4. M. 2.L. 1. Bevezetés 4. M. 2.L. 1.1, A téma szerepe, kapcsolódási pontjai Az emberiség nagy kihívása, hogy hogyan tud megküzdeni a növekvő energiaigény kielégítésével és a környezeti károk csökkentésével. Ebben a fenntarthatóság elvének és gyakorlatának számos területét érintő alternatív és megújuló energia előállításnak nagy szerepe van. A tanítás módszertana szempontjából is fontos, hogy a hagyományos, zömében környezetkárosító energiatermelési módokat is bemutatva emeljük ki a megújuló energiatermelés jelentőségét, fajtáit. Mutassuk be az energiafajták arányainak változását, a szolgáltatás hálózati rendszerét is. Ebből a szempontból is kapcsolódik a 4. modul első leckéjéhez, a villamos gépek témájához, mivel az áramtermelő erőművekben a szinkron gépek állítják elő a villamos energiát egyenáramú gerjesztő gépek segítségével. A transzformátor pedig a 10-20 kV –on előállított energiát feltranszformálja 120, 220 kV –os feszültségű teljesítménnyé, amelyet a távvezetékek szállítanak a hálózatok felé. Tehát a 2. lecke tanításához a villamos gépek szerkezetét, működési elvét és jellemzőit ismerni kell. Természetesen ez a 2. lecke más aspektusokhoz, tantárgyakhoz is kapcsolódik, mint pl. a környezetvédelem, a gazdálkodás ismeretei stb. Az energia előállítás gyakorlati szempontból a fűtési és a villamos energia termelését jelenti elsősorban.
4. M. 2.L. 1.2, Alapfogalmak Energiarendszer: A gáz, az olaj, a gőz és a villamos energia szolgáltató rendszerek „közös” rendszerelemei:
-
Erőművek/telepek Távvezetékek Elosztók/állomások Irányító/vezénylő/diszpécser szolgálat Lakossági, ipari és egyéb fogyasztók Energiafajták: Alábbi áttekintő ábránkkal a hő és villamos energia termeléshez kapcsolódó energiák csoportosítását foglaltuk össze.
4.M 2.1.ábra Energiafajták csoportosítása a hő és villamos energia termelés szempontjából, Forrás: Pajtókné Tari Ilona, Mika János, Kiss Barbara,Kovács Enikő, Rázsi András, Barabás Janka,Patkós Csaba, Ütőné Visi Judit(2012)
Hagyományos erőművek: A kazánokban fosszilis energiahordozókat (szén, gáz) égetve gőzt állítanak elő, amely a turbógenerátorral mechanikai energiából villamos energiát állít elő. A különböző égéstermékek a kéményen keresztül távoznak szennyezve a környezetet. Legtöbb gőzerőműhöz hűtőrendszer (tornyok) is tartozik számos segédüzemi berendezéssel együtt. A villamos energiarendszer részei
-
Erőművek Hálózatok Villamos állomások Villamos energiarendszer irányító központjai(MAVIR-tól a Körzeti Diszpécser Szolgálatig=KDSZ) Fogyasztók Alternatív energia: Alternatív energia - a természeti jelenségek kölcsönhatásából kinyerhető tiszta energia, úgy, mint: napenergia, vízenergia, szélenergia, geotermikus energia. Alternatív energiaforrás az az energia hordozó, amelyből a jelenleg használatos szénhidrogének alternatívájaként valamilyen energiát (hő-,mozgási-,villamosenergia ) tudunk kinyerni. Megújuló energia: 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.
A villamos energia fogyasztás néhány jellemzője
A napi fogyasztás jelleggörbéje és a csúcsteljesítmény és alakulása A nap 24 órájában a fogyasztói igények sajátos görbe szerint változnak. Ebből jól értelmezhetőek a bruttó, a nettó és az önfogyasztás fogalmak. Magyarázni lehet továbbá az alap és csúcserőművek fogalmi kategóriáit, a stabil és az ingadozást kielégítő kapacitások nagyságrendjét, megoldási módjait is.
4.M 2.2.ábra A napi fogyasztás jelleggörbéje és a csúcsteljesítmény (Forrás: MAVIR, 2011)
4. M. 2.L. 1.3, A villamosenergia rendszer fő részei A villamos energiát legnagyobb mértékben az erőművekben állítják elő. Nagyobb távolságba való szállítása a hálózatokon keresztül a transzformátorok segítségével történik. Ezek a hálózatok a rendeltetésük, kialakításuk szerint osztályozhatók. Vannak főelosztó, v országos hálózatok, nemzetközi hálózatok, elosztó hálózatok. A hálózatok szabadvezetékkel vagy kábelekkel szállítják az energiát.
4.M 2.3.ábra A villamosenergia rendszer egyvonalas sémája, Forrás: MAVIR 2011
A magyar átviteli hálózat térképe 2011-ben a következő ábrán(4 M 2.2. ábra) látható az erőművekkel és a nagyfeszültségű hálózat alállomásaival.
4 M 2.4. ábra A magyar átviteli hálózat 2011-ben (Forrás. MAVIR)
Feszültség szintek: 750, 400, 220, 110, 35, 20, 10, 0.4 kV. Kialakítás szerint: Párhuzamos, sugaras, hurkolt, íves hálózatot különböztetünk meg.
4.M 2.5. ábra Sugaras hálózat kialakítása
4.M.2.6. ábra Hurkolt hálózat kialakítása
A villamos alállomások A villamosenergia átviteli rendszerében fontos szerepet játszanak a szabadtéri és az épületekben lévő villamos állomások. Többféle feszültségszintű hálózatokhoz csatlakoznak a transzformátorokon keresztül. Az állomásokon a szakaszolók és a megszakítók, mérőváltók mellett a vezénylő teremben találhatók az üzemvitel műszerei, szabályozó, irányító és védelmi készülékei. Az alábbi képek/ábrák részleteket mutatnak ezekről az állomásokról
4.M 2.7. ábra A debreceni alállomás kapcsolási képe, Forrás: MAVIR, 2011
4 M 2.8. ábra Megszakítók szabadtéri állomáson, Forrás: MAVIR, 2011
4.M 2.9. ábra Vezénylőterem részlete, Forrás: MAVIR, 2011
4. M. 2.L. 2, A hagyományos energia termelés és elosztás tanítási módszertana
4. M. 2.L. 2.1, Fosszilis erőművek Az energiatermelés technológiai láncolatában a különböző energia átalakítások folyamatát mutassuk be!
4 M 2.10. ábra A Hőerőmű energia árama, Forrás: Német B.,2012
A hagyományos energia termelés a hő és a villamos energia ellátást biztosítja a különböző fogyasztók számára. Hagyományos szó jelenti a környezetkímélés előtti korszakok erőmű típusait az u.n fosszilis tüzelésű (szén, kőolaj, gáz) hőerőműveket. A gőz és a villamos energia termelése történhet u.n kombinált erőművekben is. Egy ilyen rendszer felépítését mutatja az alábbi ábra. Vetítés során magyarázzuk el az egyes egységek jelképeit, illetve funkcióikat és a teljes technológiai körfolyamatot!
4 M 2.11. ábra Kombinált ciklusú erőmű vázlata
4. M. 2.L. 2.2, Az atomerőművek a gőzerőművek technológiájához hasonlítanak leginkább, csak itt a gőz előállításában a reaktorok is részt vesznek. Érdemes ezt az összehasonlítást ábrákkal magyarázni! Térjünk ki a közegek jellemző paramétereinek és áramlásának szemléltetésére, illetve magyarázatára!
4 M 2.12. ábra A fosszilis és az atomerőmű, Forrás: Német B.,2012
4 M 2.13. ábra Reaktor terem, Forrás: Német B.,2012
Fontos, hogy az atomerőművek biztonságos üzemeltetésével kapcsolatos tévhiteket oszlassuk el a szakszerű, tárgyilagos és objektív magyarázatokkal. Ne legyen se „méregzöld”, se abszolút, feltétlen atomerőmű párti megközelítés, de az elhasznált fűtőelemek kapcsán térjünk ki a tárolás, a szállítás nehézségeire is.
A téma tanítása az atomerőmű látogatásával nem csak élményszerűvé tehető, hanem az ottani interaktív és széles megközelítésű bemutatás- szemléltetés eredményes tanulást biztosít! Az atomreaktorok szemléltetését is egy-egy konkrét példán keresztül végezzük el.
4 M 2.14. ábra Az atomreaktor felépítésének elve, Forrás: Német B.,2012
4 M 2.15. ábra A reaktor tartály, Forrás: Német B.,2012
4. M. 2.L. 3, A megújuló energiarendszerek tanítási módszerei 4. M. 2.L. 3.1, A megújuló energia fogalma, főbb fajtáinak összefoglalása 4. M. 2.L. 3.1.1, Fenntartható fejlődés, és a megújuló energiaforrások A megújuló energiaforrásokkal összefüggően nagyon fontos megismertetni a fenntartható fejlődés fogalmát. A fenntartható fejlődés: „társadalmi-gazdasági viszonyok és tevékenységek rendszere, amely a természeti értékeket megőrzi a jelen és a jövő nemzedékek számára, a természeti erőforrásokat takarékosan és célszerűen használja, ökológiai szempontból hosszú távon biztosítja az életminőség javítását és a sokféleség megőrzését” (1995. évi LIII. Tv. a környezet védelmének általános szabályairól). (Vágvölgyi, 2013) A fogalmi meghatározás utal a globális jellegre, az ökológiai-természeti, társadalmi-gazdasági és technikai-műszaki aspektusokra is. Találkozhatunk a megújuló energiák kapcsán zöld energia, zöld gazdaság elnevezésekkel is. A zöld(megújuló) energia arányának lassú változását mutatja globális szinten az alábbi ábra.
4 M 2.16. ábra Az energiafajták arányainak globális változása, Forrás: Horváth, R., 2010
4. M. 2.L. 3.1.2, A megújuló energia fogalma 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. A megújuló energiaforrások jelentősége, hogy használatuk összhangban van a fenntartható fejlődés alapelveivel, és nem okoznak olyan halmozódó káros hatásokat, mint az üvegházhatás, levegőszennyezés, vízszennyezés (www.wikipedia.hu). Hazánkban 2010-ben a megújuló energiák részaránya a teljes bruttó energiafogyasztáson belül: 7,54 % a megújuló alapú villamos energia részaránya a teljes bruttó villamosenergia-fogyasztáson belül: 6,7 % volt. Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve szerint ezt az értéket 2020-ra villamos energia területén 10,9 %-ra hűtés és fűtés terén 18,9 %-ra kell növelni. (Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Terve, 2011.) (Vágvölgyi, 2013) A megújuló energia fajták: napenergia, vízenergia, szélenergia, biomassza, geotermikus, települési hulladék, tűzifa
A megújuló energia felhasználásának megoszlását mutatja az alábbi ábra
A megújuló energiafelhasználás megoszlása Magyországon, 2006
Egyéb biomassza 38.3%
Települési hulladék biológiailag lebontható része 3.6%
Geotermikus 6.6%
Bioüzemanyag 1.7% Vízenergia 1.2% Biogáz 0.8% Szélenergia 0.3% Napenergia 0.2%
Tűzifa 47.4%
4M 2.17. ábra A megújuló energiafelhasználás megoszlása Magyarországon 2006-ban (Vágvölgyi, 2013) Magyarország megújuló energia potenciálját a következő táblázat mutatja.
Hazánk teljes megújuló energetikai potenciálja Megújuló energia Aktív szoláris termikus potenciál
PJ/év 48,415
Passzív szoláris termikus potenciál Szoláris termikus potenciál a mezőgazdaságban
37,8 15,911
Szoláris fotovillamos potenciál Vízenergia potenciál
PJ/év (hasznosított 2007)
1
1749 14,22-14,58
Szélenergia potenciál
0,8
532,8
0,4
Biomassza-energetikai potenciál
203,2-328,0
50,1
Geotermális energetikai potenciál
63,5
3,6
2665,2 - 2790,4
55,9
Magyarország teljes megújuló energetikai potenciálja E potenciál reálisan hasznosítható mértéke 405 – 540 PJ/év (a teljes potenciál 15-20 %-a), a hazai energiaigény mintegy 30-40 %-a.
(Forrás: MTA Energetikai Bizottság Megújuló Energia Albizottság, 2006)
4 M 2.1. táblázat: Magyarország megújuló energetikai potenciálja, Forrás: Vágvölgyi, 2013
4. M. 2.L. 3.2, Napkollektorok, Napelemek 4. M. 2.L. 3.2.1, Bevezetés Napenergia
A napenergia a napban lejátszódó magfúziós folyamatok során felszabaduló energia. A Napból a Földre 70 - 80 MW/m2 energia érkezik. Az energia sűrűség átlaga.: 1367 W/m2 vagyis évenként 219 milliárd GWh sugárzási energia éri el a földfelszínt (2500-szorosa napjaink energia szükségletének) (három óra napsugárzás képes fedezni földünk éves energia szükségletét!!!!) A földfelszínt ténylegesen elérő sugárzási energia (vízpára és jég kristályok elnyelése végett) 1000 W/m2, sík felszínen, a nap legmagasabb állásában. Európában a napi átlagos sugárzási energia 2.2 4.8 kWh/m2 nap. A sugárzás egy része direkt módon jut a Föld felszínére, másik része a légkör szennyezettsége miatt (por, vízgőz stb.) megtörik, részben visszaverődik, melyből kialakul a szórt (diffúz) sugárzási komponens. Energetikai hasznosítás szempontjából a két komponens összegével a teljes sugárzással számolunk: I tot=Idir+I dif. (Vágvölgyi 2013) A ténylegesen kinyerhető, hasznosítható napsugárzás függ az alkalmazás földrajzi helyétől, idejétől, beleértve az évszakot, napszakot, mely a napmagassággal magyarázható. Fontos még a levegő relatív nedvességtartalma, a felhősödés mértéke és az ún. homályosság. Magyarország napenergia potenciálját mutatja a 4 M 2.18. ábra:
4M 2.18. ábra: A magyar napenergia potenciál, Forrás: Vágvölgyi, 2013 3.2.2, A napenergia hasznosítás történhet: Passzív módon: külön kiegészítő eszköz, berendezés nélkül tudjuk a napenergiát fűtésére felhasználni pl. megfelelő tájolás;
célszerű üvegezés; hatékony szigetelés; alkalmas szerkezeti anyagok megválasztásával. Vagy aktív módon: Erre a célra készített eszköz segítségével alakítjuk át a Nap sugárzási energiáját hővé vagy villamos energiává: kollektor; napelem; naptányér; naptűzhely; napkémény; stb.
4. M. 2.L. 3.2.3, Napelemek és napkollektorok, mint a villamosenergia előállítás eszközei Napelemek Az egyenfeszültséget előállító szerkezet közvetlenül termeli a napenergiából a villamos energiát. Fotovillamos elem vagy napelem olyan eszközt jelöl, amely fénysugárzás hatására villamos generátorként viselkedik. Sokféle fotovillamos elem létezik, de a legelterjedtebb a szilícium félvezetőn alapuló elem, amit 50 éve, 1954-ben találtak fel. A napelem fényt alakít villamos energiává.
4 M 2.19. ábra Kristály szilícium napelem szerkezete, Forrás: Kádár P.,2010
4 M 2.20. ábra Háromrétegű szilícium napelem, Forrás: Kádár P.,2010
A napsugárzás optimális befogadására alakították ki a háromrétegű napelemet. Még ez sem tud optimálisan egyenletes energiát szolgáltatni, szükség van az egyenfeszültségű energia váltakozó feszültségű átalakítására, az inverterekre. Napkollektorok
4 M 2.21. ábra Síkkollektor felépítése, Forrás:
4 M 2.22. ábra Vákuumkollektor működése,
Kádár P.,2010
Forrás: Kádár P.,2010
Egy háztartási napkollektor működési sémája és képe látható az alábbi ábrán
4M 2.23. ábra Napkollektor működési sémája, Forrás: Kádár P.,2010
4 M 2.24. ábra Napkollektorok elhelyezése, Forrás: Kádár P.,2010
A működési sémából jól követhető az energiaátadási folyamat, valamint az egyes berendezések kapcsolata.
Magyarázzuk el a tágulási tartály és a szivattyú szerepét, valamint a vezérlő egység funkcióját! A naperőmű és sémája
3
4. M 2.25. ábra A naperőmű sémája, Kádár P.,2010
Naperőmű esetében sok kollektort helyeznek el egy jól kiválasztott helyen, ahol a felmelegített vizet összegyűjtik. Ezt vezetik hőcserélőn gőzgenerátorba, onnan a turbinába.(Kádár, 2010) A sémából látható a napkollektor fajtája, valamint „segédüzemi” egységek, mint a hűtőtorony, vagy a kiegészítő gázkazán.
4. M. 2.L. 3.3, Szélerőművek 4. M. 2.L. 3.3.1, Bevezetés A Szélenergia A szél a levegő földfelszínhez viszonyított mozgása. A légkörben kialakuló nyomáskülönbségek hatására jön létre. A légkör alsó rétegeiben végbemenő légmozgást viszont a Nap sugárzó energiája hozza létre. A légmozgás során a felmelegedett levegő ritkább, ezáltal felfelé emelkedik és helyébe hidegebb levegő áramlik. A trópusi területeken a légtömegek erősebben felmelegszenek, ezért a levegő felemelkedik és a sarkok felé kezd áramlani (antipasszát szelek). A pólusok felé haladva a levegő lehűl, nyomása megnövekszik, süllyedni kezd, végül a föld felszínén visszaáramlik az
egyenlítő irányába (passzát szelek). Azon a helyen ahol a meleg levegő fölfelé emelkedett vákuum alakul ki. A légnyomás süllyed és alacsony légnyomású terület keletkezik. Ott, viszont, ahol a levegő ismét a talaj felé süllyed, magas nyomású terület alakul ki. Csak az állandó jellegű szelek használhatók megfelelően jelentős energiatermelésre. A szél teljes mozgási energiáját 100 TW teljesítményűre becsülik, ennek csak bizonyos hányadát lehet hasznosítani. A szél munkavégző képessége a szélsebességnek a harmadik hatványával arányos. P = 1/2 *ρ* v3 * r2 ρ - Légsűrűség v - Szélsebesség r- Rotorrádiusz A gazdasági megfontolások azt mutatják, hogy a szelet elsősorban azokon a vidékeken érdemes kiaknázni, ahol a szélsebesség évi átlaga meghaladja a 4-5 m/s értéket. Tengerparti helyeken, a szárazföld belseje felé haladva a belső súrlódás erősen csökkenti a szél sebességét. Magyarország szélcsendes zugnak számít. Budapesten az átlagos szélsebesség 1,8 m/s, és még Mosonmagyaróváron, hazánk legszelesebb vidékén sem haladja meg az 5 m/s értéket. Nyíregyházán van 4-5 m/s, sőt ennél nagyobb szél-sebesség is, de nem tart annyi ideig, hogy ezt tartósan ki lehessen használni. Ráadásul a szél energiasűrűsége aránylag kicsi, 40-60 W/m2. (Vágvölgyi, 2013)
4. M. 2.L. 3.3.2, A szélenergia hasznosítása történhet: Szélkerekek; Kis teljesítményű, vagy mikroturbinák (2-10 kW);révén A kis teljesítményű szélgépekkel történő szélenergia hasznosítás során mechanikai energiát nyernek: vízszivattyúzásra és levegőztető berendezések működtetésére A kis teljesítményű gépek alkalmazásának a mezőgazdaságban és az elektromos ellátó rendszerektől elszigetelt vidéki gazdaságokban van jelentősége. A kis teljesítményű szélgépek általában 6-30 m közötti magasságban dolgoznak. A kis teljesítményű gépekkel termelt energia önköltsége viszonylag magas, de a telepítés egyéb szempontjai ezt kompenzálják. Nagy teljesítményű (0,6-2,0 MW) szélerőgépek;
A nagy teljesítményű gépek építési magassága általában 60-120 méter között van, mivel a 10 méteren mért szélsebesség ezeken a magasságokon 2-3 szorosára növekedhet. Az ideális szélviszonyú területekre sok gépből álló szélparkokat, szélfarmokat telepítenek, ahol a teljesítmények összeadódnak (tengerpart, szárazföld). A beépíthető kapacitást korlátozhatja: a már meglévő villamos hálózat kiépítettségének foka, forgalma; ország villamos rendszerirányításának fejlettsége és tűrőképessége. A szélerőművek méretének, teljesítményének változását mutatja az alábbi ábra:
4 M 2.26 ábra A szélerőművek méretének változása, (Forrás: http://www.mszet.hu/)
A magyarországi szélerőgépek helyét a 4 M 2.23. ábra mutatja.
Magyarországi szélerőművek
Kb. 39 helyen
(Forrás:http://www.mszet.hu/index.php?mid=53)
4 M 2.27. ábra: A magyarországi szélerőművek (Forrás: http://www.mszet.hu/)
4. M. 2.L. 3.3.3, A szélerőművek felépítése
4 M 2.28. ábra:A szélerőművek felépítése (Körmendi et al., 2003)
4 M 2.29. ábra Szélerőmű felépítése
Az egyik ábrán a teljes erőmű felépítését, illetve részegységeit, a másikon pedig az energiatermelő egység részeit láthatjuk. A szélerőműveket általában két módon üzemeltetik: 1. Szigetüzemben, azaz a termelt villamos energiát saját célra, a közcélú elosztóhálózattól függetlenül hasznosítják. 2. A villamos áram hálózatra kapcsolva, azaz a villamos áramot közcélú elosztóhálózatra táplálva.
A rákapcsolást úgy is ki lehet alakítani, hogy a szélgenerátorral mindkét üzemmódot meg lehessen oldani. A szélgenerátor hálózatra való csatlakoztatásánál általában az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: műszaki (generátor típus, csatlakozási pont, védelmi funkciók stb.), jogi
(Villamos
Energia
Törvény,
vonatkozó
rendeletek,
az
áramszolgáltató
üzletszabályzata), gazdaságossági. A hálózati csatlakozásnál a következő paramétereket kell folyamatosan ellenőrizni: feszültség, áramerősség, frekvencia Ha bármely paraméter a megengedett határokon kívüli értéket vesz fel, a szabályozás a berendezést lekapcsolja a hálózatról.
4. M. 2.L. 3.3.4, A szélerőművek környezeti hatásai: Elhanyagolható hang-és vizuális hatás; Árnyék-vibrálás / felvillanás; Elektromágneses zavarás; Zajkibocsátás; Egyéb környezeti hatások.
4. M. 2.L. 3.4, Vízi erőművek 4. M. 2.L. 3.4.1, Bevezetés A Napból Földre jutó energiamennyiségnek kb. 23 %-a a víz körforgásának fenntartására fordítódik, 99 %-a a párolgás-lecsapódás átalakulására fordítódik, számunkra kihasználhatatlan. A megmaradó töredék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. Az állóvizek csak helyzeti és nyomási energiával rendelkeznek, de az áramló vizeknél ezek mellett a mozgási (kinetikai) energia is megjelenik. Vízenergián ezen energiák összességét értjük. Becslések szerint a világ hasznosítható vízenergia kapacitása kb. 20.000 TWh körül lehet. Az egész világon termelt összes vízenergia termelés kb. 2000 TWh. Ez a műszakilag hasznosítható energia 10 %-át jelenti.
A legrégebbi öntözőrendszerek kb. 5000 évesek. A vízikereket már az ókori Kelet országaiban (Egyiptomban, Kínában és Indiában) is használták. Vízimalmok pedig az ókori Görögországban és Rómában is működtek.
4. M. 2.L.
3.4.2,A vízturbina energiaátalakításának alapelve és a turbinák kialakítása az alábbi
képeken látható: (Horváth, 2010)
4 M 2.30. ábra Az energia- 4 M 2.31. ábra A Bánki 4 M 2.32. ábra Turbina járókerekek átalakítás elve turbina
Magyarországi vízenergia potenciált mutatja a 4 M 2.33. ábra: Rába, egyéb Hernád 4% 5% Dráva 9% Tisza 10% Duna 72%
M 2.33. ábra: Magyarország vízenergia potenciálja Forrás: Dr. Vityi A-Vágvölgyi A.
Magyarország elméleti vízenergia potenciálja: 1000 MW Teljes hasznosítás esetén kinyerhető lenne: 25-27 PJ/év (7000-7500 millió kWh/év) Összesen 37 mű , 51 db hidrogenerátorral (Nyugat-Magyarország 24); ~ 50 MW; 210 GWh/a
4. M. 2.L. 3.4.3, Vízerőművek két részből állnak: Duzzasztómű (passzív rész) Többfunkciós: pl. víztárolás-öntözés, vízszintszabályozás, hajózási útvonal biztosítása) Anyaga: beton (terméskővel töltött betonburkolat, hengerelt beton) Szabályozás mozgatható idomokkal / zsilipekkel. Turbógenerátor (hidrogenerátor) (aktív egység) a víz mechanikai energiájának felhasználásával forgatja a mechanikusan hozzákapcsolt generátort. álló- és forgórész. turbina: 90 - 95%-os hatásfok
4 M 2.34. ábra Duzzasztóműves vízerőmű látképe, Forrás: Dr. Vityi A-Vágvölgyi A.
4 M 2.35. ábra Fracis turbina a világ legnagyobb vízierőművében, Forrás: Dr. Vityi A-Vágvölgyi A.
4. M. 2.L. 3.4.4, A vízerőművek csoportosítása: Vízkerék: Folyók mozgási energiáját alakítja át;
Duzzasztóműves erőművek; Duzzasztóműben (bögében) lévő víz helyzeti energiáját transzformálja; Eltereléses erőmű: a folyó egy részét elterelik és közvetlenül az erőműre viszik; Szivattyús-tározós erőművek: ez egy speciális energia tározó, mely az országos energiahálózat egyenlőtlen terheléséből adódó zavarokat próbálja csökkenteni.
4. M. 2.L. 3.4.5, Vízierőművek környezeti hatásai: A probléma az ökológiai viszonyok megváltoztatásban rejlik.
Talajvíz csökkenés vagy emelkedés;
Folyók áramlási viszonyainak megváltozása;
Élővilág átalakulása;
Növekszi a földrengések kockázata;
Gátsérülések esetén árvízveszély
4. M. 2.L. 3.5, Geotermikus erőművek 4. M. 2.L. 3.5.1, Bevezetés A geotermikus energia alapja a Föld belsejében termelődő és tárolódó hő. A földbelső 99 %-a melegebb, mint 1000 °C, és 1%-a alacsonyabb hőmérsékletű, mint 100 °C. A Föld bolygó a földfelszínen keresztül a földi hőáramot 40 millió MW teljesítménnyel adja át az atmoszférának. A Föld belső hőtartalma 10 × 1025 MJ nagyságrendű, a földkéregé 5 × 1021 MJ. Összevetve a világ energiafogyasztásával, ami 1014 MJ, tízmilliószor többnek adódik a földhő óriási mennyiségű, kimeríthetetlen, és mindenütt jelen van. A Föld területén megkülönböztetünk aktív, ill. passzív geotermális övezeteket. Az aktív területeken jelenleg is élő vulkáni és tektonikai tevékenység folyik (Új-Zéland, Kalifornia, Kamcsatka, Hawai-szigetek stb.). Magyarország, mint a Kárpát medence központi része, a passzív geotermális övezeteken belül kiemelten jó geotermális adottságú terület.
4. M. 2.L. 3.5.2, A geotermikus energia felhasználásának módjai: a) hőszivattyúval segített hőhasznosítás
A hőszivattyú a környezet hőenergiájának hasznosítására szolgáló berendezés. Alacsonyabb hőfokszintről külső energia bevezetésével a magasabb hőfokszintre hőt szállít. A földhőszivattyúk a talajvízből és a kőzetekből közvetlenül nem hasznosítható hőenergiát vonnak el, amelyet hasznosítható hővé alakítanak, azaz fordított céllal működő hűtőegységek!! (Horváth, 2010)
4 M 2.36. ábra A hőszivattyú működési elvének sémája, Forrás: Horváth, 2010
A hőszivattyú működési eleve A hőszivattyú olyan berendezés, amely zárt rendszerben áramló munkaközeg segítségével egy tér adott hőmérsékletén hőenergiát vesz fel, és amit mechanikai vagy hőenergia közbeiktatásával, egy nagyobb hőmérséklet szintre emel, amit a nagyobb hőmérsékleten lévő energiát egy másik térben leadja A hőszivattyú fűtési üzemmódban működik, ha a nagyobb hőmérséklet szinten lévő leadott energia a hasznos energia, és hűtési üzemmódban pedig, ha a kis hőmérséklet szinten történő hőelvonás a hasznos energia. A hőszivattyús rendszerekhez nincs feltétlenül szükség a felszín alól történő vízkivételre. A hőt szolgáltató közeg: felszíni vízfolyás, talajvíz, néhány méteres mélységben a talajhő, földhő 150-300 méteres mélységig. A hőszivattyús rendszert télen fűtésre, nyáron hűtésre lehet alkalmazni. A hőszivattyúval segített hőellátás legnagyobb előnye, hogy gyakorlatilag mindenütt, családi házas és tanyasi szórt elhelyezkedésű lakóépületeknél is alkalmazható. A hőszivattyúk másik alkalmazási módja, mikor „hulladékhőt”, vagyis olyan hőt, amely különben a környezetbe távozna, hasznosítunk. (lehűlt 30-40
°C-os termálvíz, de ipari folyamatoknál keletkező meleg víz vagy levegő formájában jelentkező hulladékhő is) b) közvetlen hőellátás Geotermikus energia döntő részét jó hatásfokkal és nagy mennyiségben közvetlenül hőellátásra (lakóépület fűtés, használati melegvíz előállítás, üvegház fűtés, terményszárítás, stb.) tudjuk felhasználni, mert kitermelhető termálvizeink hőmérséklete 100 °C-nál alacsonyabb. 1 - gázleválasztó, 2 – hőcserélő, 3 - szivattyú, B (4) - tartalék kazán (csak a régi rendszerekben), 5 - hőleadók
4 M 2.37. ábra Közvetett nyitott rendszerű hasznosítás, Forrás: Dr. Vityi A-
Jelölések
Vágvölgyi A.
Globális megoszlásban: épületfűtés 52 %, fürdés 30 %, mezőgazdaság 8 %, ipari alkalmazás 4 %, haltenyésztés 4 % c) kapcsolt villamosenergia és hőtermelés A villamosenergia-termeléshez legalább 120 °C-os vízre van szükség ez elegendő mennyiségben 2500-3000 m mélységben és korlátozott kiterjedésű víztárolókban áll rendelkezésre az országban. Az áramtermelési potenciált nem ismerjük pontosan, ha az első geotermikus erőművek megépülnek, és ezzel párhuzamosan a földtani és technológiai tapasztalataink bővülnek, a potenciál jobban becsülhető lesz. Jelenlegi ismereteink alapján 10-100 MW elektromos potenciál becsülhető.
A rendelkezésre álló áramtermelési potenciált is érdemes kiaknázni, mert a villamosenergia termeléshez közvetlen hőhasznosítás társítható, amellyel kb. 10-szer annyi hő hasznosítható, mint a megtermelt elektromos áram (Mádlné Dr. Szőnyi, 2008).
4. M. 2.L. 3.5.3, Magyarország geotermikus viszonyai Magyarország a Pannon-medence közepén terül el, mely kedvező geotermikus adottságokat eredményez. A geotermikus gradiens másfélszerese a világátlagnak: 5-7 oC/100m. Ennek oka: a földkéreg vékonyabb 20–26 km vastagságú (világátlag: 30 – 35 km) jó hőszigetelő üledékek töltik ki a medencét (agyagok, homokok) a geotermikus gradiens az Alföldön és a Dél-Dunántúlon magasabb, a Kisalföldön és a hegyvidéki területeken alacsonyabb. A fenti termikus adottságok miatt nálunk 1000 méter mélységben a réteghőmérséklet eléri, sőt meg is haladja a 60 Celsius-fokot. 2000 méter mélységben pedig már 100 fok feletti hőmérsékletű, jelentős mezők terülnek el. Fűtésre általában 100 Celsius-fok alatti hőmérsékletű geotermikus folyadékot használnak. Lehetőségeink nagyobb része még kiaknázatlan. 9 városban (Csongrád, Hódmezővásárhely, Kapuvár, Makó, Nagyatád, Szeged, Szentes, Szigetvár, Vasvár) a távfűtés egy részét ily módon fedezik.
4. M. 2.L. 3.6, Biomassza 4. M. 2.L. 3.6.1, Bevezetés Természetes eredetű szerves anyagok. A biomassza csoportosítását a 4 M 2.2. táblázat tartalmazza: Elsődleges biomassza
Másodlagos biomassza
Harmadlagos biomassza
Mezőgazdasági melléktermékek Kerti zöldhulladékok Közterületi zöldhulladékok Konyhai zöldhulladékok
Állattenyésztés melléktermékei
Kommunális szennyvizek, szennyvíziszapok
Állati eredetű hulladékok
Élelmiszeripari mellék-termékek
Trágya, hígtrágya
Erdészeti, faipari mellék-termékek és hulladékok
Ipari szennyvizek, szennyvíziszapok Szilárd szerves hulladékok Veszélyes szerves hulladékok Papírhulladékok
4 M 2.2. táblázat: A biomassza csoportjai (Dr. Vityi A.-Vágvölgyi A.)
A biomassza felhasználási lehetőségei igen különbözőek, ezt szemlélteti a 4 M 2.38. ábra:
Biomassza energetikai hasznosítása
Komposzt álás (aerob lebontás biológiai úton)
Égetés
tűzifa hasábfa apríték szalma,
Hőbontás
elgázosítás pirolízis
Energetikai tömörítvények
brikett pellet
Folyékony energiahordozók
növényi olajok (biodízel), bioalkoholok
hulladék komposzt Hő, villamos energia
Hő, Hő, villamos energia villamos energia
Motorhajtás, fűtés
Fermentálás
(anaerob lebontás biológiai úton)
biogáz
Motorhajtás, áramtermelés hűtés/fűtés melegvíz szárítás
4 M 2.38. ábra: A biomassza energetikai hasznosításának lehetőségei (Dr. Vityi A.-Vágvölgyi A.)
4. M. 2.L. 3.6.2, Biogáz technológia A biogáz szerves anyagok baktériumok (mikroorganizmusok) által anaerob körülmények között történő lebontása során képződő termék.
A szerves anyagok lebontásának eredményeként keletkező biogáz 50-70%-ban metánt, 28-48%-ban szén-dioxidot, és 1-2%-ban egyéb (O2, N2, H2S, H2, CO) gázokat tartalmaz. A biogáz fűtőértéke, metántartalom függvényében: 21,0-25,0 MJ/m3. 1 m3 kb. 60% metántartalmú biogáz energiatartalma egyenértékű pl. 0,6 l fűtőolajéval, 0,6 m3 földgázéval, 1 kg feketeszénével. 1 kg szárazanyagból keletkező biogáz mennyisége 250-900 liter lehet (gyakorlat), (elméletileg: 5871535 l/kg). A biogáz előállítására sokféle alapanyag alkalmas: legyen az mezőgazdasági, feldolgozóipari vagy háztartási eredetű.
4 M 2.39. ábra: Egy biogázüzem felépítése és a termelés folyamatábrája Forrás: Fuchsz, 2006.
