Energia mindenhol

1
Energia mindenhol

• Radnóti Katalin
• ELTE TTK Fizikai Intézet
• rad8012_at_helka.iif.hu
• http//members.iif.hu/rad8012/

2
Ne fogyassz sok energiát!

• Takarékoskodjunk az energiával!
• De az iskolában azt tanítjuk, hogy az energia
  megmarad.
• Akkor most mi a helyzet?

3
Mirol lesz szó?

• Az energia fogalma,
• az energiaátalakítás jelenlegi lehetoségei,
• azok elonyei és hátrányai,
• a való életbol és valós adatokkal végzett
  modellszámítások,
• az energiatermelés fizikai és kémiai alapjai,
• a Világ, az Európai Unió és hazánk energia
  eloállítási tervei.

4

• Az energia a fizikai objektumok egyik skalár
  jellegu állapothatározója, amelynek a
  Világmindenség összes fizikai objektumára
  megállapított értékeinek összege állandó.
• Az energia-megmaradás törvényének felfedezése az
  egyik legnagyobb hatású fejlemény a
  természettudományokban.

5
Történet

• Az energia szó a görög e?e??e?a kifejezésbol
  ered, ahol az e?- jelentése be- az ?????-é
  pedig munka az -?a pedig absztrakt fonevet
  képez. Az e?-e??e?a összetétel az ógörögben
  isteni tett-et vagy buvös cselekedet-et
  jelentett, Arisztotelész késobb ténykedés,
  muvelet értelemben használta.
• Galilei lejto és inga, kvalitatív megfogalmazás
• Eleven ero tömeg x sebességnégyzet
• Coriolis munkatétel
• Robert Mayer trópusi vizeken a matrózok vénás
  vére

6
Galilei Matematikai érvelések és bizonyítások
két új tudományág, a mechanika és a mozgások
körébol

• 1. nap A kor anyagtudományának összegzése, a
  végtelen nagy és kicsi fogalma, szabadesés
  elokészítése.
• 2. nap Mérnöki kérdések, tartók, gerendák.
• 3. nap Az egyenes vonalú egyenletes mozgás és a
  szabadesés tárgyalása.
• 4. nap Különbözo hajítások.

7
A mechanikai energia megmaradásával magyarázható
jelenségek
8
Az energia megmarad

• "1840 nyarán a Jáva szigetére újonnan megérkezett
  európaiakon végrehajtott érvágásoknál azt
  tapasztaltam, hogy a kar vénájából eresztett
  vérnek majdnem kivétel nélkül föltunoen vörös
  színe volt. Ez a jelenség magára vonta teljes
  figyelmemet. Kiindulván a Lavoisier
  égés-elméletébol, mely az állati hot
  égésfolyamatnak tulajdonítja, azt a kettos
  színváltozást, melyet a vér a kicsiny és a nagy
  körfutás hajszáledényeiben szenved, úgy
  tekintettem, mint a vérrel végbemeno oxidácziónak
  érzékileg észreveheto jelét, látható reflexusát.
  Az emberi test állandó mérsékletének megtartására
  kell, hogy annak hofejlesztése a ho
  veszteségével, tehát a környezo médium
  mérsékletével is szükségképen bizonyos
  értékviszonyban álljon s ennélfogva kell, hogy
  mind a hotermelés és az oxidáczió- folyamat, mind
  pedig mind a két vérnemnek színkülönbsége a forró
  égöv alatt egészben véve kisebb legyen mint a
  hidegebb vidékeken."
• ?E w Q

9
Kiskocsik és rugók
10
Mai életünk további fenntartásához a következo
három fo területeken van szükségünk energiára

• Elektromos energia, egyre nagyobb számú
  elektromos berendezéseink muködtetéséhez,
• termikus energia a futéshez és a legkülönfélébb
  technológiai folyamatokhoz,
• folyékony üzemanyag a közlekedéshez,
  szállításhoz, a mezogazdasághoz (traktorba
  gázolaj stb.).

11
Energiatermelés, eromuvek

• Fogalmi problémák
• ero energia
• munka ho - energia
• Primer energia átalakítás- felhasználás

12
Primer energiaforrások

• A Napból származó energia, melyen nem csak a
  napfény energiáját kell érteni, hanem a különbözo
  körülmények között eltárolt napenergiát, mint a
  biomassza, de ide tartoznak a különbözo fosszilis
  energiaforrások, mint a szén, a koolaj és a
  földgáz. Ezek több millió év alatt keletkeztek a
  régen élt növények és állatok maradványaiból.
• Valójában a széleromuvek is a Napból származó
  energiát használják fel, hiszen a levego áramlása
  amiatt alakul ki, hogy a Nap sugarai nem
  egyenletesen melegítik a Föld felszínét, így
  homérsékletkülönbség és ennek következtében
  nyomáskülönbség alakul ki.
• A vízenergia is visszavezetheto a napenergiára,
  ugyanis a víz úgy jut el a Föld magasabb
  pontjaira, hogy a napsugárzás hatására elpárolgó
  víz felhoket képez, majd a felhokbol a víz
  csapadék formájában a magasan fekvo helyekre is
  hullik.
• A Földbol származó energia, mint a geotermikus és
  a nukleáris energia. Valójában a geotermikus
  energia is nukleárisnak tekintheto, hiszen a
  földet a radioaktív izotópok bomlása
  következtében felszabaduló ho melegíti.

13
Energiafelhasználás, hatásfok

• Carnot-féle körfolyamat
• Az energia ténylegesen megmarad a folyamatok
  során, ellenben csak egy része alakítható át
  munkává, másik része szétszóródik a környezetben
  a termodinamika második fotétele szerint.
• De éppen ez a szétszóródás teremti meg annak a
  lehetoségét, hogy egy részét munkavégzésre
  lehessen felhasználni!

14
Elektromágneses indukció

• Faraday Naplójából vett idézetek. 1831. augusztus
  29.
• henger alakú rúdmágnes egyik végét bedugtam a
  henger alakú tekercs végébe - utána gyorsan egész
  hosszában bedugtam, amire a galvanométer tuje
  megmozdult, amikor kihúztam a tu ismét megmozdult
  az ellenkezo irányban. Ez a hatás minden
  alkalommal megismétlodött, ha a mágnest a
  hengerbe tettem, vagy onnan kivettem
• A tu nem maradt meg elfordult helyzetében,
  minden alkalommal visszatért a helyére.

15
DRS 20.21. Homogén B 0,01 Tesla mágneses
indukciójú mágneses mezoben, az indukcióvonalakra
meroleges síkban egy l 10 cm hosszúságú egyenes
vezeto mozog, melynek sebessége meroleges
vezetore. Határozzuk meg az indukált feszültséget
az ido függvényében, ha a vezetoa.) 10 m/s
állandó sebességgel mozog,b.) zérus
kezdosebességrol indulva 1 m/s2 gyorsulással
mozog!

• Megoldás
• A mozgási indukció esetérol van szó mindkét
  esetben, amikor is az indukált feszültség U
  B.l.v módon számítható.
• Az a) esetben ez 0,01 V lesz, idoben állandó
  feszültség jön létre.
• A b) eset már érdekesebb. Mivel a sebesség
  változik, így a feszültség is változó lesz, a
  sebességhez hasonlóan egyenletesen változik az
  ido függvényében, mely U B.l.v B.l.a.t
  0,001 V/s . t alakban írható fel. Tehát az ido
  függvényében egyenletesen no a feszültég értéke.

16
DRS 20.23. Egy vezetokörben a fluxus a felso
ábrán látható módon változik az ido függvényében.
Hogyan változik az indukált feszültség az ido
függvényében?
17
DRS 20.24. Homogén 0,2 Tesla indukciójú mágneses
mezoben egy 10 cm átméroju gyuru forog valamely
átmérojének meghosszabbítását képezo és a
mágneses mezo indukcióvonalaira meroleges tengely
körül 3000 1/perc fordulatszámmal. Hogyan
változik az indukált feszültség az ido
függvényében?

• A fluxus ebben az esetben a következoképp
  változik az ido függvényében ?(t) B.(A.cos?)
  B.A.cos?.t
• U B.A. ?.sin?.t U0.sin?.t,
• ahol U0 B.A. ?.
•  

18
Transzformátor, generátor
19
Tiszaújvárosban található Tisza II Hoeromu 4 db
215 MW teljesítményu egységbol áll. Az I. és II.
számú blokk 3 fázisú 220 kV-on, a III. és IV.
számú blokk 3 fázisú 400 kV-on keresztül
csatlakozik az országos alaphálózatra. Az
eloállított elektromos teljesítménybol mennyi
veszik el, ha az itt termelt villamos
energiamennyiségét távvezetéken a 150 km-re levo
fovárosba továbbítjuk az I és II-es blokktól vagy
a III és IV-es blokktól? A vezeték alumíniumból
van, és az 1 fázishoz tartozó vezetékek összes
keresztmetszete 160 mm2.

• P .U.I, ebbol kifejezve a távvezetéken létrejövo
  áramerosséget- IP/U.
• Az I és II. blokkok esetében
• I 430 000 000/220 000. 1954,54 A,
• míg a III. és a IV. blokkok esetében
• I 430 000 000/400 000. 1075 A.
• P I2 . R
• Az I és II. blokkok esetében 107,45 MW megy
  veszendobe,
• míg a III. és a IV. blokkok esetében 32,5 MW,
  tehát jóval kevesebb!
• Ennek az az oka, hogy nagyobb feszültségen
  történik a szállítás, ezért kisebb lesz a
  távvezetékben az áramerosség, melytol a veszteség
  négyzetesen függ.
• Ebbol is látható, hogy nem érdemes kontinenseket
  átívelo vezetékhálózatokat létesíteni, mert nem
  tudunk több MV-os távvezeték hálózatokat
  készíteni, így a megtermelt villamos energia
  jelentos része elveszne.

20
Energiatároló vegyületek

• A szerves vegyületek egyik fontos típusát
  jelentik azok, melyek a kémiai kötéseikben
  energiát tárolnak, és a kötések átalakításával ez
  az energia átalakítható más formává. Nézzük meg,
  mi is történik a legegyszerubb szénhidrogén, a
  metán égésének példáján keresztül?
• CH4 2O2 ? CO2 2H2O 891..kJ/mol
• A víz képzodéshoje 242 kJ/mol. Számítsuk ki, hogy
  mekkora a potenciálesés az O-H kötés
  kialakulásakor?
• Egy mól O-H kötés létrejötte ennek a fele, vagyis
  121 kJ, egy darab pedig 0,2 aJ energia
  felszabadulását eredményezi.
• 0,2 aJ , 0,63 V a
  potenciálesés.
• A poláros kötések nagyobb kötési energiája
  lehetoséget ad arra, hogy az apoláros kötésekben
  energiát tároljunk, majd a kötést polárossá
  alakítva az energia bármikor felszabadítható.

21
Szén-dioxid kibocsátás 2010Magyarország 51
millió tonna
22

• Magyarország 5.1 tonna szén-dioxid/fo

23
(No Transcript)
24
Klímaváltozás a megelozés kedves utópia

• Az üvegházhatású gázok koncentrációjának
• kritikus szintje 450 ppm.
• A jelenlegi szint 390 részecske/millió.
• A trendek szerint 2017-re elérjük a kritikus
  szintet.
• 2017-tol kizárólag csak nulla kibocsátású
  eromuvek, épületek, üzemek, közlekedési eszközök
  épülhetnek, illetve kerülhetnek forgalomba.
• 2017 után elvesztjük annak esélyét, hogy a
  homérséklet globális emelkedését 2 C fokra
  korlátozzuk.

25
A világ és az EU energiaigénye

• A világ energiaigénye 1980-ban 7229 millió tonna
  olajegyenérték (Mtoe) volt, míg 2008-ra ez közel
  70-kal, 12 271 Mtoe ra emelkedett (1 toe
  41,868 GJ). Az ENSZ adatai szerint jelenleg olyan
  ütemben használjuk fel a természetes
  energiaforrásainkat, mintha nem 1, hanem 1,4
  Földünk lenne.
• Az EU országok energia igénye 1700 Mtoe körüli
  érték évente.
• A Földön kitermelheto fosszilis energiaforrások
  biztosítják ennek közel 80-át.
• Az uránkészletek a jelenlegi felhasználás mellett
  körülbelül 100-120 évre elegendoek.
• További lehetoség a tórium felhasználása.
• A 27 EU tag ország jelentos mértékben függ az
  orosz földgáztól. Az import 42-a Oroszországból
  24 Norvégiából és 18 Algériából származott
  2009-ben.
• Az energia 44-át a fejlett országok használják
  el, miközben lakosságuk csak a népesség 18-át
  teszi ki.

26
Nemzeti Energiastratégia 2030

• Hazánk energiafelhasználása 2010-ben 1085 PJ
  volt, és célkituzés, hogy ez 2030-ra se haladja
  meg az 1150 PJ-t. (1 PJ 1015 J)
• Hazánk energetikai szempontból sebezheto, mert
  fosszilis energiahordozók importjából fedezzük
  energiaszükségeltünk 62-át.
• Ezen belül a földgáz szükségletünk 82-a import.
• Tennivalók
• ? energiatakarékosság és energiahatékonyság
  fokozása,
• ? megújuló energia a leheto legmagasabb arányban,
• ? biztonságos atomenergia és az erre épülo
  közlekedési elektrifikáció,
• ? kapcsolódás az európai energia
  infrastruktúrához,
• ? a hazai szén- és lignitvagyon fenntartható,
  környezetbarát felhasználása.

27
A hazai szén- és lignitvagyon fenntartható,
környezetbarát felhasználása

• A szén alapú energiatermelés szinten tartása
  három okból indokolt
• Energetikai krízishelyzetben (pl. földgáz
  árrobbanás, rendszer-szintu üzemzavar) az
  egyedüli gyorsan mozgósítható belso tartalék
• Földgáz import kiváltó alternatíva,
  foglalkoztatás bovítési lehetoséggel
• Ez értékes szakmai kultúra végleges
  elvesztésének megelozése a fentiek miatt és a
  jövobeni nagyobb arányú felhasználás
  lehetoségének fenntartása érdekében
• Ez utóbbi feltétele a fenntarthatósági- és ÜHG
  kibocsátás vállalási kritériumoknak való
  megfelelés (a széndioxid leválasztási és tiszta
  szén technológiák teljes köru alkalmazása)

28
Energiafelhasználásunk

• Az összes energia 40 százalékát az épületekben
  használják fel, kétharmad részben futésre és
  hutésre.
• A hoigények mellett figyelembe kell venni, hogy
  megnott, és minden bizonnyal tovább fog növekedni
  a hutés (klimatizálás) iránti igény is.
  Idojárásfüggo csúcsok megjelenésére kell
  számítani.
• A legnagyobb, a teljes energiafelhasználás több
  mint 10 százalékát kitevo megtakarítást az
  épületek korszerusítésével lehet elérni.
• Az energiapolitikában nincsenek tuti
  megoldások, hanem csak alternatívák vannak, és
  minden energiatermelési módnak vannak elonyei és
  hátrányai. Nem létezik szuper tiszta energia.
• Minden energiatermelo berendezés megvalósítása,
  legyártása, a környezetbe való behelyezése is
  energiaigényes, továbbá beavatkozást, környezeti
  terhelést, szennyezést jelent. Például a
  széleromuvek lapátjaihoz szükséges szénszálak
  eloállítása, a napelemekhez szükséges szilícium
  eloállítása komoly és drága folyamat.

29
Megújuló energiaforrások

• Egy része például a nap-, és a szélenergia -
  csak nagy területen, kis mennyiségben, és
  jelenleg túl drágán képesek energiát termelni,
  nem beszélve arról, hogy erosen függnek nap és
  évszaktól, valamint az idojárás szeszélyétol.
• A legtöbb megújuló energiát a vízeromuvek
  szolgáltatják, azonban ezek kapacitása is véges,
  és környezeti terhelésük nagysága vitatott.
• Komoly lehetoség még az úgynevezett geotermikus
  energia, elsosorban a melegvíz futési célú
  felhasználása.
• A legígéretesebb lehetoségként a biomasszát
  tartják számon.

30
Biomassza

• A biomassza alatt - tágabb értelemben a Földön
  élo élolények összes tömegét értjük,
  energetikailag pedig foleg az eltüzelheto és
  futésre, vagy villamos energia termelésére
  használható növényeket, növényi és állati
  hulladékokat.
• Növényei a növekedésük alatt rövid idon belül
  felhasználnak ugyanannyi szén-dioxidot, mint
  amennyi az elozo mennyiség égetésekor
  keletkezett.
• Ezek lehetnek mezogazdasági és ipari hulladékok
  szalma, állati trágya, olajpogácsa, depóniagáz
  vagy lehetnek speciálisan erre a célra ültetett
  energianövények, elsosorban gyorsan növo
  lágyszárú növények, füvek.
• Az elégetés során nem csak szén-dioxid
  keletkezik, hanem, szálló por, szén-monoxid,
  dioxin, különbözo nitrogén oxidok stb., amelyeket
  nem vagy nagyon költségesen tudunk semlegesíteni,
  továbbá magas alkáli- és klórtartalma,
  korrozivitása, hamujának összeolvadási
  hajlandósága és az általa képzett lerakódások
  nagy problémákat okoznak a biomassza tüzelésu
  eromuvek tervezése és üzemeltetése során.

31
Modellszámítás

• Hazánk 2010-es üzemanyag fogyasztása a KSH adatok
  szerint 3 milliárd liter volt, ami 3 milló m3 .
  Mekkora területen tudnánk ezt megtermelni?
• Magyarország területe 93027,44 km2 , melynek
  48-a szántóföld, ami 44653,17 km2 4465317 ha
  (hektár). 1 ha 100 m x 100 m 10000 m2 0,01
  km2 , a mezogazdaságban még sok esetben ezt az
  egységet használják.
• A termésátlag egy jó évben 8 tonna/ha kukoricára
  a statisztikai adatok szerint.
• Ha mind a 48-nyi termoföldön kukoricát termelnék
  az 8 t/ha x 4465317 ha 35,72 millió tonna.
• Számoljunk úgy, hogy 1 liter bioetanol
  eloállításához kb. 3 kg kukorica szükséges (ennél
  biztosan kevesebb szükséges, csak rossz minoségu
  kukoricára igaz), akkor a 35,72 millió tonna
  kukoricából 35,72/3 11,9 millió m3 bioetanol
  állítható elo.
• A fenti számítás szerint ennek közel 4 x szeresét
  tudnánk megtermelni, ha a teljes mértékben csak
  ezt akarnánk eloállítani. Továbbá a bioetanol
  futoértékét azonosnak vesszük a közlekedésben és
  a mezogazdasági gépekben használt
  üzemanyagokéval. Vagyis hazánk teljes
  szükségletét elo tudnánk úgy állítani, hogy
  termoföldek ¼-ed részét használjuk erre a célra,
  mely hazán területének 12-a.
• Ez körülbelül két megye teljes területe.

32
Üzemanyagcella

• Az elemekhez hasonlóan a kémiai reakciókkal
  közvetlenül elektromosságot állítanak elo. A
  különbség az, hogy míg az elemeket kifogytuk után
  el kell dobni, az üzemanyagcella mindaddig
  üzemel, amíg üzemanyagot töltünk bele.
• Az üzemanyagcella fo részei a cellák, elektródok
  és membrán.
• Az oxidáció során elektronokat adnak le, amelyek
  a katódhoz vándorolva áramot hoznak létre.
• Két elektródából áll, egy elektrolit köré
  szendvicsszeruen préselve. Az anódon hidrogén,
  míg a katódon oxigén halad át. Katalizátor
  segítségével a hidrogénmolekulák protonokra és
  elektronokra bomlanak. A protonok
  keresztüláramlanak az elektroliton. Az elektronok
  áramlása mielott elérné a katódot, felhasználható
  elektromos fogyasztók által. A katódra érkezo
  elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek
  a protonokkal és az oxigénmolekulákkal, vizet
  hozva létre.
• Az egyik legnagyobb különbség azonban az
  akkumulátorok és az üzemanyagcellák között az,
  hogy az akkumulátorok esetében az üzemanyag
  felhasználása után az elem (vagy akkumulátor)
  cseréje (vagy feltöltése) szükséges, az
  üzemanyagcellákat azonban új üzemanyaggal
  folyamatosan lehet ellátni.

33
(No Transcript)
34

• KÖSZÖNÖM A FIGYELMET!
• rad8012_at_helka.iif.hu
• http//members.iif.hu/rad8012/