Energiaátalakítás.

Az előadások a következő témára: "Energiaátalakítás."— Előadás másolata:

1 Energiaátalakítás

2 Az energiaátalakítás korlátai
Mennyiségi korlát: I. főtétel Minőségi korlát: II. főtétel Technikai-technológiai lehetőségek Gazdaságosság Környezetvédelem Társadalmi elfogadottság

3 Lehetőségek Mechanikai Hő Villamos Sugárzás Kémiai Nukleáris M H V S K
egyszerű gépek, hajtások súrlódás generátorok, mikrofon tribo- és krisztallo- szonolumin- eszcencia mechano-kémiai jelenségek részecske- gyorsító H hőerőgépek abszorpciós hűtőgép hőelem hősugárzás, izzólámpa endoterm kémiai reakciók fúzió kiváltása V villamos motorok villamos fűtés, Peltier-elemes transzformátor tranzisztor gázkisülések elektrolízis, akkumulátor S radiométer abszorpció, infrasugárzó fényelem, vevőantenna fluoresz-cencia, lézer fotoszintézis fényképezés párkeltés, fúzió lézerrel K izom, ozmózis, sugárhajtómű, exoterm kémiai reakciók, égés galvánelem, tüzelő-anyag cella kemolumineszcencia, biolumineszcencia kémiai reakciók N hasadás atom-reaktor termoelek-tromos reaktor, izotópos áramforrás radioaktivitás kötések módosulása fúzió, fisszió

4 Fontosabb energiaátalakítások
A tipikus (erőművi) energiaátalakítási lánc Hőfejlesztés → hőforrások, atomreaktor Mechanikai munka → erőgépek Villamos munka → áramforrások kémiai villamos hő mechanikai nukleáris

5 Az energiaátalakítás jellemzése
Mennyiségi értékelés (I. főtétel): hatásfok Energiafolyam- (Sankey-) diagram Ebe Mérleg Ebe=Ehaszn.+Eveszt. Eveszt.=(1-η)Ebe Eveszt. Hatásfok Ehaszn. Közvetlen energiaátalakítás (energiatermelés)

6 Energiaátalakítás segédenergiával
Ebe Esegéd Eveszt. Egyszerűsített hatásfok: Ehaszn. Bruttó hatásfok:

7 Energiaátalakítás önfogyasztással
Ebe Esegéd Eveszt. Eönf. Eh,brutto Eh,netto

8 Energiaátalakítás önfogyasztással
Ebe Egyszerűsített hatásfok: Esegéd Eveszt. Bruttó hatásfok: Eönf. Eh,brutto Tényleges bruttó hatásfok: Nettó hatásfok: Eh,nettó= Eh,brutto- Eönf.

9 Önfogyasztási hatásfok
Relatív önfogyasztás (önfogyasztási tényező) Önfogyasztási hatásfok

10 Többszörös energiaátalakítás
Sorbakapcsolt elemek rendszere Ebe RENDSZER E2,haszn. 1 E1,haszn. 2 E1,veszt. E2,veszt.

11 Többszörös energiaátalakítás
Párhuzamosan kapcsolt rendszerek RENDSZER Ebe E1,be E2,be E2,veszt. E1,veszt. 1 2 E1,haszn. E2,haszn. Ehaszn.

12 Több hasznos energiafajta
Részhatásfok „A” termék: Ebe „B” termék: Ehaszn.,A Eredő (bruttó) hatásfok: Ehaszn.,B Eveszt. Termékarány: Kapcsolt energiaátalakítás (energiatermelés)

13 Fogalmak az „energiatermelésben”
Közvetlen energiatermelés (egy termék, egy technológia) hő → fűtőmű villamos energia → erőmű Kapcsolt energiatermelés (két termék, egy technológia) fűtőerőmű Kombinált ciklusú kapcsolt energiatermelés (két termék, két/több technológia) villamos energia → kombinált ciklusú erőmű vill. en. & hő → kombinált ciklusú fűtőerőmű

14 Fogalmak az „energiatermelésben”
Koncentrált energiaátalakítás nagy erőművek (döntően villamos energia) fogyasztóktól távolabb → szállítás az energiarendszer alappillérei Decentralizált kis-közepes erőművek (döntően villamos energia) legtöbbször megújuló energiabázison

15 Fogalmak az „energiatermelésben”
Fogyasztóközeli (beágyazott) kis-közepes teljesítmény szinte kizárólag kapcsolt fűtőerőmű a fogyasztó közvetlen szomszédságában → szennyezés (→ olcsó szállítás) „tiszta” üzemanyag a két termék miatt a szabályozás problémás lehet

16 Technológiai jelölések
Hőforrások gőzkazán túlhevítővel, széntüzeléssel, levegő- és tápvízelőmelegítő résszel gőzkazán nyomottvizes atomreaktor gőzkazán túlhevítővel gőzkazán túlhevítővel és újrahevítővel atomerőművi gőzfejlesztő

17 Technológiai jelölések
Hőforrások Expanziós és kompressziós gépek gőzturbina gázturbina égőkamra gőzturbina szabályozott elvétellel póttüzelés gázciklusban gőzturbina szabályozatlan elvétellel

18 Technológiai jelölések
Expanziós és kompressziós gépek gőzkompresszor gázturbina gázkompresszor szivattyú ventilátor

19 Technológiai jelölések
Hőcserélők gáztalanítós táptartály hőcserélő általában felületi tápvízelőmelegítő keverő kondenzátor felületi gőzkondenzátor

20 Közvetlen energiaátalakítás
Fűtőművek, gőzerőművek és gázturbinás erőművek

21 Közvetlen energiaátalakítás
Lehetőségek fűtőmű; kondenzációs gőz munkaközegű erőművek; gáz munkaközegű erőművek.

22 Fűtőművek Alaptípusok forróvizes fűtőmű, ipari kazántelep,
nagyvízterű (láng-/füstcsöves, MW), természetes cirkulációjú, kényszercirkulációjú kisvízterű (vízcsöves, 20 MW felett). ipari kazántelep, nukleáris fűtőmű.

23 Fűtőművek Üzemi korlátok változó hőigény (25..110%);
harmatpont elkerülése (olaj-, széntüzelés); részterhelésen jobb hatásfok; minimális belépő vízhőmérséklet; minimális tömegáram.

24 Fűtőművek - Forróvízkazán
Kisteljesítményű (gáztüzelésű) forróvízkazán FK KSZ =

25 Fűtőművek - Forróvízkazán
Nagyobb teljesítmény (olaj/gáz tüzelés) FK RSZ KSZ

26 Fűtőművek Gáztüzelésű forróvízkazánnal H Q előremenő FK1 FK2
visszatérő KSZ PK PG PSZ

27 Fűtőművek Vegyes tüzelésű forróvízkazánnal H Q előremenő RS RS KSZ
visszatérő RVT NYT PK

28 Fűtőművek – Ipari kazántelep
Változó nagyságú technológiai gőzigények H GF1 Q KL GF2 csatornába R1 R2 KL pótvíz GK1 GK2 KT PK KG CSSZ NYSZ GTT TSZ

29 Fűtőművek Forróvizes hőkiadás gőzkazánból keverő hőcserélő GK pótvíz
Q keverő hőcserélő GK pótvíz TSZ KSZ

30 Fűtőművek Forróvizes hőkiadás gőzkazánból R GTT fűtés FH1 pótvíz GK
Q R GTT fűtés FH1 pótvíz GK CSSZ KSZ TSZ hmv FH2 KSZ

31 Fűtőművek – Nukleáris fűtőmű
H H2 Q reaktor közbenső kör fűtési kör

32 Fűtőművek - Energetika
H Q HF

33 Fűtőművek - Energetika
Hőforrás fajlagos hőfelhasználása: Fűtőmű fajlagos hőfelhasználása: Fajlagos villamos energia felhasználás:

34 Erőművek Lehetőségek hagyományos (fosszilis) tüzelőanyagú kondenzációs gőzerőművek; kondenzációs atomerőművek; gáz munkaközegű atomerőművek; nyílt ciklusú gázturbinás erőművek.

35 Kondenzációs gőzerőmű
Villamos erőmű (egy termék: villamos energia)

36 Kondenzációs gőzerőmű
Villamos erőmű (atomerőmű)

37 Rendszerelvű leírás

38 Gőzerőmű alrendszerei

39 Gőzerőmű energiafolyam-diagramja

40 Gőzerőmű hatásfoka Hőforrás alrendszer: Turbina alrendszer:

41 Gőzerőmű hatásfoka Villamos alrendszer: Önfogyasztás:

42 Gőzerőmű hatásfoka Áramló közegek továbbítása (H+T+K): Eredő hatásfok:

43 Hatásfok terhelésfüggése
Fajlagos hőfogyasztás

44 Gőzerőművi technológia
Gőznyomás szerint (pkrit=220,6 bar) szubkritikus (pgőz<pkrit), szuperkritikus (pgőz>pkrit), ultra-szuperkritikus (pgőz>>pkrit). Gőz túlhevítés szerint telített gőzös, túlhevített gőzös, egyszeres újrahevítésű, többszörös újrahevítésű.

45 Technológia H1 H2 T2 T1 K1 K2 P Q V tüa H,v KE F be T,t el PV I L ε .

46 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
természetes urán U3O8 term. bánya urán konverzió UF6-tá term. urán dúsítóüzem átalakítás fémoxiddá vagy kerámiává hulladék üzemanyag elemek U és kiégett Pu üzemanyag elemek hulladék újrafeldolgozó REAKTOR üzem Pu gyorsreaktorokba hulladék

47 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Bányászat érc oldása H2SO4-ben U3O8 kicsapatás → sárga por

48 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Konverzió UF6 előállítása (csak egyféle F izotóp van) mérgező és korrozív (Al2O3-t, Ni-t és PTFE-t nem támadja) 235UF6: 349 g/mol 238UF6: 352 g/mol tömeg szerinti szétválasztás

49 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
méretarányokat jól érzékelteti a képen látható kék ruhás munkás.                                                                                            Atomerőművek - Üzemanyagciklus Dúsítás – Gázdiffúziós eljárás ember A diffúziós sebesség tömegfüggő.

50 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Dúsítás - Gázcentrifuga

51 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Elektromágneses eltérítés 235 UF 6 238 részecskegyorsítóból

52 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Fűtőelemgyártás UO2 (kerámia); olvadáspont: 2850 °C

53 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Reprocesszálás Újrahasznosítható: 235U, 239Pu, 241Pu pihentetés (5 év) oldás HNO3-ban tributil-foszfát adalékkal a TBP megköti az U és Pu atomokat MOX: Mixed Oxid fuel

54 Atomerőművek - Üzemanyagciklus
Végleges elhelyezés végleges lerakás üvegesítés

55 A reaktor mint hőforrás
Maghasadás hasadvány neutronok neutron hasadvány

56 Maghasadás energiamérlege, MeV
helyben távolabb összesen Hasadási termékek kinetikus energiája 168 Hasadási neutronok kinetikus energiája 5 prompt γ-sugárzás 7 neutrínó (kinetikus energia) β-bomlás γ-sugárzás 6 neutrínó 2 ÖSSZESEN 202

57 Az atomreaktor Az atomreaktor elvi felépítése
hasadóanyag: dúsított urán (energetikai: 3..6% 235U); lassítóközeg (moderátor): H2O, D2O, C (grafit), Be [kis befogási, nagy szórási hatáskeresztmetszet]; szabályozó közeg: B, BC, Cd [nagy befogási, hatáskeresztmetszet]; hűtőközeg (H2O, CO2, He, foly. fém);

58 Az atomreaktor Az atomreaktor elvi felépítése
sugárzás elleni védelem (kis A-jú: n0 sugárzás elnyelésre, nagy A-jú γ-sugárzás lefékezésére) reflektor: kiszökő n0-k visszaszórása a reaktorba; szerkezeti anyagok: üz.a. burkolat stb.; mérőműszerek: neutrondetektorok; indító n0 forrás

59 A reaktor mint hőforrás
235 U + n hasadási termékeinek eloszlása 1.E-05 1.E-04 1.E-03 1.E-02 1.E-01 1.E+00 1.E+01 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 Tömegszám, A Relatív hozam, % termikus 14 MeV Maghasadás: Átlagos neutronszám (ν): 2,47

60 A reaktor mint hőforrás
Láncreakció Sokszorozási tényező: k=1: önfenntartó láncreakció (reaktor) k<1: szubkritikus reaktor k>1: szuperkritikus reaktor

61 A reaktor mint hőforrás
Termikus neutron hozam Gyorshasítási tényező

62 A reaktor mint hőforrás
Termikus hasznosítási tényező Rezonancia befogás kikerülésének valószínűsége A reaktorból való végleges kikerülés: gyors (Pf) és lassú (Ps) neutronok.

63 A reaktor mint hőforrás
csak az üzemanyagtól és lassító- közegtől (moderátortól) függ k, f, p 1 f k p alulmoderált felülmoderált Nm/Nü

64 Atomerőművek Típusok Általánosan elterjedt, kereskedelmi forgalomban kapható, kiforrott konstrukciójú energetikai reaktorok. Egyéb teljes mértékben kifejlesztett reaktorok. Továbbfejlesztett vagy csak részlegesen kifejlesztett (kísérleti) reaktorok.

65 Atomerőművek

66 Atomerőművek 1/A: nyomottvizes atomerőmű
pressurized water reactor, PWR

67 Atomerőművek 1/B: forralóvizes atomerőmű boiling water reactor, BWR

68 Atomerőművek 1/C: nehézvízzel hűtött és moderált raktor
pressurized heavy-water-moderated and -cooled reactor, PHWR kanadai változat: CANDU Canada deuterium-uranium

69 Atomerőművek 2/A-B: gázhűtésű reaktorok
A: gas cooled graphite moderated reactor (CO2) B: andvanced gas cooled reactor (He)

70 Atomerőművek 2/C: grafittal moderált, könnyűvízzel hűtött reaktor
ligth-water-cooled, graphite-moderated reactor, LWGR

71 IV. Generációs atomerőművek
Szuperkritikus vízhűtésű reaktor Hűtőközeg: víz, 250 bar nyomáson belépés: 280 °C; kilépés: 510 °C

72 IV. Generációs atomerőművek
Gázhűtésű gyorsneutronos reaktor Üzemanyag: UPuC Hűtőközeg: 90 bar; 480/850 °C

73 IV. Generációs atomerőművek
Nagyon magas hőmérsékletű reaktor He hűtés; >1000 °C

74 IV. Generációs atomerőművek
Hűtőközeg: 565/700 °C He gázturbina Folyékony fém (fémsó) hűtésű reaktor

75 IV. Generációs atomerőművek
Folyékony nátrium hűtésű gyorsreaktor

76 IV. Generációs atomerőművek
Hűtőközeg: Pb, PbBi °C Folyékony ólom hűtésű gyorsreaktor

77 Atomerőművek Építés

78 Atomerőművek A nukleáris biztonságról

79 Csernobil – a baleset után
A szarkofág belsejében