Energetika I-II. energetikai mérnök szak energetikai BSc szak

Az előadások a következő témára: "Energetika I-II. energetikai mérnök szak energetikai BSc szak"— Előadás másolata:

1 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

2 Energiaellátás és fenntartható fejlődés
1. témakör Energiaellátás és fenntartható fejlődés

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

4 Az energetika „helye”

5 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.

6 Az energiaellátás rendszerstruktúrája

7 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.

8 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.

9 (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).

10 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).

11 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).

12 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 évben.

13 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.

14 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.

15 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.

16 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.

17 1.2.1.Energiahordozók szállítási módjai
Vasút Víz Közút Távvezeték Szén x Nyersolaj Olajtermék Földgáz X (cseppfolyósított) PB-gáz Villamos energia Hőhordozó

18 1.3. Energia végfelhasználás
Különböző statisztikai feldolgozás. Energia szerint: hajtás (mechanikai): % (közlekedés, technológia) hő: % (technológia, fűtés(hűtés)+hmv), világítás, információtechnika: 3-8 %. Szektorok szerint: gazdasági szektor (ipar, mezőgazdaság), lakossági-kommunális szektor, (távfűtés) közlekedés, egyéb.

19 1.3.1. A világ primerenergia-felhasználása
között (25 év alatt) a világ primerenergia-felhasználása megkétszereződött, s elérte a 95, kWh/év=3, PJ/év=8, toe értéket. Az átlagos növekedés 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.

20 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)

21 Az energiaellátás folyamábrája

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

23 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.

24 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.

25 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)?

26 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, ]: 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.

27 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.

28 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.

29 4. 1. Gazdasági-társadalmi különbségek növekedés jelenleg kb
4.1. Gazdasági-társadalmi különbségek növekedés jelenleg kb. 77 millió fő/év

30 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.

31 4.1.1. Energetikai egyenlőtlenségek A régiók primer tüzelőhő-felhasználása (E=1018)

32 4.1.1. Energetikai egyenlőtlenségek A régiók egy főre eső energiafelhasználásának aránya

33 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.

34 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.

35 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.

36 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!

37 4.3. Az energetika jelentősebb környezeti kibocsátásai

38 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).

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

40 Globális klímaváltozás a 21. században (előrejelzések)

41 Fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásai:
Szén-dioxid Fosszilis tüzelőanyagok kibocsátásai: szén: [g CO2/MJ tüzelőhő, antracit], olaj: , 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.

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

43 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.

44 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).

45 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.