Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemGépészmérnöki Kar

Energetikai Gépek és Rendszerek Tanszék

Dr. Ősz János

Megújuló energiaforrások illeszkedése a szekunder

energiahordozókhoz

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.

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.

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.

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

Üzemanyag Tüzelőhő [MJü]

Hatásfok Üzemanyag-felhasználás

Fajlagos CO2-

kibocsátás

Benzin 216 0,35 6 l 13,6

E85 216 0,35 7,6 l 2,6

Villamos energia

286 0,37 26 kWhe 10,2

SNG/RNG 216 0,35 4,39 kg C-semleges

(12 kg)

Üzemanyag-cella

152 0,50 3,2 C-semleges

(8,4 kg)

Hidrogén 169 0,45 1,4 0

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?

Földgázellátás

A hazai nagynyomású földgázhálózat [Zsuga]

V[m3/nap] -Τ [nap/év]

Vsz

kitárolás

tárolás

Csúcs korlátozás

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.

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.

A lakosság becsült hőfelhasználása 2008-ban

Típus N [ezer db] Főzés Hmv Fűtés

Tömbfűtés 160 0,48 1,92 5,6

Központi fűtés 1480 4,40 17,76 51,8

Konvektor 1010 3,03 12,12 35,35

Gázfűtés 2650 7,9 31,8 92,7 (66 %)

Távhő fűtés 650 1,95 2,1 17,3 (12 %)

Távhő hmv 475 5,82

Villamos energia

60 0,18 0,72 2,1

Szén 140 0,42 1,68 4,9

Fűtőolaj 5 0,02 0,06 0,18

Tűzifa 665 2,0 7,98 23,27

Összes 4170 12,5 50,2 126,5

Nyaraló (fűtés nélkül)

230 0,23 0,92

Összes ~4400 12,7 51,1 140,4

USA

• 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 %.

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.

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.

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”.

Távhőellátás

Kétcsöves távhőrendszer hőigénye

A fűtés hatékonyságának javítása

Relatív fűtési hőigény a levegőhőmérséklet függvényében (tb=20 oC)

0,000

0,100

0,200

0,300

0,400

0,500

0,600

0,700

0,800

0,900

1,000

-15 -14 -13 -12 -11 -10 -9 -8 -7 -6 -5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

levegőhőmérséklet [oC]

rela

tív

fűté

si h

őig

ény

[kW

]

q=1,0

q=0,7

q=0,5

Relatív fűtési hőigény időtartam diagram

0,000

0,200

0,400

0,600

0,800

1,000

1,200

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000

időtartam [h/év]fű

tési

hő

igén

y [k

W]

q=1,0

q=0,7

q=0,5

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.

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.

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.

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).

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.

Villamosenergia-ellátás

A hazai nagyfeszültségű villamos hálózat [Gerse]

Villamosenergia-igény P(t), P(τ)

t [h]

P [W]

240

Pcs

Pmi

n

[h/év]

P [W]

87600

Pmax

Pcs

Pm

Pa

Pmin

Erőműtípusok

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):

8760cs

év

BTEBT

G & Mszivattyú, turbina

motor, generátor alsó

tároló

felső tároló

Szivattyús, tárolós vízerőmű

információ-kapcsolat

Helyi Irányító Központ (HIK) MAVIR

Vf, m3

Va, m3

X. 4. ábra

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.

Vezetékes energiahordozók jellemzői

Jellemző Villamos energia Földgáz Távhő

Hálózat országos,országok közötti

országos,országok közötti

lokális(szállítás<~30 km)

Minőségi jellemzők Frekvencia(f=50±0,05 Hz),

feszültség,Szinusz hullámalak

Fűtőérték(összetétel)

(Hü>34 MJ/Nm3)

nyomás

helyiséghőmérséklettb=(20±2) oC,

hmv hőmérséklet>45 oC

Primer tüzelőhő [PJ/év]

2008. évi felhasználás (1120)

433,1 (39 %) 304,7 (27 %)1

Végenergia [PJ/év]2008. évi felhasználás

(769)Egyéb tüzelőhő

144,1 (20 %)(40,026 TWh/év)

304,7 (47 %)132,2 (17 %)

37,8 (5 %)

Vezetékes energiahordozók gazdasági modellje