A megújuló energiákA megújuló energiákhatékony hasznosításahatékony hasznosítása

Dr. Büki Gergely ny. egyetemi tanár

Energetikai Szakkollégium2010. november 10

Megújuló energiák hasznosításaMegújuló energiák hasznosításaMTA tanulmányMTA tanulmány

Készült azMTA EnergiastratégiaiMunkabizottság

keretében

ŐsszeállítottaBüki Gergely

SzerkesztetteLovas Rezső,a munkabizottság vezetője

Megújuló energiák hasznosításaMegújuló energiák hasznosításaMTA tanulmány sajtóbemutatójaMTA tanulmány sajtóbemutatója

Lovas Rezső, Pálinkás József, Büki Gergely és Rudas János

Az energiaellátás rendszereAz energiaellátás rendszere

Végenergia-felhasználás, F

Primerenergia-felhasználás, G

Me gújulóen ergiák

U

SzénKőolajFöldgáz

Háztartások Ipar Közlekedés Egyéb

Villany TávhőTüzelőanyag Üzemanyag

Energiaátalakitás Erőművek, fűtőművek, fűtőerőművek,

finomítók, pelletgyártás stb.

Ve zeté kes e nerg iaell átáso k

Pr imer ener giaho rdozó k

Szekunder energiahordozók

V

Atom

En ergiaha tékonys ág növelése

Optimális energiastruktúra

Fogyasztói energiatakarékosság

H atásf oknö velés , k apcsolt e nergiaterm elés ,

hősz ivatt yúk

Hazai -import, környe zeti h atások, m egújuló energiaforrások

Energia takar ékos bere ndezések, hő szige telés,

e nerg iatakaréko s ma gata rtás

Bio-massza

FöldhőNap-

energiaSzél-

energiaVíz-

energia

Végenergia- és primerenergia-Végenergia- és primerenergia-felhasználásfelhasználás

• F végenergia-felhasználás (FEC – Final Energy Consumption):- fogyasztói csoportok- energiafajták

• G primerenergia-felhasználás (PES, TPES) – Primary Energy Supply)

• Energiaellátás hatásfoka

F/G

Az energiafejlesztés fő célkitüzéseiAz energiafejlesztés fő célkitüzései

Fogyasztói energiatakarékosság• Energiatakarékos berendezések, magatartás• Épületek, hőszigetelés, tanúsítás

Energiahatékonyság növelése• Hatásfok növelés, veszteség csökkentés• Kapcsolt energiatermelés, hőszivattyúk

Optimális energiastrutúra (energiamix)• Hazai-import• Környezeti hatások• Medújuló energiaforrások

Megújuló energiák hasznosítása, PJMegújuló energiák hasznosítása, PJ

Európai Unió 27

Magyarország

1997 2008 1997 2008

Primerenergia-felhasználás

69 822 76 658 1088 1166

Napenergia Biomassza, hulladék Geotermikus energia Vízenergia Szélenergia

142446162

120126

7342972431182427

017,13,60,80

0,263,84,00,80,8

Megújulók összesen – primerenergia %-a

38495,37

62228.23

21.51,99

69,66,18

Megújuló energiák hasznosítása = Megújuló energiák hasznosítása = stratégiai kérdésstratégiai kérdés

• A megújulók 13%-os EU vállalása 2020-ig a meghatározó

• Ez fedezi a teljes igénynövekedést és képezi az új kapacitásnövekedést a következő évtizedben

2010 2020

F F

U

F - U

13%

2010 2020

FF

U

F - U13%

EU-27 és Magyarország EU-27 és Magyarország földgáz-felhasználásaföldgáz-felhasználása

EU–27 Magyarország

1997 2008 1997 2008

Végenergia-felhasz, F PJ 46473

49083

655 715

– növekedése, 08/97 – 1 1,06 1 1,09

Földgáz, közvetlen felh.– közvetett (+villany, hő)

%%

22,0 22,3 41,3 36,1+ 5+7 48

Primerenergia-felhasz, G

PJ 69822

76658

1088 1166

– növekedése, 08/97 – 1 1,10 1 1,07

Földgáz % 21,3 24,6 38,4 42,2

– (import aránya) (%) (44,6) (62,0) (66,1)

(82,3)

Primerenerg. igényesség

kJ/EUR 8576 7114 23911

16832

Energiaellátás hatásfoka, F/G

– 0,666 0,640 0,602 0,613

Földgázkíváltás és energiafelhasználásFöldgázkíváltás és energiafelhasználás

Te rmelt végenergia

F = áll.

Megújuló energiaPrimer energia(földgáz)

UG R

Felhasználtvégenergia

Földgázkiváltás megújuló Földgázkiváltás megújuló energiákkal (R = 0)energiákkal (R = 0)

Energiamérleg

U U = F = G G

Fajlagos földgázkiváltás (R = 0)

G

U

U

G

Földgázkiváltás megújuló Földgázkiváltás megújuló energiákkal ( R )energiákkal ( R )

Energiamérleg

U U + (R G) = F = G G

Fajlagos földgázkiváltás

G

U

U

RGU

R

EU-27 és Magyarország EU-27 és Magyarország épület energiafelhasználása (40%)épület energiafelhasználása (40%)

EU–27 Magyarország

1997 2008 1997 2008

Végenergia-felhasz., F

PJ 46473 49083

655 715

Ipar % 30,1 27,2 23,6 19,7

Közlekedés % 28,8 32,0 17,9 28,2

Háztartás, szolgáltatás, egyéb

% 41,1 40,8 58,5 52,1

– (csak háztartás) (%) (26,3) (25,4)

(35,2)

(32,7)

Épületek energiaellátásaÉpületek energiaellátása

Épületek végenergia-igénye

F = Qf + Qh + E Q

fogyasztói takarékosság: tanúsítás

Épületek primerenergia-igénye

G = Q gQ

hatékonyság: hatásfok, kapcsolt és hőszivatyús termelés energiaszerkezet: megújuló energiák

Biomassza energetikai Biomassza energetikai hasznosításának lehetőségeihasznosításának lehetőségei

Primerenergia-felhasználás, G

BiomasszaB

SzénKőolajFöldgáz Atom

Tüzelő-anyaggyárt ás

Üzem-anyaggyárt ás

T ü z e l é s

FűtőműKond.erőmű

FűtőerőműGM

Fűtőerőműgáz, gőz, ORC, Kal ina

Végenergia-felhasználás, F

VillanyTüzelőanyag Üzemanyag Távhő

G á z t e r m e l é s

Biomassza-felhasználás és Biomassza-felhasználás és a kimerűlőenergia-kiváltása kimerűlőenergia-kiváltás

BiomasszaSzé nKőolajFöldgáz Atom

VillanyTüzelőanyag Üzemanyag Távhő

Felha sználásKiváltás

Mit termeljünk biomasszából:Mit termeljünk biomasszából:hőt vagy villamos energiát?hőt vagy villamos energiát?

  Hatásfok biomassza

eseténU

Hatásfokföldgázesetén

G

Fajlagos földgáz-kiváltás = U/G

%

Hőellátás, EU 0,86 0,90 95,5

Kapcsolt energiatermelés

70-100

Villamos energia– EU irányelv– fa- és szalmaerőmű

0,330,24-0,25

0,525 6346-48

Biomassza célszerű hasznosításaBiomassza célszerű hasznosítása

Felhasználható biomassza, elsősorban• melléktermékek (mezőg., erdészeti)• HulladékokKözvetlenül villamos energiát ne!Hőellátás• egyedi fűtés: pelletkazán – drága tüzelő• biomassza távfűtés – olcsó tüzelő• távhő bázisán kapcsolt energiatermelésBiogáztermelés: kevés, de egyértelmű

Tájékoztató energiaárak, biomassza Tájékoztató energiaárak, biomassza árakárak

Földgáz ár: 3600 Ft/GJÜzemanyag (gázolaj) ár: 7500 Ft/GJ

Biomassza egyedi (pellet, brikett …)2200 + 4% 7500 2500 Ft/GJ

Biomassza központi (faapriték, szalma …)800 + 2% 7500 950 Ft/GJ

Kisteljesítményű biomassza Kisteljesítményű biomassza fűtőerőmű-egységek jellemzőifűtőerőmű-egységek jellemzői

Mennyiségihatásfok

m

Kapcsoltenergiaarány

Külső hevítésű motor, Stirling-motor

0,84

0,20

Vízgőz-fűtőerőmű, ellennyomású

0,24

Organic Rankine Cycle (ORC) blokk

0,27

Kalina-körfolyamatú fűtőerőmű

0,30

Földgáz és biomassza alapú Földgáz és biomassza alapú kapcsolt hőtermeléskapcsolt hőtermelés

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 1,2

0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

0,3

0,33

0,50

0,525 0,55megg

KE

0,27

0,24

Földgáz

Biomassza84,0m

87,0m

mKE

meg11

g

Biomassza távfűtés –Biomassza távfűtés –biomassza fűtőerőmű (Q)biomassza fűtőerőmű (Q)

Évi energiaköltségmegtakarítás Q-ra

35756 Ft/kW,év 0,2 0,22 0,24 0,26 0,28 0,3 0

Stirling Vízgőz ORC Kalina

20000

40000

Ft/kW,év

120000

80000

60000

100000 10 év

5 évFt/kW

bm

cm

mE

kpmKE

kp

mm

11

c

p

Q

Cc

Biomassza-tüzelésű Stirling-motorBiomassza-tüzelésű Stirling-motor

Biomassza termoolaj-kazán és Biomassza termoolaj-kazán és ORC fűtőerőmű-egységORC fűtőerőmű-egység

ORC

E

Q

BTK

G

BTKQ

ORC fűtőerőmű-egységORC fűtőerőmű-egység

Változó hőmérsékletű elgőzölögtetésVáltozó hőmérsékletű elgőzölögtetés(Kalina-körfolyamat)(Kalina-körfolyamat)

Telítettgőz

Telített folyadék

Nedv esgőz

T T

0 1 XX

Tsf

Tsg

1 11’ 1” T1

gxfx h

1f1f

1g1g

ORC és Kalina-körfolyamat ORC és Kalina-körfolyamat T-S diagramjaT-S diagramja

T T

2

2*2’

O1

O21”1’

1

e

v

ir r1Sirr1S

ir rTS

irrTS

OS OS

2S 2S

QS QS

gS

fS

OTOT

1T1T

2T

QT QT

1S1S

S

irr2S i rr2S

22*

2’

O1

O2

1

e

v

gSfS

S

1r

1f

2RT

1p

2p

ORC Kalina

Biogáz-termelésBiogáz-termelés

1

2

3

4

5 6

78

Trágya

GBG

Q

Gbio

Trigeneráció: biomassza-erőmű + Trigeneráció: biomassza-erőmű + abszorpciós hűtőgépabszorpciós hűtőgép

G

E

fQ

hQ

F

H

eT

vT

heT

hvTAH

BE

Geotermikus energia/ földhő Geotermikus energia/ földhő fogalommeghatározásafogalommeghatározása

A 2009/28/EK uniós irányelv meghatározása szerint:

• „légtermikus energia (aerothermal energy): hő formájában a környezeti levegőben tárolt energia,

• geotermikus energia (geothermal energy): a szilárd talaj felszíne alatt hő formában található energia,

• hidrotermikus energia (hydrothermal energy): a felszíni vizekben hő formájában tárolt energia”.

Földfelszín hőáramsűrűségeFöldfelszín hőáramsűrűsége

• A Föld hőtartalma 100.1015 EJ, a világ évi energiafogyasztása 100 EJ.

• Hőáramsűrűség a világon40 TW/510,2.106 km2=78,4 kW/km2

• Magyarországon9,3 GW/93030 km2=100 kW/km2

300 PJ/év (30%)10 kW (családi ház)-hoz: 0,1 km2=10 ha

Geotermikus hőfokgradiens és Geotermikus hőfokgradiens és hőmérséklethőmérséklet

• Átlagértéke: 30 °C/km Kedvező: 45-60 °C/km Extrém: 200-300 °C/km

• 500 m 35-40 °C1000 m 55-60 °C2000 m 100-110 °C>5000 m >200 °C

Geotermikus energia/földhő Geotermikus energia/földhő hőmérsékletszíntjeihőmérsékletszíntjei

0 - 4 0 °C

40 - 8 0 °C

8 0 - 12 0 °C

> 120 ° C

< 0 °C-20

0

40

80

120

100

60

20

°C

HSHSZ

140

H

H + E?

H + HSZ

Föld

hő /

Geo

term

ikus

ene

rgia

T e

r m

á l

v í

z

Levegő hőTalajhőFelszíni víz hő

Földhő energetikai hasznosításának Földhő energetikai hasznosításának lehetőségeilehetőségei

Végenergia-felhasználás, F

Primerenergia-felhasználás, G

FöldhőA

SzénKőolajFö ldgáz

Villany TávhőTüzelőanyag Üzemanyag

Atom

HHE HSZ HSZ

Hő- és villamos energia termálvízbőlHő- és villamos energia termálvízből

0 °C ~

0 K 0 K

T T

SShS hSES1S

hThT

T T

ET

oP

EQQ

2T

(=1 20 °C) (= 120 °C)

(=40 °C) (=40 °C)

(=80 °C)

(= 300 K)

(=3 72,6 K)

~ 0 ° C

0 K 0 K

T T

hS hSES1S 1S

hThT

T T

EToP

EQQ

)/(l n TT

TTT

2T

cm

cmVilla mos-ener gia-term elés

Hőtermelés Hőtermelés

(=1 20 °C) (= 120 °C)

(=40 °C) (=40 °C)

(=80 °C)

(= 300 K)

Mit termeljünk termálvízből:Mit termeljünk termálvízből:hőt vagy villamos energiát?hőt vagy villamos energiát?

Termálvízhasznosításhatásfoka

A

Hatásfokföldgázesetén

fg

Fajlagosföldgáz-kiváltás = A/fg

Hőellátás 1 0,9 1,11

Villamos-energia-termelés

0,1 0,525 0,19

A földhő célszerű hasznosításaA földhő célszerű hasznosítása

Villamosenergia-termelést ne tervezzük– ez még kutatási feladat

Két főirány:

• A termálvíz közvetlen hőhasznosítása – vitathatatlan a balneológiai és turisztikai szempontok elsőbbsége mellett

• A földhő (talaj, felszíni víz és levegő) hőszivattyúzása

Geotermikus villamosenergia-termelés Geotermikus villamosenergia-termelés (víz kigőzölögtetés)(víz kigőzölögtetés)

s1T

2sT

s 11Tp

2p 2p

1Q

1Q

1T 1T

ET

ET

P P

Geotermikus villamosenergia-termelés Geotermikus villamosenergia-termelés (ORC)(ORC)

1p

2p

1Q

T ET

P

R

10-15%

Geotermikus villamosenergia-Geotermikus villamosenergia-termelés (Kalina-körfolyamat)termelés (Kalina-körfolyamat)

2p1T ET

1Q

P

R1

R2

Nagymélységű hőkihozatal Nagymélységű hőkihozatal (EGS rendszer)(EGS rendszer)

T

R

5000 m

Termálvíz komplex, kaszkád Termálvíz komplex, kaszkád hasznosításahasznosítása

áll.1 T

Balneológi aihasznosítás

Qf

QHS Z

Tbe Tb u

T0

Termálvizes magas és alacsony Termálvizes magas és alacsony hőmérsékletű távfűtéshőmérsékletű távfűtés

hT

hT

hT

hT

T

TT

Tv

Tv

T e

Te

T’e

T’e

T’v

T’v

Magas és alacsony hőmérsékletű Magas és alacsony hőmérsékletű távfűtés és hőszivattyúzástávfűtés és hőszivattyúzás

Közvetlen hőellátás

+ HS

Alacsony hőmérsékletű fűtési rendszer

~0 °C

0 K

T

ShS oS1S

hT

oT

hT

1T

cm

cm

(=120 °C)

(=60 °C)

(=40 °C)

T e r m á l v í z

Normál fűtésirendszer

Termálvizes közvetlen fűtés és Termálvizes közvetlen fűtés és hőszivattyús utófűtéshőszivattyús utófűtés

m

1T

hT

feT fvT

oT

f

HSQ

PHS

Termálvíz utóhűtése hőszivattyúvalTermálvíz utóhűtése hőszivattyúval

~0 °C

TT

S S

K9,302TK5,292T

K0,318TK0,318T50 °C 50 °C

40 ° C 40 °C40 °C 40 °C

20 °C

0 K

T e r m á l v í z+HS

A hőszivattyú rendszerstruktúrájaA hőszivattyú rendszerstruktúrája

EHS

QTe Tv

E

A

Q

K R

TA1 TA2

EA

QA

QA

E

EQ

QHS

KT

T

QKQR

Szakmakultúra és a magyar nyelvSzakmakultúra és a magyar nyelv

MagyarFűtési

(teljesítmény)tényező

(Évi) átlagos fűtési tényező

Nem vagy-vagy,

Angol, nemzetköziCoefficient of Performance

Seasonal Performance Factor

SPF = Q / E

hanem is-is!

PQ /f PQ /COP

EQ /f

Talajhő zárt hőszivattyúzása:Talajhő zárt hőszivattyúzása:földkollektor és földszondaföldkollektor és földszonda

a) b )

EHS EH S

Q QTe TeTv Tv

TA1TA1 TA2TA2

QAQA

Talajvíz hőszivattyúzása:Talajvíz hőszivattyúzása:kétkutas és egykutas rendszerkétkutas és egykutas rendszer

a) b)

EHS EHS

Q QTe TeTv Tv

TA1TA1

TA2

TA2

QAQA

Levegő/levegő és levegő/vízLevegő/levegő és levegő/vízhőszivattyúkhőszivattyúk

a ) b )

EHS EHS

Q QTe TeTv Tv

TA1TA1 TA2TA2

QA QA

Felszíni vizek hőszivattyúzása:Felszíni vizek hőszivattyúzása:tó és folyó eseténtó és folyó esetén

a)

b)

EHS EHS

Q QTe TeTv Tv

TA1

TA1

TA2 TA2QA QA

Gázmotoros hőszivattyúGázmotoros hőszivattyú

Te Tv

QA

QGMQHS

Q

G WGM

5040404

11,

,,QEfHS-GM

Q

Gg

Külső hőmérséklet – Külső hőmérséklet – környezeti hőkörnyezeti hő

-10 -5 0 5 10 15 20 -10 -5 0 5 10 15 20

-10 -5 0 5 10 15 20

-10 -10

-10

-5 -5

-5

0 0

0

5 5

5

10 10

10

15 15

15

20 20

20

Levegő

Levegő

Talaj, -1,8 m

Talajví z

Talajvíz

Fel színi víz

°C °C

°C

°C °C

°C

T T

T

TA 1

TA1

TA1

TA2

TA2

TA TA

Kűlső hőmérséklet – fűtési hőKűlső hőmérséklet – fűtési hő

°C

°ClT-15 -10 -5 0 5 10 15 20

0

20

40

60

80

100

R

T

FTf

Levegő

-20

Hőszivattyúzás energia- és Hőszivattyúzás energia- és költségfelhasználásaköltségfelhasználása

0

0

1000

2000

3000

4000

5000Ft/GJ

Föld

gá

z-ár

Ek

HSk

2 3 4 5

10

20

30

= 40 Ft/kWh

0,5

1,0

1,5

0,6

0,5 0,4

Kaz

án

f

EHSg

= 0,3

gK=1/0,9

EfHS

1g

f

EHS

kk

k g pFG K FG=

Hőszivattyús hőtermelés földhő- és Hőszivattyús hőtermelés földhő- és villamosenergia-felhasználásavillamosenergia-felhasználása

2 3 4 5f

100

80

60

40

20

%

Q = áll.

fQ

E

QEQf

ffA )(

11

A földhő hőszivattyús hasznosításának A földhő hőszivattyús hasznosításának hatásfokahatásfoka

2 3 4 5f

100

80

60

40

20

%

0

0,3

0,40,5

60E ,

Földhő-hőszivattyúzás fejlődéseFöldhő-hőszivattyúzás fejlődése

IV. World Geothermal Congress, Tóth A., 2010

1995 2010 2010/1995

Geotermikus hőellátás

TJ 96 699 329 029(100%)

3,4

Hőszivattyús hőellátás

TJ 14 617 214 782 (65,3%)

14,7

Nem hőszivattyús hőellátás

TJ 82 082 114 257(34,7%)

1,4

Napenergia-hasznosításNapenergia-hasznosítás

• Részaránya jelenleg a legkisebb!

• Napkollektorok: használati melegvíz-termelés - felzárkozás

• Épitészeti (passzív) hasznosítás: hőigények csökkenése

• Napelemek: autonóm villamosenergia-ellátás – kutatás-fejlesztés

Szélenergia-hasznosításSzélenergia-hasznosítás

Dinamikusan fejlődik (a tengerparton!)

Felülvizsgálat szükséges:• hazai szélviszonyok - gazdaságosság • hazai érdekek: gyártás, munkahely• támogatás: ki kit támogasson?

Feltételek, pl. szivattyús tározós erőmű

Vízenergia-hasznosításVízenergia-hasznosítás

Gyakran kihagyják – de nem szabadna kihagyni!

Bős-Nagymaros trauma, tervezési hibák:• határfolyón oldalcsatornás erőmű – ez nem

korrigálható• csúcsrajáratás – javítható

Vízerőművek a Dunán (150 +170 MW), Tiszán stb.

Szivattyús tározós vízerőmű

Megújulók - összegzésMegújulók - összegzés2010, bázis 2020-re javasolt

QPJ

EMWh

GPJ

QPJ

EMWh

GPJ

– villamosenergia-termelés 1800 18,4 1500-1800 15-18

– egyedi fűtés (pellet) 28,6 33,6 20-30 24-35

– távhő, kapcsolt villany 20-30 800-1200 28-41

– biogáz 0,85 85 1,8 6-8 600-800 10-14

– hulladék-tüzelés 0,7 110 1,95 1-2 100-200 2-4

Biomassza összesen 30,15 1995 55,75 47-70 3000-4000 79-112

– közvetlen hőellátás 4,5 4,5 9-10 9-10

– hőszivattyús hőtermelés 5-8 8-11

Földhő összesen 4,5 4,5 14-18 17-21

Napenergia, napkollektor 0,25 0,25 1-2 1-2

Szélenergia 450 1,6 800-1600 6-12

Vízenergia 215 0,8 250-3000 2-22

Termelt végenergia összesen 34,9 2660 62-90 4050-8600

44,5 76-121

Megújuló program: állami feladatokMegújuló program: állami feladatok

Stratégiai vizsgálatok, irányok, stratégiai döntésekGazdasági, társadalmi hatások• munkahelyteremtés• hazai gyártás (biomassza-fűtőmű/erőmű, HSZ)• hazai vállalkozók helyzetbehozása• vidékfejlesztésTámogatás• alapja az energiamegtakarítás• érdekeltek a hőfogyasztók• a létesítést kell támogatni

Egy gondolat:Egy gondolat:

Értelmiségi felelősség

=

összefogás + építés!

Köszönöm a megtisztelő Köszönöm a megtisztelő figyelmet!figyelmet!

bukibt@t-online.hu