Megújuló Energiahordozók

Megújuló Energiahordozók

Hagyományos energiahordozók szerepe régen és ma a Földön.Megújuló energiahordozók gyorsabb elterjedésének okai.Van-e a Földön energiaválság?

Előadó: Bölcsföldi Árpádépületgépész mérnök

A Naprendszer

NAP

MerkúrVénusz

Föld

Mars

Plutó- törpebolygó- Kuiper-öv határa

Jupiter

Szaturnusz

Uránusz

Neptunusz

Kisbolygó-övezet

A Nap

A Nap

Alapadatok:Átmérő: 1,392 x 106 km (109 Földnyi)Kerület: 4,373 x 106 km(109 Földnyi)Lapultság: 9 x 106 Felszín: 6,09·1012 km2 (11 900 Földnyi)Térfogat: 1,41·1018 km3 (1 300 000 Földnyi)Tömeg: 1,9891·1030 kg (332 950 Földnyi)Sűrűség: 1,408 g/cm3

Felszíni gravitáció: 273,95 m/s2 (27,9 g)

• Naprendszer központi csillaga.

• A Nap tartalmazza a Naprendszer anyagának 99.8%-át.

• Óriási tömege révén a Nap hatalmas gravitációs erőt fejt ki. Ez az erő tartja együtt a naprendszert, és irányítja valamennyi bolygó és kisebb égitest mozgását is.

• 73,5%-ban hidrogénből áll, amely a központjában zajló magfúzió során héliummá alakul.

• A magfúzió során felszabaduló, majd a világűrbe szétsugárzott energia nélkülözhetetlen a legtöbb földi élőlény számára: fénye a növények fotoszintézisét, hője pedig az elviselhető hőmérsékletet biztosítja.

• Anyagát képlékeny plazma alkotja, ezért a különböző szélességi körön lévő területei eltérő sebességgel forognak. Az egyenlítői területek 25, míg a sarkvidékek csak 35 naponként fordulnak körbe.

• Az eltérés miatt erős mágneses zavarok lépnek fel, amelyek napkitörések és napfoltok kialakulásához vezetnek, amelyek száma jelentősen megnő a mágneses pólusok 11 évente bekövetkező felcserélődésének idején.

Jelenleg a legjellemzőbb a proton-proton reakció

4 protonból lesz 1 Hélium

A NapKibocsátott energia

• A Nap középpontjában a sűrűség eléri a 1,5 x 105 kg/m3, a hőmérséklet pedig a 15 x 106 kelvin értéket. A rendkívül magas hőmérséklet és nagy sűrűség hatására termonukleáris reakció (atommagfúzió) jön létre, melynek során minden négy hidrogénatom egyesüléséből egy héliumatom keletkezik, miközben energia szabadul fel. Másodpercenként átlagosan 8,9 x 1037 hidrogénatom (5 millió tonna hidrogén) egyesül, ami 3,86 x 1026 Watt energia keletkezésével jár.

• A Nap energiája elsősorban közeli ibolyántúli, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett a Nap kisebb mennyiségben mindenféle más sugárzást is kibocsát, a gamma- és röntgensugaraktól egészen a rádióhullámokig.

• A Nap elemi részecskéket is kisugároz, amelyet napszélnek nevezünk. • A Napból másodpercenként kisugárzott energia teljes mennyiségét

a Nap sugárzási teljesítményének nevezzük. Az értéke 3,86 x1026 Watt. A földi légkör 1 m2 merőlegesen beeső teljesítménye átlagosan 1353 W. Ez a mennyiség a napállandó.

• Hazánk területén a napfénytartam éves összege átlagosan 1750 és 2050 óra között alakul.

A FöldAlapadatok:Átlagos sugár: 6 372,797 kmEgyenlítői kerület: 40 075,02 kmFelszín: 5,10·108 km2

Térfogat: 1,083·1010 km3

Tömeg: 5,9742·1024 kgSűrűség: 5 515,3 kg/m3

Felszíni gravitáció: 9,78 m/s2

Szárazföld részaránya: 29,2 %Víz területek részaránya: 70,8 %Legmagasabb pont: Mount Everest (8 848 m)Legmélyebb pont: Mariana-árok (11 034 m)

Magyarországon a nulla pont magasságát a Balti tenger középvízszintjéhez képest adják meg.

A Föld Szerkezeti felépítése

Kéreg: 35 km-ig

Felső köpenyKöpeny

35 – 2 900 km

Külső magBelső mag

2900 km-től

Troposzféra ~ 14 km-ig

Sztratoszféra 14 - 50 km

Mezoszféra 50 - 85 km

Termoszféra 85 - 500 km

Exoszféra 500 km-től

A Földünk Troposzféra felépítése

• a Föld légkörének legalsó rétege• az atmoszféra tömegének 80 %-át tartalmazza• trópusi területeken 16-18 km magasságig, míg a sarkoknál 10 km magasságig terjed• időjárási jelenségek nagy része ezen a szinten zajlik• üvegházhatás szintén ebben a rétegben játszódik le• 6 áramlási zónára oszthatjuk, amiket cellának neveznek, ezek felelősek a légkörzésért, és okozzák az

uralkodó szeleket

• Száraz levegő összetétele:• ~ 78 % Nitrogén• ~ 21 % Oxigén• ~ 1 % Argon

• A Fő gázok közel 100 %-t adják a száraz levegőnek, csak néhány nyomgáz marad még (pl.: a legfontosabb a CO2 0,037%, de említésre méltó még: NOx-ok, SO2 és az O3)

• A légköri nyomgázok sok éghajlati folyamatot meghatároznak• Száraz levegő csak elméletileg van, hiszen a levegőben sok egyéb részecske illetve vízgőz is található• A részecskék fontosak, hiszen szükségesek a felhőképződéshez és képesek leárnyékolni a Föld felszínét

a napsugárzástól• A részecskék kialakulhatnak kénsavból vagy vízpárából, esetleg más összetevőből, melyek a gázfázisból

kondenzálódnak ki, hacsak nem közvetlenül történt a kibocsátásuk.

• Nyomás tengerszinten: 105 KPa (760 hgmm)• Levegő relatív sűrűsége:

• tengerszinten: 1,293 kg/m3

• 8 km magsságban: ~0,905 kg/m3 (~70%)

A Földünk Vízkészletei

• A víz (H2O) az egyik legfontosabb anyag a Földön.

• Az élethez is nélkülözhetetlen.

• A földi vízkészlet bolygónk belső anyagainak kipárolgása, kigázosodása révén keletkezett,

• Az őslégkörből lecsapódva felgyűlt a földfelszín mélyedéseiben, és ott folyékony halmazállapotban tartósan megmaradt

• Föld vízkészletén alapvetően két dolgot érthetünk

•becslések szerint a litoszférában rejlő víz a felszíni vízkészlet 15–50%

•a felszíni vízkészlet: 384 000 000 km3

megoszlása az alábbi:

•óceánok és tengerek (világtenger): 97,4%

•magashegységi és sarkvidéki jégkészletek: 2%

•a felszín alatt –4000 méterig előforduló szabad vizek (talajvíz, rétegvíz stb.): 0,58%

•folyók, tavak, légkör, élőlények: 0,02%

• Édesvízkészletünk 90%-a a hó- és jégtakarókban van

A Földünk Ivóvízkészletei

• A rendelkezésre álló, felhasználható készletek mennyisége egyre kevesebb annak ellenére, hogy a Föld vízkészlete évmilliók óta állandó

• A fogyasztásra alkalmas készletek erősen korlátozottak viszont a fogyasztási igények fokozatos növekedése tapasztalható

• A lakosság, az ipar és a mezőgazdaság számára szükséges, megfelelő minőségű készletek biztosítása egyre nehezebb feladat

• A rendelkezésre álló vízkészletek minősége folyamatosan romlik világszerte (ipari-kommunális vízszennyezés, nagyüzemi mezőgazdaság)

• A 21. században világméretű vízetikára lesz szükség, mert ha időben nem lépünk, kevés lesz a fogyasztásra alkalmas ivóvíz, és ez gazdasági, társadalmi feszültségekhez vezethet

• Magyarországon az előző évtizedek környezetvédelmi hiányosságai miatt különösen fontos és nagy feladat a megfelelő minőségű ivóvíz előállítása.

• Vízügyileg világviszonylatban nem állunk rosszul, nem fenyeget bennünket pillanatnyilag vízhiány.

• Hazánk vízkészleteinek 90%-a az országhatárokon túlról származik a Kárpát-medence vízgyűjtő szerepének és csekély kiterjedésének következtében.

A FöldünkIvóvíz-ellátás

Hazánkban ivóvíz-ellátási célokra különböző vízkészleteket használnak fel:

• Talajvíz vagy felszínközeli víz: az első vízzáró réteg felett található vízkészlet, amelynek minőségét a mezőgazdasági tevékenység közvetlenül befolyásolja

• Rétegvíz: az első vízzáró réteg alatt, általában két vízzáró réteg között helyezkedik el. Védett rétegvíznek is nevezték, de a szennyeződés terjedése ezt megcáfolta

• Karsztvíz: mészkő- és dolomithegységek repedéshálózatában található, igen jó minőségű vízkészlet (kiváló ivóvíz)

• Felszíni víz: folyók, tavak, tározók vízkészlete, amely közvetlenül ki van téve minden szennyeződésnek (csak bonyolult fizikai-kémiai eljárások után alkalmas ivóvíznek)

• Parti szűrésű víz: folyók melletti ún. kavicsteraszból nyerhető víz, melynek állapotát a folyóvíz minősége és a talaj szűrőképessége határozza meg (ez adja a főváros ivóvizét)

A Földünkátlaghőmérséklet változása 1880–2006között, a 20. század átlagához képest

A Földünk Népességszámának alakulása

Időpont Népesség (millió fő)

Népesség növekedés

éves átlaga (%)

Várható élettartam

(év)

Népesség megkétszereződés (években)

Kr. e. 10 000 körül 6 0,008 20 8369

Kr. e. 10 000 és Kr. sz. között

252 0,037 22 1854

Kr. u. és 1750 között

771 0,064 27 1083

Kr. u. 1750 és 1950 között

2530 0,596 35 116

Kr. u. 1950 és 1990 között

5292 1,845 55 38

A világ népességégének és néhány jellemzőjének alakulása Kr. e. 10 000–Kr. u. 1990 között

Az emberHőérzete

• A hőmérsékletátadás egyik lehetséges módja a hőáramlás.

• A hőérzet hőmérséklet (WCT) a nyugvó levegő azon hőmérséklete, amelynek ugyanolyan hűtő hatása van a fedetlen emberi testre, mint az adott szélsebesség és hőmérséklet mellett (angolul windchill-nek nevezik). Ennek a mértékegysége ugyan hőmérséklet, de értelmezése szerint kevésbé hőmérséklet, mint inkább egy index, ami a szél hűtő hatását segíti viszonyítani a szélcsendes körülmények léghőmérsékletéhez.

• Az emberi test a hőveszteségét a vérkeringés gyorsaságának és a felszíntől való távolságának szabályozásával és vízveszteséggel éri el.

• A hűtéshez a szív elkezd több vért pumpálni, a vérerek kitágulnak, hogy befogadják a megnövekedett áramlást, a vékony vérerek kötegei, amelyek a bőr külső rétegeiben vannak, működésbe lépnek. A vér a bőr felszínéhez közelebb kezd keringeni, és ezáltal kivezeti a meleged a hidegebb légkörbe. Ugyanekkor, a víz átdiffundál a bőrön mint izzadtság. A testből disszipálódó hő mintegy 90 %-át a bőr kezeli.

• Az izzadás magában véve még nem hűti a testet, amíg a víz el nem tud párologni, és a magas légnedvesség hátráltatja a párolgást.

EnergiafelhasználásokPrimerenergia felhasználás 1985-től 2010-ig

EnergiafelhasználásokPrimerenergia felhasználás várható változása

EnergiafelhasználásokVárható primerenergia felhasználások 2060-ig

EnergiafelhasználásokVillamos energia felhasználás várható változása

Hagyományos energiahordozók• Fa:

• Megkülönböztetünk kemény- és puhafát (pl.: keményfa az akác, puhafa a fenyő)• Az élő fa nedvességtartalma 40% körüli. (roston belül 10%, rostközi 30%)

• Kőszén:• hőmérséklet- és nyomásnövekedés hatására átalakult, betemetett növényi anyag• felhasználás alapja: elégetésekor az az energia szabadul fel, amit a növény fejlődése során a

napenergiából elraktároz• Ismertebb fajtái: lignit, barnaszén, feketeszén

• Kőolaj • a Föld szilárd kérgében található természetes eredetű, élő szervezetek bomlásával,

átalakulásával keletkezett, ásványi termék• fő összetevője: folyékony halmazállapotú szénhidrogének• kőolaj feldolgozásával nyert anyagok: benzin (kerozin), olajszármazékok (tüzelő-, fűtőolaj),

bitumen

Hagyományos energiahordozók• Földgáz

• a Föld szilárd kérgében található természetes eredetű, élő szervezetek bomlásával, átalakulásával keletkezett, ásványi termék

• A kőzetek repedésein keresztül fedőkőzetek által határolt mezőkbe vándorolt. Ezek a nagykiterjedésű porózus kőzetekből álló – homokkő, laza szerkezetű mészkő – mezők a földfelszín alatt néhány métertől több mint 5.000 méteres mélységig találhatók. A nyomás elérheti a 300 bart, a hőmérséklet a 180°C-ot is

A földgáz tipikus összetétele:

Metán (CH4) 97%

Etán (C2H6) 0,919%

Propán (C3H8) 0,363%

Bután (C4H10) 0,162%

Szén-dioxid (CO2) 0,527%

Oxigén (O2) 0-0,08%

Nitrogén (N2) 0,936%

Nemesgázok (A, He, Ne, Xe) nyomelemként

Hagyományos energiahordozókKőszéntermelés a világon

Hagyományos energiahordozókBizonyított szénkészletek a világon

Ezer millió tonna (zárójelben a legjobb fűtőértékű energetikai szenek)

Hagyományos energiahordozókKőolajtermelés a világon

Hagyományos energiahordozókBizonyított kőolajkészletek a világon

Milliard barrel -> 1 barrel(hordó) = 117,347765 liter

Hagyományos energiahordozókNyersolajárak alakulása 1861 és 2010 között

Hagyományos energiahordozókFöldgáztermelés a világon

Nukleáris energiaÁltalános ismeretek

• a Nukleáris energia előállítása során ma a fissziós erőművekben a maghasadás során keletkező energiát használják fel (az Urán 235 és 238 számú izotópjának felhasználásával)

• Általános tudnivalók:• az első közüzemi villamosenergia-termelésre készült blokkot 1954-ben helyezték üzembe • Jelenleg a 3. generációs erőművek épülhetnek• A tervezett 4. generációs erőművek jelenleg tervezés alatt állnak, számos területen teljesen új vagy

megváltozott alapelveket, biztonsági követelményeket kell kielégíteniük. Legfontosabb a zárt üzemanyagciklus kialakítása (teljes elhasználódás után szinte nem marad

semmilyen radioaktív anyag) Legkorábban 2020-2025 körül épülhetnek.• A jelenlegi kutatások szerint hatféle reaktor jöhet számításba.

• nátriumhűtéses gyorsreaktor• gyorsneutron-spektrumú• nagyon magas hőmérsékletű gázhűtéses termikus reaktor• szuperkritikus nyomású vízzel hűtött reaktor

Nukleáris energiaÁltalános ismeretek

Az atomerőmű előnyei a többi hőerőművel szemben:

• nem bocsát ki káros gázokat

• kis mennyiségű hulladék

• olcsóbb a tüzelőanyag

• a tüzelőanyagot könnyen lehet tárolni és szállítani

Az atomerőmű hátrányai a többi hőerőművel szemben:

• a radioaktív hulladék egy része több száz évig is veszélyes

• napjainkban csak nagyteljesítményű erőműtervek léteznek

Vázlat egy nyomottvizes reaktorrólPakson 4 db üzemel ezen fajtából

Eredetileg 4 x 440 MW = 1760 MW volt a villamos telj.Az első blokkot 1978-ban adták át.Tervezett élettartam 30 év volt.

(Millió tonna olajegyenérték = Mtoe)

Nukleáris energiatermelésének megoszlása a világon

Megújuló energiák• a N A P e n e r g i a• a V Í Z e n e r g i a• a S Z É L e n e r g i a • a G E O t e r m á l i s e n e r g i a• a B I O M A S S Z A

• Fatüzelés / Rönk , ág , hasított és aprított , pellet stb. /• Energetikai növények / Energiafű , energianád stb. / • Mezőgazdasági melléktermékek / Szalma , Kukorica- és napraforgó-szár stb./ • Biogáz / állattartó telepek trágyájából , szennyvíztelepek , szeméttelepek /

• az Á R – A P Á L Y energia• a H U L L Á M – energia

Ezen részben érdemes foglalkozni az egyre többször szóba kerülő H Ő S Z I V A T T Y Ú -val, amelyet sokan – igaz tévesen – a megújuló energetika lehetőségei közé sorolnak !

Megújuló energiaforrásokrészaránya az összes energiaforrásból

Megújuló energiák

Néhány ország kiemelkedő arányban használja a megújuló energiaforrásokat:

Norvégia jelenti Európában az egyetlen olyan kivételt, amely ország a fűtési és HMV hőigényének döntő részét, kiegészítve a villamos energia előállítással, vízenergiával állítja elő.

Energiafelhasználás 2000-ben Energiafelhasználás 2007-ben

összes megújuló összes megújuló

Ausztria 1 164 PJ 288 PJ 24,8 % 1 282 PJ 376 PJ 29,3 %

Finnország 1 300 PJ 260 PJ 20,0 % 1 386 PJ 298 PJ 21,5 %

Svédország 2 100 PJ 588 PJ 28,0 % 2 194 PJ 692 PJ 31,5 %

Megújuló energiák Napsugárzás

A Napsugárzás beesési szöge egy év folyamán a Ráktérítő és a Baktérítő közötti területen lesz mindig 90° az évszakok változása szerint.

Megújuló energiákNapenergia

Beérkező Napsugárzás teljesítményének megoszlása (W/m2)



A Napból érkező napenergia közvetlen hasznosításának több módja létezik.

• Napelemek: napelem olyan fotovillamos elem, amely a Nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja át villamos energiává.

• Napkollektorok: a Nap sugárzási energiáját nyelik el (visszasugárzás 5 – 40 %)

• Egyéb:

• Parabolatükrök

• Napenergia-gyűjtő léggömbök


Napelemek:• Azt az energiát, amely az összes Földön

található és kitermelhető kőolaj-készletekben rejlik a Nap 1,5 (azaz másfél) nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség évi energiafogyasztása megfelel 1 (egy) óra alatt kibocsátott napsugárzásnak.

• A szilicium alapanyag megjelenése, a félvezető eszközök térhódítása új irányt adott a fotovillamos eszközök fejlődésének.

• A fotovoltaikus elemek abban különböznek a napelemektől, hogy árnyékban is képesek áramot termelni, nem csak napsütésben.


Napkollektorok:


Egyéb:

• Parabolatükrök

• A parabolatükrök egy pontba fókuszálják a napsugarakat, hogy aztán abban a pontban megfelelően előkészített folyadékot melegítsenek fel, és végül gőzt állítsanak elő belőle. A gőzenergia turbinákat hajt meg, amelyek segítségével így közvetlenül előállítható az elektromos áram.

• Napenergia-gyűjtő léggömbök

• Keresztezte a léggömböket a napelemekkel, megalkotva a különleges hibrideket, amelyeket ugyanúgy héliummal töltenek fel, mint a hagyományos léggömböket, viszont a "héjuk" fotovoltaikus szövetből készül

Megújuló energiákSzélenergia

• A szél abból keletkezik, hogy a Földet forgása következtében egyenetlenül éri a Nap hője. A pólusok kevesebb energiát kapnak, mint az egyenlítői régiók, a szárazföld gyorsabban melegszik fel és hűl le, mint a tengerek. A hőmérsékleti különbségek a földfelszíntől a sztratoszféráig terjedő rétegekben globális légáramlási rendszert tartanak mozgásban.

• A szelek mozgását sok tényező befolyásolja, mint az évszakok vagy a nappal és éjszaka váltakozása, a Coriolis-erő, a föld és a víz fényvisszaverő képességének, a nedvességtartalomnak és a szélsúrlódásnak az egyenetlenségei

• Felhasználása

• Régi formája: a szélmalom, amelyben a szélenergia csak mechanikus szerkezetet működtetett és fizikai munkát végzett

• Modern formája: a szélturbina lapátjainak forgási energiáját alakítja át elektromos árammá

Megújuló energiákSzélenergia

• A szélturbinák sorozatgyártása 1979-ben, Dániában kezdődött

• A korai turbinák sokkal kisebb teljesítményűek voltak - 20-30 kW, minta a mostaniak

• Nálunk 1970-es évek végén a Bakonyban állítottak fel egy 50 KW-os szélturbinát.

• Az E.ON által Kulcs községnél került telepítésre egy 680 KW-os szélturbina.

• Manapság már több országban gyártanak szélturbinákat és több ezer turbina üzemel világszerte. Jelenleg az összteljesítményük: 93,8 GW

• 2007-ben 19,7 GW-tal növekedett a teljes kapacitás

• 2006-ban a teljes teljesítmény kb. 65%-át Európában állították elő

• 2007-ben a legnagyobb szélenergia-kapacitással Németország, Spanyolország, az USA, India és Dánia rendelkezett

• Dánia energiaszükséglete közel egyötödét szélerőművekkel fedezi, ami a legmagasabb arány világszerte. Élen jár a szélturbinák gyártásban és használatban egyaránt, és arra törekednek, hogy ezt az arányt 50%-ra növeljék.

• Magyarországon 2005-től „gyorsult fel” a telepítésük.

Megújuló energiákSzélenergia - szélerőművek

Megújuló energiákSzélenergia - szélerőművek

Megújuló energiatechnológiákfajlagos befektetési költségének jövőbeni alakulása

ÖsszefoglalásA világ primerenergia termelésének alakulása

(Millió tonna olajegyenérték = Mtoe)

ÖsszefoglalásAz üvegházgáz – kibocsátások 2000-ben (eredetük szerint)

ÖsszefoglalásA világ primerenergia termelésének tervezett alakulása energiafogyasztás függvényében

Hőveszteségekegységházon levezetve

Hőveszteségek

Szellőzés – levegő áramlása

Köszönöm megtisztelő figyelmüket !

Documents

Megújuló Energiahordozók