletkező hőmennyiség számítása: -

gázmotorok hőteljesítménye

-

termelt hően. nyáron: (30 napos júniusi leállással

-

termelt hően. télen:

-

termelt hőenergia

)

A rothasztó hőenergia igénye nyári időszakban (185 nap): -

technológia hőteljesítmény igénye:

-

nyári időszak hossza:

-

nyári technológia hőigény: hőfölösleg

–

A rothasztó hőenergia igénye téli időszakban (180 nap): -

technológia hőteljesítmény igénye

-

nyári időszak hossza

-

nyári technológia hőigény hőfölösleg

–

A fenti hőfölösleg és a telep havi hőigényeit mutató számok (1. számú táblázat) grafikusan kifejezett viszonyát a 8. ábra hőmérleg diagramja szemlélteti: 27

8. ábra: Hőmérleg diagram

Következtetésként elmondható, hogy a biogáz erőmű a rothasztó technológiai folyamatainak hőszükséglete mellett a március közepétől október közepéig terjedő időszakban képes ellátni telep szociális épületeinek hő szükségletét (főleg meleg víz). A telep további időszakaiban megjelenő fűtési hőigényt azonban nem fedezi, de

egy

a

későbbi

fejezetben

taglalt

szennyvíz

hőszivattyús

rendszerrel

problémamentesen és gazdaságosan kielégíthető a hiányzó hőmennyiség. A rothasztást követően csökken a maradék iszap mennyisége szárazanyag csökkenés

-al. A

-os víztartalom mellett

-al csökkenti

a kiszállítandó, elhelyezendő iszapmennyiséget. Ez jelentős tétel a biogáz üzem eredményességének a számításánál, de ezzel jelen munkám során nem foglalkozok. A termelt villamos energiát fordíthatjuk a telep villamos energia igényének kielégítésére, vagy értékesíthető az áramszolgáltató felé, ez esetben azonban a teljes villamos energiát meg kell vásárolni a szolgáltatótól. E tanulmányban az előbbi

lehetőséget

tekintem

elsődlegesnek,

melyet

a

gazdaságossági

számításoknál részletezek. Látható, hogy egy

lakosú város szennyvizének iszapjából, valamint a

környékből begyűjtött szennyvíziszapok esetében a kinyerhető megújuló energia, a szennyvíztisztító telep működéséhez szükséges villamos energiát kiválthatja.

28

További eredményei a szennyvíziszap rothasztás biogáz hasznosítással projektnek, hogy  Az iszap a rothasztást követően kielégíti az elhelyezésével kapcsolatos minőségi követelményeket  Újabb munkahelyeket teremt  Összességében a hagyományos, külső elektromos energia igény ról

-

-ra csökken, ezáltal előállításához szükséges fosszilis tüzelőanyag takarítható meg.

6.2.2.

Fotovoltaikus napelemes park telepítése

A fentebb említett

területű kihasználatlan sík terület szolgál alapjául a

soron következő kalkulációnak. Sík és zavaró tereptárgyaktól mentes felület révén, az ideális déli fekvésű tájolás és az ideális

dőlésszög is megvalósítható,

amely jelentősen megnöveli a kitermelhető energia mennyiségét, az egyéb okokból kötött tájolású rendszerekhez képest. „Elsőnek érdemes a napelemes technikához tartozó fogalmakat tisztázni. Napelemes rendszerek nagyságát Wattpeak-ben

, vagy kiloWattpeakben

adják meg. Ez az érték arra vonatkozik, ha napelemre a napsugárzás ideálisan 90°-ban esik, és ezen kívül nagyon tiszta delelő júniusi-júliusi napsütés éri a napelemet, akkor hány Watt teljesítmény leadására lenne képes. Erre az ipar besugárzott teljesítményhez kötik a

kidolgozott egy standardot,

napelemek névleges csúcs teljesítményét. Tudvalévő, hogy egész évben ritkán fog így sütni a nap, de ez nem okoz problémát, mert a napelemek szórt fényben is működnek. Másik nagyon fontos dolog, hogy milyen típusú napelemmel szeretnénk megtermelni az energiát. Ha van Déli irányú tetőnk/felületünk, akkor a kristályos (poli, mono) napelemeket érdemes használni, ha viszont csak Keleti, Északi használható felületünk van, akkor vékonyrétegű napelemeket érdemes használni. Figyelembe kell venni, hogy Déli irány az ideális telepítési állás, Északi irányba álló napelemek

-al kevesebb energiát is termelhetnek, ezért mindig törekedni kell a

Déli tájolásra. Több élő és mért rendszer üzemel idehaza, több évnyi mérési adatból egyértelműen kijelenthető, hogy éves szinten energia termelhető meg

napelem kapacitással Magyarországon.” 29

elméleti

A terület alaprajzát tekintve adott a

–es alapterület, melyből 3-3

métert a külső kerületen a közlekedést, installációt, szervizelést lehetővé téve szabadon hagyok. Az így keletkezett

hasznos

terület lehetőséget nyújt a napelem park telepítésére a 9. ábra szerint.

9. ábra: Naperőmű elhelyezési területe

A terület rövidebbik oldalát kijelölő oldalegyenes, szerencsés módon éppen párhuzamos a Déli égtáj irányával, így a napelemek az ideális déli tájolásnak megfelelően

hosszú sorokba rendezve egymás után telepíthetőek. Az ábrán

-val jelölt felület a felszínnel

-ot bezáró napelem vízszintes vetületét jelöli.

Könnyen belátható az, hogy amennyiben az ideális esetben merőlegesen esnek a napsugarak a napelem felületére, a napelem mögött némi területet leárnyékol az előtte fekvő sor, ezért matematikailag kiszámítandó mekkora távolságot célszerű hagyni a sorok között. A kereskedelmi forgalomban kapható ipari napelemek legtöbbje

széles és

magasságú.

10. ábra: Napelemek elhelyezési módja

30

A 10. ábra egy telepített napelem sor oldalnézetét ábrázolja sematikusan. Alapvető trigonometriai számításokat alapul véve könnyen belátható, hogy ha a napelem magassága

, akkor horizontális vetülete

napelemsor között tartandó távolság pedig

, a két

. Ez tulajdonképpen azt

jelenti, hogy egy napelem sor tulajdonképpen

hosszúságú területet igényel,

-t. Ha ezzel a számmal elosztom a felhasználható terület déli

azaz

iránynak megfelelő oldalhosszát, a

-t, akkor megkapom, hogy 44 sor

napelemet telepíthető gazdaságosan. Az

szélességű

magasságú napelem panelekből tehát soronként 278 db,

összesen

installálható az adott területen. Ennek hasznos

panelfelülete

egységes panelfelülettel számítva: .

Visszautalva a 3.1-es fejezetben tárgyalt adatokra, a telepítés helyszínén sokéves statisztikai

átlagadatokra

alapozva

kimondható,

hogy

éves

szinten

négyzetméterenként a napból besugárzott energia intenzív fajlagos mennyiségével, értékkel

reális

számolni.

Tehát,

a

hasznos

panelfelületünkre érkező elméletileg hasznosítható napenergia mennyiség:

. Azonban a jelenleg elérhető leghatékonyabb mono- és polikristályos szilícium panelek hatásfoka

,

.

Tehát éves szinten az adott hasznos panelfelületen a megfelelő hatásfokkal számolt tényleges villamos energiatermelés:

A napelemes rendszerek esetében számolni kell az inverteren jelentkező elektromos veszteséggel is, ez a mai készülékek esetén nem több mint más szóval egy

-os inverter hatásfokkal lehet számolni:

31

. Tehát .

Így a ténylegesen eladható mennyiséget a rendszer veszteségével csökkentett villamos energia mennyiség fogja jelenteni.

Ebből meghatározható a napelemes rendszer teljesítménye (napi átlag 8 óra üzemmel):

Amint azt a biogáz üzemű erőmű példájában is említettem, a telep éves villamos energia felhasználása arányban (

, melyből látszik, hogy a napelempark nagy

-ban) képes lenne ellátni a telep villamos energia igényét. Ezt a

megtermelt villamos energia mennyiséget célszerűen a hálózatba táplálva eladhatjuk, vagy az adott létesítmény energiaellátásának fedezésére fordíthatjuk., Jelen esetben, azonban a biogáz erőművet megvalósult beruházásnak tekintem, ezért a naperőművel megtermelt villamos energiát kisebb részben a következő fejezetben leírt hőszivattyús rendszerhez használom, nagyobb részben pedig értékesítésre javaslom. 6.2.3.

Befolyó szennyvíz hőenergiáját hasznosító hőszivattyús rendszer telepítése

A telepre beérkező nagy mennyiségű szennyvíz hőmérséklete hőmérsékleten

változik

a

11.

ábrán

látható

módon,

–

amelyből

fűtéstechnikai berendezésekkel a szociális épületek fűtése fedezhető.

Szennyvíz hőfoka (°C) (átlag 16,9 °C) 30,0 20,0 10,0 0,0

11. ábra: A bejövő szennyvíz hőmérsékleti diagramja

32

közötti megfelelő

A telepen a tavalyi évben a fűtéshez használt földgáz fogyasztás egész évre vonatkozólag

volt. (2. táblázat) 2011.

Gáz fogyasztás m

Január Február Március Április Május Június Július Augusztus Szeptember Október November December Átlag Szumma

19.294 17.694 13.727 6.176 2.145 2.013 1.733 1.583 1.737 8.715 14.292 16.051 8.736 105.160

3

Villamos energia kWh 366.165 325.752 348.365 346.063 347.051 356.580 367.095 414.288 357.202 366.240 369.046 377.059 361.742 4.340.906

2. táblázat

A

Tigáz

Zrt.

által

forgalmazott,

fűtésre

használt

földgáz

fűtőértéke

. A szennyvíztisztító telepen fűtésre és melegvíz előállításra használt kazánok hatásfoka 65% közeli érték

. A

földgáz elégetésével elméletben

hőenergia nyerhető. Azonban éves szinten a telep tényleges fűtési és melegvíz hőigénye a kazánok hatásfokával csökkentett érték. . Ez azt jelenti, hogy

tényleges energiát kell éves szinten kinyernünk a

bejövő szennyvíz hőjéből. Mivel a tisztított szennyvíz állaga és fajhője legjobban a tiszta vízét közelíti meg, ezért célravezető egy vizes hőszivattyút alkalmazni. A jelenlegi legmodernebb technológiákkal elérhető hőszivattyúk COP száma, azaz a kinyert hőenergia befektetett villamos energia hányadosa 5,4. Az egységnyi befektetett villamos

33

energiából

5,4

egységnyi

hasznos

hőenergia

nyerhető.

A

berendezés

működéséhez szükséges villamos energia a napelemes rendszerből fedezhető, a napi ciklust tekintve a napelemek villamos energia termelése nagyjából egybeesik az üzemi épületek szükséges fűtési ciklusaival. Tehát ha a berendezés dolgozni, azaz

-os hatásfokkal tud

akkor

fűtési energia nyeréshez:

befektetendő villamos energia szükséges. Ezt a mennyiséget a telepített napelempark teljes mértékben fedezi, a fennmaradó kihasználatlan villamos energia pedig a hálózatba táplálva eladható. A szennyvíztelepen működő DORR rendszerű utóülepítők (2. sz. mellékletben. 8-as számú műtárgy) kör alakú függőleges oldalfalára célszerű felhelyezni a hőszivattyú hőcserélő

csőrendszerét,

mivel

a

telepre

érkező,

szennyvízbevezető

cső

torkolatánál a szennyvíz rácsgépház létesítménynél nincs hely egy reális közelségben elhelyezhető hőszivattyú gépház építésére, továbbá -

itt a legtisztább a szennyvíz (a hőcserélők esetében ez a vízminőség megfelel a lerakódás szempontjából kérdéses kritériumoknak)

-

ez a felület a mozgó gépészeti berendezéseknek nincs útjában

-

a hőelvonás által csökkenő vízhőmérséklet már nem fogja befolyásolni a szennyvíztisztítási technológiai folyamatok hatásfokát

12. ábra: Hőszivattyú működési sémája

34

A technológiai megvalósítás sémáját a 12. ábra szemlélteti. Az utóülepítőben lévő nagyrészt tisztított szennyvizet egy szivattyú juttatja el a szennyvíz hőcserélőjébe, ahol a hőmennyiség a megfelelő hőcserélő közegen keresztül leadja a hőjét a párologtatóból érkező lehűlt közvetítő közegnek. A felmelegedett

gáz

halmazállapotú

fűtőközeg

a

kompresszoron

keresztül

komprimálódik, növelve a nyomását és energiáját, melyet a kondenzátorban lead (lecsapódás), mely felmelegíti a szociális épületek radiátoraiban cirkuláló fűtőközeget. Az itt tárgyalt esetben szükséges hőszivattyú méretezése: A fenti számítás igazolja, hogy egy nagyobb teljesítményű hőszivattyú a napelemes park villamos energia termelésére alapozva könnyen fedezhetné a szennyvíztisztító telep egész éves fűtési és meleg víz hőigényét, azonban mivel a nyári időszakban a biogáz üzem következtében keletkező hulladékhő ráfordítás nélkül fedezheti a tavasztól őszig tartó szezon hőigényét, a hőszivattyút az őszi-téli fűtési szezon igényeire célszerű méretezni. A biogáz erőmű műszaki számításainál értelmezett hőmérleg diagram adataiból kiindulva a hőszivattyú teljesítményét a kritikus januári fűtési- és meleg víz hőigényére célszerű méretezni. A hőmérleg diagramból kiolvasható, hogy ebben az esetben a biogáz hulladékhőjéből nem fedezhető hőigény

A kívánt hőszivattyú szükséges hőteljesítménye ebben az esetben: / 12 ra = 277 kW Így

jósági tényező esetén a hőszivattyú felvett villamos teljesítménye:

A 12. ábra sémája alapján szükség van egy hőszivattyú berendezésre. A kiválasztott hőszivattyú paraméterei: -

Kompresszor teljesítménye (dupla kompresszoros):

35

teljesítményű

-

térfogatáram:

-

hűtőközeg:

-

maximális hőmérséklet:

A hőszivattyú

-os maximális előremenő fűtésvíz-hőmérsékletet képes

elérni. Minden alkatrésze korrózióálló, azonban a rendszer eltömődése ellen, az lerakódást okozó anyagokat vizsgálni kell a telepítés tervezése előtt. A víz alkalmasságát vízkémiai analízissel lehet megállapítani, melynek a következő paraméterértékeken belül kell lennie (3. táblázat) Paraméter

Szükséges érték

O2-telítettség

< 25%

O2-tartalom

< 2,3 mg/l

pH-érték

> 6,0

Vas

< 0,2 mg/l

Mangán

< 0,1 mg/l

Klorid

< 300 mg/l

Szabad klór

< 5 mg/l

Vízhőmérséklet

> 7 0C

3. táblázat

Ezeknek a paramétereknek az utóülepítőben lévő tisztított szennyvíz megfelel. Érdekességként meghatározott

megemlítendő, vízből

kinyerhető hőmennyiség

hogy

az

általános

szakirodalmak

által

hőmérsékletcsökkentéssel elérhető elméleti . Azaz, ha naponta átlagosan

bejövő szennyvízzel gazdálkodhatunk, melynek átlaghőmérséklete

és

átlagosan a napi tényleges tisztító telepi fűtési energiaszükséglet ), akkor belátható, hogy a napi szennyvíz mennyiség

( –el való lehűtése során

nyerhető. Ez a telep számára naponta

szükséges hőmennyiség közel 30 szorosa, így elképzelhető, hogy milyen potenciális lehetőségek rejlenek még ebben a megújuló technológiában. Továbbgondolva, ha tudjuk, hogy egy átlagos családi ház a téli időszakban körülbelül os

földgázt használ el fűtésre, akkor kiszámítható, hogy hatásfokú gázkazánokkal kalkulálva 36

-

a tényleges fűtési és melegvíz hőigény egy háznak, egy napra vonatkozólag. A fent említett

szennyvíz hőmérsékletcsökkentéssel elérhető

energiával összevetve látható, hogy ez a megoldás jelentős mennyiségű, közel 300 lakóház fűtését oldaná meg. A közelmúltban a Budapesti Műszaki Egyetem munkatársa által szerkesztett tanulmányban is említést tesznek erről. : „A takarékos energiafelhasználású infrastruktúra létesítését támogató „Energie Schweiz

für

Infrastrukturanlagen”

elnevezésű

svájci

akció

szakemberének

számítása szerint az ország minden huszadik épületének fűtéséről gondoskodhatna a szennyvíz. … Svájcban tucatnyi ilyen berendezés dolgozik a legnagyobb hidegben is zavartalanul. Egyikük egy családi sorházas lakótelep hőellátásában vesz részt (Zwingen, Basel mellett) több mint 20 éve. … A szennyvíz hőjét a szennyvízcsatorna fenekének hosszanti mélyedésébe beépített hőcserélő vonja ki, 10m-nyi csatornahossz 31 lakóház hőszükségletének több mint 70%-át fedezheti, a kiegészítést a földgázos fűtőkazán biztosíthatja. A hőcserélő sem a csatorna normális üzemét, sem tisztítását nem befolyásolja. … A kedvező hatásfoknak köszönhetően a lakótelep egy-egy házának évi fűtés- és melegvíz költsége az amortizálódást is beleszámolva, csupán 1000 svájci frank, alig több a hagyományos olajkazános távfűtésnél. A CO2 adó svájci bevezetése a szennyvíz hő javára billentheti a mérleget. ” [ 18 ] A szennyvízre épülő hőszivattyús fűtési rendszer előnyei: •

viszonylag magas hőmérséklet

•

nagy hőkapacitás

•

nincs visszasajtolás

•

hőszivattyúhoz jól alkalmazható forrás

•

a hasznosítási hely közelében áll rendelkezésre

37

6.3 A tervezett műszaki beruházások gazdaságossági elemzése, a beruházási összeg felmérése, megtérülési számítások. Napjaink gazdasági szemléletmódja alapján bármilyen műszaki beruházás csak abban az esetben válik széles körben alkalmazhatóvá, ha az beruházói szempontból belátható időn belül megtérül és befektetői szempontból egyszerre gazdaságos és értékteremtő. Ez alól kivételt szinte csak azok a kutatási céllal végbemenő anyagi ráfordítással járó beruházások képeznek, melyek valamilyen technológiai és tudományos szempontból hasznos tudást teremtenek. 6.3.1.

Biogáz erőmű létesítésének költségei, megtérülési ideje

Jelenleg az ilyen típusú megújuló energiaforrást hasznosító beruházásokra

-os

támogatás igényelhet, mely a létesítmény bekerülési költségét csökkenti. Az előzetesen felmért adatok szerint a biogáz termelő és hasznosító létesítmény bekerülési költsége:

ami az alábbi részköltségekből tevődik össze:

­ bontás ­ építés ­ vízgépészet ­ gázgépészet ­ épületgépészet ­ elektr. irányít. tech. ­ külső vezetékek

A támogatással csökkentett értéke pedig:

melyből az építés és külső elektromos vezetékek bekerülése gáz- és épületgépészet

-os kulccsal, a víz-

-os kulccsal, az elektromos irányítástechnika pedig

-os kulccsal amortizálható. A biogáz erőmű várható élettartama

38

, ezért a

megtérülési számításokat ilyen hosszú időszakra értelmezzük. Így az amortizáció értéke:

Az üzemeltetési költségek alakulása a következő: ­ amortizáció ­ vegyszer ­ bér (6 fö)

t

­ fenntartás, karbantartás ­ Összesen: A költségek éves szinten tehát

-ot tesznek ki (amortizációs

elszámolással), így a költségek lineárisan, éves szinten

-al halmozódó

növekedést mutatnak a működés teljes időtartamában Mivel

a

biogáz

erőműben

megtermelt

villamos

energiát

a

telep

saját

energiaellátására használjuk fel, és az ezen felül maradt részt értékesítjük, a bevételi oldala a telep által igényelt

elektromos áramfogyasztás

árának megspórolásából, illetve a fölösleg értékesítésének összegéből fog állni. Elemzések szerint az elektromos áram mind megújuló energiaforrásokból termelt átvételi, mind a szolgáltatók eladási ára (infláción felül) átlagosan évi emelkedni. Ezért mind a jelenlegi hálózatból vásárolt hulladékból nyert elektromos áram kötelező átvételi árát és mélyvölgy időszak átvételi árának átlaga), évi A

műszaki

energiából

számítások

alapján

megtermelt

-al fog

vételi árát, mind a (csúcs, völgy

-os növekedéssel számolom. évi

elektromos

a telep saját ellátására fog fordítódni, a felesleg pedig értékesítésre kerül, így tetszőleges

bevétele:

39

-edik évben az adott év

adódik. Ezáltal az éves bevételek és kiadások 4. táblázat szerint alakulnak:

Idő

Költség (eFt)

Bevétel (eFt)

1. év vége

303 377

133 020

5. év vége

1 516 885

737 520

10. év vége

3 033 770

1 650 520

15. év vége

4 550 655

2 762 520

20. év vége

6 067 540

4 142 520

25. év vége

7 584 425

5 809 520

30. év vége

9 101 310

7 812 520

35. év vége

10 618 195

10 246 520

40. év vége

12 135 080

13 213 520

45. év vége

13 651 965

16 822 520

50. év vége

15 168 850

21 211 520 4. táblázat

A várható megtérülési idő a fenti adatok alapján a 13. ábráról olvasható:

13. ábra: Biogáz erőmű megtérülési diagramja

A beruházás megtérülési ideje tehát profitot ér el.

40

, és élettartamának végére

Ismeretes, hogy a megújuló forrásból származó energiáknak a magyarországi átvételi árai alacsonyabbak más európai országok átvételi árainál. Várható hogy ezekben jelentős növekedés fog bekövetkezni, s akkor az ilyen típusú beruházások megtérülési ideje csökkenni fog. 6.3.2.

Fotovoltaikus napelemes megtérülési vizsgálata

park

beruházás

gazdaságossági

és

A napelemes parkok telepítésénél több szempontot kell figyelembe venni a költségszámításokat illetően. Egyrészt figyelembe kell venni, hogy mekkora teljesítményű beruházásról beszélünk, ugyanis minél nagyobb a park villamos teljesítménye, fajlagosan annál kisebb

-enkénti beruházási költséggel kell

számolni. Megvalósult rendszerek példájára alapozva egy teljesítményű és egy összehasonlítva

névleges

névleges teljesítményű napelemes rendszert

-al kevesebb fajlagos telepítési költség keletkezik a nagyobb

teljesítményű rendszer javára. A költség függ az elhelyezési lehetőségektől is. Sík, tereptárgyaktól és egyéb zavaró tényezőktől mentes felületen kisebb költségekkel kell számolni, mint tetőfelületen, ahol a szervizelési és üzemeltetési tényezők is jelentősebbek. Függ a napelemek fajtájától, minőségétől, valamint a Forint/Euró, és a Forint/Dollár árfolyamtól is. Mivel a telepített rendszer árának

-a a

napelem ára, ezért ez nagyon befolyásolja a teljes árat. Kismértékben függ még a hálózatra csatlakozási pont távolságától. Összességében elmondható, hogy ma egy ipari nagyteljesítményű napelemes park beruházási

költsége

teljesítmény

egységenként

-ra

tehető.

Üzemeltetési költsége időben állandó, mivel a telepítéskori beruházási költség amortizációs hányada épül be a fenntartási költségbe és a telepítéskori műszaki színvonala határozza meg a napelemnek a karbantartási és üzemeltetési költségeit, ilyen indokok alapján a

fenntartási költséggel számoltam a

naperőmű teljes élettartama alatt. [ 19 ] A számításoknál továbbá figyelembe kell venni, hogy a villamos áram ára folyamatosan növekvőben van. Itt csak feltételezésre lehet hagyatkozni úgy, hogy megvizsgáljuk a múltat, és megbecsüljük a várható jövőt. Újabb becslések szerint egy hosszabb periódusra tekintve éves szinten számítani átlagosan. 41

-os áremelkedésre lehet

Számítások: A napelemes rendszerek várható élettartama várhatóan 40 év. A villamos energia kötelező átvételi árát tekintve, megbecsülhető, hogy a jelenlegi napelemes rendszerekből termelt villamos energia átviteli ára az fog növekedni, ami annyi, mint

hatványára

. Ez a növekedési tényező a diagram

bevétel oldali mennyiségére hatással lesz, így bele kell kalkulálni a számításba. Tetszőleges

-dik évi bevétel tehát az alábbiak szerint alakul:

A beruházás várható költsége, ha

telepítési költséggel számolunk:

Összes névleges (elméleti) peak-teljesítmény:

Napelemes rendszer hatásfoka:

Összes tényleges peak-teljesítmény

Beruházás költsége (290 Ft/EUR számolva):

Jelenleg az ilyen jellegű megújuló projektekre 40%-os támogatás igényelhető, így a beruházás saját ereje csökkenthető:

A

beruházás

költsége

az

évek

folyamán

folyamatos

amortizációs

költségelszámolással történik meg, melynek egy évre vonatkoztatott mennyisége:

42

Ehhez társul még az üzemeltetés költsége, amely megtermelt villamos energia esetén:

Az évenként vett költség pedig e két költségtényező összege:

Az összes költsége a teljes időtartamra (40 évre) vonatkoztatva pedig:

Fontos tényező, hogy a diagramos költség-bevétel függvények szemléltetése esetében nem szabad 40 évre tekintő átlagértékkel számolni a termelt villamos energia átvételi árát tekintve, ugyanis az jelentősen eltorzítaná a halmazati bevételi összegeket (eleinte túl nagy éves bevétel, ami az idő előrehaladtával sem változik), így az alábbi 9 időpontban célszerű újrakalkulálni az aktuális bevételeket és költségeket a bizonyos

-os átvételi ár növekedési tényezőt (nem infláció, hanem

általános fogyasztói elektromos áram árnövekedés) figyelembe véve a 5. táblázat szerint alakulnak.

Idő 1. év vége 5. év vége 10. év vége 15. év vége 20. év vége 25. év vége 30. év vége 35. év vége 40.év vége

Költség (eFt) 192 480 962 400 1 924 800 2 887 200 3 849 600 4 812 000 5 774 400 6 736 800 7 699 200

Bevétel (eFt) 115 000 626 000 1 391 000 2 324 000 3 456 000 4 831 000 6 499 000 8 537 000 11 016 000

5. táblázat

43

A tervezett élettartam alatt alakuló költségeket és bevételeket az alábbi táblázat tartalmazza. (A táblázatban mind a költség, mind a bevétel oldalon az előző évek eredményeivel összegzett halmazati mennyiségek szerepelnek). A 5. táblázatból és a 14. ábra diagramjából kiolvasható, hogy a beruházás körülbelül meg, és az élettartama lejártáig

alatt térül

profitot érhet el.

14. ábra: Napelemes park megtérülési diagramja

6.3.3 Hőszivattyús fűtőrendszer beruházás gazdaságossági és megtérülési vizsgálata A hőszivattyús rendszer megtérülése az eddigi évek fűtésre szánt költségének megtakarításán alapszik ( = bevétel). A szennyvíztisztító telep a 2. táblázat adatai alapján

földgázt használt fűtési célokra. A téli időszakban a

biogáz üzem által termelt hulladékhő nem tudja fedezni az telep fűtési és melegvíz hőigényét. A 8. ábra hőmérleg diagram alapján ezen időszakban hiányzó hőmennyiség összesen

. A gázszolgáltató

szükséges földgázt. Ha ezt a hőmennyiséget kellene előállítani az árat

áron adja el a hatásfokú gázkazánokkal

-ba kerülne

előállítása.

44

hőenergia

A

hőenergia ebben az esetben -ba kerülne évente.

A műszaki számítások esetén megadott paraméterekkel rendelkező hőszivattyú berendezés ára (szállítással, beüzemelési költségekkel): . A műszaki megvalósításhoz azonban még szükség van a hőszivattyú és az utóülepítő medence között

hosszú

lefektetésére. Ennek ára

átmérőjű szigetelt acélcső

. [ 20 ]

Szükség van továbbá az utóülepítő oldalon

korrózióálló acélcsőből készült

hőcserélőre felfüggesztésekkel, melynek ára:

.

A hőszivattyú villamos energiával való ellátásának kiépítése: A beruházás összköltsége így:

A beruházás megtérülése:

.

A fenti számítás arra a preferált esetre vonatkozik, amelynél a befektetendő villamos energia túlnyomó része fedezve van a napelemes park villamos energia termeléséből (mivel a fűtési periódus egy nap időtartamra vizsgálva nagyjából egybeesik a napsütéses időszakkal, amikor a napelemek termelnek 7 – 16 óráig). Azonban ha az üzemeltetéshez szükséges villamos energiát meg kellene vásárolni –es jósági tényező mellett,

hőenergia nyeréshez:

45

villamos energia megvásárlása lenne szükséges. A jelenlegi 27 Ft/kWh villamos energia áron ez évente:

plusz költséget jelentene évente. Ebben az esetben a beruházás megtérülése a 6. táblázat szerint módosul.

1. év 2. év 3. év

Költség 12 655 000 14 730 000 16 805 000

Bevétel 6 889 000 13 778 000 20 667 000

6. táblázat

Látható, hogy a beruházás

alatt megtérül.

Az előzőekben bemutatott 3 féle megújuló energia nyerés főbb jellemzőit az alábbi 7. táblázatban látható összegezve.

Megújuló

Beruházási

Leadott

energiatermelő

költség

teljesítmény

üzem

(eFt)

(kW)

Fajlagos beruházási

Megtérülés

költség

ideje

(eFt/kW)

Előállítható

Energia-

energia

nyerés

fajtája

hatásfoka

1546 Biogáz

1.471.230

(750 kW villamos +

952

~35év

villamos és hő

~81%

795 kW hő)

Hőszivattyú

10.580

277

38

~1,5 – 2év

hő

~540%

Napelem

1.447.260

1230

1.177

~25év

villamos

~17%

7. táblázat

46

7. ÖSSZEFOGLALÁS, KÖVETKEZETETÉSEK LEVONÁSA Az egyre csökkenő hagyományos energiaforrások pótlására elméletileg szinte kimeríthetetlen, megújuló energiaforrások állnak rendelkezésre a földünkön. A megújuló energiaforrások napjainkban azonban még korlátozott mértékben használhatók

ki

a

rendelkezésre

álló

műszaki-technikai

berendezések

alkalmazásával. A megújuló energiaforrások fajtái eltérő mértékben állnak rendelkezésre a Föld különböző területein, így hazánkban is. Magyarország jelentős energiapotenciállal rendelkezik biomasszából, földhőből származtatható energiából, de nem elhanyagolható a szél és napenergia sem. Sajnos napjainkban még igen alacsony arányban vannak kihasználva a megújuló energiák adta lehetőségek, mert ezeknek a berendezéseknek a telepítése jelentős beruházási költségeket igényelnek. Ezért szükséges, hogy a nemzetgazdaságok vissza nem térítendő támogatásban részesítsék a beruházó magánszemélyeket, intézményeket és társaságokat. Egy konkrét üzem esetében végzett elemzéseim és számításaim alapján rávilágítottam arra, hogy a biomasszából kinyerhető energia lehetősége és műszaki megoldása magyarországi viszonylatban racionálisan alkalmazható, mert a biomassza nagy biztonsággal előteremthető egy Miskolc nagyságú településen A biomasszából viszonylag jó arányban nyerhető ki a hasznosítható energia villamos áram formájában is. Az villamos áram előállító generátor azonban jelentős mennyiségű ún. hulladékhőt is termel, amiről gazdálkodási szempontból szintén gondoskodni kell. Ezek az üzemek ott tekinthetők előnyös megoldásnak, ahol a villamos és hőenergiára egyidejűleg szükség lehet. A

víz

közegből

vállalkozások

hőszivattyúzással

esetben

szintén

kinyerhető

racionális

hőmennyiséggel lehet számolni egy

energia

megoldás

a

vízzel

lehet.

Igen

„dolgozó” jelentős

szennyvíz mennyiséggel

dolgozó tisztító telep esetében. A kinyerhető hőmennyiség több száz lakás fűtését is képes ellátni. Az 5-nél nagyobb COP számú, színvonalas hőszivattyú esetében szinte bármelyik hagyományos energiaforrás gazdaságosan kiváltható. 47

A napelemes rendszerek a legelőnyösebb felhasználási lehetőséggel bíró villamos energiát állítják elő. Bár beruházási költsége magas, ezzel szemben az üzemeltetési és karbantartási költsége alacsony. Az energia átalakítási hatásfoka is igen alacsony, elektromos

energia

alatti. Hátránya még ennek a technikának, hogy a termelt nagyon

ingadozóan

keletkezik,

valójában

csak

az

áramszolgáltatási hálózatba célszerű betáplálni. A termelt energia mennyisége évszaktól, napszaktól, időjárástól függő, ezért sziget üzemben csak kisegítő energiaforrásként használják az alapellátás mellett. Az energianyerés ezen formáinak vizsgálatából származtatott fajlagos értékeket vizsgálva megállapítható, hogy egy kW teljesítmény a hőszivattyúval állítható elő legkisebb beruházási költséggel és a legjobb hatásfok mellett, azonban az előállított energia (hő) a legkevésbé kurrens. Ezért a hőszivattyúzást abban az esetben célszerű megvalósítani, ha az energia igény a hőenergia. Az elektromos energiát termelő megújuló energia rendszerek fajlagos beruházási költsége igen magas azonban a legjobb felhasználási képességekkel bíró elektromos áramot termeli.

48

8. KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS Diplomamunkám készítésében nyújtott szakmai útmutatásaiért szeretnék ezúton köszönetet mondani Dr. Szabó Szilárd professzor úrnak és Handki Andrea egyetemi konzulensemnek, továbbá a Biogas-Miskolc Kft. előző vezetésének a biogáz üzemmel kapcsolatos adatok rendelkezésemre bocsátásáért.

49

9. IRODALOMJEGYZÉK [ 1 ] Wikipédia – Megújuló energiák [2]–[6] REN 21 - Renewables 2012 Global Status Report [ 7 ] Solar Radiation Map of Europe: Global Horizontal Irradiance Map of Europe, SolarGis 2011, illetve Wikipédia – Napelem [ 8 ] REN 21 - Renewables 2012 Global Status Report [ 9 ] dr. Göőz Lajos: A természeti erőforrásokról, Nyíregyháza, 1999. REN 21 - Renewables 2012 Global Status Report [ 10 ] – [ 11 ] Pylon Kft. – Dr. Unk Jánosné: Magyarország 2020-as megújuló energiahasznosítási kötelezettség vállalásának teljesítési ütemterv javaslata Budapest, 2010. március [ 12 ] Solar Radiation Map of Europe: Global Horizontal Irradiance Map of Europe, SolarGis 2011 Pylon Kft. – Dr. Unk Jánosné: Magyarország 2020-as megújuló energiahasznosítási kötelezettség vállalásának teljesítési ütemterv javaslata Budapest, 2010. március [ 13 ] Monoki Ákos: Geotermikus Energia Wikipédia – Geotermikus gradiens Pylon Kft. – Dr. Unk Jánosné: Magyarország 2020-as megújuló energiahasznosítási kötelezettség vállalásának teljesítési ütemterv javaslata Budapest, 2010. március 50

[ 14 ] – [ 16 ] Pylon Kft. – Dr. Unk Jánosné: Magyarország 2020-as megújuló energiahasznosítási kötelezettség vállalásának teljesítési ütemterv javaslata Budapest, 2010. március [ 17 ] Szabó László, Olessák Dénes - Hulladékhasznosítás - szilárd hulladékok feldolgozása, Műszaki Tankönyvkiadó, 1984 Terra Humana Kft. – A biogáz képződés és hasznosítás – alapvető fogalmak; illetve Biogas – Miskolc Kft. adatai [ 18 ] Dr. Boros Tiborné – Hőellátás szennyvízhőből a hőszivattyú elvén – Svájci példák és tervek http://dokutar.omikk.bme.hu/collections/mgi_fulltext/kornyezet/2006/10/1 002.pdf [ 19 ] Kalmár Ferenc - Villamosenergia termelés napenergiával Debreceni Műszaki Közlemények 2009/1-2 107 [ 20 ] BDL Környezetvédelmi Kft. által készített – Vízellátás, vízkezelés, szennyvízelvezetés és tisztítás fajlagos költségei segédlet

51

10. FÜGGELÉK 1. TÁJÉKOZTATÓ A KÖTELEZŐ ÁTVÉTELI RENDSZER MŰKÖDÉSÉRŐL 389/2007. (XII. 23.) Korm. rendelet.(a továbbiakban: KÁT rendelet), Hazánk számos eszközzel támogatja az energia- és klímapolitikai célok megvalósítását. A támogatási rendszer részét képezik egyrészt a beruházási támogatások, másrészt pedig a működési támogatás rendszere. I. A kötelező átvételi rendszer (KÁT) általános ismertetése Hazánk számos eszközzel támogatja az energia- és klímapolitikai célok megvalósítását. A támogatási rendszer részét képezik egyrészt a beruházási támogatások,

másrészt

pedig

a

működési

támogatás

rendszere.

A működési támogatások egyik – hazánkban is alkalmazott – formája a kötelező átvételi rendszer (KÁT). E rendszer fő célja, hogy kiküszöbölje a megújuló energiaforrásokból és hulladékból termelt villamos energia értékesítése során a többi termelési technológiával

szemben fennálló

versenyhátrányt.

A

KÁT

rendszerben a termelők egyrészről az általuk megtermelt villamos energiáért a jogszabályban meghatározott - a piaci árnál magasabb - átvételi árat kapják, másrészről ezt a villamos energiát a KÁT mérlegkör felelős (MAVIR Zrt.) garantáltan átveszi. A kötelező átvétel keretében értékesítő termelők számára ez a támogatási forma tehát egy – a villamos energia szabad piacától elkülönített – védett piacot is jelent, ahol sem a KÁT mérlegkörön belül, sem a többi piaci szereplővel nem kell versenyezniük. A kötelező átvételi rendszer hazai alkalmazásának keretfeltételeit a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény (a továbbiakban: VET), a rendszer működésének részletesebb szabályait pedig „a megújuló energiaforrásból vagy hulladékból nyert energiával termelt villamos energia, valamint a kapcsoltan termelt villamos energia kötelező átvételéről és átvételi áráról szóló 389/2007. (XII. 23.) Korm. rendelet".(a továbbiakban: KÁT rendelet), valamint „az átvételi kötelezettség alá eső villamos energiának az átviteli rendszerirányító által történő szétosztásáról és a szétosztás során alkalmazható árak meghatározásának módjáról szóló 109/2007. (XII. 23.) GKM rendelet" (a továbbiakban: Szétosztási rendelet) 52

tartalmazza. A VET alapján a Magyar Energia Hivatal (a továbbiakban: Hivatal) határozatban állapítja meg minden megújuló forrásból vagy hulladékból nyert energiával villamos energiát termelő értékesítő részére a KÁT rendszer keretében átvehető villamos energia mennyiségét és az átvétel időtartamát. (A fosszilis bázisú kapcsolt hő-és villamosenergia-termelés 2011. július 1-jével kikerült a KÁT rendszer hatálya alól.) Az időtartam lejártával, vagy az átvételi időtartamra engedélyezett összes kvó¬tamennyiség idő előtti felhasználásával a kötelező átvételi rendszerben történő értékesítési jogosultság megszűnik. A KÁT rendszer keretében átvehető villamos energia mennyiségének és az átvétel időtartamának meghatározásával biztosított, hogy a termelő legfeljebb a befektetés megtérüléséig kapja a támogatást. A támogatott átvételi ár különbözik megújuló energiaforrásból, illetve hulladékból termelt villamos energia esetében, továbbá az átvételi árak differenciáltak a méret (névleges villamos teljesítőképesség), a jogosultság megszerzésének időpontja (2008. január 1-je előtt vagy után), a zónaidő, valamint részben technológia (napenergia, szélenergia) alapján is. A 2008. január 1-jét megelőzően jogosultságot szerző, megújuló energiaforrást vagy hulladékot felhasználó termelők számára az átvételi ár évente az előző évi infláció mértékével megegyezően változik. A 2008. január 1-jét követően jogosultságot szerző, megújuló energiaforrást vagy hulladékot felhasználó termelők átvételi ára egy ún. hatékonyságjavítási tényezőt is tartalmaz, így a korrekciós tényező az előző évi fogyasztói árindex egy százalékponttal csökkentett értékének felel meg. II. A KÁT mérlegkör működése A KÁT rendszer működésének alapját az ún. KÁT mérlegkör jelenti, mely jelenlegi formájában 2008 januárjától működik. A KÁT mérlegkör működését a VET-en kívül a KÁT rendelet és a Szétosztási rendelet szabályozza. A VET értelmében a KÁT rendszerben villamos energiát termelő erőművek egy külön mérlegkört alkotnak, amelynek felelőse az átviteli rendszerirányító (a MAVIR Zrt.). A mérlegkörhöz kapcsolódó szereplők a KÁT rendszerben részt vevő termelők 53

(KÁT-termelők, avagy Értékesítők), a mérlegkör felelős (Befogadó), valamint az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia átvevői (KÁT-átvevő). Az átviteli rendszerirányító (Befogadó) feladata a KÁT mérlegkör működtetése, ennek keretében a menetrendtől való eltérések kiegyenlítése, valamint a KÁT rendszerben átvett villamos energia mennyiségének szétosztása és elszámolása. A rendszer működését az alábbi ábra illusztrálja:

A KÁT mérlegkör működése forrás:MAVIR Az átvételi kötelezettség alá eső villamos energia termelője (Értékesítő) – amennyiben az egyéb jogszabályi feltételeknek megfelel – jogosult a KÁT mérlegkörhöz csatlakozni. A MAVIR Zrt., mint KÁT mérlegkör felelős, mérlegkör tagsági szerződést köt az Értékesítőkkel. A MAVIR Zrt., mint Befogadó a mérlegkörbe érkező villamos energiáért kifizeti az átvételi árat az Értékesítőnek, majd a villamos energiát és annak költségét a hozzájuk tartozó fogyasztás arányában szétosztja a KÁT-átvevők (elsősorban kereskedők és egyetemes szolgáltatók) között. A szétosztott zöldáram költségét a KÁT-átvevő beárazza saját portfóliójába, így a KÁT támogatás költsége végső soron a felhasználókat terheli.

54

A kötelező átvételű villamos energia átvételi árai1 (ÁFA nélkül), HUF/kWh Kategória

2012. január 1-töl

Nap- és szélerőműben termelt [KR. 1. számú melléklet 1. A MEH 2008. 01.01. előtt (vagy addig benyújtott kérelemre) hozott határozata alapján b) pont] termelt (kivéve 5 MW-nál nagyobb vízerőmű) Nem nap- és szélerőműben termelt [KR. 1. számú [KR. 4. § (1) bekezdés] melléklet 1. a) pont] Naperőműben termelt [KR. 1. számú melléklet 2. b) pont] 20 MW vagy annál kisebb erőműben (kivéve: Megújuló naperőmű) termelt [KR. 1. számú melléklet 2. a) pont] energiaforrásb ól nyert A MEH 2008. 01.01. után hozott határozata6 20 MW-nál nagyobb, de legfeljebb 50 MW-os erőműben energiával alapján termelt (kivéve: 5 MW-nál nagyobb termelt (kivéve: szélerőmű 2008. nov. 30-tól, naperőmű) termelt vízerőmű, 50 MW-nál nagyobb egyéb erőmű) [KR. 1. számú melléklet 3. a) pont] villamos [KR. 4. § (2)-(3), (6) bekezdés] energia 20 MW-nál nagyobb, de legfeljebb 50 MW-os szélerőműben 2008. nov. 30-tól termelt [KR. 1. számú melléklet 3. b) pont] Használt berendezést3 is tartalmazó erőműben termelt [KR. 1. számú melléklet 4. pont] 5 MW-nál nagyobb vízerőműben, 50 MW-nál nagyobb egyéb erőműben termelt [KR. 4. § (4) bekezdés; 1. számú melléklet 4. pont]

Csúcs 2

Völgy2

Mélyvölgy2

31,91

31,91

31,91

35,65

31,91

13,03

30,71

30,71

30,71

34,31

30,71

12,53

27,45

24,57

10,02

34,31

30,71

12,53

21,34

13,66

13,66

21,34

13,66

13,66

32,19

22,18

11,57

Hulladékból nyert energiával [KR. 4. § (5) bekezdés; 1. számú melléklet 5. pont] termelt villamos energia

55