Megújuló energiaforrások Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Megújuló energiaforrások Energetikai mérnök BSc Gépész- és egyéb mérnök BSc

Kurzusok, beszámolók Energetikai BSc hőenergetika szakirány (kötelező, 6. szemeszter, 2ea+1labor, évközi jegy), Gépész- és egyéb mérnök BSc (választható, 2ea, évközi jegy). 2 db írásbeli beszámoló (>50 %) a 7. és 14. héten + pótbeszámoló a pótlási héten.

Vezetékes energiaellátó rendszerek Előadások Időpont Témakör Előadó febr. 8. Bevezetés Dr. Ősz János 15. Vízerőművek Dr. Kullmann László 22. 29. márc. 7. Szélerőművek Balogh Antal 14. 21. 1. írásbeli beszámoló Kaszás Csilla márc. 28. Napenergia ápr. 4. 11. Bioenergia 18. 25. Geotermikus energia máj. 2. Vezetékes energiaellátó rendszerek 13. 2. írásbeli beszámoló

Labor+gyakorlat (páros kedd) Időpont Témakör Előadó febr. 14. 1. Vízerőművek febr. 28. 2. Kaszás Csilla márc. 13. 3. Szélerőművek márc. 27. 4. Napenergia-hasznosítás ápr. 10. 5. Biomassza-hasznosítás ápr. 24. 6. Biomassza-hasznosítás

Energetika, energiaellátás Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mezőgazdasági üzemek, intézmények és lakosság) biztonságos, gazdaságos, környezetbarát és fenntartható ellátása. Területei: Primer és szekunder energiahordozók előállítása, szállítása, elosztása, tárolása, végfelhasználása. Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszínűség. A fogyasztók mindig teljesítményt [P, W=J/s] igényelnek, melynek idő szerinti integrálját az energiát [E, J] tartjuk nyilván.

Az energiaellátás rendszerstruktúrája

Energiahordozók Primer ≡ tüzelőanyagok: Fosszilis (CO2-kibocsátó): szén, szénhidrogén (kőolaj, földgáz); Fisszilis (CO2-mentes): nukleáris). Megújuló energiaforrások (CO2-mentes): napenergia, víz (árapály, hullám), szél, geotermikus („földhő”), biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) → megújuló tüzelőanyagok (CO2-semleges). Szekunder: üzemanyagok (mechanikai hajtás), villamos energia (világítás, információtechnika, hajtás, hő, hűtés), hő (fűtés, hmv, technológiai).

A megújuló energiaforrások hasznosítása szél víz (árapály) napsugárzás földhő biomassza (hulladék) Villamos energia Hő Üzemanyag

Szekunder energiahordozók Primer energiahordozó Megújuló energiaforrás Üzemanyag Villamos energia Hő (hőhordozó) Szén x Nyersolaj Fűtőolaj Földgáz Nukleáris Napsugárzás Víz Szél Geotermikus Biomassza (Hulladék)

Primer energiahordozó Szekunder energiahordozó Magyarország 2006 [PJ/év] Primer energiahordozó Szekunder energiahordozó Anyag/ Energiahordozó Felhasználás Hő Villamos energia Veszteség Üzemanyag Szilárd (szén) 130 28 25 59 18 Olaj 328 12 2 4 196 114 Földgáz 480 302 48 88 42 Nukleáris 145 97 Megújulók 53 33 6 14 Egyéb 27 -27 Hő, ipari hulladék Szállítási veszteség -10 Nem energetikai -100 Összes 1163 428 119 262 +47

Kötött energiák Kémiailag kötött energia (fűtőérték): Üzemanyag: benzin: 36 GJ/m3, 48,8 GJ/t (ρ=0,737 t/m3), Gázolaj: 39,5 GJ/m3, 48,2-41,6 GJ/t (ρ=0,82-0,95 t/m3), Tüzelőanyagok: szén: 7-28 GJ/t, fűtőolaj: 40-42 GJ/t, földgáz: 34 GJ/ezer Nm3 (48 GJ/t) PB-gáz 45 GJ/t biomassza: 10-16 GJ/t, hulladék: 6-10 GJ/t. (hidrogén: 112 GJ/t). Nukleáris „kötött” energia (kiégési szint): fűtőelem kazetták: (4,5-6).106 GJ/t (3-5 g U-235 kiégetésével).

Magyarország 2008 Vezetékes energiahordozók: földgáz (446 PJ/év, E nélkül: 305 PJ/év): országos földgáz-hálózat, villamos energia (Qü=395 PJ/év, E=133 PJ/év, ηE=33,6 %): országos villamos hálózat, távhő (46 PJ/év): lokális távhőrendszerek. A földgáz (nagynyomású) és villamos energia (nagyfeszültségű) alaphálózat országok közötti összekapcsolódása. A földgáz és villamos energia (700 PJ/év) részaránya 62,6% (1120 PJ/év). Üzemanyag-felhasználás: kb. 4,0 Mt/év, kb. 190 PJ/év. Egyéb: 72 PJ/év. Az OECD országok (így hazánk is): hajtás: 20-30 %, hő: 60-70 %, világítás, információtechnika: 5-10 %.

Megújuló energiaforrások A múltban (1750-ig) az izomerő mellett a meghatározó energiaforrás: tűzifa (biomassza) → hő, szélerő-hasznosítás (malmok, vitorlás hajók), vízerő-hasznosítás (malmok), geotermikus (fűtés, melegvíz). A múltban is voltak energiaválságok, energiahordozó-hiányok, de lokálisan (túl messze (30-40 km) kerültek az erdőtől, pl. elnéptelenedett városok Európában, Dél-Amerikában, Délkelet-Ázsiában). Jelen: Fogyasztó társadalom vége? A primer energiahordozó készletek végessége és a CO2-szennyezés hatása → megújuló energiaforrások hasznosítása. Jövő: a fenntartható társadalom (energetika) kialakítása.

Fenntartható fejlődés Az ökonómia, az ökológia és a társadalmi teherviselés összhangjának koncepciója. „A fenntartható fejlődés olyan fejlődés, amely kielégíti a jelen generációk szükségleteit anélkül, hogy veszélyeztetné a jövő generációit abban, hogy ők is kielégíthessék szükségleteiket.” [Brundtland „Közös jövőnk” jelentés, 1984-87.]: Ne szennyezzük a környezetet olyan anyagokkal, amelyek nagyobb régiók és a jövő generációk életlehetőségeit veszélyeztetik. A lehető legnagyobb mértékben takarékoskodjunk azokkal az ásványi anyagokkal, amelyek a jövő generációk nélkülözhetetlen alapanyagainak is tekinthetők. „Ne tegyünk semmi olyant, aminek hosszú távú hatásait nem ismerjük.” → környezeti hatástanulmány, engedély.

Fenntartható társadalom energetika Szociális felelősség Versenyképesség Technológiai rendszerek + Gazdaság pl. technológiai fejlődés (hatékonyság), szociális biztonság és felelősség, érték létrehozása Fő energiapolitikai célkitűzések A fenntarthatóság sajátosságai Ökonomiai felelősség Energiaellátás biztonsága pl. a hazai energiahordozók előnyben részesítése Ökológiai felelősség Környezet- és klímavédelem pl. az ember klímaváltoztató hatásának, talajerózió, eutrofizáció mérséklése, földátalakítás, biodiverzitás biztosítása

EU közös energiapolitikai célok Versenyképesség (Lisszabon): belső piac, verseny, hálózati kapcsolatok, európai villamosenergia-hálózatok, K+F (tiszta szén, CO2-elnyeletés, alternatív tüzelőanyagok, energiahatékonyság, nukleáris energia). Környezetvédelem (Kyoto): megújuló energiaforrások hasznosítása, energiahatékonyság, nukleáris energia, innováció és kutatás, CO2-emisszió kereskedelem. Ellátásbiztonság: nemzetközi párbeszéd, beszerzési források diverzifikálása, európai készletgazdálkodás (olaj, földgáz), finomító kapacitás és energiatárolás. A fenntartható energetika: Versenyképesség: minél kisebb költségű energiahordozó összetétel, Környezet- és klímavédelem:a szennyezőanyagok minél kisebb globális (CO2) és lokális kibocsátása; Ellátásbiztonság: több energiahordozóra épülő, arányos energiahordozó összetétel; harmonikus egysége („szentháromsága”).

Környezeti szűkösség [T. F. Homer-Dixon] Az erőforrás-szűkösség létezésünk mindenütt jelenlévő jellemzője, aminek három formája: kínálat indukálta (rendelkezésre álló erőforrás mennyisége csökken, vagy minősége romlik → torta zsugorodik), kereslet indukálta (növekvő népesség azonos mennyiségű erőforrásból az egyed számára egyre kevesebbet juttat → az egyed tortaszelete zsugorodik), strukturális (a különböző csoportok erőforráshoz való hozzáférésében beálló változások: egyes csoportok aránytalanul nagyobb tortaszeletet kapnak, míg más csoportok kisebbet). A globális humán-ökológiai rendszer kilenc fizikai irányvonala: népességnövekedés, energiafogyasztás, globális felmelegedés, a sztratoszférikus ózonréteg károsodása (?), a mezőgazdasági termőterület szűkössége, a trópusi erdőirtás, az ivóvíz-szűkösség, a halállomány csökkenése, a biodiverzitás veszteségei.

Világ Nagyságrendnyi társadalmi, gazdasági (köztük energetikai) különbségek: Népesség: 1900: 1,6 milliárd fő (0,7 milliárd fő ipari országok, 44 %), 2003: 6,0 milliárd fő (1,4 milliárd fő ipari országok, 23 %). GDP/fő.év: Országtól függően néhány száz USD/fő-től néhány tízezer USD/fő (két nagyságrend). Energiafogyasztás: Világátlag: 80 GJ/fő.év, Fekete Afrika: 13 GJ/fő.év, USA: 325 GJ/fő.év.

Világgazdaság Kétpólusú (Európa, USA): kb. 1945-ig, Multipólusú: napjainkban (ország-csoportok). Multikulturális (Huntington: „civilizációk harca”): Protestáns (USA, Kanada, Ausztrália, Ny-Európa), katolikus (DNY- és Kö-Európa), ortodox (DK-Európa, Oroszország), Római katolikus (Dél-Amerika), Iszlám, Tao, buddhista, shinto, Hindu, Törzsi. Feltörekvő országok (BRIC): (BRIC) → Brazília, Oroszország, India, Kína, de mellettük Indonézia, Dél-Afrikai Köztársaság, Mexikó, stb. G-8, G-20, G-42. Regionális együttműködések, szerveződések. Centrum (Ny-Európa, K-USA, napjainkban K-Ázsia, Ny-USA), fejlett, első világ és periféria, fejletlen országok, harmadik világ „harca”.

Versenyképesség: tüzelőanyagok Energiahordozó készletek „látható” véges mennyisége: szén (150-200 év), kőolaj (40-50 év, olajpalával 80-100 év), földgáz (40-50 (100) év, szénből mesterséges metán?), urán (U-235 (5 g/kg), 80-100 év, jobb hasznosítással, más üzemanyaggal (Th-232→U-233)?), A tüzelőanyagok egymással való helyettesítése korlátozott. A szénhidrogének eloszlása egyenlőtlen: kőolaj (62 % arab országok, 12 % Oroszország), földgáz (40 % arab országok, 36 % Oroszország (+közép-ázsiai utódállamok)). A szén és urán eloszlása kiegyensúlyozottabb, de urán üzemanyag-előállítás csak néhány országban (USA, Oroszország, Anglia-Franciaország, Kína, India, Izrael, Dél-Afrikai Közt., Pakisztán) Ennek következtében az energiahordozók ára növekszik: egyre drágább lelőhelyek kitermelése, az egyenlőtlen eloszlás miatt nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus), jövőben (?): környezet, szűkösség, erőszak.

Versenyképesség: megújuló energiaforrások Napsugárzás: 5,4.106 EJ/év, Ebből levegőben, földön óceánon hővé alakul (47 %): 2,55.106 EJ/év, Rövid hullámon visszaverődik az űrbe (30 %): 1,64.106 EJ/év, Hidrológiai (elpárolgás, csapadék) ciklus (23 %): 1,26.106 EJ/év, Szél, hullámzás (<1 %): 11,7.103 EJ/év, Fotoszintézis (biomassza): 1,26.103 EJ/év, Óceán árapály: 93,6 EJ/év, Vulkánok, forró források: 9,36 EJ/év, Hővezetés a kőzetekben (átlag 30 km): 1,01.103 EJ/év. A világ jelenlegi primerenergia-felhasználása: 450 EJ/év, azaz a napenergia elvileg 5666-ször, szél 26-szor, a biomassza 2,8-szor több, mint a jelenlegi évi felhasználás. Akkor mi a probléma? 2/3 (tenger) : 1/3 (szárazföld), kicsi teljesítmény-sűrűség, rendelkezésre állás (éjjel-nappal, fúj, nem fúj, termesztési ciklus). Az eddig ismert technológiák nem elég hatékonyak. Ennek következtében a megújuló energiaforrásokból előállított energia egyelőre drágább, mint a tüzelőanyagokból a meglévő technológiákkal előállított.

Környezet- és klímavédelem: Fajlagos CO2-kibocsátás „Tiszta” tü- Tüzelés reakcióegyenlete Mérleg Kibocsátás zelőanyag Moláris [g/mol] Tömeg [kg] [tCO2/GJü] Szén C+O2=CO2+qü 12+32= 44+qü 1+2,66= =3,66+33,8 MJ 0,108 Benzin (oktán) 2C8H18+25O2=16CO2+18H2O+qü 228+800= =704+324+qü 1+3,51= 3,09+1,42+48,8 MJ 0,063 Metán (földgáz) CH4+2O2=CO2+2H2O+qü 16+64= =44+36+qü 1+4= 2,75+2,25+49,5MJ 0,055 Biomassza (glükóz) C6H12O6+6O2=6CO2+6H2O+qü 180+192= =264+108+qü 1+1,07= 1,47+0,6+18 MJ 0,082 Hidrogén 2H2+O2=2H2O+qü =4+32=36+qü 1+8=9+119,6 MJ 0,0

Globális klímaváltozás a 21. században (előrejelzések)

Környezet- és klímavédelem A világ CO2 kibocsátása 2008-ban 30,2 milliárd t/év (1990-ben 22 milliárd t/év) volt. Fosszilis hőerőművek villamosenergia-termelésének fajlagos CO2-kibocsátása: Szén (ηE=28-42 %, q=12,86-8,57 kJü/kWhe): 1,39-0,93 kg CO2/kWhe, Földgáz (ηE=33-56 %, q=10,91-6,43 kJü/kWhe): 0,6-0,35 kg CO2/kWhe. Karbon-mentes technológiák: Hidrogén, Atomerőművek, Megújuló energiaforrások (nap, szél, víz, geotermikus). DE az előállításukhoz, felépítésükhöz felhasznált (számított) fosszilis energia CO2-kibocsátását figyelembe veszik! Jogilag karbon-mentes, „karbon-semleges”: Másodlagos biomassza-technológiák (termesztésükhöz, energetikai felhasználásukhoz kevesebb CO2 kibocsátással járó fosszilis energiafelhasználás, mint ami eltüzelésükkel jár); Kommunális, ipari hulladék (kényszer!). Sztratoszférikus ózonréteg károsodása: üvegházhatású gázok (metán, fluor, stb.). Lokális környezetszennyezés (technológiailag megoldott, többletköltség?): Pernye (leválasztás), SOx (füstgáz-kéntelenítés), NOx (DENOX, fluid-tüzelés, katalizátor).

Az energiahordozók ellátásának biztonsága Arányos energiahordozó struktúra (fejlett országok növekvő importfüggése): Saját termelés (fosszilis, karbon-mentes), Import (primer, szekunder). A hazai energiahordozók előnyben részesítése! Forrásdiverzifikáció: Az import energiahordozók több forrásból való beszerzése (ha lehetséges). Készletezés, tartalék: A tárolható primerenergia (szén, földgáz, olaj) felhalmozása a kisebb fogyasztású időszakban (nyáron) a nagyfogyasztású időszakra (télre). A nem tárolható villamos energia (csúcs, menetrendtartó, alap) erőmű összetétele, szabályozhatósága, tartalékerőművek, A kevés tüzelőanyagot felhasználó atomerőművek (42 t fűtőelem-köteg (14 t üzemanyag)/440 MWeév). Energiatakarékosság: Hatékonyabb (jobb hatásfokú) energiatermelés, Hatékonyabb, jóval takarékosabb energiafelhasználás.

Ellátásbiztonság Nagy egyenlőtlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. A primerenergia-források messzebb, nehezebb körülmények között vannak, egyre hosszabbak a szállítási útvonalak. Egyre több szűk keresztmetszet (csővezetékek, tankerek, olajfinomítók, szakember-hiány!). Feltörekvő országok (Kína, India, Brazília, Mexikó) gyorsan fejlődő gazdaságainak energiaigénye jelentősen nő. Növekvő verseny → a nagy fogyasztók energiaellátásának egyre nagyobb része importból → importfüggőség → az ellátásbiztonság sérül. Nemzetközi feltételektől való erős függés (terrorizmus, politikai zsarolás, bizonytalan jövőbeli környezetvédelmi követelmények) → konfliktusok lehetősége. Nagy kereskedelmi szervezetek (pl. OPEC) által szervezett együttműködési szabályok.

EU-15 importfüggése

Magyarország mennyiben felel meg a fenntartható energetika követelményeinek? Versenyképesség A hazai villamosenergia-rendszer (VER) része az UCTPE-nek, a földgáz-hálózat egy irányból, Oroszországból kapja a gázt, az osztrák csatlakozás kisegítő jellegű. A földgáz- és villamosenergia-piac jogilag liberalizált, de az egyirányú beszállítás (földgáz), ill. az erőmű összetétele, kapacitása és import (VER) miatt a verseny korlátozott, miközben a hazai piac mérete kicsi. A villamosenergia-termelés átlagos hatásfoka 33 %, a kapcsoltan termelt hővel együtt 37 %. A hőtermelés hatásfoka – a tüzelőanyagtól és a kazán állapotától függően – 50-95 % között változhat. A hő árát alapvetően (80 %-ban), a termelt villamos energia átlagárát részben (35 %-ban) a hosszú távon legjobb használati értékű, legkisebb CO2-kibocsátású, ezért legdrágább földgáz ára határozza meg, mert részaránya a hőtermelésben (a távhő 75 %-val együtt) 80 %, a villamosenergia-termelésben 35 %. Az üzemanyag ára kb. 70 % adótartalommal bír (EU gyakorlat), különbség az adók számában (több) és a felhasználásban (nem csak közlekedésre fordítják) van.

Környezet- és klímavédelem Egyelőre államilag kiosztott CO2-kvóták. A fűtési hő a háztartások és szolgáltatások (52,6 %) energiafelhasználásának 70-80 %-át teszi ki. Az épületek szigetelése nem megfelelő, a fűtés hőigénye, hőfelhasználása pazarló. A távhő részaránya – nemzetközi összehasonlításban is – jelentős (lakások 16 %-a), a távhőrendszerekben (az elmúlt húsz évben) számos, döntően földgáz-alapú kapcsolt (gázmotoros (>500 MWe) és gázturbinás (>1000 MWe)) egység létesült. A villamosenergia-termelésben a karbon-mentes (nukleáris+megújuló) részaránya a primerenergiában 18 %, a termelt villamos energiában 42 %. A hőtermelésben a karbon-mentes (megújulók) részarány a végenergiában (a hőtermelés tüzelőanyagában) mindössze 8 %. Az üzemanyagoknál nem mérhető a bekevert, jogilag karbon-mentes bio-alkohol és bio-dízel mennyisége.

Ellátásbiztonság Nincs egységes EU energiapolitika, s valószínűleg rövid időn belül nem is lesz. A hazai energiapolitika nem részesíti előnyben a hazai energiahordozókat. A primer energiahordozók arányossága jelentősen sérült (földgáz 41 %, főleg fűtési hő 80 %), egyre nagyobb mértékű, s így egyre kockázatosabb függés a GAZPROM-tól. A kőolaj és üzemanyag készletek, valamint a tárolt földgáz mennyisége megfelel az EU irányelveknek. A VER erőművek tartaléktartási követelményei közel megfelelnek az UCPTE előírásainak, miközben az erőművek összetétele a szabályozhatóság szempontjából kedvezőtlen.

Magyarország mennyiben felel meg a fenntartható energetika követelményeinek? A hazai energetika jelenlegi energiahordozó összetétele nem felel meg a fenntartható energetika követelményeinek, mert Versenyképesség: a primer és szekunder energiahordozók összetétele a kívánatosnál drágább energiaellátást eredményez; Környezet- és klímavédelem: a karbon-mentes technológiák részaránya a lehetségesnél jóval kisebb, Energiaellátás biztonsága: a földgáz nagy részaránya miatt sérült. A fenntartható energetika követelményeit hatékonyabb energiaigényekkel (kisebb primerenergia-felhasználás, elsősorban a hőfelhasználás területén), a hazai primer energiahordozókra jobban alapozó (ellátásbiztonság javítása), karbon-mentes (környezet- és klímavédelem), hatékonyabb hő- és villamosenergia-termelő technológiákkal (kisebb primerenergia-felhasználás) lehet kielégíteni, aminek következménye a felhasznált földgáz mennyiségének, részarányának csökkenése (a versenyképesség és ellátásbiztonság javulása).