J ENERGIATERMELSI IRNYOK PROBLMK DILEMMK MEGOLDSOK Tri Lszl

ÚJ ENERGIATERMELÉSI IRÁNYOK: PROBLÉMÁK, DILEMMÁK, MEGOLDÁSOK Túri László ELTE, Kémiai Intézet, Budapest, Hungary turi@chem. elte. hu 1 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energia: miről is beszélünk? ? ? � Energia: munkavégző képesség � Energia: skaláris, megmaradó mennyiség � Energia = kinetikus energia + potenciális energia � Potenciális energia fajtái � Makroszkópikus testek energiája – mikroszkópikus testek energiája 2 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energia: történet � ἐνέργεια: Arisztotelész � Leibniz, Newton � Thomas Young – 1807 � Karl Friedrich Mohr, 1837 Zeitschrift für Physik 3 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energia és termodinamika � James Prescott Joule � Energia – munka és hő? � A termodinamika I. főtétele ΔU=q+w � Mértékegység: joule, J � Perpetuum mobile? �elsőfajú vs. másodfajú p. m. �egy új előadás? 4 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés és termodinamika � Hőerőgépek működési elve �hő → munka � Termodinamikai körfolyamat � Munkaközeg végez munkát � Hatásfok 5 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés és termodinamika � A Rankine-féle hőerőgépek működési elve (Keszei E. : Bevezetés a kémiai termodinamikába) 6 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés: korai történet � Táplálkozás – létfenntartás + munkavégzés �Forrása: növények által megkötött energia �Energiatakarékosság � Tűz �Forrása: növények által megkötött energia, cellulóz �Pekingi ősember: 500 ezer éve! 7 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés: csiszolt kőkor � Állattenyésztés kezdetei: a fizikai munka kiváltása �Táplálék (i. e. 10000) �Lótartás (i. e. 4000) �Földművelés, szállítás, kereskedelem, háború �Jelenleg is kb. 100 millió lovat szamarat, öszvért használ az emberiség munkára! 8 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés: ókor és középkor � Szélenergia �Hajózás (i. e. 9000) �Malmok (i. e. 1000 -2000) � Vízenergia - vízimalmok 9 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés: az ipari forradalom � Gőzgépek �Hérón (i. e. I. század) �James Watt (Newcomen)- 1769 � Gépek, gyárak, közlekedés forradalma 10 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés napjainkban: Energiahordozók, energiaforrások � Primer energiahordozók �Nem megújuló energiaforrások � Szén, kőolaj, földgáz � Hasadó anyagok �Megújuló energiaforrások � Szélenergia � Napenergia � Vízenergia � Geotermikus energia � Bioenergia � Másodlagos energiahordozók �Villamos áram �Háztartási gáz �Üzemanyagok 11 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés napjainkban 1 J = 1 Ws 3600 Ws = 1 Wh Szokásos egység: toe, Mtoe: tonne of oil equivalent, mega tonne of … 1 toe = 41. 87 GJ (11. 63 MWh) 2011 TPES (total primary energy supply): 14092 Mtoe=5, 9 x 1020 J=590 exajoule Másodpercenként: 19 TW 12 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés napjainkban 13 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés tendenciái 14 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiatermelés tendenciái 15 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiafogyasztás problémái � Nem megújuló források kimagasló aránya, arányának lassú csökkenése � Véges készletek � Masszív széndioxid kibocsátás � Környezetszennyezés � Globális felmelegedés � Föld lakosságának dinamikus növekedése � A felhasznált energia egyenetlen volta � Energiaellátás jövője 16 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiaforrások: szén Meglepő tények 1. Relatíve olcsó és népszerű 2. Kína előretörése 3. Tartalékok nagy mennyisége Előnyök 1. Széles földrajzi eloszlás 2. Stabil, megjósolható ár 3. Új technológiák megjelenése Hátrányok 1. Környezetszennyezés 2. Nem alkalmasak csúcsidejű egységekben 3. CCS/CCUS csökkenti a hatásfokot! 17 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Energiaforrások: kőolaj Előnyök 1. Közlekedés - vegyipar 2. Vezető kereskedelmi alapanyag Meglepő tények 3. Rugalmas, szállíthatóság 1. könnyű Relatíve olcsó és népszerű 2. Kína előretörése 3. Tartalékok nagy mennyisége Hátrányok 1. 2. 3. 4. 18 Alkímia Ma Tartalékok végesek Nagyfokú volatilitás jellemzi Geopolitikai feszültségek OPEC 2014. 12. 04.

Fosszilis energiahordozók: az emisszió problémája � Emisszió csökkentése: � Kiotói egyezmény, aláírás 1997, életbe lépés 2005 19 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Fosszilis energiahordozók: környezetvédelmi megoldások � Emisszió csökkentése: Kiotó � CCS/CCUS : carbon capture utilisation and storage (széndioxid megkötés, használat és tárolás) � Leválasztási elvek: � Oxyfuel (kísérleti fázis) � Tüzelés utáni leválasztás (aminos abszorbció) � Tüzelés előtti leválasztás (kezelés szuperkritikus folyadék állapotban) � Kémia: monoetanolamin abszorbens 20 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Alternatív energiaforrások � Primer energiahordozók �Nem megújuló energiaforrások � Palagáz � Hasadó anyagok � Kémiai energia (exoterm reakciók) �Megújuló energiaforrások (kibővített) � Napenergia Szélenergia Vízenergia Bioenergia � Geotermikus energia � Gravitáció energiája (árapály) � � � 21 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Alternatív energiaforrások: ár � Villamosenergia-termelési egységköltség (levelised cost of electricity – LCOE), egysége: USD/MWh 22 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Alternatív energiaforrások: palagáz � Palagáz: palaréteg apró repedéseiben járataiban � Kinyerése: hidraulikus repesztés � USA energiaigénye kb. 100 évre biztosított � Környezetvédelmi megfontolások �Üvegházhatású gázok szivárgása �Légszennyezés (benzol) �Víz- és talajszennyezés �Szeizmikus aktivitás 23 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Alternatív energiaforrások: atomenergia � Alapelv: � Atommagok hasadása – magreakciók – fission � Lehetőség? � Atommagok egyesülése – fúziója - fusion 24 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Alternatív energiaforrások: atomenergia � Erőmű típusok: �Könnyűvizes � Nyomottvizes (PWR) � Forralóvizes (BWR) �Nehézvizes �Grafitmoderátoros � Gázhűtésű (GCR) � Könnyűvízhűtésű (RBMK) �Egzotikus �Újgenerációs reaktorok 25 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Atomenergia: statisztikák Előnyök 1. Jó hatásfok 2. Stabil, megjósolható ár 3. Nincs széndioxid kibocsátás Hátrányok 1. Magas tőkebefektetés 2. Közvélemény negatív képe 3. Kimerült fűtőanyagok elhelyezése 26 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

A Paksi Atomerőmű � Paks: Könnyűvizes, nyomottvizes reaktor (PWR) � Maghasadás: U-235 izotóp bomlása – 200 féle izotóp termék � Energia: 1 bomlás = 200 Me. V (3, 2 x 10 -17 J) � M. o. villamosenergia-fogyasztása: 45 000 GWh � Ezt fedezné 19 t U-235 bomlása vagy 47 millió tonna feketekőszén égetése! � Teljesítmény: 2000 MW – a hazai termelés 40 %-a � Hatásfoka: 34 %, reaktoronként 500 MW villamos teljesítmény kerül kinyerésre 1485 MW hőteljesítményből 27 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Geotermikus energia � A föld termikus energiája – kőzetek radioaktív bomlása � Hővezetés a magtól a felületre – Fourier törvény � Történetileg: hőforrások (kőkorszak), fürdők (ókor) Kínai kőmedence i. e. 3. század 28 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Geotermikus energia � Jelentős potenciál – megújulónak tekinthető � Hőfluxus-sűrűség: 80 -120 m. W/m 2 � Egy lehetséges technikai megvalósítás (ld. lenn) – nincs munkaközeg! � Hőszivattyú 29 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Biológiai energia � Biomassza fogalma � Forrása: fotoszintézis � Felhasználása: hő és elektromos áram termelés � Széndioxid terhelést nem jelent 6 CO 2+6 H 2 O→C 6 H 12 O 6+6 O 2 � Óriási energiatermelési potenciál 30 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Biomassza alapanyagok 31 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Biológiai energia: konverziós folyamatok � Mechanikai átalakítás � Termokémiai átalakítás �Pörkölés, pirolízis … � Biokémiai átalakítás �Anaerob bomlás – metán �Erjesztés – etanol � Anaerob bomlás: �Hidrolízis: � cellulóz, keményítő, proteinek, lipidek lebontása → cukor, aminosav, zsírsav �Acetonképző baktériumok → ecetsav, CO 2 �Baktériumok: CO 2+4 H 2→CH 4+2 H 2 O CH 3 COOH→CH 4+CO 2 32 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Biológiai energia: bioüzemanyagok � Előállítás �Előfeldolgozás (lipidek, szintézisgáz) �További kezelés � Termékei: bioetanol, biodízel, Bt. L, biometán, biohidrogén 33 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Biológiai energia: bioetanol előállítása � Forrásai �Cukortartalmú növények: cukorrépa, cukornád �Keményítőtartalmű növények: kukorica, búza �Cellulóztartalmú növények: fa, fűfélék, szalma � Lépései: �Hidrolízis �Erjesztés �Desztilláció �Töményítés �Maradványanyag-kezelés � Dunaföldvár, 2012 34 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Biológiai energia felhasználása � Új energiahordozóvá alakítás – drága lehet Előnyök Közvetlen hőtermelés – égetés 1. �„Házi” erőforrás Hőtermelés és elektromos áram termelés 2. �Bizonyítottan egyszerű �CHP erőművek (combined heat and power) égetési technológiák 3. Bioüzemanyagok alternatívák lehetnek Hátrányok 1. Szállítási és feldolgozási komplikációk 2. NOx és SOx kibocsátás 3. Energia vs. víz/élelem erkölcsi dilemma 35 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Szélenergia � Első szélturbina: 1888, Charles Brush, Cleveland � Nem hőerőmű – a közeg makroszkopikus, irányított áramlásának energiáját alakítja át! � Egyszerű fizikai alapok � Mozgási energia átalakítása elektromos energiává � Áramlás teljesítménysűrűsége becsülhető a szélsebességből � Mérések és modellezés segítségével jól tervezhető � Nincs munkaközeg 36 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Szélenergia Előnyök 1. Egyszerű technológia, gyors installálás 2. Nincs üzemanyag költség, nincs széndioxid kibocsátás 3. Nehezen elérhető területekre ideális megoldás Hátrányok 1. Erőforrás bizonytalansága 2. Változó energiatermelés elektromos rendszerekbe történő betáplálása 3. Lokális hátrány: zajszennyezés 37 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Napenergia � Vízenergia, szélenergia, biomassza � Közvetlen napenergia felhasználás � Gigantikus energiaforrás � 0. 1 %, 10 % hatékonysággal, 20 TW !!!! � Történet: �Arkhimédész lencséi �Adams – Day, 1876, szelén-platina + fény → elektromos áram �Kemp, 1891, vízmelegítő készülék �Einstein, 1905, fotoelektromos hatás �Első elektromosságot termelő napelem, � 1912, Egyiptom (F. Shuman) � 1954, Bell Laboratories 38 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Napenergia hasznosítása � Passzív hasznosítás � Aktív hasznosítás �Termikus hasznosítás - kollektorok � Hőtermelés – fűtés � Hőtermelés - naphőerőművek �Fotoelektromos hasznosítás – napelemek - elektromos áram termelése � Fotovillamos naperőművek � Napelemek � Egykristályos szilícium (Si) napelemek � Polikristályos Si napelemek � Gallium Arzenid vegyület alapú napelemek � Amorf szilícium napelemek � Szerves festék alapú napelemek � Szerves polimerekből készült napelemek 39 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Napelemek működési elve Előnyök 1. � Nagy megbízhatóság, nincs Foton-félvezető mozgó alkatrész kölcsönhatás, 2. Gyors telepíthetőség abszorpció 3. � Nehezen megközelíthető Töltéshordozók létrejötteideális helyeken �Töltéshordozók térbeli szétválása Hátrányok � Elektron-lyuk pár keletkezés � Töltéshordozók diffúziója 40 Alkímia Ma 1. Megszakított hasznos periódusok 2. Villamos hálózathoz történő csatlakozás nehézkessége 3. Mérgező anyagok felhasználása 2014. 12. 04.

Elektromos energia termelése - alternatíva � Kinetikus energia – munka �turbinák (szél, víz) � Kémiai energia – kinetikus energia – munka �hőerőgépek � Kémiai energia – elektromos áram �Üzemanyagcellák – fuel cells � Üzemanyagcellák: � Olyan folyamatosan működő galvánelemek, melyekben valamely szokásos energiahordozó (kőolaj, földgáz, szén, hidrogén, metanol) levegő általi oxidációja az áramtermelő folyamat. 41 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Üzemanyagcellák Szükséges: � az energiahordozók folyamatos betáplálása és a termékek elvezetése. � az elektródfolyamatok elég nagy áramot biztosítsanak, mégis megközelítve a termodinamikai reverzibilitást. � a képződő termékek ne szennyezzék az elektródokat, amik legtöbb esetben katalizátorként is működnek. � Példa: Bacon-elem, mely hidrogénnel működik. � A celladiagram: Anód Katód 42 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Üzemanyagcellák � Az elem működése során csak víz keletkezik! ÁBRA: Kiss L. Elektrokémia, 4. 12. ábra 43 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Üzemanyagcellák és az ELTE Kémiai Intézete � Elektrokémiai és Elektroanalitikai Laboratórium (EEL) HY-GO Inzelt György és csapata 44 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

A jövő kérdései, kihívásai Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010 45 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

A jövő kérdései, kihívásai Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010 � 2007: 16 TW � (2011: 19 TW) � 2050: ? ? ? � Hajtóerő: � Lakosság növekedése (2001: 6, 2 milliárd; 2050 becslés 10, 5 milliárd) � � Lakosság növekedésével nem arányos az energiaigény Gyorsítótényező: GDP növekedése – új felhasználók + növekvő igényűek Kína, India, Afrika – jelenleg alacsony egy főre eső energia felhasználás A világ energiaigénye várhatóan drámai mértékben nő majd! � Extrém óvatos becslés: 30 TW (2007 -es adat alapján) � Egyenlítői-Guinea egy főre eső 2007 -es energiafogyasztása (USA? ) � Elképzelhetetlenül szigorú takarékoskodással lehetséges csak a világ gazdagabb felén + kell még újabb 16 (és még ki tudja mennyi? )TW! 46 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

A jövő kérdései, kihívásai: további becslések Daniel Nocera, Chemical Reviews, 2010 � Teljes elérhető energiatartalom: �Atomerőművek: 8 TW (200 erőmű építése évenként!) �Geotermikus: 12 TW �Biomassza: 5 -7 TW �Szél: 2 -4 TW �Árapály: 2 TW � KEVÉS!!!! Felfedezés KELL! � Esetleg fosszilis energiahordozók? Őket is ki kell váltani!!! � Felfedezés mégis KELL? � Napenergia: 120000 TW összes, 800 TW potenciálisan kinyerhető 47 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

A jövő kérdései, kihívásai: további becslések Bartholy, 2013 TW 50 -1500 4 -40 3 -20 2 -20 0, 3 -10 0, 2 -10 2 48 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Napenergia újra � Kihívások: � a fény energiájának hasznosítása (hatásfok) � az energia tárolása � a tárolt energia elektromos hálózatba történő integrálása � Napenergia tárolásának következményei: � Nagy mennyiségű energia 24/7 � Biztonságos energiaforrás � Nincs üvegházhatású gáz kibocsátás � Molekuláris mechanizmusok megértése � Új anyagok tervezése szükséges 49 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

Takarékosság � Önmagában nem elégséges! � Mégis elkerülhetetlen! � Példák: � Hőerőművek hatásfoka (~34 %) � Elektromosság szállítása és elosztása (min. 12%) � Lakóházak ellátása – teljes energiaigény 40 %-a, ebből megtakarítható 20 -40 %! 50 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

51 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

52 Alkímia Ma 2014. 12. 04.

�Égetés – hatásfok javítás? �Takarékosság – world report-ból �Üzemanyag cella �Fotoszintézis �Nukleáris erőművek – fúzió? �PV cellák 53 Alkímia Ma 2014. 12. 04.