Megújuló energiaforrások illeszkedése a szekunder energiahordozókhoz

1. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépészmérnöki KarEnergetikai Gépek és Rendszerek TanszékDr. Ősz János Megújuló energiaforrások illeszkedése a szekunder energiahordozókhoz

2. Kapcsolatok • Szekunder energiahordozók: • Üzemanyag → közlekedés (hajtás), • Hő → fűtés, hmv, technológia, • Villamos energia → közlekedés (hajtás), fűtés, hmv, technológia, világítás, információtechnika. • Üzemanyag. • Vezetékes energiaellátó rendszerek: • Földgáz, • Villamos energia, • Távhő (lokális). • Megújuló energiaforrások: • Bio-üzemanyag, biogáz → CH4 (SNG, RNG) → földgáz, • Víz-, szélerőművek (nap) → VER, • Biomassza (hulladék), geotermikus → távhő, • Biomassza (hulladék) → távhő + VER (kapcsolt). • Hatékonyság-javítás a három szekunder energiahordozó területén.

3. 1. Üzemanyag • Az üzemanyagok belső égésű motorok (gépjármű, vasút, hajó) és gázturbinák (repülőgép) hajtóanyaga. Az üzemanyagokat (benzin, gázolaj; kerozin) főleg kőolajból finomítással és adalékok bekeverésével állítják elő. • A motorok, gázturbinák az üzemanyagok kémiailag kötött energiáját (fűtőértékét) hasznosítják úgy, hogy a felszabaduló tüzelőhőt mechanikai energiává alakítják, ami általában haladó mozgásra (közlekedés) szolgál. • Magyarországon értékesített üzemanyag 2009-ben 110 PJ/év (3,1 Gl/év), ebből E-85 (3,2 Ml/év) volt, • CO2-kibocsátás 7,4 Mt/év.

4. Üzemanyagok • A benzin (oktán C8H18) fűtőértéke 48,8 MJ/kg, fajlagos CO2-kibocsátása 0,063 t CO2/GJü; • Az E85 bio-üzemanyag szemes növényekből (gabona, kukorica) első generációs technológiával előállított etanol (etil-alkohol, C2H5OH) és benzin ~70/30 % arányú keveréke. Fűtőértéke ~35,6 MJ/kg, fajlagos CO2-kibocsátása 0,012 t CO2/GJü; • Szintetikus földgáz (RNG (USA), SNG (EU)) gazdaságos üzemanyaggá válhat, amit mezőgazdasági melléktermékekből és állattenyésztési hulladékokból állítanak elő. Fűtőértéke 34 MJ/Nm3 (47,2 MJ/kg), fajlagos CO2-kibocsátása 0,055 t CO2/GJü (biomasszából karbon-mentes); • Villamos energia „üzemanyag”, fajlagos CO2-kibocsátása 0,394 t CO2/MWhe (hazai VER); • Hidrogén gazdaságosan mezőgazdasági és állattenyésztési hulladékból (algákból?) állítanák elő. A hidrogén fűtőértéke 119,6 MJ/kg, nincs CO2-kibocsátása.

5. Az üzemanyagok összehasonlítása(L=100 km, E=21 kWhm)

6. Technológia • Az üzemanyagok tisztasága, típusa → szakmakultúra. • Üzemanyagok: • személygépkocsik, • tehergépkocsik, buszok, • motorvonatok, • hajók (dízel, földgáz), • atommeghajtású hajók, tengeralattjárók, • hidrogén-hajtású személygépkocsik, buszok. • Átmenet: • tengeralattjárók rövid idejű akkumulátoros hajtása, • dízelgenerátoros hajtású hajók, • trolibusz, • villanymozdonyok, • hibrid (üzemanyag és villamos energia) személygépkocsik. • „Villamos energia” ↔ hidrogén, metán? • személy-, tehergépkocsik, autóbuszok?

7. Földgázellátás

8. A hazai nagynyomású földgázhálózat [Zsuga]

9. Csúcs korlátozás kitárolás Vsz tárolás V[m3/nap] -Τ [nap/év]

10. 2. Hőellátás • A hőt, „meleg energiát” (fűtés, melegvíz, technológia) alapvetően a tüzelőanyagok kémiailag kötött energiájából állítják elő, ami (esetenként) kiegészülhet hulladékhő-hasznosítással előállított hővel is. • A fűtés, melegvíz, technológiai hő egy részét és a hűtést, „hideg energiát” (abszorpciós hűtés kivételével) pedig villamos energiával állítják elő. • Magyarország 2009-ben: • Lakossági fűtési hő: 116 PJ/év (Qü=132 PJ/év), MCO2=5,7 Mt/év, • Használati melegvíz: 42 PJ/év, MCO2=2,8 Mt/év, • Technológiai hő: 149 PJ/év, MCO2=10,0 Mt/év, • CO2-kibocsátás: 18,5 Mt/év.

11. Magyarország • ~4,3 millió lakás, amiből • ~2,8 millió földgáz- (63 %), • 652 ezer (15 %) távfűtött, • 665 ezer fatüzelésű (15 %), • 141 ezer szén, • 5 ezer fűtőolaj, • 60 ezer villamos energia. • Meghatározó a földgáz részaránya, távfűtött lakásokkal együtt ~80 %. • A lakosság hőfelhasználása csak becsülhető, mert csak a földgáz és villamos energia fogyasztott mennyisége van mérve. • Egy átlagos hazai lakás • főzésre 5 GJ/év (10 %), • használati melegvízre 13 GJ/év (25 %), • fűtésre 35 GJ/év (65 %), • összesen 53 GJ/év hőt használ fel.

12. A lakosság becsült hőfelhasználása 2008-ban

13. Fogyasztás Helyiségfűtés 31 %, Helyiséghűtés 12 %, Hmv 12 %, Világítás 11 %, Számítógép, elektronika 9 %, Háztartási készülékek 9 %, Hűtés 8 %, Egyéb 8 %. Energiahordozó Földgáz: 53 %, Villamos energia: 30 %, Fűtőolaj: 7 %, Egyéb 9 %, Nincs fűtés 1 %. USA

14. Helyiségfűtés • Helyiségfűtés → fogyasztói szokások: • Milyen belső hőmérsékletet tartunk (tb=20±2 oC), de ettől eltérő is lehet. • (Mérsékelt, hideg égöv) a fűtési szezon időtartama eltérő,milyen hőmérséklettől fűtünk? • távhő< 12 oC, • földgáz <15 oC, • De országonként is eltérő. • Fűtési mód: • egyedi, • központi, • távfűtés. • Hőigény → építési kultúra: • az épület tájolása, nyílászárók, szigetelés → „energiatakarékos” épületek, • fűtési mód, • szellőzés.

15. Hmv, technológiai hő • Használati melegvíz (>45 oC) → fogyasztói szokások: • fürdés, zuhanyozás, • mosogatás, • takarékosabb vízfelhasználás (l/főnap). • Főzés → fogyasztói szokások: • családi, • étterem, • előkészített ételek. • Gazdasági technológiai → szakmakultúra: • Hőigény: • hatékonyabb (kisebb energiaigényű) technológiák, • hulladékhő- és hulladékvíz-visszanyerés, • kapcsolt hő- és villamosenergia-termelés (alap) és kazán (csúcs hőforrás) kooperációja, • Üzemeltetés, karbantartás színvonala.

16. Technológia • Helyiségfűtés: • tűzhely, kályha, gázkonvektor, villanykályha, • egyedi kazán a helyiségekben radiátorokkal, egy fan-coil-al és levegő-keringtetéssel, -cserével, • központi kazán a lakóhelyiségekben radiátorral, központi fan-coil levegő-keringtetéssel, -cserével, • távfűtés (kooperáló fűtőerőmű és kazán, távvezeték-hálózat, fogyasztói hőközpontok, fogyasztók radiátorokkal, lehetőség központi fan-coil levegő-keringtetéssel, levegőcserével,). • Használati melegvíz: • gáz- és villanyboiler, • központi (kazán) és távhő fogyasztói hőközpont (hmv hőcserélők), • napkollektor. • Főzés (egyedi): • gáz- és villanytűzhely, • „naptűzhely” (fejlődő világ), • biomassza „tűzhely”. • Ipari technológiai: • hőhordozók: • vízgőz-kondenzátum, • termoolaj, • füstgáz, • „villamos energia”.

17. Távhőellátás

18. Kétcsöves távhőrendszer hőigénye

19. A fűtés hatékonyságának javítása

20. Hatékonyság-javítás • Fűtés: • kisebb hőigény, • rövidebb fűtési szezon. • Napkollektoros hmv-termelés: • Tüzelőhő, villamos energia csökken, • Nyáron távhő hmv nem szükséges, forróvíz keringtetés? • Következmény: • Földgáz-, távhő-szolgáltató gazdaságossága? • Nem érdekelt a hatékonyság javításban.

21. 3. Villamosenergia-ellátás • A legjobb használati értékű szekunder energiahordozó. • A villamos energia előállítható: • fosszilis tüzelőanyagok kémiailag kötött energiájából hőerőművekben (CO2-kibocsátás), • nukleáris üzemanyagok atommagban kötött energiájából atomerőművekben (C-mentes), • Megújuló energiaforrásokból: • víz-, szélerőművek, fotovoltaikus (PV) napelemek (C-mentes), • biomassza (C-semleges) és geotermikus fűtőerőművekben (C-mentes). • Hazánkban 2009-ban • ~5,2 millió háztartási (lakossági), • 84 ezer termelő ági és • ~280 ezer nem termelő ági fogyasztó volt.

22. Villamosenergia-termelés • A 2009-ben Magyarországon termelt villamos energia (38,689 TWh) • 52 %-a (20,26 TWh) járt CO2-kibocsátással, míg 48 %-a karbon-mentes, ill. semleges (18,429 TWh) volt. • Értékesített villamos energia 126,9 PJ/év (35,25 TWh/év) . • Összetétele: • 6,346 TWh szén, • 13,914 TWh (szénhidrogén) földgáz; • 15,426 TWh nukleáris, • 0,228 TWh víz, 0,331 TWh szél és 2,444 TWh biomassza és kommunális hulladék; • CO2-kibocsátás: 14,1 Mt/év.

23. Villamosenergia-felhasználás • Világítás, információtechnika („szórakoztató” elektronika) → fogyasztói szokások: • technológiaváltás → energiatakarékos égők (világítótestek követése), • egyre kisebb fogyasztású berendezések, de készenléti állapot is (kapcsold ki). • Hajtás: → kooperatívabb társadalom • Az egyéni közlekedésről „átállás” • a városi vagy, • távolsági tömegközlekedésre. • De ehhez megfelelő infrastruktúra és színvonal szükséges. • Hűtés → fogyasztói szokások: • légkondicionálás (tb=22 oC), milyen hőmérséklettől, • fagyasztás (élelmiszerek, -35 oC-ig), • ipari technológiák (pl. gázok cseppfolyósítása, -180 oC-ig).

24. Technológia • Termelés: • szén, fűtőolaj, földgáz kondenzációs és fűtő gőzerőművek, • atomerőművek (BWR, PWR 3+, más hőhordozóval, moderátorral és munkaközeggel), • földgáz vagy üzemanyag gázturbina és kondenzációs gőzturbina kombinált erőmű, gázturbinás és gázmotoros fűtőerőművek, • biomassza és (kommunális, ipari) hulladék fűtő gőzerőművek, • víz-, szél- naperőművek, fotovoltaikus napelemek, • geotermikus erőművek, • földgáz (biogáz), hidrogén tüzelőanyag-cellák. • Centralizált vagy decentralizált? • centralizált: villamosenergia-rendszer (erőmű, hálózat, fogyasztók sokasága), • decentralizált: valamilyen tüzelőanyagból kiserőmű és egyedi vagy kisebb fogyasztócsoport ellátása hővel és villamos energiával → a VER teljesítményének csökkenése.

25. Villamosenergia-ellátás

26. A hazai nagyfeszültségű villamos hálózat [Gerse]

27. P [W] P [W] Pmax Pcs Pcs Pm Pmin Pmin Pa t [h/év] 0 0 24 8760 t [h] Villamosenergia-igény P(t), P(τ)

28. Erőműtípusok

29. Illeszkedés a VER üzemviteléhez • A villamosenergia-tárolás „gyengesége” miatt P(t)fogyasztók=P(t)erőművek-P(t)veszteség. • Időjárásfüggő erőművek → kiegyenlítő erőművek → szivattyús tározós erőmű. • Beépített (BT) és rendelkezésre álló teljesítmény (RT):

31. Támogatások • Beruházási (pl KEOP). • Támogatott ár és kötelező átvétel. • Jelenleg a támogatás 80-85 %-a földgáz-bázisú kapcsolt energiatermelés. • A kötelező átvétel megmarad, de 2011-től versenyáron, • Jelenleg hőártámogatás, • 2013-tól új megújuló támogatás? • CO2-adó, karbonmentes technológiák, zöldbizonyítványok.

32. Vezetékes energiahordozók jellemzői

33. Vezetékes energiahordozók gazdasági modellje