Energiahordozók és -források

„Erőforrás és adottság” természeti erőforrás: az ember által hasznosítható természeti adottság; „in situ” erőforrás: csak a helyszínen hasznosítható, nem kitermelhető és nem szállítható természeti adottság: ami a környezetben rendelkezésre áll.

Természeti erőforrások

Alapfogalmak alap (primer) energiahordozók: energetikailag hasznosítható ásványi anyagok (pl. szén, kőolaj); alap (primer) energiaforrások: munkavégzésre használható természeti erők (pl. napsugárzás, szél, víz); átalakított (szekunder) energiahordozók: a primer energiahordozóktól fizikai tulajdonságaikban különböző anyagok (pl. brikett, benzin, gázolaj).

Alapfogalmak végső energiahordozók: az átalakított (szekunder) energiahordozóktól fizikai és kémiai tulajdonságaikban különböző energiahordozók (forró víz, gőz, villamos energia stb.); hasznos energiahordozók: a fogyasztó szempontjából hasznos energiaformák (mozgási-, helyzeti-, fényenergia stb.);

Energiaátalakítási lánc

Világ energiafelhasználása

Primer és szekunder energiahordozók Áttekintés

Energiahordozók Kimerülő energiahordozók és -források Megújuló energiahordozók és -források Kémiai tüzelőanyagok Napenergia szén napsugárzás kőolaj fotoszintézis földgáz szél egyéb éghető anyagok felszíni vízfolyások Nukleáris üzemanyagok tengeri hőfokkülönbség hasadóképes (fissziós) anyagok hullámzás energiája fúzióképes anyagok Biológiai energia Geotermális energia izomerő hőhordozók (víz, gőz) szerves tüzelőanyagok kőzetek hőtartalma reakciótermékek Exoterm reakciók Planetáris mozgás (gravitáció) árapály

Energiahordozók evolúciója

Primerenergia-felhasználás Forrás: Bob Everett (edt.), Godfrey Boyle (edt.), Stephen Peake (edt.), Janet Ramage: Energy Systems and Sustainability: Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, 2012.

Energia-mérleg Végenergia felhasználás, F Hasznos energia, H Összes primer energia felhasználás, G TPES Total Primary Energy Supply megújuló nem megújuló energiaforrások veszteségek és nem energetikai felhasználás energiaátalakítás energiaellátás hatásfoka: átalakítási, szállítási, tárolási és egyéb veszteségek szekunder energia TFC Total Final Consumption Végenergia felhasználás, F energiafelhasználás hatásfoka: UE Useful Energy Hasznos energia, H

Végső energiafelhasználás EU-27 2010. évi adatok, %-ban Forrás: EuroStat, http://epp.eurostat.ec.europa.eu

Energiaellátás hatásfoka (TFC/TPES) Total final consumption x 100, % Total primary energy demand H

Ásványi energiahordozók

A világ primerenergia- felhasználása Mtoe

Primer energiahordozó szerkezet

Energiafelhasználás régiónként Mtoe

Energiafelhasználás régiónként

Energiaválságok

Energiaválságok

Energiaválságok

Energiaválságok

A „készlet” fogalma

Tüzelőanyagok

Szén

Szén Kiinduló anyag: cellulóz, hemicellulóz, pektinek, gyanták, zsírok, viaszok, fehérjék. Szénképződés fázisai tőzegesedés, szénülés.

Szén szerkezeti felépítése

Ásványi szenek

Szénkészletek Valószínűsíthető szénkészletek: feketeszén: 5800 Gtoe barnaszén: 580 Gtoe Kimerülési időtartam: 200..300 év. Eddig a készlet kb. 2%-a fogyott el. Magyarországi készletek: feketeszén: 600..700 Mt; barnaszén: 1 Gt; lignit: 3 Gt.

Szén kitermelés és szállítás Külszíni fejtés fiatal szenek; nagy anyagmennyiség mozgatása → rekultiváció; kis távolságú szállítás → bánya-erőmű integráció; szállítás: szállítószalag, kötélpálya, vasút.

Szén kitermelés és szállítás Mélyművelésű bányák jó minőségű (öregebb) szenek; veszélyes üzem (vízbetörés, sújtólégrobbanás, szénporrobanás); nagy távolságra is gazdaságosan szállítható; szállítás: vízi, vasút, fluidizálva csővezetéken.

Szénkitermelés - Világ Mt

Szénkitermelés - Régiónként

Szén világkereskedelem Kitermelés Export Import

Magyarország széntelepei

A szén hasznosítása AF: alacsony fűtőértékű

Fischer-Tropsch eljárás Németország: 1926-1950, különösen a II. világháborúban; Dél-Afrika, USA: ma is (feljövőben lévő technológia)

Gázosítás hidrogénnel Szénelgázosítás Gázosítás oxigénnel C + 1/2 O2 CO Égés (oxidáció) C + O2 CO2 Gázosítás CO2-vel C + CO2 2CO Gázosítás vízgőzzel C + H2O CO + H2 Gázosítás hidrogénnel C + 2H2 CH4 Víz-gáz váltás CO + H2O H2 + CO2 Metánképzés CO + 3H2 CH4 + H2O Összetétel (térfogat%) H2 25..30 CO 30..60 CO2 5..15 H2O 2..30 CH4 0..5 H2S 0,2..1 COS 0..0,1 N2 0,5..4 Ar 0,2..1 NH3 + HCN 0..0,3 Hamu/Iszap/Pernye Szén Oxigén Gőz

Szénelgázosítás Nyersanyag Gázosítás Gáztisztítás Végtermék Kombinált ciklusú erőmű szén, petrolkoksz, lepárlási maradékok Hagyományos hőerőmű Oxigén Kén- leválasztás Gázosító Egyéb végtermékek: Hidrogén Ammónia Metanol Szintetikus gáz Piacképes termék: elemi kén Hulladék: hamu

Földalatti szénelgázosítás

Szénfelhasználás

Szénfelhasználás

Kőolaj

Mi a kőolaj? Nyersolajnak nevezzük azokat a szerves anyagokat, amelyek folyékony halmazállapotúak az őket tartalmazó réteg körülményei között. A kőolaj összetétele: szénhidrogének S, O, N, P vegyületek fémvegyületek (V, Ni, Cu, Co, Mo, Pb, Cr, As) H2S és víz Elemi összetétel: C: 79,5..88,5%, H: 10..15,5%

Legfeljebb 15 km mélységig! Keletkezés Engler-féle elmélet: elhalt élőlények → szervesiszap (szapropél) anaerob bomlás → szénhidrogén dúsulás geológiai csapda (p, T) → cseppfolyósodás Legfeljebb 15 km mélységig!

Mélységi előfordulás

Kőolaj előfordulás

Főbb vegyülettípusok Alkánok és paraffinok (telített) Naftének (ciklo-paraffinok) (telített) Aromások (telítetlen) normál izomer ciklikus vegy.

Kőolajtípusok Paraffin alapúak – mélyebb rétegekben találhatóak (öregebbek). Naftén vagy aszfalt bázisúak – felsőbb rétegekben fordulnak elő (fiatalabbak). Kevert (intermedier) bázisúak – közbenső zónákban vannak. Összetétel a világ összes kőolaját tekintve: kb. 30% paraffinok, 40% naftének, 25% aromások

Kőolajtípusok kor szerint

Olajkereskedelem

Kőolajipar

Kitermelés Elsődleges eljárás: természetes rétegnyomás hatására → 10%; Másodlagos eljárás: gáz/víz visszasajtolás → +30%; Harmadlagos eljárás: forró gőz visszasajtolás, vegyszeres folyósítás → +40..50%.

Feltárás Talajrezgések keltése, visszaverődés érzékelése Próbafúrások

Elsődleges eljárás Gázzal működő telep (olaj a gyűrődéses boltozatban): a kőolajtest felett gázsapka foglal helyet, melynek nyomása az olajt a felszínre hajtja. Vízzel működő telep (kőolajtest alatt víz foglal helyet): az olajat az olaj alatti víznyomás emeli a kúton keresztül a felszínre. A termelés mindaddig egyenletes, amíg a talpi víz eléri a perforálást, ekkor termelés befejeződik.

Másodlagos eljárás A gáz és víz visszanyomás kombináltan. Gázzal: termeléssel egyidejűleg gáz visszanyomását; a felszínre került gázt kezelés után visszajuttatják a gázsapkába. Vízzel: visszasajtolás az olajtest alá; jobb kihozatal mint gázzal.

Fúrási mélység

Mélyfúrás technológiája Rotary fúrás Fúró szerszám: fogas görgő. Fúró iszap: tixotrop folyadék, adalékokat tartalmaz, mint a bentonit, cellulóz, emulgeátorok, inhibítorok, sűrűsége 1,1 és 1,4 g/cm3 közötti. Vízszintes fúrás aktív irányítással

Olajkitermelés Mt

Olajkitermelés

Előfeldolgozás A kőolaj nem tisztán kerül a felszínre, nyersolaj + „szennyező” anyagok: sós víz (vízmentesítés), ásványi anyagok (elektromos sómentesítés), illékony (CH4, C2H6, C3H8, C4H10) szénhidrogének (stabilizálás: ellenáramban száraz földgáz (CH4) magával ragadja az illékony gázokat). Termék: - szállítható stabil olaj, - nedves gáz (gazolin): CH4 + nagyobb molekulasúlyú CH-ek → feldolgozás (pl. PB gáz).

Kőolaj feldolgozás Desztilláció: atmoszférikus, vákuum Forrpont szerinti elválasztás: benzin: 50..200 °C petróleum: 150..250 °C gázolaj: 200..360 °C fűtő és kenőolajok, szilárd termékek, paraffin, bitumen

Kőolaj feldolgozás

Atmoszférikus desztilláció

Továbbfeldolgozás Az atmoszférikus desztilláció maradé-kainak feldolgozása: Kénmentesítés katalitikus! Krakkolás katalitikus! Hidrokrakkolás katalitikus! Reformálás katalitikus! Maradékfeldolgozás termikus Keverő komponens gyártás katalitikus!

Katalitikus krakkolás Feladat: molekulatömeg és forrpont csökkentés Katalizátor: savas zeolit Krakkolás

Kénmentesítés (gázolaj) Hidrokrakkolás Feladat: kéntartalom csökkentése Katalizátor: Mo, Co, Ni szulfid Kénmentesítés + 4 H = C H 2 4 10 + H 2 S S

Magyarország olajipara

Stratégiai olajtárolók

Kőolajtermékek A desztilláció és a krakkolás kimenete még nem késztermék! További kezelések: szennyezőanyagok eltávolítása; molekulaszerkezet módosítása; adalékolás.

Kőolajtermékek Kereskedelmi kőolajtermékek: motorhajtó anyagok; tüzelőanyagok; kenőanyagok (zsírok és olajok); vegyipari alapanyagok.

Üzemanyagok osztályozása benzin (ts=40..200 °C), petróleum (ts=160..300 °C), gáz (dízel) olaj (ts=200..350 °C), könnyű (ts=40..300 °C, ρ=0,625..0,840 kg/dm3), nehéz (ts>300 °C, ρ>0,840 kg/dm3), könnyű (ts=40 °C, ρ=0,625 kg/dm3), közepes (ts=250 °C, ρ=0,825 kg/dm3), nehéz (ts=350 °C, ρ=0,9 kg/dm3) határpontokkal.

Üzemanyagok jellemzői Motorbenzin: optimális illékonyság a karburáláshoz, ne legyen korrózióagresszív, ne képződjön gyanta, jó kompressziótűrés. Gázolaj: megfelelő viszkozitás (szivattyúzás), alacsony dermedéspont, ne legyen hajlamos a kokszképződésre, alacsony kéntartalom jó legyen a gyulladási hajlama. Kerozin (speciális petróleum): a nagy magasságra jellemző hidegben is folyékony maradjon, nyomokban se tartalmazzon vizet, ami megfagyhat, magas hőmérsékleten ne oxidálódjon, ne legyen hajlamos a kokszképződésre (fúvóka eltömődés).

Feldolgozott termékek

Feldolgozott termékek Mt

Finomítók termelése

Finomítás, export, import

Földgáz

Keletkezés - Összetétel Keletkezése: a kőolajhoz hasonlóan, leggyakrabban a kőolajtelepek telepek kísérője. Összetétele: általában kis szénatomszámú szénhidrogénekből, legnagyobb részben metánból áll [paraffin-tartalmú gázok (CnH2n+2) keveréke]. savanyú, ha H2S (korróziót okoz) és CO2 tartalmú (ballaszt) nedves, ha több, nagy forráspontú szénhidrogént tartalmaz (belőle LPG (propán-bután) nyerhető), ill. H2O tartalmú (amelyből kristályok válnak ki).

Gázfelhasználás

Gázfelhasználás

Földgázipar

Kitermelés Száraz kutakból a gáz 60..80%-át a rétegnyomás a felszínre hajtja (néha 100 bar, 7,5 km mélységből), vízelárasztással 85..95% is a felszínre hozható. Új forszírozott módszerek a mélyben levő, kis áteresztő képességű szerkezetek fellazítását, áttörését célozza: a rétegek hidraulikus repesztése, a szerkezet fellazítása robbantással.

Gázkitermelés régiónként Mrd m3

Kitermelés - Előfeldolgozás A nedves gázt a gazolin-telepen száraz gázra és nyers gazolinra fizikai eljárásokkal szétválasztják: t csökkentése, p egyidejű növelése → a propánnál több C-atomot tartalmazó molekulák cseppfolyós halmazállapotba kerülnek. A nyers gazolint nyomás alatt desztillálják egyrészt cseppfolyósított PB (Liquified Petroleum Gas, LPG) -gázt előállítva, és palackozva, de PB-gáz a kőolaj-finomítás melléktermékeiből is keletkezik. másrészt ts=35..100 °C komponensekből → stabilizált gazolin (C4..C12 komponensek). A földgázban éghetetlen komponensek (N2, CO2, H2S) néha ipari nyersanyagként gazdaságosan kinyerhetők, de tüzeléstechnikai szempontból nem kívánatos alkotók. Mo-on főleg CO2.

Szállítás előkészítés A kitermelt földgázt a szállításra elő kell készíteni, ami a mezők közelében létrehozott földgázüzemben történik: szeparálás (a folyadékok leválasztása), a szilárd szennyező anyagok leválasztása elektrosztatikus leválasztókkal, a különböző frakciók szétválasztása a gazolin-üzemben (a szállítási nyomáson kondenzálódókat), vízgőz leválasztása (szárítással vagy hűtéssel), H2 elválasztása hűtéssel, kén-hidrogén és szén-dioxid eltávolítása abszorbensekkel.

Szállítás gázként A tisztított száraz földgáz döntően csővezetéken szállítják a forrástól a fogyasztókig. A földgázhálózat részei nagynyomású (p>25 bart), nagy-középnyomású (p=25-4 bart), középnyomású (p=0,1-4 bart), városi szolgáltató (p=0,03-0,08 bart). Nyomásfokozás nagynyomású távvezetékeknél (150..200 km-ként) gázturbinával hajtott kompresszorokkal. A földgáz áramlási sebessége 10..15 m/s.

Szállítás folyadékként LNG (Liquified Natural Gas) tengeri szállítása megfelelően hőszigetelt (CH4, ts=-161 °C), 104..105 t szállítókapacitású hajókkal: feladó kikötő: cseppfolyósító berendezés (hűtés -160..-200 °C-ra), fogadó kikötő: tengervízzel melegített elpárologtató. A folyadékfázis felett annyi metángőzt szívnak el, hogy annak párolgási hője megfeleljen a hőszigetelésen keresztül bejutó hőnek. Ez a napi 0,25-0,3%-nyi veszteség a hajó hajtására szolgál. A hajópark (kb. 90 hajó) összes kapacitása 10 Gm3.

Gáztárolás Tárolási lehetőségek (gazdaságossági sorrendben): Leművelt szénhidrogén telepekben: földalatti gáztelepekben gázcsapadék telepekben kőolajtelepekben Víztároló rétegben mestereségesen létrehozott tárolótérben. Sótömbökben mesterségesen létrehozott üregekben.

Gáztárolás

Nemzetközi gázkereskedelem

Európai gázhálózat (Gazprom)

Nabucco gázvezeték

Magyarországi földgázhálózat

Gázfelhasználás

Földgázimport Az import földgáz az összes energiahordozó importon belül és hazai kitermelés