BIHARI PÉTER

ENERGETIKA II.

KÉZIRAT

BUDAPEST, 1998

2

ENERGETIKA II.

Írta:

Bihari Péter, okleveles gépészmérnök

Lektorálta:

Veres Gergely, okleveles gépészmérnök

a műszaki tudomány kandidátusa

3

ELŐSZÓ

A civilizált emberi élet ma már elképzelhetetlen a megfelelőmennyiségű és minőségű energia felhasználása nélkül. Az energiamindenütt jelen van az életünkben. Energiát veszünk magunkhoz atáplálékkal, energiát használunk a fűtéshez, a világításhoz, aközlekedéshez. Energia hajtja a gépeket, és minden általunk használttárgy energiát testesít meg. A történelem során az ember egyre többolyan anyagi változást igényelt, ami külső energia bevitelét tetteszükségessé. Az energiafelhasználás veszteségekkel éskörnyezetszennyezéssel jár együtt. A növekvő igények kielégítésenövekvő energiafelhasználással és ezzel együtt a természeti környezetnövekvő szennyezettségével jár együtt. Az energia az egyiklegfontosabb erőforrássá vált. Kellő mennyiségben és alacsony áronvaló rendelkezésre állása ma a gazdaság működésének alapvetőfeltétele. Elképzelni is rettenetes, hogy milyen változásokkövetkezhetnek be akkor, ha ez a feltétel nem teljesül. Figyelembekell azonban vennünk, hogy Földünk energiahordozó készleteivégesek és a természeti környezet is tűrőképessége határához ért.Mindezek az okok arra késztetnek bennünket, hogy alaposangondoljuk át energiafelhasználásunk módját. A legfontosabb, hogyjavítsuk a hatékonyságunkat, ami magával vonja a felhasználtenergia és a kibocsátott szennyezőanyagok mennyiségénekcsökkenését.

Energetikáról, hatékonyságról és energiagazdálkodásról csak azutánlehet beszélni, ha tisztában vagyunk mindazon energiahordozók ésenergiaforrások alapvető tulajdonságaival, melyeket felhasználunk. Akönyv első fejezetében áttekintjük azokat a gazdasági folyamatokat,melyek összefüggésben vannak egy ország energiafelhasználásával.Bemutatjuk azokat az összefüggéseket, melyek az energiaigényeketmeghatározzák. A második és harmadik fejezet az energiával, azenergiahordozókkal és az energiaforrásokkal foglalkozik. Bemutatjaazon alapvető természeti törvényeket, melyek az energiaátalakításifolyamatokat leírják. Részletesen számba veszi az emberiségrendelkezésére álló valamennyi energiahordozót és energiaforrást,megadja jellemző tulajdonságaikat, felhasználási területüket. Anegyedik fejezet az energiaátalakításokkal és az átalakítottenergiahordozókkal foglalkozik. Bemutatja azokat a gépeket ésfolyamatokat, melyek segítségével a különböző energiahordozókatátalakíthatjuk. Ez a fejezet foglalkozik az energiahordozókszállításával és tárolásával. Az ötödik fejezet azokat a szervezésitechnikákat ismerteti, melyek a műszaki eljárásokkal kiegészítveelősegítik az energiafelhasználás csökkentését.

4

A jövő szakembereire vár a feladat, hogy mindezeknek azelvárásoknak megfelelően alakítsák át a gazdaságenergiafelhasználásának struktúráját, növeljék annak hatékonyságát.

Ehhez kíván sok sikert és eredményes munkát a

Szerző

5

TARTALOMJEGYZÉK

1. Bevezetés 8

1.1. Energetikai vizsgálatok 9

1.2.Országos energiagazdálkodás 11

1.2.1. Makrogazdasági fejlemények 11

1.2.2. Energiaellátás és kereslet 12

1.2.3. Energia végfelhasználás és hatékonyság 15

2. Az energia 16

2.1. Az energia megmaradásának elve 16

2.2. A termodinamika második alaptörvénye 19

3. Energiahordozók és -források 27

3.1. Alapfogalmak, definíciók 27

3.2. Elsődleges energiahordozók és -források 27

3.2.1. Kimerülő elsődleges energiahordozók 30

3.2.1.1. Szén 30

3.2.1.2. Kőolaj 40

3.2.1.3. A kőolaj feldolgozása 48

3.2.1.4. Földgáz 52

3.2.1.5. Nukleáris energiahordozók 56

3.2.1.6. Nukleáris energiahordozók hasznosítása 64

3.2.1.7. Geotermikus energia 66

3.2.2. Megújuló elsődleges energiahordozók 69

3.2.2.1. Napenergia 70

3.2.2.2. Vízenergia 75

3.2.2.3. Szélenergia 82

3.3. Átalakított energiahordozók 85

3.3.1. Kémiai tüzelőanyagok és üzemanyagok 86

3.3.2. Hőenergia-hordozók 87

3.3.2.1. Szilárd anyagok 89

3.3.2.2. Folyadékok 90

3.3.2.3. Gáz halmazállapotú anyagok 92

3.3.3. Kémiai reagensek 95

6

3.3.4. Mechanikai energia 98

3.3.5. Villamos energia 102

3.3.6. Villamosenergia-rendszer 114

3.3.6.1. A rendszer általános ismertetése 114

3.3.6.2. A magyar villamosenergia-rendszer felépítése 116

3.3.6.3. A jelenlegi erőműpark 117

3.3.6.4. Rendszerirányítás 120

3.3.6.5. Gazdaságos üzemmenet 122

3.3.6.6. Elsődleges energiahordozó felhasználása 123

3.3.6.7. Az erőművek környezeti hatásai 124

4. Energiaátalakítás 127

4.1.1. Hőforrások 128

4.1.1.1. Tüzelőanyagok eltüzelése 129

4.1.1.2. Technikai hőforrások 155

4.1.2. Erőgépek 166

4.1.2.1. Áramlástechnikai gépek 166

4.1.2.2. Mechanikai energiával működtetett erőgépek 171

4.1.2.3. Hőerőgépek 185

4.1.2.4. Villamos hajtások 198

4.1.2.5. Mechanikai munka kémiai energiaforrásokból 206

4.1.3. Áramforrások 207

4.1.3.1. Villamos energia mechanikai munkából 211

4.1.3.2. Kémiai áramforrások 215

4.1.4. Kémiai energiaátalakítás 220

4.1.5. Magreakciók gerjesztése 226

5. Energia menedzsment 228

5.1. Stratégiai megközelítés 228

5.1.1. Az energiagazdálkodás fázisokra bontása 228

5.2. Energiapolitika 235

5.2.1. Szervezet 241

5.2.2. Motiváció 249

5.2.3. Energiapolitikai példa 256

7

6. felhasznált és ajánlott Irodalom 262

8

1. BEVEZETÉS

Az energia az anyag egyik megjelenési formája. A technika lehetővéteszi, hogy ennek egy részét az emberi tevékenység szolgálatábaállítsuk. Az ezen tématerületen felmerülő általános műszaki ésgazdasági kérdésekkel az energetika foglalkozik. Az energia hatékonyfelhasználásának tervezése és a felhasználás koordinálása azenergiagazdálkodás feladata. Az energiagazdálkodás egyik fontosfeladata az energetikai vizsgálatok elvégzése. Energetikaivizsgálatokon olyan módszereket értünk, melyekkel azenergiahordozók hatékony felhasználását vizsgáljuk.

Az energiafelhasználás az energiafajták egymásba valóátalakulásával jár. Ezekkel a fizikai, kémia, biológiai folyamatokkal atermészettudományok foglalkoznak. Figyelembe kell azonban venni,hogy az energiafelhasználás, az utóbbi két évszázad technikaifejlődésének előfeltételeként és egyúttal következményeként, háromnagyságrenddel nőtt meg. Ma már közhelynek számít az a hasonlat,mely szerint az energiaellátás úgy szövi át a társadalmi létet, mintérrendszer az emberi testet. Minthogy az energiaellátás, még a nemszakember számára is szemmel láthatóan nagy beruházásokkal jár,így ez a tématerületet, nem művelhető a gazdasági törvényszerűségekfigyelembevétele nélkül. Így tehát az energiagazdálkodás atermészettudományok (matematika, fizika, kémia és biológia),valamint a közgazdaságtudomány eredményeinek felhasználásával atématerülethez tartozó folyamatokat úgy vizsgálja, hogy figyelmekiterjed a természeti folyamatokkal együtt bekövetkező gazdasági (éstársadalmi) folyamatokra is.

Annak oka, hogy napjainkban a műszaki-gazdasági kérdések igenélesen vetődnek fel, a következőkben keresendő: míg az 1960-asévekben az igen jó minőségű primer energiahordozók (kőolaj, földgáz)megfelelő mennyiségben és viszonylag olcsón álltak rendelkezésre, az1970-es és 1980-as évekre a helyzet jelentősen megváltozott.

A többszörös primer energiahordozó árrobbanások, valamint annaka ténynek a kényszerű figyelembevétele, hogy az energiahordozóknem korlátlan mennyiségben állnak rendelkezésre, lényegesenmegváltoztatta az előállított javak árában a felhasználtenergiamennyiség részarányát.

Minden szakembernek tisztában kell lennie azzal, hogy az általatervezett alkotással kapcsolatos számítások igen jelentős hányadátteszik ki a gazdasági kalkulációk. Ennek megfelelően mindenszakember az alábbi szempontokat kell figyelembe vegye alkotásaitervezésénél:

9

– semmilyen közcélú műszaki alkotásnál nem mellőzhetők agazdasági (hatékonysági) vizsgálatok;

– a gyakorlathoz szorosan kapcsolódó gazdasági (hatékonysági)vizsgálatokat a tervezőnek magának kell elvégeznie;

– a mélyebb gazdasági vizsgálatokra vonatkozó elveket a műszakiszakembernek legalább annyira értenie kell, hogy tárgyalóképespartnere legyen közgazdász munkatársának.

1.1. Energetikai vizsgálatok

Az energetikai vizsgálatok alapját képező meggondolás nem új. Mártöbb mint száz éve, hogy a mérnökök nagy érdeklődést mutatnak azáltaluk tervezett és megvalósított gépek energiafogyasztása iránt. Avillamosmérnök például pontosan meg tudja határozni a villamosgépek energiafelhasználását különböző terhelési állapotokban, agépészmérnök pontosan ismeri a gőzerőgépek üzemi viselkedését.Ezen túlmenően a mérnökök érdeklődése az ipari folyamatokenergiaigényével kapcsolatban nem korlátozódik csupán a kisebbgépekre. Már a XIX. század közepén a vegyészmérnökök egészüzemeket úgy terveztek, hogy azok energiafelhasználása minimálislegyen.

Történelmileg a mérnökök először csak a gyártási folyamathozközvetlenül kapcsolódó gépek, az egyes üzemek energetikaijellemzőivel foglalkoztak. Napjainkban azonban az energetikaivizsgálatok már nem csak a tényleges gyártási folyamatokra terjednekki, hanem a segéd- és kiszolgáló folyamatokra is, melyek a korszerűipar fenntartásához szükségesek. Az energetikai vizsgálatok ilyeténkiterjesztését több tényező is indokolta, amelyek közül különösenhárom jelentős.

Elsőként említhető az, hogy az 1960-as és 70-es évek igen nagyváltozást hoztak a környezetvédelmi kérdések megítélésében és ezekjelentősége egyre nőtt és nő ma is. Egyik ilyen megfontolandó kérdésaz, hogy egyre több hulladékhő és égéstermék kerül a levegőbe, melyszerepet játszathat a klíma átalakulásában (globális felmelegedés). A60-as és 70-es években egyre jobban megerősödtek azok a társadalmicsoportosulások, melyek úgy befolyásolták az egyes kormányokat ésvállalatokat, hogy azok többet törődjenek az energiatermelési ésgyártási folyamatok környezetre gyakorolt káros hatásával éstegyenek meg mindent az okozott károk csökkentéséért.

A második tényező abból az igényből származott, hogy jobban megkell ismernünk az energiaátalakítás és -felhasználás folyamatát,mivel a Földön rendelkezésünkre álló hagyományos (kémiaitüzelőanyagok) energiahordozók mennyisége véges. Ez az igény

10

előtérbe helyezte azokat a riasztó – és időnként meglehetősenborúlátó – jövendöléseket, amelyek a hagyományos olajlelőhelyekkimerülésére vonatkoznak. E jóslatoknak további hangsúlyt adottnéhány olajlelőhely végeleges kimerülése. Ezek a tényezők – önmagukban – nem eredményeztek különösebb változásokat az iparigyakorlatban, de olyan közhangulatot teremtettek, amely rávilágítottharmadik, igen fontos tényezőre: az energiahordozók árának gyorsemelkedésére.

Olyan nagy volt az áremelkedés, hogy az energia hirtelen jelentőstényezővé vált a termékek összköltségében; sőt még az üzemeltetésnélis, ahol eddig viszonylag jelentéktelen tényező volt. Továbbra isfennáll, hogy az iparban a termelési folyamatokban közvetlenülszerepet játszó gépek és folyamatok a legnagyobb energiafogyasztók.Bár a kiegészítő műveletek egyedenként csak kevés energiátfogyasztanak, de mivel az összetett termelési folyamatokban igennagy a számuk, tekintélyes összenergia-fogyasztást okoznak. Azonfolyamatokat nevezik általában „kiegészítő” vagy „segéd”-folyamatnak,amelyek közvetlenül nem kapcsolódnak a termék előállításához. Idesorolhatók például az üzemi épületek, a gyári adminisztrációshelyiségek fűtése és világítása, az elszívó berendezésekműködtetéséhez szükséges energia stb.

A segédfolyamatok (amelyek a termék előállításához közvetlenülnem járulnak hozzá) energiaigényének és magának agyártóberendezésnek az előállításához kapcsolódóenergiafelhasználás figyelembevételére vezették be a termelés teljesenergiaigénye, avagy a bruttó energiaigény fogalmát. Ez az az energia,amely egy termék gyártásához vagy egy szolgáltatás teljesítéséhezszükséges összes tevékenységhez kapcsolódik. E könyv egyik főcélkitűzése annak bemutatása, hogy a termelés teljes energiaigényéthogyan lehet meghatározni és főleg milyen eszközökkel ésmódszerekkel lehet értékét a minimálisan szükségesre csökkenteni.Első pillantásra úgy tűnik, hogy ez könnyen megvalósítható azonbannéhány (látszólag egyszerű) folyamat vizsgálatakor is már hamarkiderül, hogy ez lényegesen összetettebb feladat, mint ahogyeredetileg elképzelhető.

Néhány nehézség jól érzékeltethető már egy viszonylag egyszerű,nem ipari tevékenység vizsgálata során is, pl. amikor autónkonmegyünk bevásárolni egy ABC áruházba. Tegyük fel: ki kellszámítanunk egy ilyen út megtételéhez szükséges energiát. A főenergiafelhasználást a gépkocsi mozgatásához szükséges üzemanyag-fogyasztás jelenti. Azonban az üzemanyag biztosításához továbbienergiafelhasználás szükséges pl. az olajfinomítóban, aholnyersolajból előállítják az üzemanyagot, és ahhoz is, hogy eljuttassákazt ahhoz a benzinkúthoz, ahol azt az autós megvásárolta.

11

Nyilvánvaló, hogy az autó gyártásához is energiát kellett felhasználni,és nemcsak a gépkocsi összeépítése során, hanem a háttériparban is,amely az autógyártáshoz az alkatrészekét és az alapanyagotszolgáltatja. Az út megtétele során természetesen az utakat ishasználjuk, amelyek építése és karbantartása továbbienergiaráfordítást igényel. Ezen felsorolás kiegészíthető mégmindazokkal a kiegészítő tevékenységekkel is, amelyekenergiafelhasználást igényeltek ahhoz, hogy a gépkocsi vezetőjeotthonából az ABC áruházba mehessen gépkocsiján. E kiegészítőtevékenységek mindegyikéhez szintén kapcsolódikenergiafelhasználás, amelynek egy bizonyos része a vizsgáltutazáshoz kapcsolódik. A felsorolt tényezők közül néhányhoz csak kisenergiafelhasználás kapcsolódik, míg a többihez sokkal jelentősebb.Az alapprobléma, hogy ezek közül a kiegészítő tevékenységek közülmelyeket vegyük figyelembe az autó üzemeltetéséhez szükséges teljesenergiafelhasználás meghatározásánál. Ennek eldöntéséhezalkalmasán kialakított eljárások szükségesek. Nyilvánvaló, hogy egyteljes rendszer energetikai vizsgálata nem olyan egyszerű dolog, mintahogy az első látásra látszik. Ezért önkényesen döntöttek bizonyostevékenységek figyelembevételéről vagy kirekesztéséről, amivel nagybizonytalanságok keletkeztek a rendszerenergiákra közölt adatokértelmezésénél.

1.2. Országos energiagazdálkodás

Az energiafelhasználás mindig ok-okozati kapcsolatban áll az adottország gazdasági viszonyaival, ezért amikor az országos szintűenergiafelhasználást vizsgáljuk, először mindig a makrogazdaságifejleményeket kell áttekintenünk. A gazdasági viszonyok ésfolyamatok elemzése után térhetünk rá az energiaellátásszerkezetének vizsgálatára, kezdve a gazdaság különbözőszektorainak energiaigényeitől azok kielégítéséig. Azenergiagazdálkodásban kiemelt jelentősége van a hatékonyságnak (azegységnyi gazdasági érték előállításához felhasználtenergiamennyiség). Rendkívül fontos, hogy az energiafelhasználáshatékonyságának növelését a rendelkezésünkre álló eszközeinkkelnöveljük.

1.2.1. Makrogazdasági fejlemények

Magyarország évtizedeken át kísérletezett piacgazdasági reformokkalés már 1968-ban megkezdődött a központi tervezés mélyrehatófelülvizsgálata. 1988-ra modern adórendszert dolgoztak ki és kiépülta kétszintű bankrendszer. Szintén ettől évtől kezdve jöttek létre az újgazdasági társaságok illetve alakultak át a meglévő vállalatok. A 80-as évek végétől kezdve a bruttó nemzeti termék (GDP, Gross Domestic

12

Product) növekedése stagnált, majd erősen csökkent. Jelenleg (1997)a makrogazdasági folyamatok már viszonylag kedvező képetmutatnak a szigorú monetarista egyensúlyteremtő intézkedéseknekköszönhetően. A pénzügyi egyensúly megteremtette a gazdaságinövekedés alapját. Az egyre bővülő gazdasági termelés egyre nagyobbenergiaigényekkel lép fel a hatékonyság folyamatos növekedésemellett is. Az energiaigények és a bruttó nemzeti termék közöttikapcsolatot az 1. ábra mutatja az 1983. évet véve alapul, relatívértékben. Ebből az ábrából jól látható, hogy milyen szoros kapcsolatáll fenn a gazdaság és az energetika (az energiaigények) között

60

70

80

90

100

110

120

1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994

(Index: 1983=10

G D P Energiaigény

1. ábra. A bruttó nemzeti termék és az energiaigény kapcsolata

1.2.2. Energiaellátás és kereslet

A 2. ábra mutatja az elsődleges energiahordozó-ellátásban(felhasználás és hazai termelés) 1971 óta megfigyelhető trendeket (azelsődleges vagy primer energiahordozók definícióját lásd a3.1 alfejezetben).

1971 1975 1979 1983 1987 19910

2

4

6

8

10

12

14

1971 1975 1979 1983 1987 1991

Szilárd tüzelõanyago

1971 1975 1979 1983 1987 19910

2

4

6

8

10

12

14

1971 1975 1979 1983 1987 1991

Kõolaj

13

1971197519791983198719910

2

46

8

1012

14

197119751979198319871991

Földgáz

1971197519791983198719910

2

4

6

8

10

12

14

197119751979198319871991

Nukleáris energiahordoz

Igény (felhasznál

Hazai termelés

2. ábra. Elsődleges energiahordozók felhasználása és hazai termelés (Mtoe)

A 3. ábra az elsődleges energiahordozók szerkezetét mutatjaMagyarországon és az OECD Európai országaiban. (Az OECDrövidítés feloldása: Gazdasági Együttműködési és Fejlesztésiszervezet; Organisation of Economic Co-operation and Development.)E szervezetnek 1996 óta hazánk is tagja.

Magyarország 1992

Szilárd22%

Olaj31%

Gáz31%

Egyéb1% Nukleáris

15%

OECD Európa 1992

Nukleáris14%

Szilárd22%

Olaj44%

Gáz17%

Egyéb3%

3. ábra. Elsődleges energiahordozó-szerkezet Magyarországon és az Európai OECDtagországokban

A 4. ábra a gazdaság egyes ágazatai által felhasználtenergiamennyiséget mutatja az 1988-től 1993-ig terjedő időszakban.Az ábrából különösen kitűnik az ipari termelés visszaesése, és azebből fakadó energiafogyasztás csökkenés, míg a gazdaság többiszektorának energiafelhasználása csak kis mértékben csökkent,illetve ingadozott.

14

1988 1989 1990 1991 1992 1993

Egyéb

Közlekedés

Ipar

Lakosság, kereskedeszolgáltatás

0

12

3

45

6

7

8

9

Mtoe

4. ábra. Végső energiafogyasztás ágazatonként (Mtoe)

15

1.2.3. Energia végfelhasználás és hatékonyság

Magyarországon a tervutasításos gazdaság egyik öröksége az, hogy azenergia felhasználásának hatékonysága nagymértékben eltér a fejlettországok mutatóitól. A mesterségesen alacsony értéken tartottenergiaárak és az ipar teljesítményének a kibocsátás mennyiségealapján való értékelése, tekintet nélkül a minőségre, megnövelte éstúlhangsúlyozta az energetikai iparágak kínálati oldalát. Ez odavezetett, hogy magas szintet ért el a gazdasági kibocsátás egységérevetített energiafelhasználás, míg a fejlett piacgazdaságokhozviszonyítva a gazdasági fellendülés elmaradása az egy főre jutóenergiafogyasztás alacsony szintjében tükröződött.

Az energiaigényesség, a gazdasági kibocsátás egységére vetítettenergiafelhasználással megfogalmazva sokkal magasabbMagyarországon mint az OECD többi tagországaiban, amit akövetkező tények magyaráznak:

– a viszonylag gazdaságtalan energiahordozó kitermelés (pl.:mélyművelésű szénbányák),

– a történetileg kialakult alacsony energiaárak miatti intenzívenergiafelhasználás,

– a gazdasági kibocsátásban az általában alacsony hozzáadott értékés

– az energiaigényes iparágak viszonylag magas részesedése.

Az általános, viszonylag alacsony energiahatékonyság azt jelenti,hogy Magyarországon a javítás lehetőségei nagyok lesznek azelkövetkező néhány évtizedben. A központi tervgazdaságbanalábecsülték, illetve figyelmen kívül hagyták az energiaellátás egyesköltségeit, ezért az energiaárak alacsony szinten maradtak. Akrónikus alulárazás oda vezetett, hogy csökkentek a beruházások,ennek következtében nem volt megfelelő a szolgáltatások szintje, ésvégül hiány lépett fel.

Az energiaárak emelésének – ahol lehetséges a piaci szintre, másuttpedig olyan szintre, ami teljesen fedezi a költségeket – fő célja az,hogy a beruházások gazdasági megtérülését biztosítsa, mivel ez aleghatékonyabb mód az energetikai szolgáltatások hosszú távontörténő megfelelő biztosítására. A gazdaságban az árstruktúrakorrekciója lehetővé teszi a termelő és szolgáltató társaságokszámára, hogy a piaci értékbe megfelelően beszámítsák a termelésitényezőket és az energiafogyasztást is. A jövőbeni gazdaságinövekedés minden bizonnyal elvezet az ipari szerkezetátalakításhozés a hatékonyság jelentős növeléséhez, tekintettel a helyes árképzésjelzéseire.

16

2. AZ ENERGIA

2.1. Az energia megmaradásának elve

Mint általában a legtöbb elvont fogalom, az „energia” sem igazánszemléletes jelentésű. A tudósokban és a mérnökökben ezzelkapcsolatban kifejlődik egy érzék, amely a fogalomnak a különbözőszakterületen való folyamatos alkalmazásához kapcsolódik. Agyakorlati alkalmazások szempontjából úgy tekinthetjük, hogy azenergiafolyamatokat két alapvető természeti törvény határozza meg,amelyeket gyakran a termodinamika első és második törvényénekneveznek. A termodinamika első törvényét az energiamegmaradástörvényeként is szokták emlegetni, amely azt mondja ki, hogy energiátsem létrehozni, sem megsemmisíteni nem lehet, hanem csak egyikalakból a másikba lehet átalakítani. Ez a meghatározás magábanfoglalja azt is, hogy az energia számos alakban áll rendelkezésünkre,és ezeket az 1. táblázathoz hasonlóan foglalhatjuk össze. Fontosannak figyelemmel kísérése, hogy a felsorolás nem egyértelműenmeghatározott. A hőenergiát pl. az anyagban az atomok, ill.molekulák mozgása hozza létre, tehát tulajdonképpen a mozgásienergia egyik formája. Ehhez hasonlóan a hang, amelyet egyébkéntnem is tüntettünk fel a táblázatban, szintén a mozgási energia egyikformája, hiszen azon közeg molekuláinak vagy atomjainakmozgásából ered, amelyben a hang terjed. Az, hogy a hangbeletartozik-e a táblázatba vagy sem, az önkényes elhatározáskérdése, és a felsorolás bővíthető vágy szűkíthető attól függően,milyen részletességre törekszünk, ill. mi a felsorolásunk célja.

1. táblázat

Az energia megjelenésiformája

PéldaA példában

szereplőmaximálisenergia,

MJKinetikus (mozgási) 1 kg tömeg 48 km/h sebességgel

mozog 0,000 09Potenciális (helyzeti) 1 kg víz energiája az alapszint feletti

500 m magasságban 0,005Hő 1 kg 373 K hőmérsékletű víz energiája

a 293 K alaphőmérséklethezviszonyítva

0,34

Villamos energia 230 V feszültségen 1 A erősségű áram1 órán keresztül folyik 0,83

Napsugárzás energiája Teljesen derült időben, déltájban 1 m2

földfelszínt 1 órán keresztül érőnapsugárzás

3,4

Kémiai energia 1 kg olaj levegőben szén-dioxiddá ésvízzé való elégésekor 45

17

Atomenergia 1 kg 235-ös urán hasadása 80 000 000

Az 1. táblázathoz hasonló felsorolásoknál könnyű meghatározni azta folyamatot, amely szerint az energia az egyik alakból a másikbaátalakul. Néhány esetben az átalakítás egyetlen lépésben megy végbe,ilyen pl. az olaj vagy szén vegyi energiájának átalakulása hő- ésfényenergiává a levegőben való elégetéskor.

Más esetekben az eredő átalakulás úgy jön létre, hogy számosközbeeső változás is bekövetkezik. Például egy felső víztárolóban levővíz helyzeti energiája úgy alakul át villamos energiává, hogy előszörmozgási energiává alakul át: a víz egy csővezetéken a vízgyűjtőből azerőműig halad; majd a víz mozgási energiáját átadja a turbinánkeresztül a generátor forgórészének, és a forgórész ezen mozgásienergiájának egy része alakul át villamos energiává. A 2. táblázat(energiaátalakítási mátrix) néhány olyan esetre mutat példát, amikoregyik energia egy másikba alakul át. A táblázat első oszlopatartalmazza a kiindulási energiafajtát, a további oszlopok pedigazokat a berendezéseket, illetve folyamatokat, amelyek segítségével akiindulási energiafajtát más energiafajtákká tudjuk átalakítani.

2. táblázatMechanikai Hő Villamos Sugárzás Kémiai Nukleáris

Mechanikai egyszerűgépek,hajtásokhidraulikusgépek, víz-turbina

súrlódás generá-torok,mikrofon

tribo- éskrisztallo-szonolu-min-eszcencia

mechano-kémiai je-lenségek

részecske- gyorsító

Hő hőerőgépek abszorp-cióshűtőgép

hőelem hősugár-zás,izzólámpa

endotermkémiaireakciók

fúziókiváltása

Villamos villamosmotorok

villamosfűtés,Peltier-elemeshűtés

transzfor-mátor,tranzisz-tor

gázkisü-lések

elektrolí-zis,akkumu-látor

részecske- gyorsító

Sugárzás radiométer abszorp-ció, infra-sugárzó

fényelem,vevőantenna

fluoresz-cencia, lé-zer

fotoszin-tézisfényképezés

párkeltés,fúziólézerrel

Kémiai izom, ozmó-zis, sugár-hajtómű,

exotermkémiaireakciók,égés

galván-elem,tüzelő-anyagcella

kemolu-min-eszcencia,biolumin-eszcencia

kémiaireakciók

Nukleáris hasadás atom-reaktor

termoelek-tromosreaktor,izotóposáramforrás

radio-aktivitás

kötésekmódosu-lása

fúzió,fisszió

18

Az 1. táblázatból láthatjuk, hogy valamilyen alapszinthez képest500 m-rel magasabban levő víztárolóban a víz kg-onként 0,005 MJenergiát képvisel. Ez elvileg a vízből kinyerhető, ha az az esés után azalapszintre jut. Viszont 1 kg 235-ös uránizotópból – maghasadásútján – 80 TJ energia nyerhető. Nyilvánvaló, hogy 1 kg maghasadásraképes 235-ös uránban lényegesen nagyobb energia áll rendelkezésre,mint az 500 m magasan levő 1 kg vízben. Ezt úgy célszerűmegfogalmazni, hogy az atomenergia sűrűsége 1 kg 235-ös uránban16 milliárdszor nagyobb, mint az 500 m magasan levő 1 kg vízben ahelyzeti energia sűrűsége. Ez a fogalom igen fontos, mert azok azátalakítások, amelyek nagyobb energiasűrűségeket alakítanak átkisebb energiakoncentrációra, viszonylag könnyebbenmegvalósíthatók, mint az ellenkező irányúak. Érdekességképpenmegjegyezzük, hogy ez a felfedezés szolgált alapjául a termodinamikamásodik alaptörvényének megfogalmazásánál, amellyel a következőalfejezetben fogunk megismerkedni.

Az 1. táblázat azt bizonyítja, hogy a kémiai és a nukleárisenergiaforrások sokkal nagyobb energiasűrűségűek, mint a többi, ígynem meglepő, hogy éppen ez a két energia a jelenleg leggyakrabbanhasznált. Legelterjedtebben a kémiai energiát hasznosítjuk, mivelennek felhasználása sokkal egyszerűbb, mint a nukleáris energiáé. Ekét energia relatív energiasűrűségét összehasonlítva azt találjuk, hogyviszonylag a legnagyobb energiamennyiség az atomenergiábólnyerhető. Azokat az anyagokat, amelyeknek az energiasűrűsége nagy,illetve belőlük az energia részben vagy teljes egészében könnyenkinyerhető, üzemanyagként, tüzelőanyagként használjuk. Az iparezeket az anyagokat energiaforrásként (energiahordozóként)hasznosítja.

Az 1. táblázat még egy további energiával kapcsolatos jelenségre isutal, arra, hogy egy vonatkoztatási szintet kell meghatározni vagymegválasztani, amelyhez a mérési eredményeket viszonyítjuk. Ennekszükségessége azért merül fel, mivel abszolút zérus energiaállapot avalóságban nem fordul elő, és így a legtöbbnél megtehetjük, hogy azegyes állapotok közötti energiaváltozásokat vizsgáljuk. A víz helyzetienergiájának vizsgá1atánál a vízszintnek egy alapszinthez viszonyítottmagasságából kell kiindulni. Ugyanígy a hőenergia esetében areferenciaállapotot a környezet hőállapota jelenti. A többi példában avonatkoztatási állapotot expliciten nem adjuk meg, hanem azttételezzük fel, hogy a változást az energiaátalakulás előtti állapotravonatkoztatjuk. Például mozgási energia esetében az energiát anyugalmi állapothoz viszonyítjuk. Röviden összefoglalva az iparifolyamatoknál üzemanyagként olyan energiahordozókat használunkfel, amelyeknél a nagy koncentrációjú energia kisebb sűrűségűvé valóátalakítása következik be. Az energia minőségének a felhasználás

19

során bekövetkező ezen fokozatos csökkenése alapvető természetitörvény, amelyet a termodinamika második alaptörvénye foglal össze.

2.2. A termodinamika második alaptörvénye

A termodinamika második alaptörvénye valószínűleg a fizikaitudományok egyik legfontosabb alaptörvénye, amelyet közvetlenkísérlettel még nem igazoltak. Érvényessége azonban megalapozott,mert sikeresen felhasználhatták nagyszámú jelenség lefolyásánakelőrejelzésénél, amelyek aztán közvetlenül igazolhatók. Ezen törvénykülönösen azért érdekes számunkra jelenlegi vizsgálatainknál, mertmeghatározza azokat a feltételeket, amelyek illeszkednek azenergiaátalakításokat is magukba foglaló folyamatokhoz, és amelyekmeghatározzák ipari folyamatoknál az energiafelhasználásokmódozatait. Míg a termodinamika első törvénye magára az energiáravonatkozik addig a második törvény az energia változásaira és ezenváltozásokkal kapcsolatos korlátokra vonatkozik. Nem célunk, hogyteljes és számszerű igazolását adjuk a második törvénynek, csupánminőségileg vizsgáljuk e törvény néhány ipari alkalmazását.

A legmegfelelőbb az lenne, ha a törvénynek olyan egyszerű és világosmegfogalmazását adnánk, amely felölelné a törvény összeskövetkezményét. Számos ilyen megfogalmazás adható. Ha azidevonatkozó szakirodalmat tanulmányozzuk, rögtön kiderül, hogy amásodik törvénynek számos megfogalmazása van. A különbözőmegfogalmazások végül is ugyanarra a következtetésekre jutnak, mígkülönbözőségük arra utal, hogy a fizikai valóságot különbözőképplátjuk. Az általunk itt használt megfogalmazás nem az, ami atermodinamika elméletének matematikai felépítésénél általábanalapként szolgál. Olyan kiindulást választunk, amely a törvénykövetkezményének leíró jellegű kezelésénél a legcélravezetőbb.

Megfogalmazásunk azon a felismerésen alapul, hogy a természetbenbizonyos változások emberi beavatkozás nélkül is végbemennek. Ezenváltozásokat spontán folyamatoknak nevezik. Jellegzetes példák erre:só oldódása vízben; izzó fém lehűlése és a vas rozsdásodásaszabadban, levegőn. Fontos kiemelni, hogy amikor egy folyamatotspontán folyamatnak nevezünk, akkor meg kell határoznunk azokat ajellemző körülményeket is, amelyeknél a folyamat valóban önmagátólmegy végbe. Az előbb felsorolt példákat tanulmányozva önkéntelenülhozzágondoljuk azokat a körülményeket, amelyek a szobában vagyvalahol a föld felszínén, szabad ég alatt uralkodnak, és ahol bizonyoshatárok között jó közelítéssel meghatározottak a jellemzőparaméterek: pl. a hőmérséklet, a nyomás és a nedvességtartalom.Így azokat a körülményeket, amelyek mellett az ún. spontánfolyamatok nem következnek be, nem nehéz előre megállapítani.

20

Például 1 kg 350 K-es fémdarab nyilvánvalóan meleg egy 290 K-esjellegzetes szobahőmérséklethez képest, ezért a fém lehűl. Ugyanez afémdarab 600 K hőmérsékletű kemencében viszont lehűlés helyettfelmelegszik. Tehát beszélhetünk spontán folyamatokról, defigyelembe kell vennünk, hogy a spontán viselkedés speciálisállapotokat tételez fel.

A feltételek meghatározásakor rögtön szembetűnik a spontánfolyamatok egy fontos jellegzetessége, mégpedig az, hogy ezeketmindig energia-felszabadulás kíséri. A példában szereplő melegfémdarab lehűlése során hőenergiát ad le környezetének, és ez azenergia – legalább is elvben – összegyűjthető és hasznostevékenységre fogható. Kevésbé nyilvánvaló, de a só vízben valóoldását is hőfejlődés kíséri. Ha 1 kg vízben hőmérőt helyezünk el, ésaz edényt jól hőszigeteljük, kis hőmérséklet-emelkedés jelzi, hogy azoldódási folyamat energia felszabadulásával jár, noha ez sokkalkisebb mértékű, mint a hűlő fém esetében. A másik véglet aszénhidrogének reakciója oxigénnel (égés), amely kétségtelenülspontán folyamat és a felszabaduló energia is igen nagy mennyiségű.

Ezek a megfigyelések azért fontosak, mert mindegyik felhasználhatóenergiaforrásunk a spontán reakción alapul, és az ipari folyamatokösszessége a spontán folyamatok során felszabaduló energiákhasznosításain alapul, amelyekkel bizonyos eltervezett változástkívánnak megvalósítani. (Például valamilyen termék előállítása, vízszivattyúzása, szoba fűtése stb.) Ezt az energiát a termodinamikábanáltalában szabad energiának nevezik, és ezzel azt emelik ki, hogyfelhasználásra rendelkezésre áll. (Ez természetesen nem jelenti azt is,hogy az energia pénzügyi szempontból is szabad, vagyis ingyen van.)

Ezekből az elméletekből az következik, hogy energiabevezetésre vanszükség, ha az előre elhatározott változásokat véghez akarjuk vinni,ugyanis az ipari folyamatok legtöbbjének a spontán hatásokmegfordítása a célja. Az ipar számára szükséges lehet a szilárd sókinyerése az oldatból, vagy egy hideg fém felmelegítése, vagy a vaselőállítása vasoxidból (rozsdából). Ezen műveletek mindegyike arrairányul, hogy a spontán reakció előtt meglévő eredeti állapotot állítsavissza. Például; ha a sóoldatból a vizet elgőzölögtetjük, és a gőztlecsapatjuk, a sót és a vizet szétválaszthatjuk.

Ha a vasoxidból az oxigént kivonjuk, a vasoxidból visszanyerjük avasat, és ha a hideg fémet forró kemencébe helyezzük, a hőmérsékleteemelkedni fog. Ezekben az esetekben mindegyik spontán folyamatotmegfordítottuk, azonban ennek ára van. A három példamindegyikében energiát kellett a folyamathoz betáplálni, hogy az afordított irányban menjen végbe. Érdemes megjegyezni, hogy másfémoxidhoz hasonlóan a vasoxid is elbontható (disszociáltatható)

21

fémre és oxigénre – elvileg csupán hevítéssel: Azonban a fémoxidokdisszociációjához szükséges hőmérséklet rendszerint igen nagy, ezértnem célszerű: fémeket ezzel a módszerrel előállítani. A fémoxidokgyakran lépnek vegyi reakcióba olyán elemekkel, amelyekneknagyobb az oxigénhez való affinitása, mint az előállítandó fémé. Afémoxidhoz adott adalékanyag tehát elvonja az oxigént, és azzaloxiddá egyesül. Így előáll a kívánt fém és az adalékanyag oxidja. Azilyen reakciók rendszerint lényegesen kisebb hőmérsékleten mennekvégbe, mint a disszociáció.

A spontán folyamatok megfordításához szükséges összes szabadenergiának nem kell okvetlenül tüzelőanyagok elégetéséből vagyvillamos energiából származnia. A legtöbb kémiai eljárásnál areagensek egyik vegyületből másikba alakulnak át ezen reakciók egyrésze energiát emészt fel, míg a másik részénél energia szabadul fel,mint a szén vagy olaj elégetésekor. A legtöbb, kémiai reakciókat ismagában foglaló ipari folyamatnál igen gyakran egyszerre többreakció is végbemegy ugyanazon tartályon belül. Ha az egyik reakciósorán energia szabadul fel, azt felhasználhatja egy másik, energiátelnyelő folyamat. Ilyen elrendezésben a külső forrásból, pl.tüzelőanyag elégetéséből származó, az egész folyamat energiaigényétfedező energia kisebb lesz, mintha az energiát elnyelő folyamatelszigetelve menne végbe.

Egyszerű gyakorlati példával illusztrálhatjuk ezt. Nagy tömegűalumíniumtermelés a Hall és Heroult 1886. évi felfedezésénekköszönhető: az olvadt kriolit (Na3AlF6) jó oldószere az alumínium-oxidnak (Al2O3), mely az alumínium természetes előfordulási formája.A keletkező oldatból elektrolízissel az alumínium kinyerhető az oldatjelentősebb mértékű elbomlása nélkül. Az elektrolízis 1250 K-enkövetkezik be az alábbi egyenlet szerinti reakciónak megfelelően:

2

3AlO

4

3Al O2 3 2= + .

A szabadenergia-változás ezen reakció során +0,84 MJ ahol is apozitív előjel a megegyezés szerint arra utal, hogy a folyamat energiátigényelt. Első pillanatban úgy tűnhet, hogy ennek az energiánakteljes egészében villamos energiából kell a folyamatba kerülnie.Azonban az elektrolizáló kádnál használt grafit-anódnál kiváló oxigéna következő egyenlet szerint reakcióba lép a szénnel, és így széndioxidkeletkezik:

C O CO2 2+ = .

Ezen reakció során a szabadenergia-változás –0,4 MJ, mikor is anegatív előjel a megegyezés szerint energia felszabadulására utal. Az

22

elektrolizáló kád belsejében lejátszódó eredő folyamat az előző kétegyenlet összegeként írható fel:

3

2AlO C

4

3Al CO2 3 2+ = + .

A szabadenergia-változás ennél az összetett reakciónál 0,84-0,4 = 0,44 MJ. A végeredmény az, hogy a grafit anódelektróda lassúelégésével a külső energiaigény majdnem felére csökken ahhozképest, amikor az anód más anyagból készül. Most érthetjük meg alegjobban a termodinamika második alaptörvényénekmegfogalmazását. Minden spontán folyamat (reakció)energiafelszabadulással jár, míg ezen folyamatok ellenkező irányúmegvalósításához energiát kelt betáplálni.

Ez a törvény egyben azt is jelenti, hogy olyan körülmények között,amelyek mellett egy adott folyamat spontán megy végbe, ugyanezenfolyamat az ellenkező irányban már nem spontán reakció. Ha egymeghatározott reakció nem spontán az adott állapotjelzők mellett,akkor azokat meg kell változtatni úgy, hogy a folyamat spontánlegyen. Ezen állapotjelzők megváltoztatásához azonban energiabetáplálására van szükség. A törvény ilyen megfogalmazása mellett azipar célkitűzéseit úgy foglalhatjuk össze, mint a feltételek, azállapotok olyan befolyásolását, amelyek mellett az elvárt változásokmár spontán folyamatként játszódnak le. A feltételek befolyásolása agyakorlatban éppen a fizikai állapotok megváltoztatását jelenti,például ahhoz, hogy elősegítsük egy fémdarab felmelegítéséhezszükséges spontán hőáramlást, nagyobb hőmérsékletről kellgondoskodnunk. Vagy pedig a fizikai állapotok megváltoztatásávalegyütt szükséges lehet a kémiai környezet megváltoztatása is, pl.amikor egy meghatározott kémiai reakciósorozat elősegítésérevegyszert (katalizátort) adagolunk.

A spontán változások elvének megismerése elősegítheti abepillantást azok közé a tényezők közé, amelyek a gyakorlatban azenergiafelhasználást befolyásolják. Minden ipari tevékenység gépekhasználatán alapul. Itt a gép megnevezést meglehetősen táganértelmezzük: nemcsak a mechanikus szerkezeteket értjük alatta,hanem olyan egységeket is, mint pl. a villamos vezetékek, a kemencékés az atomreaktorok. Az egyszerűség kedvéért egy mechanikaigépcsoportot vizsgálunk, mert ez működése közben könnyenmegfigyelhető hatásokat okoz. Megfelelő példa erre egy tengelyrefelerősített lendkerék, amelyet valamilyen módon megtámasztunk.Tételezzük fel, hogy ezt a kereket kezünkkel mozgásba hoztuk, vagyismozgási energiát közöltünk vele. Attól kezdve, hogy a kerék mozgásbajött, többé már senki sem nyúl hozzá. Egy idő múlva a keréknyugalomba kerül. Teljesen mindegy, hogy milyen intézkedéseket

23

foganatosítunk, csökkentjük a tengely csapágyazásának,megtámasztásának súrlódását vagy a levegő közegellenállását, azelkerülhetetlen végeredmény: a kerék minden esetben meg fog állni. Aspontán folyamat jelen esetben a kerék állandó lassulása. Atermodinamika második törvényének általunk használtmegfogalmazásából is következik, hogy a kerékben levő kezdeti,mozgási energia valamilyen módon a kerékből eltávozik, spontánmódon hőenergiává alakul át a csapágyakban, ill. a környezőlevegőben levő molekulák hő- és mozgási energiájává alakul át. Ha eza lendkerék egy nagyobb állandó fordulatszámmal üzemelő gépalkatrésze, akkor a spontán veszteségi folyamatokat ellensúlyoznikell, és ez a második törvény értelmében csak úgy valósítható meg,hogy energiát közlünk a géppel.

A spontán, energiaveszteséget okozó folyamatok nem korlátozódnaka mechanikus szerkezetekre. Veszteség keletkezik, ha áram folyik átvezetékekben a vezetékek ellenállása miatt, és ez a veszteség ishőenergiává alakul ; növekszik a vezeték hőmérséklete. Ugyanígy,hőveszteség lép fel a kemencékben a kemence falának hővezetésemiatt. Mindkét példánál az energiaveszteségi mechanizmusok létezéseigazolható, ha az energia betáplálását megszüntetjük, és így az egységahhoz az eredeti állapothoz tér vissza, amely eltérő lesz attól, amelyaz energiabetáplálás mellett fennállt. Tehát a kemence ki fog hűlni ésa villamos áram nem fog tovább folyni.

A felsorolt példákban jelentkező veszteségek spontán természetijelenségek (súrlódás, áramköri elemek ellenállása és hővezetés)következményei. E veszteségek nagysága a gépek körültekintőtervezésével és gondos üzemeltetésével csökkenthető, azonban aveszteségek teljesen nem szüntethetők meg, és ez vezet a sokatemlegetett igazsághoz, hogy nem lehetséges 100 %-os hatásfokkalműködő gépet szerkeszteni. Ezek a veszteségek is kizárják azörökmozgó készítésének lehetőségét.

A termodinamika második alaptörvényének fontosságát az iparigyakorlat szempontjából most még átfogóbban is értékelhetjük. Olyanvilágban élünk, ahol az ipar termékeit lényegében a Föld felszínén,kb. 290 K hőmérsékleten 1 bar nyomásnál stb. kell felhasználnunk.Azonban jó néhány terméket igényeltek, amelyek ezen feltételekmellett a természetben nem fordulnak elő. Más szóval: nincsenekolyan spontán folyamatok, amelyek az igényelt termékekkialakításához vezetnének. Ezért olyan körülhatárolt térrészeket kellkialakítanunk, ahol a feltételek megvannak bizonyos spontánváltozások létrehozásához. Ezeket a meghatározott, körülhatárolttérrészeket gyáraknak nevezzük. A szükséges feltételeket gépek, pl. akemencék, öntőberendezések segítségével valósítjuk meg. A gyártás

24

után a termékeket a gyárakból visszajuttatjuk a mindennapi életbe, agyáron kívüli felhasználásra.

Egy külső megfigyelő megvizsgálhatja az anyagokat, mielőtt azok agyárba kerülnek, és leírhatja azokat a változtatásokat, amelyeket agyár végre akar hajtani. Ha ismeri azt a fizikai törvényt, amely akívánt eredményt meghatározó hatást irányítja, akkor ki tudjaszámítani az energiafelhasználást is.

Vizsgáljuk azt az egyszerű példát, amelynél egy fémtömböt olvadásigmelegítenek, majd formába öntenek, hogy ott a fém adott alakotkapjon. E folyamat két fizikai hatás megvalósítását igényli : a fémhőmérsékletét először is az olvadáspontig kell növelni, majd eztkövetően meg kell olvasztani.

A hőmérséklet emeléséhez szükséges energiát a tömeg, a fajhő és ahőmérsékletváltozás szorzata adja. A fajhő az anyagra jellemzőtulajdonság, és az egységnyi tömegű anyag hőmérsékletének 1 K-nelvaló emeléséhez szükséges energia. Ha az anyag már elérte azolvadási hőmérsékletét, akkor a megolvasztásához szükséges energiaa megolvasztandó tömeg és az olvadáshő szorzataként számítható. Azolvadáshő a tömegegységnyi anyag megolvasztásához szükségesenergia. Az említett jellemzőket néhány fémre a 3. táblázatban adtukmeg.

Egy fél kilogramm tömegű alumíniumöntvénynél, amelynekkiindulási hőmérséklete 290 K, az öntés energiaszükséglete – a3. táblázat adatait felhasználva: (az olvadáspontig való felmelegítéshezszükséges energia) + (a megolvasztáshoz szükségesenergia) = 0,5·913·(932-290) + 0,5·397 000 J = 293 073 + 98 500 J == 491 573 J = 0,49 MJ.

3. táblázatFém Fajhő,

J/(kg∙K)Olvadáshő,

MJ/kgOlvadáspont,

KAlumínium 913 0,397 932Antimon 209 0,161 903Arany 130 0,063 1336Berillium 1824 1,356 1551Bizmut 126 0,052 544Cink 389 0,113 ó92Ezüst 238 0,111 1234Kadmium 230 0,055 594Kálium 753 0,061 336Kobalt 418 0,276 17b3Króm 460 0,331 2163Magnézium 1017 0,368 923Mangán 477 0,267 1493Molibdén 251 0,289 2895Nátrium 1226 0,113 371Nikkel 444 0,297 1725Ólom 130 0.230 600

25

Ón 209 0,059 505Platina 134 0,100 2043Réz 385 0,205 1356Szilícium 711 1,799 1700Titán 523 0,418 2073Vas 453 0,272 1803Volfrám 132 0,192 36b0

Ez az energia kerül majd az atmoszférába vezetéssel, áramlással éssugárzással, amikor az öntőformába öntött anyag ismétszobahőmérsékletre hűl. Ez az a minimális energiaigény, ami a jelenesetben az adott változáshoz szükséges. Ez a példa ipari szempontbólkissé triviális, de annak bemutatására alkalmas, hogy bármelyváltozáshoz számítható egy minimális energiaigény. Ehhez hasonlóan:ha az előre tervezett változás számos kémiai reakcióból áll, akkorminden részreakció esetén az energiaváltozást előre részletesenismerni kell ahhoz, hogy a teljes folyamat minimálisenergiaszükségletét meg tudjuk határozni. Ilyen számítások útjánmeghatározott energiát nevezik a reakció minimális termodinamikaienergiaigényének. Visszatérve az alumíniumöntvény készítésérevonatkozó példánkhoz, egy gyáron belüli megfigyelő is 0,49 MJ-nakhatározhatja meg a folyamathoz szükséges minimális energiát. Agyárban azonban az alumínium hőmérsékletének spontánnöveléséhez szükséges körülhatárolt feltételek kialakításával másspontán folyamatok is kiváltódnak. Például az alumíniummegolvasztásához 932 K-en üzemelő kemencéről kell gondoskodni.Mivel ezt a készüléket (a kemencét) jóval alacsonyabb hőmérsékletűlevegő veszi körül, spontán hőenergia-veszteség lép fel vezetés,hőátadás és sugárzás formájában. Az üzemeltető tervezheti úgyberendezését, hogy az általa meghatározott főfolyamaton kívül minélkisebb legyen a spontán folyamatok száma, azonban atermodinamika második alaptörvényének következtében soha semküszöbölheti ki ezeket a mellékfolyamatokat és a hozzájukkapcsolódó energiaveszteségeket. Végül is bele kell nyugodnia abba,hogy mindig több energiát kell a kemencébe vezetni az elméletilegkiszámított 0,49 MJ-nál ahhoz, hogy a tervezett termék elkészüljön.Ezzel kialakul az ún. gyakorlati energiaszükséglet, amely mindignagyobb lesz, mint a minimális termodinamikai energiaszükséglet.Ezen egyszerű példa segítségével belátható, hogy minden egyes iparifolyamathoz két energiaérték rendelhető. Az egyik energia az ideális(veszteségmentes) esetet figyelembe vevő minimális termodinamikaienergiaszükséglet, a másik pedig a tényleges körülményeket ésveszteségeket, a segédfolyamatok által felhasználtenergiamennyiséget is magában foglaló gyakorlati energiaszükséglet.E két energiamennyiség ismeretében meghatározhatjuk az egyesfolyamatok energetikai hatásfokát:

26

ηEe

gy=E

E.

Az összefüggésben Ee az elméleti, Egy pedig a gyakorlatienergiaszükséglet. A két energiamennyiség különbsége pedig afolyamat energiaveszteségét adja meg:

E E Ev gy e= − .

Mielőtt elhagynánk a reakciókat beindító szabad energiák szerepérőlszóló területet, gondoljunk át alaposabban két korábban már tárgyaltpéldát: az alumíniumöntvény előállításáról szólót és a vasoxidredukcióját vassá. Az öntésnél a változás előidézéséhez szükségesteljes energiát először közölni kellett a fémmel, majd ezt követően azöntvény visszaadja lehűlése során a környezetének. A. vaselőállításánál a 7,35 MJ/kg a minimális termodinamikaienergiaszükséglet, ami a vasoxid vassá való alakításához szükséges.Ez állandóan szükséges, ahányszor a reakció végbemegy, és nem jutvissza a környezetbe, csak ha az 1 kg vas teljes egészébenújraoxidálódik. Ez úgy is felfogható, hogy az 1 kg vas 7,35 MJenergiát hordoz magában – potenciális energiahordozóként –, amelyenergia később felszabadítható.

27

3. ENERGIAHORDOZÓK ÉS -FORRÁSOK

3.1. Alapfogalmak, definíciók

A primer vagy elsődleges energiahordozók a természetben találhatóeredeti állapotban lévő energiahordozók (ásványi szén, kőolaj, földgáz,nukleáris energiahordozók), az energetikai folyamatok kiindulóközegei A primer energiahordozók mintegy 10 %-át a fogyasztókeredeti állapotukban használják fel. A fennmaradó 90 % egy részétkezelésnek vetik alá. A szenet aprítják, osztályozzák; aszénhidrogéneket tisztítják, különböző halmazállapotúkomponensekre bontják. A kezelés módosítja, de alapvetően nemváltoztatja meg az energiahordozó sajátosságait.

Primer vagy elsődleges energiaforrások: a természetben található ésmunkavégzésre használható erők (napsugárzás, szél, áramló víz,tengeri energia, biomassza, geotermikus hő).

A szekunder vagy átalakított energiahordozók a primerenergiahordozóktól származnak, de azoktól lényegesen eltérő fizikaiés kémiai tulajdonságokkal rendelkező új energiahordozók.Egyértelműen ide tartozik a kazánban fejlesztett gőz, melegvíz, avillamos energia, a koksz, a cseppfolyósított földgáz, a különbözőolajtermékek, a nukleáris fűtőelemek.

Fosszilis tüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj ésföldgázkincs; tehát az éghető tüzelőanyagok.

Fissziós üzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapulóatomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán).

Fúziós üzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járóenergiaátalakítás energiahordozói (pl. deutérium, trícium).

Végső energiahordozóknak nevezzük azokat a elsődleges vagyátalakított energiahordozókat, melyek közvetlenül a fogyasztóhozkerülnek, ahol hasznos energiává alakítják azokat.

Hasznos energiahordozókkal elégítjük ki a fogyasztók igényeit. Idetartozik a hő, a mechanikai munka, a fény és egyéb sugárzásokenergiája, az információ és a kémiai energia.

3.2. Elsődleges energiahordozók és -források

A ma ismert elsődleges energiahordozók és -források a 4. táblázatszerint csoportosíthatók. Ez a csoportosítás elvi szempontból ugyankifogásolható, hiszen a kimerülő és megújuló energiahordozók és -források megkülönböztetése csupán az önkényesen választott

28

(mértékadónak tekintett) időtartamtól függ. Tulajdonképpen azenergiahordozók és források minden fajtája újra képződik ésfolytonosan megújul, csupán a kiaknázás ütemén múlik, hogy egyenergihordozó/forrás abszolút mennyisége a Földön a kimerülés felétart-e. Ugyanakkor a megújuló energiaforrások sem garantáltak.

A 4. táblázat beosztása logikailag sem töretlen. A napenergia semegy forrás a sok közül, hanem Földön előforduló energiahordozók és -források szinte kizárólagos forrása. Az idők folyamán szénné éskőolajjá alakult szerves maradványok is a Napból nyertékenergiájukat. Energetikailag legnagyobb jelentősége a Föld felszínérejutó napsugárzásnak van. Ezen elektromágneses hullámok forrása aNapban lejátszódó fúziós reakció, aminek teljesítményét 3 108⋅ EW-rabecsülik. Ebből az energiaáramból a Földre 0,173 EW jut, aminekszinte teljes mennyisége különféle folyamatok lejátszódása után azatmoszférába kerül, majd onnan kisugárzódik a világűrbe.

A Földre érkező napsugárzásnak mintegy 30 %-a már a légkörbőlvisszaverődik és szóródva a világűrbe távozik. További 17,4 %-ot alégkör alkotóelemei nyelnek el (ózon, felhők, vízgőz és lebegő szilárdrészecskék). A légkör főleg az ultraibolya és infravörös spektrumbaeső hullámokat nyeli el, így a földfelszínre jutó 51,6 % energiahányada látható fény tartományában a legintenzívebb. A felszín a beérkezőteljes sugárzás 4,2 %-át közvetlenül visszaveri. A felszínt tehát abeérkező sugárzás 47,4 %-a melegíti, amiből a felületek arányában33 % jut a tengerekre és 14,4 % a szárazföldekre. A felmelegedettfelszín a hő egy részét infravörös hullámok formájában kisugározza,ennek aránya a teljes sugárzás 18 %-a. A beeső napsugárzás 46,8 %-a elnyelődik és hővé alakul át az atmoszférában, a tengerek vizébenés a földkéregben. Ez az energiahányad szabja meg a bioszférahőmérsékleti viszonyait és az élet feltételeit. Ez az energiamennyiségezután különböző folyamatok után az atmoszférán keresztül avilágűrbe távozik.

4. táblázatKimerülő energiahordozók és -források Megújuló energiahordozók és -források1. Kémiai tüzelőanyagok 5. Napenergia

szén napsugárzáskőolaj fotoszintézisföldgáz szélegyéb éghető anyagok felszíni vízfolyások

2. Nukleáris üzemanyagok tengeri áramlások hőfokkülönbsége éshasadóképes (fissziós) anyagok a hullámzás energiájafúzióképes (fúziós) anyagok 6. Biológiai energia

3. Geotermikus energia izomerőkonvektív hőhordozók szerves tüzelőanyagok (biomassza)kőzetek hőtartalma mikrobiológiai reakciók termékei

4. Exoterm reakciók 7.Gravitációárapály

29

A kimerülő primer (elsődleges) energiahordozók köre a társadalmifejlődés során fokozatosan bővült, ahogy a technika előrehaladásaújabb források kiaknázása előtt nyitotta meg az utat. Ez a folyamatnemcsak az energiabázis bővülése miatt volt jelentős, hanemnagymértékben visszahatott a technika és a termelési technológiafejlődésére is. Az energetikai berendezések mindig alegdinamikusabban változó munkaeszközök közé tartoztak, a nagytechnikai előrelépések többnyire összekapcsolódtak az energetika újvívmányaival. A felhasznált primer energiahordozók aránya, azenergiahordozó-szerkezet a fejlődés során állandóan változott.Hangsúlyozni kell, hogy az újabb energiahordozók mindig előnyösebbgazdasági és műszaki jellemzőik miatt kerültek előtérbe, és sohasemazért, mert a korábban hasznosított energiaforrások kimerültek. Azenergiaszerkezetnek ez az átalakulása ma is folyik és a jövőben isfolytatódni fog, bár ma már egyre inkább előtérbe kerül az egyesenergiahordozók kimerülése miatti szerkezetátalakítás is.

Az emberiség hosszú ideig csupán saját fizikai munkavégzőképességére volt utalva. Az emberi izomerő meglehetősen kisteljesítményt reprezentál, átlagértéke 50..100 W, és csak rövid ideigtudja ennek többszörösét kifejteni. A fizikai munkavégzés egy napilehetősége (1,5..3,0 MJ) 100 g szén hőegyenértékét is alig éri el. Bársok munkafolyamatnál ma sem nélkülözhető az ember fizikaimunkája, részesedése a világ energiamérlegében elhanyagolhatóankis értékre csökkent. Magyarország munkaképes lakosságánakösszesített elméleti munkavégző képessége 3 PJ/év körüli érték, amiaz ország energiamérlegének negyed százalékát sem teszi ki, aténylegesen végzett fizikai munka pedig ennél egy-két nagyságrenddelkisebb. A technikailag fejlett társadalmakban teljesen elvesztettejelentőségét az állati izomerő is. A sok gondozást és táplálást igénylőigásállatok néhány 100 W-os teljesítménye valaha nagy segítségetjelentett a mezőgazdaságban és a közlekedésben, de ma már csak afejlődésben elmaradt országokban játszanak szerepet. Az emberi ésállati izomerő a XIX. század elején még a világ energiaigényénekszámottevő részét fedezte, a XX. század elejére aránya már néhányszázalékra csökkent, és napjainkban már egy ezreléket sem ér el.Hasonló fejlődés jellemzi a magyar energiamérleget is.

Az energetikai potenciál első jelentős bővülését a tüzelőanyagokmegjelenése jelentette. A kezdet a növényi, állati és háztartásihulladékok, valamint a tűzifa elégetése révén nyert hő hasznosításavolt. Ezek a tüzelőanyagok ma már csupán a gazdasági fejlődésbenelmaradott országokban játszanak számottevő energetikai szerepet,néhol a felhasznált tüzelőanyagoknak a felét is meghaladja amezőgazdasági hulladék (szárított trágya, növényi maradékok). A

30

tűzifa hosszú ideig a legfontosabb volt a tüzelőanyagok között, dekésőbb már nem tudott eleget tenni az ipari fejlődés igényeinek.

A világ tüzelőanyag-felhasználásában a tűzifa ma csupán 2..3 %-ottesz ki, a hulladékok részesedése pedig még ennél is kisebb. Ezértezek most már kívül is esnek az energetikai statisztikai megfigyeléskörén, és minthogy nem tárgyai nemzetközi árucsere-forgalomnak,„nem kereskedelmi tüzelőanyagok”-nak minősülnek. A hulladékokhasznosítása a fejlett társadalmakban ismét előtérbe kerül, azonbanaz így nyerhető energia szinte melléktermék, a fő feladat a szemételtüntetése.

Napjaink legfőbb elsődleges energiahordozói – a szénhidrogének, azolaj és a földgáz – együttesen a világ energiaigényeinek mintegykétharmadát biztosítják. A tudomány egyre újabb energiaforrásokattesz hozzáférhetővé az emberiség számára. Az energiaellátás fokozódógondjai és terhei világszerte az érdeklődés előterébe állította az újenergiaforrások kutatását. Jelentős összegeket fordítanak a kutató-fejlesztő tevékenység szervezettebbé és célratörőbbé tételére. Nagyreményeket fűznek a napsugárzás és a Föld kérgében levő hőnagyarányú hasznosításához, aminek az elvi lehetőségét kis léptékű,speciális berendezések már bizonyítják. Szinte észre sem vettük, hogymegkezdtük a gravitáció kiaknázását is, hiszen az első árapály-erőművek már néhány éve üzemben vannak. Még nem sikerültlétrehozni stabil szabályozott fúziót, de a nagyarányú kutatótevékenység biztosan pozitív eredményre fog vezetni, ami újabbhatalmas energiaforrások kiaknázása előtt nyitja meg az utat.

Valószínű, hogy a tudomány még sok meglepetést tartogat azenergetika számára is. Ki merne ma jóslásokba bocsátkozni, hogytovábbi években milyen új utakat fog a fizika feltárni? Azt viszont mára jelenlegi ismereteink alapján is kijelenthetjük, hogy a társadalmifejlődés energetikai háttere hosszú időre biztosítható.

3.2.1. Kimerülő elsődleges energiahordozók

Ebben az alfejezetben sorra vesszük az egyes kimerülő elsődlegesenergiahordozókat, ismertetjük jellemző tulajdonságaikat,legfontosabb felhasználási területüket. A tárgyalás során a 4. táblázatfelosztását fogjuk követni, de nem térünk ki minden, ott említettenergiahordozóra, csupán azokra, melyek jelenlegi energia-felhasználásunkban döntő szerephez jutnak.

3.2.1.1. SZÉN

A Földön a legbőségesebben rendelkezésre álló tüzelőanyag a szén. Ezteszi ki a gazdaságosan kitermelhető ismert ásványi tüzelőanyagokmintegy 85 %-át. A földkéregben felhalmozódott széntelepek hosszú

31

földtani korszakok alatt alakultak ki. A szénképződés első fázisa atőzegesedés, amikor víz alá került elhalt növények nagy molekuláimikroorganizmusok hatására, hosszú idő alatt lejátszódó biokémiaifolyamatok közben kisebb molekulákra bomlanak le. A nedvesség éskevés oxigén jelenlétében lejátszódó folyamat során abomlástermékek egy része gáz alakban vagy vizes oldatban távozik, aszilárd maradék a tőzeg. Minél fiatalabb a tőzeg, annál inkábbfelismerhető a növényi szerkezet. Frissen fejtve nedvességtartalmaigen nagy, 85..90 %-ot is elérheti, ezért nyersen nem is tüzelhető el,mert az égéskor felszabaduló hő főleg a víztartalmat párologtatná el.Levegőn szárítva a nedvességtartalom 20..25 %-ra csökkenthető,ekkor fűtőértéke 15,5..17,5 MJ/kg a hamutartalomtól függően, ami 6és 30 % között mozog. Kis sűrűsége (0,1..0,8 kg/dm3) és nagynedvességtartalma miatt nem szállítható, rossz tüzelőanyag, ezértcsak helyi hasznosítása fordul elő – főleg erőművekben – ott, aholnagy mennyiségben és kedvező körülmények között található. Atüzeléstechnikai problémák korlátozzák az építhető kazánok méreteit,a megvalósítható blokknagyság felső határa 300..600 MW. A világbecsült tőzegvagyonának hőegyenértéke 3 1021⋅ J, amiből évente80 Mt-t (1 EJ) termelnek ki.

A szénképződés második fázisa a szénülés, amin a hegyképző erőkhatására a földkéreg belsejébe került tőzeg megy keresztül. Aszéntelepek elsősorban olyan medencékben alakultak ki, ahova akörnyezetből kevés egyéb hordalék került. E medencék az idők soránlassan lesüllyedtek, föléjük más rétegek rakódtak le, majd újabbtőzegképződés után a folyamat megismétlődött, így egymás fölött többszénréteg alakult ki.

A széntelepek egy része az akkori hegységek előtti medencékbentalálható, többnyire kis számú, de vastag rétegben, a rétegvastagság100 m-t is elérhet. Az akkori tengerek partján kialakuló széntelepekviszont rendszerint sok egymás felett elhelyezkedő vékony rétegbőlállnak, szélsőséges esetben több száz réteg is előfordul (pl. a Saar-vidéken 300), a rétegek vastagsága néhány méter, köztük üledékeskőzet helyezkedik el, a szénmedence mélységbeli kiterjedése többkilométert is elérhet. A Föld mélyében uralkodó nagyobb nyomás ésmagasabb hőmérséklet hatására a kisebb molekulasúlyú vegyületekpolimerizálódnak és kondenzálódnak, így alakul ki a kőszén nagymolekulasúlyú, bonyolult vegyületekből álló kolloidszerkezete.

A szénülés lefolyása függ az egyes geológiai korok növényianyagának összetételétől és az adott helyen a földkéregben uralkodóviszonyoktól. Minél hosszabb ideig tart a szénülés, annál nagyobb azelemi összetételben a karbon aránya a többi összetevő rovására (1ásd5. táblázat). Egyúttal nő a szén fűtőértéke is. Mindezek következtébena szenek összetétele, kémiai és fizikai szerkezete nagyon különféle,

32

szinte telephelyről telephelyre változik. A kőszén 5000-nél nagyobbmolekulasúlyú szénvázas szerves vegyületekből áll. Ezek szerkezetétmég nem sikerült feltárni (a karbonnak mintegy 70 %-abenzolgyűrűkben helyezkedik el) és a szenet alkotó szervesvegyületeket eredeti állapotban elkülöníteni sem sikerült, ezért azösszetételt vegyületcsoportokkal jellemzik. A huminitek a növényisejtfalat alkotó lignin átalakulási termékei, az oxinitek kis fűtőértékű,rideg, a kitinitek nitrogéntartalmú szerves elegyrészek, a bituminiteka legértékesebb összetevők. Ez utóbbiak oldószerrel kivonhatóközepes molekulasúlyú vegyületek, ha részarányuk jelents, a szenetbitumendúsnak nevezik.

5. táblázatTömegszázalék

C H O + NFa 50 6 44Tőzeg 55..64 5..7 39..35Barnaszén 60..78 4..8 34..17Feketeszén 75..93 4..6 15..3Antracit 94..98 1..3 3..1

A kőszén többnyire sávos szerkezetet mutat, ami mikroszkóp alatt,de gyakran szabad szemmel is megfigyelhető. A sávokat jellegükszerint csoportosítják: a kéreg- és levélrészekből képződött üvegfényűvitrit hamutartalma kicsi, jól kokszolható; a durit fénytelen, nagyhidrogén- és hamutartalmú, gázfejlődésre hajlamos; a klárit az előbbikettő közötti átmeneti típus; a rostos szerkezetű fuzit üres sejtekmaradványaiból keletkezett, főleg karbon- és oxigéntartalmú, rideg,porlékony sávféleség. E legfontosabbakon kívül más struktúrák iselőfordulnak, például egészen fiatal barnaszenekben a nehezenőrölhető, rostos jelleg xilit.

Koruk alapján fekete- és barnaszeneket különböztetünk meg. A jóminőségű feketeszenek anyagát a karbon kori (300..350 millió évvelezelőtt) mocsárerdők szolgáltatták. E kor buja, főleg zsurlókból,páfrányfélékből, korpafüvekből álló elhalt növényzete az altalaj lassúsüllyedése és a vízszint emelkedése közben folyamatosantőzegesedett, majd a későbbi kéregmozgások hatására betemetődött.Hazánk mecseki feketeszene fiatalabb, a jurakori (150..200 millió év)tengerparti mocsarakból keletkezett. A barnaszenek jóval későbbképződtek, főleg az eocénkor (60..75 millió év) sűrű láperdeiből,amelyeknek a növényzete hasonló volt a mai kor trópusi, szubtrópusiés mérsékelt égövi növényeihez. Az eltőzegesedett rétegek későbbsüllyedés és a hordalékok következtében kerültek a földkéregmélyébe. A magyarországi barnaszenek is nagyrészt ekkorkeletkeztek, a Pannón-tenger part menti öbleinek növényzetéből,kisebb mennyiségben találtunk krétakori (75..125 millió év) szeneketis.

33

A barnaszenek és feketeszenek megkülönböztetése megállapodáskérdése. A magyar szabvány – a nemzetközi gyakorlatnakmegfelelően – a két széntípus határát 23,87 MJ/kg égéshővel jelöli ki,amit az egyensúlyi nedvességtartalmú (durva nedvesség nélküli) éshamumentes mennyiségre kell vonatkoztatni.

A tüzeléstechnikai gyakorlatban a hamutartalmat is magábanfoglaló mennyiségre vonatkoztatott fűtőértéket veszik figyelembe aszenek minősítésénél, így viszont a kategorizálás kevésbé éles. Afeketeszén és a barnaszén választóvonala 17..20 MJ/kg körülhelyezkedik el. A barnaszenek közül a 40 %-nál kisebbbányanedvességűeket kemény barnaszénnek, az ennél nagyobbbányanedvességűeket pedig lágy barnaszénnek nevezik, amindennapos szóhasználatban az első csoportra a barnaszén, amásodikra a lignit megnevezés használatos. A lignitek fűtőértéketöbbnyire 10 MJ/kg alatt van.

A lignit a legfiatalabb szén, amelynek szerkezete még erősen fás.Nagy nedvesség- és hamutartalma miatt fűtőértéke is alacsony(3,5..10 MJ/kg), viszont előnye, hogy nagy mennyiségben találhatónem túl vastag takarórétegek alatt. Ezért külfejtéssel viszonylagegyszerűen kitermelhető. Rossz tüzeléstechnikai tulajdonságai miattcsak nagy erőművekben lehet gazdaságosan eltüzelni.

Összetételük és tulajdonságaik alapján a barnaszenek közöttszárítva széteső földes, egyenetlen törési felületű darabos, kagylóstörésű, majdnem fekete szurok-, és nagy bitumentartalmú bitumenesbarnaszéntípusokat szoktak megkülönböztetni. Külső megjelenésealapján földes, lágy, fénytelen és fényes megjelölés is használatos. Abarnaszenet alkotó krisztallitok sok micellából állnak, azokhozkolloidálisan kötött víz, valamint jó néhány szerves és szervetlenvegyület kapcsolódik. Ez a barnaszén hasznosításánál számosnehézség forrása.

A feketeszenek fűtőértéke 17..33 MJ/kg. Ezek között szintén többtípust különböztetnek meg. A hosszú lángú szén sok illó anyagottartalmaz, rosszul kokszolható, lángkemencék ideális tüzelőanyaga. Agázszén kisebb lánggal ég, könnyen gyullad, főleg gázfejlesztésreelőnyös, gyengén kokszolható. A kovácsszén jól kokszolható, főleg akovácsolásnál használják. A kokszszén (zsírszén) a többifeketeszénnél lágyabb, szilárdsága is kisebb, viszont jól összesülő,nagy szilárdságú kokszot lehet belőle előállítani. A sovány kőszénkevés illó anyagot tartalmaz, nem sülőképes, rosszul kokszolódik. Alegidősebb szénféleség az antracit, illótartalma egészen kicsi, teljesenhomogén (sávosságot sem mutat), rideg szerkezetű, fénye üveges,nem kokszolható.

34

A feketeszén szerkezete az előrehaladottabb szénülés következtében(5. táblázat) sokkal homogénebb, mint a barnaszéné. A bányászottszénben a felhasználás szempontjából különféle kedvezőtlen alkotóktalálhatók. Ezek közé tartozik a nedvességtartalom is, ami annálnagyobb, minél fiatalabb a szén. A barnaszenek erősenhigroszkóposak, a feketeszenek alig; a nedvességtartalom ligniteknél50%-ot is elérhet, feketeszeneknél viszont a 15 %-ot már nem haladjameg. A szénben levő víz egy része, a durva nedvesség, könnyeneltávolítható (ha a szenet szétterítik és állni hagyják, magától iselpárolog). A kolloidszerkezetű szénben kapilláris csatornák vannak,az ezekben adszorpciósan és kapillárisan kötött higroszkóposnedvességet csak 100 °C feletti szárítással lehet eltávolítani. Avíztartalom egy kis részét a szervetlen vegyületek hidrátvize alkotja.

A szén eltüzelésénél az a hő ami a víz elpárologtatásához szükséges,és az, amit az égéstérből távozó gőz elszállít, csökkenti ahasznosítható hőmennyiséget. A távozó nedvesség kémiailag aktívanyagokkal agresszív vegyületeket alkot, amelyek – különösen aharmatpont alá hűlve – meggyorsítják a szerkezeti anyagokkorrózióját. Ezek miatt a szenek nedvességtartalma a berendezésekméretezésénél lényeges tényező.

A legtöbb szénben jelentős mennyiségű kén is található. Abarnaszenek kéntartalma átlagosan 0,5..2,5 %, de kedvezőtlenesetben 5 %-ot is elérhet. A kén többféle módon fordul elő a szénben.A szerves kén a kőszenet alkotó szerves molekulákba beépülvetalálható. A szulfid kén, legtöbbször pirit formájában, összefüggővékony rétegeket és ereket képez. A szerves kén és a szulfid kénegyüttesen az éghető kén, amely elégetéskor vagy a lepárlás során gázalakban távozik. Nem ez a helyzet a szulfát kén esetében, amelyiklegtöbbször gipsz vagy vasszulfát alakjában van jelen. A tüzelésnélkialakuló magas hőmérsékleten a kén ma még teljesen nem tisztázottkomplex reakciókban vesz részt, egy része a hamuban megkötvevisszamarad, nagyobb része azonban kén-dioxid formájában afüstgázban eltávozik. A kén lekötése a salakban és a pernyében abázikus hamualkotók (CaO, MgO) mennyiségétől függ; ha ezeksztöchiometriai aránya a kénhez viszonyítva 1..2 között mozog,porszéntüzelésnél az éghető kén 8..20%-át lekötik, fluidizációstüzelésnél viszont a megkötés mértéke 50..80 %-ra nő. A korábbanemlítettek szerint nagy légfeleslegnél némi SO3 is képződik, ami anedvességgel kénsavat alkot. E reakciókat egyes fémek katalizálják.

A szenek eltüzelésekor keletkező szilárd maradék a hamu; eballasztanyag az összes bányászott szénnek több mint negyed részétteszi ki. A szénben levő hamu többletsúlyt és többletmunkát okoz aszén szállításánál, őrlésénél és mozgatásánál, energiát igényel a salakés pernye eltávolítása is, s ezek a komponensek hőt is elszállítanak a

35

tűztérből. Mindez az energetikai hatásfokot rontja. A hamu egy része,a szabad hamu, a bányászkodás során a szénhez keveredett,rendszerint palás meddő kőzetekből képződik; ezeket az alkotókatmechanikai vagy más fizikai eljárásokkal el lehet különíteni a széntől.A szabad hamu mennyisége a bányászás és szénelőkészítéstechnológiájától függ. A hamu másik része a kötött hamu, ami akőszénben finoman eloszló, mechanikai vagy más fizikai eljárásokkalel nem távolítható, sokféle szervetlen vegyületből képződik. A kötötthamu mennyisége a szén keletkezési körülményeitől függ, a szénjellemzői közé tartozik. A szén jellegétől függően a száraz szénrevonatkoztatott hamutartalom 2 és 60 % között mozog, a leggyakoribbhamuképző ásványok az agyag és a kaolin, de előfordul pirit,mészpát, vaspát, ankerit, dolomit, hematit, kvarc stb. is.

A jó minőségű szenek hamujában többnyire a savas alkotók (Si, Al)dominálnak. Minél gyengébb a szénminőség, rendszerint annál több alúgos összetevő (Ca, Mg, Na). Ez befolyásolja a hamu kémhatását éskésőbbi viselkedését. A magas hőmérsékleten a szenekben levőszervetlen vegyületek egy része megváltozik, oxidáció, vegyületeklebomlása és más reakciók során alakul ki a visszamaradó hamu.Megjegyzendő, hogy egyes szenekben olyan nyomelemek (As, Pb, Hgstb.) is előfordulhatnak, amelyek az emberre mérgező hatásúak. Ezekkoncentrációja azonban rendszerint elhanyagolhatóan kicsi, akörnyezetbe jutva sem veszélyeztetik az egészséget. Aggodalomra okotadó feldúsulásuk csak ritka, kivételes feltételek között fordulhat elő.Hasonló a helyzet az egyes szenekben található uránvegyületekkel is.

A 5. táblázat a száraz, szilárd tüzelőanyagok elemi összetételétmutatta be, tükrözve, hogy a szénülés előrehaladtával hogyan nő akarbon aránya és csökken az egyéb elemeké. Az 6. táblázat a szilárdtüzelőanyagok átlagos strukturális összetételét tünteti fel. Ebbenlátható, hogy a tüzelőanyagok korától függően hogyan csökken az illóanyagok, a nedvesség és a hamu mennyisége a szénszerkezet javára.

6. táblázatSzénszerkezet,

%Illó anyagok,

%Nedvesség, % Hamu, %

Fa 31,5 18 50 0,5Száraz tőzeg 12,5 5 80 2,5Barnaszén 11 28 45 16Lángszén 45 35 7 13Zsíros szén 57 25 5 13Gyengén sülő szén 69 17 4 10Sovány szén 77 12 3 8Antracit 85 7 2 6

A szénbányászkodás leghatékonyabb módszere a gépesítettkülfejtés. Ez a technológia nemcsak azért vonzó, mert abalesetveszély minimális. és kevés munkaerővel nagy termelékenységérhető el, hanem azért is, mert így lehet a szénvagyont a legnagyobb

36

mértékben kiaknázni. Ezért ahol a szénrétegek nem fekszenekmintegy 100 m-nél mélyebben, és a környezetvédelmi követelményeknem teszik lehetetlenné a felszín szükséges mértékű megbolygatását,ott külfejtés kialakítására törekszenek (a külföldi gyakorlatban már250..300 m-es művelési mélység is előfordul jó szénminőségnél). Akülfejtések beruházási költsége a termelt szén mennyiségére vetítvemintegy feleakkora, mint a mélyművelésé. A fűtőértékek különbségemiatt a hőértékre vetített fajlagos beruházás külfejtéses lignitnélmagasabb, mint mélyműveléses barnaszénnél.

A külfejtés a termőtalaj-réteg eltávolításával kezdődik, amit akésőbbi felhasználáshoz külön tárolnak. Ezt követi a fedőrétegletakarítása, amit a szén kifejtése után visszahelyeznek. A külfejtésakkor gazdaságos, ha a fedőréteg és a szénréteg vastagságánakarányát kifejező letakarási arány a szén minőségétől függően nemnagyobb 5..8-nál. Ma már megkövetelik a leművelt bányahelyreállítását, a táj esztétikai rendezését, a felszín rekultiválásátmezőgazdasági célra, víztárolók kialakítását stb. A külfejtésekkitermelési együtthatója 0,8..0,9, veszteséget egyrészt az okoz, hogy afejtés határán elvékonyodó szénréteget már nem gazdaságos lefejteni,másrészt, hogy a fejtés geometriai viszonyait a gépek paramétereiszabják meg. A gépek időnként meddőt is fejtenek a szénnel együtt,ami a szénminőség és a fűtőérték erős ingadozását okozza. Akülfejtéses bányákat nagy kapacitással gazdaságos kiépíteni. E nagyteljesítményekhez nagy kapacitású, különleges gépi felszerelés kell.Kemény fedőkőzetnél mozzanatos, puhábbnál folytonos működésűfejtőgépeket használnak. Nagy kapacitású berendezéseket igényel anagy anyag mennyiségek szállítása és rakódása is.

A jó minőségű szenek gyakran a földkéreg mélyebb rétegeiben vagykülfejtésre egyéb okból alkalmatlan körülmények között találhatók.Ezért a világon felhasználásra kerülő szén jelentős részétmélyműveléses bányákból nyerik. A XX. század harmadik negyedébena szénhidrogénforrások bőségesen biztosították a tüzelőanyagokat,úgy tűnt, hogy a mélyműveléses szénbányászat fokozatosan háttérbeszorul. Katalizálta a folyamatot, hogy a balesetveszélyes mélyművelésvonzereje csökkent, és számos országban a szükséges munkaerőbiztosítása is gondot okozott. Az energiahelyzet változása miatt ismétszükségessé vált a mélyebben fekvő szénvagyon kiaknázása. Ezegyütt jár a mélybányák nagyarányú gépesítésével és részlegesautomatizálásával, amit nemcsak a munkaerőgondok enyhítése, abiztonság fokozása, hanem a versenyképesség növelése is megkövetel.

A széntermelés annál gazdaságosabb, minél közelebb vannak aszénrétegek a talaj felszínéhez. A műszaki lehetőségek a mélyművelésalsó határát jelenleg 1200 m-ben korlátozzák. (Magyarországon azátlagosnál magasabb kőzethőmérséklet miatt ez mintegy 800 m). Az

37

ennél mélyebben elhelyezkedő – nagyon jelentős – szénvagyonkiaknázásához lényeges fejlődést kellene elérni a bányatérségekszellőztetési technikájában, és jóval nagyobb teherbírásútámszerkezeteket kellene kifejleszteni a bányaterek biztosítására. Ekérdések egyelőre nincsenek előtérben, mert a földkéreg felsőbbrétegeiben is óriási szénkészletek találhatók. Optimálisan a közepes(1..3 m) vastagságú szénrétegeket lehet lefejteni, az ennél vastagabbvagy vékonyabb rétegeknél általában nagyobbak a veszteségek. Többréteg esetén a fejtést gyakran a legvastagabb vagy legjobb minőségűréteggel kezdik, az itt kialakított bányatérségek műszakilagmegnehezíthetik vagy gazdaságtalanná tehetik a többi rétegkiaknázását. A bányászás koncentrációja és gépesítése a szénvagyonmezők szerinti kiaknázását helyezi előtérbe, ezeket egymástólszénpillérek választják el, amelyeket később nem lehet kifejteni.Ugyancsak veszteséget jelentenek a felszínen levő épületek,műtárgyak alatt meghagyott vagy egyéb okok, pl. vízvédelem miattkialakított biztonsági pillérek is.

A mélyművelés feltételeit alapvetően a geológiai körülményekszabják meg. A bányászat lehetősége, a legcélszerűbb fejtési rendszerkiválasztása azon múlik, hogyan helyezkednek el a szénlencsék akísérő kőzetekben. Szerepet játszik a szénrétegek száma, vastagsága,dőlése, szabálytalansága, hibái (pl. a rétegek elmozdulásakorkeletkező vetők), a kísérő kőzetek szilárdsága és permeabilitása, ahidrológiai viszonyok, gáz- és vízveszély, nyomás, hőmérséklet ésegyéb, a tektonikai viszonyoktól függő paraméterek alakulása. Aszéntelep megközelítését, a szükséges szállítási, szellőztetési és másfunkciók ellátását függőleges irányban (néha ferdén is) aknák,vízszintes irányban tárók biztosítják.

A mélybányászás versenyképességének kulcskérdése atermelékenység növelése. Ezt egyrészt a termelésnek nagy kapacitásúbányákban történő koncentrálásával, másrészt intenzív gépesítésselbiztosítják (önjáró biztosítás; maróhengeres vagy gyalus jövesztés;szállítás láncvonszolással). A mai korszerű mélyműveléses bányákszéntermelése 103..104 t/nap nagyságrendű, sőt ennél nagyobb iselőfordul. A legmunkaigényesebb jövesztési és rakodási feladatokaterőteljesen gépesítették, és megindult a szállítás, víztelenítés,szellőztetés rendszereinek automatizálása is.

Nem várható, hogy a szénbányászkodás kitermelési együtthatója aközeljövőben jelentősen nőjön. Nehezen képzelhető el, hogy akülfejtések és a széles homlokú mélyművelések már most isviszonylag magas mutatói gazdaságosan tovább növelhetők legyenek.Miután a világ szénvagyona nagy, könnyebb új bányákat nyitni, minta meglevőknél – jelentős többletköltség árán – növelni a kihozatalarányát. A külfejtések körének bővítését geológiai és környezeti

38

adottságok korlátozzák, a széles homlokú fejtésnek pedig tektonikaifeltételei vannak. A nehezen gépesíthető vékony és meredek dőlésűrétegek kifejtésétől vagy el kell tekinteni, vagy meg kell alkudni arosszabb kitermelési együtthatóval. Egyes szakértők egyenesen akitermelési együttható romlását valószínűsítik, azt feltételezik, hogy atömegtermelés érdekében nagyobb fejtési veszteséget fognakmegengedni. A magas energiahordozó árak mellett azonban eztnehezen lehet általános tendenciaként elfogadni.

A föld alatti termelés bővítésére távlatilag két út kínálkozik: a fejtésautomatizálása és a föld alatti elgázosítás. A távirányított, teljesenautomatizált bányák erősen foglalkoztatják a műszaki képzeletet, de etechnológia kifejlesztésé még hosszabb időt igényel. A fejlődésazonban már megindult ebbe az irányba, a legtöbb bányában ahelyhez kötött berendezések 80 %-a már automatizált vagytávirányított. A föld alatti elgázosítással sok évtizede foglalkoznak,egyelőre kevés sikerrel. A megoldás elve egyszerű, a szénhez levegőt,vízgőzt vagy e kettő keverékét juttatják be, a szenet begyújtják, és agázok a szénnel reakcióba lépnek. A generátorgáz gyártásáhozhasonló reakciók terméke alacsony fűtőértékű és erősen szennyezettgáz, amit a felszínre juttatnak, és tisztítás után erőművi vagy ipariberendezésekben eltüzelhető, vagy technológiai célra továbbfeldolgozható. Ez a technika teljesen kiküszöbölné a föld alattimunkát és elvileg lehetővé tenné a szénvagyon maradéktalankiaknázását.

Ennek ellentétele, hogy a föld alatt lezajló égés a szén fűtőértékénekegy részét felemészti, tehát romlik az energetikai hatásfok. Az égésszabályozása a föld alatt bonyolult feladat, mert a kevéssé ismertstruktúrán múlik a hőmérséklet-eloszlás vagy a gázok elszivárgása. Atökéletlen elgázosítás következtében a szén jelentős hányadavisszamarad a földben. A nagyüzemi alkalmazáshoz a fejlesztett gázttisztítani is kell. Problémát okoz a kiégett térség feletti felszínberoskadása elleni védekezés, például iszap-tömedékeléssel, továbbá,hogy megakadályozzuk a talajban levő vizeknek az elszivárgóégéstermékekkel való elszennyeződését.

A föld alatti elgázosításhoz eddig nem sikerült olyan technológiátkialakítani, amelyik egyenletes mennyiségben és állandó minőségbenszolgáltat gázt. Az égési tér kialakítása és a gázok keringtetésetekintetében többféle rendszert próbáltak ki, közöttük alegígéretesebb a fúrt kutak alkalmazása mind az égést tápláló gázbenyomására, mind az égéstermék felszínre juttatására.

A termelt szén eljuttatása a fogyasztókhoz nagyarányú szállításifeladat. A szén szállítása általában költségesebb, mint mástüzelőanyagoké, ezért csak jó minőségű szeneket érdemes nagyobb

39

távolságra szállítani. A legolcsóbb megoldás a vízi út. Többször10 000 tonnás űrtartalmú tengerjáró hajókkal még a kontinensekközötti szállítás is versenyképes lehet. Ez teszi lehetővé a nagymennyiségű szén szállítását Észak-Amerikából Nyugat-Európábavagy Ausztráliából Japánba. A folyami szállítás is előnyös, ha aszénmedencék és a felhasználók a hajózható útvonalak közelébenfekszenek. A belvízi forgalom lehetőségeit azonban több körülménycsökkenti: a hajókat és uszályokat nem lehet néhány ezer tonnásűrtartalomnál nagyobbra építeni (a Dunán is érvényes Európa-szabványban a felső határ 1500 t), a forgalom folyamatosságátakadályozhatja az alacsony vízállás, a jégzajlás vagy a folyókbefagyása. Mind a tengeri, mind a folyami szállítási módot csak olyanesetekben érdemes kialakítani, amikor azok kihasználása hosszúidőre biztosítható, mert csak így fizetődik ki a szükséges kikötők, be-és kirakodó gépek és hajóterek beruházása. Ilyen konstrukcióra példaegy-két nagy amerikai villamosenergia-szolgáltató vállalat, amelyekjelentős belvízi hajóparkot tartanak fenn a stabil szénellátásbiztosítására.

A szárazföldön belüli szénszállítás zömét vasúton bonyolítják le,mert így biztosítható a fogyasztók legrugalmasabb megközelítése. Eznagy terhet ró a vasútra, hiszen a legtöbb országban a szállított árukmennyiségének mintegy harmadát a szén teszi ki. A szén fogyasztóiárában jelentős tétel a vasúti fuvar költsége. A költségek és azátrakási munka csökkentésére az átlagosnál sokkal nagyobbbefogadóképességű és önműködően ürítő különleges szénszállítóvagonokat szerkesztettek. A forgalom racionalizálására anagyfogyasztókhoz rendszeres irányszerelvényeket indítanak.Üzemben vannak például 100 db 100 t-s vagonból állóegységvonatok, amelyek ingajáratban tízezer tonna szenet szállítanakegy 2400 km-re fekvő erőműbe (USA).

A szénszállítás legtökéletesebb megoldása a termelő és fogyasztóközötti közvetlen szállítási rendszer. Természetesen ez csakkoncentrált nagyfogyasztóknál – elsősorban erőműveknél –valósítható meg. Ha a távolság kicsi, a bánya és az erőmű közöttiközvetlen szállítószalag biztosítja a megoldást, mint például a visontaikülfejtés és a Mátrai Erőmű között.

A korábban említettek szerint a szénfelhasználás mindig tárolássaljár, ami számottevő veszteségek forrása. Részleteiben még nincstisztázva, hogy a környezettel kölcsönhatásban milyen fizikai éskémiai folyamatok játszódnak lé eközben. A hosszabb idejű tárolásalatt főleg a barnaszenek használati értéke csökken, aprózódás, illókomponensek eltávozása, a sülőképesség csökkenése, száradás vagynedvesedés, a szén oxidálódása a legjellemzőbb folyamatok ; azutóbbi túlmelegedett gócokban öngyulladásra is vezethet. Kedvezőtlen

40

körülmények között a fűtőérték csökkenése néhány hónap alatt10 %-ot is elérhet, ami energetikailag már nem elhanyagolhatóveszteség. A széntárolók megfelelő kiképzésével és rendszeresfelügyeletével a veszteséget mérsékelni lehet.

3.2.1.2. KŐOLAJ

Korunk energiagazdálkodásában a legnagyobb szerepet játszóenergiahordozó a kőolaj. A kőolaj keletkezését illetően megoszlanak avélemények. Ma az a legáltalánosabban elfogadott magyarázat, hogy atengerekben elhalt és a fenékre süllyedt állati és növényi szervezetek,elsősorban egysejtű lények alkotta iszap – a szapropél – levegőtőlelzártan, mikroorganizmusok hatására bekövetkező bomlásánakterméke. A keletkezett szénhidrogének a földkéregben elvándoroltak,migráltak, míg kőolajcsapdának nevezett, megfelelő zárórétegek közénem kerültek. Így alakultak ki a kőolajtelepek. A kőolajcsapdákatfelül gázátnemeresztő boltozatos kőzetréteg vagy vetőrendszerhatárolja. A keletkezésre vonatkozó elmélettel összhangban van, hogya kőolajtelepek általában tengeri eredetű üledékes rétegekbentalálhatók. A magyar kőolajvagyon jó részének eredetét például ahazánk területét borító triászkori (200..250 millió év) tengerüledékeire vezetik vissza, amiből a kőolaj az üledékes mészkőkarsztos repedéseiben gyűlt össze. A legkiterjedtebb kőolajtelepeket anagy táblák felboltozódásainál lehet találni (Arab-, szaharai-, Volga-Urál-vidéki-, Észak-Amerikai-táblák), kis számú egymás alatt fekvőrétegben. A nagy geológiai törésvonalaknál kialakuló kőolajmezőketkis felület, de nagy mennyiség jellemzi, gyakran sok rétegben (pl.Baku, Kalifornia). A kontinentális talapzatok üledékes rendszereibenszintén kedvezőek a feltételek a kőolaj felhalmozódására.

A kőolaj eredete nemcsak tudományos szempontból tartérdeklődésre számot, hanem hasznosan alátámasztja akőolajkutatást is a reményteljes területek kiválasztásában. Aföldkéreg 15 km-nél mélyebb tartományában olyan állapotjellemzőkuralkodnak, amelyeket a szerves anyagok már nem viselnek el, otttehát kőolaj nem képződhetett, a kőolaj-előfordulásokat csak 15 kmmélységig lehet remélni. A kőzetekben található ősmaradványoktípusaiból – a szerves eredet alapján – szelektálhatók akőolajképződés szempontjából számításba vehető térségek is. Aszapropél eredete, kora, bomlásának körülményei, a szénhidrogénekmigrációjának útja és geológiai feltételei nagyon változatosaklehetnek, ennek következtében a földkéregben található kőolajtelepekfizikai és kémiai tulajdonságai nagyon eltérőek. Egészen világos,hígfolyós olajoktól kezdve fekete, félkemény anyagokig alegkülönbözőbb színű (fehér, szalmaszínű, sárga, vörösesbarna,barna, zöld stb.) és konzisztenciájú olajok előfordulásai ismeretesek.

41

A molekulasúlytól és aszfalttartalomtól függően a kőolaj viszkozitásanagyon változó, szobahőmérsékleten a hígfolyós és a sűrű,kenőcsszerű állapot között sokfélejelleget. A különféle kőolajoksűrűsége 700 és 1000 kg/m3 között változik.

A kőolaj több mint 75 %-át általában szénhidrogének alkotják(nehéz fiatal olajoknál néha jóval kevesebbet, pl. egyes venezuelaiolajoknál 35..38 %-ot). E szénhidrogének páros számú hidrogénttartalmazó molekulák homológ sorának tagjai, molekulasúlyuk 16 és850..900 között van. A nyílt szénláncú molekulák közül főlegtelítettek fordulnak elő; ezeknek az egyenes vagy elágazó láncúparaffinoknak az általános képlete: CnH2n+2, telítetlen nyílt láncúszénhidrogének, vagyis olefinek (CnH2n) ritkán és csak kis mértékbentalálhatók a kőolajban, ezeket a feldolgozás során kell előállítani. Azárt szénláncú, ciklikus szénhidrogének közül mind telített, mindtelítetlen molekulák előfordulnak a kőolajban. Az egy vagy többtelített gyűrűből felépített naftének (más néven cikloparaffinok) néhaalkillánc szárnyleágazást is tartalmaznak. A telítetlen, kettős kötésttartalmazó zárt szénláncú vegyületek ritkábbak, ezek közül főleg alegalább egy benzolgyűrűt tartalmazó aromások fordulnak elő (CnH2n-

1…CnH2n-30) A nyersolajban nagy számban találhatók az említettvegyületcsoportok egymással alkotott vegyületei is. Külön csoportotalkotnak aszfaltos anyagok, amelyek hidrogénszegény, gyűrűsszerkezetű, nagy molekulájú vegyületek.

A nyersolajok osztályozásának egyik módja azt veszi figyelembe,hogy az anyagi összetételben az említett vegyületcsoportok közülmelyik a domináns. Eszerint paraffin bázisú, intermedier, nafténbázisú és aszfalt bázisú nyersolajokat különböztetnek meg. Abesorolás sűrűségmérésen alapul, ugyanis a sűrűség annál nagyobb,minél kisebb a H/C arány a molekulákban. A paraffinok sűrűsége alegkisebb, a naftének nagyobb, az aromásoké még nagyobb éslegnagyobb az aszfaltanyagoké.

A hazai kőolajok között paraffinos (Algyő), bitumentartalmú(Nagylengyel) és intermedier típusúak találhatók. A kőolajokosztályozására bemutatott módszer az egyik lehetőség a sok közül. Anemzetközi gyakorlatban számos, ennél jóval bonyolultabb rendszerhasználatos, amelyeknek egységesítésére törekednek.

Az olajok sokfélesége miatt azonban egyik rendszer sem ad teljeskörű információt, elkerülhetetlen a részleges egyedi kémiai és fizikaielemzés. A világpiacon ezért a kőolajokat általában származásihelyükkel és sűrűségükkel jellemzik. Az utóbbira leginkább az API(American Petroleum lnstitute) sűrűségskálát használják. A sűrűség afeldolgozás lehetőségeire jellemző: minél kisebb az olaj fajsúlya, annáltöbb motorhajtóanyagot lehet belőle előállítani. Újabban a

42

feldolgozásnál kinyerhető párlatok jellegén és arányán alapulóértékelési módok kezdenek meghonosodni.

A kőolaj az említett szénhidrogéneken kívül más anyagokat istartalmaz. Többnyire van benne sós víz (a tengeri eredetkövetkeztében), ami legnagyobbrészt kolloid emulzió formájábantalálható. Rendszerint jelentős mennyiségben tartalmaz oldottgázokat is, egyes kőolaj-előfordulásoknál 1 liter olajhozamhoz tartozó,a normális állapotjellemzőkre átszámított gáztérfogat eléri az 1 m3-tis. Ugyancsak találhatók az olajban ásványi szennyezések ésszuszpendált szilárd kolloid részecskék, amelyeket a környezetébőlragadott magával.

Az olajjal együtt kitermelt víz és gáz leválasztása után az elemikémiai analízis szerint az olajban található elemek aránya többnyire akövetkező határok között mozog (lásd: 7. táblázat):

7. táblázatElem Tömegszázalék

C 80..88H 10..14S 0,01..5N 0,1..1,7O 0,5..7

Fémek (Fe, V, Ni stb.) < 0,03

A táblázatból kitűnik, hogy a szénhidrogéneken kívül az olajbanmás, nem kívánatos anyagok is vannak. Legkedvezőtlenebb a kén,ezért a kéntartalom alapján is szokás az olajokat minősíteni (korrozívkénvegyületeket tartalmazó savanyú, ilyeneket nem tartalmazó édesolajokra, vagy a kénmennyiség szerint osztályozva). A kéntartalomátlagosan 2..3 %, a hazai olajok közül az algyői kéntartalma alacsony,viszont a nagylengyelié 3,5 %. A kén legtöbbször olajban oldottkénhidrogén, gyakran szulfidok formájában vagy azaszfaltanyagokhoz kapcsolódva van jelen, de lehet szervetlen elemikén is. Olajtüzelésnél a füstgázban a kén-trioxid elérheti a kén-dioxid12 %-át is, a kénsavképződés és így a korrózió veszélye azonoskéntartalomnál nagyobb, mint széntüzelésnél. A nitrogénheterociklusos vegyületekben, merkaptánokban jelentkezik, az oxigéntöbbnyire szerves vegyületekben található (nafténsavak, zsírsavak,gyanta- és aszfaltanyagok), néha fémek komplex vegyületeiként iselőfordul. A fémek oxidokban, szerves sókban jelennek meg.

A kőolaj porózus kőzetek szilárd anyaggal ki nem töltötttérfogataiban, szemcsék között, pórusokban, repedésekbenhelyezkedik el. A tároló kőzetek porozitása 3 és 30 % közé esik,permeabilitása 3 nagyságrendben szóródik. Egy-egy olajtartalmúréteg vastagsága néhány métertől néhányszor tíz méterig terjed. Arétegben legtöbbször nemcsak olaj található, hanem a csökkenősűrűség függvényében többféle közeg rétegeződik egymás felett,

43

amelyeket egymástól nem éles határfelületek, hanem a közegekkeverékéből álló átmeneti tartományok választanak el. Legfelültöbbnyire szabad gáz található. Ez nagy részben metán, de kismennyiségben más, kis molekulasúlyú szénhidrogének iselőfordulnak, főleg közvetlenül a kőolajréteg felett. Változómennyiségben található a gázban szén-dioxid, hidrogén-szulfid ésnitrogén is, néha a gáznak ezek a fő alkotórészei (inert gázok). A gáztszáraznak nevezik, ha csak metánt vagy inert komponensekettartalmaz, és nedvesnek, ha más szénhidrogének is vannak benne,mert ezek a légköri viszonyok között kondenzálódnak.

A kőolaj szórványos és kis mennyiségű felszíni előfordulásaival azemberiség már az ókorban találkozott, de ezeket csak véletlenszerűenés nem energetikai célra hasznosította. Babilonban téglákattapasztottak vele, a rómaiak az ellenséges hajóhad felgyújtásárahasználták, Kolumbusz trinidadi aszfalttal impregnálta hajóit, későbbgyógyszerként is alkalmazták. A kőolajtermékek iránt az első jelentőstársadalmi igényt a petróleumvilágítás megjelenése támasztotta,ennek hatására megkezdődött a felszín közelében található olajleletekkiaknázása. A kezdetleges lepárlás többi frakciója értéktelen, sőtveszélyes hulladék volt, és szigorú előírásokkal próbáltákmegakadályozni, hogy a tűzveszélyes benzinnel hígítsák apetróleumot. A XIX. század utolsó évtizedeiben úgy tűnt, a gáz, majda villanyvilágítás elterjedése megkérdőjelezi a fellendülőben levőolajipar jövőjét, aminek csak egy piaca marad, az új felhasználókéntjelentkező vasutak kenőanyag-ellátása. A belső égésű motorok és agépkocsi feltalálása azonban robbanásszerű fejlődést idézett elő. Epéldátlan fellendülést érzékelteti, hogy a világ olajtermelése az 1870.évi 1 millió tonnáról a századfordulóra 20-szorosára, majd az elsővilágháborúig 50-szeresére nőtt, és napjainkban ennek 3000-szereséttermelik.

Az olajból nyert motorhajtóanyagok nemcsak a közlekedési eszközökés mobil munkagépek pótolhatatlan üzemanyagai, hanembiztosításuk a gépesített hadseregek ütőképességének iskulcskérdése. Ezért az olajkészletek kiaknázása és feldolgozása körüliipari-gazdasági konfliktusok ötvöződtek a nagyhatalmak közöttipolitikai-katonai konfrontációval. E különleges politikai és stratégiaiháttér még tovább növelte az olajtársaságok profitszerzésilehetőségeit, tevékenységük gyakran fonódott össze egyes országokállami magatartásával. Ennek során azonban az üzleti érdekekképviselete mindig elsőbbséget élvezett az állami érdekek előtt, mégegy világháború időszakában is (pl. üzemanyag-szállítás az ellenségesországnak).

Az OPEC (Az olajexportáló országok szervezete, Organisation ofPetroleum Exporting Countries) országai a világ olajtermelésének

44

több mint felét szolgáltatják, ami túlnyomó részében exportra kerül.Az olajvásárlás teszi ki a világkereskedelemnek mintegy 20 %-át,aminek 90 %-a a fejlődő országokból származik, és innen fedezik azegyes országok szükségletének 70 %-át. A legtöbb európai ország,valamint Japán gazdasági élete erősen függ az OPEC-országoktól,mindenekelőtt a Közel-Keletről vásárolt olajtól. Az Egyesült Államokpotenciális készletei elvileg alapot adnak az önellátásra, de az olcsóimportált olaj miatt nem készítették elő e készletek kiaknázását, amimég a jelenlegi olajárak mellett sem mindig bizonyulnaversenyképesnek. Ez egy nagyhatalom helyzetét nagyon sebezhetővéteszi, ezért az Egyesült Államok vezető politikusai az olajválságkibontakozásakor hajlottak annak gyors, határozott, esetlegerőszakos rendezésére.

A világ éves kőolajtermelése meghaladja a 3 Gt-t, ami a jelenlegienergiafogyasztásnak kereken a fele. Ha az olajfogyasztás az eddigprognosztizáltnál lényegesen lassabban növekszik, akkor a 20l0-igvárható összesített felhasználás mintegy 200 Gt, ami kétszerese aműrevaló készleteknek és a reménybeli vagyon jelentős hányadát isfelemészti. Ennek alapján sok energetikus meghúzza a vészharangot,mondván hogy a világ olajvagyona kimerül, készüljünk fel akövetkezményekre. A helyzet azonban nem ennyire aggasztó, hiszenaz elmúlt évtizedek során többször hangzottak el hasonló, be nemvált jóslatok. A megkutatott készletek 1939-ben 18 évre, 1949-ben 24évre, 1969-ben 35 évre, 1989-ben 32 évre biztosították a termelést, ajelenlegi érték 30 év. Az olajtermelők csak olyan mértékűkészletfeltárásban érdekeltek, ami az adott termelési szint hátterénekbiztosításához szükséges, s árpolitikájukat jobban alátámasztják apesszimista készletbecslések. A kőolajigények kielégítésére a múltbanis rendszeresen sikerült jelentős új lelőhelyeket feltárni (pl. a kétvilágháború között Texas, Venezuela, az Arab-félsziget, Közép-Ázsiaterületén, a második világháború után Szibéria, a Szahara, Indonéziatérségében, a közelmúltban Délkelet-Ázsia, az Északi-tenger, Alaszka,Mexikó stb. olajmezői).

Az „olajválságok” hatására ugrásszerűen megnőtt az új lelőhelyekkutatása. Bár ennek folytán számos új lelőhelyet tártak fel (pl.Nigéria, Angola, Brazília, Kolumbia), az újonnan talált készletek zömeszintén a Perzsa-öböl és Észak-Afrika országaiban fekszik. A kutatásmind kedvezőtlenebb adottságú területekre terjed ki, így a nagyonmély rétegekre, a nehezen megközelíthető, vastag rétegben átfagyotttalajú sarkköri övezetekre, kellemetlen trópusi vidékekre. Különösenreményt keltő a kutatás a selfeknek nevezett kontinentálistalapzatokban. Ezeket az üledékes szerkezetű területeket legfeljebb200..300 méter mélységű sekély tengerek borítják, szélességüknéhány száz kilométer. A legkedvezőbb adottságú területeken gyorsan

45

kibontakozott a termelés (Perzsa-öböl, Kaszpi-tenger, Északi-tenger,Alaszka stb.), a világ olajtermelésének közel 30 %-a már a selfekbőlszármazik. Bíztatóak az olaj utáni kutatások a mélyebb tengerek alattis, a kontinentális talapzatok folytatásában, a kontinentális rézsűben,az ezt követő óceáni lapályokban, továbbá az üledékes szerkezetű zártóceáni medencékben.

Az olajlelőhely felderítése és a termelés megindítása között többnyiretíz-egynéhány évre van szükség. Először az olajmező felmérésére és avagyon nagyságának meghatározására kerül sor. Ezt követi atermelési terv és a technológia megtervezése. Néhány évet veszigénybe a termelőkutak kialakítása, a mezőn belüli csőhálózatokkiépítése és a termeléshez szükséges felszíni létesítményekmegépítése. Az olaj kitermelése fúrt kutakkal történik, amelyeket akitermelni kívánt olajrétegnél perforálnak. A kútfúrás technikájamind a fúrási sebesség, mind az elérhető mélység tekintetébengyorsan fejlődik. A fúrás sebessége a kőzetek keménységétől függőennaponta néhányszor 10 cm és néhányszor 100 m között változik,átlagértéke 50 m/nap. A fúrások mélységének technikai határa isállandóan kitolódik, bár a nagyon mély fúrások rendkívülköltségesek. A kutatófúrások már túlhaladták a 15 km-es mélységet.A kutatófúrásokat viszonylag kis ráfordítással termelőkutakká lehetátalakítani. A termelőkutak általában több ezer méterről hozzákfelszínre az olajat, a legmélyebb termelő olajkút jelenleg 9600 m mély.A termelőkutak átlagos napi hozama 10-100 t, de természetesenmind lefelé, mind felfelé előfordulnak ettől szélsőségesen eltérőértékek is. A kőolajmezők termelési élettartama az üzemvitel módjátólfügg, az átlagérték négy évtized körül mozog. Üzemviteli okokbólgyakran kell egyidejűleg több közeg áramlását biztosítani a kútban,például egyszerre két távolabb fekvő rétegből kell felszínre juttatni azolajat, vagy az olajtermelés közben más anyagot kell a mélybenyomni. Ezt úgy oldják meg, hogy a kút közepén vékonyabbacélcsövet helyeznek el, az egyik közeg ennek a belsejében áramlik, amásik pedig e cső külső felülete és a béléscső közötti térségben.

Teljesen új technika kidolgozását igényelte a tenger alattikőolajbányászat. Ehhez olyan úszóműveket és egyéb berendezéseketkellett kialakítani, amelyek 10..12 m-es tengeri hullámok mellett ésheves szélviharok idején is biztosítják a stabil összeköttetést a felszínés a tengerfenék között. A beruházási költségek nagyon jelentősek,átlagosan a vízmélységgel exponenciálisan nőnek. A kutatásegyszerűbb. mint a szárazföldön, hiszen csak a tengerfenéken kell aszilárd kőzetet megbontani. A kutatófúrások csúcsteljesítménye6,3 km vízmélység alatt 600 m-es behatolás. A kutatófúrásokat200 m-es vízmélységig fix állványokról, azon túl lehorgonyzottfúróhajókról vagy mesterséges szigetekről végzik. A termelőkutakat

46

kezdetben a tengerfenéken álló fix fúrófedélzetekről mélyítették le(10..15 m-ig), ezeket a fenékre leereszthető lábakkal ellátottúsztatható fedélzetek váltották fel (150..200 m-ig). Nagyobb mélységűtengerekben úszó fedélzeteket használnak, az első időszaklehorgonyzott fúróhajóit félig merülő lehorgonyzott úszószerkezetekhelyettesítik, ma ezek teszik ki a berendezések zömét. Még nagyobbmélységhez dinamikusan pozícionált lebegő szerkezetek szükségesek,a helyben tartást szolgáló hajtóműveket számítógépek vezérlik.

A termelőfedélzetek alkalmasak hajók és helikopterek fogadására, azüzemvitelhez szükséges személyzet és berendezések elhelyezésére.Ezeken rendszerint több kútból gyűjtik össze az olajat. A tenger alattitermelés legnagyobb veszélye, hogy csőtörés esetén a kiömlőhatalmas olajmennyiség annyira elszennyezi a tengert, hogy élővilágakipusztul. Ennek megakadályozására a tenger fenekén automatikuskitörésgátló berendezést kell elhelyezni. A kitermelt olajat 200 m-nélsekélyebb vízben csővezetéken is partra lehet juttatni, mélyebb vízbenvagy nagy távolságoknál egyelőre csak a tartályhajók jöhetnek szóba.

A szárazföldi olajbányászat (on shore) hatékonysága meglehetősenalacsony. Az átlagos kitermelési együttható 0,3..0,4, vagyis azolajkészletek 60..70 %g-át nem sikerül a felszínre hozni. Atengeralatti (off shore) termelés kihozatala nagyobb, átlagosan 40 %körüli, és a kutak átlaghozama is nagyobb.

A termelésben elsődleges, másodlagos és harmadlagos eljárásokatkülönböztetnek meg. Az elsődleges eljárásoknál a termeléslényegében az olajra ható felhajtóerőn alapul, a másodlagosaknál afelhajtó hatást különféle közegek benyomásával növelik, aharmadlagosaknál pedig a porózus tároló kőzeten belül isbefolyásolják az olaj mozgását.

Az elsődleges termelési módszernek több válfaja van. A kőolajmezőkegy részében olyan felhajtóerő hat az olajra, hogy az a kutakonkeresztül külső beavatkozás nélkül is a felszínre jut. Ilyen felhajtóerőtbiztosíthat az olaj felett elhelyezkedő gázsapka nyomása, amelykiszorítja maga előtt a pórusokból az olajat. Ahogy csökken ez anyomás, úgy csökken a kút hozama. Bizonyos felhajtóerőt jelent azolajban oldott gáz energiája is. A másik nagy felhajtóerő az olaj alattelhelyezkedő víz hidrosztatikus nyomása, a víz felemeli maga előtt azolajat. A víz tökéletesebben kiszorítja a pórusokból az olajat, mint agáz, és az ilyen kutak hozama mindaddig állandó, amíg a víz szintje elnem éri a kútban a belépés helyét, ekkor a kút elvizesedik. Atermészetes felhajtó hatás azonban fokozatosan csökken, és az ilyenfelszálló termeléssel az olajkészletnek csak kis hányada jut afelszínre.

47

A felszálló termelésnél a kihozatal azáltal fokozható, hogy atermelőcső és a béléscső közé folyamatosan vagy szakaszosansegédgázt nyomnak be, ami a kút talpánál keveredik az olajjal ésfelhajtó hatást eredményez (gázlift). Ha a felhajtó hatás erősengyengül, illetve amikor nagy viszkozitású olajok esetén eleve kevés akitermeléshez, szivattyúzásra van szükség. Erre a célra a kút talpánálmélyszivattyút építenek be, ezt régebben a felszínről rudazattalmechanikusan működtették, ami azonban csak kis mélységighatásos. A korszerű megoldás közepes mélységig a villamos hajtás,nagy mélységben pedig a hidraulikus hajtás. A világon kitermelt olaj15 %-át szivattyúzással hozzák a felszínre, egyes országokbanazonban sokkal nagyobb az arány

A másodlagos termelési módra régebben akkor tértek át, amikor azelsődleges lehetőségek kimerültek. A készleteket azonban nagyobbmértékben lehet kiaknázni ha már a felszálló termelésalátámasztására beiktatják, ezért terjed az elsődleges és másodlagostermelési eljárások együttes alkalmazása. A másodlagos termeléstörténhet a gáz visszanyomásával a gázsapkába, víz benyomásával azolajréteg alá vagy e két módszer kombinálásával. A gázt azolajtermelést kísérő gázból, vagy sűrített levegővel, esetleg CO2-vellehet biztosítani, víz kinyeréséről viszont külön kell gondoskodni, atermelt olajjal megegyező vagy annak többszörösét kitevőmennyiségben. A földgáz értékének növekedése következtében aszénhidrogén-gázok visszanyomását mindinkábbszükségmegoldásnak tekintik. Ígéretesnek tartják a szén-dioxidvisszanyomását – egyes kutaknál 1 t szén-dioxid benyomásával 20 ttöbbletolaj kitermelését is elérték. Sajnos a másodlagos eljárások nemmindig hatásosak, alkalmazhatóságuk függ az olaj viszkozitásától ésa környező kőzetek fizikai tulajdonságaitól. A másodlagoseljárásokkal kiaknázhatóvá válik a készletek további 5..15 %-a.Széles körű bevezetésük az eredő kitermelési együtthatót 0,4..0,5-renövelné. A víz és más nagy nyomású fluidumok besajtolása a rétegekrepesztését idézi elő, főleg a kemény kőzetekben, ami az átbocsátás ésa kihozatal növekedését eredményezi. E célra néha föld alattirobbantásokat is alkalmaznak.

Az olajárak emelkedése nagy lökést adott a harmadlagos termelésimódszerek fejlesztésének. Az eljárások az olaj mozgékonyságánaknövelését és a környező kőzetekben az átbocsátás javítását célozzák.Ezek ugyan számottevően növelik a termelési költségeket,nagyarányú elterjedésük mégis várható. A harmadlagos eljárásokalkalmazhatósága függ az olaj minőségétől és a lelőhely jellegétől,ezért ezeket az eljárásokat kőolajmezőnként kell kikísérletezni. Nehéz,nagy viszkozitású olajoknál célszerűek a viszkozitást csökkentőtermikus eljárások. Ezek egy része forró víz vagy gőz besajtolását

48

jelenti, ami az olaj hőkiterjedését, viszkozitásának és felületifeszültségének csökkenését eredményezi, sőt bizonyos mértékűdesztillációt és oldást is. A gőzt 40..90 bar-ral nyomják be, egy tonnajárulékos olaj kitermelése 4..40 t gőzt igényel. Egy másik eljárásnál azolajat a föld alatt meggyújtják, az égést levegő befúásával táplálják, azégési zóna előrehaladva kiszorítja maga előtt az olajat. Természetesenaz égés az olaj egy részét (10..20 %). felemészti, egy tonna többletolajkihozatalhoz átlagosan 2000 m3 levegőt kell benyomni. A folyamathatásosságát vízgőz bekeverésével növelni lehet, a keletkező vízgázszintén részt vesz a reakcióban és így csökken a levegőszükséglet.Nagyon nagy viszkozitású olajnál a stimuláló eljárás jöhet szóba: akútnál váltakozva alakítanak ki termelő és injektáló periódusokat, azutóbbiban gőzt vagy oldószert nyomnak be a viszkozitáscsökkentésére. Könnyű, kis viszkozitású olajakra szintén többeljárást dolgoztak ki. A besajtolt vízhez adagolt nátronlúg vagy másfelületaktív anyag (karbonátok, alkáli-szilikát-oldatok stb.) a felületikapillaritás és az interfaciális erők módosítását eredményezi afelületek hajlamosabbak lesznek vízzel nedvesedni, mint olajjal. Azadditív olajtermelés tonnánként 5..10 kg felületaktív anyagadalékolását igényli. Hogy a víz ne szivárogjon el kitüntetettirányokba, a viszkozitás beállítása esetleg más adalékokat isszükségessé tehet (pl. poliakrilamid). Az is előfordul, hogy afelületaktív közeget iszap formájában nyomják be, és hogy a víz nemossa ki, puffer közeggel választják el a benyomott víztől.

3.2.1.3. A KŐOLAJ FELDOLGOZÁSA

A kőolajat közvetlenül, természetes formájában csak kivételesesetekben használják fel. Japánban például erőműben tüzelnek elnagy kén- és aszfalttartalmú, csekély fehérárut szolgáltató nehéznyersolajat. Az effajta hasznosítás azonban nem jellemző ésvisszaszorulóban van. A termelt kőolajat jóformán mindig kőolaj-finomítókban dolgozzák fel, hogy abból motorhajtó- éstüzelőanyagokat, kenőanyagokat és petrolkémiai termékeketállítsanak elő.

A motorhajtóanyagok – más néven fehéráruk – közöttmegkülönböztetik a 40..200 °C forrpontú vegyületekből álló benzint, a160..300 °C forráspontúakat tartalmazó petróleumot és a 200..350 °Cforráspont-tartománnyal jellemezhető gázolajat (Diesel-olajnak isnevezik). E kategorizálás azonban nem egységes, előfordul 40..300 °Cforráspontú (ρ = 625..840 kg/m3 sűrűségű) könnyű, és 300 °C felettiforráspontú (ρ > 840 kg/m3) nehéz termékek szerinti osztályozás,vagy könnyű, közepes és nehéz párlatok megkülönböztetése 40 °C(ρ = 625 kg/m3), 250 °C (ρ = 875 kg/m3) és 350 °C (ρ = 0,900 kg/m3)határpontokkal. A benzin a kisebb teljesítményű, szikrával gyújtó

49

Otto-motorok tipikus hajtóanyaga, a kompressziós gyújtású, nagyobbteljesítményekre, valamint munkagépekben használt Diesel-motoroküzemanyaga a gázolaj. A gázturbinás hajtóművek speciálispetróleummal, a 140..280 °C forrpontú kerozinnal üzemelnek. Azemlített csoportosításon belül a frakciók széles skáláját különböztetikmeg, például a benzinek között gázbenzint (forráspontja 65 °C alattvan), könnyű benzint (65..100 °C), középbenzint (100..150 °C) ésnehéz benzint (150..200 °C).

A motorhajtóanyagoktól megkívánt fizikai és kémiai tulajdonságokatrészletes szakmai termékszabványok írják elő. A műszaki fejlődéskövetkeztében változnak az alkalmazás feltételei, ennek megfelelőenmódosulnak a szabványokban lefektetett követelmények is, többnyirea szigorítás irányában. Az előírások egy részét a szállítás, tárolás ésegyéb manipulációs műveletek szabják meg, másokat a felhasználásszempontjából jellemző erőgépek működése. A minősítés gyakrantapasztalati úton kialakított, vizsgálati eljárásokkal meghatározott,egyezményes mérőszámokkal történik. A motorbenzinnél példáulkövetelmény, hogy a karburáláshoz optimális legyen az illékonysága,ne korrodáljon, ne képződjön gyanta, jó legyen a kompressziótűrése;a gázolaj szivattyúzásához megfelelő viszkozitás kell és alacsonydermedéspont, ne legyen hajlamos kokszképződésre, jó legyen agyulladási hajlama; a kerozin a nagy magasságra jellemző nagyhidegben is maradjon folyékony, nyomokban se tartalmazzon vizet,ami befagyhat a szűrőbe, magas hőmérsékleten ne oxidálódjon, nelegyen hajlamos a kokszképződésre, különben eltömi a fúvókákat stb.Újabban fokozódó követelmény a motorhajtóanyagokkal szemben,hogy égéstermékük környezetszennyező hatása se legyen nagy.

Lényegesen enyhébbek a követelmények a fűtő- és tüzelőolajokkalszemben. Ezek fűtőértéke mintegy 42 MJ/kg. A tüzelőolajokdesztillációs párlatok, gyakran gázolajjal vagy más komponensekkelkeverve kerülnek forgalomba. Dermedés pontjuk alacsony ésviszkozitásuk sem nagy, háztartásokban és ipari berendezésekbenkitűnő tüzelőanyagok. Környezeti hőmérsékleten folyékonyak és jólporlaszthatók. Többféle minőségben kerülnek A háztartási tüzelőolajlényegében gázolaj, amit lakások fűtésére (olajkályha, etázsfűtés stb.)használnak. A könnyű tüzelőolaj gázolaj és paraffinos párlatokkeveréke, igényesebb, nagyobb berendezések (nagy konyha, sütőiparikemence, mezőgazdasági szárítók, hőkezelő kemencék) tüzelőanyaga.Kénmentes tüzelőolajra van szükség, ha a kéntartalom zavarja atechnológiát (a füstgáz érintkezik az erre kényes termékkel), vagy akörnyezetvédelem ezt igényli. Az általános tüzelőolaj gázolaj éspakura keveréke, a központi fűtések és a kisebb ipari kemencéktüzelőanyaga; az előző típusoktól eltérően ezt tüzelés előtt 50..60 °C-ra kell felmelegíteni. A fűtőolajok a lepárlásnál visszamaradó

50

maradványolajok, amelyeket magas dermedéspont és nagy viszkozitásjellemez. Ugyancsak több változata kerül forgalomba. Afelhasználhatósági követelmények kielégítése érdekében afűtőolajokat a szállításhoz is, az elégetéshez is fel kell melegíteni,ezért csak nagyobb tüzelőberendezésekben alkalmazhatók. Atüzelőolajok és fűtőolajok megnevezéséhez tört számot is használnak,amelynek számlálója a lefejtéshez, nevezője a porlasztáshozszükséges minimális hőmérséklet. A könnyű kénmentes fűtőolajbizonyos olajok pakurája, ez a legjobb minőségű tüzelőolaj, amit akohászatban és a kénre érzékeny technológiák kemencéibenhasználnak. A kénes fűtőolaj pakura és desztillációs termékekkeveréke, ipari kazántelepek, cementipari kemencék tüzelőanyaga. Aközepes fűtőolaj a könnyű és nehéz termék keveréke, kevésbé igényeskemencékhez és kazánokhoz használják. A nehéz fűtőolajbitumentartalmú pakura, amit nagy ipari és erőművi kazánokbantüzelnek el. Az olajból előállított tüzelőanyagok fűtőértéke között nagykülönbség nincs, de anyagjellemzőik és összetételük közöttszámottevőek az eltérések. A háztartási tüzelőolajtól a nehéz fűtőolajfelé haladva a sűrűség, a viszkozitás, a dermedéspont, alobbanáspont és a manipuláció szempontjából mértékadóhőmérsékletek általában növekvő tendenciát mutatnak. Ugyanezvonatkozik a nem kívánatos komponensekre is, amelyek közül akéntartalom a legkritikusabb. A kén a kőolajban többnyire a nagymolekulákhoz kapcsolódik, ezért a lepárlásnál a nehéz frakciókkénben bedúsulnak. A környezetvédelem számára különösenértékesek a kénmentes – szabatosabban: kis kéntartalmú –tüzelőanyagok ( < 1 %), amelyeket vagy kis kéntartalmú kőolajbólnyernek, vagy a finomítást követő kénmentesítő eljárással állítanakelő.

51

275 °C

105 °C

gáz

könnyûbenzin

nehézbenzin

petróleum

gázolaj

pakura

nyersolaj

120 °C

160 °C

220 °C

250 °C

145 °C

frakcionálótorony

csõkemence

reflux tartály

kigõzölgõ torony

5. ábra. Atmoszférikus desztillációs üzem

A kőolajfinomítás leglényegesebb művelete a frakcionálisdesztilláció, ami a kőolajban lévő különböző forráspontú vegyületekszétválasztását szolgálja. Ennek során a hőcserélőkön keresztülelőmelegített, majd a csőkemencében felmelegített kőolajat afrakcionálótoronyba vezetik és ott elgőzölögtetik (lásd 5. ábra). Afrakcionálótoronyban tányérrendszerek választják szét a folyékony ésa gőzfázist, és a gőzből az eltérő forráspontú frakciókat különbözőhelyeken kivezetik a toronyból. Hangsúlyozni kell, hogy ezek apárlatok nem késztermékek, további feldolgozásuk szükséges ahhoz,hogy az előírásokat kielégítő termékeket nyerjenek. Ennek soránkivonják a nem kívánatos szennyezőanyagokat, módosítják amolekulaszerkezeteket, adalékokkal javítják a tulajdonságokat stb.

A 300 °C-nál magasabb forráspontú termékek desztillációját anyomás csökkentésével lehet kisebb hőmérsékleten elérni, ami azértfontos, mert így nem következik be a molekulák hőbomlása. Akisnyomású 25..75 mbar-on végzett vákuumdesztilláció kiindulóanyaga a pakura, amiből gázolajat és 350 °C-nál magasabbforráspontú kenőolajpárlatokat nyernek, a desztillációs maradékpedig a bitumen, illetve kevésbé erélyes lepárlásnál a bitumen ésparaffinos kenőolajok keverékéből álló gudron.

A fehéráru-kihozatal növelését szolgálják a destruktív eljárások, másnéven a krakkolás. Ennek az az alapja, hogy bizonyos körülmények

52

között a nagyobb molekulák kisebbekre bomlanak, miközben gáz éskoksz keletkezik. Sokféle eljárást használnak, a legrégebbi a termikuskrakkolás, ami azonban ma már háttérbe szorul. Itt azt aknázzák ki,hogy 400..600 °C és 10..70 bar mellett bekövetkezik a lebomlás, afeldolgozott pakurából olefinben gazdag gázok, mintegy 20 %krakkbenzin és krakkfűtőolaj vagy petrolkoksz keletkezik. Alebomlást katalizátorokkal (ma a zeolitalapúak a legfontosabbak) iselő lehet idézni. A katalitikus krakkolás alacsonyabb hőmérsékletentörténik, kiinduló anyaga többnyire gázolaj vagy a magashőmérsékletű vákuumpárlatok. Ebből gázok, mintegy 40 %-nyibenzin és gyenge gázolaj keletkezik, a legnehezebb terméket pedigvisszacirkuláltatják. A hidrokrakkolásnál hidrogénnyomás alattbontják a molekulákat, a maradványokból vagy párlatokból benzint,gázolajat és tüzelőolajat nyernek, egyben nagyon jó kénmentesítés istörténik. A hidrokrakkolás szelektívebb és jobb minőségűközépterméket szolgáltat. A kőolajfeldolgozás mértékét számosországban már korábban is a benzinigény szabta meg. Ennekbiztosítására fejlődött fel a két világháború között a krakkolás azEgyesült Államok kőolajfeldolgozó kapacitásának jelentős hányadára.A krakkolás beiktatásával ugyanabból a kőolajból 2..3-szor annyibenzint nyernek, mint ha csak frakcionálnak. A második világháborúután Európában is megindult, majd az olajár emelkedése után széleskörűvé vált a destruktív eljárások bevezetése. A fizetési mérlegetjavítja, az ellátás biztonságát pedig fokozza, ha a benzin- ésgázolajtermelés növeléséhez nem kell fokozni a kőolajimportot. Ennekegyrészt beruházási költség az ellentétele, másrészt a korábbaneltüzelt frakciókat más energiahordozóval kell helyettesíteni.

3.2.1.4. FÖLDGÁZ

Kitűnő tüzeléstechnikai tulajdonságai és homogén összetétele miatt aföldgáz a legnemesebb primer energiahordozó. A földkéregbentalálható gázelőfordulások összetétele nagyon változatos. Energetikaiszempontból földgáznak a túlnyomóan szénhidrogén-tartalmúgázokat tekintik. A domináló komponens azonban lehet szén-dioxid,nitrogén, kénhidrogén is; ha nagy mennyiségű ilyen nem éghetőgázzal elegyedve fordul elő a szénhidrogén, a gáz fűtőértéke kicsi. Azilyen gázokra indokolt az alacsony fűtőértékű földgáz vagy gyengeminőségű földgáz megnevezés. Energetikai hasznosításuknakalárendelt jelentősége van, szállításuk nagyobb távolságra nemgazdaságos. Ilyen megkülönböztető jelző nélkül a továbbiakban aföldgáz alatt olyan gázokat értünk, amelyek túlnyomóan a metántól(CH4, rövidítése C1) a pentánig (C5H10, rövidítése C5) terjedő egyszerűparaffinokból állnak.

53

Megoszlanak a vélemények, hogy a szapropélből a földgáz akőolajéhoz hasonló körülmények között, de attól függetlenülkeletkezett-e, vagy pedig a kőolaj lebomlásából származik. A kétféleszénhidrogén előfordulási körülményei azonosak, a földgázleleteknekmintegy harmada kőolajjal együtt található, a többi attól függetlenül,de a kőolajéhoz hasonló geológiai formációkban.

A feldolgozás szempontjából száraz és nedves földgáztkülönböztetnek meg. A száraz gáz alig tartalmaz olyankomponenseket, amelyek szobahőmérsékleten nyomássalcseppfolyósíthatók. Alapvetően metánból (80..99 %) és etánból(1..15 %) áll, a C3..C5 komponensek mennyisége minimális. A kőolajatkísérő nedves gáz legnagyobbrészt az olajban oldva kerül a felszínreés abból a nyomás csökkentésével lehet kiléptetni. A nedves gáz (dúsgáz) metánon kívül nemcsak számottevő mennyiségű etánt (C2),propánt (C3) és butánt (C4) tartalmaz, amelyek légköri viszonyokközött gázneműek, hanem olyan szénhidrogének is előfordulnakbenne, amelyek légköri viszonyok között cseppfolyósak, így pentán(C5), hexán (C6), heptán (C7) stb. A kőolajból elpárolgott gőzökkoncentrációja 300 g/m3-t is elérhet. A nedves gázban a metánrészaránya 30..40 % alá is csökkenhet, közel ennyi lehet az etánmennyisége is, a propán elérheti a 20..25 %-ot és még a C4-es és C5-ös frakciók is kitehetnek néhány százalékot.

Egyes területeken a kőolaj kísérőgázát visszanyomják akőolajmezőbe a rétegnyomás növelésére (másodlagos kőolajtermelés).A fogyasztóktól távoli kőolajmezőkön – elszállítási lehetőségek híján –a gázt gyakran elégetik (fáklyázás); ma már ez a pazarló gyakorlatjelentősen visszaszorult.

A teljes körű hasznosítás érdekében a nedves gázt gazolintelepekenfizikai eljárásokkal száraz gázra és nyers gazolinra választják szét,kihasználva, hogy a komponensek fizikai jellemzői a molekulasúlytólfüggenek. Soványabb gázoknál a gazolint aktív szenes vagyszilikogéles adszorpcióval kötik le, mivel a nagyobb molekulasúlyúkomponensek hajlama az adszorpcióra nagyobb. Használatos anyomás alatti kioldás is egy petróleumfrakcióval, mert a magasabbforráspontú összetevők jobban abszorbeálódnak. A szétválasztás ahőmérséklet csökkenése mellett eszközölt kompresszióval ugyancsakmegoldható, így a C3-as és ennél több szénatomot tartalmazómolekulák folyékony halmazállapotba kerülnek. Szokásos továbbá emódszerek kombinációja, ami a hazai gyakorlatra is jellemző. A nyersgazolint nyomás alatt desztillálják, egyrészt cseppfolyósított propán-bután-gázt (PB-gáz); másrészt 35..100 °C közötti forráspontúkomponensekből álló stabilizált gazolint nyernek. A gazolint többnyirebenzinekhez adalékolják de más célú alkalmazása is előfordul (mégönálló motorhajtóanyagként is). A PB-gázt nyomás alatt, palackokban

54

hozzák forgalomba, vezetékes gázzal el nem látott területeken kitűnőtüzelőanyag. Elsősorban kommunális célokra, fűtésre, melegvíz-készítésre, főzésre használják, újabban gépkocsikmotorhajtóanyagaként is alkalmazzák. Nevezik cseppfolyósítottolajkísérő-gáznak (LPG = liquid petroleum gas) is. A PB-gáz forgalmanem nagy, mintegy 20 Mt kerül évente a világkereskedelembe,nagyrészt a Közel-Keletről. Megjegyzendő, hogy PB-gázt akőolajfinomítás melléktermékeként is nyernek. A magyar szabvány aC2..C5 frakciók elegyét tekinti PB-gáznak.

A földgázban levő éghetetlen gázkomponensek – nitrogén, szén-dioxid, kénhidrogén, hélium – néha még ipari nyersanyagként isgazdaságosan kinyerhetők, de tüzeléstechnikai szempontból ezeknemkívánatos alkotók. A magyarországi földgázokban főleg szén-dioxid fordul elő, a 10 %-nál kisebb CO2-tartalmú gázokatszénhidrogén-gázoknak tekintik; az alacsonyabb fűtőértékű szén-dioxidos kevertgázoknál a CO2-tartalom 75 g alatt van (többnyire33..75 % között). Ezek erőművi tüzelőanyagként történőhasznosítására vannak elképzelések. A 75 %-nál több CO2-ttartalmazó gázokat elsősorban szénsav gyártására hasznosítjuk (pl.Répcelak). A földgázban találhatók a környező kőzetekből elragadottlebegő szilárd részecskék is, valamint vízgőz. A víz a gázhalmazállapotú szénhidrogénekkel szilárd, kristályos hidrátokképzésére hajlamos.

A világ feltárt földgázvagyona kereken 70 Tm3, a kitermelhetőpotenciális készletet 300..600 Tm3-re becsülik. Regionális eloszlásavalamive1 egyenletesebb mint a kőolajé. A legnagyobb földgázvagyona volt Szovjetunió egyes utódállamaiban, az Egyesült Államokban,Iránban, Algériában, Hollandiában van, az utóbbi időben jelentőskészleteket találtak a tengerek a1att (pl. Északi-tenger) és asarkkörön túli területeken (Alaszka, Kanada, Jakutföld).

Hazánk szénhidrogénkincsének mintegy 70 %g-át kitevő jelentősföldgázvagyonnal rendelkezik. Az ismert készletek 120 Gm3 körülmozognak. Kisebb előfordulások hasznosítására már a század elejénsor került, a gazdagabb mezők feltárása azonban csak 1960 után vettnagyobb lendületet. A túlnyomórészt pliocénkori homokkő-rétegekbenlevő előfordulások közül a legjelentősebbek Algyő, Hajdúszoboszló,Pusztaföldvár és Szank térségében találhatók, metántartalmuk89..96 %. Ennek ellenére a hazai termelés nem elegendő az igényekteljes kielégítésére, és jelentős mennyiségű importra szorulunk.

A földgáz nagyobb arányú hasznosítása az 1920-as években vettekezdetét, amikor a csőgyártás fejlődése megnyitotta az utat a nagytávolságú szállítás előtt. Azóta rohamosan tért hódított a földgázzalrendelkező régiókban. A szállítási technika fejlődésével

55

párhuzamosan kiterjedt az eltátható területek határa, és ma már atávolság e tekintetben nem jelent korlátot. Ezt tanúsítja a szibériaigáz szállítása Nyugat-Európába. Földgázzal elégítik ki jelenleg a világprimer energiaigényének 22 %-át ; az éves termelés kb. 2,2 Tm3 és akövetkező években gyorsan tovább fog nőni. A második világháborúóta a földgáz termelése gyorsabban nőtt, mint a kőolajé.

Ennek alapján sokan azt prognosztizálják, hogy a földgáz részbenátveszi az olaj szerepét, és másfél évtized múlva részarányuk a világenergiamérlegében nem lesz nagyon eltérő. Ennek azonbanelőfeltétele, hogy rendelkezésre álljanak a szükséges források ésszállítási lehetőségek. Különösen gyors felfutást várnak a tenger alóliföldgáz termelésétől.

Földgázt többnyire a kőolajkutatás során találnak, a kifejezettenföldgázra irányuló geológiai kutatás ritka. A földgázt vagy a kőolajjalegyütt termelik (a termelésnek mintegy 15 %-a), vagy hasonlókútrendszerben; néha 100 bar-t is elérő saját nyomása hajtja afelszínre a száraz gázt. A legmélyebb termelőkút 7,5 km-es, deterveznek ennél mélyebbet is. Száraz kutakból a gáz 60..80 %-át sajátnyomása a felszínre hajtja, vízelárasztással a kitermelési együttható0,85..0,95-re növelhető. Újabban a gáztermelés fokozásáraforszírozott módszereket is kezdenek bevezetni, a rétegek hidraulikusrepesztését, a szerkezet fellazítását kémiai robbantással (rendszerintfolyékony robbanóanyaggal), ami többnyire a mélyben levő kisáteresztőképességű szerkezet fellazítását, áttörését célozza. Ilyen célrasikeresen alkalmaztak nukleáris robbantást is (több kilométer mélyen40 kt töltettel; a kihozatal többszörösére nőtt), de a kísérleteketbeszüntették.

A kitermelt földgázt a szállításra elő kell készíteni, ami a mezőkközelében telepített földgázüzemekben történik. A gázhoz keveredettfolyadékokat szeparátorokban választják el. Le kell választani aszilárd szennyező anyagokat is, nehogy a homok dugulást okozzonvagy koptassa a vezetékeket. E célra gyakran elektrosztatikusleválasztókat használnak. Ezután a gazolinüzemben akülönféleképpen hasznosítható frakciók szétválasztása következik. Eza szállíthatóság érdekében is fontos, ugyanis a propán és butánforráspontja, ami légköri nyomáson -40 °C körül van, a nyomásnövekedésével emelkedik, a szállítás nagy nyomásán e komponensekkondenzálódnak, súlyosan veszélyeztetve a kompresszorok üzemét.Ugyancsak el kell távolítani a vízgőzt is, ellenkező esetben az említetthidrátok a csővezetékekben és a szelepekben válhatnak ki; a szárításvagy hűtéssel, vagy hűtéssel oldható meg, vagy abszorbenssel kelllekötni a nedvességet.

56

A megtisztított földgázt az esetek túlnyomó többségébencsővezetékekben szállítják el. A földgáznak nagyon nagy előnye, hogya forrástól a fogyasztás helyéig csővezetéken szállítható. Azenergiaellátásnak ez a kevés emberi munkát igénylő módja nem csakkényelmes, hanem termelékeny is. A forrásokat a fogyasztóicsomópontokkal összekötő vezetékekből idővel hurkolt hálózatotalakítottak ki. A gerincvezetékekből kiinduló leágazó vezetékekszolgálják ki a nagyfogyasztókat és a településeket, amelyeken belülaz elosztóvezetékek juttatják el a gázt az egyesfogyasztóberendezésekig. A gerincvezetékek nyomása néhányszor10 bar, az elosztóvezetékeké az átadó és fogadó állomások közöttennél lényegesen kisebb (6 bar körüli). A fogyasztóberendezésektáplálása 3 bar körüli nyomáson történik.

Új utat nyitott a tengeri szállítás előtt a földgáz cseppfolyósításitechnikájának kifejlesztése. A metán forrpontja légköri nyomáson -161 °C, ezen a hőmérsékleten a folyadék térfogata 800-ad része a20 °C hőmérsékletű gáznak. A cseppfolyósított földgáz (LNG = liquefidnatural gas) tengeri szállításához mind a feladó, mind a fogadóállomáson megfelelő berendezéseket kell kiépíteni.

A napi ingadozások kiegyenlítésére, üzemzavari tartalékokbiztosítása érdekében a földgázból is megfelelő készleteket kelltárolni. Erre a célra nagynyomású tartályok szolgálnak. Gömb alakútartályokban 30..50 m3, sorba kapcsolt hengeres tartályokban100 000 m3 gáz tárolására van lehetőség. Néhány órás tartalékotmaga a kiterjedt csőhálózat is biztosít, részben az abban lévőgázmennyiség, részben a nyomás kiegyenlítődése révén. Szezonáliskiegyenlítésre a legjobb megoldást a föld alatti gáztárolás jelenti, aminagy gázmennyiségek felhalmozását teszi lehetővé. E célra olyantermészetes, vagy mesterségesen kialakított föld alatti térségekjöhetnek számításba, amelyeket gázátnemeresztő rétegek határolnak.A legkézenfekvőbb kimerült szénhidrogénmezőket hasznosítani,hiszen azokról biztosan tudjuk, hogy képesek a gáz megtartására.

3.2.1.5. NUKLEÁRIS ENERGIAHORDOZÓK

Az energetikának ez a legfiatalabb ága a tudomány műhelyeibenszületett meg. Az atommagokat alkotó nukleonok kötési energiájánakfelszabadítására és hasznosítására vezető tudományos ismeretekcsupán néhány évtizedes múltra tekintenek vissza. Nem különöstehát, hogy alkalmazásának még jó néhány vonatkozása éskülönösen e technika továbbfejlesztése intenzív kutatás tárgya. Bár anukleáris energia hasznosításában már nagy gyakorlatunk van,ismereteink még sok tekintetben hézagosak, ami sok bizonytalanságforrása is. Az új felismerések állandóan bővülő köre egyre újabbimpulzusokat ad e meglehetősen bonyolult technika

57

továbbfejlesztéséhez. Az atommag kötési energiájának egy részemagreakciók során szabadul fel.

A természetben előfordulnak spontán magreakciók, de amagreakciók bizonyos típusait mesterségesen is elő lehet idézni. Aspontán magreakciók leggyakrabban előforduló válfaja aradioizotópok bomlása, ennek előidézésében nincs szükségsemmilyen külső okra, a bomlás a mag energiaállapotától függőspontán folyamat. A radioaktív bomlásnak energetikai szempontbólcsupán alárendelt jelentősége van, mert a felszabaduló energia kicsi.Ilyen alapon működő áramforrásokat speciális területeken agyakorlatban is alkalmaznak. A felhasznált radioizotópok többnyirenem természetes eredetűek, hanem atomreaktorokban vagyrészecskegyorsítókban előállított mesterséges termékek. A nukleárisáramforrások egyik csoportja lényegében sztatikus generátor. Az α- ésβ-sugárzó izotópokból a villamos töltéssel rendelkező α- és β-részecskék kilépése tulajdonképpen töltéshordozók szétválasztásátjelenti, ami a villamos áramforrások működésének alapja. A többnyireβ-sugárzó radioizotópot az egyik elektródon elhelyezve és a kilépőelektronokat a másikon összegyűjtve, néhány mW teljesítményűállandó feszültséget szolgáltató áramforrás alakítható ki. Olyanáramforrást is lehet készíteni, amelynek katódja a ráeső α-, β- vagy γ-sugárzás hatására emittál elektronokat. Nagyobb teljesítménynyerhető a radioaktív bomlás hőjéből. Ilyenkor a sugárzást – beleértvea γ-sugárzást is – megfelelő anyagokban lefékezik, az így fejlődő hőbőltermovillamos vagy termoionos átalakítással villamos áramotállítanak elő. Az alkalmazott izotóp 1..10 W teljesítményre többnyire90Sr, 10..100 W esetén 238Pu. Az izotópos áramforrások teljesítményenem éri el a kW nagyságrendet, a kapocsfeszültség pedig mV és Vközött mozog. Legfőbb előnyük, hogy nagy felezési idejű izotóppalsokéves felügyeletmentes üzem érhető el. Elsősorban nehezenmegközelíthető, kihelyezett, kezeletlen berendezésekben(meteorológiai, tengeri vagy űrbeli megfigyelő készülékek vagyjelzőberendezések), vagy zárt rendszerekben (pl. pacemaker)használható áramforrások. Nem valószínű, hogy alkalmazási körükjelentősen kiszélesedne a közeljövőben, amit nemcsak az elérhető kisteljesítmény és a magas előállítási költség korlátoz, hanem az is, hogynagy tömegben a környezetet veszélyeztető radioaktív szennyeződéstokozhatnak. Mindez arra utal, hogy az izotópos áramforrások atávolabbi jövőben sem fognak számottevő szerepet játszani azenergiamérlegben.

A nukleáris energia nagyarányú hasznosításához a mesterségesenelőidézett magreakciók bizonyos típusai adják meg a lehetőséget. Kétútja van annak, hogy a nukleonokra jutó kötési energia egy részefelszabaduljon. Az egyik a fisszió, vagyis a nehéz elemek széthasítása

58

közepes rendszámúakra, a másik a fúzió, ami a könnyű elemekegyesítését jelenti nehezebb atomban. A felszabaduló energia areakcióban részt vevő tömegnek kb. 1 %-a fúziónál ez az aránymajdnem egy nagyságrenddel kisebb a fisszió esetében. Egy 235U-ösatommag hasadása mintegy 195 MeV energia felszabadulásával jár,ami nukleononként 0,83 MeV, a deutérium és trícium fúziójahéliummá 17,6 MeV-ot eredményez, vagyis nukleononként 3,5 MeV-ot. A nagy mennyiségű energia felszabadításához e reakcióknakönfenntartó sorozatát (láncreakció) kell kialakítani. A láncreakciószabályozatlan formája a nukleáris robbanás, a stabil, tartósteljesítményt szabályozott láncreakcióval lehet biztosítani. Az előbbemlített 195 MeV megfelel 0,3 pJ-nak, ennek alapján 1 g 235U izotóp„elégetése” 80 GJ-t eredményez, ami az atomenergetikában gyakranhasznált mértékegységben közelítőleg 1 MWnap.

Nukleáris robbanás fúzió és fisszió útján egyaránt létrehozható.Többször javasolták a nukleáris robbantás alkalmazását mélyépítésiés bányászati célokra. E lehetőséget szórványosan a gyakorlatban iskipróbálták hatalmas árkok, kráterek, föld alatti üregek létesítésére,szénhidrogénmezők termelésének fokozására és hasonló célokra. Bára robbantással helyettesíthető munkák volumenére kapotteredmények meghökkentők, és a környezetet veszélyeztető hatásokuralhatók, mégis valószínűtlen e technika terjedése. Nehezenkülöníthetők el ugyanis a katonai vonatkozások, mert e robbantásoka nukleáris fegyverek fejlesztésére is felhasználhatók. Ma márnemcsak a közvélemény nyomása és a külpolitikai visszhang, hanema kísérleti atomrobbantások betiltására vonatkozó nemzetköziegyezmények is fékezőleg hatnak az ilyen robbantásokra.

Folyamatos energiafejlesztést szolgáló szabályozott reakciót egyelőrecsak fisszió segítségével tudnak megvalósítani. Atomhasadás kismennyiségben és ritkán önmagától is előfordul, többnyire azonban azváltja ki, hogy megfelelő energiájú részecskék ütköznek a hasadásrahajlamos atommal. E részecskék között megkülönböztetett szerepevan a neutronoknak. A neutronokat sebességük szerint osztályozzák,a kategóriákat a kinetikus energiával jellemzik, a nukleárisreakcióknál a termikus (0,025 eV-nál kisebb energiájú) és a gyors(100 keV-nál nagyobb energiájú) neutronok szerepe a legnagyobb. Alegjelentősebb neutronforrás maga a fisszió, a hasadás nagy energiájúgyors neutronok kibocsátásával jár együtt. Ha a folyamathoz lassúneutronokra van szükség, akkor lelassításukról a moderátornaknevezett fékező anyagokkal kell gondoskodni. Az, hogy egyhasadóképes atommal ütköző neutron kivált-e fissziót, nagyon erősenfügg a neutron sebességétől; a magreakció bekövetkezésénekvalószínűsége a neutronok sebességének függvényében erős szélsőértékeket mutat a hasadóanyag típusától függő

59

sebességtartományban. Attól függően, hogy a nukleáris reakciókbana termikus vagy a gyors neutronok játsszák a főszerepet, termikus ésgyors reaktortípusokat különböztetnek meg.

Mai ismereteink szerint négy izotóp hajlamos főleg termikusneutronokkal ütközve hasadásra: a 233-as és 235-ös atomsúlyúurán-, valamint a 239-es és 241-es plutónium atom; gyakorlatijelentősége csak az első háromnak van. Az említett négy izotóp képezia szorosan vett hasadóanyagok körét. Ezeken kívül három izotóp van,amely főleg 1 MeV-nál nagyobb energiájú gyors neutronok hatásáraneutronbefogással hasadóanyaggá válik, ezek a tenyészanyagok a238-as urán, a 232-es tórum és a 240-es plutónium; közülük csak azelső kettőnek van gyakorlati jelentősége. A tenyésztés során az 238U-ból 239Pu, a 232Th-ből 233U és a 240Pu-ből 241Pu keletkezik. Az említettizotópok közül a természetben csak az 235U, 238U és a 232Th fordul elő,a többit mesterségesen állítják elő. Miután a szorosan vetthasadóanyagok közül a természetben csak az urán 235-ös izotópjatalálható meg, ennek az izotópnak kitüntetett szerepe van, jelenlétemindenféle fissziós reakció megindításához elengedhetetlen.

Annak valószínűsége, hogy egy termikus neutron egy 235U maggalütközve neutronbefogás után fissziót indít meg, kereken 0,84. Ahasadás során az uránatom két közepes atomsúlyú, nagy sebességgelmozgó töredékatomra esik szét. A felszabaduló energiának mintegy83 %-át e töredékatomok szállítják el kinetikus energia formájában. Atöredékek a környezetükkel ütközve lefékeződnek, energiájuk hővéalakul. A felszabaduló energia fennmaradó hányadát a hasadásnálmindig kilépő 2..3 nagy energiájú gyors neutron, nagy energiájú γ-sugárzás és egyéb részecskék (β-részecske, neutrinó). szállítják el. Haa kilépő neutronok lelassulva újabb 235U atommal találkoznak,további hasadást indíthatnak meg. Ha minden hasadás legalább egyújabb hasadást idéz elő, láncreakció indul meg, a folyamatönfenntartóvá válik. Az hogy a hasadásnál kettőnél több neutron lépki, növeli az újabb fisszió valószínűségét. Ellene hat viszont, hogyegyrészt nem minden ütközés vezet hasadásra az egynél kisebbvalószínűség miatt, másrészt a neutronok egy része elvész, mert vagyhasadásra képtelen atomok fogják be, vagy ütközés nélkül kilép akörnyezetbe. Ahhoz, hogy a láncreakció biztosan bekövetkezzék, egyminimális mennyiségnél több hasadóanyag jelenlétét kell biztosítani;e kritikus tömeg alatt a folyamat nem válik önfenntartóvá. A kritikustömeg nagysága függ a geometriai elrendezéstől, a hasadóanyagkoncentrációjától és a jelenlevő egyéb szerkezeti anyagoktól. Ekérdéseknek meghatározó jelentőségük van az atomenergiáthasznosító reaktorok tervezésében. A láncreakció akkor szolgáltatállandó teljesítményt, amikor a neutronok két egymást követőidőpillanatban mért számának arányát kifejező sokszorozási tényező

60

értéke 1. A reaktoroknál ezt a helyzetet nevezik kritikus állapotnak,ami a stabil stacioner üzem jellemzője. Az energetikai reaktorok stabilüzemét a teljes terhelés és az üresjárat között mindenteljesítményszinten lehetővé kell tenni. Ennek érdekében az áramlóneutronok sűrűségét, a neutronfluxust szabályozzák, többnyire areaktortérbe juttatott neutronelnyelő anyagok mennyiségével.Teljesítménycsökkentés közben a sokszorozási tényező egynél kisebb,a reaktor szubkritikus, teljesítménynövelés során a tényező egynélnagyobb, a reaktor szuperkritikus. A hirtelen teljesítmény-növekedésa reaktor megszaladását eredményezné, ez ellen egyrészt a reakciótfékező automatikus beavatkozó szervek védenek, másrészt egyesreaktortípusok fizikai tulajdonságai, például a reaktivitás negatívhőfokfüggése a vizes reaktoroknál. Ezeknél a hasadáshatáskeresztmetszete a hőmérséklet növekedésével csökken, amikorszuperkritikus állapotban a teljesítménynövekedés hatására nő areaktor hőmérséklete, a sokszorozási tényező csökken. Ez a hatás atermikus reaktoroknál eleve kizárja, hogy a megszaladás nukleárisrobbanásra vezessen. Természetesen a helytelen üzemvitel azértokozhat rendkívül súlyos, más típusú üzemzavarokat, például ahűtés megszakadása a reaktormag összeolvadását.

A hasadóanyag bázis bővítésére sokat ígérő lehetőséget nyújtanak atenyészanyagok, amelyek a természetben sokkal nagyobb bőségbenfordulnak elő, mint a hasadóanyagok. Ha a reaktorban vannaktenyészanyagok, a keletkező gyors neutronok hatására bizonyosmértékű tenyésztés mindenképp bekövetkezik.

A ma használatos termikus reaktorok üzemanyagában mindig vannagy mennyiségű 238U izotóp, aminek egy részéből plutóniumképződik. (A nyomottvizes reaktorokban 1 kg uránban átlagosan7..9 g plutónium keletkezik.) A termikus reaktorok fűtőelemeibenjelentős mennyiségű plutónium képződik, de ennek csak egy hányadajárul hozzá az energiatermeléshez, nagy része a kiégett fűtőelembenmarad.

Az eredeti elképzelés az volt, hogy ezt a plutóniumot összegyűjtik akésőbb megépülő gyorsreaktorok hasadóanyag-ellátásához. Miutánazonban e reaktorok fejlesztése elhúzódott, több országban erőteljeskutató-fejlesztő munka indult annak érdekében, hogy a plutóniumota termikus reaktorokban is hasznosítani lehessen. Ezt hátráltatja,hogy a plutónium az atomfegyverek legfőbb anyaga, mert erőshasadási hajlama miatt már néhány (kb. 5) kilogrammos mennyiségebiztosítja a kritikus tömeget. Ennek következtében egyrészt aplutónium-gazdálkodásnak vannak katonai vonatkozásai is, másrészta plutónium felhasználásához fokozottabb biztonsági és védelmikövetelmények kapcsolódnak.

61

Az, hogy a fissziónál kettőnél több neutron lép ki az atomból, módotad arra, hogy az energiatermelést szolgáló hasadással párhuzamosan,egyidejűleg tenyésztés is folyjon. A szaporítás hatékonyságátreaktorfizikai szemszögből a szaporítási tényezővel (konverziósegyütthatóval) jellemzik. Ez a reaktorban tenyésztett és kiégetetthasadóanyag aránya, ami lényegében megegyezik a folyamatokszempontjából hatásos neutronok egymást követő generációinakarányával. a szokásos termikus reaktorok jóval kevesebbhasadóanyagot termelnek, mint amennyit felhasználnak. Ezeket azegynél kisebb konverziós tényezővel jellemezhető reaktorokatkonverter reaktoroknak is nevezik, közös jellemzőjük, hogy a termeltés a felhasznált hasadóanyag domináns része nem azonos elem. (Hanincs tenyésztés, kiégető reaktornak nevezik, példája atengeralattjárók nyomottvizes reaktora erősen dúsított, majdnemtiszta 235U üzemanyaggal.)

A jelenlegi konverter reaktorok teljesítményének nagy részét az 235Uizotóp biztosítja, a többit a tenyésztett hasadóanyagok. Ki lehetazonban alakítani olyan rendszereket is, amelyek többhasadóanyagot állítanak elő a tenyészanyagokból, mint amennyiüzemeltetésükhöz szükséges, ezek a szaporító reaktorok, más névenbreederek. A szaporító reaktorok konverziós tényezője egynélnagyobb, amihez olyan neutronháztartást kell kialakítani, hogyelegendő számú gyors neutron érje a tenyészanyagokat. A szaporítóreaktorokat leggazdaságosabban úgy lehet kialakítani, hogy a termelthasadóanyag egyben a reaktor fő üzemanyaga is, így a reaktor azenergiafejlesztés mellett saját jövőbeli üzemanyagát is előállítja. Az238U→239Pu cikluson alapuló gyorsneutronos rendszerekmegvalósíthatóságát már több demonstrációs erőmű igazolja. A232Th→233U ciklust hasznosító termikus rendszerek még nincsenekilyen előrehaladott stádiumban, de ösztönzi a fejlesztést, hogy azenergiatermelés lényegesen könnyebben szabályozható termikusneutronokkal történik, mivel az urán hasadási keresztmetszete alassú neutronokkal szemben nagy. A szaporítás mértékét nemcsak azelőállított és elhasznált hasadóanyag arányával jellemzik. Azenergetika számára többet mond a kettőzési idő, ami annyihasadóanyag előállításához szükséges a tenyésztés révén, amennyi areaktor töltete. A kettőzési idő a tárolás és a reprocesszálás időigényétis magában foglalja, így függ a fűtőanyagciklus technológiájától is. Ama üzemben levő szaporító reaktoroknál a kétszerezési idő kb. 20 év;a távlatban ezt 5-10 évre kívánják leszorítani.

A nukleáris energia termelése alapvetően az uránra épül. Az urán aFöld felszínén nagy mennyiségben fordul elő, de sajnos a leginkábbszétszórt elemek közé tartozik átlagos koncentrációja a földkéregben2,4 g/t. Az uránizotópok tömegszáma 227 és 240 közötti érték lehet,

62

de a természetben található urán mindig a 238U, 235U és a 234U izotóprögzített arányú keveréke. Az uránelőfordulások jellege nagyonváltozatos, az uránásványok száma 100 körül mozog.

Az uránérctelepek egy része magmatikus differenciálódás útjándúsult fel, a magma megszilárdulása közben az átlagosnál nagyobburánkoncentráció savanyú kőzetekben, főleg gránitokban alakult ki.A kőzetképződés során az urán az ércképző elemekkel és más illékonyalkotókkal a maradék olvadékban dúsult, és főleg a hidrotermikusjáratokban ülepedett le (koncentrációja több százalékot is elérhet).Üledékes dúsulás is előfordul (a hazai uránelfordulás is üledékeskőzetekben található), az urántartalmú kőzetek eróziója során azurán vizes oldatba lépett és az anyakőzetből eltávozott. A vizesoldatból kicsapódva azután konglomerátumokban, görgetegeskőzetekben másodlagosan feldúsult. Különösen kedvező feltételeivoltak e másodlagos dúsulásnak a fluviális eredetűhomokkőrétegekből álló medencékben. Előszeretettel válik ki az uránredukálókőzetekben, szerves anyagok vagy pirit redukáló hatására.Így néhány tized százalékos koncentrációjú lencsék és telérekképződtek. Jelenleg elsősorban a gránitokban, homokkövekben,konglomerátumokban feldúsult ércelőfordulásokat aknázzák ki. Azeróziónál kioldott és vizes oldatban maradó urán végső soron atengerbe jut, valószínűleg így jött létre a tengerek átlagos 2 10 3⋅ − g/turánkoncentrációja.

A bányászásra érdemes uránérctelepek kutatása az egyébérctelepekéhez hasonlóan történik. A geofizikai vizsgálatoklehetőségét bővíti a hasadóanyagok spontán bomlása okoztaradioaktív sugárzás. Ez légi és szárazföldi járművekről érzékelhető,ami megkönnyíti a reményteljes területek kiválasztását. A γ-sugárzásszelektív mérése lehetővé teszi az uránércek elhatárolását azugyancsak sugárzó tórium- és káliumércektől. Gázáteresztő fedőkőzetesetén hasznos útmutatást ad a spontán bomlásnál keletkező radonmérése is. A geokémiai módszerek lehetőségei is számottevőek, mivelaz urán hajlamos a vegyületképződésre és oldatba lépésre.Természetesen az urántelepek pontosabb behatárolásához ugyanúgymélyfúrások szükségesek, mint az egyéb ásványoknál.

A bányászkodás a nagy U3O8 koncentrációjú ércekkel indult meg (akongói uránszurokérc-telepekben elérte a 60 %-ot), a műrevaló nagytelepek koncentrációja ma átlagosan 0,3..0,l % közötti, de kiaknáznakolyan 0,03 %-os telepet is, amelynek előnyösek a gazdaságiadottságai. Az uránigények növekedése miatt vizsgálják a 0,1 %-nálkisebb koncentrációjú telepek művelésének gazdaságosságát is.Elsősorban kísérőércként való kinyerésében látnak fantáziát, főkéntaz arany- és rézércekből, az olajpalákból, a műtrágyagyártáshoztermelt foszfátércekből, egyes szenek égéstermékeiből, amit elvétve

63

már folytatnak is (pl. a dél-afrikai aranybányákban), de gránitok ésmás kőzetek is szóba jöhetnek.

A műrevaló uránvagyont azonban nem a koncentráció, hanem akitermelési költsége alapján osztályozzák, amit a világpiacon az U3O8

urán-oxid 1 fontjának dollárban mért költségével jellemeznek. A világuránvagyonáról publikált adatok meglehetősen bizonytalanok, azinformációk közzétételét nemcsak üzletpolitikai érdekek, hanemstratégiai szempontok is befolyásolják. Az ENSZ NemzetköziAtomenergia Ügynökségének (NAÜ) felmérése szerint a világ készleteia 26 $/kgU-nál alacsonyabb határköltségű kategóriákban kereken1 Mt megkutatott és 1,8 Mt potenciális mennyiség. A 39 $/kgU-nálolcsóbb megkutatott vagyon 2 Mt, és a potenciális készlet 4 Mt, a78 $/kgU-nál kisebb határköltségű potenciális készlet 6 Mt, a130 $/kgU alatti kategóriába sorolható vagyont 15..20 Mt-rabecsülik. Csupán elméleti jelentősége van annak, hogy a 200 $/kgU-nál olcsóbb urán előfordulásai – amibe már a tengervízből kinyerhetőuránsók is beletartoznak – több milliárd tonnára rúgnak. Említéstérdemel, hogy Japánban kísérleti üzemmel uránt választanak ki atengervízből, a kitermelés költsége a hagyományos uránércbányászaténak 4..5-szöröse. Nem tartják lehetetlennek az eljárásnagyüzemi bevezetését az önellátás biztosítására. A készletekrevonatkozó információhoz az is hozzátartozik, hogy a NAÜ becsléseiszerint uránra a Föld felszínének csupán 8 %-ra tehető hányadátkutatták meg.

Sokat vitatott kérdés, hogy a jövő energiaigényeinek kielégítésébenmennyire lehet a hasadóanyagokra támaszkodni. Az aggályok alapjaaz, hogy energiatermelésre egyelőre csak az uránnak a természetben0,7 %-os arányban található 235-ös izotópját hasznosítjuk. (Ezt ismeglehetősen rossz, mintegy 30 %-os hatásfokkal használjuk kivillamosenergia-fejlesztésre, vagyis a felhasználható energia akibányászott urán egyenértékének kb. 0,2 %-a.) Ha csak az 235Uizotóp jelenlegi hasznosítási technikáját vesszük figyelembe, apotenciális uránkészlet még a kőolajvagyon energiaértékét sem éri el.Ilyen gazdálkodás mellett az olcsó uránvagyon gyors kiapadása nemirreális feltételezés. Mivel 1 GW villamos teljesítményű konverterreaktor 30 éves élettartama alatt 3..5 kt természetes uránt hasznosít,a világ atomerőművi kapacitása legalább 700 kt fémuránt fogigényelni a közeljövőben ezen erőművek élettartama alatt, amimegfelel 910 kt urán-oxidnak. Ez a mennyiség a megkutatott, 26$/kgU-nál olcsóbb készlet nagy részét leköti, a később üzembe kerülőújabb atomerőművek pedig nemcsak az olcsóbb ércek fennmaradóhányadát, hanem a 26..39 $/kgU költségű uránkincs jelentős részétis felemésztik. Ebből sokan vonják le azt a következtetést, hogy azatomhasadás nem jelent perspektív megoldást az energiaellátásban.

64

E pesszimista felfogás azonban nem mérlegeli, hogy a nukleáristechnika fejlődése még nagyon kezdeti stádiumban van, és a jövőszázad számára jelentős tartalékokat rejt. Az egyik tartalék a geológiaimegkutatottság említett alacsony szintje. A nyomott kereslet és ahosszú ideig alacsonyan tartott uránár a hetvenes-nyolcvanasévekben nem ösztönözte a geológiai kutatásokat. Jogosanfeltételezhető, hogy a körülmények változása jelentős új készletekfeltárását fogja eredményezni. Ezzel kapcsolatban érdemes felidézni akőolajjal kapcsolatos hat évtizedes tapasztalatot: a feltártkőolajkészletek mindig csak 2..3 évtizedre biztosították a fogyasztást,viszont ilyen mértékű tartalékot a rohamosan növekvő termelésszintjén mindig tudtak találni. Az is enyhíti a helyzetet, hogy azuránérc ára a jelenlegi atomerőművekben fejlesztett villamos energiaönköltségében csupán 6..10 %-os tétel (a későbbi erőműtípusoknál eszerep még kisebb lesz), így a műrevalóság határának kiterjesztésérea végtermék viszonylag érzéketlen. A műrevalósági határ 50 %-osnövelése a villamos energia önköltségét csupán néhány százalékkalemeli, viszont a kitermelhető készleteket megkétszerezi.

3.2.1.6. NUKLEÁRIS ENERGIAHORDOZÓK HASZNOSÍTÁSA

Megfelelő elemi kölcsönhatásokkal minden elem atommagjaibanelőidézhetők a kötési energia változásával járó magreakciók. Azenergetika számára azon magreakciók érdekesek, melyek energiafelszabadulásával járnak. Ebbe a csoportba tartoznak a láncreakcióravezető fissziós (maghasadásos) és fúziós (magegyesüléses)átalakulások, valamint a radioizotópok spontán bomlása. Az ilyenmagreakciókra képes elemek a természetben különféle ásványok ésvegyületek formájában találhatók, ezek nagyobb koncentrációjúelőfordulásai a primer energiaforrások. A természetben találhatóanyagokat fizikai és kémiai műveletek sorozatából álló összetettgyártási folyamatokban dolgozzák fel, a nukleáris energiahordozókata felhasználást elősegítő anyagokba ágyazzák, többnyire művi útonelőállított vegyületek formájában (pl. oxid, karbid), végül akezelhetőséget és védelmet biztosító szerkezetekbe foglalják. Anukleáris energiahordozókat tehát mindig gyártott, szekunderenergiahordozók formájában hasznosítják.

Jelenleg gyakorlati energetikai jelentősége a hasadóanyagoknakvan. A természetben található anyagok közül egyedül az 235U-izotóphajlamos láncreakcióra vezető hasadásra. Megfelelő neutronsűrűségűreaktorokban két további izotóp neutronbefogással hasadóanyaggáalakul át (tenyészanyagok), az 238U-ból 239Pu és a 232Th-ből 233Ukeletkezik. A primer energiahordozók az 235U hasadóanyag, illetve az238U és 232Th tenyészanyagok ércei. Az atomreaktorok jelenleggyártott fűtőelemei elsődlegesen az 235U-izotóp hasznosítására

65

alapulnak, ugyanakkor anyaguk nagy része 238U-izotópból áll. Azatomreaktorban lezajló 238U→239Pu konverzió a tenyészanyag egy kisrészét hasadóképessé teszi, a keletkezett plutónium bizonyoshányada szintén részt vesz a láncreakcióban és így a hőfejlesztésbenis, legnagyobb része azonban a kiégett fűtőelemben visszamarad.Egyes kísérleti reaktortípusok fűtőelemei az 235U mellett tóriumtenyészanyagot is tartalmaznak, a 232Th→233U konverzió soránkeletkező urán egy része szintén részt vesz a láncreakcióban. Mindezazonban csak kevéssé befolyásolja azt a helyzetet, hogy a jelenlegtömegesen használt atomreaktorok alapvetően az 235U-izotópothasznosítják, a tenyészanyagok energetikai kiaknázása csakmásodlagosan és nagyon kis részarányban folyik.

A nukleáris energiaforrások racionális kiaknázása megkívánja, hogya fűtőelemgyártás növekvő arányban támaszkodjon atenyészanyagokból nyert 239Pu, továbbá 233U (és esetleg 241Pu)hasadóanyagokra is, mely izotópok a természetben elő sem fordulnak.A hasadóanyag-bázisnak ezt a bővülését egyrészt a reprocesszálás,másrészt a tenyésztés teszi lehetővé. A reprocesszálás célja anukleáris reaktorokban hasznosított, kiégett fűtőelemekbenvisszamaradó jelentős mennyiségű hasadóképes anyag (235U és 239Pu)kinyerése, hogy azokból új fűtőelemeket lehessen előállítani. A kiégettfűtőelemek újra feldolgozásának meghonosítása körül ma mégnagyon heves viták folynak, azonban az energetikai éskörnyezetvédelmi követélmények egyaránt annak megvalósításátfogják kikényszeríteni. A szaporítóreaktorokban, sőt bizonyos fokig amagas hőmérsékletű reaktorokban is kialakítható tenyésztésugyancsak bővíteni fogja a fűtőelem gyártásba bevont izotópok körét(239Pu és 233U) amennyiben a tenyésztés külön tenyésztőköpenyekbenfolyik, azok feldolgozása a reprocesszáláshoz hasonló technológiávaltörténik.

A fúzióra számításba vehető könnyű izotópok közül a kutatómunkaa deutérium és trícium használatára irányul. Az elképzelések szerintdeutériumot a nehézvízből lehet kinyerni, a tríciumot neutron-besugárzással kiváltott magreakciókkal egyes lítiumizotópokból lehettenyészteni. A fűtőanyagciklus részleteinek kialakítása mégnagyarányú kutatást igényel, ami a fúziós kutatások kimenetelétől isfügg. A spontán bomló radioizotópok nem képviselnek számottevőenergetikai potenciált. Csupán alárendelt energetikai szerepetjátszanak kis áramforrásokban, hőforrásokban vagymérőeszközökben. A természetben csupán néhány radioizotóp fordulelő. A gyakorlatban jóformán kizárólag mesterségesen előállítottradioizotópokat alkalmaznak, ezeket neutron-besugárzássalaktivizálják reaktorokban, egyes izotópokat részecskegyorsítókkal is

66

előállítanak. A radioaktív preparátumok és különféle sugárforrásokelőállítása számos megmunkálási és anyagkezelési műveletet ölel fel.

3.2.1.7. GEOTERMIKUS ENERGIA

Bolygónk tömege óriási mennyiségű hőt tárol. Ahőmérsékletviszonyokról közvetlenül mért adatokkal csak mintegy15 km-es mélységig rendelkezünk, jelenleg ez a mélyfúrásoktechnikai határa. A geofizikai mérések alapján következtetéseket lehetlevonni a mélyebb rétegek viszonyairól is, de ezeket sokbizonytalanság terheli. A feltételezések szerint a mintegy 2900 kmvastag földköpeny legkülső, 30..50 km vastag kérge nagyrésztgránitból áll, ami alatt vékony bazalt- és vastag olivinréteghelyezkedik el. Ez fajsúly szerinti rendeződést is jelent, a könnyebbgránitban főleg szilícium és alumínium, a nehezebb bazaltbanszilícium és magnézium, az olivinben vas--magnézium szilikát ajellemző alkotók. A mintegy 7000 km átmérőjű mag belsejében aszámítások szerint a nyomás meghaladja a 20 kbar-t és ahőmérséklet a 3700 K-t. Ezt a magot a külvilágtól a földköpeny zárjael, ami rossz hővezető lévén, termikusan is szigetel. A mag hőjénekhasznosítására még a legmerészebb futurológusok sem gondolnak,reális lehetősége csak a kéreg legkülső rétegében levő hőkiaknázásának van, ami a teljes hőtartalomnak csak rendkívül kishányada.

A mérések szerint a felszíni rétegekben lefelé haladva 100 m-enkéntátlag 3 °C-kal nő a hőmérséklet. A mért értékek extrapolálásánalapuló feltételezések szerint a Föld belseje felé a hőmérsékletalakulását a H mélység függvényében az 6. ábra mutatja. Eszerint100 km mélyen a hőmérséklet már az 1100 K értéket is meghaladja,ahol a kőzetek olvadása is megindul. E plasztikus vagy olvadt kőzetektörnek fel láva formájában a kéreghibákon keresztül a tűzhányókban,azokon a helyeken, ahol a kéreg elvékonyodott. Ez a magashőmérsékletű tartomány még hosszú ideig a technikaimegközelíthetőség határán kívül esik. A felső kéreg hőtartalmátegyrészt a belülről kifelé irányuló hővezetés, másrészt a kéregben levőradioaktív anyagok bomlása szolgáltatja. Újabb vélemények szerint aradioaktivitás energiája olyan jelentős. hogy hatására a kéreghőmérséklete nem csökken, hanem emelkedik. A kéreghőtartalmának számítása egyelőre meglehetősen bizonytalan. A külső10 km-es héj diffúz hőtartalmára vonatkozó becslések a feltételezetthőmérséklet-eloszlástól függően 1021..1024 J között szóródnak, amiösszemérhető a fosszilis tüzelőanyag vagyonnal. Más számítások akéreg hővezetőképességéből és a geotermikus gradiensből kiindulva afelszínen 0,05 W/m2 hőáramot mutatnak ki, ami a Föld teljesfelszínére 32 TW teljesítményt szolgáltat. Ez a teljesítménysűrűség

67

azonban energetikailag nem hasznosítható, hiszen 1 kW 2 hektárnyiterületen gyűlik csak össze. Gyakorlati alkalmazása csupán a hőkumulált és koncentrált felszínre kerülésénél jöhet szóba.

T,K

H,km

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1800

2000

2200

200 400 800100 300 500 600 700

6. ábra. A földkéreg hőmérséklete

A kéregben levő geotermikus hőhordozók több típusát szokásmegkülönböztetni. Legmagasabb hőmérséklete (1200 °C-ig) a feltörőforró lávának van, ami azonban technikailag nem hasznosítható.Zárórétegek alatt forró gőz gyűlhet össze, amit a magma melegít, mélyüledékes szerkezetekben különlegesen nagy nyomás alakulhat ki(geonyomás). Hasonló elrendezésű aquiferekben nagynyomású forróvíz fordulhat elő, ami elgőzölög, ha megfúrják. Az aquiferekbentalálható 100 °C-nál kisebb hőmérsékletű meleg víz megfúrva artéziforrásként vagy szivattyúzva kerülhet a felszínre. Végül hőhordozónaktekinthetők maguk a kéregben található kőzetek is. Forró víz és gőzcsak egyes kivételes adottságú területeken fordul elő, de forrókőzeteket néhány kilométeres mélységben mindenütt fel lehettételezni.

Bármilyen nagy is a geotermikus potenciál a számítások szerint, ageotermikus energia csupán járulékos szerepet játszhat azenergiaigények kielégítésében, amit két körülmény tesz nyilvánvalóvá.Egyrészt a diffúz rezervoárt csak véges számú helyen lehet ésérdemes megcsapolni, ami a kőzetek jó hőszigetelése miatt csak azadott körzet alatti hő felszínre juttatását teszi lehetővé. Ez a teljesfelszínnek csupán nagyon kis hányadát jelenti, így a kiaknázhatópotenciál sok nagyságrenddel kisebb az elméleti lehetőségnél.

68

Másrészt a reálisan megközelíthető mélységben a hő viszonylagalacsony hőmérsékleten áll rendelkezésre. Ha ezt nem termikus célrakívánják hasznosítani, csak nagyon rossz, 10..15 %-oshatékonysággal lehet átalakítani más energiafajtává, mert az adotthőfokhatárok között a Carnot-körfolyamat hatásfoka alacsony. Ageotermikus energiahordozók értékét érzékelteti, hogy a tömegegységenergiatartalma 100..180 kJ, ami 2..3 nagyságrenddel kisebb aszénhidrogének fűtőértékénél. A geotermikus energia nagyobb arányúhasznosításához ezeken kívül számos technikai problémát is meg kelloldani, ami jelenleg több országban kutató-fejlesztő munka tárgya. Ageotermikus energia elsősorban ott ígérkezik versenyképesnek, aholelőfordulásának körülményei az átlagosnál jóval kedvezőbbek. Ezfőleg olyan fiatal vulkanikus övezetekben várható, ahol a magmabehatolásának következtében egyes helyeken melegvíz-tárolók ésgőzdómok alakultak ki, amelyekből a rétegnyomás hatására forró vízvagy gőz jut a felszínre. Az ilyen területeken az átlagosnál jóvalnagyobb a hőfokesés, pl. Jáva szigetén 100 °C/100 m. Bár nem ilyenszélsőséges mértékben, a viszonylag vékony, 2..30 km-eskéregvastagság következtében hazánk területének 70 %-án iskivételesek a viszonyok, a geotermikus gradiens kereken kétszereseaz átlagosnak, és ennek következtében gyakoriak a hévforrások.

Természetes úton többnyire 60..120 °C-os víz kerül a felszínre,1500..2500 m-nél nem mélyebb rétegekből. Néha a rezervoár csak aforrás szakaszos működését biztosítja (gejzír), esetleg szivattyúzás isszükséges. Vannak 2..35 bar nyomású forró víz-gőz keveréketszolgáltató források, tapasztalt legnagyobb hőmérsékletük 306 °C, éskivételesen találhatók 180-245 °C-os túlhevített gőzelőfordulások is.A kilépő víz rendszerint különféle egyéb anyagokat is tartalmaz,homok formájában magával ragadott szilárd ásványi részecskéket,oldott ásványi sókat, nem kondenzálódó szennyező gázokat, példáulszén-dioxidot, ammóniát. metánt, nitrogént, hidrogént, kénhidrogéntstb. E komponensek a hasznosításnál gyakran okoznak problémát, aszilárd hordalék eróziót vagy eltömődést okozhat, az agresszívanyagok, például a kénsavvá oxidálódó kénhidrogén korróziót idézhetelő, a metán és más szénhidrogéngőzök levegővel keveredverobbanókeveréket alkothatnak. Ezért az energetikai hasznosításhozrendszerint szükség van szűrésre, gázleválasztásra, szeparálásra,egyéb tisztító eljárásokra, vagy hőcserélőn keresztül tisztamunkaközeget melegítenek fel (bináris rendszer). Ha a vízben nagymennyiségű hasznosítható ásványi anyag van, szóba jöhet azokegyidejű kinyerése is (Új-Zélandon ként, Chilében ásványokat vonnakki). Azt is meg kell akadályozni, hogy az egészségre ártalmas vagy akörnyezetet szennyező alkotók a levegőbe vagy a felszíni vizekbekerüljenek.

69

A forrásokban konvektív úton felszínre kerülő geotermikus energiamennyisége nem nagy, és csak elvétve jelent érdemlegeshozzájárulást az energiamérleghez. Mélyfúrások segítségével már amai technikával is sokkal nagyobb arányban lehetne kiaknázni,azonban a beruházási kedvet gátolják a rezervoárbecslésselkapcsolatos bizonytalanságok. Elsősorban ott tapasztalhatóérdemleges előrehaladás, ahol az információk más irányúásványvagyon-kutatás melléktermékeként rendelkezésre állnak (pl. aszénhidrogén-kutatás mélyfúrásaiból). Egyébként kevés az adatannak megítélésére. hogy egy-egy erőforrásra mennyi ideig lehetbiztosan számítani, annak hozama, a víz hőmérséklete és nyomásahogyan fog a jövőben alakulni. Egyes forrásoknál ezek a jellemzőknagyon hosszú ideig állandónak bizonyultak, másoknál viszont előrenem várt csökkenés következett be. Különösen fontos e kérdésekmegválaszolása a nagyarányú hasznosítás előtt, mert a forszírozottkiaknázás fokozza a kimerülés veszélyét (a legtöbb geotermikuserőműnél a gőznyomás fokozatosan csökken).

A természetes hőforrások gazdaságos kiaknázásának köre nem túlszéles, a 40 °C-nál nem melegebb vizek elsősorban balneológiai(fürdők) célokra hasznosíthatók, a 40..70 °C-ú források pedigmezőgazdasági célokra. A 70..120 °C hőmérsékletű forrásoktérfűtésre, használati melegvíz-szolgáltatásra alkalmazhatók; kisebbtelepülések távhőszolgáltatására gazdaságos rendszereket lehet velekialakítani, ha oldott ásványtartalma nem túl nagy. Nagy vízhozamú,130..150 °C-nál melegebb források elvileg villamosenergia-termelésreis felhasználhatók, a gyakorlatban azonban ez még ritkángazdaságos. A villamosenergia-termelésre a száraz, kismértékbentúlhevített gőzt termelő források a legalkalmasabbak, a gőzzelközvetlenül lehet a turbinákat hajtani. Ilyen források azonban csakkivételesen, néhány helyen fordulnak elő, a kiaknázott lehetőségek3..10 bar nyomáson 136..245 °C hőmérsékletű gőzt szolgáltatnak. Amegvalósított geotermikus erőművek 70 %-át száraz gőz táplálja. Atermészetben azonban többnyire nedves gőzforrások találhatók, ezekkiaknázása bonyolultabb és drágább, mert a hasznosításhoz a vizet lekell választani, esetleg a nyomás változtatásával annak egy részétmég el is kell gőzölögtetni.

3.2.2. Megújuló elsődleges energiahordozók

Bár bizonyos mértékig minden elsődleges energiahordozó és -forrásmegújul, a gazdálkodás szempontjából csak azokat lehet ide sorolni,amelyeknél a felhasználás mértéke nem haladja meg a megújulásét.Ennek a követelménynek azok természeti erők felelnek meg,amelyeket legfeljebb csak a keletkezés ütemében lehet kiaknázni,ilyen ütemben viszont állandóan újratermelődnek. Az effajta

70

energiaforrásokra rendszerint az is jellemző, hogy nem tárolódnak,azaz ha nem aknázzák ki őket, potenciális lehetőségükhasznosítatlanul elvész: a beeső napsugárzás kisugárzódik avilágűrbe, a folyók belefolynak a tengerekbe, a hullámzáslecsillapodik stb.

Megújuló energiaforrásaink túlnyomó többsége közvetlenül vagyközvetve a napsugárzással van összefüggésben. Megújulóenergiaforrás az árapály is, amelynek alakításában azonban a Holdjátszik döntő szerepet.

3.2.2.1. NAPENERGIA

Igaz ugyan, hogy az árapály-energia és a nukleáris energiahordozókkivételével minden energiahordozó energiája a Napbólszármaztatható, de a fosszilis tüzelőanyagok évmilliárdok alattfelhalmozott energiáját mi néhány évszázad alatt eltüzeljük. A mostszóban forgó energia azonban minden nap megújul. A Föld bármelyféltekéje által nappal felhalmozott energiát éjszaka kisugározza avilágűrbe.

A legnagyobb jelentőségű megújuló energiaforrás a napsugárzás. Anaptól földtávolságnyira a sugárzás felületegységre jutó teljesítményeátlagosan 1,35 kW/m2. A légkör határán és légkörben ennek azenergiaáramnak egy része visszaverődik ill. elnyelődik. A Földfelszínére jutó sugárzás nagyrészt látható fény, intenzitásánakmaximuma a zöld a színnél van (ezzel magyarázható a klorofil zöldszíne).

A Földet érő napsugárzás hatalmasa energiája sok emberben olyangondolatokat ébreszt, hogy ebben keresse az energiaellátás véglegesmegoldását. Sajnos e feltételezések nem reálisak. A Földet érőnapsugárzás egy évi energiájának 1 ‰-énél többet nemigen lehetenergetikai célokra elvonni, ha nem akarunk ökológiai zavarokatelőidézni a bioszférában. A továbbiakban a napenergia nem lehet azegyetlen kizárólagos elsődleges energiaforrás, csupán az egyidejűleghasznosított energiahordozók és -források egyike.

Ha nem remélhetjük is, hogy a napenergiával meg lehet oldani atávlati energiaproblémát, érdemes törekedni e megújuló, tiszta. akörnyezetet nem szennyező forrás minél nagyobb arányúkiaknázására.

Jelenleg a napenergiát legszélesebb körűen a mezőgazdasághasznosítja, hiszen a növénytermesztés alapvetően a fotoszintézisenalapul. A fotoszintézis során a növények a klorofill katalitikushatására szén-dioxidból. vízből és ásványokból oxigén felszabadításaközben szénhidrátokat állítanak elő. Az endoterm reakciók energiájáta napsugárzás fedezi, annak átlagosan 55 %-a oxidációs

71

folyamatokban újból szabaddá válik (légzés), 45 %-a pedig mint kötésienergia a keletkező szerves anyagokban marad. A lehetséges sokfélefolyamat közül a legegyszerűbb a glukóz képződése a

6CO 6H O C H O 6O2 2 6 12 6 2+ → + +

reakció szerint, a reakcióhő fedezéséhez a fénynek 15,7 MJ energiátkell biztosítani 1 kg glukóz előállításához. A fotoszintézis jóhatásfokú, energiaintenzív folyamat, amit az is érzékeltet, hogykémiai úton a víz felbontásához sokkal magasabb hőmérséklet,3000 °C szükséges. Ez a növények növekedésére hasznosított energia1 kg szilárd szerves anyagban átlagosan 16 MJ, természetesen anövények fajtájától és a környezeti adottságoktól függően az átlagkörül nagy a szórás. A növények súlya a növekedés időszakában 1 m2

területen naponta átlagosan néhány grammal gyarapszik. Atalajszintre érkező napsugárzásból a növényvilág a növekedésre aszárazföldön 0,2..0,3 %-ot, a tengerben 0,04..0,07 %-ot hasznosít. Afotoszintézis a Földön évente 2·1011 t karbont köt meg, ami3·1021 J/év-nek felel meg. (Ez a világ energiafelhasználásánaktízszerese és az élelmiszerfelhasználás kétszázszorosa.) A fotoszintézisenergetikai hatásfokának elméleti maximumát 13 %-rá becsülik, atényleges értékek jóval kisebbek.

A természetben előforduló minden szerves vegyület végső fokon afotoszintézisből származik, a növényvilágnál ez a kapcsolat közvetlen,az állatvilágnál közvetett a táplálékláncon keresztül érvényesül. Azélőlények elpusztulása után e szerves anyagok tovább oxidálódnak ésbomlanak, kötési energiájuk nagy része a bomlástermékekbenvisszakerül a légkörbe vagy kisugárzódik infravörös hullámokformájában, visszakerül a légkörbe vagy kisugárzódik infravöröshullámok formájában a világűrbe, és csak nagyon kis része maradvissza a talaj részévé váló anyagban (humusz, szapropél). Avisszamaradó anyag ismét bekerülhet a táplálékláncba, de ezekbőlképződnek az ásványi tüzelőanyag-készletek is.

Vannak, akik javasolják a fotoszintézis kifejezetten energetikai célúhasznosítását. Az egyik irányzat gyorsan növő növényi tüzelőanyagoktermelését ajánlja melegebb klímaövezetekben kialakítottenergiaültetvényeken. E célra felvetik különféle fák (szikomor-,eukaliptusz, nyár-, édes gumi-, éger-, kőrisfa), egyéb szárazföldinövények (szudáni fű, napier fű, cirok, cukornád, cukorrépa,napraforgó, kenaf) és vízi növények (tengeri hínár, vízijácint)termesztését. A biokonverzió átlagos teljesítménysűrűsége 0,5 W/m2-re becsülhető. 100 MW höteljesítmény kielégítéséhez például 130 km2

cukornádültetvény vágy 740 km2 szikomorfa-erdő szükséges. Trópusierdőkben a begyüjtés és a szállítás okoz gondot, mérsékelt égövönpedig a növényápolás. Valószínűtlen, hogy e munkaigényes eljárás

72

több társadalmi hasznot hajt, mint a kultúrnövények termesztése,arról nem beszélve, hogy a világ élelmezési nehézségei miattfontosabb a termőföldet és a munkaerőt élelmiszerek termelésérehasználni. Több fantázia van a javaslatok másik irányzatában, amelyvegyipari feldolgozásra kíván a fotoszintézissel szénhidrátokatelőállítani. Többnyire vizes kultúrákban (energiafarm, biomassza)gyorsan fejlődő moszatok, algák tenyésztését kutatják, a tenyésztéshatásfokát az enzimvegyészet módszereivel nagymértékben fokoznilehet. Az így előállított szénhidrátokból részben a szokásos kémiaitechnológiai eljárásokkal, részben a mikroorganizmusok segítségévelkialakított fermentáció során különböző nyersanyagokat akarnakgyártani, többek között tüzelőanyagokat is (metán, metanol, hidrogén,olaj stb.). A kutatások azonban még gyermekcipőben járnak,hasznosításuk sikeres kimenetel esetén is évtizedekbe telik.

A sugárzást a legkönnyebb hő formájában hasznosítani. Azenergiaátalakítás egy abszorbensben történik; ez a legegyszerűbbesetben sötét színű fémfelület, ami a sugarakat elnyeli ésfelmelegszik. Fekete felületek abszorpciója 90..97 %-os. Azabszorbens hőmérséklete addig emelkedik, amíg a sugárzás,konvekció és hővezetés révén leadott teljesítménye el nem éri azabszorbeált sugárzás teljesítményét. A konstruktőrök fő feladata eveszteségek csökkentése. A konvekció hőszigeteléssel üveg, (légrétegműanyag), a kisugárzás az infravörös hullámokat visszaverő réteggelcsökkenthető. Az utóbbinak legegyszerűbb módja egy vagy több, afényt áteresztő, de az infravörös sugarakat visszaverő üveg vagyműanyag réteg az abszorbens előtt. Ezt a hatást mind ezeken arétegeken, mind az abszorbensen szelektív bevonatokkal fokoznilehet, így a kisugárzást 5..10 %-ra is le lehet szorítani.

A napenergia technikai hasznosításával már régóta próbálkoznak,azonban a helyi jelentőségű megoldásokon nem jutottak túl.Egyiptomban már 80 évvel ezelőtt üzembe helyeztek öntözési célokraegy 40 kW-os gőzgépet, amelyhez a gőzt egy csőben parabolareflektorokkal fókuszált napsugarakkal állították elő. Indiábanelterjedten használnak főzésre egyszerű naptűzhelyeket, ahol azedényt fémtükörrel összegyűjtött napsugarak melegítik fel. Számosországban találhatók napenergiával működő vízmelegítő-,gőzfejlesztő-, szárító- és egyéb berendezések (Közép-Ázsia, Észak-Afrika, Közép-Amerika), de energetikai jelentőségük egyelőre nagyonalárendelt. Az energiaárak emelkedése nagy lökést adott a napenergiaszélesebb körű hasznosítására irányuló törekvéseknek, intenzívkutató-fejlesztő munka indult meg gazdaságos rendszerekkidolgozására.

A napenergia hasznosításának útjában két alapvető nehézség áll. Azegyik a napsugárzás szakaszos és változékony jellegéből fakad. Kevés

73

felhasználó van, amelyik energiaigényeivel ehhez alkalmazkodni tud,ezért többnyire szükség van energiatárolásra. A tárolás megnöveli azamúgy is számottevő beruházási költséget és növeli azenergiaveszteséget. Ez óhatatlanul olyan területekre korlátozza ahasznosítást, ahol az igényeket más energiahordozóval nem lehetolcsón kielégíteni, vagy az ellátásnak technikai akadályai vannak. Atetemes beruházási költségek miatt a napenergia elsősorban ott lehetversenyképes, ahol a sugárzás intenzitása és a napos órák számanagy (trópusi és mediterrán területek, magas hegyek, a légkörönkívüli térségek). A másik nehézséget a sugárzás kis energiasűrűségeokozza. A felhasználás jellegétől és az átalakítás hatásfokától függően1 kW teljesítményhez 10..50 m2-ről kell összegyűjteni a napfényt, ami1 GW-nál már 10..50 km2-t jelent. Ebből viszont az következik. hogynagy teljesítményű berendezéseket csak más célra használhatatlanterületekre, például sivatagokba lehet telepíteni. Ezért a mérsékeltégöv alatt nagy teljesítményű létesítmények építése még a távolijövőben is elképzelhetetlen. Az ilyen klímaövezetben az is hátrányos,hogy az év jelentős hányadában az égbolt fedett, csupán szórtsugárzás érkezik a talajszintre, amit nem lehet optikailagkoncentrálni.

������������������������������������������������������������������������������

abszorbens

bevezetés kivezetésmunkaközegcsõvezetéke

hõszigetelésfényáteresztõborítólemezek

7. ábra. Egyszerű síkkollektor

A hőfejlesztés a legelőrehaladottabb és legígéretesebb irányzat anapsugárzás hasznosítására. Ennek legegyszerűbb módszerét, amelegház-hatást a mezőgazdaságban széleskörűen alkalmazzák. Anövényházak üveglapjai és a fóliasátrak műanyag borítása anapsugarakat átengedi, a felmelegedett talaj és növényzet infravöröskisugárzását viszont jórészt visszaveri, így a hő nagy része a zárttérben marad. Lényegében ennek továbbfejlesztett változata asíkkollektor (7. ábra); lényege egy olyan abszorbeáló felület, amely aλ < 3 µm hullámhossztartományba eső napsugárzást elnyeli és hővéalakítja át, viszont kevéssé hajlamos a hő kisugárzására a λ > 3 µmhullámhosszú infravörös tartományban. Ilyen felületeket megfelelő

74

összetételű fémes anyagokból, illetve sötét festék- vagyoxidbevonatokkal lehet előállítani. Az abszorbeáló felülettől a hőtáramló munkaközeg – többnyire levegő vagy csövekben keringő víz –szállítja el. A víz keringtetéséhez a járatokat legegyszerűbb magábanaz abszorbeáló felületben kialakítani. E hőcserélőt a környezettől alulszilárd hőszigetelés, felül levegőréteg választja el, a kollektort pedigolyan üveg- vagy műanyag réteg fedi le, amelyik a napsugárzástátereszti, de az infravörös sugarakat visszaveri vagy szétszórja. Afedőréteg optikai tulajdonságai bevonatokkal szintén befolyásolhatók,a hőháztartás javítására gyakran kettős (néha hármas) üveglapotalkalmaznak. A kollektorral a víz akár forráspontig is felmelegíthető.A síkkollektorok hatásfoka erősen függ a sugárzás teljesítményétől.Az egyszerű síkkollektorok maximális hatásfoka 40..50 %, de a légkörpáratartalmának növekedésével gyorsan zérusra csökken. Javítja ahatásfokot egy második üveglap; szelektív bevonatokkal borús, sőtcsapadékos időben is használható rendszereket lehet kialakítani,amelyeknek hatásfoka derült időben 60..70 %-ot is elérhet. Újabbanépületelemekből (ablak, tető, falrészlet) készített kollektorokkidolgozásával is foglalkoznak.

Villamosenergia-fejlesztés céljára a magas hőmérsékletű kollektorokkét rendszerét alkalmazzák. Az egyik parabolatükrök vagy Fresnel-lencsék sorozatából áll, amelyeknek gyújtópontjában vagygyújtóvonalában helyezkednek el az abszorbensek (solar-farm),ezekből gyűjtik össze a felmelegített munkaközeget. E 12..15 %-oshatásfokú berendezés viszonylag egyszerű, de csak kisebb, mintegy50 MW-ig terjedő tartományban gazdaságos. Nagyobb teljesítményretöbbet ígér a 18-20 %-os hatásfokú toronymegoldás, ahol a tükrökegy torony tetején elhelyezett gömb alakú abszorbensre koncentráljáka sugarakat.

Fényelemmel vagy termovillamos generátorral a napsugárzásközvetlenül is villamos energiává alakítható. A félvezető technikagyors fejlődése ellenére a fényelemek nem értek még el átütő sikert azvillamosenergia-fejlesztés területén, alkalmazási területükmeglehetősen korlátozott, elsősorban speciális igények kielégítéséreirányul.

Az említett speciális alkalmazási körön kívül a napfényelemekenergetikai alkalmazása egyelőre szóba sem jöhet, mert ezekkel 1 kWbeépített teljesítmény egy nagyságrenddel drágább, mint ahagyományos erőművekben. Ennek ellenére hosszabb távra sokszakértő lát nagy léptékben is fantáziát ebben a közvetlenenergiaátalakítási lehetőségben. Véleményüket a félvezető-technikamás irányú alkalmazásánál tapasztalt ugrásszerű minőségiváltozásokra és az árak nagyságrendi csökkenésére alapozzák. Ezt azoptimizmust a félvezetőipar mögött álló hatalmas kutatási és

75

fejlesztési bázis, az elektronikus alkalmazások által diktált gyorstechnológiai fejlődés némileg indokolja. Az átalakítási hatásfokjavítása mellett a kutatás fő célja most az árak csökkentése.

A fotoelektromos hatás minden halmazállapotban előfordul, de alegnagyobb hatásfokkal félvezetőkben lép fel. A fényelemek p–nátmenetű félvezetők, amelyekben az ionozási munkánál nagyobbenergiájú ténykvantumok hatására töltéshordozó ár keletkezik. Ezekszétválasztásához a feszültséget különböző anyagok érintkezésénélfellépő kontaktpotenciál biztosítja. A fényelemeket néhánynégyzetcentiméteres felületű, 50..500 mW teljesítményű egységekbentudják gyártani, s négyzetméter nagyságrendű panelekben fogjákössze. A legjobb hatásfok a Si egykristályból készült fényelemektőlvárható, az elméleti határ kb. 25 %, az eddig megvalósított elemekéennek kereken a fele. Különleges gyártási eljárásokkal és optikailagszelektív rétegek kialakításával a hatásfokot néhány százalékkalnövelni lehet, de ez az előállítási árat is emeli. A fejlesztés mapontosan az ellenkező irányba mutat, a hatásfok terén tett jelentősengedmény (10..11 %-os átalakítási hatásfok) árán kívánnakelőállítani nagy tömegben gyártható, nagyon olcsó fényelemek Sokankétlik, hogy ez az Si egykristályokkal megvalósítható (a tömeggyártástjelentő folytonos növesztésénél a szennyezés nagyobb a kívánatosnál),inkább még alacsonyabb hatásfokú, de tömeggyártásban többet ígérőrendszerek kidolgozását szorgalmazzák, így a polikristályos Si-ot(η = 4..6 %) és a Cd, esetleg CuS elemeket (4..10 %), amelyek avékonyréteg-technikával nagy tömegben állíthatók elő. Drágaanyagokkal lényegesen jobb hatásfokot (15..20 %) lehet elérni (pl.GaAs, CdTe, AlSb, InP), de ezekkel a tömeggyártás nem látszikgazdaságosnak, a Ge elemek pedig nem elég hőállóak. A kutatókvéleménye szerint néhány éven belül elérhető a 20 %-os hatásfok, ésaz árakat 10 éven belül több nagyságrenddel le lehet szorítani. Ha ezsikerül, elképzelhető lesz erőművek építése is napfényelemekkel egyesterületeken, ott, ahol az 50..75 km2/GW területigény kielégíthető.

3.2.2.2. VÍZENERGIA

A legnagyobb mértékben hasznosított megújuló energiaforrás avízenergia. A vízkörfolyamat fenntartása a Földre beeső napenergia23 %-át köti le, ennek legnagyobb részét (20,7 %) a vízelpárologtatása teszi ki, a többi az elpárologtatott víz szállítását, acsapadék és a felszíni vízfolyások fenntartását szolgálja. Mintegy2..3 MJ munka szükséges ahhoz, hogy 1 kg víz a szabadvízfelszínekről elpárologjon és a vízgőz a felhőképződés szintjéigfelemelkedjen. Ennek az energiának a legnagyobb része azonban a miszámunkra elvész, a gőz kondenzálódásakor felszabaduló hő afelhőket melegíti, a csapadék (eső, hó, jég) mozgása közben fellépő

76

súrlódási és ütközési veszteséget sem tudjuk felhasználni, ésugyancsak veszendőbe megy a felhő és a földfelszín közötti potenciálisenergia. A lehullott csapadék egy része a felszíni vízfolyásokbangyűlik össze, a gravitáció hatására a tengerig vezető útjuk soránjelentős ellenállást kell a vízrészecskéknek leküzdeni. Az egészkörfolyamatból tulajdonképpen csak azt a kis hányadot lehethasznosítani, amivel csökkenteni tudjuk a tengervízig vezető út soránfelemésztett energiát. Az áramló víz energiáját alapvetően a vízfolyásszintkülönbsége szabja meg, e mellett a mozgási energiaelhanyagolható. Az áramlási sebesség ugyanis a leggyorsabbszakaszon sem haladja meg az 5..6 m/s-ot, ami a Bernoulli-egyenletszerint csupán 1..2 m-es geodetikus szintkülönbségnek felel meg, ezpedig jelentéktelen a potenciális energia mellett. A veszteségcsökkentésének két útja van, az egyik a sebesség, a másik a súrlódásiellenállás csökkentésé. A vízfolyás duzzasztás hatására lelassul; mivelaz áramlási veszteség a sebesség négyzetével arányos, a duzzasztáskövetkeztében a súrlódás leküzdéséhez szükséges energia csökken. Apotenciális energia így felszabaduló része jelöli ki az energetikai célrahasznosítható esésmagasságot. Ugyancsak a súrlódás csökkenéséteredményezi, ha a vizet a természetes medertől eltérő, kisebbáramlási veszteséget okozó pályán vezetik. Ez lehet a felszínenvezetett üzemvízcsatorna, a föld belsejében kialakított vízzáró alagútvagy külön nyomócső. E pálya rendszerint rövidebb, mint atermészetes meder, és fala lényegesen simább, a kisebb súrlódásiveszteség ugyancsak a potenciális energia egy részét teszihasznosíthatóvá.

Technikailag a legjobb (90..95 %-os) hatásfokkal a víz potenciálisenergiáját tudjuk mechanikai energia formájában hasznosítani. Apotenciális energiakészlet egyrészt az adott szakaszon az időegységalatt átfolyó víz mennyiségével jellemzett vízhozammal, másrészt aszintkülönbségtől függő esésmagassággal arányos. A szintkülönbséga domborzati viszonyoktól függő állandó érték, de az ebbőlenergetikailag kiaknázható hányad már függ a vízjárást befolyásolóműtárgyaktól. A vízhozam viszont időben változó mennyiség, nagyonerősen függ a vízgyűjtő terület csapadékviszonyaitól, hegyvidéken ahóolvadás lefolyásától, a nem energetikai célú vízkivételezés (öntözés,ivóvíz, ipari felhasználás) mértékétől. a vízgyűjtés módjától azesetleges tározókban, valamint a vízfolyásra telepített másvízerőművek üzemvitelétől. A vízhozam valószínűségi változó, amitcsak több évtizedes megfigyelés alapján lehet megítélni. A vízhozamszélső értékei között nagyságrendi különbség lehet, például a Dunalegkisebb vízhozama sok évtizedes időszak alatt Qmin = 700 m3/s,legnagyobb vízhozama pedig Qmax = 8500 m3/s volt. A hasznosításszempontjából perdöntő, hogy milyen vízhozammal lehet tartósanszámolni.

77

A világ potenciális vízenergiakészletéről csak becslések állnakrendelkezésre, a számítások szerint évi kb. 300 EJ. Ebből műszakilag160 EJ-t tartanak elméletileg hasznosíthatónak, figyelembe véve,hogy a potenciális energia egy része a súrlódás leküzdéséhezszükséges. más része pedig műszaki korlátok miatt nem kiaknázható(túl kis vízhozam vagy esésmagasság, topológiai akadályok, akiépítésnél elkerülhetetlen veszteségek stb.). Az elméletileghasznosítható energia 5 TW-nyi teljesítményt jelent. A technikafejlődése növeli ugyan a műszaki hasznosítás lehetőségéit, de etekintetben minőségi változást már nem lehet remélni. Az, hogy aműszakilag kiaknázható potenciálból mennyit érdemes valóbanigénybe venni, gazdasági mérlegelés tárgya, ami nagyrészt aberuházási terheken múlik.

Maguk a vízerőművek is beruházásigényesek, létesítésük együtt járkiterjedt egyéb építési munkálatokkal is. A vízgyűjtéshez gátakat ésvíztározókat kell építeni, a vízhozam biztosításához hosszúüzemvízcsatornákat, nyomócsöveket vagy más rendszereket kellmegvalósítani. az árvízvédelemhez hosszú partszakaszokat kellmegerősíteni, esetleg településeket áthelyezni, gyakran közlekedésiútvonalakat (út, vasút) és közműrendszereket (víz. csatorna,távvezeték, csőhálózat) is át kell építeni, hajózható folyamokon pediga hajózás biztosítása külön zsiliprendszert igényel a vízlépcsőnél.Egy-egy vízerőmű építése nemcsak a vízfolyás jellegét változtatja méghosszabb szakaszon, hanem az életkörülményeket is. A nagyberuházási költségek többnyire akkor térülnek meg, ha az energetikaihasznosítás a körzet vízgazdálkodási problémáinak komplexmegoldásával párosul. Ilyen lehetőségek közé tartozik az árvízveszélymegszüntetése a partvédelem kiépítésével és a vízjáráskiegyenlítésével, stabil hajózóút kialakítása a duzzasztás révén, azöntözési és egyéb vízigények feltételének megteremtése azegyenletesebb vízhozammal, víztározóknál üdülési övezetekkialakítása, haltenyésztés lehetővé tétele stb.

A beruházási költségeket alapvetően a topológiai viszonyok szabjákmeg. A kiaknázható esésmagasság függvényében megkülönböztetnekkis, közepes és nagy esésű erőműveket (nyomásúnak is nevezik aturbinában hasznosított nyomáskülönbség alapján). Az esésmagasság15 m alatt kicsi. 50 m felett nagy. az átmeneti 15..50 m közöttiközepes kategória energetikailag és a szerkezeti megoldások szerintegyaránt a nagy esésű erőművekhez sorolható. A nagy esésűerőművek többnyire fajlagosan olcsóbbak. A hegyekben rendszerintkínálkoznak olyan völgyszakaszok, amelyek völgyzárógáttalelrekeszthetők a víz összegyűjtésére. Ezekben a tározókban nemcsaka vízjárás egyenetlenségeinek kiegyenlítéséhez szükségesvízmennyiség gyűjthető össze, hanem a villamosenergia-rendszer

78

csúcsterhelésének időszakára nagyobb tartalékot is lehet képezni,ami rendszerszinten járulékos értéket ad ezeknek az erőműveknek. Atárolt vízmennyiségtől függően napi, heti, éves (szezonális) vagy méghosszabb idejű tározó alakítható ki. A közepes esésmagasságúerőműveknél rendszerint csak napi vagy heti tározás lehetséges. Anagy esésmagasság még viszonylag kis vízhozammal is számottevőteljesítményt szolgáltat, de ha az nagy vízhozammal párosul, anyerhető nagy teljesítmény a villamosenergia-termelés legolcsóbbmegoldása. A kis esésű erőműveket egyrészt az drágítja, hogyszámottevő teljesítményhez nagy vízhozam szükséges, és a nagyfolyókon a műtárgyak építése sokba kerül, másrészt az, hogy azesésmagasság kialakításához hosszú szakaszon kellvisszaduzzasztani a folyót, ami rendszerint partvédelmet is igényel. Atározás lehetőségei a kis szintkülönbség miatt korlátozottak,legfeljebb napi periodicitás valósítható még.

A szezonális tározás mértéke erősen befolyásolja a vízerőművekkihasználását. A vízgyűjtő területen csapadékban gazdag és szegényévek váltakoznak, és ha ezt nem lehet kiegyenlíteni, a vízhiányosidőszakban az erőmű az átlagosnál jóval kevesebb energiát tud csakfejleszteni. A ténylegesen hasznosított vízenergia viszonya a sokéviátlaghoz a hidraulicitás, amiben 1:3 arányú eltérések is előfordulnak.A csapadékban bőséges időszak időpontja területenként változik, amagas hegységekben (pl. az Alpokban) a hóolvadás miatt tavasszal, aközéphegyekben (pl. a Pireneusokban) többnyire ősszel nagy avízhozam, ami előnyös kooperációkra ad módot (pl. Franciaország ésSpanyolország között). A gazdaságosságot nemcsak az építésiköltségek befolyásolják. hanem az is, hogyan lehet a fejlesztettvillamos energiát elszállítani. Bár ezt a kérdést az egészen nagyfeszültségű távvezetékek révén egyre könnyebb megoldani, mégisszámos lehetőség kiaknázását ma még nem tartják időszerűnek ésgazdaságosnak a nagy szállítási távolság és a nehézmegközelíthetőség miatt.

A gazdaságosan kihasználható vízenergia mértéke a gazdaságikörülményektől függően változik, a jelenlegi megítélés szerint az egészvilágra számolva 40 EJ-ra tehető. Az erre telepíthető erőműkapacitásnagysága az üzemvitel módjától függ, átlagértékkel számolva kb.3 TW, aminek eddig 12 %-át építették ki. Érdemes megemlíteni, hogya világ átlagosan 15 évenként megkétszereződő összesítetterőműkapacitása egy évtizeden belül meghaladja a 4 TW-ot, így atávolabbi jövőben a vízerőművek részaránya szükségszerűencsökkenni fog. A vízenergia hasznosításának nagy múltja van.Vízikerékkel hajtott öntözőberendezeseket már az ókorban használtakEgyiptomban, Mezopotámiában, Kínában. A vízimalmok gyorsanterjedtek el a középkorban, majd fokozatosan igénybe vették a

79

vízenergiát bányaszivattyúk, emelőberendezések, különféle nagy erőkifejtését igénylő munkagépek. valamint a kohók fújtatóinakműködtetésére. A vízikerék volt a manufaktúrák fő hajtóereje agőzgép megjelenéséig, az ipari forradalom után azonban teljesenháttérbe szorult. Minőségi változást jelentettek a jó hatásfokúvízturbinák, kezdetben mechanikai hajtásra, később azonban szintekizárólagosan villamos energia előállítására. A villamosítás elsőszakaszában úgy tűnt. hogy a vízerőművek alapvető szerepet kapnaka villamos energia előállításában. A kedvező hidropotenciállalrendelkező országok sorra építették ki vízerőműveiket, főleg a nagyesésmagasságot biztosító hegyvidéken. Ahogy a villamos erőátvitelfeszültségeit növelni lehetett, az elszigetelt helyi ellátást fokozatosannagyobb területre kiterjedő kooperáció váltotta fel, ami lehetővé tettea vízenergia elszállítását nagyobb távolságra is. A rohamosan növekvővillamosenergia-igényeket azonban csak néhány kivételes adottságúterületen lehetett kizárólagosan a hidropotenciállal kielégíteni (pl.alpesi és skandináv országok), másutt a hőerőművek kaptakdomináns szerepet. A második világháború után a vízerőmű-építésüteme – főleg a nyugat-európai országokban – csökkent, mertelfogytak az olcsón kiaknázható legkedvezőbb lehetőségek, egyesországokban a gazdaságosan kiaknázható potenciál nagy részét –Japánban 64 %-át, Nyugat-Európában átlagosan 60 %-át –kiépítették. Az alacsony tüzelőanyagárak mellett a drágábbmegoldások elvesztették versenyképességüket, ezért számosvízerőmű-építési tervet vetettek el vagy halasztottak bizonytalanidőre. A vízerőművek versenyképességét az is korlátozza, hogy aturbinák elérhető egységteljesítménye lényegesen kisebb, mint ahőerőműveké. A mintegy 80 m-es esésmagasságig használhatóKaplan-turbina – amely a kis esésű vízerőművek tipikus berendezése– 120 MW-ig készül, ugyanez a határteljesítménye a 450..2000 m-esesésmagasságú erőművek Pelton-turbináinak is. Nagyobbteljesítményt egyedül az 50..450 m esésmagasság tartományraszolgáló Francis-turbináknál lehet elérni, ezek felső határa 1200 MW.A vízerőművek részaránya a hatvanas években tetőzött, ekkor ez azenergiaforrás a világ primer energiaigényeinek kereken 6 %-átelégítette ki. Azóta a vízerőművek részaránya folyamatosan csökken,annak ellenére, hogy több országban hatalmas létesítményekethelyeztek üzembe. Ma a vízerőművek a világ erőműkapacitásának aligtöbb mint 20 %-át teszik ki, és az említett okok miatt ez az arány ajövőben tovább fog csökkenni. Nem változtat ezen, hogy atüzelőanyagárak emelkedését követően a vízerőművek megítélése isváltozott, számos félretett terv minősült újra megvalósításraérdemesnek. Ennek az átértékelésnek figyelmet érdemlő fejleménye,hogy míg korábban a drága, nagy teljesítményű vízerőművekgazdaságosságát alaperőműként való üzemeltetésük biztosítottá,

80

addig a magas tüzelőanyagárak és hőerőmű-beruházási költségekmellett csúcserőműként is gazdaságosakká váltak. Folyamatban vanszámos nagy vízerőmű kapacitásának jelentős bővítése nagygépegységek pótlólagos beépítésével, természetesen a csúcsüzemretörténő áttérítés ellenében (pl. a legnagyobb észak-amerikai erőmű,Grand Coulee teljesítményét több mint háromszorosára, 10 GW-rabővítették). A világ legnagyobb teljesítményű erőművei vízerőművek,üzemben vannak 5..6 GW-os (krasznojarszki, Szajano-Susenszk-i,quebeci, bratszki stb.) létesítmények.

A nagy esésű erőművek különleges típusát képviselik a szivattyús-tározós erőművek, amelyekben a vizet a kis terhelésű időszakbanszivattyúval nyomják egy felső tározóba és a nagy terhelésűidőszakban turbinán keresztül engedik vissza az alsó tározóba. Azeddig megvalósított rendszerekben a felső tározót folyóvölgyekbenvagy kedvező adottságú hegytetőkön alakították ki, az alsó tározópedig duzzasztott folyószakasz vagy tó. Szivattyús tározók ahasznosított energetikai potenciált nem növelik, csupán ahasznosítás időbeli átütemezésére adnak módot, mintegy 20..25 %veszteség árán. Ez a módszert, amelyik a villamosenergia-rendszercsúcsigényeinek fedezését biztosítja, akkor lehet gazdaságos, ha aszivattyúzási munkát olcsó és felesleges energiahordozóból lehetfedezni, ezért a szivattyús tározók alapüzemben járó vízerőművekhezvagy atomerőművekhez kapcsolódva terjedtek el. Jelentősencsökkentette a beruházási költségeket a szivattyú és turbinafunkcióját egyaránt ellátó reverzibilis vízgépek megjelenése. Aszivattyús tározók a teljesítménygazdálkodás mellett avillamosenergia-ellátás üzembiztonságát is javítják, mert üzemzavaresetén gyorsan indítható tartalékot jelentenek.

Tengeri hullámzás

Ugyancsak visszatérő gondolat a szelek által keltett tengerihullámzás hasznosítása energiafejlesztésre, ami szintén a napenergiaközvetett kiaknázása. Hullámokkal működtetett berendezésekrenagyszámú szerkezetet szabadalmaztattak, de ipari megvalósításraezek nem bizonyultak alkalmasnak. A hullámok kialakulásánakrészletei még több tekintetben tisztázatlanok, a szél hatásán kívül avízmélységnek is jelentős a szerepe. A vízrészecskék körmozgásuknakés haladásuknak megfelelő kinetikus energiával, valamint ahu11ámhegv és hullámvölgy szintkülönbségének megfelelőpotenciális energiával rendelkeznek. Az elméleti számításokmeglepően nagy energiatartalomra vezetnek: 1 m hosszú hullámfrontteljesítménye 1 m-es hullámmagasságnál 1 kW, 2 m-es hullámoknál10 kW, 5m-es hullámoknál 100 kW és 13 m-es hullámoknál 1 MWnagyságrendben mozog. Az Északi-tengeren például az átlagoshullámmagasság 1,5 m, 6 s-os periódusidővel. Miután a hullámzás

81

lassan csillapul, a tenger energiatárolóként viselkedik, e kiegyenlítőhatás csökkenti az energiatározás szükségletét. Elvileg a hullámpotenciális energiáját a nyomáskülönbség kiaknázásával lehethasznosítani, a vízfelszín alatt lebegő berendezésekkel, vagy mélyvízben haladó hullámoknál a hullámprofil változását követőszerkezetekkel. Ezekben szelepek választják el a különböző nyomásúkamrákat és a nyomáskülönbség mechanikai munkát szolgáltat.Ilyen elven működő 100..500 W-os áramforrások bóják,világítótornyok ellátására elvétve már üzemben vannak. A körpályánmozgó vízrészecskék kinetikus energiáját olyan aszimmetrikus profilúúszókkal próbálják kiaknázni, amelyeknek felső része követi avízfelszín mozgását, alsó része pedig rögzített körpályán elfordul. AzAtlanti-óceánon szerzett tapasztalatok szerint a nyílt tengeren csupánaz idő 1 %-a hullámmentes és hasonló időtartamú a túl nagyhullámokat okozó viharos időszak. Gondot okoz, hogyan lehet atengeri viharokkal szemben a berendezések épségét biztosítani. Azangol villamosenergia-rendszer nagyszabású kutatási programotindított el a hullámzást hasznosító berendezések fejlesztésére. Azatlanti-óceáni partvidéken ebben komoly energetikai lehetőségetlátnak. A fejlesztett villamos energia elszállítása itt is gond, ennekáthidalási lehetőségei között szerepel a tengervízből hidrogénelőállítása, illetve urán kinyerése is. Néhány kísérleti rendszervizsgálata folyamatban van.

Árapály

A különféle tengeri effektusok közül egyedül az árapályhasznosítására került sor. A vízerőművek különleges típusát jelentőárapály-erőművek nem a napsugárzást, hanem a gravitációs energiátaknázzák ki. A Hold és a Nap tömegvonzásának hatására a tengerekszintje ütemesen változik, naponta kétszer apály és dagály alakul ki.A Hold 24 óra 50 perces keringési idejének megfelelően a tengerszintje 12 óra 25 perces ciklusokkal változik. A Hold és a Nap relatívhelyzetének változása mintegy 14 napos ciklusidővel a maximumokugyancsak szinuszos változását okozza. A legnagyobb érték a kétégitest tavaszi együttállásakor, a legkisebb őszi oppozíciójuknál lépfel, e kettő aránya háromszoros értéket is elérhet. A szintkülönbségértékét erősen módosítják a partviszonyok, a beltengerek közepéncentiméter, partján deciméter nagyságrendű, a nyílt óceánokon 1 mkörüli, az óceánok egyes partvidékein viszont a rezonancia és azöblök tölcsérszerű összeszűkülése következtében nagy értéket iselérhet. Kanada keleti partján 15..20 m-es vízjáték is előfordul, azangol és a francia partvidék egyes pontjain a csúcsérték 14 m. Acsillagászati adatokból számítva a Földön lejátszódó árapály teljesenergiája 2,6..3 TW. Energetikailag az apály és a dagály szintje közöttikülönbség kis esésű vízerőművel hasznosítható. Elvileg már 3 m-es

82

szintkülönbséget is lehetne hasznosítani, de a gazdaságosmegoldáshoz ennek többszöröse szükséges. Erőmű csak ottvalósítható meg, ahol egyrészt az apály és a dagály szintkülönbségerendszeresen meghaladja az 5..l0 m-t, másrészt, ahol tengeröblöketvagy folyótorkolatokat viszonylag kis munkával alkalmassá lehettenni a szükséges vízmennyiség felfogására. E feltételeknek csakkevés hely felel meg, ezek számbavételével a kiépíthető teljesítménytmindössze 100 GW-ra becsülik (3 EJ/év). A legnagyobb árapály-erőmű 240 MW-tal (24×10 MW) Franciaországban működik, kisebberőművek üzemben vannak a volt Szovjetunióban területén ésKanadában. Bár árapállyal működtetett vízimalmok már sok száz éveműködnek, és villamosenergia-előállításra már az első világháborúelőtt is épült kísérleti berendezés, a kiépíthető teljesítmények 1 %-asincs kiaknázva. Ennek okát az aránytalanul nagy beruházásiköltségben kell keresni, amit a vízépítési műtárgyak kialakításánakbonyolultabb feltételei és a sós víz agresszív hatása elleni védekezéseredményez. Emellett másodlagos jelentőségű az az üzemvitelinehézség, hogy a teljesítmény 12 órás periodicitással 0 és egy változómaximum között hullámzik, függetlenül a fogyasztói igényektől. Azárapály egyenlőtlensége miatt a rendelkezésre álló villamosteljesítmény is ingadozik. Ezt az ingadozást csökkenteni lehet egyvagy több különböző szintű tározó kialakításával, ami azonban amaximális teljesítmény és az energetikai hatásfok csökkenésével jár.Ha megépül is még néhány tervezett árapály-erőmű, ezek csupánalárendelt jelentőségűek lesznek mint tüzelőanyagot megtakarítólétesítmények.

3.2.2.3. SZÉLENERGIA

Áttételesén a napenergia hasznosítását jelenti a szélenergiafelhasználása is. A légkör alsó részét a Föld felszíne melegíti,elsősorban azokkal a kisugárzott infravörös hullámokkal, amelyeket alevegő el tud nyelni. Mivel a felszín hőmérséklet a felszín felépítésétőlés az inszolációtól függ, a levegő hőmérsékletének eloszlása időben éstérben nagyon változatos, ami a légtömegben sűrűség- ésnyomáskülönbségeket hoz létre. E különbségek hatásáralégmozgások és áramlások alakulnak ki, a hő a levegő mozgásienergiájává alakul át. A földfelszín bonyolult felépítésé következtébena széljárás komplikáltan alakul, megkülönböztetnek általános éshelyi szeleket, valamint ciklonokat. Az általános szeleket a pólusok ésaz egyenlítő klímája közötti különbség okozza, rendszerüket a Földalakja és forgása szabja meg. A talajszinten a pólusoktól az egyenlítőfelé és a magasban ellentétes irányba tartó áramlást megszakítjákazok az erők, amelyeket a Föld forgása a légtömegekre gyakorol.Ennek következtében az egyenlítőnél, a 30° körüli szubtropikustérrészben (itt vannak a sivatagok) és 50..60°-nál a szubpoláris

83

régiókban szélmentes övezetek alakulnak ki. Az általános szelek ezenövezetek között keletkeznek. Az egyenlítő és a szubtropikus övezetközött kialakuló passzátszél meglehetősen egyenletes, 5..6 m/ssebességgel fúj évente 290..330 napig, legszabályosabban az óceánokfelett (az északi féltekén északkeleti, a délin délkeleti irányú). Amérsékelt égövön az általános szél nyugati irányú, de sokkalegyenlőtlenebb, a poláris övezetben pedig keleti irányú. Az általánosszélrendszerre helyi szélrendszerek, ciklonok, turbulenciákszuperponálódnak. Az óceánok hőmérséklete sokkal kevésbé követi atéli és a nyári klíma különbségeit, mint a kontinenseké, edifferenciákat egyenlíti ki a viszonylag egyenletes monszun (nyáron atenger felöl, télen a tenger felé fúj). Gyenge légmozgást okoz apártvidékén a napi felmelegedés változása is, ami nappal a part felé,éjjel a tenger felé fújó tengerparti szélet eredményez (parti szél este ésreggel a Balatonon is tapasztalható). Helyi szélrendszerhegyvidékeken is előfordul, a mérsékelt égövön különösen nyáron. Aciklonok a hideg és meleg légtömegek találkozásakor, azokhatárfelületéről indulnak ki, függőleges tengely körül forgó mozgással.E néhány napos képződmények gyakran több hullámban vonulnak el,sebességük változó. átlagosan 6..9 m/s. Hazánk területére leginkábbnyugatról érkeznek. A ciklonoknak – fölég a trópusokon – nagyonheves, nagy szélerejű formái (orkán, hurrikán tornádó, tájfun stb.) isvannak.

0

50

100

150

200

0 2 4 6 8 10

v, m/s

h , m

8. ábra. Az éves közepes szélsebesség függése a talajszint feletti magasságtól

Az áramlás irányát és nagyságát a felszín topográfiája ugyancsakszámottevően befolyásolja. A súrlódás a talajszinten turbulenciátokoz, amit még 1 km magasságban is érzékelni lehet. Az áramlólégtömegek összetétele és állapota sem homogén, ami szinténperturbációk forrása. Mindezek következtében a szél ritkánegyenletes, lökések, ingadozások alakulnak ki. A súrlódás miatt aszélsebesség a talajszint feletti magasságtól is függ, amit a 8. ábra

84

példáz. A sokféle hatás következtében – különösen az olyan fekvésűterületeken, mint Magyarország – a széljárás meglehetősenszeszélyes. A 9. ábra mutatja a szélsebesség éves megoszlását Közép-Európában, a legvalószínűbb érték jó közelítéssel a középérték 0,67-szerese, ami az adott esetben 5,3 m/s. A sokéves megfigyelésekszerint az évi átlagos szélsebesség Budapesten 1,8 m/s, Debrecenben2,5 m/s, Szegeden 2,7 m/s, Keszthelyen 3,0 m/s, és csupán azország legszelesebb északnyugati sarkában, Magyaróváron éri el a4,9 m/s-ot. A havi átlagok 1,5 és 6,0 m/s között ingadoznak, detöbbnyire 3,0 m/s alattiak. Gazdasági megfontolások alapján aszélenergiát ott célszerű kiaknázni, ahol az éves átlagsebesség atalajszint felett 10 m magasságban meghaladja a 4 m/s-ot. Ez afeltétel többnyire csak a tengerpartokon teljesül.

0

400

800

1200

0 5 10 15 20

v, m/s

h/a

9. ábra. A szélsebesség gyakorisága

A szélre merőleges felületre ható szélnyomás a szélsebességnégyzetével, teljesítmény pedig a harmadik hatványával arányos. Azelkerülhetetlen áramlási és egyéb veszteségek miatt a levegő mozgásienergiájának csak egy részét lehet kiaknázni – legcélszerűbbenvillamosenergia-fejlesztésre.

A legvalószínűbb teljesítményre méretezett szélmotorok energetikaihatásfoka a sebesség függvényében maximumot mutat. Aszélmotorok hatásfokának elméleti maximuma 60 %, a gyakorlatbancsak 45..50 % valósítható meg. A vízszintes tengelyű szélmotorok márkiforrott rendszerek, 100..200 kW teljesítményű egységeikről sokévestapasztalattal rendelkezünk. Ugyancsak megoldottnak tekinthető azautomatikus szabályozás feladata, ami a változó szélsebességnélbiztosítja a fejlesztett villamos feszültség és frekvencia állandóságát. Afajlagos beruházási költség azonban még tárolás nélkül is magas. Aztvárják, hogy a most kidolgozás alatt álló 1..3 MW-os egységeknél ezcsökkenni fog, bár a fajlagos ráfordítás a hagyományosérőművekének 3..5-szerese lesz. Fejlesztés alatt áll a függőlegestengelyű megoldás (Darrien-elv), ami jobban alkalmazkodik a változó

85

irányú szélhez, azonban csak 5 m/s felett használható.Realizálásához anyagtechnológiai és üzemviteli feladatok (pl. azindítás módja) várnak megoldásra.

Gyakorlati okokból a szélmotorok nemcsak szélcsend idején, hanemkis szélsebességnél (a méretezéstől és az automatizáltságtól függően2,5..5 m/s alatt) sem tudnak teljesítményt leadni. Nagyszélsebességnél (15..28 m/s felett) biztonsági okokból kell aszélkerekeket leállítani. E korlátokból és a teljesítményingadozásaiból következik, hogy a szélmotorokat vagy megfelelőenergiatárolással kell párosítani, – ami versenyképességüket szintebiztosan megszünteti –, vagy a közcélú villamosenergia-hálózatba kella fejlesztett energiát betáplálni. Az utóbbi esetben a szélmotorok csaktüzelőanyag megtakarítást eredményeznek.

Az említett hátrányok miatt a szélmotor csak állandó széljárású,szabad áramlást és így nagy kihasználást biztosító nyílt területeken,elsősorban a tengerparti övezetekben lehet versenyképes. Azonbanilyenkor is csak járulékos, helyi energiaforrás szerepét töltheti be.Teljesen valószínűtlen, hogy polgárjogot nyernek azok azelképzelések, amelyek a tengerpárton elhelyezett hatalmasszélmotorok sorozatával remélik fedezni az országok villamosenergia-igényének számottevő hányadát. Ez ellen nemcsak a táj védelme szól,hanem az aránytalanul nagy beruházási költségek is. Még kellemlíteni, hogy a területigény is nagy, mert a légáramlás rendeződéseérdekében a tornyok között megfelelő távolságot kell biztosítani. Abecslések szerint szélmotorrendszerekkel csupán 0,1 W/m2

teljesítménysűrűséget lehet elérni az elfoglalt térületre vonatkoztatva,ami rendkívül kis érték.

3.3. Átalakított energiahordozók

A végső fogyasztók energiaigényeit elvileg elsődlegesenergiahordozókkal is ki lehetne elégíteni. Ez történhet az elsődlegesenergiahordozók közvetlen hasznosításával vagy a fogyasztóknálmegvalósított energiaátalakítás segítségével. A közvetlen hasznosításnem felel meg a korszerű technikai követelményeknek, a kiaknázhatóelsődleges energiaforrások jellege és földrajzi elhelyezkedésemindenképpen energiaátalakításokat tesz szükségessé, annakérdekében, hogy biztosítani tudjuk a végső fogyasztás és hasznosításhő, mechanikai munka, fény kémiai és egyéb energiák iránti igényt.

Mindezek miatt az energiahordozókat egy vagy több lépésben mindigátalakítjuk mielőtt az a fogyasztóhoz kerül, de előfordulhat olyan esetis, hogy a fogyasztó közvetlenül valamely elsődleges energiahordozóthasználja fel. Átalakított energiahordozók például a kőolaj-feldolgozásból nyert termékek. Végső energiahordozók a villamos

86

energia, hőenergia; hasznos energia pedig a fényenergia, hőenergia,kinetikus energia, … . Az átalakított és végső energiahordozókatélesen elkülöníteni nem lehet, hiszen egymás szerepét átvehetik. Azeddig leírtakat a 10. ábra teszi szemléletessé.

Az átalakított energiahordozókat többféleképpen lehet csoportosítania felhasználási mód, energiafajta, eredet, fizikai jellemzők vagy másmutatók alapján. A gyakorlat szempontjait követve a továbbiakban akövetkező csoportosítást és egyben tárgyalási sorrendet fogjukkövetni:– kémiai tüzelőanyagok és üzemanyagok,– hőenergia-hordozók,– a mechanikai energia hordozói,– villamos energia,– kémiai reagensek.

Az elsődleges energiahordozók átalakítása végbemehet például aszénfeldolgozó üzemekben (brikett gyártás); olajfinomító üzemekben(benzin, dízelolaj, stb.). A primer energiahordozók erőművekben isfelhasználásra kerülnek. Az átalakítás módja szerint ez a folyamatvégbemehet: hőerőgépekben, atomreaktorokban, vízgépekben,szélgépekben, napenergia cellákban és egyéb berendezésekben. Akövetkezőkben részletesen megismerkedünk az egyes átalakítottenergiahordozók jellemző tulajdonsági, az átalakítás alapvetőmódjaival. Az energiaátalakítás részleteit, az energiaátalakítóberendezéseket és folyamatokat az Energiaátalakítás című fejezetismerteti.

primer

energia-

hordozó

hazai

import

veszt. veszt. veszt.

export

szállítás

átalakított

átala-kítás

átala-kítás

energia-

hordozó

energia-

hordozó

végsõ hasznos

energia

export export

import import

átala-kítás

FOGYASZTÓ

(szekunder)

készletezés,tárolás

készletezés,tárolás

10. ábra. Energiaátalakítási lánc

3.3.1. Kémiai tüzelőanyagok és üzemanyagok

A legnagyobb mennyiségben felhasznált átalakított energiahordozókaz égés exoterm folyamat során kémiai energiájuk egy részét hő

87

formájában adják le. A tüzelőanyagokat lassan égetik el hőfejlesztésérdekében; az üzemanyagok hasznosítását többnyire gyors vagyrobbanásszerű égés jellemzi. Az élegetett tüzelőanyagból felszabadulóhővel legtöbbször valamilyen munkaközeget melegítenek fel,amelynek így nyert hőenergiáját különféle berendezésekbenmechanikai munkává alakítják. Az így hasznosíthatóenergiahordozókat és azok jellemző tulajdonságait a 3.2.1.1., 3.2.1.2.,3.2.1.4. pontok ismertették. Az átalakítás folyamatait a 4.1.1.1.,berendezéseit a 4.1.2.3. pont mutatja be.

3.3.2. Hőenergia-hordozók

A hő az anyagok belső energiája, a hőenergia mindig anyagokhozkapcsolódik. Szigorúan véve a hőhordozók körébe minden anyag, testbeletartozik, hiszen egy rendszer termikus állapota a rendszert alkotóelemek termodinamikus kölcsönhatásán múlik. Egy helyiséghőmérsékletét a határoló elemek, valamint a helyiségben levő tárgyakés közegek együttes viselkedése alakítja ki, egy technológiai folyamathőmérlegét az abban szerepet játszó eszközök és anyagokkölcsönhatása szabja meg. Kilátástalan kísérlet lenne az anyagokilyen teljes körű áttekintése, szerencsére erre nincs is szükség, elégcsupán a hőellátásban lényeges szerepet játszó anyagokraszorítkozni.

Rá kell azonban mutatni, hogy egyes konkrét létesítmények egyedivizsgálatánál a tárgyaltakon túlmenő anyagok is fontos szerephezjuthatnak, például mint a folyamatból távozó hulladékhő hordozói.Így tüzelőberendezésekből, kohókból jelentős hőmennyiség távozik asalakban, kémiai folyamatokból a kilépő oldószerekben,melléktermékekben. Maguk a termékek is sok hőt szállíthatnak el,például a megmunkáláshoz magas hőmérsékletre hevített fémek,különösen megolvasztva, a magas hőmérsékletű kémiai ésépítőanyag-ipari eljárások termékei stb. hőhordozók a technológiaifolyamatokba betáplált anyagok is, az energetikai hatásfokot javítja,ha a tüzelőberendezésekbe beadagolt tüzelőanyagot és levegőt,vegyipari eljárásoknál a nyersanyagokat előmelegítik.

A hőhordozók termikus viselkedését elsődlegesen hőtárolóképességük (hőkapacitás) és hőátszármaztatási tulajdonságaikszabják meg. A hőkapacitás az anyagi összetételtől és azállapotjellemzőktől (hőmérséklet, nyomás) függ. ha egy m tömegű cfajhőjű hőhordozó hőmérséklete T1-ről T2-re nő, akkor hőtartalmánakváltozását az esetek nagy részében az

( )Q m c T m c T TT

T

= = −∫ d

1

2

2 1

88

összefüggés írja le. A c fajhő hőfokfüggő, c az adott hőmérséklet-intervallumra vonatkozó átlagértéke, az mc szorzat a hőkapacitás. A cfajhő fémeknél 0,1..0,8 kJ/(kg∙K), szilárd szigetelőanyagoknál0,4..1,5 kJ/(kg∙K), folyadékoknál 0,8..5,0 kJ(kg∙K) és gázoknál0,8..13,0 kJ/(kg∙K) nagyságrendű. A fenti egyenlet csak olyankor írjale helyesen a viszonyokat, ha a hőközlés vagy hőelvonás nem vált kiolyan fizikai vagy kémiai folyamatokat, melyek a belső energiátugrásszerűen módosítják. Így például halmazállapot-változásnál ahőtartalom ugrásszerűen változik a rejtett (látens) hővel, kémiaireakcióknál a kötési energiával, energiaváltozással jár az oldás, astruktúraváltozás, a disszociáció, az ionizáció és számos másfolyamat. A rejtett hő többnyire jelentős energiamennyiség tárolásátteszi lehetővé a hőhordozóban.

A hőátszármaztatás az anyagi minőségen kívül a geometriaielrendezéstől és a környezet jellemzőitől is függ. A hőközlés hővezetés,hőátadás és sugárzás útján történhet. Az átszármaztatott hőszámítása bonyolult differenciálegyenletek megoldását igényli.Megjegyzendő, hogy a számítás többnyire csak kvalitatívtájékozódáshoz elegendő, a gyakorlati igényeket leginkább ténylegesmérésekkel lehet kielégíteni. A jellemzők szerepének érzékeltetésére ahőközlés háromféle típusát a legegyszerűbb esetekre mutatjuk be.

Hővezetés Egy nagy kiterjedésű, λ hővezető képességű (hővezetésitényezőjű) és δ vastagságú sík lemez vagy fal felületegységénhővezetés útján

( )!q T T= −λδ 1 2

hőmennyiség halad át az időegység alatt, ha a lemez két oldalán ahőmérséklet T1 és T2. Fémek λ hővezetési tényezője 40..400 W/(m∙K)között mozog, hőszigetelő anyagoké legalább egy nagyságrenddelkisebb.

Hőátadás A szilárd testek felületéről, valamint folyadékok szabadfelszínéről a mellettük áramló közegek hőátadás útján is szállítanakel hőt, illetve ellentétes irányú hőmérséklet-gradiens esetén a közegad át hőt a felületnek, ennek mértéke az áramlás sebességétől ésjellegétől függ. A T1 hőmérsékletű felületegységéről, egységnyi időalatt az az mellett áramló, T2 hőmérséklettel jellemezhető közeg

( )!q T T= −α 1 2

hőt szállít el, ill. szállít oda. Az α hőátadási tényező lassan mozgógázokban 3..20 W/(m2∙K), gyorsan áramló gázokban értékel0..100 W/(m2∙K)-re nő, áramló folyadékokban 200..10000 W/(m2∙K),forrásban levő folyadékra 10000..100000 W/(m2∙K) és kondenzálódógőzre 2000..60000 W/(m2∙K). A forrás és a kondenzáció közben

89

átadható nagy teljesítményt a rejtett hő biztosítja, ennek a hőforrásokkialakításánál van nagy jelentősége.

Hősugárzás Két nagy kiterjedésű, T1 és T2 hőmérsékletűpárhuzamos felület között a felületegységről sugárzás útján átadotthő:

( )!q T T= −ε σ12 0 14

24

ahol a ε12 az ún. besugárzási cseretényező, ami a felületekminőségétől függ, a σ0 az ún. Stefan–Boltzmann-tényező.

( )σ085669 10= ⋅ ⋅−, )W /(m K2 4 .

3.3.2.1. SZILÁRD ANYAGOK

A szilárd anyagok általában mint hőszigetelők és hőtárolók játszanakszerepet a termikus folyamatokban. Csak kivételesen fordul elő, hogykifejezetten hőszállításra szilárd anyagokat használjanak.Rendszerint nem kívánatos módon a hőszállításban minden olyanszilárd termék vagy egyéb anyag részt vesz, mely a környezettől eltérőhőmérsékleten távozik a technológiai folyamatból. A hőszigetelésfunkcióját többnyire sok levegőt tartalmazó szervetlen szálas, rostosanyagokkal (üvegből, bazaltból), hőálló műanyagokkal és keramikusanyagokkal látják el. Ezek technológiája az utóbbi évtizedekbenjelentősen fejlődött, ami a hőveszteségek számottevő csökkentésétteszi gazdaságosan lehetővé. A hőtároló szilárd anyagok nagy részecsupán a felmelegedési és lehűlési időállandók kialakításában játszikszerepet, ami az üzemvitel és esetenként a teljesítménygazdálkodásszempontjából is jelentős. Ilyen szerepe van az épületelemeknek, atüzelőberendezések és magas hőmérsékletű kemencék hőállóbéléseinek (samott, magnezit) és gyakran a talajnak is.

Ha nem is nagyon széles körűen, de kifejezetten energiatárolásicélokra is használnak szilárd anyagokat. Erre példa a regeneratívelőmelegítő, melyben a füstgázzal felmelegítik a hőálló bélést, ami akövetkező fázisban a hőt a felmelegítendő gáznak adja át. A villamostározós fűtőtestekben is gyakran a 650 °C körüli hőmérsékletrefelmelegített magnezit töltésben tárolják a hőenergiát.

Felvetődött a talaj hőtároló képességének a hasznosítása ishőszivattyú útján, mivel a mélyebb rétegek hőmérséklete alig változik(a mérsékelt égövön a felszín alatt 2 m-rel gyakorlatilag állandóan+ 10 °C körül van). A geotermikus energia hasznosítása is amélységbeli kőzetek hőtároló képességén alapul.

Az olyan változékony természeti erők, mint a napsugárzás vagy aszél hasznosítása energiatárolást igényel. Az ennek megoldására

90

indított sokirányú kutatás számos szilárd anyagból kialakítotthőtároló rendszert is bevont a vizsgálatok körébe. Hőtárolásra módotad a nagy fajhő, a nagy rejtett hő (olvadásnál vagy forrásnál), areverzíbilis kémiai abszorpció vagy reakció. A legolcsóbb hőtárolóanyagok nagy fajhőjű ásványi termékek, pl. kavics vagy agyag.Jelentős hőkapacitása van az ötvözött öntött vasnak, olvasztottsóknál ezt a rejtett hő növeli (250..750 °C tartományban). A tárolt hőtnövelni lehet olyan nedvszívó anyagokkal, mint a szilikagél, ezekfelmelegedésnél – amikor nedvességet adnak le – lekötik a párolgásihőt, lehűlésnél – amikor a nedvességet megkötik – e hő felszabadul.Vizsgálják 0 és 150 °C közötti olvadáspontú sóhidrátok és azokeutektikus keverékének a használhatóságát, ezek melegítvekristályvizüket elvesztik, majd lehűlve újból megkötik. Kísérleteznekalkáli-fluoridok és alkáliföldfém-fluoridokkal is, ezek olvadáspontja450 és 800 °C közé esik, a tárolható latens hő szintén jelentős. Ezenkülönféle sók azonban drágák, kezelhetőségüket nehezítik, hogyagresszívek és a szerkezeti anyagokat korrodálják. Hőtárolásra admódot a hidrogén megkötése fémhidridekben is, mivel e reverzíbiliskémiai folyamat reverzíbilis hőátszármaztatás oldás.

3.3.2.2. FOLYADÉKOK

A folyékony hőhordozók között a legjelentősebb a víz. Ebben nagyszerepe van annak, hogy könnyen hozzáférhető, olcsó és viszonylagbőségesen rendelkezésre álló anyag. A sokirányú használat révénfizikai és kémiai viselkedését alaposan feltárták. Sok ismeret állrendelkezésre a víz és a különféle szerkezeti anyagokkölcsönhatásáról. E hatások gyakran kellemetlenek, pl. korrózió vagyvízkőlerakódás, az évtizedek során a védekezés módszerei iskialakultak.

Hőhordozóként történő alkalmazásához előnyös kivételesen nagyfajhője (4,2 kJ/(kg∙K)), melynél néhány százalékkal nagyobb fajhővelcsak egy-két anyag rendelkezik, és az egyes hőátadási folyamatoksorán elérhető nagy hőátadási tényező (103..104 W/(m2∙K)).

Korlátozást jelent viszont a folyékony halmazállapot viszonylag szűkhőmérséklet-intervalluma légköri nyomáson. Ezt bizonyos mértékig kilehet terjeszteni, a nyomás csökkentésével vagy a fagyáspontotleszállító adalékokkal 0 °C alá, a nyomás növelésével 100 °C fölé is. Atermészetben előforduló vízben mindig vannak oldott ásványianyagok és szennyeződések, ami a víz tisztítását teszi szükségessé,hogy a szerkezeti anyagok ne korrodáljanak és a hőátadó felületekhőátviteli tényezőjét lerakódások ne csökkentsék le. A tisztításszükséges mértéke a felhasználás jellegétől függ, lehetőségei széleskörűek (szűrés, ülepítés, derítés, vegyszeres vízkezelés, ioncseréstisztítás, desztillálás stb.). Szélsőséges feltételek között a szerkezetek

91

anyagát is megfelelően kell megválasztani, pl. rozsdaálló acélból vagyfelületi védőbevonatokkal kell kialakítani.

Hőhordozóként legnagyobb mennyiségben hűtésre használják avizet, ez teszi ki az összes ipari vízfelhasználás 80 %-át. A legnagyobbhőmennyiséget a hőerőművek kondenzátoraiból kell elvonni, frissvíz-hűtésnél 1 GW kiadott teljesítményhez átlagosan 30..35 m3/s hűtővízszükséges hagyományos erőműveknél és 45..50 m3/satomerőműveknél. E nagy vízfelhasználás biztosítása jelentősszerepet játszik az erőművek telephelyének kijelölésében éstechnológiai rendszerének megválasztásában. A mai korszerű, többGW-os erőműnagyságok mellett a hűtővízszükséglet a folyókvízhozamának tetemes hányadát teszi ki. A hűtésnek ez a lehetőségefokozatosan kimerül, a visszavezetett hűtővízzel a folyókba juttatotthő mennyiségét korlátozni kell, nehogy a hőmérséklet túlzottemelkedése megbontsa az élővizek ökológiai egyensúlyát. E korlát aTiszára telepíthető erőművek nagyságát 1 GW körül, a Dunáratelepíthetőekét 5..7 GW-ban jelöli ki. A hőszennyezés hatásakumulatív, ezért a hazai folyóvizekkel hűthető erőműépítés lehetősége3..4 évtizeden belül kimerül. Ahol az erőműveket nem lehet atengerpartra telepíteni, ott előtérbe kerülnek a hűtővíz ismételtfelhasználását lehetővé tevő költségesebb megoldások (hűtőtó,hűtőtorony). A frissvízigény nedves hűtőtornyoknál 60-ad része,száraz hűtőtornyoknál 1000-ed része a frissvíz-hűtéshez szükségesmennyiségnek. A hűtéshez többnyire elég a szilárd szennyeződésekkiszűrése a vízből, kémiai kezelésre nincs szükség. Mind a frissvíz-hűtés, mind a hűtőtornyos megoldás megtalálható a legtöbb magashőmérsékleten lezajló ipari technológiánál is.

A belsőégésű motorok működésének is elengedhetetlen feltétele amegfelelő hűtés, amit többnyire vízhűtéssel biztosítanak. Kiterjedtenhasználják a vizet magas hőmérsékleten működő technológiaireaktorok és munkagépek hűtésére, sőt gyakran a meleg termékeklehűtésére is, például a metallurgiában, a kokszgyártásnál, a vegyiparszámos termékénél. Néha gőzfejlődést is megengednek, mert a víznagy párolgási hője a hőelvonás intenzitását jelentősen fokozza. Ahűtővízben nagy hőmennyiségek távoznak el, e hulladékhőhasznosítása komoly érdeke az energiagazdálkodásnak. Helyhezkötött technológiáknál erre meg is van a mód, ha a hűtővízmennyisége elég nagy. A hasznosítás területét a távozó hűtővízhőmérséklete szabja meg, alacsonyabb hőmérsékleten használatimeleg víz készítése vagy mezőgazdasági felhasználás, magasabbhőmérsékleten fűtés vagy anyagok előmelegítése jöhet szóba.

A víz jelentős szerepet játszik a hőigények kielégítésében is, errefordítják a technológiai célra kivett nyersvíz 70 %-át, megjegyzendőazonban, hogy a hőhordozók gyakran zárt rendszerben keringenek

92

(kazánok, fűtőhálózatok), így csupán a veszteségek pótlása jelentfolyamatos vízfelhasználást. E területen legnagyobb tételt a használatimeleg víz (tisztálkodásra, háztartási célokra) jelenti. E célra többnyire50..60 °C (néha 80..100 °C) hőmérsékletre kell a vizet felmelegíteni. Afelhasználás jellege miatt a használati melegvíz-ellátásnál ki kellelégíteni az ivóvízzel szemben támasztott minőségi követelményeket, amechanikai tisztítás mellett gyakran kémiai kezelés is szükséges.

A központosított épületfűtésnek ugyancsak a víz a legkedvezőbbhőhordozója, ezért az utóbbi években szinte kizárólagos szerepetnyert a korábban használt gőzzel szemben. A fűtőtestekben leginkább70 °C-nál alacsonyabb hőmérsékletű meleg vizet keringtetnek.

A meleg víz hőtároló képessége a hőmérséklettel arányos. Nagyhőteljesítmény átviteléhez a hőmérsékletet 100 °C fölé kell növelni,amit az tesz lehetővé, hogy a víz forrási hőmérséklete nő a nyomásnövelésével. A víz hőmérsékletét elvileg 374 °C-ig lehet növelni, ennélmagasabb hőmérsékleten folyékony halmazállapot nem lehetséges, ekritikus hőmérséklethez 226 bar nyomás tartozik. A gyakorlatbanennél jóval alacsonyabb hőmérsékletet és nyomást alkalmaznak. Aforrás elkerülésére nyomás alá helyezett 100 °C-nál melegebb vizet ahőtechnikában forró víznek, az atomtechnikában nyomott vízneknevezik. A középnyomású (1..1,5 bar közötti) forróvíz-rendszereketelvétve fűtésre is használják, de a magas hőmérsékletfűtéstechnikailag nem előnyös. A forró víz legfontosabb alkalmazásiterülete a távhőszolgáltatás, mindenekelőtt a távfűtés. Az e célraalkalmazott felső hőfokhatár 170..180 °C, többnyire 130..170 °C-otalkalmaznak, a szokásos nyomástartomány 1,5..12 bar. A nagynyomású forró víz azért vált a távfűtés szinte kizárólagoshőhordozójává, mert az ilyen rendszerek szabályozása jóvalegyszerűbb a gőzt használó rendszereknél és jóval nagyobbtávolságokat lehet gazdaságosan, kevés veszteséggel áthidalni.

3.3.2.3. GÁZ HALMAZÁLLAPOTÚ ANYAGOK

A legszélesebb körűen használt hőhordozó maga a levegő, hiszenminden fűtött vagy hűtött helyiségben a temperálás célja, hogy alevegő hőmérséklete a kellemes közérzethez megkívánt vagy atechnológia által megszabott értéket vegyen fel. A termikus egyensúlyazon múlik, hogyan alakul a hőcsere a levegő és a különféle hőleadóés hőfelvevő felületek között, amit a hőmérsékletviszonyokon kívül alégmozgás jellege és a levegő összetétele is befolyásol (pl.légnedvesség). E közvetítő szerep mellett a levegő mint hőhordozógyakran közvetlenebb szerepet is betölt. A légfűtésnél,légkondicionálásnál és gyakran a szel1özésnél is a bejuttatott levegőhőtartalmának változtatásával biztosítják a kívánt klímát, ez időnkénta levegő összetételének befolyásolásával is párosul (légnedvesség

93

szabályozása, egészségre ártalmas összetevők kivonása, por szűrésestb.). Jelentős szerepe van a levegőnek mint hőhordozónak akalorikus és villamos berendezések hűtésében is, a járművektőlkezdve különféle technológiai berendezéseken, motorokon, villamosgépeken keresztül az erőművi hűtőtornyokig. A levegő hőtartalma soktermelési technológia energiamérlegében játszik jelentős szerepet. Anagy kazánok tüzelési hatásfokát számottevően növeli a levegőelőmelegítése 200..400 °C-ra, amit a füstgázzal fűtött léghevítőkbiztosítanak. A nagyolvasztók égési levegőjét (fúvólevegő) rekuperatívvagy regeneratív léghevítőkkel 600..1200 °C-ra melegítik elő, aminemcsak energetikai hatásfok növelést, hanem minőségjavulást iseredményez. Hasonló a helyzet a különféle technológiai kemencéknélis. Az energetikai hatásfokot javítja, ha előmelegített levegőt fújnak beegyes magas hőmérsékletű kémiai reakciókhoz (szénelgázosítás,hidrogéngyártás stb.), különösen ha az előmelegítés hulladékhőveltörténik. Többnyire meleg levegővel szárítják a nedves, higroszkóposanyagokat (mezőgazdasági termékek, élelmiszerek, nedves eljárássalkészült vegyipari termékek, szálas anyagok stb.).

A levegő legfőbb előnye, hogy korlátlan mennyiségben mindenüttrendelkezésre áll. Ezt az előnyt viszont ellensúlyozza, hogy termikusés egyéb jellemzői nem a legkedvezőbbek. Fajhője kicsi (1 kJ/(kg∙K)),a hőátadási tényező sem nagy amit például léghűtésnél vagylégfűtésnél nagyobb mennyiségek átáramoltatásával, vagyistöbbletenergia-felhasználással kell kompenzálni. A levegőenergiatartalmát nem kizárólag a fajhő szabja meg, hanemállapotjellemzőitől és összetételétől is függ. Az állapotjellemzőkhatását az állapotfüggvények írják le, a nyomás, hőmérséklet éstérfogat változása energiaváltozással jár együtt. A gyakorlatifolyamatoknál a nyomás növekedését vagy a térfogat csökkenéséthőmérséklet emelkedés kíséri, ami visszahat a levegő és a környezőtestek közötti hőcserére. A mesterséges légáramoknál e hatássalmindig számolni kell, mert a cirkulációt előidéző berendezések(kompresszor, fúvó, ventillátor) szükségszerűen megváltoztatják azállapotjellemzőket. Hasonló változások természetes eredetűcirkulációnál is fellépnek, a külső eredetű nyomáskülönbségekkiegyenlítődése során, vagy a fajsúlykülönbség okozta gravitációsfelhajtóerő hatására. Ez utóbbit az okozza, hogy hőközlés hatásáranemcsak a hőmérséklet nő hanem a gáz ki is terjed, ami a sűrűségcsökkenését eredményezi, a meleg levegő felemelkedik, éshőmérséklet szerinti rétegződés alakul ki (ezen alapul a kéményekhuzata és a hűtőtornyok kürtőhatása).

A levegő sokféle komponens keveréke, a talajszint közelébenátlagosan 20,9 % O2, 78 % N2, 0,94 % Ar, 0,03 % CO2, 0,01 % H2,nyomokban He, Kr, O3, Rn található benne, ezenkívül a környezet

94

jellegétől függően szerves és szervetlen por, szennyező gázok, továbbávíz, gőz vagy cseppek formájában. A légnyomás a komponensekparciális nyomásának összege.

A tüzelésnél fejlődő hő jelentős részét a füstgáz szállítja el. Ennekösszetétele és hőmérséklete a tüzelőanyagtól és a tüzelés módjátólfügg. Legnagyobb része N2 és CO2, de számottevő mennyiségbentalálhatók benne O2, CO, vízgőz, nitrogén-oxidok és szilárdrészecskék, valamint a tüzelőanyag összetételétől függően SO2, SO3,kénessavgőz (H2SO3), esetleg kénsavgőz (H2SO4) és egyéb alkotók. Afüstgáz a legmagasabb hőmérsékletig (1200..1500 °C) használhatóhőhordozó, és e magas hőmérsékletekhez sem tartozik magasnyomás. Hátrányos viszont az hőátadás folyamán elérhető kishőátadási tényező.

Energetikailag előnyös lenne a füstgáz hőjének közvetlenhasznosítása, hiszen minden hőcsere elkerülhetetlen veszteséggel jár,ennek azonban több akadálya is van. Az egyik az, hogy a tűztérbőltávozó füstgáz hőmérsékletét közvetlenül nem minden anyag viseli el.A hőmérséklet csökkentése érdekében a füstgázt hígítani kell (levegőbekeveréssel, gőz befecskendezéssel), vagy a hőtartalmának egy részétmás munkaközeg felmelegítésével el kell vonni. A másik ok az, hogy afüstgáz egyes összetevői az anyagokkal nem kívánatos reakcióbaléphetnek vagy azokban abszorbeálódhatnak, ami nem csakminőségromlást, hanem súlyos üzemzavarokat is okozhat. Különösenveszélyesek a füstgázban lévő savgőzök, melyek a lehűlő füstgázból arájuk jellemző harmatponton kicsapódnak és folyékonyhalmazállapotban nagyon veszélyesek.

A legsokoldalúbban használható gáznemű hőhordozó a vízgőz.Energiatartalmát nem csak fajhője szabja meg, hanem azelgőzölögtetés során felvett rejtett hő is, ami kiemelkedően magasmás anyagokhoz viszonyítva. A másik figyelembe veendő körülmény avízgőz nyomása és telítési hőmérséklete közötti összefüggés. Minélnagyobb hőmérsékleten kívánunk gőz előállítani annál nagyobbnyomásra van szükség. Ez szükségszerűen nagyobb követelményekettámaszt a berendezések szerkezeti anyagaival szemben. Jelenleg akorszerű erőművi technológiákban az uralható nyomás 250..260 bar,a hőmérséklet 550..560 °C.

A gőz használatának legegyszerűbb formája, ha csupánhőhordozóként alkalmazzuk. Hőátadási tényezője hasonló mint agázoké, de nagyságrendekkel megnő halmazállapot változás esetén.Forrás közben 103..105 W/(m2∙K), kondenzáció során103..104 W/(m2∙K). A 150..160 °C hőmérséklet-tartományban ajelentős hőmennyiséget igénylő ipari technológiák számára telítettvagy igen kis mértékben túlhevített gőz állítanak elő. A gőzt régebben

95

előszeretettel alkalmazták központi fűtésekben, távhőrendszerekben,de a forró víz kedvezőbb tulajdonságai miatt szinte teljesenkiszorította e területről. A gőzt nagy rejtett hője alkalmassá teszihőtárolásra is. Ezek a tárolók lényegében nyomás alá helyezettkétfázisú rendszerek, melyekben a víztükör felett gőz helyezkedik el.A nyomás vagy a hőmérséklet változásának hatására víz párolog el,vagy gőz kondenzálódik.

A fejlesztett gőz jelentős hányadát az erőművekben expanziósgépekben (gőzturbinák) hasznosítjuk, ahol a gőz hőenergiájátmechanikai munkává alakítjuk. A gőzfejlesztő berendezések annálszigorúbb követelményeket támasztanak a tápvízzel szemben, minélnagyobb az állapotjellemzők (nyomás, hőmérséklet) értéke. Azüzembiztonságnak elengedhetetlen feltétele mind a gőzt előállítóberendezésben, mind pedig az azt hasznosítóban, hogy a vízminőségfeleljen meg a megkívánt fizikai és kémiai követelményeknek. A vízgőznagy energetika szerepét érzékelteti, hogy a primer energiahordozófelhasználás mintegy harmadát gőzfejlesztést szolgál, aminekkétharmadát a villamosenergia-ipar hasznosítja.

3.3.3. Kémiai reagensek

A kémiai reakciókba lépő vegyületek kötési energiájának összegeáltalában nem egyezik meg a reakciótermékekével. Attól függően,hogy a reakció során ez az összegezett energia nő vagy csökken, areakció exoterm vagy endoterm. Az endoterm reakciók energiabevezetését igénylik, az ilyen folyamatok önmaguktól nemkövetkeznek be, ha az energiabevezetés megszakad, a reakció is leáll.Az endoterm reakcióknak elsősorban mint energiafelhasználófolyamatoknak van energetikai jelentősége. Az exoterm reakciókközben energia szabadul fel, az egyszer már beindult folyamatmagától tovább zajlik, amíg a reakcióképes alkotók el nem fogynak.Az energetika számára a legjelentősebb exoterm reakció atüzelőanyagok égése. Számos más típusú exoterm reakció alapvető avegyipari technológiákban, a felszabaduló energia gyakran lényegesszerepet játszik a technológiai folyamatok fenntartásában éskülönféle endoterm reakciók reakcióhőjének fedezésében. Azendoterm reakciók általában hőmérséklet-csökkenéssel, az exotermekhőmérséklet-növekedéssel járnak. A kötési energia változása nemcsakhő formájában érzékelhető, hanem egyes esetekben más módonmegnyilvánuló munkában is, így térfogatváltozásban, villamosáramban, fénykibocsátásban stb. Az energiaváltozást a megjelenésiformától függetlenül reakcióhőnek nevezik. Általánosságban egyexoterm kémiai reakcióban részt vevő komponensek zárt rendszerérea

d d dQ U W= +

96

egyenletet lehet felírni, ami differenciális alakban azt fejezi ki, hogya Q reakcióhő egyrészt a rendszer U belső energiáját növeli, másrésztW külső munkavégzésre hasznosítható. Endoterm reakciónál Qelőjele negatív. A W külső munka a legegyszerűbb esetbentérfogatváltozással járó mechanikai munka, de megnyilvánulhatösszenyomható közegek deformációjában, kémiai kötésekmódosulásában, anyagok oldásában, villamos hajtásokban,fénykibocsátásban vagy más energiaátalakítási folyamatban.Formálisan a munkavégzés e különféle típusait a

d dW p V=∑kifejezéssel a térfogatváltozással járó munkavégzés szimbólumával

lehet leírni, (p a nyomás, V a térfogat). Erre fizikailag az jogosít fel,hogy mindegyik folyamatnál elemi részecskék erők ellenébenmozdulnak el, és az ilyen mozgásokat a mechanika összefüggéseivelis tárgyalni lehet. A felhasználás szempontjából nem külső munkaminősül hasznosnak.

A legszemléletesebben a rendszer dV térfogatváltozással járó külsőmunkáját lehet leírni, állandó p nyomáson:

p V U Qd d d= − + ,

az S entrópia bevezetése után, mivel dQ = TdS, izotermikusfolyamatra felírható, hogy

( )p V U T S U TS Fd d d d d= − + = − − = − .

Ebben az összefüggésben bevezettük az

F U TS= −

függvényt, ami a rendszer szabadenergiája, vagy másképpenmegfogalmazva a rendszerből nyerhető maximális munka.Általánosítva az eddigieket veszteségmentes, reverzibilisfolyamatokkal egy rendszerből annyi energia nyerhető, amennyivel arendszer szabadenergiája csökken, azaz

d dW F= − .

A valóságos folyamatok azonban mindig veszteségesek(irreverzibilisek), az ilyen folyamatokkal kinyerhető energia mindigkisebb. A rendszer belső energiája mindig az átalakíthatószabadenergiából és az át nem alakítható kötött energiából (TS) áll. Akötött energia nagyságát a T abszolút hőmérséklet határozza meg, ígya rendszer hőmérsékletének változása módosítja a kötött energiát. Eváltozásokban a T0 környezeti hőmérséklet korlátot jelent a gyakorlatirendszereknél. (Lásd a spontán folyamatokról írtakat a 2.2alfejezetben.)

97

A kémiai reakciókból nyerhető külső munka maximumát az Fszabadenergia csökkenése szabja meg és viszont. Maguktól azonkémiai reakciók játszódnak le, melyek során a rendszer Fszabadenergiája csökken. A kémiai reakciók jelentős hányada állandónyomáson játszódik le, ilyen folyamatok termodinamikai számításátmegkönnyíti a

H U pV= +

entalpia bevezetése, melynek változását az

( )d d d d d dH U p V U p V V p= + = + +

összefüggéssel tudjuk kiszámítani. Ennek felhasználás ahőmennyiség elemi megváltozását a következő

d d d d dQ U p V H V p= − = −

egyenlettel írhatjuk fel. Állandó nyomáson dp = 0, vagyis

d dQ H= ,

azaz a hőmennyiség változása megegyezik az entalpiamegváltozásával. Ilyen folyamatoknál a szabadenergiával analógmondón használható a

G H TS= −

szabadentalpia.

A most felírt összefüggések alkalmasak az égés leírására is, ami azenergetikailag nagy jelentőségű tüzelőanyagok és motorhajtóanyagokfelhasználás szükséges. Az égés során vizsgált rendszer a reakció előtttüzelőanyagból és oxidáló közegből, a reakció után azégéstermékekből áll, reakcióhő pedig az égéshő. A berendezésekrendeltetésétől függ, hogy az égés a hasznos munkavégzés milyentípusát szolgálja, kazánokban hőfejlesztést, belsőégésű motorokbanmechanikái munkát, vegyipari reaktorokban kémiai átalakulást,tüzelőanyag elemekben villamos áramfejlesztést, fényforrásokbanvilágítást stb. Mint említettük, a metallurgiai és kémiai technológiaifolyamatokban nemcsak az égés, hanem számos más exoterm reakcióis fontos szerepet kap a műveletek energiaigényének fedezésében.

A kémiai reakciókkal jellemzett technológiák energiamérlegében areakcióhők alapvető szerepet játszanak és lényegesen befolyásolják azüzemek igényét a szokványos energiahordozók iránt. Az exotermfolyamatok reakcióhőjét a technológia és az energiagazdálkodáscélszerű kialakításával sokféle feladatra lehet hasznosítani. Endotermreakciók reakcióhőjének fedezése, halmazállapot-változások,komponensek elegyítése vagy szétválasztása, anyagok melegítése éstovábbítása, valamint számos egyéb művelet jöhet számításba. Bár azenergiagazdálkodás szokásos felfogásában a kémiai energiahordozók

98

köre a tüzelőanyagoknál és üzemanyagoknál véget ér, az üzemekenbelüli energiagazdálkodásban indokolt az exoterm reakciókra vezetőegyéb kémiai reagenseket is szekunder energiahordozónak tekinteni.A teljes képhez hozzátartozik, hogy e reagensek előállítása egykorábbi gyártási fázisban esetleg jóval több energiafelhasználássaltörtént, mint amennyi a felszabaduló reakcióhő. Ezért a gazdaságimegítélésnél e reagensek teljes energiatartalmát kell figyelembe venni,például ha egy termék előállítására különböző technológiákatkívánnak energetikailag összehasonlítani.

3.3.4. Mechanikai energia

A mechanikai munka „energiahordozói” azok a szerkezeti elemek ésanyagok, melyek annak közvetítésében és tárolásában szerepetkapnak. A mechanikai energia átvitelére minden mozgó alkatrészttartalmazó berendezésben, vagy helyzetét változtató rendszerbenszükség van. Ezekben minden mechanikailag igénybevett szerkezetielem vagy nyomás alá került közeg valamilyen formábanenergiaátviteli szerepet is játszik, de ez többnyire csak agépszerkesztés számára jelentős és nem az energiagazdálkodásban.Ennek az a magyarázata, hogy az esetek nagy részében a mozgási éshelyzeti energia formájában tárolható munka viszonylag kicsi. Az mtömegű, v sebességű haladó mozgást és Θ tehetetlenségi nyomatékkalω szögsebességű forgó mozgást végző test mozgási (kinetikus)energiája:

W m vk = +1

2

1

22 2Θω .

Kizárólag haladó mozgást végző testeknél ω = 0 és tisztán forgómozgás esetén v = 0. A haladó mozgásban tárolható energiaviszonylag kis értékét érzékelteti, hogy egy 100 km/h-ás sebességgelhaladó 100 t-ás vasúti szerelvény mozgási energiája mindössze39 MJ, ami 1 1 benzin fűtőértékét sem éri el. A forgás jóval nagyobbenergiát reprezentál, egy 3000 1/min fordulatszámú 100 t-ásgenerátor-forgórész mozgási energiája kereken 5 GJ. Alendkerekekben átlagosan 180..300 kJ/kg energiát lehet tárolni.

A szerkezetekben, anyagokban tárolt helyzeti (potenciális) energiaegyrészt a különféle erőterekben elfoglalt helyzettől, másrészt azanyagokban kialakuló feszültségektől, deformációktól függ. A helyzetienergia legfontosabb válfaját a g gyorsulással jellemzett gravitációserőtérben a h geodetikus szintkülönbség szabja meg, nagysága:

W m ghp = .

Közegek rugalmas deformációjánál az energia a deformáló F erő ésaz elmozdulás szorzatából számítható, ami az anyagban uralkodó p

99

nyomás és dV térfogatváltozás figyelembevételével a teljes V térfogatrakiterjedő

W F s p VV

p d d= =∫ ∫

integrál alakját ölti. Ugyancsak helyzeti energiát tárolnak a rugók is.Ha elmozdulásuk nem túl nagy, az elmozdulás és az F visszatérítő erőközött lineáris kapcsolatot lehet feltételezni, ilyenkor a krugóállandójú rugóban tárolt potenciális energiára az előzőösszefüggés

W kFp =1

22

eredményt szolgáltat. A felhalmozható potenciális energianagyságrendjét érzékelteti, hogy 1 m magasra emelt 1 t-nyi tömeghelyzeti energiája mindössze 10 kJ, és az erős rugókban tároltenergia is hasonló nagyságrendű.

A csoporthajtás kiszorulása óta szilárd gépelemeknek energiaátviteliszerepe nincs, csupán erőátviteli feladatokat látnak el. Egyesgépelemek – rugók, lendkerekek – viszonylag kis energiamennyiségektárolásával kiegyenlítő szerepet játszanak az egyenlőtlen erőhatásokellensúlyozására, a gépek működésének egyenletesebbé tételére.Miközben a gépek és berendezések szilárd szerkezeti elemei erőket éselmozdulásokat származtatnak át, energiaveszteség is kialakul. Alegjelentősebb veszteségforrás az egymáson elmozduló felületeksúrlódása. Ugyancsak veszteséges folyamat az anyagok deformációjais. Az erőt átszármaztató szerkezeti elemek nem merev testek,mechanikai igénybevétel hatására alakjukat megváltoztatják, adeformációs munka egy része veszteséggé válik. E veszteségjelentéktelen a rugalmas deformációnál, mikor az igénybevételmegszűntével a test visszanyeri eredeti alakját. Viszont a maradandóalakváltozással jellemzett rugalmatlan deformációnál a deformálóenergia nagy része irreverzíbilis módon a képlékeny test belsőenergiáját növeli meg. A rugalmatlan alakváltozás jelentős szerepetkap az anyagok megmunkálásánál. Az alakváltozás két típusa szerintkülönböztetik meg a rugalmas és a rugalmatlan ütközést is. A szilárdszerkezeti anyagok (fémek, természetes eredetű anyagok, szilikátiparitermékek, műanyagok stb.) rendkívül széles köre a mechanikaienergiaviszonyokat befolyásoló anyagjellemzők tekintetében óriásiváltozatosságot mutat, amit az anyagszerkezet módosításával és amegmunkálással széles határok között változtatni is lehet.

A fluid közegek az erők közvetítése mellett a mechanikai energiamég nagyobb távolságra történő továbbítására is alkalmasak. Példaerre a hidraulikus vagy pneumatikus erőátvitel, illetve anyagszállítás.

100

Ilyen alkalmazások során a közegek a szó szoros értelmében isbetöltik az energiahordozó funkcióját.

A folyadékokkal működő rendszereket – munkaközegüktőlfüggetlenül –hidraulikus rendszereknek nevezik. A folyadékokmunkavégző képességét általánosságban a Bernoulli-egyenlet írja le.E szerint a gravitációs erőtérben egy áramló összenyomhatatlanfolyadék térfogategységének energiája:

w v gh p= + +1

22ρ ρ ,

ebben ρ a folyadék sűrűsége, v az áramlási sebesség, g a nehézségigyorsulás, h a vonatkoztatási alaphoz mért geodetikus szint és p anyomás. A egyenlet első tagja a mozgási energia, a második aszintkülönbségből származó helyzeti energia, a harmadik anyomásból származó potenciális energia. Az áramlás útjának,jellegének módosításával az egyes energiaformák egymásbaalakíthatók. Ennek során a térfogategység energiája ideális esetbenváltozatlan marad, a valóságban az áramlási veszteségek csökkentik.A leggyakrabban használt folyékony munkaközeg a víz. Maguk avezetékes vízhálózatok egyben kiterjedt energiaszállító hálózatok is,hiszen ez a feltétele annak, hogy a víz minden rendeltetési helyéreeljusson. Vonatkozik ez az ivóvízhálózatokra, ipari vízellátásra,öntözőrendszerekre, sőt a szennyvíz-eltávolításra is. A víz potenciálisenergiája a szállítási veszteség ellensúlyozásán felül néha még egyébkészülékeket is működtet (pl. esőztető öntözőberendezések,nyomásszabályozó szelepek). A víz mechanikai energiáját jó néhánytechnológiában is hasznosítják, pl. kőzetek vízsugaras fejtésénél ésrepesztésénél, mélyfúrásoknál a fúrófej forgatására és az öblítésre,másodlagos kőolaj-kitermeléshez stb.

Energetikai szempontból a legnagyobb jelentősége a természetesvízfolyások munkavégző képességét hasznosító vízerőműveknek van,ennek részleteit a 3.2.2.2. pont tárgyalja részletesen.

A hidraulikus erőátvitelt főleg ott alkalmazzák, ahol nagy erőkre vanszükség. Az erők áttételezését megfelelő keresztmetszet-arányúhengerekben elmozduló dugattyúk segítségével könnyen meg lehetoldani, az erő a nyomás és a dugattyú felület szorzatával egyenlő. Ígyműködnek pl. különféle hidraulikus emelők, prések, sajtók,hidrosztatikus hajtóművek. A nagy energiájú gyors megmunkálóeljárásoknál is gyakran folyadék továbbítja a nyomást amunkadarabhoz. Széles körűen használják a hidraulikus szállítást is,folyadékba kevert, abban lebegő vagy azzal sodort anyagoktovábbítására.

101

A legtöbb munkát a víz helyzeti energiájában lehet tárolni. Bár 1 m3

víz 100 m-es kiaknázható szintkülönbséggel csupán 1 MJ potenciálisenergiával rendelkezik, egyes vízerőművek halalmásbefogadóképességű szezonális víztározóiban PJ nagyságrendűenergiamennyiséget is képesek összegyűjteni. A szivattyús tározósvízerőművek képviselik jelenleg az egyetlen reális alternatívát nagymennyiségű villamos energia gazdaságos tárolására hidraulikusenergia formájában. Sok nagyságrenddel kisebb léptékben, de szinténpotenciális energiát tárolnak a vízművek víztornyai és víztározótartályai is.

A víz alkalmazási körét korrozív hatása, magas fagyáspontja ésalacsony forráspontja korlátozza. Ezért munkagépekben, hidraulikusközlőművekben legtöbbször ásványolajtermékeket használnak, amiegyúttal a kenést is biztosítja. Hidrosztatikus hajtóművekben,gőzturbina-olaj, zsírosított kenőolaj, kompaund olaj, szintetikuskenőolaj, újabban szilikon olaj is, hidrodinamikus berendezésekbenkis viszkozitású olaj a legelterjedtebb. Speciális feladatokhoz, pl.alacsony hőmérsékletre víz-olaj emulziót, különlegesen kezelt vizet(hydrolub), szénhidrogén-termékeket (alkohol-glicerin keverék, észteralapú folyadék, halogénezett ásványolaj) is használnak.

A pneumatikus erőátvitel a mechanikai munka továbbításátgáznemű munkaközegekkel biztosítja. Elvileg a Bernoulli-egyenletetgázokra is alkalmazni lehet, de két körülményt figyelembe kell venni.Egyrészt a kis sűrűség miatt a geodetikus szintkülönbségnek csaknagyon nagy magasságkülönbségnél van számottevő hatása (pl. alégköri jelenségeknél), a technikai rendszerekben nem játszikszerepet. Másrészt – mivel a gázok a rendelkezésre álló szabad teretkitöltik – állapotjellemzőik (hőmérséklet, nyomás, fajtérfogat, illetvesűrűség) egymástól nem függetlenek, hanem a gáztörvényekmegszabta kényszerkapcsolatban vannak.

A V térfogatú p nyomású és T hőmérsékletű ideális gáz viselkedéséta

pV = NRT

általános gáztörvény írja le (R = 8,314 J/(mol∙K) az univerzálisgázállandó, N a V térfogatban levő mólok száma). A valódi gázokrajobb közelítést jelent a

( )pa

VV b M RT+

− =

2

van der Waals-állapotegyenlet, melyben a és b az adott gáztól függőállandók.

102

A legfontosabb gáznemű energiahordozó a levegő, amit mechanikaienergia átszármaztatására nemcsak természetes körülmények közötthasznosítanak (szél, felhajtóerő, kürtőhatás, szellőztetés), hanem zártrendszerekben is pneumatikus erőátvitel és anyagmozgatás céljaira.A pneumatikus eszközök érzékenyek a levegő összetételére. Azesetleges korrozív alkotók eltávolítása a berendezések védelme miattfontos, a levegőben lebegő szennyeződések elpiszkolódást okoznak,ami nyomásesést előidézve az energetikai hatásfokot rontja. Ha alevegő használata expanzióval jár (pl. pneumatikus szerszámok,motorok), a levegőt szárítani is kell, mert a kiterjedéssel együtt járólehűlés közben a nedvesség kicsapódik, ami üzemzavarokat éskorróziót idézhet elő. Magas hőmérsékletű erőátvitelhez vízgőzt ishasználnak (gőzkalapács, kalenderek stb.), ilyenkor a mechanikaimunka és a hőközlés összefonódik. Más gáznemű anyagokhasználata pneumatikus eszközökben csak kivételesen fordul előkülönleges technológiai követelmények (pl. oxigén kizárása)kielégítésére. A gázok és gőzök kitüntetett szerepet játszanak ahőenergia átalakításában mechanikai munkává. A hőkörfolyamatsorán a hőenergia mechanikai munkává alakul, a hőerőgépek a gázoknyomásában megtestesülő potenciális energiát és/vagy sebességébenmegnyilvánuló mozgási energiát hasznosítják. Ennek részleteit ahőerőgépeket ismertető 4.1.2.3. pontban tárgyaljuk.

A komprimált levegőben energiát is lehet tárolni, amit elsősorbanegyszeri, gyors működés kiváltásához szoktak alkalmazni. Azenergiatárolást legnagyobb léptékben gázturbinához kapcsolvavalósították meg, a csúcsidőn kívül tartályban, föld alatti üregbenvagy aquiferben komprimált levegő csúcsidőben a gázturbináttáplálja. Ezzel a villamos hálózatba táplálható teljesítménymegháromszorozódik, mivel a gázturbina ellátásához nincs szükségkompresszorra. A tárolható energia nagysága a nyomástól függően7..20 MJ/m3.

3.3.5. Villamos energia

A villamos energia a legsokoldalúbban és legrugalmasabbanhasznosítható szekunder energiahordozó. Az energiagazdálkodásszempontjából a rugalmasságot egyrészt az biztosítja, hogy avillamosenergia-fejlesztést alapozni lehet bármely primerenergiahordozóra, másrészt, hogy a villamos energiával a végsőenergiahasznosításnak gyakorlatilag minden válfaját ki lehetelégíteni. A fogyasztók számára technikailag nagyon vonzó e tiszta, akörnyezetet nem szennyező, könnyen szállítható energiahordozó,melynek teljesítményét tetszőlegesen és egyszerűen lehet szabályozni,használatával nemcsak az energiaellátást, hanem magát azenergiafelhasználó technológiát is könnyen lehet automatizálni.

103

A villamos energia sokoldalú hasznosítását az teszi lehetővé, hogy avillamos jelenségek sokféle fizikai hatást ébresztenek (hő, fény,mágneses indukció, erőhatás, elektrolízis stb.), melynek segítségévelazt bármely más energiafajtává át lehet alakítani. A lehetségesenergiaátalakításokat részletesebben a 4. fejezet tárgyalja. Az energiatranszformáció sokféle villamos berendezés kialakítására ad módot,ennek következtében a villamosság számtalan szállal szövi át amodern technikát és a mindennapi életet.

A villamos áram töltéshordozók (elektronok, ionok, töltött kolloidvagy makroszkopikus részecskék) elmozdulása. Ha e töltéshordozókvillamos töltése q és koncentrációja n, akkor v vándorlási sebességükmellett

j = nqv

áramsűrűséget hoznak létre, ami egy A felületen

i j A nqv AA A

= =∫ ∫d d

áramot eredményez. Ha egyidejűleg többféle töltéshordozó vesz részta vezetésben, azok hatása szuperponálódik. A töltéshordozókvándorlását erők okozzák, leggyakrabban villamos erőtérbenmozognak, ilyenkor az erő a q töltés és az E villamos térerősségszorzata. Az erőtér két pontja között a töltéshordozó mozgása

( )w qE s q qu= = − =∫ d1

2

2 1Φ Φ

energiát igényel, Φ az erőtér potenciálja, az u feszültség a két pontpotenciálja közötti különbség.

A töltéshordozók mozgása megvalósítható anyagtranszporttal is, azelektrosztatikus feltöltődést gyakran töltött porszemcsék áramlásaidézi elő, egyes elektrosztatikus generátorok működése feltöltöttszigetelőanyagok elmozdulásán alapul. Töltött anyagi részecskékáramlásával működik több ipari technológia is (elektrosztatikusfestés, fémszórás, porleválasztás, ionimplantáció stb.). A mágnesestér a mozgó töltésekre fejt ki erőt, ennek iránya mind a mágneseserőtérre, mind a töltéshordozók sebességére merőleges. Ezt azerőhatást aknázzák ki a különféle részecskegyorsítók éselektronoptikai berendezések is.

A villamosság energiahordozói a töltéshordozók, de mivel azokatönállóan nehéz észlelni, a gyakorlatban az áramot szokás azenergiahordozónak tekinteni, bár ez fizikailag nem szabatos. Az eddigfelírt összefüggésekből következik, hogy az energiaviszonyokat nemlehet kizárólag az árammal jellemezni, ahhoz figyelembe kell venni a

104

térerősséget vagy a feszültséget is. Mivel a villamos jelenségek időbenszéthúzódva játszódnak le, a viszonyokat rendszerint ateljesítménnyel írják le. Mivel egységnyi térfogatban nq számútöltéshordozó vesz részt a vezetésben, a térfogategységre jutóteljesítmény:

pw

tn

w

t11= =

d

d

d

d,

ami az átlagértékekre áttérve

p jE1 =

eredményre vezet. E kifejezést két egyenpotenciálú felület közöttitérrészre integrálva a teljes teljesítményre a

p jE V iuV

1 = =∫ d

kifejezést nyerjük, ahol u a két felület közötti feszültség és i arendszeren átfolyó áram. Ez az összefüggés írja le a koncentráltáramköri elemek viszonyait is, ezeknél u a kapcsok közötti feszültség.

A villamos fogyasztóberendezések legnagyobb részét atöltéshordozók áramlásában megnyilvánuló villamos áram működteti.Hőfejlesztésre az áram ellenállásban vagy villamos ívben kialakulóveszteségét lehet hasznosítani, világításra az árammal felizzítotttestek, gázkisülések vagy villamos ívek elektromágneses sugárzását.Az áramok erőhatásán alapuló motorok mechanikai munkátszolgáltatnak, ami nemcsak gépek és szállítóeszközök hajtására,hanem hűtőgépekben hűtésre, hőszivattyúval fűtésre ishasznosítható. Az árammal ki lehet váltani elektrokémiaifolyamatokat (elektrolízis, elektroforézis, galvanizálás), használhatóinformációk továbbítására (mérések, számítógépek, elektroakusztika,hírközlés) működtethetők gyógyászati eszközök stb.

A villamos eszközök legnagyobb része az időben szinuszosan változó

i I t= m sinω

árammal működik, Im az áram csúcsértéke, ω a körfrekvenciája(f = ω/2π a frekvencia) és t az idő. A közcélú villamos hálózatok ilyenáramot szolgáltatnak, és a berendezések táplálása e hálózatrólbiztosítható műszakilag és gazdaságilag egyaránt a legelőnyösebben.A közcélú ellátás frekvenciáját a villamos hálózatokat táplálóerőművek generátorai szabják meg, értéke általában 50 Hz, Észak-Amerikában és néhány távol-keleti területen 60 Hz. Speciálisfeladatokra más frekvenciájú váltakozó áramot is használnak, egyes

nyugat-európai vasutak 162

3 Hz-et (a motorok kommutációs

105

problémáinak csökkentésére), az indukciós kemencékben alkalmazottközépfrekvencia néhány l00 Hz-ig terjed (a hővé alakuló veszteségnövelésére), az elektronikus eszközök egyre bővülőfrekvenciatartományban működnek, a híradástechnikábanhasználatos frekvenciasáv felső határa 1015 Hz körül mozog.

A nem hálózatról táplált villamos eszközöket egyszerűbb időbenállandó árammal működtetni (pl. járművek fogyasztóberendezései,hordozható elektronikus eszközök). A fogyasztóberendezések egyestípusai mindenképp egyenáramot igényelnek (elektrokémiaifolyamatok, rugalmas szabályozást igénylő hajtások, elektrosztatikustechnológiák), és ugyancsak egyenfeszültség szükséges azelektronikus eszközök potenciálvezérléséhez is (bár ez a készülékekenbelüli áramköri kérdés). Az egyenáram fontos szerepet tölt be, de azegyenáramon szolgáltatott villamos energia nagyságrenddel kisebb,mint a váltakozó áramú.

Olyan készülékek is vannak, melyek az időben az előzőektől eltérőlefutású áramot igényelnek, pl. lézerek vagy digitális számítógépekrövid impulzusok sorozatát, más eszközök fűrészfog alakú vagy egyébkülönleges alakú áramokat. A hálózati frekvenciától eltérő lefutásúáramokat többnyire az 50 Hz-esből állítják elő, az e célra régebbenhasznált megoldásokat (motor-generátor, higanygőz-egyenirányító)gyakorlatilag teljesen kiszorítják az elektronikus eszközök, melyekkelaz áram időbeli lefutását tetszőlegesen lehet szabályozni. Egyenáramelőállítására kiterjedten alkalmazzák a kémiai áramforrásokat is.

A villamos jellemzők nagyságának változtatása (beleértve a be- éskikapcsolást is) bonyolult tranziens folyamatokból álló átmenetiállapoton keresztül vezet az új állandósult állapotba. A szabályozásifeladatokat főleg a tranziens folyamatok szabják meg, az energetikaszámára viszont az állandósult állapotnak van jelentősége.Állandósult állapotban a lineáris áramkörök árama arányos afeszültséggel:

IU

Z=

ahol I és U az áram és feszültség állandósult állapotára jellemzőérték. Egyenáramnál az állandósult értékeket nem kell különértelmezni, Z ilyenkor az áramkör ohmos (konduktív) ellenállása.Szinuszos váltakozó áramnál I és U a megfelelő jellemzők effektívértéke (négyzetes középérték, a csúcsérték 2 -ed része), a Zimpedancia az ohmos ellenálláson kívül az induktív és kapacitívreaktanciától is függ, sőt ez utóbbiak az áram és feszültség időbelilefolyása között fáziseltolódást is okoznak. Az induktív jellegűfogyasztók (pl. motorok, transzformátorok, elektromágnesek) azáramot késleltetik a feszültséghez képest, a kapacitív jellegűek (pl.

106

kondenzátorok) siettetik. Nem lineáris áramköröknél (pl. telítődővasmagos induktivitások, félvezetők, gázkisülések, kapcsolóelemek,elektroncsövek, tranzisztorok) csak a tényleges jelleggörbék alapjánlehet a két villamos jellemző kapcsolatát leírni.

Az i I t= m sinω összefüggés szigorúan csak az áram és feszültségpillanatértékére igaz. Az állandósult állapotra egyenáramnáltermészetesen minden további nélkül alkalmazható, váltakozóáramnál viszont integrál-középértékét kell számítani. Ez szinuszoslefolyásnál, ha a két jellemző között ϕ fáziseltolás van, a

P U I= cosϕ

eredményre vezet. Ezt megkülönböztetésül a más alakú teljesítménykifejezésektől hatásos teljesítménynek is nevezik. Ha az áram és afeszültség nincsen fázisban (ϕ ≠ 0), a berendezések

P U Im = sinϕ

értékű meddő teljesítményt is igényelnek, ez hasznos munkát nemvégez (egy teljes periódus alatt integrálja zérus), hanem leng azáramköri elemek között. A hálózaton viszont a meddő teljesítményt istovábbítani kell, ami csökkenti a hálózatok kihasználhatóságát. Azátvitel terhelését a

Pl = UI

látszólagos teljesítmény jellemzi, a vezetékben veszteséget ésfeszültségesést a teljes I áram okoz és nem annak koszinuszos vagyszinuszos összetevője. A hálózat szempontjából az energiaveszteségakkor a legkisebb és az átvitel akkor a leggazdaságosabb, ha cos ϕ≈1.Ezt az állapotot a terhelések hatását ellensúlyozó áramköri elemekbeépítésével igyekeznek megközelíteni. A fázisjavítás beruházást ésenergiát takarít meg. A rossz cos ϕ-t okozó fogyasztókat (pl. motorok,fénycsövek) a tarifák is ösztönzik a fázisjavításra, többnyirekondenzátorok beépítésével lehet a fázistényezőt növelni. Gyakranmaga a villamos hálózat is oka a kis cos ϕ értéknek, a nagykapacitású szabadvezetékek hatását párhuzamosan kapcsolt fojtókbeépítésével ellensúlyozzák, a nagy induktivitású vezetékekhez pedigkapacitív terhelést (kondenzátor, szinkron kompenzátor) iktatnak.

A váltakozó áramot általában háromfázisú vezetékeken továbbítják.A generátorok tekercseléseit úgy kapcsolják össze, hogy a kivezetetthárom kapcson fázisszögben egymáshoz képest 120 °-kal eltoltszinuszos feszültség és áram jelenjen meg, melyeknek algebraieredője minden időpontban zérus. E háromfázisú rendszer azenergiaátvitelben nagy megtakarítást tesz lehetővé. A három egyfázisúáram továbbítására egymástól függetlenül áramkörönként 2, összesen6 vezetőt igényel, ezeket háromfázisú rendszerben összefogva viszont

107

csak 3 vezető szükséges, ugyanis az összevont visszavezetésben áramnem folyna, így az el is hagyható, a szükséges vezetékszám a felérecsökken. A vezetők és az egyesített potenciálú csillagpont között az Uf

fázisfeszültség, két vezető között pedig az U Uv f= 3 vonali (láncolt)feszültség uralkodik, a háromfázisú hálózatok feszültségszintjénekmegnevezésére az utóbbit használják. Üzemviteli és kisfeszültségenéletvédelmi szempontok szabják meg hogyan alakítják a csillagpontpotenciálját a földhöz képest. A magyar gyakorlatban 120 kV-on és afelett, valamint kisfeszültségen galvanikusan földelik (földelt hálózat),középfeszültségen határozatlan potenciálon hagyják (szigetelt hálózat)vagy impedanciákon keresztül földelik (kompenzált hálózat).Egyfázisú ellátást nagyfeszültségen csak kivételesen használnak (pl. avasutaknál), kisfeszültségen viszont a kis teljesítményűfogyasztóberendezések egyfázisúak, és az installációs hálózatot iscsak egyfázisúan érdemes kiépíteni. Az egyfázisú leágazásokat viszontúgy alakítják ki, hogy a terhelések lehetőleg egyenletesen oszoljanakel a három fázis között. Újabban vizsgálják hatfázisú (egymáshozképest 60 °-kal eltolt) nagyfeszültségű vezetékek építését is, ez aháromfázisúhoz képest vezeték megtakarítására nem ad módot, de aszabadvezetéki oszlopképre előnyösebb elrendezési megoldást ígér,ami az átvihető teljesítmény növelését és a sugárzási veszteségcsökkentését teheti lehetővé.

A gyártmányok egységessége, csereszabatossága, helyettesíthetőségeés ellenőrizhetősége megkívánta a fogyasztói feszültségszintekegységesítését és a használt feszültségek számának csökkentését. Azalkalmazható feszültségek értékét szabványok írják elő jórésztnemzetközi szabványok figyelembevételével. A Magyarországonmegengedett feszültségeket a 8. táblázat mutatja, az értéksorbevezetését a ténylegesen használt berendezések több évtizedeskövetkezetes egységesítése tette lehetővé.

Megjegyzendő, hogy a 8. táblázat értékei a hálózatokra vonatkoznak,egyes erősáramú berendezésekre ettől kismértékben eltérő értékeketszab meg a magyar szabvány.

8. táblázatFeszültségtípus Névleges láncolt

feszültség, kVMaximális feszültség,

kVMegjegyzés

Nagyfeszültség 750 800400 420 csak hatásosan220 245 földelt hálózatban120 145

Középfeszültség 35 40,520 2410 12

Láncolt feszültség, V Fázisfeszültség, VKisfeszültség 380 220

190 110

108

Törpefeszültség 42 egyenfeszültségnél48

24126 csak

egyenfeszültség

A vezetékeken átvihető villamos teljesítmény nagyságrendjét afeszültség szabja meg. Minél nagyobb teljesítményt kell továbbítani ésminél nagyobb az áthidalandó távolság, annál nagyobb feszültségrevan szükség. A 8. táblázatban szereplő nagyfeszültségű szinteket azerőműveket egymással és a nagy hálózati csomópontokkal összekötőalaphálózaton alkalmazzák. A villamosenergia-igény állandó bővülésemiatt az alkalmazott legmagasabb feszültségszint átlagosan 20évenként megkétszereződik. Az alaphálózatok feszültsége jelenlegtöbbnyire 400 kV, egyes országokban már a 750 kV-ot isalkalmazzák, az 1,1..1,2 MV-hoz szükséges berendezések fejlesztésalatt állnak, a századforduló táján az 1,5-2,0 MV megjelenését islehetségesnek tartják. A magyar alaphálózat szintén 400 kV-os,néhány területen 220 és 120 kV-os hálózatrészekkel.

Az alaphálózat csomópontjaiból a villamos energiát középfeszültségűelosztóhálózatokon keresztül továbbítják a fogyasztói súlypontokba.Az elosztóhálózatok legmagasabb feszültségszintje szintén növekvőtendenciát mutat, így nálunk a 120 kV-os vezetékek ma márelosztóhálózati feladatokat töltenek be szemben a régebbi alaphálózatifunkciójukkal. A hazai gyakorlatot szabadvezetékeknél a 20 és 120(kivételesen 35) kV-os, kábeleknél a 10 és 120 kV-os szintalkalmazása jellemzi. A fogyasztóberendezések táplálását újabbfeszültség-transzformáció után a fogyasztói hálózatok biztosítják.

A háztartások és a kisfogyasztók ellátása általában 220 V-osegyfázisú elosztóhálózatokról történik mintegy 3,5 kW teljesítményig,nagyobb motorokat és készülékeket háromfázison 380 V-róltáplálnak, ilyen módon 10..20 kW kielégítésére van mód. E kétfeszültségszintet ugyanaz a háromfázisú hálózat biztosítja, attólfüggően, hogy a vonali vagy a fázisfeszültséget juttatják el afogyasztókhoz (380 = 3 220⋅ ). A fogyasztóberendezések általában efeszültségekre készülnek egy vagy háromfázisú kivitelben.Magyarországon már nem használatos, de néhány külföldi országbanmég előfordul 190/110 V is. E kisebb feszültség előnye, hogy abalesetveszély is valamivel kisebb, mégis világszerte a 380/220-asrendszer kerül előtérbe, mert a kétszer akkora feszültség azonosvezetékeken négyszer akkora teljesítmény átvitelét teszi lehetővé.Gyakran a szükséges teljesítményt már a 380 V-on sem lehetgazdaságosan továbbítani, ezért valószínű, hogy a külföldigyakorlathoz hasonlóan nagy teljesítményű motorok ellátásáraipartelepeken meg fog jelenni a 660 V is. Egészen nagy teljesítményű

109

fogyasztóberendezéseknél 6 és 10 kV-os feszültségszint is előfordul. Anagy ipartelepek a közcélú hálózathoz a vételezett teljesítménynagyságától függően 10, 20, 35 vagy 120 kV-on csatlakoznak, éssaját transzformátorállomásukon keresztül biztosítják afogyasztóberendezések ellátásához szükséges feszültségszinteket.Újabban a nagyon magas épületeknél is meghonosodóban van azenergiaellátásnak az a rendszere, hogy az épület középfeszültségen(10, 20 kV) kapcsolódik a városi hálózathoz és az elosztófeszültségetsaját transzformátoron keresztül biztosítja. Érintésvédelemszempontjából különösen veszélyes munkahelyeken (nedves helység,fokozott érintésveszély stb.) 24 vagy 42 V-os törpefeszültséghasználatát írják elő a szabványok.

Az 8. táblázat értékei váltakozó feszültségekre vonatkoznak.Egyenfeszültségre a váltakozó fázisfeszültség értékeit logikushasználni, így a készülékek egy része mindkét áramnemrehasználható. Kis és törpe egyenfeszültségek esetében ezt az elvetérvényesítik is, hogy a fogyasztóberendezéseket egységesítenilehessen. Nagyfeszültségen a gyakorlat nem következetes, de mivelelszigetelt hálózatokról van szó, a szabványosításnak nincs is nagyjelentősége. A 120 kV-ot meghaladó egyenfeszültséget csak speciálisenergiaszállítási feladatokra használják (nagy távolságúirányszállítás, hálózatrészek összekapcsolása tengerszorosok alatt,eltérő frekvenciájú hálózatok összeköttetése), meglehetősenkorlátozott terjedelemben. Az egyenáramú átvitel más célokra mégnem versenyképes, nagyfeszültségű hurkolt hálózatok kialakítását azis nehezíti, hogy az áram megszakítása megoldatlan (a csatlakozóváltakozó áramú oldalon kell lekapcsolni). Középfeszültségen vasutak,városi járművek ellátására valamint egyenáramú technológiák belsőkiszolgálására alkalmazzák.

A terhelő áram a villamos vezetékek mentén feszültségesést okoz.Ennek nagysága a terhelő árammal, valamint az áramkörre jellemzőimpedanciával arányos. A feszültségesés következtében a hálózatbana feszültség pontról pontra változik. A fogyasztóberendezéseküzemszerű működésének feltétele, hogy kapcsaikon a bemenőfeszültség ne térjen el a megengedettnél nagyobb mértékben anévlegestől. Ehhez viszont biztosítani kell, hogy a feszültség a hálózatminden pontján meghatározott értékek között maradjon mindenidőpontban.

A villamosenergia-ellátás minőségének fontos jellemzője a hálózatifeszültség állandósága. A szabványokban előírt tűrés 1 kV alatt ±5 %(átmenetileg ±7,5 %), 1 kV felett a megengedett maximumottáblázatosan adják meg (8. táblázat), a tolerancia lefelé -10 %. Afelvett teljesítmény a feszültség négyzetével arányos, túl kisfeszültségnél a berendezés működése kétségessé vagy lehetetlenné

110

válik, túl nagy feszültség pedig tönkremenetelét okozhatja. Afeszültség nagysága a villamos energiát továbbító hálózatkapacitásától és a feszültségszabályozás módjától függ. Az elsőt ahálózatépítés üteme szabja meg, ha ez nem kielégítő, azelosztóhálózaton olyan nagy feszültségesés alakul ki, hogy afogyasztás bővítését korlátozni kell. Az ilyen területeket a hazaigyakorlatban zárolt körzeteknek minősítik. A zárolás feloldása ahálózatbővítés (vezeték-keresztmetszet növelése, újabb táppontlétesítése elosztóhálózati vezeték építésével vagytranszformátorkapacitás-növelés) ütemétől függ. Afeszültségszabályozáshoz nemcsak erre alkalmas berendezésekszükségesek, a lehetőségek implicite a teljesítménymérlegegyensúlyától is függenek.

Minél gyorsabban bővül a villamosenergia-felhasználás, annál többekerül az előírt feszültségkorlátok betartása. Ezért sokfelétapasztalhatók törekvések azok lazább, statisztikus értelmezésére, etekintetben azonban még nem alakult ki egységes felfogás. Vitatják,hogy az átmeneti állapotokban rövid időre nem engedhető-e meg azelőírt korlátok túllépése; meggondolónak tartják, hogy a vezetékektáppontjára és fogyasztói végpontjára helyes-e azonos követelménytelőírni; elképzelhetőnek tartanak egy átmeneti időszakban némiengedményt a toleranciában, hogy el lehessen tolni a hálózatbővítésidőpontját.

A villamosenergia-rendszer (VER) hálózata egyidejűleg nagyszámúfogyasztót lát el, melyek terhelése részben szezonálisan változik,részben véletlenszerűen ingadozik. A terhelés lassú változásátmegfelelő menetrendek kialakításával lehet uralni, a véletlenszerűingadozásokat olyan gyorsan működő automatikákkal lehetellensúlyozni, melyek a generátorokat hajtó erőgépek munkapontjátmódosítják. Az erőgépek teljesítménye és a villamos frekvenciátmeghatározó fordulatszáma nem független egymástól, ezért ateljesítményszabályozás szükségszerűen a frekvencia szabályozásávalkapcsolódik össze. A frekvencia állandósága a villamosenergia-ellátásminőségének fontos jellemzője. A névleges frekvencia ±1 ‰-estoleranciája (49,95..50,05 Hz) jellemzi a kifogástalan állapotot, ±1 %-os eltérés (49,5 Hz alatt, 50,5 Hz felett) már rendellenes állapotnakszámít. A frekvencia eltérése a névlegestől egyrészt a teljesítményváltozását vonja maga után (kisebb frekvencián a berendezésekteljesítménye a szükségesnél kisebb, nagyobb frekvencián viszonttúlterhelődnek), másrészt üzemzavarok forrása. A túl magas vagy túlalacsony frekvenciának káros hatása lehet magukra a villamosberendezésekre is, mert főleg a forgógépekben mechanikai éstermikus túligénybevételeket okozhat. A frekvencia ingadozása afordulatszámra kényes technológiákat zavarhatja (fonodákban

111

szálszakadás, számítógépek és automatikák téves működése,szinkronórás időmérés zavarai).

Az előírt frekvencia betartásához az erőművek generátorainakfordulatszámát kell állandó értéken tartani (2 pólusúszinkrongenerátornál 3000 min-1). Ehhez a generátorok leadottteljesítményével követni kell a rendszer fogyasztóinak teljesítményigényét. Szabályozástechnikai oldalról ennek a követelménynek mamár maradéktalanul eleget lehet tenni, ha a rendszerben vannak elégnagy kapacitású, gyorsan változtatható teljesítményű erőművek (főlegvízerőművek és gázturbinák terhelését lehet gyorsan változtatni) és aszabályozást számítógépek vezérlik. Problémát rendszerint az okoz,ha az erőműrendszer kapacitása kisebb a fogyasztói igényeknél, amia frekvencia csökkenését eredményezi.

A frekvencia stabilitása és a feszültségtolerancia betartása mellett avillamosenergia-ellátás minőségének harmadik mutatója arendelkezésre állás megbízhatósága. Az ellátás kiesésénekvalószínűsége elsődlegesen az erőművekben és hálózatokon felszereltberendezések megbízhatóságán múlik. Mivel üzemzavarokat teljesmértékben nem lehet elkerülni, a fogyasztók biztonságát egyrészt azellátási út többszörözésével, vagy autonóm tartalék áramforrásbeépítésével lehet növelni, ami természetesen többlet beruházástigényel. Ennek célszerűségét a többletköltség és a kiesés gazdaságikihatásának szembeállításán alapuló gazdaságossági számítássallehet megítélni. Egyes fogyasztóknál (hírközlés adóberendezései ésközpontja, repülőterek, robbanásveszélyes technológiák, stratégiaijelentőségű objektumok stb.) az ellátás biztonságának növelését agazdaságon kívüli követelmények szabják meg. Az ellátási biztonságnövelésének másik eszköze olyan védelmek és automatikákalkalmazása, melyek az üzemzavarok hatását időben és térbelikiterjedésében korlátozzák, átkapcsolások segítségével előmozdítjákaz ellátást más útvonalon a sérült szakaszok kiiktatásával.

A magyar villamosenergia-rendszerben alkalmazott védelmirendszerek színvonalát tanúsítja, hogy az üzemzavarok miatt kiesettvillamos energia évek óta a teljes fogyasztás 0,01 %-ánaknagyságrendjében mozog. Már korábban említettük, hogy atöltéshordozók erőtérben mozognak. Ezt az erőteret rendszerintmaguk a töltéshordozók létesítik. A villamos áram mindig együtt járelektromágneses erőtér kialakulásával, melyben villamos ésmágneses erőtér egyaránt kimutatható. Önálló villamos tér csaksztatikus formában létezik, amit nyugvó villamos töltések tudnakfenntartani (a szigetelés tökéletlensége miatt a statikus tér idealizálthatáreset). Önálló mágneses tér is csak statikus formában fordul elő,amit mágneses dipólusok létesítenek. Az állandósult egyenáramállandó villamos és mágneses térrel jár együtt, ezek egymástól

112

függetlenül is tárgyalhatók. Időben változó áramnál a térjellemzőkkölcsönhatásban vannak; a mágneses térerősség az áramnagyságával arányos, a villamos térerősség részben a villamostöltések konfigurációjának függvénye, részben a mágneses tér időbeliváltozásától függ. E második komponens annál nagyobb, minélgyorsabbak a változások, illetve szinuszosan változó folyamatoknálminél nagyobb a frekvencia. Az egyenáramot, a lassan változó áramotés az alacsony frekvenciájú váltakozó áramot a konduktív vezetőkbenvándorló töltéshordozókkal lehet leírni. Minél nagyobb a frekvencia,az áram az elektromágneses kölcsönhatások következtében annálinkább kiszorul a vezetők külső felületébe (skin effektus), sőt növekvőarányban kilép a környező szigetelőanyagokba is. Nagyon nagyfrekvencián az áram útja gyakorlatilag teljes mértékben aszigetelőközegeken keresztül zárul.

Nagyfrekvenciás jelenségeknél az áram vezetésének töltéshordozókáramlásán alapuló képét módosítani kell. Szigetelőanyagoknál mégleírható az áram az anyagot alkotó elemi töltéshordozók kismértékűeltolódásával az erőtér hatására, mely elmozdulás követi az erőtérfrekvenciáját. Légüres térben viszont – ami szintén közvetíti azelektromágneses hatásokat – ez a kép már nem tartható fenn. Ezért atöltéshordozók mellett a villamosenergia-hordozók közé magát a teretis be kell vezetni. Az elektromágneses térelmélet szerint az energiátmaga a tér tárolja, a térfogategységben felhalmozott energia:

w E H1 02

021

2

1

2= +ε ε µ µ ,

ahol E a villamos és H a mágneses térerősség, ε0 , illetve µ0 avákuum permittivitása, illetve permeabilitása, ε és µ szigetelőanyagvákuumra vonatkoztatott relatív jellemzői. Az összefüggés első tagjavillamosan, második tagja mágnesesen tárolt energia, ami e kéttárolási forma között kétszeres frekvenciával leng, így az összefüggésszerinti energia meddő. Az energialengés vákuumbanveszteségmentes, dielektrikumokban különféle csillapító hatásokveszteséget okoznak, ami hővé alakul.

Az elektromágneses erőtér a geometriai térben elektromágneseshullám formájában terjed, a továbbhaladó teljesítmény sűrűsége:

P E H= × .

A hullám vákuumban fénysebességgel terjed, dielektrikumokban aterjedési sebesség kisebb, és azt csillapítás is terheli. Az áramkörmegfelelő kialakításával az elektromágneses hullámokat irányítottanki lehet sugározni (antenna), amit az információátvitelben használnakki. Az elektromágneses hullámok frekvenciaspektruma a

113

rádióhullámoktól a fénysugárzáson keresztül a röntgensugarakigterjed.

Az infravörös-spektrumtól kezdve már érzékelhetően megnyilvánulaz elektromágneses sugárzások kettős természete, ilyenkor afotonokat is energiahordozóknak lehet tekinteni, az f frekvenciájúsugárzás fotonja

W = hf

energiát reprezentál (h = 6,625 ⋅ −10 34 Js a Planck-állandó).

Az elektromágneses hullámok legfőbb alkalmazási területe azinformációátvitel. A villamos jelekké átalakított információkatszuperponálni lehet a térjellemzőkre, a kisugárzott térjellemzőket avevők antennái érzékelik, és a leválasztott információkat felerősítik.Maguknak az információknak az átvitele nem járenergiafelhasználással, az adóknak folyamatosan csupán azerőtérben disszipált energiát kell pótolni. Az energiafelhasználás nagytételét nem ez teszi ki, hanem az az összesített energiamennyiség,amit az adó- és vevőberendezésekben a jelformálásra, modulálásra ésdemodulálásra, erősítésre és hasonló feladatokra fordítanak. Példázzaezt az a nagy befolyás, amit a televíziós vevőkészülékek avillamosenergia-rendszer csúcsterhelésére gyakorolnak. Aszórakoztató műsorszórás, az országos és helyi hírközlő rendszerek, atávirányított technológiai folyamatok bővülése gyorsan növeli azinformációátvitelhez kapcsolódó energiafelhasználást. A készülékekenergiaigényét a közcélú hálózatból vagy mobilis áramforrásokbólfedezik. A fajlagos energiafelhasználást csökkenti, hogy azinformációátvitel fejlődése a nagyobb frekvenciájú elektromágneseshullámok felhasználását eredményezi (mikrohullámok, távközlésműholdakkal, száloptikán továbbított fénysugarak stb.).

Jó néhány energetikai berendezés az erőtérben disszipált energiahasznosítására alapul. A villamos erőtér a szigetelőanyagokbandielektromos veszteséget okoz, a mágneses erőtér a ferromágnesesanyagokban idéz elő örvényáram- és hiszterézisveszteségeket. Ezeketaz effektusokat szárításra, hőkezelésre, anyagok olvasztására éshasonló termikus technológiai folyamatok előidézésére lehetkiaknázni. Az erőterek segítségével töltéshordozók pályáját ismódosítani lehet, ezen alapulnak a különféle elektrosztatikustechnológiák, elektronoptikai berendezések, részecskegyorsítók. Amágneses erőtérrel nagy, illetve hirtelen erőhatások idézhetők elő(emelőmágnes, relé stb.).

Az elektrotechnika fejlődése kis áramokat igénylő hírközlőeszközökkel (távíró, telefon) indult meg, ami a XX. században ahíradástechnika és elektronika rendkívül sokoldalú alkalmazásán

114

keresztül a gyengeáramú elektrotechnika széles területévéterebélyesedett ki. Az erősáramú technika jóval később bontakozódottki, kezdetben a világítástechnika területén, majd ezt követően amotorikus és elektrokémiai alkalmazásán keresztül a jelenlegiugyancsak nagyon széles körű felhasználásig. A gyengeáramú éserősáramú elektrotechnika hosszú ideig egymástól szinte függetlenülfejlődött, amit a teljesen eltérő eszköztár, az alkalmazott áramnemekkülönbsége és a jelenségek leírásához szükséges fizikai ésmatematikai apparátus eltérése indokolt. Az energetika figyelmegyakorlatilag csak az erősáramú elektrotechnikára irányult, legfeljebba gyengeáramú készülékek energiaellátásának biztosítása jelentettérintkezési pontot. Ez a helyzet átalakulóban van, a két szakterülethatárai kezdenek elmosódni. Ez nemcsak abban nyilvánul meg, hogya gyengeáramú technika energiaigényei számottevő váltak, hanemabban is, hogy a két terület eszközei, eljárásai kölcsönösenfelhasználásra kerülnek.

3.3.6. Villamosenergia-rendszer

3.3.6.1. A RENDSZER ÁLTALÁNOS ISMERTETÉSE

A fogyasztók villamosenergia-igényét az egyes erőművek nemelszigetelten, hanem egységes villamos hálózatra kapcsoltan látják el.Az együttműködő országos erőműrendszer létrehozását avillamosenergia-ellátás biztonsága és gazdaságossága indokolta. Azegyüttműködésben rejlő előnyök kiszélesítése érdekében, valamint avillamosenergia-export vagy import lehetővé tétele szükségessé tetteaz országos villamosenergia-rendszerek összekapcsolását. Az EurópaiUnió országainak nemzeti erőműrendszerei szintén részei egyegységes nemzetközi hálózatnak, az UCPTE-nek (Union pour lacoordination de la Production et du transport de l'electricite).

A következőkben bemutatjuk azon egységeket, melyekből avillamosenergia-rendszerek felépülnek. Ezek az egységeket többféleszempont alapján csoportosíthatjuk. Az első szempont a rendszerbenellátott feladat. E feladatok a következők lehetnek: villamosenergia-fejlesztés, elosztás-szállítás, végső felhasználás. A következő pontbanezen szempontok alapján tovább vizsgáljuk a rendszer egyes elemeit.

A rendszerben a villamos energiát az erőművek állítják előkülönböző energiahordozók átalakításával. Az erőműveket az alábbiszempontok alapján csoportosíthatjuk:

– cél alapján: közcélú vagy ipari (nem közcélú);

– kooperáció alapján: kooperációba bevont vagy kooperációba nembevont;

– kihasználás alapján: alap-, menetrendtartó- vagy csúcserőmű;

115

– felhasznált tüzelőanyag fajta alapján: szén, szénhidrogén vagynukleáris;

– kapcsolás alapján: kondenzációs erőmű, fűtőerőmű vagy fűtőmű.

A továbbiakban részletesen vizsgáljuk az egyes szempontok alapjántörténő besorolásokat, de ez előtt néhány alapvető, a továbbiakbangyakran használt fogalmat kell definiálnunk.

A Beépített Teljesítmény (Rendszer Beépített Teljesítmény) PBT , ill.PRBTmagyar definíciója: Az erőművekbe beépített turbógépcsoportokwattos teljesítményeinek összege.

A CDO (CENTREL) meghatározás: Az erőművekbe beépítettgenerátorok névleges wattos teljesítményének összege, beleértve aháziüzemi generátorokat is.

Az UCPTE-ben használt meghatározás: A fő- és háziüzemigenerátorok néveleges teljesítményének algebrai összege, beleértve atartalékban álló gépegységeket is.

A csúcsteljesítmény: a rendszer/erőmű szinten igényelt legnagyobbteljesítmény: Pcs.

Az adott erőművet közcélúnak tekintjük, ha feladata az adott ország,vagy egy régió ipari és kommunális fogyasztóinak ellátása. AzMVM Rt. erőművei közcélú erőművek. Az erőművet iparinak (sajátcélúnak tekintjük), ha feladata elsődlegesen egy ipari üzemenergiaigényeinek kielégítése. Az ipari erőműveket bevonhatják aközcélú villamosenergia-ellátásba (kooperáció).

Az erőművet kooperálónak nevezzük ha része az országos(regionális) villamosenergia-rendszernek (villamosenergia-rendszerekegyesülésének), és ezen hálózaton együttműködik a többi erőművel. Akooperáló erőművek rendszerszintű irányítását, teherelosztását aközcélú erőműveket irányító diszpécserközpont végzi.

Az erőművet nem kooperálónak nevezzük, ha nem részevillamosenergia-rendszernek, feladata kizárólag egy adott ipari üzemenergiaigényeinek kiszolgálása. Ilyenek például a nagyobbélelmiszeripari (cukorgyár), vegyipari, kohászati üzemeket ellátókisebb erőművek. Ezek célja általában hőkiadás valamilyen formábane mellett előállíthatnak villamos energiát is.

Az erőművet alaperőműnek nevezzük, ha csúcskihasználásiidőtartama igen magas (évi 5500 óra felett), közel állandóteljesítményen üzemel. Az alaperőművek általában a korszerű, jóhatásfokkal és olcsó tüzelőanyaggal üzemelő, rendszerint újerőművek. (Magyarországon: Paksi Atomerőmű).

116

A menetrendtartó erőművek követik a villamosenergia-igényekváltozásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesekterhelésüket változtatni. Menetrendtartásra építhetünk új erőművetis, de rendszerint a régebbi alaperőművek válnak fokozatosanmenetrendtartóvá. (Mátrai, Tiszai, Dunamenti erőművek.)

A csúcserőművek csak a villamos csúcsfogyasztás időszakábanüzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk 1500..2000 h/év alatt van.Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségű) erőműveket indokoltlétesíteni, melyeknél drága tüzelőanyag és alacsony hatásfok ismegengedhető. (Inotai gázturbina.)

Az egyes definíciók megértését segíti a 11. ábra által mutatott, egyerőműre érvényes éves tartamdiagram. Ezen az ábrán feltüntettük acsúcs- és a beépített teljesítmény értelmezését is. A kihasználásióraszám alapján történő besorolás szemléletesen leolvasható. Apontvonallal határolt terület a beépített teljesítmény és az arravonatkozó kihasználási időtartam alapján mutatja az előállítottenergiamennyiséget, a szaggatott vonal pedig a csúcsterhelésrevonatkozóan.

PBT

Pcs

Alap

Menetrendtartó

Csúcs

τ τBT cs

τ = 8760 h/

11. ábra. Az erőművek besorolása kihasználás alapján

3.3.6.2. A MAGYAR VILLAMOSENERGIA-RENDSZER FELÉPÍTÉSE

A villamos energia termelés feladatát hazánkban, jelenleg az MVM Rt.látja el. A társasághoz tartozik 8 erőmű részvénytársaság (BakonyiErőmű Rt., Budapesti Erőmű Rt., Dunamenti Erőmű Rt., MátraiErőmű Rt., Paksi Erőmű Rt., Pécsi Erőmű Rt., Tiszai Erőmű Rt.,Vértesi Erőmű Rt.), 6 áramszolgáltató társaság (ELMŰ, DÉDÁSZ,DÉMÁSZ, ÉDÁSZ, TITÁSZ) valamint az Országos VillamostávvezetékRt. (OVIT). A fent említett erőművek részben nagyobb városok,valamint ipari központok közelében találhatók, melyek nagy része az1950..1970-es években épült. A 12. ábra a különböző erőműrészvénytársaságok, valamint az erőművek elhelyezkedését mutatja.

117

Több esetben az erőmű bánya integráció keretén belül azerőművekhez csatolták a körzetben található energetikai célú szenettermelő bányákat is (pl. Pécsi Erőmű Rt., Vértesi Erőmű Rt.).

BakonyiErõmû Rt.

AjkaInota

VértesiErõmû Rt.

BánhidaOroszlány

TbányaBudapestiErõmû Rt.

Paksi Atom-erõmû Rt.

Pécsi Erõmû Rt

Tiszai Erõmû Rt.

Tisza I. II.

BorsodMátrai Erõmû Rt.

szénszénhidrogéatom

DunamentiErõmû Rt.

Dorog

12. ábra. A magyar villamosenergia-rendszer erőművei és erőműtársaságai

3.3.6.3. A JELENLEGI ERŐMŰPARK

A jelenlegi erőműpark néhány nagyobb és több kisebb erőműből áll. Aprimer energiahordozó felhasználás alapján három nagy csoportotlehet megkülönböztetni, a szén ill. olaj vagy földgáz tüzelésűerőműveket, valamint az atomerőművet. Az MVM Rt.-hez tartozóerőművek főbb műszaki adatait a 9. táblázat tartalmazza.

A szénerőművek a rendszer legrégebben épült berendezései. Ezmaga után vonja azt, hogy ezen erőművek az 1960-70-es évektechnikai színvonalnak felelnek meg, így a körfolyamat kezdőjellemzőia jelenlegi értékekhez viszonyítva alacsonyak, ennélfogva nem érhetőa mai kor műszaki színvonalának megfelelő hatásfok. Továbbiprobléma ezen erőművek esetén, hogy nincsenek felszerelve, aporleválasztón kívül, semmilyen légköri szennyezőanyag kibocsátástcsökkentő berendezésekkel, így magas a kéndioxid és kéntrioxid,valamint a nitrogénoxid kibocsátás. A magas kéndioxid kibocsátáshozhozzájárul a tüzelőanyag magas kéntartalma. Ezen erőművek aBakonyi Erőmű Rt.-hez, a Vértesi Erőmű Rt.-hez, a Pécsi Erőmű Rt.-hez és a Mátrai Erőmű Rt.-hez tartozó erőművek valamint a TiszaiErőmű Rt. több blokkja (Tisza I., Tiszapalkonya).

Az olaj és földgáz tüzelésű erőmű a Dunamenti Erőmű Rt., aBudapesti Erőmű Rt. erőművei és a Tiszai Erőmű néhány blokkja(Tisza II.). A Dunamenti Erőmű Rt. blokkjainak nagy része már újabbkonstrukció, azonban már ezek a műszaki konstrukciók is elavultak,hatásfokuk jobb mint a szenes erőműveké, de itt is jelentős problémaa környezetszennyezés. Szintén problémát jelent – olajszármazékok

118

eltüzelése esetén – a magas kéndioxid, kéntrioxid, és nitrogénoxidvalamint nehézfém kibocsátás. Földgáz tüzelés estén csak anitrogénoxid kibocsátás okoz gondot. Ugyanez mondható el a TiszaiErőmű Rt. olaj ill. gáztüzelésű blokkjairól. A Budapesti Erőmű Rt.erőművei szintén régi konstrukciók, rossz hatásfokúak éskörnyezetszennyezők. Változást hozott és jelenleg is hoz, hogy aDunamenti erőműben már üzemel, valamint építés alatt van egymodern jó hatásfokú és környezetkímélő gázturbinás kombináltciklusú erőművi blokk (G1 ill. G2 blokk). Ugyan így a BudapestiErőműhöz tartozó Kelenföldi Erőműben is felépült egy hasonló,gázturbinás kombinált ciklusú hőszolgáltató fűtőerőmű.

9. táblázatKapacitás Energia kiadás Hatásfok Tüzelőany

agErőmű BT Vill. energia Hő Fajta

MW GWh TJ %Dunamenti 1870 3935 7967 36,3 OGPaks 1840 13128 629 31,5 NTisza 860 512 0 63,4 OGMátra 800 3433 151 27,6 LPécs 250 795 3389 29,4 HCPalkonya 250 807 2422 26,8 BCOroszlány 235 1278 388 26,2 BCBorsod 171 507 3168 25,3 BCInota GT 170 0,2 0 17,3 OAjka 131 381 3361 25,9 BCBánhida 100 567 105 29,2 BCInota 92 92 680 16,8 BCKelenföld 66 218 5715 74,0 OGVízerőmű(8 db) 48 152 0 - VTatabánya 32 99 1927 73,2 BCKelenföld GT 32 0,05 0 7,5 OKispest 24 130 2877 72,8 OGKőbánya 22 96 2612 72,7 OGDorog 12 12 972 67,4 BCÚjpest 10 34 2634 76,8 OGAngyalföld 10 36 977 75,7 OGNyíregyháza 8 12 2062 78,2 OGSopron 8 15 554 44,2 OGyőr 8 6 466 50,0 OKomló 6 14 524 58,4 OSalgótarján 3 3 615 44,1 OSzeged 1 2 258 63,5 GSzékesfehérvár 1 5 996 51,6 ODebrecen 0 0 2518 - OGRévész utca 0 0 1495 - GBékéscsaba 0 0 175 - GKecskemét 0 0 151 - GLőrinci 0 0 81 - OÖsszesen 7060 28271 49870 31,5

Rövidítések: OG: olaj és gáztüzelés, O: olajtüzelés, N: nukleáris, L:lignit, BC: barnaszén, HC: feketeszén, V: víz, G: földgáz.

119

A harmadik fő csoportba tartozik a Paksi Atomerőmű. Ezen erőműesetén elmondható, hogy alacsony a hatásfok, azonban ez a maimodern nyomottvizes atomerőművek esetén sem sokkal magasabb. Alegalacsonyabb üzemeltetési költség miatt ez az erőmű viszi avillamos energia termelés alapját. Környezetvédelmi szempontokalapján sem mondható rossznak az erőmű, azonban meg kell oldani akiégett fűtőelemek valamint a kis és közepes aktivitású hulladékoktárolását.

Összefoglalva elmondható, hogy az MVM Rt.-hez tartozó erőműveknagy része

– rossz hatásfokú (gazdaságtalan),

– rosszul szabályozható,

– környezetszennyező.

Több erőműből történik hőszolgáltatás is a lakosság illetve iparifogyasztók felé. Erre az üzletágra is igaz, hogy gazdaságtalan (ez amagas hőárakban jelenik meg) és környezet-szennyező.

A villamos energiának az erőművektől a fogyasztók felé továbbítását,a villamosenergia-rendszerek közötti kapcsolatot – köztük anemzetközi energiacserét is – az átviteli hálózatok (lásd 13. ábra)biztosítják. A villamos energia átviteli hálózatok együttműködőrendszere mindenütt a világon, így hazánkban is több különböző célúés feszültségű hierarchikusan összekapcsolódó rendszerből áll. Afeszültségszinteket transzformátorok kötik össze. Az egyesfeszültségszintek kiválasztása a szállítási távolság, a szállítandómennyiség, a berendezéselemek ára és az alkalmazott elemekegységessége figyelembe vételével számításokon alapul. Azüzembiztonságon túlmenően alapvető cél, hogy az elemek beruházásiköltségterhe, valamint az átvitel energiavesztesége és kiszolgálásiköltsége hosszú távon a minimális legyen.

Mivel a villamos energia elosztása és szállítása különbözőfeszültségszinteken megy végbe, ennek ezért megkülönböztetünkalap-, főelosztó (szabadvezetékes és kábeles), középfeszültségű éskisfeszültségű hálózatot. A következőkben sorra vesszük ezenhálózattípusok néhány jellemző tulajdonságát.

Alaphálózatnak tekintjük mindazon hálózatokat, illetve a hálózatokazon vezetékszakaszait, melyek a villamos energia rendszerbenelsőrendűen:

– az alaperőműveknek az országon belüli vagy nemzetközikooperációjára szolgálnak;

– az alaperőművekből vagy a nemzetközi kooperációcsomópontjaiból a villamos energiának a főelosztó hálózatok felé

120

való átvitelére szolgálnak. A MVER-ben e hálózat része a 750(nemzetközi kooperációs), 400 és 220 kV-os vezetékrendszer. Azalaphálózaton kooperálnak a MVER „nagyerőművei” (a beépítettteljesítmény nagyobb mint 100 MW).

Főelosztó hálózat a 120 kV-os szabadvezetékes, a 120 és 35 kV-oskábeles hálózat. A főelosztó hálózaton keresztül kooperálnak a kisebb(100 MW alatti beépített teljesítményű) és a nem közcélú erőművek. Afőelosztó hálózat feladata az áramszolgáltató társaságok belsőegyüttműködésének, a szomszédos társaságokkal valókapcsolattartásának biztosítása, nagyobb fogyasztói körzetekben avillamos energia szállítása, ipari nagyfogyasztók ellátása, nagyrészthurkolt kialakítású, kisszámú sugaras elemmel,

Az elosztóhálózat 35, 20 és 10 kV-os részeit összefoglalóanközépfeszültségű hálózatnak nevezzük. A középfeszültségű hálózat,feladata villamos energia továbbítása a főelosztó hálózati alállomásokmintegy 10..40 km-es körzetében 35, 20, 10 kV-os feszültségszinten a0,4 kV-os fogyasztókat ellátó közép/kisfeszültségűtranszformátorállomásokig, illetve a nagyobb teljesítményigényű ipariés mezőgazdasági fogyasztókig, sugarasan üzemel, egy-egy elemkiesése esetén a fogyasztók ellátása általában csak átkapcsolásokkal,üzemszünetekkel biztosítható,

A kisfeszültségű hálózat a villamos energiának a lakossági (kis-)fogyasztókhoz való továbbítására szolgál. Feszültségszintje: 0,4 kV(380 V).

A villamosenergia-rendszer igen fontos egységei az állomások ésalállomások. Az állomáson csak a villamos energia áramlás irányaváltozik meg (csatlakozások, leágazások). Az alállomáson az áramlásiirányon kívül megváltozik a villamosenergia-továbbításfeszültségszintje is.

3.3.6.4. RENDSZERIRÁNYÍTÁS

A magyar energiarendszerben a teherelosztók többszintűmegosztásban végzik feladatukat. A teherelosztás célja a mindenkorelérhető legkisebb önköltség, figyelemmel a korlátozó éshatárfeltételekre. Az MVM Rt. Országos Villamos Teherelosztójának(OVT) közvetlen irányítása alá tartoznak a nagyerőművek, azalaphálózat és alaphálózati alállomások, a körzeti teherelosztók és avillamos energia külkereskedelme. (14. ábra)

Az import igénybevétele történhet állandó teljesítménnyel ésmenetrendes szállítással. Nemzetközi együttműködés folytathatópárhuzamos üzemben (amikor a két vagy több rendszer azonosfrekvenciával együtt jár), szigetüzemben (amikor az egyik rendszer egyrészét a másik rendszerről látják el), irányüzemben (amikor az egyik

121

rendszer erőművet és fogyasztókat is tartalmazó része a másikrendszerrel jár együtt) és egyenáramú betéten keresztül (amikor a kétrendszer frekvenciája eltérő lehet és az energiaáramlás irányát azegyenirányítókat és invertereket tartalmazó betét szabályozásahatározza meg). Az import technikailag és gazdaságilag is előnyöslehet. Elsődleges energiahordozókban, természeti erőforrásokbanszegény országban (tehát hazánkban is) a villamos energia szállításaolcsóbb lehet, mint a tüzelőanyag szállítása és hazai eltüzelése,másrészt a villamosenergia-termeléssel együtt járókörnyezetszennyezés is elmarad. Ugyanakkor kockázatokkal is jár,mivel az import kimaradása ellátási zavarokat okozhat.

lakossági kommunális kis

fogyasztók

Kisfeszültségûelosztóhálózat 0,4 kVTörpe erõmûvek

Kis erõmûvek Középfeszültségûelosztóhálózat

Fogyasztók

35-20-10 kV

120 kV

Nagy fogyasztók

Fõelosztó hálózatNagy erõmûvek

Alaphálózat

750-400-220 kV

Nemzetközikooperáció

OVT

KDSZ

ÜIK

13. ábra. Az országos villamos hálózat sémája

122

Országos Villamos Teherelosztó

Erõmûvek Áramszolgáltatók Fogyasztók

Szabályozás

Szállítás Elosztás

SzolgáltatásÁtalakítás

Import Export

Fogyasztás

14. ábra. Rendszerszintű feladatok

Az Áramszolgáltató Részvénytársaságoknál (ÁSZ Rt.) működő körzetialteherelosztó vagy körzeti diszpécser szolgálatok (KDSZ) a főelosztóhálózat, valamint az elosztóhálózat kiemelt vezetékeinek és az erre ahálózatra dolgozó erőművek üzemirányítását végzik. Azelosztóhálózatok működésének irányítását az üzemirányító központok(ÜIK) látják el. Így áll össze egységes egésszé a villamos energiatermelése és elosztása Magyarországon. (15 ábra)

OVTKOOPERÁLÓVER-EK NEMZETI

TEHERELOSZTÓI

NEMZETKÖZITEHERELOSZTÓ

NAGYERÕMÛVEK KDSZ-okNEMZETKÖZIKOOPERÁCIÓ+ALAPHÁLÓZAT

KISERÕMÛVEK ÜIK-ok FÕELOSZTÓ-HÁLÓZAT

NAGYFOGYASZTÓK KÖZÉPFESZ.HÁLÓZAT

KISFOGYASZTÓK

CDO

15 ábra. A VER operatív üzemirányítási rendszerének elvi sémája

3.3.6.5. GAZDASÁGOS ÜZEMMENET

A szolgáltatók a fogyasztók költségeinek csökkentése és sajátprofitjuk maximálása érdekében egyaránt a legkisebb költségretörekszenek. A villamos energia költségei két nagy csoportraoszthatók. Az első csoportba a szolgáltatást végző berendezésekmeglétével, szolgáltatási képességének megőrzésével, bármikoriüzemeltethetőségével kapcsolatos állandó költségek, mint az

123

értékcsökkenési leírás (amortizáció), a személyzeti-karbantartásiköltség, a finanszírozási költségek, az adminisztráció. (Ezekért afogyasztó kapacitásdíjat fizet.) A második csoportba a ténylegesüzemeltetéssel kapcsolatban felmerült változó – döntően tüzelőanyag– költségek tartoznak. (Ezekért a fogyasztó áramdíjat fizet.) Acsúcsigénynél nagyobb beépített kapacitások, a biztonsági okokbólfelhalmozott tüzelőanyag-készletek (állandó) költségeit is meg kellfizetni (a kapacitásdíjban).

A legkisebb állandó költséggel a csúcsgázturbinák bírnak.Alaperőműként a kőszénre, nehézolajra épített erőmű és azatomerőmű jön szóba. Levonható a következtetés, hogy alaperőműviüzemmódban a nagy állandó költség mellett csak a kis változóköltségű egységek lehetnek gazdaságosak, míg csúcsüzemre csak kisállandó költségű egységek használata célszerű. Ezek gazdaságoskihasználási óraszámát a változó költség dönti el, ez minél kisebb,annál nagyobb a kihasználási óraszám. Az előzőekből az egyesegységek kihasználására, a közöttük lévő teherelosztásra iskövetkeztethetünk. Mivel az állandó költséget mindenféleképpen kikell fizetni, a rendszerszintű költségek minimálása érdekében előszöra legkisebb változó költségű egységeket terheljük ki, legvégül mindigaz adott fogyasztói igény kielégítéséhez (a villamos tartaléktartást isfigyelembe véve) még szükséges soron következő legkisebb változóköltségű egység üzembe vételére kerül sor. Elképzelhetők olyannagyon nagy változó költségű egységek is, amelyek egész évbentartalékban állnak, üzembe vételükre – a tervezettnél kisebbfogyasztói igény, vagy a feltételezettnél kevesebb üzemzavar miatt –nem kerül sor.

A valóságban az egységek közötti teherelosztás, az indítási sorrendmeghatározása nem a változó költség, hanem (az indítás-leállításköltségeit is figyelembe véve) a növekményköltség alapján történik. Eza változó költségtől – amely egy adott, rendszerint névlegesteljesítményre vonatkozó átlagérték – annyiban tér el, hogy aberendezések terhelés függvényében változó fajlagos hőfogyasztását isfigyelembe veszi és a tényleges teljesítménynél, annak szűkkörnyezetében pontosan mutatja a költségek teljesítményváltoztatáshatására bekövetkező változását.

3.3.6.6. ELSŐDLEGES ENERGIAHORDOZÓ FELHASZNÁLÁSA

A villamos energia előállítás több fajta tüzelőanyag-bázison történik,így nagy szerepe van a szénnek, a kőolajszármazékoknak, valamint aPaksi Atomerőmű üzembe helyezése óta az atomenergiának. Azegységes villamosenergia-rendszer kialakulása óta azonban a primer-energiahordozó felhasználás összetétele folyamatos átalakulásbanvan. Az 1950-es években szinte a teljes villamos energia termelés

124

szénbázison történt. ezekben az években épült a Mátrai erőmű, azInotai erőmű és a Borsodi Hőerőmű. A szénerőművek építése egészenaz 1960-as évekig folytatódott, így épült a Pécsi Hőerőmű is. A szintecsak szénen alapuló villamos energia termelés azzal magyarázható,hogy az akkori igények kielégítésére megfelelő mennyiségű szénbányászatára volt lehetőség. Változást az 1960-as évek közepe hozott,amikor üzembe helyezték az első hazai olajtüzelésű erőművet, aDunamenti Erőművet Százhalombattán. Azonban ekkor is mégtovább folyt a szenes erőművek bővítése. Az 1970-es években avillamosenergia-rendszer fejlesztésében továbbra is két forrás volt ameghatározó, a szén (lignit) és az olaj. Ekkor több nagy erőműviblokkot helyeztek üzembe a Dunamenti Erőműben a TiszaiErőműben és a Mátrai Erőműben.

A dinamikusan növekedő igények kielégítésére építették ki a PaksiAtomerőművet, melynek első blokkját 1982-ben kapcsoltákpárhuzamosan a hálózattal. A négy blokkot tartalmazó erőmű 1987óta teljes kapacitással üzemel a villamos energia rendszerben. Az1980-as években a földgáz háttérbe szorította az olajszármazékokat,mely folyamat jelenleg is tart. Az MVM Rt. primer energiahordozófelhasználását a 16. ábra mutatja.

1950 1955 1960 1965 1970 1975 1980 1985 19900

50

100

150

200

250

300

350

400

PJ/év

������������������

��������������������������������������������������������

����������������

����������������

�����������������������������������������������

��������������������

����������������������

�����������

��������������������

��������������������

��������������������

����������������������

��������������

����������������

����������������

��������������������������

������������������

����������������������������������������

����������������������

��������������

������������������������

�����������������������������������

��������������������

������������������������������������������

������������������������

������������������

��������������������

������������������������������������������������

����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������

����Szén

�������Olaj

������Földgáz

�����Atom

16. ábra. A villamos energia előállítás elsődleges energiahordozó felhasználása

3.3.6.7. AZ ERŐMŰVEK KÖRNYEZETI HATÁSAI

A hagyományos erőművek környezetszennyezése a környezet mindenelemét érinti. A szennyezőanyagok közül a gázok hatása (a magaserőművi kémények miatt) elsősorban az erőművektől távolabb,kontinentálisan, globálisan érvényesül, míg az egyéb szennyezésekéaz erőmű környezetében.

125

A tüzelőanyagok elégésekor keletkező CO2 az üvegházhatásért, azSOx a savas esőkért, a tüzelőanyagban lévő nitrogén,nitrogénvegyületek, ill. az égéshez felhasznált levegő nitrogénjébőlkeletkező különböző nitrogén-oxidok (NOx) a savas esőkért, a földetkörülvevő ózonréteg károsításáért felelősek. A nitrogén-oxidokatilletően az erőművek kibocsátása hazai viszonylatban a közlekedésbőlszármazó kibocsátás mintegy felét teszi ki. A tüzelőanyagokhamujából felszabaduló nagyon kis mennyiségű F, Cl a halogénvegyületekhez hasonlóan hozzájárul az ózonréteg fogyásához. Atüzelőanyagok hamujából a rossz hatásfokú porleválasztáskövetkeztében a kéményen át távozó pernye és koromszemcsék,nehézfémvegyületek a kémény környezetében lévő ökorendszereketkárosítják. Ugyanakkor a nyomelemek és más hatóanyagok révén aterméseredmények javításához, a kártevők hatásánakmérséklődéséhez is hozzájárulhatnak.

A tüzelőanyag hamujából és a kéntelenítés melléktermékekéntképződő szilárd anyagokat deponálni kell. Ennek mennyisége hazaiviszonylatban 4 millió tonnára tehető évente. Emellett évente néhánytonna nehézfém (vanádium, kadmium, nikkel stb.) sókat tartalmazókülön leválasztott veszélyes hulladék is képződik. Ezek deponálásahelyett a továbbhasznosítás a cél. A szilárd anyagok tárolásánál avízzel kioldható elemek talajvízbe kerülését meg kell akadályozni,ezért lerakásuk csak alul, felül vízzáróan kialakított deponiákbaengedhető meg. A környezetszennyezés csökkentésére fontos ezenmaradékok újrahasznosításának növelése (építési, útépítésianyagként).

A vízszennyezések közül legnagyobb a nyári hőszennyezés, azerőművi körfolyamat veszteséghőjének élő vizekkel való elsődlegeselnyeletése, ami az ökorendszerek életfeltételeinek drasztikusmegváltozását okozhatja. Télen akár hasznos is lehet, ha például afolyók hajózhatóságára gondolunk. Emellett a már említettszilárdanyag-deponiák talajvízszennyezésén kívül az erőművikörfolyamatok a szilárd égési maradványok hidraulikus szállításárafelhasznált évente kb. 45 millió m3 sókkal, lúgokkal szennyezettvízzel, a kazánüzemi víztisztító berendezések regenerálásáhozfelhasznált évi 10..12 ezer tonna sóval, valamint néhány száz m3

olajos csapágyhűtő mosóvízzel is terhelik az élő és talajvizeket.Ezekhez képest a nukleáris erőmű környezetszennyezésegyakorlatilag minimális és jól ellenőrizhető. Az atomerőművek légkörikibocsátása elhanyagolható nagyságú. Üzemanyagának térfogata,tömege, a belőle előállítható energia egységére vetítve többnagyságrenddel kisebb, mint az ennek megfelelő széné vagy olajé.Szilárd és folyékony hulladékai ugyanakkor radioaktívak, semmifélemódszerrel nem tisztíthatóak, aktivitásukat csak a múló idő

126

csökkenti. A villamosenergia-ipar környezetvédelméhez hozzátartozika fázisjavító kondenzátorok dioxintartalmú elektrolitjainak és a PVCszigetelésű kábelek maradékainak különleges eljárásokkal történőártalmatlanítása is. A villamosenergia-rendszer akörnyezetszennyezés csökkentése terén jelentős eredményeketelsősorban a nukleáris termelés részarányának növelésével, másrészta korszerű pernyeleválasztók beépítésével ért el. Részeredményekmás területeken is születtek, pl. a hibrid szénpor-fluid tüzelésalkalmazása az Ajkai Erőműben kéntelenítésre, NOx szegény égőkalkalmazása a Dunamenti Erőműben, sűrű zagyos salak-pernyelerakás a talajvízszennyezés csökkentésére Tatabányán, Pécsett,ellenáramú víztisztítóberendezés-regenerálás a Paksi, Kelenföldi,Kőbányai, Mátrai, Dunamenti, Oroszlányi Erőművekben, a vegyszer-és sókibocsátás mérséklésére.

Erőműparkunk jelentős része környezetvédelmi szempontbólelavultnak tekinthető. A szenes rekonstrukciókkal csak aporkibocsátást sikerült néhány helyen az elfogadható szintrecsökkenteni. Jelentősen mérséklődött ugyan az SOx-kibocsátás is, deez elsősorban a szénerőművi termelés visszaesésének és nem akörnyezetvédelmi intézkedéseknek a következménye. Lényegében azatomerőművi termelés megjelenésének az eredménye az NOx-kibocsátás mérséklődése is. Nem ilyen kedvező a helyzet az erőművifajlagos emissziók területén. A kén-dioxid és a nitrogén-oxid emisszióerőműveinkben sokszorosa az Európa-normákkal előírtmegengedhető értékeknek. Vannak ugyan törekvések a meglévőerőművekben a helyzet javítására, de jelentős javulás csak tetemesberuházási költségekkel volna elérhető. Jobbnak látszik az elavulttechnológiájú erőművi főberendezések cseréje, mint a tisztítóberendezések utólagos felszerelése. A környezetvédelmi szabályozás aközeljövőben módosulhat, tehát nyugat-európai kibocsátásihatárértékek válhatnak érvényessé, amelyeket 5 vagy 10 éven belül ameglévő erőművekre is alkalmazni kell.

127

4. ENERGIAÁTALAKÍTÁS

A primer energiahordozókból szekunder energiahordozók előállítása,valamint az áttérés a szekunder energiahordozók egyik típusáról egymásikra energiaátalakítások segítségével történik. A 10. ábra alapjánérzékelhető, milyen fontos szerepe van az energiaátalakításoknak azenergiaellátás folyamatában. A fizika az energiafajta módosításáranagyon sok lehetőséget tárt fel. A továbbiakban az átalakításieljárásokat a kinyert energiafajta szerinti csoportosításban tekintjükát. Ennek során a hangsúlyt a jelenlegi műszaki gyakorlatbanalkalmazott eljárásokra helyezzük. Érdemes azonban némi figyelmetszentelni az energetikai szempontból ígéretes egyéb lehetőségeknekis. Ezek közül jó néhány ma még csak olyan kis energiát tudszolgáltatni, hogy alkalmazási lehetőségük méréstechnikai, vagyvezérléstechnikai feladatokra korlátozódik. A technikai fejlődésazonban könnyen eredményezhet ugrásszerű minőségi változásokat,amire épp az elmúlt 2..3 évtized szolgáltatott sok példát(atomenergetika, erősáramú elektronika, újszerű áramforrások stb.).Érdemes felidézni, hogy legtöbb nagyteljesítményű energiaátalakítóberendezésünk őse olyan nagyon kis teljesítményű laboratóriumidemonstrációs eszköz volt, mely még sejtetni sem engedte abemutatott fizikai hatás műszaki jelentőségét.

Az áttekintés érdekében nemcsak az energiafajtát módosítóeljárásokat mutatjuk be, hanem azokat a fontosabbenergiaátszármaztatási utakat is, melyek az energiafajtát nem érintik,de új szekunder energiahordozó megjelenését teszik lehetővé. Azenergiaátalakítás ilyen szélesebb értelmezése az energiaátalakításimátrix (2. táblázat) azon elemeinek bevonását jelenti, melyek sorát ésoszlopát azonos energiafajta jellemzi (pl. a mechanikai munka egyikformájának átalakítása a mechanikai munka másik formájába,hőhordozók felmelegítése hőcseréből).

A tárgyalásnál az alábbi felosztást fogjuk követni:

1. Hőforrások.

2. Erőgépek.

3. Áramforrások.

4. Kémiai energiaátalakítás.

5. Magreakciók gerjesztése.

128

4.1.1. Hőforrások

A környezetünkben található közegekben és testekben gyakorlatilagkorlátlan mennyiségű hő áll rendelkezésre a környezetihőmérsékleten. A különféle termikus műveletekhez viszont általábana környezetinél magasabb hőmérséklet szükséges. A hőhordozókhőmérsékletének növeléséhez hő bevezetésével belső energiájukatnövelni kell. Csak kivételesen fordul elő, hogy a természet közvetlenülbocsátja rendelkezésünkre a kívánt hőmérsékletű hőhordozót, ageotermikus energiát a felszínre juttató víz vagy gőz formájában. (Ageotermikus energia nagyobb arányú kiaknázására irányulóelképzelések már nem természetes módon felszínre kerülőhőhordozókon alapulnak, hanem kívülről kívánják a vizet besajtolni,lásd 3.2.1.7 pont.) Általában a szükséges hőt energiaátalakításokratámaszkodva tudjuk csak biztosítani.

Hővé közvetlenül át lehet alakítani minden más energiafajtát és alegtöbb átalakítási lehetőséget iparilag hasznosítják is. Agyakorlatban primer és szekunder energiahordozókból egyarántfejlesztenek hőt. A legfontosabb átalakítási lehetőségeket a10. táblázat foglalja össze.

10. táblázatKiinduló energiafajta Átalakítás útja1. Kémiai égés, exoterm kémiai reakciók2. Nukleáris nukleáris reaktor3. Villamos konduktív ellenállás vesztesége, ív hője és sugárzása,

dielektromos veszteség, indukciós veszteség, infrasugárzás,mikrohullám, lézer, Peltier-hatás

4. Sugárzás felmelegedés abszorpció révén5. Mechanikai súrlódás, hőszivattyú, hűtőgép6. Hő hőátszármaztatás

Sok technológiai műveletnél a hőfejlesztés végcélja a hőhordozókfelmelegítése. Gyakran azonban a felmelegített hőhordozónak csupántranszmissziós szerepe van, hogy a hőt a további felhasználás helyéreszállítsa. Az anyagok, szerkezetek felmelegítése történhet közvetlenüla 10. táblázat 1..5. alternatíváiban összefoglalt energiaátalakításifolyamatokkal, de megvalósítható közvetve egy vagy többenergiahordozó közbeiktatásával (6. alternatíva). Az utóbbi megoldásegyedi hőfogyasztók ellátásánál is előfordul, de legnagyobb szerepe acsoportos hőellátásban van. Ugyancsak így lehet kielégíteni ahőhordozó anyagi összetételével, állapotjellemzőivel kapcsolatosspeciális fogyasztói követelményeket.

Hőenergia gazdálkodásunk jelenleg alapvetően a kémiai energiahasznosítására alapul. A fejlesztett hőnek több, mint 90 %-át végsőfokon tüzelőanyagok elégetésére lehet visszavezetni. A következőkbenrészletesen áttekintjük a tüzeléssel kapcsolatos alapvetőfolyamatokat.

129

4.1.1.1. TÜZELŐANYAGOK ELTÜZELÉSE

Mai energiagazdálkodásunk zömmel a tüzelőanyagok elégetése soránfelszabaduló hő hasznosításán alapul. A tüzelőanyagok nagy részetermészetes eredetű primer energiahordozó (szén, kőolaj, földgáz,tőzeg, tűzifa, mezőgazdasági hulladékok), de jelentős a mesterségesenelőállított szekunder energiahordozók aránya is. E mesterségestüzelőanyagokat főleg a természetes eredetű anyagokból nyerik(kőolaj- és szénlepárlás termékei, pl. koksz, faszén, fűtőolaj,tüzelőolaj, gudron, kamragáz, PB-gáz ), de lehetnek gyártott termékek(generátorgáz, bontott gázok, brikett ) vagy technológiaimelléktermékek (pl. kohógáz) is.

A legtöbb elem exoterm reakcióban egyesül az oxigénnel,tüzelőanyagainknál a karbon (reakcióhő 36,8 MJ/kg) és a hidrogén(reakcióhő 144 MJ/kg) oxidációja játssza a főszerepet, amihezkismértékben esetenként a kén (reakcióhő 10,4 MJ/kg) is hozzájárul.A tüzelésnél lejátszódó legfontosabb reakciók a 11. táblázatbanláthatók.

A tüzelőanyagok az éghető elemeken kívül számos egyéb alkotót istartalmaznak, amelyek hatnak az égés lefolyására. A tüzelésszempontjából a tüzelőanyag hasznos része az elégethető karbon éshidrogén. Ez nem mindig azonos azzal a karbon- éshidrogéntartalommal, amit a tüzelőanyag elemi kémiai analízisekimutat, mert ezen elemek egy része éghetetlen vegyületek (pl.karbonát, víz) formájában is jelen lehet. Tökéletes égésnél a karbon ésa hidrogén a 11. táblázat 1. és 2. jelű reakciói szerint szén-dioxiddáés vízgőzzé ég el. A tüzelőanyagban levő kén egy része nem éghetővegyületekben van, a többi elég (éghető kén), ideális esetben kén-dioxiddá a 3. reakció szerint. Ugyan a kén éghető része hozzájárul ahőfejlesztéshez, ez az alkotó mégsem kívánatos, mert az égéstermékkorrodálja a berendezéseket és szennyezi a környezetet.

11. táblázatReakció Megjegyzés

1. C O CO2 2+ =2.

H1

2O H O2 2 2+ =

3. S O SO2 2+ =4.

CO1

2O CO2 2+ =

5.H S

3

2O H O SO2 2 2 2+ = +

6. CH 2O CO H O4 2 2 2+ = +7. C H 3O 2CO 2H O2 4 2 2 2+ = +

130

8.C H m

n

4O m CO

n

2H Om n 2 2 2+ +

= +

9.C

1

2O CO2+ = tökéletlen égés

10.C H

m

2

n

4O m CO

n

2H Om n 2 2+ +

= + tökéletlen égés

11. CH O C 2H O4 2 2+ → + koromkiválás

12. 2CO C CO 2→ + koromkiválás

13. CO 2H C 2H O2 2 2+ → + koromkiválás

A tüzelőanyagban levő nem éghető vegyületek a tüzeléshatékonyságát rontó ballasztanyagok. Ezek közé tartozik a nedvességis, amelynek mennyisége szélsőséges esetben – egyesbarnaszeneknél – a tüzelőanyag 60 %-át is elérheti. A nedvesség egyrészét csak fizikai erők kötik a tüzelőanyaghoz (felületi adszorpcióvagy keveredés), ez a durva nedvességtartalom, ami a tüzelőanyaglégköri viszonyok között történő természetes száradása közbeneltávozik. Ez magyarázza, hogy a tüzelőanyagok nedvességtartalmaerősen függ a tárolás körülményeitől. A teljesen kiszáradt tüzelőanyaglégszáraz, de abban még számottevő nedvesség lehet, ezt tekintikegyensúlyi nedvességtartalomnak. Ennek egy részét fiziko-kémiai erőkkötik meg (kapilláris nedvesség, kolloid oldat), ami csak 100 °C felettiszárítással távolítható el. Megegyezés szerint a 105 °C-on kiszárítotttüzelőanyagot tekintik száraz tüzelőanyagnak, az így eltávolított víz azanalitikai nedvességtartalom. Végül a víz egy része, a szerkezetinedvességtartalom, vegyületekben található (kristályvíz), ami csak evegyületek szétbontásához szükséges magas hőmérsékleten, a tüzeléssorán szabadul fel. A szerkezeti nedvességtartalmat a tüzelőanyagnedvességtartalmának meghatározásánál nem számítják be. Atüzelőanyagban levő éghetetlen ásványi szennyezőkből keletkezik azégés során a hamu, ami szélsőséges esetben – ugyancsak egyesbarnaszeneknél – elérheti a száraz tömeg 50 %-át is. A hamuösszesült darabjai alkotják a salakot, kis méretű, szálló porformájában távozó része a pernye.

A tüzelőanyagok elégetése fizikai és kémiai változásokból állónagyon összetett folyamat, melynek részletei még sok tekintetbentisztázatlanok. Lefolyását nemcsak a tüzelőanyag halmazállapota,szerkezete és összetétele szabja meg, hanem olyan külsőkörülmények is, mint a hőmérséklet, a nyomás, a reakciótérbentartózkodás ideje, az oxigénnel történő keveredés módja. A magashőmérsékletre kerülve a tüzelőanyagok fizikai és kémiai változásokonmennek keresztül. E folyamatok annál összetettebbek, minélbonyolultabb molekulákból épül fel a tüzelőanyag és minélheterogénebb a szerkezete. Az illó komponensek elpárolognak, az

131

összetett, bonyolult szénhidrogén-molekulák egyszerűbbekkébomlanak le, de e folyamatokat módosíthatják vagy fékezhetik akülönböző kísérő anyagok. A lejátszódó kémiai reakciók néhaexotermek, gyakran azonban endotermek, ami hőelvonást jelent.Ugyancsak hőt igényelnek a fizikai állapotváltozások, a folyadékokelpárolgása (pl. olaj), a szilárd anyagok kigázosítása, magashőmérsékleten a molekulák termikus disszociációja stb. Többnyireendotermek a hamualkotók kémiai reakciói is, valamint a szilárdhalmazállapot változásai (pl. lágyulás). Mindezt a hőt az éghetőelemek reakcióhője fedezi, ezért a tüzelőanyagok kémiai energiájátnem lehet teljes egészében hő formájában kinyerni.

Az égéshez a tüzelőanyagnak legalább a gyulladási hőmérsékletig felkell melegednie. A felmelegedés első fázisában eltávozik a durva és azanalitikai nedvességtartalom (ez lefolyhat a tűztéren kívül is atüzelőanyag előzetes felmelegítése során). A hőmérsékletnövekedésével mind nagyobb arányban kiválnak az illó alkotók is.Illónak azokat a komponenseket tekintik, amelyek a levegőtől elzárthevítés során ászáraz szilárd vagy folyékony tüzelőanyagból gázok ésgőzök formájában kilépnek. Az illó alkotók nagy része éghető, devannak éghetetlenek is. Az illók teljes mértékű kiválása utánszárazanyag, koksz és hamu marad vissza. Az illó alkotók aránya ésfelszabadulásának kezdeti hőmérséklete számottevően befolyásolja agyulladási viszonyokat. A folyékony szénhidrogének bizonyoshőmérsékleten felül gyakorlatilag teljes mértékben elgőzölögnek. Aszenek illótartalma annál nagyobb, minél fiatalabbak, aszárazanyagra vonatkoztatott illótartalom antracitnál 4..9 %,feketeszeneknél 10..40 %, barnaszeneknél 40..60 %, fánál 85 %-ot iselér. Az illó-felszabadulás kezdeti hőmérséklete szintén erősentüzelőanyag-függő, fiatal barnaszeneknél 130..170 C-on mármegindul a folyamat, de sovány feketeszeneknél 380..400 C isszükséges lehet. A gyulladás akkor következik be, amikor atüzelőanyagban fejlődő hő meghaladja a hőveszteséget. Atüzelőanyagot egyrészt a magas hőmérsékletű környezet melegíti atűztérben levő anyagok sugárzása és konvektív hőátadása útján,másrészt a tüzelőanyag, mindenekelőtt az illó alkotók égése soránfejlődő reakcióhő. Az oxidáció reakciósebességének exponenciálishőfokfüggése miatt az időegység alatt fejlődő reakcióhő csak bizonyoshőmérsékleten felül elegendő a veszteségek ellentételezésére. Egyulladási hőmérséklet – néhány tüzelőanyagra – a 12. táblázatbanlátható. Legalacsonyabb hőmérsékleten a nagy molekulájúszénhidrogén-gőzök gyulladnak meg (250..300 °C), legmagasabbhőmérsékleten (450..650 °C) a kisebb atomsúlyú gázok, így ahidrogén, a szén-monoxid, a metán. A környezet melegítő hatásamiatt a gyulladási viszonyokat számottevően befolyásolja atüzelőszerkezet konstrukciója is. Kialakításánál fontos szempont,

132

hogy a begyújtás után folyamatosan biztosítsa a később bevezetetttüzelőanyag felmelegítését a gyulladási hőmérsékletig. Megjegyzendő,hogy katalizátorral a gyulladási hőmérséklet alatt is biztosítható azégés feltétele, léteznek olyan hőfejlesztő készülékek, melyek e lángnélküli exoterm reakció útján alacsony hőmérsékleten „tüzelnek el”földgázt vagy hidrogént.

A gyulladás után az égés zónája térben kiterjed, az erre jellemzőégési sebesség a tüzelőanyag jellegétől és a tüzelés módjától függően0,3..10 m/s közötti érték. A reakciósebesség gázok és gőzök égésénélbizonyos nyomás- és hőmérsékletviszonyok esetén annyira megnő,hogy az égési sebesség nagyságrendekkel nagyobb, 1..3 km/s-ossebességet is elérhet, robbanás következik be. A szokásos égéstőleltérően a robbanásnál a folyamat továbbterjedését nemanyagtranszport biztosítja, hanem az égő tartományból kiindulónyomáshullámok adiabatikusan a gyulladási hőmérsékletigkomprimálják a gázkeveréket, a tér nagy részében szinte egyidejűlegkövetkezik be a gyulladás. Mivel a robbanás feltételei csak areakcióban részt vevő elemek bizonyos sztöchiometriai arányánálteljesülnek, a robbanás lehetősége csak az alsó és felső robbanásihatár közötti arányoknál áll fenn. A 13. táblázat e határokat mutatjanéhány anyagra, légköri nyomáson levegővel alkotott elegyekre.

12. táblázatTüzelőanyag Gyulladási hőmérséklet, °C

Tüzelőolaj 240Generátorgáz 650Szén-monoxid 600Hidrogén 450Metán 650Városi gáz 450Etilén 480Propán-bután 650..750Fa 300Légszáraz tőzeg 240..280Fiatal barnaszén 250..300Idős barnaszén 350..400Feketeszén 400..500Koksz 500..600Antracit 500..550Benzin 350..500Gázolaj 250

A belső égésű motorok a robbanást használják ki mechanikaimunka előállítására, az ezekben elégetett tüzelőanyagokatmotorhajtóanyagnak vagy üzemanyagnak nevezik. A hőfejlesztéstszolgáló tüzelőberendezésekben viszont a robbanásmegengedhetetlen, az nemcsak a berendezést károsítja, haneméletveszélyes is. Ezért a gázzal működő tüzelőberendezésekbiztonságáról megfelelő védelmek, automatikák, a láng fennállásátellenőrző lángőrök beépítésével gondoskodnak az üzemviteli előírások

133

mellett. Ennek ellenére a technológiai előírások megsértése nem egysúlyos balesetet okozott.

13. táblázatGáz Robbanási határ, térfogat %

alsó felsőHidrogén 4,1 74,0Szén-monoxid 12,5 74,0Metán 4,3 14,0Etán 3,2 12,5Propán 2,4 9,5Bután 1,6 8,5Acetilén 2,5 80,0Benzin 1,2 7,0Generátorgáz 30,0 75,0Torokgáz 40,0 65,0Olajgáz 3,4 7,8Vízgáz 6,0 70,0Városi gáz 6,0 35,0

A tüzelőanyagok használati értékét az elégetéskor felszabaduló hőfejezi ki. Ezt a tüzeléstechnikai gyakorlatban a fűtőértékkel, a kémiaivizsgálatoknál az égéshővel jellemzik. Az égéshő a tüzelőanyagtökéletes elégetésekor fejlődő hő, ha a bevezetett tüzelőanyag éslevegő hőmérséklete, valamint a távozó égéstermékek hőmérsékleteegyaránt 20 °C, ami azt is jelenti, hogy a tüzelőanyag és a levegőnedvességtartalma, valamint az égés során keletkezett víz folyékonyhalmazállapotban van az égéstermékekben. A valóságban azégéstermékek magas hőmérsékleten távoznak atüzelőberendezésekből és jelentős mennyiségű hőt visznek magukkal.

A tényleges hasznosítás körülményeit jobban megközelítő fűtőértékaz égéshőtől abban tér el, hogy a távozó vizet gőz halmazállapotbanveszi figyelembe. Így a két jellemző között a legnagyobb különbséget avíz 2,3 MJ/kg párolgáshője jelenti, ami kiegészül azzal a mintegy330 kJ/kg hővel, ami a 20 °C-os víz 100 °C-ra való felmelegítéséhezszükséges. A tüzelési célra használt tüzelőanyagok fűtőértéke 4 és45 MJ/kg tartományban fekszik, az alsó határt a gyenge minőségűlignit, a felsőt a kőolajszármazékok jelölik ki. Az azonoshőteljesítményt biztosító tüzelőberendezések mérete és beruházásiköltsége általában annál kisebb, minél nagyobb a tüzelőanyagfűtőértéke. Ugyanez vonatkozik a tüzelőanyag-szállítási költségekreis. Ezért az alacsony fűtőértékű tüzelőanyagok versenyképességénekelőfeltétele a kitermelés alacsony önköltsége. A nagyon alacsonyfűtőértékű tüzelőanyagokat (pl. lignit, inert tartalmú földgáz, alacsonyfűtőértékű gyártott gázok) ugyanezért nem gazdaságos nagyobbtávolságra szállítani, eltüzelésük csak előfordulásuk közvetlenkörnyezetében gazdaságos.

Az égéshez oxigén jelenlétét is biztosítani kell. Tökéletes égésnél akarbonból CO2, a hidrogénből H2O és a kénből SO2 képződik. A

134

tüzelőanyagban található C, H és S mennyiségétől függően a11. táblázat 1..3. reakcióegyenletei határozzák meg azt asztöchiometriai arányt, ami megszabja az égéshez elméletilegszükséges oxigén mennyiségét. Az oxigént többnyire levegőbevezetésével biztosítják. Az elméletileg szükséges levegőmennyiséggelazonban nem lehet tökéletesen elégetni a tüzelőanyagot, mertegyrészt az éghető anyag keveredése a levegővel nem tökéletes,másrészt az anyagok a reakciótérből idő előtt kiáramlanak. Ezértáltalában az elméletinél több levegőre van szükség, ennek és azelméleti mennyiségnek az aránya a légfelesleg-tényező. A tüzeléshezszükséges légfelesleg a tüzelőanyagtól és a tüzelőberendezéstől függ,általában annál kisebb, minél tökéletesebb keveredést lehet elérni.

Az elméletileg szükséges levegőmennyiséghez viszonyított légfeleslegrelatív értéke nagyon változó, jól beszabályozott szénhidrogén-tüzelésnél néhány százalék is elég, szénportüzelésnél 20..30 %, kézitüzelésű kis berendezéseknél 80..100 % is előfordul. Technológiaicélra, például a fémkohászatban előfordul tüzelés levegőben szegény,redukáló atmoszférában is, ilyenkor a tüzelőanyag a jelenlevőoxidokból vonja el az oxigént.%

Légfeleslegténye1,05 1,1

5

10

Optimum

Eredõ veszteség

Füstgázveszteség

Éghetõ maradék

17. ábra. Veszteségek az égéshő százalékában

Gyakorlati okokból a légfelesleg sem biztosítja a tüzelőanyagtökéletes elégését. A karbon egy része csak szén-monoxiddá ég el (pl.a 11. táblázat 9. és 10. egyenletei szerint), az égéstermékekkelelégetlen gázok, pernyeéghetö, korom, szállókoksz, salakéghetőtávozik a tűztérből, ami energetikailag veszteséget jelent. Ennekcsökkentése azonban csak bizonyos mértékig lehetséges, ugyanis alégfelesleg növelése a légfelesleg növeli a füstgáz mennyiségét és azazzal távozó, ugyancsak veszteséget jelentő hőt. Így a légfelesleg

135

függvényében kijelöli az eredő veszteségnek minimuma van (lásd17. ábra.), ami kijelöli az energetikai optimumot.

Egyes tüzelőberendezésekben a levegő egy részét a tüzelőanyaggalegyütt juttatják a tűztérbe (primer levegő), a többit másutt az égéssorán fújják be (szekunder levegő). A levegőbevezetés arányával éssebességével javítható a keveredés és a kiégés mértéke. Kisebbberendezésekben a levegő beszívását a kémények természetes huzatabiztosítja, amit a meleg füstgáz és a környezeti hideg levegősűrűségkülönbségéből származó felhajtóerő hoz létre. Nagyobbberendezéseknél viszont ventillátorokra is szükség van.

A tüzelés égésterméke a füstgáz és a salak. Tökéletes égésnél afüstgázban szén-dioxid, vízgőz, kén-dioxid és az elhasznált oxigénnekkereken négyszeresét kitevő nitrogén (a bevezetett levegő 79 %-a)található. Ténylegesen a légfelesleg miatt fel nem használt oxigén, atökéletlen égés következtében szén-monoxid, hidrogén és metán,valamint egyéb gázkomponensek is vannak a füstgázban. Rosszüzemvezetésnél, ha kevés az oxigén, az elégetlen szénből korom(11. táblázat 11-13. reakciók), ami füst alakjában távozik. Ha afüstgázban sok az oxigén, az SO2 egy része SO3-má alakul át, ami anedvességgel kénsavat alkot. E kénsav kondenzálódik és megtámadjaa fémes szerkezeti anyagokat, ha a füstgáz hőmérséklete a kénsavharmatpontja alá csökken (alacsony hőmérsékletű korrózió). Nagyobblégfeleslegnél maga a harmatpont is magasabb, ami szintén alégfelesleg csökkentésére ösztönöz. A kén-trioxid-képződés arányaviszonylag kicsi és tüzelőanyagfüggő, a fejlődő SO3 a távozó SO2,százalékában rostélvtüzelésnél 1,6..2,9, szénportüzelésnél 0,8 ésolajtüzelésnél 0,5..4,0 %-ot tesz ki, az olajban található vanádium azSO3 képződést katalizálja. Az alacsony hőmérsékletű korróziót alégfelesleg csökkentésével, inhibitorok adagolásával, kémiai vagyadszorptív lekötéssel, vagy a hőmérséklet emelésével lehetellensúlyozni. A nagy légfelesleg a magas hőmérsékletű korróziót iselőmozdítja, amit az olajokban található elemek, mindenekelőtt azalacsony forrpontú vanádium okoz. Az oxigénnel vanádium-pentoxidot (V2O5) alkot, ami maga is korróziót okoz, de különösenagresszív a nátrium-oxiddal alkotott eutektikuma, aminek az olvadásihőmérséklete is alacsony. Az eutektikum lágyulása 570..600 °C-onindul meg, e hőmérséklet felett a fémes szerkezeti anyagokat és afalazati anyagokat megtámadja, aminek megakadályozására azolajtüzelésű erőművek gőzparamétereit sokfelé 540..545 °C-banmaximálták. A magas hőmérsékletű korróziót adalékanyagokkalcsökkenteni lehet. A füstgázban az egészségre ártalmas nitrogén-oxidok is vannak. A tűztérben a nitrogén és az oxigén egy kishányada NO-vá kapcsolódik össze, különösen 1500 C-ot meghaladóhőmérsékleten. A nitrogén-oxid egy kis része 600 °C felett oxigénben

136

dús környezetben lassan NO2-vé alakul át. Az NOX képződést atűztér-hőmérséklet és a légfelesleg csökkentésével lehet mérsékelni.Különösen földgáztüzelésnél nagy a nitrogén-oxidok koncentrációja amagas hőmérséklet miatt. értéke 25..50 gNOX/GJ-t is elérhet.Jelentős lehet az NOX képződés szeneknél is, ha eredetinitrogéntartalmuk magas volt.

Szilárd tüzelőanyagoknál számottevő mennyiség a tüzelőanyag neméghető része, a hamu, ami nagyrészt különféle oxidokból áll. Ezekalacsony forrpontú, kis hányada gázállapotban távozik a füstgázzal,legnagyobb része viszont szilárd halmazállapotú. A hamuból akisméretű, granulált lebegő részecskékké összeállt pernyét a füstgázragadja magával, a többi salak formájában marad vissza. A pernye ésa salak arányát a tüzelőanyag minősége és a tüzelés módja szabjameg, darabos szénnel működő rostélytüzelésnél a hamu 15..20 %-a,porszén-tüzelésnél 80..85 %-a pernye. A pernye koptatja az áramlásútjába eső szerkezeti anyagokat, kedvezőtlen áramlási viszonyoknállerakódhat, csökkentve az áramlási keresztmetszetet és atüzelőberendezés teljesítményét. A salak rendszerint némi éghetőanyagot is tartalmaz, aminek a salakra vonatkoztatott százalékossúlyaránya a salakéghető. Nagy salakéghető aránynál egy részétutóégető berendezésen égetik ki. A salak kémiai összetételeszénfajtánkként erősen változik, ettől függően lágyuláspontja 1050 és1500 °C között van olvadáspontja pedig ennél magasabb érték. Azolvadáspont annál magasabb, minél nagyobb a savanyú és a bázisosalkotórészek aránya a hamuban. A meglágyult hamu lerakódhat vágyrásülhet a szerkezeti elemekre, rontva a hőátadást, és üzemvitelizavarokat is okoz. Ezt a tűztér megfelelő kialakításával kell elkerülni.Többnyire olyan hőmérsékletviszonyokat alakítanak ki, hogy a salakszilárd rögök formájában legyen eltávolítható (granuláló tüzelés).Vannak viszont olyan tüzelőberendezések is amelyeknél ahőmérséklet meghaladja a salak olvadáspontját, és a salakotfolyékony állapotban távolítják el a tűztérből (salakolvasztó tüzelés),amit azonban csak alacsony salakolvadásponttal jellemzetttüzelőanyagoknál lehet megvalósítani. Az égés során felszabaduló hőegy része veszteségként a környezetbe távozik.

Ennek kisebb része a szerkezet sugárzása és konvektív hőleadásaútján távozik, a veszteség legnagyobb része az égéstermékekbenkilépő hő. A magas hőmérsékleten távozó égéstermékekhőkapacitásukkal arányos hőmennyiséget szállítanak el. Különösen afüstgázveszteség jelentős, ami a légfelesleg-tényezővel arányosan nő – ismét egy ok a légfelesleg csökkentésére. Legnagyobbrészt ez akörülmény szabja meg a tűztér hőmérsékletviszonyait is. Bár atűztérben és környezetében az izotermák topográfiája nagyonbonyolult, az átlagos hőmérséklet jó közelítéssel a hasznosítható

137

hőmennyiség és az égéstermékek hőkapacitásának hányadosábólszámítható. A hasznosítható hő nem teljes mértékben azonos azelégett tüzelőanyag mennyiségének és fűtőértékének szorzatával,előmelegítés esetén a levegővel és a tüzelőanyaggal bevitt hő növeli, akörnyezetbe távozó veszteség pedig csökkenti. A bevitt levegőelőmelegítése a füstgázzal számottevően javítja az energetikaihatásfokot. (A füstgáz lehűlése miatt ezen előmelegítők kritikuskérdése az alacsony hőmérsékletű korrózió.) Nagy kazánoknál afüstgázveszteség 4..8 %, a salakveszteség 1..2 %, a tökéletlen égésokozta veszteség pedig 2..6 %, kis berendezéseknél e mutatóklényegesen nagyobbak lehetnek. Miután az égéstermékekhőkapacitását elsődlegesen a füstgáz mennyisége szabja meg, alégfelesleg csökkentése nemcsak a hatásfokot, hanem a tüzeléshőmérsékletét is növeli.

A levegőben lezajló égés hőmérsékletét az korlátozza, hogy a füstgázjelentős hányadát a ballaszt nitrogén teszi ki. Ezért magashőmérsékletet igénylő folyamatoknál (pl. a kohászatban) előfordul,hogy az égéshez bevezetett levegőt oxigénnel dúsítják. Tüzelés tisztaoxigénben magas költsége miatt csak kivételesen fordul elő erre példaa hegesztéshez acetilén, a rakétahajtáshoz hidrogén elégetéseoxigénben. Ha viszont a füstgáz hőmérséklete nagyon magas,1800..2000 °C felett, a molekulák nagyobb mértékben disszociálnak,ami egyrészt hőt von el, másrészt növeli az égéstermékek térfogatát,vagyis csökkenti a hőmérsékletet. Szóba jöhet vegyületekoxigéntartalmának hasznosítása is, erre példa a termit eljárás,amelynél alumínium-port vas-oxiddal kevernek össze és a2Al + Fe2O3 → Al2O3 + 2Fe reakció 3000 °C-nál is magasabbhőmérsékletet szolgáltat.

A tüzelőanyagok eltüzelhetőségét és viselkedését atüzelőberendezésekben számos fizikai és kémiai tulajdonságbefolyásolja a fűtőértéken, a halmazállapoton és az anyagiösszetételen kívül. Például szeneknél az illótartalom, az összesülésrevaló hajlam, a szemcsék méretének eloszlása és őrölhetősége, a hamukémiai és fizikai tulajdonságai és más hasonló jellemzők játszanaklényeges szerepet. Folyékony tüzelőanyagoknál a viszkozitás, adermedéspont, az elkokszolódási hajlam, a porlaszthatóság és másjellemzők lényegesek a tüzelési technológia kialakításánál, ismétmások a motorhajtóanyagként történő hasznosításhoz(kompressziótűrés, kis affinitás a fémekhez, tárolhatóság stb.).

Hiba lenne azonban a tüzelőanyagokat kizárólag műszakitulajdonságaik alapján megítélni. Alkalmazhatóságukról végső sorona gazdasági kihatások döntenek, ami nemcsak a kitermelésköltségén, hanem a felhasználáson is múlik. A kitermelés költsége atüzelőanyag vagyon nagyságától és kibányászásának technológiájától

138

függ, a felhasználásé a tüzelőberendezések beruházási ésüzemeltetési költségeitől. Mint említettük, az égés folyamata nagyonváltozatos a különféle tüzelőanyagoknál, a tüzelőberendezéseketilleszteni kell a tüzelőanyaghoz. Ennek az illesztésnek fő tendenciájasajnos olyan, hogy az olcsóbban kitermelt tüzelőanyagfelhasználásához többnyire drágább tüzelőberendezés tartozik. Ezérta tisztánlátás érdekében indokolt a műrevalóságot a végtermékversenyképessége alapján megítélni.

Az égés során lejátszódó fizikai és kémiai folyamatoktisztázatlansága miatt a tüzelőberendezések kialakításában nagyszerepe van az empíriának. Ebből következik az is, hogy atüzelőberendezések üzemeltetésénél nem lehet nagymértékben eltérnia tervezéshez alapul vett tüzelőanyag minőségétől és összetételétől akonstrukció módosítása nélkül. A tüzelőberendezéseknek ez arugalmatlansága visszahat az energiagazdálkodásra is. Azenergiaellátás biztonságának növelésére egyes tüzelőberendezésekettöbbféle tüzelőanyag eltüzelésére is alkalmassá tesznek, amitermészetesen beruházási többletköltséggel jár. Ez a megoldáselsősorban nagy erőművi vagy ipari berendezéseknél lehet gazdaságosés az energiagazdálkodás rugalmassága számára előnyös.Előfordulnak többféle szén eltüzelésére alkalmas megoldások, olajatés gázt alternatívan használó berendezések (pl. a hazai szénhidrogén-erőművek), sőt olaj, földgáz és szén eltüzelését lehetővé tevőrendszerek is.

Az energetika rugalmatlanságából fakad az a követelmény is, hogyegy adott tüzelőanyagból álljon rendelkezésre akkora tüzelőanyag-vagyon, ami biztosítja az arra telepített fogyasztók ellátását aberendezések élettartama alatt. Ez a követelmény annál kritikusabb,minél nagyobb és minél rugalmatlanabb tüzelőberendezésről van szó.Egy szénerőmű létesítésénél például nagyon kritikusan vizsgálják,hogy a szénellátás az erőmű több évtizedes üzemét lehetővé teszi-e; azerőmű kiépíthető teljesítményét az szabja meg, hogy az alapul vettszénvagyon legalább 30 évig biztonságosan fedezze a szükségletet.

A tüzeléstechnika fejlődése nagyon hosszú múltra tekint vissza azőskor primitív tűzhelyeitől napjaink több GW-os automatizáltkazánjaiig. E folyamatnak gyakran nagy kihatása volt nemcsak atechnikai fejlődésére, hanem a társadalmi viszonyokra is. Számoskézművesség és ipari technológia a tüzeléstechnika vívmányainakköszönhette megszületését, fejlődésük a tüzeléstechnika mindenkorikorlátitól függött (fazekasság, kohászat, élelmiszeripari technológiák,szilikátipar stb.). Mivel az anyagok és termékek előállításához ésformázásához rendszerint valamilyen termikus folyamat szükséges(melegítés, olvasztás, párologtatás, főzés, lágyítás, forralás, égetés,edzés, izzítás stb.), és számos folyamat csak magas hőmérsékleten

139

játszódik le (kémiai reakciók, halmazállapot-változások, disszociáció,plazmaképződés stb.), sok technológia fejlődése hosszú ideig függött atüzeléstechnika haladásától, mert a tüzelés módja szabta meg azelérhető hőmérsékletet. Ez a technológiai kapcsolat ma már lazább,minthogy a hőfejlesztésnek számos más útja is járható, bár a nagymennyiségű hő előállításának legfőbb módszere máig is a tüzelésmaradt.

A tüzelőanyagokat tüzelőberendezésekben vagy hőerőgépekbenégetik el a hőfejlesztéshez. A tüzelőberendezésekben a tüzelőanyagotgyakran elő kell készíteni a tüzeléshez (őrlés, porlasztás), a bevezetetttüzelőanyag és levegő mennyiségét szabályozni kell és azokból éghetőkeveréket kell kialakítani. Az égés a tűztérben zajlik le, ahonnan afejlődő hő sugárzás, hőátadás és hővezetés révén vezethető el. Atűztérből az égéstermékeket is el kell szállítani. A legegyszerűbbtüzelőberendezések a helyiségek fűtésére használt kályhák és azételkészítésre szolgáló tűzhelyek. Ezeket az egyszerű és olcsóberendezéseket azonban elég rossz hatásfok jellemzi. Nagyobbhőigény kielégítésére a tüzelőanyagot kazánban égetik el, és a hővel afűtőfelületeken keresztül munkaközeget (levegő, víz, gőz stb.)melegítenek fel. A kazánok nagyon sok típusa használatos. Szerkezetimegoldásuk függ a rendeltetéstől, az alkalmazott tüzelőanyagtól, amunkaközeg jellegétől és paramétereitől, az üzemvitel és aszabályozás módjától és számos egyéb körülménytől.Hőteljesítményük az etázsfűtéseket kiszolgáló 10 kW-osnagyságrendtől az erőművek több GW-os teljesítményéig változik. Akazánhatásfok megközelítőleg a munkaközegnek átadott hő és atüzelőanyag vegyi energiájának hányadosa. Ez elsődlegesen afűtőfelületek kialakításán múlik: minél nagyobb hatásfok eléréséretörekszenek, annál több szerkezeti elemet kell beépíteni és annálbonyolultabb azok között a hőkapcsolat, ami a beruházási éskarbantartási költségek növelésével jár. Lényegesen csökkenti ahatásfokot a fűtőfelületek degradációja (elpiszkolódás,salaklerakódás, korrózió), valamint a kazán tömítéseinek romlása(tömörtelenség), ezért a berendezések karbantartása és üzemeltetésiszínvonala jelentős szerepet játszik. Ez minden tüzelőberendezésrejellemző, tehát az energetikai hatásfok javítása érdekébenmegkülönböztetett figyelmet érdemel.

A kohászat, a szilikátipar, az élelmiszeripar, a vegyipar gyártásifolyamataiban gyakran fordulnak elő magas hőmérsékletet igénylőszárítási, hőkezelési, izzítási, pörkölő, olvasztási és hasonlóműveletek. E technológiai folyamatokhoz szükséges magashőmérsékletet kemencékben állítják elő. Szerkezeti felépítésükszorosan alkalmazkodik az ipari feladathoz (boksa-, tégely-, kád-,cső-, aknás, alagút-, kamra- stb. kemencék). A közvetlen fűtésű

140

kemencéknél az égéstermék közvetlenül érintkezik a hőkezeltanyaggal, a közvetett fűtésűeknél nem. Közvetlen fűtésű iparikemencékben a technológiai anyagokból is kerülhetnek komponenseka tűztérbe, magas hőmérsékleten lejátszódó fizikai folyamatok(párolgás, disszociáció) és gázterméket eredményező kémiai reakciókkövetkeztében. Attól függően, hogy ezek a komponensek exoterm vagyendoterm reakciókra hajlamosak, módosul a tűztérben hasznosíthatóhő mennyisége, e komponensek befolyást gyakorolhatnak a füstgázmennyiségére és összetételére, továbbá a tűztér hőmérsékletére is.Ezek a hatások a kemencék hőmérlegének és energetikaihatásfokának számítását meglehetősen bonyolulttá tehetik.

A tüzelőberendezések tényleges konstrukciója nagyon erősen függ atüzelőanyag jellegétől. Legegyszerűbben és leghatékonyabban agázokat lehet eltüzelni. A gázt többnyire levegővel keverve égőkönkeresztül nyomják be az égés helyére. A gáz a levegővel jól keveredik,az égéshez kis, néhány százalékos légfelesleg szükséges, ami jóhatásfokot és magas tűztérhőmérsékletet biztosít. A gázlángbankezdetben pirogén disszociáció alakul ki, majd szén-monoxid éshidrogén képződik, ami szén-dioxiddá és vízgőzzé ég el. A gázégésnagyon kevés hamuval jár, gyakorlatilag szinte csak gázneműégéstermék képződik. Ez, valamint a kis légfelesleg azt eredményezi,hogy a tüzelőberendezés elhasználódása lassú, kevés karbantartástigényel. A kis légfelesleg miatt a gáz-levegő arány szabályozása fontosfeladat: ha a levegő túl kevés, a hidrogén nagyobb égési sebességemiatt a szén egy része korom alakjában válik ki. Ha az égőkönkiáramló gáz sebessége meghaladja az égési sebességet, a lángleszakad. A gáz és a levegő mennyiségével a tüzelőberendezésteljesítménye könnyen változtatható, és mivel az eltüzelt gázösszetétele időben gyakorlatilag állandó, a tüzelés egyszerűenautomatizálható. Az automatizálás egyben az ellen is védelmet nyújt,hogy a gáz-levegő elegy a tűztérben robbanásveszélyeskoncentrációban felhalmozódjon (13. táblázat), a láng kialvásátellenőrző lángőrök elreteszelik az újragyulladás lehetőségét. Vezetékesgázhálózatból rendkívül egyszerűvé válik a tüzelőanyag-ellátásfeladata is. Mindezekből következik, hogy a gázzal működőtüzelőberendezések a legolcsóbbak, a legjobb hatásfokúak, ésüzemeltetésük is a legegyszerűbb. Ugyanakkor a robbanásveszélymiatt fokozott biztonsági követelményeknek kell eleget tenni, és ahátrányok között említendő az NOX képződés veszélye is.

A gáztüzelés előnyei különösen kidomborodnak a földgáznál, amitmagas fűtőértéke alapján nagy távolságra is gazdaságosan lehetszállítani. Ha földgáz bőségesen áll rendelkezésre, érdemes minél többtüzelőberendezést arra telepíteni a gázvezetékek közelében. Ha avegyipar nyersanyagigénye vagy a források mennyisége korlátozza a

141

felhasználható földgáz mennyiségét, a fogyasztói igények kielégítésétrangsorolni kell. Ekkor a kisebb tüzelőberendezéseket célszerűelőnyben részesíteni, mert a nagy teljesítményűtüzelőberendezéseknél más tüzelőanyaggal is jó hatásfokot lehetelérni. Ugyanezt támasztják alá a környezetvédelem és amunkaerőhelyzet követelményei is.

A folyékony tüzelőanyagokat szintén égők segítségével tüzelik el. Amagas hőmérséklet hatására a folyadék elpárolog (a forráspontmindig alacsonyabb a gyulladási hőmérsékletnél), a keletkező gőzök agázokhoz hasonlóan égnek. A folyadék csalt gőzfázisában ég,amelyben a hő hatására a nagy molekulájú szénhidrogének egyszerűgázokra, instabil atomcsoportokra és elemi szénre bomlanak. Agyúlási hőmérséklet és az égési sebesség a molekulaszerkezettől függ,az égés annál vontatottabb, minél nagyobbak a molekulák és minélnagyobb a szénatomok száma a szénhidrogénekben. Az olajégőkszerkezete bonyolultabb, mint a gázégőké, mert a folyadékdiszpergálásáról is gondoskodnunk kell. Ennék érdekében afolyadékot vagy elpárologtatják forró felületen, vagy finom eloszlásúköddé porlasztják el a befúáshoz. A porlasztásra többféle technikaimegoldást használnak (nagy sebességű levegő vagy gőzsugárbefúását, nagy nyomást stb.). A használatos folyékony tüzelőanyagokdermedéspontja és viszkozitása széles határok között változik. Akisebb tüzelőberendezésekben használt tüzelőolajok dermedéspontjaalacsony és viszkozitása a környezeti hőmérsékleten kicsi, így abetáplálás és a porlasztás sem okoz gondot. Nagy berendezésekbenviszont magas dermedéspontú, nagy viszkozitású, olcsóbb fűtőolajatgazdaságos használni, ami csak magas hőmérsékleten folyékony ésporlasztható. Ilyenkor gondoskodni kell a tüzelőanyagelőmelegítéséről, sőt csővezetéken történő tüzelőanyag-ellátásnál avezeték melegítéséről is. Ez jellemző az olajfinomítók mellé telepített,a gudront eltüzelő erőművekre is (pl. a Dunamenti Erőműben eltüzeltgudront 120 °C-on tárolják és 180 °C-on juttatják az égőkbe). Azegyenlőtlenebb keveredés miatt az olajtüzelés valamivel nagyobblégfelesleget igényel, mint a gáztüzelés. Az égéstermékek legnagyobbrésze gáznemű, csupán minimális mennyiségű szállóhamu és – ha alégfelesleg kevés – a tökéletlen égés következtében némi koromképződik. Ilyen koromkiválásra vezető bomlás néhány példájátmutatják a 11. táblázat 11-13. egyenletei. Az olajban előfordulnakkokszolódásra hajlamos alkotók is. Egyes ásványi anyagok(vanádium, kén stb.) pedig korróziót okozhatnak, ezért atüzelőberendezések elhasználódása nagyobb mérvű. Az olajtüzelésszabályozása és automatizálása szintén könnyen biztosítható. Azolajjal működő tüzelőberendezések valamivel drágábbak, mint agáztüzelésűek és több karbantartást igényelnek. A tüzelőanyag-ellátás bonyolultabb, de nem jár nagy munkaerőigénnyel. Az olajár

142

ugrásszerű növekedése az olajtüzelés megítélésének alapvetőátértékelését eredményezte. A kőolajfeldolgozás fő iránya a fehérárukihozatal növelése a tüzelésre használható frakciók rovására, mertvilágszerte a motorhajtóanyag-ellátás a szűk keresztmetszet. Azáremelkedés az olajtüzelés versenyképességét is erősen csökkentette.Ezért – műszaki előnyei ellenére – az olajtüzelés visszaszorul olyanterü1etekre, ahol az ellátást más tüzelőanyaggal nehéz biztosítani ésa technológia igényei, a környezetvédelem követelményei, amunkaerő-ellátás gondjai vagy a lakáskultúra szempontjaiolajtüzelést indokolnak. A destruktív eljárások térhódítása csökkentia nagyfogyasztók fűtőolaj-bázisát, mindenekelőtt az erőművekét.

A legbonyolultabb folyamat a szilárd tüzelőanyagok égése. A hőhatására a tüzelőanyagból elillanó éghető gázok gázkeverékkéntégnek és javítják az égési mechanizmust. A visszamaradó szilárdanyag határfelületén oxidálódva sokféle fizikai és kémiai folyamatközben bomlik le és ég el. A rendelkezésre álló idő alatt gyakran nemtud tökéletesen kiégni, az összesülésre hajlamos szén belsejében vagya salakban kiégetlen darabok maradhatnak. A darabos, durvaszerkezetű tüzelőanyagokat általában rostélyos tüzelőszerkezetekbenégetik el. A rostély feladata egyrészt az izzó tüzelőanyag hordása,másrészt az alatta bejuttatott primer levegő szétosztása atüzelőanyagban. A salak a rostély alatti salaktérben gyűlik össze.Szerkezeti felépítése szerint a rostélyt vízszintesen, ferde síkban vagylépcsőzetesen lehet kiképezni a tüzelőanyag tulajdonságaitól (hajlamaz összesülésre, hamutartalom stb.) és az adagolás módjától függően.A rostély lehet fixen rögzített, álló megoldású, de tökéletesebb kiégéstbiztosítanak a mozgó szerkezetek. Az utóbbiak közül legelterjedtebb avándorrostély, amelynek síkban elhelyezett rostélypálcái haladómozgást végző végtelen láncot alkotnak. A lépcsősen elhelyezkedőrostély elemeinek alternáló mozgatásával valósítják meg a bolygatótüzelést. A rostélytüzelés kis és közepes teljesítményű berendezésnélcélszerű. Nagy kazánok tüzelőberendezéseit ma már kizárólagszénportüzeléssel építik. Ezeknél a malmokban finommá őröltszénport égőkön keresztül fújják be a tűztérbe, az égés jó hatásfokáta porszemcsék nagy fajlagos felülete és a levegővel való jó keveredésbiztosítja. A rostélytüzelés nagy, de a szénportüzelés is számottevőlégfelesleget igényel, így a tüzelés hatásfoka kisebb, mint aszénhidrogén-tüzelésnél. A szénminőség ingadozása miatt a tüzelésnehezebben, az anyagáramlás sebessége miatt lassabbanszabályozható, az automatizálás nehezen és költségesen valósíthatómeg.

A széntüzelő-berendezéseket fokozottan éri koptató hatás, korrózió,elpiszkolódás, ezért rendszeres és sokirányú karbantartástigényelnek. Egyes szerkezeti elemeik élettartama még így is alacsony.

143

A szénhidrogén-tüzeléshez viszonyítva ezek a tüzelőberendezéseklényegesen drágábbak, üzemvitelük bonyolultabb, és fokozottelhasználódásnak vannak kitéve. Mindehhez a nagyobbmunkaerőigény járul, amit nemcsak a tüzelőanyag és azégéstermékek kezelése, hanem a karbantartási feladatok is növelnek.E hátrányok miatt a szén kiszorul a kis berendezések területéről, éscsak nagy tüzelőberendezéseknél nyújt versenyképes vagyszükségszerű alternatívát. A tüzelőanyagok jelentős hányadátmechanikai munkát szolgáltató belső égésű motorokban égetik el. Ehőerőgépek jelenleg a mobil berendezéseknek majdnem kizárólagoserőforrásai, de mint stabil erőgépek is használatosak. Mivel az égésezekben nagy nyomáson, többnyire robbanásszerűen folyik le, ajelenségek sok tekintetben eltérnek attól, amit atüzelőberendezésekkel kapcsolatban az előzőekben tárgyaltunk.Üzemanyagként sokféle folyékony tüzelőanyag (benzin, gázolaj,petróleum, alkohol, benzol, metanol stb.) vagy éghető gáz (világítógáz,generátorgáz, földgáz, kohógáz, hidrogén stb.) jöhet szóba, ezek közüla kőolajlepárlásnál nyert fehéráruk játszanak alapvető szerepet. Abelső égésű motorokban a mechanikai munka előállításához egymunkaközeggel hőkörfolyamatot végeztetnek. Az égés amunkaközegben, a hőkörfolyamat egyik fázisában történik. Attólfüggően, hogy a hőkörfolyamat során hogyan alakulnak ahőmérsékleti és nyomásviszonyok, hogyan vezetik be azüzemanyagot, és az égés milyen jellegű, a körfolyamatok sokféletípusát lehet megkülönböztetni.

Kis teljesítményű berendezésekben, mindenekelőtt aszemélygépkocsikban, a benzinüzemű Otto-motorok állnák az elsőhelyen kis súlyuk miatt. A benzinmotor égésterébe benzin-levegőkeveréket táplálnak be. A jó keveredés érdekében a benzint többnyirekarburátorban elporlasztva adagolják a levegőhöz, bár előfordulbefecskendezéses és elgázosításos adagolás is. A benzinben dúslevegőt legfeljebb 1:10 arányban komprimálják és szikrávalmeggyújtják. A szikrától a lángfront 20..30 m/s sebességgelrobbanásszerűen szétterjed, a felmelegedett munkaközeg pedigkiterjed. A benzinmotoroknál az égés oxigénben szegény környezetbenés rövid idő alatt zajlik le. A tökéletlen égés miatt a kipufogó gázbanjelentős mennyiségű szén-monoxid és reakcióképes szénhidrogénvan, a CO tartalom üresjáratban 5..10 térfogatszázalékot is elérhet.Ugyanezért a hatásfok is alacsony, átlagosan 25 % körül mozog. Abenzinnel szemben fontos követelmény a kompressziótűrés, ellenkezőesetben a robbanáshullámok kopogásként hallható járulékosütéshullámokat okoznak. A kompressziótűrést az oktánszámmaljellemzik, mérőszáma az n-heptán-izooktán keverékben az utóbbirészaránya. E keverék kompressziótűrése a keverési aránnyalváltozik, a minősítéshez olyan keveréket keresnek, amelyik a vizsgált

144

benzinhez hasonlóan viselkedik. Az oktánszám növelésére kémiaieljárásokkal módosítják a szénhidrogén-molekulák szerkezetét, vagyadalékokat adnak a benzinhez (pl. 1,5 ml/kg-ot meg nem haladómennyiségben ólomtetraetilt). A motorok kompresszióviszonyánaknövelése az elmúlt évtizedekben mind nagyobb oktánszámú benzinekelőállítását igényelte a kőolajipartól. A jelenleg forgalomban levőbenzinek oktánszáma 82 és 98 között mozog, nem valószínű, hogy ajövőben igény lesz az oktánszám további számottevő növelésére, sőt akörnyezetvédelmi problémák fokozottabb előtérbe kerülése miatt abenzin ólomtartalmát a lehető legnagyobb mértékben csökkentik.

A nagy teljesítményű berendezések, hajók, vasutak, munkagépek,teherautók, autóbuszok ideális munkagépe a gázolajjal működőDiesel-motor. Nagyobb súlyukat és árukat ellensúlyozza az aligfeleakkora üzemanyag-fogyasztás, a sokkal jobb hatásfokú és olcsóbbüzem, valamint a jó szabályozhatóság. A Diesel-motor égésterébenlevegőt sűrítenek össze 30..50 bar nyomásra, majd gázolajatfecskendeznek be. A gázolaj magától meggyullad, mert a kompressziókövetkeztében a levegő hőmérséklete a gyulladáspont fölé emelkedik.Az égés lassú, a körfolyamat hatásfoka jó, gépjármű-motoroknálátlagosan 35 %, nagy motoroknál 40..45 %-ot is elér. Mivel agyulladási késedelem rontja a hatásfokot, a gázolaj gyulladásihajlama fontos jellemző. Számszerűen többnyire a cetánszámmaljellemzik, ami az egyenértékű cetán-α-metilnaftalin keveréke. Aléghiányos égés koromkiválással jár, ami a kipufogó gázban távozik. Arepülőgép-gázturbinák fő hajtóanyaga a petróleum (kerozin), a stabilgázturbinák földgázzal vagy gázolajjal üzemelnek.

A világ tüzelőanyag-felhasználása olyan nagyságrendet ért el, hogy atüzelés ökológiai következményei kezdenek érzékelhetővé válni.Globálisan e hatások mér egyre jelentősebbnek tűnnek. Azenergiafelhasználás azonban nem oszlik el egyenletesen a Földfélszínén, hanem a nagy ipari centrumokban és a nagyvárosokbankoncentrálódik, elsősorban az északi féltekén. Ennek következtébenezeken a területeken a helyi ökológiai hatások számottevőekkénőttek, sőt néhány helyen az életkörülmények elviselhetetlennéváltak, ezért előtérbe kerültek a környezetvédelmi követelmények.

A tüzelőanyagok égésénél a hasznosítható munka forrása az éghetőalkotók oxidációja során felszabaduló energia. Az égést a reakcióhőszempontjából olyan zárt rendszerben lehet tárgyalni, melyben atüzelőanyag és az égéslevegő exoterm folyamatban égéstermékkéalakul át. Általánosságban egy rendszerből maximálisan kinyerhetőmunka megegyezik azzal a minimális energiával, ami az adottállapotú rendszer létrehozásához szükséges. E szerint atüzelőanyagok elégetésénél nyerhető hasznosítható munkamaximuma egyenlő a tüzelőanyag molekuláinak felépítéséhez

145

szükséges energiával. Gyakorlati körülményeket figyelembe véve azenergiaviszonyokat célszerű a valóságos környezethez viszonyítani,például egy szénhidrogén-molekulát a légkörben levő CO2- és H2O-molekulákból kiindulva felépíteni. Ha a szénhidrogén-molekulaoxigénnel egyesült ismét szén-dioxid- és vízmolekulák jönnek létre ésazok a légkörbe disszociálnak. Az adott szénhidrogén-molekulákbólálló tüzelőanyag hasznosítható munkája reverzibilis folyamatokatfeltételezve:

W U p V T S ni ii

N

= + − −=∑0 01

µ ,

ahol a tüzelőanyagból és égéslevegőből álló rendszer belső energiájaU, térfogata V és entrópiája S, a légköri nyomás, illetve hőmérsékletp0, illetve T0, ni a reakcióban részt vevő i-edik komponensmolekuláinak száma µi pedig ezek kémiai potenciálja a légkörben,vagy azzal egyensúlyban levő rendszerben (pl. felszíni vizek). Ahasznosítható munka elvileg is kisebb a reakcióhőnél, a felszabadulóhő egy része a hőmérséklet-növekedés következtében a rendszer belsőenergiáját növeli meg, más része a térfogatváltozással járó munkátfedezi. Gyakorlati körülmények között a hőfejlesztést a felhasználásmódjától és a környezeti körülményektől függő veszteségek isterhelik.

Az előző kifejezés alkalmazását a 18. ábra mutatja be, egy CH2

molekularészből álló tüzelőanyag elégésére levegőben, ami a

CH3

2O 5,65N CO H O 5,65N2 2 2 2 2 2+ + → + +

egyenlet szerint oxidálódik. Az A pont a maximálisan hasznosíthatómunka (672 MJ/mol), az Fé pont a szokásosan értelmezett fűtőérték(647 MJ/mol). A kettő különbsége a belső energia változása ahőmérséklet-differencia miatt. A munkavégzés sokféleképp történhet,például elvileg a teljes hasznosítható munkát reverzíbilis folyamatokolyan sorozatával lehet kinyerni, mely egy tüzelőanyag-cellában TA

hőmérsékleten oxidáció közben villamos áram előállításával kezdődik,az égéstermékek ezt követően TA-ról T0-ra hűlve Carnot-körfolyamatotvégeznek, majd a különválasztott komponensek izotermikusan p0-raexpandálnak, végül a légkörbe disszociálnak. Ténylegesen efolyamatokat csak irreverzibilisen lehet megvalósítani, ami az Sentrópia növekedését és a W hasznosítható munka csökkenéséteredményezi.

146

t, °C

W ,MJ/kg

0 500 1000 1500 2000 2500

10

20

30

40

50

60Fé

B

A

c

b

a

18. ábra. A hasznosítható munka alakulása egy CH2-molekulákból álló tüzelőanyagesetén

Ha a CH2-molekulákat elégetik, az égés irreverzíbilis folyamatánakmegfelelően a hasznosítható munka a B ponttal jellemzett értékrecsökken (487 MJ/mol). Égés közben a rendszer hőmérsékleteadiabatikusan nő, a sztöchiometriai arány mintegy 2400 °C-osadiabatikus lánghőmérsékletet jelöl ki. Mivel a nyomás állandó, azentalpia nem változik, viszont az entrópia nő. A hasznosításnak isméttöbb útja lehetséges. Az a) jelű folytonos görbe a hasznosíthatómunka maximumát mutatja, ha a füstgázzal t hőmérsékleten másikanyagot melegítenek fel, az ordináta a füstgáz és a felmelegített anyagegyüttes hasznosítható munkája. Látható, hogy ez 1000 °C alattrohamosan csökken, 300 °C-on már csak az A ponttal jellemzett értékfele és 130 °C-on 30 %-a körül mozog. A b) jelű szaggatott vonal afüstgáz hőtartalmát (entalpiáját) mutatja, ha azt t hőmérsékletrőlállandó nyomáson folyamatos áramlásban a légköri hőmérsékletrehűtik le. A c) jelű eredményvonal az égéstermékek hasznosíthatómunkája t hőmérsékleten, a környezeti hőmérsékleten mutatkozómaradványérték a légkörben való elkeveredés munkája. Az a) és c)görbék különbsége a felmelegített hőhordozókból reverzíbilis folyamatsorán kinyerhető maximális munka.

A 18. ábra érzékelteti, hogy a hasznosítható munka milyen erősenfügg az égés és a hőátszármaztatás hőmérsékletétől. A hőmérsékletcsökkenésével járó hőátszármaztatási folyamatok még ideális esetbenis a potenciális munkavégzés lehetőségének elvesztését jelentik, amitaz irreverzibilitásból származó energiaveszteség és entrópianövekedéstovább növel.

A tüzelőberendezésekben a tüzelőanyagok égését általában magashőmérséklet jellemzi. Terjed ugyan egyedi fűtőberendezésekben a lángnélküli, alacsony hőmérsékletű katalitikus égés alkalmazása is, de azígy felhasznált tüzelőanyag részaránya jelentéktelen. A lánggal

147

történő égés magas hőmérséklete előnyös a jobb hőátszármaztatásmiatt, viszont magasabb hőmérsékleten a veszteségek is nagyobbak.Az égés során felszabaduló hő konvekció és sugárzás útján hevíti fel afelmelegítendő anyagot vagy szerkezetet. A konvekciót maga a láng isbiztosíthatja, többnyire azonban a fejlődő hő jelentős részét elszállítófüstgáz a hőleadó közeg. A sugárzás forrása maga a láng, valamint akörnyező szerkezeti elemek, az égésben részt vevő részecskék és amagas hőmérsékletre hevített felületek sugárzása annál jelentősebb,minél magasabb hőfokon zajlik le az égés.

A fluidtüzelésnél a hővezetés is szerephez jut ahőátszármaztatásban. A tűztér hőmérsékletének elméleti maximumáta tökéletes égésnél felszabaduló hő és a hőátszármaztatás révénelszállított hő viszonya szabja meg, a valóságban csak ennélalacsonyabb hőmérséklet alakul ki. A tűztér hőmérsékletét azonbangyakran korlátozni kell, egyrészt a szerkezeti anyagok kíméléseérdekében, másrészt kedvezőtlen kihatású égéstermékekkeletkezésének elkerülésére. A szerkezeti anyagok tönkre mehetnekmagas hőmérsékletű korrózió vagy mechanikai túlterhelődéskövetkeztében, mivel mechanikai szilárdságuk csökken a hőmérsékletnövekedésével. A túl magas hőmérséklet az égéstermékekbenelőmozdítja agresszív anyagok képződését (fémsók, vanádium-pentoxid stb.), a környezetre ártalmas emisszió növekedését (NOX),vagy széntüzelésnél a salak olvadását és lerakódását. A tűztérhőmérsékletét csökkenteni lehet a környező felületek intenzívhűtésével, vagy a tűztérbe juttatott – a füstgázt hígító – hőelvonóanyagokkal (hideg füstgáz visszacirkuláltatása, vízbefecskendezés). Ahőigények fedezésében a tüzelés még hosszú ideig domináns szerepetfog játszani, azonban e hőfejlesztési mód részaránya afelhasználásban lassan csökkenő tendenciát mutat és fokozatosannagyobb szerepet kapnak a hőfejlesztés más alternatívái. A világonfelhasznált primer energiahordozók 90%-a ugyan tüzelőanyag, deennek egyre kisebb hányadát égetik el. Egyrészt bővül a nemelégetéshez kapcsolódó energia-transzformációk aránya(kőolajlepárlás, gázbontás, koksz- és brikettgyártás, szintetikustüzelőanyag-előállítás egyes típusai stb.) másrészt nő a primerenergiahordozók nem energetikai célú kiaknázása (vegyiparialapanyag, kenőanyag, építőanyag). A szekunder energiahordozók70 %-a tüzelőanyag, azonban ezek jelentős hányadamotorhajtóanyag, melyeket nem hőfejlesztésre, hanem mechanikaimunkavégzésre használnak.

14. táblázatHőfejlesztés módja Hőmérséklet, °C

Tüzelésbarnaszénnel 800..1500feketeszénnel 1200..2100

148

barnaszénbrikettel 1000..1800tüzelőolajjal 2000..2800földgázzal 1600..2800városi gázzal 1300..2200generátorgázzal 1000..1900torokgázzal 800..1600

Égés belsőégésű motorokban 600..800Kémiai reakciók 40..3200Láncreakció nukleáris reaktorban 250..600 (800)Villamos hevítés

ellenállásfűtéssel 600..3100ívvel 1000..3300dielektromos veszteséggel 100..400induktívan 700..2000infrasugárzással 300..1000

Napsugárzás abszorbciója 40..3000Geotermikus forrásból 40..2400Távhőszolgáltatás 50..350

A tüzelőanyagok égésén kívül számos más exoterm kémiaireakciónak is van energetikai szerepe a technikában. Ezek elsősorbana kémiai technológiai folyamatokon belül járulnak hozzá azenergiamérleg egyensúlyához egyrészt endoterm reakciókreakcióhőjének biztosításával, másrészt a technológián belülihőigények fedezésével. Néhány reakciótípusnál annyi hő szabadul fel,hogy abból még a technológián kívüli hőigényeket is el lehet látni.

Az exoterm kémiai reakciók hőmérlege elvileg a tüzeléshezhasonlóan alakul, csupán az égéstermékek szerepét areakciótermékek veszik át. A korszerű vegyipari folyamatok számáraa fluidhalmazállapotok – főleg a cseppfolyós – az előnyösek, így a hőformájában felszabaduló energia folyékony és gázneműhőhordozókban jelentkezik. Ezeket közvetlenül ritkán lehet atechnológiai folyamaton kívül is felhasználni, ilyen célra rendszerinthőcserét kell beiktatni.

A primer energiahordozók között gyorsan nő a nukleáris energiarészaránya, amit majdnem kizárólag hő formájában tudunk csakhasznosítani. A fisszióban felszabaduló kötési energiát a kilépő elemirészecskék szállítják el, majd azt ütközések során környezetüknekadják át, miközben az energia nagy része hővé alakul. A fejlődő hőt ahűtést biztosító hőhordozó szállítja el. Ugyanez jellemzi a tervezettfúziós erőműveket is. A nukleáris hőt jelenleg elsődlegesen villamosenergia termelésére használják, kialakulóban van alkalmazásatávfűtésre és technológiai hő szolgáltatására is.

A szekunder energiahordozók közül a tüzelőanyagok mellett ahőfejlesztés legfontosabb lehetőségeit a villamos energia kínálja. Ezekközel 100 %-os hatásfokú, jól szabályozható és a feladatokhoz jólilleszthető energiaátalakító eljárások, ezért részarányuk az igényesebbtechnológiáknál nő. Hőerőműves rendszerekben a primer

149

energiahordozóra vetített eredő energetikai hatásfokuk azonban 30 %alatt van az erőművi és hálózati veszteségek miatt, szemben aközvetlen tüzelésen alapuló hőfejlesztés 60..80 %-os eredőhatásfokával. Ilyenkor a villamos hőfejlesztés energetikailag csakakkor indokolt, ha a technológiai követelményeket másképp nemlehet kielégíteni, vagy ha ahhoz az energiagazdálkodásnak érdekefűződik (pl. felesleges éjszakai áram hasznosítása). Sok másországhoz hasonlóan Magyarországon is törekvés a villamos energiatermikus felhasználásának mérséklése, ennek ellenére avillamosenergia-fogyasztás 17 %-át hőfejlesztésre fordítják, de ennekcsupán 40 %-át teszik ki ipari technológiák. A termikusvillamosenergia-felhasználás jelentős hányada fűtés, amit kívánatosvolna tarifális és adminisztratív eszközökkel visszaszorítani vagytározós éjszakai fűtésre konvertálni. Ezt az energetikai hatásfokmellett a teljesítménygazdálkodás is indokolja, mert az éventeértékesített villamos fűtőtestek összteljesítménye megközelíti aterhelési csúcs éves növekményét. Természetesen nem kizárólag avillamos fűtés miatt nő a csúcsterhelés, hiszen az egyidejűségitényezőnek megfelelően azoknak csak egy részét kapcsolják be acsúcsidőszakban.

A villamos hőfejlesztésnek többféle útja van. Az első és másodfokúvezetők (fémek, elektrolitok, ionos vezető anyagok) R ohmikusellenállásában I áram hatására fejlődő

P I R= 2

Joule- (vezetési) veszteséget hasznosítják a legszélesebb körűen,mind fűtési, mind technológiai célokra. Kisebb teljesítményhez különe célra készített nagy ellenállású Ni-ötvözetekből készített, kantál,cekász huzalokban hozzák létre a vezetési veszteséget (pl.ellenállásfűtés, főzőlap, vízmelegítő, főzőedények), nagyobbteljesítménynél magában a felmelegítendő anyagban (pl. sófürdőkolvasztása, tompahegesztés). A villamos hőfejlesztésnek ez alegegyszerűbb és legolcsóbb módja. Magas hőmérsékletet és nagyenergiakoncentrációt lehet elérni villamos ívekben. Az ív talppontjánál4000..5000 °C-os, az ív tengelyében 6000..7000 °C-os hőmérsékleturalkodik. Az ív begyújtása, fenntartása és az elektródokelhasználódása miatt a szükséges elektródtávolság biztosításamegfelelő szabályozást igényel, táplálásához pedig különlegesáramforrás (transzformátor, dinamó) szükséges, ami illeszkedik az ívnegatív hiperbolikus feszültség-áram jelleggörbéjéhez. Hőforráskénthasználják magát az ívet (ívkemence, ívhegesztés), valamint az azonátáramoltatott és így plazmaállapotba juttatott gázokat(plazmatechnika, termikus megmunkálási eljárások plazmával).Áttételesen villamos hőfejlesztésnek is lehet tekinteni a későbbtárgyalt hőszivattyú villanymotorral hajtott válfaját.

150

Villamosan szigetelő anyagokban az E térerősség hatására atérfogategységben

pf

E=⋅ε δtg

,18 10102

dielektromos veszteség alakul ki, ami szintén hővé alakul. Aképletben ε a szigetelőanyag permittivitása, tg δ a veszteségi tényezőés f a frekvencia. A dielektromos hevítés kitűnő eljárásszigetelőanyagok nem túl magas hőmérsékletű melegítésére (szárítás,sütés, termoreaktív kémiai átalakulások kiváltása, kolloid kémiaifolyamatok előidézése stb.). Mivel ε és tg δ rendszerint kis érték, amelegedést a frekvencia növelésével lehet fokozni, a kezelt anyagjellegétől és a feladattól függően a használatos frekvenciák10 kHz..1 GHz között mozognak. A szükséges térerősségetmegfelelően hangolt elektronikus generátorokkal állítják elő. Azezekkel megvalósítható teljesítmény korlátozott, ami egyben az eljárásalkalmazási lehetőségeit is behatárolja.

A mágneses erőtér is okoz veszteséget, a hővé alakuló mágnesesveszteség ferromágneses anyagokban különösen nagy érték, amitezek melegítésére lehet kihasználni. A mágnesezési jelleggörbenemlinearitása és hiszterézise, valamint a mágneses térrel indukáltörvényáramok Joule-vesztesége miatt a fajlagos veszteség és a Hmágneses térerősség kapcsolata bonyolultabb, mint a dielektromosveszteségre felírt kifejezés, a frekvencia hatása azonban a mágnesesveszteségeknél is lineáris. Mivel ferromágneses anyagoknál a fajlagosveszteségre vonatkozó anyagjellemzők értéke nagy, kis frekvenciánális nagy a hőteljesítmény. A szokásos frekvenciák 50..1500 Hz közöttmozognak, amit nagyfrekvenciás generátorral, frekvenciasokszorozótranszformátorral, vagy újabban frekvenciasokszorozó elektronikusáramkörökkel állítanak elő. Ilyen módon nagy teljesítményt és afémek olvadáspontját is meghaladó hőmérsékletet is el lehet érni,amit elsősorban az acéliparban használnak ki (indukciós olvasztás,hevítés, edzés). Nagy frekvenciánál az indukált áram a fémek felületirétegeibe szorul ki (skin effektus), ami felületi hőkezeléseket teszlehetővé.

Sugárzásokat nemcsak villamos úton lehet gerjeszteni, hanem izzótestekkel, kémiai vagy nukleáris reakciókkal és más módon. Ezekneka lehetőségeknek azonban nincs számottevő energetikai jelentősége.Nagy reményeket fűznek viszont a napsugárzás átalakításához hővé,amit optikai úton összegyűjtött és megfelelő abszorbens anyagokrafókuszált sugarakkal lehet biztosítani. A síkkollektorok (3.2.2.1. pont)megfelelő műszaki megoldást nyújtanak arra, hogy napsugárzássalhőhordozókat nem túl magas hőmérsékletre melegítsenek fel.

151

Az egyszerűbb kivitelű, síkokból vagy csövekből felépített alacsonyhőmérsékletű kollektorokkal 50..90 °C-os hőmérsékletszinten1..10 kW-os teljesítményt lehet reálisan kielégíteni(koncentrációfaktoruk 1). Elsősorban melegvíz-ellátásra, ezen kívüllakások fűtésére és klimatizálására, uszodák vízmelegítésére jöhetszámításba. A megoldás iparilag érett és kedvező körülmények közöttgazdaságilag is versenyképes. A világon üzemben levő berendezésekszáma 105 és 106 között mozog, a fejlett ipari országokban folyóintenzív fejlesztő tevékenység nagyrészt a fejlődő országokba reméltexportot szolgálja. Napsütésben gazdag fejlődő országokbanegyszerűbb fénygyűjtő eszközöket is használnak főzésre és máscélokra. Több kísérleti berendezés létesült 150..400 °C-os szinten10 kW..1 MW nagyságrendű termikus teljesítmény kielégítésére is.Ezek nagyobb számú hőfejlesztő elem összekapcsolt hálózatából állótelepek – „farmok” (koncentrációfaktoruk 10..100). Az egyes elemektökéletesített kivitelű magas hőmérsékletű síkkollektorok vagy tükröskoncentráló-kollektorok. Ezek már nemcsak fűtésre szolgálnának,hanem technológiai hőigények ellátására is, továbbá helyivillamosenergia-fejlesztésre és mechanikai hajtásra (szivattyú) is. Amegoldások még kiforratlanok, versenyképességük a folyamatbanlevő kutatási programok sikerétől függ. Útkereső speciálismegoldásoknak tekintendők a fémkohászati célra épült, több ezerfokos hőmérsékletet előállító napkohók.

Az 500..1200 °C-os és 1..l00 MW teljesítményű rendszereket„torony” kivitelben kívánják megvalósítani. A magasan elhelyezettabszorbens kazánra nagyszámú tükör reflektálja a fényt(koncentrációfaktor 400..1000). Az ilyen rendszereket magashőmérsékletű technológiai hő biztosítására és villamos energiaelőállítására fejlesztik. Egyelőre csak a kutatást szolgáló kisléptékűdemonstrációs berendezések létesülnek, gazdaságos megoldást csak a40. szélességi kör alatt remélnek. A sugárzást elnyelő és ígyfelmelegedő testekben elektromágneses hullámokkal is lehet hőtfejleszteni. Az elektromágneses hullámokat rendszerintelektrotechnikai eszközökkel állítják elő. A mikrohullámok anyagokhevítésére (főzés, sütés, szárítás, edzés) az infravörös sugárzásfelületek melegítésére (szárítás, fűtés) a legelőnyösebb. Újlehetőségeket nyitott meg a nagy energiakoncentrációt megvalósítólézersugarak technológiai alkalmazása a legkülönfélébb anyagok(fémek, műanyagok, kerámiák, textíliák) hegesztésére, vágására ésnagypontosságú megmunkálására. A gyorsan meghonosodó ipariberendezések főleg CO2-gázlézerek, a molekulák szelektív sugárzásaaz infravörös-tartományba esik (10,6 µm). Kereskedelmi forgalombankaphatók folyamatos üzemben több kW, impulzus üzemben pedig sokMW teljesítményű lézerek, nagyságrenddel nagyobb teljesítményűekpedig fejlesztés alatt állnak. Az energetikai hatásfok folyamatos

152

üzemben 15..20 %. A lézersugarakat 0,1 mm-re is fókuszálni tudják,így a munkadarab felületén elérhető teljesítményürüség 5 MW/cm2, erendkívül nagy értéknek főleg a termikus megmunkálásoknál vannagy jelentősége.

A mechanikai energia átalakítása hővé szerény szerepet játszik ahőforrások között. A súrlódás általában nem kívánatos veszteségforrása, csak ritkán szolgál anyagok szándékolt felmelegítésére.Ugyancsak mechanikai energiát alakítanak át hővé a kompresszióshőszivattyúval. A hőszivattyú egy munkaközeg (pl. freon vagyammónia) hőmérsékletét alacsonyabb értékről magasabbratranszformálja. A hőszivattyú lényegében hűtőgép, munkaközegévelhűtő hőkörfolyamatot végeztetnek. Elpárologtatójában a munkaközegelpárolog, a párolgási hőt egy alacsony hőmérsékletű (T1) hőtárolóközegből elvont hő fedezi. Ezt követően a munkaközeget Wmechanikai munka befektetésével komprimálják, ez az entalpianövekedését eredményezi és a munkaközeg hőmérséklete T2-re nő. Emagasabb hőmérsékleten a munkaközeg kondenzátorban lecsapatvaadja át hőtartalmának egy részét egy másik hőhordozónak. A kívánthőmérsékletre felmelegített másik hőhordozó fűtésre vagytechnológiai feladat ellátására szolgál. A kompressziós munkátvillamos motor vagy belsőégésű motor szolgáltatja.

A hőkörfolyamat alapján könnyen belátható, hogy reverzibilisállapotváltozásoknál az átszármaztatott Q hőmennyiség nagyobb abefektetett W munkánál, a kettő aránya,

ε = =−

Q

W

T

T T2

2 1

annál kedvezőbb, minél kisebb a T2 - T1 hőmérséklet-különbség. Avalóságos irreverzibilis folyamatokkal megvalósítható arány jóvalkisebb, a gyakorlatban megvalósítható hőfoklépcső 70 °C-nál kisebb.

A javasolt hőszivattyús rendszerek egy része a környezetbenkorlátlan mennyiségben, de alacsony hőmérsékleten rendelkezésreálló hő hasznosítását célozza, ezeknél az elpárologtatáshoz a környezőlevegőből. a talajból vagy az élővizekből vonják el a hőt. A másik – kisebb T2 - T1 hőmérséklet-különbséggel járó – út alacsonyhőmérsékletű hulladékhő hasznosítására irányul, a hűtővizek, aszellőzésnél felmelegedett levegő, szárításnál a távozó nedves levegőés hasonló közegek hőjéből kiindulva. A gyakorlatban megvalósíthatóenergiaarány 3 körül mozog, vagyis a hőszivattyú közelítőlegennyiszer hatékonyabb a közvetlen villamos fűtésnél. Ez az aránymajdnem ellentételezi a termikus villamosenergia-fejlesztés és -szállítás veszteségeit, de a tüzelőanyag közvetlen eltüzelésénél nyerthő több, mint ha abból villamos energiát, majd hőszivattyúval melegetállítanak elő, így a villanymotor-hajtású kompressziós hőszivattyú

153

hazai körülmények között csak kivételesen lehet energetikailagversenyképes. Kedvezőbb az eredő energetikái hatásfok, ha akompresszort gázmotorral hajtják és a füstgázban távozó hulladékhőtis hasznosítják.

Hőszivattyút abszorpciós elven is lehet működtetni, ilyenkor a külsőmunkát hő formájában fektetik be (gáztüzelés, villamos fűtés), amagasabb hőmérsékletszintet az abszorbensben elnyeletettmunkaközeg elpárologtatásával biztosítják. Energetikai hatásfoktekintetében ez a rendszer tüzeléssel történő hőfejlesztésselígéretesebb, mint a kompressziós, viszont bonyolultabb és drágább.Az abszorpciós hőszivattyú tulajdonképp a 10. táblázat utolsókategóriájába, a hőtranszformációk körébe tartozik.

Szigorúan véve a hőcsere nem tartozik az energiatranszformációkközé. A különféle hőhordozók felmelegítését biztosító hőcserélőkviszont jelentős szerepet játszanak a technikai hőforrások között.Ezért a teljes áttekintéshez hozzátartoznak azok a hőcserélőrendszerek is, melyekben az egyik hőhordozó hővezetés, hőátadásvagy sugárzás révén egy másik hőhordozót melegít fel.

A hőhordozók közötti hőátszármaztatás legtöbbször felületihőcserélővel történik, a két áramló hőhordozó közötti válaszfalonkeresztül. E válaszfal hővezetése és a két oldalán a hőátadásiviszonyok együttesen szabják meg a két hőhordozó hőmérsékleténeka különbségét, a hőfoklépcsőt, ami a hőcsere hatékonyságát jellemzi.A hőátadást az áramlási sebesség növelése is fokozza, de alegnagyobb hatású a rejtett hőt változtató forrás, illetve kondenzáció.A válaszfal rendszerint acél, de a hővezetés javítására gyakranhasználnak rezet is (pl. gőzturbinák kondenzátorai). Nagyon magashőmérsékleten a hőcserét hőálló keramikus anyagokon keresztülbiztosítják. Elvétve a hőcsere más útját is követik. Vannak olyanhőcserélők, melyekben a hőt hőtárolóközeg segítségével származtatjákát egyik hőhordozóból a másikba, gyakran a sugárzást is hasznosítvaa hőcserélőben, így működnek a levegőt füstgázai előmelegítőregeneratív rendszerek. Egyes kémiai technológiáknál a gázok közöttihőcserét közbeiktatott hőhordozókkal (szilárd részecskék, folyadékok)biztosítják. Néha keverő hőcserélőt is használnak, főleg különbözőhalmazállapotú anyagok közötti hőcserére (gőzkondenzátor, tápvíz-előmelegítő, hűtőgépek). Bár ezeknek kitűnő a hatásfoka, üzemvitelitöbbletfeladatot jelent eltérő anyagoknál azok későbbi szétválasztása,azonos anyagoknál pedig a fázisok megfelelő arányának beállítása.

A hőcsere energiaveszteséggel és a hőfoklépcső miatt általábanminőségi veszteséggel jár. Az elsődleges hőhordozó hőmérsékletén ésaz átadható hőmennyiségen múlik, hogyan alakulnak a másikhőhordozó állapotjellemzői és fázisváltozásai. A szerkezeti anyagokra

154

megengedhető hőmérséklet-tartományon belül a hőcserélőksegítségével hasonló hatásokat lehet elérni, mint a hőfejlesztés többimódjával.

A hőforrások alkalmazási körét, a célszerű alternatívamegválasztását számos tényező szabja meg. Ezek egyike a hőfejlesztéssorán fellépő hőmérséklet, aminek tartományait a fontosabb esetekrea 14. táblázat mutatja be.

A nem teljes körű statisztikai felmérések szerint afogyasztóberendezések az összes felhasznált hő 40..50 %-át 100 °C-nál alacsonyabb hőmérsékleten igénylik (fűtés, használati meleg vízstb.), 20..30 %-át 100 és 140 °C között (szárítás, bepárlás, főzés,szerves anyagok kezelése), l0..15 %-át 140 és 600 °C között (főlegvegyipari folyamatokhoz) és csupán 10 % körül mozog a 600 °C-otmeghaladó hőigény (főleg kohászati, építőanyagipari ésfémmegmunkálási célokra). Egyes technológiáknál minél magasabbhőmérséklet kívánatos, másoknál viszont követelmény, hogy a hőfokne lépjen túl egy előírt határt. Az előző arányok és a 14. táblázatmagas hőmérsékleti értékei azt sugallják, hogy a hőforrások legtöbbválfajában indokolatlanul magas a hőmérséklet, ami jelentősenergiaveszteség forrása.

A technológiai fejlődés növekvő követelményt támaszt a hőmérsékletállandóságával szemben, a termékek minőségét gyakrankedvezőtlenül befolyásolja, ha a hőmérséklet-ingadozások túllépik amegadott tűrést. Tüzeléseknél a hőmérséklet ingadozása annálkisebb, minél homogénebb a tüzelőanyag kémiai összetétele és minélmagasabb az automatizáltság foka a tüzelőberendezés üzemvitelében.A hőmérséklet a hőfejlesztés többi módjánál stabilisabb, mint atüzelésnél.

A felhasználás során a szükséges hőteljesítmény változik, amit ahőfejlesztés szabályozásával követni kell. A szabályozhatóság ésannak időállandója nagyon eltérő, leglassabban a tüzeléseket,legrugalmasabban a villamos hevítési eljárásokat lehet szabályozni. Aszabályozhatóság nagy mértékben függ a felmelegített hőhordozók ésberendezések hőkapacitásától is, ami a berendezések jellegétőlfüggően másodperctől órákig terjedő termikus időállandókateredményez (a magára hagyott rendszer hőmérséklete azidőállandóval egyező időtartam alatt az eredeti T hőmérséklet e-edrészére csökken).

Fontos jellemzője a hőfejlesztésnek a teljesítmény és azenergiaürüség, amit kazánoknál és hőcserélőknél a felületegységrejutó hőteljesítménnyel, hőhordozóknál a térfogategység hőtartalmávaljellemeznek. A nagyobb energiasűrűség intenzívebb hőközlés teszlehetővé, ami javítja az energetikai hatásfokot és csökkenti a

155

berendezések méretét. Az energiaürüségnek azonban gazdaságioptimuma van, mert növelése fokozza a szerkezeti anyagokkalszemben támasztott követelményeket és így azok árát is.

Egyre nő a környezetvédelmi követelmények jelentősége. Eszempontból legkellemetlenebb hatása a tüzelés égéstermékeinekvan, annak mértéke a tüzelőanyag jellegétől függ.Környezetszennyezési problémák merülnek fel a nukleáris ésgeotermikus hőfejlesztésnél valamint a kémiai reakciók jó részénél is.A hőfejlesztés többi módja tiszta, viszont a hőfejlesztés valamennyiformájánál számolni kell a hősszennyezéssel. A fejlesztett hő egyrésze már a hőfejlesztés helyén, a többi a szállítás és a hasznosítássorán különféle módon, de végső soron a környezeti levegőt ésélővizeket melegíti fel.

A munkaerőhelyzet előtérbe állítja a munkaigényesség kérdését is. Eszempontból aminél nagyobb, koncentrált és automatizált hőforrásokaz előnyösebbek. A tüzelőberendezéseknél járulékos hátrány hogy azégéstermékek a korábban tárgyaltak szerint a tüzelőanyagtól függőmértékben agresszív alkotókat tartalmaznak, melyek a tüzelő- éshőfejlesztő berendezések fokozott elhasználódását okozzák növelve akarbantartás iránti igényt.

A hőfejlesztés veszteséggel jár, a veszteség egy része hőközlés révén,más része hulladékhő formájában a környezetbe távozik. A hőközléstmegfelelő szigetelő és árnyékoló felületekkel lehet csökkenteni. Sokkalnehezebb a hulladékhő hasznosítása, ami a füstgázban, egyébégéstermékekben, hűtővízben és más anyagokban távozik. Magukat a10. táblázatban szereplő energiaátalakítási folyamatokat általábankitűnő hatásfok jellemzi, viszont a hőfejlesztés módjától függőenazonos végcélt nagyon eltérő eredő hatásfokkal lehet elérni Ahatásfokot nem lehet a hőforrások tényleges konstrukciójátólelvonatkoztatva megítélni, mivel azok működési módja, szerkezetifelépítése lényegesen befolyásolja a veszteségek nagyságát.

4.1.1.2. TECHNIKAI HŐFORRÁSOK

A hőfejlesztés sokféle lehetőségét a konkrét hőigények kielégítésénél atechnikai követelmények és lehetőségek néhány reális alternatíváraszűkítik, ezek között a választást a gazdasági optimum szabja meg,figyelembe véve az említett körülmények kihatását is a berendezésélettartama alatt.

A technikai hőforrás megjelölése gyakran attól is függ, hol vonjukmeg a vizsgált rendszer határait. Távfűtésnél például a helyiségekfűtőtesteinek hőforrása a keringő hőhordozó, az egész épület számáraa hőközpontban levő hőcserélő a forrás, az ellátott területszempontjából a távfűtést biztosító forró víz a mértékadó, míg a teljes

156

rendszer hőforrása a távhőt szolgáltató fűtőmű vagy fűtőerőmű. Ahőhordozók szerepét az 3.3.2. szakasz tárgyalta, ebben a fejezetbencsupán a gépészeti berendezésekre kívánunk kitérni.

Az energiát átalakító és hőt fejlesztő szerkezeti elemek, illetvetérrészek szerves részei a hőhasznosító berendezéseknek, felépítésükazok rendeltetéséhez illeszkedik. A műszaki gyakorlatban ezért ateljes berendezést tekintik hőforrásnak, a félreértések elkerülésére atovábbiakban a teljes berendezést műszaki hőforrásnak, azenergiaátalakítást biztosító részt pedig fizikai hőforrásnak fogjuknevezni. A műszaki hőforrások a technikai fejlődés során a primitívnyílt tűzhelyektől a nukleáris reaktorokig hosszú utat tettek meg. Ajelenleg használatos berendezések köre nagyon széles, mivelrendkívül sokféle feladatra készülnek és még azonos feladatra isnagyon sok változat jöhet számításba.

A legtöbb műszaki hőforrást eredetileg tüzelőanyagok használatárafejlesztették ki, és nagy részük ma is így működik. Ezekbentüzelőszerkezetek biztosítják a tüzelőanyag és az oxigén keveredését,valamint az égés feltételeit a tüzérben, mely térrészben az égéstulajdonképp lezajlik. A darabos szilárd tüzelőanyagokat többnyirerostélyokra vagy égetőfelületekre helyezve égetik el, a szénport,továbbá a folyékony és gáznemű tüzelőanyagokat rendszerint égőkönkeresztül juttatják a tüzérbe. Technológiai berendezésekben előfordula tüzelőanyag együttes adagolása más technológiai anyagokkal (pl.nagyolvasztóban az érccel, téglaégető kemencében az agyaggal). Atechnikai fejlődés eredményeképp a legtöbb műszaki hőforrás olyanváltozata is kialakult, melyben a tüzelőszerkezetet más fizikaihőforrás helyettesíti, ami természetesen a konstrukciók alapvetőváltozásával járt. E helyettesítés feltétele, hogy a fizikai hőforrásképes legyen a szükséges teljesítményt és hőmérsékletet szolgáltatni.Nem járható viszont a helyettesítés, ha a tüzelőanyag a hőfejlesztésmellett kémiai reakciókban is részt vesz (pl. kohászat, egyes vegyiparitechnológiák).

A legegyszerűbb műszaki hőforrások a fűtőtestek, melyek akörnyezetüknél magasabb hőmérsékletre melegítve térbelielrendezésüktől és hőmérsékletüktől függően vezetés, hőátadás vagysugárzás útján adják le a hőt. Rendeltetésük térrészek anyagokmelegítése nem túl magas hőmérsékletre, önállóan vagy másberendezésbe helyezve sokféle funkciót látnak el. A hőfejlesztésszámos alternatívája előfordul, teljesítményük rendszerint0,1..10 kW. Fűtőtesteket használnak vízmelegítésre, a termikusmegmunkálás szerszámainak melegítésére, berendezések és térrészektemperálására stb., és ide sorolhatók a központi fűtések sokféletípusú hőleadó készülékei is.

157

A legősibb hőforrások a tűzhelyek. A hőt nyílt térrészen vagyegyszerű zárfelületen keresztül származtatják át, energetikaihatásfokuk nagyon alacsony és alig szabályozhatók. Hatásukat nehéztúlbecsülni az emberiség fejlődésére és a technikakibontakozódására, de a fejlődés következtében a legtöbb alkalmazásiterületről kiszorultak. Ma elsősorban anyagok melegítésérehasználatosak, legnagyobb darabszámban ételkészítésre, de vannaktechnológiai rendeltetésű szerkezetek is. Nevükkel ellentétbennemcsak tüzeléssel működő megoldások vannak (pl. villamos fűtésű).

A hőforrások legszélesebb családját a kályhák képviselik, elsősorbanlégterek egyedi fűtésére szolgálnak, csökkenő mértékben anyagokfelmelegítésére is használatosak. A kályhák a hőt hőtároló közegközvetítésével adják le, teljesítményük l..10 kW között mozog. Ahőfejlesztés jellegétől és a fűtés módjától függően sokféle kályhatípuslétezik, a darabos tüzelőanyagokkal működő kis hőkapacitásvaskályháktól és a nagy hőkapacitás cserépkályháktól a lassan égőaknás kályhákon keresztül a szénhidrogének eltüzelésén vagyvillamos fűtésen alapuló korszerű kályhákig. A technológiai célúkályhák (pl. vízmelegítésre, anyagok hevítésére), néha bonyolultszerkezetek (pl. transzformátorokat vákuum alatt szárító kályhák) ése megnevezéssel gyakran tulajdonképp kemencéket illetnek.

A kemencék a belsejükben elhelyezett anyagok vagy gyártmányokfelmelegítésére, hőntartására, vagy termikus technológiai folyamatoklefolytatására szolgálnak, pl. szárítás, hőkezelés, pörkölés, izzítás,zsugorítás, olvasztás, kémiai reakciók. Felépítésük szerint boksa-,tégely-, kád-, aknás, cső-, kamrás, alagútkemencéket különböztetnekmeg, készülnek forgó kivitelű rendszerek is. Leginkább tüzelésselvagy villamos hőfejlesztéssel működnek, foglalkoznak a nukleárishőfejlesztés alkalmazásának előkészítésével is. A tüzelésen alapulókemence közvetlen melegítésű, ha a láng vagy a füstgáz közvetlenülérintkezik a felmelegítendő anyaggal, közvetett melegítésű, ha azégéstermékek közbenső hőhordozón keresztül adják át hőjüket afelmelegítendő anyagnak. Az aknás kemencékben a melegítendőanyag közös térben van a tüzelőanyaggal, ide tartozik a nagyolvasztókés a kúpoló-, ércredukáló, pörkölő-, fémolvasztó, mészégető,kalcináló-, érc-zsugorító kemencék nagy része. Egyes kohászatikemencékben a tüzelőanyag a hőfejlesztés mellett a kémiaireakciókban is szerepet kap. Ennek legtipikusabb esetét anagyolvasztók képviselik, ahol az érc oxidjait a tüzelőanyagokbólkiszabaduló szén és hidrogén redukálja. Az ilyen kemencéküzemvitelét a hőmérleg és a kémiai reakcióarányok együttesenszabják meg.

A kemencék az ipar legfontosabb melegítő-berendezései, ennekmegfelelően hatásfokuk javítása az energiaracionalizálás

158

legrészletesebben feldolgozott területe. A hatásfokot lényegesenbefolyásolja a hőfejlesztés módja. Szilárd tüzelőanyagokkal működőközepes nagyságú kemencékre 35..45 % jellemző, szénhidrogén-tüzelésnél és villamos hőfejlesztésnél viszont 60..80 %-ot is el lehetérni. A 15. táblázat néhány kemencetípus átlagos jellemzőit mutatjabe, a gáz- és villamos kemencék hatásfokai között nincs nagykülönbség, egészen alacsony és egészen magas hőmérsékleten avillamos hőfejlesztés valamivel előnyösebb, a közepes hőmérséklet-tartományban viszont a gáztüzelésé az elsőbbség. Egészen más ahelyzet az eredő hatásfok tükrében, még a szénbázison fejlesztettgázzal is vitathatatlan a gáztüzelés előnye, földgáz esetében pedig azeredő hatásfok (a kemencehatásfok 0,9-szerese) a villamos kemencérejellemző érték többszöröse. Ez is alátámasztja, hogy hazaikörülményeink között villamos kemencét csak olyankor indokolthasználni, amikor az technológiai okokból elkerülhetetlen.

15. táblázatKemencefunkciója

Üzemihőmérséklet

, °C

Kemencehatásfok Eredő hatásfokszénbázison

Gáz Villamos Gáz VillamosOlvasztó 350..500 75 80 48 25Izzító 800..1000 65 70 42 22Olvasztó 1000..1300 60 65 38 20Égető 1300..1500 45 50 29 15Szárító 150..350 85 85 52 17

A kemencék hatásfokának javítására mind a konstrukció, mind azüzemeltetés terén számos lehetőség van. Közvetlen tüzelésűkemencéknél az égők hőleadásának növelése (nagy sebességű égők,sugárzó égők és égőfalak alkalmazása), a hőmérséklet-eloszlásoptimalizálása (a láng oda irányuljon, ahol a magas hőmérsékletreszükség van, esetenként a falhoz simuló lángút előnyös stb.), atüzelőanyag-égéslevegő optimális arányának automatikusszabályozása, a hőátszármaztatás rontó szennyeződéseklerakódásának megakadályozása (gyakran hatásos víz beporlasztásaaz égéslevegőbe 1..2 % tömegarányban) a legfontosabb tűztéren belülilehetőségek. A hőveszteségek csökkentésében a hőszigetelés minőségea legfontosabb tétel, a szervetlen szálas hőszigetelő anyagok kisrétegvastagsággal is kitűnő megoldásra nyújtanak lehetőséget.Lényegesen nehezebb a sugárzás csökkentése abszorbeáló vagyreflektáló felületekkel. Elsősorban a sugárzás magyarázza, hogy azenergetikai hatásfok annál alacsonyabb, minél magasabb a kemenceüzemi hatásfoka, ezt a tendenciát a 15. táblázat is alátámasztja. Azüzemvitel jó termelési ütemtervekkel tud hozzájárulni a fel- ésleterhelés többletveszteségeinek csökkentéséhez, a technológus azindokolatlan hőmérséklet-csökkentéseket elkerülő folytonostechnológiák alkalmazásával, a szállítóberendezések és edényzet

159

hőntartásával – amibe a kemencén belüli esetleges anyagmozgatásberendezései is beleértendők.

Az égéslevegő hőmérsékletének növelése csökkerti a tüzelőanyag-felhasználást (100 °C hőfoknövelés 4..5 %-kal) és növeli a technológiahőmérsékletét. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobbjelentősége van a kemencéből távozó hulladékhő hasznosításának abetáplált anyagok előmelegítésére, egyéb hőigények ellátására, esetlegmagas hőmérsékleten gőzfejlesztésre is.

Nagyon széles körben használják a fluid halmazállapotú hőhordozókfelmelegítését biztosító kazánokat. A hőhordozók jellege ésparaméterei, a hőfejlesztés módja és a teljesítmény nagysága szerintnagyon sokféle rendszer fejlesztettek ki. Teljesítményük a kWtartományban dolgozó kis kazánoktól (pl. lakásfűtés) a nagyerőművek több GW-os egységéig terjed. A legtöbb kazántüzelőberendezéssel épül, jóformán valamennyi tüzelőanyaghasználata előfordul. A lángcsöves (füstcsöves) rendszerben ahőhordozót tartalmazó tartályt szeli át egy vagy több, a lángot vagyfüstgázt vezető cső, a vízcsövesnél a hőhordozó melegítése a tűztérbenés a füstgázhuzamban elhelyezett csőrendszerben történik. Alángcsöves rendszer használata kis teljesítményű, elsősorban melegvizet készítő kazánokra szorult vissza, a korszerű gőzkazánokkizárólag vízcsövek. Kisebb teljesítményen a hőforrás lehet amelegítendő közegbe merülő villamos fűtőtest (kísérleteznek vízbemerülő elektródok között hőfejlesztéssel magában a vízben is). Ahulladékhő hasznosítása, a kombinált hőerőművi körfolyamatok és azatomerőművek megjelenése olyan kazánokat igényelt, melyekben afizikai hőforrás egy másik hőhordozó, ami energiáját hőcserélőnkeresztül adja le. (E területen elvileg is nehéz a kazánok és ahőcserélők között a határvonalat meghúzni.)

A korszerű kazánok hatásfoka a hőfejlesztés módjától, illetve atüzelőanyag jellegétől függően kis berendezéseknél 70..80 %, nagykazánoknál 80..95 %. Az energiagazdálkodás számára különösenfontos, hogy a kazánok hatásfoka a legérzéketlenebb a tüzelőanyagjellegére, így néhány százalékos hatásfokromlás árán rosszabbminőségű tüzelőanyagok is használhatók, ami azonban rendszerinttöbbletberuházást is igényel. A szénhidrogénhelyzet a szénhaszná1atkörének bővítését indokolja, erre a legfőbb területet a nagy kazánokjelentik.

A legtöbb kazán feladata gőzfejlesztés. A legnagyobb éslegbonyolultabb kazánok a hőerőművekben találhatók, itt fordulnakelő a legszélsőségesebb gőzjellemzők is (560..580 °C, 260..280 bar). Alegnagyobb kazánok egységteljesítménye 2 GW, és tervezik 3 GW-osak üzembe helyezését. Hazánkban a legnagyobb erőművi kazánok

160

hőteljesítménye jelenleg 0,6 GW. A csak technológiai gőzt szolgáltatóipari kazánok teljesítményének felső határa 50 MW (60 t/h gőz), agőzhőmérséklet ritkán haladja meg a 400 °C-ot, a gőznyomásrendszerint 20..50 bar alatt van. A kis és nagy nyomású kazánokhatárát 6 bar-nál vonják meg, a nagy teljesítményű egységekáltalában nagy nyomásúak, a kis nyomást többnyire csak kiskazánoknál használják.

A víz felmelegítése és forralása csövekből álló fűtőfelületekenkeresztül történik. A tűztérben levő csöveket főleg sugárzás, afüstjáratban levőket nagyrészt konvekció melegíti. Változó gőzfelhasználásnál a tápvíz mennyiségét és a hőfejlesztés mértékétautomatika illeszti a terheléshez. A víz és a gőz arányában bizonyosfokú kiegyenlítő szerepet tölt be a kazándob, ami egyben hőtárolásrais szolgál. A tápvizet a tápszivattyú a kazándobba táplálja és a vízonnan áramlik tovább a fűtőfelületekbe. Minél nagyobb a gőznyomás,annál kisebb a kazándob szerepe, a szuperkritikus rendszereket dobnélkül építik. Nagy kazánokba kiegészítő fűtőfelületeket is beépíteneka gőz túlhevítésére és újrahevítésére, a tápvíz előmelegítésére és azégéslevegő előmelegítésére (léghevítő).

A gőzkazánok kényes kérdése a betáplált víz és a fejlesztett gőzcirkulációja. Szubkritikus rendszereknél ezt a hőmérséklet-különbségáltal létrehozott fajsúlykülönbség is biztosítja, az így kialakulótermészetes vízkeringtetéssel működik a legtöbb kazán. Nagykazánoknál mesterséges vízkeringtetés is előfordul, akényszerkeringtetésű kazánokban a kazánokból kilépő víz áramlásáta szivattyú biztosítja, ami a hőteljesítmény növelésére ad módot némiszabályozási többletfeladat ellenében. A kényszeráramlásúrendszerekben a szivattyú a tápvizet közvetlenül a forrcsövekbenyomja, a szuperkritikus kazánokra mindig ez a megoldás jellemző(nincs is kazándob), bár elvétve szubkritikus kazánoknál isalkalmazzák.

A vízmelegítő kazánoknak a fűtésben van nagy szerepük, afűtőművek 50 MW-os forróvíz-kazánokat is üzemeltetnek, a központifűtések kazánjai 10 kW..1 MW tartományba esnek, a vízmelegítésrehasznált kazánok teljesítményének alsó határa 0,1..1 kW. Avízmelegítő kazánok felépítése lényegesen egyszerűbb, ezért sokkalolcsóbbak is, mint a gőzkazánok.

Konstrukciós finomításokkal a kazánok hatásfokát már legfeljebb1..2 %-kal lehet növelni, aminek rendszerint beruházásitöbbletköltség az ára. Annál többet lehet viszont tenni ahatásfokcsökkenés ellen az üzemeltetés során. A felületek elrakódásaerősen csökkenti a hőátszármaztatás és rontja az áramlásiviszonyokat, a tömörtelenségek hőveszteséget és a különféle közegek

161

keveredését okozzák. Mindez nemcsak a hatásfokot csökkentiszámottevően, hanem üzemzavarokra is vezet.

A gőzkazánok között a széntüzelés nagy hányada csalóka, mert ezeklegnagyobb része elavult régi berendezés (átlaghatásfok alig haladjameg az 50 %-ot, jórészüknél még 40 %-ot sem ér el), az újabblétesítmények nagyrészt szénhidrogén-tüzelésűek. A széntüzelésűkazánoknak majdnem fele kézi rostély tüzelésű, ezek üzemeltetéséheznemcsak munkaerőt nehéz biztosítani, hanem tüzelőanyagot is, mertmagas fűtőértékű feketeszenet, jó minőségű darabos barnaszenetvagy brikettet igényelnek. Gyengébb minőségű barnaszenet csak aritkábban alkalmazott ferde lépcsős rostélyon lehet tüzelni, de nagyonalacsony hatásfokkal. Mechanikus rostélyok kevésbé érzékenyek aszénminőségre, jó minőségű szenekkel 70..75 %-os, gyengébbbarnaszenekkel 60..65 %g-os hatásfok érhető el. Ahhoz, hogy akazántüzelés terén a szénfelhasználást fokozni lehessen, mind a régiberendezések rekonstrukciójához, mind az új létesítményekhez olyantüzelőberendezésekre van szükség, melyek nem igényelnek sokmunkaerőt, nem szennyezik a környezetet és jó tüzelési hatásfokkalrendelkeznek.

A villamos hőfejlesztés eljárások szerinti megoszlása a16. táblázatban látható. A legsokoldalúbban az ellenállásfűtéshasználható, legegyszerűbb formáját a szerszámokba beépített, illetvegázok és folyadékok felmelegítésére használt fűtőtestek képviselik. Azellenállás-kemencéket használják anyagok előmelegítésére,olvasztására, hőkezelésére (lágyítás, normalizálás, megeresztés,feszültségmentesítés, mesterséges öregítés, alkatrészek cementálása,alumíniumnemesítés stb.) és más műveletekre (pl. huzalzománcbeégetése). A meleget fejlesztő ellenállás lehet maga a felmelegítendőanyag is, az azon átfolyó árammal lehet pl. fémeket, sókat, üvegetolvasztani és melegíteni, vagy anyagokat hegeszteni.

16. táblázatFűtési mód Teljesítmény szerinti

megoszlás, %Ellenállásfűtés 48Ívfűtés 33Indukciós 9Sófürdős ésszilitrudas

5

Infrasugaras 3Egyéb 2

Az ívkemencéket elsősorban magasan ötvözött acél gyártásához,acél formaöntéséhez, valamint redukciós eljárásokhoz (ferroötvözetekgyártása) alkalmazzák. Az ívhegesztés a fémek egyesítéséneklegelterjedtebb módja. Az indukció révén ébresztett örvényáramokJoule-hőjét olvasztásra, hőntartásra, túlhevítésre, felületi edzésre, sőthegesztéshez és forrasztáshoz is használják. Nagyobb teljesítményre

162

középfrekvenciás kivitel célszerű, különleges feladatokra védőgázasvagy vákuumos atmoszférájú indukciós kemencék szolgálnak. Azinfrasugarak legjellemzőbb alkalmazási területe a szárítás, nemcsak anedvesség eltávolítására, hanem különféle technológiai műveletekután (pl. festés). Az anyag közvetlen besugárzása helyett a cirkulálólevegő felmelegítése is elképzelhető, így a szárítási idő többszörösérenő, de a szárító hatás a geometriától függetlenné válik. Mintegy20..25 %-kal kevesebb energiát és kisebb térfogatú berendezéseketigényel a dielektromos hevítés. Főleg műanyagok és biológiai eredetűanyagok kezelésére alkalmas, hasznosítják a mezőgazdaságban,élelmiszeriparban, könnyűiparban, vegyiparban sokféle feladatra, pl.terményszárításra, sütésre, paszterizálásra, fagyasztás felengedésére.A nagyfrekvenciás elektronikus áramforrások teljesítményekorlátozott, így nagy energiamennyiség bevezetésére nem alkalmasak.Egy másik korlát, hogy az erőtér kialakítása elektródokat igényel,leginkább olyan rendszer hatásos, melyben a kezelendő anyag azelektródok között halad el (szalagok, porok, szemes anyagok,folyadékok). A mikrohullámú hevítésnél nincs szükség elektródra,viszont csak meghatározott irányokban hatásos.

A különféle hőfejlesztési eljárások energetikai hatásfoka nagyoneltérő. Például acélanyag felmelegítéséhez 20 °C-ról 1250 °C-ra 50Hz-es indukciós kemencében 380 kWh/t szükséges (η = 60 %), aközépfrekvenciás kemencében forgógépes átalakítással450..570 kWh/t (η = 40..50 %), ugyanez félvezetős átalakítóval400..450 kWh/t (η = 54..55 %). Összehasonlításul megemlíthető,hogy az ellenállásfűtés 250..290 kWh/t-t igényel (η = 80..90 %),tüzeléssel működő kemencében 1,2..1,8 GJ/t szükséges(η = 45..65 %), ami ugyan 350..500 kWh/t, de az összehasonlításnálfigyelembe kell venni a villamosenergia-fejlesztés több, mintháromszoros primer tüzelőanyag-igényét. Az energetikaiszempontokat azonban nem mindig lehet figyelembe venni, mert azalkalmazandó technológia alapvetően függ a munkadarab jellegétől ésa hőfejlesztés céljától.

A műszaki hőforrások szerepét hőcserélő is betöltheti. Hőcserélőketmajdnem minden hőtechnikai létesítményben és vegyiparitechnológiai berendezésben alkalmaznak. A távfűtés nagy nyomásúés magas hőmérsékletű forró vize hőcserélőn keresztül melegíti fel azépületek fűtőtesteiben keringő alacsonyabb hőmérsékletű és 1 bar-talig meghaladó nyomású meleg vizet, a fűtőtestek ugyancsakhőcserén keresztül melegítik fel a légterek levegőjét. Azatomerőművek legtöbb típusánál a reaktor hűtőközege hőcserélőbenfejleszti a körfolyamathoz szükséges telített gőzt. A kazánokbanhőcserélőkkel melegítenek fel különféle közegeket; hőcserélőksegítségével hasznosítják a hulladékhőt; jelentős szerepet játszanak a

163

különféle hűtési folyamatokban a vegyipari folyamatokanyagjellemzőinek szabályozásában stb. A hőcserélők nemcsak ahőhordozók felmelegítésében és lehűtésében töltenek be fontosszerepet, hanem a hőhasznosításban is, amit fűtőtestek, közvetettfűtésű kemencék vegyipari reaktorok és számos más berendezéspéldáz.

A hátszármaztatásra használt szerkezeti elemek jellegétől, ahőcserében résztvevő közegek halmazállapotától és áramlásiviszonyaitól függően nagyon sokféle hőcserélő rendszert fejlesztettekki. Többnyire magas hőmérséklet jellemzi a gáz-gáz hőcserét,legnagyobb múltja a távozó füstgáz hőjét hasznosítórekuperátoroknak és regenerátoroknak van. A rekuperátorban azáramló forró gáz (legtöbbször füstgáz), illetve a felmelegítendő közeg(többnyire levegő) járatai közötti válaszfalon keresztül történik ahőátszármaztatás. A megengedhető hőmérsékletet a szerkezetianyagok korlátozzák, öntöttvas és acél válaszfallal csak 500..600 °C-nál hidegebb füstgázok hőjét lehet hasznosítani, magasan ötvözöttCr- és Si-tartalmú acélokkal 1000..1150 °C-ig lehet a hőmérséklethatárt kiterjeszteni. Kerámia válaszfallal magasabb, 1000-1500 °C-oshőmérsékletet is el lehet érni, de a tömítési problémákat csak aközelmúltban megjelent konstrukciókkal lehet biztosan uralni. Javítjaa hatékonyságot, ha a sugárzás is részt vesz a hőátszármaztatásban.Újabban égőket is készítenek rekuperatív előmelegítéssel(rekuperációs égő), melyek külső felületét ellenáramban füstgázmelegíti.

A regeneratív léghevítők terébe váltakozva vezetik be a füstgázt és alevegőt, a felmelegített hőtároló betét segítségével származtatják át ahőt. Hatásfokuk rosszabb és létesítésük drágább, mint arekuperátoroké, viszont magasabb 1100..1200 °C-os hőmérsékletre ishasználhatók és kevésbé érzékenyek a korrózióra. Álló vagy forgórendszerű regenerátorok használatosak. Az álló regenerátor kéttéglafalazattal bélelt kamra, melyeket váltakozva melegít fel a füstgáz,majd a falazat a hőt a felmelegítendő levegőnek adja át. Mivel afüstgáz és a levegő útját időnként fel kell cserélni, ez a rendszerkülönösen szakaszos üzemmódnál előnyös. Főleg a kohászat és azépítőanyagipar magas hőmérsékletű kemencéinél alkalmazzák azégéslevegő előmelegítésére. A forgó regenerátornál a két gáz különcsatornában áramlik, a hőt az egyikből a másikba lassan forgó tárcsaszállítja át (pl. 20 min-1 fordulatszámmal). Ennek az erőművitechnikában használt válfaja a Ljungström-léghevítő, mely nagylégmennyiségek előmelegítésére alkalmas viszonylag mérsékelthőmérsékletre (650 °C-ig). A kohászatban és vegyiparban másrendszereket is használnak (pl. Munter-kerék). A megengedhetőhőmérsékletet a szerkezeti anyagok korlátozzák, acéllal 800 °C-ig,

164

keramikus anyagokkal 1000 °C-ig üzemeltethetők. Bár a hőközvetítőtest áttört szerkezetű (mátrix, méhsejt stb.), mégis jelentős azáramlási ellenállása, ami nehezíti a tömítést a mozgó felületnél. Ezértszinte elkerülhetetlen a szivárgás, és a füstgázból lerakódószennyeződések is átkerülnek a másik térbe. Hátrányai ellenére. azértalkalmazzák, mert nagy gázmennyiségeket tud feldolgozni és üzemefolyamatos.

Alacsony hőmérsékleten a gáz-gáz hőcsere a kis hőátadási tényezőkövetkeztében nem túl hatásos. Ennek áthidalására hőközvetítőközeg közbeiktatását javasolják. Az egyik megoldásnál vékony lezártcső egyik végén a hőleadó gáz e közeget elpárologtatja, másik végénkondenzálódik és felmelegíti a hőfelvevő gázt, majd a cső köpenyébenvisszaáramlik. A közvetítésre 40 °C-ig freon vagy aceton, e felett vízmagasabb hőmérsékleten szerves folyadék jöhet szóba. A rendszert300..350 °C-ig is használni lehet. Alkalmazásának feltétele, hogy akét gáz járata egymás közvetlen közelében legyen. Ha ez nem teljesül,áramoltatott folyadékkal lehet a hőt szállítani, ez gáz-folyadékhőcserélőn veszi fel és adja le a hőt. E hőközvetítő folyadék többnyirevíz, magas hőmérsékleten difenil, esetleg gáz (többnyire levegő) islehet.

A folyadékok jobb hőátadási viszonyai révén a gáz-folyadék, illetvefolyadék-gáz hőcsere lényegesen kedvezőbb a gáz-gáz rendszernél. Aközponti fűtések hőleadói, vízhűtésű gépkocsimotorok léghűtői,olajtranszformátorok hűtői, hűtőszekrények elpárologtatói éskondenzátorai példázzák e hőcserélő csoportot. Egyik válfaja azeconomiser (eco), ami a kazán tápvizét melegíti elő a füstgázzal.Tulajdonképp a legtöbb kazánban is gáz-folyadék hőcsere játszódikle. A kazánok és hőcserélők rokonsága a legszemléletesebb ahőhasznosító kazánoknál, ezekben nincs tüzelés, a hőt hőhordozóbanvezetik be és azzal folyadékot melegítenek fel, vagy gőzt fejlesztenek.Többnyire a füstgáz hőjével gőzt fejlesztő konstrukciókatalkalmaznak, üstgáz magas ezek olcsó és nagyon kompaktszerkezetek (az egyik oldalon a füstgáz magas hőmérséklete biztosítjaaz intenzív hőátadást, a másikon a víz nagy párolgáshője).

Szerkezetileg a legegyszerűbb két folyadék között a hőcserétbiztosítani. Az ipari technológiákban nagyon sokféle kombinációjatalálható meg, a hőátadás különösen intenzív fázisváltozásnál. Ígyműködnek például a forróvizes távfűtés hőközpontjai, a nyomottvizesatomerőművek gőzfejlesztői, különféle folyadékhűtők, a legtöbbhulladékhő hasznosító berendezés stb.

A hőfejlesztéssel rokon feladat a hűtés is, hiszen a hőelvonásszükségszerűen egy másik hőhordozó energiájának növelésével járegyütt. A hűtés legolcsóbb módja a hő konvektív elszállítása egy

165

másik hőhordozó áramló közeggel. Ez történhet közvetlenül érintkezőlég-, illetve folyadékárammal vagy hőcserélőn keresztül. Ilyen módona hőmérsékletet legfeljebb a környező levegő vagy a rendelkezésre állófriss víz hőmérsékletét néhány fokkal meghaladó hőfokig lehetcsökkenteni. Alacsonyabb hőmérsékletet különféle fizikai effektusokhasznosításával lehet elérni.

A legegyszerűbb lehetőség folyadékok elpárologtatása, ami apárolgási hőelvonásával jár, az eljárás hatását fokozni lehet kisnyomású térben. Ugyancsak hőmérséklet-csökkenéssel jár egyesközegpárok esetén az oldás is (pl. konyhasó jégben, vizes kalcium-klorid jégben, szénsavhó alkoholban) az elvont nagy oldási és esetlegolvadási hő miatt. Ezeket az eljárásokat azonban csak viszonylag kisanyagmennyiségeknél lehet gazdaságosan alkalmazni. Az iparifeladatokra hűtőgépeket használnak. Ezekben hőhordozóvalhőkörfolyamatot játszatnak le ellentétes irányban, mint amunkavégzésnél. A hőhordozó alacsony hőmérsékleten hőt von el ahűtendő térből magasabb hőmérsékleten pedig hőt ad le akörnyezetnek vagy más hőhordozónak. (Ez utóbbi hőt hőforráskéntszolgáltatja a hőszivattyú.)

A fordított irányú hőkörfolyamat külső munka befektetését igényli,ez biztosítja a hőelvonást. A kompressziós hűtőgépeknél mechanikaimunkát fektetnek be, a munkaközeg alacsony hőmérsékleten és kisnyomáson elpárologva hőt von el a környezetétől, majd olyannyomásra komprimálják, amelyen a környezeti hőmérsékletre hűtvehőleadás közben kondenzálódik, a csapadék kis hűtőgépeknélfojtószelepen keresztül tér vissza az elpárologtatóba, nagyhűtőgépeknél expanziós gépen keresztül. Ez utóbbi a mechanikaimunka egy részét fedezi, így javítva az eredő energetikai hatásfokot.Az abszorpciós hűtőgépben hasonló körfolyamat zajlik le, de nemmechanikai munkával, hanem hő bevezetésével növelik meg amunkaközeg hőmérsékletét és nyomását. A folyamathatékonyságának növelésére az elpárologtatott hűtőközegetabszorbens folyadékban oldják, ami az oldási energiafelszabadulásával jár, a hűtőközeg az oldószerből a melegítés soránkigázosodik. Különösen vonzó az abszorpciós hűtőgép, ha működésehulladékhő hasznosítására alapul. Kis teljesítményre a Peltier-hatásis felhasználható, ami azon alapul, hogy termoelemeken átfolyóvillamos áram hatására az eltérő fémek érintkezési pontjai közötthőmérséklet-különbség alakul ki. Egészen alacsony hőmérsékletetlehet elérni a reális gázok kiterjedését kísérő lehűléssel (Joule-Thomson-effektus), amit pl. a levegő cseppfolyósítására és frakcionáltdesztillációjára használnak, vagy paramágneses anyagokdemagnetizálásával.

166

4.1.2. Erőgépek

4.1.2.1. ÁRAMLÁSTECHNIKAI GÉPEK

A gépek hajtását, berendezések működtetését biztosító erőgépek körenagyon széles. A 17. táblázatból látható módon azenergiaátalakításnak sok útja járható mechanikai munkaelőállítására. Ezek alapján az erőgépek széles skálájából lehet azadott feladat megoldásához legjobban illeszkedő, gazdasági ésműszaki szempontból optimális hajtást kiválasztani. A 18. táblázat aleghasználatosabb erőgéptípusok átlagos energetikai hatásfokátmutatja. Látható, hogy az erőgépek saját hatásfoka nagyon eltérő ésegyes géptípusoknál magas érték. A táblázatból viszont az asajnálatos helyzet is kitűnik, hogy a hajtásoknak a primerenergiahordozóra vetített eredő hatásfoka általában kicsi, ami alólcsak a vízturbina és a vízerőműben fejlesztett villamos energiávalműködtetett villamos motorjelent kivételt. A kis eredő energetikaihatásfoknak a legtöbb esetben az oka az, hogy a hőt nagyon rosszhatásfokkal tudjuk mechanikai energiává alakítani.

Energetikai szempontból is nagy kihatású fejlemény volt, hogyáltalánossá vált a gépek egyedi hajtása a csoporthajtás helyett. Eznemcsak rugalmasabb szabályozásra adott módot, hanem energia-megtakarításra is, mert elmarad a közlőművek vesztesége és azerőgépeket nem kell tartósan rossz hatásfokú részterhelésenüzemeltetni. Az erőgépek hatásfoka függ szolgáltatott teljesítményüknagyságától, rendszerint a névleges (teljes) teljesítménynél alegnagyobb, részterhelésnél a hatásfok kisebb. Veszteségűk állandóés változó komponensre bontható, az állandó veszteség aterhelésmentes állapotban fellépő üresjárási veszteség, a változóveszteség értéke a terheléstől függ. A mechanikai elven működőerőgépek teljesítménye a működési sebességgel arányos, a változóveszteségek legnagyobb részét a súrlódás teszi ki, ami szintén asebességgel arányos, így a változó veszteség és a teljesítménykapcsolata közel lineáris.

17. táblázatKiinduló energiafajta Átalakítás útja

1. Mechanika egyszerű gépek és hajtások (súlyhajtás, rugó)áramlástechnikai gépek (vízikerék, turbina, szivattyú,hidrosztatikus és hidrodinamikus hajtás; vitorla,szélmotor, kompresszor, ventilátor, fúvó, pneumatikuseszközök)

2. Hő körfolyamat hőerőgépekben (gőzgép, gőzturbina,gázturbina, belsőégésű motorok)tolóerő (sugárhajtás)hőkiterjedéstermikus megmunkálás

3. Villamos elektrodinamikus hajtások (villamos motor)villamos megmunkálások

167

piezoelektromos hatáserőterek hatása (elektrosztatikus eljárások, mágnesesemelés)

4. Kémiai biológiai folyamatokozmóziskemo-mechanikai kölcsönhatások

5. Nukleáris hasadásfúzió

6. Sugárzás sugárnyomás

18. táblázatErőgép Hatásfok, %

erőgép önmagában elsődlegesenergiahordozóra vetítve

Dugattyús gőzgép 12..20 8..14Gőzturbina 78..90 35..45Benzinmotor 20..32 17..27Diesel-motor 30..45 25..38Gázturbina 30..40 21..25Vízturbina 85..96 82..94Szélmotor 30..40 6..15Villamos motor 85..95 28..32

A villamos gépek teljesítménye a felvett árammal arányos, a változóveszteség fő forrása a Joule-veszteség viszont négyzetesen függ azáramtól, ezért a villamos gépek változó vesztesége jó közelítéssel aterhelés négyzetével arányos. A legtöbb fluidközeggel működő gépbena változó veszteség az áramló közeg sebességének köbével arányos,hasonló kapcsolat jellemzi függését a terheléstől is, mivel ateljesítmény az áramlási sebességgel arányos. E körülmények szabjákmeg a hatásfok-teljesítmény jelleggörbék alakulását, ezeklegtipikusabb lefolyására a 19. ábra mutat példákat. A mechanikaiberendezések hatásfoka általában monoton nő, a másik kéterőgéptípus hatásfokának szélsőértéke van. A maximum helyén azüresjárási veszteség villamos gépeknél egyenlő a változó veszteséggel,fluidközegű gépeknél pedig annak felével. Természetesen az erőgépekkonstrukciós kialakításával a jelleggörbék alakját számottevőenmódosítani lehet.

168

villamos

mechanikus

hidraulikus

P

η

19. ábra. Hatásfok terhelésfüggése

Energetikai szempontból a hatásfokgörbék egyrészt arra hívják fel afigyelmet, milyen jelentősége van a hajtások, közlőművekmegválasztásánál a munkapont kijelölésének. A várható terheléshelytelen felmérése vagy a rosszul illesztett erőátvitel miatt aberendezések indokolatlanul tartósan rossz hatásfokkal üzemelnek,ami jelentős energetikai veszteségek forrása. A másik figyelmetérdemlő körülmény az indításnál és leállásnál érvényesülő rosszhatásfok, ami jelentős többletveszteséggel jár. Gyakori leállásnálelőfordulhat, hogy az üresjárási veszteség kisebb, mint etöbbletveszteségek eredője, és energetikai szempontból nem a gyakorileállás az optimális üzemvitel. Változó terhe1ésü üzemmódnál azenergetikus számára az eredő hatásfoknak van jelentősége, ami aterhelésnek és a felvett teljesítménynek a vizsgált időszakra számítottintegráljaiból képzett hányados. Ilyenkor a munkapontok célszerűmegválasztása bonyolultabb optimálást igénylő feladat.

Az indítás és gyorsítás időszakában az erőgépnek fedezni kell azt azenergiát, ami a teljes fordulatszámon, illetve sebességnél a hajtottrendszerben mozgási és helyzeti energia formájában felhalmozódik.Az ehhez szükséges teljesítmény a gyorsítás időtartamától függ. Egyeserőgépek nyomaték-fordulatszám, illetve erő-sebességjelleggörbéjének kezdeti szakasza csupán kis teljesítményt teszlehetővé, az ilyen erőgépeket nem lehet terhelve indítani, hanemüresjáratban kell a szükséges fordulatszámra hozni, és csak eztkövetően kapcsolhatók össze a hajtott rendszerrel (pl. a belsőégésűmotorok). A felhalmozódott mechanikai energia a lassulás soránfelszabadul. Ha a lassítást a súrlódás valamilyen formája idézi elő, azenergia hővé alakulva elvész. Ez nem szükségszerű, a fékezésnél

169

felszabaduló energiát más rendszereknek is át lehet származtatni –esetleg nem is mechanikai energia formájában, pl. villamosrekuperációval – és azt hasznosítani vagy tárolni lehet. Erősen változóüzemű gépeknél ez jelentős energiamegtakarítást eredményezhet.

Míg az indítási és gyorsítási időszakban elsősorban a gyorsításimunka szabja meg az energia- és teljesítményviszonyokat, addigállandósult állapotban az egyenletes mozgás a súrlódástól és aközegellenállástól függ. A súrlódás teljesítménye jó közelítéssel asebességgel arányos, ez az ellenállás a mozgás minden formájánálszámottevő. A közegellenállás teljesítménye a sebesség köbévelarányos, kis sebességnél értéke nem jelentős, de nagy sebességnél –elsősorban járműveknél – ez az ellenállás a legnagyobb hatású.

Súrlódás nemcsak a szilárd gépelemek elmozdulását, folyadékok ésgázok áramlását kíséri, hanem a közegek deformációjakor kialakulóbelső elmozdulásokat is. Szilárd felületek között a súrlódó erőegyrészt a felületek anyagi minőségétől, másrészt a felületeketösszeszorító erőtől függ – ami legtöbbször a súly. A súrlódási munkacsökkentésében nagy szerepe volt a megmunkálási technológiafejlődése révén elérhető nagyobb felületi simaságnak és az üzemikörülmények (pl. hőmérséklet) teljes tartományában tökéletesebbkenést biztosító jobb kenőanyagok kifejlesztésének. A leghatásosabblépést a csúszó súrlódás helyettesítése jelentette gördülősúrlódással(kerekek, görgök, gördülő csapágyak használata). Az utóbbi évekbenaz összeszorító erő csökkentése is előtérbe került, pl. légpárnás vagymágneses lebegtetéssel, aerodinamikus hatások kiaknázásával,azonban ez többletenergia-befektetést igényel. Közegek áramlásánál ahatárfelületek minősége és a nyomás befolyásolja a súrlódó erőt.

A súrlódási veszteségek leszorításában a gépszerkesztés jelentőseredményeket ért el, e téren olyan nagy horderejű minőségi változást,mely az energiafelhasználást számottevően befolyásolná, nem lehetremélni. Az energetikusok érdeke a korszerű módszerek széles körűalkalmazása az új konstrukciók kialakításánál, pl. a csúszósurlódáskiküszöbölése, a kenéstechnika újabb eredményeinek hasznosításastb. Annál több viszont az energiamegtakarítási lehetőség aberendezések üzemeltetésénél és karbantartásánál. A legjobbkonstrukciójú gép vesztesége is többszörösére nő, ha elmarad a kenésvagy ha berágódnak a csapágyak, a csővezetékek áramlásiellenállását megsokszorozza a felületek elváltozása szennyeződés,korrózió vagy lerakódások következtében. Energetikai szempontból isfontos a karbantartást nem igénylő pl. önkenő szerkezetektérhódítása.

A súrlódási munka hővé alakul, ami nemcsak az energiaveszteségmiatt érdemel figyelmet. A legtöbb erőgép teljesítménye hőfokfüggő, az

170

optimálisnál magasabb hőmérsékleten a hasznos teljesítménycsökken, ami az eredő energetikai hatásfokot tovább rontja. Atúlmelegedés csökkenti a szerkezeti anyagok mechanikaiszilárdságát, károsan hat a tömítésekre és a kenésre, így azüzembiztonságot is veszélyezteti. Ezért a melegedést gyakran hűtésselkell korlátozni, a hűtőközeg biztosítása és áramoltatásatöbbletenergia-befektetéssel jár. A hűtőközegben jelentős mennyiségűhulladékhő távozik, ami gyakran nemcsak a súrlódási munkábólszármazik, hanem pl. belső égésű motoroknál vagy kompresszoroknála munkafolyamatból is. E hulladékhő esetenként hasznosítható, haelég magas a hőmérséklete és a kinyerhető mennyisége a szükségestöbbletberuházást gazdaságossá teszi.

Az erőgépek és a hajtott berendezések között a közlőművekbiztosítják a kapcsolatot. A teljesítmény átszármaztatása mellett ezekfeladata sokszor az erők és nyomatékok, sebességek ésfordulatszámok módosítására is kiterjed, sőt az erőátvitelnek gyakranoldhatónak is kell lennie. Minél sokrétűbb a közlőmű feladata, annáltöbb veszteség forrása. A közlőmű feladatát többnyire szilárdgépelemek töltik be, egyenes és alakos tengelyek, tengelykapcsolók,fogaskerekek, dörzskerekek, szíjak, láncok, kötelek, forgattyús ésbütykös mechanizmusok. Összetett funkciókat hajtóművekkelelégítenek ki, sebességváltó, nyomatékváltó, irányváltó és hasonlómechanizmusok formájában. A szilárd elemekből felépítettközlőművek legnagyobb része merev kapcsolatokat jelent, rugalmaserőátvitelt csupán a súrlódással működők biztosítanak (dörzskerék,szíj- és kötélhajtás, súrlódó tengelykapcsoló), ami viszont jelentőssúrlódási veszteséggel jár. Lényegesen kisebb veszteségű rugalmaskapcsolatot lehet kialakítani fluid munkaközegű közlőművekkel,legsokoldalúbban a hidraulikus megoldásokat alkalmazzák.Különösen jelentős a közlőművek vesztesége gyakran változóterhelésnél, ezért az energiatakarékosság érdekében a szerkezetektökéletesítése a járműiparban a figyelem előterébe került.

Az erőgépek megvalósítható egységteljesítménye az idők folyamánállandóan nőtt, a legfontosabb típusokra ezt a tendenciát a 20. ábramutatja. A legnagyobb egységteljesítmény 100 év alatt MW-ról GW-ranőtt, az ábrán összehasonlításul az izomerővel elérhető 0,1..1 kW-osértékeket is feltüntettük. Hosszú ideig vízerőgépekkel lehetett alegnagyobb teljesítményt elérni, a XX. században ez a szerep ahőerőgépeknek jutott.

171

év1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

Wlg

0

5

10

W

ember

szélmalom, szélmotvízikerék

vízturbina

gõzturbina

gázturbina

belsõégésû motorok

20. ábra. Az erőgépek fejlődése

Az erőátvitel módjának célszerű megválasztása érzékenyenbefolyásolja a hajtások veszteségét. Például homlokfogaskerekekkel96 %-os, kúpkerekekkel 95 %-os hatásfokot lehet elérni, viszontcsavarhajtásnál már csupán 84..92 %-ot-, hasonlóan görgősánc- vagylapos szíjhajtással 95..98 % biztosítható, szemben az ékszíjhajtás85%-ával.

4.1.2.2. MECHANIKAI ENERGIÁVAL MŰKÖDTETETT ERŐGÉPEK

A legnagyobb múltja a mechanikai munkával működtetetterőgépeknek van. Ezek működése arra alapul, hogy a mozgási éshelyzeti energiát megfelelő szerkezetekkel módosítani lehet, illetveazok egymásba átalakíthatók. Az erőgépek egy része amozgásviszonyokat módosítja, haladó mozgásból forgó mozgást állítelő (szélmotor), forgó mozgásból haladót (örvényszivattyú), vagy amozgásmennyiséget változtatja (akciós turbina). Más erőgépek amozgó testek ütközésével átszármaztatható energiát hasznosítják(szabadsugár-turbina). Vannak a helyzeti energiát kiaknázómegoldások (súlyhajtás, réstúlnyomásos vízturbina) és a deformációsmunkát hasznosító szerkezetek is (rugóhajtás, pneumatikus erőgép).Az erőgépeket a hasznosított mechanikai munka megjelenési formáihelyett célszerűbb az erőhatásokat közvetítő közeg halmazállapotaszerint csoportosítva tárgyalni. Ennek megfelelően a következőkbenmegkülönböztetjük a csak szilárd alkotóelemeket tartalmazómechanikai hajtásokat, a folyadékokkal működő vízerőgépeket és agázok munkavégző képességén alapuló légerőgépeket. A szerkezetiazonosság alapján vízerőgépnek nevezik a víztől eltérő folyadékokkalműködőket is és hasonlóan légerőgépnek a levegőtől eltérő gázokkaldolgozókat.

172

A legegyszerűbb erőgépek a szilárd gépelemekből felépítettmechanikai hajtások. Közös jellemzőjük, hogy munkavégzőképességűk létrehozásához előzetesen mechanikai munkát kellbefektetni valamilyen más erőgép segítségével. Így funkciójuk amechanikai teljesítmény lefolyásának időbeli átrendezése. A szilárdszerkezetekben tárolható energia kicsi, ezért vagy nagy teljesítményrövid idejű biztosítására, vagy tartósan csak kis teljesítményfedezésére alkalmasak. A mechanikus hajtásoknak mint erőgépekneknincs jelentős szerepe, az üzemeken belüli teljesítménygazdálkodástviszont számottevően befolyásolhatják.

A helyzeti energián alapul a súly- és rugóhajtás. A korszerűtechnikában a súlyhajtás terhek emelésénél az ellensúly szerepéreszorult vissza (felvonók, bányaemelők, siklók), valamint állandóerőhatást igénylő kisteljesítményű mechanizmusok működtetésére. Arugóknak sokirányú szerepe van a változó erőhatásokkiegyenlítésében, de mint hajtóművek csak kisteljesítményűóraművekben fordulnak elő. A lendkerekekben tárolt mozgásienergiával főleg egyenlőtlen teljesítményű erőgépek (pl. dugattyúsmotorok) vagy egyenlőtlen terhelésű munkagépek (pl. hengersorok)fordulatszámát egyenlítik ki. Az utóbbi években foglalkozni kezdtek alendkerekekkel mint energiatároló eszközökkel is. Nagy járművek (pl.metró) fékezési energiáját lendkerekekben tárolni lehet és az akövetkező gyorsításnál hasznosítható, az első ilyen irányú kísérletektapasztalatai kedvezőek. Arra is vannak javaslatok, hogy a villamoscsúcsigényeket lendkerekekben tárolt energiával fedezzék. A forgómozgás energiája a tehetetlenségi nyomatékkal és a fordulatszámnégyzetével arányos. A tárolt energiát különösen a fordulatszámnövelésével lehet fokozni, de ennek anyagtechnológiai és üzemvitelikorláti vannak. A radiális mechanikai feszültség szintén négyzetesennő a fordulatszámmal, így a szerkezeti anyagok szakítószilárdságaszabja meg a lehetséges fordulatszám felső határát, a ténylegesfordulatszámot rendszerint a gépek rendeltetése és üzemeltetésikövetelményei jelölik ki. A mozgási energia nagyságát befolyásolómásik tényező a tehetetlenségi nyomaték, ami a szerkezet geometriaikialakításán múlik. Négyzetesen függ a tömegpontok forgástengelytőlmért távolságától, ezért a súlyos tömegeket a tengelytől távol helyezikel. Acélból készült lendkerekekben a tárolható energia átlagosan50..80 Wh/kg, nagy szilárdságú műanyagokkal ennek többszörösétremélik elérni, de ez az út jelenleg nem ígérkezik gazdaságosnak. Atárolható energia felső határa 10..100 GJ. A súrlódás csökkentésérevákuumban forgó megoldást is fejlesztenek.

A mechanikai energiát hasznosító erőgépek legfontosabb és legszéléskörűbben használt csoportját a vízerőgépek képviselik. A folyókmozgási energiájának kiaknázása a technikai fejlődés első lépései

173

közé tartozott. Vízikereket már az ókorban építettek és fokozatosanelterjedve malmok, majd más gépek hajtására ez vált a manufaktúráklegfontosabb erőgépévé. Nagyméretű vízikerekekkel jelentős, mintegy100 kW-ig terjedő teljesítményt is elértek, és a folyók vízjárása annakhasznosítását az év nagy részében lehetővé is tette. Ez az energiabázisaz ipari forradalom kibontakozódásának lényeges feltétele volt. Avízikerék azonban kötöttséget is jelentett, mert az üzemeket csak afolyók mellé lehetett telepíteni. A telephely megválasztásnak ezt akorlátját a gőzgép megjelenése oldotta fel, e rugalmas erőgép gyorstérhódításának ez egyik mozgatórugója volt. A gőzgép mellett anehézkes vízikerekek szerepe gyorsan csökkent, majd a korszerűerőgépek teljesen kiszorították a használatból. (Megjegyzendő, hogy atengeri áramlások kiaknázására irányuló javaslatok ismétfelelevenítik a vízikerék alkalmazását.)

A lassú járatú és rossz hatásfokú vízikereket csupán a vízfolyássebessége működteti, így a teljesítménye is kicsi (a mozgási energiávalegyenértékű szintkülönbség a legsebesebb vízfolyásoknál sem több1..2 m-nél). Korszerű utódai, a vízturbinák a vízfolyások helyzetienergiáját hasznosítva hatalmas teljesítményeket tudnak szolgáltatni.A nagy teljesítményű vízturbinák kizárólagos feladata villamosenergia fejlesztése vízerőművekben. Kis teljesítményű turbinákatközlőművekben és egyedi hajtásokban erőátviteli feladatokra isalkalmaznak gyakran a víztől eltérő folyadékokkal (pl. olaj) is.

A vízerőművek turbinái elvileg a !V vízhozamú és h hasznosíthatóesésmagasságú vízfolyásból

P Vgh= !

teljesítményt tudnak kiaknázni, mivel a vízre ρ = 1 kg/dm3, és ahelyzeti energia mellett a Bernoulli-egyenlet másik két összetevőjeelhanyagolható. A különféle veszteségek miatt a gyakorlatilagkinyerhető teljesítmény természetesen kisebb. A h esésmagasságtermészeti adottság, a !V vízhozamot tározással szabályozni lehet. Avízhozam és az esésmagasság értékétől függően különféleturbinatípusokat fejlesztettek ki, az akciós rendszerek a helyzetienergiát tisztán mozgási energiává transzformálják (Pelton- és Bánki-turbina), a reakciós rendszerekben az energia egy részenyomáskülönbséggé alakul (Francis- és Kaplan-turbina). Nagyesésmagasságra (100 m felett) Pelton-turbinákat használnak, melyekkis fordulatszámmal (10..60 min-1)járó konstrukciók, járókerekeiklapátaira sugárcsövek lövelik szabad sugárban a nagy sebességűvizet. Nagy víznyelés és közepes esésmagasság (20..00 m)jellemzi aFrancis-turbinák alkalmazási területét. Fordulatszámuk közepes(60..400 min-1), a radiálisan beömlő víz a turbina belsejébenforgatagot alkot, melyben nyomás- és sebességváltozások közben

174

játszódik le az energiaátadás. Kis esésekre (40 m alatt) szárnylapátosturbinákat (Kaplan-, propeller-, csőturbina) használnak.Fordulatszámuk magas (400..1000 min-1), a víz axiálisan áramlik át ajárókeréken, melynek lapátjain az energiaátalakítást az aerodinamikatörvényei szabják meg. A legnagyobb Francis-turbinákegységteljesítménye megközelíti az 1 GW-ot, a többi turbinatípusteljesítményének felső határa jelenleg 200..250 MW. A fontosabbturbinatípusok alkalmazási területét a h esésmagasság és nfordulatszám függvényében a 21. ábra mutatja. A hazai körülményekközött folyami vízerőművekben csak a kis esésmagasságra alkalmasKaplan-turbinák használhatók, többnyire vízszintes tengelyűcsőturbinás kivitelben.

n, 1/min

hm

0 100 200 300 400 500 600 700 800

10

100

1000

Pelton

Francis

Kaplan

21. ábra. Vízturbinatípusok alkalmazási területe

A vízturbinákban lezajló energiatranszformációt a hidromechanikatörvényeivel csak közelítőleg lehet leírni, mert az áramlási viszonyoknagyon bonyolultak, és azokat az anyagjellemzők is befolyásolják.Ezért a tényleges konstrukciókat kisminta kísérletekre alapozvaalakítják ki. E módszerek annyira tökéletesek, hogy a turbináknálrendkívül jó, 90..95 %-os hatásfokot lehet elérni. A hatásfok azonbanerősen függ a fordulatszámtól és a víznyeléstől. Mivel avillamosenergia-fejlesztés állandó fordulatszámot igényel, afordulatszámfüggésnek nincs gyakorlati jelentősége, a turbinát azoptimális fordulatszámra méretezik. A teljes víznyelésrevonatkoztatott relatív víznyelés függvényében néhány tipikushatásfokgörbét 22. ábra mutat be. Ebből látható, hogy a részterhelésesüzem a legtöbb típusnál kedvezőtlen, ennek elkerülésére, ha több

175

turbina van párhuzamosan üzemben, kis vízhozamnál célszerűbb aműködő gépek számát csökkenteni.

Hasonló turbinatípusok jönnek számításba a nem folyamokratelepített speciális vízerőművekben is. Ezeknél a vízépítési műtárgyakjellege, az üzemmód és egyes konstrukciós részletek tekintetébenazonban lényeges eltérések lehetségesek (pl. az árapály-erőműveknéla vízmozgás napi és éves ciklusa és a tengervíz korrozív hatása miatt).A korszerű szivattyús-tározós erőművekben olyan vízerőgépeketalkalmaznak, melyek egyaránt használhatók turbina- ésszivattyúüzemben. Energiamegtakarítás érdekében kisebbteljesítményű turbinákat mesterséges vízáramokra is lehet telepíteni,például hőerőművek hűtővíz-visszavezető csatornáiban létesítettrekuperációs vízerőműben, sőt ipari technológiákból kilépőfolyadékáramokra is, ha azokat tartósan megfelelő folyadékmennyiség és kiaknázható esésmagasság (vagy áramlási sebesség)jellemzi.

Az erőátviteli feladatokhoz használt kis teljesítményű turbináklényegesen egyszerűbb szerkezetek, de működési elvükben nemtérnek el a nagy turbináktól. Ezek általában nem a folyadékesésmagasságát, hanem a nyomáskülönbséget hasznosítják.

Ma még teljesen kiforratlanok azok az eszközök, melyekkel atengerhullámzás energiáját kívánják hasznosítani. A szabadalmazottszerkezetek száma több száz, de tényleges kísérletek csupán egy-kétmegoldással folynak, ezekben vagy a mozgási energiát veszik átelmozduló elemek, vagy a kialakuló szintkülönbséget alakítják átnyomássá szelepekkel vezérelt térrészekben. A kísérletek egyelőremég távol vannak a gyakorlatban is realizálható – és főleg gazdaságos– berendezésektől.

176

η, %

0 0,5

50

100

Pelton

Francis

Kaplan

1,0relatív víznyelés a névleges képest

22. ábra. Vízturbinatípusok hatásfokgörbéi

A legszélesebb körűen elterjedt vízerőgépek a folyadékok áramlásátbiztosító szivattyúk, melyek tulajdonképp a hidrodinamikusrendszerek erőgépei. Ezeket stabilis berendezésekben többnyireaszinkron villamos motorok, a mobilis szivattyúkat pedig gyakranbelsőégésű motorok hajtják. A szivattyúk mozgó elemei haladó vagyforgó mozgás segítségével, egyes konstrukciók pedignyomáskülönbség előidézésével növelik meg a továbbított folyadékenergiáját. Szivattyúkon alapul a vízellátás, a belvíz és árvízvédelem,a bányák vízmentesítése, kis rétegnyomású kőolajkészletekkibányászása, szivattyúk biztosítják a technológiai folyamatokban afolyékony közegek áramlását, az automata mosógépek ürítését, abelsőégésű motorok üzemanyag-ellátását stb. A sokrétű igények minda szállított mennyiség, mind az emelőmagasság tekintetében soknagyságrendet fognak át, ezek kielégítésére sokféle konstrukciótfejlesztettek ki. A fontosabb típusok alkalmazási területét a 6.6. ábramutatja. Ennek vízszintes tengelyén a szállítási teljesítmény,függőleges tengelyén pedig a leküzdendő nyomáskülönbség szerepel,az utóbbit szállítási magassággal is ki lehet fejezni. A Bernoulli-egyenlet a térfogategység energiáját írja le, ebben az egyes tagoktulajdonképp nyomás dimenziójúak, az egyenletet a ρ sűrűséggel és ag nehézségi gyorsulással osztva a tömegegységre eső energiát nyerjük,és a tagok magasság dimenziójúak lesznek, a két fogalomhasználattehát egyenértékű.

Lényeges azonban, hogy akár nyomás, akár szállítómagasság írja lea teljesítményt, az magában foglalja a leküzdendő geodetikusszintkülönbség, a nyomáskülönbség, a sebességkülönbség és az

177

áramlási veszteségnek megfelelő tag összegét. Ilyen felfogásbanértelmezett h szállítómagassággal a szivattyú hasznos teljesítményétszintén a korábban felírt egyenlet írja le. A szállítómagasságot(emelőmagasságot) a szivattyúk jellemzésére vízszintes irányúszállításnál is használják, sőt a gázok nyomását fokozókompresszoroknál is.

A legnagyobb emelőmagasságot a dugattyús szivattyúkkal lehetelérni, igen jó hatásfokkal, de korlátozott folyadékszállító képességgel.A dugattyú az egyik irányba haladva vizet szív a munkahengerbe, amásik irányba mozogva azt az ellátandó rendszerbe táplálja. Ezt, azegyenlőtlen folyadékszállítást részben ki lehet egyenlíteni nyomás aláhelyezett légüsttel, illetve ellenfázisban dolgozó több dugattyúval. Adugattyús szivattyúk drágábbak mint az örvényszivattyúk, ezért főlegolyan speciális követelmények kielégítésére alkalmazzák, mintkülönlegesen nagy szállítómagasság, szennyezett folyadékoktovábbítása, folyadékok pontos adagolása (pl. tűzveszély miatt).Dugattyú helyett rugalmas hártyát használnak iszapos vagy erősenszennyezett folyadékokhoz (membránszivattyú) pl. cement vagyszennyvíz továbbítására. Ugyancsak térfogatkiszorítás alapján, deforgó mozgással működnek a nagy szállítónyomást biztosító vagyviszkózus folyadékokhoz használt különféle típusok (fogaskerék-,csavar-, dugattyús, szárnyas, lamellás, vízgyűrűs szivattyúk).

V

η

.

hP

23. ábra. Örvényszivattyú jelleggörbéi állandó fordulatszámnál

Legszélesebb körű az örvényszivattyúk (turbinaszivattyú)használata, melyek lényegében fordított irányban működő turbinák.Tetszőleges folyadékmennyiségre készülnek, több fokozatú kivitelbennagy emelőmagasságra is alkalmasak. A legnagyobb teljesítményekre

178

szárnylapátos vagy csavarlapátos kivitelt alkalmaznak. Zagyok,szennyezett folyadékok szállítására használják a mamutszivattyút,ennél sűrített levegőt nyomnak be a szállítandó folyadékba és afolyadék-levegő keverék kisebb sűrűsége szolgáltatja a felhajtóerőt.Hátránya a megoldásnak a nagyon rossz hatásfok (30..40 %).Speciális célokra, pl. kazánok tápvízellátására, benzinmotoroküzemanyag-ellátására használják a mozgó alkatrészt nem tartalmazósugárszivattyút (injektor). A fúvókába nyomott víz, levegő vagy gőz aszűkületnél felgyorsul, viszont nyomása lecsökken, és ennek hatásáraa környezetéből folyadékot képes magával ragadni.

A szivattyúk hajtásához szükséges teljesítmény a hidraulikus,volumetrikus és mechanikai veszteségek miatt meghaladja aelméletileg szükséges értéket. A szivattyúzásnál 80..85 %-oshatásfokot is el lehet érni, de a turbinákhoz hasonlóan a szállítottmennyiség és a fordulatszám erősen befolyásolja az értékét. A23. ábra példázza; hogyan függenek egy örvényszivattyú jellemzői avízhozamtól. Ha a fordulatszám is változik, akkor ennek megfelelőena szivattyú üzemi jellemzői is változnak. Az ábrából kitűnik, hogy aszivattyú típusának kiválasztása és munkapontjának kijelölése atervezésnek és az üzemvitelnek fontos kérdése. A tartósan azoptimálistól távol fekvő munkaponton dolgozó szivattyú cseréjejobban illesztett típusra nemcsak energetikai, hanem gazdaságiszempontból is gyorsan megtérül.

A folyadékok munkavégző képességét hasznosító erőátviteliberendezésekben a mechanikai munka megjelenési formájáthidrosztatikus és hidrodinamikus úton lehet módosítani. Ahidrosztatikus megoldások arra alapulnak, hogy a nyomás afolyadékban egyenletesen oszlik el. Elsősorban nagy erőhatást igénylőfeladatokra alkalmazzák, mert az erők áttételezését megfelelőkeresztmetszet arányú hengerekben elmozduló dugattyúksegítségével könnyen meg lehet oldani. Így működnek a különfélehidraulikus emelők, prések, sajtók, kovácsoló kalapácsok, azalkalmazott nyomás néha több száz bar. A gyors alakító eljárások isgyakran folyadéknyomással működnek, vagy egyéb megoldásoknál(robbantásos, elektrodinamikus stb.) is sokszor folyadék közvetíti azerőt a munkadarabbal. A hidrosztatikus hajtóműveket főleg nagy erőtigénylő vezérlési feladatokra használják (pl. gőzturbinák szelepeinekvezérlése, vasúti járművek hajtóműve, megszakítók működtetése,automata gépsorok), az erőket hengerekben elmozduló dugattyúkközvetítik.

A hidrodinamikus eljárások a folyadékok sebességi energiájáthasználják fel. Ide sorolhatók a főleg járművekben alkalmazotthidrodinamikus hajtóművek (nyomatékváltók, tengelykapcsolók) is.Ezek egyszerűbb esetben szivattyúból és turbinából állnak, a kettő

179

között a kapcsolatot folyadék áram biztosítja, az erőgép szerepétellátó turbina fordulatszámát széles tartományban lehet folytonosanváltoztatni. Sokirányúan használják az áramló folyadékotanyagmozgatásra is, a folyadékkal keveredő, abban lebegő, vagy azzalsodort anyagoknál. Nagy nyomású vízsugárral bányákban kőzeteketfejtenek, mélyfúrásnál a fúrófejet forgatják és számos egyéb feladatotoldanak meg.

A technika sok területén használják a gázok munkaképességéthasznosító vagy átalakító erőgépeket, melyeket összefoglalóanlégerőgépeknek neveznek. Ha az áramló gázok nyomása éshőmérséklete nem változik számottevően, a viszonyokat kis fajsúlyúfolyadékáramlásként lehet leírni (pl. szellőzők). Erre is érvényes aBernoulli-egyenlet, de a geodetikus szintkülönbséget leíró tagot a kissűrűségnek megfelelően rendszerint el lehet hanyagolni. Nagymagasságkülönbségnél a légkörben érvényesülő barometrikusnyomáskülönbség érezteti a hatását, az ebből származó felhajtóerőt,illetve légmozgásokat technikai célra ki is aknázzák (kémények,hűtőtornyok, vitorlázó repülés).

19. táblázatÁllapotváltozás típusa Állapotegyenlet Megjegyzés

Izotermikus pv = RT = állandóAdiabatikus pV κ = állandó κ = c cp V/

Politropikus pV n = állandó 1< <n κValóságos fv = RT = állandó d

df

f RTV p=

1

A gázok munkavégző képességét többnyire a nyomás szabja meg,ennek változása 1 bar-ral 105 J/m3 nagyságrendű energiaváltozássaljár. Expanzió során ezt az energiát mechanikai munkavégzésre lehethasznosítani pl. dugattyúk elmozdításával, turbinák hajtásával vagyaz impulzus tolóerejével. A mozgási energia ezzel csak nagyon nagysebességnél mérhető össze, egyébként elhanyagolható (pl. levegőben atalajszinten átlagos szélsebességnél 10 J/m3 nagyságrendű, e kisteljesítménysűrűség az oka, hogy a szélenergiát nehéz gazdaságosankiaknázni). Hasonló nagyságrendű a magasságtól függő helyzetienergia méterenkénti változása is, de ezt az esésmagasságot nem islehet hasznosítani, mivel a gázok a hőmozgás hatására kiterjednek.Az állapotegyenleteknek megfelelően a gázok kompressziójahőmérséklet-növekedéssel, expanziója hőfokcsökkenéssel jár. A19. táblázat a kompresszió, illetve expanzió legfontosabb típusaitmutatja be, az első három ideális gázokra vonatkozik, ami bizonyoskörülmények között valódi gázokra is jó közelítés. Az izotermikusfolyamatnak feltétele, hogy a kompresszió során fejlődő hőtelvezessék, illetve az expanzió alatt bekövetkező lehűlést hő

180

bevezetésével ellensúlyozzak. Adiabatikus változás tökéleteshőszigetelésnél folyik le, ilyenkor viszont a gáz hőmérsékletemegváltozik (a gáz fajhője állandó nyomáson cp és állandó térfogatoncV). A politropikus folyamat a kettő közé esik, tökéletlen hűtés, illetvehőbevezetés esetére jellemző. A légköri nyomásnál jóval kisebb ésannál nagyobb nyomáson a valódi gázok viselkedése számottevőeneltér az ideálistól, ilyenkor a folyamatok leírására a nyomás helyettalkalmasabb a fugacitás, ami a 19. táblázat megjegyzés oszlopábanszereplő definícióval értelmezett f termodinamikai állapotfüggvény.

A gázok munkavégző képességének energetikai hasznosítása nagymúltra tekinthet vissza. A primer energiaforrások közül a szél volt azelső, amit közvetlenül hajtásra hasznosítottak. Ez nemcsak atechnika, hanem a társadalmak fejlődésére is nagy hatással volt. Aszél kinetikus energiájával hajtott vitorlás hajók útján terjedt szét azantik civilizáció a Földközi-tenger környékén és kapcsolódtak beújabb területek annak vérkeringésébe. A nagy földrajzi felfedezésekeszközei is a vitorlás hajók voltak, melyekkel új világrészeket tártakfel az újkor hajnalán és egységes világgá kapcsolták össze bolygónknagy részét. Vitorlások segítségével alapították meg a nagygyarmatbirodalmakat és hordták össze az új tartományok kincseit akapitalizmus kibontakozásához szükséges eredeti tőkefelhalmozásrészeként. A gőzgép azonban a kecses vitorlásokat történelmi emlékkédegradálta, lokális jellegű közlekedésre csak gazdaságilag fejletlenterületeken használják, ahol a szél véletlenszerűsége és az elérhetőkis szállítási kapacitás nem korlátozó tényező. Azenergiatakarékosság jegyében újabban ismét vizsgálják, hogyanlehetne a tengeri hajózásban a szelet, mint kisegítő erőforrástgazdaságosan kiaknázni.

A szél másik alkalmazási területét a középkorban elterjedő és a XV-XVII. században nagy számba épített szélmalmok jelentették.Kezdetben csak gabonaőrlésre és vízemelésre használták, az említettidőszak végén már munkagépek hajtására is. Szélmalmot szintetetszőleges helyen fel lehetett állítani, de rendelkezésre állásabizonytalan és teljesítménye korlátozott (5..10 kW) volt, ezért a gőzgéprövid idő alatt kiszorította a használatból.

A szélmalom újabban sokat népszerűsített utóda a szélmotor(szélkerék), aminek 0,l..1 MW nagyságrendű prototípusait is fejlesztikvillamos energia előállítására. A szélkerék d átmérője A d= 2 4π/felületet jelöl ki, az ezen v sebességgel átáramló !V Av= légmennyiségaz időegység alatt

Em v Vv Av

= = =2 2 3

2 2 2

ρ ρ!

181

energiát képvisel. A szélmotor által szolgáltatott teljesítmény amechanikai hatásfok és a hasznosítási fok figyelembevételével:

PAv

= η ηρ

m h

3

2.

Az összefüggés szerint a szélmotor teljesítménye nagyon nagymértékben ingadozik a szélsebességtől függően. Az ηm mechanikaihatásfok jó szerkezetnél viszonylag magas érték, az ηh hasznosításifok viszont kicsi. Ebben egyrészt az tükröződik, hogy a szélkerékbőlkilépő levegővel a kinetikus energia egy része eltávozik, másrészt atökéletlen aerodinamikai kialakítás miatt jelentkező veszteségekcsökkentik. A hasznosítási fok nagyon erősen függ a szélsebességtől,optimális értéke 0,35..0,45, de az optimálistól eltérő sebességekelőfordulása miatt időbeli átlaga 0,06..0, 15. A nagyobb érték a kislapátszámú gyorsjáratú szélkerekekre vonatkozik, a szükséges nagyátmérők miatt ez komoly mechanikai problémákkal jár. A szélkerekekfordulatszáma a szélsebesség függvénye, ami szabályozási feladatotjelent. A változó fordulatszám miatt a szélmotor közvetlenül csakegyenáram előállítására alkalmas. Az előzőek érzékeltetik aszélmotorok szélesebb körű elterjedésének korlátait, ingadozóteljesítőképesség, nagy méretek, szélsőséges mechanikaiigénybevételek, rossz hatásfok és főleg a szélmentes időszakraenergiatárolás szükségessége. Mindezek ellenére egyes országokbanambiciózus tervek kivételezhetőségét mérlegelik, néhány országbanpedig szélerőmű telepeket építenek. A vízszintes tengelyű nagyszélmotorok fejlesztése jelentősen előrehaladt, a változó szélirányhozjobban illeszkedő függőleges tengelyű típusok kialakítása ismegindult.

A gázok szekunder energiahordozóként jóval nagyobb szerepetjátszanak, mint primer energiaforrás formájában. Komprimált gázokkiterjedésük során munkát végeznek, amit szerszámok és gépekműködtetésére, tárgyak elmozdítására lehet hasznosítani, áramlógázokkal anyagot lehet szállítani, a gáznyomás fokozása számostechnológia (pl. kémiai reakciók) feltétele. A gázok áramlását vagymechanikai munkavégző képességét biztosító berendezések amechanikai energia formáját módosítják megnövelve a gáz nyomásátvagy sebességét. A berendezéseket természetesen szokványoserőgépek működtetik, helyhez kötött megoldásoknál rendszerintvillanymotorok, illetve nagy teljesítménynél gőzturbinák, mobilberendezéseket pedig rendszerint belsőégésű motorok.

A gázok, gőzök áramlását biztosító berendezések több típusátkülönböztetik meg, attól függően, hogy milyen mértékben növelik mega gáz nyomását. A szellőzök (ventillátorok) belépő és kilépőnyomásának aránya kisebb 1,1-nél, a fúvóknál e nyomásarány 1,3..3

182

és a kompresszoroknál (sűrítők) 3-nál nagyobb. A szellőzök csupán agáz áramlását akadályozó ellenállások leküzdését biztosító kis ∆pnyomáskülönbséget szolgáltatják, hasznos teljesítményük azidőegység alatt áthaladó V gáztérfogat esetében:

P = V∆p.

A viszonyokat kis sűrűségű összenyomhatatlan folyadékáramlásaként lehet tárgyalni, amit a Bernoulli-egyenlet ír le, ahelyzeti energiát kifejező tag elhanyagolásával. Ebből az egyenletbőlhatározható meg a szellőző „szállítómagassága” is. Kis mennyiségreaxiális, nagyobb légáramhoz félaxiális és radiális átömlésűmegoldásokat alkalmaznak. Az áramlástani kialakítás jelentősenbefolyásolja a szellőzök hatásfokát, az egyszerűbb szerkezetek20..40 %-os hatásfokával szemben tökéletesebb – de bonyolultabb –konstrukcióval 60..80 %-ot is el lehet érni. Az energiafelhasználástlényegesen befolyásolja a típus megválasztásán kívül ahatásfokgörbén a munkapont kijelölése és a szellőző elhelyezésénekmódja is.

A fúvók és kompresszorok esetében a gázok összenyomhatóságajelentős szerepet játszik, a viszonyok leírásához figyelembe kell vennia gáz állapotegyenletét is. A kompresszió az állapotfüggvényekmegszabta hőmérséklet növekedéssel jár. Bizonyos esetekben ahőmérséklet-növekedés hasznos, pl. kohók, tüzelőberendezésekégéslevegőjének előmelegítése, kémiai reakció feltételek javítása,gyakran azonban nem kívánatos. Fúvóknál a nyomásarány kicsi, ígya hőmérséklet-növekedés sem nagy és a berendezések külső felületénérvényesülő természetes hűtés elegendő a gép üzembiztosműködéséhez. Kompresszoroknál viszont mesterséges hűtésszükséges, amit nemcsak a technológia által megkívánt hőfokindokol, hanem a kompresszor szerkezeti anyagainak a védelme és akenés biztosíthatósága is. A hőmérséklet növekedése nagymértékbencsökkenti a szállítható gázmennyiséget is a fajtérfogat változásamiatt. A kompressziónak a 19. táblázat bemutatott típusai közül azizotermikus igényli a legkisebb munkát, ezért a sűrítők értékelésétilyen folyamatra szokták vonatkoztatni. Megvalósításának azt afeltételét, hogy a fejlődő hőt teljes egészében el kell vezetni, lassújáratú gépeknél csak megközelíteni lehet, egyébként többszörösközbenső hűtést kell alkalmazni. Az adiabatikus kompresszió többmunkát igényel mint az izotermikus. A hőmérsékletváltozás anyomásviszony függvényében a

T

T

p

p2

1

2

1

1

=

−κκ

183

összefüggés szerint változik. E szerint 10-szeres sűrítésnél ahőmérséklet-növekedés 273 °C és az energiaviszony 1,42, míg 25-szörös sűrítésnél 603 °C és 1,84-es arány adódik. E számokérzékeltetik a hűtés szükségességét. A hűtött kompresszió reálislefolyását jobban megközelíti az említett két állapotváltozás közé esőpolitropikus lefolyás.

Sűrítésre térfogatkiszorításon alapuló szerkezetek és áramlási elvenműködő turbókompresszorok egyaránt használatosak. Mindkéttípusnak számos kivitele van, az első csoportba különféle egyszeresés többszörös dugattyús, forgódugattyús, rotációs kompresszoroktartoznak, az axiális és radiális beömlésű turbófúvók ésturbókompresszorok szintén sokféle megoldással készülnek. Atérfogatkiszorításon alapuló megoldásokat jobb hatásfok jellemzi, de ateljesítményük korlátozott, nagy teljesítményre turbókompresszorokalkalmasak. A legnagyobb teljesítményű axiálkompresszorokteljesítménye 30..40 MW-ot is elér. A hasznos teljesítményt azállapotegyenletek megfelelő határok közötti integrálja szolgáltatja,általánosságban ez a tömegegység

( )∆h c T Tv v

= − + −

p 2 1

22

12

2 2

entalpiaváltozásával egyenlő. A ténylegesen szükséges teljesítményszámításához az összefüggésből adódó értéket növelni kell a hűtésútján elvont hővel és a kompresszor veszteségeivel. A jól illesztettkompresszorok hatásfoka 80..90 %, de ez érzékenyen függ amunkapont helyétől.

A dugattyús kompresszorok hengerhűtésével, a turbókompresszorokfelületi hűtésével a hőnek csupán 10..20 %-át lehet elvonni. Ezérttöbb fokozatra bontják a kompresszorokat és közbenső hűtést, illetvea teljes kompresszió után utóhűtést alkalmaznak. Stabilis gépeknélvízhűtés, mobilis berendezéseknél többnyire léghűtés a jellemző. Ahűtővízben távozó hulladékhő hasznosítása különösen nagy szállításivolumennél és nagy sűrítési foknál az eredő energetikai hatásfokjavításának fontos lehetősége. A hűtés intenzitása az előzőek szerintvisszahat az energiaigényre is, amit a hűtővíz bemenő hőmérséklete isbefolyásol. A nyári meleg például a magasabb hőfokú hűtővíz révénmegnövelheti a kompresszor hajtásához szükséges teljesítményt.Légkompresszoroknál ezt még tovább növeli a levegőben maradónagyobb légnedvesség, ami a kompresszor további fokozataibanlecsapódva hőt ad át és a szállítási térfogatot is csökkenti.

A gáznyomás csökkentésére szolgáló vákuumszivattyúk lényegébenszintén kompresszorok, azzal az eltéréssel, hogy kis nyomású térből

184

komprimálják a gázt légköri nyomásra, e közben a kis nyomásútérből elszállítják az anyagot.

A komprimált levegőt energiaforrásként is használják. A gázoknyomását legtöbbször szabad löketű dugattyúk segítségével alakítjákát mechanikai munkává. E légnyomásos motorok általában 6..l0 bar-nál nagyobb nyomást nem igényelnek. Különösen ott indokolt ahasználatuk, ahol hirtelen lökés vagy ütésszerű hatás kifejtése azigény (kovácspöröly, cölöpverő, szegecselőkalapács, fúvó-, réselő- ésvésőgépek). A kisebb 0,2..3 kW teljesítményű, gyors működésűszerszámok rendszerint csak a levegő tolóhatását hasznosítják, azexpanziós munkát nem. A gyors expanzió miatt ugyanis a levegőexpanziós görbéje lényegesen eltér az ideális gázokétól és annyiralehűl, hogy az abban levő nedvességtartalom kicsapódva üzemzavartokozó jég vagy hó formájában megfagy. Ez az üzemmód azonbanrossz, l0..15 %-os hatásfokkal jár, mivel a bevezetett kompressziósmunka nagy része nem hasznosul. Ezért a komprimált levegő drágaenergiaforrás, a költségek csökkentése és az energiatakarékosságegyaránt a lehetséges legkisebb nyomás alkalmazását indokolja. Apneumatikus szerszámok könnyen kezelhető, üzembiztos eszközök,melyek balesetvédelmi szempontból is előnyösek (pl. tűzveszélyesmunkahelyeken, robbanásveszélyes bányákban). Bányamozdonyokatis hajtanak pneumatikus motorokkal (150..200 bar nyomásútárolótartályokból kiszolgált 10..30 bar nyomású munkahengerekkel),továbbá bányavitlákat.

A pneumatikus, valamint hidro-pneumatikus erőátviteltalkalmazzák testek mozgatására, továbbítására is, pl. kapcsolókgyors működtetésére, automatákban a munkadarabok mozgatására,szervoberendezések vezérlésére. Terjednek a pneumatikus eszközök afinommechanikában összetett műveletek távműködtetésére (automataszerszámgépek, manipulátorok) a szerelő-berendezésekben, mivelegyszerű és igénytelen elemeket tartalmaznak. Az anyagmozgatáshozmind a gázok kinetikus, mind nyomási energiáját felhasználják. Akinetikus energia biztosítja a szemes anyagok, porok pneumatikusszállítását, a fluidizált rendszerek üzemét, ezen alapul a csőposta és avitorlázó repülés. A természetes eredetű felhajtóerőnek alárendeltszerepe van a repülés technikájában (vitorlázó repülőgép, ballonok), ahajtóműves repülőgépekre ható felhajtóerőt az áramlás okoztanyomáskülönbség hozza létre. A légpárnás járművek ésszállítóeszközök a jármű alá besajtolt légrétegen lebegnek, hajóknál aközegellenállás, szárazföldi járműveknél a súrlódás lényegescsökkenése mérsékli a szállítási munkát viszont a légpárnafenntartása is jelentős energiát igényel.

Közegek eredő sűrűségét gáz bekeverésével csökkenteni lehet, ami afelhajtóerőt növeli. Így a besajtolt gáz nyomási energiáját emelő

185

munkára lehet konvertálni, ezen alapul a mamutszivattyúkműködése vagy a gázliftes kőolaj-kitermelés. A kiterjedve szabadsugárban kiáramló gáz nagy mozgásmennyiséggel rendelkezik, ha akezdeti állapotban az entalpia nagy. Az így fellépő tolóerő biztosítja asugárhajtóműves repülőgépek és a rakéták hajtását.

Az energiaracionalizálás figyelmet érdemlő lehetősége anyomásredukáló turbina. Alkalmazását a nagyolvasztóból kilépőtorokgáznál már említettük, de számításba jöhet földgázvezetéknél,ahol a nyomást csökkenteni kell (pl. a tárolók előtt), sőt olaj- ésvízvezetékeknél is. A nagy teljesítményű (MW nagyságrendű)nyomásredukáló turbinákkal villamos energiát lehet termelni, vagykompresszort hajtani, a kis teljesítményű berendezések (l0..100 kW)hőszivattyú hajtására alkalmasak.

4.1.2.3. HŐERŐGÉPEK

A mechanikai munka legnagyobb hányadát hőerőgépek szolgáltatják.A hőt többféle módon lehet mechanikai munkává átalakítani,legnagyobb jelentősége a gáznemű munkaközegek expanziójának van.A gázok belső energiájuk rovására expandálni képesek, miközbentérfogatuk növekedésével vagy megnövelt mozgási energiájukkalfelületeket mozdítanak el. Ezt leghatékonyabban úgy lehetmegvalósítani, hogy a munkaközeggel hőkörfolyamatot végeztetnek. Akörfolyamat lehet nyílt, ebben a munkaközeggel hőt közölnek, majdexpandáltatják, ezt követően a munkát végzett közeget kibocsátják alégkörbe és a további folyamatok abban játszódnak le spontánmódon. Nyilvánvaló, hogy a nyílt körfolyamatban az expanziót csak akörnyezet 1 bar körüli nyomásáig lehet lefolytatni, ellenkező esetbena munkaközeg nem tud kiáramlani. A zárt körfolyamatban jóvalkisebb nyomásig tud a munkaközeg expandálni, ami jobb hatásfokoteredményez, ennek viszont az az ellentétele, hogy a munkavégzésután hőelvonás és munka befektetés árán kell a munkaközeget akiinduló állapotba visszajuttatni.

186

T

s

1 2

34

T

T

1

2

Q1

Q2

24. ábra. Carnot-körfolyamat

A hőközlés és hőelvonás módjától, az állapotváltozásokkörülményeitől függően sokféle körfolyamat lehetséges, alegfontosabb típusokat a 24. ábra..29. ábra mutatja. Megjegyzendő,hogy ezek az ábrák idealizált viszonyokra vonatkoznak. A valóságoskörfolyamatok minden fázisát és a munkaközegek továbbításátveszteségek terhelik, ami az ábrákat is módosítja. A körbezárt területcsökken, az egyes fázisokat leíró görbék deformálódnak, például afüggőleges adiabaták helyét a T–s síkon növekvő entrópiájú homorúgörbék veszik át.

Adott hőfokhatárok között a legjobb hatásfoka a Carnot-körfolyamatnak van (24. ábra). A Carnot-körfolyamat első fázisaizotermikus hőközlés T1 hőmérsékleten (1-2), ezt tökéleteshőszigetelés mellett lezajló adiabatikus expanzió követi, ami amunkavégzés szakasza, a következő fázis izotermikus hőelvonás T2

hőmérsékleten (3-4), majd a munkaközeg adiabatikus kompresszióvaljut vissza a kiinduló állapotba (4-l). A körfolyamat által bezárt 1-2-3-4-1 terület a végzett munka, a bevezetett Q1 hő az 1-2 szakasz alattiterület, az elvont Q2 hő a 3-4 szakasz alatti terület, a végzett munka akettő különbsége. A hatásfok:

η =−

= −Q Q

Q

T

T1 2

1

2

11 .

Az ábrából szemléletesen kiviláglik, hogy nagyobb mechanikaimunkát szolgáltató körfolyamatot a T1 és T2 hőmérséklethatárokközött nem lehet elképzelni. Az elkerülhetetlen veszteségek és a

187

munkaközegek fizikai tulajdonságai miatt a valóságban csak aCarnot-folyamatnál rosszabb hatásfokú körfolyamatokat lehetmegvalósítani. A tényleges körfolyamatokat csak a konkrétmunkaközegek figyelembevételével lehet tárgyalni, miután a reálisgázok állapotgörbéi eltérnek az ideális gázétól, a gőzöknél pedig ahalmazállapot-változások határpontjait a fázis diagramok mutatjákmeg.

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

T

s, kJ/(kgK

°C

T2 1

2

34

5

6p2

p1Tf

T1

25. ábra. Rankine-körfolyamat

A legfontosabb munkaközeg a vízgőz, ezzel lehet a legnagyobbteljesítményű erőgépeket megvalósítani. A dugattyús gőzgépekmegjelenése a XVIII. században döntő lökést adott az ipari forradalomkibontakozásának. megteremtve a gépek működtetéséhez szükségeshajtóerőt és a termelékenység ugrásszerű növelésének lehetőségét. Eznemcsak a technika fejlődésében volt forradalmi lépés, hanemjelentős kihatása volt a társadalmi viszonyok fejlődésére is. A gőzgépgyorsan teret hódított, bányákban vízszivattyúzásra, városivízvezetékek működtetésére, textil- és gépgyárakban, malmokban agépek hajtására, kohókban a fújtatók működtetésére. Idővel a gőzgépaz ipari üzemeknek szinte kizárólagos erőgépévé vált, majd a gőzhajóés a gőzmozdony bevezetésével a közlekedést is átformálta, sőt alokomobilok révén a mezőgazdaságban is megjelent. A fejlődés ütemétérzékelteti, hogy a világban üzemelő gőzgépek összesítettteljesítménye a XVIII. században nulláról 104 kW-ra (l0 MW!),majd aXIX. században 108 kW-ra (100 GW) nőtt, vagyis évszázadonként 4nagyságrendes, viharos tempójú fejlődés zajlott le (a növekedés ütemekét évszázadon keresztül évi 10 % körül mozgott).

Az első atmoszferikus gőzgépek még nyílt körfolyamatot valósítottakmeg, Watt a kondenzátor feltalálásával a zárt körfolyamatra tért át.

188

Mai szemmel az első gőzgép 1..2 %-os hatásfoka és néhány kW-osteljesítménye meglehetősen szerény, de ez mit sem von lekorszakalkotó jelentőségükből. Szerkezetük fokozatos tökéletesítése ahatásfok javulását és a teljesítmény növekedését eredményezte,századunk elején már 100 MW-os bonyolult gőzgépóriások is épültek.Ez azonban már a dugattyús gőzgép pályafutásának csúcsátjelentette, mert helyét át kellett adnia korszerűbb, a technikaigényeihez jobban illeszkedő erőgépeknek.

Dugattyús gőzgépeket ma már csak elvétve használnak, selejtezésreváró gőzmozdonyokban és gőzhajókban, vagy alacsony fordulatszámúgépek hajtására hulladékgőzzel. A gőzgép egy kései utóda a nagyfordulatszámú gőzmotor, melynek vezérlése a belsőégésű motorokhozhasonló. Főleg hulladékgőz hasznosításánál jöhet szóba, bár vannakjavaslatok használatára a gépkocsiközlekedésben is, akörnyezetszennyezés csökkentése érdekében, e javaslatok mögöttazonban tényleges fejlesztési szándék kevéssé érzékelhető. Nagy erőtigénylő melegalakító eljárásoknál hasznosítják a gőz expanziójátdugattyúk mozgatására, pl. gőzkalapácsok, kovácsoló szerszámokesetében, az ilyen gépekben a frissgőz-nyomás felső határa 8..12 bar.

A dugattyús gőzgépek szerepét a közvetlenül forgó mozgástszolgáltató lényegesen jobb hatásfokú gőzturbinák vették át. Ezekalkalmazási köre azonban lényegesen szűkebb, mint a gőzgépé volt.Közvetlenül meghajtó erőgépként főleg nagyon nagy teljesítménytigénylő berendezéseknél használják, például nagy tengeri hajókhajtóműveinek, vegyiművek nagy kompresszorainak vagy erőművinagy blokkok tápszivattyúinak hajtására és esetenként a gőzáramlásához kapcsolódó kisebb berendezések (szivattyúk,ventillátorok) működtetésére. Fő alkalmazási területük az erőművekvillamos generátorainak hajtása. Az erőművi turbinák a legnagyobberőgépek, üzemben vannak 2 GW-os egységek.

A gőzturbinák a gőz entalpiaváltozását alakítják át mozgásienergiává. A gőzáram sebességét és irányát az állórészben kialakítottvezetőcsatornák (álló lapátozás) és a forgórész lapátjainak alakjaszabja meg. Attól függően, hogy a forgórész lapátsorában csak a gőzmozgási energiája változik-e meg állandó nyomás mellett vagy pedig anyomás is csökken, megkülönböztetnek akciós és reakciós turbinát.A nagy turbinák sok lapátsort tartalmazó fokozatokból állnak, melyekközött akciós és reakciós fokozatok egyaránt lehetségesek. Ha azexpanzió nagyarányú (a p1 és p2 nyomás különbsége nagy), a turbináttöbb házra bontják, hogy a hosszú forgórészt több helyen lehessenalátámasztani. Az utolsó lapátsorok mechanikai igénybevételekorlátozza a megvalósítható lapáthosszat, ezért nagy gőzmennyiségnél(600..800 m3/s felett) többszörös kiömlést alkalmaznak. Ezmegoldható úgy, hogy a kis nyomású házba középen belépő gőz két

189

irányba távozik a ház végén, nagy teljesítménynél viszont a gőzáramotmár meg kell osztani több kis nyomású ház között.

A gőzturbinás hőerőműveket többnyire a 25. ábra által mutatottRankine-körfolyamat jellemzi. A körfolyamatot a folytonos vonallalrajzolt 1-6 sokszög, a víz fázisait szétválasztó határgörbét a szaggatottgörbe mutatja. A T2 hőmérsékletű hideg vizet tápszivattyú nyomja akazánba, nyomása p2-ről p1-re nő (az 1-2 szakasz, aránytalanulnagyra rajzolva), majd a víz állandó p1 nyomáson felmelegszik a T1

forráspontig (2-3). Ezen a hőmérsékleten és p1 nyomáson a vízelgőzölög (3-4), a telített gőzt elvezetik és további hőbevezetéssel mégmindig p1 nyomáson túlhevítik a T1 hőmérsékletre (4--5). Ezt követiaz expanzió a turbinában (5-6), mialatt a gőz hőmérséklete T1-röl T2-re, nyomása p1-ről p2-re csökken. A munkát végzett gőzt p2 nyomásonhütésse1 cseppfolyósítják (6-1), majd a körfolyamat megismétlődik. Amunkaközeggel hőközlés a 2-3-4-5 szakaszon történik, hőelvonáspedig a 6-l szakaszon. A kinyerhető mechanikai munka a körfolyamatáltal bezárt 1-2-3-4-5-6-l terület, a bevezetett hő a 2-3-4-5 szakaszalatti teljes terület a koordinátatengelyig, a hatásfok e két energiahányadosa.

A 24. ábra és 25. ábra összevetéséből kitűnik, hogy a Rankine-körfolyamat hatásfoka lényegesen elmarad a Carnot-körfolyamatétól,a műszaki fejlesztés fő iránya e különbség csökkentésére irányult. Az1960-as évekig e célkitűzést sikerült is teljesíteni a felső hőmérsékletés nyomás fokozatos növelésével, míg el nem érték az 565..570 °C-oshőmérséklethatárt. Ennél magasabb hőmérsékletre a szokásosszénacélok helyett meglehetősen drága ausztenitos acélokból kell aszerkezeti elemeket készíteni.

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9

T

s, kJ/(kgK

°C

T2p2

p1

T1

26. ábra. Szuperkritikus körfolyamat

190

Az alkalmazott felső nyomás tekintetében két irányzat alakult ki. Azelső – főleg európai – gyakorlat nem alkalmaz 170..180 bar-nálnagyobb nyomást, az elgőzölgés a 25. ábra szerint bemutatott módonzajlik le a vízgőz kritikus pontja alatti tartományban majd a végsőhőmérsékletet a gőz túlhevítésével érik el. E szubkritikusrendszerekkel sok évtizedes tapasztalatok állnak rendelkezésre, aberendezések kiforrottak, a teljesítmény szabályozása egyszerű. Aszubkritikus rendszerek kényesek a kétféle halmazállapotú vízkeringési viszonyaira, a cirkuláció zavarai termikus túlterhelődésmiatt meghibásodást okoznak. Elsősorban ez váltotta ki a másikgyakorlatot, mely a 300 MW-nál nagyobb teljesítményű blokkoknál240..270 bar nyomást használ. E nyomáson a víz állapotjellemzői akritikus pont felett vannak, a forrás folytonos átmenetet jelent a kéthalmazállapot között, és a munkaközeg magas hőmérsékleten nemgőzként, hanem gázként viselkedik. A körfolyamatból eltűnik a 3-4vízszintes szakasz, a felső határgörbe egy hiperbolikus izobár(26. ábra). E szuperkritikus rendszerek hatásfoka valamivel jobb, deezt kényszeráramoltatással kell megfizetni és a szabályozás is jóvalbonyolultabb. Létesült 350 bar-os rendszer is, e nagy nyomásazonban nem jár számottevő előnnyel, ezért 240..260 bar-nálnagyobb nyomás alkalmazását nem tervezik. A szub- ésszuperkritikus rendszerek egyelőre szilárdan tartják eredetipozíciókat, de az egységteljesítmény állandó növekedése inkább azutóbbi irányzat térhódítása felé mutat. Az energiahelyzet változásamiatt a fosszilis tüzelőanyagokkal működő erőművektől nagyobbmanőverező képességet kívánnak, ez viszont a szubkrtitikusrendszerek pozícióját erősíti.

0

100

200

300

400

500

600

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

p2

p1

pk

1

2

34

5

6*

6

7

8

T

°C

s, kJ/(kgK)

27. ábra. Újrahevítéses körfolyamat

191

A Rankine-körfolyamat elemzéséből kitűnik, hogy milyen lehetőségeivannak a hatásfok növelésének. Az egyik út a T1 hőmérsékletnövelése, aminek az anyagtechnológiai korlátok szabnak határt, amásik a T2 hőmérséklet csökkentése, amelynek viszont akörnyezetből nyert hűtőközeg (levegő, víz) hőmérséklete szab határt. Anyomásnövelésnek is van felső korlátja. A 25. ábra alapján látható,hogy a hatásfok javul ha a munkaközeg a hő minél nagyobbhányadát magas hőmérsékleten veszi fel. Ennek javítására egyiklehetőség a közbenső újrahevítés. A turbinák megfelelő kialakításávalmegoldható, hogy a pk nyomásig expandált gőzt visszavezessék akazánba, ahol ismételten túlhevítik, majd visszavezetik a turbinába(27. ábra). A jövő fejlesztési iránya az összetettebb körfolyamatok felémutat (pl. többszörös újrahevítés). A belátható jövőn belül agőzkörfolyamatokkal elérhető hatásfok a 45..50 % körüli értéket iselérheti.

A gázturbinák munkaközege lehet levegő, füstgáz vagy bármilyenmás, magas hőmérsékleten stabilis gáz. A nedves és telített gőzöknyomása és hőmérséklete a forrásviszonyok által megszabottkényszerkapcsolatban van, ami korlátozza a körfolyamat határainakmegválasztását. A gázkörfolyamat előnye, hogy az állapotjellemzőketegymástól függetlenül lehet megválasztani, a magas hőmérsékletheznem szükséges túl nagy nyomás, az expanziót nem kell nagyon kisnyomásig folytatni. A gázturbinák beömlő nyomása általában 20 baralatt van, a kiömlő nyomás pedig 1 bar feletti érték.

p2p1

T

s

1 2

3

4

Q2

Q1

a)

192

p2p1

T

s

1 2

34

Q 2

Q 1

b)

p2p1

T

s

1

23

4

Q2

Q1

5

6

c)

28. ábra. Gázkörfolyamatok

Egy – például levegővel lefolytatható – ideális gázkörfolyamatotmutat a 28. ábra (a), a hőbevezetés izotermikus expanzió közben (1-2),a hőelvonás izotermikus kompresszió közben (3-4) történik, azállandó nyomású expandált gáz folyamatosan melegíti fel (2-3) akomprimált gázt (4-l). Kimutatható, hogy egy ilyen körfolyamathatásfoka megegyezne a Carnot-hatásfokkal, de sajnos nem lehetmegvalósítani. Bonyolult berendezéssel csupán a 28. ábra (b) szerintimódon lehetne megközelíteni, melynél több fokozatban az expanzióalatt közbenső hevítés, a kompresszió alatt közbenső visszahűtés vanaz izotermikus viszonyok megközelítése érdekében. Ilyen bonyolultgázturbina azonban nem lenne gazdaságos, a ma használatosrendszereket a 28. ábra (c) körfolyamata jellemzi (Brayton- vagyHumprey-körfolyamat). A gázt komprimálják (1-2), a fáradt gázzalesetleg előmelegítik (2-3) a hatásfok javítására, az égőtérbentüzelőanyag elégetésével bevezetik a hőt (3-4), a levegő-füstgázkeverék expandál (4-5), majd a légkörbe távozik, meglehetősen nagy

193

Q2 hőtartalommal. E veszteség csökkentésére a távozó gáz útjábahőcserélőt lehet beiktatni, amiben vizet melegítenek fel, vagy gőztfejlesztenek, amit gőzkörfolyamat hasznosítanak.

A jelenlegi stabilis gázturbinák belépő hőmérséklete legfeljebb 1200-1300 °C, de a lényegesen hosszabb élettartamra tervezett turbináknálennél valamivel kevesebb. lényegesen lassabb fejlődésteredményezett.

A gázturbinás erőművek felépítése lényegesen egyszerűbb, mint agőzturbinásoké, hiszen elmarad a teljes víz-gőz rendszer, valamint ahűtés. Az olcsóbb beruházásnak (és a lényegesen rövidebb építésiidőnek) azonban a magasabb tüzelőanyag-költség az. A repülőgépgázturbinák tüzelőanyaga petróleumfrakció (kerozin), a stabilgázturbinák földgázzal, kohógázzal, a petróleumhoz közelállógázolajfrakcióval üzemeltethetők.

A belsőégésű motorok a hőerőgépek legelterjedtebb típusai. Ahőközlés magában a munkatérben történik, miközben a beszívottlevegőben a tüzelőanyag elég, a munkaközeg az égéstermék. Edugattyús motorokban nyílt körfolyamat játszódik te, a munkátvégzett füstgáz komoly légszennyezést okozva a környezetbe áramlikki. A jellemző körfolyamatokat az 29. ábra mutatja, nyomás-térfogatkoordináta-rendszerben. Az Otto-körfolyamatban (29. ábra (a)) alevegő-benzin keveréket kompresszió (1-2) után villamos szikragyújtja meg, ugrásszerű nyomásnövekedés következik beadiabatikusan (2-3), lejátszódik az expanzió (3-4), majd a füstgázkipufog (4-1). A Diesel-körfolyamatban (29. ábra (b)) a kompresszió (1-2) után a levegőbe állandó nyomáson juttatják be a gázolajat (2-3),amíg öngyulladás nem következik be, ami az expanzióra (3-4) vezet,majd a füstgáz kipufog (4-1). A valóságos körfolyamat mindkétmotortípusnál eltér az elméletitől, egyrészt az ideálistól eltérőállapotfüggvények miatt, másrészt a gyulladási és robbanásiviszonyok optimalizálása más időzítést igényel, például a 29. ábra (c)szerint.

194

v

p

Q1

Q2

1

2

3

4

v

p Q1

Q2

1

2 3

4

a) Otto-körfolyamat b) Diesel-körfolyamat

v

p Q1

Q2

1

2

3 4

*

Q1

5

c) módosított belsőégésű körfolyamat

29. ábra. Belsőégésű motorok körfolyamatai

A benzin (Otto)-motor könnyű, gyorsan és rugalmasanszabályozható nagy fordulatszámú erőgép. Főleg a kis önsúlyújárművek (személygépkocsi, motorkerékpár, kis raksúlyútehergépkocsi, motorcsónak) és a kisebb mobil munkagépek(szivattyúk, kompresszorok, anyagmozgató-berendezések,mezőgazdasági és építőipari munkagépek) célszerű erőgépe. A repülésterületéről a gázturbina jóformán kiszorította. Igénytelenebbfeladatokra kétütemű, egyébként négyütemű kivitelben készül. Acsak kis teljesítményre alkalmas kétütemű motornál elmaradnak aközegek áramlását szabályozó szelepek és a szelepeket működtetővezérlőrendszer; a be- és kiömlést maga a dugattyú szabályozza. Azegyszerű konstrukciónak tökéletlenebb égés az ára, ami l5..25 %-kalmagasabb fajlagos üzemanyag-fogyasztással és sokkal nagyobbkörnyezetszennyezéssel jár, mint a négyütemű megoldás. Ezért akétütemű motorok kiszorulóban vannak a használatból. A motorok

195

üzemanyaga alapvetően benzin, de kivételesen benzol, petróleum,alkohol vagy magas fűtőértékű gáz is szóba jöhet. Legfőbb hátrányaaz alacsony energetikai hatásfok, ami optimális terhelésnél 25 %körül mozog, attól eltérő terhelésnél viszont lényegesen kisebb. Abevezetett energiának átlagosan 20..26 %-a fordítódik mechanikaimunkavégzésre, 20..33 %-a a hűtőközegben távozik, 25..35 %-a akipufogógázban, a tökéletlen égés 15 %-ig terjedő veszteséget okoz ésaz egyéb veszteségek (sugárzás, áramlási veszteségek stb.) 10..25 %-ot tesznek ki. A könnyű szerkezet megtartása mellett a hatásfokszámottevő javítására kevés a kilátás. Ennek ellenére egyelőreversenytárs nélkül áll, mert az 500 W/kg körüli fajlagosteljesítményét más erőgépekkel még meg sem tudják közelíteni. AzOtto-motorral még a benzinnél sokkal kisebb fűtőértékűüzemanyagokkal (pl. földgáz, kőolajkísérő gáz) is 300 W/kg-ot lehetbiztosítani.

A négyütemű benzinmotor időben egyenlőtlen teljesítményét több –időben eltolt ütemű – henger használatával teszik egyenletesebbé.Egy időben nagy reményeket fűztek a forgó dugattyús Wankel-motorhoz, ami egyenletesebb mechanikai teljesítményt szolgáltat. Edrágább, bonyolultabb szerkezet hatásfoka azonban a tapasztalatokszerint elmarad a hagyományos megoldás mögött éskörnyezetszennyező hatása sem kisebb. Ezért a Wankel-motornaksem gazdasági, sem energetikai szempontból nem ígérnek nagy jövőt.

Fejlesztés alatt áll a réteges feltöltésű motor, mely főlegrészterhelésnél az üzemanyag és égéslevegő finomabb adagolásával(esetleg több égéstér vagy égőkamra kialakításával) tökéletesebbkeveredést és égést biztosít. Főleg részterhelésnél kívánják így ahatásfokot javítani.

A Diesel-motor robusztusabb kivitelű, kevésbé rugalmas, deenergetikailag hatékonyabb erőgép. A fokozatos tüzelőanyag-betáplálás és a nagy nyomás (30..40 bar) ugyanis lassabb éstökéletesebb égést biztosít. Nagy súlya miatt csak nagy önsúlyújárműveknél (nagy teherautók, autóbuszok, vasúti mozdonyok,hajók), helyhez kötött hajtásoknál és nagy teljesítményűmunkagépeknél előnyös a használata. Gazdaságosabb üzeme miattnagyobb személygépkocsikban is alkalmazzák, de ez rosszabbmenettulajdonságokkal jár együtt. Míg Otto-motorok legfeljebbnéhány 100 kW teljesítményig készülnek, Diesel-motorokkal többMW-os teljesítmény is elérhető, így nagy teljesítményre kizárólagos ahasználatuk. Üzemanyaga elsődlegesen gázolaj, néha kátrányolaj,készülnek Diesel-üzemű gázmotorok is sokféle éghető gázra (földgáz,kohógáz, városi gáz, generátorgáz stb.). A kisebb Diesel-motorokoptimális hatásfoka 35 % körül mozog, a nagyoké 40..45 %, ahatásfok szintén erősen függ a terheléstől, de részterhelésnél

196

lényegesen jobb, mint a benzinmotoroké. Hőmérlegükben átlagosan20..40 % fedezi a mechanikai munkát, 20..32 % távozik a hűtéssel,20..29 % a kipufogógázzal, a tökéletlen égés 15 %-ig terjedőveszteséget okoz, az egyéb veszteségek aránya l4..15 %. Nagymotoroknál a hatásfok javítására jóformán általánossá vált a feltöltésalkalmazása, villamos motorral vagy a kipufogógázzal hajtott turbinasegítségével kompresszort hajtanak meg, az túlnyomással juttatja alevegőt a munkahengerbe, a természetes szívást meghaladó levegőmennyiség tökéletesebb égést és nagyobb hasznos teljesítményteredményez. A Diesel-motorok hatásfokának lényeges növelését aszerkezeti anyagok adottságai korlátozzák.

A Diesel-motorok fajlagos teljesítménye csak 250..350 W/kg, amilényegesen elmarad a benzinmotoroké mögött, ezért a Diesel-motoroknehezebbek, nagyobbak és drágábbak. A lényegesen jobb hatásfokviszont energetikai szempontból a Diesel-motorok szélesebb körűhasználatát teszi kívánatossá. Ugyanezt támasztja alá a benzin-gázolaj arány mérséklésériek szükségessége a fehéráru mérlegben.Intenzív munka folyik a fajlagos teljesítmény növelésére és agazdaságilag versenyképesebb megoldások kifejlesztésére, egyelőreazonban kevés eredménnyel. Egyes fejlett ipari országokban e kutató-fejlesztő munka jelentős állami támogatást is élvez.

20. táblázatOptimális hatásfok, %

Diesel-motorlassú járású, nagy teljesítményű 42nehéz járműhajtó 37könnyű járműhajtó 32

Benzinmotornehéz járműhajtó 32nehéz motor befecskendezéssel 35közepes járműhajtó 27kétütemű kis motor 23

A 20. táblázat összehasonlításul az átlagos konstrukciójú belsőégésű motorok optimális hatásfokát tekinti át teljes terhelésnél. Azenergetikai hatékonyság mellett a növekvő motorizáció miatt egyrenagyobb súllyal esik latba az erőgépek megítélésénél akörnyezetszennyezés. A két motortípus összehasonlítására alegkellemetlenebb CO-szennyeződés mértékét mutatjuk (21. táblázat),ami szintén a Diesel-motor javára billenti a mérleget.

21. táblázatCO a kipufogógázban, %

benzinmotor Diesel-motorÜresjáratban 9..10 0,2Kis terhelésen 3,5 0,1Névleges terhelésen 0,2..1,4 0,05

A maximális hőmérséklet benzinmotorban 2200..2700 °C, Diesel-motorban 2000 °C, az átlagos gázhőmérséklet pedig benzinmotornál

197

400..850 °C, Diesel-motornál 300..600 °C. A szerkezeti anyagokmechanikai szilárdságának, valamint a kenőanyagokkenőképességének biztosítása hűtést igényel, szikragyújtásúmotoroknál ez még az öngyulladás elkerülése miatt is szükséges. Kisteljesítményű motoroknál léghűtést is alkalmaznak, általánosabbazonban a vízhűtés, melynél a felmelegedett víz hőcserélőn keresztüladja le a felvett hőt a levegőnek. Járműveknél a hűtőközegben és akipufogó gázban távozó hő – ami a bevezetett energiának 40..70 %-a –általában elvész. Azt legfeljebb a jármű fűtésére lehet felhasználni, eza hőigény viszont ritkán haladja meg a felhasznált energia 15..20 %-át. Stabilis gépeknél e hulladékhő hasznosítása viszont lehetőségetkínál az energiafelhasználás racionalizálásra. A belsőégésű motorokhatásfokának számottevő javulását várják a mikroprocesszorosszabályozástól, mely az üzemanyag-adagolást és a gyújtást aterheléstől függően, továbbá más funkciókat (pl. járműveknél afékezést) optimális módon vezérli.

A belsőégésű motoroknál a környezetszennyezésnek és részben azalacsony hatásfoknak is a gyorsan lezajló tökéletlen égés az oka.Helyettesítésükre olyan megoldásokat keresnek, melyben stacioner, jóhatásfokú égés zajlik le a munkatéren kívül. Ennek egyik lehetősége agázturbina, a másik a Stirling-motor.

A Stirling-motorban zárt körfolyamat játszódik le a 29. ábra (a)szerinti lefolyással. Munkaközege lehet meleg levegő (hőlégmotor),vízgőz (gőzmotor), hidrogén vagy valamilyen alacsony forrpontú gőz.Előnyös tulajdonságai alapján a hidrogént tartják alegígéretesebbnek. A Stirling-motorokban a munkaközeget amunkahengeren kívül folyamatosan hevítik, majd azt egyvezérlőberendezés a munkadugattyú fölé vezeti. A hőveszteségekcsökkentésére a felmelegítésnek és a bevezetésnek gyorsan kelllezajlani. Az expandált munkaközeget a vezérlőberendezés elvezeti ahűtőbe. A Stirling-motortól 50..70 %-os tüzelőanyag-megtakarítástremélnek a benzinmotorhoz képest, de ehhez magaskezdőparaméterek szükségesek, pl. 180 bar-ról és 750 °C-ról kell1..2 bar-ra és 65 °C-ra expandálni a munkaközegnek. A motorintenzív hűtést igényel, mert az abban fejlődő veszteségekelvezetésének ez az egyetlen útja. A munkaközeg felmelegítését éslehűtését biztosító hőcserélők helyigényesek és költségesek. Ahatásfok javításához rekuperatív hőcserélő is szükséges az állandótérfogaton lejátszódó nyomásváltozással járó munkafázisokhoz.Mindezek következtében súlya egy azonos teljesítményű Diesel-motorkétszerese.

A Stirling-motor munkaközegének felmelegítésére nemcsak tüzelésjöhet számításba, hanem bármely más elég magas hőmérsékletűhőforrás. Az eddig ismertetett Stirling-motor konstrukciók bonyolult

198

és költséges szerkezetek. Külön problémát jelent a teljesítménynehézkes szabályozása. A Ford gyár elképzelései szerint gyártásraalkalmas konstrukció kifejlesztése egy évtizedes kutató-fejlesztőmunkát igényel, akkor dönthető el, hogy gazdaságilag versenyképes-ea benzinmotorral. Ennek kilátásai egyelőre nem biztatóak.

Időnként javasolják a vízzel működő gőzmotor fejlesztését is. Ennekegyetlen előnye, hogy környezetszennyező hatása kicsi. Amegvalósítható alacsony felső hőmérséklet miatt hatásfoka optimálisterhelésnél is csupán 15 %. Fagypont alatt a motort melegíteni kell,nehogy a víz megfagyjon. Mindez a motor magas árával párosul.Érthető, hogy a gőzmotor fejlesztésére nem fordítanak komoly erőt,annak ellenére, hogy az irodalomban időnként a gépjárművek ígéreteserőgépeként említik.

A munkaközegek expanzióját az impulzus-erők révén is fel lehethasználni mechanikai hajtásra. A kiáramló nagysebességűfluidközegek tolóereje hajtja a sugárhajtású repülőgépeket, arakétákat, de néha még kisebb mechanikai eszközöket is (pl.öntözőberendezések szórófejét).

Fluid közegekben a hőmérséklet-különbség sűrűségkülönbségetokoz, amit a diffúzió igyekszik kiegyenlíteni. A természetben ezlégmozgásokat, tengeri áramlásokat eredményez, aminek a primerenergiaforrások között is van bizonyos szerepe. A technikában főlegaz így kialakuló felhajtóerőt aknázzák ki, gázoknál a kürtőhatás útján(pl. kémények, szellőztetők, hűtőtornyok), folyadékokban gravitációskeringetéssel (pl. gravitációs központi fűtés).

A szilárd anyagok hőkiterjedése energetikai szempontból érdektelenenergiaátalakítási lehetőség, legfeljebb kis készülékek működtetésérehasznosítják (pl. bimetall kapcsolók, hőkiterjedésen alapulóérzékelők).

4.1.2.4. VILLAMOS HAJTÁSOK

A villamosság segítségével többféle módon lehet erőhatásokatébreszteni, ami mechanikai munka végzésére hasznosítható. Alehetőségek közül a legnagyobb jelentősége a villamos motoroknakvan. A helyhez kötött hajtásoknál a villamos motoroknak szintekizárólagos szerepe van, ugyanez vonatkozik az olyan mobilberendezésekre, melyek könnyen csatlakoztathatók a villamoshálózathoz. Mozgó berendezésekben kémiai áramforrásokrólműködtetett motorokat is használnak (gépkocsi indítómotor,szervomotor stb.). A közlekedésben a villamos vezetékhez kötöttjárművek jelentős szerepet játszanak, a villamos hajtású gépkocsikfejlesztésével a fejlett ipari országokban intenzíven foglalkoznak.

199

A villamos motor megjelenése előtt az üzemekre a csoportos hajtásvolt jellemző, az üzem alapvető erőgépének – rendszerint gőzgépnek –a teljesítményét bonyolult közlőművek osztották el a hajtott gépekközött. A villamos motor lehetővé tette e rugalmatlan és komplikáltrendszer felváltását egyedi hajtásokkal, a munkagéphez illeszkedő,könnyen és finoman szabályozható hajtógép előfeltétele volt atömeggyártás kialakulásának, majd a termelési folyamatokautomatizálásának is. Az a lehetőség, hogy a hajtómotort magába amunkagépbe lehet beépíteni és a különféle funkciójú hajtásokategymástól függetleníteni lehet, átformálta magukat a munkagépeketis és hihetetlenül megnövelte a gépkonstruktőrök lehetőségeit. Avillamos hajtás a technikai fejlődés nagyon fontos emelőjévé vált. Enagy horderejű fejlemények mellett eltörpül az egyedi hajtásenergetikai előnye, ami abból tevődik össze, hogy a hajtás csak atényleges szükségesség idején üzemel, elesik a hajtóművek veszteségeés a központi erőgép rossz hatásfokú részterheléses üzeme.

A villamos motorok választékának bővülése, a szabályozásilehetőségek finomodása és a tömeggyártás révén elért alacsony árlehetővé tette, hogy a villamos hajtás a technika szinte mindenterületére behatoljon. Ma már kevés olyan műszaki berendezés van,melynek egy vagy több villamos motor ne lenne magától értetődőalkateleme. Villamos motorokat gyakorlatilag minden teljesítményrekészítenek a vezérléseket működtető néhány W-os szervomotoroktól alegnagyobb erőművek 10..20 MW-os tápszivattyú hajtómotorjáig.

A villamos motorok működése azon alapul, hogy egy mágneses térés egy áramátjárta vezető közötti kölcsönhatás erő formájábannyilvánul meg. Ha a rendszer valamelyik eleme az erő irányábanelmozdul, a rendszer mechanikai munkát végez. Egy l hosszúságúvezető I áramának irányára merőleges B mágneses indukció esetén azébredő erő nagysága

F = BIl

és iránya mind I-re, mind B-re merőleges. Az erő irányába mutató vsebességű mozgás

P = BIlv

teljesítményt szolgáltat, a képlet szemléletesen mutatja, hogy melyparaméterek változtatásával lehet a teljesítményt befolyásolni akár amotorkonstrukció kialakításánál, akár a motor üzemeltetésénél.Megjegyzendő, hogy az összefüggésben szereplő paraméterekközvetlen befolyásolásán túl a motort tápláló feszültség változtatása,mint közvetett lehetőség szintén rendelkezésre áll.

200

M

nn0

párhuzamossoros

vegyes

a) egyenáramú motorok

M

nn0

Mb

ellenáramúfékezés

motorosüzem

generátorosüzem

b) aszinkronmotor

30. ábra. Villamos motorok jelleggörbéi

A mágneses erőteret rendszerint elektromágneses gerjesztéssellétesítik, kis szervomotorokban állandó mágneseket használnak, amiegyszerűsíti a motorok szerkezetét. A permanens mágnesek fejlődésebővíteni fogja az állandó mágnesek alkalmazását elsősorban kisebbteljesítményű szinkronmotorokban. A mágneses erőtér és a vezetőketösszefogó tekercsek tengelyszimmetrikus kialakításával a fellépő erőkforgó mozgást hoznak létre, ami a klasszikus motorok működésénekfeltétele. Az erőtér más jellegű kiképzésével más típusú mozgást is előlehet idézni, pl. a lineáris motor haladó mozgást végez. A klasszikusvillamos motorok tulajdonságai lényegesen eltérőek a szerint, hogyegyenárammal vagy váltakozó árammal működnek.

201

Az egyenáramú gépekben a mágneses teret a ferromágnesesanyagból készített állórész (sztátor) létesíti. Abból a forgórészirányába megfelelően kialakított pólusok nyúlnak ki, ezekenhelyezkednek el a teret gerjesztő tekercsek. Az ezekben folyógerjesztőáram nagyságával lehet a mágneses erőtér intenzitásátszabályozni. Az egymás mellet fekvő pólusok ellentettenmágnesezettek (észak-dél), a mágneses fluxus a forgórészen keresztülzáródik, a pólusok száma mindig páros. Az üzemi áram a forgórészen(rotor) elhelyezett tekercsekben folyik, ez az armatúra. Az egyenáramúmotorok előnyös tulajdonsága, hogy az áramerősség változtatásávalfordulatszámuk könnyen és rugalmasan változtatható (atápfeszültség és a gerjesztőáram változtatása veszteséget sem okoz).Az egyenáramú motorok viselkedését nagymértékben megszabja, hogyáramkörileg az armatúratekercseléssel a gerjesztőtekercseket sorbavagy párhuzamosan kapcsolják-e, illetőleg a gerjesztőtekercsek egyrészét párhuzamosan és a többit sorba kötik-e. E kapcsolásoktólfüggően párhuzamos (sönt), soros (szeriesz) és vegyes gerjesztésűmotorokat különböztetnek meg, ezek jelleggörbéjét a 30. ábramutatja. A söntmotor fordulatszámát a terhelő nyomaték növekedésealig csökkenti, a motor fordulatszámtartó, de a jelleggörbét könnyűmódosítani. Főleg fix fordulatszámot igénylő hajtásra alkalmas, vagyahol egyszerű fordulatszám-szabályozásra van szükség (felvonók,szerszámgépek, szivattyúk, kompresszorok, textil-, papír- ésnyomdaipari gépek, szállítóberendezések, hengerművek). A sorosmotor inkább teljesítménytartó, kis sebességnél nagy indítónyomaték,valamint a terheléstől függő fordulatszám jellemzi, tipikusfelhasználási területe a vasút és az emelőberendezések. A villamosautók hajtását szintén soros motorokkal kívánják megoldani. Avegyes gerjesztés a két típus kombinációját valósítja meg, használjákpl. hengersorok, felvonók, hegyi vasutak, sajtológépek hajtására.Energetikai előnye, hogy fékezésnél a sönt motorhoz hasonlóanvisszatáplálásra is alkalmas, ami a soros motornál nem valósíthatómeg. Visszatáplálásnál a motor generátorként működik, amechanikai munkát villamos energiává alakítja át. A kisebbegyenáramú motorok hatásfoka 75..85 %, a nagyobbaké 85..95 %.

A váltakozó áram térhódítása fokozatosan háttérbe szorította azegyenáramú motorokat, az 50-es években úgy tűnt, hogy azok csaknéhány speciális alkalmazási területre szorulnak vissza. Gyökeresváltozást eredményezett az erősáramú elektronika fejlődése, amilehetővé tette a váltakozó áramú elosztóhálózatokról tápláltegyenáramú motorok használatát. Félvezetőkből kialakítottegyenirányító és vezérlő elemekkel rendkívül sokoldalú, rugalmas,veszteségmentesen szabályozható, a technológiai igényekhez simulóhajtásokat lehet kialakítani, ami az egyenáramú motorokalkalmazásának újabb fellendüléséhez vezetett. Az elektronikusan

202

vezérelt hajtások egyetlen hátránya, hogy felharmonikusokattermelnek (mivel az egyenirányító jelleggörbéje nem lineáris), ami avillamos hálózat üzemvitelében okoz növekvő nehézséget.

A nagyon változó teljesítményű és a fordulat tág határok közöttiváltoztatását igénylő nagyteljesítményű hajtásokat (hengerművek,bányák szállítóberendezései) gyakran Ward-Leonard-rendszerbenépítik ki. Ezeknél aszinkronmotor egyenáramú generátort hajt, ennekfeszültségét szabályozzák és így táplálják az egyenáramú hajtómotort.Valószínű, hogy az egyenirányítók a hajtásnak ezt a módját ki fogjákszorítani.

Az alkalmazott motorok legnagyobb része (mintegy 90 %-a)váltakozó árammal működik, táplálásuk és működésük szerintháromfázisú és egyfázisú, illetve aszinkron és szinkronmotorokatkülönböztetnek meg. Az egyes típusokon belül még további felosztásis szükséges a tekercselésen belüli áramurak kialakítása szerint, amilényegesen befolyásolja a motorok üzemi tulajdonságait. A 0,5 kW-nálnagyobb teljesítményre legnagyobb darabszámban háromfázisúaszinkronmotorokat (indukciós motor) gyártanak, ezek alegegyszerűbb és legolcsóbb villamos hajtógépek. Állórészébenháromfázisú villamos tekercselés forgó mágneses erőteret hoz létre,ami a forgórész vezetőiben többfázisú váltakozó áramot ébreszt. Aforgatónyomatékot ezen áramok és a mágneses tér kölcsönhatásalétesíti. A forgórész vezetői legtöbbször rövidre vannak zárva (rövidrezárt motor), az indítási viszonyok javítására és a fordulatszámszabályozására néha csúszógyűrűkön keresztül kivezetik ésváltoztatható ellenálláson keresztül zárják az áramkört (csúszógyűrűsmotor). Különleges célra (pl. centrifugák, nagy fordulatszámúventillátorok) nagy frekvenciával dolgozó, nagy fordulatszámúmotorok forgórészét tömör vasból készítik (örvényáram motor). Azaszinkronmotor csak a tápláló hálózat periódusszámávalmeghatározott szinkronfordulatszámtól eltérő fordulatszámon tudnyomatékot kifejteni, az üzemi és a szinkronfordulatszám relatívkülönbsége 3..6 %; a motor fordulatszámtartó. Az aszinkronmotoregyszerű szerkezete nagy üzembiztonságot és egyszerű kezelhetőségeteredményez.

Az aszinkronmotor jelleggörbéjét a 30. ábra (b) mutatja. Indítónyomatéka nagy, a stabilis üzemállapot az Mb billenőnyomaték(melynél nagyobb terhelőnyomaték esetén rövidzárási állapotban leáll)és az n0 szinkronfordulat közötti szakaszon van. Hátránya amotoroknak, hogy bekapcsolásuk nagy áramlökéssel jár, amitcsúszógyűrűs forgórésznél az ellenállás vá1toztatásáva1, rövidrezártmotoroknál a tápfeszültség változtatásával (fojtótekercs beiktatása,indítás transzformátorral, csillag-háromszög átkapcsolás) vagy aforgórészben járulékos vezetők elhelyezésével lehet mérsékelni. Az

203

aszinkronmotorok legfőbb hátránya, hogy fordulatszámukat csaknehézkesen és veszteséggel lehet szabályozni. A rövidrezárt forgórészűmotorok csak állandó fordulatszámra használhatók, a csúszógyűrűskivitelnél a szabályozhatóság alsó határa a szinkronfordulatszám40..60 %-a. Energetikailag a csúszógyűrűs megoldás nem előnyösl..1,5 %-kal rosszabb hatásfoka miatt. A hálózat szempontjábólkedvezőtlen, hogy meddőteljesítményt vesznek fel, a cos ϕ névlegesterhelésnél 0,85..0,9, de kis teljesítménynél erősen csökken.Tetszőleges terhelésre készíthetők, az erőművek nagy segédüzemimotorjai sok MW-osak. Az iparban a munkagépek nagy többségétháromfázisú aszinkronmotorok hajtják. Más motortípust csakkülönleges feladatra vagy finom fordulatszám-szabályozás érdekébenhasználnak. A motorok hatásfoka névleges terhelésnél 85..90 %, kisterhelésnél viszont rohamosan csökken. A csak egy fázisról táplálhatófogyasztók részére fejlesztették ki az egyfázisú indukciós motorokat.Ezek felépítése és tulajdonságai hasonlítanak az aszinkronmotoréhoz,de jellemzői rosszabbak, ezért csak elvétve használják. Indításukhozvagy időben eltolt mágneses teret létesítő segédfázisra van szükségvagy mechanikus indítási módot alkalmaznak.

A nagy teljesítményű aszinkronhajtásoknál a fordulatszám-szabályozás és a fázisjavítás érdekében régebben kaszkádkapcsolásokat alkalmaztak. Ezt a forgórész csúszógyűrűihözkapcsolódó segédgépekkel (egyenáramú vagy váltakozó áramúkommutátoros motorok) oldották meg, így változtatva azaszinkronmotor áramköri viszonyait. E bonyolult és költségesrendszereket a villamos hajtás más formái kiszorították.

A váltakozó áramú kommutátoros motorok forgórész-tekercselésétszintén váltakozó árammal táplálják, a kommutátor biztosítja, hogy arészekre bontott tekercselésnek csak egy részében folyjon áram. (Akommutátor a tengelyre erősített vezetőszegmensekből álló forgóhenger, ami szénkeféken keresztül kapcsolódik az áramkörhöz, aforgórész tekercsrészei a szegmensekhez kapcsolódnak.) Az állórészés forgórész különféle módon történő összekapcsolásával azegyenáramú gépekéhez hasonló jelleggörbéket lehet kialakítani. Aháromfázisú kommutátoros motorokat rugalmas és veszteségmentesszabályozást igénylő hajtásokban használják, az egyfázisúkommutátoros motor az egyfázisú fogyasztók (pl. háztartási gépek)elterjedt hajtógépe, de erős versenyben van a félvezetős egyenáramúhajtásokkal. A kommutáció a határozatlan érintkezés és ívképződésmiatt a gépek gyenge pontja, e nehézségek korlátozzák amegvalósítható teljesítményt. A problémák mérsékelhetők aperiódusszám csökkentésével, ezért építették ki régebben egyesországokban a vasutakat 16 2/3 Hz-re, ma már ez a megoldáskorszerűtlen.

204

A szinkronmotorok tulajdonképp motorüzemben működőszinkrongenerátorok. Fordulatszámuk mereven kötött. Legfőbbhátrányukat, hogy külön egyenáramú gerjesztőáramot is igényelnek,a félvezetőtechnika fejlődése jelentősen csökkentette. Az erősáramúelektronika fejlődése a villamos hajtások teljesen új útjait nyitottameg. Tirisztoros kapcsolásokkal szinte tetszőleges módon és nagyonkis veszteséggel nemcsak az áramok paramétereit lehet változtatni,hanem módosítani lehet annak frekvenciáját, vagy szaggatott áramotis elő lehet állítani. Ilyen áramokkal gerjesztve az aszinkronmotoroküzemi tulajdonságait nagyon kedvezően lehet befolyásolni. Ennekenergetikai kihatásai is vannak, például a frekvencia változtatásávalrészterhelésnél is nagyon jó hatásfokot lehet elérni. Azaszinkronmotor fordulatszáma a frekvenciával arányos, így afrekvencia-átalakítós megoldással e motor fordulatszáma is könnyenszabályozhatóvá válik. Várható ennek az újszerű üzemmódnak asokirányú hasznosítása, ami tovább fogja erősíteni azaszinkronmotorok pozícióját.

A villamos hajtások hatásfokgörbéje a teljesítmény függvényébenlapos optimumot mutat, így viszonylag széles teljesítmény-tartományban jó, 85..90 %-os hatásfokuk van. A hajtásokmegválasztásánál viszont gyakori hiba, hogy felesleges tartalékbiztosítására a tényleges terhelésnél jóval nagyobb teljesítményreépítik ki. E túlméretezés következtében tartósan rosszabb hatásfokúrészterhelésen van üzemben ami különösen tartósan üzemelőmunkagépeknél (szivattyú, kompresszor stb.) jelentősenergiaveszteséget okoz, nem beszélve az indokolatlantöbbletberuházásról. A munkapontok helyes illesztése ezen aterületen az energiamegtakarítás legfőbb lehetősége. Ezen túlmenőenaz üzemvitel automatizálásában is vannak lehetőségek, tartósüresjárás helyett a motor automatikus kikapcsolása, a terheléstőlfüggő csillag-delta átkapcsolás aszinkronmotor tápfeszültségénekmódosítására, veszteségmentes félvezetős fordulatszám-szabályozásstb.

A lineáris motorban az álló- és forgórészt síkban kiterítve alakítjákki. Indukciós motornál az állórész tömör vezető is lehet, melybenörvényáram ébred. A haladó mozgást végző lineáris motor feleslegesséteszi a motor és a hajtott berendezés közötti közlőművet ésesetenként a forgó mozgást haladó mozgássá átalakító szerkezetielemeket is. Ezt az egyszerűsítési lehetőséget újabban ki is aknázzákmechanizmusok mozgatására és kisebb szállítóberendezésekben.Foglalkoznak a sínpályához kötött járműveket hajtó lineáris motorfejlesztésével is, elsősorban mágnesesen lebegtetett rendszerekhez.Problémát jelent, hogy a nagy légrés és a szórt mágneses tér miatt ahatásfok sokkal kisebb, mint a forgó motoroknál. Az eddig elért

205

hatásfok 40..60 %, de remélik, hogy szinkronmotorként jobbhatásfokot is sikerül elérni.

A villamos energiát nem kizárólag hajtás érdekében alakítják átmechanikai munkává, hanem technológiai feladatokhoz is. A qtöltéssel rendelkező részecskére a villamos erőtér

F = qEerővel hat, ahol E a térerősség. A mágneses erőtér a v sebességgel

haladó töltéshordozón B indukció esetén

( )F v B= ×q

erőt ébreszt. Ezeket az erőhatásokat az elektronikus eszközökbensokirányúan hasznosítják (elektroncső, katódsugárcső,elektronoptika, elektronikus és ionos kapcsolók, vezérlőelemek stb.),de technológiai célú alkalmazásuk sem ritka. Így például a villamoserőtérben továbbított töltéshordozókon alapul az elektrosztatikusfestés, fémszórás és porleválasztás, testek bevonása rétegekkel ésmás eljárások.

Külön csoportot alkotnak az elektrokinetikus jelenségek, melyekfolyadékban levő töltéssel rendelkező részecskék esetében lépnek fel.A kolloid méretű részecskék felületén a folyadékban kettős rétegalakul ki, ami kifelé villamos töltést mutat. Ezek villamos erőtérhatására vándorolnak (kataforézis). A töltött kolloid részecskékmozgása alapvető szerepet játszik a biológiai folyamatokban. Akataforézist technikai célokra is hasznosítják, főleg bevonatokelőállítására, így készítik pl. az elektroncsövek oxidkatódjait. Ha aszilárd részecskék mozgása akadályoztatva van, az ellentetten töltöttfolyadék mozdul el (elektroforézis), ezt hasznosítják épületekszárítására, tőzeg szárítására, a vegyiparban folyadékok kivonásárastb.

Villamos töltéssel rendelkező folyadékokat, főleg fémeketelektromágneses úton továbbítani lehet, így működik azelektromágneses szivattyú. Az eltérő permittivitású anyagokérintkezési felületén kialakuló erőhatás és deformáció (élektrostrikció)kicsi, így energetikai szerepe nincs. Technológiai felhasználása isbővül a korábban csak atomfizikai kutatásokra használtrészecskegyorsítóknak, melyekben a töltéshordozókat villamos ésmágneses erőtér segítségével gyorsítják fel.

A mágneses erőtér a ferromágneses anyagokra is gyakorolerőhatást. Ennek legjelentősebb energetikai alkalmazását azelektromágneses emelőberendezések képviselik, a vas és acél anyagokvagy alkatrészek daruzására kiterjedten alkalmazzák.Elektromágnessel működtetnek kapcsolókat, reléket, gépeken belülmozgatnak alkatrészeket stb.

206

Viszonylag új területet képviselnek az elektrodinamikusmegmunkálások. A gyors áramváltozás a környező vezetőkben nagyáramot indukál, így nagy teljesítményt lehet elérni. Elsősorban agyors alakítási eljárásoknál használják, ahol rövid idő alatt sokenergia bevezetésére van szükség.

A mechanikai energia körébe tartozik a hanghullámok gerjesztéseis. Hosszú ideig ez csak az akusztikai berendezésekre (hangszóró,telefon) korlátozódott, amiket rendszerint elektromágneses átalakítókműködtetnek. Egy-két évtizede bővül a hallható hangnál nagyobbfrekvenciájú ultrahangok alkalmazási köre anyagok keverésére éskoaguláltatásával történő szétválasztására, kémiai reakciókkiváltására, gyógyászati célokra. Előállítására piezoelektromos vagymagnetostrikciós átalakító berendezést használnak. Apiezoelektromos anyagokban a villamos térerősség nagyságától függőhosszváltozás következik be, a rezgések amplitúdója azönfrekvenciánál nagy érték, pl. egy 100 cm3-es kristály 40 kHz táján1 kW mechanikai teljesítményt szolgáltat. Még nagyobb teljesítménytlehet elérni magnetostrikciósan, egyes ferromágneses anyagokelektromágneses térben szintén változtatják a méretüket, az elérhetőteljesítmény 10 W/cm2.

4.1.2.5. MECHANIKAI MUNKA KÉMIAI ENERGIAFORRÁSOKBÓL

A kémiai energiából táplált emberi és állati izomerő az ipariforradalom előtt a fizikai munka legfőbb forrása volt. E bonyolultbiokémiai és biofizikai folyamatokból álló energiaátalakítási lánc atáplálék feldolgozása során felszabaduló reakcióhőt alakítja át azizmok által végzett mechanikai munkává. Az átalakítást alacsonyhatásfok (25..30 %) és kis teljesítmény jellemzi, ezért az izomerőnemcsak versenyképtelen a korszerű hajtásokkal, hanem a technikaifeladatok nagy részének ellátására alkalmatlan is. A fejlett ipariországokban az izomerő részaránya a munkavégzésben jelentéktelen.E kis hányad azonban fontos szerepet játszik, mert elsősorban olyanbonyolult folyamatokban maradt meg, ahol a rugalmas, adaptívanalkalmazkodó emberi munkát a legnehezebb gépesíteni (pl.anyagmozgatás egyes típusai, szerelés, speciális egyedimegmunkálások).

A fejlődés azonban ezen a téren is megindult az ipari robotokmegjelenésével, ezen mikroprocesszorral vezérelt eszközökadaptivitása meghaladja az emberi képességeket. A munkaerőhelyzetés a termelékenység növelésének szükségszerűsége az ipariországokban a Fizikai munka szinte teljes kiküszöbölése felé vezet, ezjátszódik le nálunk is. A fejlődő országokban az emberi és állatimunkának még hosszabb ideig meghatározó szerepe lesz a nemzetijövedelmük nagy részét szolgáltató mezőgazdaságban és a kisegítő

207

tevékenységekben. A foglalkoztatottság alacsony szintje melletterőgépeket elsősorban ott alkalmaznak, ahol nagy teljesítményre vanszükség, vagy ahol ezt a technológia igényli (folytonosság, minőség,tisztaság stb. érdekében). A kémiai energiát közvetlenül mechanikaienergiává átalakító kemo-mechanikai folyamatoknak kisteljesítményük miatt nincs energetikai szerepe. A technikaigyakorlatot a közvetett út jellemzi, többnyire a vegyi energia-hő-mechanikai munka láncon keresztül, például a belsőégésűmotorokban, vagy a robbanóanyagok, lőporok, rakéta-hajtóanyagokhasználatánál. Előfordul a vegyi energiából a villamos áramonkeresztül vezető közvetett út is a mechanikai munkához, pl. a kémiaiáramforrásokból fedezett járműhajtással.

A kémiai folyamatokhoz kapcsolódva fordul elő anyagok továbbításaaz ozmózis segítségével, ami félig áteresztő felület két oldalán adiffúzióra való hajlam különbségét aknázza ki. Ilyen különbségalakítható ki az egyik oldalon anyagok oldásával vagy a két oldalon azoldat eltérő koncentrációjának beállításával.

Ozmózison alapul az élő szervezetek anyagcseréje, lényeges szerepevan a kolloidrendszerek viselkedésében és esetenként technológiaifeladatokat is az ozmózis segítségével oldanak meg az élelmiszeriparvagy a gyógyszervegyészet területén.

A nukleáris energiát egyelőre csak közvetve tudjuk mechanikaimunkává alakítani. A magreakcióknál felgyorsuló elemi részecskékmozgási energiáját közvetlenül nem tudjuk hasznosítani, csaklefékezve és hővé átalakítva. Hőkörfolyamat segítségével ezt azatomhajtású hajókban és tengeralattjárókban meg is valósították,felmelegített hőhordozók áramoltatásával tervezik kialakítani azatomenergiával működtetett rakétahajtóműveket.

Csupán elvi jelentősége van a sugárzások munkavégzőképességének. A sugárnyomás legfeljebb fizikai mérésekhezhasznosítható teljesítményt szolgáltat, az űrhajók hajtásafénysugárral fizikailag elképzelhető, de a fotonrakéta ma még csak atudományos-fantasztikus irodalomban létezik.

4.1.3. Áramforrások

A villamos fogyasztóberendezések túlnyomó nagy többségét a közcélúvillamosenergia-rendszer látja el villamos energiával. Az ellátástbiztosító kiterjedt, szerteágazó villamos hálózatot több lépcsősfeszültségtranszformációkon keresztül az erőművek táplálják. Azellátásnak ez a rendszere jelenleg erősen centralizált mind műszakifelépítésében (energiafolyam, hálózatkép, üzemirányítás), mindműködési módjában (szervezet, beruházás, üzemeltetés,

208

karbantartás). A centralizálás nagyon gazdaságos és üzembiztosvillamosenergia-ellátást eredményez.

Autonóm villamosenergia-ellátás jellemző a hordozhatókészülékekre (bár ezeknél is biztosítani szokták a hálózati csatlakozásalternatív lehetőségét) és az olyan mobilis berendezéseknél, mint ajárművek, szállítóeszközök, munkagépek stb. Helyi jelentősége vancsak az olyan megoldásoknak, amikor egy a villamos hálózattól távolfekvő fogyasztót saját áramforrás lát el, vagy az energiaellátásfolytonosságára nagyon kényes fogyasztó tartalékellátását sajátáramforrás biztosítja. Speciális kérdés, amikor egyes nagyüzemek ahő és villamos energia kapcsolt előállítására saját ipari erőművetlétesítenek, az ellátási tartalék biztosítására ezek rendszerint összevannak kapcsolva a közcélú hálózattal.

A primer energiabázis bővítését célzó kutató-fejlesztő munka egyrésze olyan áramforrások kialakítására irányul, melyek teljesítményeviszonylag szerény, így elsősorban helyi áramforrásként használhatók(szélmotor, napelem, tüzelőanyag-cella stb.). Az utóbbi időben a fejlettországokban visszatérő javaslat, hogy ezekre támaszkodva acentralizált villamosenergia-rendszert decentralizált ellátással váltsákfel. Ettől a környezetszennyezés csökkenését és a primerenergiastruktúra előnyös módosulását remélik. Eltekintve attól, hogya javasolt megoldások műszakilag még kiforratlanok, és összesítettteljesítményük belátható időn belül nem lesz számottevő, a koncepciónem progresszív. A kis teljesítményű áramforrásokat szükségszerűenalacsonyabb termelékenység és nagyobb fajlagos beruházási költségjellemzi. Ezt növeli az energiatárolás vagy a tartalékkapacitásokbiztosításának költsége. A közcélú ellátás berendezéseinek szakszerűés termelékeny létesítésének, üzemeltetésének és karbantartásánakszínvonalát a decentralizált ellátásnál még sokkal nagyobb munkaerőráfordítással sem lehetne biztosítani. Ez az áramellátás nagyobbbizonytalanságában is tükröződik. Mindezek alapján a decentralizáltvillamosenergia-ellátás műszakilag és gazdaságilag sem versenyképesalternatíva. Eltekintve a távol fekvő fogyasztók autonóm ellátásától,az említett áramforrások legfeljebbjárulékos szerepet kapnak,közvetlenül vagy közvetve kapcsolódva a közcélú hálózathoz (mivelrendszerint egyenáramot szolgáltatnak, az áramnemet módosítanikell).

A fogyasztók által felhasznált villamos energia több, mint 99 %-át azerőművek generátorai fejlesztik, hajtásukra többféle erőgépetalkalmaznak. Bár a generátorokat kiemelkedően jó hatásfok jellemzi,az erőgépek miatt a villamosenergia-fejlesztés eredő energetikaihatásfoka alacsony. Egyedül a vízturbinás hajtás 80..90 %-os eredőhatásfoka kielégítő; a világ villamosenergia-termelésének viszont csak20 %-át szolgáltatják vízerőművek, és részesedésük a véges

209

hidropotenciál miatt szükségszerűen csökkenő tendenciájú. A többihőerőművekből származik a kémiai vagy nukleáris energia-hő-mechanikai munka-villamos energia közvetett átalakítási lánconkeresztül. A hőerőművi kazánok, reaktorok, hőcserélők, turbináksaját hatásfoka szintén magas érték, a lánc gyenge pontja amechanikai munkát szolgáltató hőkörfolyamat, melynek hatásfokkorlátja a hőerőművek eredő energetikai hatásfokának felső határát45 % körül jelöli ki. Ezt jelenleg csak fosszilis tüzelőanyagbázisonlehet megközelíteni, a nukleáris erőművekben egyelőre csak 34..36 %realizálható. Az átalakítási hatásfok tekintetében minőségi változástévtizedeken belül sem lehet remélni, ez az alacsony érték a főmozgatórugója az újszerű áramforrások fejlesztésének. Mivel a primertüzelőanyagok jelentős hányadát (országonként változóan 20..40 %)villamosenergia-fejlesztésre fordítják, és az átalakítási veszteségekzöme ebben a folyamatban lép fel, az energiatakarékosságnak jelentőslépése lenne a lényegesen jobb hatásfokú villamosenergia-termelés. Afejlesztés másik indítéka a hasznosítható primer energiaforrásokkörének kiszélesítése. Ezzel kapcsolatban említésre méltó, hogy anem konvencionális energiahordozók nagyarányú hasznosításaelsősorban villamos energia formájában látszik reményteljesnek(atom-, nap-, szél-, tengeri, geotermikus energia).

A villamos áramforrások közös jellemzője, hogy azokban valamilyenhatás villamosan semleges részecske ellentétes polaritásútöltéshordozóit (elektronok, ionok) szétválasztja. Villamos erőtérhatására a töltéshordozók vándorolnak, a pozitív ionok a katódhoz, anegatív töltéshordozók az anódhoz. A töltéshordozók az elektródokonsemlegesülnek, ez megváltoztatja az elektródok töltésviszonyait is, azanód negatív töltésűvé válik, ez lesz az áramforrás negatív kapcsa, akatód pedig pozitívan töltődik fel, ez lesz a pozitív kapocs. Agyakorlatban az áramforrás kívülről hozzáférhető kivezetései akapcsok, elektródnak csak az áramforrás belsejében folyadékba vagygázba merülő szerkezeti elemeket tekintik, forgógépeknél elektródotnem lehet értelmezni. Forgógépeknél a szétválasztott töltésekközvetlenül a kivezetésekre jutnak. Váltakozó áramnál a kapcsokpolaritása félperiódusonként felcserélődik.

A töltéshordozó-szétválasztásnak sokféle lehetősége van, az energiaminden formájának bevezetése számításba jöhet. Töltéshordozó párkeletkezik villamosan semleges atomok vagy molekulák ionizálásakor,ami azokból elektron kilépését jelenti. Az ehhez szükséges ionizálásimunkát többféle módon lehet közölni. A termoionizációnál(hőionizálás) ütköző elemi részecskék adják át, ha a magashőmérséklet hőmozgásuk kinetikus energiáját elég nagyra növeli. Atermoionizálás mértéke rohamosan nő a hőmérséklet növekedésével(1000..2000 K felett) és anyagonként változóan 5000..6000 K felett a

210

gázok plazmaállapotba kerülnek, amikor minden atom ionizálva van.Az ionizálási munkát közölhetik fotonok is (fotoionizáció). A termo- ésfotoionizálás főleg gázhalmazállapotban hatásos, de kis mértékben akondenzált fázisokban is bekövetkeznek. A folyadékok specialitása amolekulák disszociációja ionokra, fiziko-kémiai és kémiaikölcsönhatásokra. Oldatokban az ionokat gyakran az oldószermolekulaburka veszi körül (szolvatáció, vízben hidratáció), amivillamosan szintén töltéssel rendelkezik. A villamos erőtér ugyancsakfel tud töltéshordozókat olyan sebességre gyorsítani, hogyrendelkezzenek az ionizálási energiának megfelelő mozgási energiával(ütközési ionizáció). Szilárd anyagokban (és egyes folyadékokban) avillamos erőtérrel a szerkezethez tartozó töltéshordozókat ismobilizálni lehet. Fémekben a kristályrács közössé váló vezetési(szabad) elektronjai gyakorlatilag függetlenek a környezetüktől,egészen gyenge erőtér is elegendő az elmozdításukhoz. Félvezetőkbena szennyeződések nagymértékben befolyásolják, hogy az előzőekbenemlített effektusok (hő, fény, villamos erőtér) hatására milyen jellegűtöltéshordozók mobilizálódnak és milyen arányban. A villamos térkorlátozott mértékben szigetelőanyagban is szétválasztja a töltéseket,az ellentetten töltött elemi részecskék ellentett irányban mozdulnak el(polarizáció). Szilárd felületekből – mindenekelőtt fémekből –elektronokat léptethet ki az elektronok hőmozgása (termikusemisszió), a felületbe csapódó részecskék mozgási energiája(szekunder emisszió), fénykvantumok (fotoemisszió) és az erősvillamos erőtér is (téremisszió). Ha a kilépett töltéshordozókat nemszállítják el, azok a felület előtt felhalmozódva villamos kettősrétegethoznak létre. A töltések-erőtere ugyanis polarizálja a felület semlegesrészecskéit, így jön létre az ellentett polaritású réteg. A kettősrétegekkölcsönhatásával magyarázható, hogy egymással érintkező eltérőtulajdonságú szilárd felületek ellentetten töltődnek fel (statikusfeltöltődés), szilárd felületeknél a hatás dörzsöléssel fokozható(dörzsvillamosság). Ugyanez érvényesül fluidumokban mozgó szilárdtestekre és kolloid részecskékre is.

A kapcsok feltöltődése következtében az áramforrásban villamoserőtér alakul ki, ami az áramforrás kivezető kapcsai közöttpotenciálkülönbségben, vagyis villamos feszültségben ismegnyilvánul. A töltések elmozdítása ezen erőtér ellenébenvalamilyen formában energia befektetést igényel. A feszültség akapcsokhoz csatlakozó külső terhelő áramkörben villamos áramottud fenntartani. Az áram a külső áramkörön keresztül visszajuttatja atöltéshordozókat az áramforrás belsejébe és azok az eredeti semlegesállapotot igyekeznek helyreállítani. Az áramforrást addig lehetterhelni, amíg az energiabevezetés a töltésszétválasztás utánpótlásátbiztosítja. Ha ez megszűnik, az áramforrás kimerül, vagy működésemegszakad. Fémekben az elektronok, más anyagokban az ionok

211

elmozdulása is jellemző a villamos áramra. (A valóságban a villamosáram bonyolultabb folyamat, néha a töltéshordozók ténylegesenvándorolnak, gyakran azonban csak ilyen vándorlással szemléltethetőenergiaállapotok terjednek tovább, a vezetés mechanizmusa azanyagszerkezettől függ.)

22. táblázatKiinduló energiafajta Átalakítás módja

1. Mechanikai indukció (generátor, dinamó)töltéshordozó-transzport (elektrosztatikus generátor, MHD,EGD generátor)piezoelektromos hatás, mikrofonközvetett átalakítás (vízerőmű, szélerőmű)

2. Kémiai elektrokémiai reakciók (galvánelem, akkumulátor,tüzelőanyag-elem)közvetett átalakítás

3. Hő termovillamos (hőelem, termogenerátor)termoionos (plazmadióda, eletroncső)közvetett átalakítás (hőerőmű, MHD erőmű)

4. Sugárzás foto-villamos hatás (napelem)közvetett átalakítás (hőelem, naperőmű)

5. Nukleáris izotópos áramforrásokközvetett átalakítás (atomerőmű, nukleáris áramforrás)

6. Villamos átalakítóberendezések (transzformátor, periódusváltó,egyenirányító, tranzisztor)nagyfrekvenciás rezgéskeltőkrészecskegyorsítók

A villamos energia előállítására az elektrotechnika számos közvetlenátalakítási úttal rendelkezik, amit a közvetett átalakítási lehetőségekszéles spektruma egészít ki. Az alternatívákat a 22. táblázat mutatja,ezek közül azonban gazdasági okokból csak néhány lehetőségethasznosítanak energetikai célra.

4.1.3.1. VILLAMOS ENERGIA MECHANIKAI MUNKÁBÓL

A villamosenergia-ellátás legfontosabb áramforrásai a mechanikaimunkát alakítják át villamos energiává. Az indukciós gépeknél atöltésszétválasztást a töltéshordozók és a mágneses erőtérkölcsönhatása biztosítja. Indukált feszültséget ébreszt akár anyugalomban levő töltéshordozókra ható mágneses tér nagyságánakváltozása az idő függvényében, akár az időben állandó mágnesestérben a töltéshordozók és az erőtér közötti relatív elmozdulás, vagy ekét hatás együttesen. A gyakorlatban szokványos megoldást amásodik alternatíva jelenti, a B indukcióval jellemzett mágnesestérben egy l hosszúságú vezető mentén indukált U feszültség v relatívelmozdulás esetén, vektoriális írásmódban:

( )U = ×lv B

A szokványos forgógépes generátorokban a töltéshordozók atekercselést alkotó vezetők építőkövei, melyek közül a vezetési

212

(„szabad”) elektronok mozdulnak el és hozzák létre az áramot. Amágneses teret rendszerint elektromágnesek létesítik, állandómágnest csak kis teljesítményű generátorokban alkalmaznak.Egyenáramú generátorokban az állórésben kiképzett pólusok fixmágneses terében forognak a forgórészbe helyezett tekercsek, ezekfeszültségét a tekercsek végéhez csatlakozókommutátorszegmensekről szénkefék vezetik ki. Az egyenáramúgenerátorokat régebben előszeretettel alkalmazták sok egyenáramúmotort használó üzemekben a belső energiahálózat táplálására,azonban ezt nagymértékben háttérbe szorította a váltakozó áramegyenirányítása félvezetőkkel. A nagy váltakozó áramúszinkrongenerátorok egyenáramú gerjesztő gépeinek szerepét isátveszik a félvezetős megoldások, az egyenáramú generátorok főalkalmazási területe a nagy teljesítményt és változó fordulatszámotigénylő generátor-motor gépcsoportból álló egyenáramú hajtások(Ward-Leonard-rendszer, hengerműhajtás, Diesel-villamos vontatás,bányaemelők) és néhány speciális felhasználási mód (vonat- ésgépkocsivilágítás, hegesztődinamó, mérlegdinamó, tahométer) marad.

A nagy váltakozó áramú generátorokban a mágneses teret mindig aforgórészbe helyezett tekercsek hozzák létre, mert az ehhez szükségesviszonylag kis gerjesztő egyenáramot egyszerűbb a csúszógyűrűkönbevezetni. E forgó mágneses tér indukálja az állórész tekercseiben afeszültséget.

A váltakozó áramú generátorok szinkrongépek, melyek csak anévleges frekvencián és az a körüli nagyon szűkfrekvenciatartományban üzemképesek. Az állórész tekercseit úgykapcsolják össze, hogy a gép háromfázisú feszültséget (és áramot)szolgáltasson. Az indukált feszültség f frekvenciája az nfordulatszámtól és a forgórészben kialakított mágneses póluspárok pszámától függ:

fpn

=60

ha n a percenkénti fordulatszám és f dimenziója Hz. A póluspárokszáma a forgórész felépítésétől függ. A gőzturbinákkal hajtott nagyturbógenerátoroknál hengeres kiképzésű forgórészt használnak,amiben egy kétpólusú tekercselést helyeznek el, így p = 1 és a gépfordulatszáma 3000, ha f = 50 (illetve 3600, ha f = 60). A mechanikaiigénybevétel csökkentésére egészen nagy atomerőműviturbógenerátorokat félfordulatszámon üzemelő négypólusú (p = 2)hengeres kiképzésű forgórészekkel is építenek. Ez főleg a nagyobbfordulatszámot igénylő amerikai erőművekben szokásos, bár a nagygenerátorgyárak a teljes fordulatszámú kétpólusú generátorokat isszállítani tudják (1,3 GW-os egységek üzemben is vannak).

213

Az egy egységben megvalósítható gépek teljesítményét a szállításilehetőség szabja meg, mivel a turbógenerátorok a legnagyobb súlyúforgógépek. A gőzturbina-generátor gépcsoport általábanegytengelyes, a gőzturbina összes fokozata egy generátort hajt.Egészen nagy blokkok 1 GW felett kéttengelyes kialakításban iskészülnek, a turbinafokozatokat két külön generátor hajtásáraosztják meg, ami csökkenti a blokk hosszát. Kisebb fordulatszámrasok pólusú generátorokat készítenek, a forgórész nem hengeres,hanem kiálló pólusú. Ilyen rendszerűek a vízerőművekben használthidrogenerátorok (eltekintve a propeller és csőturbináktól), valamintegyes belsőégésű motorokkal vagy gázturbinákkal hajtott kisebbgenerátorok is. A generátorok hatásfoka az egységteljesítménnyel nő,kisebb gépeké 95..98 %, a legnagyobb turbógenerátoroké a 99 %-ot ismeghaladja.

A szinkrongenerátorok szabályozása bonyolult és érzékenyautomatikákat igényel. Fordulatszámát és hasznos villamosteljesítményét a hajtó erőgéppel lehet szabályozni, hálózatrakapcsolódó generátoroknál biztosítani kell a szinkronizmust ahálózattal, ezt maga a villamos kapcsolat is erősíti.

Feszültségét és a meddő villamos teljesítményt a gerjesztéssel lehetszabályozni. A villamos kapcsolódáson keresztül a gép üzemijellemzőire maga a csatlakozó villamos hálózat is visszahat, aszabályozóknak biztosítani kell, hogy a generátor illeszkedjen aváltozó hálózati jellemzőkhöz. Tranziens jelenségeknél bonyolultvillamos lengések alakulnak ki, ami mechanikai lengésekkel isösszekapcsolódik, ebben nagy szerepet játszik a turbina és agenerátor forgórészében tárolt kinetikus energia is. Aszinkrongenerátorok üzemvitele összefonódik a teljes villamosenergia-rendszer üzemvitelével.

Az aszinkronmotor (4.1.2.4. pont) generátorként is működtethető, demeddő teljesítményét kívülről kell biztosítani. Aszinkrongenerátorokatkivételesen használnak kisebb vízerőművekben a turbinaszabályozásegyszerűsítésére, valamint kisebb áramforrásokban (pl.gépkocsikban).

A generátorok hajtására minden forgó mozgást szolgáltatóerőgéptípus alkalmas. A gőzturbinák és a vízturbinák hajtotta turbó-és hidrogenerátorokat az előzőekben már érintettük. Terjed agázturbinák alkalmazása is erőművekben, földgázban gazdagterületeken a kapcsolt hőszolgáltatás ellátására is népszerűsítik. Agázturbinákhoz kapcsolódó generátorok rugalmas és egyszerűsítettturbógenerátorok. Járművekben szükség-áramforrásokban,üzemzavari tartalékberendezésekben belsőégésű motorokkal ishajtanak egyszerű kis generátorokat. Ezek közül a legnagyobb

214

darabszámot a járművek akkumulátorával puffer üzembe kapcsoltgenerátorok (régebbi járművekben dinamók) képviselik. A mechanikaimunka közvetett átalakítását valósítják meg a vízerőművek és aszélerőművek.

Az indukció elvét használja fel az eredetileg magyar találmányra(Karlovitz, Halász) alapuló magnetohidrodinamikus (MHD) generátor is.A töltéshordozók magas hőmérsékletű ionizált gáz elektronjai ésionjai, melyek az MHD csatornában nagy sebességgel áramlanakállandó mágneses térben a térre merőleges irányban. Az ébredőfeszültséget az MHD csatorna felületén elhelyezett elektródok(kollektorok) csatolják ki. A szerint, hogy a csatornából kilépőmunkaközeget újra visszavezetik-e a generátorba, vagy nem,megkülönböztetnek zárt és nyílt MHD generátorokat. A zárt rendszerelvileg jobb hatásfokot ígér, mivel hasznosítja a munkát végzettmunkaközeg entalpiáját, viszont a berendezés sokkal bonyolultabb

A mechanikai munkából villamos energia előállítására még továbbilehetőségek is vannak, azonban csak kis teljesítményre. Ezek közétartoznak az elektrosztatikus generátorok is. Ezekben atöltésszétválasztást biztosíthatja a különböző anyagok érintkezésénélkialakuló kontakt potenciál (amit dörzsölés még hatásosabbá tesz), aszigetelőanyagok polarizációjával kiváltott megosztás (influencia) vagyvillamos kisülésekben lejátszódó ionizáció. A szétválasztás után atöltéshordozókat mechanikai munka befektetésével vagy elszállítják(pl. a van der Graaf-generátorban végtelenített szigetelő szalaggal),vagy az ellentétesen feltöltődött elektródok közötti távolságot növelikmeg. E változások a C kapacitás csökkenését eredményezik, amiállandó Q töltés mellett a feszültség növekedésével jár az

UQ

C=

összefüggés szerint. Az elektrosztatikus generátoroknak nincsenergetikai szerepe, csak nagy egyenfeszültség előállításárahasználatosak laboratóriumi és gyógyászati célokra.

Vannak megoldások a piezoelektromos hatás hasznosításáraáramforrásokban. Egyes anyagok (pl. kvarc, turmalin, bárium-titanát, piezoelektromos kerámiák) mechanikai feszültség hatásáradielektromosan polározódnak (a kristályrács deformációját az elemitöltéshordozók rendezett elmozdulása kíséri), az anyag külsőfelületein ellentett polaritású töltések jelennek meg. E töltésekpolaritását a mechanikai feszültség iránya szabja meg, a hatásváltakozó feszültség előállítására is alkalmas. Piezoelektromosanyagokat nagyfrekvenciás jelek előállítására, elektroakusztikaicélokra széles körűen használnak, azonban az elérhető teljesítménykicsi, így energetikai alkalmazása valószínűtlen. Az

215

információtechnikai eszközökben az áramköri impedanciákváltoztatása is előfordul mechanikai erőkkel (pl. mikrofon), de azátalakítható teljesítmény nagyon kicsi.

4.1.3.2. KÉMIAI ÁRAMFORRÁSOK

A kémiai áramforrások az elektrotechnika legrégebben használtenergiaforrásai. Működésük azon alapul, hogy a kémiai kötésekváltozása vagy áthelyeződése elektronok átlépését jelenti az egyikatomból vagy atomcsoportból egy másikba. Ha sikerül azelektronleadás és elektronfelvétel helyét térbeliileg szétválasztaniakkor adottak a kémiai áramforrás feltételei. A szükségestöltéshordozókat az biztosítja, hogy elektrolitokban a semlegesmolekulák egy része ionokra disszociál, melyek zavartalan állapotbanegyenletesen oszlanak el az elektrolitban. Az elektrolitba merülőelektródok azonban megbontják az egyensúlyt, anyaguk megfelelőmegválasztásával a töltéscsere térbeli szétválasztását is biztosítanilehet. A hőmozgás hatására az elektródfelületből elemi töltéshordozóklépnek ki, a felület és környezete ellentett villamos töltésselrendelkező kettős réteget alkot, ennek következtében az elektród éskörnyezete között feszültség (elektródpotenciál) alakul ki. Ez a hatásfokozottan jelentkezik elektrolitba merülő elektródnál, mert adisszociált ionok is részt vesznek az elektródpotenciál kialakításában.Az elektródpotenciál nagysága ezért nemcsak az elektród, hanem azelektrolit anyagától is függ. Ezek anyagán múlik, hogy az elektród akörnyezethez képest pozitív vagy negatív töltést mutat-e, és hogy azáramforrásban a katód vagy az anód szerepét tölti-e be. Az elektródokkörül kialakult határrétegben töltéscsere játszódik le. Az áramforrásnegatív pólusához, az anódhoz vándorolt anionok (negatív töltésűatomok vagy atomcsoportok) elektront adnak át az elektródnak ésvillamosan semlegessé válnak. Az ilyen típusú reakciókat a kémiábanoxidációnak nevezik, akkor is, ha oxigén nem vesz részt afolyamatban, mivel az elektronleadással járó reakciók leggyakoribbpéldája az oxigén megkötése. Az áramforrás pozitív pólusához, akatódhoz vándorolt kationok elektron felvételével semlegesülnek, ereakciót redukciónak nevezik (ugyancsak általánosítva az oxigénleválasztását jelentő folyamatot). Terheletlen áramforrásban azelektródok körül dinamikus egyensúly alakul ki. Terhelésnélfolyamatosan zajlik az anódnál az oxidáció és a katódnál a redukció,az ehhez szükséges elektronforgalmat az biztosítja, hogy az anódrólaz elektronokat a külső áramkör vezeti vissza a katódra.

A kémiai áramforrások feszültsége a katód és az anódelektródpotenciáljának algebrai összege, amit csökkent az áramhatására a köztük elhelyezkedő elektrolit(ok)-ban kialakulófeszültségesés. A feszültségesés a terheléstől függ, üresjáratban

216

zérus, ekkor a maximális kapocsfeszültség 1..2 V. A kapocsfeszültséga tárolt energia kimerítése során is csökken, ez az áramforrásbólnyerhető energia egyik korlátja. A kis feszültség a kémiaiáramforrások használati lehetőségét bekorlátozza, celláksorbakapcsolásával is legfeljebb 100 V nagyságrendű telepeket lehetkialakítani. Az áramforrások elektródja többnyire valamilyen fém, delehet félvezető anyag sőt gáz is. Az utóbbi esetben a gázt olyan fémesközvetítő elektród mentén vezetik be mely a kémiai reakcióban nemvesz részt, de katalizátorként elősegíti az ionképződést ésgalvanikusan biztosítja a töltések kivezetését is. A leghasználatosabbanyagok etektródpotenciálja a megegyezés szerint zérus potenciálúhidrogénhez viszonyítva Li-K-Na-Mg-Al-Zn-Fe-Cd-Pb5O4-Ni-Sn-Sb-Pb-H2-AgCl-Cu-Fe-OH-Hg-Ag-Cl-Au sorrendben nő. A katód rendszerinta sor elején álló elektronegatív fém (Zn, Pb, Li, Na, Mg, A1, Fe, Cd)vagy hidrogén, az anód pedig a katódhoz mérve pozitív potenciálúanyag (fém, oxid, kén, levegő stb.).

Az elektrolit legtöbbször savak vagy lúgok vizes oldata, de lehettömény sav vagy híg, szerves oldószerben oldott só, sóolvadék, sőtionosan vezető szilárd anyag vagy félvezető is.

Az említett folyamatok a kémiai áramforrások minden típusánálkialakulnak, de azokra az egyes anyagok speciális tulajdonságaibólfakadó járulékos kémiai és fizikai hatások szuperponálódnak, melyekelősegíthetik vagy gátolhatják az áramfejlesztés intenzitását. Szerepetjátszanak az elektrolitban vagy az elektródnál kialakuló másodlagoskémiai reakciók, a töltéshordozók diffúziója és mozgékonysága, azelektród határrétegének fizikai konzisztenciája, a hőmérséklet-változások és más körülmények. E meglehetősen összetett jelenségekrészletei még sok tekintetben tisztázatlanok, ezért a kémiaiáramforrások fejlesztése nagyrészt kísérleti alapon nyugszik.

Nagyon sokféle anyag jöhet szóba az elektródok és elektrolitokmegválasztásánál, a sokféle kombinációból rendkívül sokféle kémiaiáramforrást lehet elképzelni. A széles választékból technológiai ésgazdasági szempontok jelölik ki a műszaki megvalósításra érdemesnéhány alternatívát.

A kémiai áramforrások egy része energiatároló rendszerű, ezek abennük tárolt kémiai anyagok átalakulásának egy bizonyosmértékével behatárolt véges villamostöltés-mennyiséget tudnakleadni. A kémiai áramforrások másik részét a tüzelőanyag-elemek (-cellák) képviselik, ezekbe folyamatosan vezetik be a kémiaireagenseket, és amíg ezek utánpótlása biztosítva van, addig áramot istudnak szolgáltatni, amíg a szerkezeti elemek nem mennek tönkre.

Az energiaátalakítási hatásfokot nem korlátozza a közvetettátalakításnál nagy szerepet játszó hő-mechanikai munka

217

transzformáció Carnot-hatásfoka. Egyes kémiai áramforrásoknál avárható magas hatásfokot a gyakorlatban is el lehet érni, 75..85 %-osértékek is előfordulnak. Sok esetben azonban az elektródfolyamatok,a belső veszteségek és a szekunder kémiai folyamatok miatt az előzőértékeknek csupán a felét lehet realizálni.

Az áramforrásokból nyerhető energia értékét az elektródfolyamatokés a kémiai reakciók során felszabaduló energia szabja meg. Elméletiértékét a rendszer szabadentalpiája jelöli ki, gyakorlati okokból ennélgyakran csak nagyságrenddel kisebb munkát lehet kinyerni, amibentöbbek között szerepet játszik az anyagok elhasználódása vagyátalakulása és az elektrokémiai folyamatokat kísérőhőmérsékletváltozás is. A jelenleg gyártott kémiai áramforrásokelméleti fajlagos energiatároló képessége 180..540 Wh/kg(0,65..2 MJ/kg), a valóságos értékek 10..100 Wh/kg közöttmozognak. A fejlesztés alatt álló új áramforrások között vannak jóvalnagyobb fajlagos értékkel kecsegtető rendszerek is, de ma még nemítélhető meg, hogy ebből mennyit lehet realizálni. Az elektrokémiaijelenségeket befolyásolja az áramürüség és a folyamatok időtartamais, ennek következtében a kinyerhető villamos energia annál kisebb,minél rövidebb idő alatt sütik ki az áramforrást (minél nagyobb aterhelő áram). A fajlagos energiatároló képességre vonatkozó adatokezért csak a kisütési idő egyidejű közlésével adnak teljes értékűinformációt. Ugyanezen okból az áramforrások fajlagos teljesítményesem kötött érték. A kémiai áramforrások megjelölésénél az első anyaga katód, amit zárójelben az elektrolit, majd az anód anyaga követ.Attól függően, hogy az adott körülmények között a lefolyóelektrokémiai reakció reverzíbilis-e, megkülönböztetnek primer ésszekunder kémiai áramforrást, a primer elemek csak áramtermelésrehasználhatók, a szekunder elemeket ellentett folyamattal újra lehettölteni. E megkülönböztetésnek elsősorban az energiatárolóáramforrásoknál van gyakorlati jelentősége, bár a tüzelőanyag-elemekre is érvényes.

A szekunder elemek sorából az akkumulátoroknak van a legnagyobbjelentősége. A kimerített akkumulátort ellentétes irányú áramrákapcsolásával újra fel lehet tölteni, miközben ellentétes irányúelektród folyamatok és kémiai reakciók játszódnak le, mint akisütésnél. Az akkumulátort jóval nagyobb feszültséggel kell tölteni,mint amennyivel ki lehet sütni, a két feszültség átlagos aránya0,75..0,8. Ha csupán a töltés és kisütés feszültsége tér el, ebbőleredően, a mérhető villamos energiák aránya 75..80 %-os energetikaihatásfokot eredményez. Sok akkumulátornál azonban a töltés éskisütés árama is erősen eltér szekunder kémiai folyamatok miatt,átlagos arányuk 0,6..0,7-re is lecsökkenhet, ami az energetikaihatásfokot 50 % alá is leszorítja. Az akkumulátorok tehát a

218

hálózatból vételezett villamos energiát jelentős, 20..50 %-osveszteséggel szolgáltatják vissza. A töltés-kisütési ciklusok közben azanyagok fokozatosan elhasználódnak, a megvalósítható ciklusszám ajelenleg gyártott akkumulátortípusoknál néhány száz és csak néhányrobusztusabb felépítésű típusnál érhető el 1000 körüli érték. Eciklusszámok az akkumulátorok élettartamát néhány évrekorlátozzák.

A legfontosabb akkumulátortípus évtizedek óta a kénsavasólomakkumulátor (Pb/H2SO4/PbO2), melyben a

PbO2 + Pb + H2SO4 ↔ 2PbSO4 + H2O

reakció zajlik le. Kisütésnél az aktív anyagok kisebb belső energiájúvegyületekké alakulnak át, töltésnél viszont fordított a helyzet.Fajlagos energiatároló képessége elméletileg 168,8 Wh/kg, de azanyagok korlátozott kölcsönhatása, a kénsav hígulása és az ideálisnálnagyobb mennyisége, valamint a szerkezeti elemek okoztaveszteségek miatt az elméleti érték negyede látszik realizálhatónak. Ajelenlegi jó ólomakkumulátorok 25..30 Wh/kg-os jellemzői azonbanmég ettől is messze vannak. Energiaátalakítási hatásfokuk 65% körülmozog, élettartamuk viszonylag nagy. Az ólomakkumulátor olcsó ésmegbízható szerkezet, de megfelelő karbantartást igényel.Ólomakkumulátorok látják el a minden gépkocsiban nélkülözhetetlenindítóakkumulátor szerepét, ezt használják fontos technológiákszükségáramforrásaként, villamos berendezések védelmeinek ésautomatikáinak energiaellátására, a telefonhálózat működtetésére,járművek világítására, vészvilágításra stb.

A kémiai áramforrások harmadik csoportját képviselő tüzelőanyag-elemekben exoterm kémiai reakciók szabad energiája alakul átvillamos munkává. Az elemek mindaddig szolgáltatják a villamosenergiát, amíg biztosítva van a reagensek utánpótlása. Működésükleginkább tüzelőanyagok (hidrogén, metán, metanol, hidrazin,ammónia, szén-monoxid, szénhidrogének) láng nélküli lassú égésénalapul oxigénben, levegőben vagy más oxigéntartalmú anyagban (mégvíz is lehet), innen az elnevezés. Az égés szokásos módjánál atüzelőanyag-molekula elektront ad át a közelébe kerülőoxigénmolekulának, az így kialakuló ionpár az elektrosztatikus erőkhatására égéstermékké egyesül. A tüzelőanyag-elemekben az oxigéntávol van a tüzelőanyagtól, az elektronátadás a külső áramkörönkeresztül történik és az égéstermékké egyesülés később és lassankövetkezik be, miután az ionok az elektroliton keresztül vándorolva azegyik elektródtól a másik elektród környezetébe jutnak. Savaselektrolitokat a pozitív töltésű tüzelőanyag-molekulák, lúgoselektrolitokat a negatív töltésű OH--molekulaionok vándorlásajellemzi. Az elemek működése alapulhat fémek oxidációjára is

219

levegőben, a kísérletek az oxidációtól eltérő reakciótípusokra iskiterjednek (pl. Na-S, Li-FeS2, LiAl-FeS2). A bevezetett reagensekgyakran kémiai reakciók közben alakulnak át ionokká. Atüzelőanyag-elemekben nemcsak a tüzelőanyag és az oxidálóközegfolyamatos betáplálását, hanem az égéstermékek (H2O, CO2 stb.)folyamatos eltávolítását is biztosítani kell. A tüzelőanyag-elemműködésének elvi vázlatát a 31. ábra mutatja.

anód

katód

elektrolit

katódcsatlakozás

anódcsatlakozás

villamos kö

hidrogénben

gazdag gáz

levegõ

tartószerkezetrefelvitt katalizátor

e-

e-2e-H

22H++

2H+ 1/2 O2

+ + 2e- H2O

31. ábra. Tüzelőanyag-elem elve

Az üzembiztos működésnek fontos és nehezen kielégíthetőkövetelménye, hogy miközben a reagensek reakciója áramot fejleszt,az elektród-elektrolit rendszer maradjon változatlan. Ehhez nemcsakaz égéstermékeket kell eltávolítani, hanem az anyagoknak ellent kellállni az agresszív környezetnek és a szekunder kémiai reakcióknak.Az elektród anyaga lehet fém, szén, műanyagba (rendszerint teflon)ágyazott fémháló vagy félvezető. Az elektród többnyire porózusszerkezetű, hogy biztosítsa a reagensek intenzív kölcsönhatását. Azelektródba ágyazzák a reakciót gyorsító katalizátorokat is(nemesfémek, palládium, nikkel-borid, egyes oxidok stb.). Azelektrolit lehet savak, lúgok és sók vizes oldata, olvasztott só ionosanvezető szilárd anyag vagy félvezető is, a méretek csökkentéséreioncserélő anyagból készített membránban megkötött elektrolitokat ishasználnak. Az elektrokémiai reakciókat egyrészt katalizátorokkallehet intenzifikálni, másrészt a hőmérséklet és a nyomás növelésével.

A kémiai reagensek, az elektródok és elektrolitok nagyszámúkombinációjából sokféle tüzelőanyag-elemet lehet kialakítani. Ezeketrendszerint az üzemi hőmérséklet alapján osztályozzák. Az alacsonyhőmérsékletű elemek közé sorolják a 25..120 °C-on üzemelőtípusokat, ezek elektrolitja rendszerint KOH vagy H2SO4 vizes oldata,esetenként tömény H3PO4. Ebben a hőmérséklet-tartományban csaka hidrogén (és a meglehetősen drága hidrazin) jöhet számbaüzemanyagként, más anyagok, köztük a természetes eredetűszénhidrogének reakció hajlama nem elég nagy a kívánt teljesítménybiztosításához. A reakcióhajlamH2>>O2>levegő>>CO>>CH4>>szénhidrogének>C sor szerint alakul. A

220

hidrogéngyártás költsége és energiaigénye nagy tehertétel. Ehhezjárul, hogy a lúgos cellák nagyon tiszta hidrogént igényelnek, a CO2

vagy CO szennyezés az elektrolitból karbonátot képez, amiüzemképtelenséget okoz. A savas cellák nem ilyen érzékenyek eszennyeződésre, viszont a korróziónak ellenálló elektródokat csakplatinaötvözetekkel (0,4 kgPt/kW) sikerült biztosítani.

A közepes hőmérsékletű cellák üzemi hőmérséklete 250 °C körülvan, az elektrolit rendszerint olvasztott KOH. Tulajdonságaikátmenetet képeznek az alacsony és magas hőmérsékletű cellákközött, szintén hidrogént igényelnek.

A magas hőmérsékletű elemek fejlesztését elsődlegesen az indokolja,hogy 650..700 °C felett gyakorlatilag minden számításba jöhető fluidhalmazállapotú tüzelőanyag megfelelő reakcióhajlammal rendelkezikés ezeket közvetlenül be lehet táplálni a cellába. Tisztításra csakerősen szennyezett tüzelőanyagoknál van szükség (1 % S tartalomfelett), mert az elemek erre viszonylag érzéketlenek. Az 500..800 °C-osüzemi hőmérsékletű tüzelőanyag-elemek elektrolitja töltőanyaggalpasztaszerű konzisztenciájúvá tett sóolvadék (pl. Li2CO3, Na2CO3 vagyK2CO3). Vonzóak a szilárd félvezető anyagok is az elektrolitszerepében (pl. cirkónium-, ittrium-, kálium-oxidok), de ehhez jóvalmagasabb, 900..1l00 °C-os üzemi hőmérséklet szükséges, mivelalacsonyabb hőmérsékleten vezetőképességük kicsi. A magashőmérsékletű elemek vonzerejét növeli, hogy nem igényelnekkülönleges anyagból készült elektródokat és drága katalizátorokat.Mindennek azonban ellentétele, hogy a magas hőmérsékletnek és akorróziónak ellenálló szerkezeti anyagokra van szükség.

4.1.4. Kémiai energiaátalakítás

A kémiai reakciók mindig az energiaviszonyok változásával járnakegyütt, így azokat az energiaátalakítás sajátos formájának lehettekinteni. A kémiai technológiák egy része szekunderenergiahordozók gyártásával kifejezetten energetikai célokat szolgál.De az energiatranszformáció a többi technológiánál is lényegeskérdés, mivel a vegyipar a legjelentősebb energiafelhasználók közétartozik.

A kémiai átalakulásokat egyrészt a tömeg, másrészt az energiamegmaradása jellemzi. Az első feltételt a reakciótérbe bemenő ésonnan kilépő tömegáramok egyenlősége fejezi ki:

m mii

k

jj

l

= =∑ ∑=1 1

,

ahol a bemenő reagensek tömegárama mi, számuk k, a kilépőreakciótermékek tömegárama mj, számuk l. Az energiamegmaradást

221

többnyire a H entalpia segítségével fejezik ki, mivel a reakciók nagytöbbsége állandó nyomáson folyik le, reverzíbilis folyamatoknál nmólnyi mennyiségekre:

n H H Q W n Hi ji

k

j jj

l

= =∑ ∑∑+ + + =1 1

∆ ,

ahol H a halmazállapot-változások okozta entalpiaváltozás, Q abevezetett vagy felszabaduló reakcióhő, W a végzett vagy bevezetettmechanikai munka (vagy a Q-ban nem szereplő más energiaforma),az indexek jelentése megegyezik az előző képletnél használtakkal. Avalóságos, irreverzíbilis folyamatokat természetesen még különféleveszteségek is terhelik. Az energiaviszonyokat a legszemléletesebbenaz energiafolyam-ábrával lehet követni. Azt a kémiai technológiaifolyamatok energiamérlegének vizsgálatánál rendszeresen használják.

Az energiaátalakítás szempontjából a legfontosabb tétel a kötésienergia változása során felhasznált vagy felszabaduló reakcióhő. Emellett gyakran jelentős energiamennyiséget kell bevezetni areakciófeltételek megteremtéséhez is. Nehezíti az áttekintést, hogy ekétféle funkciót gyakran az energia azonos fajtájával teljesítik, pl. hőbevezetésével melegítik fel az anyagokat a szükséges hőmérsékletre ésugyanígy közlik az endoterm folyamat reakcióhőjét is. Elvileg areakciófeltételek megteremtésére fordított energiát vissza lehet nyerni,a valóságban azonban ezt legfeljebb részlegesen lehet megvalósítani.

A reakciók során különféle állapotváltozások is lejátszódnak, pl.változik a nyomás, a térfogat vagy a hőmérséklet, módosul ahalmazállapot. Ez szintén energiaváltozással jár, ennek következtébenaz exoterm reakciókból kinyerhető energia kisebb, az endotermreakciókhoz közlendő energia pedig nagyobb, mint a reakcióhő.

Az energiaviszonyok követésére a 3.3.3. szakaszban találhatóösszefüggések adnak módot. Ezek egy energiaátalakítási feladatratörténő alkalmazását példázza az égés vizsgálata a 4.1.1.1. pontban.Az energiaátalakítás speciális körét képviselik az elektrokémiaifolyamatok. Ezeket a 4.1.3.2. pontban az elektrotechnikanézőpontjából közelítettük meg, amit azonban viszonylag egyszerűenát lehet ültetni a kémiai termodinamika szemléletmódjára. Afolyamatok gyakoriságát és sebességét – így például a kémiaiáramforrások által leadott áram nagyságát – reakciókinetikai alaponlehet meghatározni. A határrétegekben kialakuló potenciálkülönbség,például az elektródpotenciál, pedig nem más, mint a vizsgáltrészecske kémiai potenciáljának különbsége a határréteg két oldalán.

A kémiai termodinamikában az állandó nyomáson lezajló reakciókvizsgálatára gyakran használják a G szabadentalpiát, amittermodinamikai potenciálnak is neveznek. Ennek mólnyi mennyiségre

222

vonatkoztatott értéke a µ kémiai potenciál. A szabadenergia, illetve akémiai potenciál szabja meg a reagensek reakcióhajlamát (affinitás), areakciók lefolyásának irányát és az egyensúlyi állapotok kialakulását.

A szabadentalpia változását például egy n számú anyagból álló elegyV móltérfogatnyi mennyiségére a c koncentrációk figyelembevételévela

d d dG V p S T ci ii

n

= − +=∑µ1

összefüggés szolgáltatja. Ezt alkalmaztuk a 4.1.1. szakaszban azégés során felszabaduló hő számítására.

A reakcióhő csupán arról tájékoztat, hogy a vegyületek lebontásavagy szintetizálása mekkora energia-befektetést igényel (endotermfolyamat), illetve mennyi energia felszabadulásával jár együtt(exoterm reakció), arra már nem ad felvilágosítást, hogy mennyi időalatt játszódnak le e folyamatok. Az egyes összefüggések csupán areakcióhő közlésének, illetve felszabadulásának követésérealkalmasak, a reakciósebesség vizsgálatára a reakciókinetikaösszefüggéseire kell támaszkodni. A folyamatok mechanizmusa areakcióban részt vevő elemi részecskék kölcsönhatásának jellegén ésvalószínűségén múlik, ezért sok külső körülmény befolyásolja.Szerepe van az anyagok halmazállapotának, a reagensekkoncentrációjának és keveredésének, a hőmozgást befolyásolóállapotjellemzőknek – így a hőmérsékletnek és a nyomásnak –, akölcsönhatást előmozdító katalizátoroknak vagy azt gátlóinhibitoroknak stb. Katalizáló vagy inhibitáló hatása nemcsak areakciótérben levő anyagoknak lehet, hanem más fizikai hatásoknakis, pl. fénysugárzásnak, más elektromágneses hullámoknak,hanghullámoknak, villamos vagy mágneses erőtérnek, mechanikaifeszültségnek. A reakciósebességet növelő hatások előidézésetöbbnyire energiabefektetést igényel, az anyagokat melegíteni kell,növelni szükséges a gázok nyomását, intenzív keverésre van szükségstb.

Bonyolítja a viszonyokat, hogy egyes paraméterek a reakcióhőnagyságát is befolyásolják, ezek közül a hőfokfüggés a legjelentősebb.(A reakcióhő változása megegyezik a belső energia változásával.)Számos reakció az állapotjellemzőknek csupán meghatározotttartományában jön létre, és sok reakciót csak katalizátorokkal lehetlefolytatni. A reakcióhőt nemcsak hő formájában lehet közölni, hanemegyes reakciótípusoknál részben vagy egészben más energiaformávalis. Fénykvantumok, radioaktív sugárzás kvantumai, villamosangerjesztett állapotváltozások, hangenergia fononjai szintén szerepetkaphatnak az energetikai kölcsönhatásban. Az endoterm reakciókhoz

223

rendszerint a reakcióhőnél nagyobb aktiválási energiát kell közölni, akülönbség a reakció bekövetkezte után természetesen felszabadul.Ennek az a valószínű magyarázata, hogy a molekulákat az újkapcsolat kialakulásához előbb atomokra kell szétválasztani vagylegalábbis az eredeti molekulán belüli kötőerőket lényegesen fel kelllazítani. A katalizátorok nem szerepelnek a kiinduló anyagok és areakciótermékek között, szerepük az aktiválási energia közlésénekmegkönnyítése. Átmenetileg kölcsönzik az aktiválási energia és areakcióhő különbségét vagy lehetővé teszik az aktiválási energiabevezetését több lépcsőben. Hatásukra a reakciósebesség többnagyságrenddel is megnőhet. A valóságos körülmények közöttlejátszódó bonyolult kémiai folyamatokat a kémiai termodinamikaösszefüggéseivel csak közelítőleg lehet követni, a viszonyok leírásáhozelengedhetetlen az empíria figyelembevétele.

A kémiai reakciók időbeli lefolyása egyrészt a reagensekkoncentrációjától, másrészt a kölcsönhatás valószínűségétől függ. A vreakciósebességet a c koncentráció időbeli változásával értelmezik, azi-edik reagens ci koncentrációjának változása általában a

vc

tK ci

ii

n

= ==∏d

dα

1

összefüggéssel írható le, ahol n a reakcióban részt vevő reagensekszáma, az α kitevő pedig a reakció típusától (homogén, heterogén,reakciók rendűsége) és az anyag sajátosságaitól függő állandó. Areakció valószínűségét a K együttható jellemzi:

K Ae

W

kTa

=−

ahol A a másodpercenkénti ütközések Wa aktiválási energia, k aBoltzman-állandó és T a hőmérséklet. A szerint, hogy az aktiválásthő, fény, radioaktivitás vagy hang energiája biztosítja,megkülönböztetnek termo-, foto-, rádió-, vagy akuszto-kémiaireakciókat.

23. táblázatKiinduló energiafajta Átalakítás módja

1. Kémiai másodlagos energiahordozó tüzelőanyagok előállítása(kőolajlepárlás, szénelgázosítás)elemek és vegyületek előállítása kémiai úton

2. Hő termokémiai reakciók3. Mechanikai reakciófeltételek befolyásolása a nyomással, keveréssel,

hangenergiával4. Villamos elektrokémiai folyamatok (elektrolízis, galvanizálás)5. Nukleáris radioaktív bomlás, magreakciók, anyagok besugárzása6. Sugárzás fotokémiai reakciók (fotoszintézis, fotolízis)

Az előzőekből érzékelhető, hogy a kémiai energiaátalakítást nemlehet a fizikai energiaátalakításhoz hasonló egyszerű, könnyen

224

áttekinthető sémákkal tárgyalni. Gyakran egyidejűleg többenergiafajta alakul át kötési energiává és a folyamatokban többféleenergiahordozó vesz részt. A 23. táblázat az előzőekkel analóg módoncsupán az elvi lehetőségeket tekinti át, a valóságban ezekátlapolódnak.

Minden reakciónál szerepe van a kémiai energiának, ami amolekulákat összetartó kötési energia, és ez változik a kémiaiátalakulás során. Az energiaváltozás mellett a reakció egyben azenergiahordozó változását is jelenti, hiszen a reakciótermék(ek)kémiai összetétele eltér a bevezetett anyagokétól. A reakciótermékekgyakran exoterm reakcióra képes anyagok, melyek a továbbifelhasználás során energiaforrás szerepét is betölthetik. Az energetikaszámára legnagyobb jelentősége a szekunder tüzelőanyagok ésmotorhajtóanyagok előállításának van. E szekunderenergiahordozókon túlmenően számos más anyagnak is nagy afűtőértéke pl. a szerves anyagoké, a robbanóanyagoké stb. Egyesvegyipari termékeket, mint a metanolt, hidrazint, hidrogént a jövőpotenciális energiahordozóinak is tekintik.

A legtöbb endoterm reakcióhoz hőt kell bevezetni. Ennek egyik céljaa reakcióhő biztosítása. Attól függően, hogy a reakciótérbe a hőtkívülről vezetik-e be, vagy egy másik kémiai reakció belülről fedezi, atechnológia alloterm vagy autoterm. A hő hatására lezajlótermokémiai reakciók körébe tartozik a pirolízis is, mely a vegyületeklebomlását jelenti hő hatására. Elég magas hőmérsékleten amolekulák ionokra disszociálnak. A hő bevezetés másik célja areakciófeltételek biztosítása. A reakciósebesség exponenciálisanváltozik a hőmérséklettel, viszonylag kis hőfokkülönbségnagyságrendi változást idézhet elő a reakciósebességben. Sok reakcióvalószínűsége szobahőmérsékleten elhanyagolhatóan kicsi,számottevő mennyiségű reakcióterméket csak magasabbhőmérsékleten lehet előállítani. Ehhez a reagenseket hőközléssel felkell melegíteni.

A mechanikai munkát főleg a reakciófeltételek javításárahasználják. Gázokban a kölcsönhatás valószínűségét növeli a nyomásfokozása, ezért számos reakciót nagy nyomáson futtatnak le. Ezt areakciótérbe vezetett gáz kompressziós munkája fedezi, ami pl. akorszerű nagy ammóniagyárakban 1 t ammóniára számítva 2,7 GJ.Egyes reakciókat ultrahanggal is ki lehet váltani, sőt az aktiválásienergia egy részét is fedezhetik a hanghullámok.

Az aktiválási energiát fénykvantum formájában igénylik a fotokémiaireakciók. Ezek között mind molekulák felépítése (fotoszintézis), mindmolekulák lebontása (fotolízis) előfordul. A fotoszintézis legfontosabbválfaja a növények anyagának felépülése, ami a földi élet alapja.

225

Fosszilis tüzelőanyag-készleteink eredete is erre a folyamatravezethető vissza. Egyelőre az alapkutatások szintjén keresik az utat afotoszintézissel szénhidrogének mesterséges előállítására is. Nagyreményeket fűznek ahhoz, hogy egyes baktériumok fény hatásárahidrogént fejlesztenek. Kezdeti sikereket értek el a foto-elektrokémiaiátalakítások terén is, egyes félvezető folyadékok határfelületén fényhatására villamos töltések alakulnak ki, amit vízbontássalhidrogénfejlesztésre lehet hasznosítani. A folyamat energetikaihatásfoka azonban még az 1 %-ot sem éri el. Ugyancsak sikerült foto-elektrokémiai átalakítást előidézni biológiai rendszerekkel is(kloropaszt membránok). A fotokémiai reakciók közvetlen iparihasznosítása viszonylag szerény keretek között mozog, a fotoszintézistegyes mosószerek gyártásánál, néhány kolloid vegyület előállításánálalkalmazzák, a fotolízisre alapul a fényképezés és néhánynyomdatechnikai eljárás. A fénynek katalizátor szerepe is lehet, ezérvényesül az ólomkamrás salétromsav-gyártásnál, egyes műanyagoklebomlásánál. Hasonló hatása lehet más elektromágnesessugaraknak is.

Sok irányban bővül a radioaktív sugárzásokkal aktivált sugárkémiaireakciók alkalmazása (monomerek polimerizálására, láncmolekuláktérhálósítására stb.), radiolízissel vizet is lehet bontani. Maga aradioaktív bomlás és az egyéb magreakciók is kémiai átalakulásokatjelentenek, hiszen rendszám- és/vagy tömegszám-változással járnak.Ezek az átalakulások azonban tulajdonképp már magfizikaijelenségek, a radiokémia beleolvad a nukleáris energetikába. Aztérdemes még megemlíteni, hogy a magátalakulásoknak továbbgyűrűző hatása van a vegyületképződési hajlamra is.

Az elektrokémiai folyamatok a villamos és a kémiai energia közöttbiztosítják az átalakítási lehetőséget. A kémiai áramforrásokatbemutató 4.1.3.2. pontban a villamos áram előállítására használtrendszereket ismertettük. A szekunder áramforrások regenerációjasorán ellentett irányú energiaátalakítás is történik, a villamosenergiát alakítják át kémiai energiává.

Technológiai célokra főleg az elektrolízist használják, a befektetettvillamos munkával kémiai kapcsolatokat bontanak meg. Elsősorbanaz ionos kötésű vegyületek folyékony halmazállapotban vagy oldatbanhajlamosak arra, hogy ionokra disszociáljanak, a villamos erőtér ezt afolyamatot ösztönzi és az ionokat az elektródokra szállítja. A villamosáramot az ionok vándorlása hozza létre, ami egybenanyagtranszportot is jelent. Az elektródokon kiváló Q töltés és Manyagmennyiség

Q

MzeN=

226

arányát a Faraday-törvény írja le, abban z a vegyérték, e az elektronvillamos töltése és N = 6,03∙1026 az 1 kmol-nyi tömegben levőmolekulák száma (Loschmidt-szám). A folyamat az elektrolitban és azelektródokon gyakran szekunder kémiai reakciókkal párosul, amimódosítja az elektródokon kiváló ionok jellegét. Az anódonrendszerint oxidáció, a katódon pedig redukció zajlik le, a katódon H2

vagy fémek (esetleg bázismaradékok), az anódon O2 vagysavmaradékok válnak ki.

Elektrolízissel állítja elő a fémkohászat számos termékét olvasztottsókból (alkáli fémeket és alkáli földfémeket, pl. Al, Na, Mg) vagyoldatba vitt fémsókból (pl. Zn, Cu). Használják nagy tisztaságú fémekelőállítására (Cu, Ag) és fémes bevonatok kialakítására(galvanizálással Sn, Ni, Cu, Cr, Cd, nemesfémek felvitele). Számosvegyipari termék termelésére is használatos pl. konyhasóoldatbólklór, marónátron és hipoklór gyártása, az elektródon lefolyó oxidációkiaknázásával perszulfát, perklorát, ferriciánkáli előállítása stb.

Hőerőművi rendszerekben az elektrolízist alacsony energetikaihatásfok jellemzi, ezért csak olyan termékek előállítására használják,melyeket más módon gazdaságosan nem tudnak gyártani. Azelektrolízisre felhasznált energia hazánkban 5,5 PJ/év, aminek 90 %-át alapanyagok előállítására fordítják. Ezen belül is a legnagyobb tétela fémalumínium előállítása bauxitból (90 %), a többit főleg a vegyiparitechnológiák teszik ki, melyek közül a klóralkáli-elektrolízis alegenergiaigényesebb.

4.1.5. Magreakciók gerjesztése

A magreakciók energetikai szerepével a 3.2.1.6. pont foglalkozottérintve a legfontosabb energiaátalakítási utakat is. Az elemirészecskék világában az energiafajták megkülönböztetése értelmétveszti. A kvantummechanika törvényei alapján az elemi részecskékegyaránt felfoghatók mozgó tömegnek vagy elektromágnesessugárzásnak, a hőt az elemi részecskék mozgása reprezentálja, arészecskék ütközése módosítja a kötési energiát a magban, vagytöltéshordozók keletkezésére vezethet, a mozgási energia villamospotenciálban fejezhető ki stb. Így erőltetett lenne az energiaátalakításilehetőségeket a többi energiahordozó típushoz hasonló bontásbantárgyalni és e makroszkopikus szemléletmód fizikailag nem is lenneszabatos. Az energiaviszonyokat az elemi részecskék kölcsönhatásátleíró magreakciók

MW

cM

W

ci

i

k

jj

l

= =∑ ∑+ = +1

12

1

22

227

egyenletével lehet követni. Az egyenletben a kölcsönhatásban résztvevő atomok és elemi részecskék tömege a reakció előtt Mi, a reakcióután Mj, W1 a reakció során közölt, W2 pedig a felszabaduló energia, ca fénysebesség. A reakció következtében a tömegek összegemegváltozhat, de a nukleonok száma változatlan marad, legfeljebb azennél kisebb elemi részecskék (pl. elektronok) száma módosul,viszont a villamos töltések összege ugyancsak állandó marad. Atömegváltozás a W2 – W1 energiakülönbség nagyságától és előjelétőlfügg, ezt az atommagon belüli kötési energia változása fedezi.Spontán folyamatoknál, pl. a radioizotópok bomlásánál W1 = 0, agerjesztett magreakcióknál a W1 energiát elemi részecskék közvetítikütközés útján. Ezek energiáját többféle hatással lehet befolyásolni, pl.hőközléssel, villamos vagy mágneses erőtérben történő gyorsítással,nukleáris reakcióval, elektromágneses sugárzással, ami tulajdonképpenergiatranszformációt jelent. Kis energiájú kölcsönhatás csak arészecskék mozgásmennyiségét változtatja meg vagy az atomelektronburkában okoz változást (gerjesztés, ionozás stb.), nagyenergiájú kölcsönhatás a mag felépítését módosítja (részecskebefogás,maghasadás, proton átalakulása neutronná stb.).

Energetikai szempontból azok a magreakciók érdekesek, melyekenergia felszabadulásával járnak (W2 > W1). Ilyen reakciók jellemzik afissziót és fúziót, valamint a spontán radioaktív bomlást. Az ilyenreakciókra képes anyagok egy része a természetben találhatóelsődleges energiahordozó, a többit mesterségesen állítják elő,magreakciók útján. Ennek sokféle útja van, a W1 energiát közlő elemirészecskék jellege, eredete, valamint energiájuk befolyásolásánakmódja szerint. E helyen csupán néhány, az energetika számára fontospéldát említünk.

Jelenleg a legfontosabb transzformáció a tenyészanyagokátalakítása hasadóanyaggá, neutronbefogással, ami a rendszám és atömegszám változását idézi elő. Ez nukleáris reaktorokban történik, aneutronok a láncreakcióból származnak és energiájukat is abbólnyerik. Így alakítható át a 232Th-izotóp 233U-á, vagy az 238U 239Pu-izotóppá. Ugyancsak neutronokkal kívánják a fúzióhoz szükségestríciumot előállítani, arra alapozva, hogy a 6 és 7 tömegszámúlítiumizotóp bizonyos energiájú neutronokkal ütközve tríciumra éshéliumra hasad. A mesterséges radioizotópok is magreakcióktermékei, előállításukhoz a stabilis izotópokat nukleáris reaktorbanneutronokkal sugározzák be, vagy egyes esetekbenrészecskegyorsítókkal felgyorsított nagy kinetikus energiájú töltöttrészecskékkel bombázzák. A radioizotópokat mint α-, β- és γ-sugárforrásokat hasznosítják.

228

5. ENERGIA MENEDZSMENT

Az eddigi fejezetekben az energiaátalakítás és -felhasználás műszakirészleteivel ismerkedtünk meg. A következőkben sorra vesszük azokata stratégiai és szervezési lehetőségeket, melyek elősegítik azenergiafelhasználás hatékonyságának növelését. Ezek amenedzsment technikák segítséget nyújtanak a meglévő és üzemelőrendszerek energetikai elemzéséhez, hatékony útmutatást adnak aszükséges beavatkozások megtervezéséhez és végrehajtásához.Ismertetjük az egyes gazdasági szervezetek energiagazdálkodást felelőszemélyének – főenergetikus – feladatait és lehetőségeit.

5.1. Stratégiai megközelítés

A vállalatok számos különböző módon közelíthetik meg azenergiagazdálkodás kérdését. Hogy hol helyezkedik el azenergiagazdálkodási osztály, kik dolgoznak ott és hogyanfinanszírozzák, illetve milyen kapcsolatban áll a vállalat többirészévei, ezek olyan kérdések, amelyekre nincs egyetlen lehetségesválasz, a lehetőségek skálája széles. Az általunk elfogadandó stratégiaaz egyedi helyzetünk függvénye; elsősorban a szervezetünk vállalatikultúrájától függ, valamint attól, hogy milyen fejlettségi fokot ért el azenergiagazdálkodás területén.

5.1.1. Az energiagazdálkodás fázisokra bontása

Az energiagazdálkodási tevékenységek kialakítása világos fázisokrabontható. Tekintet nélkül arra, hogy első ízben vezeti be azenergiagazdálkodást vagy a jelenlegi tevékenységeit igyekszik javítani,bármely vállalatnak tisztában keli ezzel lennie és ennek fényében kellerőfeszítéseket tennie. A folyamat egymást átfedő fázisokösszességeként képzelhető el:

1. fázis: az energiafogyasztás ellenőrzés alá vétele

2. fázis: energiamegtakarítást célzó beruházások

3. fázis: a fogyasztás feletti ellenőrzés fenntartása

1. fázis

Az energiagazdálkodás első célja szükségszerűen az, hogy ellenőrzésalá vegye a fogyasztást és a költségeket a vállalat főenergiafogyasztóinak meghatározásával, valamint a pazarlástelkerülő, költséggel nem járó módszerek bevezetésével.

– Beszerzési stratégiák: Tekintsük át az energiahordozó, illetveárkiválasztási lehetőségeket annak érdekében, hogy biztosíthassuk

229

a legmegfelelőbb energiaforrások igénybevételét és azoklegelőnyösebb áron való beszerzését.

– Üzemeltetési gyakorlatok: Vizsgáljuk át a kazánházi, fűtési,világítási és szellőztetési ellenőrző stratégiákat, hogy biztosíthassuka meglévő üzem és berendezés maximális hatásfokon valóüzemeltetését.

– Motiváció és képzési gyakorlatok: Tekintsük át azenergiatudatosságfejfesztő kampányokat és úgy alakítsuk át aképzési programokat, hogy megfelelő útmutatást nyújthassunk amegfelelő energiagazdálkodási módszerekről a vállalat összesdolgozójának, elsősorban azoknak, akiknek tevékenységeibefolyásolják a fogyasztást.

2. fázis

Amennyiben a meglévő üzemet, épületeket sikerült ellenőrzés alávonni és a nyilvánvaló túlfogyasztást megfékezni, figyelmünket olyanenergiamegtakarítási intézkedések felé fordíthatjuk, amelyekerőforrások beruházását teszik szükségessé.

Beruházási gyakorlatok: Tekintsük át a jobb energiahatékonyságotcélzó beruházási lehetőségeket és rangsoroljuk azokat a szükségestőkebefektetés, illetve előrevetített megtérülési rátájuk szerint.

A rendelkezésre álló erőforrások alapján olyan munkaprogramottervezzünk, amely a beruházás legjobb megtérülését eredményeziannak érdekében, hogy fedezzük az energiagazdálkodásitevékenységek költségeit és újra beruházható megtakarításokatérhessünk el.

Általánosságban szólva, a 2. fázis kezdeti stádiumaiban ez arra fogvezetni, hogy a beruházást alacsony vagy közepesköltségtartományba eső intézkedésekre korlátozzuk. Mégis, a könnyűmegtakarítást eredményező lehetőségek kimerítése után lépéseketkell tennünk az alacsonyabb megtérülési rátát eredményezőberuházások megvalósítása érdekében is.

Úgy tűnhet, hogy a vállalatok végül elérkeznek egy olyan ponthoz,ahol új beruházás nem vezet további megtakarításokhoz. Valójábanaz új és hatékonyabb technológiák kiegészítő beruházásokatigényelnek.

3. fázis

Amennyiben az 1. és 2. fázis beindult, arra kell összpontosítani afigyelmünket, hogy ellenőrzés alatt tartsuk beruházásunkat ésvédelmezzük azt. Ez azt jelenti, hogy hatékony energiagazdálkodásiinformációs rendszert hozunk létre és működtetünk, amely

230

tartalmazhat egy számítógéppel vezérelt nyomon követő éscélmeghatározó rendszert.

Energiagazdálkodási információ: Tekintsük át az adatgyűjtési,feldolgozási és visszacsatolási eljárásainkat, mechanizmusainkatannak érdekében, hogy biztosíthassuk, hogy az információ eljutazokhoz, akiknek szükségük van rá, méghozzá időben és olyanformában, amely támogatja a vezetői döntéshozatalt, melynekeredményeképpen

– a fogyasztás ellenőrzés alatt tartása fenntartható,

– az elért energiamegtakarítások megőrizhetők,

– a bevezetett energiamegtakarítási beruházások védelmezhetők.

Állandó folyamat

Hogy mennyi időt kell szánnunk az 1. és 2. fázisnak az attól függ,hogy mennyi problémával kell megbirkóznunk, valamint, hogyvállalatunk mennyi erőforrást hajlandó rendelkezésünkre bocsátani.Ha a beruházott szakértelem és anyagi erőforrás elégtelennekbizonyul. a vállalat valószínűleg nem lesz képes csökkentenienergiafogyasztását, illetve nem tudja ellenőrzés alá vonni azt. Némelyesetben még visszaesés is tapasztalható.

Ha a felső vezetés nem nyújt állandó támogatást, nem állrendelkezésre a szükséges anyagi erőforrás, és nem megfelelőszínvonalat képviselnek az energiagazdálkodási szakemberek, azellenőrzés kudarcba fog fulladni. Amennyiben így alakulnak a dolgok,a vállalat rosszabb helyzetbe kerülhet, mint amelyet azenergiamegtakarítási erőfeszítések beindítását megelőzően foglalt el.Ennek az az oka, hogy miután kísérlete kudarcélménybe torkollott, amásodik próbálkozáskor nehezebb lesz:

– meggyőzni a felső vezetést, hogy további időt és pénzt fektessen beaz energiagazdálkodás sikeres megvalósítása érdekében,

– rábírni a vállalat egyéb dolgozócsoportjait arra, hogy komolyanvegye az energiamegtakarítás kérdését.

A gyakorlatban az 1. és 2. fázis sohasem ér teljesen véget. Azellenőrzés megvalósítása és fenntartása dinamikus folyamat.Bizonyos idő elteltével azt tapasztaljuk, hogy újra vissza kellnyernünk ellenőrzésünket a folyamat fölött, mivel a fogyasztókveszítenek energiatudatosságukból vagy új ellenőrzési rendszereketkell bevezetnünk. Hasonlóképpen a technológiai változásokeredményeként állandóan felül kell vizsgálnunk az új intézkedésekbevezetésének előnyeit.

Meg kell érteni a változásokat

231

A Főenergetikus egyik feladata. hogy részt vegyen a vállalatát érintőváltozások bevezetésében. A szervezeti változtatások meglehetősen jólelőrevetíthető cikluson mennek keresztül:

– a teljesítmény javításának óhaja cselekvésre sarkall,

– a bizonytalanság kreatív gondolatokat szül,

– a probléma átgondolása lehetővé teszi számunkra a változtatást,valamint

– a jobb ellenőrzés jobb gyakorlat kialakításához vezet.

Az első fázis akkor kezdődik, amikor a vállalat dolgozói változástakarnak bevezetni, vagy javítani akarják a teljesítményüket.Cselekvésre kerül sor, ami esetleg kockázattal jár. Ezbizonytalanságot szül, ami gyanakvást kelthet és végül akezdeményezés megtörését idézheti elő. De amennyiben a szóbanforgó dolgozók szembe tudnak nézni az ellentmondásokkal és abizonytalansággal, újra átgondolják a problémát és átlépnek a kreatívgondolkodás fázisába, amelyben a korábbi ellentmondásokategymással összevetik és felfedezik a megoldásokat. Ez az új meglátásrutinszerűvé válhat, amint a dolgok elintéződnek. Ezek után a vállalata stagnálás fázisába kerülhet, mígnem valaki új változásokat javasol,ami ismét beviszi a vállalatot az előbb leírt ciklusba.

A főenergetikus egyik legfontosabb feladata annak előmozdítása,hogy az emberek hozzáállása és viselkedése az energiamegtakarításfelé terelődjék. Ilyenfajta kérdéseket kell feltenni magunknak:

– milyen mértékben tudjuk kihasználni a vállalat jelenlegikultúráját?

– van mód arra, hogy megszabaduljunk a vállalat fejlődését gátlókorlátoktól?

– kell-e, és ha igen, tudunk-e változtatni a vállalatunkon?

– mennyire vagyunk mi magunk képesek arra, hogy megváltoztassukvagy jobb irányba tereljük a vállalat működését?

Vállalati kultúra

A fenti kérdések megválaszolásához meg kell értenünk ama vállalatkultúráját, amelynél dolgozunk. Az energiagazdálkodásnak azonviselkedések és szokások együttes légkörében kell működnie, amelyeka szervezet kultúráját formálják. Ezek a viselkedésformák magukbafoglalják a vállalat célkitűzéseivel kapcsolatos elképzeléseket, ahatáskörök elhelyezkedését, valamint a kedvelt vezetési stílusokat.Fontos kérdés, hogy hogyan szokták teljesíteni a kéréseket, milyenkörültekintéssel járnak el, melyek a teljesítményértékelés és adolgozói teljesítményösztönzés bevett eljárásai, amennyiben

232

megpróbáljuk befolyásolni vagy megváltoztatni az emberekhozzáállását és viselkedésformáit.

Ebben a tekintetben kétféle gondolkodásmód terjedt el. Az egyikelképzelés az, hogy mivel a vállalatok felépítése bonyolult, csak azt arugalmas megközelítést, amely specifikus vállalati kultúrakialakítását teszi lehetővé, koronázhatja siker. Az ezzel ellentétesnézet arra mutat rá, hogy a vállalatok túl bonyolult felépítésűekahhoz, hogy teljesen megérthessük azt, ezért az energiagazdálkodásirendszereknek elég masszívaknak kell lenni ahhoz, hogy bármifélekultúrában működni tudjanak. Hogy a rugalmas vagy a masszívmegközelítés fog jobban működni, természetesen az adottkörülményektől függ. A gyakorlatban azonban bármennyire masszívenergiagazdálkodási rendszert alakítunk is ki, sikere attól függ, hogymilyen jól van összehangolva az adott szervezeti kultúrával.

Az adott vállalat kulturális légköre aszerint változik, hogykörnyezetében mekkora a bizonytalansági tényező és milyenidőhatárok közt kell működnie. Például az a vállalat, amely egyiknapról a másikra él bizonytalan piaci viszonyok között, merőben másvezetési stílust igényel, mint egy olyan szervezet, mely stabilkörülmények között, hosszú távú időhorizontra való kitekintésseltevékenykedik.

Ha ezt az elgondolást hálós ábrázolásmódban jelenítjük meg, négy„tipikus” kulturális formát nyerünk: vállalkozó, csapat, hierarchikusés piaci (32. ábra).

A vállalati kultúra eme megközelítése meglehetősen elvont, ezért akövetkező négy szervezet Repülőtér, Áruház, Gázszolgáltató vállalat ésVárosi Önkormányzat segítségével illusztráljuk a meglévőkülönbségeket. Azért választottuk ezt a négy szervezetet, mert bármind a négy jó gyakorlatáról ismert, meglehetősen különböznekegymástól a tekintetben, hogy energiagazdálkodási kérdésekbenhogyan osztják le a hatásköröket, milyen stílust honosítottak meg,kik a felelősek és hogyan rendelkeznek a finanszírozásról.

A Repülőtérnél például az energiagazdálkodás az Ellenőrzési Osztályfeladatkörébe tartozik, főenergetikusuk hibakereséssel foglalkozik,figyelmét a veszteségek csökkentésére és az energiamegtakarításiberuházások lehetőségeinek feltárására összpontosítja.

Ezzel szemben a Városi Önkormányzatnál az Energiaegység hétemberből áll, akik a Tervezési és Építési Szolgáltatások dolgozói.Tanácsadási szolgáltatásokat nyújtanak térítés ellenében azÖnkormányzat különböző osztályainak és az iskoláknak, de nemrendelkeznek saját költségvetéssel az energiahatékonyságiberuházások kivitelezésére.

233

CSAPAT VÁLLALKOZÓI

HIERARCHIKUS PIACI

tervezéshosszútávú rövidtávú

bizonytalansá

magas

alacsony

32. ábra. A „tipikus” kultúratípusok hálós ábrázolása

1. A vállalkozótípusú kultúra

Az innováció és a növekedés a vállalkozótípusú kultúramegkülönböztető jegyei. A szervezet kifelé tekintő, tervezése rövidtávú és elviseli a bizonytalansági tényezőt. A vezetés karizmatikus, azelszámoltatás személyes kapcsolatrendszerben történik. Az emberekintuíciójukra és megérzéseikre hagyatkoznak. Gyorsan hoznakdöntéseket, de továbbra is gyűjtenek információt és menetközbenmódosítják terveiket. Ezek a szervezetek rugalmas struktúrákkalrendelkeznek és dolgozóikat a változatosság és a kockázatvállalásmotiválja. Az ilyen vállalatok főenergetikusának optimális stratégiájaaz, hogy

– megszerzi a vezérigazgató támogatását ahhoz, hogy a szervezetminden részére kiterjeszthesse hatáskörét, valamint

– fő energiafelhasználókra összpontosítja figyelmét és olyanberuházási programot dolgoz ki, mely gyors megtérülésteredményez.

2. A csapat-típusú kultúra

A csapattípusú kultúrákat a részvétel és együttműködésmegkülönböztető jegyei jellemzik. A szervezet befelé tekintő, atervezés hosszútávra történik és eltűri a bizonytalanság jelenlétét. Avezetés nem beavatkozó és támogató természetű, az elszámoltatásösszejövetelek keretében történik. A döntéshozatalkor a dolgozók időtszánnak az eltérő vélemények meghallgatására és a különbözőnézőpontokat egységesítő megoldásokat keresik. Ezekre aszervezetekre a rugalmas struktúra jellemző és dolgozóitegyüttgondolkodás ösztönzi.

Az ilyen típusú szervezeteknél dolgozó főenergetikus optimálisstratégiája az, hogy

– energiahatékonysági bizottságot állít fel az összes érdekelt osztályképviseletével, melynek feladata az energiapolitika kidolgozása, és

– energiaügyi képviselőket nevez ki, akik segítségével a dolgozókbevonhatók a politika megvalósításába.

234

3. A hierarchikus-típusú kultúra

A struktúra és az ellenőrzés a hierarchikustípusú kultúramegkülönböztető vonásai. A szervezet befelé forduló, hosszú távratervez és előnyben részesíti a biztonságot. A vezetés konzervatív és ahatásköröket szabályzatban rögzítik. Az elszámoltatás formális ésképviseleti rendszeren keresztül valósul meg. A döntéshozatalifolyamatra jellemző, hogy a dolgozók általában hosszú ideig gyűjtik éselemzik az információt, mivel céljuk az egyetlen optimális megoldásmegtalálása. Az ilyen szervezetek jellemzője a jói körülhatároltstruktúrák jelenléte és a dolgozókat a tervezhetőség és a biztonságmotiválja. A főenergetikus optimális stratégiája az ilyen típusúvállalatnál

– olyan energiagazdálkodási rendszer kidolgozása, melynek helyevilágosan körülhatárolt a struktúrában és pontosan meg vannakhatározva az elszámoltathatóság és a jelentéstétel útjai és eljárásai,

– olyan átfogó információs rendszerek kialakítása, amely nyomonköveti a fogyasztást és jelenti a hibákat.

4. A piaci-típusú kultúra

A termelékenység és a teljesítményszemlélet jellemzi a piaci-típusúkultúrákat. A szervezet kifelé tekintő, rövid távon tervez ésfontosságot tulajdonít a biztonságnak. A „főnök” a hatalomletéteményese, de magas fokon valósul meg a hatáskörök leosztása ésa feladatok decentralizálása, ugyanakkor a fegyelem általábanszigorú. A dolgozók hajlamosak a gyors és végleges döntésekmeghozatalára és a cselekedeteiket a rátermettségre és racionálisokfejtésre való hagyatkozás vezérli. Az ilyen szervezetek jólkörülhatárolt struktúrákkal rendelkeznek és dolgozóikat az észszerűcélok elérése sarkallja.

A főenergetikus optimális stratégiája a következő:

– költségközpontok kialakítása a szervezeten belül, melyek felelőseksaját területük energiagazdálkodásáért és meghatározottköltségvetéssel rendelkeznek

– rutineljárások kidolgozása, melyek segítségévei tájékoztatják afelhasználókat tényleges energiafogyasztásukról, összevetve azelőirányzatokkal.

Az emberek nem egyformán érzik jól magukat az itt vázolt kulturálislégkörökben. A teljesítményközpontú személy előnyben részesíti apiaci-típusú kultúrát, amely azonnali cselekvést követel, de ahol abiztonsági fok magas. A megerősítést igénylő embertípus mindenbizonnyal a csapattípusú kultúrát kedveli, amelyben a cselekvésiszükségszerűség kevésbé markáns és kisebb a biztonság is, a

235

hangsúly viszont az együttműködésen van. A részletekre kiterjedővezetési stílus többé-kevésbé mindegyik kultúrának megfelel.

A vállalati struktúra és a vezetési stílus közötti kapcsolat nagyfontossággal bír a főenergetikus számára. Annak a kultúratípusnak ameghatározása, amelyben tevékenykednünk kell, segíthet alegmegfelelőbb stratégia és stílus megválasztásában, melynekalkalmazásával munkánkat a felső vezetés elé tárjuk és a dolgozókatenergiamegtakarításra serkentjük.

5.2. Energiapolitika

Számos vállalat létezik, néhány közülük igen fejlettenergiagazdálkodással rendelkezik, amely eddig még nem érezteszükségét annak, hogy formális energiapolitikát dolgozzon ki. Ezeknéla vállalatoknál egyetértenek az energiafelhasználásért felelős éselszámoltatható szervezet szükségességével, de létrehozása nemtörtént meg.

De amíg az energiamegtakarítás iránti elkötelezettség csaknemhivatalos vagy véletlenszerű alapon funkcionál, tévútra terelődhetvagy hatása csökkenhet, amennyiben személyi változások történnek afelső vagy középvezetők, vagy éppen az energiaügyi szakembereksoraiban. Ahol az elkötelezettség informális, egy élenjáró vagykulcsfontosságú döntéshozó elvesztése a fent említett bármelyikszinten alááshatja a vállalat energiagazdálkodási tevékenységeit.

Ezen felül, hacsak az elkötelezettséget formálisan el nem fogadják,fennáll annak a veszélye is, hogy egyéb, átmenetileg sürgetőbbprioritások sajátítják ki maguknak az energiafogyasztásellenőrzésének szentelt figyelmet, legyen az a vezetés ideje, vagy pedigaz emberi, illetve anyagi erőforrások odaítélése.

Az energiamegtakarítás iránti elkötelezettség csak nehezenfoglalható bele az alkalmazottak teljesítményértékelésébe, kivéve haaz energiafogyasztással kapcsolatos felelősségeket éselszámoltathatóságot világosan írásba foglalják és rutinszerűen azösszes érintett dolgozó rendelkezésére bocsátják. Kidolgozottenergiapolitika nélkül a vállalat energiafogyasztásánakkézbentartására tett kísérleteket veszélybe sodorhatják

– a vállalat dolgozói sorában beállott személyi változás és/vagy

– a vélt prioritásokat érintő változtatások.

A cél

A formálisan írásba foglalt energiapolitika

– nyíltan kifejezésre juttatja a vállalat elkötelezettségét azenergiamegtakarítás és a környezetvédelem iránt, egyszersmind

236

– munkaanyagként szolgál a vállalat energiagazdálkodásitevékenységének irányításához és garantálja a folytonosságot.

A vázolt két célkitűzés azt sugallja, hogy a vállalat energiapolitikájátkét részben célszerű megfogalmazni. Az 1. rész, az elkötelezettségkifejezése és az alapelvek összefoglalása, publikálható és terjeszthető.A 2. rész, a részletes működési politika, kereskedelmi szempontbólérzékeny információt is tartalmazhat, ezért csak a vállalaton belülérdemes azt közreadni.

A részletezett okoknál fogva a vállalat elsőrendű érdeke, hogy azenergiagazdálkodást támogató szándékát, elkötelezettségétdemonstráló formális, írott dokumentumba foglalja, amely kiegészülvilágosan megfogalmazott célkitűzésekkel, az elérésüket szorgalmazóakciótervvel, valamint a felelősségek egyértelmű leosztásával.

Ezen felül még négy ok szól amellett, hogy a főenergetikuserőfeszítéseket tegyen annak érdekében, hogy a vállalat formálisírásba foglalt energiapolitikát dolgozzon ki és fogadjon el.

1. Nagyobb valószínűséggel érünk el energiamegtakarítást akkor, hamind nekünk, mind pedig a vállalatunknak rendelkezésre állannak a világos megfogalmazása, hogy milyen eredményt várnak eltőlünk.

2. A vállalatunk jobban fogja értékelni munkánkat, hateljesítményünket összevetheti a közös megegyezéssel kidolgozottprogrammal és célkitűzésekkel.

3. Tevékenységeink megvalósítása nagyobb hatásfokot ér el,amennyiben megtelelő emberi és anyagi erőforrásokat biztosítanakszámunkra.

4. Tevékenységeinket nagyobb valószínűséggel fogadják el éstámogatják a vállalatunk különböző szintjein, ha azok a felsővezetés formális támogatását élvezik.

Az energiapolitika perspektívái

Az energiagazdálkodás csupán eszköz egy adott cél elérésérevédelmet nyújt szervezetünknek, hogy tevékenységeit energiaellátásizavarok nélkül folytathassa, valamint hogy elkerülhesse aszükségtelen energiaköltségeket.

Vállalatunk nem működhet a megfelelő minőségű, mennyiségű ésárfekvésű energia rendelkezésre állása nélkül. De még ezenkívánalmak teljesülése esetén is az energiapolitikai célkitűzésekcsupán másodlagos fontossággal bírnak a vállalat által meghatározottkulcsfontosságú célokkal való összehasonlításban. Mivel az utóbbilehetősége idő függvényében változik, hasonlóképpen fog változni azenergiapolitikának tulajdonított fontossági fok is.

237

Energiamegtakarítási erőfeszítések nem tehetők anélkül, hogy kellőfigyelmet fordítanánk a vállalat működésének egyéb összetevőire,például a dolgozók hangulatára, a termelékenységre vagy azépületekkel kapcsolatos fűtési kockázatokra. Ugyancsak tekintetbekell venni egyéb olyan tágabb értelmű korlátokat, mint a végeserőforrások kimerülése, a környezetszennyezés vagy a környezetpusztulása. Általános vezérvonalként úgy fogalmazhatnánk, hogynagy gondossággal kell eljárnunk energiapolitikánk kimunkálásakor,és megvalósításakor kizárólag olyan utakat-módokat válasszunkamelyek védik egyrészt vállalatunk célkitűzéseit, másrészt egyébérdekeket is és így segítjük elő szervezetünk fejlődését.

Manapság egyre növekvő figyelmet szentelnek az energiapolitikánaka környezetvédelmi kérdésekkel kapcsolatos szélesedő aggodalommiatt. Megérett tehát az idő arra, hogy nyomást gyakoroljunkszervezetünkre vállalati energiapolitika kidolgozása és elfogadásaérdekében. Amennyiben ez már megtörtént, ösztönözni kell avállalatot hogy ezt a politikát hangolja össze a szervezet vállalatikörnyezeti stratégiájával, amennyiben létezik ilyesmi.

238

Energiapolitikai minta

Nincs két teljesen egyforma vállalat. Úgy kell tehát kidolgoznunkpolitikánkat, hogy az tükrözze a környezeti adottságokat, valamint avállalat specifikus tevékenységeit és prioritásait. Hasonlítsuk összeezt az energiapolitikai mintát a saját vállalatunk energiapolitikaicélkitűzésével, amennyiben készült ilyesmi. Elképzelhető, hogy annakbizonyos részei, kellő adaptációval, átültethetők a sajátvállalatunkéba. Ha szervezetünk még nem dolgozott kienergiapolitikai programot, próbáljunk meg mi magunk kimunkálniegyet az alábbi Tartalmi Útmutató segítségével. A másik lehetőség az,hogy módosítjuk a 5.2.3. szakaszban található energiapolitikai mintátúgy, hogy megfeleljen saját szervezetünk egyedi körülményeinek.

Tartalmi Útmutató

1. rész

1.1. A felső vezetés elkötelezettségének kinyilatkoztatása azenergiagazdálkodás iránt, valamint középvezetőkbevonásának deklarálása.

1.2. A politika általános megfogalmazása.

1.3. A célkitűzések részletezése, rövid és hosszabb távúcélokra bontva.

2. rész

2.1. Akcióterv, amely tartalmazza a munkaprogramotütemtervvel együtt.

2.2. A program teljesítéséhez szükséges költségekre lebontottforrásszükségletek, beleértve a humán erőforrássalkapcsolatos igényeket, a beruházási és képzésikívánalmakat.

2.3. A tevékenységekhez rendelt felelősség éselszámoltathatóság meghatározása. nevesítve azegyéneket vállalati besorolásukkal együtt.

2.4. Bármiféle létező energiagazdáikodási bizottsághatáskörének, felépítésének, tagságának és jelentésimechanizmusának leírása.

2.5. Az osztályok által a bizottságba delegált képviselők névszerinti felsorolása, a belső és külső kommunikációscsatornák körvonalazása.

2.6. Az ellenőrzési folyamat ismertetése, feltüntetve a teljesfolyamat és annak pénzbeni kihatásának felmérésiállomásait és mechanizmusait, valamint az

239

energiagazdálkodásba bevont szakemberek egyéniteljesítményének értékelési szempontjait.

Az energiapolitika kidolgozása

Az energiapolitika tényleges megszövegezése bizonyos mértékig azadott szervezet vállalati kultúrájától függ, de hatással lehet rá az ottbevezetett vezetési stílus is. Nagyobb a valószínűsége aenergiapolitikai célkitűzések széles körben való elfogadtatásának, haaz összes érintett félnek alkalma nyílt közreműködni annakmegfogalmazásában. Az energiapolitikát tartalmazó dokumentumotösszeállíthatja és megfogalmazhatja a főenergetikus, de ajánlatos aztosztályközi bizottsággal felülvizsgáltatni és módosíttatni. Fel kellkérni az osztályok képviselőit, hogy tegyenek javaslatokat azenergiapolitikai dokumentum első megfogalmazásakor, majd ismét afelülvizsgálatot követően.

A konzultációs időszakot annak kell szentelni, hogy kezdjük elmegszerezni a politika iránti elkötelezettséget a vállalat egészerészéről. Ideális esetben úgy járunk el, hogy az összes érdekcsoportérezze, hogy a kidolgozott politika ésszerű és az ő érdekeiket isképviseli. Mindennél fontosabb, hogy kerüljük el olyan helyzetkialakulását, amelyben valamely csoport úgy érzi, hogy megkérdezésenélkül kényszerítették rá a vállalat energiapolitikáját.

Az energiapolitika ratifikálása

Miután a politikát megszövegezték, fontos, hogy a vállalatformálisan is elfogadja és ratifikálja azt. Enélkül nehézségekbeütközhet ama erőforrások megszerzése, amelyekre szükségünk van azenergiagazdálkodási tevékenységek kivitelezéséhez.

Először a vállalatvezetésnek kell formálisan elfogadnia azenergiapolitikát. Ezt követően a dokumentum példányait el kelljuttatni az összes osztálynak és az érintett érdekcsoportoknak, majdgyűlésekre kerül sor, melyek során az energiapolitikát és annakhatásait elmagyarázzák a résztvevőknek. Itt ismét az a célunk, hogyjó kapcsolatokat építsünk ki az energiagazdálkodási szakemberek ésazon dolgozók között, akik befolyásolhatják munkánk eredményét.Ezeket a találkozókat célszerű arra is felhasználni, hogy részletesenmegtárgyaljuk azokat a marketing vagy képzési tevékenységeket,amelyekre a politika megvalósításához szükség lehet.

A bevonandó tevékenységek

Legelőször is biztosítanunk kell, hogy hatékonyan megtárgyaljukmindama tevékenységeket, amelyek szükségesek azenergiagazdálkodási munkaprogram általunk elért fázisánakmegvalósításához. Csak miután sikeresen számbavettük mindezeket,kerülhet sor egyéb kezdeményezések felkutatására.

240

Ha a vállalatunknál már beindultak energiagazdálkodásitevékenységek, nagy a valószínűsége annak, hogy először ezek atevékenységek a vállalaton belüli energiamegtakarítási erőfeszítésekrekorlátozódnak. De ugyanakkor növekvő nyomás nehezedik ránk, hogyne csupán energiaköltségek megtakarítására fordítsuk figyelmünket,hanem igyekezzünk javítani a szervezet környezeti teljesítményét is.Válaszképpen erre a kihívásra, szükség lehet szerepünkkiszélesítésére, hogy ne csak az épületek vásárlásába éskarbantartásába szóljunk bele, hanem a vállalat egyébenergiafogyasztási területeivel is foglalkozzunk.

Azok a területek, amelyek haszonnal alkalmazhatják a főenergetikusáltal felhalmozott tapasztalatokat, többek között a következők:

– a környezetszennyeződés csökkentése a széndioxid és freonemissziók lefaragásával, valamint a levegőminőség javítása azépületekben és azokon kívül,

– szállításnál felhasznált üzemanyag csökkentése,

– beszerzés, tekintettel az anyagok energiatartalmára,

– hulladékkezelés, mivel az elhelyezés, a rekultiváció és azújrafelhasználás energiavonzatokkal jár, és

– üzem és teleptervezésnél, hiszen számolni kell az épületekelhelyezkedéséből adódó szállítás energiaigényével.

A fenti területek többnyire kívül állnak a főenergetikusok jelenlegihatáskörein, néhány más viszont felelősségi körébe tartozik. Azonbanrelevanciával bír a vezetés számára az energetikai szakemberekenergiamegtakarítási erőfeszítései eredményeképpen felhalmozotttapasztalata. Igyekeznünk kell, hogy minket is bevonjanak legalább apolitika kimunkálási fázisába, amikor ezeket a tevékenységeketösszehangolják a vállalatunk átfogó környezeti stratégiájával.

A Városi Önkormányzat példája

A Városi Önkormányzat Energia Akciótervet adott ki 1990-ben,amely 80 tevékenységet tartalmaz, melynek célja az energiafogyasztás50 %-kal való csökkentése 2025re. A terv meghatározza minden egyestevékenység felelősét, valamint azok teljesítésének határidejét. Az1992ben közzétett második éves jelentés arra utal, hogy a megelőzőévben 2,5 %-kal csökkentették az energiafogyasztást.

A következő lépések

Hogy milyen következő lépésekre szánjuk el magunkat, függ

– attól a fázistól, amelyet az energiagazdálkodásiprogramunkban elértünk, valamint

241

– azoktól a kérdésektől, amelyeket a mátrixból azonosítottunkmint a következőkben megoldandó problémákat.

Bárhol legyünk is a jelen pillanatban, az állandó célkitűzésünk azenergiagazdálkodás stratégiai megközelítésének kialakítása legyen. Ezazt jelenti, hogy részt kell vennünk olyan hosszútávú beruházási ésszervezetfejlesztési program kidolgozásában, amely végsőeredményként beilleszti energiagazdálkodási tevékenységeinket

– a vállalatunk kömyezetgazdálkodási rendszereibe, valamint

– a mindennapi vezetői döntéshozatalba is.

Igen fontos, hogy ne legyünk túlságosan nagyravágyók. Haladjunklépésről lépésre, csak annyi munkát vállalva magunkra, amivel megtudunk gyürkőzni a jelenlegi humán és anyagi erőforrásainkratámaszkodva. Csak azokat a feladatokat célszerű elvállalniamelyekről tudjuk, hogy jó esélyünk van a sikeres teljesítésükre.Különösen fontos hogy ne tegyünk olyan ígéreteket, amelyeket nemtudunk betartani, mivel ez

– tönkreteszi ama hírnevünket, hogy hatékonyan szoktunkdolgozni és munkánk megéri a befektetést

– elrettenti az embereket attól, hogy ismét igénybe vegyékszolgálatainkat, valamint

– megnehezíti jövőbeni energiagazdálkodási tevékenységeinkfinanszírozását.

5.2.1. Szervezet

Az energiagazdálkodás az egész szervezetet átfogja és a főenergetikuscsak akkor tevékenykedhet hatékonyan, ha a vállalat mindenrészéhez hozzáférhet. De az energiagazdálkodásnak helyet is kellbiztosítani valahol. Öt lehetőség kínálkozik:

– a műszaki osztály

– a személyzeti osztály,

– a pénzügyi osztály,

– a vezérigazgatói iroda,

– külső tanácsadók.

Az energiagazdálkodás helye

Az energiatakarékosságot általában műszaki tevékenységnektekintik, ezért a főenergetikus igen gyakran a vállalat műszakiosztályán kap helyet. Ez jó alapot jelenthet az energiagazdálkodásiprogram 1. fázisában, amikor az ellenőrzés megszervezése történik,

242

de kevésbé megfelelő a képzés, illetve az energiaügyi információstevékenység szempontjából.

A személyzeti osztály megfelelő hely a motivációs és képzésifeladatok ellátására, a pénzügyi osztály pedig hosszú távon jóbázisnak bizonyulhat a 3. fázisban megjelölt pénzügyi kontroll ésszámviteli eljárások lebonyolítására. De mindkét helyszínhátrányokat jelent a műszaki támogatás és hitelesség szempontjából.

A vezérigazgatói iroda nyújthatja a széleskörű ismeretséget éshozzáférhetőségi lehetőségeket, amire szükség van azenergiagazdálkodás bevezetésének kezdeti stádiumában. Deamennyiben hosszútávon be kívánjuk építeni az energiagazdálkodásta szervezet irányításának fő vonulatába, hogy ily módon az egészvállalatot behálózza, akkor nem ez a legmegfelelőbb hely.

Az utolsó lehetőség külső tanácsadók alkalmazása, akik széleskörűtapasztalatot és szakértelmet nyújthatnak. Ez lehet a legkedvezőbbmegoldás olyan műszaki helyzetekben, amikor a tanácsadókfelhasználhatók a belső energiaügyi szakemberek támogatására, denélkülözi a kapcsolatok ama hálózatát és a napi kontaktust, amialapvető fontosságú a dolgozók tájékoztatása és biztatásaszempontjából. A gyakorlatban azt tapasztaljuk, hogy nincs ideálisotthona az energiagazdálkodási tevékenységnek, következésképpen aztűnik az optimális megoldásnak, hogy a helyszínt időről időreváltoztatjuk, aszerint, hogy a szervezet átlép az energiagazdálkodásiprogram egyik fázisából a másikba. Minden opciónak megvannak azelőnyei és a hátrányai. Bármely helyzetben találjuk magunkat, annakmegfelelően kell terveznünk. A fontos kérdés a következő:

– Az egész energiagazdálkodási csoport egy helyen működjék egykomplex egységként?

– Vagy célszerűbb megoldás, hogy a csoport tagjai szétszórtantevékenykedjenek a vállalat különböző részeiben?

Az alsószintű vezetés szempontjából nézve, a vállalat bizonyoshelyén székelő egyetlen egység rendelkezik a legrövidebb utasításilánccal és ugyanakkor az összetartás szellemében cselekedhet,valamint a legalacsonyabb vonatkozó költségekkel jár A szétszórthelyszínek, kombinálva a részlegek közötti felelősségek leosztásával,nagyobb hasznot eredményezhetnek hosszabb távon, mivel ily módonaz energiagazdálkodás jobban összhangba hozható a vállalatkülönböző részeiben végzett tevékenységekkel.

Hogy a vázolt opciók melyike bizonyul legjobbnak nemcsak rövid,hanem hosszú távon, az az adott vállalat specifikus körülményeitőlfügg. Ha a műszaki osztályon nyerünk elhelyezést, az ellen kellharcolnunk, hogy az energiamegtakarítást csupán speciális műszaki

243

tevékenységnek kiáltsák ki, ily módon elszigetelve azt. Az energiaügyaz egész szervezetet átfogó vezetési kérdés és nem műszakispecifikum. Az a feladatunk, hogy

– megértessük az összes vezetővel, hogy az energiafogyasztásellenőrzés alatt tartása vezetői felelősségkörükbe tartozik

– fogadtassuk el velük, hogy ezen „új” meggondolás szellemébenjárjanak el és számoljanak el saját energiafogyasztásukkal.

244

A felső vezetés támogatása

A főenergetikus gyakran úgy érzi, hogy pozíciója és hatáskörekorlátozott. Mégis többnyire arról van szó, hogy neki kell meggyőzniea nála magasabb beosztásban lévőket arról, hogy változtatásokateszközöljenek saját és beosztottaik működési formáiban. Mivel ilyenkontraszt áll fenn a főenergetikus korlátozott hatásköre és az egészvállalatot átfogó energiagazdálkodási feladatai között, alighakoronázhatja munkáját siker, ha nem tudja megnyerni saját főnöke,illetve a felső vezetés teljes támogatását.

S valóban a felső vezetés támogatásának nemcsak az informális,személyes csatornákon és biztatáson keresztül kell megnyilvánulnia,hanem az osztályközi bizottságban is, ahol az összes vezetőnek ésrajtuk keresztül a beosztottaiknak el keli kötelezni magukat a jóenergiagazdálkodási gyakorlatok megvalósítása iránt.

A felső vezetés eme támogatása hiányában az energiagazdálkodásvalószínűleg alacsonyszintű tevékenység marad, amely képtelenkitörni a vállalat mindennapos műszaki problémaköréből.Következésképpen a vállalat kulcsfontosságú vezetői és beosztottaiknem fogadják el azt olyan kérdésként, amellyel naponta foglalkozniukkell tevékenységeik részeként.

Mivel a főenergetikusi poszt meglehetősen alacsonyan helyezkedik ela szervezeti hierarchiában, valószínűleg úgy érezzük, hogy sok afelelősségünk és kicsi a hatáskörünk. Nekünk kell változtatásokateszközölnünk a vállalat teljes vertikumában, de nincs elég hatalmunkazok keresztülviteléhez.

Azáltal növelhetjük meg befolyásunkat, hogy szövetségre lépünk avállalatunknál tevékenykedő patrónusunkkal, aki magáévá teszi azenergiagazdálkodás ügyét. Ez akkor bizonyul különösen hatékonymegoldásnak, ha ez az illető széles körben ismert pozícióvalrendelkezik, például a vállalat elnöke vagy vezérigazgatója. De az ilyengyőzelem csak időleges megoldást jelent.

A probléma az, hogy az ily módon szerzett befolyás informális ésátmeneti jellegű. Nem alkotja szerves részét sem a főenergetikusimunkakörnek, sem pedig a szervezetünk energiagazdálkodásistruktúrájának. Amennyiben patrónusunk elhagyja hivatalát vagyfigyelmét más irányba fordítja, a befolyásunk odavan és méggyengébb helyzetbe kerülünk, mihelyst ismertté válik, hogytevékenységünk már nem élvezi azt a támogatást és biztatást, amitkorábban kapott. Ne feledkezzünk meg arról, hogy a felső vezetéshezeljutó információnak három fő célja van:

– jóváhagyást nyer humán erőforrásra vagy energetikaiintézkedésekre költendő jelentős pénzalapok kérdéseiben,

245

– összefoglalást ad az elért haladásról, és

– elismerést és presztízsi szerez tevékenységünk számára.

Vezetői funkció

A főenergetikus szerepe mindenek felett vezetői poszt. Bármilyenegyéb képesítéssel és tulajdonságokkal rendelkezünk, szükségünkvan megfelelő vezetői képzésre és szakértelemre a vezetői funkcióinkellátásához. Kifejezett vezetői rálátás és képességek nélkülvalószínűleg nem leszünk képesek saját beosztottaink hatékonyvezetésére vagy az energiagazdálkodás ügyének elfogadtatására azegész szervezetben. Ha nem rendelkezünk a szükséges vezetőitapasztalattal, igyekeznünk kell tudomást szerezni a vállalatnál folyótovábbképzési lehetőségekről.

Hogy milyen tulajdonságokat kell a főenergetikusnak magábankifejlesztenie, bizonyos mértékig annak függvénye, hogy azenergiagazdálkodás milyen szintet ért el a vállalatnál. Az 1. és 2.fázisban akkor leszünk nagy valószínűséggel hatékonyak, ha aszemélyes teljesítményre összpontosítjuk figyelmünket, rövidtávúcélokat tüzünk ki magunk elé és az azok elérése eredményeképpenhozzánk érkező pozitív visszacsatolásokra hagyatkozunk. De ha ezeka tulajdonságok már megvannak bennünk és azokat sikeresenalkalmazzuk, végül is rádöbbenünk, hogy már megvalósítottukmindezeket a könnyen elérhető javításokat és megtakarításokat. Ésekkor már nem adódnak számunkra rövid távon teljesíthetősikerlehetőségek és ily módon elmarad majd az áhított elismerés.

Amikor az energiagazdálkodási program a 3. fázisba lép, afőenergetikusnak más kvalitásokat kell csillogtatnia. Itt a hangsúlymár nem a személyes kezdeményezőkészségen van, hanem amegvalósított energiahatékonysági beruházás védelmén, valamint abevezetett információs rendszer működésének felügyeletén.Következésképpen ekkor már nem bírnak ugyanakkora relevanciávala korábban oly hatékony személyes tulajdonságok. Esetleg méghátrányokat is eredményezhetnek. A feladatunk ekkor már főleg abeállított rendszerek és eljárások védelmezése, illetve aviselkedésformák bizonyos előírt határok között tartása.

Példa a főenergetikus munkaköri leírására

A főenergetikus feladatai és felelősségei nyilvánvalóan széles skálátölelnek fel, sőt még időben is változhatnak az energiagazdálkodásbevezetettségi stádiumától függően. Ezért hasznos lehet felhozni ittegy példát a főenergetikus munkaköri leírására, ami szerepét jellemzi:

1. Az energiapolitika kimunkálásának és megvalósításánakfelügyelete.

246

2. Költséghatékony módszerek bevezetése és fenntartása annakérdekében, hogy a vezetés megfelelő információhoz jusson azenergiafogyasztást és az azzal járó környezetszennyezést illetően.

3. Megfelelő és rendszeres jelentések készítése az ilyenfajtainformációkról a fogyasztásért felelős beosztottak, valamint a felsővezetés számára.

4. Az energiahordozó beszerzésére és felhasználására vonatkozóhatékony és környezetbarát politika és eljárások bevezetése ésfenntartása.

5. Az energiatudatosság megalapozása, fenntartása a vállalatdolgozóiban.

6. Hatékony karbantartási és üzemeltetési gyakorlatok bevezetése ésfenntartása a vállat teljes vertikumában.

7. A vállalat energetikai kérdésekben való jártassággal éstudatosítással kapcsolatos képzési szükségletének feltárása.

8. Költséghatékony lehetőségek felkutatása az energiahatékonyságnövelése érdekében új és régi telephelyeken.

9. Energiafogyasztás és környezetszennyezés csökkentését célzóberuházási program kidolgozása.

10. Energiagazdálkodási tevékenységek költséghatékonyságánakfelmérését célzó eljárások felülvizsgálatának bevezetése ésfenntartása mind a felső vezetés, mind az érintett beosztottakszámára.

Elszámoltathatóság

A jó jelentési rendszer legalább olyan fontos, mint azenergiagazdálkodás elhelyezkedése a vállalaton belül. A következőkrevan szükség:

– az energiafogyasztás ellenőrzésének felelősségét rá kellruházni arra a személyre, aki a vállalat adott részében aköltségvetésért felelős,

– egy személyt keli felelőssé tenni az összes energiagazdálkodásitevékenység összehangolásáért, akinek rendszeresenjelentenie kell, hogy a különálló egységek hogyan ellenőrzikenergiafogyasztásukat,

– az energiafelhasználók ennek a személynek jelentenekközvetlenül és neki tartoznak elszámolással is,

– az a személy közvetlenül jelent a felső vezetésnek és annaktartozik közvetlen elszámolással az energiagazdálkodásitevékenységeket illetően,

247

– világos struktúrát kell kialakítani az energiagazdálkodássalfoglalkozó osztályközi bizottság számára.

Havonta legalább egyszer kell jelentenünk ama részleg vezetőjének,ahol elhelyezést nyertünk. Ezen részlegvezetőn keresztül kell jelentésttennünk az osztályközi energiagazdálkodási bizottságnak legalábbegyszer negyedévenként. Az ilyen bizottság előnye abban áll, hogyazon keresztül hozzáférhetünk azokhoz a döntéshozatali területekhez,amelyek hatással vannak olyanfajta energiafogyasztásra, amiegyébként számunkra nem elérhető. Ezen a bizottságon keresztülévente legalább egyszer jelentenünk kell az igazgatósági testületnek.

Az is kívánatos, hogy az energiagazdálkodási osztályon dolgozószakembereket két csoportra osszuk úgy, hogy az egyik csoport azenergiamegtakarítást célzó intézkedésekért legyen telelős, a másikpedig az azokat magába foglaló beruházások megtérüléséért. Mígmindkét csoport közvetlenül a főenergetikusnak tartozikelszámolással, az ellenőrzési feladatokat ellátó csoport munkájátrendszeres külső felülvizsgálatnak kell alávetni. Általában mind arészlegvezető, mind pedig az osztályközi EnergiagazdálkodásiBizottság részt vesz ebben a felülvizsgálati tevékenységben.

Az energiagazdálkodási osztály

Hogy hány beosztottra van szüksége a főenergetikusnaktevékenységei ellátásához, a következő tényezőktől függ:

– az energiaszámlák nagysága,

– milyen mértékű energiafogyasztás csökkentésre van szükség avállalatnál,

– milyen fázisban van az energiagazdálkodási program.

Másrészről, az energiafogyasztás csökkentésének mértéke akövetkezők függvénye:

– a vállalat telephelyeinek, üzemeinek és tevékenységeinekszáma és kiterjedése,

– azok jelenlegi energiahatékonysági szintje,

– a dolgozók jelenlegi energiatudatossági szintje és a márbevezetett energiamegtakarítást célzó rutintevékenységekszínvonala,

– a vezetői döntéshozatalt támogató jelenleg működőenergiaügyi információs rendszer megfelelőségi foka,

– a felsorolt tényezők bármelyikének javítását előirányzóköltségvetés nagysága.

248

A felsoroltakból egyértelműen következik, hogy időről-időre változnifog az energiagazdálkodási tevékenységek ellátásához szükségesszakemberek száma. A rendelkezésünkre álló beosztottak száma nemaz egyetlen fontos szempont. Hasonló fontossággal bír szakértelmükés tapasztalatuk szintje. Kellő szakértelem és tapasztalat hiányában arészünkről történő alapos ellenőrzés nélkül kicsi a remény arra, hogyműködésük hatékony lesz. Ha így áll a dolog, ez alááshatja sajáttevékenységünk hatékonyságát, mivel elveszi időnket attól, hogyegyéb feladatainkat lelkiismeretesen elláthassuk, mint példáulstratégiai gondolkodás, a vállalaton belüli jelentéstétel, azenergiagazdálkodási tevékenységek értékének népszerűsítése aszervezeten belül és kívül.

Hosszabb időszakot tekintvén, az energiagazdálkodásitevékenységeknek készségek és szakértelem széles skálájából kelltáplálkozniuk:

– általános vezetési,

– műszaki,

– pénzügyi,

– személyzeti vezetői,

– oktatási és képzési,

– marketing.

A lényeg az, hogy a készségek és tapasztalatok megfelelő arányátgyűjtsük össze a megfelelő időben és a megfelelő helyen.Munkaprogramunk különböző fázisaiban különböző típusú segítségrevan szükségünk, ezért szakembereinknek a következő területekenkell jártasnak lenniük:

1. fázis:

– a telephelyeken, üzemekben és ellenőrzéskor alkalmazottenergiahatékonyság,

– oktatás és képzés.

2. fázis:

– beruházások számvitel és pénzügyi értékelése.

3. fázis:

– motiváció, ösztönzés, népszerűsítés, reklám

– vezetői információs rendszerek tervezése és működtetése.

249

5.2.2. Motiváció

A vezetés olyan végrehajtási folyamat, melynek segítségével céljainkatmás emberekkel kialakított kapcsolatok útján érjük el. A legtöbbfőenergetikusnak példák és meggyőzés eszközeivel kellmegpróbálniuk hatást gyakorolni az emberek viselkedésére ahelyett,hogy megmondanák nekik, mit tegyenek. Korábban az volt azelterjedt nézet, ma már kevésbé széles körben hallható mint példáultíz évvel ezelőtt, hogy az energiagazdálkodás műszaki kérdés. Afelhasználó részéről az épület működésébe történő beavatkozásthelytelen dolognak tekintik, és a cél az, hogy a minimumracsökkentsük a felhasználó viselkedése által gyakorolt hatást az épületellenőrzésének automatizálásával. Bár igaz, hogy a kazánrendszerekjobb vezérlése, a szobatermosztátok és az időkapcsolóknagymértékben javítják az energiahatékonyságot és csökkentik afogyasztást, ha teljesen kivesszük a környezeti ellenőrzést az épületekhasználói kezéből, ronthat a hatékonyságon. Az emberek megtaláljákaz automatikus rendszerek kikerülésének módjait: nyitva hagyják azablakokat és az ajtókat, nem kapcsolják ki a villanyt, amikor márnincs rá szükség, beleavatkoznak a vezérlésbe és megváltoztatják atermosztát beállítását.

Míg az ilyen viselkedésformák megkeserítik a műszakiak életét, agyakorlatban azt találjuk, hogy az embereket jó szóval ésmeggyőzéssel rá lehet venni bizonyos dolgokra. Például akkor érünkel sikereket az energiamegtakarítás területén, ha a kellő motivációvalrábírjuk az embereket viselkedésük megváltoztatására. Hogy ezt akérdést hogyan tudjuk megoldani, elsősorban a saját vezetésistílusunktól és a vállalatunknál kialakult kultúrától függ.

A problémánk abban áll, hogy a legtöbb ember nem tulajdonít nagyfontosságot az energiának. Az emberek csak akkor szokták észrevennikörnyezetüket, ha hirtelen kényelmetlen érzésük támad: ha túl melegvagy túl hideg van, áporodott a levegő vagy huzat van, túl erős vagytúl gyenge a fény. A kényelmüket illetően az emberek a stabilitástkeresik, ezért nem könnyű rávenni őket, hogy annyi figyelmetszenteljenek az energiagazdálkodásnak, amennyit az megérdemel. Nefelejtsük el, hogy a költségek csökkentése és a környezetszennyezésjavítása érdekében törekszünk a hatékonyabb energiafelhasználásra.

De az emberek motiválása érdekében ezeket a szervezeti célokat úgykell tálalni, hogy az megnyerje az emberek tetszését. Ha befolyásolnióhajtjuk azokat, akik fölött nincs hatalmunk, akkor nekik kellazonosulniuk ezekkel a szervezeti célokkal. Ennek elérése érdekébenbe kell bizonyítanunk, hogy tevékenységeinket és elvárásainkat a„vásárló igényei motiválják”. Sok esetben azonban pont az ellentétetörténik. Jelenleg az az általános helyzet, hogy a felső vezetés előírja a

250

főenergetikusnak, hogy önkényesen megválasztott százalékkalcsökkentse az energiaköltségeket, és csupán kevés vállalat ért elmegtakarításokat azáltal, hogy rávette embereit hozzáállásuk ésviselkedésük megváltoztatására. Számos módon növelhetjükbefolyásunkat, például azáltal, hogy

– biztosítjuk az embereket arról, hogy nyernek valamitjavaslatunkból,

– jutalmazunk, például dicsérünk, vagy egy jó szót szólunk amegfelelő emberekhez,

– kiterjesztjük befolyásunkat felfelé, oldalirányban és lefelé.

Mi motiválja az embereket? Hogyan vehetjük rá az embereket arra,hogy kapcsolják ki a villanyt, ha nincs rá szükség vagy elégedjenekmeg az alacsonyabbra állított termosztáttal? Hogyan győzhetjük megőket arról, hogy pontosan olvassák le a mérőórákat mindenhónapban és időben küldjék be az adatokat? És hogyan szerezzükmeg a jóváhagyást ahhoz a beruházáshoz, melynek eredményekéntolyan intézkedések kerülnek bevezetésre, amelyek meggyőződésükszerint energiamegtakarításhoz vezetnek?

A motiváció mindaz, ami arra ösztönzi az embereket, hogyönkéntesen cselekedjenek bizonyos módon és tartsanak ki mellette anehézségek árán is. Az embereknek vannak alapvető szükségleteik(pl. étel), amelyek ki nem elégítésük esetén ösztönöket hoznakmozgásba (pl. éhség), ami viszont cselekvéshez vezet (étel keresése).De az emberek bonyolultabb okoknál fogva is cselekszenek.Azonosság és elégedettség érzését keresik másokkal kialakítottkapcsolatok eredményeképpen. Következésképpen a kollégák részérőlérkező nyomás nagyobb hatást gyakorolhat, mint a pénzügyiösztönzés vagy a vezetési ellenőrzés. Ezt a megközelítést magukévátevő szervezetek jobban törődnek a dolgozók hangulatával, csoportokés nem egyének ösztönzését tűzik ki célul, tájékoztatják dolgozóikat,például a vállalat lapja útján, valamint igyekeznek a munkahelyetmegelégedés forrássá alakítani.

A munkahelyi megelégedettség megteremtésének egyik fő módszereabban áll, hogy úgy alakítjuk a munkahelyi körülményeket, hogy adolgozók azáltal érhetik el saját céljaikat, hogy erőfeszítéseket teszneka szervezet célkitűzéseinek elérésére. Ily módon ateljesítményszinteket magasra lehet állítani, ha az emberekmagukénak fogadják el azokat. A munka gazdagabbá tesz bennünketalapelv szintén fontos a motiválás szempontjából. Ha az emberekneknagyobb önállóságot adunk, nagyobb megelégedettséggel végzikmunkájukat. Következésképpen a dolgozókat jobban el tudjukszámoltatni cselekedeteikért.

251

Az elvárások is hatást gyakorolnak a viselkedésre. A dolgozókerőfeszítéseiket a jutalomhoz mérik. Ha úgy érzik, a tőlük elvárterőfeszítés jóval meghaladja a várt eredményt, motivációjuk csökken.Ugyanez történik, ha megítélésük szerint mások magasabb jutalmatkapnak ugyanazért az erőfeszítésért. Azokon a területeken, ahol avállalat jutalmaz vagy nem, a teljesítmény hatást gyakorol a dolgozókérzéseire, következésképpen motiváltsági szintjükre. Bár az emberektudják, hogy világos kapcsolat van az erőfeszítés, a teljesítmény és ajutalom között, nincs bizonyíték arra nézve, hogy csupán a jutalomnövelésével az embereket teljesítményük javítására lehetneösztönözni. A jól végzett munka nagyobb elismerése és a dolgozókraruházott, munkája iránti megnövelt felelősség valószínűleg jobbhatást fog elérni. A kellemetlen dolog viszont az, hogy a jutalomhiánya elveszi az emberek munkakedvét. A magasan motiváltemberek, amennyiben nem megfelelő körülmények közöttkénytelenek dolgozni és nem is fizetik meg őket rendesen,elégedetlenek lesznek és nem mutatnak jó teljesítményt.

252

Kit érdemes motiválnunk?

Hat kategóriára lehet osztani azokat az embereket, akiket motiválnikell. Mindegyik csoport más módon érdekelt az energia kérdésében,ezért más motivációt igényel.

1. Felső vezetők

A felső vezetőket leginkább az ösztönzi, hogy a vállalatteljesítményét a költségek csökkentésével és a nyereségességnövelésével javítsák. A legfontosabb tehát az, hogy eredményeinketilyen formában hozzuk tudomásukra.

Mutassuk be nekik, hogy milyenek lennének az üzemanyagköltségek ma, ha energiahatékonysági intézkedéseket tettünk volna amúltban. Írjuk le, hogy hogyan lehetett volna elérni ezeket amegtakarításokat, ártárgyalások segítségével, bizonyosenergiahatékonysági intézkedésekbe való beruházással vagy jobbirányítással. Ezek után számviteli úton számszerűsítsük amegtakarításokat, mivel ez kiváló eszköz energiagazdálkodásitevékenységek és jövőbeli beruházások finanszírozására.

Egyes főenergetikusok nagy fontosságot tulajdonítanak jelentőshatalommal bíró patrónus befolyásának. Ez azonban nem ideálismegoldás, mivel nagymértékben függ attól, hogy az illető patrónusmeddig marad magas posztján és meddig tartja fenn érdeklődését éstámogatását. Jó megoldás viszont arra, hogy energiagazdálkodásiprogramot indítsunk be és gyorsan cselekedjünk. A probléma amotiváció szempontjából az, hogy a kölcsönvett hatalomelégedetlenséget szül és a kegyekből való kiesés visszájára fordítja amár elért haladást. Módszeresen kell eljárnunk annak érdekében,hogy a patrónusi segítséget biztosabb bázisra cseréljük, támogatástkeresvén a vállalat teljes vertikumában. Különösen lényeges az, hogymeggyőzzük az egységek vezetőit arról, hogy az energiagazdálkodásterületén elért sikereket saját eredményüknek tekintsék, még akkoris, ha segítségünk és bátorításunk nélkül ez nem ment volna.

2. Osztályvezetők

Az osztályvezetők motiválásának legegyszerűbb módja az, hogy őkettesszük felelőssé az energiaköltségek kézbentartásáért sajátköltségvetési területükön. Őket az fogja energiafogyasztáscsökkentésére ösztönözni, hogy mi fog történni el nem költöttenergiaköltségekre szánt pénzeszközökkel és hogyan fogjákmeghatározni a költségvetést az elkövetkező évre.

Némely vállalatnál a költségvetést irányítóknak lehetőségük vanarra, hogy az energiaköltségekre előirányzott források bizonyoshányadát megtarthassák és más költségvetési területekrecsoportosítsák át. Egyetemen például a megtakarításokat oktatás és

253

kutatás finanszírozására használhatják. Más szervezeteknél, ahol amegtakarításokat elvonják és a jövő évi költségvetést annakarányában karcsúsítják, a megtakarításokat nem ösztönzik,különösen akkor, ha a költségvetésről döntő személyek amiattaggódnak, hogy az energiafogyasztás ismét hirtelen megnövekedhetszigorú tél esetén.

A megtakarítások elvonása azonban nem mindig hat negatívösztönzésként. Van olyan vállalat, ahol a költségcsökkentésönmagában elégséges ösztönzés az osztályvezetők számára, habár azösszes megtakarítást visszaáramoltatják a központba. Itt ugyanis azta módszert követik, hogy az energiagazdálkodást beépítik a teljeserőforrásgazdálkodásba és a teljesítményt ugyanúgy jelentik, mint azösszes egyéb költségeket.

Még ilyen körülmények között is meg kell találniuk azosztályvezetőknek azokat a módokat, amelyek segítségévelbeosztottaikat energiamegtakarításra buzdíthatják. Nekik szükségükvan a főenergetikus segítségére és tanácsára a tekintetben, hogymilyen viselkedésforma csökkenti leginkább az energiafogyasztást;abban is segítségünkre szorulnak, hogy megemeljék embereiktudatossági szintjét az ilyen kérdéseket illetően és rendszeresvisszacsatolást várnak beosztottjaik teljesítményéről.

3. Kulcsszemélyek

A kulcsszemélyek közvetlenül ellenőrzik az épületek vagy üzemekműködését, ők a területfelelősök, a gondnokok és a karbantartók.Hogy meggyőzzük őket az energiafogyasztás ellenőrzésénekfontosságáról, szükséges, hogy a kulcsszemélyek legalább részben azellenőrzésük alatt álló területek és üzemek energiahatékonyságánaknöveléséhez mérjék a saját személyes teljesítményüket ésmunkájukból eredő megelégedettségüket.

Sikerük attól is függ, hogy munkájuk elvégzése után mennyifelhasználható kapacitásuk marad, valamint, hogy mekkora azönállóságuk munkájuk megszervezésében. Ha minden csepp erejüketfelemészti az általuk ellenőrzött üzem vagy terület működtetése,akkor fő célkitűzésük a meghibásodások megelőzése és a használókrészéről érkező panaszok elkerülése.

Amennyiben a kulcsszemélyeket alábecsülik a felső vezetők, csakakkor számítanak rájuk, ha valami elromlik, még a legalapvetőbbenergiahatékonysági intézkedésekhez szükséges költségvetéssel semrendelkeznek és önkényesen meghatározott százaléknyienergiacsökkentést rónak ki rájuk átfogó utasítások keretében, akkorminden bizonnyal igen nehéz lesz őket ösztönözni. Másrészről viszont,ha az energiahatékonyságot személyes célként fogadják el, hatámogatást, elismerést és anyagi erőforrásokat kapnak a felső

254

vezetéstől, és a főenergetikus műszaki segítséget is ad nekik, akkornagyobb valószínűséggel lesznek büszkék munkájukra.

Alakítsunk ki személyes kapcsolatokat ezekkel az emberekkel.Tartsunk jó munkakapcsolatokat velük rendszeres találkozók útján.Hogy ezek a kapcsolatok formálisak vagy közvetlenek lesznek-e, azadott vállalattól, valamint a személyes vezetési stílusunktól függ. Akulcsfontosságú ellenőrző személyzetet úgy motiválhatjuk, hogy„gazdagítjuk munkájukat” azáltal, hogy segítünk nekik arra használnifel az energiahatékonyságot, hogy munkájukra büszkébbeklehessenek.

4. Az energiagazdálkodási osztály dolgozói

És vajon mi mitől vagyunk elégedettek munkánkkal? Ha mi nemérezzük motiválva magunkat, kollégáinkat és a vállalat többi dolgozóitsem tudjuk ösztönözni. Érdemes megállni itt egy pillanatra éselgondolkozni azon, hogy milyen választ adhatnánk erre a kérdésre. Avezetőket általában három alapvető mozgatórugó motiválja:teljesítmény, hovatartozás, hatalom. Általában azt találjuk, hogy ezekközül egy fontosabb számunkra, mint a többi.

Ha projektorientáltak vagyunk, akkor fontos számunkra azeredmények elérése, a világosan meghatározott célok, a személyesmegbízatások, valamint a mérhető eredmények. Szeretjük aváltozatosságot, mivel az állandó kihívást jelent, ugyanakkor sokatszámít nekünk főnökeink elismerése. röviden szólva, a teljesítményösztönöz bennünket.

Ha az emberi kapcsolatok az a tényező, ami igazán jelentőséggel bírszámunkra, és szívesebben dolgozunk másokkal együtt mint egyedül,motivációnk abban áll, hogy másokat is bevonjunk azenergiagazdálkodás tervezésébe és működtetésébe. Kollégáinkatcsapattá igyekezzük szervezni, és jó munkaszellemet próbálunkkiépíteni az energiafelelősök és az egységvezetők között.Összefoglalva, a hovatartozás számunkra a fő motiváló tényező. Ha aza lényeges számunkra, hogy az embereket befolyásoljuk ésigazgassuk őket, az motivál bennünket, hogy sikerrel vegyünk rámásokat arra, hogy a vállalatunk érdekében cselekedjenek. Másokviselkedését akarjuk meghatározni, vagy legalábbis a helyes iránybaterelni. Dióhéjban összesűrítve, bennünket a hatalom motivál.

5. Energiafelelősök

Nyilvánvaló előnnyel jár, ha energiafelelősöket neveznek ki, akik azadott részleg vagy épület energiafogyasztásáért felelnek. Ideálisesetben a képviselőket azok a részlegek nevezik ki, ahol dolgoznak. Amanuálisan történő mérőóra-leolvasásnak megvan a maga értéke. Azemberek gyakran jobban ismerik fel a problémákat, mint az

255

automatikus érzékelők. Ha van olyan emberünk, aki törődik azenergiaügyi kérdésekkel, az más emberek viselkedésére is hatássallehet és arra ösztönözheti a kollégákat, hogy jobban odafigyeljenek adolgokra. Kérjük meg őket, hogy tartsák nyitva szemüket, jelentsék ahibákat és azt, hogy véleményük szerint mi módon lehet energiátmegtakarítani; továbbá kérjük fel őket, hogy kísérjék figyelemmel azenergiapocsékolási eseményeket: csukják be az ajtókat és azablakokat, kapcsolják le a villanyt. A gyakorlatban ennek a sikere azadott vállalattól, illetve annak az energiagazdálkodás iránt kialakítottelkötelezettségétől függ. Amennyiben más dolgozók nem teszikmagukévá ezt a felügyelői szerepet, nyilvánvaló negatívkövetkezményeket eredményezhet. Az energiafelelősöket átmenetimegoldásként célszerű alkalmazni, mivel jobb, ha nyomonkövetőifunkciójukat megszüntetik, amennyiben a vállalat önműködőmérőrendszert vezet be és az energiaügyet beépíti a rutinszerűenvégzett forrásgazdálkodásba. Az energiafelelősöknek képzésre éstámogatásra van szükségük funkciójuk teljesítéséhez, és ami ennéltalán még fontosabb, dicsérni és bátorítani kell őket, hogy kitartóanvégezzék némileg hálátlan rutinfeladatukat. Világosan kell látniuk,hogy munkájuk javítja a hatékony energiafelhasználást. Tudatábankell lenniük annak, hogy a mérőórák pontos és időbeni leolvasásaalapvető fontosságú a hatékony energiagazdálkodás szempontjábólés, hogy a hibák bejelentése energia-megtakarításhoz vezet. Ez aztjelenti, hogy világos, naprakész információval kell ellátnunk őket. Abejelenteti hibákat gyorsan és hatékonyan kell kivizsgálnunk. Mégegyszer hangsúlyozzuk: ha a mi oldalunkon akarjuk őket tartani,személyes kapcsolatokat kell kiépíteni velük.

6. A vállalat dolgozói

A vállalati dolgozók egészének motiválásakor a környezetimeggondolások sok ember számára legalább akkora jelentőséggelbírnak, mint a pénz. Számítsuk ki az energiamegtakarítás széndioxidés kénemmisszióra gyakorolt hatását. Mutassuk be ezt a globálisfelmelegedés és savas eső témájával összefüggésben.

Gondolkodjunk el azon, hogy vajon a vállalatunk energia-megtakarításának egy részét nem tudná-e jótékonysági célokrafordítani. Ha egy osztály kevesebbet költ a számára előírtköltségvetésnél, dolgozói nevezhetik meg azt a jótékonysági célt,amelyre a megmaradt összeget szánják. Nincs szükség arra, hogyminden dolgozóval személyesen beszéljünk, különösen akkor, ha azegységvezetőket el tudjuk látni az embereik motiválásához szükségesanyaggal. Ha megfelelő megoldásnak tűnik, építsük be azenergiahatékonyságot a dolgozók ösztönzési programjaiba és avállalat körlevele útján ismertessük a részleg energiamegtakarításterén elért eredményeit.

256

Vezetési stílus

Vezetési stílusunk hatással van arra, hogy milyen módon motiváljuka vállalat dolgozóit, módszereinket az adott vállalati kultúrához és aszóban forgó motiválandó személyhez keli igazítanunk. A különbözőkultúrák különböző stílust igényelnek.

– A vállalkozói kultúra személyes kapcsolatokon alapulódinamikus vezetési stílust helyezi előtérbe. A kockázat ésváltozás által ösztönzött mozgékony személyiségtípusnakkedvező.

– A csapatkultúra az összejöveteleken és beszélgetésekennyugvó támogató vezetési stílust kedveli. Az együttműködésáltal motivált útegyengető típusú személyiség számára vonzó.

– A hierarchikus kultúra a szakértelmen és eljárásokon nyugvóformális vezetési stílust favorizálja. Ez a legjobb megoldás astabilitást és ellenőrzött környezetet helyeslő összekötő típusúszemélyiségforma számára.

– A piaci kultúra a célkitűzéseken alapuló, célorientált vezetésistílust tartja a legmegfelelőbbnek. A függetlenség és személyeselszámoltathatóság hívei vonzódnak hozzá leginkább.

Nyilvánvalóan a vállalat nem minden dolgozója rendelhető hozzá afent jellemzett típusokhoz, ezért úgy kell eljárnunk, hogy azmegfeleljen az adott egyének elvárásainak. Ne feledkezzünk megmunkánk közben a motivációval kapcsolatban felsoroltmeggondolásokról. Tűnődjünk el azon, hogy hogyan hasznosíthatjukazokat munkatársainkkal kapcsolatban, főleg amikor befolyásolniigyekszünk őket. Ne szabályként kezeljük ezeket a gondolatokat. Azemberek motiválásának nincsenek leegyszerűsített módjai, a fentijavaslatok azonban segítségül szolgálhatnak akkor, ha azt próbáljukfelmérni, mennyire sikeresen oldjuk meg ezt a problémát.

5.2.3. Energiapolitikai példa

Az elkötelezettség deklarálása

Környezeti stratégiája részeként a vállalat elkötelezi magát afelelősségteljes energiagazdálkodás, valamint energiahatékonyságjavítását célzó eljárások iránt összes épületeiben, üzemeiben ésberendezéseinél, amennyiben az költséghatékony.

Politika

A vállalati politika célja az energiafogyasztás ellenőrzése

– szükségtelen kiadások elkerülése,

257

– költséghatékonyság, termelékenység, munkakörülményekjavítása,

– a környezet védelme, valamint

– a fosszilis üzemanyagok hasznos élettartamánakmeghosszabbítása érdekében.

Célok

A vállalat hosszútávú célkitűzései a következők:

1. energiahordozók leggazdaságosabb költségen való beszerzése,

2. azok leghatékonyabb módon történő felhasználása,

3. az energiafogyasztás által okozott szennyezés, elsősorban aCO2 emisszió, mennyiségének csökkentése, valamint

4. a környezeti és megújuló energiaforrások felhasználásával afosszilis energiahordozóktól való függőség csökkentése, aholcsak lehetséges.

Azonnali célok

A vállalat rövid távon az alábbi célokat tűzi ki maga elé:

1. energiafogyasztása fölötti ellenőrzés megszerzése beszerzési,üzemeltetési, ösztönzési, valamint képzési módszereinekfelülvizsgálata és javítása útján,

2. energiamegtakarítást célzó folyamatos intézkedésiprogramokba való beruházás, amely a legjobb megtérülésthozza olyan pénzalapok előteremtése érdekében, melyeklegalább részben további energiagazdálkodási tevékenységekberuházhatók be, és/vagy

3. a fenti eredmények védelme olyan vezetői információs rendszerlétrehozásával és fenntartásával, mely biztosítja, hogy azokhozjut el az információ, akiknek szükségük van rá, időben és amegfelelő formában kapják azt, hogy segítse a vezetőidöntések meghozatalát.

(A nem kívántpontok törlendők az energiagazdálkodás már elértfázisának megfelelően).

Felelősségek

Az energiafogyasztás ellenőrzésének felelőssége arra az igénybevételiponthoz legközelebb lévő, releváns végfelhasználóra hárul, akielszámolással tartozik a költségvetés kezelőjének az adottfogyasztásért.

258

Az energiaköltségért a felhasználási ponthoz legközelebbtevékenykedő költségvetést kezelő személy felelős, aki közvetlenülszámol el a pénzügyi vezetőnek ezzel a költséggel.

Az energiagazdálkodási tevékenységek koordinálásáért afőenergetikus felel, aki az Energiagazdálkodási Bizottságnak tartozikelszámolással ama részleg vezetőjén keresztül, ahol dolgozik.

Az energiapolitika kidolgozása és megvalósítása azEnergiagazdálkodási Bizottság felelőssége, amely az igazgatóságnaktartozik elszámolással.

A főenergetikus és munkatársai abban a részlegben nyernekelhelyezést, amely leginkább támogatja az energiagazdálkodásitevékenység jelenlegi fázisát. Ez a részleg: ... (Írjuk be a megfelelőt).

Az Energiagazdálkodási Bizottság a vállalat minden energiafogyasztórészlege által delegált képviselőkből áll. Ezek a képviselők: ... . (Írjukbe a személyek nevét és beosztását).

Negyedévenként ül össze és elnöke .... (Írjuk be a nevet és abeosztást), az igazgatóság tagja.

A Bizottság a Környezetgazdasági Bizottság albizottságakéntműködik és annak tartozik jelentési kötelezettséggel. (Ha nem ígyvan, törlendő).

Szerkezet

A főenergetikus havonta jelentést készít közvetlen főnökének azenergiagazdálkodási tevékenységről, külön számlákkal igazolva

– az energiafelhasználás, valamint

– az energiagazdálkodási tevékenység költségeit.

Közvetlen főnökén keresztül negyedévenként jelentést tesz azEnergiagazdálkodási Bizottságnak, amely rendszeresen küldjelentést, illetve egyszer egy évben előadást tart az igazgatóságnak:

– az épületek, üzemek, berendezések energiafogyasztásáról,

– a fogyasztás csökkentése érdekében kifejtettenergiagazdálkodási tevékenységekről.

Kommunikációs csatornák

A végfelhasználók vagy költségvetés-kezelők által ellenőrzöttenergiafogyasztással kapcsolatos ügyekről szóló formáliskommunikációt a főenergetikus fogja össze, aki, amennyibenszükséges, közvetlen főnöke, egyéb felső vezető, vagy azEnergiagazdálkodási Bizottság tudomására hozza azt.

Az energiagazdálkodási tevékenységekkel kapcsolatos formáliskommunikáció ugyancsak a főenergetikus útján történik, aki, ha

259

fontosnak tartja, az összes releváns végfelhasználó, a költségvetéskezelői, közvetlen főnöke, egyéb felső vezetők, illetve azEnergiagazdálkodási Bizottság figyelmébe ajánlja azt.

Akcióterv

Az elkövetkező évben az alábbi energiagazdálkodási tevékenységeketfogjuk elvégezni:

– költségvonzattal ellátott munkaprogram kidolgozása,

– a meghatározott állomások részletes időzítésének elkészítése,

– a nevesített személyek által foganatosítandó eljárásokazonosítása.

260

Források

Az energiagazdálkodásban résztvevő személyek száma, szaktudásukösszessége valamint a beruházás nagysága megfelelnek a fentitevékenységek követelményeinek.

Az elkövetkező évben a dolgozók száma ..... lesz. (Írjuk be amegfelelő számot.)

A jövő év energiagazdálkodási költségvetése a vállalat évesenergiaköltségének 10 százaléka lesz, azaz .... (Írjuk be a megfelelőszámot).

Felülvizsgálat

Az összes energiagazdálkodási tevékenység időszakonkéntfelülvizsgálatra kerül. A főenergetikus állapítja meg a haladást akitűzött célokkal való összehasonlítással, valamint a különbözőtevékenységek pénzben kifejezhető értékét is azonosítja, amennyibenlehetséges.

Az Energiagazdálkodási Bizottság készíti el a tevékenységek évesauditálását, majd beterjeszti az igazgatóságnak. Ezt követően a fontosrészleteket a megfelelő felső vezetők, a költségvetés kezelői, illetve avégfelhasználók tudomására hozzák.

A jelen energiapolitikai dokumentum évenkénti felülvizsgálatra éselfogadásra kerül.

261

262

6. FELHASZNÁLT ÉS AJÁNLOTT IRODALOM

BASSA G.: Tüzeléstechnika, BME Gépészmérnöki Kar jegyzete.Tankönyvkiadó, Bp., 1992.

BIHARI P.: Segédlet az Energetika c. tárgyhoz, BME Energetika Tsz.,Bp., 1996.

BOUSTEAD, I. – HANCOCK, G. F.: Ipari energiaanalízis, MűszakiKönyvkiadó, Budapest, 1983.

Energiafelhasználói Kéziköny,. Szerkesztette: BARÓTFI I.,Környezettechnika Szolgáltató Kft., Bp., 1993.

Energiagazdálkodási kézikönyv – Energiagazdálkodási útmutató,Magyar-EU Energia Központ, Budapest, 1997.

Energiapolitika Magyarország, OECD felmérés, Párizs, 1996.

FŰZY O.: Áramlástechnikai gépek és rendszerek, Tankönyvkiadó, Bp.,1991.

GYÖRKE B.: Ipari energiagazdálkodás, Felsőfokú energetikusképzőtanfolyam jegyzete, Digital-Comp Bp., 1988.

Kalorikus gépek, Szerkesztette: FÜLÖP Z., BME Gépészmérnöki Karjegyzete. Tankönyvkiadó, Bp., 1991.

KISS L.: Villamosenergia-gazdálkodás, Tankönyvkiadó, Bp., 1989.

REMÉNYI K.: Új technológiák az energetikában, Akadémiai Kiadó, Bp.,1995.

VAJDA GY.: Energetika I., Akadémiai Kiadó, Bp., 1981.

VAJDA GY.: Energetika II., Akadémiai Kiadó, Bp., 1984.