II. Műszaki, fizikai, gazdasági háttér

 

II. Műszaki, fizikai, gazdasági háttér

 

Az energiaellátás mindig is jelentős tényezője volt a társadalmi fejlődésnek: jelentősen befolyásolta a termelő tevékenységeket és az életvitelt. A társadalom intézményeinek állapota és működése viszont az energiaellátás feltételeire és lehetőségeire gyakorol jelentős hatást.

Az emberiség eddigi történetének legnagyobb részében csak saját fizikai erejére támaszkodhatott. Kőkorszakbeli őseink munkája csak a napi fennmaradásukat biztosította - igaz évezredről évezredre javuló színvonalon. Ebben leleményességük volt a meghatározó, szerszámok kifejlesztésével módosítani tudták az erők nagyságát és irányát, és az egyén erejét meghaladó feladatok elvégzésére megszervezték a csoport együttműködését (ilyesmire ma is nagy szükség lenne). Mai szemmel azonban az ember két keze munkájával szánalmasan kis fizikai teljesítményt tud felmutatni. Ősi törekvés az emberi munka kiegészítése természeti erők bevonásával. Ezek egyik lehetősége az állati energia hasznosítása. A rézkorba nyúlik vissza a folyami kultúrák területén a megszelídített állatok alkalmazása igavonóként, majd a bronzkorban megszelídítik a lovat is. A ló fizikai munkavégző képessége 15-szöröse az emberi teljesítménynek, de a 11. századig, amíg nem jelent meg a célszerű hámiga és a patkó, ennek csak tört részét tudták kiaknázni. A tartósan nagy erő kifejtésére képes lovat malmokban, bányákban gépek működtetésére is használták, de a legjelentősebb szerephez a mezőgazdaságban, a szállításban, a kereskedelemben és a hadviselésben jutott.

Idővel rá kellett jönni, hogy a gondozást és táplálást igénylő biológiai erőgépek helyett jobb megoldást jelentenek a természeti erőkre alapozott technikai energiaforrások. A vízfolyások erejét őrlésre, víz kiemelésre már az ókori folyami kultúrákban is hasznosították, de a vízimalmok tömeges alkalmazására csak a középkorban került sor. A folyóktól távol a szélmalmok töltöttek be hasonló szerepet. Az energetika legnagyobb vívmánya a tűz felfedezése, meghódítása volt. A technika történetének jelentős része arról szól, hogyan lehet az égés hőjével számos feladatot megoldani. A következő nagy lépést a bárhol felállítható, nagy teljesítményű szabályozható gőzgép felfedezése jelentette (1769). A gőzgép világhódító útjának feltétele volt egy olcsó, nagy mennyiségben rendelkezésre álló tüzelőanyag is, átértékelve az addig nemigen használt szén megítélését. A szén és a gőzgép energiabázisán néhány nyugati országban-rohamtempóban épült ki a modern gyáripar, átrajzolódott a települések arculata, számottevő módon nőtt a környezet szennyezés, átalakult a társadalom szerkezete, jogrendje, politikai felépítése. [1]

A stabil hajtások szerepéből a villamos motorok szorították ki a gőzgépeket, a mobil erőgépek területén pedig a belső égésű motorok (1860) tették ugyanezt. A villamosság első átütő sikereit az információtovábbítás és a világítás területén érte el, amit azonban rövidesen követett a villamos motor és a villamos erőátvitel diadala. Ebben a magyar mérnökök meghatározó szerepet játszottak.Zipernowsky Károlynak és munkatársainak történelmi érdeme, hogy kifejlesztették a villamosenergia nagyobb távolságokra történõ gazdaságos szállítását és elosztását. Déri Miksával és Bláthy Ottóval 1889-ben fejlesztették ki a transzformátort és a párhuzamosan kapcsolt transzformátorokon alapuló váltakozó áramú energia-elosztó rendszert. A villamos erőátvitel további meghatározó magyar egyénisége Kandó Kálmán (1869-1931) volt. Olaszországban 1902. szeptember 4-én ünnepélyesen átadták át az általa tervezett és a világ első, nagyfeszültségű váltakozó árammal működtetett vasútvonalát Halála után 1932. augusztus 17-én volt a V40.001 pályaszámú, első, fázisváltós mozdonynak a műszakrendőri próbája. Az általa tervezett mozdonyt azonban már nem láthatta. Ezek után az út megnyílt a korszerű tömeggyártás előtt is. A villamosság mélyen behatolt a termelésbe - ebből nőtt ki korunk információtechnikai forradalma is - és alapvetően megváltoztatta az emberek mindennapi életvitelét.

A mai civilizált társadalmak meghatározó lételeme a villamosenergia környezet-kímélő, rugalmas, sokirányú átalakíthatósága, felhasználhatósága a legkisebb teljesítmény szinttől az egészen magas teljesítmény szintig az élet minden területén. [9]Jogos tehát az a meghatározás, hogy a villamosenergia a szó igazi értelmében értékes, nemes energia. Nem lehet senki számára közömbös, hogy egységnyi mennyiségű tüzelőanyag (energiahordozó) felhasználásához kapcsolható-e, vagy nem, villamosenergia előállítása is. Így kapcsolódik egymáshoz a távhőszolgáltatás és ehhez kapcsoltan a villamosenergia előállításának fontossága.

Az előzőekben leírtak figyelembe vételével a munka és az energia fogalmát is érdemes megvizsgálni. Munkának nevezzük általánosságban az ember (és/vagy gép) által energia (erőfeszítés) kifejtése révén hasznos, rendszerint ellenszolgáltatásért elvégzett különböző tartalmú tevékenységeket. A munka célirányos tevékenység: valaminek a létrehozására, átalakítására, megváltoztatására szolgál azért, hogy a keletkező javakat az ember használni, hasznosítani, elfogyasztani tudja. A munka jellege, keretei és hatásfoka a történelem során folyamatosan változott. A fizika tudománya szerint a mechanikai munka (jele: W) az, az energia, amellyel egy testet erő segítségével adott távolságra el lehet mozdítani. A nem mechanikus munka formái, mint például az elektromos munka, ennek az elvnek egy különleges esetét képezik: például az elektromosság esetében a munkát a közegen áthaladó elektromosan töltött részecskék végzik el. A munka mértékegysége a joule (dzsúl), amely szerint 1 joule egyenlő azzal a munkával, ami egy testet egy newton erő által 1 méter távolságra mozdít el. Az energia és a munka mértékegysége azonos [J] és a kettő közti kapcsolat úgy fogalmazható meg, hogy az energia képesség, lehetőség, a munka pedig ennek megvalósulása, amely energia átalakulással jár együtt. Az időegység alatt végzett munkát teljesítménynek nevezzük. Ennek jele E, mértékegysége [J/s] (dzsúl per szekundum), illetve Watt [W].

Az energia szó görög eredetű. Az ó-görögben "isteni tettet", vagy "bűvös cselekedetet" jelentett, Arisztótelész később "ténykedés, művelet" értelemben használta, de megfogalmazták úgy is, hogy „a gép ereje”. Általános értelemben: változtatásra való képességet, a fizikában munkavégző képességet jelent, közismert jellemzője, hogy nem vész el csupán átalakul. Az energiaformákat vissza lehet vezetni a fizika négy alapvető kölcsönhatásának valamelyikére, ezek: a gravitációs energia, az elektromágneses energia, a gyenge magerő és az erős magerő.

Gravitációs energiát hasznosít például a vízerőmű. A folyó gravitációs energiáját vízturbina alakítja át mozgási energiájává, amit generátorok villamos energiává alakítanak. Elektromos energiával hajtott szivattyúk a vizet víztornyokba pumpálva gravitációs energia formájában tárolják a víznek a közműhálózatban való szétosztásához szükséges energiát.

Többnyire elektromágneses energia hajtja gépeinket, és működteti elektronikus rendszereinket. Elektromágneses energia forrása lehet hőerőgép és belsőégésű motor, amelyben a hőenergia oxidációs vegyi reakcióból, égésből, azaz kémiai átalakulásból származik. A kémiai (molekulák szintjén megvalósuló) átalakulás az atomok és molekulák elektronszerkezetéhez köthető átalakulás, azaz elektromágneses folyamat. Az élőlények számára is kémiai folyamatok, azaz az elektromágneses kölcsönhatás biztosítja az energiatárolást és energiafelhasználást, tehát a biológiai energiák is elektromágneses eredetűek.

A gyenge magerő (kölcsönhatás) folyamataiból, a radioaktív bomlásból származó energia tartja fenn a Föld belső magas hőmérsékletét, így a geotermikus energia is ebből a forrásból táplálkozik. A napenergia termelésének kisebbik része is gyenge folyamatokból származik. A jelenlegi energiatermelő atomerőművek (fissziós reaktorok) is ebből az energiafajtából táplálkoznak, általában radioaktív urán a "fűtőanyaguk".

Az erős kölcsönhatás tartja össze az atommagokat. Atommagok egyesülésekor a kötési energiának megfelelő nagy energia szabadul fel. Az ilyen magfúzió felelős a Nap és a csillagok energiatermelésének zöméért. A lassú fúzió során az elemek a vasig épülnek fel a csillagok belsejében, ez ugyanis az, az elem, aminek egy nukleonra (az atommag belső részecskéinek közös neve) eső energiája a legkisebb (azaz kötési energiája a legnagyobb). A vasnál nehezebb elemek szupernova robbanás idején végbemenő gyors magfúzió útján jönnek létre. Földi körülmények között kísérleti stádiumban vannak a fúziós reaktorok, amik hosszú távon megoldhatják az emberiség energiaproblémáit. Miután a földi időjárást és életet a Nap energiatermelése tartja fenn - ami a Földet elektromágneses sugárzás révén éri el -, lényegében ide vezethető vissza az emberiség által felhasznált összes földi energiaféleség. A többi kölcsönhatás mintegy átmeneti energiatárolóként működik közre ,– például. a gravitáció a vízenergiánál, az elektromágneses kölcsönhatás, a foszilis energiahordozók, a gyenge kölcsönhatás a geotermikus energia esetén.

A következő felfrissítendő fogalom a hő fogalma. Ezt néhány ma már túlhaladott magyarázat övezi. A XVIII. században a hőfolyadék-elmélet volt az elfogadott. Még a század közepe táján is úgy vélték, hogy a hő valamilyen láthatatlan, súlytalan „calor"-nak nevezett folyadék, fluidum, amelyet minden test tartalmaz. Hőtani kérdések tanulmányozásával magyar tudósok is foglalkoztak, Jedlik Ányos a hőt nem tartotta anyagnak, hanem az éter rezgésének. Mai felfogásunk szerint a hő az anyagok egyik fizikai jellemzője, állapothatározó, olyan jelenség, amelyet hő-érzetünkkel érzékelünk, a hideg és meleg érzetével hozható összefüggésbe. A termodinamikában rendszerekről beszélünk akkor, ha zárt felülettel határolt véges mennyiségű anyagról van szó. Esetünkben ilyen a hőmérséklet, a nyomás, a térfogat, vagy a sűrűség. Ez hasonlatos a mechanikában használatos szabad test fogalmához. A rendszerek állapotát állapothatározókkal adhatjuk meg. Az állapothatározók között felírható összefüggések az állapotegyenletek. A hő jellemzője. hogy két test között a magasabb hőmérsékletű test felől az alacsonyabb hőmérsékletű test felé áramolva, hőáramlással kiegyenlítődésre törekszik. Ezt a jellemzőt az ember elsősorban tapintás útján, észleli, másodsorban hőmérő segítségével. Fizikai szempontból a hőmérséklet az anyagot felépítő részecskék átlagos mozgási energiájával kapcsolatos mennyiség. A hőmérsékletnek létezik minimum értéke, ami a kinetikus energiával való arányosság folyománya. Ezt nevezzük abszolút nulla foknak, ez az SI mértékegység rendszerben (Nemzetközi Mértékrendszer) elfogadott Kelvin skála nulla pontja. Ez az úgynevezett abszolút hőmérsékleti skála, jele a T. Egységének ugyanakkorát választottak, mint a Celsius-skála egy foka. Mértékegysége: K (Kelvin). Ez az állapot, vagyis, amikor az anyag energia szintje nullaértékű Celsius skálán mérve –273, 15 oC hőmérsékletnél következik be. Ez az érték azonban nem érhető el, csak tetszőlegesen megközelíthető. A Celsius hőmérséklet (jele: t) és a Kelvin közti átszámítás az előzőekben leírtak alapján: T=t+273, 15.

A villamosenergia termelés és távhőszolgáltatás forrása döntő mértékben a földgáz által hordozott és előzőekben tárgyalt kémiailag kötött elektromágneses energia. A hőerőművekben történik ennek átalakítása hővé, mechanikai munkává és villamos energiává. Az energiaátalakulások azonban nem mehetnek végbe veszteség nélkül, minden energiaátalakulás energiaveszteséggel jár. A hatásfok [η] az adott átalakulás hatékonyságát fejezi ki, megmutatja, hogy a befektetett energia hány százaléka volt számunkra hasznos.

A műszaki hőtanban alkalmazott következő fogalom, amit meg kell említeni az entrópia fogalma. Az entrópia egy közeg állapotjelzője, állapotfüggvény, közvetlenül nem érzékelhető, de a közeg érzékelhető és mérhető állapotjelzői alapján számítható, jele „S” mértékegysége: [J/oK]. Az egyszerű megértés kedvéért energia átalakulási képességnek hívhatjuk. A termodinamika második főtétele szerint a természetben külső behatások nélkül mindig a hőmérséklet kiegyenlítődésére irányuló folyamatok játszódnak le, az-az hő magától nem kerülhet az alacsonyabb hőmérsékletű helyről a magasabb hőmérsékletű helyre. Az entrópia egy olyan eszköze a műszaki hőtannak, amelynek segítségével az energetikai változások iránya értékelhető.

Ugyanakkora höenergia-menyiséghez, ha az, magas hőmérsékleten áll rendelkezésre kis entrópia tartozik és nagyobb mértékben alakítható mechanikai munkává, míg alacsony hőmérsékleten rendelkezésre álló hőenergiához nagy entrópia tartozik, így kisebb mértékben alakítható át mechanikai munkává. Ez a jelenség a továbbiak szempontjából nagyon fontos, az egyik jellemzője a villamos-energiával kapcsolt hőszolgáltatás gazdaságosságának.

A műszaki hőtanban, ha egy folyamat kezdeti és végső állapota azonos, akkor körfolyamatról beszélünk. A hőtan alapvető körfolyamatát Sadi Carnot francia mérnök írt le 1824-ben, miközben a gőzgép működési elvét próbálta megmagyarázni. A Carnot körfolyamat a veszteség nélküli ideális hő-körfolyamat, amely a valóságban nem létezik, de kiválóan alkalmas a folyamat tanulmányozására. Carnot-féle körfolyamat arról nevezetes, hogy az adott hõmérsékleti határok között lejátszódó körfolyamatok közül a Carnot körfolyamat hatásfoka a legnagyobb.

(Az adiabatikus állapotváltozás a tökéletesen szigetelt, a környezettel hőcserét nem folytató rendszerben végbemenő folyamat, ez csak elméletileg valósítható meg, gyakorlatilag nem.)

A piros és kék színű területek együttesen a körfolyamatba bevezetett összes hővel arányosak (ΔS*T1). A piros színű terület a kinyerhető mechanikai munkával arányos: ((T1-T2)*ΔS). Ennek a két mennyiségnek a hányadosa ((T1-T2)*ΔS)/ (ΔS*T1)) a körfolyamat hatásfoka.

 

 

1. sz. diagram


A korábban a hatásfok értelmezése kapcsán leírtak alapján és az algebrai műveletek elvégzése után ez a következő:

 

 

1. sz. képlet

Ez arról tájékoztat, hogy az elméletileg kinyerhető és villamosenergia termelésre is fordítható mechanikai munka nagysága szempontjából meghatározó a körfolyamatba a hő bevezetés és hő elvezetés Kelvin fokban kifejezett értéke. A rendelkezésre álló hőenergia mennyisége teljes egészében nem alakítható át mechanikai munkává (villamos energiává).

 

A gyakorlatilag megvalósítható hő-körfolyamat esetében is ez a helyzet. Ezért, célszerű megteremteni az égés magas hőmérsékletének legjobb kihasználását mechanikai munkavégzésre, villamosenergia termelésre és ezt összekapcsolni, (kombinálni) a távhőszolgáltatással.

 

A fűtőerőmű körfolyamatának veszteségmentes Carnot körfolyamatként való elemzésére és a kondenzációs (csak közvetlen villamosenergiát termelő) erőmű körfolyamatával való összehasonlítására a következő (2. sz. diagram) ábra alkalmas.

 

2. sz. diagram

Itt a fűtőerőművet olyan kondenzációs erőműnek tekintjük, ahol mind-két erőműnél a bevezetett hő mennyisége, valamint a kezdő hőmérséklet (T1k =T1fe) azonos, de a fűtőerőműben a hőelvonás magasabb T2fe értéken történik. A felhasznált tüzelőanyag mind-két esetben ugyan az. Ebben az estben, a fűtőerőműben a T2fe hőmérsékleten elvont hőt (Q tf) nem villamosenergia előállítására használjuk, hanem a hőfogyasztóknak hasznosan (díjazás ellenében fűtésre és használati melegvíz előállítására) hőcserével vonjuk ki a folyamatból. A teljesség kedvéért meg kell említeni azt is, hogy a fűtőerőművekben használatos az összes (bruttó) hatásfok fogalma is. Ez a kinyert villamosenergia és a távfűtésre hasznosan kivett hőenergia összegének és a rendszerbe tüzelőanyaggal bevitt összes energiának a hányadosa. /ηbr=(Wefe+Qtf)/ΔS*T1fe/

 

Ezeknél a meggondolásoknál nem hagyhatók figyelmen kívül a korábban, a villamosenergia termeléssel és az entrópiával kapcsolatban leírtak. Nevezetesen az, hogy a villamosenergia a sokoldalú felhasználhatósága miatt minőségileg különbözik a távfűtésre vele kapcsoltan előállított hőenergiától, továbbá az sem, hogy a magasabb hőmérsékleten rendelkezésre álló hőenergia nagyobb mértékben alakítható át mechanikai munkává (villamosenergiává), mint ugyanannyi, de alacsonyabb hőmérsékleten távfűtésre elvont hőenergia. Helytelen tehát a távhőszolgáltatás előnyének alátámasztására az a gyakran hangoztatott érv, hogy a távhő a villamosenergia termelés során keletkező hulladékhő. Nem hulladékhő, hanem mechanikai munkavégzésre kevésbé alkalmas, mint a magasabb hőmérsékleti szinten rendelkezésre álló hő.

 

Villamosenergia termelés szempontjából a fűtőerőmű olyan kondenzációs erőművet helyettesít, amelynek értékelhető villamos teljesítménye megegyezik a fűtőerőmű értékelhető villamos teljesítményével. Ezt az erőművet a szakirodalom hiányerőműnek nevezi [2]. A villamosenergia rendszer szempontjából azonban a hiányerőmű megnevezés csak azzal a megszorítással értelmezhető, hogy ez az erőmű a hőszolgáltatás terhelési viszonyait követi és nem a villamosenergia rendszerét. Ez miatt kis túlzással azt lehet mondani, hogy a hőszolgáltató erőmű mostohagyermek, idegen test az országos villamosenergia rendszerben, de nagyon is hasznos a nemzeti energia-gazdálkodásban. A fűtőerőmű, különösen a kombinált ciklusú erőmű nemzetgazdasági hasznosságát a következő diagram-sor igen jól jellemzi.

(Sajnos az egyes erőművek honlapjain a műszaki, különösen a mennyiségi és minőségi termelési adatok vagy csak nagyon hiányosan, vagy egyáltalán nincsenek feltüntetve. Ezért a következő diagram adatai csupán jó közelítésként foghatók fel, de a lényeg érzékeltetésére alkalmasak.)

 

 

3. sz diagram

A diagramm-sor gyakorlati visszaigazolása az előzőekben leírt termodinamikai törvényszerűségeknek és önmagáért beszél. Ismét hangsúlyozni kell, hogy fűtési célra tüzelőanyagokat, ma leggyakrabban földgázt kell elégetni. Ilyen drága, nagy fűtőértékű tüzelőanyag elégetése esetében kiemelt fontosságú a nemzeti energetikai költségminimum szempontjából, a távhővel együtt minél több villamosenergia termelése a tüzeléskor felszabaduló hőenergiából. A földgáz égési hőmérséklete ~2000 oC. Az ezen a hőmérsékleti szinten rendelkezésre álló hőenergiát villamosenergia termelés szempontjából, a fűtőerőművel kombinált gázturbinás kombi-ciklusú erőmű hasznosítja a legjobban és a legrosszabb ebből a szempontból a fűtőmű, ahol nincs villamosenergia termelés. A kondenzációs-erőmű és a fűtőerőmű összehasonlítása azt mutatja, hogy a villamosenergia termelés hatásfoka az utóbbinál rosszabb, de bruttó hatásfok szempontjából lényegesen jobb a kondenzációs-erőműnél. A bruttó hatásfokokat összehasonlítva az egyértelműen a legjobb a fűtőműnél, de tévedés lenne ebből arra következtetni - a már előzőekben leírtak miatt - hogy távhő termelésre ez lenne a leggazdaságosabb megoldás nemzetgazdasági szinten.

 

A fűtőerőműben tehát eltérő mennyiségben, kétfajta, minőségileg is eltérő energiát, hőt és villamos energiát termelnek - ezt hívjuk kapcsolt energiatermelésnek. Az ennek során együtt jelentkező teljes hőfelhasználás felosztása az eltérő minőségű és mennyiségű termékek közt elvi és gyakorlati nehézséget okoz. A számításba vehető felosztási módszereknek nincs sem közgazdasági, sem termodinamikai alapja. Az egyes termékek előállításának hatásfokának illetve a fajlagos hőfelhasználásának értelmezése csak önkényes lehet [2].

 

Fűtőerőművek tervezésekor, amikor a fűtőerőmű hasznosságát kell bizonyítani, a közvetlen energiatermelési eljárásokkal való összehasonlítás célszerű (kondenzációs erőmű, illetve fűtőmű az összehasonlítás alapja). A kapcsolt energiatermelés egyik termékére annyi hőt (költséget) kell elszámolni, mint amennyi közvetlen energiatermelés esetén terhelné ezt a terméket. A teljes bevezetett hő és ennek különbsége (a maradvány) a másik terméket terheli.

 

Fűtőerőművek létesítésekor a hőellátás a meghatározó, ezért célszerű a villamosenergia termelés fajlagos hőfelhasználását (költségét) azonosnak tekinteni a kondenzációs erőmű fajlagos hőfelhasználásával. (Még ez is hízelgő a hiányerőműre nézve, mert annak hatásfoka rosszabb a kondenzációs erőmű hatásfokánál, a hőelvonás magasabb hőmérsékleti szintje miatt). Ebben az esetben a kapcsolt energia termelés gazdasági haszna a hőtermelésnél és a hőárakban jelentkezik.

 

 

 

Latest posts
Topic Last post
Gazdaság - Távfűtés / A távhőszolgáltatásról - közérthetően
Sat 16.05.2009 [01:10]

I. Történet II.Műszaki, gazdasági háttér III: A drága távhő okai. Kié a profit? IV. Külföldi kitekintés V. Kié legyen a profit? 
www.molnar.info=>GAZDASÁG=>A távhő szolgáltatásról közérthetően=>II.Műszaki, gazdasági háttér