2012.05.29.

1

A JÖVŐ ENERGIATERMELÉSE

Globális mennyiség

TPES felhasználás(2010) 502 EJ (ipar 30% közlekedés 29%

Világadatok 2006‐2010

TPES felhasználás(2010) 502 EJ (ipar 30%, közlekedés 29%, lakosság 22%,mezőgazdaság, szolgáltatás 19%, villamos energia 40%)

Villamosenergia kapacitás 4,4 Twe

Éves villamosenergia 21,3 PWh=77,2 EJ

Emberek villamosenergia nélkül 1,44 milliárd

Emberek ivóvíz nélkül 0,884 milliárd

ÉÉhező emberek 0,925 milliárd

2012.05.29.

2

Hőerőgépek ciklusainak felosztása• Rankine ciklus: stacionáris rendszert (villamos 

hőerőművek, fosszilis és atom), hatásfok~30%• Brayton ciklus: földgáz és olaj gázturbinás erőművek• Brayton ciklus: földgáz és olaj gázturbinás erőművek, 

hatásfok~28%• Kombinált Rankine‐Brayton ciklus: csak földgázra, 

hatásfok~60%!• Otto ciklus: belsőégésű szikragyújtású motorok, hatásfok 

~ 25%• Diesel ciklus: kompressziós gyújtású belsőégésűDiesel ciklus: kompressziós gyújtású belsőégésű 

motorok, hatáfok~30%

Rankine ciklus Hatásfok, % Hőátadás hőmérséklete

Rankine ciklusok elméleti hatásfokai

K 0C

Alap 41,4 507 234

Túlhevített 45,8 548 275

Túlhevített+újrahevített 46,5 566 293

Túlhevített+tápvíz előmelegített

52,0 619 346

Túlhevített+újrahevített+tápvíz 53,2 634 361Túlhevített+újrahevített+tápvíz előmelegített

53,2 634 361

Szuperkritikus 56,5 688 415

2012.05.29.

3

Forrás Kg C/MWhenergia

Hasadási reaktor 4

Szélerőmű 8

Összehasonlító CO2 emissziók:

Szélerőmű 8

Vízerőmű 8

Energianövények 17

Geotermikus erőmű 79

Naperőmű 133

Gázturbinás erőmű 430Gázturbinás erőmű 430

Olajtüzelésű erőmű 828

Szénerőmű 955

Forrás: British Royal Academy of Engineering (2006)

2012.05.29.

4

„Energiatermelés” a jövőben•A világ primer energia felhasználása folyamatosan növekszik (évente ~2,3%-al), a kezdeti értékmintegy 100-szorosára nőtt. Jelenleg ~10 TW és döntöen fosszilis eredetű!

Jelenleg ~900 MJ/nap/fő (10,4 kW/fő). Napi táplálékunk energiatartalma ~0,14 kW/fő (3000 kcal/nap), ami az össz‐energiafogyasztás 1 %‐a.

Az energiafogyasztás nagyon szór, Svédország 15000 kWh/fő/év, Tanzánia 100 kWh/fő/év.

•A világ lakossága is folyamatosan növekszik, tehát az energia felhasználásnak is növekednie kell. Hatékonyabban kell többet „termelni”. Az energia intenzitás (kWh/$ előállított érték nagyjából állandó ezért évi 2%‐os GNP növekedés kell a növekvő energiaigény kielégítésére Rubbia professzor számításai szerint 10 milliárd emberenergiaigény kielégítésére. Rubbia professzor számításai szerint 10 milliárd ember európai szinttű energiaellátásához ~39 TW teljesítmény  ( a jelenlegi mintegy háromszorosa) szükséges!

•Ezt a hatalmas energiaigényt csak új nagy‐volumenű energiaforrással lehet kielégíteni. A szén, olaj, gáz és urán készletek jelenlegi fogyasztás mellett becsült tartama 230, 45, 63 és 54 év. A fosszilis „éra” vége közeledik! A megújuló energia források (szél, nap, geotermia stb.) önmagukban nem elégségesek a megháromszorozódott energiaigény kielégítésére! Ezt az energiaigényt csak a napból k k l l h ő f á ból l h ki lé í i!közvetve, vagy közvetlenül nyerhető forrásból lehet kielégíteni!

2012.05.29.

5

Mekkora energia nyerhető a napból?

•A Föld legnaposabb régióiban az éves primer napsugárzás energiája ~2500 kWh/m2, ami ~285 W/m2. A 30 TW energiát 1,07.105/η km2 területen lehet összegyűjteni, ahol η a napenergia átalakítási hatásfoka hasznosítható energiává. A hatásfok a napelemeknél 0,1, a gyorsan növő biomasszánál pedig 0,005. Tükrökkel fókuszálva 500-800 oC hőmérsékletű p g ,hő állítható elő. 2000-szeres koncentrációval akár 200 W/cm2, azaz 200 MW/m3 teljesítmény sűrűség is előállítható, ami megegyezik a nukleáris reaktorok teljesítmény sűrűségével. A következő ábrán látható naptoronnyal 104-szeres koncentrálást sikerült elérni.

•Egy 3000 MWt azaz 1000 MWe teljesítményű reaktorral ekvivalens naperőmű kollektorainak felülete ~20 km2. A jelenlegi 10 TW teljesítményt tehát n=1013 W  /109 W=104=10000 db 1000 MWe teljesítményű naperőművel lehetne előállítani, ami 10000*20 km2=2.105 km2 kollektor felületet igényelne, ez pedig a Föld összes megművelt területének (107 km2) 1%‐a.

•3000 MWt hőteljesítmény költsége jelenleg 1,5‐2 milliárd US dollár a nukleáris és a tnaperőmű esetén is. Jelenleg 200 US dollár/m2 a beruházási költség, de ez 75‐100 US dollár/m2 értékre csökkenthető.

•Egy megfelelően konstruált naperőmű üzemi élettartama ugyanannyi, mint az atomerőműveké ~40 év. Ugyanakkor karbantartási alacsonyabb, üzemanyag költsége pedig nulla. Nem kell hulladék keletkezésével, tárolásával számolni.

•A napi ingadozások elsimítását hatásos energitárolók alkalmazásával lehet elérni. Ez nitrit sóolvadékok  hevítésével (220‐600 oC között olvadt, stabil állapotú) megoldható, 

l hő i l ál kb á lh ó H bb ü é hiá áb f ilimely hőszigetelt tartályokban tárolható. Hosszabb napsütés hiányában fosszilis, vagy más tartalék energiaforrás használható.

•Ha a napenergiát megfelelően nagy mennyiségben hasznosítjuk versenyképessé tehető a jelenlegi energiaforrásokkal. η~0,25 esetén a felület igénye megfelelő.

2012.05.29.

6

Magyar napenergia potenciál

Napsugárzás energia hozama1265kWh/m2 év = 4914 MJ/m2 év1265kWh/m ,év = 4914 MJ/m ,évMagyarország területe 9,3 millió hektár = 93 x 109m2

Magyarország területére eső napenergia 457x103 PJMagyarország energia felhasználása ~1150 PJNapenergia/energia felhasználás 400 szoros1 m2 napkollektor ~ 500 kWh/év = 1800 MJ/év4 PJ ~ 2,2 millió m2 kollektor

Mi a konvencionális (fissziós) nukleáris energiatermelés jellemzője?

•Kezdetben korlátlan, olcsó és elegendő energiaforrásnak tekintették! Ez a megítélés fokozatosan romlott. Meglévő előnyei a fosszilis energiahordozókkal szemben: nincs szén-dioxid kibocsátása és rendkívül nagy teljesítmény sűrűségű 1 t urán ha teljesen elhasadna 3 millió nagy teljesítmény sűrűségű. 1 t urán – ha teljesen elhasadna – 3 millió tonna szén, vagy 2,225 millió m3 olajenergiájával ekvivalens energiát szolgáltatna, azaz a kémiai energia 3.106-szorosát! A jelenlegi földi teljesítmény igény 10 TW évi 3900 tonna hasadóanyag elhasításával előállítható lenne.

•Sajnos, a jelenlegi LWR hasadási reaktorok jobbára termikus neutronnal és dúsított uránnal üzemelnek és messze vannak az ideális működéstől. Csak a 0,7%-ban jelenlévő 235U hasad, melynek csak mintegy 60%-át

ik ki dú ítá ál í k t é t á i t t l á k nyerik ki a dúsításnál, így csak a természetes urán energiatartalmának 0,4%-át hasznosítják energetikailag.Így 1 GWe x30 év=6,1 TWhx30~183 TWh energia előállításához 45 millió tonna 0,2% U tartalmú ércet kell kibányászni, az ugyanennyi energiához szükséges 321 millió tonna szénnel szemben!

2012.05.29.

7

•Ezen felül jelentős tömegű hosszú élettartamú radioaktív izotóp (gázok is) kelekezik, melyek egy része a környezetbe jut. Az atomerőművi balesetek csökkentették a nukleáris energiatermeléssel szembeni bizalmat. A keletkezett hosszú élettartamú radioaktív hulladékok (évente ~12000 tonna), a katonai felhasználás és a teorizmus veszélye ugyancsak csökkentette ezen energiatermelési mód előnyeit. Ráadásul a termikus g yhatásfok csak ~33%, növelni kellene a hőmérsékletet és a klasszikus LWR reaktorok telített vízgőzös energetikai ciklusát el kell hagyni.

•Tehát ÚJ NUKLEÁRIS TECHNOLÓGIÁK SZÜKSÉGESEK (fúzió és gyorsítóval üzemelő fisszió)!

A konvencionális nukleáris ener iatermelés fejlődéseenergiatermelés fejlődése

2012.05.29.

8

I Generáció: Magnox reaktor (UK)

Wylfa, Anglesey (UK)2 × 490 MWe units

Magnoxfűtőelem

köteg

• természetes urán• grafit moderátor

• CO2 hűtés• relative kis hatásfok

II Generáció: advanced gas-cooled reactor (AGR)

Hinkley Point B

• dúsított urán

• szén-dioxid hűtés

A hőcserélő acélbetétes beton konténerben van.

• naygobb aktív zóna

• jobb hatásfok

• kevésbé hatékony kiégés

2012.05.29.

9

II Generáció: Nyomottvizes reaktor-Pressurised water reactor (PWR)

Sizewell B PWR (UK)

III. Generáció: Olkiluoto NPP (EPR-PWR), Finnország

The second Gen-III reactor under construction; 1600 MW

2012.05.29.

10

Olkiluoto NPP unit 3:

(Evolutionary Power Reactor of the PWR-type. An Areva/Siemens undertaking)

Areva EPR (France) (Evolutionary Power Reactor of the PWR-type)

Jellemzők:

JavítottJavított elrendezés

Jobb technológia, nagyobb biztonság

Egyszerűbb karbantartás

1. Reaktor zóna 5.     Turbogenerátorturbine

2. Szabályzó rudek 6.     Hűtővíz

3. Nyomásfokozó 7.     Kontéjnment

4. Hőcserélő

Kevesebb hulladék, kilépő áram

2012.05.29.

11

Westinghouse AP1000 fejlesztett passzív reaktor:

1. Aktív zóna

Passzív biztonsági rendszerek

50%-al kevesebb szelep és tolózár35%-al kevesebb szivattyú

2. Hőcserélő

3. Nyomásfokozó

4. Passzív vészhűtő víz rendszer

5. Acél kontéjnment

6. Turbinák

IV. Generáció: szuperkritikus vízhűtésű reaktor:

Jellemzők:Jellemzők:

Sokkal magasabb T és P értéken üzemel mint a II. Gen. erőművek

Közvetlen egyszer átömlésű ciklus

Magas termikus hatásfok

Olcsóbb villamos energia

2012.05.29.

12

IV. Generáció: - Fűtőelemgolyó töltetű moduláris reaktor

Fűtőelemgolyó töltetű reaktor elrendezése:elrendezése:

A fűtőelemegolyó töltet:

2012.05.29.

13

ÚJ NUKLEÁRIS TECHNOLÓGIÁK

Alapvetően két technológia a fúzió és a gyorsítóval működő energiaerősítő jöhet szóba. Mindkét technológia esetén η~1, azaz a „tüzelőanyag” teljes „elégetésre” kerül és lényegében végtelen nagyságú készlet áll

d lk érendelkezésre.

1. Fúzió

• A legegyszerűbb esetben komprimált trícium (3H) „égéséről” beszélünk:

MeVHenHH 6,1742

10

21

31 ++→+

A radioaktív tríciumot lítiumból fejlesztik a keletkezett neutron segítségével:

További trícium szükséges a veszteségek pótlására a következő reakcióban keletkezik:

nHHenLi 10

31

42

10

73 ++→+

MeV 9,431

42

10

63 ++→+ HHenLi

Itt a neutron nem veszik el és egyensúly érhető el, amikor a keletkező és fúzionáló trícium mennyisége megegyezik. Ennek a reakciónak nagy hátránya az, hogy a keletkező energia zömét a gyors (14 MeV) neutronok hordozzák, melyek a környező atommagokkal ütközve felaktíválják a reaktor szerkezeti anyagát!

•A következő fúziós reakció kevesebb felaktívált anyagot generál:

MeV 1811

42

21

32 ++→+ pHeHHe

Itt mintegy 6%‐ban neutronok is keletkeznek a

reakcióban. Itt az a probléma, hogy a        nem áll rendelkezésre csak a Holdon! Ezért valószínűtlen, hogy onnan ezer‐tonna számra a Földre szállítsák!

MeV 27,310

32

21

21 ++→+ nHeHH

He32

•Ezért olyan exoterm fúziós reakcióra van szükség, mely nem termel neutront és így inherens módon inaktív reakció termékek keletkeznek. Egy ilan reakció:

[ ] MeV 78,83 42

115

11 +→+ HeBp

2012.05.29.

14

Sajnos ez a fúziós reakció nem „gyújtható be” mágnesesen komprimált berendezésben (Tokamak) és inerciável komprimált fúzióban sem. Ez a reakció sem gamma‐ sem neutron‐sugárzást nem generál, mindkét reakció komponens negy mennyiségben áll rendelkezésre! Ezen reakció energetikai hasznosítására azonban forradalmian új műszaki megoldás szükséges!

2. Fisszió

A gyorsítóval meghajtott energiaerősítő (EA) a következő hasadási reakciót hasznosítja:

é h í á iájú í ób lőállí k h ák lé

[ ] MeV 200233,2 10

10

23392 ++→+ FFnnU

és a hasítást egy nagy energiájú gyorsítóban előállított neutronok hozzák létre. Akárcsak a fúzió esetében, a természetben nem létező 233U magokat természetes tóriumból szaporítással állítjuk elő egy másodlagos neutronnal:

eUThnTh 01

23392

23390

10

23290 −+→+→+

−β

γ

Ebben a reakcióban a neutronokat külső forrásból kell pótolni a gyorsítóval, mert a hasadáskor keletkezett 2,33 neutronból 2 neutron kell a szaporító ciklushoz és a mindenkori veszteségek miatt a 0,33 neutron nem elégséges a kritikusság fenntartásához! Egyensúly áll be, ha az elhasadt és keletkezett 233U mennyisége ugyanannyi! Az energiaerősítő képes teljesen  elhasítani a neutronbefogásos megreakciókkal létrejövő transzuránokat is, melyek a 233U neutron adszorpciójával jöttek létre (a hasadások ~5%‐a). Tehát az energiaerősítő zárt aktinida ciklussal rendelkezik, teljes mértékben elhasítja a 232Th üzemanyagot és így η~1! A keletkezett hulladékban csak hasadvány iztópok vannak, melyek nagy aktivitásúak ugyan, de jóval rövidebb élettartamúak mint a transzuránok!

Úgy a fúziós, mint az energiaerősítős nukleáris energiatermelő berendezések subkritikus rendszerek és így a zónaolvadás lehetetlen! Mindkét berendezésben a termelt elektromos energia 5 30% át recirkulálják a plazma felfűtésére vagy a gyorsítótermelt elektromos energia 5‐30%‐át recirkulálják a plazma felfűtésére, vagy a gyorsító üzemelésére.

2012.05.29.

15

Az ábrán  a könnyűvizes hasadási reaktorokban (LWR), a fúzió és az energiaerősítő rendszerekben keletkező radioaktív hulladékok radiotoxicitását mutatjuk be az idő függvényében. Az energiaerősítő rendszerekben a keletkezett radioaktív hulladékok mennyisége kevesebb é bb b lik fú ió d kb diés gyorsabban bomlik, a fúziós rendszerekben pedig nagyságrendekkel kisebb.

A fluidizációs technológia széles körben jelenleg atmoszferikus nyomású tűztérrel kerül alkalmazásra, de nagyobb nyomású változatát is jelentősen fejlesztik. A jelenlegi fejlettségi szintet reprezentálja Franciaországban a Provance Erőmű 4. blokkja, atmoszferikus fluidizációs tüzeléssei, 250 MWe

névleges teljesítménnyel. Főbb paraméterek: 610 MWt, 260 MWe, 740 t/h gőz, 1.69 bar, 567 oC, 565 oC, kazánhatásfok 94%; Ca/S 1‐3,5. A SO2‐kibocsátás 400 mg/m3 alatti, a NOx 240 mg/m3, pernye 20 mg/m3

A jövő energetikai szénhasznosítását megalapozó jelenlegi fejlesztések a technológiák széles körét öl lik f l é é bb tb lh tókölelik fel, és négy nagyobb csoportba sorolhatók:

•Az ultra‐szuperkritikus USC gőzparaméterekkel rendelkező erőmű, 630‐650 oC gőzhőmérséklet esetén 12Cr minőségű acél alkalmazásával. A technológia kulcsa a hőálló acél. Az új 12Cr acél kifejlesztése megfelel az igen szigorú feltételeknek. Még Cr V és 9Cr acél alkalmazásával építhető 1000 MWe blokk 24,5 MPa, 600‐600 oC gőzparaméterekkel. Ilyen az Electric Power Development Co., Ltd. (EPDC) blokkja Matsuura‐ban.

•A nyomás alatti fluidizációs tüzelés (PFBC) alkalmazásával 250 MW blokk, kombinált ciklussalA nyomás alatti fluidizációs tüzelés (PFBC) alkalmazásával 250 MWe blokk, kombinált ciklussal (néhány MW teljesítménnyel kísérleti berendezések üzemelnek). A nyomás növelése a fluidizációs tüzeléseknél is régóta igény a tüzeléstechnikában. Különösen előtérbe került ez a törekvés a gőz‐gáz körfolyamatok mind szélesebb elterjedésével. A nyomás alatti tüzelés (Pressurized tluidized bed combustion, PFBC) alkalmazásánál alap‐ vetően két irányban indult erőteljes fejlesztés, úgymint‐ a tüzelöanyag teljes égése utáni füstgámak gázturbinára való vezetése és a fluidkazánban a tüzelőanyag elgázosítása és a gáznak a gázturbina‐égőtérben történő eltüzelése.

2012.05.29.

16

•Az integrált szénelgázosításos kombinált ciklusú (IGCC) és az integrált szénelgázosításos tüzelőanyag‐cellás (IGFC) kombinált ciklusú erőművi blokkok kutatási munkái és fejlesztése;az olvasztott karbonátos tüzelőanyag‐cellák (MCFC) elvi tanulmányozása és az MCFC alkalmazásával energiafejlesztés megvalósítása a tiszta, nagy hatásfokú energiafejlesztés érdekében. A szénelgázosításkor keletkező gáz főképpen szén‐monoxidot tartaImaz. Az elgázosítás során jelentős problémát okoz a gáz tisztítása mind szilárd, mind a gáznemű szennyező anyagoktól.

•Az olvasztott karbonátos tüzelőanyag‐cellák (MCFC) elvi tanulmányozása és az MCFC alkalmazásával y g ( ) yenergiafejlesztés megvalósítása a tiszta, nagy hatásfokú energiafejlesztés érdekében. Az MCFC kémiai energiafejlesztési eljárás, mivel a hidrogén és az oxigén elektrokémiai reakcióját használja. A reakció során keletkezett elektronok az anódról a katódra áramlanak és villamos energiát fejlesztenek. A folyamatba a szénelgázosítás során keletkezett H2 és CO is bekapcsolható. A rendszer 650 oC‐on működik, és gázturbinás kapcsolás alakítható ki. Szénelgázosítással kombinált MCFC energiafejlesztési körfolyamattal 50‐52% villamosenergia‐fejlesztési hatásfok érhető el.