Energetika I-II. energetikai mérnök szak energetikai BSc szak Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Gépészmérnöki Kar Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék Dr. Ősz János Energetika I-II. energetikai mérnök szak energetikai BSc szak

Energiaellátás és fenntartható fejlődés 1. témakör Energiaellátás és fenntartható fejlődés

Tartalom 1. Energiaellátás. 2. Energiamérleg. 3. Energiahatékonyság. 4. Fenntartható fejlődés.

Az energetika „helye”

1. Energiaellátás Feladata: a nemzetgazdaság (települések, ipari és mezőgazdasági üzemek, az intézmények és a lakosság) biztonságos, gazdaságos és környezetbarát ellátása. Területei: energiahordozók előállítása, szállítása, elosztása, tárolása, energia-végfelhasználás. Mindhárom alrendszerben sokféleség és sokszínűség. A fogyasztók mindig teljesítményt igényelnek, melynek idő szerinti integrálját az energiát tarjuk nyilván.

Az energiaellátás rendszerstruktúrája

1.1. Energiahordozók előállítása Primer energiahordozók = tüzelőanyagok: az anyagokban kötött kémiai és nukleáris energia. Tüzelőanyagok: szén (C), szénhidrogének (CH): kőolaj és földgáz, nukleáris (A): urán, (tórium). Tüzelőanyagok termelése = bányászat, mely a művelt terület elhelyezkedése szerint - külszíni, - mélyművelésű. Kitermelésnél keverék = tüzelőanyag/ok/ + egyéb anyagok, ezért szükséges a feldolgozásuk → szekunder energiahordozó előállítása.

1.1. Energiahordozók előállítása Megújuló energiaforrások: a természeti folyamatok által keletkező energiák. Fajtái: napsugárzás, szél, víz, árapály, (geotermikus), biomassza (köztük az emberi tevékenység hulladékai) → megújuló tüzelőanyagok.

(Megújuló) (Geotermikus): ha a föld mélyéből kivett víz visszasajtolásra kerül. (Hulladékok): az emberi tevékenység által „megújuló” (jogilag: szelektíven gyűjtött, újrahasznosítható hulladék). A gazdasági, a lakossági-kommunális szektor energetikai hasznosításra alkalmas hulladékai elsősorban a deponálandó hulladék térfogatának kb. 1/3-1/6 (tizedére) való csökkentése miatt. (A hulladékgazdálkodás feladata a hulladékok összegyűjtése, szelektálása, hasznosító művekhez való eljuttatása.) - külön kategória: veszélyes hulladékok (pl. gumiabroncs, elhullott állatok).

1.1.2. Szekunder energiahordozók Szekunder energiahordozók: szállításra (tárolásra) és felhasználásra alkalmas („kényelmes”) energiahordozók. Tüzelőanyagok: fosszilis: kémiailag kötött energia (C, CH), fisszilis: nukleárisan kötött energia (A). Üzemanyagok: fosszilis: kémiailag kötött energia (CH).

1.1.2.1. Fosszilis tüzelőanyagok Szén: feldolgozás nélkül és a feldolgozás maradéka → hőerőművekben villamosenergia-termelés, feldolgozott: ipari (koksz) és lakossági szén (brikett), szénelgázosítás → szintetikus CH4 (földgáz) → jövő? a bányából gáz halmazállapotú tüzelőanyag felhozatala (vizsgálat alatt).

1.1.2.1. Fosszilis tüzelőanyagok Kőolaj: nyersolaj feldolgozása = finomítás, melynek termékei: ipari és energiahordozó (motor üzemanyag, tüzelő- fűtőolaj). Földgáz: feldolgozása, melynek termékei: energiahordozó (földgáz (tüzelőanyag, motor üzemanyag), PB-gáz, inertes és inert gáz). A prognosztizált becslések szerint a kőolaj és a földgáz a fő energiahordozó az elkövetkező 30-50 évben.

1.1.2.2. Fisszilis tüzelőanyagok Nukleáris: természetes urán (U-235 (0,72 %), U-238 (99,27 %), dúsítás (U-235 1,6, 2,4, 3,6% és nagyobb), fűtőelem és kazetta gyártás, kiégett fűtőelemek reprocesszálása.

1.1.2.3. Villamos energia Villamos energia: villamos jelenségek formájában előállított munkavégző és/vagy hőátadó képesség (legjobb használati értékű szekunder energiahordozó). A fosszilis és fisszilis tüzelőanyagokból, és elvileg az összes megújuló energiaforrásból előállítható erőművekben.

1.1.2.4. Hő Hő: a hőmérséklet-eloszlás inhomogénitására létrejövő transzportmennyiség: a hőhordozó hőátadó képessége. Hőhordozók: - víz (melegvíz, forróvíz, gőz), - levegő, termoolaj. A fosszilis és (fisszilis) tüzelőanyagokból, több megújuló energiaforrásból (nap, biomassza, geotermikus, hulladék tüzelőanyag) előállítható fűtőművekben, fűtőerőművekben és fűtőberendezésekben, továbbá hulladékhő-hasznosítással is.

1.2. Energiahordozók szállítása Elosztás szervezeti: a primer és szekunder energiahordozók termelők és fogyasztók közötti kereskedelme, területi = szállítás: a primer és szekunder energiahordozók eljuttatása a területileg szétszórt termelőkhöz és fogyasztóhoz. Tárolás: az energiaigények szezonális és piaci egyenlőtlenségeinek kiegyenlítése az egyenletes ütemben előállított energiahordozók felhalmozásával.

1.2.1.Energiahordozók szállítási módjai Vasút Víz Közút Távvezeték Szén x Nyersolaj Olajtermék Földgáz X (cseppfolyósított) PB-gáz Villamos energia Hőhordozó

1.3. Energia végfelhasználás Különböző statisztikai feldolgozás. Energia szerint: hajtás (mechanikai): 20-30 % (közlekedés, technológia) hő: 60-70 % (technológia, fűtés(hűtés)+hmv), világítás, információtechnika: 3-8 %. Szektorok szerint: gazdasági szektor (ipar, mezőgazdaság), lakossági-kommunális szektor, (távfűtés) közlekedés, egyéb.

1.3.1. A világ primerenergia-felhasználása 1965-1990. között (25 év alatt) a világ primerenergia-felhasználása megkétszereződött, s elérte a 95,1.1012 kWh/év=3,42.105 PJ/év=8,15.109 toe értéket. Az átlagos növekedés 1974. előtt 5 %/év, 1994-től 2 %/év. OECD országok: közlekedés, szállítás: 31 %, ipar: 34 % (vegyipar 6 %) háztartás és mezőgazdaság: 35 %. Új nagyfogyasztók (Kína (1300 Mfő), India (1000 Mfő) megjelenése.

2. Energiamérleg Energiamérleg: a különböző energiahordozók, különböző veszteségek, különböző szintű, együttes mennyiségi számbavétele. Nemzetközi, országos energiamérleg: toe [1 toe=42 GJ] vagy PJ [1015 J]. Mértékegységek közötti átváltás! (1 kWh=3,6.106 J)

Az energiaellátás folyamábrája

2. Energiamérleg Nemzetközi statisztikákban: TPES (Total Primary Energy Supply): összes primerenergia-ellátás, TFC (Total Final Consumption): összes vég(energia) felhasználás.

2. Energiamérleg Tervezés: a múlt tény- és a jövő becsült adatai alapján különböző (várható, optimista, pesszimista) forgatókönyvek készítése. Energiahordozók korlátozott mértékű alternativitása. Energiahordozó és végfelhasználási struktúra lassú (hosszú ideig tartó) változása. A technológiai átalakítások évtizedekben mérhetők.

3. Energiahatékonyság Energiahatékonyság: meghatározott energiafelhasználás mellett a gazdaság mekkora termelési értéket valósít meg. A nemzetgazdaság energiaigényessége A nemzetközi statisztikák gyakran az egy főre eső primerenergia-, villamosenergia-felhasználást adják meg.

Energiahatékonyság Az energiaigények, és ezáltal az energiafelhasználás csökkentése!: Hő: jól szigetelt épületekkel, kisebb hőfelhasználású technológia. Üzemanyag: kisebb fogyasztású autók. Villamos energia: jobb hatásfokú erőművek, kapcsolt energiatermelés, takarékos berendezések (világítás, szórakoztató elektronika). Fogyasztói szokások megváltozása (közlekedés, áramfogyasztók kikapcsolása)?

4. 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.

4. Fenntartható fejlődés Az energetika kiemelt jelentőséggel bír a fenntartható fejlődésben: a fejlődés feltétele, motorja és jellemzője, ökológiai hatásai: kibocsátások, hatás a globális felmelegedésre, hatás az ózonlyuk növekedésére, hatás a biológiai sokféleségre.

4. Fenntartható fejlődés Jelenlegi állapot: természeti kincsek végessége (lásd készletek), gazdasági-társadalmi különbségek, energetikai ellátásbiztonság, kibocsátások és azok hatásai. A technikai fejlődés kétarcú, pozitív és negatív hatások, a fejlődés egyik mozgatóereje, csak régebben időben és térben korlátozott hatások, míg ma a hatások és a veszélyek globálisak.

4. 1. Gazdasági-társadalmi különbségek növekedés jelenleg kb 4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek növekedés jelenleg kb. 77 millió fő/év

4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek Népesség, gazdaság növekedése egyenlőtlen, óriási különbségek. Migráció erősödése. Nemzetközi instabilitás (konfliktusok, terrorizmus). Környezetromlás, globális ökológiai problémák. Az emberiség fokozatosan felismeri a veszélyt: - mekkora a föld eltartó képessége, - az egyenlőtlenségek, a migráció, a környezetromlás hogyan csökkenthető, - a társadalmi, gazdasági és ökológiai fenntarthatóság szoros kölcsönhatásban van egymással.

4.1.1. Energetikai egyenlőtlenségek A régiók primer tüzelőhő-felhasználása (E=1018)

4.1.1. Energetikai egyenlőtlenségek A régiók egy főre eső energiafelhasználásának aránya

4.2. Energetikai ellátásbiztonság Ellátásbiztonság: az ország vagy régió indokolt energiaigényét valamennyi energiafajta esetében bármikor ki tudja elégíteni. Elemei: megfelelő energiahordozó struktúra, forrásdiverzifikáció, stratégiai készletek, ésszerű energiatakarékosság.

4.2. Energetikai ellátásbiztonság Nagy egyenlőtlenségek a régiók között: ott van kevés forrás, ahol nagy a felhasználás, és ott van sok forrás, ahol kevés a felhasználás. Ezért a nagy fogyasztók energiaellátásának nagy része importból → importfüggőség. Ezáltal az ellátásbiztonság sérül. Nemzetközi feltételektől való erős függés → konfliktusok lehetősége.

4.2.1. Az EU importfüggése Már ma is nagy (olaj: kb. 50 %, földgáz: kb. 40 %). Ha nem történik változás, akkor az importfüggés továbbnő (2030-ig olaj: kb. 80 %, földgáz: kb. 70 %). A bővítéssel a helyzet nem változik, esetleg romlik. Nagy gond, mert alig vannak saját eszközeink a helyzet megváltoztatására.

4.3. Az energetika környezeti kibocsátásai Kibocsátások és azok hatásai: üvegházhatás, ózon vékonyodás, biológiai sokféleség csökkenése, radioaktív sugárzás egészségügyi hatásai. A teljes vertikumot kell tekinteni!

4.3. Az energetika jelentősebb környezeti kibocsátásai

4.3.1. Üvegházhatású gázok globális szennyezés szén-dioxid (CO2), metán (CH4), dinitrogén-oxid (N2O), fluorozott szénhidrogének (HFC-k), perfluor karbonátok (PFC-k), kén-hexafluoridok (SF6).

4.3.1.1. Szén-dioxid Globális széndioxid-kibocsátás (folytonos) és koncentráció (szaggatott) A föld átlagos hőmérsékletének változása (vastag: porkoncentráció figyelembe vétele nélkül)

Globális klímaváltozás a 21. században (előrejelzések)

Fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásai: 4.3.1.1. Szén-dioxid Fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásai: szén: 130 [g CO2/MJ tüzelőhő, antracit], olaj: 70-75, földgáz: 58. Az energetika összes CO2-kibocsátása jelenleg kb. 27 milliárd t/év. A gépkocsi-forgalom jelentős szerepe: azokban a városokban, ahol jelentős a lakosság, ott koncentrálódik a kibocsátás.

A villamosenergia-termelő eljárások CO2-kibocsátása [kg/kWh]

4.3.1.2. Kén- és nitrogén-oxidok lokális szennyezés Károsítják az emberi egészséget, és hozzájárulnak a talaj, az erdők és a felszíni vizek savasodásához → regionális környezetszennyezés. Természeti víz savas (pH≈5,5) az oldott CO2 miatt → savasodás pH<5 (SOx és NOx miatt). SOx-k kibocsátása a tüzelőanyagtól függ (2 kg SO2 füstgáz/1 kg S tüzelőanyag): C (1-3 %): 2-5 g/MJ, kőolaj (gudron, 2-4 %): 1-2 g/MJ. Megoldás: fütgáz-kéntelenítés.

4.3.1.2. Kén- és nitrogén-oxidok NOX-k: A tüzelés során, a levegő nitrogénjéből 1100 oC hőmérséklet felett keletkezik. Előírások a kibocsátásokra: <30 mg/Nm3. Megoldások: NOx-szegény égők, vízbefecskendezés (földgáz-tüzelésű gázturbinák), katalizátoros motorok, fluid-tüzelésű kazánok (t<1000 oC).

4.3.1.3. Radioaktív kibocsátások Folyékony és légnemű radioaktív kibocsátások. Radioaktív hulladékok: kisaktivitású, közepes aktivitású, nagyaktivitású. Megoldás: kibocsátások szigorú határértékei, hulladékfeldolgozás, elhelyezés → fűtőelemek transzmutációja.