2014.12.04. ÚJ ENERGIATERMELÉSI IRÁNYOK: PROBLÉMÁK, DILEMMÁK, MEGOLDÁSOK Túri László ELTE, Kémiai Intézet, Budapest, Hungary 1 Alkímia.

Az előadások a következő témára: "2014.12.04. ÚJ ENERGIATERMELÉSI IRÁNYOK: PROBLÉMÁK, DILEMMÁK, MEGOLDÁSOK Túri László ELTE, Kémiai Intézet, Budapest, Hungary 1 Alkímia."— Előadás másolata:

1 2014.12.04. ÚJ ENERGIATERMELÉSI IRÁNYOK: PROBLÉMÁK, DILEMMÁK, MEGOLDÁSOK Túri László ELTE, Kémiai Intézet, Budapest, Hungary turi@chem.elte.hu 1 Alkímia Ma

2 Energia: miről is beszélünk??? 2014.12.04. Energia: munkavégző képesség Energia: skaláris, megmaradó mennyiség Energia = kinetikus energia + potenciális energia Potenciális energia fajtái Makroszkópikus testek energiája – mikroszkópikus testek energiája 2 Alkímia Ma

3 Energia: történet 2014.12.04. ἐ νέργεια: Arisztotelész Leibniz, Newton Thomas Young – 1807 Karl Friedrich Mohr, 1837 Zeitschrift für Physik 3 Alkímia Ma

4 Energia és termodinamika 2014.12.04. James Prescott Joule Energia – munka és hő? A termodinamika I. főtétele Δ U=q+w Mértékegység: joule, J Perpetuum mobile? elsőfajú vs. másodfajú p. m. egy új előadás? 4 Alkímia Ma

5 Energiatermelés és termodinamika 2014.12.04. Hőerőgépek működési elve hő → munka Termodinamikai körfolyamat Munkaközeg végez munkát Hatásfok 5 Alkímia Ma

6 Energiatermelés és termodinamika 2014.12.04. A Rankine-féle hőerőgépek működési elve (Keszei E.: Bevezetés a kémiai termodinamikába) 6 Alkímia Ma

7 Energiatermelés: korai történet 2014.12.04. Táplálkozás – létfenntartás + munkavégzés Forrása: növények által megkötött energia Energiatakarékosság Tűz Forrása: növények által megkötött energia, cellulóz Pekingi ősember: 500 ezer éve! 7 Alkímia Ma

8 Energiatermelés: csiszolt kőkor 2014.12.04. 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! 8 Alkímia Ma

9 Energiatermelés: ókor és középkor 2014.12.04. Szélenergia Hajózás (i.e. 9000) Malmok (i.e. 1000-2000) 9 Alkímia Ma Vízenergia - vízimalmok

10 Energiatermelés: az ipari forradalom 2014.12.04. Gőzgépek Hérón (i.e. I. század) James Watt (Newcomen)- 1769 Gépek, gyárak, közlekedés forradalma 10 Alkímia Ma

11 Energiatermelés napjainkban: Energiahordozók, energiaforrások 2014.12.04. 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 11 Alkímia Ma

12 Energiatermelés napjainkban 2014.12.04. 12 Alkímia Ma 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=5,9x10 20 J=590 exajoule Másodpercenként: 19 TW

13 Energiatermelés napjainkban 2014.12.04. 13 Alkímia Ma

14 Energiatermelés tendenciái 2014.12.04. 14 Alkímia Ma

15 Energiatermelés tendenciái 2014.12.04. 15 Alkímia Ma

16 Energiafogyasztás problémái 2014.12.04. 16 Alkímia Ma 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 Energiaforrások: szén 2014.12.04. 17 Alkímia Ma 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!

18 Energiaforrások: kőolaj 2014.12.04. 18 Alkímia Ma Meglepő tények 1.Relatíve olcsó és népszerű 2.Kína előretörése 3.Tartalékok nagy mennyisége Előnyök 1.Közlekedés - vegyipar 2.Vezető kereskedelmi alapanyag 3.Rugalmas, könnyű szállíthatóság Hátrányok 1.Tartalékok végesek 2.Nagyfokú volatilitás jellemzi 3.Geopolitikai feszültségek 4.OPEC

19 Fosszilis energiahordozók: az emisszió problémája 2014.12.04. 19 Alkímia Ma Emisszió csökkentése: Kiotói egyezmény, aláírás 1997, életbe lépés 2005

20 Fosszilis energiahordozók: környezetvédelmi megoldások 2014.12.04. 20 Alkímia Ma Emisszió csökkentése: Kiotó CCS/CCUS : carbon capture utilisation and storage (s zéndioxid megkötés, használat és tárolás) Leválasztási elvek: Oxyfuel (kísérleti fázis) Tüzelés utáni leválasztás (aminos abszorbció) Tüzelés előtti leválasztás (kezelés szuperkritikus folyadék állapotban) Kémia: monoetanolamin abszorbens

21 Alternatív energiaforrások 2014.12.04. 21 Alkímia Ma Primer energiahordozók Nem megújuló energiaforrások Palagáz Hasadó anyagok Kémiai energia (exoterm reakciók) Megújuló energiaforrások (kibővített) Napenergia Szélenergia Vízenergia Bioenergia Geotermikus energia Gravitáció energiája (árapály)

22 Alternatív energiaforrások: ár 2014.12.04. 22 Alkímia Ma Villamosenergia-termelési egységköltség (levelised cost of electricity – LCOE), egysége: USD/MWh

23 Alternatív energiaforrások: palagáz 2014.12.04. 23 Alkímia Ma Palagáz: palaréteg apró repedéseiben járataiban Kinyerése: hidraulikus repesztés USA energiaigénye kb. 100 évre biztosított Környezetvédelmi megfontolások Üvegházhatású gázok szivárgása Légszennyezés (benzol) Víz- és talajszennyezés Szeizmikus aktivitás

24 Alternatív energiaforrások: atomenergia 2014.12.04. 24 Alkímia Ma Alapelv: Atommagok hasadása – magreakciók – fission Lehetőség? Atommagok egyesülése – fúziója - fusion

25 Alternatív energiaforrások: atomenergia 2014.12.04. 25 Alkímia Ma Erőmű típusok: Könnyűvizes Nyomottvizes (PWR) Forralóvizes (BWR) Nehézvizes Grafitmoderátoros Gázhűtésű (GCR) Könnyűvízhűtésű (RBMK) Egzotikus Újgenerációs reaktorok

26 Atomenergia: statisztikák 2014.12.04. 26 Alkímia Ma Előnyök 1.Jó hatásfok 2.Stabil, megjósolható ár 3.Nincs széndioxid kibocsátás Hátrányok 1.Magas tőkebefektetés 2.Közvélemény negatív képe 3.Kimerült fűtőanyagok elhelyezése

27 A Paksi Atomerőmű 2014.12.04. 27 Alkímia Ma Paks: Könnyűvizes, nyomottvizes reaktor (PWR) Maghasadás: U-235 izotóp bomlása – 200 féle izotóp termék Energia: 1 bomlás = 200 MeV (3,2x10 -17 J) 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

28 Geotermikus energia 2014.12.04. 28 Alkímia Ma 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

29 Geotermikus energia 2014.12.04. 29 Alkímia Ma Jelentős potenciál – megújulónak tekinthető Hőfluxus-sűrűség: 80-120 mW/m 2 Egy lehetséges technikai megvalósítás (ld. lenn) – nincs munkaközeg! Hőszivattyú

30 Biológiai energia 2014.12.04. 30 Alkímia Ma Biomassza fogalma Forrása: fotoszintézis Felhasználása: hő és elektromos áram termelés Széndioxid terhelést nem jelent 6CO 2 +6H 2 O→C 6 H 12 O 6 +6O 2 Óriási energiatermelési potenciál

31 Biomassza alapanyagok 2014.12.04. 31 Alkímia Ma

32 Biológiai energia: konverziós folyamatok 2014.12.04. 32 Alkímia Ma 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, CO 2 Baktériumok: CO 2 +4H 2 →CH 4 +2H 2 O CH 3 COOH→CH 4 +CO 2

33 Biológiai energia: bioüzemanyagok 2014.12.04. 33 Alkímia Ma Előállítás Előfeldolgozás (lipidek, szintézisgáz) További kezelés Termékei: bioetanol, biodízel, BtL, biometán, biohidrogén

34 Biológiai energia: bioetanol előállítása 2014.12.04. 34 Alkímia Ma Forrásai Cukortartalmú növények: cukorrépa, cukornád Keményítőtartalmű növények: kukorica, búza Cellulóztartalmú növények: fa, fűfélék, szalma Lépései: Hidrolízis Erjesztés Desztilláció Töményítés Maradványanyag-kezelés Dunaföldvár, 2012

35 Biológiai energia felhasználása 2014.12.04. 35 Alkímia Ma Új energiahordozóvá alakítás – drága lehet Közvetlen hőtermelés – égetés Hőtermelés és elektromos áram termelés CHP erőművek (combined heat and power) Előnyök 1.„Házi” erőforrás 2.Bizonyítottan egyszerű égetési technológiák 3.Bioüzemanyagok alternatívák lehetnek Hátrányok 1.Szállítási és feldolgozási komplikációk 2.NOx és SOx kibocsátás 3.Energia vs. víz/élelem erkölcsi dilemma

36 Szélenergia 2014.12.04. 36 Alkímia Ma 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

37 Szélenergia 2014.12.04. 37 Alkímia Ma 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

38 Napenergia 2014.12.04. 38 Alkímia Ma 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

39 Napenergia hasznosítása 2014.12.04. 39 Alkímia Ma 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 polimerekb ő l készült napelemek

40 Napelemek működési elve 2014.12.04. 40 Alkímia Ma Foton-félvezető kölcsönhatás, abszorpció Töltéshordozók létrejötte Töltéshordozók térbeli szétválása Elektron-lyuk pár keletkezés Töltéshordozók diffúziója Előnyök 1.Nagy megbízhatóság, nincs mozgó alkatrész 2.Gyors telepíthetőség 3.Nehezen megközelíthető helyeken ideális Hátrányok 1.Megszakított hasznos periódusok 2.Villamos hálózathoz történő csatlakozás nehézkessége 3.Mérgező anyagok felhasználása

41 Elektromos energia termelése - alternatíva 2014.12.04. 41 Alkímia Ma 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.

42 Üzemanyagcellák 2014.12.04. 42 Alkímia Ma 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: Anód Katód

43 Üzemanyagcellák 2014.12.04. 43 Alkímia Ma Az elem működése során csak víz keletkezik! ÁBRA: Kiss L. Elektrokémia, 4.12. ábra

44 Üzemanyagcellák és az ELTE Kémiai Intézete 2014.12.04. 44 Alkímia Ma Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium (EEL) HY-GO Inzelt György és csapata

45 A jövő kérdései, kihívásai 2014.12.04. 45 Alkímia Ma Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010

46 A jövő kérdései, kihívásai 2014.12.04. 46 Alkímia Ma 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!

47 A jövő kérdései, kihívásai: további becslések 2014.12.04. 47 Alkímia Ma 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

48 A jövő kérdései, kihívásai: további becslések 2014.12.04. 48 Alkímia Ma Bartholy, 2013 TW 50-1500 4-40 3-20 2-20 0,3-10 0,2-10 2

49 Napenergia újra 2014.12.04. 49 Alkímia Ma 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

50 Takarékosság 2014.12.04. 50 Alkímia Ma 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 %!

51 2014.12.04. Alkímia Ma 51

52 2014.12.04. Alkímia Ma 52

53 2014.12.04. Alkímia Ma 53 Égetés – hatásfok javítás? Takarékosság – world report-ból Üzemanyag cella Fotoszintézis Nukleáris er ő m ű vek – fúzió? PV cellák