ENERGIAELLÁTÁS Dr. Petz Ernő c. egyetemi tanár 2007. 09.11 Szent Ignác Jezsuita Szakkollégium Energiapolitika 2000 Társulat Energetika és Társadalom kurzus 2007. őszi szemeszter ENERGIAELLÁTÁS Dr. Petz Ernő c. egyetemi tanár 2007. 09.11 Tartalom Bevezető fogalmak Fizikai alapismeretek Energiaátalakítás, a termodinamika II. főtétele Hőkörfolyamatok Erőművek, villamosenergia-termelés, hőszolgáltatás Energiarendszerek (rendszerszemlélet)

1. BEVEZETŐ ALAPFOGALMAK Mi az energia? -- Filozófiai szint: az anyag egyik megnyilvánulási formája -- Max Plank: valamely rendszernek az a képessége, amelynek révén a környezetére hatást képes gyakorolni, pl. munkavégzés útján. -- Közbeszédben: munkavégző képesség

Energia fajták -- mechanikai -- vegyi (tüzelőanyagok) -- hő -- nukleáris (atom) -- villamos -- sugárzási (fény, röntgen, elektromágneses)

Az energia mértékegységei 1 J = 1 Nm (kJ, MJ, GJ, TJ, PJ, EJ) 1 cal = 4,19 kJ 1 Wh = 3,6 kJ 1 eV = 1,602 19×10-19 J

Energiaátalakítás Az energiafajták egymásba átalakulhatnak, ill. átalakíthatók. -- Közvetlen átalakítás (pl. napenergia>villamos energia) -- Közvetett: közbenső energiafajtákon keresztül kapjuk az un. végső energiát (erőműben: vegyi >hő > >mechanikai >villamos) -- Az átalakítás veszteséges -- Hatásfok: hasznos energia/bevezetett energia (%) -- Energetikai hatékonyság: az energiafelhasználás eredményessége (összehasonlítás céljára) -- Energiaigényességi mutató: egységnyi gazdasági eredmény előállításához szükséges primer energia mennyisége (pl. J/GDP)

Energia felhasználás -- Fő alkalmazás szerint szerint: > közvetlen felhasználás (melegítés, fűtés, hevítés) > emberi munka helyettesítésére > nemesebb energiafajtára való átalakítás -- Fő csoportok szerint: > lakossági felhasználás (végső fogyasztás) > termelési célú (ipari) felhasználás (beruházási javak, fogyasztási cikkek előállításához)

Energiaellátás -- Energiatermelés (kazántelepek, fűtőművek, erőművek) -- Energia szállítás (pl. villamos hálózaton) -- Energia szolgáltatás (elosztó rendszer, szolgáltatók) Energetika Az energiaellátással foglalkozó szaktudomány, ill. szakágazat (ipar). -- Fő sajátossága: érzékenyen reagál a társadalmi-gazdasági viszonyokra, és jelentősen visszahat azokra (stratégiai ágazat) -- Fő területei: bányászat (szén, kőolaj); szénhidrogén ipar (kőolaj feldolgozás); villamosenergia-ipar (teljes vertikum) „Honnan jön az energia? Válasz: a konnektorból.”

2. FIZIKAI ALAPISEMERETEK Hőmérséklet (t oC, T K) . A testek (közegek) hőegyensúlyi állapotára, a tárolt (hő)energiára jellemző fizikai paraméter. Hőfolyamat. A testek hőmérsékletének (nyomásának) változásával járó fizikai változás. Hőmennyiség (Q J). A hőfolyamat során átadott energia. Munka (W J). A munkavégzés során átadott energia. Hőszigetelő. Az energiacserét kizáró anyag. Zárt rendszer. Az energiacserét kizáró (hőszigetelővel körbezárt) rendszer.

Termodinamika (hőtan). A fizika hőjelenségekkel foglalkozó területe. A termodinamika I. főtétele. ΔU = Q + W , ahol U a belső energia. (Pl. térfogati munkavégzés). Az általános energia-megmaradás elve. Zárt rendszerben – bármilyen folyamatok is mennek végbe – az energiák összege változatlan. Állapotjelzők. A rendszer (test, közeg) egyensúlyi állapotát egyértelműen meghatározó fizikai mennyiségek. Extenzív állapotj.: a rendszerek egyesítésekor összeadódnak (tömeg, térfogat, belső energia). Intenzív állapotj.: rendszerek egyesítésekor kiegyenlítődő állapotjelzők (nyomás, hőmérséklet, koncentráció)

Termodinamikai hajtóerő Termodinamikai hajtóerő. Valamely intenzív állapotjelző inhomogenitásával arányos hatás, amely meghatározott extenzív mennyiség áramát idézi elő (ill. tartja fenn). Például: -- nyomáskülönbség > térfogatáram -- hőmérsékletkülönbség > hőáram. Transzport folyamat. Olyan kiegyenlítődési folyamat, amely valamely extenzív mennyiség árama, a meghatározott intenzív mennyiség (fenntartott) inhomogenitása következtében jön létre. A termodinamika nulladik főtétele. Az egyensúly szükséges és elégséges feltétele, hogy a kölcsönhatás valamennyi intenzív mennyisége (a rendszeren belül) homogén eloszlású legyen. A termikus egyensúly feltétele a hőmérséklet egyenlősége.

Állapotváltozások. A testek/közegek állapotjelzőinek megváltozásával járó folyamatok. Fontosabb hőtani állapotváltozások: -- hőtágulás (lineáris, térfogati) -- folyadékok, gőzök, gázok nyílt termodinamikai folyamatai (pl. ideális gázok > gáztörvények). -- halmazállapotváltozások. A hőkörfolyamatoknál a két utóbbinak van fontos szerepe.

Reális gázok, gőzök. A közeg viselkedése eltér az ideális gáz viselkedésétől. A p-V állapot-diagram:

Hőhordozó közegek. Reális hőfolyamatok (Hőátadás, hővezetés, hőcsere, melegítés, hűtés, elgőzölögtetés, expanzió stb.) megvalósítására alkalmas közegek: -- folyadékok (pl. víz, folyékony Na) -- gőzök (pl. vízgőz, szerves vegyületek gőzei) -- gázok (pl.levegő, H, O2, N, CO2). Munkaközeg. Munkavégzésre alkalmazott hőhordozó. -- a vízgőz expanziója közben munkát végez (gőzturb.) -- A gáz expanziója közben munkát végez (gázturbina)

Hőkörfolyamatok. Egymáshoz kapcsolodó hőfolyamatok, ált Hőkörfolyamatok. Egymáshoz kapcsolodó hőfolyamatok, ált. energiaátalakítás céljából, az erre célszerűen megválasztott hőhordozó közeg alkalmazásával. > Technológiai felépítésük szerint: -- zárt körfolyamatok -- nyitott körfolyamatok (környezeten keresztül zárodnak) >Feladatuk szerint: -- energiatermelő körfolyamatok (erőművek) -- hűtő körfolyamatok (hűtőgépek, klíma ber.)

3. ENERGIAÁTALAKITÁS, ENERGIATERMELÉS Energiatermelés. A természetben előforduló primer energiaforrásból, közvetlenül hasznosítható un. végső energia fajta előállítása (energia átalakítás!) Pl.: szénbányászat > szén > elégetés (tüzelés) > hő. hő > melegítés, ízzitás, fűtés, ipari hőellátás (hőhaszn.) > mechan. munka > villamosen. termelés (erőmű). > az erőgép lehet \ robbanó motor (benzin, dízel) \ gázmotor \ gázturbina \gőzturbina (gőzmotor)

Hőkörfolyamatok ábrázolása. -- p-V diagramban (hagyományos) -- T-s (hőmérdóséklet-entrópia) diagramban -- h-s (entalpia-entrópia) diagramban. Ideális körfolyamat: -- veszteségmentes, reverzibilis állapotváltozásokból áll -- hőkőzlés és hőelvonás állandó hőmérséklet mellett -- kompresszió és expanzió állandó entrópia mellett.

A Carnot-ciklus

Hőkörfolyamatok tulajdonságai: > a T1 kezdő hőmérséklet (3. pont) bizonyos határokon belül megválasztható (gőz-körfolyamatoknál 500-600 oC) > a T2 hőelvonás hőmérsékletének alsó határa a környezet által adott > a munkát a hőhordozó expanziója szolgáltatja > az expanzió max. a környezet által meghatározott állapotig történhet Következtetések: > a hő ideális esetben sem alakítható át ηc = 100 %-os hatásfokkal mechanikai munkává! (A termodinamika II. főtételének egyik megfogalmazása)

> adott T2 hőelvonási hőmérséklet mellett T1 növelésével ηc értéke nő (hatásfokjavítás!) > adott T1 és T2 hőmérséklethatárok között az elérhető maximális hatásfok a Carnot-hatásfok > a valóságos közegekkel megvalósított körfolyamatok hatásfoka csak kisebb lehet: -- mivel a hőhordozókkal nem valósítható meg az ideális Carnot-ciklus -- mivel az egyes állapotváltozások nem valósíthatók meg reverzibilisen (az entrópia nő!) -- az entrópia növekedése az irreverzibilitás, és egyúttal a veszteség mértékére jellemző.

Valóságos körfolyamatok. Valóságos hőhordozókkal megvalósított körfolyamatok. Fontosabb energiatermelő körfolyamatok: a./ Vízgőz körfolyamatok b./ Gázkörfolyamatok c./ Kombinált ciklusú körfolyamatok d./ ORC körfolyamatok Zárt körfolyamatok > a., c., d. Nyitott körfolyamat > b.

a. / Vízgőz körfolyamat -- Hőhordozó (munkaközeg): víz, ill a./ Vízgőz körfolyamat -- Hőhordozó (munkaközeg): víz, ill. annak gőze -- Alapkapcsolása (Clausius-Rankine körfolyamat):

Vízgőz körfolyamat hatásfokjavítása -- újrahevítés -- tápvíz előmelegítés

b. / Gázkörfolyamat (nyitott) -- Hőhordozó: ált b./ Gázkörfolyamat (nyitott) -- Hőhordozó: ált. levegő -- Alapkapcsolása:

c./ Kombinált ciklusú körfolyamat -- A vízgőz- és a gázkörfolyamat előnyeit egyesíti -- Alapkapcsolás:

d./ ORC-körfolyamat ( Organikus Rankine Ciklus) -- Alacsony hőmérséklet tartomány (T1= 90-200 oC) -- Ehhez illeszkedő organikus hőhordozó

Kondenzációs erőművek hatásfok értékei

Kapcsolt energiatermelés -- hőszolgáltatással kapcsolt villamos energia termelése -- Alapkapcsolása (a kondenzációs term.-el összevetve):

4. EGYÜTTMŰKÖDŐ ENERGIARENDSZEREK Az energiaellátás együttműködési szintjei: -- egyedi fogyasztók ellátása -- fogyasztói körzet ellátása (szigetüzem) -- országos együttműködő rendszer (VER) -- nemzetközi együttműködő rendszer (UCTE)

Az együttműködő rendszer előnyei: -- Nagyobb ellátásbiztonság -- Kisebb tartalék nagyság -- A fogyasztói igényváltozások rugalmasabb követése -- Optimalizálható (olcsóbb) üzemvitel (gazdaságos terheléselosztás) -- Központi irányítás -- Nemzetközi energiatranzit lehetősége Hátrány: Ki kell építeni a költséges, magasfeszültségű átviteli hálózatot.