ÚJ ENERGIATERMELÉSI IRÁNYOK: PROBLÉMÁK, DILEMMÁK, MEGOLDÁSOK

ÚJ ENERGIATERMELÉSI IRÁNYOK: PROBLÉMÁK, DILEMMÁK, MEGOLDÁSOK

Túri László ELTE, Kémiai Intézet, Budapest, Hungary [email protected] 1

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energia: miről is beszélünk???  Energia: munkavégző

képesség

 Energia: skaláris, megmaradó

mennyiség

 Energia = kinetikus energia +

potenciális energia

 Potenciális energia fajtái

 Makroszkópikus testek

energiája – mikroszkópikus testek energiája

2

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energia: történet  ἐνέργεια: Arisztotelész  Leibniz, Newton  Thomas Young – 1807  Karl Friedrich Mohr, 1837

Zeitschrift für Physik

3

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energia és termodinamika  James Prescott Joule  Energia – munka és hő?  A termodinamika I. főtétele

ΔU=q+w  Mértékegység: joule, J  Perpetuum mobile?

 elsőfajú vs. másodfajú p. m.  egy új előadás?

4

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energia és termodinamika  James Prescott Joule  Energia – munka és hő?  A termodinamika I. főtétele

ΔU=q+w  Mértékegység: joule, J  Perpetuum mobile?

 elsőfajú vs. másodfajú p. m.  egy új előadás?

5

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés és termodinamika  Hőerőgépek működési

elve

 hő → munka  Termodinamikai körfolyamat  Munkaközeg végez munkát  Hatásfok



6

w qh



Alkímia Ma

q h  qc qh

Th  Tc  Th 2014.12.04.

Energiatermelés és termodinamika  A Rankine-féle hőerőgépek működési elve

(Keszei E.: Bevezetés a kémiai termodinamikába)

7

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés: korai történet  Táplálkozás – létfenntartás +

munkavégzés

 Forrása: növények által megkötött

energia  Energiatakarékosság  Tűz  Forrása: növények által megkötött energia, cellulóz  Pekingi ősember: 500 ezer éve!

8

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés: csiszolt kőkor  Állattenyésztés kezdetei: a

fizikai munka kiváltása  Táplálék (i.e. 10000)  Lótartás (i.e. 4000)  Földművelés, szállítás,

kereskedelem, háború

 Jelenleg is kb. 100 millió lovat

szamarat, öszvért használ az emberiség munkára!

9

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés: ókor és középkor  Szélenergia  Hajózás (i.e. 9000)  Malmok (i.e. 1000-2000)

 Vízenergia - vízimalmok

10

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés: az ipari forradalom  Gőzgépek  Hérón (i.e. I. század)  James Watt (Newcomen)-

1769  Gépek, gyárak,

közlekedés forradalma

11

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés napjainkban: Energiahordozók, energiaforrások  Primer energiahordozók

 Nem megújuló energiaforrások  Szén, kőolaj, földgáz  Hasadó anyagok

 Megújuló energiaforrások     

Szélenergia Napenergia Vízenergia Geotermikus energia Bioenergia

 Másodlagos energiahordozók  Villamos áram  Háztartási gáz  Üzemanyagok

12

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés napjainkban 1 J = 1 Ws 3600 Ws = 1 Wh Szokásos egység: toe, Mtoe: tonne of oil equivalent, mega tonne of … 1 toe = 41,87 GJ (11,63 MWh)

2011 TPES (total primary energy supply): 14092 Mtoe=5,9x1020J=590 exajoule Másodpercenként: 19 TW

13

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés napjainkban

14

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés tendenciái

15

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiatermelés tendenciái

16

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiafogyasztás problémái  Nem megújuló források kimagasló aránya, arányának lassú

csökkenése

 Véges készletek

 Masszív széndioxid kibocsátás  Környezetszennyezés  Globális felmelegedés

 Föld lakosságának dinamikus növekedése  A felhasznált energia egyenetlen volta  Energiaellátás jövője

17

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiaforrások: szén

18

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiaforrások: szén Meglepő tények 1. Relatíve olcsó és népszerű 2. Kína előretörése 3. Tartalékok nagy mennyisége

Előnyök 1. Széles földrajzi eloszlás 2. Stabil, megjósolható ár 3. Új technológiák megjelenése Hátrányok 1. Környezetszennyezés 2. Nem alkalmasak csúcsidejű egységekben 3. CCS/CCUS csökkenti a hatásfokot! 19

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiaforrások: kőolaj

Meglepő tények 1. Relatíve olcsó és népszerű 2. Kína előretörése 3. Tartalékok nagy mennyisége

20

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energiaforrások: kőolaj Előnyök 1. Közlekedés - vegyipar 2. Vezető kereskedelmi alapanyag Meglepő tények 3. Rugalmas,1.könnyű szállíthatóság Relatíve olcsó és népszerű 2. Kína előretörése 3. Tartalékok nagy mennyisége Hátrányok 1. 2. 3. 4. 21

Alkímia Ma

Tartalékok végesek Nagyfokú volatilitás jellemzi Geopolitikai feszültségek OPEC 2014.12.04.

Fosszilis energiahordozók: az emisszió problémája

 Emisszió csökkentése:  Kiotói egyezmény, aláírás 1997, életbe lépés 2005 22

Alkímia Ma

2014.12.04.

Fosszilis energiahordozók: az emisszió problémája

 Emisszió csökkentése:  Kiotói egyezmény, aláírás 1997, életbe lépés 2005 23

Alkímia Ma

2014.12.04.

Fosszilis energiahordozók: környezetvédelmi megoldások  Emisszió csökkentése: Kiotó  CCS/CCUS : carbon capture

utilisation and storage (széndioxid megkötés, használat és tárolás)  Leválasztási elvek:  Oxyfuel (kísérleti fázis)  Tüzelés utáni leválasztás (aminos

abszorbció)  Tüzelés előtti leválasztás (kezelés szuperkritikus folyadék állapotban)

 Kémia: monoetanolamin

abszorbens

24

Alkímia Ma

2014.12.04.

Alternatív energiaforrások  Primer energiahordozók  Nem megújuló energiaforrások  Palagáz  Hasadó anyagok  Kémiai energia (exoterm reakciók)

 Megújuló energiaforrások (kibővített)  Napenergia

Szélenergia  Vízenergia  Bioenergia  Geotermikus energia  Gravitáció energiája (árapály) 

25

Alkímia Ma

2014.12.04.

Alternatív energiaforrások: ár  Villamosenergia-termelési egységköltség (levelised cost of

electricity – LCOE), egysége: USD/MWh

26

Alkímia Ma

2014.12.04.

Alternatív energiaforrások: palagáz  Palagáz: palaréteg apró

repedéseiben járataiban

 Kinyerése: hidraulikus repesztés  USA energiaigénye kb. 100 évre

biztosított

 Környezetvédelmi

megfontolások    

27

Alkímia Ma

Üvegházhatású gázok szivárgása Légszennyezés (benzol) Víz- és talajszennyezés Szeizmikus aktivitás

2014.12.04.

Alternatív energiaforrások: palagáz  Palagáz: palaréteg apró

repedéseiben járataiban

 Kinyerése: hidraulikus repesztés  USA energiaigénye kb. 100 évre

biztosított

 Környezetvédelmi

megfontolások    

28

Alkímia Ma

Üvegházhatású gázok szivárgása Légszennyezés (benzol) Víz- és talajszennyezés Szeizmikus aktivitás

2014.12.04.

Alternatív energiaforrások: atomenergia

 Alapelv:  Atommagok hasadása –

magreakciók – fission

 Lehetőség?  Atommagok egyesülése –

fúziója - fusion

29

Alkímia Ma

2014.12.04.

Alternatív energiaforrások: atomenergia  Erőmű típusok:  Könnyűvizes  Nyomottvizes (PWR)  Forralóvizes (BWR)

 Nehézvizes  Grafitmoderátoros  Gázhűtésű (GCR)  Könnyűvízhűtésű (RBMK)

 Egzotikus  Újgenerációs reaktorok

30

Alkímia Ma

2014.12.04.

Atomenergia: statisztikák

31

Alkímia Ma

2014.12.04.

Atomenergia: statisztikák

Előnyök 1. Jó hatásfok 2. Stabil, megjósolható ár 3. Nincs széndioxid kibocsátás

Hátrányok 1. Magas tőkebefektetés 2. Közvélemény negatív képe 3. Kimerült fűtőanyagok elhelyezése

32

Alkímia Ma

2014.12.04.

A Paksi Atomerőmű  Paks: Könnyűvizes, nyomottvizes reaktor (PWR)  Maghasadás: U-235 izotóp bomlása – 200 féle izotóp

termék

 Energia: 1 bomlás = 200 MeV (3,2x10-17J)  M.o. villamosenergia-fogyasztása: 45 000 GWh  Ezt fedezné 19 t U-235 bomlása vagy 47 millió tonna

feketekőszén égetése!

 Teljesítmény: 2000 MW – a hazai termelés 40 %-a  Hatásfoka: 34 %, reaktoronként 500 MW villamos

teljesítmény kerül kinyerésre 1485 MW hőteljesítményből

33

Alkímia Ma

2014.12.04.

Geotermikus energia  A föld termikus energiája – kőzetek radioaktív bomlása  Hővezetés a magtól a felületre – Fourier törvény  Történetileg: hőforrások (kőkorszak), fürdők (ókor)

Kínai kőmedence i.e. 3. század 34

Alkímia Ma

2014.12.04.

Geotermikus energia

35



Jelentős potenciál – megújulónak tekinthető



Hőfluxus-sűrűség: 80-120 mW/m2



Egy lehetséges technikai megvalósítás (ld. lenn) – nincs munkaközeg!



Hőszivattyú

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biológiai energia  Biomassza fogalma  Forrása: fotoszintézis  Felhasználása: hő és elektromos áram termelés  Széndioxid terhelést nem jelent

6CO2+6H2O→C6H12O6+6O2  Óriási energiatermelési potenciál

36

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biomassza alapanyagok

37

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biológiai energia: konverziós folyamatok  Mechanikai átalakítás  Termokémiai átalakítás  Pörkölés, pirolízis …

 Biokémiai átalakítás  Anaerob bomlás – metán  Erjesztés – etanol

 Anaerob bomlás:  Hidrolízis:  cellulóz, keményítő, proteinek, lipidek lebontása → cukor, aminosav, zsírsav  Acetonképző baktériumok → ecetsav, CO2  Baktériumok:

CO2+4H2→CH4+2H2O CH3COOH→CH4+CO2 38

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biológiai energia: bioüzemanyagok  Előállítás  Előfeldolgozás (lipidek, szintézisgáz)  További kezelés  Termékei: bioetanol, biodízel, BtL, biometán, biohidrogén

39

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biológiai energia: bioetanol előállítása  Forrásai  Cukortartalmú növények: cukorrépa, cukornád  Keményítőtartalmű növények: kukorica, búza  Cellulóztartalmú növények: fa, fűfélék, szalma

 Lépései:     

Hidrolízis Erjesztés Desztilláció Töményítés Maradványanyag-kezelés

 Dunaföldvár, 2012

40

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biológiai energia felhasználása  Új energiahordozóvá alakítás – drága lehet  Közvetlen hőtermelés – égetés  Hőtermelés és elektromos áram termelés  CHP erőművek (combined heat and power)

41

Alkímia Ma

2014.12.04.

Biológiai energia felhasználása  Új energiahordozóvá alakítás – drága lehet

Előnyök Közvetlen hőtermelés – égetés 1.  „Házi” erőforrás Hőtermelés egyszerű és elektromos 2.  Bizonyítottan égetési áram termelés  CHP erőművek (combined heat and power) technológiák 3. Bioüzemanyagok alternatívák lehetnek

Hátrányok 1. Szállítási és feldolgozási komplikációk 2. NOx és SOx kibocsátás 3. Energia vs. víz/élelem erkölcsi dilemma 42

Alkímia Ma

2014.12.04.

Szélenergia  Első szélturbina: 1888, Charles

Brush, Cleveland

 Nem hőerőmű – a közeg

makroszkopikus, irányított áramlásának energiáját alakítja át!

 Egyszerű fizikai alapok  Mozgási energia átalakítása

elektromos energiává  Áramlás teljesítménysűrűsége becsülhető a szélsebességből  Mérések és modellezés segítségével jól tervezhető

 Nincs munkaközeg

43

Alkímia Ma

2014.12.04.

Szélenergia

44

Alkímia Ma

2014.12.04.

Szélenergia Előnyök 1. Egyszerű technológia, gyors installálás 2. Nincs üzemanyag költség, nincs széndioxid kibocsátás 3. Nehezen elérhető területekre ideális megoldás Hátrányok 1. Erőforrás bizonytalansága 2. Változó energiatermelés elektromos rendszerekbe történő betáplálása 3. Lokális hátrány: zajszennyezés 45

Alkímia Ma

2014.12.04.

Napenergia  Vízenergia, szélenergia, biomassza  Közvetlen napenergia felhasználás  Gigantikus energiaforrás  0.1 %, 10 % hatékonysággal, 20 TW !!!!

 Történet:  Arkhimédész lencséi  Adams – Day, 1876, szelén-platina + fény → elektromos

áram  Kemp, 1891, vízmelegítő készülék  Einstein, 1905, fotoelektromos hatás  Első elektromosságot termelő napelem,  1912, Egyiptom (F. Shuman)  1954, Bell Laboratories

46

Alkímia Ma

2014.12.04.

Napenergia hasznosítása  Passzív hasznosítás  Aktív hasznosítás  Termikus hasznosítás - kollektorok  Hőtermelés – fűtés  Hőtermelés - naphőerőművek  Fotoelektromos hasznosítás – napelemek - elektromos áram

termelése 

Fotovillamos naperőművek

 Napelemek  Egykristályos szilícium (Si) napelemek  Polikristályos Si napelemek  Gallium Arzenid vegyület alapú napelemek  Amorf szilícium napelemek  Szerves festék alapú napelemek  Szerves polimerekből készült napelemek 47

Alkímia Ma

2014.12.04.

Napelemek működési elve  Foton-félvezető

kölcsönhatás, abszorpció  Töltéshordozók létrejötte  Töltéshordozók térbeli szétválása Elektron-lyuk pár keletkezés  Töltéshordozók diffúziója 

48

Alkímia Ma

2014.12.04.

Napelemek működési elve Előnyök 1. Nagy megbízhatóság, nincs Foton-félvezető mozgó alkatrész kölcsönhatás, 2. Gyors telepíthetőség abszorpció 3. Nehezen megközelíthető Töltéshordozók helyeken létrejötteideális  Töltéshordozók

térbeli szétválása Hátrányok Elektron-lyuk pár keletkezés  Töltéshordozók diffúziója 

49

Alkímia Ma

1. Megszakított hasznos periódusok 2. Villamos hálózathoz történő csatlakozás nehézkessége 3. Mérgező anyagok felhasználása

2014.12.04.

Elektromos energia termelése - alternatíva  Kinetikus energia – munka  turbinák (szél, víz)

 Kémiai energia – kinetikus energia – munka  hőerőgépek

 Kémiai energia – elektromos áram  Üzemanyagcellák – fuel cells

 Üzemanyagcellák:  Olyan folyamatosan működő galvánelemek, melyekben valamely szokásos

energiahordozó (kőolaj, földgáz, szén, hidrogén, metanol) levegő általi oxidációja az áramtermelő folyamat.

50

Alkímia Ma

2014.12.04.

Üzemanyagcellák Szükséges:  az energiahordozók folyamatos betáplálása és a termékek elvezetése.  az elektródfolyamatok elég nagy áramot biztosítsanak, mégis megközelítve a termodinamikai reverzibilitást.  a képződő termékek ne szennyezzék az elektródokat, amik legtöbb esetben katalizátorként is működnek.  Példa: Bacon-elem, mely hidrogénnel működik.  A celladiagram:

 Ni(s) | H 2 (g) | KOH(aq) | O 2 (g) | Ni(s) 

51

Anód

H 2 (g)  2OH  (aq)  2H 2O(l)  2e

Katód

O2 (g)  2H 2 O(l)  4e  4OH  (aq)

Alkímia Ma

2014.12.04.

Üzemanyagcellák  Az elem működése során csak víz keletkezik!

ÁBRA: Kiss L. Elektrokémia, 4.12. ábra

52

Alkímia Ma

2014.12.04.

Üzemanyagcellák és az ELTE Kémiai Intézete  Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium (EEL)

HY-GO Inzelt György és csapata 53

Alkímia Ma

2014.12.04.

A jövő kérdései, kihívásai Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010

54

Alkímia Ma

2014.12.04.

A jövő kérdései, kihívásai Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010  2007: 16 TW  (2011: 19 TW)  2050: ???  Hajtóerő:  Lakosság növekedése (2001: 6,2 milliárd; 2050 becslés 10,5 milliárd)  Lakosság növekedésével nem arányos az energiaigény  Gyorsítótényező: GDP növekedése – új felhasználók + növekvő igényűek  Kína, India, Afrika – jelenleg alacsony egy főre eső energia felhasználás  A világ energiaigénye várhatóan drámai mértékben nő majd!

 Extrém óvatos becslés: 30 TW (2007-es adat alapján)  Egyenlítői-Guinea egy főre eső 2007-es energiafogyasztása (USA?)  Elképzelhetetlenül szigorú takarékoskodással lehetséges csak a világ gazdagabb felén + kell még újabb 16 (és még ki tudja mennyi?)TW!

55

Alkímia Ma

2014.12.04.

A jövő kérdései, kihívásai: további becslések Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010  Teljes elérhető energiatartalom:     

Atomerőművek: 8 TW (200 erőmű építése évenként!) Geotermikus: 12 TW Biomassza: 5-7 TW Szél: 2-4 TW Árapály: 2 TW

 KEVÉS!!!! Felfedezés KELL!  Esetleg fosszilis energiahordozók? Őket is ki kell váltani!!!  Felfedezés mégis KELL?  Napenergia: 120000 TW összes, 800 TW potenciálisan

kinyerhető

56

Alkímia Ma

2014.12.04.

A jövő kérdései, kihívásai: további becslések Bartholy, 2013

TW 50-1500 4-40 3-20 2-20 0,3-10 0,2-10 2

57

Alkímia Ma

2014.12.04.

Napenergia újra  Kihívások:  a fény energiájának hasznosítása (hatásfok)  az energia tárolása  a tárolt energia elektromos hálózatba történő

integrálása

 Napenergia tárolásának következményei:  Nagy mennyiségű energia 24/7  Biztonságos energiaforrás  Nincs üvegházhatású gáz kibocsátás  Molekuláris mechanizmusok megértése  Új anyagok tervezése szükséges 58

Alkímia Ma

2014.12.04.

Takarékosság  Önmagában nem elégséges!  Mégis elkerülhetetlen!

 Példák:  Hőerőművek hatásfoka (~34 %)  Elektromosság szállítása és elosztása (min.

12%)  Lakóházak ellátása – teljes energiaigény 40 %-a, ebből megtakarítható 20-40 %!

59

Alkímia Ma

2014.12.04.

60

Alkímia Ma

2014.12.04.

Energia 9 Gtoe

Primer

Átalakítás 6,8 Gtoe

Szekunder Elosztás

2,2 Gtoe 6,4 Gtoe 2,6 Gtoe

Végső Felhasználás

3,3 Gtoe

Hasznos

5,7 Gtoe Szolgáltatás 9 Gtoe 61

Alkímia Ma

„Veszteség”

2014.12.04.



    

62

Égetés – hatásfok javítás? Takarékosság – world report-ból Üzemanyag cella Fotoszintézis Nukleáris erőművek – fúzió? PV cellák

Alkímia Ma

2014.12.04.