Megújuló energiaforrások illeszkedése a szekunder energiahordozókhoz Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Megújuló energiaforrások illeszkedése a szekunder energiahordozókhoz

Kapcsolatok Szekunder energiahordozók: Üzemanyag. Üzemanyag → közlekedés (hajtás), Hő → fűtés, hmv, technológia, Villamos energia → közlekedés (hajtás), fűtés, hmv, technológia, világítás, információtechnika. Üzemanyag. Vezetékes energiaellátó rendszerek: Földgáz, Villamos energia, Távhő (lokális). Megújuló energiaforrások: Bio-üzemanyag, biogáz → CH4 (SNG, RNG) → földgáz, Víz-, szélerőművek (nap) → VER, Biomassza (hulladék), geotermikus → távhő, Biomassza (hulladék) → távhő + VER (kapcsolt). Hatékonyság-javítás a három szekunder energiahordozó területén.

1. Üzemanyag Az üzemanyagok belső égésű motorok (gépjármű, vasút, hajó) és gázturbinák (repülőgép) hajtóanyaga. Az üzemanyagokat (benzin, gázolaj; kerozin) főleg kőolajból finomítással és adalékok bekeverésével állítják elő. A motorok, gázturbinák az üzemanyagok kémiailag kötött energiáját (fűtőértékét) hasznosítják úgy, hogy a felszabaduló tüzelőhőt mechanikai energiává alakítják, ami általában haladó mozgásra (közlekedés) szolgál. Magyarországon értékesített üzemanyag 2009-ben 110 PJ/év (3,1 Gl/év), ebből E-85 (3,2 Ml/év) volt, CO2-kibocsátás 7,4 Mt/év.

Üzemanyagok A benzin (oktán C8H18) fűtőértéke 48,8 MJ/kg, fajlagos CO2-kibocsátása 0,063 t CO2/GJü; Az E85 bio-üzemanyag szemes növényekből (gabona, kukorica) első generációs technológiával előállított etanol (etil-alkohol, C2H5OH) és benzin ~70/30 % arányú keveréke. Fűtőértéke ~35,6 MJ/kg, fajlagos CO2-kibocsátása 0,012 t CO2/GJü; Szintetikus földgáz (RNG (USA), SNG (EU)) gazdaságos üzemanyaggá válhat, amit mezőgazdasági melléktermékekből és állattenyésztési hulladékokból állítanak elő. Fűtőértéke 34 MJ/Nm3 (47,2 MJ/kg), fajlagos CO2-kibocsátása 0,055 t CO2/GJü (biomasszából karbon-mentes); Villamos energia „üzemanyag”, fajlagos CO2-kibocsátása 0,394 t CO2/MWhe (hazai VER); Hidrogén gazdaságosan mezőgazdasági és állattenyésztési hulladékból (algákból?) állítanák elő. A hidrogén fűtőértéke 119,6 MJ/kg, nincs CO2-kibocsátása.

Az üzemanyagok összehasonlítása (L=100 km, E=21 kWhm) Tüzelőhő [MJü] Hatásfok Üzemanyag-felhasználás Fajlagos CO2-kibocsátás Benzin 216 0,35 6 l 13,6 E85 7,6 l 2,6 Villamos energia 286 0,37 26 kWhe 10,2 SNG/RNG 4,39 kg C-semleges (12 kg) Üzemanyag-cella 152 0,50 3,2 (8,4 kg) Hidrogén 169 0,45 1,4

Technológia Az üzemanyagok tisztasága, típusa → szakmakultúra. személygépkocsik, tehergépkocsik, buszok, motorvonatok, hajók (dízel, földgáz), atommeghajtású hajók, tengeralattjárók, hidrogén-hajtású személygépkocsik, buszok. Átmenet: tengeralattjárók rövid idejű akkumulátoros hajtása, dízelgenerátoros hajtású hajók, trolibusz, villanymozdonyok, hibrid (üzemanyag és villamos energia) személygépkocsik. „Villamos energia” ↔ hidrogén, metán? személy-, tehergépkocsik, autóbuszok?

Földgázellátás

A hazai nagynyomású földgázhálózat [Zsuga]

V[m3/nap] -Τ [nap/év] Vsz kitárolás tárolás Csúcs korlátozás

2. Hőellátás A hőt, „meleg energiát” (fűtés, melegvíz, technológia) alapvetően a tüzelőanyagok kémiailag kötött energiájából állítják elő, ami (esetenként) kiegészülhet hulladékhő-hasznosítással előállított hővel is. A fűtés, melegvíz, technológiai hő egy részét és a hűtést, „hideg energiát” (abszorpciós hűtés kivételével) pedig villamos energiával állítják elő. Magyarország 2009-ben: Lakossági fűtési hő: 116 PJ/év (Qü=132 PJ/év), MCO2=5,7 Mt/év, Használati melegvíz: 42 PJ/év, MCO2=2,8 Mt/év, Technológiai hő: 149 PJ/év, MCO2=10,0 Mt/év, CO2-kibocsátás: 18,5 Mt/év.

Magyarország ~4,3 millió lakás, amiből ~2,8 millió földgáz- (63 %), 652 ezer (15 %) távfűtött, 665 ezer fatüzelésű (15 %), 141 ezer szén, 5 ezer fűtőolaj, 60 ezer villamos energia. Meghatározó a földgáz részaránya, távfűtött lakásokkal együtt ~80 %. A lakosság hőfelhasználása csak becsülhető, mert csak a földgáz és villamos energia fogyasztott mennyisége van mérve. Egy átlagos hazai lakás főzésre 5 GJ/év (10 %), használati melegvízre 13 GJ/év (25 %), fűtésre 35 GJ/év (65 %), összesen 53 GJ/év hőt használ fel.

A lakosság becsült hőfelhasználása 2008-ban Típus N [ezer db] Főzés Hmv Fűtés Tömbfűtés 160 0,48 1,92 5,6 Központi fűtés 1480 4,40 17,76 51,8 Konvektor 1010 3,03 12,12 35,35 Gázfűtés 2650 7,9 31,8 92,7 (66 %) Távhő fűtés 650 1,95 2,1 17,3 (12 %) Távhő hmv 475 5,82 Villamos energia 60 0,18 0,72 Szén 140 0,42 1,68 4,9 Fűtőolaj 5 0,02 0,06 Tűzifa 665 2,0 7,98 23,27 Összes 4170 12,5 50,2 126,5 Nyaraló (fűtés nélkül) 230 0,23 0,92 ~4400 12,7 51,1 140,4

Fogyasztás Energiahordozó USA Helyiségfűtés 31 %, Helyiséghűtés 12 %, Hmv 12 %, Világítás 11 %, Számítógép, elektronika 9 %, Háztartási készülékek 9 %, Hűtés 8 %, Egyéb 8 %. Energiahordozó Földgáz: 53 %, Villamos energia: 30 %, Fűtőolaj: 7 %, Egyéb 9 %, Nincs fűtés 1 %.

Helyiségfűtés Helyiségfűtés → fogyasztói szokások: Milyen belső hőmérsékletet tartunk (tb=20±2 oC), de ettől eltérő is lehet. (Mérsékelt, hideg égöv) a fűtési szezon időtartama eltérő,milyen hőmérséklettől fűtünk? távhő< 12 oC, földgáz <15 oC, De országonként is eltérő. Fűtési mód: egyedi, központi, távfűtés. Hőigény → építési kultúra: az épület tájolása, nyílászárók, szigetelés → „energiatakarékos” épületek, fűtési mód, szellőzés.

Hmv, technológiai hő Használati melegvíz (>45 oC) → fogyasztói szokások: fürdés, zuhanyozás, mosogatás, takarékosabb vízfelhasználás (l/főnap). Főzés → fogyasztói szokások: családi, étterem, előkészített ételek. Gazdasági technológiai → szakmakultúra: Hőigény: hatékonyabb (kisebb energiaigényű) technológiák, hulladékhő- és hulladékvíz-visszanyerés, kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés (alap) és kazán (csúcs hőforrás) kooperációja, Üzemeltetés, karbantartás színvonala.

Technológia Helyiségfűtés: Használati melegvíz: Főzés (egyedi): tűzhely, kályha, gázkonvektor, villanykályha, egyedi kazán a helyiségekben radiátorokkal, egy fan-coil-al és levegő-keringtetéssel, -cserével, központi kazán a lakóhelyiségekben radiátorral, központi fan-coil levegő-keringtetéssel, -cserével, távfűtés (kooperáló fűtőerőmű és kazán, távvezeték-hálózat, fogyasztói hőközpontok, fogyasztók radiátorokkal, lehetőség központi fan-coil levegő-keringtetéssel, levegőcserével,). Használati melegvíz: gáz- és villanyboiler, központi (kazán) és távhő fogyasztói hőközpont (hmv hőcserélők), napkollektor. Főzés (egyedi): gáz- és villanytűzhely, „naptűzhely” (fejlődő világ), biomassza „tűzhely”. Ipari technológiai: hőhordozók: vízgőz-kondenzátum, termoolaj, füstgáz, „villamos energia”.

Távhőellátás

Kétcsöves távhőrendszer hőigénye

A fűtés hatékonyságának javítása

Napkollektoros hmv-termelés: Hatékonyság-javítás Fűtés: kisebb hőigény, rövidebb fűtési szezon. Napkollektoros hmv-termelés: Tüzelőhő, villamos energia csökken, Nyáron távhő hmv nem szükséges, forróvíz keringtetés? Következmény: Földgáz-, távhő-szolgáltató gazdaságossága? Nem érdekelt a hatékonyság javításban.

3. Villamosenergia-ellátás A legjobb használati értékű szekunder energiahordozó. A villamos energia előállítható: fosszilis tüzelőanyagok kémiailag kötött energiájából hőerőművekben (CO2-kibocsátás), nukleáris üzemanyagok atommagban kötött energiájából atomerőművekben (C-mentes), Megújuló energiaforrásokból: víz-, szélerőművek, fotovoltaikus (PV) napelemek (C-mentes), biomassza (C-semleges) és geotermikus fűtőerőművekben (C-mentes). Hazánkban 2009-ban ~5,2 millió háztartási (lakossági), 84 ezer termelő ági és ~280 ezer nem termelő ági fogyasztó volt.

Villamosenergia-termelés A 2009-ben Magyarországon termelt villamos energia (38,689 TWh) 52 %-a (20,26 TWh) járt CO2-kibocsátással, míg 48 %-a karbon-mentes, ill. semleges (18,429 TWh) volt. Értékesített villamos energia 126,9 PJ/év (35,25 TWh/év) . Összetétele: 6,346 TWh szén, 13,914 TWh (szénhidrogén) földgáz; 15,426 TWh nukleáris, 0,228 TWh víz, 0,331 TWh szél és 2,444 TWh biomassza és kommunális hulladék; CO2-kibocsátás: 14,1 Mt/év.

Villamosenergia-felhasználás Világítás, információtechnika („szórakoztató” elektronika) → fogyasztói szokások: technológiaváltás → energiatakarékos égők (világítótestek követése), egyre kisebb fogyasztású berendezések, de készenléti állapot is (kapcsold ki). Hajtás: → kooperatívabb társadalom Az egyéni közlekedésről „átállás” a városi vagy, távolsági tömegközlekedésre. De ehhez megfelelő infrastruktúra és színvonal szükséges. Hűtés → fogyasztói szokások: légkondicionálás (tb=22 oC), milyen hőmérséklettől, fagyasztás (élelmiszerek, -35 oC-ig), ipari technológiák (pl. gázok cseppfolyósítása, -180 oC-ig).

Technológia Termelés: Centralizált vagy decentralizált? szén, fűtőolaj, földgáz kondenzációs és fűtő gőzerőművek, atomerőművek (BWR, PWR 3+, más hőhordozóval, moderátorral és munkaközeggel), földgáz vagy üzemanyag gázturbina és kondenzációs gőzturbina kombinált erőmű, gázturbinás és gázmotoros fűtőerőművek, biomassza és (kommunális, ipari) hulladék fűtő gőzerőművek, víz-, szél- naperőművek, fotovoltaikus napelemek, geotermikus erőművek, földgáz (biogáz), hidrogén tüzelőanyag-cellák. Centralizált vagy decentralizált? centralizált: villamosenergia-rendszer (erőmű, hálózat, fogyasztók sokasága), decentralizált: valamilyen tüzelőanyagból kiserőmű és egyedi vagy kisebb fogyasztócsoport ellátása hővel és villamos energiával → a VER teljesítményének csökkenése.

Villamosenergia-ellátás

A hazai nagyfeszültségű villamos hálózat [Gerse]

Villamosenergia-igény P(t), P(τ) t [h] P [W] 24 Pcs Pmin t [h/év] P [W] 8760 Pmax Pcs Pm Pa Pmin

Erőműtípusok

Illeszkedés a VER üzemviteléhez A villamosenergia-tárolás „gyengesége” miatt P(t)fogyasztók=P(t)erőművek-P(t)veszteség. Időjárásfüggő erőművek → kiegyenlítő erőművek → szivattyús tározós erőmű. Beépített (BT) és rendelkezésre álló teljesítmény (RT):

Támogatások Beruházási (pl KEOP). Támogatott ár és kötelező átvétel. Jelenleg a támogatás 80-85 %-a földgáz-bázisú kapcsolt energiatermelés. A kötelező átvétel megmarad, de 2011-től versenyáron, Jelenleg hőártámogatás, 2013-tól új megújuló támogatás? CO2-adó, karbonmentes technológiák, zöldbizonyítványok.

Vezetékes energiahordozók jellemzői Villamos energia Földgáz Távhő Hálózat országos, országok közötti lokális (szállítás<~30 km) Minőségi jellemzők Frekvencia (f=50±0,05 Hz), feszültség, Szinusz hullámalak Fűtőérték (összetétel) (Hü>34 MJ/Nm3) nyomás helyiséghőmérséklet tb=(20±2) oC, hmv hőmérséklet >45 oC Primer tüzelőhő [PJ/év] 2008. évi felhasználás (1120) 433,1 (39 %) 304,7 (27 %)1 Végenergia [PJ/év] 2008. évi felhasználás (769) Egyéb tüzelőhő 144,1 (20 %) (40,026 TWh/év) 304,7 (47 %) 132,2 (17 %) 37,8 (5 %)

Vezetékes energiahordozók gazdasági modellje