Környezettechnika. 1. A környezettechnika alapjai és jelentősége. Energiaforrások és felhasználásuk

Gépészmérnöki és Informatikai Kar

Fodor Béla

Áramlás- és Hőtechnikai Gépek Tanszéke

Környezettechnika 1. A környezettechnika alapjai és jelentősége. Energiaforrások és felhasználásuk. Megj.: - A napenergia, biomassza s geotermikus energia tématerületén részben a Nimfea Természetvédelmi Egyesület online rendelkezésre álló anyaga található az előadás prezentációs anyagában. - További felhasznált irodalom a biomassza tématerületén: Barótfi István – Környezettechnika 2010.05.07.

Környezettechnika

1



Ember – Környezet – Ipar A természet és az ipar közti környezeti egyensúly fenn kell tartani, annak érdekében, hogy a technikai fejlődés ne veszélyeztesse az emberek életterét..

Környezettechnika feladata: Olyan ismeretek kialakítása, amelyek segítségével környezetvédelmi szempontok figyelembevételével jelenlegi és jövőbeli helyzeteket feltárhatunk és rendszerezhetünk. Valamint olyan ismeretek és szemlélet kialakítása, amely rámutat arra, hogy a technikai környezetben létrehozott rendszerek energiaellátását folyamatosan, a megfelelő paraméterekkel kell biztosítani, úgy hogy a különböző technikai és technológiai folyamatokat megismerjük, és a működtetés kockázatát és a felelősségét feltárjuk. 2010.05.07.

Környezettechnika

2



Környezettechnika a műszaki gyakorlatban Ipar: A műszaki gyakorlatban, minden intézkedés a hatékonyság növelését célozza meg tisztán a jobb működés érdekében, az ezzel kapcsolatos termelési és gazdasági intézkedések a költségek csökkentését és hatékonyság növelését célozzák meg. Az ipari energiafelhasználás mértéke évről évre nő mely a piacon jelenlévő környezetterhelő anyagok, valamint az előállításukhoz felhasznált energiahordozók mennyiségét növeli. Mely folyamatosan növekvő terhelést jelent.

Törekvések: A műszaki gyakorlatban törekednünk kell arra mind az energiafelhasználásnál mind a termékek tervezésénél, hogy a legkisebb környezetterhelés jöjjön létre.  Energiatakarékossági intézkedések  Megújuló energiaforrások alkalmazása  Technológiai intézkedések  Üzemeltetési megfontolások

Politika: A törekvéseket lakossági és ipari területen is érvényesíteni kell, amelynek gazdasági és politikai hatásai is lehetnek. A környezetvédelem érdekében nemzetközi szabályok és szankciók biztosítják az egyes környezetterhelő hatások elfogadható keretek közötti mozgását.

2010.05.07.

Környezettechnika

3



Környezetpolitika 

Megelőző fellépés   



Ennek az elvnek a következtében sokféle szankcióval sújtható az, aki az előírásokat megsérti.

Integráció 



Emissziós szabványok

A szennyező fizessen 



A projekt tervezésének első szakaszában figyelembe kell venni a műszaki beruházások hatásait, azaz környezeti hatásvizsgálatot kell végezni, Technológiai fejlesztés, Elkerülendő a természeti erőforrások olyan hatásvizsgálata, mely károsítja a biológiai egyensúlyt.

A környezetszennyezést a forrásnál kell megakadályozni 



(EU alapszerződés 130R cikkely)

A környezetvédelem az EU ágazatainak is eleme. A gyakorlatban ezt az elvet több direktíva és érvényesíti.

Szubszidiaritás 

2010.05.07.

Ez az elv az EU és a tagállamok közötti hatáskör-megosztásra vonatkozik: kisegítés, a hatalmi szintek közötti munkamegosztásról szól, a különféle problémákat a keletkezési szinten kell megoldani, az EU csak akkor lép közbe, ha az állam nem tud közbenjárni.

Környezettechnika

4



A megújuló energiaforrások hasznosításának tényezői 

Globálisan:   



Országos és regionális szinten:         



A fosszilis energiahordozók tartalékainak kimerülésével felértékelődnek az megújuló energiaforrások. A környezetvédelmi világszemlélet előtérbe kerülése. A termelési folyamatok során keletkező melléktermékek hasznosításának lehetősége. Az import energia felváltása, 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. Vállalkozás fejlesztés. Az EU forrásainak megszerzése.

Vállalkozási és lakossági szinten:   

2010.05.07.

Az előállított (kvótákkal nem szabályozott) termékek széles körű hasznosítása. Az energiaköltségek csökkentése. A jövedelem és a gazdasági hatékonyság fokozása.

Környezettechnika

5



Megújuló energiaforrások használatának terjedését hátrányosan befolyásoló tényezői      

2010.05.07.

Az igen magas beruházási költségek. Egyes fosszilis energiahordozók alacsony ára. Az alacsony energiasűrűség. Magas szállítási és tárolási költségek. A környezetvédelmi, makrogazdasági előnyök nem jutnak kellően érvényre a fogyasztói döntésekben és a támogatás-politikában. Az új eljárások bevezetésével járó szemléletváltozás nehézségei mind a fogyasztói, mind a döntéshozói szinten.

Környezettechnika

6



Energiafogyasztás a történelem során

2010.05.07.

Környezettechnika

7



Megújuló energiaforrások     

Napenergia Biomassza Szélenergia Geotermikus energia Vízenergia

Nem megújuló energiaforrások    

2010.05.07.

Kőolaj Földgáz Kőszén Atomenergia

Környezettechnika

8



Hő hasznosítás – Használati melegvíz Napi melegvízfogyasztás

V = n ⋅ V1

Felfűtéshez szükséges hőmennyiség

Q = nb ⋅ c ⋅ ρ ⋅ V ⋅ ( tm − th ) Táblázat: Átlagos melegvízfogyasztás

2010.05.07.

Fogyasztó

Fogyasztási egység

Hőmérséklet (°C)

1 fő/nap

Fajlagos fogyasztás (l) V1 75–100

Lakóépület, állandó kp. meleg vízellátással Szállodák és panziók Kórházak, általános jellegű szanatóriumok közös vizes csoporttal Szanatóriumok, üdülők szobánkénti fürdőszoba Kórházak és szanatóriumok iszap és gyógykezeléssel Vendéglő Mosoda Iskola Óvoda Bölcsőde

1 ágy/nap 1 ágy/nap

100–150 150–180

60 60

1 ágy/nap

180–200

60

1 ágy/nap

200–250

60

1 adag/nap 1 kg száraz ruha 1 fő/nap 1 fő/nap 1 fő/nap

2–5 15–20 4–5 10–20 30–40

60 60 45 60 60

Környezettechnika

60

9



Biomassza Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia

Föld energiamérleg

2010.05.07.

Napenergia

Környezettechnika

10



A napenergia hasznosításának főbb területei     

Napenergia Biomassza Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia

energiahatékony építkezés használati melegvíz előállítás uszodafűtés légfűtés és szárítás aktív szolár légtechnikai berendezésekkel elektromos áram előállítás a háztartásokban, valamint nap-erőművekben

2010.05.07.

Környezettechnika

11



Földre érkező napsugárzási paraméterek     

Napenergia Biomassza Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia

Direkt sugárzás Szórt sugárzás Teljes napsugárzás Sugárzási felületi teljesítmény [W/m2] Besugárzottság [J/m2]

Kirchoff féle sugárzási törvény értelmében

Energia megmaradás

2010.05.07.

α=ε

ε +α + τ + ρ = 1

Környezettechnika

12




Geometriai paraméterek      

Napenergia

Földrajzi szélesség Deklináció Óraszög Napmagasság (altitude) Nap azimut szöge Zenit szög

2010.05.07.

Környezettechnika

13




Magyarországi adatok

2010.05.07.

Napenergia

Környezettechnika

14



Napenergia

Hő hasznosító berendezések - Aktív




Az aktív napenergia hasznosítás az alábbi résztevékenységekből áll össze:    



a napsugárzás összegyűjtése az abszorber felületen történő elnyeletése a felfogott hővel a hőcserélő felmelegítése a hőcserélő hőjét hasznosító rendszer üzemeltetése

Kollektor típusok      

2010.05.07.

Fényezett panelú kollektor Sík kollektor Vákumcsöves kollektor Hővezető cső Vonalas fókuszú kollektor Pont fókuszú kollektor



Napelem típusok      

Környezettechnika

Fotoelektromos napelem Monokristályos szilícium elem Gallium-arzenid elemek Amorf szilícium napelemek Multikapcsolatos fotoelektromos elemek Foto-elektrokémiai elemek

15



Hő hasznosító berendezések - Passzív 


Passzív napenergia-hasznosítás az építkezésben:     





Napenergia

az épület hosszában minél nagyobb felülettel tekintsen dél felé, hogy több napsugárzás érje (déli, dél-keleti, dél-nyugati fekvésűnek kell lennie) lehetőség szerint kerülni kell, hogy egy másik épület leárnyékolja megfelelő szigetelés alkalmazása a hő visszatartására, a hőveszteség minimálisra csökkentés érdekében rugalmasan regáló, kis fogyasztású, jó hatásfokú fűtési rendszer kiépítése az épületben a nyári túlmelegedés elkerülés érdekében termálisan masszívnak kell lennie, érdemes a déli fekvésű, nagy üvegfelülettel rendelkező oldal elé lombhullató fákat ültetni, a nyári túlhevülés kivédésére az épület tervezésénél nagy figyelmet kell fordítani arra is, hogy megfelelő mennyiségű természetes fény jusson a lakásba, a világítás költségeinek csökkentés érdekében

A passzív napenergia-hasznosítás hatékonysága függ:     

2010.05.07.

az épület belső hőmérsékletétől, az átlagos külső hőmérséklettől, a napsütéses órák számától, az ablak irányától, árnyékoltságától, az ablak egyéb tulajdonságaitól.

Környezettechnika

16

Napenergia






Biomassza fogalomkörébe tartozó anyagok    

mezőgazdasági termények melléktermékei, hulladékai (szalma, kukorica-szár/csutka, stb.) energetikai célra termesztett növények (repce, cukorrépa, különböző fafajok) állati eredetű biomassza (trágya, stb.) erdőgazdasági és fafeldolgozási melléktermék illetve hulladék (fa apríték, nyesedék, forgács, fűrészpor, háncs, stb.) Táblázat: Néhány a biomassza mennyiségével kapcsolatos adat az Open University alapján

A szárazföldi növények össztömege Az erdők teljes tömege A világ népessége (1993) Az egy főre jutó szárazföldi biomassza A szárazföldi biomasszában raktározott energiamennyiség A nettó évi szárazföldi biomassza produkció.

Az összes energiafogyasztás (minden fajtáját beleértve) Biomasszából származó energiafogyasztás Táplálékból származó energiafogyasztás 2010.05.07.

1800 milliárd tonna 1600 milliárd tonna 5,5 milliárd fő 400 tonna 25 000 exajoule, 3000 EJ/év (95TW) 400 000 Mt/év 1 Exajoule (EJ) = 1000 millió megajoule 1 Terawatt (TW) = 1 millió megawatt 400 EJ/év (12TW) 55 EJ/év (1,7 TW) 10 EJ/év (0,3TW) Környezettechnika

17



Napenergia




A biomassza, mint energiahordozó jellemzői:  



  



megújulása a fotoszintézisnek köszönhető az energia tárolása az által valósul meg, hogy a fotoszintézis során a növényekben létrejövő szerves anyagokban kémiai energia formájában raktározódik el a napfény energiája az energetikai hasznosítást úgy lehet megvalósítani, hogy nem növeljük a légköri széndioxid mennyiségét nagyban elősegíti az ásványkincsek megőrzését jelentősen kisebb a káros anyag emisszió a fosszilis energiahordozókhoz képest az élelmiszer-túltermelés következtében felszabaduló földterületek reális alapot adnak a racionális hasznosításához kedvező hatással van a vidékfejlesztésre, a munkahelyteremtésre

Táblázat: az üzemanyagok átlagos energia tartalmára vonatkozó adatok

Üzemanyag Fa (20% nedvességtartalmú) Papír (újság kötegek) Trágya (szárított) Szalma (bálás) Cukornád (légszárított szár) Háztartási hulladék Kommunális hulladék (UK átlag) Fű (frissen vágott) Olaj (petróleum) Szén (UK átlag) Földgáz

Energia tartalom GJ/t GJ/m3 15 10 17 9 16 4 14 1,4 14 10 9 1,5 15 * 4 3 42 34 28 50 55 0,04

* Az anyag típusától függően változó

2010.05.07.

Környezettechnika

.

18



Napenergia




Hasznosítás 1. 2.

Közvetlenül: - tüzeléssel, előkészítés nélkül, vagy előkészítés után Közvetve: - kémiai átalakítás után (cseppfolyósítás, elgázosítás), folyékony üzemanyagként, vagy éghető gázként 

alkohollá erjesztés után üzemanyagként növényi olajok észterezésével biodízelként



anaerob fermentálás után biogázként.



2010.05.07.

Környezettechnika

19

Napenergia




Táblázat: néhány biomassza-energiahordozó fűtőértékét és energiahozamát mutatja

Nedvességtartalom %

Biomassza

Biomasszahozam t/ha

Fűtőérték MJ/kg

Nettó hőérték kgOE/ha*

Nettó energiahozam kgOE/ha*

Gabona szalma

10-15

1,5-3,5

15,3-16,2

0,29-0,31

435-1085 HE

Rizsszalma

20-25

1,3-3,2

13,5-14,4

0,26-0,28

338-986 HE

Napraforgószár

25-30

1,9-3,5

12,4-13,5

0,24-0,26

456-910 HE

Kukoricaszár

30-40

3,5-5,5

10,2-12,4

0,19-0,24

665-1320 HE

Tűzifa

15-25

2,0-2,5

13,5-15,3

0,26-0,29

520-725 HE

Erdei fahulladék

25-30

1,5-2,0

12,4-13,5

0,21-0,23

311-451 HE

Erdei faapríték

25-35

8,0-9,0

11,3-13,5

0,22-0,26

1760-2610 HE

Repceolajmag

-

1,0-1,5

35,6-36,8

0,85-0,88

850-1320 HA

Repceszalma

10-15

3,0-4,0

15,3-16,2

0,29-0,31

870-1240 HE

Bioethanol

-

1,5-3,5

25,1-27,2

0,60-0,66

900-2275 HA

* Hatásfok: 80%; HE – Hőenergia; HA – Hajtóanyag

2010.05.07.

Környezettechnika

20



A szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása 

   

 

Nehéz termelői-társadalmi elfogadtatás. Feldolgozó módszerek nehéz beilleszthetősége a meglévő agrártechnológiákba. Az átalakító berendezések kis energetikai hatásfoka. Az átalakítás gyenge energetikai input/output hatékonysága. A biomassza hasznosításának nagy a beruházási igénye. Különböző fafajok (nyár, fűz, akác, fű). Magas cukortartalmú haszonnövények (cukorcirok, cukorrépa). Magas olajtartalmú növények (napraforgó, repce, szója).

Előnyei:   



Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia

Energetikai hasznosítás céljából az alábbi növények jöhetnek számításba: 



Biomassza

Az energetikai célú növénytermesztésnek számos akadálya van: 



Napenergia

Fűtőértéke a hazai barnaszénnek felel meg (15 500 - 17 200 kJ/kg), de azoknál tisztább. A szén 15-25%-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8% hamut tartalmaz, melyet talajerő visszapótláshoz lehet használni. Kéntartalma maximálisan 0,1-0,17%, amely a szén kéntartalmának 15-30-ad része.

Hátránya: 

2010.05.07.

nedvesség hatására szétesik, de nedvességtől gondosan elzárt helyen korlátlan ideig tárolható.

Környezettechnika

21



A folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása 

   

Szélenergia Vízenergia Geotermikus energia

motorhajtóanyagként, hidraulika- és fékfolyadékként, kenőolajként, tüzelési célokra, vegyipari és élelmiszer-ipari alapanyagként.

Motorhajtóanyagként az alkoholok és a növényi olajok felhasználhatók:    



Biomassza

A növényi eredetű biomasszából előállított folyékony energiahordozók alkoholok, zsírok és olajok lehetnek, melyeket az alábbi módokon lehet hasznosítani: 



Napenergia

nyers formában, vegyi átalakítás után, hagyományos hajtóanyagokhoz keverve, adagolva.

A növényi olajok hasznosításának hátrányai:   

2010.05.07.

nagyobb lobbanáspont (nehezebb gyújtás) nagy viszkozitás (rossz porlaszthatóság) kokszosodási hajlam

Környezettechnika

22



A gáz halmazállapotú biomassza hasznosítása 


A gáznemű energiahordozók két fajtája:   



Napenergia

biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képződő Biogáz termokémiai (pirolitikus és gázosítási) folyamatokban keletkező gázok

A biogáz hasznosításának három fő lehetősége:  Termikus hasznosítás  



Komplex hasznosítás  



elektromos és termikus: gázmotor/turbina generátorral és hőcserélővel mechanikus és termikus: gázmotor/gázturbina és hőcserélő

Mechanikus hasznosítás  

2010.05.07.

Gázmelegítők Gázégők

Gázmotor Gázturbina

Környezettechnika

23



Napenergia


Tüzelőberendezések

Általános vegyestűzelésű kazán faaprítékadagolóval

Alsóégésű kazán

Átégős kazán

2010.05.07.

Környezettechnika

24



Napenergia Biomassza

Szélenergia Szélenergiát hasznosító berendezések csoportjai 

Elnevezések:     



Vízenergia Geotermikus energia

Szélmotor (mechanikus energia), Szélerőgép (mechanikus, ritkábban villamos energia), Szélturbina (villamos energia), Szélgenerátor (villamos energia), Szélerőmű (villamos energia)..

A lapátkerekek elhelyezés szerinti:   

függőleges, a szélirányra merőleges, vízszintes, a széliránnyal párhuzamos, vízszintes, a szélirányra merőleges tengelyű kivitelek,

Uralkodó szélirány Magyarországon

2010.05.07.

Környezettechnika

25

Napenergia Biomassza



Szélenergia Szélenergia hasznosító berendezések


1. Lapát 2. A lapát elforgató (pich) mechanizmus 3. A lapát csatlakozó része 4. Lapátkerék agy 5. Hidraulikus munkahenger 6. Elülső borítólemez 7. Főtengely 8. Főcsapágy ház 9. Főcsapágy 10. Tengelykapcsoló (a hajtómű elött) 11. Mechanikus fék (a hajtómű után)

2010.05.07.

Környezettechnika

12. Hajtómű (kimeneti tengely) 13. Burkolat 14. Anemométer (szélsebesség mérő 15. Generátor 16. Olajhűtő 17. Hátsó borítólemez 18. Hidraulikus egység (szivattyú, tartály, stb.) 19. Borítólemez 20. Hajtóműház 21. Mechanikus fék (hajtómű elött) 22. Torony

26



Napenergia Biomassza Szélenergia

Vízenergia

.

Geotermikus energia

Turbina típus Kaplan and Propeller Francis Pelton Banki – Michell Turgo

2010.05.07.

Esésmagasság [m] 2 < H < 40 10 < H <350 50 < H < 1300 3 < H < 250 50 < H < 250

Környezettechnika

27



Vízenergia hasznosító berendezések

Napenergia Biomassza Szélenergia


    

Tározós erőmű Árapály erőmű Hullámerőmű Folyadék mozgási energiáját hasznosító propellererőmű Természetes vagy duzzasztott esésmagassággal rendelkezésre álló turbinaerőművek

2010.05.07.

Környezettechnika

28

Napenergia Biomassza Szélenergia Vízenergia



Geotermikus energia 

Alkalmazási terület     



A mezőgazdaságban az üvegházak fűtésére A haltenyésztésben Lakások fűtésére Elektromos áram termelésére Az utak téli jégmentesítésére

Hasznosítási lehetőségek      

Száraz gőz erőmű Egyszerű gőz-kiáramlásos erőmű Kettős ciklusú erőmű Kettős ciklusú erőmű Közvetlen felhasználásra alkalmas források Geotermikus hőszivattyúk (GHP)

Táblázat: közvetlen felhasználásra alkalmas források

20°C 30°C 40°C 50°C 60°C 70°C 80°C 90°C 100°C 110°C 120°C 130°C 140°C 150°C 160°C 180°C

2010.05.07.

Környezettechnika

Haltenyésztés Uszodafűtés, biolebontás, erjesztés Talaj melegítés Gombatermesztés, balneológia Állattenyésztés, üvegházak lég és melegágyfűtése Alacsony hőmérsékletű hűtés Fűtés, üvegházak légfűtése Intenzív jégtelenítés, raktározott hal szárítása Szerves anyagok szárítása, tengeri moszatok, zöldségek, széna szárítás, gyapjúmosás és szárítás Közép-hőmérsékletű hűtés, cementlapok szárítása Desztillálás, összetett párologtatás Bepárlás a cukorfinomításban, sók extrakciója, sűrítés, kristályosítás Mezőgazdasági termékek szárítása, konzerválás Timföldgyártás Bayer módszerrel Halhús és fűrészáru szárítás Magas koncentrációjú vegyületek bepárlása, ammónia abszorpcióval történő hűtés, diatómaföld szárítás

29




Geotermikus energia 

Környezetre gyakorolt hatásai  



A hő-bányászati tevékenységet három fontos tényező egy időbeni megléte határozza meg:   



kedvező geotermikus gradiens, nagy mennyiségű hévízkészletek, megfelelő mélységi nyomásviszonyok.

A geotermikus energia a felszíni hőhasznosítás szempontjából elsősorban hőmérsékletszintjével jellemezhető. Hőmérsékletszintek szerint két nagy csoport:  

2010.05.07.

A fúrás során jelentős zaj-szennyezés keletkezik. Az elhasznált fúrófolyadékokat ülepítő medencékben tárolják.

100 °C alatti hévizek, 100 °C feletti ( ún. nagy entalpiájú) fluidumok.

Környezettechnika

30




Geotermikus energia Hőhasznosító berendezések

2010.05.07.

Környezettechnika

31

Környezettechnika. 1. A környezettechnika alapjai és jelentősége. Energiaforrások és felhasználásuk

Recommend Documents