ENERGIAGAZDÁLKODÁS by Edutus Főiskola

BUDAPESTI MŰSZAKI EGYETEM

Phare Program HU-94.05 Az oktatás és a gazdaság kapcsolatainak erősítése

ENERGIAGAZDÁLKODÁS BALIKÓ SÁNDOR – BIHARI PÉTER

BUDAPEST, 1997

ENERGIAGAZDÁLKODÁS Az Akkreditált Iskolarendszerű Felsőfokú Szakképzés tankönyve.

Írta és összeállította: dr. Balikó Sándor, okleveles gépészmérnök, Bihari Péter, okleveles gépészmérnök,

Lektorálta: dr. Veres Gergely, okleveles gépészmérnök, a műszaki tudomány kandidátusa

Szerkesztette: Bihari Péter

Készült a Phare Program támogatásával a HU-9405-0201-L017-019 sz. projekt keretében.

KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS A könyv szerzői ehelyütt fejezik ki köszönetüket Veres Gergelynek a kézirat lektorálása során tett értékes észrevételeiért és tanácsaiért.

ÂŠ Phare Program HU-94.05

ELŐSZÓ A civilizált emberi élet ma már elképzelhetetlen a megfelelő mennyiségű és minőségű energia felhasználása nélkül. Az energia mindenütt jelen van az életünkben. Energiát veszünk magunkhoz a táplálékkal, energiát használunk a fűtéshez, a világításhoz, a közlekedéshez. Energia hajtja a gépeket, és minden általunk használt tárgy energiát testesít meg. A történelem során az ember egyre több olyan anyagi változást igényelt, ami külső energia bevitelét tette szükségessé. Az energiafelhasználás veszteségekkel és környezetszennyezéssel jár együtt. A növekvő igények kielégítése növekvő energiafelhasználással és ezzel együtt a természeti környezet növekvő szennyezettségével jár együtt. Az energia az egyik legfontosabb erőforrássá vált. Kellő mennyiségben és alacsony áron való rendelkezésre állása ma a gazdaság működésének alapvető feltétele. Elképzelni is rettenetes, hogy milyen változások következhetnek be akkor, ha ez a feltétel nem teljesül. Figyelembe kell azonban vennünk, hogy Földünk energiahordozó készletei végesek és a természeti környezet is tűrőképessége határához ért. Mindezek az okok arra késztetnek bennünket, hogy alaposan gondoljuk energiafelhasználásunk módját. A legfontosabb, hogy javítsuk a hatékonyságunkat, ami magával vonja a felhasznált energia mennyiségének és a kibocsátott szennyezőanyagok mennyiségének csökkenését. Energetikáról, hatékonyságról és energiagazdálkodásról csak azután lehet beszélni, ha tisztában vagyunk mindazon energiahordozók és energiaforrások alapvető tulajdonságaival, melyeket felhasználunk. A könyv első fejezetében áttekintjük azokat a gazdasági folyamatokat, melyek összefüggésben vannak egy ország energiafelhasználásával. Bemutatjuk azokat az összefüggéseket, melyek az energiaigényeket meghatározzák. A második és harmadik fejezet az energiával, az energiahordozókkal és az energiaforrásokkal foglalkozik. Bemutatja azon alapvető természeti törvényeket, melyek az energiaátalakítási folyamatokat leírják. Részletesen számba veszi az emberiség rendelkezésére álló valamennyi energiahordozót és energiaforrást, megadja jellemző tulajdonságaikat, felhasználási területüket. A negyedik fejezet az energiaátalakításokkal és az átalakított energiahordozókkal foglalkozik. Bemutatja azokat a gépeket és folyamatokat, melyek segítségével a különböző energiahordozókat átalakíthatjuk. Az ötödik fejezet foglalkozik az energiahordozók szállításával és tárolásával. A hatodik fejezet az energia felhasználásáról szól. Bemutatja az energiafelhasználás rendszerét. Útmutatást ad energetika hatékonyság növeléséhez. Optimális energiaellátási rendszerek kialakításához és üzemeltetéséhez. A hetedik fejezet azokat szervezési technikákat ismerteti, melyek a műszaki eljárásokkal kiegészítve elősegítik az energiafelhasználás csökkentését. A jövő szakembereire vár a feladat, hogy mindezeknek az elvárásoknak megfelelően alakítsák át a gazdaság energiafelhasználásának struktúráját, növeljék a hatékonyságát. Ehhez kívánnak sok sikert és eredményes munkát a Szerzők

ÂŠ Phare Program HU-94.05

TARTALOMJEGYZÉK 1. BEVEZETÉS

1.1. Energetikai vizsgálatok

1.2. Országos energiagazdálkodás

1.2.1. Makrogazdasági fejlemények

1.2.2. Energiaellátás és kereslet

1.2.3. Energia végfelhasználás és hatékonyság

2. AZ ENERGIA

2.1. Az energia megmaradásának elve

2.2. A termodinamika második alaptörvénye

3. ENERGIAHORDOZÓK ÉS -FORRÁSOK

3.1. Alapfogalmak, definíciók

3.2. Elsődleges energiahordozók

3.2.1. Kimerülő elsődleges energiahordozók

3.2.1.1. Szén

3.2.1.2. Kőolaj

3.2.1.3. A kőolaj feldolgozása

3.2.1.4. Földgáz

3.2.1.5. Geotermikus energia

3.2.2. Megújuló elsődleges energiahordozók

3.2.2.1. Napenergia

3.2.2.2. Vízenergia

3.2.2.3. Szélenergia

3.3. Átalakított energiahordozók

3.3.1. Hőenergia-hordozók

3.3.1.1. Szilárd anyagok

3.3.1.2. Folyadékok

3.3.1.3. Gáz halmazállapotú anyagok

4. ENERGIAÁTALAKÍTÁS

4.1.1. Hőforrások

4.1.1.1. Tüzelőanyagok eltüzelése

4.1.1.2. Technikai hőforrások

4.1.2. Erőgépek

4.1.2.1. Hőerőgépek

4.1.3. Áramforrások

103

4.1.3.1. Villamos energia mechanikai munkából

107

4.2. Erőművi energiaátalakítás

108

4.2.1. Gőzerőművek

109

4.2.1.1. Kondenzációs erőmű

109

4.2.1.2. Fűtőerőművek

110

4.2.1.3. Fűtőművek

111

4.2.2. Gázturbinás erőművek

111

5. ENERGIAELOSZTÁS ÉS TÁROLÁS

113

5.1.1. Tárolótelepek, tankállomások

113

5.1.2. Csővezeték hálózatok

115

5.1.3. Villamosenergia-rendszer

125

5.1.3.1. A rendszer általános ismertetése

125

5.1.3.2. A magyar villamosenergia-rendszer felépítése

127

5.1.3.3. Rendszerirányítás

128

5.1.3.4. Gazdaságos üzemmenet

130

5.1.3.5. Az erőművek környezeti hatásai

131

5.1.4. Átadás-átvételi mérések és elszámolások

133

6. ENERGIAFELHASZNÁLÁS

138

6.1. Energiaigények

138

6.1.1. Fűtés és melegvíz szolgáltatás

138

6.1.2. Az ipar energiafelhasználása

142

6.1.3. Mezőgazdaság

146

6.1.4. Közlekedés

148

6.1.5. Szolgáltatás

149

6.2. Rendszerelvű leírás

150

6.2.1. A rendszer fogalma és jellemzői

150

6.2.2. Célok, korlátok, szabadsági fok

150

6.2.3. Modellezés

152

6.3. Üzemvitel

156

6.3.1. A fogyasztások jellege

157

6.3.2. Várható fogyasztások becslése

160

6.3.3. Optimális szabályozás

164

6.3.4. Az energia tárolása

168

6.3.5. A szállítás energiaellátása

176

6.3.6. Az üzemeltetés kényszerei

180

6.4. Veszteségfeltárás

185

6.4.1. Mérlegek

185

6.4.2. A rendszerhatár szerepe a veszteséganalízisben

197

6.4.3. Hasznosítási lehetőségek

200

6.5. Fejlesztés

208

6.5.1. A fejlesztés célfüggvénye

208

6.5.2. Fűtés-hűtés összekapcsolása: a pinch point módszer

211

6.5.3. Optimális hálózat kialakítása

221

6.5.4. Optimális biztonsági rendszer

225

6.5.5. A környezetvédelem hatása a fejlesztésre

229

7. ENERGIA MENEDZSMENT

231

7.1. Stratégiai megközelítés

231

7.1.1. Az energiagazdálkodás fázisokra bontása

231

7.2. Energiapolitika

237

7.2.1. Szervezet

242

7.2.2. Motiváció

247

7.2.3. Energiapolitikai példa

253

8. FELHASZNÁLT ÉS AJÁNLOTT IRODALOM

256

ÂŠ Phare Program HU-94.05

1. BEVEZETÉS Az energia az anyag egyik megjelenési formája. A technika lehetővé teszi, hogy ennek egy részét az emberi tevékenység szolgálatába állítsuk. Az ezen a tématerületen felmerülő általános műszaki és gazdasági kérdésekkel az energetika foglalkozik. Az energia hatékony felhasználásának tervezése és a felhasználás koordinálása az energiagazdálkodás feladata. Az energiagazdálkodás egyik fontos feladata az energetikai vizsgálatok elvégzése. Energetikai vizsgálatokon olyan módszereket értünk, melyekkel az energiahordozók hatékony felhasználását vizsgáljuk. Az energiafelhasználás az energiafajták egymásba való átalakulásával jár. Ezekkel a fizikai, kémia, biológiai folyamatokkal a természettudományok foglalkoznak. Figyelembe kell azonban venni, hogy az energiafelhasználás, az utóbbi két évszázad technikai fejlődésének előfeltételeként és egyúttal következményeként, három nagyságrenddel nőtt meg. Ma már közhelynek számít az a hasonlat, mely szerint az energiaellátás úgy szövi át a társadalmi létet, mint érrendszer az emberi testet. Minthogy az energiaellátás, még a nem szakember számára is szemmel láthatóan nagy beruházásokkal jár, így ez a tématerületet, nem művelhető a gazdasági törvényszerűségek figyelembevétele nélkül. Így tehát az energiagazdálkodás a természettudományok (matematika, fizika, kémia és biológia), valamint a közgazdaságtudomány eredményeinek felhasználásával a tématerülethez tartozó folyamatokat úgy vizsgálja, hogy figyelme kiterjed a természeti folyamatokkal együtt bekövetkező gazdasági (és társadalmi) folyamatokra is. Annak oka, hogy napjainkban a műszaki-gazdasági kérdések igen élesen vetődnek fel, a következőkben keresendő: míg az 1960-as években az igen jó minőségű primer energiahordozók (kőolaj, földgáz) megfelelő mennyiségben és viszonylag olcsón álltak rendelkezésre, az 1970-es és 1980-as évekre a helyzet jelentősen megváltozott. A többszörös primer energiahordozó árrobbanások, valamint annak a ténynek a kényszerű figyelembevétele, hogy az energiahordozók nem korlátlan mennyiségben állnak rendelkezésre, lényegesen megváltoztatta az előállított javak árában a felhasznált energiamennyiség részarányát. Minden szakembernek tisztában kell lennie azzal, hogy az általa tervezett alkotással kapcsolatos számítások igen jelentős hányadát teszik ki a gazdasági kalkulációk. Ennek megfelelően minden szakember az alábbi szempontokat kell figyelembe vegye alkotásai tervezésénél: – semmilyen közcélú műszaki alkotásnál nem mellőzhetők a gazdasági (hatékonysági) vizsgálatok; – a gyakorlathoz szorosan kapcsolódó gazdasági (hatékonysági) vizsgálatokat a tervezőnek magának kell elvégeznie; – a mélyebb gazdasági vizsgálatokra vonatkozó elveket a műszaki szakembernek legalább annyira értenie kell, hogy tárgyalóképes partnere legyen közgazdász munkatársának.

1.1.

Energetikai vizsgálatok

Az energetikai vizsgálatok alapját képező meggondolás nem új. Már több mint száz éve, hogy a mérnökök nagy érdeklődést mutatnak az általuk tervezett és megvalósított gépek energiafogyasztása iránt. A villamosmérnök például pontosan meg tudja határozni a villamos gépek energiafelhasználását különböző terhelési állapotokban, a gépészmérnök pontosan ismeri a gőzerőgépek üzemi viselkedését. Ezen túlmenően a mérnökök érdeklődése az ipari folyamatok energiaigényével kapcsolatban nem korlátozódik csupán a kisebb gépekre. Már a XIX. század közepén a vegyészmérnökök egész üzemeket úgy terveztek, hogy azok energiafelhasználása minimális legyen. Történelmileg a mérnökök először csak a gyártási folyamathoz közvetlenül kapcsolódó gépek, az egyes üzemek energetikai jellemzőivel foglalkoztak. Napjainkban azonban az energetikai vizsgálatok már nem csak a tényleges gyártási folyamatokra terjednek ki, hanem a segéd- és kiszolgáló folyamatokra is, melyek a korszerű ipar fenntartásához szükségesek. Az energetikai vizsgálatok ilyetén kiterjesztését több tényező is indokolta, amelyek közül különösen három jelentős. Elsőként említhető az, hogy az 1960-as és 70-es évek igen nagy változást hoztak a környezetvédelmi kérdések megítélésében és ezek jelentősége egyre nőtt és nő ma is. Egyik ilyen megfontolandó kérdés az, hogy egyre több hulladékhő és égéstermék kerül a levegőbe, mely szerepet játszathat a klíma átalakulásában (globális felmelegedés). A 60-as és 70-es években egyre jobban megerősödtek azok a társadalmi csoportosulások, melyek úgy befolyásolták az egyes kormányokat és vállalatokat, hogy azok többet törődjenek az energiatermelési és gyártási folyamatok környezetre gyakorolt káros hatásával és tegyenek meg mindent az okozott károk csökkentéséért. A második tényező abból az igényből származott, hogy jobban meg kell ismernünk az energiaátalakítás és -felhasználás folyamatát, mivel a Földön rendelkezésünkre álló hagyományos (kémiai tüzelőanyagok) energiahordozók mennyisége véges. Ez az igény előtérbe helyezte azokat a riasztó – és időnként meglehetősen borúlátó – jövendöléseket, amelyek a hagyományos olajlelőhelyek kimerülésére vonatkoznak. E jóslatoknak további hangsúlyt adott néhány olajlelőhely végeleges kimerülése. Ezek a tényezők – önmagukban – nem eredményeztek különösebb változásokat az ipari gyakorlatban, de olyan közhangulatot teremtettek, amely rávilágított harmadik, igen fontos tényezőre: az energiahordozók árának gyors emelkedésére. Olyan nagy volt az áremelkedés, hogy az energia hirtelen jelentős tényezővé vált a termékek összköltségében; sőt még az üzemeltetésnél is, ahol eddig viszonylag jelentéktelen tényező volt. Továbbra is fennáll, hogy az iparban a termelési folyamatokban közvetlenül szerepet játszó gépek és folyamatok a legnagyobb energiafogyasztók. Bár a kiegészítő műveletek egyedenként csak kevés energiát fogyasztanak, de mivel az összetett termelési folyamátokban igen nagy a számuk, tekintélyes összenergia-fogyasztást okoznak. Azon folyamatokat nevezik általában „kiegészítő” vagy „segéd”-folyamatnak, amelyek közvetlenül nem kapcsolódnak a termék előállításához. Ide sorolhatók például az üzemi épületek, a gyári

adminisztrációs helyiségek fűtése és működtetéséhez szükséges energia stb.

világítása,

elszívó

berendezések

A segédfolyamatok (amelyek a termék előállításához közvetlenül nem járulnak hozzá) energiaigényének és magának a gyártóberendezésnek az előállításához kapcsolódó energiafelhasználás figyelembevételére vezették be a termelés teljes energiaigénye, avagy a bruttó energiaigény fogalmát. Ez az az energia, amely egy termék gyártásához vagy egy szolgáltatás teljesítéséhez szükséges összes tevékenységhez kapcsolódik. E könyv egyik fő célkitűzése annak bemutatása, hogy a termelés teljes energiaigényét hogyan lehet meghatározni és főleg milyen eszközökkel és módszerekkel lehet értékét a minimálisan szükségesre csökkenteni. Első pillantásra úgy tűnik, hogy ez könnyen megvalósítható azonban néhány (látszólag egyszerű) folyamat vizsgálatakor is már hamar kiderül, hogy ez lényegesen összetettebb feladat, mint ahogy eredetileg elképzelhető. Néhány nehézség jól érzékeltethető már egy viszonylag egyszerű, nem ipari tevékenység vizsgálata során is, pl. amikor autónkon megyünk bevásárolni egy ABC áruházba. Tegyük fel: ki kell számítanunk egy ilyen út megtételéhez szükséges energiát. A fő energiafelhasználást a gépkocsi mozgatásához szükséges üzemanyagfogyasztás jelenti. Azonban az üzemanyag biztosításához további energiafelhasználás szükséges pl. az olajfinomítóban, ahol nyersolajból előállítják az üzemanyagot, és ahhoz is, hogy eljuttassák azt ahhoz a benzinkúthoz, ahol azt az autós megvásárolta. 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 alapanyagot szolgáltatja. Az út megtétele során természetesen az utakat is használjuk, amelyek építése és karbantartása további energiaráfordítást igényel. Ezen felsorolás kiegészíthető még mindazokkal a kiegészítő tevékenységekkel is, amelyek energiafelhasználást igényeltek ahhoz, hogy a gépkocsi vezetője otthonából az ABC áruházba mehessen gépkocsiján. E kiegészítő tevékenységek mindegyikéhez szintén kapcsolódik energiafelhasználás, amelynek egy bizonyos része a vizsgált utazáshoz kapcsolódik. A felsorolt tényezők közül néhányhoz csak kis energiafelhasználás kapcsolódik, míg a többihez sokkal jelentősebb. Az alapprobléma, hogy ezek közül a kiegészítő tevékenységek közül melyeket vegyük figyelembe az autó üzemeltetéséhez szükséges teljes energiafelhasználás meghatározásánál. Ennek eldöntéséhez alkalmasán kialakított eljárások szükségesek. Az eljárások kialakítása és a feltételezések megindokolása részletes magyarázatot igényel, amelyekkel a könyv későbbi fejezeteiben foglalkozunk. Nyilvánvaló, hogy egy teljes rendszer energetikái vizsgálata nem olyan egyszerű dolog, mint ahogy az első látásra látszik. Ezért önkényesen döntöttek bizonyos tevékenységek figyelembevételéről vagy kirekesztéséről, ezzel nagy bizonytalanságok keletkeztek a rendszerenergiákra közölt adatok értelmezésénél.

1.2.

Országos energiagazdálkodás

Az energiafelhasználás mindig ok-okozati kapcsolatban áll az adott ország gazdasági viszonyaival, ezért amikor az országos szintű energiafelhasználást vizsgáljuk, először mindig a makrogazdasági fejleményeket kell áttekintenünk. A gazdasági viszonyok és folyamatok elemzése után térhetünk rá az energiaellátás szerkezetének vizsgálatára, kezdve a gazdaság különböző szektorainak energiaigényeitől azok kielégítéséig. Az energiagazdálkodásban kiemelt jelentősége van a hatékonyságnak (az egységnyi gazdasági érték előállításához felhasznált energiamennyiség), rendkívül fontos, hogy az energiafelhasználás hatékonyságának növelését rendelkezésünkre álló eszközeinkkel növeljük. 1.2.1. Makrogazdasági fejlemények Magyarország évtizedeken át kísérletezett piacgazdasági reformokkal és már 1968ban megkezdődött a központi tervezés mélyreható felülvizsgálata. 1988-ra modern adórendszert dolgoztak ki és kiépült a kétszintű bankrendszer, szintén ettől évtől kezdve jöttek létre az új gazdasági társaságok illetve alakultak át a meglévő vállalatok. A 80-as évek végétől kezdve a bruttó nemzeti termék (GDP, Gross Domestic Product) növekedése stagnált, majd erősen csökkent. Jelenleg (1997) a makrogazdasági folyamatok már viszonylag kedvező képet mutatnak a szigorú monetarista egyensúlyteremtő intézkedéseknek köszönhetően. A pénzügyi egyensúly megteremtette a gazdasági növekedés alapját. Az egyre bővülő gazdasági termelés egyre nagyobb energiaigényekkel lép fel a hatékonyság folyamatos növekedése mellett is. Az energiaigények és a bruttó nemzeti termék közötti kapcsolatot az 1. ábra mutatja az 1983. évet alapul, relatív értékben. Ebből az ábrából jól látható, hogy milyen szoros kapcsolat áll fenn a gazdaság és az energetika (az energiaigények) között 120 GDP

Energiaigény

(Index: 1983=100)

110 100 90 80 70 60 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994

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 (az elsődleges vagy primer energiahordozók definícióját lásd a 3.1 alfejezetben). Szilárd tüzelőanyagok

14 12 10 8 6 4 2 0 1971 1975 1979 1983 1987 1991

Kőolaj

14 12 10 8 6 4 2 0 1971 1975 1979 1983 1987 1991

Földgáz

14 12 10 8 6 4 2 0 1971 1975 1979 1983 1987 1991

Atomenergia

14 12 10 8 6 4 2 0 1971 1975 1979 1983 1987 1991 Igény (felhasználás) Hazai termelés

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

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

1 toe (tonna olaj egyenérték) = 44,8 MJ. Előfordulhat még: 1 toe = 42 MJ.

Magyarország 1992

Gáz 31%

OECD Európa 1992

Gáz 17%

Egyéb 1% Atome. 15%

Olaj 31%

Olaj 44%

Szilárd 22%

Egyéb 3%

Atome. 14%

Szilárd 22%

3. ábra. Elsődleges energiahordozó-szerkezet Magyarországon és az Európai OECD tagországokban

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

Mtoe 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 1988 1989

Lakosság, kereskedelm, szolgáltatás Ipar Közlekedés Egyéb 1990

1991

1992

1993

4. ábra. Végső energiafogyasztás ágazatonként (Mtoe)

1.2.3. Energia végfelhasználás és hatékonyság Magyarországon a tervutasításos gazdaság egyik öröksége az, hogy az energia felhasználásának hatékonysága nagymértékben eltér a fejlett országok mutatóitól. Az mesterségesen alacsony értéken tartott energiaárak és az ipar teljesítményének a kibocsátás mennyisége alapján való értékelése, tekintet nélkül a minőségre, megnövelte és túlhangsúlyozta az energetikai iparágak kínálati oldalát. Ez oda vezetett, hogy magas szintet ért el a gazdasági kibocsátás egységére vetített energiafelhasználás, míg a fejlett piacgazdaságokhoz viszonyítva a gazdasági fellendülés elmaradása az egy főre jutó energiafogyasztás alacsony szintjében tükröződött. Az energiaigényesség, a gazdasági kibocsátás egységére vetített energiafelhasználással megfogalmazva sokkal magasabb Magyarországon mint az OECD többi tagországaiban, amit a következő tények magyaráznak: – a viszonylag gazdaságtalan energiahordozó kitermelés (pl.: mélyművelésű szénbányák), – a történetileg kialakult alacsony energiaárak miatti intenzív energiafelhasználás, – a gazdasági kibocsátásban az általában alacsony hozzáadott érték és – az energiaigényes iparágak viszonylag magas részesedése. Az általános, viszonylag alacsony energiahatékonyság azt jelenti, hogy Magyarországon a javítás lehetőségei nagyok lesznek az elkövetkező néhány évtizedben. A központi tervgazdaságban alábecsülték, illetve figyelmen kívül hagyták az energiaellátás alkalmi költségeit, ezért az energiaárak alacsony szinten maradtak. A krónikus alulárazás oda vezetett, hogy csökkentek a beruházások, ennek következtében nem volt megfelelő a szolgáltatások szintje, és végül hiány lépett fel. Az energiaárak emelésének – ahol lehetséges a piaci szintre, másutt pedig olyan szintre, ami teljesen fedezi a költségeket – fő célja az, hogy a beruházások gazdasági megtérülését biztosítsa, mivel ez a leghatékonyabb mód az energetikai szolgáltatások hosszú távon történő megfelelő biztosítására. A gazdaságban az árstruktúra korrekciója lehetővé teszi a termelő és szolgáltató társaságok számára, hogy a piaci értékbe megfelelően beszámítsák a termelési tényezőket és az energiafogyasztást is. A jövőbeni gazdasági növekedés minden bizonnyal elvezet az ipari szerkezetátalakításhoz és a hatékonyság jelentős növeléséhez, tekintettel a helyes árképzés jelzéseire.

2. AZ ENERGIA 2.1.

Az energia megmaradásának elve

Mint általában a legtöbb elvont fogalom, az „energia” sem igazán szemléletes jelentésű. A tudósokban és a mérnökökben ezzel kapcsolatban kifejlődik egy érzék, amely a fogalomnak a különböző szakterületen való folyamatos alkalmazásához kapcsolódik. A gyakorlati alkalmazások szempontjából úgy tekinthetjük, hogy az energiafolyamatokat két alapvető természeti törvény határozza meg, amelyeket gyakran a termodinamika első és második törvényének neveznek. A termodinamika első törvényét az energiamegmaradás törvényeként is szokták emlegetni, amely azt mondja ki, hogy energiát sem létrehozni, sem megsemmisíteni nem lehet, hanem csak egyik alakból a másikba lehet átalakítani. Ez a meghatározás magában foglalja azt is, hogy az energia számos alakban áll rendelkezésünkre, és ezeket az 1. táblázathoz hasonlóan foglalhatjuk össze. Fontos annak figyelemmel kísérése, hogy a felsorolás nem egyértelműen meghatározott. A hőenergiát pl. az anyagban az atomok, ill. molekulák mozgása hozza létre, tehát tulajdonképpen a mozgási energia egyik formája. Ehhez hasonlóan a hang, amelyet egyébként nem is tüntettünk fel a táblázatban, szintén a mozgási energia egyik formája, hiszen azon közeg molekuláinak vagy atomjainak mozgásából ered, amelyben a hang terjed. Az, hogy a hang beletartozik-e a táblázatba vagy sem, az önkényes elhatározás kérdése, és a felsorolás bővíthető vágy szűkíthető attól függően, milyen részletességre törekszünk, ill. mi a felsorolásunk célja. 1. táblázat Az energia megjelenési formája

A példában szereplő maximális energia, MJ

Példa

Kinetikus (mozgási)

1 kg tömeg 48 km/h sebességgel mozog

Potenciális (helyzeti)

1 kg víz energiája az alapszint feletti 500 m magasságban 1 kg 373 K hőmérsékletű víz energiája a 293 K alaphőmérséklethez viszonyítva 230 V feszültségen 1 A erősségű áram 1 órán keresztül folyik Teljesen derült időben, déltájban 1 m2 földfelszínt 1 órán keresztül erő napsugárzás 1 kg olaj levegőben szén-dioxiddá és vízzé való elégésekor 1 kg 235-ös urán hasadása

0,000 09 Hő Villamos energia Napsugárzás energiája Kémiai energia Atomenergia

0,005 0,34 0,83 3,4 45 80 000 000

Az 1. táblázathoz hasonló felsorolásoknál könnyű meghatározni azt a folyamatot, amely szerint az energia az egyik alakból a másikba átalakul. Néhány esetben az átalakítás egyetlen lépésben megy végbe, ilyen pl. az olaj vagy szén vegyi energiájának átalakulása hő- és fényenergiává a levegőben való elégetéskor. Más esetekben az eredő átalakulás úgy jön létre, hogy számos közbeeső változás is bekövetkezik. Például egy felső víztárolóban levő víz helyzeti energiája úgy alakul át

villamos energiává, hogy először mozgási energiává alakul át: a víz egy csővezetéken a vízgyűjtőből az erőműig halad; majd a víz mozgási energiáját átadja a turbinán keresztül a generátor forgórészének, és a forgórész ezen mozgási energiájának egy része alakul át villamos energiává. A 2. táblázat (energiaátalakítási mátrix) néhány olyan esetre mutat példát, amikor egyik energia egy másikba alakul át. A táblázat első oszlopa tartalmazza a kiindulási energiafajtát, a további oszlopok pedig azokat a berendezéseket, illetve folyamatokat, amelyek segítségével a kiindulási energiafajtát más energiafajtákká tudjuk átalakítani. 2. táblázat Mechanikai

Hő

Mechanikai Hő egyszerű gé- súrlódás pek, hajtások hidraulikus gépek, vízturbina hőerőgépek abszorpciós hűtőgép

Villamos Sugárzás generátorok, tribo- és mikrofon krisztalloszonolumineszcencia hőelem

hősugárzás, izzólámpa

endoterm kémiai reakciók gázkisülések elektrolízis, akkumulátor

Sugárzás

radiométer

villamos fűtés, Peltierelemes hűtés abszorpció, infrasugárzó

transzformátor, tranzisztor fényelem, fluoreszcenvevőantenna cia, lézer

Kémiai

izom, ozmó- exoterm zis, sugárkémiai hajtómű, reakciók, égés hasadás atomreaktor

galvánelem, kemolumintüzelőanyag- eszcencia, cella biolumineszcencia termoelekradiotromos aktivitás reaktor, izotópos áramforrás

Villamos

villamos motorok

Nukleáris

Kémiai mechanokémiai jelenségek

Nukleáris részecskegyorsító

fúzió kiváltása részecskegyorsító

fotoszintézis párkeltés, fényképezés fúzió lézerrel kémiai reakciók

kötések módosulása

fúzió, fisszió

Az 1. táblázatból láthatjuk, hogy valamilyen alapszinthez képest 500 m-rel magasabban levő víztárolóban a víz kg-onként 0,005 MJ energiát képvisel. Ez elvileg a vízből kinyerhető, ha az az esés után az alapszintre jut. Viszont 1 kg 235-ös uránizotópból – maghasadás útján – 80 TJ energia nyerhető. Nyilvánvaló, hogy 1 kg maghasadásra képes 235-ös uránban lényegesen nagyobb energia áll rendelkezésre, mint az 500 m magasan levő 1 kg vízben. Ezt úgy célszerű megfogalmazni, hogy az atomenergia sűrűsége 1 kg 235-ös uránban 16 milliárdszor nagyobb, mint az 500 m magasan levő 1 kg vízben a helyzeti energia sűrűsége. Ez a fogalom igen fontos, mert azok az átalakítások, amelyek nagyobb energiasűrűségeket alakítanak át kisebb energiakoncentrációra, viszonylag könnyebben megvalósíthatók, mint az ellenkező irányúak. Érdekességképpen megjegyezzük, hogy ez a felfedezés szolgált alapjául a termodinamika második alaptörvényének megfogalmazásánál, amellyel a következő alfejezetben fogunk megismerkedni. Az 1. táblázat azt bizonyítja, hogy a kémiai és a nukleáris energiaforrások sokkal nagyobb energiasűrűségűek, mint a többi, így nem meglepő, hogy éppen ez a két energia a jelenleg leggyakrabban használt. Legelterjedtebben a kémiai energiát hasznosítjuk, mivel ennek felhasználása sokkal egyszerűbb, mint a nukleáris

energiáé. E két energia relatív energiasűrűségét összehasonlítva azt találjuk, hogy viszonylag a legnagyobb energiamennyiség az atomenergiából nyerhető. Azokat az anyagokat, amelyeknek az energiasűrűsége nagy, illetve belőlük az energia részben vagy teljes egészében könnyen kinyerhető, üzemanyagként, tüzelőanyagként használjuk. Az ipar ezeket az anyagokat energiaforrásként (energiahordozóként) hasznosítja. Az 1. táblázat még egy további energiával kapcsolatos jelenségre is utal, arra, hogy egy vonatkoztatási szintet kell meghatározni vagy megválasztani, amelyhez a mérési eredményeket viszonyítjuk. Ennek szükségessége azért merül fel, mivel abszolút zérus energiaállapot a valóságban nem fordul elő, és így a legtöbbnél megtehetjük, hogy az egyes állapotok közötti energiaváltozásokat vizsgáljuk. A víz helyzeti energiájának vizsgá1atánál a vízszintnek egy alapszinthez viszonyított magasságából kell kiindulni. Ugyanígy a hőenergia esetében a referenciaállapotot a környezet hőállapota jelenti. A többi példában a vonatkoztatási állapotot expliciten nem adjuk meg, hanem azt tételezzük fel, hogy a változást az energiaátalakulás előtti állapotra vonatkoztatjuk. Például mozgási energia esetében az energiát a nyugalmi állapothoz viszonyítjuk. Röviden összefoglalva az ipari folyamatoknál üzemanyagként olyan energiahordozókat használunk fel, amelyeknél a nagy koncentrációjú energia kisebb sűrűségűvé való átalakítása következik be. Az energia minőségének a felhasználás során bekövetkező ezen fokozatos csökkenése alapvető természeti törvény, amelyet a termodinamika második alaptörvénye foglal össze.

2.2.

A termodinamika második alaptörvénye

A termodinamika második alaptörvénye valószínűleg a fizikai tudományok egyik legfontosabb alaptörvénye, amelyet közvetlen kísérlettel még nem igazoltak. Érvényessége azonban megalapozott, mert sikeresen felhasználhatták nagyszámú jelenség lefolyásának előrejelzésénél, amelyek aztán közvetlenül igazolhatók. Ezen törvény különösen azért érdekes számunkra jelenlegi vizsgálatainknál, mert meghatározza azokat a feltételeket, amelyek illeszkednek az energiaátalakításokat is magukba foglaló folyamatokhoz, és amelyek meghatározzák ipari folyamatoknál az energiafelhasználások módozatait. Míg a termodinamika első törvénye magára az energiára vonatkozik addig a második törvény az energia változásaira és ezen változásokkal kapcsolatos korlátokra vonatkozik. Nem célunk, hogy teljes és számszerű igazolását adjuk a második törvénynek, csupán minőségileg vizsgáljuk e törvény néhány ipari alkalmazását. A legmegfelelőbb az lenne, ha a törvénynek olyan egyszerű és világos megfogalmazását adnánk, amely felölelné a törvény összes következményét. Számos ilyen megfogalmazás adható. Ha az idevonatkozó szakirodalmat tanulmányozzuk, rögtön kiderül, hogy a második törvénynek számos megfogalmazása van. A különböző megfogalmazások végül is ugyanarra a következtetésekre jutnak, míg különbözőségük arra utal, hogy a fizikai valóságot különbözőképp látjuk. Az általunk itt használt megfogalmazás nem az, ami a termodinamika elméletének matematikai felépítésénél általában alapként szolgál. Olyan kiindulást választunk, amely a törvény következményének leíró jellegű kezelésénél a legcélravezetőbb.

Megfogalmazásunk azon a felismerésen alapul, hogy a természetben bizonyos változások emberi beavatkozás nélkül is végbemennek. Ezen változásokat spontán folyamatoknak nevezik. Jellegzetes példák erre: só oldódása vízben; izzó fém lehűlése és a vas rozsdásodása szabadban, levegőn. Fontos kiemelni, hogy amikor egy folyamatot spontán folyamatnak nevezünk, akkor meg kell határoznunk azokat a jellemző körülményeket is, amelyeknél a folyamat valóban önmagától megy végbe. Az előbb felsorolt példákat tanulmányozva önkéntelenül hozzágondoljuk azokat a körülményeket, amelyek a szobában vagy valahol a föld felszínén, szabad ég alatt uralkodnak, és ahol bizonyos határok között jó közelítéssel meghatározottak a jellemző paraméterek: pl. a hőmérséklet, a nyomás és a nedvességtartalom. Így azokat a körülményeket, amelyek mellett az ún. spontán folyamatok nem következnek be, nem nehéz előre megállapítani. Például 1 kg 350 K-es fémdarab nyilvánvalóan meleg egy 290 K-es jellegzetes szobahőmérséklethez képest, ezért a fém lehűl. Ugyanez a fémdarab 600 K hőmérsékletű kemencében viszont lehűlés helyett felmelegszik. Tehát beszélhetünk spontán folyamatokról, de figyelembe kell vennünk, hogy a spontán viselkedés speciális állapotokat tételez fel. A feltételek meghatározásakor rögtön szembetűnik a spontán folyamatok egy fontos jellegzetessége, mégpedig az, hogy ezeket mindig energia-felszabadulás kíséri. A példában szereplő meleg fémdarab lehűlése során hőenergiát ad le környezetének, és ez az energia – legalább is elvben – összegyűjthető és hasznos tevékenységre fogható. Kevésbé nyilvánvaló, de a só vízben való oldását is hőfejlődés kíséri. Ha 1 kg vízben hőmérőt helyezünk el, és az edényt jól hőszigeteljük, kis hőmérsékletemelkedés jelzi, hogy az oldódási folyamat energia felszabadulásával jár, noha ez sokkal kisebb mértékű, mint a hűlő fém esetében. A másik véglet a szénhidrogének reakciója oxigénnel (égés), amely kétségtelenül spontán folyamat és a felszabaduló energia is igen nagy mennyiségű. Ezek a megfigyelések azért fontosak, mert mindegyik felhasználható energiaforrásunk a spontán reakción alapul, és az ipari folyamatok összessége a spontán folyamatok során felszabaduló energiák hasznosításain alapul, amelyekkel bizonyos eltervezett változást kívánnak megvalósítani. (Például valamilyen termék előállítása, víz szivattyúzása, szoba fűtése stb.) Ezt az energiát a termodinamikában általában szabad energiának nevezik, és ezzel azt emelik ki, hogy felhasználásra 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 van szükség, ha az előre elhatározott változásokat véghez akarjuk vinni, ugyanis az ipari folyamatok legtöbbjének a spontán hatások megfordítása a célja. Az ipar számára szükséges lehet a szilárd só kinyerése az oldatból, vagy egy hideg fém felmelegítése, vagy a vas előállítása vasoxidból (rozsdából). Ezen műveletek mindegyike arra irányul, hogy a spontán reakció előtt meglévő eredeti állapotot állítsa vissza. Például; ha a sóoldatból a vizet elgőzölögtetjük, és a gőzt lecsapatjuk, a sót és a vizet szétválaszthatjuk. Ha a vasoxidból az oxigént kivonjuk, a vasoxidból visszanyerjük a vasat, és ha a hideg fémet forró kemencébe helyezzük, a hőmérséklete emelkedni fog. Ezekben az esetekben mindegyik spontán folyamatot megfordítottuk, azonban ennek ára van. A három példa mindegyikében energiát kellett a folyamathoz betáplálni, hogy az a

fordított irányban menjen végbe. Érdemes megjegyezni, hogy más fémoxidhoz hasonlóan a vasoxid is elbontható (disszociáltatható) fémre és oxigénre – elvileg csupán hevítéssel: Azonban a fémoxidok disszociációjához szükséges hőmérséklet rendszerint igen nagy, ezért nem célszerű: fémeket ezzel a módszerrel előállítani. A fémoxidok gyakran lépnek vegyi reakcióba olyán elemekkel, amelyeknek nagyobb az oxigénhez való affinitása, mint az előállítandó fémé. A fémoxidhoz adott adalékanyag tehát elvonja az oxigént, és azzal oxiddá egyesül. Így előáll a kívánt fém és az adalékanyag oxidja. Az ilyen reakciók rendszerint lényegesen kisebb hőmérsékleten mennek végbe, mint a disszociáció. A spontán folyamatok megfordításához szükséges összes szabad energiának nem kell okvetlenül tüzelőanyagok elégetéséből vagy villamos energiából származnia. A legtöbb kémiai eljárásnál a reagensek egyik vegyületből másikba alakulnak át ezen reakciók egy része energiát emészt fel, míg a másik részénél energia szabadul fel, mint a szén vagy olaj elégetésekor. A legtöbb, kémiai reakciókat is magában foglaló ipari folyamatnál igen gyakran egyszerre több reakció is végbemegy ugyanazon tartályon belül. Ha az egyik reakció során energia szabadul fel, azt felhasználhatja egy másik, energiát elnyelő folyamat. Ilyen elrendezésben a külső forrásból, pl. tüzelőanyag elégetéséből származó, az egész folyamat energiaigényét fedező energia kisebb lesz, mintha az energiát elnyelő folyamat elszigetelve menne végbe. Egyszerű gyakorlati példával illusztrálhatjuk ezt. Nagy tömegű alumíniumtermelés a Hall és Heroult 1886. évi felfedezésének köszönhető: az olvadt kriolit (Na3AlF6) jó oldószere az alumínium-oxidnak (Al2O3), mely az alumínium természetes előfordulási formája. A keletkező oldatból elektrolízissel az alumínium kinyerhető az oldat jelentősebb mértékű elbomlása nélkül. Az elektrolízis 1250 K-en következik be az alábbi egyenlet szerinti reakciónak megfelelően:

2 4 Al 2 O 3  Al  O 2 . 3 3 A szabadenergia-változás ezen reakció során +0,84 MJ ahol is a pozitív előjel a megegyezés szerint arra utal, hogy a folyamat energiát igényelt. Első pillanatban úgy tűnhet, hogy ennek az energiának teljes egészében villamos energiából kell a folyamatba kerülnie. Azonban az elektrolizáló kádnál használt grafit-anódnál kiváló oxigén a következő egyenlet szerint reakcióba lép a szénnel, és így széndioxid keletkezik: C  O 2  CO 2 .

Ezen reakció során a szabadenergia-változás -0,4 MJ, mikor is a negatív előjel a megegyezés szerint energia felszabadulására utal. Az elektrolizáló kád belsejében lejátszódó eredő folyamat az előző két egyenlet összegeként írható fel: 3 4 Al 2 O 3  C  Al  CO 2 . 2 3

A szabadenergia-változás ennél az összetett reakciónál 0,84-0,4 = 0,44 MJ. A végeredmény az, hogy a grafit anódelektróda lassú elégésével a külső energiaigény majdnem felére csökken ahhoz képest, amikor az anód más anyagból készül. Most érthetjük meg a legjobban a termodinamika második alaptörvényének

megfogalmazását. Minden spontán folyamat (reakció) energiafelszabadulással jár, míg ezen folyamatok ellenkező irányú megvalósításához energiát kelt betáplálni. Ez a törvény egyben azt is jelenti, hogy olyan körülmények között, amelyek mellett egy adott folyamat spontán megy végbe, ugyanezen folyamat az ellenkező irányban már nem spontán reakció. Ha egy meghatározott reakció nem spontán az adott állapotjelzők mellett, akkor azokat meg kell változtatni úgy, hogy a folyamat spontán legyen. Ezen állapotjelzők megváltoztatásához azonban energia betáplálására van szükség. A törvény ilyen megfogalmazása mellett az ipar célkitűzéseit úgy foglalhatjuk össze, mint a feltételek, az állapotok olyan befolyásolását, amelyek mellett az elvárt változások már spontán folyamatként játszódnak le. A feltételek befolyásolása a gyakorlatban éppen a fizikai állapotok megváltoztatását jelenti, például ahhoz, hogy elősegítsük egy fémdarab felmelegítéséhez szükséges spontán hőáramlást, nagyobb hőmérsékletről kell gondoskodnunk. Vagy pedig a fizikai állapotok megváltoztatásával együtt szükséges lehet a kémiai környezet megváltoztatása is, pl. amikor egy meghatározott kémiai reakciósorozat elősegítésére vegyszert (katalizátort) adagolunk. A spontán változások elvének megismerése elősegítheti a bepillantást azok közé a tényezők közé, amelyek a gyakorlatban az energiafelhasználást befolyásolják. Minden ipari tevékenység gépek használatán alapul. Itt a gép megnevezést meglehetősen tágan értelmezzük: nemcsak a mechanikus szerkezeteket értjük alatta, hanem olyan egységeket is, mint pl. a villamos vezetékek, a kemencék és az atomreaktorok. Az egyszerűség kedvéért egy mechanikai gépcsoportot vizsgálunk, mert ez működése közben könnyen megfigyelhető hatásokat okoz. Megfelelő példa erre egy tengelyre felerősített lendkerék, amelyet valamilyen módon megtámasztunk. Tételezzük fel, hogy ezt a kereket kezünkkel mozgásba hoztuk, vagyis mozgási energiát közöltünk vele. Attól kezdve, hogy a kerék mozgásba jött, többé már senki sem nyúl hozzá. Egy idő múlva a kerék nyugalomba kerül. Teljesen mindegy, hogy milyen intézkedéseket foganatosítunk, csökkentjük a tengely csapágyazásának, megtámasztásának súrlódását vagy a levegő közegellenállását, az elkerülhetetlen végeredmény: a kerék minden esetben meg fog állni. A spontán folyamat jelen esetben a kerék állandó lassulása. A termodinamika második törvényének általunk használt megfogalmazásából is következik, hogy a kerékben levő kezdeti, mozgási energia valamilyen módon a kerékből eltávozik, spontán módon hőenergiává alakul át a csapágyakban, ill. a környező levegőben levő molekulák hő- és mozgási energiájává alakul át. Ha ez a lendkerék egy nagyobb állandó fordulatszámmal üzemelő gép alkatrésze, akkor a spontán veszteségi folyamatokat ellensúlyozni kell, és ez a második törvény értelmében csak úgy valósítható meg, hogy energiát közlünk a géppel. A spontán, energiaveszteséget okozó folyamatok nem korlátozódnak a mechanikus szerkezetekre. Veszteség keletkezik, ha áram folyik át vezetékekben a vezetékek ellenállása miatt, és ez a veszteség is hőenergiává alakul ; növekszik a vezeték hőmérséklete. Ugyanígy, hőveszteség lép fel a kemencékben a kemence falának hővezetése miatt. Mindkét példánál az energiaveszteségi mechanizmusok létezése igazolható, ha az energia betáplálását megszüntetjük, és így az egység ahhoz az eredeti állapothoz tér vissza, amely eltérő lesz attól, amely az energiabetáplálás

mellett fennállt. Tehát a kemence ki fog hűlni és a villamos áram nem fog tovább folyni. A felsorolt példákban jelentkező veszteségek spontán természeti jelenségek (súrlódás, áramköri elemek ellenállása és hővezetés) következményei. E veszteségek nagysága a gépek körültekintő tervezésével és gondos üzemeltetésével csökkenthető, azonban a veszteségek teljesen nem szüntethetők meg, és ez vezet a sokat emlegetett igazsághoz, hogy nem lehetséges 100 %-os hatásfokkal működő gépet szerkeszteni. Ezek a veszteségek is kizárják az örökmozgó készítésének lehetőségét. A termodinamika második alaptörvényének fontosságát az ipari gyakorlat szempontjából most még átfogóbban is értékelhetjük. Olyan világban 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 feltételek mellett a természetben nem fordulnak elő. Más szóval: nincsenek olyan spontán folyamatok, amelyek az igényelt termékek kialakításához vezetnének. Ezért olyan körülhatárolt térrészeket kell kialakítanunk, ahol a feltételek megvannak bizonyos spontán változások létrehozásához. Ezeket a meghatározott, körülhatárolt térrészeket gyáraknak nevezzük. A szükséges feltételeket gépek, pl. a kemencék, öntőberendezések segítségével valósítjuk meg. A gyártás után a termékeket a gyárakból visszajuttatjuk a mindennapi életbe, a gyáron kívüli felhasználásra. Egy külső megfigyelő megvizsgálhatja az anyagokat, mielőtt azok a gyárba kerülnek, és leírhatja azokat a változtatásokat, amelyeket a gyár végre akar hajtani. Ha ismeri azt a fizikai törvényt, amely a kívánt eredményt meghatározó hatást irányítja, akkor ki tudja számítani az energiafelhasználást is. Vizsgáljuk azt az egyszerű példát, amelynél egy fémtömböt olvadásig melegítenek, majd formába öntenek, hogy ott a fém adott alakot kapjon. E folyamat két fizikai hatás megvalósítását igényli : a fém hőmérsékletét először is az olvadáspontig kell növelni, majd ezt követően meg kell olvasztani. A hőmérséklet emeléséhez szükséges energiát a tömeg, a fajhő és a hőmérsékletváltozás szorzata adja. A fajhő az anyagra jellemző tulajdonság, és az egységnyi tömegű anyag hőmérsékletének 1 K-nel való emeléséhez szükséges energia. Ha az anyag már elérte az olvadási hőmérsékletét, akkor a megolvasztásához szükséges energia a megolvasztandó tömeg és az olvadáshő szorzataként számítható. Az olvadáshő a tömegegységnyi anyag megolvasztásához szükséges energia. Az említett jellemzőket néhány fémre a 3. táblázatban adtuk meg. Egy fél kilogramm tömegű alumíniumöntvénynél, amelynek kiindulási hőmérséklete 290 K, az öntés energiaszükséglete – a 3. táblázat adatait felhasználva: (az olvadáspontig való felmelegítéshez szükséges energia) + (a megolvasztáshoz szükséges energia) = 0,5·913·(932-290) + 0,5·397 000 J = 293 073 + 98 500 J = = 491 573 J = 0,49 MJ.

3. táblázat Fém Alumínium Antimon Arany Berillium Bizmut Cink Ezüst Kadmium Kálium Kobalt Króm Magnézium Mangán Molibdén Nátrium Nikkel Ólom Ón Platina Réz Szilícium Titán Vas Volfrám

Fajhő, J/(kgK) 913 209 130 1824 126 389 238 230 753 418 460 1017 477 251 1226 444 130 209 134 385 711 523 453 132

Olvadáshő, MJ/kg 0,397 0,161 0,063 1,356 0,052 0,113 0,111 0,055 0,061 0,276 0,331 0,368 0,267 0,289 0,113 0,297 0.230 0,059 0,100 0,205 1,799 0,418 0,272 0,192

Olvadáspont, K 932 903 1336 1551 544 ó92 1234 594 336 17b3 2163 923 1493 2895 371 1725 600 505 2043 1356 1700 2073 1803 36b0

Ez az energia kerül majd az atmoszférába vezetéssel, áramlással és sugárzással, amikor az öntőformába öntött anyag ismét szobahőmérsékletre hűl. Ez az a minimális energiaigény, ami a jelen esetben az adott változáshoz szükséges. Ez a példa ipari szempontból kissé triviális, de annak bemutatására alkalmas, hogy bármely változáshoz számítható egy minimális energiaigény. Ehhez hasonlóan: ha az előre tervezett változás számos kémiai reakcióból áll, akkor minden részreakció esetén az energiaváltozást előre részletesen ismerni kell ahhoz, hogy a teljes folyamat minimális energiaszükségletét meg tudjuk határozni. Ilyen számítások útján meghatározott energiát nevezik a reakció minimális termodinamikai energiaigényének. Visszatérve az alumíniumöntvény készítésére vonatkozó példánkhoz, egy gyáron belüli megfigyelő is 0,49 MJ-nak határozhatja meg a folyamathoz szükséges minimális energiát. A gyárban azonban az alumínium hőmérsékletének spontán növeléséhez szükséges körülhatárolt feltételek kialakításával más spontán folyamatok is kiváltódnak. Például az alumínium megolvasztásához 932 K-en üzemelő kemencéről kell gondoskodni. Mivel ezt a készüléket (a kemencét) jóval alacsonyabb hőmérsékletű levegő veszi körül, spontán hőenergia-veszteség lép fel vezetés, hőátadás és sugárzás formájában. Az üzemeltető tervezheti úgy berendezését, hogy az általa meghatározott főfolyamaton kívül minél kisebb legyen a spontán folyamatok száma, azonban a termodinamika második alaptörvényének következtében soha sem küszöbölheti ki ezeket a mellékfolyamatokat és a hozzájuk kapcsolódó energiaveszteségeket. Végül is bele kell nyugodnia abba, hogy mindig több energiát kell a kemencébe vezetni az elméletileg kiszámított 0,49 MJ-nál ahhoz, hogy a tervezett termék elkészüljön.

Ezzel kialakul az ún. gyakorlati energiaszükséglet, amely mindig nagyobb lesz, mint a minimális termodinamikai energiaszükséglet. Ezen egyszerű példa segítségével belátható, hogy minden egyes ipari folyamathoz két energiaérték rendelhető. Az egyik energia az ideális (veszteségmentes) esetet figyelembe vevő minimális termodinamikai energiaszükséglet, a másik pedig a tényleges körülményeket és veszteségeket, a segédfolyamatok által felhasznált energiamennyiséget is magában foglaló gyakorlati energiaszükséglet. E két energiamennyiség ismeretében meghatározhatjuk az egyes folyamatok energetikai hatásfokát:

E 

Ee . E gy

Az összefüggésben Ee az elméleti, Egy pedig a gyakorlati energiaszükséglet. A két energiamennyiség különbsége pedig a folyamat energiaveszteségét adja meg:

E v  Egy  Ee . Mielőtt elhagynánk a reakciókat beindító szabad energiák szerepéről szóló területet, gondoljunk át alaposabban két korábban már tárgyalt példát: az alumíniumöntvény előállításáról szólót és a vasoxid redukcióját vassá. Az öntésnél a változás előidézéséhez szükséges teljes energiát először közölni kellett a fémmel, majd ezt követően az öntvény visszaadja lehűlése során a környezetének. A. vas előállításánál a 7,35 MJ/kg a minimális termodinamikai energiaszükséglet, ami a vasoxid vassá való alakításához szükséges. Ez állandóan szükséges, ahányszor a reakció végbemegy, és nem jut vissza a környezetbe, csak ha az 1 kg vas teljes egészében újraoxidálódik. Ez úgy is felfogható, hogy az 1 kg vas 7,35 MJ energiát hordoz magában – potenciális energiahordozóként –, amely energia később felszabadítható.

3. ENERGIAHORDOZÓK ÉS -FORRÁSOK 3.1.

Alapfogalmak, definíciók

A primer vagy elsődleges energiahordozók a természetben található eredeti állapotban lévő energiahordozók (ásványi szén, kőolaj, földgáz, nukleáris energiahordozók), az energetikai folyamatok kiinduló közegei (a primer energiahordozók mintegy 10 %-át a fogyasztók eredeti állapotukban használják fel. A fennmaradó 90 % egy részét kezelésnek vetik alá. A szenet aprítják, osztályozzák; a szénhidrogéneket tisztítják, különböző halmazállapotú komponensekre bontják. A kezelés módosítja, de alapvetően nem változtatja meg az energiahordozó sajátosságait). Primer vagy elsődleges energiaforrások: a természetben található és munkavégzésre használható erők (napsugárzás, szél, áramló víz, tengeri energia, biomassza, geotermikus hő). A szekunder vagy átalakított energiahordozók a primer energiahordozóktól származnak, de azoktól lényegesen eltérő fizikai és kémiai tulajdonságokkal rendelkező új energiahordozók. Egyértelműen ide tartozik a kazánban fejlesztett gőz, melegvíz, a villamos energia, a koksz, a cseppfolyósított földgáz, a különböző olajtermékek, a nukleáris fűtőelemek. Fosszilis tüzelőanyagok a földkéregben található szén-, olaj és földgázkincs; tehát az éghető tüzelőanyagok. Fissziós üzemanyagok a nehéz atommagok hasításán alapuló atomreaktorokban felhasznált anyagok (pl. urán). Fúziós üzemanyagok a könnyű atommagok egyesítésével járó energiatermelés energiahordozói (pl. deutérium, trícium). Végső energiahordozóknak nevezzük azokat a elsődleges vagy átalakított energiahordozókat, melyek közvetlenül a fogyasztóhoz kerülnek, ahol hasznos energiává alakítják azokat. Hasznos energiahordozókkal elégítjük ki a fogyasztók igényeit. Ide tartozik a hő, a mechanikai munka, a fény és egyéb sugárzások energiája, az információ és a kémiai energia.

3.2.

Elsődleges energiahordozók

A ma ismert elsődleges energiahordozók és -források a 4. táblázat szerint csoportosíthatók. Ez a csoportosítás elvi szempontból ugyan kifogásolható, hiszen a kimerülő és megújuló energiahordozók és -források megkülönböztetése csupán az önkényesen választott (mértékadónak tekintett) időtartamtól függ. Tulajdonképpen az energiahordozók és források minden fajtája újra képződik és folytonosan megújul, csupán a kiaknázás ütemén múlik, hogy egy energihordozó/forrás abszolút

mennyisége a Földön a kimerülés felé tart-e. Ugyanakkor a megújuló energiaforrások sem garantáltak. A 4. táblázat beosztása logikailag sem töretlen. A napenergia sem egy forrás a sok közül, hanem Földön előforduló energiahordozók és -források szinte kizárólagos forrása. Az idők folyamán szénné és kőolajjá alakult szerves maradványok is a Napból nyerték energiájukat. Energetikailag legnagyobb jelentősége a Föld felszínére jutó napsugárzásnak van. Ezen elektromágneses hullámok forrása a Napban lejátszódó fúziós reakció, aminek teljesítményét 3  108 EW-ra becsülik. Ebből az energiaáramból a Földre 0,173 EW jut, aminek szinte teljes mennyisége különféle folyamatok lejátszódása után az atmoszférába kerül, majd onnan kisugárzódik a világűrbe. A Földre érkező napsugárzásnak mintegy 30 %-a már a légkörből visszaverődik és szóródva a világűrbe távozik. További 17,4 %-ot a légkör alkotóelemei nyelnek el (ózon, felhők, vízgőz és lebegő szilárd részecskék). A légkör főleg az ultraibolya és infravörös spektrumba eső hullámokat nyeli el, így a földfelszínre jutó 51,6 % energiahányad a látható fény tartományában a legintenzívebb. A felszín a beérkező teljes sugárzás 4,2 %-át közvetlenül visszaveri. A felszínt tehát a beérkező sugárzás 47,4 %-a melegíti, amiből a felületek arányában 33 % jut a tengerekre és 14,4 % a szárazföldekre. A felmelegedett felszín 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 vizében és a földkéregben. Ez az energiahányad szabja meg a bioszféra hőmérsékleti viszonyait és az élet feltételeit. Ez az energiamennyiség ezután különböző folyamatok után az atmoszférán keresztül a világűrbe távozik. 4. táblázat Kimerülő energiahordozók és -források 1. Kémiai tüzelőanyagok szén kőolaj földgáz egyéb éghető anyagok 2. Nukleáris üzemanyagok hasadóképes (fissziós) anyagok fúzióképes (fúziós) anyagok 3. Geotermikus energia konvektív hőhordozók kőzetek hőtartalma 4. Exoterm reakciók

Megújuló energiahordozók és -források 5. Napenergia napsugárzás fotoszintézis szél felszíni vízfolyások tengeri áramlások hőfokkülönbsége és a hullámzás energiája 6. Biológiai energia izomerő szerves tüzelőanyagok (biomassza) mikrobiológiai reakciók termékei 7.Gravitáció árapály

A kimerülő primer (elsődleges) energiahordozók köre a társadalmi fejlődés során fokozatosan bővült, ahogy a technika előrehaladása újabb források kiaknázása előtt nyitotta meg az utat. Ez a folyamat nemcsak az energiabázis bővülése miatt volt jelentős, hanem nagymértékben visszahatott a technika és a termelési technológia fejlődésére is. Az energetikai berendezések mindig a legdinamikusabban változó munkaeszközök közé tartoztak, a nagy technikai előrelépések többnyire összekapcsolódtak az energetika új vívmányaival. A felhasznált primer energiahordozók aránya, az energiahordozó-szerkezet a fejlődés során állandóan változott. Hangsúlyozni kell, hogy az újabb energiahordozók mindig előnyösebb

gazdasági és műszaki jellemzőik miatt kerültek előtérbe, és sohasem azért, mert a korábban hasznosított energiaforrások kimerültek. Az energiaszerkezetnek ez az átalakulása ma is folyik és a jövőben is folytatódni fog, bár ma már egyre inkább előtérbe kerül az egyes energiahordozók kimerülése miatti szerkezetátalakítás is. Az emberiség hosszú ideig csupán saját fizikai munkavégző képességére volt utalva. Az emberi izomerő meglehetősen kis teljesítményt reprezentál, átlagértéke 50..100 W, és csak rövid ideig tudja ennek többszörösét kifejteni. A fizikai munkavégzés egy napi lehetősége (1,5..3,0 MJ) 100 g szén hőegyenértékét is alig éri el. Bár sok munkafolyamatnál ma sem nélkülözhető az ember fizikai munkája, részesedése a világ energiamérlegében elhanyagolhatóan kis értékre csökkent. Magyarország munkaképes lakosságának összesített elméleti munkavégző képessége 3 PJ/év körüli érték, ami az ország energiamérlegének negyed százalékát sem teszi ki, a ténylegesen végzett fizikai munka pedig ennél egy-két nagyságrenddel kisebb. A technikailag fejlett társadalmakban teljesen elvesztette jelentőségét az állati izomerő is. A sok gondozást és táplálást igénylő igásállatok néhány 100 W-os teljesítménye valaha nagy segítséget jelentett a mezőgazdaságban és a közlekedésben, de ma már csak a fejlődésben elmaradt országokban játszanak szerepet. Az emberi és állati izomerő a XIX. század elején még a világ energiaigényének számottevő részét fedezte, a XX. század elejére aránya már néhány százalékra csökkent, és napjainkban már egy ezreléket sem ér el. Hasonló fejlődés jellemzi a magyar energiamérleget is. Az energetikai potenciál első jelentős bővülését a tüzelőanyagok megjelenése jelentette. A kezdet a növényi, állati és háztartási hulladékok, valamint a tűzifa elégetése révén nyert hő hasznosítása volt. Ezek a tüzelőanyagok ma már csupán a gazdasági fejlődésben elmaradott országokban játszanak számottevő energetikai szerepet, néhol a felhasznált tüzelőanyagoknak a felét is meghaladja a mezőgazdasági hulladék (szárított trágya, növényi maradékok). A tűzifa hosszú ideig a legfontosabb volt a tüzelőanyagok között, de később már nem tudott eleget tenni az ipari fejlődés igényeinek. A világ tüzelőanyag-felhasználásában a tűzifa ma csupán 2..3 %-ot tesz ki, a hulladékok részesedése pedig még ennél is kisebb. Ezért ezek most már kívül is esnek az energetikai statisztikai megfigyelés körén, és minthogy nem tárgyai nemzetközi árucsere-forgalomnak, „nem kereskedelmi tüzelőanyagok”-nak minősülnek. A hulladékok hasznosítása a fejlett társadalmakban ismét előtérbe kerül, azonban az így nyerhető energia szinte melléktermék, a fő feladat a szemét eltüntetése. Napjaink legfőbb elsődleges energiahordozói – a szénhidrogének, az olaj és a földgáz – együttesen a világ energiaigényeinek mintegy kétharmadát biztosítják. A tudomány egyre újabb energiaforrásokat tesz hozzáférhetővé az emberiség számára. Az energiaellátás fokozódó gondjai és terhei világszerte az érdeklődés előterébe állította az új energiaforrások kutatását. Jelentős összegeket fordítanak a kutatófejlesztő tevékenység szervezettebbé és célratörőbbé tételére. Nagy reményeket fűznek a napsugárzás és a Föld kérgében levő hő nagyarányú hasznosításához, aminek az elvi lehetőségét kis léptékű, speciális berendezések már bizonyítják. Szinte észre sem vettük, hogy megkezdtük a gravitáció kiaknázását is, hiszen az első árapály-erőművek már néhány éve üzemben vannak. Még nem sikerült létrehozni

stabil szabályozott fúziót, de a nagyarányú kutató tevékenység biztosan pozitív eredményre fog vezetni, ami újabb hatalmas energiaforrások kiaknázása előtt nyitja meg az utat. Valószínű, hogy a tudomány még sok meglepetést tartogat az energetika számára is. Ki merne ma jóslásokba bocsátkozni, hogy további években milyen új utakat fog a fizika feltárni? Azt viszont már a jelenlegi ismereteink alapján is kijelenthetjük, hogy a társadalmi fejlődés energetikai háttere hosszú időre biztosítható. 3.2.1. Kimerülő elsődleges energiahordozók Ebben az alfejezetben sorra vesszük az egyes kimerülő elsődleges energiahordozókat, ismertetjük jellemző tulajdonságaikat, legfontosabb felhasználási területüket. A tárgyalás során a 4. táblázat felosztását fogjuk követni, de nem térünk ki minden, ott említett energiahordozóra, csupán azokra, melyek jelenlegi energiafelhasználásunkban döntő szerephez jutnak. 3.2.1.1. SZÉN

A Földön a legbőségesebben rendelkezésre álló tüzelőanyag a szén. Ez teszi ki a gazdaságosan kitermelhető ismert ásványi tüzelőanyagok mintegy 85 %-át. A földkéregben felhalmozódott széntelepek hosszú földtani korszakok alatt alakultak ki. A szénképződés első fázisa a tőzegesedés, amikor víz alá került elhalt növények nagy molekulái mikroorganizmusok hatására, hosszú idő alatt lejátszódó biokémiai folyamatok közben kisebb molekulákra bomlanak le. A nedvesség és kevés oxigén jelenlétében lejátszódó folyamat során a bomlástermékek egy része gáz alakban vagy vizes oldatban távozik, a szilárd maradék a tőzeg. Minél fiatalabb a tőzeg, annál inkább felismerhető a növényi szerkezet. Frissen fejtve nedvességtartalma igen 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 6 és 30 % között mozog. Kis sűrűsége (0,1..0,8 kg/dm3) és nagy nedvességtartalma miatt nem szállítható, rossz tüzelőanyag, ezért csak helyi hasznosítása fordul elő – főleg erőművekben – ott, ahol nagy mennyiségben és kedvező körülmények között található. A tüzeléstechnikai problémák korlátozzák az építhető kazánok méreteit, a megvalósítható blokknagyság felső határa 300..600 MW. A világ becsült tőzegvagyonának hőegyenértéke 3  1021 J, amiből évente 80 Mt-t (1 EJ) termelnek ki. A szénképződés második fázisa a szénülés, amin a hegyképző erők hatására a földkéreg belsejébe került tőzeg megy keresztül. A széntelepek elsősorban olyan medencékben alakultak ki, ahova a környezetből kevés egyéb hordalék került. E medencék az idők során lassan lesüllyedtek, föléjük más rétegek rakódtak le, majd újabb tőzegképződés után a folyamat megismétlődött, így egymás fölött több szénréteg alakult ki. A széntelepek egy része az akkori hegységek előtti medencékben található, többnyire kis számú, de vastag rétegben, a rétegvastagság 100 m-t is elérhet. Az akkori tengerek partján kialakuló széntelepek viszont rendszerint sok egymás felett

elhelyezkedő vékony rétegből állnak, szélsőséges esetben több száz réteg is előfordul (pl. a Saar-vidéken 300), a rétegek vastagsága néhány méter, köztük üledékes kőzet helyezkedik el, a szénmedence mélységbeli kiterjedése több kilométert is elérhet. A Föld mélyében uralkodó nagyobb nyomás és magasabb hőmérséklet hatására a kisebb molekulasúlyú vegyületek polimerizálódnak és kondenzálódnak, így alakul ki a kőszén nagy molekulasúlyú, bonyolult vegyületekből álló kolloidszerkezete. A szénülés lefolyása függ az egyes geológiai korok növényi anyagának összetételétől és az adott helyen a földkéregben uralkodó viszonyoktól. Minél hosszabb ideig tart a szénülés, annál nagyobb az elemi összetételben a karbon aránya a többi összetevő rovására (1ásd 5. táblázat). Egyúttal nő a szén fűtőértéke is. Mindezek következtében a szenek összetétele, kémiai és fizikai szerkezete nagyon különféle, szinte telephelyről telephelyre változik. A kőszén 5000-nél nagyobb molekulasúlyú szénvázas szerves vegyületekből áll. Ezek szerkezetét még nem sikerült feltárni (a karbonnak mintegy 70 %-a benzolgyűrűkben helyezkedik el) és a szenet alkotó szerves vegyületeket eredeti állapotban elkülöníteni sem sikerült, ezért az összetételt vegyületcsoportokkal jellemzik. A huminitek a növényi sejtfalat alkotó lignin átalakulási termékei, az oxinitek kis fűtőértékű, rideg, a kitinitek nitrogéntartalmú szerves elegyrészek, a bituminitek a legértékesebb összetevők. Ez utóbbiak oldószerrel kivonható közepes molekulasúlyú vegyületek, ha részarányuk jelents, a szenet bitumendúsnak nevezik. 5. táblázat Fa Tőzeg Barnaszén Feketeszén Antracit

C 50 55..64 60..78 75..93 94..98

Tömegszázalék H 6 5..7 4..8 4..6 1..3

O+N 44 39..35 34..17 15..3 3..1

A kőszén többnyire sávos szerkezetet mutat, ami mikroszkóp alatt, de gyakran szabad szemmel is megfigyelhető. A sávokat jellegük szerint csoportosítják: a kéregés levélrészekből képződött üvegfényű vitrit hamutartalma kicsi, jól kokszolható; a durit fénytelen, nagy hidrogén- és hamutartalmú, gázfejlődésre hajlamos; a klárit az előbbi kettő közötti átmeneti típus; a rostos szerkezetű fuzit üres sejtek maradványaiból keletkezett, főleg karbon- és oxigéntartalmú, rideg, porlékony sávféleség. E legfontosabbakon kívül más struktúrák is előfordulnak, például egészen fiatal barnaszenekben a nehezen őrölhető, rostos jelleg xilit. Koruk alapján fekete- és barnaszeneket különböztetünk meg. A jó minőségű feketeszenek anyagát a karbon kori (300..350 millió évvel ezelőtt) mocsárerdők szolgáltatták. E kor buja, főleg zsurlókból, páfrányfélékből, korpafüvekből álló elhalt növényzete az altalaj lassú süllyedése és a vízszint emelkedése közben folyamatosan tőzegesedett, majd a későbbi kéregmozgások hatására betemetődött. Hazánk mecseki feketeszene fiatalabb, a jurakori (150..200 millió év) tengerparti mocsarakból keletkezett. A barnaszenek jóval később képződtek, főleg az eocénkor (60..75 millió év) sűrű láperdeiből, amelyeknek a növényzete hasonló volt a mai kor trópusi, szubtrópusi és mérsékelt égövi növényeihez. Az eltőzegesedett rétegek később süllyedés és a hordalékok következtében kerültek a földkéreg mélyébe. A magyarországi barnaszenek is nagyrészt ekkor keletkeztek, a Pannón-tenger part

menti öbleinek növényzetéből, (75..125 millió év) szeneket is.

kisebb

mennyiségben

találtunk

krétakori

A barnaszenek és feketeszenek megkülönböztetése megállapodás kérdése. A magyar szabvány – a nemzetközi gyakorlatnak megfelelően – a két széntípus határát 23,87 MJ/kg égéshővel jelöli ki, amit az egyensúlyi nedvességtartalmú (durva nedvesség nélküli) és hamumentes mennyiségre kell vonatkoztatni. A tüzeléstechnikai gyakorlatban a hamutartalmat is magában foglaló mennyiségre vonatkoztatott fűtőértéket veszik figyelembe a szenek minősítésénél, így viszont a kategorizálás kevésbé éles. A feketeszén és a barnaszén választóvonala 17..20 MJ/kg körül helyezkedik el. A barnaszenek közül a 40 %-nál kisebb bányanedvességűeket kemény barnaszénnek, az ennél nagyobb bányanedvességűeket pedig lágy barnaszénnek nevezik, a mindennapos szóhasználatban az első csoportra a barnaszén, a másodikra a lignit megnevezés használatos. A lignitek fűtőértéke többnyire 10 MJ/kg alatt van. A lignit a legfiatalabb szén, amelynek szerkezete még erősen fás. Nagy nedvességés hamutartalma miatt fűtőértéke is alacsony (3,5..10 MJ/kg), viszont előnye, hogy nagy mennyiségben található nem túl vastag takarórétegek alatt. Ezért külfejtéssel viszonylag egyszerűen kitermelhető. Rossz tüzeléstechnikai tulajdonságai miatt csak nagy erőművekben lehet gazdaságosan eltüzelni. Összetételük és tulajdonságaik alapján a barnaszenek között szárítva széteső földes, egyenetlen törési felületű darabos, kagylós törésű, majdnem fekete szurok-, és nagy bitumentartalmú bitumenes barnaszéntípusokat szoktak megkülönböztetni. Külső megjelenése alapján földes, lágy, fénytelen és fényes megjelölés is használatos. A barnaszenet alkotó krisztallitok sok micellából állnak, azokhoz kolloidálisan kötött víz, valamint jó néhány szerves és szervetlen vegyület kapcsolódik. Ez a barnaszén hasznosításánál számos nehézség forrása. A feketeszenek fűtőértéke 17..33 MJ/kg. Ezek között szintén több típust különböztetnek meg. A hosszú lángú szén sok illó anyagot tartalmaz, rosszul kokszolható, lángkemencék ideális tüzelőanyaga. A gázszén kisebb lánggal ég, könnyen gyullad, főleg gázfejlesztésre előnyös, gyengén kokszolható. A kovácsszén jól kokszolható, főleg a kovácsolásnál használják. A kokszszén (zsírszén) a többi feketeszénnél lágyabb, szilárdsága is kisebb, viszont jól összesülő, nagy szilárdságú kokszot lehet belőle előállítani. A sovány kőszén kevés illó anyagot tartalmaz, nem sülőképes, rosszul kokszolódik. A legidősebb szénféleség az antracit, illótartalma egészen kicsi, teljesen homogén (sávosságot sem mutat), rideg szerkezetű, fénye üveges, nem kokszolható. A feketeszén szerkezete az előrehaladottabb szénülés következtében (5. táblázat) sokkal homogénebb, mint a barnaszéné. A bányászott szénben a felhasználás szempontjából különféle kedvezőtlen alkotók találhatók. Ezek közé tartozik a nedvességtartalom is, ami annál nagyobb, minél fiatalabb a szén. A barnaszenek erősen higroszkóposak, a feketeszenek alig; a nedvességtartalom ligniteknél 50%-ot is elérhet, feketeszeneknél viszont a 15 %-ot már nem haladja meg. A szénben levő víz egy része, a durva nedvesség, könnyen eltávolítható (ha a szenet szétterítik és állni hagyják, magától is elpárolog). A kolloidszerkezetű szénben kapilláris csatornák

vannak, az ezekben adszorpciósan és kapillárisan kötött higroszkópos nedvességet csak 100 °C feletti szárítással lehet eltávolítani. A víztartalom 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 a hasznosítható hőmennyiséget. A távozó nedvesség kémiailag aktív anyagokkal agresszív vegyületeket alkot, amelyek – különösen a harmatpont alá hűlve – meggyorsítják a szerkezeti anyagok korrózióját. Ezek miatt a szenek nedvességtartalma a berendezések méretezésénél lényeges tényező. A legtöbb szénben jelentős mennyiségű kén is található. A barnaszenek kéntartalma átlagosan 0,5..2,5 %, de kedvezőtlen esetben 5 %-ot is elérhet. A kén többféle módon fordul elő a szénben. A szerves kén a kőszenet alkotó szerves molekulákba beépülve található. A szulfid kén, legtöbbször pirit formájában, összefüggő vékony rétegeket és ereket képez. A szerves kén és a szulfid kén együttesen az éghető kén, amely elégetéskor vagy a lepárlás során gáz alakban távozik. Nem ez a helyzet a szulfát kén esetében, amelyik legtöbbször gipsz vagy vasszulfát alakjában van jelen. A tüzelésnél kialakuló magas hőmérsékleten a kén ma még teljesen nem tisztázott komplex reakciókban vesz részt, egy része a hamuban megkötve visszamarad, nagyobb része azonban kén-dioxid formájában a füstgázban eltávozik. A kén lekötése a salakban és a pernyében a bázikus hamualkotók (CaO, MgO) mennyiségétől függ; ha ezek sztöchiometriai aránya a kénhez viszonyítva 1..2 között mozog, porszéntüzelésnél az éghető kén 8..20%-át lekötik, fluidizációs tüzelésnél viszont a megkötés mértéke 50..80 %-ra nő. A korábban említettek szerint nagy légfeleslegnél némi SO3 is képződik, ami a nedvességgel kénsavat alkot. E reakciókat egyes fémek katalizálják. A szenek eltüzelésekor keletkező szilárd maradék a hamu; e ballasztanyag az összes bányászott szénnek több mint negyed részét teszi ki. A szénben levő hamu többletsúlyt és többletmunkát okoz a szén szállításánál, őrlésénél és mozgatásánál, energiát igényel a salak és pernye eltávolítása is, s ezek a komponensek hőt is elszállítanak a 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 alkotókat mechanikai vagy más fizikai eljárásokkal el lehet különíteni a széntől. A szabad hamu mennyisége a bányászás és szénelőkészítés technológiájától függ. A hamu másik része a kötött hamu, ami a kőszénben finoman eloszló, mechanikai vagy más fizikai eljárásokkal el nem távolítható, sokféle szervetlen vegyületből képződik. A kötött hamu mennyisége a szén keletkezési körülményeitől függ, a szén jellemzői közé tartozik. A szén jellegétől függően a száraz szénre vonatkoztatott hamutartalom 2 és 60 % között mozog, a leggyakoribb hamuképző 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 a lúgos összetevő (Ca, Mg, Na). Ez befolyásolja a hamu kémhatását és későbbi viselkedését. A magas hőmérsékleten a szenekben levő szervetlen vegyületek egy része megváltozik, oxidáció, vegyületek lebomlása és más reakciók során alakul ki a visszamaradó hamu. Megjegyzendő, hogy egyes szenekben olyan nyomelemek (As, Pb, Hg stb.) is

előfordulhatnak, amelyek az emberre mérgező hatásúak. Ezek koncentrációja azonban rendszerint elhanyagolhatóan kicsi, a környezetbe jutva sem veszélyeztetik az egészséget. Aggodalomra okot adó 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 összetételét mutatta be, tükrözve, hogy a szénülés előrehaladtával hogyan nő a karbon aránya és csökken az egyéb elemeké. Az 6. táblázat a szilárd tüzelőanyagok átlagos strukturális összetételét tünteti fel. Ebben látható, hogy a tüzelőanyagok korától függően hogyan csökken az illó anyagok, a nedvesség és a hamu mennyisége a szénszerkezet javára. 6. táblázat Fa Száraz tőzeg Barnaszén Lángszén Zsíros szén Gyengén sülő szén Sovány szén Antracit

Szénszerkezet, % 31,5 12,5 11 45 57 69 77 85

Illó anyagok, % 18 5 28 35 25 17 12 7

Nedvesség, % 50 80 45 7 5 4 3 2

Hamu, % 0,5 2,5 16 13 13 10 8 6

A termelt szén eljuttatása a fogyasztókhoz nagyarányú szállítási feladat. A szén szállítása általában költségesebb, mint más tüzelőanyagoké, ezért csak jó minőségű szeneket érdemes nagyobb távolságra szállítani. A legolcsóbb megoldás a vízi út. Többször 10 000 tonnás űrtartalmú tengerjáró hajókkal még a kontinensek közötti szállítás is versenyképes lehet. Ez teszi lehetővé a nagy mennyiségű szén szállítását Észak-Amerikából Nyugat-Európába vagy Ausztráliából Japánba. A folyami szállítás is előnyös, ha a szénmedencék és a felhasználók a hajózható útvonalak közelében fekszenek. A belvízi forgalom lehetőségeit azonban több körülmény csökkenti: a hajókat és uszályokat nem lehet néhány ezer tonnás űrtartalomnál nagyobbra építeni (a Dunán is érvényes Európa-szabványban a felső határ 1500 t), a forgalom folyamatosságát akadályozhatja az alacsony vízállás, a jégzajlás vagy a folyók befagyása. Mind a tengeri, mind a folyami szállítási módot csak olyan esetekben érdemes kialakítani, amikor azok kihasználása hosszú időre biztosítható, mert csak így fizetődik ki a szükséges kikötők, be- és kirakodó gépek és hajóterek beruházása. Ilyen konstrukcióra példa egy-két nagy amerikai villamosenergia-szolgáltató vállalat, amelyek jelentős belvízi hajóparkot tartanak fenn a stabil szénellátás biztosítására. A szárazföldön belüli szénszállítás zömét vasúton bonyolítják le, mert így biztosítható a fogyasztók legrugalmasabb megközelítése. Ez nagy terhet ró a vasútra, hiszen a legtöbb országban a szállított áruk mennyiségének mintegy harmadát a szén teszi ki. A szén fogyasztói árában jelentős tétel a vasúti fuvar költsége. A költségek és az átrakási munka csökkentésére az átlagosnál sokkal nagyobb befogadóképességű és önműködően ürítő különleges szénszállító vagonokat szerkesztettek. A forgalom racionalizálására a nagyfogyasztókhoz rendszeres irányszerelvényeket indítanak. Üzemben vannak például 100 db 100 t-s vagonból álló egységvonatok, amelyek ingajáratban tízezer tonna szenet szállítanak egy 2400 km-re fekvő erőműbe (USA). A szénszállítás legtökéletesebb megoldása a termelő és fogyasztó közötti közvetlen szállítási rendszer. Természetesen ez csak koncentrált nagyfogyasztóknál –

elsősorban erőműveknél – valósítható meg. Ha a távolság kicsi, a bánya és az erőmű közötti közvetlen szállítószalag biztosítja a megoldást, mint például a visontai külfejtés és a Mátrai Erőmű között. A korábban említettek szerint a szénfelhasználás mindig tárolással jár, ami számottevő veszteségek forrása. Részleteiben még nincs tisztázva, hogy a környezettel kölcsönhatásban milyen fizikai és kémiai folyamatok játszódnak lé eközben. A hosszabb idejű tárolás alatt főleg a barnaszenek használati értéke csökken, aprózódás, illó komponensek eltávozása, a sülőképesség csökkenése, száradás vagy nedvesedés, a szén oxidálódása a legjellemzőbb folyamatok ; az utóbbi túlmelegedett gócokban öngyulladásra is vezethet. Kedvezőtlen körülmények között a fűtőérték csökkenése néhány hónap alatt 10 %-ot is elérhet, ami energetikailag már nem elhanyagolható veszteség. A széntárolók megfelelő kiképzésével és rendszeres felügyeletével a veszteséget mérsékelni lehet. 3.2.1.2. KŐOLAJ

Korunk energiagazdálkodásában a legnagyobb szerepet játszó energiahordozó a kőolaj. A kőolaj keletkezését illetően megoszlanak a vélemények. Ma az a legáltalánosabban elfogadott magyarázat, hogy a tengerekben elhalt és a fenékre süllyedt állati és növényi szervezetek, elsősorban egysejtű lények alkotta iszap – a szapropél – levegőtől elzártan, mikroorganizmusok hatására bekövetkező bomlásának terméke. A keletkezett szénhidrogének a földkéregben elvándoroltak, migráltak, míg kőolajcsapdának nevezett, megfelelő zárórétegek közé nem kerültek. Így alakultak ki a kőolajtelepek. A kőolajcsapdákat felül gázátnemeresztő boltozatos kőzetréteg vagy vetőrendszer határolja. A keletkezésre vonatkozó elmélettel összhangban van, hogy a kőolajtelepek általában tengeri eredetű üledékes rétegekben találhatók. A magyar kőolajvagyon jó részének eredetét például a hazánk területét borító triászkori (200..250 millió év) tenger üledékeire vezetik vissza, amiből a kőolaj az üledékes mészkő karsztos repedéseiben gyűlt össze. A legkiterjedtebb kőolajtelepeket a nagy táblák felboltozódásainál lehet találni (Arab-, szaharai-, Volga-Urál-vidéki-, Észak-Amerikai-táblák), kis számú egymás alatt fekvő rétegben. A nagy geológiai törésvonalaknál kialakuló kőolajmezőket kis felület, de nagy mennyiség jellemzi, gyakran sok rétegben (pl. Baku, Kalifornia). A kontinentális talapzatok üledékes rendszereiben szintén kedvezőek a feltételek a kőolaj felhalmozódására. A kőolaj eredete nemcsak tudományos szempontból tart érdeklődésre számot, hanem hasznosan alátámasztja a kőolajkutatást is a reményteljes területek kiválasztásában. A földkéreg 15 km-nél mélyebb tartományában olyan állapotjellemzők uralkodnak, amelyeket a szerves anyagok már nem viselnek el, ott tehát kőolaj nem képződhetett, a kőolaj-előfordulásokat csak 15 km mélységig lehet remélni. A kőzetekben található ősmaradványok típusaiból – a szerves eredet alapján – szelektálhatók a kőolajképződés szempontjából számításba vehető térségek is. A szapropél eredete, kora, bomlásának körülményei, a szénhidrogének migrációjának útja és geológiai feltételei nagyon változatosak lehetnek, ennek következtében a földkéregben található kőolajtelepek fizikai és kémiai tulajdonságai nagyon eltérőek. Egészen világos, hígfolyós olajoktól kezdve fekete, félkemény anyagokig a legkülönbözőbb színű (fehér, szalmaszínű, sárga, vörösesbarna, barna,

zöld stb.) és konzisztenciájú olajok előfordulásai ismeretesek. A molekulasúlytól és aszfalttartalomtól függően a kőolaj viszkozitása nagyon változó, szobahőmérsékleten a hígfolyós és a sűrű, kenőcsszerű állapot között sokfélejelleget. A különféle kőolajok sűrűsége 700 és 1000 kg/m3 között változik. A kőolaj több mint 75 %-át általában szénhidrogének alkotják (nehéz fiatal olajoknál néha jóval kevesebbet, pl. egyes venezuelai olajoknál 35..38 %-ot). E szénhidrogének páros számú hidrogént tartalmazó molekulák homológ sorának tagjai, molekulasúlyuk 16 és 850..900 között van. A nyílt szénláncú molekulák közül főleg telítettek fordulnak elő; ezeknek az egyenes vagy elágazó láncú paraffinoknak az általános képlete: CnH2n+2, telítetlen nyílt láncú szénhidrogének, vagyis olefinek (CnH2n) ritkán és csak kis mértékben találhatók a kőolajban, ezeket a feldolgozás során kell előállítani. A zárt szénláncú, ciklikus szénhidrogének közül mind telített, mind telítetlen molekulák előfordulnak a kőolajban. Az egy vagy több telített gyűrűből felépített naftének (más néven cikloparaffinok) néha alkillánc szárnyleágazást is tartalmaznak. A telítetlen, kettős kötést tartalmazó zárt szénláncú vegyületek ritkábbak, ezek közül főleg a legalább egy benzolgyűrűt tartalmazó aromások fordulnak elő (CnH2n-1…CnH2n-30) A nyersolajban nagy számban találhatók az említett vegyületcsoportok egymással alkotott vegyületei is. Külön csoportot alkotnak aszfaltos anyagok, amelyek hidrogénszegény, gyűrűs szerkezetű, nagy molekulájú vegyületek. A nyersolajok osztályozásának egyik módja azt veszi figyelembe, hogy az anyagi összetételben az említett vegyületcsoportok közül melyik a domináns. Eszerint paraffin bázisú, intermedier, naftén bázisú és aszfalt bázisú nyersolajokat különböztetnek meg. A besorolás sűrűségmérésen alapul, ugyanis a sűrűség annál nagyobb, minél kisebb a H/C arány a molekulákban. A paraffinok sűrűsége a legkisebb, a naftének nagyobb, az aromásoké még nagyobb és legnagyobb az aszfaltanyagoké. A hazai kőolajok között paraffinos (Algyő), bitumentartalmú (Nagylengyel) és intermedier típusúak találhatók. A kőolajok osztályozására bemutatott módszer az egyik lehetőség a sok közül. A nemzetközi gyakorlatban számos, ennél jóval bonyolultabb rendszer használatos, amelyeknek egységesítésére törekednek. Az olajok sokfélesége miatt azonban egyik rendszer sem ad teljes körű információt, elkerülhetetlen a részleges egyedi kémiai és fizikai elemzés. A világpiacon ezért a kőolajokat általában származási helyükkel és sűrűségükkel jellemzik. Az utóbbira leginkább az API (American Petroleum lnstitute) sűrűségskálát használják. A sűrűség a feldolgozás lehetőségeire jellemző: minél kisebb az olaj fajsúlya, annál több motorhajtóanyagot lehet belőle előállítani. Újabban a feldolgozásnál kinyerhető párlatok jellegén és arányán alapuló értékelési módok kezdenek meghonosodni. A kőolaj az említett szénhidrogéneken kívül más anyagokat is tartalmaz. Többnyire van benne sós víz (a tengeri eredet következtében), ami legnagyobbrészt kolloid emulzió formájában található. Rendszerint jelentős mennyiségben tartalmaz oldott gázokat is, egyes kőolaj-előfordulásoknál 1 liter olajhozamhoz tartozó, a normális állapotjellemzőkre átszámított gáztérfogat eléri az 1 m3-t is. Ugyancsak találhatók az olajban ásványi szennyezések és szuszpendált szilárd kolloid részecskék, amelyeket a környezetéből ragadott magával.

Az olajjal együtt kitermelt víz és gáz leválasztása után az elemi kémiai analízis szerint az olajban található elemek aránya többnyire a következő határok között mozog (lásd: 7. táblázat): 7. táblázat Elem C H S N O Fémek (Fe, V, Ni stb.)

Tömegszázalék 80..88 10..14 0,01..5 0,1..1,7 0,5..7 < 0,03

A táblázatból kitűnik, hogy a szénhidrogéneken kívül az olajban más, nem kívánatos anyagok is vannak. Legkedvezőtlenebb a kén, ezért a kéntartalom alapján is szokás az olajokat minősíteni (korrozív kénvegyületeket tartalmazó savanyú, ilyeneket nem tartalmazó édes olajokra, vagy a kénmennyiség szerint osztályozva). A kéntartalom átlagosan 2..3 %, a hazai olajok közül az algyői kéntartalma alacsony, viszont a nagylengyelié 3,5 %. A kén legtöbbször olajban oldott kénhidrogén, gyakran szulfidok formájában vagy az aszfaltanyagokhoz kapcsolódva van jelen, de lehet szervetlen elemi kén is. Olajtüzelésnél a füstgázban a kén-trioxid elérheti a kéndioxid 12 %-át is, a kénsavképződés és így a korrózió veszélye azonos kéntartalomnál nagyobb, mint széntüzelésnél. A nitrogén heterociklusos vegyületekben, merkaptánokban jelentkezik, az oxigén többnyire szerves vegyületekben található (nafténsavak, zsírsavak, gyanta- és aszfaltanyagok), néha fémek komplex vegyületeiként is előfordul. A fémek oxidokban, szerves sókban jelennek meg. 3.2.1.3. A KŐOLAJ FELDOLGOZÁSA

A kőolaját közvetlenül, természetes formájában csak kivételes esetekben használják fel. Japánban például erőműben tüzelnek el nagy kén- és aszfalttartalmú, csekély fehérárut szolgáltató nehéz nyersolajat. Az effajta hasznosítás azonban nem jellemző és visszaszorulóban van. A termelt kőolajat jóformán mindig kőolaj-finomítókban dolgozzák fel, hogy abból motorhajtó- és tüzelőanyagokat, kenőanyagokat és petrolkémiai termékeket állítsanak elő. A motorhajtóanyagok – más néven fehéráruk – között megkülönböztetik a 40..200 °C forrpontú vegyületekből álló benzint, a 160..300 °C forráspontúakat tartalmazó petróleumot és a 200..350 °C forráspont-tartománnyal jellemezhető gázolajat (Diesel-olajnak is nevezik). E kategorizálás azonban nem egységes, előfordul 40..300 °C forráspontú ( = 625..840 kg/m3 sűrűségű) könnyű, és 300 °C feletti forráspontú ( > 840 kg/m3) nehéz termékek szerinti osztályozás, vagy könnyű, közepes és nehéz párlatok megkülönböztetése 40 °C ( = 625 kg/m3), 250 °C ( = 875 kg/m3) és 350 °C ( = 0,900 kg/m3) határpontokkal. A benzin a kisebb teljesítményű, szikrával gyújtó Otto-motorok tipikus hajtóanyaga, a kompressziós gyújtású, nagyobb teljesítményekre, valamint munkagépekben használt Diesel-motorok üzemanyaga a gázolaj. A gázturbinás hajtóművek speciális petróleummal, a 140..280 °C forrpontú kerozinnal üzemelnek. Az említett csoportosításon belül a frakciók széles skáláját különböztetik meg, például a

benzinek között gázbenzint (forráspontja 65 °C alatt van), könnyű benzint (65..100 °C), középbenzint (100..150 °C) és nehéz benzint (150..200 °C). A motorhajtóanyagoktól megkívánt fizikai és kémiai tulajdonságokat részletes szakmai termékszabványok írják elő. A műszaki fejlődés következtében változnak az alkalmazás feltételei, ennek megfelelően módosulnak a szabványokban lefektetett követelmények is, többnyire a szigorítás irányában. Az előírások egy részét a szállítás, tárolás és egyéb manipulációs műveletek szabják meg, másokat a felhasználás szempontjából jellemző erőgépek működése. A minősítés gyakran tapasztalati úton kialakított, vizsgálati eljárásokkal meghatározott, egyezményes mérőszámokkal történik. A motorbenzinnél például követelmény, hogy a karburáláshoz optimális legyen az illékonysága, ne korrodáljon, ne képződjön gyanta, jó legyen a kompressziótűrése; a gázolaj szivattyúzásához megfelelő viszkozitás kell és alacsony dermedéspont, ne legyen hajlamos kokszképződésre, jó legyen a gyulladási hajlama; a kerozin a nagy magasságra jellemző nagy hidegben is maradjon folyékony, nyomokban se tartalmazzon vizet, ami befagyhat a szűrőbe, magas hőmérsékleten ne oxidálódjon, ne legyen 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 tüzelőolajokkal szemben. Ezek fűtőértéke mintegy 42 MJ/kg. A tüzelőolajok desztillációs párlatok, gyakran gázolajjal vagy más komponensekkel keverve kerülnek forgalomba. Dermedés pontjuk alacsony és viszkozitásuk sem nagy, háztartásokban és ipari berendezésekben kitűnő tüzelőanyagok. Környezeti hőmérsékleten folyékonyak és jól porlaszthatók. Többféle minőségben kerülnek A háztartási tüzelőolaj lényegében gázolaj, amit lakások fűtésére (olajkályha, etázsfűtés stb.) használnak. A könnyű tüzelőolaj gázolaj és paraffinos párlatok keveréke, igényesebb, nagyobb berendezések (nagy konyha, sütőipari kemence, mezőgazdasági szárítók, hőkezelő kemencék) tüzelőanyaga. Kénmentes tüzelőolajra van szükség, ha a kéntartalom zavarja a technológiát (a füstgáz érintkezik az erre kényes termékkel), vagy a környezetvédelem ezt igényli. Az általános tüzelőolaj gázolaj és pakura keveréke, a központi fűtések és a kisebb ipari kemencék tüzelőanyaga; az előző típusoktól eltérően ezt tüzelés előtt 50..60 °C-ra kell felmelegíteni. A fűtőolajok a lepárlásnál visszamaradó maradványolajok, amelyeket magas dermedéspont és nagy viszkozitás jellemez. Ugyancsak több változata kerül forgalomba. A felhasználhatósági követelmények kielégítése érdekében a fűtőolajokat a szállításhoz is, az elégetéshez is fel kell melegíteni, ezért csak nagyobb tüzelőberendezésekben alkalmazhatók. A tüzelőolajok és fűtőolajok megnevezéséhez tört számot is használnak, amelynek számlálója a lefejtéshez, nevezője a porlasztáshoz szükséges minimális hőmérséklet. A könnyű kénmentes fűtőolaj bizonyos olajok pakurája, ez a legjobb minőségű tüzelőolaj, amit a kohászatban és a kénre érzékeny technológiák kemencéiben használnak. A kénes fűtőolaj pakura és desztillációs termékek keveréke, ipari kazántelepek, cementipari kemencék tüzelőanyaga. A közepes fűtőolaj a könnyű és nehéz termék keveréke, kevésbé igényes kemencékhez és kazánokhoz használják. A nehéz fűtőolaj bitumentartalmú pakura, amit nagy ipari és erőművi kazánokban tüzelnek el. Az olajból előállított tüzelőanyagok fűtőértéke között nagy különbség nincs, de anyagjellemzőik és összetételük között számottevőek az eltérések. A

háztartási tüzelőolajtól a nehéz fűtőolaj felé haladva a sűrűség, a viszkozitás, a dermedéspont, a lobbanáspont és a manipuláció szempontjából mértékadó hőmérsékletek általában növekvő tendenciát mutatnak. Ugyanez vonatkozik a nem kívánatos komponensekre is, amelyek közül a kéntartalom a legkritikusabb. A kén a kőolajban többnyire a nagy molekulákhoz kapcsolódik, ezért a lepárlásnál a nehéz frakciók kénben bedúsulnak. A környezetvédelem számára különösen értékesek a kénmentes – szabatosabban: kis kéntartalmú – tüzelőanyagok ( < 1 %), amelyeket vagy kis kéntartalmú kőolajból nyernek, vagy a finomítást követő kénmentesítő eljárással állítanak elő. A kőolajfinomítás leglényegesebb művelete a frakcionális desztilláció, ami a kőolajban lévő különböző forráspontú vegyületek szétválasztását szolgálja. Ennek során a hőcserélőkön keresztül előmelegített, majd a csőkemencében felmelegített kőolajat a frakcionálótoronyba vezetik és ott elgőzölögtetik. A frakcionálótoronyban tányérrendszerek választják szét a folyékony és a gőzfázist, és a gőzből az eltérő forráspontú frakciókat különböző helyeken kivezetik a toronyból. Hangsúlyozni kell, hogy ezek a párlatok nem késztermékek, további feldolgozásuk szükséges ahhoz, hogy az előírásokat kielégítő termékeket nyerjenek. Ennek során kivonják a nem kívánatos szennyezőanyagokat, módosítják a molekulaszerkezeteket, adalékokkal javítják a tulajdonságokat stb. A 300 °C-nál magasabb forráspontú termékek desztillációját a nyomás csökkentésével lehet kisebb hőmérsékleten elérni, ami azért fontos, mert így nem következik be a molekulák hőbomlása. A kisnyomású 25..75 mbar-on végzett vákuumdesztilláció kiinduló anyaga a pakura, amiből gázolajat és 350 °C-nál magasabb forráspontú kenőolajpárlatokat nyernek, a desztillációs maradék pedig a bitumen, illetve kevésbé erélyes lepárlásnál a bitumen és paraffinos kenőolajok keverékéből álló gudron. A fehéráru-kihozatal növelését szolgálják a destruktív eljárások, más néven a krakkolás. Ennek az az alapja, hogy bizonyos körülmények között a nagyobb molekulák kisebbekre bomlanak, miközben gáz és koksz keletkezik. Sokféle eljárást használnak, a legrégebbi a termikus krakkolás, ami azonban ma már háttérbe szorul. Itt azt aknázzák ki, hogy 400..600 °C és 10..70 bar mellett bekövetkezik a lebomlás, a feldolgozott pakurából olefinben gazdag gázok, mintegy 20 % krakkbenzin és krakkfűtőolaj vagy petrolkoksz keletkezik. A lebomlást katalizátorokkal (ma a zeolitalapúak a legfontosabbak) is elő lehet idézni. A katalitikus krakkolás alacsonyabb hőmérsékleten történik, kiinduló anyaga többnyire gázolaj vagy a magas hőmérsékletű vákuumpárlatok. Ebből gázok, mintegy 40 %-nyi benzin és gyenge gázolaj keletkezik, a legnehezebb terméket pedig visszacirkuláltatják. A hidrokrakkolásnál hidrogénnyomás alatt bontják a molekulákat, a maradványokból vagy párlatokból benzint, gázolajat és tüzelőolajat nyernek, egyben nagyon jó kénmentesítés is történik. A hidrokrakkolás szelektívebb és jobb minőségű középterméket szolgáltat. A kőolajfeldolgozás mértékét számos országban már korábban is a benzinigény szabta meg. Ennek biztosítására fejlődött fel a két világháború között a krakkolás az Egyesült Államok kőolajfeldolgozó kapacitásának jelentős hányadára. A krakkolás beiktatásával ugyanabból a kőolajból 2..3-szor annyi benzint nyernek, mint ha csak frakcionálnak. A második világháború után Európában is megindult, majd az olajár emelkedése után széles körűvé vált a destruktív eljárások

bevezetése. A fizetési mérleget javítja, az ellátás biztonságát pedig fokozza, ha a benzin- és gázolajtermelés növeléséhez nem kell fokozni a kőolajimportot. Ennek egyrészt beruházási költség az ellentétele, másrészt a korábban eltüzelt frakciókat más energiahordozóval kell helyettesíteni. 3.2.1.4. FÖLDGÁZ

Kitűnő tüzeléstechnikai tulajdonságai és homogén összetétele miatt a földgáz a legnemesebb primer energiahordozó. A földkéregben található gázelőfordulások összetétele nagyon változatos. Energetikai szempontból földgáznak a túlnyomóan szénhidrogén-tartalmú gázokat tekintik. A domináló komponens azonban lehet széndioxid, nitrogén, kénhidrogén is; ha nagy mennyiségű ilyen nem éghető gázzal elegyedve fordul elő a szénhidrogén, a gáz fűtőértéke kicsi. Az ilyen gázokra indokolt az alacsony fűtőértékű földgáz vagy gyenge minőségű földgáz megnevezés. Energetikai hasznosításuknak alárendelt jelentősége van, szállításuk nagyobb távolságra nem gazdaságos. Ilyen megkülönböztető jelző nélkül a továbbiakban a földgáz alatt olyan gázokat értünk, amelyek túlnyomóan a metántól (CH4, rövidítése C1) a pentánig (C5H10, rövidítése C5) terjedő egyszerű paraffinokból állnak. Megoszlanak a vélemények, hogy a szapropélből a földgáz a kőolajéhoz hasonló körülmények között, de attól függetlenül keletkezett-e, vagy pedig a kőolaj lebomlásából származik. A kétféle szénhidrogén előfordulási körülményei azonosak, a földgázleleteknek mintegy harmada kőolajjal együtt található, a többi attól függetlenül, de a kőolajéhoz hasonló geológiai formációkban. A feldolgozás szempontjából száraz és nedves földgázt különböztetnek meg. A száraz gáz alig tartalmaz olyan komponenseket, amelyek szobahőmérsékleten nyomással cseppfolyósíthatók. Alapvetően metánból (80..99 %) és etánból (1..15 %) áll, a C3..C5 komponensek mennyisége minimális. A kőolajat kísérő nedves gáz legnagyobbrészt az olajban oldva kerül a felszínre és abból a nyomás csökkentésével lehet kiléptetni. A nedves gáz (dús gáz) metánon kívül nemcsak számottevő mennyiségű etánt (C2), propánt (C3) és butánt (C4) tartalmaz, amelyek légköri viszonyok között gázneműek, hanem olyan szénhidrogének is előfordulnak benne, amelyek légköri viszonyok között cseppfolyósak, így pentán (C5), hexán (C6), heptán (C7) stb. A kőolajból elpárolgott gőzök koncentrációja 300 g/m3-t is elérhet. A nedves gázban a metán részaránya 30..40 % alá is csökkenhet, közel ennyi lehet az etán mennyisége 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 a kőolajmezőbe a rétegnyomás növelésére (másodlagos kőolajtermelés). A fogyasztóktól távoli kőolajmezőkön – elszállítási lehetőségek híján – a gázt gyakran elégetik (fáklyázás); ma már ez a pazarló gyakorlat jelentősen visszaszorult. A teljes körű hasznosítás érdekében a nedves gázt gazolintelepeken fizikai eljárásokkal száraz gázra és nyers gazolinra választják szét, kihasználva, hogy a komponensek fizikai jellemzői a molekulasúlytól függenek. Soványabb gázoknál a gazolint aktív szenes vagy szilikogéles adszorpcióval kötik le, mivel a nagyobb molekulasúlyú komponensek hajlama az adszorpcióra nagyobb. Használatos a nyomás alatti kioldás is egy petróleumfrakcióval, mert a magasabb forráspontú

összetevők jobban abszorbeálódnak. A szétválasztás a hőmérséklet csökkenése mellett eszközölt kompresszióval ugyancsak megoldható, így a C3-as és ennél több szénatomot tartalmazó molekulák folyékony halmazállapotba kerülnek. Szokásos továbbá e módszerek kombinációja, ami a hazai gyakorlatra is jellemző. A nyers gazolint nyomás alatt desztillálják, egyrészt cseppfolyósított propán-bután-gázt (PBgáz); másrészt 35..100 °C közötti forráspontú komponensekből álló stabilizált gazolint nyernek. A gazolint többnyire benzinekhez adalékolják de más célú alkalmazása is előfordul (még önálló motorhajtóanyagként is). A PB-gázt nyomás alatt, palackokban hozzák forgalomba, vezetékes gázzal el nem látott területeken kitűnő tüzelőanyag. Elsősorban kommunális célokra, fűtésre, melegvíz-készítésre, főzésre használják, újabban gépkocsik motorhajtóanyagaként is alkalmazzák. Nevezik cseppfolyósított olajkísérő-gáznak (LPG = liquid petroleum gas) is. A PBgáz forgalma nem nagy, mintegy 20 Mt kerül évente a világkereskedelembe, nagyrészt a Közel-Keletről. Megjegyzendő, hogy PB-gázt a kőolajfinomítás melléktermékeként is nyernek. A magyar szabvány a C2..C5 frakciók elegyét tekinti PB-gáznak. A földgázban levő éghetetlen gázkomponensek – nitrogén, szén-dioxid, kénhidrogén, hélium – néha még ipari nyersanyagként is gazdaságosan kinyerhetők, de tüzeléstechnikai szempontból ezek nemkívánatos alkotók. A magyarországi földgázokban főleg szén-dioxid fordul elő, a 10 %-nál kisebb CO2-tartalmú gázokat szénhidrogén-gázoknak tekintik; az alacsonyabb fűtőértékű szén-dioxidos kevertgázoknál a CO2-tartalom 75 g alatt van (többnyire 33..75 % között). Ezek erőművi tüzelőanyagként történő hasznosítására vannak elképzelések. A 75 %-nál több CO2-t tartalmazó gázokat elsősorban szénsav gyártására hasznosítjuk (pl. Répcelak). A földgázban találhatók a környező kőzetekből elragadott lebegő szilárd részecskék is, valamint vízgőz. A víz a gáz halmazállapotú szénhidrogénekkel szilárd, kristályos hidrátok képzésére hajlamos. Hazánk szénhidrogénkincsének mintegy 70 %g-át kitevő jelentős földgázvagyonnal rendelkezik. Az ismert készletek 120 Gm3 körül mozognak. Kisebb előfordulások hasznosítására már a század elején sor került, a gazdagabb mezők feltárása azonban csak 1960 után vett nagyobb lendületet. A túlnyomórészt pliocénkori homokkőrétegekben levő előfordulások közül a legjelentősebbek Algyő, Hajdúszoboszló, Pusztaföldvár és Szank térségében találhatók, metántartalmuk 89..96 %. Ennek ellenére a hazai termelés nem elegendő az igények teljes kielégítésére, és jelentős mennyiségű importra szorulunk. Földgázt többnyire a kőolajkutatás során találnak, a kifejezetten földgázra irányuló geológiai kutatás ritka. A földgázt vagy a kőolajjal együtt termelik (a termelésnek mintegy 15 %-a), vagy hasonló kútrendszerben; néha 100 bar-t is elérő saját nyomása hajtja a felszínre a száraz gázt. A legmélyebb termelőkút 7,5 km-es, de terveznek ennél mélyebbet is. Száraz kutakból a gáz 60..80 %-át saját nyomása a felszínre hajtja, vízelárasztással a kitermelési együttható 0,85..0,95-re növelhető. Újabban a gáztermelés fokozására forszírozott módszereket is kezdenek bevezetni, a rétegek hidraulikus repesztését, a szerkezet fellazítását kémiai robbantással (rendszerint folyékony robbanóanyaggal), ami többnyire a mélyben levő kis áteresztőképességű szerkezet fellazítását, áttörését célozza. Ilyen célra sikeresen alkalmaztak nukleáris

robbantást is (több kilométer mélyen 40 kt töltettel; a kihozatal többszörösére nőtt), de a kísérleteket beszüntették. A kitermelt földgázt a szállításra elő kell készíteni, ami a mezők közelében telepített földgázüzemekben történik. A gázhoz keveredett folyadékokat szeparátorokban választják el. Le kell választani a szilárd szennyező anyagokat is, nehogy a homok dugulást okozzon vagy koptassa a vezetékeket. E célra gyakran elektrosztatikus leválasztókat használnak. Ezután a gazolinüzemben a különféleképpen hasznosítható frakciók szétválasztása következik. Ez a szállíthatóság érdekében is fontos, ugyanis a propán és bután forráspontja, ami légköri nyomáson -40 °C körül van, a nyomás növekedésével emelkedik, a szállítás nagy nyomásán e komponensek kondenzálódnak, súlyosan veszélyeztetve a kompresszorok üzemét. Ugyancsak el kell távolítani a vízgőzt is, ellenkező esetben az említett hidrátok a csővezetékekben és a szelepekben válhatnak ki; a szárítás vagy hűtéssel, vagy hűtéssel oldható meg, vagy abszorbenssel kell lekötni a nedvességet. A megtisztított földgázt az esetek túlnyomó többségében csővezetékekben szállítják el. A földgáznak nagyon nagy előnye, hogy a forrástól a fogyasztás helyéig csővezetéken szállítható. Az energiaellátásnak ez a kevés emberi munkát igénylő módja nem csak kényelmes, hanem termelékeny is. A forrásokat a fogyasztói csomópontokkal összekötő vezetékekből idővel hurkolt hálózatot alakítottak ki. A gerincvezetékekből kiinduló leágazó vezetékek szolgálják ki a nagyfogyasztókat és a településeket, amelyeken belül az elosztóvezetékek juttatják el a gázt az egyes fogyasztóberendezésekig. A gerincvezetékek nyomása néhányszor 10 bar, az elosztóvezetékeké az átadó és fogadó állomások között ennél lényegesen kisebb (6 bar körüli). A fogyasztóberendezések táplálása 3 bar körüli nyomáson történik. A napi ingadozások kiegyenlítésére, üzemzavari tartalékok biztosítása érdekében a földgázból is megfelelő készleteket kell tárolni. Erre a célra nagynyomású tartályok szolgálnak. Gömb alakú tartályokban 30..50 m3, sorba kapcsolt hengeres tartályokban 100 000 m3 gáz tárolására van lehetőség. Néhány órás tartalékot maga a kiterjedt csőhálózat is biztosít, részben az abban lévő gázmennyiség, részben a nyomás kiegyenlítődése révén. Szezonális kiegyenlítésre a legjobb megoldást a föld alatti gáztárolás jelenti, ami nagy gázmennyiségek felhalmozását teszi lehetővé. E célra olyan természetes, vagy mesterségesen kialakított föld alatti térségek jöhetnek számításba, amelyeket gázátnemeresztő rétegek határolnak. A legkézenfekvőbb kimerült szénhidrogénmezőket hasznosítani, hiszen azokról biztosan tudjuk, hogy képesek a gáz megtartására. 3.2.1.5. GEOTERMIKUS ENERGIA

Bolygónk tömege óriási mennyiségű hőt tárol. A hőmérsékletviszonyokról közvetlenül mért adatokkal csak mintegy 15 km-es mélységig rendelkezünk, jelenleg ez a mélyfúrások technikai határa. A geofizikai mérések alapján következtetéseket lehet levonni a mélyebb rétegek viszonyairól is, de ezeket sok bizonytalanság terheli. A feltételezések szerint a mintegy 2900 km vastag földköpeny legkülső, 30..50 km vastag kérge nagyrészt gránitból áll, ami alatt vékony bazalt- és vastag olivinréteg helyezkedik el. Ez fajsúly szerinti rendeződést is jelent, a könnyebb gránitban főleg szilícium és alumínium, a nehezebb bazaltban szilícium és magnézium, az olivinben

vas--magnézium szilikát a jellemző alkotók. A mintegy 7000 km átmérőjű mag belsejében a számítások szerint a nyomás meghaladja a 20 kbar-t és a hőmérséklet a 3700 K-t. Ezt a magot a külvilágtól a földköpeny zárja el, ami rossz hővezető lévén, termikusan is szigetel. A mag hőjének hasznosítására még a legmerészebb futurológusok sem gondolnak, reális lehetősége csak a kéreg legkülső rétegében levő hő kiaknázásának van, ami a teljes hőtartalomnak csak rendkívül kis hányada. A mérések szerint a felszíni rétegekben lefelé haladva 100 m-enként átlag 3 °C-kal nő a hőmérséklet. A mért értékek extrapolálásán alapuló feltételezések szerint a Föld belseje felé a hőmérséklet alakulását a H mélység függvényében az 5. ábra mutatja. Eszerint 100 km mélyen a hőmérséklet már az 1100 K értéket is meghaladja, ahol a kőzetek olvadása is megindul. E plasztikus vagy olvadt kőzetek törnek fel láva formájában a kéreghibákon keresztül a tűzhányókban, azokon a helyeken, ahol a kéreg elvékonyodott. Ez a magas hőmérsékletű tartomány még hosszú ideig a technikai megközelíthetőség határán kívül esik. A felső kéreg hőtartalmát egyrészt a belülről kifelé irányuló hővezetés, másrészt a kéregben levő radioaktív anyagok bomlása szolgáltatja. Újabb vélemények szerint a radioaktivitás energiája olyan jelentős. hogy hatására a kéreg hőmérséklete nem csökken, hanem emelkedik. A kéreg hőtartalmának számítása egyelőre meglehetősen bizonytalan. A külső 10 km-es héj diffúz hőtartalmára vonatkozó becslések a feltételezett hőmérséklet-eloszlástól függően 1021..1024 J között szóródnak, ami összemérhető a fosszilis tüzelőanyag vagyonnal. Más számítások a kéreg hővezetőképességéből és a geotermikus gradiensből kiindulva a felszínen 0,05 W/m2 hőáramot mutatnak ki, ami a Föld teljes felszínére 32 TW teljesítményt szolgáltat. Ez a teljesítménysűrűség azonban energetikailag nem hasznosítható, hiszen 1 kW 2 hektárnyi területen gyűlik csak össze. Gyakorlati alkalmazása csupán a hő kumulált és koncentrált felszínre kerülésénél jöhet szóba. T, K 2200 2000 1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200 100

200

300

400

500

600

700

800 H, km

5. ábra. A földkéreg hőmérséklete

A kéregben levő geotermikus hőhordozók több típusát szokás megkülönböztetni. Legmagasabb hőmérséklete (1200 °C-ig) a feltörő forró lávának van, ami azonban technikailag nem hasznosítható. Zárórétegek alatt forró gőz gyűlhet össze, amit a magma melegít, mély üledékes szerkezetekben különlegesen nagy nyomás alakulhat ki (geonyomás). Hasonló elrendezésű aquiferekben nagynyomású forró víz fordulhat elő, ami elgőzölög, ha megfúrják. Az aquiferekben található 100 °C-nál kisebb hőmérsékletű meleg víz megfúrva artézi forrásként vagy szivattyúzva kerülhet a felszínre. Végül hőhordozónak tekinthetők maguk a kéregben található kőzetek is. Forró víz és gőz csak egyes kivételes adottságú területeken fordul elő, de forró kőzeteket néhány kilométeres mélységben mindenütt fel lehet tételezni. Bármilyen nagy is a geotermikus potenciál a számítások szerint, a geotermikus energia csupán járulékos szerepet játszhat az energiaigények kielégítésében, amit két körülmény tesz nyilvánvalóvá. Egyrészt a diffúz rezervoárt csak véges számú helyen lehet és érdemes megcsapolni, ami a kőzetek jó hőszigetelése miatt csak az adott körzet alatti hő felszínre juttatását teszi lehetővé. Ez a teljes felszínnek csupán nagyon kis hányadát jelenti, így a kiaknázható potenciál sok nagyságrenddel kisebb az elméleti lehetőségnél. Másrészt a reálisan megközelíthető mélységben a hő viszonylag alacsony hőmérsékleten áll rendelkezésre. Ha ezt nem termikus célra kívánják hasznosítani, csak nagyon rossz, 10..15 %-os hatékonysággal lehet átalakítani más energiafajtává, mert az adott hőfokhatárok között a Carnotkörfolyamat hatásfoka alacsony. A geotermikus energiahordozók értékét érzékelteti, hogy a tömegegység energiatartalma 100..180 kJ, ami 2..3 nagyságrenddel kisebb a szénhidrogének fűtőértékénél. A geotermikus energia nagyobb arányú hasznosításához ezeken kívül számos technikai problémát is meg kell oldani, ami jelenleg több országban kutató-fejlesztő munka tárgya. A geotermikus energia elsősorban ott ígérkezik versenyképesnek, ahol előfordulásának körülményei az átlagosnál jóval kedvezőbbek. Ez főleg olyan fiatal vulkanikus övezetekben várható, ahol a magma behatolásának következtében egyes helyeken melegvíz-tárolók és gőzdómok alakultak ki, amelyekből a rétegnyomás hatására forró víz vagy gőz jut a felszínre. Az ilyen területeken az átlagosnál jóval nagyobb a hőfokesés, pl. Jáva szigetén 100 °C/100 m. Bár nem ilyen szélsőséges mértékben, a viszonylag vékony, 2..30 km-es kéregvastagság következtében hazánk területének 70 %-án is kivételesek a viszonyok, a geotermikus gradiens kereken kétszerese az 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 a forrás szakaszos működését biztosítja (gejzír), esetleg szivattyúzás is szükséges. Vannak 2..35 bar nyomású forró víz-gőz keveréket szolgáltató források, tapasztalt legnagyobb hőmérsékletük 306 °C, és kivételesen 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, például szén-dioxidot, ammóniát. metánt, nitrogént, hidrogént, kénhidrogént stb. E komponensek a hasznosításnál gyakran okoznak problémát, a szilárd hordalék eróziót vagy eltömődést okozhat, az agresszív anyagok, például a kénsavvá oxidálódó kénhidrogén korróziót idézhet elő, a metán és más szénhidrogéngőzök levegővel keveredve robbanókeveréket alkothatnak. Ezért az

energetikai hasznosításhoz rendszerint szükség van szűrésre, gázleválasztásra, szeparálásra, egyéb tisztító eljárásokra, vagy hőcserélőn keresztül tiszta munkaközeget melegítenek fel (bináris rendszer). Ha a vízben nagy mennyiségű hasznosítható ásványi anyag van, szóba jöhet azok egyidejű kinyerése is (ÚjZélandon ként, Chilében ásványokat vonnak ki). Azt is meg kell akadályozni, hogy az egészségre ártalmas vagy a környezetet szennyező alkotók a levegőbe vagy a felszíni vizekbe kerüljenek. A forrásokban konvektív úton felszínre kerülő geotermikus energia mennyisége nem nagy, és csak elvétve jelent érdemleges hozzájárulást az energiamérleghez. Mélyfúrások segítségével már a mai technikával is sokkal nagyobb arányban lehetne kiaknázni, azonban a beruházási kedvet gátolják a rezervoárbecsléssel kapcsolatos bizonytalanságok. Elsősorban ott tapasztalható érdemleges előrehaladás, ahol az információk más irányú ásványvagyon-kutatás melléktermékeként rendelkezésre állnak (pl. a szénhidrogén-kutatás mélyfúrásaiból). Egyébként kevés az adat annak megítélésére. hogy egy-egy erőforrásra mennyi ideig lehet biztosan számítani, annak hozama, a víz hőmérséklete és nyomása hogyan fog a jövőben alakulni. Egyes forrásoknál ezek a jellemzők nagyon hosszú ideig állandónak bizonyultak, másoknál viszont előre nem várt csökkenés következett be. Különösen fontos e kérdések megválaszolása a nagyarányú hasznosítás előtt, mert a forszírozott kiaknázás fokozza a kimerülés veszélyét (a legtöbb geotermikus erőműnél a gőznyomás fokozatosan csökken). A természetes hőforrások gazdaságos kiaknázásának köre nem túl széles, a 40 °Cnál nem melegebb vizek elsősorban balneológiai (fürdők) célokra hasznosíthatók, a 40..70 °C-ú források pedig mezőgazdasági célokra. A 70..120 °C hőmérsékletű források térfűtésre, használati melegvíz-szolgáltatásra alkalmazhatók; kisebb települések távhőszolgáltatására gazdaságos rendszereket lehet vele kialakítani, ha oldott ásványtartalma nem túl nagy. Nagy vízhozamú, 130..150 °C-nál melegebb források elvileg villamosenergia-termelésre is felhasználhatók, a gyakorlatban azonban ez még ritkán gazdaságos. A villamosenergia-termelésre a száraz, kismértékben túlhevített gőzt termelő források a legalkalmasabbak, a gőzzel közvetlenül lehet a turbinákat hajtani. Ilyen források azonban csak kivételesen, néhány helyen fordulnak elő, a kiaknázott lehetőségek 3..10 bar nyomáson 136..245 °C hőmérsékletű gőzt szolgáltatnak. A megvalósított geotermikus erőművek 70 %-át száraz gőz táplálja. A természetben azonban többnyire nedves gőzforrások találhatók, ezek kiaknázása bonyolultabb és drágább, mert a hasznosításhoz a vizet le kell választani, esetleg a nyomás változtatásával annak egy részét még el is kell gőzölögtetni. 3.2.2. Megújuló elsődleges energiahordozók Bár bizonyos mértékig minden elsődleges energiahordozó és -forrás megújul, 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 energiaforrásokra rendszerint az is jellemző, hogy nem tárolódnak, azaz ha nem aknázzák ki őket,

potenciális lehetőségük hasznosítatlanul elvész: a beeső napsugárzás kisugárzódik a világűrbe, a folyók belefolynak a tengerekbe, a hullámzás lecsillapodik stb. Megújuló energiaforrásaink túlnyomó többsége közvetlenül vagy közvetve a napsugárzással van összefüggésben. Megújuló energiaforrás az árapály is, amelynek alakításában azonban a Hold játszik döntő szerepet. 3.2.2.1. NAPENERGIA

Igaz ugyan, hogy az árapály-energia és a nukleáris energiahordozók kivételével minden energiahordozó energiája a Napból származtatható, de a fosszilis tüzelőanyagok évmilliárdok alatt felhalmozott energiáját mi néhány évszázad alatt eltüzeljük. A most szóban forgó energia azonban minden nap megújul. A Föld bármely féltekéje által nappal felhalmozott energiát éjszaka kisugározza a világűrbe. A legnagyobb jelentőségű megújuló energiaforrás a napsugárzás. A naptól földtávolságnyira a sugárzás felületegységre jutó teljesítménye átlagosan 1,35 kW/m2. A légkör határán és légkörben ennek az energiaáramnak egy része visszaverődik ill. elnyelődik. A Föld felszínére jutó sugárzás nagyrészt látható fény, intenzitásának maximuma a zöld a színnél van (ezzel magyarázható a klorofil zöld színe). A Földet érő napsugárzás hatalmasa energiája sok emberben olyan gondolatokat ébreszt, hogy ebben keresse az energiaellátás végleges megoldását. Sajnos e feltételezések nem reálisak. A Földet érő napsugárzás egy évi energiájának 1 ‰-énél többet nemigen lehet energetikai célokra elvonni, ha nem akarunk ökológiai zavarokat előidézni a bioszférában. A továbbiakban a napenergia nem lehet az egyetlen kizárólagos elsődleges energiaforrás, csupán az egyidejűleg hasznosított energiahordozók és -források egyike. Ha nem remélhetjük is, hogy a napenergiával meg lehet oldani a távlati energiaproblémát, érdemes törekedni e megújuló, tiszta. a környezetet nem szennyező forrás minél nagyobb arányú kiaknázására. Jelenleg a napenergiát legszélesebb körűen a mezőgazdaság hasznosítja, hiszen a növénytermesztés alapvetően a fotoszintézisen alapul. A fotoszintézis során a növények a klorofill katalitikus hatására szén-dioxidból. vízből és ásványokból oxigén felszabadítása közben szénhidrátokat állítanak elő. Az endoterm reakciók energiáját a napsugárzás fedezi, annak átlagosan 55 %-a oxidációs folyamatokban újból szabaddá válik (légzés), 45 %-a pedig mint kötési energia a keletkező szerves anyagokban marad. A lehetséges sokféle folyamat közül a legegyszerűbb a glukóz képződése a

6CO2  6H 2 O  C6  H12 O6  6O2 reakció szerint, a reakcióhő fedezéséhez a fénynek 15,7 MJ energiát kell biztosítani 1 kg glukóz előállításához. A fotoszintézis jó hatásfokú, energiaintenzív folyamat, amit az is érzékeltet, hogy kémiai úton a víz felbontásához sokkal magasabb hőmérséklet, 3000 °C szükséges. Ez a növények növekedésére hasznosított energia 1 kg szilárd szerves anyagban átlagosan 16 MJ, természetesen a növények fajtájától és a környezeti adottságoktól függően az átlag körül nagy a szórás. A növények súlya a növekedés időszakában 1 m2 területen naponta átlagosan néhány grammal gyarap-

szik. A talajszintre érkező napsugárzásból a növényvilág a növekedésre a szárazföldön 0,2..0,3 %-ot, a tengerben 0,04..0,07 %-ot hasznosít. A fotoszintézis a Földön évente 2·1011 t karbont köt meg, ami 3·1021 J/év-nek felel meg. (Ez a világ energiafelhasználásának tízszerese és az élelmiszerfelhasználás kétszázszorosa.) A fotoszintézis energetikai hatásfokának elméleti maximumát 13 %-rá becsülik, a tényleges értékek jóval kisebbek. A sugárzást a legkönnyebb hő formájában hasznosítani. Az energiaátalakítás egy abszorbensben történik; ez a legegyszerűbb esetben sötét színű fémfelület, ami a sugarakat elnyeli és felmelegszik. Fekete felületek abszorpciója 90..97 %-os. Az abszorbens hőmérséklete addig emelkedik, amíg a sugárzás, konvekció és hővezetés révén leadott teljesítménye el nem éri az abszorbeált sugárzás teljesítményét. A konstruktőrök fő feladata e veszteségek csökkentése. A konvekció hőszigeteléssel üveg, (légréteg műanyag), a kisugárzás az infravörös hullámokat visszaverő réteggel csökkenthető. Az utóbbinak legegyszerűbb módja egy vagy több, a fényt áteresztő, de az infravörös sugarakat visszaverő üveg vagy műanyag réteg az abszorbens előtt. Ezt a hatást mind ezeken a rétegeken, mind az abszorbensen szelektív bevonatokkal fokozni lehet, így a kisugárzást 5..10 %-ra is le lehet szorítani. A napenergia hasznosításának útjában két alapvető nehézség áll. Az egyik a napsugárzás szakaszos és változékony jellegéből fakad. Kevés felhasználó van, amelyik energiaigényeivel ehhez alkalmazkodni tud, ezért többnyire szükség van energiatárolásra. A tárolás megnöveli az amúgy is számottevő beruházási költséget és növeli az energiaveszteséget. Ez óhatatlanul olyan területekre korlátozza a hasznosítást, ahol az igényeket más energiahordozóval nem lehet olcsón kielégíteni, vagy az ellátásnak technikai akadályai vannak. A tetemes beruházási költségek miatt a napenergia elsősorban ott lehet versenyképes, ahol a sugárzás intenzitása és a napos órák száma nagy (trópusi és mediterrán területek, magas hegyek, a légkörön kívüli térségek). A másik nehézséget a sugárzás kis energiasűrűsége okozza. A felhasználás jellegétől és az átalakítás hatásfokától függően 1 kW teljesítményhez 10..50 m2-ről kell összegyűjteni a napfényt, ami 1 GW-nál már 10..50 km2-t jelent. Ebből viszont az következik. hogy nagy teljesítményű berendezéseket csak más célra használhatatlan területekre, például sivatagokba lehet telepíteni. Ezért a mérsékelt égöv alatt nagy teljesítményű létesítmények építése még a távoli jövőben is elképzelhetetlen. Az ilyen klímaövezetben az is hátrányos, hogy az év jelentős hányadában az égbolt fedett, csupán szórt sugárzás érkezik a talajszintre, amit nem lehet optikailag koncentrálni. A hőfejlesztés a legelőrehaladottabb és legígéretesebb irányzat a napsugárzás hasznosítására. Ennek legegyszerűbb módszerét, a melegház-hatást a mezőgazdaságban széleskörűen alkalmazzák. A növényházak üveglapjai és a fóliasátrak műanyag borítása a napsugarakat átengedi, a felmelegedett talaj és növényzet infravörös kisugárzását viszont jórészt visszaveri, így a hő nagy része a zárt térben marad. Lényegében ennek továbbfejlesztett változata a síkkollektor (6. ábra); lényege egy olyan abszorbeáló felület, amely a  < 3 m hullámhossztartományba eső napsugárzást elnyeli és hővé alakítja át, viszont kevéssé hajlamos a hő kisugárzására a  > 3 m hullámhosszú infravörös tartományban. Ilyen felületeket megfelelő összetételű fémes anyagokból, illetve sötét festék- vagy oxidbevonatokkal lehet előállítani. Az abszorbeáló felülettől a hőt áramló

munkaközeg – többnyire levegő vagy csövekben keringő víz – szállítja el. A víz keringtetéséhez a járatokat legegyszerűbb magában az abszorbeáló felületben kialakítani. E hőcserélőt a környezettől alul szilárd hőszigetelés, felül levegőréteg választja el, a kollektort pedig olyan üveg- vagy műanyag réteg fedi le, amelyik a napsugárzást átereszti, de az infravörös sugarakat visszaveri vagy szétszórja. A fedőréteg optikai tulajdonságai bevonatokkal szintén befolyásolhatók, a hőháztartás javítására gyakran kettős (néha hármas) üveglapot alkalmaznak. 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 légkör páratartalmának növekedésével gyorsan zérusra csökken. Javítja a hatásfokot egy második üveglap; szelektív bevonatokkal borús, sőt csapadékos időben is használható rendszereket lehet kialakítani, amelyeknek hatásfoka derült időben 60..70 %-ot is elérhet. Újabban épületelemekből (ablak, tető, falrészlet) készített kollektorok kidolgozásával is foglalkoznak. hőszigetelés fényáteresztő abszorbens borítólemezek

bevezetés

munkaközeg csővezetéke

kivezetés

6. ábra. Egyszerű síkkollektor

Villamosenergia-fejlesztés céljára a magas hőmérsékletű kollektorok két rendszerét alkalmazzák. Az egyik parabolatükrök vagy Fresnel-lencsék sorozatából áll, amelyeknek gyújtópontjában vagy gyújtóvonalában helyezkednek el az abszorbensek (solar-farm), ezekből gyűjtik össze a felmelegített munkaközeget. E 12..15 %-os hatásfokú berendezés viszonylag egyszerű, de csak kisebb, mintegy 50 MW-ig terjedő tartományban gazdaságos. Nagyobb teljesítményre többet ígér a 18-20 %-os hatásfokú toronymegoldás, ahol a tükrök egy torony tetején elhelyezett gömb alakú abszorbensre koncentrálják a sugarakat. Fényelemmel vagy termovillamos generátorral a napsugárzás közvetlenül is villamos energiává alakítható. A félvezető technika gyors fejlődése ellenére a fényelemek nem értek még el átütő sikert az villamosenergia-fejlesztés területén, alkalmazási területük meglehetősen korlátozott, elsősorban speciális igények kielégítésére irányul. Az említett speciális alkalmazási körön kívül a napfényelemek energetikai alkalmazása egyelőre szóba sem jöhet, mert ezekkel 1 kW beépített teljesítmény egy nagyságrenddel drágább, mint a hagyományos erőművekben. Ennek ellenére hosszabb távra sok szakértő lát nagy léptékben is fantáziát ebben a közvetlen energiaátalakítási lehetőségben. Véleményüket a félvezető-technika más irányú

alkalmazásánál tapasztalt ugrásszerű minőségi változásokra és az árak nagyságrendi csökkenésére alapozzák. Ezt az optimizmust a félvezetőipar mögött álló hatalmas kutatási és fejlesztési bázis, az elektronikus alkalmazások által diktált gyors technológiai fejlődés némileg indokolja. Az átalakítási hatásfok javítása mellett a kutatás fő célja most az árak csökkentése. A fotoelektromos hatás minden halmazállapotban előfordul, de a legnagyobb hatásfokkal félvezetőkben lép fel. A fényelemek p–n átmenetű félvezetők, amelyekben az ionozási munkánál nagyobb energiájú ténykvantumok hatására töltéshordozó ár keletkezik. Ezek szétválasztásához a feszültséget különböző anyagok érintkezésénél fellépő kontaktpotenciál biztosítja. A fényelemeket néhány négyzetcentiméteres felületű, 50..500 mW teljesítményű egységekben tudják gyártani, s négyzetméter nagyságrendű panelekben fogják össze. A legjobb hatásfok a Si egykristályból készült fényelemektől várható, az elméleti határ kb. 25 %, az eddig megvalósított elemeké ennek kereken a fele. Különleges gyártási eljárásokkal és optikailag szelektív rétegek kialakításával a hatásfokot néhány százalékkal növelni lehet, de ez az előállítási árat is emeli. A fejlesztés ma pontosan az ellenkező irányba mutat, a hatásfok terén tett jelentős engedmény (10..11 %-os átalakítási hatásfok) árán kívánnak előállítani nagy tömegben gyártható, nagyon olcsó fényelemek Sokan kétlik, hogy ez az Si egykristályokkal megvalósítható (a tömeggyártást jelentő folytonos növesztésénél a szennyezés nagyobb a kívánatosnál), inkább még alacsonyabb hatásfokú, de tömeggyártásban többet ígérő rendszerek kidolgozását szorgalmazzák, így a polikristályos Si-ot ( = 4..6 %) és a Cd, esetleg CuS elemeket (4..10 %), amelyek a vékonyréteg-technikával nagy tömegben állíthatók elő. Drága anyagokkal lényegesen jobb hatásfokot (15..20 %) lehet elérni (pl. GaAs, CdTe, AlSb, InP), de ezekkel a tömeggyártás nem látszik gazdaságosnak, a Ge elemek pedig nem elég hőállóak. A kutatók véleménye szerint néhány éven belül elérhető a 20 %-os hatásfok, és az árakat 10 éven belül több nagyságrenddel le lehet szorítani. Ha ez sikerül, elképzelhető lesz erőművek építése is napfényelemekkel egyes területeken, ott, ahol az 50..75 km2/GW területigény kielégíthető. 3.2.2.2. VÍZENERGIA

A legnagyobb mértékben hasznosított megújuló energiaforrás a vízenergia. A vízkörfolyamat fenntartása a Földre beeső napenergia 23 %-át köti le, ennek legnagyobb részét (20,7 %) a víz elpárologtatása teszi ki, a többi az elpárologtatott víz szállítását, a csapadék és a felszíni vízfolyások fenntartását szolgálja. Mintegy 2..3 MJ munka szükséges ahhoz, hogy 1 kg víz a szabad vízfelszínekről elpárologjon és a vízgőz a felhőképződés szintjéig felemelkedjen. Ennek az energiának a legnagyobb része azonban a mi számunkra elvész, a gőz kondenzálódásakor felszabaduló hő a felhőket melegíti, a csapadék (eső, hó, jég) mozgása közben fellépő súrlódási és ütközési veszteséget sem tudjuk felhasználni, és ugyancsak veszendőbe megy a felhő és a földfelszín közötti potenciális energia. A lehullott csapadék egy része a felszíni vízfolyásokban gyűlik össze, a gravitáció hatására a tengerig vezető útjuk során jelentős ellenállást kell a vízrészecskéknek leküzdeni. Az egész körfolyamatból tulajdonképpen csak azt a kis hányadot lehet hasznosítani, amivel csökkenteni tudjuk a tengervízig vezető út során felemésztett energiát. Az áramló víz energiáját alapvetően a vízfolyás szintkülönbsége szabja meg, e mellett a mozgási

energia elhanyagolható. Az áramlási sebesség ugyanis a leggyorsabb szakaszon sem haladja meg az 5..6 m/s-ot, ami a Bernoulli-egyenlet szerint csupán 1..2 m-es geodetikus szintkülönbségnek felel meg, ez pedig jelentéktelen a potenciális energia mellett. A veszteség csökkentésének két útja van, az egyik a sebesség, a másik a súrlódási ellenállás csökkentésé. A vízfolyás duzzasztás hatására lelassul; mivel az áramlási veszteség a sebesség négyzetével arányos, a duzzasztás következtében a súrlódás leküzdéséhez szükséges energia csökken. A potenciális energia így felszabaduló része jelöli ki az energetikai célra hasznosítható esésmagasságot. Ugyancsak a súrlódás csökkenését eredményezi, ha a vizet a természetes medertől eltérő, kisebb áramlási veszteséget okozó pályán vezetik. Ez lehet a felszínen vezetett üzemvízcsatorna, a föld belsejében kialakított vízzáró alagút vagy külön nyomócső. E pálya rendszerint rövidebb, mint a természetes meder, és fala lényegesen simább, a kisebb súrlódási veszteség ugyancsak a potenciális energia egy részét teszi hasznosíthatóvá. Technikailag a legjobb (90..95 %-os) hatásfokkal a víz potenciális energiáját tudjuk mechanikai energia formájában hasznosítani. A potenciális energiakészlet egyrészt az adott szakaszon az időegység alatt átfolyó víz mennyiségével jellemzett vízhozammal, másrészt a szintkülönbségtől függő esésmagassággal arányos. A szintkülönbség a domborzati viszonyoktól függő állandó érték, de az ebből energetikailag kiaknázható hányad már függ a vízjárást befolyásoló műtárgyaktól. A vízhozam viszont időben változó mennyiség, nagyon erősen függ a vízgyűjtő terület csapadékviszonyaitól, hegyvidéken a hóolvadás lefolyásától, a nem energetikai célú vízkivételezés (öntözés, ivóvíz, ipari felhasználás) mértékétől. a vízgyűjtés módjától az esetleges tározókban, valamint a vízfolyásra telepített más vízerőművek üzemvitelétől. A vízhozam valószínűségi változó, amit csak több évtizedes megfigyelés alapján lehet megítélni. A vízhozam szélső értékei között nagyságrendi különbség lehet, például a Duna legkisebb vízhozama sok évtizedes időszak alatt Qmin = 700 m3/s, legnagyobb vízhozama pedig Qmax = 8500 m3/s volt. A hasznosítás szempontjából perdöntő, hogy milyen vízhozammal lehet tartósan számolni. Maguk a vízerőművek is beruházásigényesek, létesítésük együtt jár kiterjedt egyéb építési munkálatokkal is. A vízgyűjtéshez gátakat és víztározókat kell építeni, a vízhozam biztosításához hosszú üzemvízcsatornákat, nyomócsöveket vagy más rendszereket kell megvalósítani. az árvízvédelemhez hosszú partszakaszokat kell megerősíteni, esetleg településeket áthelyezni, gyakran közlekedési útvonalakat (út, vasút) és közműrendszereket (víz. csatorna, távvezeték, csőhálózat) is át kell építeni, hajózható folyamokon pedig a hajózás biztosítása külön zsiliprendszert igényel a vízlépcsőnél. Egy-egy vízerőmű építése nemcsak a vízfolyás jellegét változtatja még hosszabb szakaszon, hanem az életkörülményeket is. A nagy beruházási költségek többnyire akkor térülnek meg, ha az energetikai hasznosítás a körzet vízgazdálkodási problémáinak komplex megoldásával párosul. Ilyen lehetőségek közé tartozik az árvízveszély megszüntetése a partvédelem kiépítésével és a vízjárás kiegyenlítésével, stabil hajózóút kialakítása a duzzasztás révén, az öntözési és egyéb vízigények feltételének megteremtése az egyenletesebb vízhozammal, víztározóknál üdülési övezetek kialakítása, haltenyésztés lehetővé tétele stb. A beruházási költségeket alapvetően a topológiai viszonyok szabják meg. A kiaknázható esésmagasság függvényében megkülönböztetnek kis, közepes és nagy

esésű erőműveket (nyomásúnak is nevezik a turbinában hasznosított nyomáskülönbség alapján). Az esésmagasság 15 m alatt kicsi. 50 m felett nagy. az átmeneti 15..50 m közötti közepes kategória energetikailag és a szerkezeti megoldások szerint egyaránt a nagy esésű erőművekhez sorolható. A nagy esésű erőművek többnyire fajlagosan olcsóbbak. A hegyekben rendszerint kínálkoznak olyan völgyszakaszok, amelyek völgyzárógáttal elrekeszthetők a víz összegyűjtésére. Ezekben a tározókban nemcsak a vízjárás egyenetlenségeinek kiegyenlítéséhez szükséges vízmennyiség gyűjthető össze, hanem a villamosenergia-rendszer csúcsterhelésének időszakára nagyobb tartalékot is lehet képezni, ami rendszerszinten járulékos értéket ad ezeknek az erőműveknek. A tárolt vízmennyiségtől függően napi, heti, éves (szezonális) vagy még hosszabb idejű tározó alakítható ki. A közepes esésmagasságú erőműveknél rendszerint csak napi vagy heti tározás lehetséges. A nagy esésmagasság még viszonylag kis vízhozammal is számottevő teljesítményt szolgáltat, de ha az nagy vízhozammal párosul, a nyerhető nagy teljesítmény a villamosenergia-termelés legolcsóbb megoldása. A kis esésű erőműveket egyrészt az drágítja, hogy számottevő teljesítményhez nagy vízhozam szükséges, és a nagy folyókon a műtárgyak építése sokba kerül, másrészt az, hogy az esésmagasság kialakításához hosszú szakaszon kell visszaduzzasztani a folyót, ami rendszerint partvédelmet is igényel. A tározás lehetőségei a kis szintkülönbség miatt korlátozottak, legfeljebb napi periodicitás valósítható még. A gazdaságosan kihasználható vízenergia mértéke a gazdasági körülményektől függően változik, a jelenlegi megítélés szerint az egész világra számolva 40 EJ-ra tehető. Az erre telepíthető erőműkapacitás nagysága az üzemvitel módjától függ, átlagértékkel számolva kb. 3 TW, aminek eddig 12 %-át építették ki. Érdemes megemlíteni, hogy a világ átlagosan 15 évenként megkétszereződő összesített erőműkapacitása egy évtizeden belül meghaladja a 4 TW-ot, így a távolabbi jövőben a vízerőművek részaránya szükségszerűen csökkenni fog. A vízenergia hasznosításának nagy múltja van. Vízikerékkel hajtott öntözőberendezeseket már az ókorban használtak Egyiptomban, Mezopotámiában, Kínában. A vízimalmok gyorsan terjedtek el a középkorban, majd fokozatosan igénybe vették a vízenergiát bányaszivattyúk, emelőherendezések, különféle nagy erő kifejtését igénylő munkagépek. valamint a kohók fújtatóinak működtetésére. A vízikerék volt a manufaktúrák fő hajtóereje a gőzgép megjelenéséig, az ipari forradalom után azonban teljesen háttérbe szorult. Minőségi változást jelentettek a jó hatásfokú vízturbinák, kezdetben mechanikai hajtásra, később azonban szinte kizárólagosan villamos energia előállítására. A villamosítás első szakaszában úgy tűnt. hogy a vízerőművek alapvető szerepet kapnak a villamos energia előállításában. A kedvező hidropotenciállal rendelkező országok sorra építették ki vízerőműveiket, főleg a nagy esésmagasságot biztosító hegyvidéken. Ahogy a villamos erőátvitel feszültségeit növelni lehetett, az elszigetelt helyi ellátást fokozatosan nagyobb területre kiterjedő kooperáció váltotta fel, ami lehetővé tette a vízenergia elszállítását nagyobb távolságra is. A rohamosan növekvő villamosenergia-igényeket azonban csak néhány kivételes adottságú területen lehetett kizárólagosan a hidropotenciállal kielégíteni (pl. alpesi és skandináv országok), másutt a hőerőművek kaptak domináns szerepet. A második világháború után a vízerőmű-építés üteme – főleg a nyugat-európai országokban – csökkent, mert elfogytak az olcsón kiaknázható legkedvezőbb lehetőségek, egyes országokban a gazdaságosan kiaknázható potenciál nagy részét –

Japánban 64 %-át, Nyugat-Európában átlagosan 60 %-át – kiépítették. Az alacsony tüzelőanyagárak mellett a drágább megoldások elvesztették versenyképességüket, ezért számos vízerőmű-építési tervet vetettek el vagy halasztottak bizonytalan időre. A vízerőművek versenyképességét az is korlátozza, hogy a turbinák elérhető egységteljesítménye lényegesen kisebb, mint a hőerőműveké. A mintegy 80 m-es esésmagasságig használható Kaplan-turbina – amely a kis esésű vízerőművek tipikus berendezése – 120 MW-ig készül, ugyanez a határteljesítménye a 450..2000 m-es esésmagasságú erőművek Pelton-turbináinak is. Nagyobb teljesítményt egyedül az 50..450 m esésmagasság tartományra szolgáló Francis-turbináknál lehet elérni, ezek felső határa 1200 MW. A vízerőművek részaránya a hatvanas években tetőzött, ekkor ez az energiaforrás a világ primer energiaigényeinek kereken 6 %-át elégítette ki. Azóta a vízerőművek részaránya folyamatosan csökken, annak ellenére, hogy több országban hatalmas létesítményeket helyeztek üzembe. Ma a vízerőművek a világ erőműkapacitásának alig több mint 20 %-át teszik ki, és az említett okok miatt ez az arány a jövőben tovább fog csökkenni. Nem változtat ezen, hogy a tüzelőanyagárak emelkedését követően a vízerőművek megítélése is változott, számos félretett terv minősült újra megvalósításra érdemesnek. Ennek az átértékelésnek figyelmet érdemlő fejleménye, hogy míg korábban a drága, nagy teljesítményű vízerőművek gazdaságosságát alaperőműként való üzemeltetésük biztosítottá, addig a magas tüzelőanyagárak és hőerőmű-beruházási költségek mellett csúcserőműként is gazdaságosakká váltak. Folyamatban van számos nagy vízerőmű kapacitásának jelentős bővítése nagy gépegységek pótlólagos beépítésével, természetesen a csúcsüzemre történő áttérítés ellenében (pl. a legnagyobb észak-amerikai erőmű, Grand Coulee teljesítményét több mint háromszorosára, 10 GW-ra bővítették). 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 időszakban szivattyúval nyomják egy felső tározóba és a nagy terhelésű időszakban turbinán keresztül engedik vissza az alsó tározóba. Az eddig megvalósított rendszerekben a felső tározót folyóvölgyekben vagy kedvező adottságú hegytetőkön alakították ki, az alsó tározó pedig duzzasztott folyószakasz vagy tó. Szivattyús tározók a hasznosított energetikai potenciált nem növelik, csupán a hasznosítás időbeli átütemezésére adnak módot, mintegy 20..25 % veszteség árán. Ez a módszert, amelyik a villamosenergia-rendszer csúcsigényeinek fedezését biztosítja, akkor lehet gazdaságos, ha a szivattyúzási munkát olcsó és felesleges energiahordozóból lehet fedezni, ezért a szivattyús tározók alapüzemben járó vízerőművekhez vagy atomerőművekhez kapcsolódva terjedtek el. Jelentősen csökkentette a beruházási költségeket a szivattyú és turbina funkcióját egyaránt ellátó reverzibilis vízgépek megjelenése. A szivattyús tározók a teljesítménygazdálkodás mellett a villamosenergia-ellátás üzembiztonságát is javítják, mert üzemzavar esetén gyorsan indítható tartalékot jelentenek. Tengeri hullámzás Ugyancsak visszatérő gondolat a szelek által keltett tengeri hullámzás hasznosítása energiafejlesztésre, ami szintén a napenergia közvetett kiaknázása. Hullámokkal működtetett berendezésekre nagyszámú szerkezetet szabadalmaztattak, de ipari megvalósításra ezek nem bizonyultak alkalmasnak. A hullámok kialakulásának

részletei még több tekintetben tisztázatlanok, a szél hatásán kívül a vízmélységnek is jelentős a szerepe. A vízrészecskék körmozgásuknak és haladásuknak megfelelő kinetikus energiával, valamint a hu11ámhegv és hullámvölgy szintkülönbségének megfelelő potenciális energiával rendelkeznek. Az elméleti számítások meglepően nagy energiatartalomra vezetnek: 1 m hosszú hullámfront teljesítménye 1 m-es hullámmagasságnál 1 kW, 2 m-es hullámoknál 10 kW, 5m-es hullámoknál 100 kW és 13 m-es hullámoknál 1 MW nagyságrendben mozog. Az Északi-tengeren például az átlagos hullámmagasság 1,5 m, 6 s-os periódusidővel. Miután a hullámzás lassan csillapul, a tenger energiatárolóként viselkedik, e kiegyenlítő hatás csökkenti az energiatározás szükségletét. Elvileg a hullám potenciális energiáját a nyomáskülönbség kiaknázásával lehet hasznosítani, a vízfelszín alatt lebegő berendezésekkel, vagy mély vízben haladó hullámoknál a hullámprofil változását követő szerkezetekkel. Ezekben szelepek választják el a különböző nyomású kamrákat és a nyomáskülönbség mechanikai munkát szolgáltat. Ilyen elven működő 100..500 W-os áramforrások bóják, világítótornyok ellátására elvétve már üzemben vannak. A körpályán mozgó vízrészecskék kinetikus energiáját olyan aszimmetrikus profilú úszókkal próbálják kiaknázni, amelyeknek felső része követi a vízfelszín mozgását, alsó része pedig rögzített körpályán elfordul. Az Atlanti-óceánon szerzett tapasztalatok szerint a nyílt tengeren csupán az idő 1 %-a hullámmentes és hasonló időtartamú a túl nagy hullámokat okozó viharos időszak. Gondot okoz, hogyan lehet a tengeri viharokkal szemben a berendezések épségét biztosítani. Az angol villamosenergia-rendszer nagyszabású kutatási programot indított el a hullámzást hasznosító berendezések fejlesztésére. Az atlanti-óceáni partvidéken ebben komoly energetikai lehetőséget látnak. A fejlesztett villamos energia elszállítása itt is gond, ennek áthidalási lehetőségei között szerepel a tengervízből hidrogén előállítása, illetve urán kinyerése is. Néhány kísérleti rendszer vizsgálata folyamatban van. Árapály A különféle tengeri effektusok közül egyedül az árapály hasznosítására került sor. A vízerőművek különleges típusát jelentő árapály-erőművek nem a napsugárzást, hanem a gravitációs energiát aknázzák ki. A Hold és a Nap tömegvonzásának hatására a tengerek szintje ütemesen változik, naponta kétszer apály és dagály alakul ki. A Hold 24 óra 50 perces keringési idejének megfelelően a tenger szintje 12 óra 25 perces ciklusokkal változik. A Hold és a Nap relatív helyzetének változása mintegy 14 napos ciklusidővel a maximumok ugyancsak szinuszos változását okozza. A legnagyobb érték a két égitest tavaszi együttállásakor, a legkisebb őszi oppozíciójuknál lép fel, e kettő aránya háromszoros értéket is elérhet. A szintkülönbség értékét erősen módosítják a partviszonyok, a beltengerek közepén centiméter, partján deciméter nagyságrendű, a nyílt óceánokon 1 m körüli, az óceánok egyes partvidékein viszont a rezonancia és az öblök tölcsérszerű összeszűkülése következtében nagy értéket is elérhet. Kanada keleti partján 15..20 mes vízjáték is előfordul, az angol és a francia partvidék egyes pontjain a csúcsérték 14 m. A csillagászati adatokból számítva a Földön lejátszódó árapály teljes energiája 2,6..3 TW. Energetikailag az apály és a dagály szintje közötti különbség kis esésű vízerőművel hasznosítható. Elvileg már 3 m-es szintkülönbséget is lehetne hasznosítani, de a gazdaságos megoldáshoz ennek többszöröse szükséges. Erőmű csak ott valósítható meg, ahol egyrészt az apály és a dagály szintkülönbsége

rendszeresen meghaladja az 5..l0 m-t, másrészt, ahol tengeröblöket vagy folyótorkolatokat viszonylag kis munkával alkalmassá lehet tenni a szükséges vízmennyiség felfogására. E feltételeknek csak kevés hely felel meg, ezek számbavételével a kiépíthető teljesítményt mindössze 100 GW-ra becsülik (3 EJ/év). A legnagyobb árapály-erőmű 240 MW-tal (2410 MW) Franciaországban működik, kisebb erőművek üzemben vannak a volt Szovjetunióban területén és Kanadában. Bár árapállyal működtetett vízimalmok már sok száz éve működnek, és villamosenergia-előállításra már az első világháború előtt is épült kísérleti berendezés, a kiépíthető teljesítmények 1 %-a sincs kiaknázva. Ennek okát az aránytalanul nagy beruházási költségben kell keresni, amit a vízépítési műtárgyak kialakításának bonyolultabb feltételei és a sós víz agresszív hatása elleni védekezés eredményez. Emellett másodlagos jelentőségű az az üzemviteli nehézség, hogy a teljesítmény 12 órás periodicitással 0 és egy változó maximum között hullámzik, függetlenül a fogyasztói igényektől. Az árapály egyenlőtlensége miatt a rendelkezésre álló villamos teljesítmény is ingadozik. Ezt az ingadozást csökkenteni lehet egy vagy több különböző szintű tározó kialakításával, ami azonban a maximális teljesítmény és az energetikai hatásfok csökkenésével jár. Ha megépül is még néhány tervezett árapály-erőmű, ezek csupán alárendelt jelentőségűek lesznek mint tüzelőanyagot megtakarító létesítmények. 3.2.2.3. SZÉLENERGIA

Áttételesén a napenergia hasznosítását jelenti a szélenergia felhasználása is. A légkör alsó részét a Föld felszíne melegíti, elsősorban azokkal a kisugárzott infravörös hullámokkal, amelyeket a levegő el tud nyelni. Mivel a felszín hőmérséklet a felszín felépítésétől és az inszolációtól függ, a levegő hőmérsékletének eloszlása időben és térben nagyon változatos, ami a légtömegben sűrűség- és nyomáskülönbségeket hoz létre. E különbségek hatására légmozgások és áramlások alakulnak ki, a hő a levegő mozgási energiájává alakul át. A földfelszín bonyolult felépítésé következtében a széljárás komplikáltan alakul, megkülönböztetnek általános és helyi szeleket, valamint ciklonokat. Az általános szeleket a pólusok és az egyenlítő klímája közötti különbség okozza, rendszerüket a Föld alakja és forgása szabja meg. A talajszinten a pólusoktól az egyenlítő felé és a magasban ellentétes irányba tartó áramlást megszakítják azok az erők, amelyeket a Föld forgása a légtömegekre gyakorol. Ennek következtében az egyenlítőnél, a 30° körüli szubtropikus térrészben (itt vannak a sivatagok) és 50..60°-nál a szubpoláris régiókban szélmentes övezetek alakulnak ki. Az általános szelek ezen övezetek között keletkeznek. Az egyenlítő és a szubtropikus övezet között kialakuló passzátszél meglehetősen egyenletes, 5..6 m/s sebességgel fúj évente 290..330 napig, legszabályosabban az óceánok felett (az északi féltekén északkeleti, a délin délkeleti irányú). A mérsékelt égövön az általános szél nyugati irányú, de sokkal egyenlőtlenebb, a poláris övezetben pedig keleti irányú. Az általános szélrendszerre helyi szélrendszerek, ciklonok, turbulenciák szuperponálódnak. Az óceánok hőmérséklete sokkal kevésbé követi a téli és a nyári klíma különbségeit, mint a kontinenseké, e differenciákat egyenlíti ki a viszonylag egyenletes monszun (nyáron a tenger felöl, télen a tenger felé fúj). Gyenge légmozgást okoz a pártvidékén a napi felmelegedés változása is, ami nappal a part felé, éjjel a tenger felé fújó tengerparti szélet eredményez (parti szél este és reggel a Balatonon is tapasztalható). Helyi szélrendszer hegyvidékeken is előfordul, a

mérsékelt égövön különösen nyáron. A ciklonok a hideg és meleg légtömegek találkozásakor, azok határfelületéről 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 leginkább nyugatról érkeznek. A ciklonoknak – fölég a trópusokon – nagyon heves, nagy szélerejű formái (orkán, hurrikán tornádó, tájfun stb.) is vannak.

200 150 h , m 100 50 0 0

4 v , m/s 6

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

Az áramlás irányát és nagyságát a felszín topográfiája ugyancsak számottevően befolyásolja. A súrlódás a talajszinten turbulenciát okoz, amit még 1 km magasságban is érzékelni lehet. Az áramló légtömegek összetétele és állapota sem homogén, ami szintén perturbációk forrása. Mindezek következtében a szél ritkán egyenletes, lökések, ingadozások alakulnak ki. A súrlódás miatt a szélsebesség a talajszint feletti magasságtól is függ, amit a 7. ábra példáz. A sokféle hatás következtében – különösen az olyan fekvésű területeken, mint Magyarország – a széljárás meglehetősen szeszélyes. A 8. 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 megfigyelések szerint az évi átlagos szélsebesség Budapesten 1,8 m/s, Debrecenben 2,5 m/s, Szegeden 2,7 m/s, Keszthelyen 3,0 m/s, és csupán az ország legszelesebb északnyugati sarkában, Magyaróváron éri el a 4,9 m/s-ot. A havi átlagok 1,5 és 6,0 m/s között ingadoznak, de többnyire 3,0 m/s alattiak. Gazdasági megfontolások alapján a szélenergiát ott célszerű kiaknázni, ahol az éves átlagsebesség a talajszint felett 10 m magasságban meghaladja a 4 m/s-ot. Ez a feltétel többnyire csak a tengerpartokon teljesül.

h/a

1200 800 400 0 0

10 v , m/s

8. ábra. A szélsebesség gyakorisága

A szélre merőleges felületre ható szélnyomás a szélsebesség négyzetével, teljesítmény pedig a harmadik hatványával arányos. Az elkerülhetetlen áramlási és egyéb veszteségek miatt a levegő mozgási energiájának csak egy részét lehet kiaknázni – legcélszerűbben villamosenergia-fejlesztésre. A legvalószínűbb teljesítményre méretezett szélmotorok energetikai hatásfoka a sebesség függvényében maximumot mutat. A szélmotorok hatásfokának elméleti maximuma 60 %, a gyakorlatban csak 45..50 % valósítható meg. A vízszintes tengelyű szélmotorok már kiforrott rendszerek, 100..200 kW teljesítményű egységeikről sokéves tapasztalattal rendelkezünk. Ugyancsak megoldottnak tekinthető az automatikus szabályozás feladata, ami a változó szélsebességnél biztosítja a fejlesztett villamos feszültség és frekvencia állandóságát. A fajlagos beruházási költség azonban még tárolás nélkül is magas. Azt várják, hogy a most kidolgozás alatt álló 1..3 MW-os egységeknél ez csökkenni fog, bár a fajlagos ráfordítás a hagyományos érőművekének 3..5-szerese lesz. Fejlesztés alatt áll a függőleges tengelyű megoldás (Darrien-elv), ami jobban alkalmazkodik a változó irányú szélhez, azonban csak 5 m/s felett használható. Realizálásához anyagtechnológiai és üzemviteli feladatok (pl. az indítás módja) várnak megoldásra. Gyakorlati okokból a szélmotorok nemcsak szélcsend idején, hanem kis szélsebességnél (a méretezéstől és az automatizáltságtól függően 2,5..5 m/s alatt) sem tudnak teljesítményt leadni. Nagy szélsebességnél (15..28 m/s felett) biztonsági okokból kell a szélkerekeket leállítani. E korlátokból és a teljesítmény ingadozásaiból következik, hogy a szélmotorokat vagy megfelelő energiatárolással kell párosítani, – ami versenyképességüket szinte biztosan megszünteti –, vagy a közcélú villamosenergia-hálózatba kell a fejlesztett energiát betáplálni. Az utóbbi esetben a szélmotorok csak tüzelőanyag 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. Azonban ilyenkor is csak járulékos, helyi energiaforrás szerepét töltheti be. Teljesen valószínűtlen, hogy polgárjogot nyernek azok az elképzelések, amelyek a tengerpárton elhelyezett hatalmas szélmotorok sorozatával remélik fedezni az országok villamosenergia-igényének számottevő hányadát. Ez ellen nemcsak a táj védelme szól, hanem az aránytalanul nagy beruházási költségek is. Még kell említeni,

hogy a területigény is nagy, mert a légáramlás rendeződése érdekében a tornyok között megfelelő távolságot kell biztosítani. A becslések 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 elsődleges energiahordozókkal is ki lehetne elégíteni. Ez történhet az elsődleges energiahordozók közvetlen hasznosításával vagy a fogyasztóknál megvalósított energiaátalakítás segítségével. A közvetlen hasznosítás nem felel meg a korszerű technikai követelményeknek, a kiaknázható elsődleges energiaforrások jellege és földrajzi elhelyezkedése mindenképpen energiaátalakításokat tesz szükségessé, annak érdekében, hogy biztosítani tudjuk a végső fogyasztás és hasznosítás hő, mechanikai munka, fény kémiai és egyéb energiák iránti igényt. Mindezek miatt az energiahordozókat egy vagy több lépésben mindig átalakítjuk mielőtt az a fogyasztóhoz kerül, de előfordulhat olyan eset is, hogy a fogyasztó közvetlenül valamely elsődleges energiahordozót használja fel. Átalakított energiahordozók például a kőolaj-feldolgozásból nyert termékek. Végső energiahordozók a villamos energia, hőenergia; hasznos energia pedig a fényenergia, hőenergia, kinetikus energia, … . Az átalakított és végső energiahordozókat élesen elkülöníteni nem lehet, hiszen egymás szerepét átvehetik. Az eddig leírtakat a 9. ábra teszi szemléletessé. Az átalakított energiahordozókat többféleképpen lehet csoportosítani a felhasználási mód, energiafajta, eredet, fizikai jellemzők vagy más mutatók alapján. A gyakorlat szempontjait követve a továbbiakban a következő csoportosítást és egyben tárgyalási sorrendet fogjuk követni: – kémiai tüzelőanyagok és üzemanyagok, – hőenergia-hordozók, – a mechanikai energia hordozói, – villamos energia, – kémiai reagensek. Az elsődleges energiahordozók átalakítása végbemehet például a szénfeldolgozó üzemekben (brikett gyártás); olajfinomító üzemekben (benzin, dízelolaj, stb.). A primer energiahordozók erőművekben is felhasználásra kerülnek. Az átalakítás módja szerint ez a folyamat végbemehet: hőerőgépekben, atomreaktorokban, vízgépekben, szélgépekben, napenergia cellákban és egyéb berendezésekben. A következőkben részletesen megismerkedünk az egyes átalakított energiahordozók jellemző tulajdonsági, az átalakítás alapvető módjaival. Az energiaátalakítás részleteit, az energiaátalakító berendezéseket és folyamatokat az Energiaátalakítás című fejezet ismerteti.

import

veszt.

hazai primer energiaimport

import

hordozó

átalakítás

veszt. átalakított (szekunder) energiahordozó

veszt. végső

szállítás átalakítás

energiahordozó

hasznos átalakítás

energia

FOGYASZTÓ export készletezés, tárolás

export

készletezés, tárolás

export

9. ábra. Energiaátalakítási lánc

3.3.1. Hőenergia-hordozók A hő az anyagok belső energiája, a hőenergia mindig anyagokhoz kapcsolódik. Szigorúan véve a hőhordozók körébe minden anyag, test beletartozik, hiszen egy rendszer termikus állapota a rendszert alkotó elemek termodinamikus kölcsönhatásán múlik. Egy helyiség hőmérsékletét a határoló elemek, valamint a helyiségben levő tárgyak és közegek együttes viselkedése alakítja ki, egy technológiai folyamat hőmérlegét az abban szerepet játszó eszközök és anyagok kölcsönhatása szabja meg. Kilátástalan kísérlet lenne az anyagok ilyen teljes körű áttekintése, szerencsére erre nincs is szükség, elég csupán a hőellátásban lényeges szerepet játszó anyagokra szorítkozni. Rá kell azonban mutatni, hogy egyes konkrét létesítmények egyedi vizsgálatánál a tárgyaltakon túlmenő anyagok is fontos szerephez juthatnak, például mint a folyamatból távozó hulladékhő hordozói. Így tüzelőberendezésekből, kohókból jelentős hőmennyiség távozik a salakban, 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 és építőanyag-ipari eljárások termékei stb. hőhordozók a technológiai folyamatokba betáplált anyagok is, az energetikai hatásfokot javítja, ha a tüzelőberendezésekbe beadagolt tüzelőanyagot és levegőt, vegyipari eljárásoknál a nyersanyagokat előmelegítik. A hőhordozók termikus viselkedését elsődlegesen hőtároló képességük (hőkapacitás) és hőátszármaztatási tulajdonságaik szabják meg. A hőkapacitás az anyagi összetételtől és az állapotjellemzőktől (hőmérséklet, nyomás) függ. ha egy m tömegű c fajhőjű hőhordozó hőmérséklete T1-ről T2-re nő, akkor hőtartalmának változását az esetek nagy részében az T2

Q  m  cdT  mc T2  T1  T1

összefüggés írja le. A c fajhő hőfokfüggő, c az adott hőmérséklet-intervallumra vonatkozó átlagértéke, az mc szorzat a hőkapacitás. A c fajhő fémeknél 0,1..0,8 kJ/(kgK), szilárd szigetelőanyagoknál 0,4..1,5 kJ/(kgK), folyadékoknál 0,8..5,0 kJ(kgK) és gázoknál 0,8..13,0 kJ/(kgK) nagyságrendű. A fenti egyenlet csak olyankor írja le helyesen a viszonyokat, ha a hőközlés vagy hőelvonás nem vált ki olyan fizikai vagy kémiai folyamatokat, melyek a belső energiát ugrásszerűen módosítják. Így például halmazállapot-változásnál a hőtartalom ugrásszerűen változik a rejtett (látens) hővel, kémiai reakcióknál a kötési energiával, energiaváltozással jár az oldás, a struktúraváltozás, a disszociáció, az ionizáció és számos más folyamat. A rejtett hő többnyire jelentős energiamennyiség tárolását teszi lehetővé a hőhordozóban. A hőátszármaztatás az anyagi minőségen kívül a geometriai elrendezéstől és a környezet jellemzőitől is függ. A hőközlés hővezetés, hőátadás és sugárzás útján történhet. Az átszármaztatott hő számítása bonyolult differenciálegyenletek megoldását igényli. Megjegyzendő, hogy a számítás többnyire csak kvalitatív tájékozódáshoz elegendő, a gyakorlati igényeket leginkább tényleges mérésekkel lehet kielégíteni. A jellemzők szerepének érzékeltetésére a hőközlés háromféle típusát a legegyszerűbb esetekre mutatjuk be. Hővezetés Egy nagy kiterjedésű,  hővezető képességű (hővezetési tényezőjű) és  vastagságú sík lemez vagy fal felületegységén hővezetés útján q 

 T  T   1 2

hőmennyiség halad át az időegység alatt, ha a lemez két oldalán a hőmérséklet T1 és T2. Fémek  hővezetési tényezője 40..400 W/(mK) között mozog, hőszigetelő anyagoké legalább egy nagyságrenddel kisebb. Hőátadás A szilárd testek felületéről, valamint folyadékok szabad felszínéről a mellettük áramló közegek hőátadás útján is szállítanak el hőt, illetve ellentétes irányú hőmérséklet-gradiens esetén a közeg ad át hőt a felületnek, ennek mértéke az áramlás sebességétől és jellegétől függ. A T1 hőmérsékletű felületegységéről, egységnyi idő alatt az az mellett áramló, T2 hőmérséklettel jellemezhető közeg

q   T1  T2  hőt szállít el, ill. szállít oda. Az  hőátadási tényező lassan mozgó gázokban 3..20 W/(m2K), gyorsan áramló gázokban értéke l0..100 W/(m2K)-re nő, áramló folyadékokban 200..10000 W/(m2K), forrásban levő folyadékra 10000100000 W/(m2K) és kondenzálódó gőzre 2000..60000 W/(m2K). A forrás és a kondenzáció közben átadható nagy teljesítményt a rejtett hő biztosítja, ennek a hőforrások kialakításánál van nagy jelentősége. Hősugárzás Két nagy kiterjedésű, T1 és T2 hőmérsékletű párhuzamos felület között a felületegységről sugárzás útján átadott hő:



q  12 0 T14  T24



ahol a 12 az ún. besugárzási cseretényező, ami a felületek minőségétől függ, a  0





az ún. Stefan–Boltzmann-tényező  0  5,669  108 W / (m2 K 4 ) . 3.3.1.1. SZILÁRD ANYAGOK

A szilárd anyagok általában mint hőszigetelők és hőtárolók játszanak szerepet a termikus folyamatokban. Csak kivételesen fordul elő, hogy kifejezetten hőszállításra szilárd anyagokat használjanak. Rendszerint nem kívánatos módon a hőszállításban minden olyan szilárd termék vagy egyéb anyag részt vesz, mely a környezettől eltérő hőmérsékleten távozik a technológiai folyamatból. A hőszigetelés funkcióját többnyire sok levegőt tartalmazó szervetlen szálas, rostos anyagokkal (üvegből, bazaltból), hőálló műanyagokkal és keramikus anyagokkal látják el. Ezek technológiája az utóbbi évtizedekben jelentősen fejlődött, ami a hőveszteségek számottevő csökkentését teszi gazdaságosan lehetővé. A hőtároló szilárd anyagok nagy része csupán a felmelegedési és lehűlési időállandók kialakításában játszik szerepet, ami az üzemvitel és esetenként a teljesítménygazdálkodás szempontjából is jelentős. Ilyen szerepe van az épületelemeknek, a tüzelőberendezések és magas hőmérsékletű kemencék hőálló béléseinek (samott, magnezit) és gyakran a talajnak is. 3.3.1.2. FOLYADÉKOK

A folyékony hőhordozók között a legjelentősebb a víz. Ebben nagy szerepe van annak, hogy könnyen hozzáférhető, olcsó és viszonylag bőségesen rendelkezésre álló anyag. A sokirányú használat révén fizikai és kémiai viselkedését alaposan feltárták. Sok ismeret áll rendelkezésre a víz és a különféle szerkezeti anyagok kölcsönhatásáról. E hatások gyakran kellemetlenek, pl. korrózió vagy vízkőlerakódás, az évtizedek során a védekezés módszerei is kialakultak. Hőhordozóként történő alkalmazásához előnyös kivételesen nagy fajhője (4,2 kJ/(kgK)), melynél néhány százalékkal nagyobb fajhővel csak egy-két anyag rendelkezik, és az egyes hőátadási folyamatok során elérhető nagy hőátadási tényező (103..104 W/(m2K)). Korlátozást jelent viszont a folyékony halmazállapot viszonylag szűk hőmérsékletintervalluma légköri nyomáson. Ezt bizonyos mértékig ki lehet terjeszteni, a nyomás csökkentésével vagy a fagyáspontot leszállító adalékokkal 0 °C alá, a nyomás növelésével 100 °C fölé is. A természetben előforduló vízben mindig vannak oldott ásványi anyagok és szennyeződések, ami a víz tisztítását teszi szükségessé, hogy a szerkezeti anyagok ne korrodáljanak és a hőátadó felületek hőátviteli tényezőjét lerakódások ne csökkentsék le. A tisztítás szükséges mértéke a felhasználás jellegétől függ, lehetőségei széles körűek (szűrés, ülepítés, derítés, vegyszeres vízkezelés, ioncserés tisztítás, desztillálás stb.). Szélsőséges feltételek között a szerkezetek anyagát is megfelelően kell megválasztani, pl. rozsdaálló acélból vagy felületi védőbevonatokkal kell kialakítani. Hőhordozóként legnagyobb mennyiségben hűtésre használják a vizet, ez teszi ki az összes ipari vízfelhasználás 80 %-át. A legnagyobb hőmennyiséget a hőerőművek kondenzátoraiból kell elvonni, frissvíz-hűtésnél 1 GW kiadott teljesítményhez

átlagosan 30..35 m3/s hűtővíz szükséges hagyományos erőműveknél és 45..50 m3/s atomerőműveknél. E nagy vízfelhasználás biztosítása jelentős szerepet játszik az erőművek telephelyének kijelölésében és technológiai rendszerének megválasztásában. A mai korszerű, több GW-os erőműnagyságok mellett a hűtővízszükséglet a folyók vízhozamának tetemes hányadát teszi ki. A hűtésnek ez a lehetősége fokozatosan kimerül, a visszavezetett hűtővízzel a folyókba juttatott hő mennyiségét korlátozni kell, nehogy a hőmérséklet túlzott emelkedése megbontsa az élővizek ökológiai egyensúlyát. E korlát a Tiszára telepíthető erőművek nagyságát 1 GW körül, a Dunára telepíthetőekét 5..7 GW-ban jelöli ki. A hőszennyezés hatása kumulatív, ezért a hazai folyóvizekkel hűthető erőműépítés lehetősége 3..4 évtizeden belül kimerül. Ahol az erőműveket nem lehet a tengerpartra telepíteni, ott előtérbe kerülnek a hűtővíz ismételt felhasználását lehetővé tevő költségesebb megoldások (hűtőtó, hűtőtorony). A frissvízigény nedves hűtőtornyoknál 60-ad része, száraz hűtőtornyoknál 1000-ed része a frissvíz-hűtéshez szükséges mennyiségnek. A hűtéshez többnyire elég a szilárd szennyeződések kiszűrése a vízből, kémiai kezelésre nincs szükség. Mind a frissvíz-hűtés, mind a hűtőtornyos megoldás megtalálható a legtöbb magas hőmérsékleten lezajló ipari technológiánál is. A belsőégésű motorok működésének is elengedhetetlen feltétele a megfelelő hűtés, amit többnyire vízhűtéssel biztosítanak. Kiterjedten használják a vizet magas hőmérsékleten működő technológiai reaktorok és munkagépek hűtésére, sőt gyakran a meleg termékek lehűtésére is, például a metallurgiában, a kokszgyártásnál, a vegyipar számos termékénél. Néha gőzfejlődést is megengednek, mert a víz nagy párolgási hője a hőelvonás intenzitását jelentősen fokozza. A hűtővízben nagy hőmennyiségek távoznak el, e hulladékhő hasznosítása komoly érdeke az energiagazdálkodásnak. Helyhez kötött technológiáknál erre meg is van a mód, ha a hűtővíz mennyisége elég nagy. A hasznosítás területét a távozó hűtővíz hőmérséklete szabja meg, alacsonyabb hőmérsékleten használati meleg víz készítése vagy mezőgazdasági felhasználás, magasabb hőmérsékleten fűtés vagy anyagok előmelegítése jöhet szóba. A víz jelentős szerepet játszik a hőigények kielégítésében is, erre fordítják a technológiai célra kivett nyersvíz 70 %-át, megjegyzendő azonban, hogy a hőhordozók gyakran zárt rendszerben keringenek (kazánok, fűtőhálózatok), így csupán a veszteségek pótlása jelent folyamatos vízfelhasználást. E területen legnagyobb tételt a használati meleg víz (tisztálkodásra, háztartási célokra) jelenti. E célra többnyire 50..60 °C (néha 80..100 °C) hőmérsékletre kell a vizet felmelegíteni. A felhasználás jellege miatt a használati melegvíz-ellátásnál ki kell elégíteni az ivóvízzel szemben támasztott minőségi követelményeket, a mechanikai tisztítás mellett gyakran kémiai kezelés is szükséges. A központosított épületfűtésnek ugyancsak a víz a legkedvezőbb hőhordozója, ezért az utóbbi években szinte kizárólagos szerepet nyert a korábban használt gőzzel szemben. A fűtőtestekben leginkább 70 °C-nál alacsonyabb hőmérsékletű meleg vizet keringtetnek. A meleg víz hőtároló képessége a hőmérséklettel arányos. Nagy hőteljesítmény átviteléhez a hőmérsékletet 100 °C fölé kell növelni, amit az tesz lehetővé, hogy a víz forrási hőmérséklete nő a nyomás növelésével. A víz hőmérsékletét elvileg 374 °C-ig

lehet növelni, ennél magasabb hőmérsékleten folyékony halmazállapot nem lehetséges, e kritikus hőmérséklethez 226 bar nyomás tartozik. A gyakorlatban ennél jóval alacsonyabb hőmérsékletet és nyomást alkalmaznak. A forrás elkerülésére nyomás alá helyezett 100 °C-nál melegebb vizet a hőtechnikában forró víznek, az atomtechnikában nyomott víznek nevezik. A középnyomású (1..1,5 bar közötti) forróvíz-rendszereket elvétve fűtésre is használják, de a magas hőmérséklet fűtéstechnikailag nem előnyös. A forró víz legfontosabb alkalmazási területe a távhőszolgáltatás, mindenekelőtt a távfűtés. Az e célra alkalmazott felső hőfokhatár 170..180 °C, többnyire 130..170 °C-ot alkalmaznak, a szokásos nyomástartomány 1,5..12 bar. A nagy nyomású forró víz azért vált a távfűtés szinte kizárólagos hőhordozójává, mert az ilyen rendszerek szabályozása jóval egyszerűbb a gőzt használó rendszereknél és jóval nagyobb távolságokat lehet gazdaságosan, kevés veszteséggel áthidalni. 3.3.1.3. GÁZ HALMAZÁLLAPOTÚ ANYAGOK

A legszélesebb körűen használt hőhordozó maga a levegő, hiszen minden fűtött vagy hűtött helyiségben a temperálás célja, hogy a levegő hőmérséklete a kellemes közérzethez megkívánt vagy a technológia által megszabott értéket vegyen fel. A termikus egyensúly azon múlik, hogyan alakul a hőcsere a levegő és a különféle hőleadó és hőfelvevő felületek között, amit a hőmérsékletviszonyokon kívül a légmozgás jellege és a levegő összetétele is befolyásol (pl. légnedvesség). E közvetítő szerep mellett a levegő mint hőhordozó gyakran közvetlenebb szerepet is betölt. A légfűtésnél, légkondicionálásnál és gyakran a szel1özésnél is a bejuttatott levegő hőtartalmának változtatásával biztosítják a kívánt klímát, ez időnként a levegő összetételének befolyásolásával is párosul (légnedvesség szabályozása, egészségre ártalmas összetevők kivonása, por szűrése stb.). Jelentős szerepe van a levegőnek mint hőhordozónak a kalorikus és villamos berendezések hűtésében is, a járművektől kezdve különféle technológiai berendezéseken, motorokon, villamos gépeken keresztül az erőművi hűtőtornyokig. A levegő hőtartalma sok termelési technológia energiamérlegében játszik jelentős szerepet. A nagy kazánok tüzelési hatásfokát számottevően növeli a levegő előmelegítése 200..400 °C-ra, amit a füstgázzal fűtött léghevítők biztosítanak. A nagyolvasztók égési levegőjét (fúvólevegő) rekuperatív vagy regeneratív léghevítőkkel 600..1200 °C-ra melegítik elő, ami nemcsak energetikai hatásfok növelést, hanem minőségjavulást is eredményez. Hasonló a helyzet a különféle technológiai kemencéknél is. Az energetikai hatásfokot javítja, ha előmelegített levegőt fújnak be egyes magas hőmérsékletű kémiai reakciókhoz (szénelgázosítás, hidrogéngyártás stb.), különösen ha az előmelegítés hulladékhővel történik. Többnyire meleg levegővel szárítják a nedves, higroszkópos anyagokat (mezőgazdasági termékek, élelmiszerek, nedves eljárással készült vegyipari termékek, szálas anyagok stb.). A tüzelésnél fejlődő hő jelentős részét a füstgáz szállítja el. Ennek összetétele és hőmérséklete a tüzelőanyagtól és a tüzelés módjától függ. Legnagyobb része N2 és CO2, de számottevő mennyiségben találhatók benne O2, CO, vízgőz, nitrogén-oxidok és szilárd részecskék, valamint a tüzelőanyag összetételétől függően SO2, SO3, kénessavgőz (H2SO3), esetleg kénsavgőz (H2SO4) és egyéb alkotók. A füstgáz a legmagasabb hőmérsékletig (1200..1500 °C) használható hőhordozó, és e magas

hőmérsékletekhez sem tartozik magas nyomás. Hátrányos viszont az hőátadás folyamán elérhető kis hőátadási tényező. A legsokoldalúbban használható gáznemű hőhordozó a vízgőz. Energiatartalmát nem csak fajhője szabja meg, hanem az elgőzölögtetés során felvett rejtett hő is, ami kiemelkedően magas más anyagokhoz viszonyítva. A másik figyelembe veendő körülmény a vízgőz nyomása és telítési hőmérséklete közötti összefüggés. Minél nagyobb hőmérsékleten kívánunk gőz előállítani annál nagyobb nyomásra van szükség. Ez szükségszerűen nagyobb követelményeket támaszt a berendezések szerkezeti anyagaival szemben. Jelenleg a korszerű erőművi technológiákban az uralható nyomás 250..260 bar, a hőmérséklet 550..560 °C. A gőz használatának legegyszerűbb formája, ha csupán hőhordozóként alkalmazzuk. Hőátadási tényezője hasonló mint a gázoké, de nagyságrendekkel megnő halmazállapot változás esetén. Forrás közben 103..105 W/(m2K), kondenzáció során 103..104 W/(m2K). A 150..160 °C hőmérséklet-tartományban a jelentős hőmennyiséget igénylő ipari technológiák számára telített vagy igen kis mértékben túlhevített gőz állítanak elő. A gőzt régebben előszeretettel alkalmazták központi fűtésekben, távhőrendszerekben, de a forró víz kedvezőbb tulajdonságai miatt szinte teljesen kiszorította e területről. A gőzt nagy rejtett hője alkalmassá teszi hőtárolásra is. Ezek a tárolók lényegében nyomás alá helyezett kétfázisú 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 expanziós gépekben (gőzturbinák) hasznosítjuk, ahol a gőz hőenergiáját mechanikai munkává alakítjuk. A gőzfejlesztő berendezések annál szigorúbb követelményeket támasztanak a tápvízzel szemben, minél nagyobb az állapotjellemzők (nyomás, hőmérséklet) értéke. Az üzembiztonságnak elengedhetetlen feltétele mind a gőzt előállító berendezésben, mind pedig az azt hasznosítóban, hogy a vízminőség feleljen meg a megkívánt fizikai és kémiai követelményeknek. A vízgőz nagy energetika szerepét érzékelteti, hogy a primer energiahordozó felhasználás mintegy harmadát gőzfejlesztést szolgál, aminek kétharmadát a villamosenergia-ipar hasznosítja.

4. ENERGIAÁTALAKÍTÁS A primer energiahordozókból szekunder energiahordozók előállítása, valamint az áttérés a szekunder energiahordozók egyik típusáról egy másikra energiaátalakítások segítségével történik. A 9. ábra alapján érzékelhető, milyen fontos szerepe van az energiaátalakításoknak az energiaellátás folyamatában. A fizika az energiafajta módosítására nagyon sok lehetőséget tárt fel. A továbbiakban az átalakítási eljárásokat a kinyert energiafajta szerinti csoportosításban tekintjük át. Ennek során a hangsúlyt a jelenlegi műszaki gyakorlatban alkalmazott eljárásokra helyezzük. Érdemes azonban némi figyelmet szentelni az energetikai szempontból ígéretes egyéb lehetőségeknek is. Ezek közül jó néhány ma még csak olyan kis energiát tud szolgáltatni, hogy alkalmazási lehetőségük méréstechnikai, vagy vezérléstechnikai feladatokra korlátozódik. A technikai fejlődés azonban 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 energiaátalakító berendezésünk őse olyan nagyon kis teljesítményű laboratóriumi demonstrációs eszköz volt, mely még sejtetni sem engedte a bemutatott fizikai hatás műszaki jelentőségét. Az áttekintés érdekében nemcsak az energiafajtát módosító eljárásokat mutatjuk be, hanem azokat a fontosabb energiaátszármaztatási utakat is, melyek az energiafajtát nem érintik, de új szekunder energiahordozó megjelenését teszik lehetővé. Az energiaátalakítás ilyen szélesebb értelmezése az energiaátalakítási mátrix (2. táblázat) azon elemeinek bevonását jelenti, melyek sorát és oszlopát azonos energiafajta jellemzi (pl. a mechanikai munka egyik formájának átalakítása a mechanikai munka másik formájába, hőhordozók felmelegítése hőcseréből). A tárgyalásnál a mindennapi ipari gyakorlatban előforduló három fő energiaátalakítási módra helyezzük a hangsúlyt. Ezek a tárgyalás sorrendjében a következők: 1. Hőforrások (fűtés, tüzeléstechnika és hűtés). 2. Hőerőgépek (a hő mechanikai energiává alakítása). 3. Áramforrások (villamos energia fejlesztése). 4.1.1. Hőforrások A környezetünkben található közegekben és testekben gyakorlatilag korlátlan mennyiségű hő áll rendelkezésre a környezeti hőmérsékleten. A különféle termikus műveletekhez viszont általában a környezetinél magasabb hőmérséklet szükséges. A hőhordozók hőmérsékletének növeléséhez hő bevezetésével belső energiájukat növelni kell. Csak kivételesen fordul elő, hogy a természet közvetlenül bocsátja rendelkezésünkre a kívánt hőmérsékletű hőhordozót, a geotermikus energiát a felszínre juttató víz vagy gőz formájában. (A geotermikus energia nagyobb arányú kiaknázására irányuló elképzelések már nem természetes módon felszínre kerülő hőhordozókon alapulnak, hanem kívülről kívánják a vizet besajtolni, lásd

3.2.1.5 pont.) Általában a szükséges hőt energiaátalakításokra támaszkodva tudjuk csak biztosítani. Hővé közvetlenül át lehet alakítani minden más energiafajtát és a legtöbb átalakítási lehetőséget iparilag hasznosítják is. A gyakorlatban primer és szekunder energiahordozókból egyaránt fejlesztenek hőt. A legfontosabb átalakítási lehetőségeket a 8. táblázat foglalja össze. 8. táblázat Kiinduló energiafajta 1. Kémiai 2. Nukleáris 3. Villamos 4. Sugárzás 5. Mechanikai 6. Hő

Átalakítás útja égés, exoterm kémiai reakciók nukleáris reaktor konduktív ellenállás vesztesége, ív hője és sugárzása, dielektromos veszteség, indukciós veszteség, infrasugárzás, mikrohullám, lézer, Peltier-hatás felmelegedés abszorpció révén súrlódás, hőszivattyú, hűtőgép hőátszármaztatás

Sok technológiai műveletnél a hőfejlesztés végcélja a hőhordozók felmelegítése. Gyakran azonban a felmelegített hőhordozónak csupán transzmissziós szerepe van, hogy a hőt a további felhasználás helyére szállítsa. Az anyagok, szerkezetek felmelegítése történhet közvetlenül a 8. táblázat 1..5. alternatíváiban összefoglalt energiaátalakítási folyamatokkal, de megvalósítható közvetve egy vagy több energiahordozó közbeiktatásával (6. alternatíva). Az utóbbi megoldás egyedi hőfogyasztók ellátásánál is előfordul, de legnagyobb szerepe a csoportos hőellátásban van. Ugyancsak így lehet kielégíteni a hőhordozó anyagi összetételével, állapotjellemzőivel kapcsolatos speciális fogyasztói követelményeket. Hőenergia gazdálkodásunk jelenleg alapvetően a kémiai energia hasznosítására alapul. A fejlesztett hőnek több, mint 90 %-át végső fokon tüzelőanyagok elégetésére lehet visszavezetni. A következőkben részletesen áttekintjük a tüzeléssel kapcsolatos alapvető folyamatokat. 4.1.1.1. TÜZELŐANYAGOK ELTÜZELÉSE

Mai energiagazdálkodásunk zömmel a tüzelőanyagok elégetése során felszabaduló hő hasznosításán alapul. A tüzelőanyagok nagy része természetes eredetű primer energiahordozó (szén, kőolaj, földgáz, tőzeg, tűzifa, mezőgazdasági hulladékok), de jelentős a mesterségesen előállított szekunder energiahordozók aránya is. E mesterséges tüzelőanyagokat főleg a természetes eredetű anyagokból nyerik (kőolajés szénlepárlás termékei, pl. koksz, faszén, fűtőolaj, tüzelőolaj, gudron, kamragáz, PB-gáz ), de lehetnek gyártott termékek (generátorgáz, bontott gázok, brikett ) vagy technológiai melléktermékek (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, amihez kismértékben esetenként a kén (reakcióhő 10,4 MJ/kg) is hozzájárul. A tüzelésnél lejátszódó legfontosabb reakciók a 9. táblázatban láthatók. A tüzelőanyagok az éghető elemeken kívül számos egyéb alkotót is tartalmaznak, amelyek hatnak az égés lefolyására. A tüzelés szempontjából a tüzelőanyag hasznos része az elégethető karbon és hidrogén. Ez nem mindig azonos azzal a karbon- és

hidrogéntartalommal, amit a tüzelőanyag elemi kémiai analízise kimutat, mert ezen elemek egy része éghetetlen vegyületek (pl. karbonát, víz) formájában is jelen lehet. Tökéletes égésnél a karbon és a hidrogén a 9. táblázat 1. és 2. jelű reakciói szerint szén-dioxiddá és vízgőzzé ég el. A tüzelőanyagban levő kén egy része nem éghető vegyületekben van, a többi elég (éghető kén), ideális esetben kén-dioxiddá a 3. reakció szerint. Ugyan a kén éghető része hozzájárul a hőfejlesztéshez, ez az alkotó mégsem kívánatos, mert az égéstermék korrodálja a berendezéseket és szennyezi a környezetet. 9. táblázat Reakció

1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. 11. 12. 13. 14.

C  O 2  CO 2 1 H 2  O2  H 2O 2 S  O 2  SO 2 1 CO  O 2  CO 2 2 3 H 2 S  O 2  H 2 O  SO 2 2 CH 4  2O2  CO2  H 2 O C2 H 4  3O2  2CO2  2H 2 O 7 C 2 H 6  O 2  2CO 2  2H 2 O 2 n n  C m H n  m  O2  mCO2  H 2 O 4 2  1 C  O 2  CO 2 n m n C m H n    O 2  mCO  H 2 O 2  2 4 CH 4  O2  C  2H 2 O 2CO  C  CO 2 CO2  2H 2  C  2H 2 O

Megjegyzés

tökéletlen égés tökéletlen égés koromkiválás koromkiválás koromkiválás

A tüzelőanyagban levő nem éghető vegyületek a tüzelés hatékonyságát rontó ballasztanyagok. Ezek közé tartozik a nedvesség is, amelynek mennyisége szélsőséges esetben – egyes barnaszeneknél – a tüzelőanyag 60 %-át is elérheti. A nedvesség egy részét csak fizikai erők kötik a tüzelőanyaghoz (felületi adszorpció vagy keveredés), ez a durva nedvességtartalom, ami a tüzelőanyag légköri viszonyok között történő természetes száradása közben eltávozik. Ez magyarázza, hogy a tüzelőanyagok nedvességtartalma erősen függ a tárolás körülményeitől. A teljesen kiszáradt tüzelőanyag légszáraz, de abban még számottevő nedvesség lehet, ezt tekintik egyensúlyi nedvességtartalomnak. Ennek egy részét fiziko-kémiai erők kötik meg (kapilláris nedvesség, kolloid oldat), ami csak 100 °C feletti szárítással távolítható el. Megegyezés szerint a 105 °C-on kiszárított tüzelőanyagot tekintik száraz tüzelőanyagnak, az így eltávolított víz az analitikai nedvességtartalom. Végül a víz egy része, a szerkezeti nedvességtartalom, vegyületekben található (kristályvíz),

ami csak e vegyületek szétbontásához szükséges magas hőmérsékleten, a tüzelés során szabadul fel. A szerkezeti nedvességtartalmat a tüzelőanyag nedvességtartalmának meghatározásánál nem számítják be. A tüzelőanyagban levő éghetetlen ásványi szennyezőkből keletkezik az égés során a hamu, ami szélsőséges esetben – ugyancsak egyes barnaszeneknél – elérheti a száraz tömeg 50 %-át is. A hamu összesült darabjai alkotják a salakot, kis méretű, szálló por formájában távozó része a pernye. A tüzelőanyagok elégetése fizikai és kémiai változásokból álló nagyon összetett folyamat, melynek részletei még sok tekintetben tisztázatlanok. Lefolyását nemcsak a tüzelőanyag halmazállapota, szerkezete és összetétele szabja meg, hanem olyan külső körülmények is, mint a hőmérséklet, a nyomás, a reakciótérben tartózkodás ideje, az oxigénnel történő keveredés módja. A magas hőmérsékletre kerülve a tüzelőanyagok fizikai és kémiai változásokon mennek keresztül. E folyamatok annál összetettebbek, minél bonyolultabb molekulákból épül fel a tüzelőanyag és minél heterogénebb a szerkezete. Az illó komponensek elpárolognak, az összetett, bonyolult szénhidrogénmolekulák egyszerűbbekké bomlanak le, de e folyamatokat módosíthatják vagy fékezhetik a különböző kísérő anyagok. A lejátszódó kémiai reakciók néha exotermek, gyakran azonban endotermek, ami hőelvonást jelent. Ugyancsak hőt igényelnek a fizikai állapotváltozások, a folyadékok elpárolgása (pl. olaj), a szilárd anyagok kigázosítása, magas hőmérsékleten a molekulák termikus disszociációja stb. Többnyire endotermek a hamualkotók kémiai reakciói is, valamint a szilárd halmazállapot változásai (pl. lágyulás). Mindezt a hőt az éghető elemek reakcióhője fedezi, ezért a tüzelőanyagok kémiai energiáját nem lehet teljes egészében hő formájában kinyerni. Az égéshez a tüzelőanyagnak legalább a gyulladási hőmérsékletig fel kell melegednie. A felmelegedés első fázisában eltávozik a durva és az analitikai nedvességtartalom (ez lefolyhat a tűztéren kívül is a tüzelőanyag előzetes felmelegítése során). A hőmérséklet növekedésével mind nagyobb arányban kiválnak az illó alkotók is. Illónak azokat a komponenseket tekintik, amelyek a levegőtől elzárt hevítés során ászáraz szilárd vagy folyékony tüzelőanyagból gázok és gőzök formájában kilépnek. Az illó alkotók nagy része éghető, de vannak éghetetlenek is. Az illók teljes mértékű kiválása után szárazanyag, koksz és hamu marad vissza. Az illó alkotók aránya és felszabadulásának kezdeti hőmérséklete számottevően befolyásolja a gyulladási viszonyokat. A folyékony szénhidrogének bizonyos hőmérsékleten felül gyakorlatilag teljes mértékben elgőzölögnek. A szenek illótartalma annál nagyobb, minél fiatalabbak, a szárazanyagra vonatkoztatott illótartalom antracitnál 4..9 %, feketeszeneknél 10..40 %, barnaszeneknél 40..60 %, fánál 85 %-ot is elér. Az illó-felszabadulás kezdeti hőmérséklete szintén erősen tüzelőanyag-függő, fiatal barnaszeneknél 130..170 C-on már megindul a folyamat, de sovány feketeszeneknél 380..400 C is szükséges lehet. A gyulladás akkor következik be, amikor a tüzelőanyagban fejlődő hő meghaladja a hőveszteséget. A tüzelőanyagot egyrészt a magas hőmérsékletű környezet melegíti a tűztérben levő anyagok sugárzása és konvektív hőátadása útján, másrészt a tüzelőanyag, mindenekelőtt az illó alkotók égése során fejlődő reakcióhő. Az oxidáció reakciósebességének exponenciális hőfokfüggése miatt az időegység alatt fejlődő reakcióhő csak bizonyos hőmérsékleten felül elegendő a veszteségek ellentételezésére. E gyulladási

hőmérséklet – néhány tüzelőanyagra – a 10. táblázatban látható. Legalacsonyabb hőmérsékleten a nagy molekulájú szénhidrogén-gőzök gyulladnak meg (250..300 °C), legmagasabb hőmérsékleten (450..650 °C) a kisebb atomsúlyú gázok, így a hidrogén, a szén-monoxid, a metán. A környezet melegítő hatása miatt a gyulladási viszonyokat számottevően befolyásolja a tüzelőszerkezet konstrukciója is. Kialakításánál fontos szempont, hogy a begyújtás után folyamatosan biztosítsa a később bevezetett tüzelőanyag felmelegítését a gyulladási hőmérsékletig. Megjegyzendő, hogy katalizátorral a gyulladási hőmérséklet alatt is biztosítható az égés feltétele, léteznek olyan hőfejlesztő készülékek, melyek e láng nélküli exoterm reakció útján alacsony hőmérsékleten „tüzelnek el” földgázt vagy hidrogént. 10. táblázat Tüzelőanyag Tüzelőolaj Generátorgáz Szén-monoxid Hidrogén Metán Városi gáz Etilén Propán-bután Fa Légszáraz tőzeg Fiatal barnaszén Idős barnaszén Feketeszén Koksz Antracit Benzin Gázolaj

Gyulladási hőmérséklet, °C 240 650 600 450 650 450 480 650..750 300 240..280 250..300 350..400 400..500 500..600 500..550 350..500 250

A gyulladás után az égés zónája térben kiterjed, az erre jellemző égési sebesség a tüzelőanyag jellegétől és a tüzelés módjától függően 0,3..10 m/s közötti érték. A reakciósebesség gázok és gőzök égésénél bizonyos nyomásés hőmérsékletviszonyok esetén annyira megnő, hogy az égési sebesség nagyságrendekkel nagyobb, 1..3 km/s-os sebességet is elérhet, robbanás következik be. A szokásos égéstől eltérően a robbanásnál a folyamat továbbterjedését nem anyagtranszport biztosítja, hanem az égő tartományból kiinduló nyomáshullámok adiabatikusan a gyulladási hőmérsékletig komprimálják a gázkeveréket, a tér nagy részében szinte egyidejűleg következik be a gyulladás. Mivel a robbanás feltételei csak a reakcióban részt vevő elemek bizonyos sztöchiometriai arányánál teljesülnek, a robbanás lehetősége csak az alsó és felső robbanási határ közötti arányoknál áll fenn. A 11. táblázat e határokat mutatja néhány anyagra, légköri nyomáson levegővel alkotott elegyekre. A belső égésű motorok a robbanást használják ki mechanikai munka előállítására, az ezekben elégetett tüzelőanyagokat motorhajtóanyagnak vagy üzemanyagnak nevezik. A hőfejlesztést szolgáló tüzelőberendezésekben viszont a robbanás megengedhetetlen, az nemcsak a berendezést károsítja, hanem életveszélyes is. Ezért a gázzal működő tüzelőberendezések biztonságáról megfelelő védelmek, automatikák, a láng fennállását ellenőrző lángőrök beépítésével gondoskodnak az üzemviteli előírások mellett. Ennek ellenére a technológiai előírások megsértése nem egy súlyos balesetet okozott.

11. táblázat Gáz Hidrogén Szén-monoxid Metán Etán Propán Bután Acetilén Benzin Generátorgáz Torokgáz Olajgáz Vízgáz Városi gáz

Robbanási határ, térfogat % alsó felső 4,1 74,0 12,5 74,0 4,3 14,0 3,2 12,5 2,4 9,5 1,6 8,5 2,5 80,0 1,2 7,0 30,0 75,0 40,0 65,0 3,4 7,8 6,0 70,0 6,0 35,0

A tüzelőanyagok használati értékét az elégetéskor felszabaduló hő fejezi ki. Ezt a tüzeléstechnikai gyakorlatban a fűtőértékkel, a kémiai vizsgálatoknál az égéshővel jellemzik. Az égéshő a tüzelőanyag tökéletes elégetésekor fejlődő hő, ha a bevezetett tüzelőanyag és levegő hőmérséklete, valamint a távozó égéstermékek hőmérséklete egyaránt 20 °C, ami azt is jelenti, hogy a tüzelőanyag és a levegő nedvességtartalma, valamint az égés során keletkezett víz folyékony halmazállapotban van az égéstermékekben. A valóságban az égéstermékek magas hőmérsékleten távoznak a tüzelőberendezésekből és jelentős mennyiségű hőt visznek magukkal. A tényleges hasznosítás körülményeit jobban megközelítő fűtőérték az égéshőtől abban tér el, hogy a távozó vizet gőz halmazállapotban veszi figyelembe. Így a két jellemző között a legnagyobb különbséget a víz 2,3 MJ/kg párolgáshője jelenti, ami kiegészül azzal a mintegy 330 kJ/kg hővel, ami a 20 °C-os víz 100 °C-ra való felmelegítéséhez szükséges. A tüzelési célra használt tüzelőanyagok fűtőértéke 4 és 45 MJ/kg tartományban fekszik, az alsó határt a gyenge minőségű lignit, a felsőt a kőolajszármazékok jelölik ki. Az azonos hőteljesítményt biztosító tüzelőberendezések mérete és beruházási költsége általában annál kisebb, minél nagyobb a tüzelőanyag fűtőértéke. Ugyanez vonatkozik a tüzelőanyag-szállítási költségekre is. Ezért az alacsony fűtőértékű tüzelőanyagok versenyképességének előfeltétele a kitermelés alacsony önköltsége. A nagyon alacsony fűtőértékű tüzelőanyagokat (pl. lignit, inert tartalmú földgáz, alacsony fűtőértékű gyártott gázok) ugyanezért nem gazdaságos nagyobb távolságra szállítani, eltüzelésük csak előfordulásuk közvetlen környezetében gazdaságos. Az égéshez oxigén jelenlétét is biztosítani kell. Tökéletes égésnél a karbonból CO2, a hidrogénből H2O és a kénből SO2 képződik. A tüzelőanyagban található C, H és S mennyiségétől függően a 9. táblázat 1..3. reakcióegyenletei határozzák meg azt a sztöchiometriai arányt, ami megszabja az égéshez elméletileg szükséges oxigén mennyiségét. Az oxigént többnyire levegő bevezetésével biztosítják. Az elméletileg szükséges levegőmennyiséggel azonban nem lehet tökéletesen elégetni a tüzelőanyagot, mert egyrészt az éghető anyag keveredése a levegővel nem tökéletes, másrészt az anyagok a reakciótérből idő előtt kiáramlanak. Ezért általában az elméletinél több levegőre van szükség, ennek és az elméleti mennyiségnek az aránya a légfelesleg-tényező. A tüzeléshez szükséges légfelesleg a tüzelőanyagtól és a

tüzelőberendezéstől függ, általában annál kisebb, minél tökéletesebb keveredést lehet elérni. Az elméletileg szükséges levegőmennyiséghez viszonyított légfelesleg relatív értéke nagyon változó, jól beszabályozott szénhidrogén-tüzelésnél néhány százalék is elég, szénportüzelésnél 20..30 %, kézi tüzelésű kis berendezéseknél 80..100 % is előfordul. Technológiai célra, például a fémkohászatban előfordul tüzelés levegőben szegény, redukáló atmoszférában is, ilyenkor a tüzelőanyag a jelenlevő oxidokból vonja el az oxigént. % 10 Eredő veszteség

Füstgázveszteség 5

Éghető maradék

1,05

Optimum

1,1

Légfeleslegtényező

10. ábra. Veszteségek az égéshő százalékában

Gyakorlati okokból a légfelesleg sem biztosítja a tüzelőanyag tökéletes elégését. A karbon egy része csak szén-monoxiddá ég el (pl. a 9. táblázat 10. és 11. egyenletei szerint), az égéstermékekkel elégetlen gázok, pernyeéghetö, korom, szállókoksz, salakéghető távozik a tűztérből, ami energetikailag veszteséget jelent. Ennek csökkentése azonban csak bizonyos mértékig lehetséges, ugyanis a légfelesleg növelése a légfelesleg növeli a füstgáz mennyiségét és az azzal távozó, ugyancsak veszteséget jelentő hőt. Így a légfelesleg függvényében kijelöli az eredő veszteségnek minimuma van (l. 10. ábra.), ami kijelöli az energetikai optimumot. Egyes tüzelőberendezésekben a levegő egy részét a tüzelőanyaggal együtt juttatják a tűztérbe (primer levegő), a többit másutt az égés során fújják be (szekunder levegő). A levegőbevezetés arányával és sebességével javítható a keveredés és a kiégés mértéke. Kisebb berendezésekben a levegő beszívását a kémények természetes huzata biztosítja, amit a meleg füstgáz és a környezeti hideg levegő sűrűségkülönbségéből származó felhajtóerő hoz létre. Nagyobb berendezéseknél viszont ventillátorokra is szükség van. A tüzelés égésterméke a füstgáz és a salak. Tökéletes égésnél a füstgázban széndioxid, vízgőz, kén-dioxid és az elhasznált oxigénnek kereken négyszeresét kitevő nitrogén (a bevezetett levegő 79 %-a) található. Ténylegesen a légfelesleg miatt fel

nem használt oxigén, a tökéletlen égés következtében szén-monoxid, hidrogén és metán, valamint egyéb gázkomponensek is vannak a füstgázban. Rossz üzemvezetésnél, ha kevés az oxigén, az elégetlen szénből korom (9. táblázat 12-14. reakciók), ami füst alakjában távozik. Ha a füstgázban sok az oxigén, az SO2 egy része SO3-má alakul át, ami a nedvességgel kénsavat alkot. E kénsav kondenzálódik és megtámadja a fémes szerkezeti anyagokat, ha a füstgáz hőmérséklete a kénsav harmatpontja alá csökken (alacsony hőmérsékletű korrózió). Nagyobb légfeleslegnél maga a harmatpont is magasabb, ami szintén a légfelesleg csökkentésére ösztönöz. A kén-trioxid-képződés aránya viszonylag kicsi és tüzelőanyagfüggő, a fejlődő SO3 a távozó SO2, százalékában rostélvtüzelésnél 1,6..2,9, szénportüzelésnél 0,8 és olajtüzelésnél 0,5..4,0 %-ot tesz ki, az olajban található vanádium az SO3 képződést katalizálja. Az alacsony hőmérsékletű korróziót a légfelesleg csökkentésével, inhibitorok adagolásával, kémiai vagy adszorptív lekötéssel, vagy a hőmérséklet emelésével lehet ellensúlyozni. A nagy légfelesleg a magas hőmérsékletű korróziót is előmozdítja, amit az olajokban található elemek, mindenekelőtt az alacsony forrpontú vanádium okoz. Az oxigénnel vanádium-pentoxidot (V2O5) alkot, ami maga is korróziót okoz, de különösen agresszív a nátrium-oxiddal alkotott eutektikuma, aminek az olvadási hőmérséklete is alacsony. Az eutektikum lágyulása 570..600 °Con indul meg, e hőmérséklet felett a fémes szerkezeti anyagokat és a falazati anyagokat megtámadja, aminek megakadályozására az olajtüzelésű erőművek gőzparamétereit sokfelé 540..545 °C-ban maximálták. A magas hőmérsékletű korróziót adalékanyagokkal csökkenteni lehet. A füstgázban az egészségre ártalmas nitrogén-oxidok is vannak. A tűztérben a nitrogén és az oxigén egy kis hányada NOvá kapcsolódik össze, különösen 1500 C-ot meghaladó hőmérsékleten. A nitrogénoxid egy kis része 600 °C felett oxigénben dús környezetben lassan NO2-vé alakul át. Az NOX képződést a tűztér-hőmérséklet és a légfelesleg csökkentésével lehet mérsékelni. Különösen földgáztüzelésnél nagy a nitrogén-oxidok koncentrációja a magas hőmérséklet miatt. értéke 25..50 gNOX/GJ-t is elérhet. Jelentős lehet az NOX képződés szeneknél is, ha eredeti nitrogéntartalmuk magas volt. Szilárd tüzelőanyagoknál számottevő mennyiség a tüzelőanyag nem éghető része, a hamu, ami nagyrészt különféle oxidokból áll. Ezek alacsony forrpontú, kis hányada gázállapotban távozik a füstgázzal, legnagyobb része viszont szilárd halmazállapotú. A hamuból a kisméretű, granulált lebegő részecskékké összeállt pernyét a füstgáz ragadja magával, a többi salak formájában marad vissza. A pernye és a salak arányát a tüzelőanyag minősége és a tüzelés módja szabja meg, darabos szénnel működő rostélytüzelésnél a hamu 15..20 %-a, porszén-tüzelésnél 80..85 %-a pernye. A pernye koptatja az áramlás útjába eső szerkezeti anyagokat, kedvezőtlen áramlási viszonyoknál lerakódhat, csökkentve az áramlási keresztmetszetet és a tüzelőberendezés teljesítményét. A salak rendszerint némi éghető anyagot is tartalmaz, aminek a salakra vonatkoztatott százalékos súlyaránya a salakéghető. Nagy salakéghető aránynál egy részét utóégető berendezésen égetik ki. A salak kémiai összetétele szénfajtánkként erősen változik, ettől függően lágyuláspontja 1050 és 1500 °C között van olvadáspontja pedig ennél magasabb érték. Az olvadáspont annál magasabb, minél nagyobb a savanyú és a bázisos alkotórészek aránya a hamuban. A meglágyult hamu lerakódhat vágy rásülhet a szerkezeti elemekre, rontva a hőátadást, és üzemviteli zavarokat is okoz. Ezt a tűztér megfelelő kialakításával kell elkerülni. Többnyire olyan hőmérsékletviszonyokat alakítanak ki, hogy a salak szilárd rögök

formájában legyen eltávolítható (granuláló tüzelés). Vannak viszont olyan tüzelőberendezések is amelyeknél a hőmérséklet meghaladja a salak olvadáspontját, és a salakot folyékony állapotban távolítják el a tűztérből (salakolvasztó tüzelés), amit azonban csak alacsony salakolvadásponttal jellemzett tüzelőanyagoknál lehet megvalósítani. Az égés során felszabaduló hő egy része veszteségként a környezetbe távozik. Ennek kisebb része a szerkezet sugárzása és konvektív hőleadása útján távozik, a veszteség legnagyobb része az égéstermékekben kilépő hő. A magas hőmérsékleten távozó égéstermékek hőkapacitásukkal arányos hőmennyiséget szállítanak el. Különösen a füstgázveszteség jelentős, ami a légfelesleg-tényezővel arányosan nő – ismét egy ok a légfelesleg csökkentésére. Legnagyobbrészt ez a körülmény szabja meg a tűztér hőmérsékletviszonyait is. Bár a tűztérben és környezetében az izotermák topográfiája nagyon bonyolult, az átlagos hőmérséklet jó közelítéssel a hasznosítható hőmennyiség és az égéstermékek hőkapacitásának hányadosából számítható. A hasznosítható hő nem teljes mértékben azonos az elégett tüzelőanyag mennyiségének és fűtőértékének szorzatával, előmelegítés esetén a levegővel és a tüzelőanyaggal bevitt hő növeli, a környezetbe távozó veszteség pedig csökkenti. A bevitt levegő előmelegítése a füstgázzal számottevően javítja az energetikai hatásfokot. (A füstgáz lehűlése miatt ezen előmelegítők kritikus kérdése az alacsony hőmérsékletű korrózió.) Nagy kazánoknál a füstgázveszteség 4..8 %, a salakveszteség 1..2 %, a tökéletlen égés okozta veszteség pedig 2..6 %, kis berendezéseknél e mutatók lényegesen nagyobbak lehetnek. Miután az égéstermékek hőkapacitását elsődlegesen a füstgáz mennyisége szabja meg, a légfelesleg csökkentése nemcsak a hatásfokot, hanem a tüzelés hőmérsékletét is növeli. A levegőben lezajló égés hőmérsékletét az korlátozza, hogy a füstgáz jelentős hányadát a ballaszt nitrogén teszi ki. Ezért magas hőmérsékletet igénylő folyamatoknál (pl. a kohászatban) előfordul, hogy az égéshez bevezetett levegőt oxigénnel dúsítják. Tüzelés tiszta oxigénben magas költsége miatt csak kivételesen fordul elő erre példa a hegesztéshez acetilén, a rakétahajtáshoz hidrogén elégetése oxigénben. 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 vegyületek oxigéntartalmának hasznosítása is, erre példa a termit eljárás, amelynél alumínium-port vas-oxiddal kevernek össze és a 2Al + Fe2O3  Al2O3 + 2Fe reakció 3000 °C-nál is magasabb hőmérsékletet szolgáltat. A tüzelőanyagok eltüzelhetőségét és viselkedését a tüzelőberendezésekben számos fizikai és kémiai tulajdonság befolyásolja a fűtőértéken, a halmazállapoton és az anyagi összetételen kívül. Például szeneknél az illótartalom, az összesülésre való hajlam, a szemcsék méretének eloszlása és őrölhetősége, a hamu kémiai és fizikai tulajdonságai és más hasonló jellemzők játszanak lényeges szerepet. Folyékony tüzelőanyagoknál a viszkozitás, a dermedéspont, az elkokszolódási hajlam, a porlaszthatóság és más jellemzők lényegesek a tüzelési technológia kialakításánál, ismét mások a motorhajtóanyagként történő hasznosításhoz (kompressziótürés, kis affinitás a fémekhez, tárolhatóság stb.).

Hiba lenne azonban a tüzelőanyagokat kizárólag műszaki tulajdonságaik alapján megítélni. Alkalmazhatóságukról végső soron a gazdasági kihatások döntenek, ami nemcsak a kitermelés költségén, hanem a felhasználáson is múlik. A kitermelés költsége a tüzelőanyag vagyon nagyságától és kibányászásának technológiájától függ, a felhasználásé a tüzelőberendezések beruházási és üzemeltetési költségeitől. Mint említettük, az égés folyamata nagyon változatos a különféle tüzelőanyagoknál, a tüzelőberendezéseket illeszteni kell a tüzelőanyaghoz. Ennek az illesztésnek fő tendenciája sajnos olyan, hogy az olcsóbban kitermelt tüzelőanyag felhasználásához többnyire drágább tüzelőberendezés tartozik. Ezért a tisztánlátás érdekében indokolt a műrevalóságot a végtermék versenyképessége alapján megítélni. Az égés során lejátszódó fizikai és kémiai folyamatok tisztázatlansága miatt a tüzelőberendezések kialakításában nagy szerepe van az empíriának. Ebből következik az is, hogy a tüzelőberendezések üzemeltetésénél nem lehet nagymértékben eltérni a tervezéshez alapul vett tüzelőanyag minőségétől és összetételétől a konstrukció módosítása nélkül. A tüzelőberendezéseknek ez a rugalmatlansága visszahat az energiagazdálkodásra is. Az energiaellátás biztonságának növelésére egyes tüzelőberendezéseket többféle tüzelőanyag eltüzelésére is alkalmassá tesznek, ami természetesen beruházási többletköltséggel jár. Ez a megoldás elsősorban nagy erőművi vagy ipari berendezéseknél lehet gazdaságos és az energiagazdálkodás rugalmassága számára előnyös. Előfordulnak többféle szén eltüzelésére alkalmas megoldások, olajat és gázt alternatívan használó berendezések (pl. a hazai szénhidrogén-erőművek), sőt olaj, földgáz és szén eltüzelését lehetővé tevő rendszerek is. Az energetika rugalmatlanságából fakad az a követelmény is, hogy egy adott tüzelőanyagból álljon rendelkezésre akkora tüzelőanyag-vagyon, ami biztosítja az arra telepített fogyasztók ellátását a berendezések 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; az erőmű kiépíthető teljesítményét az szabja meg, hogy az alapul vett szénvagyon legalább 30 évig biztonságosan fedezze a szükségletet. A tüzeléstechnika fejlődése nagyon hosszú múltra tekint vissza az őskor primitív tűzhelyeitől napjaink több GW-os automatizált kazánjaiig. E folyamatnak gyakran nagy kihatása volt nemcsak a technikai fejlődésére, hanem a társadalmi viszonyokra is. Számos kézművesség és ipari technológia a tüzeléstechnika vívmányainak köszönhette megszületését, fejlődésük a tüzeléstechnika mindenkori korlátitól függött (fazekasság, kohászat, élelmiszeripari technológiák, szilikátipar stb.). Mivel az anyagok és termékek előállításához és formázásához rendszerint valamilyen termikus folyamat szükséges (melegítés, olvasztás, párologtatás, főzés, lágyítás, forralás, égetés, edzés, izzítás stb.), és számos folyamat csak magas hőmérsékleten játszódik le (kémiai reakciók, halmazállapot-változások, disszociáció, plazmaképződés stb.), sok technológia fejlődése hosszú ideig függött a tüzeléstechnika haladásától, mert a tüzelés módja szabta meg az elérhető hőmérsékletet. Ez a technológiai kapcsolat ma már lazább, minthogy a hőfejlesztésnek számos más útja is járható, bár a nagy mennyiségű hő előállításának legfőbb módszere máig is a tüzelés maradt.

A tüzelőanyagokat tüzelőberendezésekben vagy hőerőgépekben égetik el a hőfejlesztéshez. A tüzelőberendezésekben a tüzelőanyagot gyakran elő kell készíteni a tüzeléshez (őrlés, porlasztás), a bevezetett tüzelőanyag és levegő mennyiségét szabályozni kell és azokból éghető keveréket kell kialakítani. Az égés a tűztérben zajlik le, ahonnan a fejlődő hő sugárzás, hőátadás és hővezetés révén vezethető el. A tűztérből az égéstermékeket is el kell szállítani. A legegyszerűbb tüzelőberendezések a helyiségek fűtésére használt kályhák és az ételkészítésre szolgáló tűzhelyek. Ezeket az egyszerű és olcsó berendezéseket azonban elég rossz hatásfok jellemzi. Nagyobb hőigény kielégítésére a tüzelőanyagot kazánban égetik el, és a hővel a fűtőfelületeken keresztül munkaközeget (levegő, víz, gőz stb.) melegítenek fel. A kazánok nagyon sok típusa használatos. Szerkezeti megoldásuk függ a rendeltetéstől, az alkalmazott tüzelőanyagtól, a munkaközeg jellegétől és paramétereitől, az üzemvitel és a szabályozás módjától és számos egyéb körülménytől. Hőteljesítményük az etázsfűtéseket kiszolgáló 10 kW-os nagyságrendtől az erőművek több GW-os teljesítményéig változik. A kazánhatásfok megközelítőleg a munkaközegnek átadott hő és a tüzelőanyag vegyi energiájának hányadosa. Ez elsődlegesen a fűtőfelületek kialakításán múlik: minél nagyobb hatásfok elérésére törekszenek, annál több szerkezeti elemet kell beépíteni és annál bonyolultabb azok között a hőkapcsolat, ami a beruházási és karbantartási költségek növelésével jár. Lényegesen csökkenti a hatásfokot a fűtőfelületek degradációja (elpiszkolódás, salaklerakódás, korrózió), valamint a kazán tömítéseinek romlása (tömörtelenség), ezért a berendezések karbantartása és üzemeltetési színvonala jelentős szerepet játszik. Ez minden tüzelőberendezésre jellemző, tehát az energetikai hatásfok javítása érdekében megkülönböztetett figyelmet érdemel. A kohászat, a szilikátipar, az élelmiszeripar, a vegyipar gyártási folyamataiban gyakran fordulnak elő magas hőmérsékletet igénylő szárítási, hőkezelési, izzítási, pörkölő, olvasztási és hasonló műveletek. E technológiai folyamatokhoz szükséges magas hőmérsékletet kemencékben állítják elő. Szerkezeti felépítésük szorosan alkalmazkodik az ipari feladathoz (boksa-, tégely-, kád-, cső-, aknás, alagút-, kamrastb. kemencék). A közvetlen fűtésű kemencéknél az égéstermék közvetlenül érintkezik a hőkezelt anyaggal, a közvetett fűtésűeknél nem. Közvetlen fűtésű ipari kemencékben a technológiai anyagokból is kerülhetnek komponensek a tűztérbe, magas hőmérsékleten lejátszódó fizikai folyamatok (párolgás, disszociáció) és gázterméket eredményező kémiai reakciók következtében. Attól függően, hogy ezek a komponensek exoterm vagy endoterm reakciókra hajlamosak, módosul a tűztérben hasznosítható hő mennyisége, e komponensek befolyást gyakorolhatnak a füstgáz mennyiségére és összetételére, továbbá a tűztér hőmérsékletére is. Ezek a hatások a kemencék hőmérlegének és energetikai hatásfokának számítását meglehetősen bonyolulttá tehetik. A tüzelőberendezések tényleges konstrukciója nagyon erősen függ a tüzelőanyag jellegétől. Legegyszerűbben és leghatékonyabban a gázokat lehet eltüzelni. A gázt többnyire levegővel keverve égőkön keresztül nyomják be az égés helyére. A gáz a levegővel jól keveredik, az égéshez kis, néhány százalékos légfelesleg szükséges, ami jó hatásfokot és magas tűztérhőmérsékletet biztosít. A gázlángban kezdetben pirogén disszociáció alakul ki, majd szén-monoxid és hidrogén képződik, ami szén-dioxiddá és vízgőzzé ég el. A gázégés nagyon kevés hamuval jár, gyakorlatilag szinte csak

gáznemű égéstermék képződik. Ez, valamint a kis légfelesleg azt eredményezi, hogy a tüzelőberendezés elhasználódása lassú, kevés karbantartást igényel. A kis légfelesleg miatt a gáz-levegő arány szabályozása fontos feladat: ha a levegő túl kevés, a hidrogén nagyobb égési sebessége miatt a szén egy része korom alakjában válik ki. Ha az égőkön kiáramló gáz sebessége meghaladja az égési sebességet, a láng leszakad. A gáz és a levegő mennyiségével a tüzelőberendezés teljesítménye könnyen változtatható, és mivel az eltüzelt gáz összetétele időben gyakorlatilag állandó, a tüzelés egyszerűen automatizálható. Az automatizálás egyben az ellen is védelmet nyújt, hogy a gáz-levegő elegy a tűztérben robbanásveszélyes koncentrációban felhalmozódjon (11. táblázat), a láng kialvását ellenőrző lángőrök elreteszelik az újragyulladás lehetőségét. Vezetékes gázhálózatból rendkívül egyszerűvé válik a tüzelőanyag-ellátás feladata is. Mindezekből következik, hogy a gázzal működő tüzelőberendezések a legolcsóbbak, a legjobb hatásfokúak, és üzemeltetésük is a legegyszerűbb. Ugyanakkor a robbanásveszély miatt fokozott biztonsági követelményeknek kell eleget tenni, és a hátrányok között említendő az NOX képződés veszélye is. A gáztüzelés előnyei különösen kidomborodnak a földgáznál, amit magas fűtőértéke alapján nagy távolságra is gazdaságosan lehet szállítani. Ha földgáz bőségesen áll rendelkezésre, érdemes minél több tüzelőberendezést arra telepíteni a gázvezetékek közelében. Ha a vegyipar nyersanyagigénye vagy a források mennyisége korlátozza a felhasználható földgáz mennyiségét, a fogyasztói igények kielégítését rangsorolni kell. Ekkor a kisebb tüzelőberendezéseket célszerű előnyben részesíteni, mert a nagy teljesítményű tüzelőberendezéseknél más tüzelőanyaggal is jó hatásfokot lehet elérni. Ugyanezt támasztják alá a környezetvédelem és a munkaerőhelyzet követelményei is. A folyékony tüzelőanyagokat szintén égők segítségével tüzelik el. A magas hőmérséklet hatására a folyadék elpárolog (a forráspont mindig alacsonyabb a gyulladási hőmérsékletnél), a keletkező gőzök a gázokhoz hasonlóan égnek. A folyadék csalt gőzfázisában ég, amelyben a hő hatására a nagy molekulájú szénhidrogének egyszerű gázokra, instabil atomcsoportokra és elemi szénre bomlanak. A gyúlási hőmérséklet és az égési sebesség a molekulaszerkezettől függ, az égés annál vontatottabb, minél nagyobbak a molekulák és minél nagyobb a szénatomok száma a szénhidrogénekben. Az olajégők szerkezete bonyolultabb, mint a gázégőké, mert a folyadék diszpergálásáról is gondoskodnunk kell. Ennék érdekében a folyadékot vagy elpárologtatják forró felületen, vagy finom eloszlású köddé porlasztják el a befúáshoz. A porlasztásra többféle technikai megoldást használnak (nagy sebességű levegő vagy gőzsugár befúását, nagy nyomást stb.). A használatos folyékony tüzelőanyagok dermedéspontja és viszkozitása széles határok között változik. A kisebb tüzelőberendezésekben használt tüzelőolajok dermedéspontja alacsony és viszkozitása a környezeti hőmérsékleten kicsi, így a betáplálás és a porlasztás sem okoz gondot. Nagy berendezésekben viszont magas dermedéspontú, nagy viszkozitású, olcsóbb fűtőolajat gazdaságos használni, ami csak magas hőmérsékleten folyékony és porlasztható. Ilyenkor gondoskodni kell a tüzelőanyag előmelegítéséről, sőt csővezetéken történő tüzelőanyag-ellátásnál a vezeték melegítéséről is. Ez jellemző az olajfinomítók mellé telepített, a gudront eltüzelő erőművekre is (pl. a Dunamenti Erőműben eltüzelt gudront 120 °C-on

tárolják és 180 °C-on juttatják az égőkbe). Az egyenlőtlenebb keveredés miatt az olajtüzelés valamivel nagyobb légfelesleget igényel, mint a gáztüzelés. Az égéstermékek legnagyobb része gáznemű, csupán minimális mennyiségű szállóhamu és – ha a légfelesleg kevés – a tökéletlen égés következtében némi korom képződik. Ilyen koromkiválásra vezető bomlás néhány példáját mutatják a 9. táblázat 12-14. egyenletei. Az olajban előfordulnak kokszolódásra hajlamos alkotók is. Egyes ásványi anyagok (vanádium, kén stb.) pedig korróziót okozhatnak, ezért a tüzelőberendezések elhasználódása nagyobb mérvű. Az olajtüzelés szabályozása és automatizálása szintén könnyen biztosítható. Az olajjal működő tüzelőberendezések valamivel drágábbak, mint a gáztüzelésűek és több karbantartást igényelnek. A tüzelőanyag-ellátás bonyolultabb, de nem jár nagy munkaerőigénnyel. Az olajár ugrásszerű növekedése az olajtüzelés megítélésének alapvető átértékelését eredményezte. A kőolajfeldolgozás fő iránya a fehéráru kihozatal növelése a tüzelésre használható frakciók rovására, mert világszerte a motorhajtóanyag-ellátás a szűk keresztmetszet. Az áremelkedés az olajtüzelés versenyképességét is erősen csökkentette. Ezért – műszaki előnyei ellenére – az olajtüzelés visszaszorul olyan terü1etekre, ahol az ellátást más tüzelőanyaggal nehéz biztosítani és a technológia igényei, a környezetvédelem követelményei, a munkaerő-ellátás gondjai vagy a lakáskultúra szempontjai olajtüzelést indokolnak. A destruktív eljárások térhódítása csökkenti a nagyfogyasztók fűtőolaj-bázisát, mindenekelőtt az erőművekét. A legbonyolultabb folyamat a szilárd tüzelőanyagok égése. A hő hatására a tüzelőanyagból elillanó éghető gázok gázkeverékként égnek és javítják az égési mechanizmust. A visszamaradó szilárd anyag határfelületén oxidálódva sokféle fizikai és kémiai folyamat közben bomlik le és ég el. A rendelkezésre álló idő alatt gyakran nem tud tökéletesen kiégni, az összesülésre hajlamos szén belsejében vagy a salakban kiégetlen darabok maradhatnak. A darabos, durva szerkezetű tüzelőanyagokat általában rostélyos tüzelőszerkezetekben égetik el. A rostély feladata egyrészt az izzó tüzelőanyag hordása, másrészt az alatta bejuttatott primer levegő szétosztása a tüzelőanyagban. A salak a rostély alatti salaktérben gyűlik össze. Szerkezeti felépítése szerint a rostélyt vízszintesen, ferde síkban vagy lépcsőzetesen lehet kiképezni a tüzelőanyag tulajdonságaitól (hajlam az összesülésre, hamutartalom stb.) és az adagolás módjától függően. A rostély lehet fixen rögzített, álló megoldású, de tökéletesebb kiégést biztosítanak a mozgó szerkezetek. Az utóbbiak közül legelterjedtebb a vándorrostély, amelynek síkban elhelyezett rostélypálcái haladó mozgást végző végtelen láncot alkotnak. A lépcsősen elhelyezkedő rostély elemeinek alternáló mozgatásával valósítják meg a bolygató tüzelést. A rostélytüzelés kis és közepes teljesítményű berendezésnél célszerű. Nagy kazánok tüzelőberendezéseit ma már kizárólag szénportüzeléssel építik. Ezeknél a malmokban finommá őrölt szénport égőkön keresztül fújják be a tűztérbe, az égés jó hatásfokát a porszemcsék nagy fajlagos felülete és a levegővel való jó keveredés biztosítja. A rostélytüzelés nagy, de a szénportüzelés is számottevő légfelesleget igényel, így a tüzelés hatásfoka kisebb, mint a szénhidrogén-tüzelésnél. A szénminőség ingadozása miatt a tüzelés nehezebben, az anyagáramlás sebessége miatt lassabban szabályozható, az automatizálás nehezen és költségesen valósítható meg. A széntüzelő-berendezéseket fokozottan éri koptató hatás, korrózió, elpiszkolódás, ezért rendszeres és sokirányú karbantartást igényelnek. Egyes szerkezeti elemeik

élettartama még így is alacsony. A szénhidrogén-tüzeléshez viszonyítva ezek a tüzelőberendezések lényegesen drágábbak, üzemvitelük bonyolultabb, és fokozott elhasználódásnak vannak kitéve. Mindehhez a nagyobb munkaerőigény járul, amit nemcsak a tüzelőanyag és az égéstermékek kezelése, hanem a karbantartási feladatok is növelnek. E hátrányok miatt a szén kiszorul a kis berendezések területéről, és csak nagy tüzelőberendezéseknél nyújt versenyképes vagy szükségszerű alternatívát. A tüzelőanyagok jelentős hányadát mechanikai munkát szolgáltató belső égésű motorokban égetik el. E hőerőgépek jelenleg a mobil berendezéseknek majdnem kizárólagos erőforrásai, de mint stabil erőgépek is használatosak. Mivel az égés ezekben nagy nyomáson, többnyire robbanásszerűen folyik le, a jelenségek sok tekintetben eltérnek attól, amit a tüzelőberendezésekkel 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 közül a kőolajlepárlásnál nyert fehéráruk játszanak alapvető szerepet. A belső égésű motorokban a mechanikai munka előállításához egy munkaközeggel hőkörfolyamatot végeztetnek. Az égés a munkaközegben, a hőkörfolyamat egyik fázisában történik. Attól függően, hogy a hőkörfolyamat során hogyan alakulnak a hőmérsékleti és nyomásviszonyok, hogyan vezetik be az üzemanyagot, és az égés milyen jellegű, a körfolyamatok sokféle típusát lehet megkülönböztetni. Kis teljesítményű berendezésekben, mindenekelőtt a személygépkocsikban, a benzinüzemű Otto-motorok állnák az első helyen kis súlyuk miatt. A benzinmotor égésterébe benzin-levegő keveréket táplálnak be. A jó keveredés érdekében a benzint többnyire karburátorban elporlasztva adagolják a levegőhöz, bár előfordul befecskendezéses és elgázosításos adagolás is. A benzinben dús levegőt legfeljebb 1:10 arányban komprimálják és szikrával meggyújtják. A szikrától a lángfront 20..30 m/s sebességgel robbanásszerűen szétterjed, a felmelegedett munkaközeg pedig kiterjed. A benzinmotoroknál az égés oxigénben szegény környezetben és rövid idő alatt zajlik le. A tökéletlen égés miatt a kipufogó gázban jelentős mennyiségű szén-monoxid és reakcióképes szénhidrogén van, a CO tartalom üresjáratban 5..10 térfogatszázalékot is elérhet. Ugyanezért a hatásfok is alacsony, átlagosan 25 % körül mozog. A benzinnel szemben fontos követelmény a kompressziótűrés, ellenkező esetben a robbanáshullámok kopogásként hallható járulékos ütéshullámokat okoznak. A kompressziótűrést az oktánszámmal jellemzik, mérőszáma az n-heptán-izooktán keverékben az utóbbi részaránya. E keverék kompressziótűrése a keverési aránnyal változik, a minősítéshez olyan keveréket keresnek, amelyik a vizsgált benzinhez hasonlóan viselkedik. Az oktánszám növelésére kémiai eljárásokkal módosítják a szénhidrogén-molekulák szerkezetét, vagy adalékokat adnak a benzinhez (pl. 1,5 ml/kg-ot meg nem haladó mennyiségben ólomtetraetilt). A motorok kompresszióviszonyának növelése az elmúlt évtizedekben mind nagyobb oktánszámú benzinek előállítását igényelte a kőolajipartól. A jelenleg forgalomban levő benzinek oktánszáma 82 és 98 között mozog, nem valószínű, hogy a jövőben igény lesz az oktánszám további számottevő növelésére, sőt a környezetvédelmi problémák fokozottabb előtérbe kerülése miatt a benzin ólomtartalmát a lehető legnagyobb mértékben csökkentik.

A nagy teljesítményű berendezések, hajók, vasutak, munkagépek, teherautók, autóbuszok ideális munkagépe a gázolajjal működő Diesel-motor. Nagyobb súlyukat és árukat ellensúlyozza az alig feleakkora üzemanyag-fogyasztás, a sokkal jobb hatásfokú és olcsóbb üzem, valamint a jó szabályozhatóság. A Diesel-motor égésterében levegőt sűrítenek össze 30..50 bar nyomásra, majd gázolajat fecskendeznek be. A gázolaj magától meggyullad, mert a kompresszió következtében a levegő hőmérséklete a gyulladáspont fölé emelkedik. Az égés lassú, a körfolyamat hatásfoka jó, gépjármű-motoroknál átlagosan 35 %, nagy motoroknál 40..45 %-ot is elér. Mivel a gyulladási késedelem rontja a hatásfokot, a gázolaj gyulladási hajlama fontos jellemző. Számszerűen többnyire a cetánszámmal jellemzik, ami az egyenértékű cetán--metilnaftalin keveréke. A léghiányos égés koromkiválással jár, ami a kipufogó gázban távozik. A repülőgép-gázturbinák fő hajtóanyaga a petróleum (kerozin), a stabil gázturbinák földgázzal vagy gázolajjal üzemelnek. A világ tüzelőanyag-felhasználása olyan nagyságrendet ért el, hogy a tüzelés ökológiai következményei kezdenek érzékelhetővé válni. Globálisan e hatások mér egyre jelentősebbnek tűnnek. Az energiafelhasználás azonban nem oszlik el egyenletesen a Föld félszínén, hanem a nagy ipari centrumokban és a nagyvárosokban koncentrálódik, elsősorban az északi féltekén. Ennek következtében ezeken a területeken a helyi ökológiai hatások számottevőekké nőttek, sőt néhány helyen az életkörülmények elviselhetetlenné váltak, ezért előtérbe kerültek a környezetvédelmi követelmények. A tüzelőberendezésekben a tüzelőanyagok égését általában magas hőmérséklet jellemzi. Terjed ugyan egyedi fűtőberendezésekben a láng nélküli, alacsony hőmérsékletű katalitikus égés alkalmazása is, de az így felhasznált tüzelőanyag részaránya jelentéktelen. A lánggal történő égés magas hőmérséklete előnyös a jobb hőátszármaztatás miatt, viszont magasabb hőmérsékleten a veszteségek is nagyobbak. Az égés során felszabaduló hő konvekció és sugárzás útján hevíti fel a felmelegítendő anyagot vagy szerkezetet. A konvekciót maga a láng is biztosíthatja, többnyire azonban a fejlődő hő jelentős részét elszállító füstgáz a hőleadó közeg. A sugárzás forrása maga a láng, valamint a környező szerkezeti elemek, az égésben részt vevő részecskék és a magas hőmérsékletre hevített felületek sugárzása annál jelentősebb, minél magasabb hőfokon zajlik le az égés. A fluidtüzelésnél a hővezetés is szerephez jut a hőátszármaztatásban. A tűztér hőmérsékletének elméleti maximumát a tökéletes égésnél felszabaduló hő és a hőátszármaztatás révén elszállított hő viszonya szabja meg, a valóságban csak ennél alacsonyabb hőmérséklet alakul ki. A tűztér hőmérsékletét azonban gyakran korlátozni kell, egyrészt a szerkezeti anyagok kímélése érdekében, másrészt kedvezőtlen kihatású égéstermékek keletkezésének elkerülésére. A szerkezeti anyagok tönkre mehetnek magas hőmérsékletű korrózió vagy mechanikai túlterhelődés következtében, mivel mechanikai szilárdságuk csökken a hőmérséklet növekedésével. A túl magas hőmérséklet az égéstermékekben előmozdítja agresszív anyagok képződését (fémsók, vanádium-pentoxid stb.), a környezetre ártalmas emisszió növekedését (NOX), vagy széntüzelésnél a salak olvadását és lerakódását. A tűztér hőmérsékletét csökkenteni lehet a környező felületek intenzív hűtésével, vagy a tűztérbe juttatott – a füstgázt hígító – hőelvonó anyagokkal (hideg füstgáz visszacirkuláltatása, vízbefecskendezés). A hőigények fedezésében a tüzelés még

hosszú ideig domináns szerepet fog játszani, azonban e hőfejlesztési mód részaránya a felhasználásban lassan csökkenő tendenciát mutat és fokozatosan nagyobb szerepet kapnak a hőfejlesztés más alternatívái. A világon felhasznált primer energiahordozók 90%-a ugyan tüzelőanyag, de ennek egyre kisebb hányadát égetik el. Egyrészt bővül a nem elégetéshez kapcsolódó energia-transzformációk aránya (kőolajlepárlás, gázbontás, koksz- és brikettgyártás, szintetikus tüzelőanyag-előállítás egyes típusai stb.) másrészt nő a primer energiahordozók nem energetikai célú kiaknázása (vegyipari alapanyag, kenőanyag, építőanyag). A szekunder energiahordozók 70 %-a tüzelőanyag, azonban ezek jelentős hányada motorhajtóanyag, melyeket nem hőfejlesztésre, hanem mechanikai munkavégzésre használnak. 12. táblázat Hőfejlesztés módja Tüzelés barnaszénnel feketeszénnel barnaszénbrikettel tüzelőolajjal földgázzal városi gázzal generátorgázzal torokgázzal Égés belsőégésű motorokban Kémiai reakciók Láncreakció nukleáris reaktorban Villamos hevítés ellenállásfűtéssel ívvel dielektromos veszteséggel induktívan infrasugárzással Napsugárzás abszorbciója Geotermikus forrásból Távhőszolgáltatás

Hőmérséklet, °C 800..1500 1200..2100 1000..1800 2000..2800 1600..2800 1300..2200 1000..1900 800..1600 600..800 40..3200 250..600 (800) 600..3100 1000..3300 100..400 700..2000 300..1000 40..3000 40..2400 50..350

A tüzelőanyagok égésén kívül számos más exoterm kémiai reakciónak is van energetikai szerepe a technikában. Ezek elsősorban a kémiai technológiai folyamatokon belül járulnak hozzá az energiamérleg egyensúlyához egyrészt endoterm reakciók reakcióhőjének biztosításával, másrészt a technológián belüli hőigények 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 tüzeléshez hasonlóan alakul, csupán az égéstermékek szerepét a reakciótermékek veszik át. A korszerű vegyipari folyamatok számára a fluidhalmazállapotok – főleg a cseppfolyós – az előnyösek, így a hő formájában felszabaduló energia folyékony és gáznemű hőhordozókban jelentkezik. Ezeket közvetlenül ritkán lehet a technológiai folyamaton kívül is felhasználni, ilyen célra rendszerint hőcserét kell beiktatni. A mechanikai energia átalakítása hővé szerény szerepet játszik a hőforrások között. A súrlódás általában nem kívánatos veszteség forrása, csak ritkán szolgál anyagok szándékolt felmelegítésére. Ugyancsak mechanikai energiát alakítanak át hővé a kompressziós hőszivattyúval. A hőszivattyú egy munkaközeg (pl. freon vagy

ammónia) hőmérsékletét alacsonyabb értékről magasabbra transzformálja. A hőszivattyú lényegében hűtőgép, munkaközegével hűtő hőkörfolyamatot végeztetnek. Elpárologtatójában a munkaközeg elpárolog, a párolgási hőt egy alacsony hőmérsékletű (T1) hőtároló közegből elvont hő fedezi. Ezt követően a munkaközeget W mechanikai munka befektetésével komprimálják, ez az entalpia növekedését eredményezi és a munkaközeg hőmérséklete T2-re nő. E magasabb hőmérsékleten a munkaközeg kondenzátorban lecsapatva adja át hőtartalmának egy részét egy másik hőhordozónak. A kívánt hőmérsékletre felmelegített másik hőhordozó fűtésre vagy technológiai feladat ellátására szolgál. A kompressziós munkát villamos motor vagy belsőégésű motor szolgáltatja. A hőkörfolyamat alapján könnyen belátható, hogy reverzibilis állapotváltozásoknál az átszármaztatott Q hőmennyiség nagyobb a befektetett W munkánál, a kettő aránya,



T2 Q  W T2  T1

annál kedvezőbb, minél kisebb a T2 - T1 hőmérséklet-különbség. A valóságos irreverzibilis folyamatokkal megvalósítható arány jóval kisebb, a gyakorlatban megvalósítható hőfoklépcső 70 °C-nál kisebb. A javasolt hőszivattyús rendszerek egy része a környezetben korlátlan mennyiségben, de alacsony hőmérsékleten rendelkezésre álló hő hasznosítását célozza, ezeknél az elpárologtatáshoz a környező levegőből. a talajból vagy az élővizekből vonják el a hőt. A másik – kisebb T2 - T1 hőmérséklet-különbséggel járó – út alacsony hőmérsékletű hulladékhő hasznosítására irányul, a hűtővizek, a szellőzésnél felmelegedett levegő, szárításnál a távozó nedves levegő és hasonló közegek hőjéből kiindulva. A gyakorlatban megvalósítható energiaarány 3 körül mozog, vagyis a hőszivattyú közelítőleg ennyiszer hatékonyabb a közvetlen villamos fűtésnél. Ez az arány majdnem ellentételezi a termikus villamosenergia-fejlesztés és szállítás veszteségeit, de a tüzelőanyag közvetlen eltüzelésénél nyert hő több, mint ha abból villamos energiát, majd hőszivattyúval meleget állítanak elő, így a villanymotor-hajtású kompressziós hőszivattyú hazai körülmények között csak kivételesen lehet energetikailag versenyképes. Kedvezőbb az eredő energetikái hatásfok, ha a kompresszort gázmotorral hajtják és a füstgázban távozó hulladékhőt is hasznosítják. Hőszivattyút abszorpciós elven is lehet működtetni, ilyenkor a külső munkát hő formájában fektetik be (gáztüzelés, villamos fűtés), a magasabb hőmérsékletszintet az abszorbensben elnyeletett munkaközeg elpárologtatásával biztosítják. Energetikai hatásfok tekintetében ez a rendszer tüzeléssel történő hőfejlesztéssel ígéretesebb, mint a kompressziós, viszont bonyolultabb és drágább. Az abszorpciós hőszivattyú tulajdonképp a 8. táblázat utolsó kategóriájába, a hőtranszformációk körébe tartozik. Szigorúan véve a hőcsere nem tartozik az energiatranszformációk közé. A különféle hőhordozók felmelegítését biztosító hőcserélők viszont jelentős szerepet játszanak a technikai hőforrások között. Ezért a teljes áttekintéshez hozzátartoznak azok a hőcserélő rendszerek is, melyekben az egyik hőhordozó hővezetés, hőátadás vagy sugárzás révén egy másik hőhordozót melegít fel.

A hőhordozók közötti hőátszármaztatás legtöbbször felületi hőcserélővel történik, a két áramló hőhordozó közötti válaszfalon keresztül. E válaszfal hővezetése és a két oldalán a hőátadási viszonyok együttesen szabják meg a két hőhordozó hőmérsékletének a különbségét, a hőfoklépcsőt, ami a hőcsere hatékonyságát jellemzi. A hőátadást az áramlási sebesség növelése is fokozza, de a legnagyobb hatású a rejtett hőt változtató forrás, illetve kondenzáció. A válaszfal rendszerint acél, de a hővezetés javítására gyakran használnak rezet is (pl. gőzturbinák kondenzátorai). Nagyon magas hőmérsékleten a hőcserét hőálló keramikus anyagokon keresztül biztosítják. Elvétve a hőcsere más útját is követik. Vannak olyan hőcserélők, melyekben a hőt hőtárolóközeg segítségével származtatják át egyik hőhordozóból a másikba, gyakran a sugárzást is hasznosítva a hőcserélőben, így működnek a levegőt füstgázai előmelegítő regeneratív rendszerek. Egyes kémiai technológiáknál a gázok közötti hőcserét közbeiktatott hőhordozókkal (szilárd részecskék, folyadékok) biztosítják. Néha keverő hőcserélőt is használnak, főleg különböző halmazállapotú anyagok közötti hőcserére (gőzkondenzátor, tápvíz-előmelegítő, hűtőgépek). Bár ezeknek kitűnő a hatásfoka, üzemviteli többletfeladatot jelent eltérő anyagoknál azok későbbi szétválasztása, azonos anyagoknál pedig a fázisok megfelelő arányának beállítása. A hőcsere energiaveszteséggel és a hőfoklépcső miatt általában minőségi veszteséggel jár. Az elsődleges hőhordozó hőmérsékletén és az átadható hőmennyiségen múlik, hogyan alakulnak a másik hőhordozó állapotjellemzői és fázisváltozásai. A szerkezeti anyagokra megengedhető hőmérséklet-tartományon belül a hőcserélők segítségével hasonló hatásokat lehet elérni, mint a hőfejlesztés többi módjával. A hőforrások alkalmazási körét, a célszerű alternatíva megválasztását számos tényező szabja meg. Ezek egyike a hőfejlesztés során fellépő hőmérséklet, aminek tartományait a fontosabb esetekre a 12. táblázat mutatja be. A nem teljes körű statisztikai felmérések szerint a fogyasztóberendezések az összes felhasznált hő 40..50 %-át 100 °C-nál alacsonyabb hőmérsékleten igénylik (fűtés, használati meleg víz stb.), 20..30 %-át 100 és 140 °C között (szárítás, bepárlás, főzés, szerves anyagok kezelése), l0..15 %-át 140 és 600 °C között (főleg vegyipari folyamatokhoz) és csupán 10 % körül mozog a 600 °C-ot meghaladó hőigény (főleg kohászati, építőanyagipari és fémmegmunkálási célokra). Egyes technológiáknál minél magasabb hőmérséklet kívánatos, másoknál viszont követelmény, hogy a hőfok ne lépjen túl egy előírt határt. Az előző arányok és a 12. táblázat magas hőmérsékleti értékei azt sugallják, hogy a hőforrások legtöbb válfajában indokolatlanul magas a hőmérséklet, ami jelentős energiaveszteség forrása. A technológiai fejlődés növekvő követelményt támaszt a hőmérséklet állandóságával szemben, a termékek minőségét gyakran kedvezőtlenül befolyásolja, ha a hőmérséklet-ingadozások túllépik a megadott tűrést. Tüzeléseknél a hőmérséklet ingadozása annál kisebb, minél homogénebb a tüzelőanyag kémiai összetétele és minél magasabb az automatizáltság foka a tüzelőberendezés üzemvitelében. A hőmérséklet a hőfejlesztés többi módjánál stabilisabb, mint a tüzelésnél. A felhasználás során a szükséges hőteljesítmény változik, amit a hőfejlesztés szabályozásával követni kell. A szabályozhatóság és annak időállandója nagyon

eltérő, leglassabban a tüzeléseket, legrugalmasabban a villamos hevítési eljárásokat lehet szabályozni. A szabályozhatóság nagy mértékben függ a felmelegített hőhordozók és berendezések hőkapacitásától is, ami a berendezések jellegétől függően másodperctől órákig terjedő termikus időállandókat eredményez (a magára hagyott rendszer hőmérséklete az időállandóval egyező időtartam alatt az eredeti T hőmérséklet e-ed részére csökken). Fontos jellemzője a hőfejlesztésnek a teljesítmény és az energiaürüség, amit kazánoknál és hőcserélőknél a felületegységre jutó hőteljesítménnyel, hőhordozóknál a térfogategység hőtartalmával jellemeznek. A nagyobb energiasűrűség intenzívebb hőközlés tesz lehetővé, ami javítja az energetikai hatásfokot és csökkenti a berendezések méretét. Az energiaürüségnek azonban gazdasági optimuma van, mert növelése fokozza a szerkezeti anyagokkal szemben támasztott követelményeket és így azok árát is. Egyre nő a környezetvédelmi követelmények jelentősége. E szempontból legkellemetlenebb hatása a tüzelés égéstermékeinek van, annak mértéke a tüzelőanyag jellegétől függ. Környezetszennyezési problémák merülnek fel a nukleáris és geotermikus hőfejlesztésnél valamint a kémiai reakciók jó részénél is. A hőfejlesztés többi módja tiszta, viszont a hőfejlesztés valamennyi formájánál számolni kell a hősszennyezéssel. A fejlesztett hő egy része már a hőfejlesztés helyén, a többi a szállítás és a hasznosítás során különféle módon, de végső soron a környezeti levegőt és élővizeket melegíti fel. A munkaerőhelyzet előtérbe állítja a munkaigényesség kérdését is. E szempontból aminél nagyobb, koncentrált és automatizált hőforrások az előnyösebbek. A tüzelőberendezéseknél járulékos hátrány hogy az égéstermékek a korábban tárgyaltak szerint a tüzelőanyagtól függő mértékben agresszív alkotókat tartalmaznak, melyek a tüzelő- és hőfejlesztő berendezések fokozott elhasználódását okozzák növelve a karbantartás iránti igényt. A hőfejlesztés veszteséggel jár, a veszteség egy része hőközlés révén, más része hulladékhő formájában a környezetbe távozik. A hőközlést megfelelő szigetelő és árnyékoló felületekkel lehet csökkenteni. Sokkal nehezebb a hulladékhő hasznosítása, ami a füstgázban, egyéb égéstermékekben, hűtővízben és más anyagokban távozik. Magukat a 8. táblázatban szereplő energiaátalakítási folyamatokat általában kitűnő hatásfok jellemzi, viszont a hőfejlesztés módjától függően azonos végcélt nagyon eltérő eredő hatásfokkal lehet elérni A hatásfokot nem lehet a hőforrások tényleges konstrukciójától elvonatkoztatva megítélni, mivel azok működési módja, szerkezeti felépítése lényegesen befolyásolja a veszteségek nagyságát. 4.1.1.2. TECHNIKAI HŐFORRÁSOK

A hőfejlesztés sokféle lehetőségét a konkrét hőigények kielégítésénél a technikai követelmények és lehetőségek néhány reális alternatívára szűkítik, ezek között a választást a gazdasági optimum szabja meg, figyelembe véve az említett körülmények kihatását is a berendezés élettartama alatt. A technikai hőforrás megjelölése gyakran attól is függ, hol vonjuk meg a vizsgált rendszer határait. Távfűtésnél például a helyiségek fűtőtesteinek hőforrása a keringő

hőhordozó, az egész épület számára a hőközpontban levő hőcserélő a forrás, az ellátott terület szempontjából a távfűtést biztosító forró víz a mértékadó, míg a teljes rendszer hőforrása a távhőt szolgáltató fűtőmű vagy fűtőerőmű. A hőhordozók szerepét az 3.3.1. szakasz tárgyalta, ebben a fejezetben csupán a gépészeti berendezésekre kívánunk kitérni. Az energiát átalakító és hőt fejlesztő szerkezeti elemek, illetve térrészek szerves részei a hőhasznosító berendezéseknek, felépítésük azok rendeltetéséhez illeszkedik. A műszaki gyakorlatban ezért a teljes berendezést tekintik hőforrásnak, a félreértések elkerülésére a továbbiakban a teljes berendezést műszaki hőforrásnak, az energiaátalakítást biztosító részt pedig fizikai hőforrásnak fogjuk nevezni. A műszaki hőforrások a technikai fejlődés során a primitív nyílt tűzhelyektől a nukleáris reaktorokig hosszú utat tettek meg. A jelenleg használatos berendezések köre nagyon széles, mivel rendkívül sokféle feladatra készülnek és még azonos feladatra is nagyon sok változat jöhet számításba. A legtöbb műszaki hőforrást eredetileg tüzelőanyagok használatára fejlesztették ki, és nagy részük ma is így működik. Ezekben tüzelőszerkezetek biztosítják a tüzelőanyag és az oxigén keveredését, valamint az égés feltételeit a tüzérben, mely térrészben az égés tulajdonképp lezajlik. A darabos szilárd tüzelőanyagokat többnyire rostélyokra vagy égetőfelületekre helyezve égetik el, a szénport, továbbá a folyékony és gáznemű tüzelőanyagokat rendszerint égőkön keresztül juttatják a tüzérbe. Technológiai berendezésekben előfordul a tüzelőanyag együttes adagolása más technológiai anyagokkal (pl. nagyolvasztóban az érccel, téglaégető kemencében az agyaggal). A technikai fejlődés eredményeképp a legtöbb műszaki hőforrás olyan változata is kialakult, melyben a tüzelőszerkezetet más fizikai hőforrás helyettesíti, ami természetesen a konstrukciók alapvető változásával járt. E helyettesítés feltétele, hogy a fizikai hőforrás képes legyen a szükséges teljesítményt és hőmérsékletet szolgáltatni. Nem járható viszont a helyettesítés, ha a tüzelőanyag a hőfejlesztés mellett kémiai reakciókban is részt vesz (pl. kohászat, egyes vegyipari technológiák). A legegyszerűbb műszaki hőforrások a fűtőtestek, melyek a környezetüknél magasabb hőmérsékletre melegítve térbeli elrendezésüktől és hőmérsékletüktől függően vezetés, hőátadás vagy sugárzás útján adják le a hőt. Rendeltetésük térrészek anyagok melegítése nem túl magas hőmérsékletre, önállóan vagy más berendezésbe helyezve sokféle funkciót látnak el. A hőfejlesztés számos alternatívája előfordul, teljesítményük rendszerint 0,1..10 kW. Fűtőtesteket használnak vízmelegítésre, a termikus megmunkálás szerszámainak melegítésére, berendezések és térrészek temperálására stb., és ide sorolhatók a központi fűtések sokféle típusú hőleadó készülékei is. A legősibb hőforrások a tűzhelyek. A hőt nyílt térrészen vagy egyszerű zárfelületen keresztül származtatják át, energetikai hatásfokuk nagyon alacsony és alig szabályozhatók. Hatásukat nehéz túlbecsülni az emberiség fejlődésére és a technika kibontakozódására, de a fejlődés következtében a legtöbb alkalmazási területről kiszorultak. Ma elsősorban anyagok melegítésére használatosak, legnagyobb darabszámban ételkészítésre, de vannak technológiai rendeltetésű szerkezetek is. Nevükkel ellentétben nemcsak tüzeléssel működő megoldások vannak (pl. villamos fűtésű).

A hőforrások legszélesebb családját a kályhák képviselik, elsősorban légterek egyedi fűtésére szolgálnak, csökkenő mértékben anyagok felmelegítésére is használatosak. A kályhák a hőt hőtároló közeg közvetítésével adják le, teljesítményük l..10 kW között mozog. A hőfejlesztés jellegétől és a fűtés módjától függően sokféle kályhatípus létezik, a darabos tüzelőanyagokkal működő kis hőkapacitás vaskályháktól és a nagy hőkapacitás cserépkályháktól a lassan égő aknás kályhákon keresztül a szénhidrogének eltüzelésén vagy villamos fűtésen alapuló korszerű kályhákig. A technológiai célú kályhák (pl. vízmelegítésre, anyagok hevítésére), néha bonyolult szerkezetek (pl. transzformátorokat vákuum alatt szárító kályhák) és e megnevezéssel gyakran tulajdonképp kemencéket illetnek. A kemencék a belsejükben elhelyezett anyagok vagy gyártmányok felmelegítésére, hőntartására, vagy termikus technológiai folyamatok lefolytatására szolgálnak, pl. szárítás, hőkezelés, pörkölés, izzítás, zsugorítás, olvasztás, kémiai reakciók. Felépítésük szerint boksa-, tégely-, kád-, aknás, cső-, kamrás, alagútkemencéket különböztetnek meg, készülnek forgó kivitelű rendszerek is. Leginkább tüzeléssel vagy villamos hőfejlesztéssel működnek, foglalkoznak a nukleáris hőfejlesztés alkalmazásának előkészítésével is. A tüzelésen alapuló kemence közvetlen melegítésű, ha a láng vagy a füstgáz közvetlenül érintkezik a felmelegítendő anyaggal, közvetett melegítésű, ha az égéstermékek közbenső hőhordozón keresztül adják át hőjüket a felmelegítendő anyagnak. Az aknás kemencékben a melegítendő anyag közös térben van a tüzelőanyaggal, ide tartozik a nagyolvasztók és a kúpoló-, ércredukáló, pörkölő-, fémolvasztó, mészégető, kalcináló-, érc-zsugorító kemencék nagy része. Egyes kohászati kemencékben a tüzelőanyag a hőfejlesztés mellett a kémiai reakciókban is szerepet kap. Ennek legtipikusabb esetét a nagyolvasztók képviselik, ahol az érc oxidjait a tüzelőanyagokból kiszabaduló szén és hidrogén redukálja. Az ilyen kemencék üzemvitelét a hőmérleg és a kémiai reakcióarányok együttesen szabják meg. 13. táblázat Kemence funkciója

Olvasztó Izzító Olvasztó Égető Szárító

Üzemi hőmérséklet, °C 350..500 800..1000 1000..1300 1300..1500 150..350

Kemencehatásfok Gáz 75 65 60 45 85

Villamos 80 70 65 50 85

Eredő hatásfok szénbázison Gáz 48 42 38 29 52

Villamos 25 22 20 15 17

A kemencék az ipar legfontosabb melegítő-berendezései, ennek megfelelően hatásfokuk javítása az energiaracionalizálás legrészletesebben feldolgozott területe. A hatásfokot lényegesen befolyásolja a hőfejlesztés módja. Szilárd tüzelőanyagokkal működő közepes nagyságú kemencékre 35..45 % jellemző, szénhidrogén-tüzelésnél és villamos hőfejlesztésnél viszont 60..80 %-ot is el lehet érni. A 13. táblázat néhány kemencetípus átlagos jellemzőit mutatja be, a gáz- és villamos kemencék hatásfokai között nincs nagy különbség, egészen alacsony és egészen magas hőmérsékleten a villamos hőfejlesztés valamivel előnyösebb, a közepes hőmérséklet-tartományban viszont a gáztüzelésé az elsőbbség. Egészen más a helyzet az eredő hatásfok tükrében, még a szénbázison fejlesztett gázzal is vitathatatlan a gáztüzelés előnye,

földgáz esetében pedig az eredő hatásfok (a kemencehatásfok 0,9-szerese) a villamos kemencére jellemző érték többszöröse. Ez is alátámasztja, hogy hazai körülményeink között villamos kemencét csak olyankor indokolt használni, amikor az technológiai okokból elkerülhetetlen. A kemencék hatásfokának javítására mind a konstrukció, mind az üzemeltetés terén számos lehetőség van. Közvetlen tüzelésű kemencéknél az égők hőleadásának növelése (nagy sebességű égők, sugárzó égők és égőfalak alkalmazása), a hőmérséklet-eloszlás optimalizálása (a láng oda irányuljon, ahol a magas hőmérsékletre szükség van, esetenként a falhoz simuló lángút előnyös stb.), a tüzelőanyag-égéslevegő optimális arányának automatikus szabályozása, a hőátszármaztatás rontó szennyeződések lerakódásának megakadályozása (gyakran hatásos víz beporlasztása az égéslevegőbe 1..2 % tömegarányban) a legfontosabb tűztéren belüli lehetőségek. A hőveszteségek csökkentésében a hőszigetelés minősége a legfontosabb tétel, a szervetlen szálas hőszigetelő anyagok kis rétegvastagsággal is kitűnő megoldásra nyújtanak lehetőséget. Lényegesen nehezebb a sugárzás csökkentése abszorbeáló vagy reflektáló felületekkel. Elsősorban a sugárzás magyarázza, hogy az energetikai hatásfok annál alacsonyabb, minél magasabb a kemence üzemi hatásfoka, ezt a tendenciát a 13. táblázat is alátámasztja. Az üzemvitel jó termelési ütemtervekkel tud hozzájárulni a fel- és leterhelés többletveszteségeinek csökkentéséhez, a technológus az indokolatlan hőmérsékletcsökkentéseket elkerülő folytonos technológiák alkalmazásával, a szállítóberendezések és edényzet hőntartásával – amibe a kemencén belüli esetleges anyagmozgatás berendezései is beleértendők. Az égéslevegő hőmérsékletének növelése csökkerti a tüzelőanyag-felhasználást (100 °C hőfoknövelés 4..5 %-kal) és növeli a technológia hőmérsékletét. Minél magasabb a hőmérséklet, annál nagyobb jelentősége van a kemencéből távozó hulladékhő hasznosításának a betáplált anyagok előmelegítésére, egyéb hőigények ellátására, esetleg magas hőmérsékleten gőzfejlesztésre is. Nagyon széles körben használják a fluid halmazállapotú hőhordozók felmelegítését biztosító kazánokat. A hőhordozók jellege és paraméterei, a hőfejlesztés módja és a teljesítmény nagysága szerint nagyon sokféle rendszer fejlesztettek ki. Teljesítményük a kW tartományban dolgozó kis kazánoktól (pl. lakásfűtés) a nagy erőművek több GW-os egységéig terjed. A legtöbb kazán tüzelőberendezéssel épül, jóformán valamennyi tüzelőanyag használata előfordul. A lángcsöves (füstcsöves) rendszerben a hőhordozót tartalmazó tartályt szeli át egy vagy több, a lángot vagy füstgázt vezető cső, a vízcsövesnél a hőhordozó melegítése a tűztérben és a füstgázhuzamban elhelyezett csőrendszerben történik. A lángcsöves rendszer használata kis teljesítményű, elsősorban meleg vizet készítő kazánokra szorult vissza, a korszerű gőzkazánok kizárólag vízcsövek. Kisebb teljesítményen a hőforrás lehet a melegítendő közegbe merülő villamos fűtőtest (kísérleteznek vízbe merülő elektródok között hőfejlesztéssel magában a vízben is). A hulladékhő hasznosítása, a kombinált hőerőművi körfolyamatok és az atomerőművek megjelenése olyan kazánokat igényelt, melyekben a fizikai hőforrás egy másik hőhordozó, ami energiáját hőcserélőn keresztül adja le. (E területen elvileg is nehéz a kazánok és a hőcserélők között a határvonalat meghúzni.)

A korszerű kazánok hatásfoka a hőfejlesztés módjától, illetve a tüzelőanyag jellegétől függően kis berendezéseknél 70..80 %, nagy kazánoknál 80..95 %. Az energiagazdálkodás számára különösen fontos, hogy a kazánok hatásfoka a legérzéketlenebb a tüzelőanyag jellegére, így néhány százalékos hatásfokromlás árán rosszabb minőségű tüzelőanyagok is használhatók, ami azonban rendszerint többletberuházást is igényel. A szénhidrogénhelyzet a szénhaszná1at körének bővítését indokolja, erre a legfőbb területet a nagy kazánok jelentik. A legtöbb kazán feladata gőzfejlesztés. A legnagyobb és legbonyolultabb kazánok a hőerőművekben találhatók, itt fordulnak elő a legszélsőségesebb gőzjellemzők is (560..580 °C, 260..280 bar). A legnagyobb kazánok egységteljesítménye 2 GW, és tervezik 3 GW-osak üzembe helyezését. Hazánkban a legnagyobb erőművi kazánok hőteljesítménye jelenleg 0,6 GW. A csak technológiai gőzt szolgáltató ipari kazánok teljesítményének felső határa 50 MW (60 t/h gőz), a gőzhőmérséklet ritkán haladja meg a 400 °C-ot, a gőznyomás rendszerint 20..50 bar alatt van. A kis és nagy nyomású kazánok határát 6 bar-nál vonják meg, a nagy teljesítményű egységek általában nagy nyomásúak, a kis nyomást többnyire csak kis kazánoknál használják. A víz felmelegítése és forralása csövekből álló fűtőfelületeken keresztül történik. A tűztérben levő csöveket főleg sugárzás, a füstjáratban levőket nagyrészt konvekció melegíti. Változó gőz felhasználásnál a tápvíz mennyiségét és a hőfejlesztés mértékét automatika illeszti a terheléshez. A víz és a gőz arányában bizonyos fokú kiegyenlítő szerepet tölt be a kazándob, ami egyben hőtárolásra is szolgál. A tápvizet a tápszivattyú a kazándobba táplálja és a víz onnan áramlik tovább a fűtőfelületekbe. Minél nagyobb a gőznyomás, annál kisebb a kazándob szerepe, a szuperkritikus rendszereket dob nélkül építik. Nagy kazánokba kiegészítő fűtőfelületeket is beépítenek a gőz túlhevítésére és újrahevítésére, a tápvíz előmelegítésére és az égéslevegő előmelegítésére (léghevítő). A gőzkazánok kényes kérdése a betáplált víz és a fejlesztett gőz cirkulációja. Szubkritikus rendszereknél ezt a hőmérséklet-különbség által létrehozott fajsúlykülönbség is biztosítja, az így kialakuló természetes vízkeringtetéssel működik a legtöbb kazán. Nagy kazánoknál mesterséges vízkeringtetés is előfordul, a kényszerkeringtetésű kazánokban a kazánokból kilépő víz áramlását a szivattyú biztosítja, ami a hőteljesítmény növelésére ad módot némi szabályozási többletfeladat ellenében. A kényszeráramlású rendszerekben a szivattyú a tápvizet közvetlenül a forrcsövekbe nyomja, a szuperkritikus kazánokra mindig ez a megoldás jellemző (nincs is kazándob), bár elvétve szubkritikus kazánoknál is alkalmazzák. A vízmelegítő kazánoknak a fűtésben van nagy szerepük, a fűtőművek 50 MW-os forróvíz-kazánokat is üzemeltetnek, a központi fűtések kazánjai 10 kW..1 MW tartományba esnek, a vízmelegítésre használt kazánok teljesítményének alsó határa 0,1..1 kW. A vízmelegítő kazánok felépítése lényegesen egyszerűbb, ezért sokkal olcsóbbak is, mint a gőzkazánok. Konstrukciós finomításokkal a kazánok hatásfokát már legfeljebb 1..2 %-kal lehet növelni, aminek rendszerint beruházási többletköltség az ára. Annál többet lehet viszont tenni a hatásfokcsökkenés ellen az üzemeltetés során. A felületek elrakódása erősen csökkenti a hőátszármaztatás és rontja az áramlási viszonyokat, a

tömörtelenségek hőveszteséget és a különféle közegek keveredését okozzák. Mindez nemcsak a hatásfokot csökkenti számottevően, hanem üzemzavarokra is vezet. A gőzkazánok között a széntüzelés nagy hányada csalóka, mert ezek legnagyobb része elavult régi berendezés (átlaghatásfok alig haladja meg az 50 %-ot, jórészüknél még 40 %-ot sem ér el), az újabb létesítmények nagyrészt szénhidrogén-tüzelésűek. A széntüzelésű kazánoknak majdnem fele kézi rostély tüzelésű, ezek üzemeltetéséhez nemcsak munkaerőt nehéz biztosítani, hanem tüzelőanyagot is, mert magas fűtőértékű feketeszenet, jó minőségű darabos barnaszenet vagy brikettet igényelnek. Gyengébb minőségű barnaszenet csak a ritkábban alkalmazott ferde lépcsős rostélyon lehet tüzelni, de nagyon alacsony hatásfokkal. Mechanikus rostélyok kevésbé érzékenyek a szénminőségre, jó minőségű szenekkel 70..75 %-os, gyengébb barnaszenekkel 60..65 %g-os hatásfok érhető el. Ahhoz, hogy a kazántüzelés terén a szénfelhasználást fokozni lehessen, mind a régi berendezések rekonstrukciójához, mind az új létesítményekhez olyan tüzelőberendezésekre van szükség, melyek nem igényelnek sok munkaerőt, nem szennyezik a környezetet és jó tüzelési hatásfokkal rendelkeznek. A műszaki hőforrások szerepét hőcserélő is betöltheti. Hőcserélőket majdnem minden hőtechnikai létesítményben és vegyipari technológiai berendezésben alkalmaznak. A távfűtés nagy nyomású és magas hőmérsékletű forró vize hőcserélőn keresztül melegíti fel az épületek fűtőtesteiben keringő alacsonyabb hőmérsékletű és 1 bar-t alig meghaladó nyomású meleg vizet, a fűtőtestek ugyancsak hőcserén keresztül melegítik fel a légterek levegőjét. Az atomerőművek legtöbb típusánál a reaktor hűtőközege hőcserélőben fejleszti a körfolyamathoz szükséges telített gőzt. A kazánokban hőcserélőkkel melegítenek fel különféle közegeket; hőcserélők segítségével hasznosítják a hulladékhőt; jelentős szerepet játszanak a különféle hűtési folyamatokban a vegyipari folyamatok anyagjellemzőinek szabályozásában stb. A hőcserélők nemcsak a hőhordozók felmelegítésében és lehűtésében töltenek be fontos szerepet, hanem a hőhasznosításban is, amit fűtőtestek, közvetett fűtésű kemencék vegyipari reaktorok és számos más berendezés példáz. A hátszármaztatásra használt szerkezeti elemek jellegétől, a hőcserében résztvevő közegek halmazállapotától és áramlási viszonyaitól függően nagyon sokféle hőcserélő rendszert fejlesztettek ki. Többnyire magas hőmérséklet jellemzi a gáz-gáz hőcserét, legnagyobb múltja a távozó füstgáz hőjét hasznosító rekuperátoroknak és regenerátoroknak van. A rekuperátorban az áramló forró gáz (legtöbbször füstgáz), illetve a felmelegítendő közeg (többnyire levegő) járatai közötti válaszfalon keresztül történik a hőátszármaztatás. A megengedhető hőmérsékletet a szerkezeti anyagok korlátozzák, öntöttvas és acél válaszfallal csak 500..600 °C-nál hidegebb füstgázok hőjét lehet hasznosítani, magasan ötvözött Cr- és Si-tartalmú acélokkal 1000..1150 °C-ig lehet a hőmérséklet határt kiterjeszteni. Kerámia válaszfallal magasabb, 1000-1500 °C-os hőmérsékletet is el lehet érni, de a tömítési problémákat csak a közelmúltban megjelent konstrukciókkal lehet biztosan uralni. Javítja a hatékonyságot, ha a sugárzás is részt vesz a hőátszármaztatásban. Újabban égőket is készítenek rekuperatív előmelegítéssel (rekuperációs égő), melyek külső felületét ellenáramban füstgáz melegíti.

A regeneratív léghevítők terébe váltakozva vezetik be a füstgázt és a levegőt, a felmelegített hőtároló betét segítségével származtatják át a hőt. Hatásfokuk rosszabb és létesítésük drágább, mint a rekuperátoroké, viszont magasabb 1100..1200 °C-os hőmérsékletre is használhatók és kevésbé érzékenyek a korrózióra. Álló vagy forgó rendszerű regenerátorok használatosak. Az álló regenerátor két téglafalazattal bélelt kamra, melyeket váltakozva melegít fel a füstgáz, majd a falazat a hőt a felmelegítendő levegőnek adja át. Mivel a füstgáz és a levegő útját időnként fel kell cserélni, ez a rendszer különösen szakaszos üzemmódnál előnyös. Főleg a kohászat és az építőanyagipar magas hőmérsékletű kemencéinél alkalmazzák az égéslevegő előmelegítésére. A forgó regenerátornál a két gáz külön csatornában áramlik, a hőt az egyikből a másikba lassan forgó tárcsa szállítja át (pl. 20 min-1 fordulatszámmal). Ennek az erőművi technikában használt válfaja a Ljungström-léghevítő, mely nagy légmennyiségek előmelegítésére alkalmas viszonylag mérsékelt hőmérsékletre (650 °C-ig). A kohászatban és vegyiparban más rendszereket is használnak (pl. Munter-kerék). A megengedhető hőmérsékletet a szerkezeti anyagok korlátozzák, acéllal 800 °C-ig, keramikus anyagokkal 1000 °C-ig üzemeltethetők. Bár a hőközvetítő test áttört szerkezetű (mátrix, méhsejt stb.), mégis jelentős az áramlási ellenállása, ami nehezíti a tömítést a mozgó felületnél. Ezért szinte elkerülhetetlen a szivárgás, és a füstgázból lerakódó szennyeződések is átkerülnek a másik térbe. Hátrányai ellenére. azért alkalmazzák, mert nagy gázmennyiségeket tud feldolgozni és üzeme folyamatos. Alacsony hőmérsékleten a gáz-gáz hőcsere a kis hőátadási tényező következtében nem túl hatásos. Ennek áthidalására hőközvetítő közeg közbeiktatását javasolják. Az egyik megoldásnál vékony lezárt cső egyik végén a hőleadó gáz e közeget elpárologtatja, másik végén kondenzálódik és felmelegíti a hőfelvevő gázt, majd a cső köpenyében visszaáramlik. A közvetítésre 40 °C-ig freon vagy aceton, e felett víz magasabb hőmérsékleten szerves folyadék jöhet szóba. A rendszert 300..350 °C-ig is használni lehet. Alkalmazásának feltétele, hogy a két gáz járata egymás közvetlen közelében legyen. Ha ez nem teljesül, áramoltatott folyadékkal lehet a hőt szállítani, ez gáz-folyadék hőcserélőn veszi fel és adja le a hőt. E hőközvetítő folyadék többnyire víz, magas hőmérsékleten difenil, esetleg gáz (többnyire levegő) is lehet. A folyadékok jobb hőátadási viszonyai révén a gáz-folyadék, illetve folyadék-gáz hőcsere lényegesen kedvezőbb a gáz-gáz rendszernél. A központi fűtések hőleadói, vízhűtésű gépkocsimotorok léghűtői, olajtranszformátorok hűtői, hűtőszekrények elpárologtatói és kondenzátorai példázzák e hőcserélő csoportot. Egyik válfaja az economiser (eco), ami a kazán tápvizét melegíti elő a füstgázzal. Tulajdonképp a legtöbb kazánban is gáz-folyadék hőcsere játszódik le. A kazánok és hőcserélők rokonsága a legszemléletesebb a hőhasznosító kazánoknál, ezekben nincs tüzelés, a hőt hőhordozóban vezetik be és azzal folyadékot melegítenek fel, vagy gőzt fejlesztenek. Többnyire a füstgáz hőjével gőzt fejlesztő konstrukciókat alkalmaznak, üstgáz magas ezek olcsó és nagyon kompakt szerkezetek (az egyik oldalon a füstgáz magas hőmérséklete biztosítja az intenzív hőátadást, a másikon a víz nagy párolgáshője). Szerkezetileg a legegyszerűbb két folyadék között a hőcserét biztosítani. Az ipari technológiákban nagyon sokféle kombinációja található meg, a hőátadás különösen intenzív fázisváltozásnál. Így működnek például a forróvizes távfűtés hőközpontjai, a

nyomottvizes atomerőművek gőzfejlesztői, különféle folyadékhűtők, a legtöbb hulladékhő hasznosító berendezés stb. A hőfejlesztéssel rokon feladat a hűtés is, hiszen a hőelvonás szükségszerűen egy másik hőhordozó energiájának növelésével jár együtt. A hűtés legolcsóbb módja a hő konvektív elszállítása egy másik hőhordozó áramló közeggel. Ez történhet közvetlenül érintkező lég-, illetve folyadékárammal vagy hőcserélőn keresztül. Ilyen módon a hőmérsékletet legfeljebb a környező levegő vagy a rendelkezésre álló friss víz hőmérsékletét néhány fokkal meghaladó hőfokig lehet csökkenteni. Alacsonyabb hőmérsékletet különféle fizikai effektusok hasznosításával lehet elérni. A legegyszerűbb lehetőség folyadékok elpárologtatása, ami a párolgási hőelvonásával jár, az eljárás hatását fokozni lehet kis nyomású térben. Ugyancsak hőmérséklet-csökkenéssel jár egyes közegpárok esetén az oldás is (pl. konyhasó jégben, vizes kálcium-klorid jégben, szénsavhó alkoholban) az elvont nagy oldási és esetleg olvadási hő miatt. Ezeket az eljárásokat azonban csak viszonylag kis anyagmennyiségeknél lehet gazdaságosan alkalmazni. Az ipari feladatokra hűtőgépeket használnak. Ezekben hőhordozóval hőkörfolyamatot játszatnak le ellentétes irányban, mint a munkavégzésnél. A hőhordozó alacsony hőmérsékleten hőt von el a hűtendő térből magasabb hőmérsékleten pedig hőt ad le a környezetnek vagy más hőhordozónak. (Ez utóbbi hőt hőforrásként szolgáltatja a hőszivattyú.) A fordított irányú hőkörfolyamat külső munka befektetését igényli, ez biztosítja a hőelvonást. A kompressziós hűtőgépeknél mechanikai munkát fektetnek be, a munkaközeg alacsony hőmérsékleten és kis nyomáson elpárologva hőt von el a környezetétől, majd olyan nyomásra komprimálják, amelyen a környezeti hőmérsékletre hűtve hőleadás közben kondenzálódik, a csapadék kis hűtőgépeknél fojtószelepen keresztül tér vissza az elpárologtatóba, nagy hűtőgépeknél expanziós gépen keresztül. Ez utóbbi a mechanikai munka egy részét fedezi, így javítva az eredő energetikai hatásfokot. Az abszorpciós hűtőgépben hasonló körfolyamat zajlik le, de nem mechanikai munkával, hanem hő bevezetésével növelik meg a munkaközeg hőmérsékletét és nyomását. A folyamat hatékonyságának növelésére az elpárologtatott hűtőközeget abszorbens folyadékban oldják, ami az oldási energia felszabadulásával jár, a hűtőközeg az oldószerből a melegítés során kigázosodik. Különösen vonzó az abszorpciós hűtőgép, ha működése hulladékhő hasznosítására alapul. Kis teljesítményre a Peltier-hatás is felhasználható, ami azon alapul, hogy termoelemeken átfolyó villamos áram hatására az eltérő fémek érintkezési pontjai között hőmérséklet-különbség alakul ki. Egészen alacsony hőmérsékletet lehet elérni a reális gázok kiterjedését kísérő lehűléssel (Joule-Thomson-effektus), amit pl. a levegő cseppfolyósítására és frakcionált desztillációjára használnak, vagy paramágneses anyagok demagnetizálásával. 4.1.2. Erőgépek A gépek hajtását, berendezések működtetését biztosító erőgépek köre nagyon széles. A 14. táblázatból látható módon az energiaátalakításnak sok útja járható mechanikai munka előállítására. Ezek alapján az erőgépek széles skálájából lehet az adott feladat megoldásához legjobban illeszkedő, gazdasági és műszaki szempontból optimális hajtást kiválasztani. A 15. táblázat a leghasználatosabb erőgéptípusok átlagos

energetikai hatásfokát mutatja. Látható, hogy az erőgépek saját hatásfoka nagyon eltérő és egyes géptípusoknál magas érték. A táblázatból viszont az a sajnálatos helyzet is kitűnik, hogy a hajtásoknak a primer energiahordozóra vetített eredő hatásfoka általában kicsi, ami alól csak a vízturbina és a vízerőműben fejlesztett villamos energiával működtetett villamos motorjelent kivételt. A kis eredő energetikai hatásfoknak a legtöbb esetben az oka az, hogy a hőt nagyon rossz hatásfokkal tudjuk mechanikai energiává alakítani. Energetikai szempontból is nagy kihatású fejlemény volt, hogy általánossá vált a gépek egyedi hajtása a csoporthajtás helyett. Ez nemcsak rugalmasabb szabályozásra adott módot, hanem energia-megtakarításra is, mert elmarad a közlőművek vesztesége és az erőgépeket nem kell tartósan rossz hatásfokú részterhelésen üzemeltetni. Az erőgépek hatásfoka függ szolgáltatott teljesítményük nagyságától, rendszerint a névleges (teljes) teljesítménynél a legnagyobb, részterhelésnél a hatásfok kisebb. Veszteségűk állandó és változó komponensre bontható, az állandó veszteség a terhelésmentes állapotban fellépő üresjárási veszteség, a változó veszteség értéke a terheléstől függ. A mechanikai elven működő erőgépek teljesítménye a működési sebességgel arányos, a változó veszteségek legnagyobb részét a súrlódás teszi ki, ami szintén a sebességgel arányos, így a változó veszteség és a teljesítmény kapcsolata közel lineáris. 14. táblázat Kiinduló energiafajta 1. Mechanika

2. Hő

3. Villamos

4. Kémiai 5. Nukleáris 6. Sugárzás

Átalakítás útja egyszerű gépek és hajtások (súlyhajtás, rugó) áramlástechnikai gépek (vízikerék, turbina, szivattyú, hidrosztatikus és hidrodinamikus hajtás; vitorla, szélmotor, kompresszor, ventilátor, fúvó, pneumatikus eszközök) körfolyamat hőerőgépekben (gőzgép, gőzturbina, gázturbina, belsőégésű motorok) tolóerő (sugárhajtás) hőkiterjedés termikus megmunkálás elektrodinamikus hajtások (villamos motor) villamos megmunkálások piezoelektromos hatás erőterek hatása (elektrosztatikus eljárások, mágneses emelés) biológiai folyamatok ozmózis kemo-mechanikai kölcsönhatások hasadás fúzió sugárnyomás

A villamos gépek teljesítménye a felvett árammal arányos, a változó veszteség fő forrása a Joule-veszteség viszont négyzetesen függ az áramtól, ezért a villamos gépek változó vesztesége jó közelítéssel a terhelés négyzetével arányos. A legtöbb fluidközeggel működő gépben a változó veszteség az áramló közeg sebességének köbével arányos, hasonló kapcsolat jellemzi függését a terheléstől is, mivel a teljesítmény az áramlási sebességgel arányos. E körülmények szabják meg a hatásfok-teljesítmény jelleggörbék alakulását, ezek legtipikusabb lefolyására a 11. ábra mutat példákat. A mechanikai berendezések hatásfoka általában monoton nő, a másik két erőgéptípus hatásfokának szélsőértéke van. A maximum helyén az

üresjárási veszteség villamos gépeknél egyenlő a változó veszteséggel, fluidközegű gépeknél pedig annak felével. Természetesen az erőgépek konstrukciós kialakításával a jelleggörbék alakját számottevően módosítani lehet. 15. táblázat Erőgép

Dugattyús gőzgép Gőzturbina Benzinmotor Diesel-motor Gázturbina Vízturbina Szélmotor Villamos motor

Hatásfok, % erőgép önmagában elsődleges energiahordozóra vetítve 12..20 8..14 78..90 35..45 20..32 17..27 30..45 25..38 30..40 21..25 85..96 82..94 30..40 6..15 85..95 28..32

 mechanikus villamos

hidraulikus

P 11. ábra. Hatásfok terhelésfüggése

Energetikai szempontból a hatásfokgörbék egyrészt arra hívják fel a figyelmet, milyen jelentősége van a hajtások, közlőművek megválasztásánál a munkapont kijelölésének. A várható terhelés helytelen felmérése vagy a rosszul illesztett erőátvitel miatt a berendezések indokolatlanul tartósan rossz hatásfokkal üzemelnek, ami jelentős energetikai veszteségek forrása. A másik figyelmet érdemlő körülmény az indításnál és leállásnál érvényesülő rossz hatásfok, ami jelentős többletveszteséggel jár. Gyakori leállásnál előfordulhat, hogy az üresjárási veszteség kisebb, mint e többletveszteségek eredője, és energetikai szempontból nem a gyakori leállás az optimális üzemvitel. Változó terhe1ésü üzemmódnál az energetikus számára az eredő hatásfoknak van jelentősége, ami a terhelésnek és a felvett teljesítménynek a vizsgált időszakra számított integráljaiból képzett hányados. Ilyenkor a munkapontok célszerű megválasztása bonyolultabb optimálást igénylő feladat.

Az indítás és gyorsítás időszakában az erőgépnek fedezni kell azt az energiát, ami a teljes fordulatszámon, illetve sebességnél a hajtott rendszerben mozgási és helyzeti energia formájában felhalmozódik. Az ehhez szükséges teljesítmény a gyorsítás időtartamától függ. Egyes erőgépek nyomaték-fordulatszám, illetve erő-sebesség jelleggörbéjének kezdeti szakasza csupán kis teljesítményt tesz lehetővé, az ilyen erőgépeket nem lehet terhelve indítani, hanem üresjáratban kell a szükséges fordulatszámra hozni, és csak ezt követően kapcsolhatók össze a hajtott rendszerrel (pl. a belsőégésű motorok). A felhalmozódott mechanikai energia a lassulás során felszabadul. Ha a lassítást a súrlódás valamilyen formája idézi elő, az energia hővé alakulva elvész. Ez nem szükségszerű, a fékezésnél felszabaduló energiát más rendszereknek is át lehet származtatni – esetleg nem is mechanikai energia formájában, pl. villamos rekuperációval – és azt hasznosítani vagy tárolni lehet. Erősen változó üzemű gépeknél ez jelentős energiamegtakarítást eredményezhet. Míg az indítási és gyorsítási időszakban elsősorban a gyorsítási munka szabja meg az energia- és teljesítményviszonyokat, addig állandósult állapotban az egyenletes mozgás a súrlódástól és a közegellenállástól függ. A súrlódás teljesítménye jó közelítéssel a sebességgel arányos, ez az ellenállás a mozgás minden formájánál számottevő. A közegellenállás teljesítménye a sebesség köbével arányos, kis sebességnél értéke nem jelentős, de nagy sebességnél – elsősorban járműveknél – ez az ellenállás a legnagyobb hatású. Súrlódás nemcsak a szilárd gépelemek elmozdulását, folyadékok és gázok áramlását kíséri, hanem a közegek deformációjakor kialakuló belső elmozdulásokat is. Szilárd felületek között a súrlódó erő egyrészt a felületek anyagi minőségétől, másrészt a felületeket összeszorító erőtől függ – ami legtöbbször a súly. A súrlódási munka csökkentésében nagy szerepe volt a megmunkálási technológia fejlődése révén elérhető nagyobb felületi simaságnak és az üzemi körülmények (pl. hőmérséklet) teljes tartományában tökéletesebb kenést biztosító jobb kenőanyagok kifejlesztésének. A leghatásosabb lépést a csúszó súrlódás helyettesítése jelentette gördülősúrlódással (kerekek, görgök, gördülő csapágyak használata). Az utóbbi években az összeszorító erő csökkentése is előtérbe került, pl. légpárnás vagy mágneses lebegtetéssel, aerodinamikus hatások kiaknázásával, azonban ez többletenergia-befektetést igényel. Közegek áramlásánál a határfelületek minősége és a nyomás befolyásolja a súrlódó erőt. A súrlódási veszteségek leszorításában a gépszerkesztés jelentős eredményeket ért el, e téren olyan nagy horderejű minőségi változást, mely az energiafelhasználást számottevően befolyásolná, nem lehet remélni. Az energetikusok érdeke a korszerű módszerek széles körű alkalmazása az új konstrukciók kialakításánál, pl. a csúszósurlódás kiküszöbölése, a kenéstechnika újabb eredményeinek hasznosítása stb. Annál több viszont az energiamegtakarítási lehetőség a berendezések üzemeltetésénél és karbantartásánál. A legjobb konstrukciójú gép vesztesége is többszörösére nő, ha elmarad a kenés vagy ha berágódnak a csapágyak, a csővezetékek áramlási ellenállását megsokszorozza a felületek elváltozása szennyeződés, korrózió vagy lerakódások következtében. Energetikai szempontból is fontos a karbantartást nem igénylő pl. önkenő szerkezetek térhódítása.

A súrlódási munka hővé alakul, ami nemcsak az energiaveszteség miatt érdemel figyelmet. A legtöbb erőgép teljesítménye hőfokfüggő, az optimálisnál magasabb hőmérsékleten a hasznos teljesítmény csökken, ami az eredő energetikai hatásfokot tovább rontja. A túlmelegedés csökkenti a szerkezeti anyagok mechanikai szilárdságát, károsan hat a tömítésekre és a kenésre, így az üzembiztonságot is veszélyezteti. Ezért a melegedést gyakran hűtéssel kell korlátozni, a hűtőközeg biztosítása és áramoltatása többletenergia-befektetéssel jár. A hűtőközegben jelentős mennyiségű hulladékhő távozik, ami gyakran nemcsak a súrlódási munkából származik, hanem pl. belső égésű motoroknál vagy kompresszoroknál a munkafolyamatból is. E hulladékhő esetenként hasznosítható, ha elég magas a hőmérséklete és a kinyerhető mennyisége a szükséges többletberuházást gazdaságossá teszi. Az erőgépek és a hajtott berendezések között a közlőművek biztosítják a kapcsolatot. A teljesítmény átszármaztatása mellett ezek feladata sokszor az erők és nyomatékok, sebességek és fordulatszámok módosítására is kiterjed, sőt az erőátvitelnek gyakran oldhatónak is kell lennie. Minél sokrétűbb a közlőmű feladata, annál több veszteség forrása. A közlőmű feladatát többnyire szilárd gépelemek töltik be, egyenes és alakos tengelyek, tengelykapcsolók, fogaskerekek, dörzskerekek, szíjak, láncok, kötelek, forgattyús és bütykös mechanizmusok. Összetett funkciókat hajtóművekkel elégítenek ki, sebességváltó, nyomatékváltó, irányváltó és hasonló mechanizmusok formájában. A szilárd elemekből felépített közlőművek legnagyobb része merev kapcsolatokat jelent, rugalmas erőátvitelt csupán a súrlódással működők biztosítanak (dörzskerék, szíj- és kötélhajtás, súrlódó tengelykapcsoló), ami viszont jelentős súrlódási veszteséggel jár. Lényegesen kisebb veszteségű rugalmas kapcsolatot lehet kialakítani fluid munkaközegű közlőművekkel, legsokoldalúbban a hidraulikus megoldásokat alkalmazzák. Különösen jelentős a közlőművek vesztesége gyakran változó terhelésnél, ezért az energiatakarékosság érdekében a szerkezetek tökéletesítése a járműiparban a figyelem előterébe került. lg W W 10

gőzturbina vízturbina gázturbina

vízikerék

szélmalom, szélmotor belsőégésű motorok ember

0 1700 1750 1800 1850 1900 1950 2000

év

12. ábra. Az erőgépek fejlődése

Az erőgépek megvalósítható egységteljesítménye az idők folyamán állandóan nőtt, a legfontosabb típusokra ezt a tendenciát a 12. ábra mutatja. A legnagyobb

egységteljesítmény 100 év alatt MW-ról GW-ra nőtt, az ábrán összehasonlításul az izomerővel elérhető 0,1..1 kW-os értékeket is feltüntettük. Hosszú ideig vízerőgépekkel lehetett a legnagyobb teljesítményt elérni, a XX. században ez a szerep a hőerőgépeknek jutott. Az erőátvitel módjának célszerű megválasztása érzékenyen befolyásolja a hajtások veszteségét. Például homlokfogaskerekekkel 96 %-os, kúpkerekekkel 95 %-os hatásfokot lehet elérni, viszont csavarhajtásnál már csupán 84..92 %-ot-, hasonlóan görgősánc- vagy lapos szíjhajtással 95..98 % biztosítható, szemben az ékszíjhajtás 85%-ával. 4.1.2.1. 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, miközben térfogatuk növekedésével vagy megnövelt mozgási energiájukkal felületeket mozdítanak el. Ezt leghatékonyabban úgy lehet megvalósítani, hogy a munkaközeggel hőkörfolyamatot végeztetnek. A körfolyamat lehet nyílt, ebben a munkaközeggel hőt közölnek, majd expandáltatják, ezt követően a munkát végzett közeget kibocsátják a légkörbe és a további folyamatok abban játszódnak le spontán módon. Nyilvánvaló, hogy a nyílt körfolyamatban az expanziót csak a környezet 1 bar körüli nyomásáig lehet lefolytatni, ellenkező esetben a munkaközeg nem tud kiáramlani. A zárt körfolyamatban jóval kisebb nyomásig tud a munkaközeg expandálni, ami jobb hatásfokot eredményez, ennek viszont az az ellentétele, hogy a munkavégzés után hőelvonás és munka befektetés árán kell a munkaközeget a kiinduló állapotba visszajuttatni. T

3 Q

s 13. ábra. Carnot-körfolyamat

A hőközlés és hőelvonás módjától, az állapotváltozások körülményeitől függően sokféle körfolyamat lehetséges, a legfontosabb típusokat a 13. ábra..18. ábra mutatja. Megjegyzendő, hogy ezek az ábrák idealizált viszonyokra vonatkoznak. A valóságos körfolyamatok minden fázisát és a munkaközegek továbbítását veszteségek terhelik, ami az ábrákat is módosítja. A körbezárt terület csökken, az egyes fázisokat leíró görbék deformálódnak, például a függőleges adiabaták helyét a T-s síkon növekvő entrópiájú homorú görbék veszik át. Adott hőfokhatárok között a legjobb hatásfoka a Carnot-körfolyamatnak van (13. ábra). A Carnot-körfolyamat első fázisa izotermikus hőközlés T1 hőmérsékleten (1-2), ezt tökéletes hőszigetelés mellett lezajló adiabatikus expanzió követi, ami a munkavégzés szakasza, a következő fázis izotermikus hőelvonás T2 hőmérsékleten (3-4), majd a munkaközeg adiabatikus kompresszióval jut 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 alatti terület, az elvont Q2 hő a 3-4 szakasz alatti terület, a végzett munka a kettő különbsége. A hatásfok:



Q1  Q2 T  1 2 . Q1 T1

Az ábrából szemléletesen kiviláglik, hogy nagyobb mechanikai munkát szolgáltató körfolyamatot a T1 és T2 hőmérséklethatárok között nem lehet elképzelni. Az elkerülhetetlen veszteségek és a munkaközegek fizikai tulajdonságai miatt a valóságban csak a Carnot-folyamatnál rosszabb hatásfokú körfolyamatokat lehet megvalósítani. A tényleges körfolyamatokat csak a konkrét munkaközegek figyelembevételével lehet tárgyalni, miután a reális gázok állapotgörbéi eltérnek az ideális gázétól, a gőzöknél pedig a halmazállapot-változások határpontjait a fázis diagramok mutatják meg.

600 T °C 500

400 p1

300

200 100 2 T2

1 0

6 4

s , kJ/(kgK) 14. ábra. Rankine-körfolyamat

A legfontosabb munkaközeg a vízgőz, ezzel lehet a legnagyobb teljesítményű erőgépeket megvalósítani. A dugattyús gőzgépek megjelenése a XVIII. században

döntő lökést adott az ipari forradalom kibontakozásának. megteremtve a gépek működtetéséhez szükséges hajtóerőt és a termelékenység ugrásszerű növelésének lehetőségét. Ez nemcsak a technika fejlődésében volt forradalmi lépés, hanem jelentős kihatása volt a társadalmi viszonyok fejlődésére is. A gőzgép gyorsan teret hódított, bányákban vízszivattyúzásra, városi vízvezetékek működtetésére, textil- és gépgyárakban, malmokban a gépek hajtására, kohókban a fújtatók működtetésére. Idővel a gőzgép az ipari üzemeknek szinte kizárólagos erőgépévé vált, majd a gőzhajó és a gőzmozdony bevezetésével a közlekedést is átformálta, sőt a lokomobilok révén a mezőgazdaságban is megjelent. A fejlődés ütemét érzékelteti, hogy a világban üzemelő gőzgépek összesített teljesítménye a XVIII. században nulláról 104 kW-ra (l0 MW!),majd a XIX. században 108 kW-ra (100 GW) nőtt, vagyis évszázadonként 4 nagyságrendes, viharos tempójú fejlődés zajlott le (a növekedés üteme két évszázadon keresztül évi 10 % körül mozgott). Az első atmoszferikus gőzgépek még nyílt körfolyamatot valósítottak meg, Watt a kondenzátor feltalálásával a zárt körfolyamatra tért át. Mai szemmel az első gőzgép 1..2 %-os hatásfoka és néhány kW-os teljesítménye meglehetősen szerény, de ez mit sem von le korszakalkotó jelentőségükből. Szerkezetük fokozatos tökéletesítése a hatásfok javulását és a teljesítmény növekedését eredményezte, századunk elején már 100 MW-os bonyolult gőzgépóriások is épültek. Ez azonban már a dugattyús gőzgép pályafutásának csúcsát jelentette, mert helyét át kellett adnia korszerűbb, a technika igényeihez jobban illeszkedő erőgépeknek. Dugattyús gőzgépeket ma már csak elvétve használnak, selejtezésre váró gőzmozdonyokban és gőzhajókban, vagy alacsony fordulatszámú gépek hajtására hulladékgőzzel. A gőzgép egy kései utóda a nagy fordulatszámú gőzmotor, melynek vezérlése a belsőégésű motorokhoz hasonló. Főleg hulladékgőz hasznosításánál jöhet szóba, bár vannak javaslatok használatára a gépkocsiközlekedésben is, a környezetszennyezés csökkentése érdekében, e javaslatok mögött azonban tényleges fejlesztési szándék kevéssé érzékelhető. Nagy erőt igénylő melegalakító eljárásoknál hasznosítják a gőz expanzióját dugattyúk mozgatására, pl. gőzkalapácsok, kovácsoló szerszámok esetében, az ilyen gépekben a frissgőz-nyomás felső határa 8..12 bar. A dugattyús gőzgépek szerepét a közvetlenül forgó mozgást szolgáltató lényegesen jobb hatásfokú gőzturbinák vették át. Ezek alkalmazási köre azonban lényegesen szűkebb, mint a gőzgépé volt. Közvetlenül meghajtó erőgépként főleg nagyon nagy teljesítményt igénylő berendezéseknél használják, például nagy tengeri hajók hajtóműveinek, vegyiművek nagy kompresszorainak vagy erőművi nagy blokkok tápszivattyúinak hajtására és esetenként a gőz áramlásához kapcsolódó kisebb berendezések (szivattyúk, ventillátorok) működtetésére. Fő alkalmazási területük az erőművek villamos generátorainak hajtása. Az erőművi turbinák a legnagyobb erőgépek, üzemben vannak 2 GW-os egységek. A gőzturbinák a gőz entalpiaváltozását alakítják át mozgási energiává. A gőzáram sebességét és irányát az állórészben kialakított vezetőcsatornák (álló lapátozás) és a forgórész lapátjainak alakja szabja meg. Attól függően, hogy a forgórész lapátsorában csak a gőz mozgási energiája változik-e meg állandó nyomás mellett vagy pedig a nyomás is csökken, megkülönböztetnek akciós és reakciós turbinát. A nagy turbinák sok lapátsort tartalmazó fokozatokból állnak, melyek között akciós és reakciós

fokozatok egyaránt lehetségesek. Ha az expanzió nagyarányú (a p1 és p2 nyomás különbsége nagy), a turbinát több házra bontják, hogy a hosszú forgórészt több helyen lehessen alátámasztani. Az utolsó lapátsorok mechanikai igénybevétele korlátozza a megvalósítható lapáthosszat, ezért nagy gőzmennyiségnél (600..800 m3/s felett) többszörös kiömlést alkalmaznak. Ez megoldható úgy, hogy a kis nyomású házba középen belépő gőz két irányba távozik a ház végén, nagy teljesítménynél viszont a gőzáramot már meg kell osztani több kis nyomású ház között. A gőzturbinás hőerőműveket többnyire a 14. ábra által mutatott Rankinekörfolyamat jellemzi. A körfolyamatot a folytonos vonallal rajzolt 1-6 sokszög, a víz fázisait szétválasztó határgörbét a szaggatott görbe mutatja. A T2 hőmérsékletű hideg vizet tápszivattyú nyomja a kazánba, nyomása p2-ről p1-re nő (az 1-2 szakasz, aránytalanul nagyra rajzolva), majd a víz állandó p1 nyomáson felmelegszik a T1 forráspontig (2-3). Ezen a hőmérsékleten és p1 nyomáson a víz elgőzölög (3-4), a telített gőzt elvezetik és további hőbevezetéssel még mindig p1 nyomáson túlhevítik a T1 hőmérsékletre (4--5). Ezt követi az expanzió a turbinában (5-6), mialatt a gőz hőmérséklete T1-röl T2-re, nyomása p1-ről p2-re csökken. A munkát végzett gőzt p2 nyomáson hütésse1 cseppfolyósítják (6-1), majd a körfolyamat megismétlődik. A munkaközeggel hőközlés a 2-3-4-5 szakaszon történik, hőelvonás pedig a 6-l szakaszon. A kinyerhető mechanikai munka a körfolyamat által bezárt 1-2-3-4-5-6-l terület, a bevezetett hő a 2-3-4-5 szakasz alatti teljes terület a koordinátatengelyig, a hatásfok e két energia hányadosa. A 13. ábra és 14. ábra összevetéséből kitűnik, hogy a Rankine-körfolyamat hatásfoka lényegesen elmarad a Carnot-körfolyamatétól, a műszaki fejlesztés fő iránya e különbség csökkentésére irányult. Az 1960-as évekig e célkitűzést sikerült is teljesíteni a felső hőmérséklet és nyomás fokozatos növelésével, míg el nem érték az 565..570 °C-os hőmérséklethatárt. Ennél magasabb hőmérsékletre a szokásos szénacélok helyett meglehetősen drága ausztenitos acélokból kell a szerkezeti elemeket készíteni. 600 T °C 500

T1 p

400 300 200 100 T2

p2 0

s , kJ/(kgK) 15. ábra. Szuperkritikus körfolyamat

Az alkalmazott felső nyomás tekintetében két irányzat alakult ki. Az első – főleg európai – gyakorlat nem alkalmaz 170..180 bar-nál nagyobb nyomást, az elgőzölgés a 14. ábra szerint bemutatott módon zajlik le a vízgőz kritikus pontja alatti tartományban majd a végső hőmérsékletet a gőz túlhevítésével érik el. E szubkritikus rendszerekkel sok évtizedes tapasztalatok állnak rendelkezésre, a berendezések kiforrottak, a teljesítmény szabályozása egyszerű. A szubkritikus rendszerek kényesek a kétféle halmazállapotú víz keringési viszonyaira, a cirkuláció zavarai termikus túlterhelődés miatt meghibásodást okoznak. Elsősorban ez váltotta ki a másik gyakorlatot, mely a 300 MW-nál nagyobb teljesítményű blokkoknál 240..270 bar nyomást használ. E nyomáson a víz állapotjellemzői a kritikus pont felett vannak, a forrás folytonos átmenetet jelent a két halmazállapot között, és a munkaközeg magas hőmérsékleten nem gőzként, hanem gázként viselkedik. A körfolyamatból eltűnik a 3-4 vízszintes szakasz, a felső határgörbe egy hiperbolikus izobár (15. ábra). E szuperkritikus rendszerek hatásfoka valamivel jobb, de ezt kényszeráramoltatással kell megfizetni és a szabályozás is jóval bonyolultabb. Létesült 350 bar-os rendszer is, e nagy nyomás azonban nem jár számottevő előnnyel, ezért 240..260 bar-nál nagyobb nyomás alkalmazását nem tervezik. A szub- és szuperkritikus rendszerek egyelőre szilárdan tartják eredeti pozíciókat, de az egységteljesítmény állandó növekedése inkább az utóbbi irányzat térhódítása felé mutat. Az energiahelyzet változása miatt a fosszilis tüzelőanyagokkal működő erőművektől nagyobb manőverező képességet kívánnak, ez viszont a szubkrtitikus rendszerek pozícióját erősíti.

T °C

600 5

500

7 pk

400 p1

300

200 2 1

100

p2 6

0 0

s , kJ/(kgK) 16. ábra. Újrahevítéses körfolyamat

A Rankine-körfolyamat elemzéséből kitűnik, hogy milyen lehetőségei vannak a hatásfok növelésének. Az egyik út a T1 hőmérséklet növelése, aminek az anyagtechnológiai korlátok szabnak határt, a másik a T2 hőmérséklet csökkentése, amelynek viszont a környezetből nyert hűtőközeg (levegő, víz) hőmérséklete szab határt. A nyomásnövelésnek is van felső korlátja. A 14. ábra alapján látható, hogy a hatásfok javul ha a munkaközeg a hő minél nagyobb hányadát magas hőmérsékleten veszi fel. Ennek javítására egyik lehetőség a közbenső újrahevítés. A turbinák

megfelelő kialakításával megoldható, hogy a pk nyomásig expandált gőzt visszavezessék a kazánba, ahol ismételten túlhevítik, majd visszavezetik a turbinába (16. ábra). A jövő fejlesztési iránya az összetettebb körfolyamatok felé mutat (pl. többszörös újrahevítés). A belátható jövőn belül a gőzkörfolyamatokkal elérhető hatásfok a 45..50 % körüli értéket is elérheti. A gázturbinák munkaközege lehet levegő, füstgáz vagy bármilyen más, magas hőmérsékleten stabilis gáz. A nedves és telített gőzök nyomása és hőmérséklete a forrásviszonyok által megszabott kényszerkapcsolatban van, ami korlátozza a körfolyamat határainak megválasztását. A gázkörfolyamat előnye, hogy az állapotjellemzőket egymástól függetlenül lehet megválasztani, a magas hőmérséklethez nem szükséges túl nagy nyomás, az expanziót nem kell nagyon kis nyomásig folytatni. A gázturbinák beömlő nyomása általában 20 bar alatt van, a kiömlő nyomás pedig 1 bar feletti érték. T p1

p2 2

4 3 Q2

a) T p1 1

p2 2

3 Q2 s

T p1 Q1

3 2

5 6

1 Q2 s

c) 17. ábra. Gázkörfolyamatok

Egy – például levegővel lefolytatható – ideális gázkörfolyamatot mutat a 17. ábra (a), a hőbevezetés izotermikus expanzió közben (1-2), a hőelvonás izotermikus kompresszió közben (3-4) történik, az állandó nyomású expandált gáz folyamatosan melegíti fel (2-3) a komprimált gázt (4-l). Kimutatható, hogy egy ilyen körfolyamat hatásfoka megegyezne a Carnot-hatásfokkal, de sajnos nem lehet megvalósítani. Bonyolult berendezéssel csupán a 17. ábra (b) szerinti módon lehetne megközelíteni, melynél több fokozatban az expanzió alatt közbenső hevítés, a kompresszió alatt közbenső visszahűtés van az izotermikus viszonyok megközelítése érdekében. Ilyen bonyolult gázturbina azonban nem lenne gazdaságos, a ma használatos rendszereket a 17. ábra (c) körfolyamata jellemzi (Brayton- vagy Humprey-körfolyamat). A gázt komprimálják (1-2), a fáradt gázzal esetleg előmelegítik (2-3) a hatásfok javítására, az égőtérben tüzelőanyag elégetésével bevezetik a hőt (3-4), a levegő-füstgáz keverék expandál (4-5), majd a légkörbe távozik, meglehetősen nagy Q2 hőtartalommal. E veszteség csökkentésére a távozó gáz útjába hőcserélőt lehet beiktatni, amiben vizet melegítenek fel, vagy gőzt fejlesztenek, amit gőzkörfolyamat hasznosítanak. A jelenlegi stabilis gázturbinák belépő hőmérséklete legfeljebb 1200-1300 °C, de a lényegesen hosszabb élettartamra tervezett turbináknál ennél valamivel kevesebb. lényegesen lassabb fejlődést eredményezett. A gázturbinás erőművek felépítése lényegesen egyszerűbb, mint a gőzturbinásoké, hiszen elmarad a teljes víz-gőz rendszer, valamint a hűtés. Az olcsóbb beruházásnak (és a lényegesen rövidebb építési időnek) azonban a magasabb tüzelőanyag-költség az. A repülőgép gázturbinák tüzelőanyaga petróleumfrakció (kerozin), a stabil gázturbinák földgázzal, kohógázzal, a petróleumhoz közelálló gázolajfrakcióval üzemeltethetők. A belsőégésű motorok a hőerőgépek legelterjedtebb típusai. A hőközlés magában a munkatérben történik, miközben a beszívott levegőben a tüzelőanyag elég, a munkaközeg az égéstermék. E dugattyús motorokban nyílt körfolyamat játszódik te, a munkát végzett füstgáz komoly légszennyezést okozva a környezetbe áramlik ki. A jellemző körfolyamatokat az 18. ábra mutatja, nyomás-térfogat koordináta-

100

rendszerben. Az Otto-körfolyamatban (18. ábra (a)) a levegő-benzin keveréket kompresszió (1-2) után villamos szikra gyújtja meg, ugrásszerű nyomásnövekedés következik be adiabatikusan (2-3), lejátszódik az expanzió (3-4), majd a füstgáz kipufog (4-1). A Diesel-körfolyamatban (18. 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 mindkét motortípusnál eltér az elméletitől, egyrészt az ideálistól eltérő állapotfüggvények miatt, másrészt a gyulladási és robbanási viszonyok optimalizálása más időzítést igényel, például a 18. ábra (c) szerint. p

Q1 4

a) Otto-körfolyamat

b) Diesel-körfolyamat

3 Q

5 Q 1

v c) módosított belsőégésű körfolyamat 18. ábra. Belsőégésű motorok körfolyamatai

A benzin (Otto)-motor könnyű, gyorsan és rugalmasan szabályozható nagy fordulatszámú erőgép. Főleg a kis önsúlyú járművek (személygépkocsi, motorkerékpár, kis raksúlyú tehergépkocsi, motorcsónak) és a kisebb mobil munkagépek (szivattyúk, kompresszorok, anyagmozgató-berendezések, mezőgazdasági és építőipari munkagépek) célszerű erőgépe. A repülés területéről a gázturbina jóformán kiszorította. Igénytelenebb feladatokra kétütemű, egyébként

101

négyütemű kivitelben készül. A csak kis teljesítményre alkalmas kétütemű motornál elmaradnak a közegek áramlását szabályozó szelepek és a szelepeket működtető vezérlőrendszer; a be- és kiömlést maga a dugattyú szabályozza. Az egyszerű konstrukciónak tökéletlenebb égés az ára, ami l5..25 %-kal magasabb fajlagos üzemanyag-fogyasztással és sokkal nagyobb környezetszennyezéssel jár, mint a négyütemű megoldás. Ezért a kétütemű motorok kiszorulóban vannak a használatból. A motorok üzemanyaga alapvetően benzin, de kivételesen benzol, petróleum, alkohol vagy magas fűtőértékű gáz is szóba jöhet. Legfőbb hátránya az alacsony energetikai hatásfok, ami optimális terhelésnél 25 % körül mozog, attól eltérő terhelésnél viszont lényegesen kisebb. A bevezetett energiának átlagosan 20..26 %-a fordítódik mechanikai munkavégzésre, 20..33 %-a a hűtőközegben távozik, 25..35 %-a a kipufogógázban, a tökéletlen égés 15 %-ig terjedő veszteséget okoz és az egyéb veszteségek (sugárzás, áramlási veszteségek stb.) 10..25 %-ot tesznek ki. A könnyű szerkezet megtartása mellett a hatásfok számottevő javítására kevés a kilátás. Ennek ellenére egyelőre versenytárs nélkül áll, mert az 500 W/kg körüli fajlagos teljesítményét más erőgépekkel még meg sem tudják közelíteni. Az Otto-motorral még a benzinnél sokkal kisebb fűtőértékű üzemanyagokkal (pl. földgáz, kőolajkísérő gáz) is 300 W/kg-ot lehet biztosítani. A Diesel-motor robusztusabb kivitelű, kevésbé rugalmas, de energetikailag hatékonyabb erőgép. A fokozatos tüzelőanyag-betáplálás és a nagy nyomás (30..40 bar) ugyanis lassabb és tökéletesebb égést biztosít. Nagy súlya miatt csak nagy önsúlyú járműveknél (nagy teherautók, autóbuszok, vasúti mozdonyok, hajók), helyhez kötött hajtásoknál és nagy teljesítményű munkagépeknél előnyös a használata. Gazdaságosabb üzeme miatt nagyobb személygépkocsikban is alkalmazzák, de ez rosszabb menettulajdonságokkal jár együtt. Míg Otto-motorok legfeljebb néhány 100 kW teljesítményig készülnek, Diesel-motorokkal több MW-os teljesítmény is elérhető, így nagy teljesítményre kizárólagos a használatuk. Üzemanyaga elsődlegesen gázolaj, néha kátrányolaj, készülnek Diesel-üzemű gázmotorok is sokféle éghető gázra (földgáz, kohógáz, városi gáz, generátorgáz stb.). A kisebb Diesel-motorok optimális hatásfoka 35 % körül mozog, a nagyoké 40..45 %, a hatásfok szintén erősen függ a terheléstől, de részterhelésnél lényegesen jobb, mint a benzinmotoroké. Hőmérlegükben átlagosan 20..40 % fedezi a mechanikai munkát, 20..32 % távozik a hűtéssel, 20..29 % a kipufogógázzal, a tökéletlen égés 15 %-ig terjedő veszteséget okoz, az egyéb veszteségek aránya l4..15 %. Nagy motoroknál a hatásfok javítására jóformán általánossá vált a feltöltés alkalmazása, villamos motorral vagy a kipufogógázzal hajtott turbina segítségével kompresszort hajtanak meg, az túlnyomással juttatja a levegőt a munkahengerbe, a természetes szívást meghaladó levegő mennyiség tökéletesebb égést és nagyobb hasznos teljesítményt eredményez. A Diesel-motorok hatásfokának lényeges növelését a szerkezeti anyagok adottságai korlátozzák. A Diesel-motorok fajlagos teljesítménye csak 250..350 W/kg, ami lényegesen elmarad a benzinmotoroké mögött, ezért a Diesel-motorok nehezebbek, nagyobbak és drágábbak. A lényegesen jobb hatásfok viszont energetikai szempontból a Dieselmotorok szélesebb körű használatát teszi kívánatossá. Ugyanezt támasztja alá a benzin-gázolaj arány mérséklésériek szükségessége a fehéráru mérlegben. Intenzív munka folyik a fajlagos teljesítmény növelésére és a gazdaságilag versenyképesebb

102

megoldások kifejlesztésére, egyelőre azonban kevés eredménnyel. Egyes fejlett ipari országokban e kutató-fejlesztő munka jelentős állami támogatást is élvez. 16. táblázat Optimális hatásfok, % Diesel-motor lassú járású, nagy teljesítményű nehéz járműhajtó könnyű járműhajtó Benzinmotor nehéz járműhajtó nehéz motor befecskendezéssel közepes járműhajtó kétütemű kis motor

42 37 32 32 35 27 23

A 16. táblázat összehasonlításul az átlagos konstrukciójú belső égésű motorok optimális hatásfokát tekinti át teljes terhelésnél. Az energetikai hatékonyság mellett a növekvő motorizáció miatt egyre nagyobb súllyal esik latba az erőgépek megítélésénél a környezetszennyezés. A két motortípus összehasonlítására a legkellemetlenebb CO-szennyeződés mértékét mutatjuk (17. táblázat), ami szintén a Diesel-motor javára billenti a mérleget. 17. táblázat Üresjáratban Kis terhelésen Névleges terhelésen

CO a kipufogógázban, % benzinmotor Diesel-motor 9..10 0,2 3,5 0,1 0,2..1,4 0,05

A maximális hőmérséklet benzinmotorban 2200..2700 °C, Diesel-motorban 2000 °C, az átlagos gázhőmérséklet pedig benzinmotornál 400..850 °C, Dieselmotornál 300..600 °C. A szerkezeti anyagok mechanikai szilárdságának, valamint a kenőanyagok kenőképességének biztosítása hűtést igényel, szikragyújtású motoroknál ez még az öngyulladás elkerülése miatt is szükséges. Kis teljesítményű motoroknál léghűtést is alkalmaznak, általánosabb azonban a vízhűtés, melynél a felmelegedett víz hőcserélőn keresztül adja le a felvett hőt a levegőnek. Járműveknél a hűtőközegben és a kipufogó gázban távozó hő – ami a bevezetett energiának 40..70 %-a – általában elvész. Azt legfeljebb a jármű fűtésére lehet felhasználni, ez a hőigény viszont ritkán haladja meg a felhasznált energia 15..20 %-át. Stabilis gépeknél e hulladékhő hasznosítása viszont lehetőséget kínál az energiafelhasználás racionalizálásra. A belsőégésű motorok hatásfokának számottevő javulását várják a mikroprocesszoros szabályozástól, mely az üzemanyag-adagolást és a gyújtást a terheléstől függően, továbbá más funkciókat (pl. járműveknél a fékezést) optimális módon vezérli. 4.1.3. Áramforrások A villamos fogyasztóberendezések túlnyomó nagy többségét a közcélú villamosenergia-rendszer látja el villamos energiával. Az ellátást biztosító kiterjedt, szerteágazó villamos hálózatot több lépcsős feszültségtranszformációkon keresztül az erőművek táplálják. Az ellátásnak ez a rendszere jelenleg erősen centralizált mind műszaki felépítésében (energiafolyam, hálózatkép, üzemirányítás), mind működési

103

módjában (szervezet, beruházás, üzemeltetés, karbantartás). A centralizálás nagyon gazdaságos és üzembiztos villamosenergia-ellátást eredményez. Autonóm villamosenergia-ellátás jellemző a hordozható készülékekre (bár ezeknél is biztosítani szokták a hálózati csatlakozás alternatív lehetőségét) és az olyan mobilis berendezéseknél, mint a járművek, szállítóeszközök, munkagépek stb. Helyi jelentősége van csak az olyan megoldásoknak, amikor egy a villamos hálózattól távol fekvő fogyasztót saját áramforrás lát el, vagy az energiaellátás folytonosságára nagyon kényes fogyasztó tartalékellátását saját áramforrás biztosítja. Speciális kérdés, amikor egyes nagyüzemek a hő és villamos energia kapcsolt előállítására saját ipari erőművet létesítenek, az ellátási tartalék biztosítására ezek rendszerint össze vannak kapcsolva a közcélú hálózattal. A primer energiabázis bővítését célzó kutató-fejlesztő munka egy része olyan áramforrások kialakítására irányul, melyek teljesítménye viszonylag szerény, így elsősorban helyi áramforrásként használhatók (szélmotor, napelem, tüzelőanyag-cella stb.). Az utóbbi időben a fejlett országokban visszatérő javaslat, hogy ezekre támaszkodva a centralizált villamosenergia-rendszert decentralizált ellátással váltsák fel. Ettől a környezetszennyezés csökkenését és a primer energiastruktúra előnyös módosulását remélik. Eltekintve attól, hogy a javasolt megoldások műszakilag még kiforratlanok, és összesített teljesítményük belátható időn belül nem lesz számottevő, a koncepció nem progresszív. A kis teljesítményű áramforrásokat szükségszerűen alacsonyabb termelékenység és nagyobb fajlagos beruházási költség jellemzi. Ezt növeli az energiatárolás vagy a tartalékkapacitások biztosításának költsége. A közcélú ellátás berendezéseinek szakszerű és termelékeny létesítésének, üzemeltetésének és karbantartásának színvonalát a decentralizált ellátásnál még sokkal nagyobb munkaerő ráfordítással sem lehetne biztosítani. Ez az áramellátás nagyobb bizonytalanságában is tükröződik. Mindezek alapján a decentralizált villamosenergia-ellátás műszakilag és gazdaságilag sem versenyképes alternatíva. Eltekintve a távol fekvő fogyasztók autonóm ellátásától, az említett áramforrások legfeljebbjárulékos szerepet kapnak, közvetlenül vagy közvetve kapcsolódva a közcélú hálózathoz (mivel rendszerint egyenáramot szolgáltatnak, az áramnemet módosítani kell). A fogyasztók által felhasznált villamos energia több, mint 99 %-át az erőművek generátorai fejlesztik, hajtásukra többféle erőgépet alkalmaznak. Bár a generátorokat kiemelkedően jó hatásfok jellemzi, az erőgépek miatt a villamosenergia-fejlesztés eredő energetikai hatásfoka alacsony. Egyedül a vízturbinás hajtás 80..90 %-os eredő hatásfoka kielégítő; a világ villamosenergia-termelésének viszont csak 20 %-át szolgáltatják vízerőművek, és részesedésük a véges hidropotenciál miatt szükségszerűen csökkenő tendenciájú. A többi hőerőművekből származik a kémiai vagy nukleáris energia-hő-mechanikai munka-villamos energia közvetett átalakítási láncon keresztül. A hőerőművi kazánok, reaktorok, hőcserélők, turbinák saját hatásfoka szintén magas érték, a lánc gyenge pontja a mechanikai munkát szolgáltató hőkörfolyamat, melynek hatásfok korlátja a hőerőművek eredő energetikai hatásfokának felső határát 45 % körül jelöli ki. Ezt jelenleg csak fosszilis tüzelőanyagbázison lehet megközelíteni, a nukleáris erőművekben egyelőre csak 34..36 % realizálható. Az átalakítási hatásfok tekintetében minőségi változást évtizedeken belül sem lehet remélni, ez az alacsony érték a fő mozgatórugója az

104

újszerű áramforrások fejlesztésének. Mivel a primer tüzelőanyagok jelentős hányadát (országonként változóan 20..40 %) villamosenergia-fejlesztésre fordítják, és az átalakítási veszteségek zöme ebben a folyamatban lép fel, az energiatakarékosságnak jelentős lépése lenne a lényegesen jobb hatásfokú villamosenergia-termelés. A fejlesztés másik indítéka a hasznosítható primer energiaforrások körének kiszélesítése. Ezzel kapcsolatban említésre méltó, hogy a nem konvencionális energiahordozók nagyarányú hasznosítása elsősorban villamos energia formájában látszik reményteljesnek (atom-, nap-, szél-, tengeri, geotermikus energia). A villamos áramforrások közös jellemzője, hogy azokban valamilyen hatás villamosan semleges részecske ellentétes polaritású töltéshordozóit (elektronok, ionok) szétválasztja. Villamos erőtér hatására a töltéshordozók vándorolnak, a pozitív ionok a katódhoz, a negatív töltéshordozók az anódhoz. A töltéshordozók az elektródokon semlegesülnek, ez megváltoztatja az elektródok töltésviszonyait is, az anód negatív töltésűvé válik, ez lesz az áramforrás negatív kapcsa, a katód pedig pozitívan töltődik fel, ez lesz a pozitív kapocs. A gyakorlatban az áramforrás kívülről hozzáférhető kivezetései a kapcsok, elektródnak csak az áramforrás belsejében folyadékba vagy gázba merülő szerkezeti elemeket tekintik, forgógépeknél elektródot nem lehet értelmezni. Forgógépeknél a szétválasztott töltések közvetlenül a kivezetésekre jutnak. Váltakozó áramnál a kapcsok polaritása félperiódusonként felcserélődik. A töltéshordozó-szétválasztásnak sokféle lehetősége van, az energia minden formájának bevezetése számításba jöhet. Töltéshordozó pár keletkezik villamosan semleges atomok vagy molekulák ionizálásakor, ami azokból elektron kilépését jelenti. Az ehhez szükséges ionizálási munkát többféle módon lehet közölni. A termoionizációnál (hőionizálás) ütköző elemi részecskék adják át, ha a magas hőmérséklet hőmozgásuk kinetikus energiáját elég nagyra növeli. A termoionizálás mértéke rohamosan nő a hőmérséklet növekedésével (1000..2000 K felett) és anyagonként változóan 5000..6000 K felett a gázok plazmaállapotba kerülnek, amikor minden atom ionizálva van. Az ionizálási munkát közölhetik fotonok is (fotoionizáció). A termo- és fotoionizálás főleg gázhalmazállapotban hatásos, de kis mértékben a kondenzált fázisokban is bekövetkeznek. A folyadékok specialitása a molekulák disszociációja ionokra, fiziko-kémiai és kémiai kölcsönhatásokra. Oldatokban az ionokat gyakran az oldószer molekulaburka veszi körül (szolvatáció, vízben hidratáció), ami villamosan szintén töltéssel rendelkezik. A villamos erőtér ugyancsak fel tud töltéshordozókat olyan sebességre gyorsítani, hogy rendelkezzenek az ionizálási energiának megfelelő mozgási energiával (ütközési ionizáció). Szilárd anyagokban (és egyes folyadékokban) a villamos erőtérrel a szerkezethez tartozó töltéshordozókat is mobilizálni lehet. Fémekben a kristályrács közössé váló vezetési (szabad) elektronjai gyakorlatilag függetlenek a környezetüktől, egészen gyenge erőtér is elegendő az elmozdításukhoz. Félvezetőkben a szennyeződések nagymértékben befolyásolják, hogy az előzőekben említett effektusok (hő, fény, villamos erőtér) hatására milyen jellegű töltéshordozók mobilizálódnak és milyen arányban. A villamos tér korlátozott 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 (termikus emisszió), a felületbe csapódó részecskék

105

mozgási energiája (szekunder emisszió), fénykvantumok (fotoemisszió) és az erős villamos erőtér is (téremisszió). Ha a kilépett töltéshordozókat nem szállítják el, azok a felület előtt felhalmozódva villamos kettősréteget hoznak létre. A töltések-erőtere ugyanis polarizálja a felület semleges részecskéit, így jön létre az ellentett polaritású réteg. A kettősrétegek kölcsönhatásával magyarázható, hogy egymással érintkező eltérő tulajdonságú szilárd felületek ellentetten töltődnek fel (statikus feltöltődés), szilárd felületeknél a hatás dörzsöléssel fokozható (dörzsvillamosság). Ugyanez érvényesül fluidumokban mozgó szilárd testekre és kolloid részecskékre is. A kapcsok feltöltődése következtében az áramforrásban villamos erőtér alakul ki, ami az áramforrás kivezető kapcsai között potenciálkülönbségben, vagyis villamos feszültségben is megnyilvánul. A töltések elmozdítása ezen erőtér ellenében valamilyen formában energia befektetést igényel. A feszültség a kapcsokhoz csatlakozó külső terhelő áramkörben villamos áramot tud fenntartani. Az áram a külső áramkörön keresztül visszajuttatja a töltéshordozókat az áramforrás belsejébe és azok az eredeti semleges állapotot igyekeznek helyreállítani. Az áramforrást addig lehet terhelni, amíg az energiabevezetés a töltésszétválasztás utánpótlását biztosítja. Ha ez megszűnik, az áramforrás kimerül, vagy működése megszakad. Fémekben az elektronok, más anyagokban az ionok elmozdulása is jellemző a villamos áramra. (A valóságban a villamos áram bonyolultabb folyamat, néha a töltéshordozók ténylegesen vándorolnak, gyakran azonban csak ilyen vándorlással szemléltethető energiaállapotok terjednek tovább, a vezetés mechanizmusa az anyagszerkezettől függ.) 18. táblázat Kiinduló energiafajta 1. Mechanikai

2. Kémiai 3. Hő 4. Sugárzás 5. Nukleáris 6. Villamos

Átalakítás módja indukció (generátor, dinamó) töltéshordozó-transzport (elektrosztatikus generátor, MHD, EGD generátor) piezoelektromos hatás, mikrofon közvetett átalakítás (vízerőmű, szélerőmű) elektrokémiai reakciók (galvánelem, akkumulátor, tüzelőanyag-elem) közvetett átalakítás termovillamos (hőelem, termogenerátor) termoionos (plazmadióda, eletroncső) közvetett átalakítás (hőerőmű, MHD erőmű) foto-villamos hatás (napelem) közvetett átalakítás (hőelem, naperőmű) izotópos áramforrások közvetett átalakítás (atomerőmű, nukleáris áramforrás) átalakítóberendezések (transzformátor, periódusváltó, egyenirányító, tranzisztor) nagyfrekvenciás rezgéskeltők részecsjegyorsítók

A villamos energia előállítására az elektrotechnika számos közvetlen átalakítási úttal rendelkezik, amit a közvetett átalakítási lehetőségek széles spektruma egészít ki. Az alternatívákat a 18. táblázat mutatja, ezek közül azonban gazdasági okokból csak néhány lehetőséget hasznosítanak energetikai célra.

106

4.1.3.1. VILLAMOS ENERGIA MECHANIKAI MUNKÁBÓL

A villamosenergia-ellátás legfontosabb áramforrásai a mechanikai munkát alakítják át villamos energiává. Az indukciós gépeknél a töltésszétválasztást a töltéshordozók és a mágneses erőtér kölcsönhatása biztosítja. Indukált feszültséget ébreszt akár a nyugalomban levő töltéshordozókra ható mágneses tér nagyságának változása az idő függvényében, akár az időben állandó mágneses térben a töltéshordozók és az erőtér közötti relatív elmozdulás, vagy e két hatás együttesen. A gyakorlatban szokványos megoldást a második alternatíva jelenti, a B indukcióval jellemzett mágneses térben egy l hosszúságú vezető mentén indukált U feszültség v relatív elmozdulás esetén, vektoriális írásmódban: U  l v  B

A szokványos forgógépes generátorokban a töltéshordozók a tekercselést alkotó vezetők építőkövei, melyek közül a vezetési („szabad”) elektronok mozdulnak el és hozzák létre az áramot. A mágneses teret rendszerint elektromágnesek létesítik, állandó mágnest csak kis teljesítményű generátorokban alkalmaznak. Egyenáramú generátorokban az állórésben kiképzett pólusok fix mágneses terében forognak a forgórészbe helyezett tekercsek, ezek feszültségét a tekercsek végéhez csatlakozó kommutátorszegmensekről szénkefék vezetik ki. Az egyenáramú generátorokat régebben előszeretettel alkalmazták sok egyenáramú motort használó üzemekben a belső energiahálózat táplálására, azonban ezt nagymértékben háttérbe szorította a váltakozó áram egyenirányítása félvezetőkkel. A nagy váltakozó áramú szinkrongenerátorok egyenáramú gerjesztő gépeinek szerepét is átveszik a félvezetős megoldások, az egyenáramú generátorok fő alkalmazási területe a nagy teljesítményt és változó fordulatszámot igénylő generátor-motor gépcsoportból álló egyenáramú hajtások (Ward-Leonard-rendszer, hengerműhajtás, Diesel-villamos vontatás, bányaemelők) és néhány speciális felhasználási mód (vonat- és gépkocsivilágítás, hegesztődinamó, mérlegdinamó, tahométer) marad. A nagy váltakozó áramú generátorokban a mágneses teret mindig a forgórészbe helyezett tekercsek hozzák létre, mert az ehhez szükséges viszonylag kis gerjesztő egyenáramot egyszerűbb a csúszógyűrűkön bevezetni. E forgó mágneses tér indukálja az állórész tekercseiben a feszültséget. A váltakozó áramú generátorok szinkrongépek, melyek csak a névleges frekvencián és az a körüli nagyon szűk frekvenciatartományban üzemképesek. Az állórész tekercseit úgy kapcsolják össze, hogy a gép háromfázisú feszültséget (és áramot) szolgáltasson. Az indukált feszültség f frekvenciája az n fordulatszámtól és a forgórészben kialakított mágneses póluspárok p számától függ: f 

pn 60

ha n a percenkénti fordulatszám és f dimenziója Hz. A póluspárok száma a forgórész felépítésétől függ. A gőzturbinákkal hajtott nagy turbógenerátoroknál hengeres kiképzésű forgórészt használnak, amiben egy kétpólusú tekercselést helyeznek el, így p = 1 és a gép fordulatszáma 3000, ha f = 50 (illetve 3600, ha f = 60). A mechanikai igénybevétel csökkentésére egészen nagy atomerőművi turbógenerátorokat félfordulatszámon üzemelő négypólusú (p = 2) hengeres

107

kiképzésű forgórészekkel is építenek. Ez főleg a nagyobb fordulatszámot igénylő amerikai erőművekben szokásos, bár a nagy generátorgyárak a teljes fordulatszámú kétpólusú generátorokat is szállítani tudják (1,3 GW-os egységek üzemben is vannak). Az egy egységben megvalósítható gépek teljesítményét a szállítási lehetőség szabja meg, mivel a turbógenerátorok a legnagyobb súlyú forgógépek. A gőzturbinagenerátor gépcsoport általában egytengelyes, a gőzturbina összes fokozata egy generátort hajt. Egészen nagy blokkok 1 GW felett kéttengelyes kialakításban is készülnek, a turbinafokozatokat két külön generátor hajtására osztják meg, ami csökkenti a blokk hosszát. Kisebb fordulatszámra sok pólusú generátorokat készítenek, a forgórész nem hengeres, hanem kiálló pólusú. Ilyen rendszerűek a vízerőművekben használt hidrogenerátorok (eltekintve a propeller és csőturbináktól), valamint egyes belsőégésű motorokkal vagy gázturbinákkal hajtott kisebb generátorok is. A generátorok hatásfoka az egységteljesítménnyel nő, kisebb gépeké 95..98 %, a legnagyobb turbógenerátoroké a 99 %-ot is meghaladja. A szinkrongenerátorok szabályozása bonyolult és érzékeny automatikákat igényel. Fordulatszámát és hasznos villamos teljesítményét a hajtó erőgéppel lehet szabályozni, hálózatra kapcsolódó generátoroknál biztosítani kell a szinkronizmust a hálózattal, ezt maga a villamos kapcsolat is erősíti. Feszültségét és a meddő villamos teljesítményt a gerjesztéssel lehet szabályozni. A villamos kapcsolódáson keresztül a gép üzemi jellemzőire maga a csatlakozó villamos hálózat is visszahat, a szabályozóknak biztosítani kell, hogy a generátor illeszkedjen a változó hálózati jellemzőkhöz. Tranziens jelenségeknél bonyolult villamos lengések alakulnak ki, ami mechanikai lengésekkel is összekapcsolódik, ebben nagy szerepet játszik a turbina és a generátor forgórészében tárolt kinetikus energia is. A szinkrongenerátorok üzemvitele összefonódik a teljes villamosenergiarendszer üzemvitelével. A generátorok hajtására minden forgó mozgást szolgáltató erőgéptípus alkalmas. A gőzturbinák és a vízturbinák hajtotta turbó- és hidrogenerátorokat az előzőekben már érintettük. Terjed a gázturbinák alkalmazása is erőművekben, földgázban gazdag területeken a kapcsolt hőszolgáltatás ellátására is népszerűsítik. A gázturbinákhoz kapcsolódó generátorok rugalmas és egyszerűsített turbógenerátorok. Járművekben szükség-áramforrásokban, üzemzavari tartalékberendezésekben belsőégésű motorokkal is hajtanak egyszerű kis generátorokat. Ezek közül a legnagyobb darabszámot a járművek akkumulátorával puffer üzembe kapcsolt generátorok (régebbi járművekben dinamók) képviselik. A mechanikai munka közvetett átalakítását valósítják meg a vízerőművek és a szélerőművek.

4.2.

Erőművi energiaátalakítás

Az előzőekben tárgyalt energiaátalakítási módok mind olyan folyamatokra és berendezésekre mutattak példákat, ahol az energiaátalakítás egy lépésben ment végbe. A nagy méretekben történő erőművi energiaátalakítás összetett folyamat, ahol az egyes energiafajtákat több lépésben alakítják át, míg végül előállnak az értékesíthető termékek: hő- és villamos energia.

108

Ebben az alfejezetben áttekintést kívánunk nyújtani a fontosabb erőművi folyamatokról és berendezésekről. Az erőművek a már említett két fő terméket előállíthatják külön-külön is, ebben az esetben villamos energia esetén kondenzációs erőműről, hőenergia esetén pedig fűtőműről beszélünk. A két termék előállítása történhet egymással összekapcsoltan is, ekkor fűtőerőműről van szó. Az erőműveket szokás még a hőerőgépekben munkát végző közeg alapján is csoportosítani. Ekkor – gőzerőművekről beszélünk, ha a hőenergia-mechanikai munka átalakítás gőzturbinákban zajlik le és a munkaközeg vízgőz; – gázturbinás erőművekről beszélünk ha a hőenergia-mechanikai munka átalakítás gázturbinákban zajlik le és a munkaközeg (füst)gáz; – kombinált ciklusú erőműről van szó, ha a az előző két megoldást valamilyen formában összekapcsoljuk. Az utóbbi néhány évben erőteljesen terjedni kezdett a belsőégésű motorokkal üzemelő ún. gázmotoros fűtőerőművek alkalmazása kisebb igények kielégítésére. 4.2.1. Gőzerőművek A következőkben vizsgáljuk meg, hogy folyamatok játszódnak le egy gőzerőműben, milyen fontosabb berendezésekből épül fel az erőmű. Mivel korábban már megismerkedtünk a fontosabb energiaátalakító berendezésekkel és folyamatokkal, itt csupán rövid összefoglalást adunk az egyes erőművi technológiai lehetőségekről. 4.2.1.1. KONDENZÁCIÓS ERŐMŰ

Vizsgáljuk a 19. ábra szerinti egyszerűsített kapcsolás vázlat szerinti kondenzációs erőművet és az abban lejátszódó energiaátalakítási folyamatot. Az erőmű a tüzelőanyag kémiailag kötött energiáját több lépésben villamos energiává alakítja. Az energiaátalakítás folyamatai és berendezései a következők: – folyamat: kémiai energia hőenergiává alakítása (lásd: 4.1.1.1. pont), – berendezés: gőzkazán (lásd: 4.1.1.2. pont); – folyamat: hőenergia mechanikai energiává alakítása (lásd: 4.1.2.1. pont), – berendezés: gőzturbina; – folyamat: mechanikai energia villamos energiává alakítása (lásd: 4.1.3. szakasz), – berendezés: villamos generátor (lásd: 4.1.3.1. pont). A generátorokban fejlesztett villamos energiát a szállítás érdekében más feszültségszintekre transzformálják. Ezt az átalakítást a transzformátorok végzik el. Mivel az előállított hőenergia nem alakítható át teljes egészében mechanikai munkává, ezért a folyamat végén gondoskodni kell a hőelvonásról, ez a folyamat a kondenzátorban történik, ahol a környezetből vett hűtőközeggel a munkaközegtől hőt vonunk el, ez a hőmennyiség a környezetbe kerül. Kondenzációs erőművek eredő hatásfoka (tüzelőanyaggal bevitt hő/villamos energia) kialakítástól függően 30..45 % közötti.

109

4.2.1.2. FŰTŐERŐMŰVEK

A fűtőerőművek a kondenzációs erőművektől alapvetően a hőelvonás hőmérsékletszintjében és annak céljában különböznek. Fűtőerőműveknél a hőelvonás nem környezeti, hanem annál lényegesen magasabb hőmérsékleten történik és célja a hőigények kielégítése. Ezeket az igényeket az erőművek vagy gőzzel vagy forróvízzel, ill. e kettővel együttesen elégíthetik ki. Az ilyen típusú erőművek felépítése alapjában véve megegyezik a kondenzációs erőművekével, azzal a különbséggel, hogy a hőelvonás ún. fűtési hőcserélőkben történik. Egy ilyen egyszerűsített kapcsolást mutat az 20. ábra . Kémiai-hő energia

Hő-mechanikai munka

villamos energia

füstgáz

tüzelőanyag Kazán

Gőzturbina Generátor

égési levegő

M echanikai munkavillamos energia

Hűtőközeg környezeti hőmérsékleten Kondenzátor

19. ábra. Kondenzációs erőmű egyszerűsített kapcsolási vázlata Kémiai-hő energia

Hő-mechanikai munka

villamos energia

füstgáz

tüzelőanyag Kazán égési levegő

Gőzturbina Generátor M echanikai munkavillamos energia

Fűtési forróvíz Fűtési hőcserélő Hő-hő

20. ábra. Ellennyomású fűtőerőmű egyszerűsített kapcsolási vázlata

Természetesen az erőművek ezeken kívül még nagyszámú egyéb berendezést is tartalmaznak, ezek ismertetése azonban nem feladatunk.

110

4.2.1.3. FŰTŐMŰVEK

A fűtőművek célja a hőigények kielégítése, ami általában forróvízkazánokkal történik. Itt az energiaátalakítás egy lépésben megy végbe, a tüzelőanyag kémiailag kötött energiája annak eltüzelése révén melegíti fel a hőhordozó közeget. E folyamatokat és berendezéseket a 4.1.1. szakasz ismerteti. 4.2.2. Gázturbinás erőművek A hőerőgépeket ismertető 4.1.2.1. pontban már bemutattunk néhány gázturbina körfolyamatot. Az erőművi gyakorlatban ezek a berendezések a 17. ábra(c) által mutatott körfolyamat szerint üzemelnek. A gázturbinás erőművekben az energiaátalakítás a következő lépésekben megy végbe: – folyamat: kémiai energia hőenergiává alakítása, – berendezés: égőkamra; – folyamat: hőenergia mechanikai energiává alakítása, – berendezés: gázturbina; – folyamat: mechanikai energia villamos energiává alakítása, – berendezés: villamos generátor. Egy gázturbinás erőmű egyszerűsített kapcsolását mutatja a következő, 21. ábra. Tüzelőanyag Villamos energia Égőkamra

Kompreszor

Levegő

Gázturbina

Generátor

M agas hőmérsékletű füstgáz 21. ábra. Gázturbinás erőmű egyszerűsített kapcsolási vázlata

Az ilyen kapcsolás szerint létesített gázturbinás erőművek hatásfoka a 18..35 % tartományban mozog. A gázturbinából kilépő füstgáz hőmérséklete 650..500 °C tartományban mozog. Ezt a magas hőmérsékleten rendelkezésre álló hőmennyiséget célszerű hasznosítani. A hasznosítás a kombinált ciklusú erőművek valósítják meg. A megvalósított kapcsolások igen sokfélék lehetnek. Kezdve az egyszerű hőszolgáltatásig, ahol a távozó füstgáz hőjével vizet melegítenek fel, egész összetett

111

gáz/gőz munkaközegű körfolyamatokig, lehűlő füstgázzal nagynyomású és nagyhőmérsékletű gőzt fejlesztenek, amit gőzturbinás erőműrészben hasznosítanak. Az összekapcsolt erőműben a gőz munkaközegű részt még kiegészíthetik valamilyen hőkiadási móddal. Néhány példát találhatunk ezekre a lehetőségekre a 6.5. alfejezetben.

112

5. ENERGIAELOSZTÁS ÉS TÁROLÁS Az energiaátalakítás és fogyasztás között a hálózatok biztosítják a kapcsolatot. A nem vezetékes energiahordozókat közúton, vasúton vagy vízi úton szállítják, ezek részére fogadótelepeket kell építeni, amelyek a szállítás és fogyasztás üteme közötti eltéréseket egyenlítik ki. A vezetékes energiahordozókat az adott energiahordozó szállítására alkalmas vezetékhálózaton (villamos vezeték, csővezeték) juttatják el a fogyasztóhoz. 5.1.1. Tárolótelepek, tankállomások A szilárd tüzelőanyagok tárolása bunkerekben vagy szabadtéren történik. A tárolóterület meghatározásánál figyelembe kell venni a megengedhető rétegvastagságot. Barnaszénnél pl. a tárolási magasság az öngyulladási hajlam miatt nem lehet 1,6 m-nél magasabb. Ismerve a tüzelőanyag 0 halmazsűrűségét, a szükséges terület:

A

V m  , h h

ahol V a tárolt térfogat, h a tárolási magasság és m a tárolt tömeg. A hazai szenekre  értéke 710..755 kg/m3 között van. Nagyfogyasztók és erőművek általában rosszabb minőségű szeneket használnak. Ezek halmazsűrűsége elérheti a 900..1100 kg/m3 értéket is, tárolási magasságát gyakran 5..8 m-ben határozzák meg. Az öngyulladást vízelárasztással vagy tömörítéssel akadályozzák meg. Mindkét eljárás csökkenti a felületi poremissziót is, ezért környezetvédelmi szempontból is előnyös. Szilárd hulladékokat eltüzelő kazánok tárolóit zártra készítik, hogy a bűzkibocsátást a minimálisra csökkentsék. Ilyenkor a tároló néhány Pa vákuum alatt van és a tároló légteréből elszívott levegő szolgáltatja az égési levegőt, vagy annak egy részét. A tűztérbe juttatott levegő bűzt okozó szennyeződése a magas hőmérsékleten elég, így annak ártalmatlanítása is meg van oldva. A beérkező tüzelőanyag fogadására megfelelő fogadóteret kell kiépíteni. Ez gyakran egy olyan gépkocsi állás, amelyről a billenős tehergépkocsi a tárolóba üríti a tüzelőanyagot. Nagyobb tárolóknál kerekeken mozgatható szállítószalagra történik az ürítés. A szállítószalag tölti a tárolót, majd a megfelelő rétegvastagság elérésekor a szállítószalagot arrébb helyezik. Az erőművi széntárolóknál rendszerint vagonfogadó és buktató rendszert építenek ki. A tüzelőberendezések táplálását is a tárolóval összhangban kell kialakítani. Gyakori, hogy szállítószalag, markolós daru vagy csigás adagoló adagolja a kazánokba a tüzelőanyagot. Nagyobb rendszereknél a kazán elé több m3-es hombárokat építenek, amelyekből alul szállítócsigával vagy szállítószalaggal történik a kazán tárolása, míg felül zavartalanul folyhat a hombár feltöltése. A folyékony tüzelőanyagoknál alapvető különbség van az ún. könnyű fűtőolajok, mint pl. a gázolaj és a nehéz fűtőolajok, mint pl. a pakura között. A különbség abból

113

adódik, hogy a könnyű fűtőolajok környezeti hőmérsékleten szivattyúzhatók, a nehéz fűtőolajok viszont a környezet hőmérsékletén bedermednek. Lakossági és kommunális célra szinte kizárólag könnyű fűtőolajokat használnak, az ipar, főleg a nagyfogyasztók viszont rendszerint nehéz fűtőolajjal tüzelnek. A könnyű fűtőolaj tárolásának legelterjedtebb módja a föld alatti acéltartályos tárolás. A tartály gyártására, telepítésére, szivárgásellenőrzésére és időszakos vizsgálatára szigorú környezetvédelmi célú előírások vannak érvényben. A 22. ábra egy föld alatti olajtároló rendszer kapcsolását mutatja be.

22. ábra. Olajlefejtő állomás

Az olajat szállító tankautó a lefejtő aknában elhelyezett lefejtőszűrő flexibilis csatlakozására kapcsolva, a töltőcsövön keresztül tölti a föld alatti tartályt. A tartályból kiszoruló olajgőzzel telített levegő a légzővezetéken és a lefejtő aknában elhelyezett flexibilis csatlakozáson keresztül a tartálykocsi légterébe távozik, így a szennyezett levegő nem jut ki a környezetbe (gázingás töltés). Az olajégő egyenletesebb ellátása érdekében a feladó szivattyúk rendszerint egy napi tartályt töltenek, és a napi tartályból gravitációs úton történik az égő ellátása. A rendszer kötelező szerelvényeit és tartozékait, a telepítési távolságokat kötelező szabványok írják elő. Régebben a szívóvezeték aljára lábszelepet tettek, így nem önfelszívó örvényszivattyúkat is lehetett alkalmazni a feladásra. Az újabb előírások szerint lábszelepet nem szabad használni, mert így, egy esetleges csőlyukadáskor, a szívócső vákuum alá kerül és a csőben lévő olaj nem a környező talajba, hanem a tartályba csurog vissza. A nehéz fűtőolajakat rendszerint álló hengeres, 1000..10000 m3 névleges tárolótérfogatú tartályokban tárolják. Feltöltésük – ahol megfelelő iparvágány van kiépítve – vasúti tartálykocsikból történik. A nehéz fűtőolaj csak 70..90 °C hőmérsékleten szivattyúzható, ezért a tartályban is és a szállítóvezetékeken is fűtésre van szükség. A 23. ábra egy vasúti lefejtő elvi sémáját mutatja be.

114

23. ábra. Vasúti olajlefejtő állomás

A szivattyúzási hőmérséklet alacsonyabb, mint a tüzelőberendezésbe beporlasztott olaj hőmérséklete, ezért a fogyasztók előtt további előmelegítésére van szükség. Az előmelegítéshez szükséges gőzt a kazánok állítják elő. Teljes leállások után azonban az induláshoz is szükség lenne gőzre. Ezt úgy oldják meg, hogy a kazánokat könnyű fűtőolajjal indítják, és csak a nehéz fűtőolaj felmelegedése, azaz a kellő előmelegítés után állnak át a nehéz fűtőolajra. Természetesen emiatt ki kell építeni a könnyű fűtőolajos rendszert, és tárolni is kell az induláshoz szükséges mennyiséget. 5.1.2. Csővezeték hálózatok A csővezeték hálózatok kialakítása, szerelvényei a szállított közeg minőségétől és fizikai paramétereitől (nyomás, hőmérséklet) függ. A továbbiakban a konstrukciós kialakításokkal (falvastagság, alátámasztások, tágulási kompenzátorok, stb.) nem foglalkozunk, kizárólag az energetikailag értékelhető paramétereket tárgyaljuk. Vízvezeték-hálózatok kialakításánál a nyomvonal és a csőátmérő a két legfontosabb paraméter. A hálózat forrása a közmű bekötővezetéke, vagy az üzemi kut(ak). Ha közműves vízellátásunk van a bekötő vezetéken kell elhelyezni a vízórát, ami a szolgáltatói elszámolás eszköze. Saját kutak esetén célszerű minden kúthoz egy vízórát beépíteni, amivel a fogyasztások összegét is megkapjuk és a kutak működését is ellenőrizhetjük. Ha nagy a fogyasztások ingadozása, célszerű helyi víztornyot létesíteni. A hálózat elrendezése lehet sugaras vagy hurkolt (24. ábra).

115

24. ábra. Csőhálózat kialakítás

A hurkolt hálózatot az ellátás biztonságának fokozására és az egyenletesebb terhelés érdekében szoktak kialakítani. Hátránya, hogy meghibásodás esetén a hibafeltárás és a hibás szakasz kiszakaszolása nehezebb, mint a sugaras hálózatoknál. Épületek vízigényét a rendeltetése szerint határozzák meg. A fajlagos vízigényekre mutat néhány példát az 19. táblázat. 19. táblázat Megnevezés

Rendeltetési egység Lakóépületek Fő Kórházak Ágy Alsó- és középfokú intézmények Tanuló Oktató és kisegítő személyzet további létszám Fő Szállodák Ágy Közigazgatási intézmények Fő Ipar Ivóvíz Fő Használati melegvíz Dolgozónként Takarítás Dolgozónként

A hálózat várható órai csúcsfogyasztását figyelembevételével határozzák meg:

Napi vízigény. liter/rend. egység 220...350 350...500 30...50 50...70 250...400 20...30 2...3 20...150 2...3

egyenlőtlen

terhelések

qn , V  Z 24

ahol Z az egyenlőtlenségi tényező, q a rendeltetési egység napi vízigénye és n a rendeltetési egységek száma. Az egyenlőtlenségi tényező a fogyasztók számának növekedésével nő. Lakóépületekben hidegvíz fogyasztásra Z=2,1...4,0, melegvíz fogyasztásra Z=2,6...4,2. A hálózat egy állandó belső átmérőjű szakaszában fellépő nyomásesést a hidraulikai ellenállással számítjuk:

116

 l  v2 p       , db  2  ahol  a szerelvények, csőidomok ellenállástényezőinek összege,  a csősúrlódási tényező, l az egyenes szakaszok összes hossza, db a cső belső átmérője, v az áramlási sebesség és  a szállított közeg sűrűsége. Gyakran a vezetékszakasz szállítókapacitását kell a nyomások ismeretében meghatározni. Figyelembe véve, hogy d 2 , V  Av és A  4

az ellenállásra vonatkozó összefüggésből:

d 2 V  4

2 p  l       db  

 p1

l  db

p 

p

p 25. ábra. Egyszerűsített modell

A vízhálózatoknál nem kerülhető el a fogyasztók egymásra hatása, az a jelenség, hogy egy fogyasztó bekapcsolásával az ugyanazon szakaszon lévő fogyasztók teljesítménye lecsökken. Ennek magyarázatára vizsgáljuk a 25. ábra szerinti egyszerű sémát! Egy közös vezetékszakaszra két azonos  ellenállású fogyasztó van rákötve. A vezetékszakasz elején p1, végén p0 a nyomás, az elágazás p közbenső nyomását az ellenállások aránya határozza meg. Az összes ellenállás, mivel a két ágban a p2=p - p0 egyforma: p  p1  p2 . Ha az egyik szerelvény zárva van, és a leágazások átmérője megegyezik a bekötővezetékek átmérőjével, akkor a vezetékszakasz kapacitása:

d 2 V1  b 4

2 p .  l       db 

Ha mindkét szerelvényt kinyitjuk, a gerincvezetéken az ágvezetéki fogyasztás kétszerese áramlik keresztül, ami megnöveli a gerincvezeték ellenállását, ami miatt a p közbenső nyomás lecsökken. A rendszer új kapacitása:

117

db2   V2  4

ami kisebb, mint teljesítményét.

2 p ,  l       db 4 

2V1 . Tehát a második fogyasztó bekapcsolása csökkentette az első fogyasztó

A fogyasztók egymásra hatása annál erőteljesebb, minél nagyobb a közös vezetékszakasz ellenállása Az 26. ábra az előbbi példa szerinti hálózatban mutatja be a kifolyási sebesség csökkenését a közös szakasz ellenállásának függvényében, ha a teljes nyomáskülönbség 1 bar és a szerelvények ellenállástényezője 10. 40

A kifolyási sebesség csökkenése, %

0 0

Közös szakasz ellenállása

26. ábra. Kifolyási sebesség

A teljes hálózat nyomás-térfogatáram viszonyait különböző hálózatszámítási módszerekkel lehet számítani. Mindegyik módszer az általánosított Kirchhofftörvényeken alapszik. Csomóponti törvény: egy csomópontban a befutó áramok összege megegyezik a csomópontból kilépő áramok összegével:

 m be,i   m ki, j . i

Állandó sűrűség esetén az összefüggés a térfogatáramokra is igaz. A huroktörvény szerint egy hálózati hurkon végighaladva az előjelhelyes nyomáskülönbségek összege zérus:

 pk  0 . k

Ezt a törvényt használtuk ki a példában, amikor azt állítottuk, hogy a p2 mindkét ágban azonos.

Meleg- és forróvíz hálózatok kialakításának alapelvei megegyeznek a hidegvíz hálózat kiépítésének szabályaival, természetesen annak figyelembevételével, hogy lényegesen nagyobb hőtágulással kell számolni, ezért több kompenzátorra és elmozduló alátámasztásra van szükség. Fokozott gondot kell fordítani a légtelenítő,

118

légbeszívó és leürítő szerelvények elhelyezésére, működőképességére, és rendszerint a hálózat betáplálási pontja közelében kell elhelyezni a tágulási tartályt is. A meleg és forróvíz vezetékeket hőszigeteléssel kell ellátni. A hálózat hővesztesége az összes csőhossztól és a szigetelés vastagságától, anyagától ill. állagától függ. Fokozottan ügyelni kell a minimális nyomvonalhossz kialakítására, mivel így nem csak a nyomásveszteség, de a hőveszteség is kisebb lesz. A hőszigetelt cső hőellenállása azt mutatja meg, hogy 1m hosszú cső falán átáramló egységnyi hőáram mekkora hőmérsékletkülönbséget hoz létre a belső és külső közeg hőmérséklete között. Ez három tényezőből tevődik össze:

R

t b  t0  Rb  Rfal  Rk , q

ahol tb és t0 a csőben áramló, ill. a szigetelést körülvevő közeg hőmérséklete, Rb a csőben áramló közeg, Rfal a csőfal és Rk a csövet körülvevő közeg hőellenállása. A belső és külső közeg hőellenállását az  hőátadási tényezőkből számíthatjuk: R

1 d

ahol d a (belső vagy külső) átmérő. A fal ellenállása (az acél csőfal ellenállását elhanyagoljuk a szigetelés hőellenállásához képest): Rfal 

1 2

dk , db

ahol  a szigetelőanyag hővezetési tényezője, db a szigetelés belső, dk a szigetelés külső átmérője. A külső hőátadási tényezőt tapasztalati képletből számíthatjuk. Épületen belül, nyugvó levegőben:

 k  9,4  0,052t k  t 0  . Szabadban vezetett csővezetékre vsz szélsebesség mellett:

 k  4,16

0,8 vsz 0, 2

1  5,3 t k  t0

 t k  273 4  t 0  273 4      .  100    100  

Mindkét képletben a tk a szigetelés külső hőmérsékletének hőmérséklete, t0 pedig a környezeti hőmérséklet. Az eredő hőellenállás ismeretében a csővezeték méterenkénti hővesztesége: q 

t b  t0 . R

Az összefüggésekből láttuk, hogy a hőátadási tényező függ a falhőmérséklettől, amit viszont csak a hőáram ismeretében tudunk meghatározni:

 k, t k  t 0  qR ezért rendszerint iterációs számítást kell alkalmaznunk (27. ábra).

119

500

q , W/m

400 q =158,16 W/m

300

Levegőoldali hőveszteség

200 100

A szigetelés hővesztesége

tk=33,5 °C

0 10

100

t k, °C 27. ábra. Hőáram számítása

A méterenkénti hőveszteség ismeretében meghatározható a szállított közeg méterenkénti hőmérsékletcsökkenése is: t 

q ,  mc

ahol m a szállított tömegáram és c a közeg fajhője. Hosszú csővezetékeknél a belső közeg hőmérséklete folyamatosan változik, emiatt a méterenkénti hőveszteség is csökken. Egy L hosszúságú vezetékszakaszra: L    Rmc   1  e   t be  t 0  , Q  mc    

ahol tbe a szállított közeg hőmérséklete az indulásnál. A hőmérlegből az L szakasz végén a hőmérséklet:

t ki  t be 

Q .  mc

Sík fal esetén a szigetelés vastagságának növelésével a hőveszteség egyértelműen csökken. Csöveknél viszont két ellentétes hatás érvényesül: egyrészt a szigetelés vastagságának növelése növeli a hőellenállást, viszont a külső átmérő növekedése miatt a levegővel érintkező felület is nő, ami növeli az átadható hőáramot. Ezért lehetséges, hogy kis csőátmérőknél és nem nagyon kis hővezetési tényezőknél a hőveszteség a falvastagság növelésének egy tartományában növekszik. Erre mutat példát a 28. ábra.

120

d b=10 mm t b=100 °C t k=0 °C

Hőveszteség, W/m

200 1 W/(mK)

150 100 50

0,1 W/(mK)

0 0

10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Szigetelés vastagsága, mm

28. ábra. Hőveszteség a szigetelés vastagságának függvényében

Gázhálózatokat sűrített levegő és tüzelőanyag ellátására szoktak kialakítani. A sűrített levegő hálózat csőanyagai az acél mellett lehetnek műanyagok vagy színesfémek is. Csatlakozáshoz gyakran használnak flexibilis műanyag vagy gumi csöveket is. A hálózat nyomását úgy kell kialakítani, hogy a csatlakozási pontokon lehetőleg 6 bar túlnyomás legyen, mert a légszerszámok teljesítményüket ezen a nyomáson tudják 100 %-ban leadni. Az egyenletes nyomás biztosítása érdekében a sűrített levegő hálózat gyakran tartalmaz hurkokat. Egy jellegzetes kialakítást mutat a 30. ábra A sűrített levegő előállítása kompresszorral történik. A kompresszorba bevitt (rendszerint villamos) energiával közelítőleg azonos mennyiségű hőt kell elvonni a komprimált és felmelegedett levegő hűtésére. Ez a hő, vagy ennek egy része megfelelő fogyasztó esetén (pl. használati melegvíz termelésére) hasznosítható. A levegő nedvességtartalma a sűrítés folyamán a sűrített levegőben is bennmarad, de a parciális nyomása az össznyomás megnövekedésével arányosan megnő. Ennek a következménye, hogy a sűrített levegőből a hűtés folyamán víz válhat ki. Ezért a komprimált és lehűtött levegőből a vizet el kell távolítani. A szárítás két alkalmazott módja: – hűtve szárítás (legfeljebb +2 °C harmatpontig), – adszorpciós, molekulaszűrős vagy abszorpciós szárítás (-40 °C harmatpontig).

29. ábra. Sűrítettlevegő-hálózat kialakítása

121

Olajkenésű kompresszorok alkalmazása esetén a csapadék-leválasztással együtt a kompresszor hengereiből elragadott olaj leválasztását is meg kell oldani. Végül a komprimált, visszahűtött és szárított levegőt légtartályba vezetik, amivel a fogyasztások egyenetlenségeit lehet kiegyenlíteni. A 30. ábra egy sűrített levegő termelő rendszer sémáját mutatja be. A tüzelőanyag ellátására készült gázhálózatoknál – néhány speciális esetet kivéve – szinte mindig földgáz hálózatról beszélünk. Az országos ill. szolgáltatói gázhálózat különböző nyomásszintű alrendszerekből épül fel: – 10 bar felett nagynyomású – 3..10 bar között nagyközépnyomású – 0,1..3 bar között középnyomású és – 0..0,1 bar között kisnyomású hálózatról beszélünk. Az ipari üzemek és a nagyobb kommunális létesítmények általában a középnyomású rendszerből kapják a betáplálást. A lakossági rendszerek kisnyomáson (névleges érték 25 mbar) vagy növelt kisnyomáson (névleges érték 85 mbar) csatlakozhatnak a hálózathoz.

30. ábra. Sűrítettlevegő előállítása

A fogyasztói rendszerek a szolgáltatói hálózathoz egy mérő, szabályzó ún. gázfogadón keresztül csatlakoznak. Üzemen belül a gerincvezetékeket rendszerint föld felett, esetleg közműcsatornában vezetik. A lakossági és kommunális fogyasztóknál az épületen kívüli vezetékeket föld alatt vezetik. Ipari üzemekben a gerincvezetéket lehet hurkolva kialakítani, de a leágazó vezetékek hálózata csak sugaras lehet. Minden leágazásnak, és minden fogyasztónak kiszakaszolhatónak kell lenni. A gerincvezetéken is és a bekötővezetékeken is biztosítani kell minden kiszakaszolható vezetékszakaszban a (visszarobbanás ellen védett) szellőztetési lehetőséget.

122

A földgázhálózatokban a fogyasztók ki-/bekapcsolásából adódó egymásrahatást a vezetékszakaszokba ill. a fogyasztók elé beépített nyomásszabályzókkal szokták kiküszöbölni. A földgáz hálózatok nyomvonalára, telepítési távolságaira, szerkezeti anyagára, vizsgálati módszereire számos előírás van érvényben, ezért az ilyen rendszerek tervezését csak arra jogosult tervező végezheti, és a tervdokumentációt is és az üzembehelyezést is engedélyeztetni kell. A gázhálózatok nyomásveszteségeinek számítására kis nyomásesések esetén, amíg a térfogatváltozásból adódó sebességnövekedés nem jelentős, használhatók a vízhálózatoknál is alkalmazott képletek természetesen a gáz anyagjellemzőinek figyelembevételével. Hosszú, vagy a mennyiséghez képest kis átmérőjű vezetékeknél azonban figyelembe kell venni, hogy a nyomáscsökkenés következtében a gáz térfogata megnő, emiatt a sebesség is növekszik, ami visszahat a hidraulikai ellenállásra. Az összenyomhatatlan közegekre érvényes lineáris nyomásváltozás a csőhossz mentén parabolikussá válik: minél távolabb kerülünk a kiindulási ponttól, az egységnyi hosszra eső nyomásesés annál nagyobb lesz. Képletben:

p12  p22  

L 2 v  p , d 1 1 1

ahol p1 és p2 a nyomások a vezeték elején és végén,  a csősúrlódási tényező, L és d a vezeték hossza és belső átmérője, v1 a gáz sebessége az indulási pontban és 1 a gáz sűrűsége az indulási nyomáson. A 31. ábra egy 10 bar indítónyomású csővezeték nyomáslefutását mutatja a relatív hossz függvényében. Ha a gáz sebessége a nyomáscsökkenésből adódó tágulás miatt eléri a hangsebességet, torlódás alakul ki és a csőben további nyomáscsökkenés nem tud kialakulni. Ilyenkor a csőben a nyomás a fenti képlet szerint csökken a cső végén kialakuló kritikus nyomásértékig függetlenül attól, hogy a kilépésnél mekkora a környezet nyomása. A kritikus nyomásviszony:  p1  L      1 , d  p2  kr

ahol  = cp/cV a gáz adiabatikus kitevője.

123

p 1 = 10 bar v 1 = 25 m/s

p 2, bar

= 1,2 kg/m = 0,03

6 4 2 0 0

5000

10000

15000

20000

25000

30000

x /d

31. ábra. Nyomáslefutás a relatív hossz függvényében

A kiáramlási sebesség a hangsebességgel egyezik meg: v kr  a  RT ,

ahol R a gázállandó és T a kiáramlás hőmérséklete. Mivel a nyomás tovább nem csökkenthető, a hangsebesség a csővezeték kapacitását is lekorlátozza. Egy A állandó keresztmetszetű csővezeték maximális áteresztő kapacitása p1 indítónyomás mellett:

m max  Ap1

 L   RT    1  d 

A 20. táblázat néhány L/d viszonyra mutatja a kritikus nyomásviszonyt és az egységnyi keresztmetszetű csővezeték maximális áteresztő kapacitását 10 bar induló nyomásnál földgázra, ahol  = 1,3, az átlag moltömeg M = 19, a csősúrlódási tényező,  = 0,03 és a hőmérséklet T = 300 K.

A gőzhálózatok kialakításánál a gőz jellegéből adódó sajátosságokat kell figyelembe venni. Egy gőzhálózat mindig két fő szakaszra osztható: az előremenő gőzvezeték rendszerre és a visszatérő kondenzvíz hálózatra. A kettő között vannak a fogyasztók, amelyek a gőz kondenzációjából nyerik a számukra szükséges hőt. A fogyasztó kilépő oldalát kondenzátumleválasztóval kell ellátni. A kondenzátumleválasztó a fogyasztó szabályozó eleme: csak annyi gőzt enged be a rendszerbe, amennyit az le is tud kondenzálni. 20. táblázat L/d (p1/p2)kr p2 /A m 100 1000 10000 100000 1000000

124

2,21 6,32 19,77 62,46 197,48

bar 4,52 1,58 0,51 0,16 0,051

kg/(hcm2) 511,8 179,1 57,29 18,14 5,736

A hőveszteségek miatt a gőzvezetékekben is történik kondenzátum kiválás. Emiatt a vezetékszakaszokon is 25..50 m-enként kell vízleeresztő csonkot beépíteni. A folyadékütések és az ebből adódó zaj csökkentése érdekében a csővezetékeket olyan legalább 1:100 lejtéssel kell szerelni, hogy a kondenzvíz a gőzzel azonos irányban áramoljon. A gőzt a vezetékhálózatból ún. hattyúnyakkal kell elvenni, hogy a fogyasztó felé ne továbbítsunk a kondenzvizet (32. ábra).

32. ábra. Kondenzgyűjtő rendszer

A kondenzvíz vezeték átmérőjét annak figyelembevételével kell megválasztani, hogy a nyomáscsökkenés következtében a víz egy része kigőzölög, ezért ezt az ún. sarjúgőzt is el kell tudni vezetni. A gőzvezeték hőveszteségét ugyanúgy számítjuk, mint a meleg- és forróvíz vezetékek hőveszteségét. Telített gőz esetén a vezetékben a hőmérséklet nem változik, ezért a méterenkénti hőveszteség állandó lesz: q 

t b  t0 , R

ahol tb a gőz nyomásához tartozó telítési hőmérséklet. A méterenként és óránként keletkező kondenzátum mennyisége az átszámítási tényezőkkel beszorozva:

m kond  3,6

q

r  p

ahol r(p) a gőz adott nyomáshoz tartozó párolgáshője. 5.1.3. Villamosenergia-rendszer 5.1.3.1. A RENDSZER ÁLTALÁNOS ISMERTETÉSE

A fogyasztók villamosenergia-igényét az egyes erőművek nem elszigetelten, hanem egységes villamos hálózatra kapcsoltan látják el. Az együttműködő országos erőműrendszer létrehozását a villamosenergia-ellátás biztonsága és gazdaságossága indokolta. Az együttműködésben rejlő előnyök kiszélesítése érdekében, valamint a villamosenergia-export vagy import lehetővé tétele szükségessé tette az országos villamosenergia-rendszerek összekapcsolását. A következőkben bemutatjuk azon egységeket, melyekből a villamosenergiarendszerek felépülnek. Ezek az egységeket többféle szempont alapján

125

csoportosíthatjuk. Az első szempont a rendszerben ellátott feladat. E feladatok a következők lehetnek: villamosenergia-fejlesztés, elosztás-szállítás, végső felhasználás. A következő pontban ezen szempontok alapján tovább vizsgáljuk a rendszer egyes elemeit. A rendszerben a villamos energiát az erőművek állítják elő különböző energiahordozók átalakításával. Az erőműveket az alábbi szempontok alapján csoportosíthatjuk: – cél alapján: közcélú vagy ipari (nem közcélú); – kooperáció alapján: kooperációba bevont vagy kooperációba nem bevont; – kihasználás alapján: alap-, menetrendtartó- vagy csúcserőmű; – felhasznált tüzelőanyag fajta alapján: szén, szénhidrogén vagy nukleáris; – kapcsolás alapján: kondenzációs erőmű, fűtőerőmű vagy fűtőmű. A továbbiakban részletesen vizsgáljuk az egyes szempontok alapján történő besorolásokat, de ez előtt néhány alapvető, a továbbiakban gyakran használt fogalmat kell definiálnunk. A Beépített Teljesítmény (Rendszer Beépített Teljesítmény) PBT , ill. PRBT magyar definíciója: Az erőművekbe beépített turbógépcsoportok wattos teljesítményeinek összege. A csúcsteljesítmény: a rendszer/erőmű szinten igényelt legnagyobb teljesítmény: Pcs . Az adott erőművet közcélúnak tekintjük, ha feladata az adott ország, vagy egy régió ipari és kommunális fogyasztóinak ellátása. Az MVM Rt. erőművei közcélú erőművek. Az erőművet iparinak (saját célúnak tekintjük), ha feladata elsődlegesen egy ipari üzem energiaigényeinek kielégítése. Az ipari erőműveket bevonhatják a közcélú villamosenergia-ellátásba (kooperáció). Az erőművet kooperálónak nevezzük ha része az országos (regionális) villamosenergia-rendszernek (villamosenergia-rendszerek egyesülésének), és ezen hálózaton együttműködik a többi erőművel. A kooperáló erőművek rendszerszintű irányítását, teherelosztását a közcélú erőműveket irányító diszpécserközpont végzi. Az erőművet nem kooperálónak nevezzük, ha nem része villamosenergiarendszernek, feladata kizárólag egy adott ipari üzem energiaigényeinek kiszolgálása. Ilyenek például a nagyobb élelmiszeripari (cukorgyár), vegyipari, kohászati üzemeket ellátó kisebb erőművek. Ezek célja általában hőkiadás valamilyen formában e mellett előállíthatnak villamos energiát is. Az erőművet alaperőműnek nevezzük, ha csúcskihasználási időtartama igen magas (évi 5500 óra felett), közel állandó teljesítményen üzemel. Az alaperőművek általában a korszerű, jó hatásfokkal és olcsó tüzelőanyaggal üzemelő, rendszerint új erőművek. (Magyarországon: Paksi Atomerőmű). A menetrendtartó erőművek követik a villamosenergia-igények változásait. Viszonylag rugalmasan és tág határok között képesek terhelésüket változtatni. Menetrendtartásra építhetünk új erőművet is, de rendszerint a régebbi alaperőművek válnak fokozatosan menetrendtartóvá. (Mátrai, Tiszai, Dunamenti erőművek.)

126

A csúcserőművek csak a villamos csúcsfogyasztás időszakában üzemelnek. Csúcskihasználási óraszámuk 1500..2000 h/év alatt van. Erre a célra olcsó (alacsony beruházási költségű) erőműveket indokolt létesíteni, melyeknél drága tüzelőanyag és alacsony hatásfok is megengedhető. (Inotai gázturbina.) Az egyes definíciók megértését segíti a 33. ábra által mutatott, egy erőműre érvényes éves tartamdiagram. Ezen az ábrán feltüntettük a csúcs- és a beépített teljesítmény értelmezését is. A kihasználási óraszám alapján történő besorolás szemléletesen leolvasható. A pontvonallal határolt terület a beépített teljesítmény és az arra vonatkozó kihasználási időtartam alapján mutatja az előállított energiamennyiséget, a szaggatott vonal pedig a csúcsterhelésre vonatkozóan.

PBT P

Csúcserőművek M enetrendtaró Alaperőművek 



BT cs

=8760 h/év

33. ábra. Az erőművek besorolása kihasználás alapján 5.1.3.2. A MAGYAR VILLAMOSENERGIA-RENDSZER FELÉPÍTÉSE

A villamos energia termelés feladatát hazánkban, jelenleg az MVM Rt. látja el. A társasághoz tartozik 8 erőmű részvénytársaság (Bakonyi Erőmű Rt., Budapesti Erőmű Rt., Dunamenti Erőmű Rt., Mátrai Erőmű Rt., Paksi Erőmű Rt., Pécsi Erőmű Rt., Tiszai Erőmű Rt., Vértesi Erőmű Rt.), 6 áramszolgáltató társaság (ELMŰ, DÉDÁSZ, DÉMÁSZ, ÉDÁSZ, TITÁSZ) valamint az Országos Villamostávvezeték Rt. (OVIT). A fent említett erőművek részben nagyobb városok, valamint ipari központok közelében találhatók, melyek nagy része az 1950..1970-es években épült. A villamos energiának az erőművektől a fogyasztók felé továbbítását, a villamosenergia-rendszerek közötti kapcsolatot – köztük a nemzetközi energiacserét is – az átviteli hálózatok (lásd 34. ábra) biztosítják. A villamos energia átviteli hálózatok együttműködő rendszere mindenütt a világon, így hazánkban is több különböző célú és feszültségű hierarchikusan összekapcsolódó rendszerből áll. A feszültségszinteket transzformátorok kötik össze. Az egyes feszültségszintek kiválasztása a szállítási távolság, a szállítandó mennyiség, a berendezéselemek ára és az alkalmazott elemek egységessége figyelembe vételével számításokon alapul. Az üzembiztonságon túlmenően alapvető cél, hogy az elemek beruházási költségterhe, valamint az átvitel energiavesztesége és kiszolgálási költsége hosszú távon a minimális legyen.

127

Mivel a villamos energia elosztása és szállítása különböző feszültségszinteken megy végbe, ennek ezért megkülönböztetünk alap-, főelosztó (szabadvezetékes és kábeles), középfeszültségű és kisfeszültségű hálózatot. A következőkben sorra vesszük ezen hálózattípusok néhány jellemző tulajdonságát. Alaphálózatnak tekintjük mindazon hálózatokat, illetve a hálózatok azon vezetékszakaszait, melyek a villamos energia rendszerben elsőrendűen: – az alaperőműveknek az országon belüli vagy nemzetközi kooperációjára szolgálnak; – az alaperőművekből vagy a nemzetközi kooperáció csomópontjaiból a villamos energiának a főelosztó hálózatok felé való átvitelére szolgálnak. A MVER-ben e hálózat része a 750 (nemzetközi kooperációs), 400 és 220 kV-os vezetékrendszer. Az alaphálózaton kooperálnak a MVER „nagyerőművei” (a beépített teljesítmény nagyobb mint 100 MW). Főelosztó hálózat a 120 kV-os szabadvezetékes, a 120 és 35 kV-os kábeles hálózat. A főelosztó hálózaton keresztül kooperálnak a kisebb (100 MW alatti beépített teljesítményű) és a nem közcélú erőművek. A főelosztó hálózat feladata az áramszolgáltató társaságok belső együttműködésének, a szomszédos társaságokkal való kapcsolattartásának biztosítása, nagyobb fogyasztói körzetekben a villamos energia szállítása, ipari nagyfogyasztók ellátása, nagyrészt hurkolt kialakítású, kisszámú sugaras elemmel, Az elosztóhálózat 35, 20 és 10 kV-os részeit összefoglalóan középfeszültségű hálózatnak nevezzük. A középfeszültségű hálózat, feladata villamos energia továbbítása a főelosztó hálózati alállomások mintegy 10..40 km-es körzetében 35, 20, 10 kV-os feszültségszinten a 0,4 kV-os fogyasztókat ellátó közép/kisfeszültségű transzformátorállomásokig, illetve a nagyobb teljesítményigényű ipari és mezőgazdasági fogyasztókig, sugarasan üzemel, egy-egy elem kiesése 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 és alállomások. Az állomáson csak a villamos energia áramlás iránya változik meg (csatlakozások, leágazások). Az alállomáson az áramlási irányon kívül megváltozik a villamosenergia-továbbítás feszültségszintje is. 5.1.3.3. RENDSZERIRÁNYÍTÁS

A magyar energiarendszerben a teherelosztók többszintű megosztásban végzik feladatukat. A teherelosztás célja a mindenkor elérhető legkisebb önköltség, figyelemmel a korlátozó és határfeltételekre. Az MVM Rt. Országos Villamos Teherelosztójának (OVT) közvetlen irányítása alá tartoznak a nagyerőművek, az alaphálózat és alaphálózati alállomások, a körzeti teherelosztók és a villamos energia külkereskedelme. (35. ábra) Az import igénybevétele történhet állandó teljesítménnyel és menetrendes szállítással. Nemzetközi együttműködés folytatható párhuzamos üzemben (amikor a

128

két vagy több rendszer azonos frekvenciával együtt jár), szigetüzemben (amikor az egyik rendszer egy részét a másik rendszerről látják el), irányüzemben (amikor az egyik rendszer erőművet és fogyasztókat is tartalmazó része a másik rendszerrel jár együtt) és egyenáramú betéten keresztül (amikor a két rendszer frekvenciája eltérő lehet és az energiaáramlás irányát az egyenirányítókat és invertereket tartalmazó betét szabályozása határozza meg). Az import technikailag és gazdaságilag is előnyös lehet. Elsődleges energiahordozókban, természeti erőforrásokban szegény országban (tehát hazánkban is) a villamos energia szállítása olcsóbb lehet, mint a tüzelőanyag szállítása és hazai eltüzelése, másrészt a villamosenergia-termeléssel együtt járó környezetszennyezés is elmarad. Ugyanakkor kockázatokkal is jár, mivel az import kimaradása ellátási zavarokat okozhat. Nemzetközi kooperáció

Alaphálózat 750-400-220 kV OVT Nagy fogyasztók Nagy erőművek

Főelosztó hálózat 120 kV KDS Z Fogyasztók Középfeszültségű elosztóhálózat

Kis erőművek

35-20-10 kV ÜIK

Kisfeszültségű elosztóhálózat

Törpe erőművek

lakossági

0.4 kV

kommunális fogyasztók

kis

34. ábra. Az országos villamos hálózat sémája

129

Országos Villamos Teherelosztó Szabályozás Szállítás

Erőművek

Áramszolgáltatók

Elosztás

Fogyasztók

Szolgáltatás

Termelés Import

Fogyasztás

Export 35. ábra. Rendszerszintű feladatok

Az Áramszolgáltató Részvénytársaságoknál (ÁSZ Rt.) működő körzeti alteherelosztó vagy körzeti diszpécser szolgálatok (KDSZ) a főelosztó hálózat, valamint az elosztóhálózat kiemelt vezetékeinek és az erre a hálózatra dolgozó erőművek üzemirányítását végzik. Az elosztóhálózatok működésének irányítását az üzemirányító központok (ÜIK) látják el. Így áll össze egységes egésszé a villamos energia termelése és elosztása Magyarországon. (36 ábra) KOOPERÁLÓ VER-EK NEM ZETI TEHERELOSZTÓI

OVT

NAGYERŐMŰVEK

KDSZ-ok

KISERŐM ŰVEK

ÜIK-ok

NAGYFOGYASZTÓK

NEMZETKÖZI TEHERELOS ZTÓ

CDO

NEM ZETKÖZI KOOPERÁCIÓ+ ALAPHÁLÓZAT

FŐELOSZTÓHÁLÓZAT

KÖZÉPFESZ. HÁLÓZAT KISFOGYASZTÓK

36 ábra. A VER operatív üzemirányítási rendszerének elvi sémája 5.1.3.4. GAZDASÁGOS ÜZEMMENET

A szolgáltatók a fogyasztók költségeinek csökkentése és saját profitjuk maximálása érdekében egyaránt a legkisebb költségre törekszenek. A villamos energia költségei két nagy csoportra oszthatók. Az első csoportba a szolgáltatást végző berendezések meglétével, szolgáltatási képességének megőrzésével, bármikori üzemeltethetőségével kapcsolatos állandó költségek, mint az értékcsökkenési leírás (amortizáció), a személyzeti-karbantartási költség, a finanszírozási költségek, az adminisztráció. (Ezekért a fogyasztó kapacitásdíjat fizet.) A második csoportba a tényleges üzemeltetéssel kapcsolatban felmerült változó – döntően tüzelőanyag –

130

költségek tartoznak. (Ezekért a fogyasztó áramdíjat fizet.) A csúcsigénynél nagyobb beépített kapacitások, a biztonsági okokból felhalmozott tüzelőanyag-készletek (állandó) költségeit is meg kell fizetni (a kapacitásdíjban). A legkisebb állandó költséggel a csúcsgázturbinák bírnak. Alaperőműként a kőszénre, nehézolajra épített erőmű és az atomerőmű jön szóba. Levonható a következtetés, hogy alaperőművi üzemmódban a nagy állandó költség mellett csak a kis változó költségű egységek lehetnek gazdaságosak, míg csúcsüzemre csak kis állandó költségű egységek használata célszerű. Ezek gazdaságos kihasználási óraszámát a változó költség dönti el, ez minél kisebb, annál nagyobb a kihasználási óraszám. Az előzőekből az egyes egységek kihasználására, a közöttük lévő teherelosztásra is következtethetünk. Mivel az állandó költséget mindenféleképpen ki kell fizetni, a rendszerszintű költségek minimálása érdekében először a legkisebb változó költségű egységeket terheljük ki, legvégül mindig az adott fogyasztói igény kielégítéséhez (a villamos tartaléktartást is figyelembe véve) még szükséges soron következő legkisebb változó költségű egység üzembe vételére kerül sor. Elképzelhetők olyan nagyon nagy változó költségű egységek is, amelyek egész évben tartalékban állnak, üzembe vételükre – a tervezettnél kisebb fogyasztói igény, vagy a feltételezettnél kevesebb üzemzavar miatt – nem kerül sor. A valóságban az egységek közötti teherelosztás, az indítási sorrend meghatározása nem a változó költség, hanem (az indítás-leállítás költségeit is figyelembe véve) a növekményköltség alapján történik. Ez a változó költségtől – amely egy adott, rendszerint névleges teljesítményre vonatkozó átlagérték – annyiban tér el, hogy a berendezések terhelés függvényében változó fajlagos hőfogyasztását is figyelembe veszi és a tényleges teljesítménynél, annak szűk környezetében pontosan mutatja a költségek teljesítményváltoztatás hatására bekövetkező változását. 5.1.3.5. AZ ERŐMŰVEK KÖRNYEZETI HATÁSAI

A hagyományos erőművek környezetszennyezése a környezet minden elemét érinti. A szennyezőanyagok közül a gázok hatása (a magas erőművi kémények miatt) elsősorban az erőművektől távolabb, kontinentálisan, globálisan érvényesül, míg az egyéb szennyezéseké az erőmű környezetében. A tüzelőanyagok elégésekor keletkező CO2 az üvegházhatásért, az SOx a savas esőkért, a tüzelőanyagban lévő nitrogén, nitrogénvegyületek, ill. az égéshez felhasznált levegő nitrogénjéből keletkező különböző nitrogén-oxidok (NOx) a savas esőkért, a földet körülvevő ózonréteg károsításáért felelősek. A nitrogén-oxidokat illetően az erőművek kibocsátása hazai viszonylatban a közlekedésből származó kibocsátás mintegy felét teszi ki. A tüzelőanyagok hamujából felszabaduló nagyon kis mennyiségű F, Cl a halogén vegyületekhez hasonlóan hozzájárul az ózonréteg fogyásához. A tüzelőanyagok hamujából a rossz hatásfokú porleválasztás következtében a kéményen át távozó pernye és koromszemcsék, nehézfémvegyületek a kémény környezetében lévő ökorendszereket károsítják. Ugyanakkor a nyomelemek és más hatóanyagok révén a terméseredmények javításához, a kártevők hatásának mérséklődéséhez is hozzájárulhatnak. A tüzelőanyag hamujából és a kéntelenítés melléktermékeként képződő szilárd anyagokat deponálni kell. Ennek mennyisége hazai viszonylatban 4 millió tonnára

131

tehető évente. Emellett évente néhány tonna nehézfém (vanádium, cadmium, nikkel stb.) sókat tartalmazó külön leválasztott veszélyes hulladék is képződik. Ezek deponálása helyett a továbbhasznosítás a cél. A szilárd anyagok tárolásánál a vízzel kioldható elemek talajvízbe kerülését meg kell akadályozni, ezért lerakásuk csak alul, felül vízzáróan kialakított deponiákba engedhető meg. A környezetszennyezés csökkentésére fontos ezen maradékok újrahasznosításának növelése (építési, útépítési anyagként). A vízszennyezések közül legnagyobb a nyári hőszennyezés, az erőművi körfolyamat veszteséghőjének élő vizekkel való elsődleges elnyeletése, ami az ökorendszerek életfeltételeinek drasztikus megváltozását okozhatja. Télen akár hasznos is lehet, ha például a folyók hajózhatóságára gondolunk. Emellett a már említett szilárdanyag-deponiák talajvízszennyezésén kívül az erőművi körfolyamatok a szilárd égési maradványok hidraulikus szállítására felhasznált évente kb. 45 millió m3 sókkal, lúgokkal szennyezett vízzel, a kazánüzemi víztisztító berendezések regenerálásához felhasznált évi 10..12 ezer tonna sóval, valamint néhány száz m3 olajos csapágyhűtő mosóvízzel is terhelik az élő és talajvizeket. Ezekhez képest a nukleáris erőmű környezetszennyezése gyakorlatilag minimális és jól ellenőrizhető. Az atomerőművek légköri kibocsátása elhanyagolható nagyságú. Üzemanyagának térfogata, tömege, a belőle előállítható energia egységére vetítve több nagyságrenddel kisebb, mint az ennek megfelelő széné vagy olajé. Szilárd és folyékony hulladékai ugyanakkor radioaktívak, semmiféle módszerrel nem tisztíthatóak, aktivitásukat csak a múló idő csökkenti. A villamosenergia-ipar környezetvédelméhez hozzátartozik a fázisjavító kondenzátorok dioxintartalmú elektrolitjainak és a PVC szigetelésű kábelek maradékainak különleges eljárásokkal történő ártalmatlanítása is. A villamosenergia-rendszer a környezetszennyezés csökkentése terén jelentős eredményeket elsősorban a nukleáris termelés részarányának növelésével, másrészt a korszerű pernyeleválasztók beépítésével ért el. Részeredmények más területeken is születtek, pl. a hibrid szénpor-fluid tüzelés alkalmazása az Ajkai Erőműben kéntelenítésre, NOx szegény égők alkalmazása a Dunamenti Erőműben, sűrű zagyos salak-pernye lerakás 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 szempontból elavultnak tekinthető. A szenes rekonstrukciókkal csak a porkibocsátást sikerült néhány helyen az elfogadható szintre csökkenteni. Jelentősen mérséklődött ugyan az SOx-kibocsátás is, de ez elsősorban a szénerőművi termelés visszaesésének és nem a környezetvédelmi intézkedéseknek a következménye. Lényegében az atomerőművi termelés megjelenésének az eredménye az NOx-kibocsátás mérséklődése is. Nem ilyen kedvező a helyzet az erőművi fajlagos emissziók területén. A kén-dioxid és a nitrogén-oxid emisszió erőműveinkben sokszorosa az Európa-normákkal előírt megengedhető értékeknek. Vannak ugyan törekvések a meglévő erőművekben a helyzet javítására, de jelentős javulás csak tetemes beruházási költségekkel volna elérhető. Jobbnak látszik az elavult technológiájú erőművi főberendezések cseréje, mint a tisztító berendezések utólagos felszerelése. A környezetvédelmi szabályozás a közeljövőben módosulhat, tehát nyugat-európai kibocsátási határértékek válhatnak

132

érvényessé, amelyeket 5 vagy 10 éven belül a meglévő erőművekre is alkalmazni kell. 5.1.4. Átadás-átvételi mérések és elszámolások A fogyasztó és a szolgáltató között az energiahordozó átadása-átvétele mindig valamilyen mérés alapján történik. Szilárd tüzelőanyag átvétele mérlegeléssel történik. Nagyobb tételeknél a mérés abból áll, hogy a szállító járművet terhelten (beérkezéskor) és terhelés nélkül (kilépéskor) is megmérik. A mérést vagy a fogyasztó végzi, vagy a fogyasztó képviselőjének jelenlétében a szállító. Mindkét fél érdeke, hogy a mérőeszköz hitelesítve legyen. A szállított tüzelőanyag minőségének (fűtőértékének) mérésére rendszerint nincsen mód, a fogyasztó rendszerint elfogadja a forgalmazó nyilatkozatát. Az elszámolás rendszerint szállítmányonként történik. Folyékony tüzelőanyagot vasúti vagy közúti tartálykocsikból a fogyasztók tartályaiba történő átfejtéssel veszi át a fogyasztó. Az átfejtést a szállító végzi. Az átfejtett mennyiséget az átvételi bizonylat rögzíti, ennek alapján történik az elszámolás. Ma már rendszerint van a tartálykocsikon átfolyásmérő, de az átfejtett térfogat a tartályok kalibrált szintmérőjével a szintváltozásból is meghatározható. A cseppfolyós tüzelőanyagok minőségét szabvány írja elő, a forgalmazónak csak arról kell nyilatkoznia, hogy a szállított fűtőolaj megfelel a szabványnak. Mivel az olajok sűrűsége erősen függ a hőmérséklettől, az elszámolásoknál gondot okozhat, ha a szállítási hőmérséklet jelentősen eltér a tárolás átlagos hőmérsékletétől. Az elszámolás itt is az átvételi bizonylatok alapján történik. A cseppfolyós gázok átvétele az átadott tömeg alapján történik. Mivel a gáz minősége szabványos, amit a szállítási bizonylaton tűntetnek fel, elegendő a folyékony állapotú átfejtett tüzelőanyag V térfogatát és p nyomását mérni, a telítési nyomáson vett  sűrűségből a tömeg meghatározható:

m  V . Az 21. táblázat a propán, bután és ezek 50 %-os keverékének sűrűségét mutatja különböző hőmérsékletekhez tartozó telítési nyomáson. 21. táblázat Hőmérséklet O C -10 0 10 20 30

Propán Nyomás bar 3,4 4,8 6,5 8,7 11,1

Sűrűség kg/m3 546 535 521 505 488

50-50%-os keverék Nyomás Sűrűség bar kg/m3 2,2 578 3,1 565 4,3 552 5,8 538 7,5 524

Bután Nyomás bar 0,7 1,0 1,4 2,1 2,9

Sűrűség kg/m3 610 599 588 578 568

Kisebb tartályoknál a cseppfolyós gáz súlyát mérik a tartállyal együtt. A vezetékes energiahordozóknál a mérés folyamatos és összegző, az elszámolás rendszerint havonta történik. Vízhálózatok megtáplálásánál DN 150 mm átmérőig vízórákat használnak. A vízórák folyamatosan összegzik az átáramlott térfogatot, így egy adott időszakra eső fogyasztást a kezdő és záró időpontban leolvasott értékek különbségéből kapjuk. A vízórák leolvasása vizuálisan vagy elektronikusan történhet. Az elektronikus számlálóval ellátott vízmennyiségmérők számítógépes rendszerre

133

köthetők. A vízórákat kiszakaszolhatóan kell beépíteni, hogy egy esetleges cseréhez ne kelljen az egész hálózatot leüríteni. Az óra elé szennyfogót vagy előszűrőt kell beépíteni. A hazai gyártású vízórák a szűrőt beépítve tartalmazzák. A vízórák előtt és után - típustól függő hosszúságban - egyenes, zavartalan áramlású csőszakaszt kell biztosítani. Nagyobb mennyiségek mérésénél mérőperemes áramlásmérőket alkalmaznak. A mérőperem pillanatnyi értékeket mér, az összegzésről rendszerint elektronika gondoskodik. Kifolyások áramló vízáramait mérik bukógáttal vagy más szűkítővel ellátott csatornával. A szennyvíztisztítók szokásos mérőeszköze a Parshall-csatorna (37. ábra). Mind a Parshall-csatornában, mind a bukógátaknál a szintmagassággal arányos az átáramló vízmennyiség.

37. ábra. Parshall-csatorna

A földgáz fogadása és mérése a kisnyomású hálózat szintjén gázmennyiség mérővel (gázóra) a középnyomású szintről történő vételezésnél gázfogadókban történik. A gázfogadók több funkciót is ellátnak: – mérik, szabályozzák és regisztrálják a gáz (kiadási) nyomását, – mérik a gáz hőmérsékletét, – mérik és összegezik a felhasznált földgáz mennyiségét, – a beépített szűrővel megakadályozzák a szilárd szennyeződés továbbterjedését, – a fogyasztói rendszer és a szolgáltató hálózat kiszakaszolását és a fogyasztói rendszer gyors lekapcsolását biztosítják (elzáró szerelvények és gyorszár), – a biztonságos lefúvatás lehetőségét biztosítják. Mivel a gázmérők az átáramló térfogatot mérik, a mért értékeket normál állapotra kell átszámítani: p TN  p 273  VN  V V  rV , pN T 101325  t  273

ahol V , p és t a gáz mért térfogatárama, nyomása és hőmérséklete, az N index a normál állapotra utal, az r pedig az átszámításból adódó ún. korrekciós faktor. A korszerűbb gázfogadókban már olyan mérőműszerek vannak beépítve, amelyek a

134

mért értékek alapján a korrekciót automatikusan kiszámítják és a korrigált értéket jelzik ki ill. összegzik. A gáz fűtőértékét a szolgáltató szokta (kérésre) megadni, ill. a számlán feltűntetni. Melegvíz szolgáltatásnál a szolgáltatott hőt és a melegvíz mennyiségét is meg kell mérni. A vízmennyiség mérésére lényegében ugyanazok az eszközök állnak rendelkezésünkre, mint a hidegvíz szolgáltatásnál. A szolgáltatott hőenergia meghatározásához a víz hőmérsékletét kell megmérni a felmelegítés előtt és a kiadásnál. Ebből:

Q  mct be  t ki  , ahol m a vizsgált időszakban kiadott összes melegvíz tömege, c a víz fajhője, tbe és tki a víz be- és kilépő hőmérséklete. Olyan melegvíz hálózatoknál, ahol a hosszú vezetékszakaszok miatt állandóan fenntartunk egy bizonyos cirkuláltatott mennyiséget, ott a kiadott víz és a pótvíz mennyiségéből valamint a kiadott és a visszatérő víz hőmérsékletéből lehet a kiadott hőt meghatározni (38. ábra):





Q  mki ct ki  mki  mpot ct v .

A szolgáltatott víz mennyisége a pótvíz mennyiségével egyezik meg:

m  mpot .

38. ábra. Hőmennyiség mérése melegvíz-szolgáltatásnál

Meleg- és forróvizes hőszolgáltatásnál az előremenő és a visszatérő víz hőmérsékletkülönbségéből és a cirkuláltatott víz mennyiségéből határozhatjuk meg a szolgáltatott hőt: Q  mc(t e  t v ) .

Ha a kiadási hőmérséklet változik, a tartamdiagramból (39. ábra) tudjuk a felhasznált energiát kiszámítani:

135

  c m Q   Qd   t e  t v d . T

39. ábra. Hőszolgáltatási tartamdiagram

Gőzrendszereknél az elszámoláshoz nem elégséges a kiadott gőz paramétereit mérni, mivel a visszatérő kondenz hőtartalma és főleg mennyisége lényegesen befolyásolja a gőztermelés költségeit. Távfűtésnél a távfűtési rendszer a hőközponton keresztül adja át a hőt a fogyasztói rendszernek. Az elszámolás is ennek megfelelően a hőközponti mérések alapján történhet. A távhő rendszer leggyakrabban zárt forróvíz hálózat, amelyik a hőközpontokban hőcserélőkön keresztül termeli a fűtési és a használati melegvizet is. A hőközpontok kapcsolási sémájára nincs előírt szabály, de hőtechnikailag előnyösebb a soros kapcsolású rendszer. Egy elterjedt kapcsolást mutat a 40. ábra.

40. ábra. Hőközpont kialakítása

Az elszámolások határa a mérőhely. A mérőhely előtti szakasz veszteségei a szolgáltatót, a mérőhely utáni szakasz veszteségei a fogyasztót terheli. A szolgáltatott energia díjszabásánál a helyes módszer, ha figyelembe vesszük a költségek tagozódását:

136

d  C0  a E E ,

ahol d a szolgáltatás ára, C0 az állandó (pl. készenléti) díj, aE a szolgáltatott energia egységára és E a szolgáltatott energia. A C0 állandó díjtétel tartalmazza a beruházással arányos amortizációs költségeket és az energia mennyiségétől független éves költségeket (mint pl. a bérköltség, felülvizsgálati díjak stb.), de ebbe a költségelembe épülhet be az teljesítménydíj is, amit a szolgáltatók az egyenletes fogyasztás ösztönzése érdekében a maximális teljesítménnyel arányosan állapítanak meg. Ekkor:

d  C1  a P Pmax  a E E , ahol C1 továbbra is állandó alapdíj, aP a lekötött teljesítmény egységdíja, Pmax a lekötött csúcsteljesítmény. A villamosenergia-szolgáltatásban ezt a díjat még tovább bontják attól függően, hogy a fogyasztás csúcsidőben, nappal, vagy éjszaka történik. Hőszolgáltatásnál a költségek szintén állandó és a szolgáltatott energiával arányos költségekre bomlanak. A szolgáltatott hő díjának megállapításánál az állandó költségek a primerenergia állandó költségeihez adódnak hozzá, a változó költségeket azonban a primerenergia változó költségeiből a szolgáltatott hőenergia díjára kell átszámítani. Tisztán hőenergiát szolgáltató rendszerben a Q kiadott hőenergia előállításához

Qbe  Q

1 q 

primerenergiára van szükség, ha q a fajlagos önfogyasztás, azaz az egységnyi kiadott energiára eső önfogyasztás értéke. Ezzel a változó költség értéke:

Cv  a E Q

1 q . 

Innen a szolgáltatott energia egységköltsége:

kQ  aE

1 q . 

Jelöljük k0-lal a hőszolgáltató állandó költségeit, és p-vel a haszonkulcsot, akkor a hőszolgáltatás összes fogyasztóra vetített díja:





d  C0  k 0   k Q Q 1  p  C  a Q Q . A változó költségek összege az aQ hőár bevezetésével és a fogyasztások mérésével egyszerűen szétosztható a fogyasztók között, azonban a C állandó költségeket szerződéses megállapodás alapján kell fogyasztónként vagy fogyasztó csoportonként megállapítani. Legyen ez a felosztás valamilyen súlyozás szerint n

C  1C   2 C... n C , ahol 1   2 .. n    i  1 . Ezzel az i-ik fogyasztó i 1

hőszolgáltatási díja di   i C  a Q Qi

i  1,2,..., n ,

ha Qi az i-ik fogyasztó

fogyasztása. Hasonló gondolatmenettel lehet levezetni a melegvíz szolgáltatás és a gőzszolgáltatás díját is.

137

6. ENERGIAFELHASZNÁLÁS 6.1.

Energiaigények

Az energetika legnagyobb területe a fogyasztói energiagazdálkodás, ami szorosan kapcsolódik az eddig tárgyalt energiatermelési és elosztási témakörökhöz. Gyakorlatilag nincs a gazdaságnak olyan ága, amelyik ne használna fel energiát, mégis ez az a terület, ahol minden szakterület saját specifikumokkal rendelkezik, ezért a témakör egységes tárgyalása legfeljebb néhány jellegzetesség kiemelésével, az energetikai szempontok kiemelésével lehetséges. A részletes vizsgálatok a szakterületek feladata. 6.1.1. Fűtés és melegvíz szolgáltatás A magyar gazdaság hőigényeinek legnagyobb részét a fűtési és melegvíz szolgáltatási hőigények teszik ki. Ezek egy része (elsősorban az ipari fogyasztóknál) a technológiai fogyasztókkal közös rendszert alkot, nagyobb része viszont önálló rendszer. A fűtés célja helyiségek adott hőmérsékleten tartása. A szükséges hőmérséklet nem abszolút jellemző, az ember hőérzetén keresztül befolyásolhatja a falak és a mennyezet sugárzó hatása ill. a padló hőmérséklete, a levegő páratartalma és a relatív légmozgás (huzat). A fűtési hőigényt helyiségenként a méretezési külső hőmérsékletre határozzák meg. A hőigényt a fentieken kívül – határolószerkezeteken fellépő hőveszteség és – a szellőzőlevegő mennyisége és hőmérséklete határozza meg. A hőveszteséget határolóelemenként (falak, nyílászárók, födém, stb.) kell meghatározni és összegezni:

Q   k i Ai t b  t k  , i

ahol ki az i-ik határolószerkezet hőátviteli tényezője, Ai a határolószerkezet felülete, tb a helyiség hőmérséklete és tk a külső, ill. a szomszédos helyiség hőmérséklete. A szellőzés hőszükséglete az a hőmennyiség, amely a szellőző levegőnek a helyiség hőmérsékletére történő emeléséhez szükséges: Q  Vcp t b  t k  ,

ahol V a szellőzőlevegő térfogatárama,  a sűrűsége és cp a fajhője. Ha a beszívott levegő hőmérséklete eltér a tk környezeti hőmérséklettől, akkor annak értékét kell tk helyett beírni. A hőszükséglet számításához szükséges adatok és a számítási módszer is szabványokban és tervezési segédletekben találhatók meg.

138

A fűtési hőszükséglet legfőbb jellemzője, hogy a környezeti hőmérséklettől függ, ami viszont szezonális és napi ingadozást mutat. A hőigény a külső hőmérséklet függvényében közel lineáris, ezen belül a méretezés egy megadott tervezési külső hőmérsékletre történik (41. ábra).

41. ábra. Fűtési hőszükséglet

A külső hőmérséklet alapján kapott hőszükségletet korrigálni kell helyiségenként a napsugárzás ill. a szélhatás függvényében. A hőleadók sugárzással és konvektív úton adják át a hőt a helyiség levegőjének ill. (sugárzással) közvetlenül a helyiségben tartózkodóknak és a berendezési tárgyaknak. A gázfűtésű konvektorok olyan fűtőtestek, amelyekben atmoszférikus gázégővel égetik el a tüzelőanyagot, aminek füstgáza egy nagyfelületű lemezhéj mentén áramolva rendszerint kéményen keresztül hagyja el a helyiséget. A zárt égésterű konvektorok külső levegőt használnak az égéshez, míg a nyitottak a helyiség levegőjét szívják be, ezzel hozzájárulnak a helyiség szellőzéséhez is. A füstgázokat terelő lemezszerkezet külső fele a helyiség levegőjével érintkezik, azt felmelegítve egy természetes cirkulációt hoz létre. A konvektor tehát a levegőt melegíti, annak áramlása alakítja ki a helyiség kívánt hőmérsékletét. A konvektorokat a gázhálózat látja el tüzelőanyaggal, így hőszállító rendszer (melegvíz vagy gőzhálózat) kiépítésére nincs szükség. Biztonsági okok miatt nem mindenütt használhatók. A konvektorok hőleadását rendszerint a konvektor szerkezetére épített, állítható hőmérsékletkapcsoló szabályozza az égő ki-/bekapcsolásával. A radiátorok, csőfűtőtestek és melegvizes konvektorok mindegyike belső terében melegvizet esetleg gőzt áramoltatnak. A helyiség fűtése itt is konvektív módon történik. A melegvizes rendszerek szabályozása kétféle módon történhet: a durva szabályozás a központi ellátó rendszerből a belépő víz hőmérsékletével, az helyi szabályozás pedig termosztatikus szabályzószeleppel. A termosztatikus szabályzószelep a belépő vízáramot addig nyitja vagy zárja, amíg a helyiség hőmérséklete be nem áll a szelep beállító skáláján beállított hőmérsékletre. Egycsöves fűtési rendszereknél a teljes vízmennyiség továbbhaladását kerülővel oldják meg (42. ábra).

139

42. ábra. Egycsöves és kétcsöves fűtési rendszer

A gőzzel működő fűtőtestek helyi szabályozását gazdaságosan nem tudjuk megoldani, ezért a helyiségfűtésnél lehetőleg melegvizes rendszert alkalmazzunk. Az infrasugárzók sugárzással adják le a teljesítményük nagy részét. Fő szerkezeti elemük a rácsos vagy lyukacsos kerámia lap, amelyen a részben előkevert gáz-levegő keverék áramlik át. A lap külső felén, kissé a kerámia lap pórusaiba visszahúzódva egy vékony lángrétegben történik a gáz elégetése. Az égés hőhatása következtében a kerámia lap külső fele izzásig felmelegszik, és részben látható, részben infrasugarakat bocsát ki. A sugárzó hő hatására a besugárzott felületek felmelegszenek. A levegő felmelegedését csak a besugárzott felületeken fellépő másodlagos konvektív hőáram melegíti fel. Mivel a fűtés sugárzással történik, ezek a fűtési módok alkalmasak nagy csarnokok, ill. nagylégterű helyiségek, vagy nyitott terek fűtésére. Az infrasugárzók hátránya, hogy az égéstermékek a helyiség légterébe kerülnek, továbbá a nyílt égés és a magas hőmérsékletek miatt tűz-, esetleg robbanásveszélyes lehet. A feketesugárzók az előbbi hátrányokat jelentősen mérsékelik. Itt az égés zárt csőben történik, ezért lehetőség van az égéstermékek elvezetésére. A cső külső, sugárzó felületének átlagos hőmérséklete 350..450 °C, vagy még ennél is kisebb. A feketesugárzó fontos szerkezeti eleme a sugárzásvisszaverő tükör, ami a kívánt irányba tereli a hősugarakat. Mind az infra-, mind a feketesugárzó csak akkor alkalmazható, ha megfelelő távolságot (2..5 m) tudunk biztosítani a helységben tartózkodó személyektől. A padló-, fal- és mennyezetfűtések általában a megfelelő szerkezeti elemekbe beépített csőkígyóban áramoltatott melegvízzel üzemelnek. Ezeknek a fűtéseknek nagy előnye, hogy alacsony hőmérsékletű fűtőközeget használnak, ezért kiválóan alkalmasak hulladékhő-hasznosításra. A gázfűtésű hőleadókat az épület gázhálózatába kell bekötni. Gázoldalról legfeljebb nyomásszabályzókat kell betenni az egymásrahatás elkerülése végett, a helyiség hőmérsékletének szabályozását az égő(k) ki és bekapcsolásával kell megoldani. A melegvizes rendszerek elsődleges (központi) szabályozása a külső hőmérsékletről történik: a külső hőmérséklet függvényében állítjuk be a kazántól

140

kilépő ún. előremenő hőmérsékletet. Mivel a hőleadók teljesítménye a belépő hőmérsékletükkel arányosan változik, a kazánokhoz visszatérő víz hőmérséklete is lineárisan fog változni a külső hőmérséklet függvényében (43. ábra).

43. ábra. Vízhőmérséklet változás forróvizes rendszerben

Főleg nagyteljesítményű kazánoknál, vagy kéntartalmú tüzelőanyag esetén a füstgázban lévő agresszív víz kicsapódása miatt nem engedhető meg olyan alacsony vízhőmérséklet, amilyent a szabályozás megkövetelne. Ilyenkor a kazánkörben cirkulációt kell kialakítani. Erre mutat egy példát az 44. ábra.

44. ábra. Kazán recirkuláció

Több épületet vagy fogyasztói csoportot kiszolgáló (primer) távhő rendszer a hőközpontokon keresztül kapcsolódik az épület (szekunder) fűtési rendszeréhez. A primer és szekunder hálózat hidraulikailag teljesen le van választva, így, ha a lakásokban meghibásodás történik, nem kell leállítani a primer hálózatot (45. ábra).

141

45. ábra. Primer és szekunder fűtési hálózatok

6.1.2. Az ipar energiafelhasználása Magyarországon 1993-ban az összes energiafelhasználásnak 31,6 %-át tette ki az ipar. A strukturális megoszlást a 22. táblázat mutatja. 22. táblázat Energiahordozó Szén Olaj Gáz Villamos energia Hő

Részarány % 14 20 21 16 29

A táblázatból látható, hogy mindegyik energiahordozó nagyságrendben azonos súllyal szerepel. Ezen belül további széles skálát mutat az energiafelhasználás jellege, szinte azt mondhatjuk, ahány technológia, annyiféle felhasználási mód. Különösen igaz ez a primerenergia-hordozókra, ill. azok közvetlen (nem hő, vagy villamosenergia-előállítás célú) felhasználására. A közvetlen primerenergia felhasználású technológiai berendezések legnagyobb csoportját alkotják a kemencék. Az egyes iparágak (szilikátipar, acélipar, élelmiszeripar stb.) mindegyike kifejlesztette a saját céljaira legmegfelelőbb kemence típust, sőt az iparágakon belül is teljesen eltérő típusok lehetnek (pl. a szilikátiparon belül egészen eltérőek a téglagyári, az üvegipari, a kerámiaipari, stb. kemencék). A kemencéknek egyetlen közös vonásuk, hogy mindegyik egy zárt, felfűtött teret alkot. Ebben a kemencetérben helyezkedik el a hőkezelésre előkészített anyag, amelyik technológiai hőmérsékletét a kemencetér falazatának sugárzó hatására éri el ill. tartja az előírt időtartamig. A kemencék fűtése lehet közvetlen, amikor a tüzelőanyag elégetéséből keletkezett égéstermék érintkezhet a technológiai anyaggal, és lehet közvetett fűtésű, amikor az égéstermék nem kerülhet be a kemencetérbe, a hőbevitel a falazaton keresztül történik. A 46. ábra egy közvetlen fűtésű, szakaszos üzemű, kamrás hőkezelő kemence leegyszerűsített vázlatát mutatja.

142

46. ábra. Közvetlen fűtésű szakaszos üzemű kemence

A kemencetér oldalán elhelyezett két olaj- vagy gázégő lángja részben sugárzással, részben konvektív hőátadással felmelegíti a kemencetér jő sugárzó képességű, hőálló falát. A falazat minden oldalról érkező sugárzása melegíti fel a munkadarabokat. Egy ilyen kemencében gyakran 1000..1200 °C hőmérsékletet kell tartani, ezért a távozó égéstermék sem hűlhet le ennél alacsonyabb hőmérsékletre. A távozó forró füstgáz energetikailag igen nagy veszteséget okoz, ezért a kemencéknél kiemelkedő szerepet játszik a füstgáz hőhasznosítás. A távozó füstgázokkal más fogyasztók részére lehet hőt termelni (meleg-, vagy forróvizet, gőzt, stb.), vagy az égési levegőt lehet előmelegíteni, amivel a kemence hőigénye csökkenthető. A kemencék másik nagy csoportja a folyamatos üzemű kemencék, amelyekben a folyamatos termelés mellett a technológián belüli hőhasznosítás is egyszerűbben oldható meg. A 47. ábra egy téglagyári alagútkemence elvi sémáját és hőmérsékleti viszonyait mutatja be. A sémából látható, hogy a füstgáz hőtartalma az előmelegítésre fordítódik, de a hűtési oldalon kapott felmelegedett levegő sem vész el, mert azt a szárítókemencékben hasznosítják.

47. ábra. Alagútkemence

Az iparvállalatok nagy része közvetítőközegen keresztül hőenergiát igényel. Itt az energiahordozó leggyakrabban a víz vagy vízgőz, de vannak levegő vagy termoolajjal működő rendszerek is.

143

A hagyományos meleg- vagy forróvizes rendszerek is változatosabbak, mint a fűtési hőellátásnál, mivel az igények a legkülönbözőbb hőmérséklet és nyomásszinteken jelentkezhetnek. Egyes esetekben a melegvizet a technológia „elhasználja”, azaz a víz beépül a termékbe. Ilyenkor a folyamatos tápvízelőkészítésről gondoskodni kell. Más esetben a víz szennyeződése olyan mértékű, hogy csak költséges tisztítás után vezethető vissza a rendszerbe. Mindkét esetben jelentős hőveszteségek is felléphetnek. Az ipari meleg- és forróvizes hőellátó rendszereknél, ahol többféle hőfokszinten jelentkezik a hőigény lehetőségünk van soros kapcsolásokat kialakítani. A soros kapcsolásban az alacsonyabb hőmérsékletszintű fogyasztó felhasználhatja a magasabb hőmérsékletszintű fogyasztó hulladékhőjét, ezáltal jobban visszahűthető a visszatérő víz és ezzel jobban kihasználható a kazán füstgázának hőtartalma. A 48. ábra összehasonlítást mutat egy rendszer soros és párhuzamos kapcsolása között.

48. ábra. Hőhasznosító rendszer kapcsolása

Az iparban történik a gőz, mint energiahordozó legszélesebb körű felhasználása. Az igényektől függően a gőz nyomása 1 bar-tól akár 100 bar feletti értékig is változhat. Hőszolgáltatási célokra rendszerint telített gőzt használnak, mechanikai energia kinyerésére ill. (helyi) villamos energia termelésre azonban túlhevített gőzt használnak. A 100..200 °C hőmérsékletszinteken jelentkező hőigényeket általában a hőmérsékletszinthez igazodó 1..25 bar nyomásszintű gőzzel elégítenek ki, de nagyobb ipartelepeken szokásos a 40 bar-os hálózat is. Az ennél nagyobb nyomásokon üzemelő rendszerek már általában sziget kiépítésűek és legfeljebb kisebb nyomásszinten kapcsolódnak az üzemi hálózathoz. A 49. ábra a különböző nyomásszintű hálózatok összekapcsolására mutat néhány példát. Az a ábra szerinti megoldás, amikor valamennyi gőzigényt a hálózat fojtásával elégítünk ki, a lehető legkedvezőtlenebb kapcsolás és csak kis rendszereknél, időszakos üzemben szabad alkalmazni.

144

49. ábra. Különböző nyomásszintű hálózatok összekapcsolása

A b ábrán szintén egyetlen nyomásszinten történik a gőztermelés, de a fojtás helyett az expanziót villamos energia előállításra használjuk fel egy megcsapolásos, ellennyomású turbinában. A fojtószelepek itt csak a csúcsok kiegyenlítésére vannak beépítve. A c ábrán egy olyan megoldás látható, ahol a kisnyomású rendszert egy kisnyomású kazánnal tápláljuk. A kisnyomású rendszer tartalékát a nagynyomású hálózatról leágazó fojtás képezi. Végül a d ábra a nagynyomású hálózat kondenzvíz rendszerében a nyomáscsökkenés hatására kipárolgó ún. sarjúgőz hasznosítására mutat példát. Az ipari rendszereknél van a legnagyobb lehetősége a termelés folyamán keletkező hulladékok energetikai hasznosítására. Erre csak példaként tudunk néhány, a gyakorlatban Magyarországon is megvalósított technológiát bemutatni. A nyersvasgyártás nagyolvasztóiban keletkezett alacsony fűtőértékű kohótorok-gázt és a kokszgyártásnál keletkezett kamragázt égetik el gőzkazánokban Dunaújvárosban. A keletkezett gőzzel villamos energiát fejlesztenek és ellennyomású hőhasznosítással az ipartelep hőellátását és a város távfűtését is ezzel a hővel táplálják. Tiszaújvárosban a koromgyártás mellékterméke szintén alacsony fűtőértékű hulladékgáz. Ezt a gázt speciális tűzterű, hőhasznosítóval ellátott hulladékégetőben égetik el. A keletkezett hővel 40 bar nyomású gőzt állítanak elő, amelyet rávezetnek az ipartelep 40 bar-os gőzhálózatára. Egyik poliészter termékeket gyártó vállalatunknál a szélek és kivágások vágási maradéka és a lecsurgó ill. a hordókban visszamaradó megszilárdult gyanta éghető hulladékot alkot. Erre a célra tervezett speciális kazánban elégetve ennek a hulladéknak a hőjével termelik az üzem használati melegvíz szükségletének kb. 80 %-át. Egy keveréktápokat előállító üzemünkben az alapanyagok műanyag fóliával bélelt papír zsákokban érkezik. A vegyi szennyezés miatt a papír nem forgatható vissza, a műanyag fólia kiszerelése, tisztítása és újrafeldolgozása pedig volumene miatt nem

145

gazdaságos. Ezért az üzemben egy bálázó géppel a kiürült zsákokból bálákat készítenek, majd ezeket – az erre a célra tervezett kazánban – elégetik. A kazán a fűtési hálózatba táplál melegvizet. Az ilyen hulladékhasznosítási lehetőségek rendszerint speciális berendezéseket igényelnek, de fajlagos beruházási költségük így is lényegesen kisebb, mint a regionális hulladékégetőké, hiszen itt rendszerint csak egyféle tüzelőanyagra kell felkészülni, és az égető üzemét nem zavarja a gyakori minőségi és mennyiségi ingadozás. Több technológiát alkalmazó ipartelepeken az egyes technológiák összekapcsolásával lehet még másodlagos energiaforrásokhoz jutni, és ezzel energiát megtakarítani. A fűtés-hűtés összekapcsolásának lehetőségeivel más fejezetekben foglalkozunk, itt csak egy példával szeretnénk rámutatni az ilyen lehetőségekre.

50. ábra. Technológiák kapcsolata

A kőolajbányászatban a gyűjtőállomásokon a nyersolajból kipárologtatják az oldott gázt és az ún. szabadvizet, majd 40..50 °C hőmérsékletre melegítve leválasztják azt a vizet is, ami emulzió formájában van az olajban. A felmelegítéshez gőzt vagy melegvizet használnak. A felszabadított szénhidrogén gáz nyomása alacsony ahhoz, hogy tovább szállítsák, ezért rendszerint nyomásfokozó kompresszorokat kell alkalmazni. A gyakorlatban alkalmazott gázmotoros kompresszorok hűtését léghűtőkkel oldják meg. Természetesen minden esetben a mennyiségi és hőmérsékleti viszonyokat mérlegelve, de vannak olyan üzemek, amelyekben a gázmotorok hűtővizéből felszabaduló hő nagyságrendben az olajmelegítéshez szükséges hővel összemérhető. Ilyenkor alkalmazható az olajtechnológia és a gáztechnológia energetikai összekapcsolása, mint azt a 50. ábra is mutatja. 6.1.3. Mezőgazdaság A mezőgazdaság részesedése az ország energiafogyasztásában 1993-ban csak 3,47 % volt, de jelentősége ennél lényegesen nagyobb, mivel szemléletében közel áll a lakossági fogyasztáshoz, és ezzel arra is kihatása van. Az energiahordozók megoszlását a mezőgazdaságon belül a 23. táblázat mutatja.

146

23. táblázat Energiahordozó Szén Olajtermékek Gáz Villamos energia

Részarány, % 3,75 62,18 19,59 14,48

A táblázatból látható, hogy legnagyobb mennyiségben az olajtermékek részesednek az energiahordozók között, ami érthető, hiszen a mobil mezőgazdasági gépek tüzelőanyagait nehéz lenne más energiahordozóval helyettesíteni. Ugyanakkor az is feltűnik, hogy a táblázatban nem szerepelnek a megújuló energiaforrások, a nap, szél, geotermikus energia, de a biomassza hasznosítása sem, azaz a jelenlegi mezőgazdaságunk energetikája alapvetően a hagyományos primer energiahordozókra hagyatkozik. Viszonylag nagy a mezőgazdaság (vissza nem nyert) vízigénye, nagyrészt öntözésre, ami szivattyúzási energiában jelent nagyobb fogyasztást. A felhasznált energia legnagyobb részét a talajmegmunkáló és betakarító gépek meghajtására fordítják, de jelentős fogyasztó a teher és személyszállítás is. Ezeknél a berendezéseknél energiagazdálkodási szempontból leglényegesebb a termelésszervezés: az optimális útvonalak megtervezése és az optimális berendezés kiválasztása. A nem mobil felhasználások a szárítás és hűtés, az állattartás, a növényházak és a kiegészítő tevékenységek. Ezeknek a tevékenységeknek a közös jellemzői, hogy általában alacsony hőmérsékletszintű hőenergiát igényelnek, ezért alkalmasak a hulladékhő hasznosításra is. A mezőgazdaság fűtési igényei között nagyon gyakori a légfűtés. A meleg levegőt vagy közvetlenül, hőlégfúvókban állítják elő, vagy kazánokban termelt melegvízzel ill. gőzzel kalorifereket fűtenek. A terményszárítás szintén meleg levegővel történik. Alacsony hőmérsékletű, cirkuláltatott vízzel talajfűtést is alkalmaznak. Viszonylag kisebb jelentőségű, de terjedőben van a sugárzó fűtés. Egyik klasszikus alkalmazási területe a csirkekeltetés, ahol a néhány napos csirkéket is még infrasugárzó alatt tartják. A sugárzó fűtések másik területe a csarnok jellegű építmények hőellátása. A sugárzó fűtések hátránya, hogy csak villamos energiával, vagy gázzal üzemeltethetők. Mint láttuk, a mezőgazdaságban szinte egyeduralkodó energiahordozó az olaj annak ellenére, hogy ez az a terület, ahol leginkább felhasználhatók a másodlagos energiahordozók és a hasznosítási eszközök is rendelkezésre állnak. Egy 1988-ban készült tanulmány mutatja, hogy a Magyarországon keletkező melléktermékek éves mennyiségéből energetikai célra mennyi állhat rendelkezésre (24. táblázat). Nagytűzterű kazánokban, hőlégfúvókban és kandallókban mindenféle segédberendezés nélkül a nyesedékek és fa vágási maradékok elégethetők, legfeljebb az égetés technológiáját kell úgy módosítani, hogy a lánggal égés szakaszában elegendő szekunder levegő álljon rendelkezésre. A famegmunkálás apró forgácsai és főleg a fűrészpor már speciális tűztérkialakítást és rendszerint csigás adagolást igényel. A fűrészpor égetők kényesek a levegőbevezetés és elosztásra, ezért rendszerint aláfúvó és/vagy elszívó ventilátor beépítése szükséges. A fűrészpor energetikai hasznosításának egy másik módja, hogy a fűrészport brikettálják. A brikettálás történhet segéd-(kötő-) anyaggal vagy anélkül. A fűrészpor brikett már bármilyen fatüzelésre alkalmas tüzelőberendezésben elégethető.

147

24. táblázat Melléktermék Szalmafélék Kukoricaszár Kukoricacsutka Napraforgószár Gyümölcsösök nyesedéke Szőlők nyesedéke Erdőkitermelés, vágási hulladék Elsődleges faipar Parlagföld, fanet terület

Éves mennyisége, 1000 t/év 7150 15000 1000 240 500 200 1000 1000 1000

Energetikai célra hasznosítható, 1000 t/év 3540 10000 120 450 175 900 1000 900

A szalmaféléket tüzelés előtt vagy bálázni, vagy brikettálni kell. A brikettálás előnye, hogy a szalmabrikett is eltüzelhető bármilyen fatüzelésre alkalmas berendezésben, míg a bálázott szalmához speciális (bár nem drága) tüzelőberendezés szükséges. További hulladéktüzelési lehetőséget biztosítanak a feldolgozási hulladékokat elégető és hőhasznosító berendezések. Ilyen üzemel egyik növényolajipari üzemünkben, ahol a napraforgóhéjat tüzelik el. További alternatív energiahordozó lehet a mezőgazdaságban a biogáz. A biogáz a szerves anyagok bomlásából keletkező, rendszerint nagy nedvességtartalmú, viszonylag kis fűtőértékű gáz. Hátránya, hogy kinyerése atmoszférikus nyomáson történik. ezért nagyobb távolságú szállítására kompresszorozásra lenne szükség, aminek a fajlagos költsége aránytalanul magas. Ezért a biogázt elsősorban helyi felhasználásra, fűtésre, melegvíz termelésre használják, de ismert olyan alkalmazás is, ahol a biogázra, mint energiahordozóra szeszgyár épült. Mivel a mezőgazdaságban általában nincs szükség nagy energiasűrűségre, ideális energiaforrás lehet a napenergia és a szélenergia is. Mindkettő hátránya, hogy intenzitásuk nem szabályozható, ezért e termelt energia kiegyenlítő tárolására van szükség. Az alacsony hőmérsékletszintű igények miatt a mezőgazdaság felvevője lehet ipari létesítmények hulladékhőjének. Ismerünk olyan rendszereket, amelyek az erőművi hűtővíz hőtartalmát hasznosítják primőrök termesztésére. Az ilyen jellegű hasznosítások legnagyobb akadálya, hogy a mezőgazdasági igény szezonális jellegű, míg az ipari termelés gyakorlatilag független az évszakoktól és az időjárás változásaitól. 6.1.4. Közlekedés A közlekedés a hazai energiafelhasználásból 1993-ban 15,1 %-kal részesedett. Ennek 96,8 % a olaj, ill. olajszármazék felhasználás. A közlekedési energiafogyasztás jellemzője a mobil berendezések, azaz a járművek fogyasztása. Ennek energetikai jellegű befolyásolása csak a járművek konstrukciós kialakításán, szervizén, hajtó és kenőanyag minőségén és a forgalomszervezésen keresztül lehet. A felsoroltak mindegyike egy egy olyan speciális szakterület, amelyet egy energiagazdálkodási tárgyon belül nem lehet áttekinteni. A forgalomszervezés, ill. annak egy része kerülhet az energetikus hatáskörébe. Ezen a területen az optimális útvonal megválasztásával és az optimális jármű kiválasztásával lehet jelentős energiát megtakarítani. Ezekkel a kérdésekkel a 6. fejezetben részletesen foglalkozunk.

148

6.1.5. Szolgáltatás Az összes energiafogyasztásból a közigazgatás és szolgáltatás a közlekedéssel azonos nagyságrendben, 14,26 %-ban részesedik. Ennek a fogyasztásnak nagy része a lakossági fogyasztás jellegének felel meg, a jellemző az elektromos energia fogyasztás valamint a fűtés és melegvíz szolgáltatás. Elkülönítését a lakossági fogyasztástól részben az indokolja, hogy a fogyasztás üteme eltérő, másrészt a fogyasztók irányításának rendszere (és emiatt érdekeltségi köre is) eltér a lakosságétól. A szolgáltatás egy részénél (közigazgatás, bankok, hivatalok) a hét végi energiafogyasztás minimális, míg a másik részénél éppen a hét végén jelentkezik a csúcs. Az éjszakai igény rendszerint főleg elektromos energia igényt jelent, más kérdés, hogy sok helyen a fűtés vezérelt csökkentése még nincs megoldva. A szolgáltatásban külön kategóriaként jelennek meg a nagykonyhai berendezések, és a kisméretű sütőkemencék. Ugyancsak a szolgáltatáshoz tartoznak a fürdők, strandok és sportlétesítmények, amelyek jellegzetes, alacsony hőmérsékletszintű melegvíz igénnyel jelentkeznek. A szolgáltatásban kiugró a villamos energia fogyasztás aránya, az összes fogyasztás csaknem egynegyede. Ez nyilván a világításon és a reklámokon kívül a biztonsági rendszerek (pl. bankoknál), a játékok és elektronikus szórakoztató eszközök, a számítógépek, másoló és egyéb irodai eszközök energiaigényeit is magában foglalja. A fűtési rendszerek nem mutatnak nagy eltérést a lakossági rendszerektől, de a hőleadók sokkal nagyobb változatosságot mutatnak. A szolgáltatásban már elterjedt a hivatásos lakberendező (üzletberendező) foglalkoztatása, emiatt az esztétikai megjelenítés lényegesen nagyobb szerephez jut. Mivel a szolgáltató rendszerek gyakran az egyedi, a versenytársétól eltérő megjelenésre törekednek, rendszerint az energetikai tervezőnek (itt leginkább épületgépész) gyakran egyedi megoldásokat kell nyújtania. A szolgáltató ágazat hőellátásában – mint a lakosságnál is – jelenleg legtöbb gondot az igényekhez alkalmazkodó szabályozhatóság okoz. Emiatt jelentős a többlet energiafelhasználás. A szolgáltatás az a terület, ahol a legnagyobb energiamegtakarítást szervezéssel, vagy kis beruházással lehet elérni. Ilyenek pl. a kiszakaszolható fűtési rendszer, hogy csak azokat a helyiségeket fűtsék és csak addig, ahol és ameddig emberek tartózkodnak benn. Külön kategóriát jelentenek a szolgáltatásban a hűtőberendezések, amelyek egészen nagy hűtve tárolóktól a kisbolti jégkrém tároló hűtőpultig terjedhetnek. A hűtőkapacitás folyamatos növekedésével egyre nagyobb lesz a hűtőgépek kondenzátorán fellépő veszteséghő mértéke is. Említettük, hogy a szolgáltatás hőigényének egy része alacsony hőmérsékletszinten jelentkezik, ezért az alternatív energiaforrások is felhasználhatók. Így pl. uszodák, kempingek, sportlétesítmények melegvíz ellátásának nagy része megoldható napenergiával, a padlófűtések pedig akár hőszivattyúval is gazdaságosan üzemeltethetők különösen akkor, ha hőforrásként a hűtők kondenzátorainak veszteséghőjét is felhasználjuk. Egy lehetséges megoldás a hőszivattyú alkalmazására egyre jobban terjed Európában is: a hőszivattyú hideg oldalán vizet fagyasztanak meg és korcsolyapályát üzemeltetnek, míg a meleg oldal az uszoda vizét melegíti. A két létesítmény energiaigénye a külön-külön energiarendszerrel üzemelőkének kb. 1/5-e.

149

6.2.

Rendszerelvű leírás

6.2.1. A rendszer fogalma és jellemzői Egy rendszer mindig a valóság egy elkülönített része, amelyet valamilyen szempontból vizsgálunk. Ebből következik, hogy a vizsgált rendszerünknek mindig van határa, amely elválasztja a rendszert a környezetétől. A rendszerhatár ismeretében tudjuk egyértelműen megmondani, hogy egy tetszőleges elem a rendszerhez tartozik (belső elem), vagy azon kívüli, külső elem (51. ábra). KÖRNYEZET

külső pont

belső pont

RENDSZER

hatások

rendszerhatár

51. ábra. A rendszer és kapcsolatai

A rendszer kölcsönhatásban van a környezettel, a környezet hat a rendszerre, de a rendszer is hat a környezetre. Az energiagazdálkodási gyakorlatban egy-egy rendszernek rendszerint egy önállóan gazdálkodó egységet, vállalatot, üzemegységet, irodát, műhelyt, stb. szokás választani. A rendszer elemei a dolgozók, az épületek, a gépek és berendezések, a belső csőhálózatok, stb. A kívülről jövő hatások pl. a beszállított anyagok, a vételezett energia, a bejövő információk, stb., a rendszer hatásai a környezetre pedig elsősorban a kiszállított anyagokban, termékekben, információkban és a környezetszennyezésben nyilvánulnak meg. A rendszer határa szabadon választható meg, ezt rendszerint a vizsgálat célja szabja meg. 6.2.2. Célok, korlátok, szabadsági fok Bármilyen kis rendszert is választunk, a rendszerhatárokon belül a valóságnak még végtelen sok jellemzője marad a rendszeren belül. Kezelhetővé akkor válik a rendszer, ha a vizsgált tulajdonságokat (jellemzőket) véges számúra korlátozzuk. Ezt a korlátozást a vizsgálat célja határozza meg. Minden vizsgálat kezdetén meg kell határozni a vizsgálat célját, ennek ismeretében kell megválasztani a rendszer határait, majd ezt követően kell kiválasztanunk azokat a jellemzőket, amelyeket a rendszeren belül és/vagy a rendszer határain vizsgálni fogunk. Minden vizsgálatnál tehát a teljes valóság helyett csak egy modellel dolgozunk, amely modellt a kiválasztott rendszer jellemzőkkel írjuk le.

150

Ha egy országos felmérésben azt vizsgáljuk, hogy milyen hatással van a vállalati létszám a nyereségre, akkor ezen a rendszeren belül a vállalatot összesen két paraméter (jellemző) írja le: a létszám és a nyereség. Az összes többi jellemző érdektelen a vizsgálat szempontjából. Ha pedig egy vállalat energiamérlegét vizsgáljuk, akkor az összes vételezett energiát és az összes veszteségenergiát jellemzőként kell felvennünk, de közömbös pl. az olajtartályok színe vagy falvastagsága.

A célt azonban a rendszer célja értelmezésben is használjuk. A rendszer célja mindig valamelyik jellemző kiragadott értékének a maximális vagy minimális értéken tartása. Ilyen célok lehetnek: – minimális költség, – maximális nyereség, – maximális biztonság, – minimális kockázat, – minimális létszám, – minimális szerkezeti anyag igény, – minimális tömeg, – minimális energiafogyasztás stb. A rendszer céljának számszerű értékét (pl. a költséget) a többi paraméter befolyásolja. Ezért is használjuk a célfüggvény kifejezést, ami arra utal, hogy a cél a többi jellemző függvénye. Az energiagazdálkodási tevékenység egyik legfontosabb funkciója az energetikai rendszer optimálása, azaz olyan üzemvitel és/vagy beruházási döntés megkeresése, amellyel a rendszer működése vagy minimális költséget eredményez, vagy maximális nyereséget hoz. A különböző jellemzők különböző módon befolyásolják a célfüggvényt. Vegyünk pl. egy beruházást, amely energiamegtakarítást eredményez! Minél nagyobb összeget fordítunk beruházásra, annál több energiamegtakarítást érhetünk el (52. ábra). Valójában mindkét költség eredmény, valamilyen üzemeltetési vagy tervezési paraméter függvénye. Példánkban legyen ez a paraméter egy beépített hőhasznosító hőcserélő mérete (tömege). Minél nagyobb hőcserélőt építünk be, annál nagyobb a beruházási költség, de annál kisebb lesz az energiaköltség. A két költség összege esetünkben a hőcserélő méretének függvényében minimumot mutat. Nyilvánvaló, hogy a minimumhoz tartozó méretű hőcserélőt érdemes beépítenünk: ez az optimális megoldás. Lehetnek a rendszernek olyan paraméterei, amelyek nem vehetnek fel tetszőleges értékeket. Így például az előbbi esetet korlátozhatja, hogy egy bizonyos méret felett nincs elegendő hely a hőhasznosító beépítésére. Azokat az összefüggéseket (relációkat), amelyek az egyes paraméterek értékeinek határt szabnak, korlátozó feltételeknek nevezzük. A rendszerben vannak olyan jellemzők, amelyeket magunk állíthatunk be, és vannak, amelyeket a többi paraméter egyértelműen meghatároz. Az előbbi példában, amely egy beruházási döntés előkészítéséhez készült vizsgálat eredménye, a hőcserélő mérete még tervezési kérdés, azaz szabadon felvehető érték. Később,

151

üzemeltetéskor a már beépített hőcserélő mérete egy adott érték lesz, amit már nem vehetünk fel szabadon. Ha egy rendszerben nincs olyan jellemző (változó), amelynek az értékét szabadon, az összes többi jellemzőtől függetlenül állíthatjuk be, nincs lehetőség optimálásra. Az ilyen rendszereket kötött rendszereknek nevezzük.

52. ábra. Optimális paraméter meghatározása

Optimálás – és ilyen értelemben véve bármilyen gazdálkodás is – csak akkor lehetséges, ha legalább egy olyan szabadon felvehető változónk van, amely kihatással van a célfüggvényre. A szabadon felvehető változók száma adja meg a rendszer szabadsági fokát. Példánkban a hőcserélő mérete volt a szabadon felvehető változó, így a rendszer szabadsági foka 1. A továbbiakban az energetikai rendszerek működtetésével, üzemvitelével és fejlesztésével, tehát a gazdálkodás kérdéseivel foglalkozunk. Ennek megfelelően a vizsgálatunk célja: meghatározni azokat a műszaki-technológiai paramétereket, amelyekkel az optimális (leggazdaságosabb) üzemvitel elérhető. Mivel a gazdaságosság mindig gazdasági paraméterek (költségek, árbevételek stb.) függvénye, a vizsgálathoz meg kell találnunk az összefüggéseket a gazdasági és a technológiai (naturális) paraméterek között. A rendszer leírásához az összefüggések feltárásához nyújt segítséget a rendszermodell, ill. a modellezés technikája. 6.2.3. Modellezés A modell a vizsgált rendszer egy, a vizsgálat célja szerint leegyszerűsített tükörképe, amely alkalmas arra, hogy a valódi rendszer viselkedését leírjuk. Modell nagyon sokféle lehet, az egyszerű szöveges leírástól a fényképen és vázlatrajzon keresztül a legbonyolultabb matematikai leírásig. Külön csoportot képeznek a fizikai (analóg) modellek, ezekre épül a laboratóriumi kísérletek nagy része. A továbbiakban csak a matematikai modellekkel foglalkozunk, amelyeket esetleg vázlat szintű ábrákkal egészítünk ki. A modellkészítés folyamán először a vizsgálat célját kell a lehető legpontosabban megfogalmazni. Ez határozza meg a célfüggvényt és mindazokat a gazdasági változókat, amelyeket a célfüggvényben figyelembe kell venni (53. ábra).

152

53. ábra. A matematikai modell felépítése

Ez után rendszerint egy hosszadalmas elemző munkára van szükség, amelyben meghatározzuk mindazokat a paramétereket, változókat, amelyek kihatással vannak a figyelembe vett gazdasági paraméterekre. A modell akkor válik teljessé, ha a változók közötti összefüggéseket is fel tudjuk írni. Az összefüggések a figyelembe vett változókat három csoportra osztják: Rögzítettek azok a változók, amelyek értékét magunk állíthatjuk be, de a beállított érték az üzemvitel folyamán nem változik. Ezek a vizsgálat paraméterei. Ilyenek pl. villamos energia termelésnél a hálózati feszültség értéke, hőszolgáltatásnál a beállítandó helyiséghőmérséklet, stb. Függetlenek azok a változók, amelyek értéke változik ugyan, de erre a változásra nincsen befolyásunk. Ezek a környezet hatásai a rendszerre. Ilyenek a környezeti hőmérséklet, a páratartalom, de ilyenek pl. a gazdasági paramétereket közvetlenül befolyásoló kamat értékek és az adóterhek mértéke is. Szabadon felvehetők azok a változók, amelyeknek értékét magunk határozhatjuk meg. Mint láttuk, a gazdálkodási tevékenységről és az optimális üzemvitel beállításáról csak akkor van értelme beszélni, ha legalább egy szabadon felvehető változónk van. A modellezés különböző szintű lehet. Vannak olyan modellek, amelyek a rendszert „fekete doboz”-nak tekintik, és csakis a rendszer határán fellépő be- és kimenő paramétereket vizsgálják. ezeket I/O (input/output) modelleknek nevezzük. Ilyenek pl. a vállalati anyag- és energiamérlegek, amelyek az üzemi szintű anyag- és energiafogyasztást regisztrálják. Egy ilyen vállalati mérleg része a 25. táblázat. Más modellek figyelembe veszik a rendszeren belüli összefüggéseket, a rendszer szerkezetét, a technológiai folyamatot és a fizikai törvény-szerűségeket is. Gyakran úgy készítik el a modellt, hogy a fizikai törvényszerűségeket általánosan írják fel, de a folyamatok tapasztalati állandóit az adott rendszer kimérésével határozzák meg. Azt az eljárást, amikor egy rendszer modelljét általános törvényszerűségek alapján írják fel, de a modell paramétereit a valós rendszer kimérésével határozzák meg, identifikálásnak nevezzük.

153

25. táblázat Vállalat: Üzem: Hónap I. II. III. IV. V. ..

Év: Villamos energia kWh 1500 1430 1572 1441 1410 ..

1997. Ivóvíz m3 32,1 28,1 29,1 28,1 27,9 ..

Gőz ezer tonna 6,50 5,99 5,98 5,12 5,02 ..

Ha a modellnek ugyanazok a be- és kimeneti paraméterei, mint a rendszernek, akkor szimulációs modellről beszélünk, azaz a modell a rendszert szimulálja. Egy vállalat 50mm belső átmérőjű vízvezeték gerinchálózatán a próbaüzemi mérésekkor az alábbi térfogatáram és indítónyomás értékeket mértek: Térfogatáram Indítónyomás m3/h bar (túlnyomás) 1,41 0,12 2,12 0,26 2,83 0,43 3,53 0,63 4,24 0,86 4,95 1,13 5,65 1,43 6,36 1,75 7,06 2,11 Tudjuk, hogy a gerincvezeték vízszintes és a kiömlésnél atmoszférikus a nyomás, így a nyomásesés csak a hidraulikai ellenállásból adódik. Így az indítónyomás (túlnyomásban) az áramlási sebesség négyzetével arányos:

p

v2 , 2

ahol  az ellenállástényező, v a sebesség m/s-ban és  a víz sűrűsége. Fenti összefüggés a gerincvezeték hidraulikai modellje. Ahhoz, hogy a modellel számolni tudjunk, ismernünk kell az ellenállástényező értékeit. Ezt a fenti mérési eredményekből határozzuk meg úgy hogy kiszámítjuk a sebességet:

v ahol

V , A

V a térfogatáram m3/s-ban.

Az előző összefüggés átrendezésével az ellenállástényezőt



2p v2

összefüggéssel tudjuk kiszámítani. A számítás eredményei: Sebesség m/s 0,2 0,3

154

Ellenállástényező 600,0 577,8

0,4 537,5 0,5 504,0 0,6 477,8 0,7 461,2 0,8 446,9 0,9 432,1 1,0 422,0 Az ellenállástényező identifikálása azt jelenti, hogy a mért értékekből számított adatok alapján meghatározunk egy, a teljes üzemi tartományra érvényes  -függvényt. Egyik lehetséges (bár itt elég nagy hibát eredményező) megoldás, hogy -t a táblázat adatainak átlagán állandónak tekintjük: =494,5. Mivel látható, hogy az ellenállástényező és a sebesség között határozott összefüggés van egy pontosabb megoldás, ha -t egy függvénnyel közelítjük. Egy polinom közelítés lehet a következő, melynek grafikonját a 54. ábra mutatja

  691, 3814  468, 5513v 199, 7511v2 ahol a sebességet m/s-ban kell behelyettesíteni. Ezzel a közelítéssel a fenti mérési pontokba visszahelyettesítve átlagosan 0,74 %-os hibát kapunk.

Nagyon lényeges, hogy az identifikálással kapott összefüggések mindig csak azon a helyen, és csak abban az üzemi tartományban, ahol a méréseket végeztük, érvényesek. Fenti példát folytatva: a gerincvezeték egy elosztóhálózatra csatlakozik, amelyen keresztül különböző (ismert értékű) elvételeket kell kielégítenünk. Az indítónyomás most már üzem közben állandó: p1 = 3 bar. Keressük a gerincvezeték végén kialakuló nyomás értékeket az elvételek függvényében. Ellenállástényező 650 600 550 500 450 400 0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,7

0,8

0,9

Sebesség, m/s

54. ábra. Ellenállástényező a víz sebességének függvényében

155

Az előbbi összefüggések felhasználásával:

  691, 3814  468, 5513v  199, 7511v2 v2  2 p2  p1  p

p  

Ez a példában szereplő vízvezeték egy lehetséges identifikált szimulációja.

Különösen a független változók (környezeti változók) értéke időszakonként változik, a modellben viszont ezek rendszerint állandó értékkel (tervezési paraméter, névleges érték, átlag stb.) vannak figyelembe véve. Ezért az ilyen determinisztikus modelleknél, ahol az adatok és azok közötti összefüggések is egyértelműek, célszerű érzékenységvizsgálatokat végezni, azaz megvizsgálni a modellt a környezeti változók megváltozásának eseteire is. Bonyolultabb esetekben – ha a vizsgálat célja megkívánja – sztochasztikus modellt kell készíteni, amelyben az adatok valószínűségi változók. Egy rendszerre az adott vizsgálattól függően több modell is készíthető. Ezek a modellek mindig egyféle szempontot képviselnek, és mindig elhanyagolnak más szempontokat. Ezért főleg a gazdasági modell eredményét nem tekinthetjük abszolút érvényűnek, csupán segédeszköznek, dönteni az embernek kell. Az energiagazdálkodási modellek tehát a vezetés döntéselőkészítő segédeszközei. Végül fel kell hívni a figyelmet arra, hogy a modellezésnek is vannak költségei, amelyek csökkentik a modell segítségével elérhető költségmegtakarítást (55. ábra).

55. ábra. A modellkészítés költségei

A modellkészítés előtt tehát fel kell becsülnünk annak várható eredményét. A kidolgozás mélységét és pontosságát ennek figyelembevételével kell meghatározni.

6.3.

Üzemvitel

Ebben a részben az energiaszolgáltató-, elosztó- és fogyasztó rendszerek üzemeltetési kérdéseivel foglalkozunk. Ebben az esetben a vizsgált rendszer adott, annak irányítását, szabályozását kell úgy kialakítanunk, hogy annak energiafogyasztása optimális legyen.

156

6.3.1. A fogyasztások jellege A szolgáltatott energia minőségét és mennyiségét mindig a fogyasztónak kell meghatározni. Ezért először az igényeket, a fogyasztás mértékét és jellegét kell megismernünk. Az energetikában csak nagyon ritka az olyan fogyasztó, amely folyamatosan és közel állandó mértékben fogyaszt energiát. Ilyenek a folyamatosan üzemelő, egyenletes termelésű üzemek, mint pl. a nagyolvasztók, vagy alapellátást biztosító szolgáltatások, pl. egy városrész éjszakai térvilágítása, vagy egy nagyüzemi, szezonális hűtőtároló, bár ezek fogyasztása is csak egy-egy kiragadott időszakban állandó. A legtöbb fogyasztó időben változó mennyiségben, gyakran 0..100 % között ingadozóan igényel energiát. Természetesnek vesszük, hogy gépkocsinkkal egy-egy hosszabb út megtétele után tankolunk, majd egy újabb hosszú út megtételéig egyáltalán nem igényelünk (a szolgáltatótól) üzemanyagot. Ugyancsak természetes, hogy napjában többször kezet mosunk, de a művelet mindig csak néhány percig tart, és ezen kívül nem tartunk igényt (az adott kézmosónál) melegvízre. Általánosan tehát megállapíthatjuk, hogy egy fogyasztó energiaigénye időben mindig ingadozik. Ha több fogyasztó veszi igénybe ugyanazt a szolgáltatást, a fogyasztások gyakran kiegyenlítik az ingadozásokat, de egymást erősíthetik is. A benzinkútnak nem kell napokra bezárnia, ha nagyobb vevőközönsége van és egy többlakásos társasházban sem szokott a melegvíz igény órákra szünetelni. A szolgáltatónak ezekhez az ingadozásokhoz igazodnia kell, ehhez pedig első lépés, hogy a változások jellegét leírja. Minden energiaigény vizsgálatnak a kiindulópontja a terhelési diagram, ami a fogyasztások időbeni tényleges értékét mutatja be. Egy nagyvállalat napi vízfogyasztásának terhelési diagramját mutatja be a 56. ábra.

1000 800 600 400 200 0 1

Vízfogyasztás napi ingadozása

óra

56. ábra. Nagyvállalat napi vízfogyasztása

A fogyasztás mértékét más, nagyobb léptékű változások is befolyásolják. Ilyenek lehetnek a műszakonkénti, a heti és havi változások, hiszen egész más az energiafogyasztás jellege hétköznap, mint ünnepnapokon. Különösen a hőenergia fogyasztására jellemző a szezonális ingadozás, amit az időjárás változása okoz. A 57. ábra egy városrész fűtési és használati melegvíz (HMV) igényét mutatja be havi bontásban.

157

A fogyasztás ingadozását az időjáráson kívül számos más tényező is befolyásolhatja. Ilyenek például – a technológia jellege, – fogyasztói szokások, – üzem- és munkaszervezési tényezők (pl. leállások, ebédidő stb.), – külső hatások, amelyek lehetnek jogszabályok vagy egyéb előírások, ill. gazdasági ösztönzők, mint pl. a tarifarendszer, árkedvezmények ill. felárak.

GJ/hó

Éves hőigény 140000 120000 100000 80000 60000 40000 20000 0

hónap

57. ábra. Hőigények alakulása

Az egyes fogyasztók viselkedésére jellemző mutatószám a terhelési tényező. A terhelési tényező megmutatja, hogy egy időszakon belül az adott fogyasztó átlagos teljesítménye hogyan aránylik a maximális teljesítményéhez. kt 

P . Pmax

Egy fűtőberendezés teljes terheléssel fűt mindaddig, amíg a helyiség hőmérséklete el nem ér egy beállított maximális értéket, aminél lekapcsol. Mindaddig nincs fűtés, amíg a helyiség hőmérséklete le nem hűlt egy alsó minimális értékre. Ekkor a berendezés újra bekapcsol és teljes terheléssel fűt. Legyen a berendezés maximális teljesítménye 50 kW. Tételezzük fel, hogy a fűtés napi 10 alkalommal 1/2 órán keresztül üzemelt, ekkor a berendezés terhelési tényezője:

1 50  10  1 2 10,42 kt     0,208 . 50 24 50 Közös szolgáltató esetén kicsi a valószínűsége annak, hogy minden fogyasztó egyidejűleg maximális mértékben vételezne energiát, azaz a csúcsok nem teljesen egyidejűleg keletkeznek. Az egyidejűségi tényező megmutatja, hogy a közös fogyasztók fogyasztásának maximuma hogyan aránylik az egyes fogyasztók fogyasztási maximumának összegéhez:

158

ke 

Pmax n

 Pi ,max

i 1

ahol Pmax az egy rendszerhez tartozó közös fogyasztók maximális fogyasztása, Pi,max az egyes fogyasztók maximális fogyasztása és n a fogyasztók száma. Általában az egyidejűségi tényező egy darabig csökken a fogyasztók számának növelésével, de bizonyos fogyasztói szám fölött egy közel állandó értékre áll be. A fogyasztók terhelési mutatója és az egyidejűségi tényező nem függetlenek egymástól, minél kisebb a terhelési tényező, annál valószínűbb hogy az egyidejűségi tényező is kicsi lesz. A fogyasztások kielégítésének tervezéséhez használjuk a tartamdiagramot, amely azt mutatja meg, hogy egy adott időszakon belül egy-egy terhelési szint összesen milyen időtartamig jelentkezik. A tartamdiagramot a terhelési diagramból szerkesztjük (58. ábra) úgy, hogy valamennyi P teljesítményszinten felmérjük az adott teljesítményhez tartozó összes időtartamot.

58. ábra. Tartamdiagram szerkesztése

159

A vizsgálatok jellegétől függően a tartamdiagramot megszerkeszthetjük napi, havi vagy éves időtartamra is. A különböző időszakra ugyanarról a rendszerről felvett tartamdiagramok általában nem egyeznek meg. A 59. ábra a 57. ábrahoz tartozó hőszolgáltatási tartamdiagramot mutatja Hőfogyasztás tartamdiagramja

GJ/hó

150000 100000 50000 0 1

hónap

59. ábra. A hőfogyasztás tartamdiagramja

60. ábra. Energiamennyiség számítása

Mivel mind a terhelési, mind a tartamdiagram függőleges tengelye teljesítményt, vízszintes tengelye pedig terhelési diagram esetén időt (időpontot), tartamdiagram esetén pedig időtartamot tartalmaz, mindkét diagramban a görbe alatti terület az adott időszakra vonatkozó energiamennyiséget adja meg:

E   Pdt , T

ahol t-vel az időt, T-vel a vizsgált időtartamot jelöltük (60. ábra). 6.3.2. Várható fogyasztások becslése Az energiaszolgáltatónak fel kell készülnie arra, hogy a jelentkező energiaigényeket ki tudja elégíteni, ezért meg kell tudni becsülni a várható fogyasztásokat. Láttuk, hogy a fogyasztások időben váltakozva, véletlenszerűen jelentkeznek, ezek pontos meghatározása előre nem lehetséges. Becsülni lehet azonban az átlagfogyasztást és a maximális fogyasztást. Utóbbi alkalmas arra, hogy megfelelő kapacitást biztosítsunk

160

a rendszer számára, előbbi viszont irányt ad ahhoz, hogy a leggazdaságosabb üzemvitelt milyen terhelési állapothoz tervezzük. Rövid távon elegendő, ha az előző időszak átlagos, minimális és maximális értékeit vesszük figyelembe: ez adja meg az üzemeltetési tartományt. A hosszabb távú (éves, esetleg több évre szóló) becslést a múlt adataiból, a véletlenszerű hatások kiszűrésével határozzuk meg. A gyakorlatban három általános módszer terjedt el: – a trendszámítás, – a korrelációszámítás és – a fajlagosok alapján történő számítás. A trendszámítást akkor alkalmazzuk, ha a termelés hosszú időszakban is kiegyenlített, sem a termelés struktúrájában sem volumenében nem várható lényeges változás, vagy akkor, ha az energiafogyasztás nem függ lényegesen a termeléstől (pl. fűtési, világítási igények). A trendszámítás az energiafogyasztás időbeli alakulását veszi figyelembe. Legyen pl. egy vállalat hőenergia-fogyasztása az elmúlt öt évben az alábbi táblázat szerint: Év

Fogyasztás, GJ 3215 3302 3420 3521 3610

1992 1993 1994 1995 1996

0 1 2 3 4

Bázisévhez képest Év GJ 0 87 205 306 395

Mivel kisebb számokkal könnyebb számolni, és az eltérések is szemléletesebben látszanak, kiválasztottuk az 1992. évet bázisévnek, és a táblázat utolsó két oszlopában a bázisévhez viszonyított eltérést írtuk be. Ha az energiafogyasztást az évek függvényében felrajzoljuk, azt látjuk, hogy a pontok egy határozott függvény jelleget mutatnak: berajzolható egy olyan görbe (függvény), amelyik valamennyi felrajzolt ponthoz közel esik (61. ábra).

Energiafogyasztás trendje 1200 1000

GJ/év

800 600 400 200 0 0

Év 61. ábra. Energiafogyasztás trendje Esetünkben a pontokhoz jól illeszthető egy egyenes. Ha t-vel jelöljük a bázistól számított évek számát és Q-val a bázishoz viszonyított fogyasztás növekményt, az alábbi összefüggést írhatjuk fel:

161

Q  100,9t  3,2 . Ezzel pl. az 1997. évre 3215+100,9·5-3,2=3716,3 GJ energiafogyasztás várható. A közelítés pontossága 6,89 GJ (5,79%).

A trendszámítás pontossága annál nagyobb, minél kisebb az eltérés az adatok és a közelítő függvény értékei között, és minél közelebb vagyunk a tényadatokat tartalmazó időszakhoz. Bizonyos mértékig fokozható a pontosság azzal, hogy nagyobb időszak adatait vesszük figyelembe, de csak akkor, ha a fogyasztás feltételei a jövőben (a tervezési időszakban) nem változnak. A korrelációszámítás a termelési adatok és az energiafogyasztás között ad összefüggést. Ezt akkor lehet alkalmazni, ha a fogyasztások nagy részét a technológiai fogyasztók adják. Egy téglagyár utóbbi öt évében a termelt tégla mennyisége és az energiafogyasztás az alábbi táblázat szerint alakult: Év 1992 1993 1994 1995 1996

Termelt tégla ezer tonna 25,0 30,0 22,0 19,0 31,0

Energiafogyasztás TJ 13,00 15,70 11,80 10,05 16,30

A matematikai eljárás ugyanaz, mint a trendszámításnál, csak most a termelt tégla mennyisége, és az energiafogyasztás között próbálunk összefüggést keresni (62. ábra).

Energiaigény, TJ 16 14 12 10 18

24 26 Tégla, ezer tonna

62. ábra. A téglagyártás energiaigénye Ha egyenessel közelítjük az összefüggést, és Q-val jelöljük az energiaigényt TJ-ban és M-mel a termelt tégla mennyiségét ezer tonnában, akkor a közelítő összefüggés:

Q  0,3658  0,512 M . A közelítés pontossága 0,1122 TJ (0,902%). Természetesen lehet több termelési paraméterrel is összefüggést keresni, akkor a korrelációs függvény többváltozós lesz.

A korrelációszámítás alkalmazásának feltétele, hogy összefüggés legyen a vizsgált termelési paraméter(ek) és az energiafogyasztás között. Ennek elbírálása történhet grafikusan (a diagram megrajzolásával), vagy statisztikai számításokkal (korrelációvizsgálat). Ha korrelációszámítással összefüggést teremtettünk a termelési

162

adatok és az energiafogyasztás között, akkor a termelési ütemterv alapján lehet meghatározni a várható energiaigényeket. Hasonlóan a termelés ill. a tevékenység és az energiafogyasztás között teremtenek kapcsolatot a fajlagosok. A fajlagosok egy technológia vagy tevékenység egységére vonatkoztatott energiaigények mutatószámai. Egyik legismertebb energetikai fajlagos a gépkocsik fogyasztása:

fogyasztás = 100

elfogyasztott üzemanyag . megtett út

Bár a fajlagosok is a termelésre vonatkoztatott statisztikai értékek, ezek a technológiára jellemzők, és sok esetben kézikönyvekben, statisztikai gyűjteményekben megtalálhatók. A 26. táblázat néhány vegyipari termék gyártásának fajlagos energiaigényét mutatja be. 26. táblázat Termék Marónátron Etilén Polietilén granulátum PVC-por Ammónia Nitrogénműtrágya Foszforműtrágya Kénsav Vegyi szálak Polipropilén granulátum Szalmacellulóz Félcellulóz Papír Kartonpapír

Energiaigény GJ/t 38,119 151,409 14,218 6,953 56,677 9,767 0,754 1,034 52,957 19,020 33,396 9,914 17,608 15,022

Fajlagosokat találhatunk berendezésekre is (Tégelyes olvasztó lángkemencék fajlagos hőszükséglete a kemence felmelegítésének hőszükséglete nélkül). Ilyenekre mutat példát a 27. táblázat. 27. táblázat Betét Alumínium Réz Bronz

Olvasztási hőmérséklet, OC 700..750 1000 1200..1250

Olvasztási hőszükséglet, GJ/t olajtüzelés gáztüzelés 5,4..6,6 3,7..4,0 4,2..5,4 2,9..3,3 5,4..6,6 4,2..4,4

A fajlagosok sok esetben arra is felhasználhatók, hogy a saját rendszerünk tényadatait a statisztikai átlagértékekkel összehasonlítsuk és ezzel értékeljük a rendszerünket. Mint láttuk, mindhárom becslési mód csak – sokszor meglehetősen nagy – szórással adja meg a várható energiaigényt. Általánosságban azt mondhatjuk: minél inkább mért értékeken alapul és minél rövidebb távra szól, annál pontosabb a becslés.

163

6.3.3. Optimális szabályozás Ebben a fejezetben a szabályozás fogalmát abban az értelmezésében használjuk, hogy a szolgáltatott energiát minden esetben a fogyasztói igényekhez kell igazítani. Tehát szabályozás alatt a mindenkori munkapont beállítására irányuló tevékenységet értjük függetlenül attól, hogy az gépi (automatikus), vagy manuális módon valósul meg. Optimális a szabályozás akkor, ha a kívánt munkapontot a lehető leggazdaságosabb módon állítjuk be. Természetesen a szabályozás optimalizálásának feltétele, hogy több beállítási lehetőségünk is legyen, azaz a rendszernek legalább egy (szabályozási) szabadsági foka legyen. Legtöbb rendszer mindenféle szabályozás nélkül is beáll egy munkapontra. Egy szivattyú pl. meghatározott mennyiségű vizet a saját szerkezeti kialakításától függően egy meghatározott magasságra tud felemelni. Ha minden szóbajöhető vízmennyiséghez megrajzoljuk ezt az ún. szállítómagasságot, megkapjuk a szivattyú jelleggörbéjét.

63. ábra. Szivattyú és csővezeték munkapontja Ha ez a szivattyú egy csővezeték rendszerbe nyomja a vizet, annak ellenállása ugyanúgy jelentkezik, mintha a vizet az ellenállásnak megfelelő magasságra kellene felemelni. A csővezeték ellenállása az áramló vízmennyiségtől függ, így a csővezetékre is felírható egy jelleggörbe. Állandósult esetben a szivattyú éppen olyan magasra szállít, mint amilyen magasságot a csővezeték ellenállása jelent, azaz a munkapont a két jelleggörbe közös pontja lesz (63. ábra). Szabályozásra van szükségünk, ha a csővezetéken adott mennyiségű vizet kívánunk elvenni. Ez pl. úgy oldható meg, hogy a csővezetékre egy állítható elzárószerelvényt (pl. szelepet) szerelünk. Különböző szelepállásoknál más és más lesz a csővezeték-szelep együttes ellenállása (jelleggörbéje), így minden szelepálláshoz kapunk egy munkapontot (64. ábra).

164

64. ábra. Munkapont vándorlás, fojtásos szabályozás Tételezzük fel, hogy a szivattyú fordulatszáma változtatható. Minden új fordulatszámhoz egy új jelleggörbe tartozik, tehát ugyanazt a mennyiséget két különböző módon is be tudjuk állítani (65. ábra). Itt már van lehetőségünk a választásra, azaz a két, vagy több beállítási lehetőség közül kiválaszthatjuk a legkedvezőbbet.

65. ábra. Fordulatszám szabályozás

Ha több beállítási lehetőségünk van, akkor ezek közül az optimálist a célfüggvénnyel tudjuk kiválasztani. Üzemeltetésnél célfüggvénynek az üzemeltetési költségeket kell tekintenünk. A feladat megoldásához azonban az(oka)t az összefüggés(eke)t is ismerni kell, amely megadja az üzemeltetési költség és a szabadon beállítható paraméter(ek) közötti kapcsolatot. Általánosan:

Ku  f  x1 , x2 ,... xn   min , ahol x1, x2,..xn a szabadon beállítható paraméterek.

165

Példánkban az üzemeltetési költség a szivattyú hajtómotorja által felvett villamos teljesítménnyel arányos, így célfüggvénynek a teljesítményfelvételt tekinthetjük. Könnyen belátható, hogy a teljesítményfelvétel annál kisebb egy adott mennyiségnél, minél alacsonyabb a nyomás, azaz minél kisebb a fordulatszám. Ha a fordulatszámot rögzítettük, a szelepállást már nem vehetjük fel szabadon, hiszen a munkapontnak az előírt Q értéken kell lenni. A mennyiség igényének növekedésével azonban eljutunk arra a pontra, ahol már a szelepen nem lehet tovább nyitni, azaz a csővezeték ellenállásgörbéje tovább nem csökkenthető. Ekkor kénytelenek leszünk a fordulatszámot növelni. A 66. ábra mutatja a lehetséges szabályozási tartományt és vastagon berajzoltuk az optimális szabályozás beállítási értékeit.

66. ábra. Szabályozási tartomány

Abban az esetben, ha több szolgáltató dolgozik ugyanarra a rendszerre, fontos optimalizálási problémát jelent a gazdaságos teherelosztás. Tekintsünk egy gerincvezetéket, amelyre n számú berendezés biztosít betáplálást (67. ábra). Fogyasztás Q P1 

P2 

Pn 

Betáplálás

...

Pbe

67. ábra. Több betáplálásos gerinchálózat

A Q fogyasztást a betáplálások összegével kell biztosítani:

166

Q   Pi . i 1

További korlátozást jelent, hogy az egyes berendezések csak egy bizonyos tartományban tudnak dolgozni, azaz:

Pi ,min  Pi  Pi ,max

i  1,2,.. n .

Ahhoz, hogy egy i hatásfokú berendezés Pi teljesítményt leadjon, Pi/i primerenergiát vesz fel. Optimális a berendezések közötti teherelosztás, ha az üzemeltetési költség minimális. Saját üzemeltetésű berendezések esetén az üzemeltetési költség a primerenergia-fogyasztással arányos, így a célfüggvényünk: n

Pi  min . i 1 i

C  Pbe  

Mivel a hatásfokok a működési tartományon belül nem állandók, rendszerint a célfüggvénynek a fenti korlátok mellett csak egy, vagy néhány minimum pontja van. Az így felírt modell egyetlen Q terhelési értékhez tartozik. A teljes üzemi tartományban tehát minden terhelési értékhez újra és újra el kell végezni az optimalizálást, ami rendszerint csak számítógépes modell segítségével valósítható meg. A feladat korlátozó feltételei akkor sem változnak, ha az egyes berendezéseket külön szolgáltató, szolgáltatási díj ellenében szolgáltatja. Ekkor viszont a hatásfok, ill. a primerenergia-felhasználás költsége közvetetten, a szolgáltatói díjban kerül kifejezésre. Ezzel a célfüggvény, azaz a minimális költség: n

C  Kossz   ai  bi Pi   min

i  1,2,.. n .

i 1

Összetettebb a feladat, ha a betáplálások és a fogyasztók is távol vannak egymástól (pl. egy távfűtő rendszernél), amikor a hálózat (hidraulikus, elektromos) ellenállását, és (pl. hő-) veszteségeit is figyelembe kell venni. Hatásfok a terhelés függvényében 90 85

Hatásfok, %

80 75 70 65 60 55 30

100

Teljestmény

68. ábra. Hatásfok a terhelés függvényében Szemléltetésként vizsgáljunk egy olyan hálózatot, amelyre két, azonos típusú gép dolgozik! Mindkét gép 30..100 % teljesítmény-tartományban tud üzemelni. Ebben a tartományban a berendezések

167

hatásfokát a 68. ábra mutatja. A két berendezéssel tehát 30..200 egységnyi tartományban lehet a fogyasztói igényeket kielégíteni. Ha a fogyasztói igények 100 egységnél nagyobbak, akkor mindkét berendezést üzemeltetni kell. A célfüggvény a két berendezés primerenergia-fogyasztásának összege. Mivel a 2. gép teljesítmény minden esetben P2  Q  P1 , a célfüggvényt ábrázolhatjuk az 1. berendezés teljesítményének függvényében (69. ábra).Ha a fogyasztói igény 30..60 egység közé esik, csak egy gép járatható, mivel két gépes üzemben kiesnénk a szabályozási tartományból. Q =120 158 157 156 155

P be

154 153 152 151 150 149 148 30

P 1, %

69. ábra. Szabályozás célfüggvénye 60..100 egység fogyasztói igény esetén dönthetünk, hogy egy gépet, vagy kettőt járatunk. Az adott esetben számítással azt kaptuk, hogy az egygépes megoldás mindig kedvezőbb, mint a kétgépes megoldás optimuma. Mindezek figyelembevételével a rendszer teherelosztásának optimális stratégiája: Terhelési tartomány 30Q60 60Q100 100Q200

1.változat P1=Q P1=Q P1=P2

P2=0 P2=0

2.változat P1=0 P1=0

P2=Q P2=Q

6.3.4. Az energia tárolása A fogyasztás ingadozásainak kiegyenlítésére a szolgáltató (energiatermelő) és a fogyasztó közé tárolót lehet beépíteni. Vezetékes energiaszolgáltatás esetén a fogyasztások kielégítése a szolgáltató feladata, bár ebben az esetben is a tarifarendszer ösztönözheti a fogyasztót energiaigényének kiegyenlítésére. Nem vezetékes energiahordozók esetén (szén, tüzelőolaj, stb.) természetes, hogy a beszállítás (vásárlás) időszakonként történik, azaz az energiahordozót hosszabbrövidebb ideig tároljuk. Külön szerepet kap a tárolás kérdése kapcsolt energiaszolgáltatásoknál és a veszteséghasznosítási technológiáknál, ahol az energia termelését nem lehet függővé tenni a fogyasztástól (pl. hulladékhő-hasznosításnál). Költségelszámolási egységek szerint tárolást alkalmazhat az energia termelő (szolgáltató), a fogyasztó vagy – ha külön egységet képez – a hálózat fenntartója. Az energiatermelőnél elhelyezett tárolás pl. egy ipartelep energiaellátó részlegénél létesített melegvíz tároló (bojler), amely a fogyasztók ellátását szolgálja. A fogyasztónál elhelyezett tipikus

168

tárolási forma pl. a szállítójárművek üzemanyagtartályai. A hálózatban elhelyezett tárolók pl. a tüzelőanyag-telepek, amelyek a termelőtől felvásárolják a tüzelőanyagot és a kereskedelmi csatornákon értékesítik.

A tárolásnál egyik legnehezebb probléma a minimális és az optimális tárolókapacitás meghatározása. A 70. ábra egy olyan rendszert mutat be, amelyben a fogyasztás 0..100 egység/óra között véletlenszerűen változik. A rendszerbe épített tároló 100 egység kapacitású. és egyenletesen 50 egység/óra a tárolóba a betáplálás. Hosszú távon a fogyasztás átlaga megegyezik a betáplálási sebességgel. A rendszer üzeméből kiragadott 15 órában mutatja be az ábra az indulásnál 50 egységig feltöltött tároló szintjének változását. Jól látható, hogy a 6. és 7. órában a kis fogyasztások torlódása miatt a tároló már nem tud befogadni töltést, ugyanakkor a 12. és 13.órában, a csúcsfogyasztások halmozódása miatt hiány lép fel. Fogyasztás 100 80 60 40 20 0 1

9 10 11 12 13 14 15

Szint 100 80 60 40 20 0 0

9 10 11 12 13 14 15

Többlet/hiány

100 50 0 -50

9 10 11 12 13 14 15

-100

70. ábra. A fogyasztás változása az időben A többlet nem szokott problémát jelenteni: rendszerint megengedhető a betáplálás leállítása. A hiány elkerülésére háromféle lehetőségünk van: – csúcsüzemi berendezés beállítása, amely a hiány mértékéig az adott időszakban többlet energiát állít elő, – nagyobb tároló kialakítása, – az átlagfogyasztásnál nagyobb sebességű betáplálás alkalmazásával, ami a tárolóban mindig egy bizonyos mértékű túltöltést hoz létre.

169

A tárolós rendszerben, ha a tárolót a fogyasztó veszi igénybe, az energiaköltségek három tényező összegeként adódnak: –

az energiaköltség, ami a fogyasztással arányos (pl. hődíj, áramdíj),

–

a teljesítménydíj, ami a legnagyobb fogyasztással arányos,

–

a tárolás költsége, amely a mindenkori tárolt mennyiséggel arányos.

Képletben egy lehetséges célfüggvény: Ku  a E E f  a P Pmax  aT E t  aC Ec  min ,

ahol Ef, Et és Ec a fogyasztott, a tárolt és a Pmax-nál nagyobb teljesítményszinten (csúcsban) igénybevett energia, Pmax a szolgáltatóval szerződésben lekötött teljesítmény, aE az energia egységára, aP a teljesítménydíj, aT a tárolás fajlagos költsége és aC a csúcsban igénybevett energia egységára. A jelöléseket a 71. ábra magyarázza. Szolgáltató Fogyasztó E = Pdt

E = ( P - Q )dt

E =Q dt f

Tároló

71. ábra. Fogyasztás és tárolás

Mivel az energiafogyasztás adott, az első tag állandó, tehát a célfüggvény szélső értékét nem befolyásolja. A második tag akkor maximális, ha egyáltalán nem használunk tárolót, hiszen akkor a maximális teljesítményfelvétel a maximális fogyasztással egyezik meg. Tároló esetén Pmax értéke csökken, és minimális lesz, ha teljesen kiegyenlítjük az ingadozásokat, azaz Pmax = Qátlag. A harmadik tag a tároló növelésével arányosan növekszik. A negyedik tag akkor jelentős, ha a tároló kisméretű és a lekötött teljesítményt alacsony értéken határozzuk meg. A második és harmadik tag ellenkező irányú változása miatt joggal feltételezhető, hogy a célfüggvénynek a költségviszonyok határozzák meg a minimumát. Az operációkutatásban készletgazdálkodásnak nevezik azt a modellt, amelyben egy nem vezetékes energiahordozó tárolásának (készletezésének) optimumát keressük.

170

Az optimális tételnagyság klasszikus modelljében az alábbi feltételekből indulunk ki: – a feladat az energiahordozó egy meghatározott T időszakra (pl.évre) vonatkozó készletezésére vonatkozik; – az adott időszakra az összes szükséglet R; – az energiahordozó (pl. napi vagy heti) felhasználása egyenletes, azaz a R fogyasztás r  = állandó; T – hiány nem engedhető meg, azaz minden időpontban biztosítani kell a szükséges mennyiséget; – az utánrendelést és a szállítást egyetlen időpontnak vesszük, azaz nem számolunk utánpótlási idővel; – a vizsgált időszakban az árak nem változnak. A célfüggvény itt is a minimális költség, amelyben az alábbi tételeket vesszük figyelembe: – a beszerzés állandó (mennyiségtől független) költsége, azaz a fix szállítási költség: c1; – a beszerzés mennyiséggel arányos költsége, az energiahordozó egységára: cb; – az egységnyi mennyiségű energiahordozó egységnyi időszakra vonatkozó költsége: c2. A feladat annak meghatározása, mekkora q1, q2,...qn nagyságú tételekben és milyen t1, t2,...tn időszakonként töltsük fel a tárolót. A feladat paramétere, hogy a beszerzések összege az időszakra szükséges mennyiséggel egyezik meg: q1  q2 ...qn  R .

Matematikailag bizonyítható, hogy akkor minimális a költségek összege, ha egyenlő t időközönként, egyenlő q nagyságú tételeket rendelünk, és mindig akkor töltjük fel a tárolót, amikor a készlet már nullára csökkent. Fentiek figyelembevételével a készlet-idő diagramot a 72. ábra mutatja. A beszerzés költsége annyiszor jelentkezik, ahány megrendelés van az időszakon R belül, ami viszont az összes igény és az egyszeri szállítási tétel hányadosa: . Ezzel q R a beszerzési költség: c1 . q

171

72. ábra. Készlet-idő diagram

Az energiahordozó ára az összes mennyiségtől függ, és független a beszerzések számától: cb R . Végül a tárolási költség függ a mindenkori készlettől és a tárolás tq Tq idejétől, azaz az ábrán berajzolt készletfüggvény alatti területtől: c2 n  c2 , 2 2 mivel a beszerzési időközök összege éppen a vizsgált időszakkal egyezik meg. Most már felírható a célfüggvény:

C  c1

R Tq  cb R  c2  min . q 2

A függvényben csak q az ismeretlen, az összes többi változó értéke adott, így egy egyváltozós függvény minimumát kell keresnünk. A matematikai levezetés mellőzésével az optimális tételnagyság értéke:

q opt 

2rc1 R , ahol r  . c2 T

Költség

Ha a költségfüggvényt tagonként ábrázoljuk, jól látható, hogy a q függvényében a beszerzés költsége hiperbolikusan csökken, míg a tárolási költség lineárisan nő. Az energiahordozó ára független a beszerzések számától (73. ábra).

3000

Tárolás

2500

Energiaár

2000

Összes költség

Beszerzés

1500 1000 500 0 0

5Beszerzési10 nagyság (q)15

73. ábra. Költségek a beszerzési mennyiség függvényében

172

Az energiahordozók tárolásának műszaki megoldásai már az energiahordozó fajtájától függenek. A szilárd tüzelőanyagok tárolása kis méretekben tárolóhelyiségekben (tüzelőanyag-tárolók), esetleg nyitott szinekben történik. Nagyobb tételeknél a tárolóbunkerek és a tárolóterek terjedtek el. A tárolók kialakításánál elsősorban környezetvédelmi szempontokat kell figyelembe venni: a levegő porszennyezését és a talajszennyezést (főleg a csapadék bemosó hatását) kell megakadályozni. Másodlagos levegőszennyezést okozhatnak a nem elektromos hajtású belső anyagmozgató berendezések, főleg a diesel üzemű targoncák. Utóbbiaknál zajszennyezéssel is kell számolni. A tárolási egységek kialakításánál figyelembe kell venni, hogy különösen a nagy illótartalmú szenek öngyulladásra hajlamosak, ezért nagyobb a területigényük. A tárolótér nagyságát növeli az anyagmozgatás helyigénye: a szállítóeszközök fogadása és kirakodási helyigénye és a belső anyagmozgatáshoz szükséges mozgástér. Lényegesen nagyobb költségű a szilárd hulladék (mint tüzelőanyag) tárolási költsége akkor, ha a hulladék okozta bűzt zárt rendszeren keresztül el kell szívni és (általában a hulladékégető tűzterében) ártalmatlanítani. A szilárd tüzelőanyagok tárolási nagysággal arányos költségei a tárolótér amortizációs, vagy bérleti költsége és a belső anyagmozgatás energiaköltsége. A folyékony tüzelőanyagok tárolása föld alatti vagy föld feletti tárolótartályokban történik. A tárolók létesítésénél lényeges szempont a környezetvédelem és a tűzvédelem, ezért járulékos költségekkel kell számolni, aminek fajlagos (egységnyi tárolt mennyiségre vonatkoztatott) értéke a tárolt mennyiség növekedésével csökken. A tárolás költsége általában nem függ attól, hogy egyes beszerzésekkor milyen mértékben töltjük fel a tárolótartályokat (mint a készletezési problémában). Ezért legkedvezőbb stratégia, ha minden utánpótlásnál teljesen feltöltjük a tartályokat, és éppen csak a minimális tartalék meghagyásakor rendelünk újra. Ezt a stratégiát olyan, nem műszaki tényezők befolyásolhatják, mint a tüzelőanyag árváltozásai, vagy a megrendelő forgótőke hiánya. Gáznemű tüzelőanyagok tárolása a gáz fajtájától függ. Földgázt – fokozott tűz- és robbanásveszély miatt – üzemi szinten nem szoktak tárolni. Nemzetgazdasági szinten a szezonális ingadozásokra létesítettek néhány földalatti gáztárolót, amelyet a földgázbányászattal foglalkozó szakcégek üzemeltetnek. Azokon a helyeken, ahol nincsen vezetékes gázellátás, egyre inkább terjed a cseppfolyósgáz (propán vagy propán-bután keverék) felhasználás. A cseppfolyósgáz tárolására jellemző, hogy a nyomás alatti tárolótartályban együtt van jelen a folyadék és a gőzfázis. Emiatt – más gáztárolókkal ellentétben – a tartály nyomása nem a töltési szinttől, hanem a hőmérséklettől függ (28. táblázat). Keverékek (pl. propán-bután) tárolásánál figyelembe kell venni azt is, hogy a kisütés folyamán a keverék összetétele változik, mivel a gázpárna mindig gazdagabb a könnyű (alacsonyabb forráspontú) komponensekben, a folyadék fázis pedig a nehezebb (magasabb forráspontú) komponensekben.

173

28. táblázat Hőmérséklet, °C -20 0 20 40 60

propán 2,471 4,776 8,498 14,01 21,30

Telítési gőznyomás, bar izobután normálbután 0,76 0,48 1,65 1,06 3,18 2,11 5,72 3,84 9,45 6,50

Kisebb fogyasztások esetén a tárolótartály gőzteréből történik az elvétel, a gőz utánpótlását a tartály falán keresztül a környezetből felvett hő hatására történő elpárolgás biztosítja. Nagyobb teljesítményeknél a folyadéktérből történik az elvétel és az elpárologtatást külön berendezés biztosítja. Nagymennyiségű cseppfolyósgáz tárolása a szerkezetileg nem oldható meg nyomás alatt. Ilyenkor alkalmazzák az atmoszférikus nyomású, hűtött tárolást. Hazánkban pl. Szeged mellett létesítettek egy 30000 m3 kapacitású propán-bután tárolót, amelynek az üzemi hőmérséklete -30 °C. A hidegtárolásnál legalább két teljesítményszintű hűtésről kell gondoskodni: az egyik szinten a betáplált gázt kell lehűteni (esetleg cseppfolyósítani is, ha a betáplálás gáz halmazállapotban történik), másik szinten pedig a töltet hőveszteség miatti felmelegedését kell megakadályozni. A tároló kisütéséhez, azaz az elvételhez elpárologtatót kell üzemeltetni. A kis mennyiségű cseppfolyósgáz tárolás költségének szerkezete a folyékony tüzelőanyagok tárolásának költségszerkezetéhez hasonlít és az amortizációs költség a domináns. Elpárologtatóval ellátott tároló költségei között már megjelenik az elpárologtató energiaigénye, míg az atmoszférikus hűtött tárolóknál a hűtés költsége is jelentős. Víz tárolására tárolótartályokat, medencéket vagy víztornyokat használnak. A víztornyos tárolás előnye, hogy a szivattyúzási munka legnagyobb része helyzeti energiaként megmarad, a tároló kisütéséhez nincs szükség szivattyúra. A nyitott víztárolóknál nagy a szennyeződési és algásodási veszély, ezért a víz tisztítására fokozott figyelmet kell fordítani. Ha cirkulációs hűtővizet tárolunk, akkor az ellátás egyenetlenségeinek kompenzálása mellett fő szempont, hogy a tárolási idő alatt a víz biztosan visszahűljön a kiadási hőmérsékletre. A villamos energia tárolása egyelőre csak a kis teljesítményű tartományban megoldott. Az akkumulátorok fő felhasználási területe a járművek és a kéziszerszámok villamosenergia-ellátása. Másik jelentős alkalmazási terület a biztonsági energiaellátás, mint pl. a számítógépeket és más elektronikus berendezéseket ellátó szünetmentes áramforrások, a vészvilágítások, segélyhívó berendezések, stb. energiaforrásai. Sűrítettlevegő-tárolót minden kompresszorüzemben használnak. Maga a tároló egy, a tárolandó mennyiségre méretezett nyomástartó edény (légtartály), amelynek a töltését az alsó és felső nyomásszintről vezérelik: a felső nyomásszinten a kapcsoló leállítja, az alsó nyomásszinten bekapcsolja a tartályt töltő kompresszort. Nagyobb teljesítményű hálózatoknál a légtartályt úgy méretezik, hogy a betáplálás lehetőleg folyamatos legyen, a kompresszor leállítására minél kevesebbszer legyen szükség.

174

74. ábra. Sűrített levegő előállítása és tárolása A komprimálás folyamán a levegőben lévő vízgőz parciális nyomása is megnő, ezért a visszahűlés folyamán fennáll a veszélye a csapadékkiválásnak. A víz a fogyasztóberendezések működését megzavarhatja, de a vezetékekben is fokozza a korrózióveszélyt, ezért a kiváló csapadék továbbjutását meg kell akadályozni. A kompresszorüzemek tartozéka ezért a levegőhűtő és a cseppleválasztó ill. szárító berendezés (74. ábra).

A hőenergia tárolása elsősorban az energiahordozó fajtájától függ. Legismertebb hőenergia-tároló a bojler, azaz a meleg- vagy forróvíz tároló.

75. ábra. Melegvíz tároló

A legtöbb rendszernél a melegvíz előállítása is a tárolóban (75. ábra). A fűtés gőzzel, meleg ill. forróvízzel történik, de elterjedtek a közvetlen fűtésű bojlerok is. A tároló kialakításánál kihasználják azt a fizikai törvényszerűséget, hogy a korlátolt térben a víz a hőmérséklet szerint rétegződik, azaz mindig a hideg víz marad alul. A tároló fűtését a hőmérsékletről lehet szabályozni. A gőz tárolása kondenzációval történhet, ezek legismertebb módja a Ruths-féle gőztárolás (76. ábra). A tároló töltése a p1 nyomású rendszerről történik. A tárolóban lévő víz a belépő gőzt lekondenzálja, kialakul az adott nyomáson egy gőz-folyadék egyensúlyi állapot.

175

76. ábra. Ruths-tároló

Az elvétel a p2 < p1 nyomású hálózaton keresztül történik. Mivel a p2 nyomás kisebb a tároló nyomásánál a megindul a folyadék kigőzölgése, azaz a lekondenzált gőzt szintén gőz formájában nyerjük vissza.

77. ábra. Regeneratív hőcserélő

Végül szilárd anyag is alkalmas lehet hő tárolására (77. ábra). Ezen az elven működnek a regeneratív hőcserélők: az áramló meleg közeggel szilárd, nagy hőkapacitású töltetet melegítünk fel. Amikor a töltet felmelegedése megtörtént, megszűntetik a meleg közeg áramlását és a hideg, felmelegítendő közeget vezetik át a tölteten. A töltés kisütés így periodikusan ismétlődik. 6.3.5. A szállítás energiaellátása Nincs olyan gazdálkodó szervezet, amelynek ne lenne személy és/vagy teher szállítási feladata. Közvetlenül a szállításhoz tartozik még a fel- és lerakodás, amely szintén jelentős energiaigénnyel jelentkezhet.

176

A feladat rendszerint jól elkülöníthető két részterülete: – a telephelyen belüli szállítás (anyagmozgatás) és – a telephelyen kívüli szállítás. A telephelyen belüli szállítás eszköze nagyon sokféle lehet a szállítószalagtól a csővezetékeken keresztül a különböző rakodógépekig. Ezek rendszerint szigorúan kötődnek egy-egy technológiához, így energiaellátásukat a technológiai rendszer energiaigényeinél vehetjük számításba. Külön lehet vizsgálni a telephelyen belüli közlekedés (targonca, teherautó, belső használatú személygépkocsik vagy mikrobuszok) energiaigényét. A szállítás költségeinek meghatározásához először a szállítás megvalósításának feltételeit kell megvizsgálnunk. Ezek: – szállítóeszköz és azt működtető személyzet, – megfelelő úthálózat és tárolóhely (parkoló), – üzemanyagellátás és üzemanyag tárolás, – javítási és karbantartási lehetőség megfelelő szakszemélyzettel. A két utóbbi esetleg szerződéses formában külső szakcéggel is elvégeztethető. A szállítóeszközök fajtáját, teherbírását és mennyiségét rendszerint a technológia határozza meg, bár bizonyos általános szempontokat (úthálózat, teherbírások, rakodási lehetőségek, stb.) itt is figyelembe kell venni. A szállítóeszköz típusának (márkájának) megválasztásánál rendszerint csak a beszerzési ár és a névleges fogyasztás adata áll rendelkezésünkre, ennek ismeretében kell döntenünk. Az utánpótlási (lecserélési) idő megválasztásához már ismernünk kell a fajlagos fogyasztási adatokat. Az éves üzemeltetési költség nagy részét kitevő fajlagos fogyasztás új járműnél kezdetben kissé csökken, de főleg 100 ezer km fölött fokozatosan növekszik. Ugyancsak növekszik a kenőanyagigény és a karbantartási, ill. pótalkatrész igény is, tehát változatlan árak mellett is egy bizonyos futás km után a jármű 1 km-re vetített költsége fokozatosan növekszik (78. ábra). Mivel az amortizációs költség a futás km növekedésével hiperbolikusan csökken, az üzemeltetési költség pedig az ábra szerint egy idő után növekszik, meghatározható egy optimális futás km, amelynél az összes költség minimális lesz. Az úthálózat kialakítása az üzemanyag költségeket a megtett út hosszán keresztül befolyásolja. Ha a legnagyobb forgalmú utak a lehető legrövidebbek és az útvezetés olyan, hogy ne legyen szükség sok gyorsításra, fékezésre és manőverezésre, sokat takaríthatunk meg a költségekben. Termelésszervezéssel is alapjaiban lehet a szállítási költségeket csökkenteni. Minél több szállítási feladatot fel tudunk „fűzni” egy szállítási útvonalra, és minél kisebb az üresjárat, annál kisebb lesz a költség. Nagyobb belső szállításnál a járművek üzemanyag-ellátását saját üzemanyagkúttal oldják meg. A tárolandó üzemanyag nagyságát az előző fejezetben tárgyalt készletezési problémaként lehet kezelni. Az üzemanyag tároló és kiszolgáló létesítménynél az üzemeltetési költségeket növeli a rendszeres ellenőrzés és tisztítás költsége és a kiszolgáló személyzet (ha van) bérköltsége ill. annak járulékai. Mai korszerű kutaknál már inkább olyan kártyás töltőállomások vannak, ahol a gépkocsivezető saját kártyával tud tankolni, és az elektronika az összes lényeges

177

adatot (vételezett mennyiség, a gépkocsi rendszáma, gépkocsivezető neve stb.) rögzíti. Ha a javítás - karbantartás saját, üzemen belüli szolgáltatásként történik, ezt ugyanúgy kell kezelni, mint más kiszolgáló létesítményt (pl. kazánházat, TMK műhelyt stb.).

78. ábra. Jármű üzemeltetési költségei

A külső szállítást végeztethetjük erre a feladatra szakosodott szakcéggel, vagy saját szállítóeszköz parkkal. Szakcéggel végeztetett szállítás gazdaságossága elsősorban szerződéskötés kérdése, mivel – ugyanúgy, mint az energiaszolgáltatóknál – ismétlődő szállításnál lehet esetleg kedvezményeket kapni, le lehet kötni pl. egy éves szállítási volument, vagy kérhet a szállító sürgősségi felárt. Saját géppark kialakítása esetén a járművek beszerzésére ugyanazok érvényesek, mint a belső szállításnál. Külső szállításnál a költségek meghatározója az útvonalak minősége és a szállítási útvonalak összege. Könnyen belátható, hogy más a gépjármú fogyasztása autópályán, rossz minőségű úton, hegyes-völgyes terepen, vagy sűrű, nagy forgalomban, vagy ahol gyakran kell leállni és újra indítani. Reprezentatív felmérések bizonyítják, hogy az üzemanyagköltség még 20..30 %-kal hosszabb út esetén is kisebb lehet, ha ezzel egy kátyús földutat lehet jó minőségű aszfaltúton elkerülni. A szállítási útvonal megválasztásánál az út és terepviszonyok különbségeit az egyenértékű úthosszal vehetjük figyelembe. Egy útszakasz egyenértékű úthossza az a szakasz, amelyet ugyanaz a gépjármű egy átlagos minőségű aszfaltúton megtenne ugyanazzal a terheléssel, ugyanolyan üzemanyag-fogyasztás mellett. Ezzel lehetőségünk nyílik arra, hogy a szállítási úthossz minimalizálásával a költségeket minimalizáljuk. Több telephellyel és több felvevőhellyel rendelkező cég, vagy egy szállítóvállalat veheti hasznát az operációkutatásból ismert szállítási feladat elnevezésű modellt. A feladat általános megfogalmazása: adott m számú, Fi (i=1,2,..m) feladóhelyen feladóhelyenként fi (i=1,2,..m) mennyiségű, azonos fajta áru, amelyet n számú Rj (j=1,2,..n) rendeltetési helyre kell elszállítani, rendeltetési helyenként rj (j=1,2,..n)

178

mennyiségben. Legyen a rendelkezésre álló mennyiség összege egyenlő az igények összegével: m

i 1

j 1

 f i   r j  SUM . Az Fi feladóhelyről az Rj rendeltetési helyre szállított árumennyiséget jelöljük cijvel (i=1,2,..m), (j=1,2,..n) és foglaljuk az adatokat táblázatba: R1 x11 x21 ... xm1 r1

F1 F2 ... Fm

R2 x12 x22 ... xm2 r2

... ... ... ... ... ...

Rn x1n x2n ... xmn rn

f1 f2 ... fm SUM

A belső táblázatban a sorösszegek a rendelkezésre álló áruk mennyiségével, az oszlopösszegek az igényekkel egyeznek meg: n

 xij  f i és j 1

 xij  r j . i 1

Jelöljük a továbbiakban cij-vel az Fi feladóhelyről az Rj rendeltetési helyre (i=1,2,..m), (j=1,2,..n) történő egységnyi áru szállítási költségét. Ezeket a fajlagos költségeket is táblázatba foglalva: R1 c11 c21 ... cm1

F1 F2 ... Fm

R2 c12 c22 ... cm2

... ... ... ... ...

Rn c1n c2n ... cmn

További korlátozó feltétel, hogy a szállított árú mennyisége nem lehet negatív:

i  1,2,.. m,  j  1,2,.. n

xij  0

és valamennyi rendelkezésre álló mennyiség ill. igény nagyobb 0-nál: fi  0

i  1,2,.. m

és r j  0

 j  1,2,.. n .

Célfüggvényünk az összes szállítási költség, és a feladat az, hogy olyan szállítási tervet határozzunk meg, azaz úgy válasszuk meg az xij mennyiségek értékét, hogy az összes költség minimális legyen: m

  cij xij  min. i 1 j 1

A megoldást itt nem részletezzük, csak jelezzük, hogy az így felírt feladat a lineáris programozás témakörébe tartozó tipikus matematikai modell, amelynek megoldására kész számítógépes programcsomagok kaphatók. A megoldás lépései a hivatkozott irodalomban megtalálhatók. Mind a belső, mind pedig a külső szállítási problémáknál jól alkalmazható modell az utazó ügynök problémája, amely az alábbi alapproblémát fogalmazza meg:

179

Legyen adott n számú város (állomás): V1, V2,...Vn. Az i-ik és j-ik város közötti távolság (vagy szállítási költség) di,j (i=1,2,..m, j=1,2,..n). Egy ügynök V1-ből kiindulva mindegyik várost meg akarja látogatni, de mindegyiket csak egyszer. A célfüggvény a megtett összes út, vagy az összes szállítási költség, és a feladat, hogy az ügynök úgy tegye meg V1-től V1-ig a körútját, hogy a célfüggvény minimális legyen.

79. ábra. Utazó ügynök útvonaltervei

Az 79. ábra egy 9 állomásos feladat két lehetséges megoldását mutatja. Az összes lehetséges megoldás száma 9!, tehát igen nagy szám. Belátható, hogy az állomáshelyek számának növelésével az összes lehetséges változat kiértékelése már számítógéppel sem lehetséges, ezért az utazó ügynök problémája modell megoldási stratégiát választ, és ennek alapján keresi meg az optimális útvonalat. A rakodás, ill. kiszolgálás optimalizálására adhat modellt a sorbanállási probléma megoldása, amely azt keresi, hogy egy adott véletlenszerű kereslet kiszolgálására optimálisan hány kiszolgálási csatornát kell nyitni, hogy a költségek minimálisak legyenek. Sorbanállási probléma modellt lehet alkalmazni pl. az üzemanyagkiszolgáló állomások kútfej állásainak meghatározására vagy az optimális rakodóállások tervezéséhez is. 6.3.6. Az üzemeltetés kényszerei Az üzemeltetés folyamán a szolgáltatott energiának a fogyasztással egyensúlyban kell lenni, azaz a fogyasztás változását a szolgáltatás szabályozásával (ún. teljesítményszabályozással) kell követni. Ha a fogyasztás egy maximum és egy minimum érték között változik, a szolgáltatás szabályozási tartománya a 80. ábra szerint jelölhető ki. Egy jól illesztett rendszerben a szabályozás lefedi a fogyasztási tartomány ingadozásait és a szolgáltató a maximális hatásfokát a legnagyobb gyakoriságú fogyasztási értéknél éri el. Ha a szolgáltatást több berendezéssel valósítjuk meg, célszerű a legjobb hatásfokú berendezést a legnagyobb gyakoriságú fogyasztás környezetében a lehető legszélesebb tartományban üzemeltetni, míg a rosszabb hatásfokú berendezések a minimális és/vagy a csúcsfogyasztási tartományban üzemeljenek. Az optimális teherelosztás kérdését részletesebben a korábbi fejezetekben tárgyaltuk. Tételezzük fel, hogy egy energiaracionalizálási program keretében veszteség hasznosításra került sor, és a fogyasztás egy részét a keletkezett

180

hulladékenergiával kívánjuk kielégíteni. A veszteség a technológiában keletkezik, így nincs lehetőségünk arra, hogy annak mértékét szabályozással beállítsuk, azaz a veszteségből származó energia mértéke ugyanúgy véletlenszerű eloszlásban áll rendelkezésünkre, mint ahogyan véletlenszerű a fogyasztói igény is.

80. ábra. Szabályozási tartomány

81. ábra. Szabályozási tartomány a többlet forrás figyelembevételével

181

Ha a korábbi diagramunkba berajzoljuk a többlet forrást (lásd 81. ábra), két lényeges változást vehetünk észre: – az eredeti szolgáltatásunk szabályozása az alsó tartomány irányába kitolódik, hiszen fel kell készülni arra az esetre is, amikor minimális fogyasztás mellett a hulladékenergia maximális mértékben áll rendelkezésünkre; – a leggyakoribb terheléshez tartozó pont az eredeti szolgáltató működési tartományában a kisebb terhelés irányába tolódik el, így elmozdul a maximális hatásfokhoz tartozó ponttól: a hatásfok csökken. A hulladékenergia hasznosításának tervezésénél ezeket a szempontokat figyelembe kell venni. Jelentősebb hulladékenergia hasznosításnál sok esetben a kis terheléseket nem is lehet beállítani a szolgáltató berendezésekkel, ilyenkor felesleges forrásunk keletkezik. Ilyen esetek fordulnak elő pl. nyáron az olyan rendszereknél, amelyeket a fűtési hőigény kielégítésére létesítettek. Ilyen rendszereknél meg kell oldani az energiafelesleg kezelésének problémáját. Villamosenergia-felesleg esetén, ha a hulladékenergiából termelt villamos energia szinkronban össze van kötve a hálózattal, lehetőség van az országos hálózatba történő betáplálásra. Gáznemű tüzelőanyag felesleget rendszerint kényszerégető berendezésekben, fáklyán vagy ártalmatlanító kemencében égetnek el. Meleg és forróvíz felesleg esetén kényszerű visszahűtést lehet alkalmazni: a hőt léghűtőkben vagy hűtőtornyokban vonják el. Ha nem csak a víz hőtartalma, hanem maga a víz is felesleg (pl. geotermikus energia hasznosításnál vagy nyersolaj vízmentesítésnél), rendszerint a földalatti rétegekbe, meglévő (néhány száz, esetleg ezer méter mély) kutakba történik a besajtolás.

82. ábra. Szabályozási tartomány a csúcsüzemi berendezések figyelembevételével

Gőzfelesleget, ha nem túl nagy mennyiségű, a levegőbe fuvatnak le, bár ezt környezetvédelmi szempontokból egyre inkább tiltják. Nagyobb mennyiségű gőzt kényszerkondenzáltatni kell és a kapott kondenzátum már rendszerint felhasználható

182

tápvízként. A szabályozhatóság miatti energiafelesleg csökkenthető, ha akár a forrás oldalon, akár a fogyasztói oldalon, vagy mindkettőnél tárolót építünk be. A tároló ugyanis csökkenti az ingadozások mértékét és ezzel szűkíti a szabályozási tartományt. Gazdaságossági kérdés, hogy a hulladékenergia hasznosítással az eredeti energiaszolgáltató berendezést is kicseréljék. Ekkor, új berendezések alkalmazásával, optimális üzemet lehet kialakítani (82. ábra). Az eddig tárgyalt forrástöbblet a szabályozhatóság korlátai miatt keletkezett. Vannak olyan technológiák, amelyeknél a biztonság követeli meg a többletet. Nyomás alatti technológiáknál a készülékeket, csővezetékeket és tartályokat biztonsági szeleppel kell ellátni, hogy a bármilyen okból bekövetkező nyomásemelkedés ne okozzon robbanást. Ezek a súly- vagy rugóterhelésű biztonsági szelepek zárószerelvény nélkül vannak összekötve a nyomás alatti térrel. Az engedélyezettnél nagyobb nyomás esetén kinyitnak és a berendezésben lévő nagynyomású közeget kiengedik a szabadba. Ha a nyomás alatti térben lévő közeg mérgező vagy robbanásveszélyes, azt nem szabad a környezetbe kiengedni. Ilyenkor a biztonsági szelepek kiömlő csonkjait összekötik egy lefúvató rendszer csőhálózatával. A lefúvató rendszer végéhez egy égetőberendezés csatlakozik, amely elégeti, és ezzel ártalmatlanítja a lefújt gázt. A leggyakoribb égetőberendezés a – biztonságos területen és megfelelő magasságban elhelyezett – fáklya. A lefújt gáz mennyisége és összetétele is teljesen véletlenszerű, ezért technikailag nem lehet másképp megoldani a gyújtást, csak egy állandóan égő gyújtólánggal. A gyújtóláng teljesítménye a lefújt maximális mennyiségtől függ, hiszen a lökésszerűen nagy mennyiségben érkező gáznak nem szabad elfújnia a gyújtólángot. A gyújtóláng táplálására éghető gázt, azaz energiahordozót kell felhasználni, ami természetesen a rendszer energiamérlegében veszteséget jelent. Egy vegyipari technológiai soron esetleg több száz, különböző nyitónyomású biztonsági szelep is lehet, amelyek kedvezőtlen esetben egyidejűleg is működésbe léphetnek. Ezért nagyon komoly kockázati számításokat kell végezni a maximális lefúvatási kapacitás meghatározására. A kockázat egyrészt függ a lefúvatás tényének valószínűségétől és várható időtartamától, másrészt a nem megfelelő lefúvatás esetén bekövetkező kár várható nagyságától. Ugyancsak biztonsági okokból jelent energiaveszteséget az ún. melegtartalék biztosítása. A melegtartalék fogalma azt jelenti, hogy egy gépet vagy berendezést olyan állapotban tartunk, hogy az az üzemelő berendezés esetén azonnal át tudja venni a terhelést. Különösen olyan berendezéseknél van szükség jelentős melegtartalékra, amelyeket nagy hőkapacitásuk miatt csak hosszú idő alatt lehet felfűteni üzemi állapotra. Ilyenek a nagyteljesítményű kazánok, gőzturbinák, kemencék, stb. Egy gőzkörfolyamatú erőművi blokk pl. több órás felfűtés alatt képes csak energiát szolgáltatni. Ugyanakkor a gázturbinás rendszerek 10-15 perc alatt is beindíthatók. A melegtartalék mértékének megválasztásánál legfontosabb paraméter a maximálisan megengedhető kiesés időtartama, amit szintén kockázatszámítással lehet meghatározni. A szénhidrogéniparban gyakran használnak csőkemencéket. Ezek olyan berendezések, amelyek a csőben áramló éghető olajat közvetlen fűtéssel melegítik. Ilyen csőkemencénél egy esetleges csőlyukadás katasztrofális méretű tüzet okozhat.

183

Ezért a csőkemencék tűzvédelmét úgy oldják meg, hogy a csőlyukadás legkisebb jelére (pl. hirtelen nyomáscsökkenés) a kemence tűzterét automatikusan gőzzel árasztják el. Az elárasztáshoz hirtelen szükséges nagymennyiségű gőznek közvetlenül a kemence közelében mindig rendelkezésre kell állni, azaz folyamatosan melegen kell tartani a gőzvezetéket és a hőveszteség miatt lekondenzálódó gőzt pótolni kell. A gőz folyamatos utánpótlása ugyancsak energiaveszteséget jelent üzemi szinten. A biztonság növelése miatti ráfordítások jellegzetessége, hogy egy bizonyos szint fölött már nagy többletráfordítással lehet csak minimális mértékben növelni a biztonságot (83. ábra). Biztonság

Ráfordítás 83. ábra. A ráfordítás és biztonság kapcsolata

A biztonság növelése érdekében szükséges ráfordítások egy speciális esete a környezetvédelem igénye. Ide tartozik minden olyan energiaigény, melyet az elfolyó víz, a kibocsátott gázok vagy a keletkezett hulladékok kezelésére fordítunk. A víz tisztításánál technológiától függően többlet energia kell a szivattyúzáshoz, a vegyszeradagoláshoz és a levegő buborékoltatáshoz, az iszap kezeléséhez és szárításához. Másodlagos energiaigénnyel jelentkezhet a vegyszerek tárolása és mozgatása (külső és belső szállítás, rakodás). A füstgázok és más szennyezett gázok tisztítón történő átvezetése megnöveli az elszívással szembeni ellenállást, azaz az elszívó ventilátornak megnő a teljesítményigénye. Az elektrosztatikus porleválasztók elektromos energiát, a gázmosók szivattyúzási energiát igényelnek. Vegyszeres kezeléseknél itt is másodlagos igényt jelent a vegyszerek kezelése. A hulladékok kezelése – veszélyességüktől függően különböző mértékben – szintén energiát igényel (anyagmozgatás, tárolás, bűzelszívás, vegyszeres kezelés). Külön csoportot alkotnak az éghető hulladékok, amelyek elégetéssel történő ártalmatlanításukkal hőt termelnek, amely hőhasznosító berendezéseken hasznosítható. Hulladékégető beillesztése a technológiába egy-egy rendszernél jelentős energiamegtakarítást eredményezhet.

184

6.4.

Veszteségfeltárás

A meglévő rendszerünk folyamatos üzemeltetése mellett nagyon fontos, hogy rendszeresen elemezzük a rendszer működését, figyeljük és meghatározzuk a veszteségeit. A veszteségek figyelése felhívhatja a figyelmünket olyan, máshol még nem jelentkező zavarokra, mint a csővezetékek szivárgása, a berendezések hibás beállítása (pl. dieselmotoros gépek) vagy elöregedése, hőszigetelések megrongálódása stb. Másrészt a veszteségek feltárása és sorrendbe állítása kijelöli az energetikai fejlesztés irányát, megmutatja, hogy egy-egy energiamegtakarítást célzó beruházásunk a lehetséges legjobb megoldáshoz mennyivel visz közelebb. Különösen a vezetői döntések előkészítésénél fontos, hogy a fejlesztési javaslatokat egymáshoz viszonyítva és a vállalat energiamérlegéhez viszonyítva is meg tudjuk vizsgálni. 6.4.1. Mérlegek Egy vállalat, üzem vagy önálló elszámolású egység fizikai-technológiai folyamataihoz alap- és segédanyagokat valamint energiát használ, a tevékenysége eredményeként pedig terméket, ill. értékesíthető anyagokat, hulladékot, esetleg értékesített energiát és minden esetben hulladékenergiát bocsát ki (84. ábra). Anyagmérleg Energiamérleg Alap- és

Értekesített Energia ÜZEM segédanyag tárolt anyag termék

ÜZEM tárolt energia

Hulladék

Értekesített energia

Hulladékenergia

84. ábra. Anyag- és energiamérleg

A rendszerre felírt globális anyagmérleg egy adott t időszakra:  be  m  ért  m  hull  m

m , t

ahol m -tal a t időegység alatt be-ill kilépő tömegeket, azaz a tömegáramokat, be, ért és hull indexekkel pedig sorra az alap- és segédanyagokat, az értékesített termékeket és a hulladékokat jelöltük. Hasonlóan az energiamérleg: E , E be  E ki  E hull  t

ahol a be, ki és hull indexek a vételezett, az értékesített és a hulladékenergiára utalnak. Az időegység alatt be-ill. kilépő E energiát energiaáramnak nevezzük. Minél hosszabb távot vizsgálunk (pl. éves mérlegek) annál valószínűbb, hogy az egyenletek jobb oldala zérussá válik, azaz a tárolás üzemi szinten rendszerint átmeneti.

185

A vizsgált rendszert tetszőlegesen több részegységre (részrendszerekre) bonthatjuk, az anyag- és energiamérlegnek minden részrendszerre érvényesnek kell lenni úgy, hogy az nem mondhat ellent az egész rendszerre felírt globális mérlegnek. A bejövő anyag- és energiaáramokat, valamint az értékesítésre kerülő termékeket és energiát minden üzemben mérik. A veszteséget jelentő hulladékot és hulladékenergiát azonban a legritkább esetben ellenőrzik. Sok esetben ez nehezen is oldható meg, hiszen olyanokat kellene mérni, mint az épületek falán keresztül távozó hő, a szennyvízzel távozó oldószer, a kémények füstgázának mennyisége, az elektromos kéziszerszámok elhasznált energiája, stb. Ezért van nagy jelentősége a mérlegek számszerű meghatározásának, mert ezekkel megkaphatjuk legalább a veszteségek összegét. A 85. ábra egy üzem főbb be- és kimenő áramait mutatja fel az ismert adatokkal. Az üzem évente összesen 300 t alap- és segédanyagot használ fel, amiből 80 t terméket állít elő. A maradék anyagból 15 t mennyiséget tovább tud értékesíteni. A termelés folyamatos biztosítására szükség van még évente 500 m3 ivóvízre, 70 t 42 MJ/kg fűtőértékű tüzelőanyagra és 80 MWh villamos energiára. Hűtésre és szellőzésre 26·106 m3 levegő megmozgatására van szükség. termék 80 t össz. anyag: 100 t egyéb anyag 15 t 3 ivóvíz 500 m szilárd hulladék 3 hűtőlevegő 26 mill. m hűtőlevegő Anyagmérleg 3 tüz. anyag 70 t szennyvíz 480 m égési levegő vízgőz füstgáz vill. energia 80 M Wh

füstgáz (200 °C) Energiamérleg

tüz. anyag (42 M J/kg)

vízgőz (2500 kJ/kg) hűtőlevegő (30 °C) szórt energia

85. ábra. Részletes anyag- és energiamérleg

A szilárd anyagok és a szennyvíz környezeti hőmérsékleten távozik, azaz nem jelent hőveszteséget. A füstgáz hőmérséklete átlagosan 200 °C-kal van a környezeti hőmérséklet felett, a hűtőlevegő hőmérséklete pedig átlagosan 30 °C-kal emelkedik. A vízre felírt mérleg hiányát a víz elpárolgása okozza. A párolgáshőt 2500 kJ/kg értéken lehet figyelembe venni. Az anyagmérleg hiányzó adatait viszonylag könnyen ki tudjuk számítani. A kilépő hűtőlevegő mennyisége megegyezik a belépővel: 26·106 m3. A vízgőz a felhasznált ivóvíz és az elfolyó szennyvíz különbségéből adódik*: 20000 kg.

A csapadékvíz mennyiségét elhanyagolhatónak vettük.

186

Tüzeléstechnikai számításokból adódik, hogy 1 kg tüzelőanyag elégetéséhez 13,21 m3 égési levegő szükséges és ebből 13,96 m3 füstgáz keletkezik, ezzel az összes égési levegő szükséglet 925 ezer m3, a keletkezett füstgáz mennyisége pedig 977,2 ezer m3. Mivel az egyes anyagáramok jól elkülöníthetők, a számításnál megtartottuk az eredeti mértékegységeket. Természetesen, ha a sűrűségek figyelembevételével minden áramot átszámítunk tömeg egységre, a globális mérleget számszerűen is kielégítjük. Bonyolultabb rendszereknél nem kerülhető el az egységes tömeg mértékegységek használata. Mivel a felhasznált villamos energia is végül hővé alakul, az energiamérleget GJ mértékegységekben számítjuk. A füstgáz és a hűtőlevegő által elvitt hőt a

Q  Vcp t összefüggéssel számítjuk, ahol V az éves térfogatáram,  a gáz sűrűsége, cp az állandó nyomáson vett (izobár) fajhő és t a gázáram és a környezet hőmérséklete közötti különbség. A vízgőz által elvitt hő:

 , Q  mr ahol m a vízgőz éves tömegárama, r pedig a párolgáshő. A fennmaradó energia szórt hőenergiaként (falazati ill. szigetelési veszteség, súrlódási ill. alakítási veszteség stb.) távozik a környezetbe. A számítások elvégzése után az energiamérlegre az alábbi táblázatot kapjuk: Belépő áramok Villamos energia Tüzelőanyag

GJ/év 288 2940

Összesen:

3228

Kilépő áramok GJ/év Füstgáz Vízgőz Hűtőlevegő Szórt energia Összesen

254 50 1014 1910 3228

Ha a rendszert felbontjuk kisebb alrendszerekre (műhelyekre, berendezésekre stb.), a mérlegegyenleteknek több kötöttség mellett kell érvényesülni, hiszen az egyik alrendszer kimenő árama megegyezik a hozzá csatlakozó alrendszer bemenő áramával. Tekintsük a 86. ábra mutatta rendszert. A rendszer A-tól F-ig jelölve 6 elemből (alrendszerből) áll, amelyeket 1-től 12-ig számozott áramok kapcsolnak össze. A rendszer a szaggatott vonal mentén, az 1, 4, 6 és 12 jelű áramokkal csatlakozik a környezetéhez. A rendszerben tároló nincs.

187

86. ábra. Rendszer leírása gráffal

Egy rendszer csomópontokkal és azokat összekötő áramokkal felrajzolt sémáját gráfnak nevezzük. Az egyes elemekre (csomópontokra) felírt tömegmérlegek a jobboldalon zérusra rendezve: A pontra:

1  m 2  m  10  0 , m

B pontra:

2  m 3  m  11  0 , m 3  m 9  m 1  m 5  0 , m

C pontra: D pontra:

5  m 6  m 7  0, m

7  m  10  m  12  m 8  0, m

E pontra:

F pontra:

8  m  11  m 9  0. m

Végül a globális tömegmérleg:

1  m  12  m 4  m 6  0, m amit a fenti hat egyenlet összeadásával is megkaphatunk. Ezekben az egyenletekben a tömegáramok a változók és a felírt mérlegegyenletek adják meg a változók közötti kapcsolatokat. Írjuk fel a hét egyenlet változóinak együtthatóit táblázatos formában: 1 1

A B C D E F Körny. -1

188

2 -1 1

-1 1

-1

-1 1

Áramok 7

10 -1

-1

1 -1

-1 1

1 -1

1 1 -1

Ha megnézzük az ábrát, az együtthatóknak ez a táblázata pontosan megegyezik az ábrán szereplő gráf illeszkedési mátrixával, amit a következőképpen kapunk: – készítünk egy táblázatot (mátrixot), amelynek sorai a csomópontoknak, oszlopai az áramoknak felelnek meg. A környezet külön egy, de csak egy csomópontnak számít – a táblázat azon elemeinek helyére 1-t írunk, amelyeknél az adott sornak megfelelő csomópontba az adott oszlophoz tartozó áram befut – a táblázat azon elemeinek helyére -1-t írunk, amelyeknél az adott sornak megfelelő csomópontból az adott oszlophoz tartozó áram kilép – az összes többi elem 0* . Matematikai jelölésekkel egy gráf A illeszkedési mátrixának aij elemét az alábbiak szerint határozzuk meg:

 1, ha az j - ik áram az i - ik csomópontból indul  aij   1, ha a j - ik áram az i - ik csomópontba fut be  0, ha a j - ik áram nem érinti az i - ik csomópontot 

Általánosan is bizonyítható, hogy a mérlegegyenletek együtthatóinak táblázata megegyezik a rendszer gráfjának illeszkedési mátrixával. Példánkban 7 egyenletünk van, azonban de ezek közül csak hat független egymástól, mert a hetedik a többiből kiszámítható. A hat független egyenletből hat ismeretlen kiszámítható, ha a többi változónak értéket adunk. Általánosan: ha egy rendszerben a környezetet is beleértve n számú csomópont, és m (mn-1) számú áram van, akkor a mérlegegyenletekkel n-1 számú tömegáram kiszámítható, ha a többi tömegáram értékét megadjuk* . A megadott tömegáramokat az egyenletrendszer paramétereinek nevezzük. Az m-(n-1) számú paramétert nem vehetjük fel teljesen tetszőlegesen. Fontos szabály, hogy a kiszámítható áramoknak a rendszer gráfját kifeszítő fán kell lenniük. A rendszer gráfját kifeszítő fa egy olyan útvonal, amelyik a gráf összes csomópontját érinti, de az útvonalon végighaladva annak egyetlen pontjába sem lehet visszatérni. Más kifejezéssel, a fagráfban nem lehet hurok. Egy gráfnak többféle kifeszítő fája is lehet, így a megválasztható paraméterek csoportjának is lehet több változata. A 87. ábra egy lehetséges kifeszítő fát mutat be. A példán az is látható, hogy az útvonalat az áramok irányításától függetlenül kell értelmezni. A kifeszítő fa megválasztásával a paraméterként kiválasztott és a kiszámítandó áramokat külön tudjuk választani, és – a paraméterek megadásával – meg tudjuk oldani a mérlegegyenlet-rendszert. Ehhez már csak arra van szükségünk, hogy a hét egyenlet közül kiválasszuk azt a hatot, amelyek egymástól függetlenek. Erre matematikai kötöttség nincs, elvileg bármelyik egyenletet elhagyhatjuk.

A 0-kat a táblázatban nem szoktuk jelölni. Ez szigorúan akkor igaz, ha a rendszer gráfja összefüggő, azaz bármelyik két csomópontja között található olyan út, amelyik az áramokon halad végig. *

189

87. ábra. Egy lehetséges kifeszítő fa

Legyen az elhagyott egyenletünk a környezetnek megfelelő sor, akkor az átrendezett mérlegegyenlet-rendszer együtthatóinak táblázata:

A B C D E F

Kiszámítható áramok 1 2 3 5 8 11 1 -1 1 -1 -1 1 -1 1 -1 1 1

Paraméterek 4 6 7 9

-1

10 12 -1

1 -1

-1 1

-1

Látható, hogy most már ugyanúgy hat ismeretlenünk van, mint hat egyenletünk, tehát az egyenletrendszer megoldható. Az összetett rendszerek gráfelméleten alapuló mérlegszámításai jelentősen megkönnyítették a nagy rendszerek kezelését, hiszen a rendszer modellje teljesen gépiesen (és így algoritmizálhatóan számítógépen) felírható. Ugyanakkor a módszer széleskörűen, minden olyan áramokra alkalmazható, amelyekre a megmaradási törvények (Kirchhoff csomóponti törvénye) érvényesek. Így használható a módszer villamos hálózatokra, folyadék- (pl. víz), gázés hőáramokra egyaránt. Ha egy rendszerben nem minden folyamat megy végbe környezeti hőmérsékleten, akkor már szükség van mind az anyag- mind pedig a hőmérlegre. A két egyenletrendszerben azok a hőáramok, amelyeket anyagáram szállít, formailag teljesen megegyeznek, hiszen a hőáram magában foglalja a tömegáramot is.  p t . halmazállapotváltozáskor pedig Halmazállapotváltozás nélküli esetre Q  mc  , ahol cp a szállított közeg izobár fajhője, t a hőmérséklete és r a Q  mr

 p halmazállapotváltozáshoz szükséges hő (párolgáshő vagy olvadáshő). A W  mc szorzatot hőkapacitásáramnak, nevezik. Fenti összefüggések lehetővé teszik, hogy a hőmérlegből, a tömegáram ismeretében további, nem áram jellegű mennyiségeket számítsunk ki. Pl. az első egyenlet alapján az áramok hőmérséklete számítható ki.

190

88. ábra. Fűtési rendszer Legyen a 88. ábra egy központi fűtésű hálózat sémája. A fűtési rendszert 90 °C hőmérsékletű, 0,778 kg/s tömegáramú melegvíz táplálja. A hálózatnak két ága van: az egyik ágon 0,239 kg/s tömegáramú fűtőközeg 25 kW teljesítményű fogyasztót táplál, a másik, 0,538 kg/s tömegáramú ágon három, sorrendben 15, 25 és 5 kW teljesítményű fogyasztó van sorba kötve. A tömegáramokból a hőkapacitásáramokat a fajhővel történő beszorzással kapjuk:

kW  kW  kW   3,25  a c  1,00  b c  2,25 , Wa  m , Wb  m . W  mc K K K A rendszer áramainak hőmérsékletét – a tömegáramok ismeretében – a hőmérlegből kapjuk. Rajzoljuk fel ehhez a hőáramok gráfját (89. ábra).

89. ábra. A 88. ábra gráfja és kifeszítő fája

191

Az ábrán már a választott kifeszítő fát is bejelöltük, ezzel kiválasztottuk a megadandó paramétereket. A hőmérleg együtthatói megegyeznek a gráf illeszkedési mátrixával: Kiszámítható áramok 2 3 4 5 6 8 X -1 A -1 Y 1 -1 1 B 1 -1 C 1 -1 D 1 -1 Körny. 1

Paraméterek 7 1 9 10 11 12 -1 1 1 -1 -1 -1 -1

-1 1

A táblázat első hét áramánál a hőkapacitásáramot ismerjük, ezért ezekkel az értékekkel megszorozhatjuk az együtthatókat. Ezzel az ismeretlen csak az áram hőmérséklete lesz. Mint nem független egyenlet, hagyjuk el a környezetnek megfelelő sort. Ugyanakkor vegyük figyelembe, hogy az X elágazásnál a 2 és 7 áramok hőmérséklete azonos, ezzel egy további egyenletet kapunk a hőmérsékletekre:

t2  t7  0 , és így eggyel növelhetjük a kiszámítható változók számát. Mindezeket figyelembe véve a számításra alkalmas együttható mátrix a felső sorban a hozzá tartozó változók feltűntetésével:

X A Y B C D

Kiszámítható áramok t2 t3 t4 t5 -2,25

2,25

2,25 -2,25 2,25 -2,25 2,25 -2,25

t7 -1,00 -1,00 1,00 -3,25 1,00

Paraméterek t1 Q9 Q10 Q11 Q12 3,25 -1 -1 -1 -1

-1

Mivel a paraméterek a feladatból ismertek, elvégezhetjük a beszorzásokat és az összegzést. Ezzel a megoldandó egyenletrendszer:

 2,25t 2  t 7  292,5  t 8  t 7  25 2,25t 5  3,25t 6  t 7  0 2,25t 2  2,25t 3  15 2,25t 3  2,25t 4  25 2,25t 4  2,25t 5  5 t2  t7  0

192

Az egyenletrendszer megoldása °C-ban: t2 90,0 t3 83,3 t4 72,2 t5 70,0 t6 68,5 t7 90 t8 65

A mérlegegyenletek fenti számítási módszere kiterjeszthető arra az esetre is, ha a rendszerben forrás vagy nyelő, ill. tároló van, ekkor a rendezett egyenletrendszer jobb oldalára zérus helyett a forráserősség, azaz az időegység alatt keletkezett ill. elnyelt mennyiség értékét kell beírni. A mérlegek alkalmasak arra, hogy egy üzem vagy egész vállalat anyag- energia- és hulladékgazdálkodását komplexen kezeljük. Megmutatja a veszteségeket, és azokat számszerűsíti is, ezzel rangsorolni tudjuk a veszteségek csökkentésére irányuló tevékenységeket. Gyakran arra van szükség, hogy egy termelési struktúra váltásnál hogyan változik az összes energiaigény és veszteség. Ilyenkor jól alkalmazhatjuk az energiamérlegek input-output modelljét (IOM). Tételezzük fel, hogy egy vállalat O1, O2, O3 terméket gyárt (outputok), amelyekhez I1, I2, I3, I4 fajta (input) energiahordozóra van szüksége (90. ábra). A rendszerre felírt IOM egy olyan táblázat, amelynek egy eleme megmutatja, hogy az elem oszlopához rendelt output előállításához az elem sorához rendelt inputból mennyire van szükség. I I I I

1 2

Rendszer

90. ábra. Input-output modell

Általánosan: E I1 I2 I3 I4

O1 e11 e21 e31 e41

O2 e12 e22 e32 e42

O3 e13 e23 e33 e43

A táblázat oszlopösszegei az egyes outputokat adják, a sorösszegei pedig az inputokat. A táblázat bal felső sora az összes energiaigényt adja, aminek meg kell egyeznie az inputok összegével és az outputok összegével is. Legyen pl. a vállalat éves energiamérlege az alábbi: GJ E I1 I2 I3 I4

E 2100 200 300 600 1000

O1 1200 100 200 500 400

O2 600 100 100 100 300

O3 300 0 0 0 300

193

Az O1 outputhoz tehát évente 1200 GJ, az O2-höz 600 GJ, az O3-hoz pedig 300 GJ összes energiára van szükség. Ezen belül az O1-hez az I1-ből 100 GJ-ra, az I2-ből 200 GJ-ra, az I3-ból 500 GJ-ra, az I4-ből 400 GJ-ra van szükség. Hasonlóan írható fel az O2 és az O3 energiaigénye is. Az I1 energiahordozóból összesen 200 GJ-ra, az I2ből 300 GJ-ra, az I3-ból 600 GJ-ra és az I4-ből 1000 GJ-ra van szükség. Az összes energiaigény a táblázat bal felső sarkában a sorok ill. az oszlopok összegeként adódik: 2100 GJ. Ha megváltozik a termelési struktúra, az energiaigény is megváltozik. Ezt az IOMen úgy tudjuk követni, hogy a megváltozott output oszlopát a változással arányosan változtatjuk meg. Ennek hatására a sorösszegek is megváltoznak, tehát megkapjuk az input változtatásának struktúráját is. Változzon a példánkban az O2 értéke 20 %-kal, 600 GJ-ról 720-ra. Ezzel az új IOM: GJ E I1 I2 I3 I4

E 2220 220 320 620 1060

O1 1200 100 200 500 400

O2 720 120 120 120 360

O3 300 0 0 0 300

Az összes energiaigény 120 GJ-lal, azaz 5,71 %-kal nőtt. Arányaiban az I1 input nőtt leginkább, 10 %-kal, legkevésbé az I3, 3,33 %-kal. Az IOM alkalmas arra is, hogy több, egymáshoz kapcsolódó alrendszerből álló összetett rendszert is vizsgáljon. Ennek felépítéséhez azonban már komolyabb mátrixalgebrai ismeretekre lenne szükség, ezért ismertetésétől eltekintünk. Meg kell még jegyeznünk, hogy az input-output modellek a vállalatok anyagforgalmi modellezésére is alkalmasak, így a vállalatgazdálkodásban széles területen alkalmazhatók. Az anyag- és energiamérlegeket egyrészt a vállalatgazdálkodás ellenőrzésére, a vezetés információs visszacsatolására és hibakeresésre, másrészt tervezésre lehet felhasználni. Ha már rendelkezésünkre áll a rendszerünk modellje, különböző adatokkal lefuttatva a modellt, megkapjuk egy-egy termelési stratégia „tovagyűrűző” hatásait is, a várható árbevételek mellett megkapjuk a veszteségeket és a kapacitásigényeket is, ezzel lehetőségünk nyílik arra, hogy kiválasszuk a számunkra gazdaságilag is legkedvezőbb üzemeltetési stratégiát. Ahhoz, hogy a rendszerünk anyag- és energiamérlegét fel tudjuk állítani, mérésekre van szükség. A rendszer gráfjának felrajzolásával és a kifeszítő fa meghatározásával meg tudjuk határozni azokat az áramokat, amelyeket mérnünk kell ahhoz, hogy a többi áramot ki tudjuk számítani. Egy m számú áramból és n számú csomópontból (elemből, alrendszerből) álló rendszernél legalább m-(n-1) számú áramot mérnünk kell ahhoz, hogy a rendszer áramait meg tudjuk határozni. Tudjuk, hogy minden mérési eredmény bizonyos mérési hibával terhelt. Ezért legalább kontrollméréseket érdemes végezni, azaz olyan méréseket, amelyekkel a számításokat lehet ellenőrizni. A kontrollmérés gyakran a meghibásodások kiszűrésére is lehetőséget ad. Vizsgáljunk meg néhány egyszerű hálózat mérési igényét!

194

Sugaras rendszerű vízhálózatnál legalább önálló elszámolású egységenként az egyes fogyasztói csoportok vízfogyasztását külön-külön kell mérni (91. ábra). Kontrollként a szolgáltatónál beépített mérőműszer szolgál. Az elszámolási határnak a fogyasztó műszerét kell tekinteni: a műszer előtti veszteség a szolgáltató vesztesége, a műszer utáni a fogyasztóé. Célszerű a rendszer felügyeletének határait is ezekben a pontokban megadni: a fogyasztói műszerekig a szolgáltató felel a hálózat üzemeltetéséért, azon túl pedig a fogyasztó. Ebben az esetben a fogyasztói műszerek megválasztásában, annak hitelességében, az ellenőrzés lehetőségeiben a szolgáltatónak és a fogyasztónak közösen kell megegyezni. M1 1 Szolgáltató M2 2 M3 M 3 M 4 4

91. ábra. Sugaras vízhálózat fogyasztásmérése

Az M kontrollműszernek a fogyasztói műszereken mért értékek összegét kell mérni a mérési hibahatárok pontosságán belül. Ha az eltérés a hibakorlátnál nagyobb, meghibásodásra vagy illegális vételezésre lehet következtetni, csak az esetek kis százalékában adódik a hiba valamelyik mérőműszer meghibásodásából. Hasonló elven kell felépíteni a sűrített levegő, a gáz, vagy más technológiai közeg szolgáltató rendszerét is. Sugaras rendszerű hőszolgáltatás a mérési pontok elhelyezése a hálózatban megegyezik az előzőekkel, de a mérőhelyeken a tömegáramok mellett a hőáramokat is mérni kell (92. ábra). Meleg- és forróvizes rendszereknél az előremenő víz tömegárama mellett mérni kell az előremenő és a visszatérő víz hőmérsékletét is. A szolgáltatott hő:

Q  Vct e  t v  , ahol  a hőhordozó sűrűsége és c a fajhő. Kontrollként a hőszolgáltatónál szokták mérni a visszatérő ágban is a hőhordozó mennyiségét.

195

Q . V

előremenő

Fogyasztó

visszatérő 92. ábra. Hőmennyiség-mérés

Gőzhálózatoknál csak akkor kaphatunk helyes mérlegadatokat, ha a visszatérő kondenz mennyiségét és hőmérsékletét is mérjük (93. ábra). pg

gőz . Vg Kondenz leválasztó

Fogyasztó

kondenz . Vk 93. ábra. Hőmennyiség-mérés gőzhálózatban

A hőveszteségek miatt a gőzhálózaton mindig csapódhat le kondenz, ami a mérőműszerbe kerülve meghamisíthatja a mérést. Ezért még a műszer előtt kondenz leválasztót kell beépíteni. Telített gőz esetén célszerű a műszer előtt néhány tized bar-os fojtást alkalmazni, ezzel egy kissé túlhevítetté válik a gőz és megelőzhetjük a műszerben a kondenz kicsapódását. Telített gőz esetén a nyomás és a hőmérséklet összetartozó értékek, így az egyik műszer kontrollként szolgál. Gőzrendszerek költségeinek számításánál a hőár mellett jelentős lehet a pótvíz költsége is. Ezért is szükséges az elszámolásoknál a visszatérő kondenz mennyiségét is mérni. Használati melegvíz szolgáltatásnál is együtt jelentkezik a szolgáltatott víz és hő költsége. Kisebb rendszereknél a fogyasztónál csak a melegvíz mennyiségét szokták mérni, az összesített hőfogyasztást csak a szolgáltatónál mérik. Ilyenkor a fogyasztói hőfogyasztást az összesített hőfogyasztásnak a mennyiségi fogyasztások arányában történő felosztásával becsülik. Nagyobb rendszereknél, vagy olyan helyeken, ahol a hálózati veszteség nem egyenletesen oszlik meg a fogyasztók között, nem hagyható el a fogyasztók szerinti víz- és hőfogyasztás mérése.

196

6.4.2. A rendszerhatár szerepe a veszteséganalízisben A veszteség önmagában is egy szubjektív fogalom, ami a vizsgálatot végző megítélésétől függ, de még azonos megítélés mellett is függ a mértéke a rendszer mindig önkényesen megválasztott határaitól. Ennek érzékeltetésére vegyük a következő példát! Egy kazán a tüzelőanyag égéshőjét 90 %-os hatásfokkal alakítja át hőenergiává. A kazán vesztesége tehát a tüzelőanyag belépési pontjától a felmelegített hőhordozó kilépési csonkjáig vett rendszerben 10 %. Ugyanezt a kazánt egy lakótömb fűtésére használjuk és a vizsgálatot most a fűtési rendszerre végezzük el. Mivel hasznosnak csak a fűtésre kijelölt helyiségekben leadott hő tekinthető, a szabadban, föld alatt vagy pincében, átjárókban húzódó csővezeték hővesztesége további 10 % nagyságrendű veszteséget okoz, ebben a rendszerben tehát a veszteség már 20 %. Végül a fűtésre felhasznált hő a falakon keresztül és a szellőző levegővel távozik a helyiségekből, azaz a lakótömb külső falainál meghúzott határok esetén a veszteség 100 %, azaz rendelkezésünkre áll egy fűtési rendszer, amelyik elfogyaszt bizonyos mennyiségű tüzelőanyagot, amivel a város légterét fűti. A veszteség szubjektivitására példa a másodlagos feldolgozás, amikor az egyik vagy több vállalat feldolgozási maradékából egy másik vállalat terméket állít elő. A veszteség, hatásfok és hatásosság fogalmához tehát szorosan hozzá tartozik a vizsgált rendszer határainak és a vizsgálat céljának rögzítése. Ezek ismeretében pontosíthatjuk a fogalmakat: A hatásfok megadja a rendszerben hasznosnak tekintett energia mértékét a rendszerbe betáplált energiához viszonyítva. Egy diesel motor tüzelőanyag elégetésével hasznos mechanikai munkát termel. Hatásfoka:



P , BH

ahol P a mechanikai teljesítmény, B a tüzelőanyag fogyasztás és H a tüzelőanyag égéshője.

A hatásfok mindig dimenzió nélküli (viszony)szám. A hatásosság a rendszer valamilyen, számunkra hasznos paraméterének értéke viszonyítva az adott paraméter elméletileg elérhető legkedvezőbb értékéhez. Egy hőcserélő hatásossága a hőcserélőben létrejött legnagyobb hőmérsékletváltozás viszonyítva az elméletileg elérhető legnagyobb hőmérsékletváltozásához, azaz a két közeg belépési hőmérséklete közötti hőmérsékletkülönbséghez (94. ábra):



t max . t be

197

94. ábra. Hőcserélő t-A diagramja

A hatásosság is dimenzió nélküli mennyiség. A hatásosság – szemben a hatásfokkal – 1-nél nagyobb érték is lehet, ha a legkedvezőbb érték a lehetséges esetek minimuma. Egyes szakterületeken a hatásosságnak külön elnevezése van. Így pl. a tüzeléstechnikában a  légfelesleg-tényező azt mutatja meg, hogy az elméletileg szükséges L0 levegőhöz viszonyítva ténylegesen mennyi L levegőt használunk fel az égés fenntartásához:



L . L0

A hatékonyság a rendszer valamilyen, számunkra fontos paraméterének értéke viszonyítva a rendszerbe bevitt energia értékéhez. A hatékonyság megmutatja pl., hogy egységnyi mennyiségű termék előállításához mennyi energiára van szükség. A hatékonyságnál értékénél mindig jelentősége van a mértékegységnek (pl. tonna/GJ, m3/KJ, stb.), még akkor is ha a vizsgált paraméter is energia jellegű mennyiség. Ez utóbbira példa a hűtőgépek hatékonysága, amit a hűtőtechnikában fajlagos hűtőteljesítménynek neveznek. Értéke a hűtőgép hűtőteljesítményének viszonya a felhasznált villamos energiához. Mértékegysége: kJ/kJ.

A veszteség mindaz az anyag vagy energia, amely a rendszerből értékesítés nélkül a környezetbe távozik.

198

A vizsgálat különböző szintjei között tudunk lánckapcsolatot teremteni, ha következetesen választjuk meg a viszonyszámokat. Pl. egy hőerőgép különböző szintű hatásfokai* : – az elméleti körfolyamat hatásfoka, azaz a termikus hatásfok, ami a W körfolyamatban hasznosított hő és a bevitt hő hányadosa:  t  h , Qbe – belső hatásfok, vagy indikált hatásfok, ami az elméleti körfolyamattól való W eltérést mutatja:  b  b , Wh – végül a mechanikai hatásfok, ami a leadott mechanikai munkát viszonyítja a W valóságos körfolyamat által termelt (belső) munkához:  m  m . Wb A rendszer valóságos, az ún. összhatásfokát a három részhatásfok szorzata adja meg: 

Wm  t b m . Qbe

Az egymáshoz kapcsolódó folyamatoknál szintén képezhetünk ilyen részhatásfokokat (hatásosságokat), amivel a különböző szintű (itt különböző határú) vizsgálatokat össze tudjuk kapcsolni. A bevezetőben tárgyalt fűtési rendszernél pl. az alábbi részhatásfokokat vehetjük fel.

 – a kazán hatásfoka, amely a kazán által termelt Q k hőt viszonyítja a Q be  BH Q tüzelőanyag fogyasztáshoz: k   k , Qbe – a kazánházi rendszer hatásfoka, amit a kazánházi berendezések veszteségeiből Q Q lehet meghatározni: kh  kh 1  kh  1  khveszt , Qk Q k – végül a csőhálózat és kiszolgáló rendszer hatásfoka, amit szintén a Q Q veszteségekből határozunk meg: cs   h  1  cs  1  csveszt . Qkh Q kh

Sajnos a szakirodalom nem következetes, valójában itt nagyrészt hatásosságokról van szó.

199

Kazán

Kazánház

Csőhálózat

Fogyasztó Q

Qkh

Q kveszt

Q khveszt

Q csveszt

95. ábra. Fűtési rendszer Sankey-diagramja

A fűtési rendszer összes hatásfoka, ha a leadott fűtési hőt tekintjük hasznosnak:   k kh cs .

A hatásláncot szemléletesen ábrázolhatjuk az ún. Sankey-diagramban, amelyben az egyes blokkok közötti energiaáramok nagyságát az áramot jelző vonal vastagságával érzékeltetünk. A 95. ábra az előbbi fűtési rendszer Sankey-diagramját ábrázolja. Eddig mindig a vállalati, vagy más gazdálkodó egység szempontjából vizsgáltuk a hasznos energiát és a veszteségeket. Más hatásláncot jelent az ún. környezeti hatásvizsgálat, amely egy-egy termék anyag- és energiaigényét mindig a természeti környezettel kapcsolatban, a „természettől a természetig” vizsgálja. A környezeti hatásvizsgálatnak célja nem a gazdaságosság, hanem a környezeti károk minimalizálása. A környezeti hatásvizsgálatokra jól alkalmazhatók az input-output modellek. 6.4.3. Hasznosítási lehetőségek Mint az elektromos energiánál a feszültségnek, a termodinamikában a nyomásnak és a hőmérsékletnek van potenciál jellege: anyagáramlás csak nyomáskülönbség hatására, hőáram csak hőmérsékletkülönbség hatására jön létre. Emiatt a veszteséghasznosításban kialakult egy értékelési skála: minél jobban eltér a veszteségáram a környezet állapotától, annál könnyebben (sokrétűbben) lehet hasznosítani. Így a nagyobb nyomású és nagyobb hőmérsékletű energiaáram veszteséghasznosítási szempontból értékesebb, mint a kisebb nyomású és/vagy kisebb hőmérsékletű (96. ábra).

200

érték

atmoszférikus nyomás

érték

nyomás környezeti hőmérséklet

hőmérséklet

96. ábra. Potenciálok értékessége

A kérdéssel részletesebben a termodinamika entrópia és exergia elmélete foglalkozik. A nyomásveszteségeket nem tudjuk közvetlenül a mérlegegyenletekből számítani, ezért a gyakorlatban is kevesebb figyelmet szentelnek rá az energetikusok. Gáz vagy sűrített levegő ellátó rendszerekben, ahol fojtásokat alkalmaznak, a fojtás helyett turbinát lehet betenni. A turbina mechanikai munkát termel, amit vagy gépek hajtására (szivattyúk, kompresszorok, stb.) lehet felhasználni, vagy villamos generátorral elektromos áramot fejleszthetünk. Ez utóbbinak előnye, hogy az országos hálózatba visszatáplálva nem okoz szükségfogyasztást. A 29. táblázat az 1 Nm3 20 °C és 100 °C hőmérsékletű földgáz expanziójával kinyerhető munkát mutatja. A táblázatban feltűntettük az expanzió véghőmérsékletét is, amiből látható, hogy a kondenzátumkiválás elkerülése érdekében a gázt az expanzió előtt vagy elő kell melegíteni vagy szárítani kell. Az előmelegítéssel egyben a kinyert munka is növelhető. 29. táblázat Nyomásviszony

2 4 6

Kezdőhőmérséklet: 20 °C Kinyert munka, Véghőmérséklet, kJ/Nm3 °C 53,7 -14,6 99,5 -44,2 133,0 -59,4

Kezdőhőmérséklet: 100 °C Kinyert munka, Véghőmérséklet, kJ/Nm3 °C 68,4 55,9 126,6 18,3 156,6 -1,06

201

6 bar-os hálózat

Előmelegítő Expanziós turbina T

3 bar-os hálózat 97. ábra. Földgázhasznosítási technológia

A 97. ábra egy lehetséges hasznosítási technológia elvi sémáját mutatja be. Azok az üzemek, amelyek technológiai gőzt is igényelnek, nagyon gyakran csak a technológiához szükséges nagyobb nyomáson állítják elő a gőzt, a fűtési rendszert pedig a nagynyomású rendszer fojtásával táplálják. A fojtás helyett expanziós turbinát alkalmazva mechanikai munkát kaphatunk. A 98. ábra a fojtás kiváltására kétféle elvi megoldást mutat be. A b. ábrán a turbinát a fojtószelep helyére tettük. A turbinában a nyomással együtt a hőmérséklet is csökken, emiatt – főleg telítettgőz hálózat esetén – kondenzációra kell számítani. Nagyobb mennyiségű kicsapódó kondenz a turbina lapátainak erózióját okozza, ezért javasolható a c. ábra megoldása, amikor a nyomáscsökkentés előtt a gőzt túlhevítjük. A 30. táblázat az 1 kg gőz expanziójával kinyerhető mechanikai munkát mutatja a túlhevítési hőmérséklet függvényében. A táblázatban feltüntettük azt a többlethőt is, amit a túlhevítéshez kell bevinni.

202

a.)

b.)

nagynyomású hálózat

fojtás

kisnyomású hálózat

Gőzturbina

kisnyomású hálózat kondenz leválasztó

c.)

nagynyomású hálózat

tüzelőanyag

túlhevítő T

Gőzturbina

kisnyomású hálózat kondenz leválasztó 98. ábra. Gőzhasznosítás

30. táblázat Túlhevítési hőmérséklet, °C

Kinyerhető mechanikai munka (80%-os adiabatikus hatásfok mellett), kJ/kg

Többlethő igény a túlhevítéshez, kJ/kg

12/6 bar-os rendszer

12/3 bar-os rendszer

250

121,6

152

300

134,4

248

261

350

148,0

268

368

400

156,0

282

475

Mivel a túlhevítési hőmérsékletet szabadon választhatjuk meg, a turbina teljesítményét jól lehet illeszteni a felhasználói igényhez. Hőhasznosításnál valamilyen veszteségáram hőtartalmát kívánjuk hőbevitel céljára hasznosítani. Tipikus példa erre a távozó füstgázok hőtartalmának hasznosítása melegvíz vagy gőztermelési célokra. A hasznosítás feltétele, hogy a veszteségáram a megfelelő hőmérsékletszinten álljon rendelkezésünkre. Ekkor a hőhasznosítást hőcserélőkkel tudjuk megvalósítani. A hőhasznosítás lehetséges mértékének meghatározásához a t  Q diagramot használjuk. Ebben feltűntetjük a veszteségáram hőtartalmának függvényében az adott hőtartalomhoz tartozó hőmérsékletet (99. ábra).

203

. tg  = 1/W 0

. Q

99. ábra.

. Q

t  Q diagram

Ha nincs fázisváltozás, egy áram hőtartalmát a t hőmérsékleten a  p t  t 0   W t  t 0  Q  mc

függvény írja le. Innen a hőmérséklet:

Q t  t0   , W azaz a veszteségáram hőmérsékletének egyenlete a t  Q diagramban a kezdő és véghőmérséklet között egy olyan egyenes, amelynek az iránytangense a hőkapacitásáram reciproka. A görbén elhelyezett nyíl azt mutatja, hogy a veszteségáram melegáram, amit hűteni kell. Tiszta anyagok fázisváltozása esetén – mivel a hőmérséklet állandó – a t  Q diagram egy vízszintes egyenes. A hőcserének feltétel, hogy a melegáram hőmérséklete minden pontban magasabb legyen, mint a hidegáram hőmérséklete. Ennek a feltételnek akkor tudunk leginkább eleget tenni, ha a két áramot, a hűtendő melegáramot és a melegítendő hidegáramot ellenáramban vezetjük. Ha előírjuk azt a t minimális hőmérsékletkülönbséget, ami még megengedhető a hőcsere folyamán, megkapjuk a maximálisan hasznosítható hőt és a hőhasznosítóban elérhető legnagyobb hőmérsékletet (100. ábra): – ha a hidegáram kezdeti hőmérséklete nagyobb, mint t1  t , hőhasznosítás hőcserélővel nem valósítható meg. – ha a hidegáram kezdeti hőmérséklete kisebb, mint t 0  t , a melegáram teljes hőtartalma hasznosítható. Az elérhető legnagyobb hőmérséklet t1  t (a. ábra). – ha a hidegáram kezdeti hőmérséklete t 0  t és t1  t közé esik, a hőhasznosítás csak részleges lehet. Az elérhető maximális hőmérséklet itt is t1  t (b. ábra).

204

– gőztermelésre akkor alkalmas a melegáram, ha a gőz hőmérséklete t 0  t és t1  t közé esik (c. ábra).

100. ábra. A hőhasznosítás lehetséges esetei

A t  Q diagram alkalmas arra, hogy egyidejűleg egy rendszer valamennyi veszteségáramát figyelembe vegyük, ezzel a melegítendő hidegárammal mintegy összesítve a veszteségeket, nagyobb hőhasznosítást valósítsunk meg. Az összesített t  Q diagramot az egyes veszteségáramok vízszintes metszékeinek összeadásával kapjuk (101. ábra). Ezzel lényegében azt ábrázoltuk, hogy egy-egy hőmérséklet szinten mennyi összes veszteséghő áll rendelkezésünkre.

101. ábra. Hőmennyiségek összegzése

Az összesített melegáramhoz ugyanúgy illeszthetünk hidegáramokat, mint egyetlen melegáram esetén, és ezzel meg tudjuk határozni a hőhasznosítás korlátait: olyan hidegáramot kell keresnünk, amelyik minden pontja a melegáram görbéje alatt van legalább t-vel (102. ábra).

205

102. ábra. Hőhasznosítás lehetőségei

Ha összesített hőáramokkal dolgozunk, akkor a kijelölt hőhasznosítási feladat, azaz a t  Q diagram megszerkesztése után a megvalósítható kapcsolást akkor kapjuk meg, ha a folyamatot hőcserélőkre bontjuk. Mivel az anyagáramok nem keveredhetnek, a t  Q diagram egy-egy szakasza mindig annyi párhuzamos kapcsolást jelent, ahány hőáramot von össze az az adott szakasz. A 102. ábra b. diagramjának kapcsolását a 103. ábra mutatja. A hőcserélőkre bontás mechanikus alkalmazásának eredményeként gyakran nagyon nagyszámú hőcserélőt kapunk, ami a hőhasznosítás gazdaságosságát veszélyezteti. Ezért a kapott kapcsolási rajzot minden esetben gazdaságossági ellenőrzésnek kell alávetni. Sok esetben lemondunk a hasznosítható hő egy részéről, egyszerűsítésekkel, hőcserélő összevonásokkal „rontjuk” az ideális kapcsolást azért, hogy a beruházási és üzemeltetési költségből képzett összes költség legyen minimális.

103. ábra. Hőhasznosítás kialakítása

Ugyancsak gazdaságossági számítással lehet az eddig önkényesen felvett minimális t hőmérsékletkülönbség értékét meghatározni. Tipikus összevont hőhasznosítási lehetőséget nyújt a gázmotorok alkalmazása. Ismeretes, hogy egy gázmotor a bevitt hőenergiából csak mintegy harmadrészét alakítja át mechanikai munkává, a fennmaradó rész részben a kipufogó gázokkal (füstgáz), részben pedig a hűtővízzel távozik a környezetbe. A hűtővíz rendszer is rendszerint kétkörös: a 80..90 °C hőmérsékletszintű melegkör hűtővize szolgál a hengerek és hengerfejek hűtésére, míg a 35..45 °C hőmérsékletszintű hidegkör a csapágyakat ill. a kenőolajat hűti vissza.

206

hőm., °C

hidegkör

melegkör

füstgáz

200 150 100 50

fűtés 100

HM V

200

300

400

500

Hőteljesítmény, kW 104. ábra. Gázmotor hőhasznosítási rendszere

A 104. ábra egy gázmotor hűtési rendszerének Füstgáz Melegkör hűtővize Hidegkör hűtővize

t  Q diagramját ábrázolja. A melegáramok adatai:

Kezdő hőmérséklet, °C 350 90 45

Véghőmérséklet, °C 130 80 35

Teljesítmény, kW 200 150 150

A hőhasznosítás tervezésénél t = 10 °C minimális hőmérsékletkülönbséget engedünk meg. Az összes 500 kW hőveszteséget csak akkor tudjuk hasznosítani, ha a hidegáram hőmérséklete 25 °C-nál kisebb. Ezért itt két különböző hidegáramot választottunk. Az alacsonyabb hőfokszintű használati melegvizet (HMV) 12 °C hőmérsékletről 50 °C-ra kell melegíteni. A HMV legnagyobb hőmérsékletemelkedését úgy kapjuk meg, ha elérjük a melegáram-t görbét. Ez a Q = 100 kW, t = 35 °C pontban van. Innen meghatározható a HMV hőkapacitásárama:

Q 150 kW . W HMV    6,522  35  12 t K Ezzel a hőkapacitásárammal a melegítést 50 °C-ig kell folytatni, azaz a HMV termelés összes hőigénye:

Q HMV  W HMV 50  12  247,8 kW . A fennmaradó 500 - 247,8 = 252,2 kW teljesítményt 90 °C előremenő vízhőmérsékletű fűtési rendszer táplálására használjuk fel. A fűtési rendszer táplálására itt is csak akkor tudjuk a rendelkezésre álló hőt teljes egészében felhasználni, ha a hidegáram görbéje érinti a melegáram-t vonalat. Ez a Q = 300 kW, t = 80 °C pontban van. Ezzel meg tudjuk határozni a fűtési rendszer maximális hőkapacitásáramát:

Q 200 kW . W f    20 t 10 K Ebből a fűtési visszatérő víz maximális hőmérséklete:

Q f 252,2 t fv  t fe    90   77,4 o C . 20 Wf A teljes hőhasznosítás tehát csak akkor lehetséges, ha a fűtési visszatérő víz hőmérséklete 77,4 °Cnál nem magasabb. A hőhasznosítás kapcsolási sémáját a 105. ábra mutatja.

207

105. ábra. Gázmotor hőhasznosító rendszere

6.5.

Fejlesztés

A gazdaságos üzemeltetés és a folyamatosan végzett veszteségfeltáró vizsgálatok egy idő után elvezetnek egy olyan döntési helyzetbe, amikor a költségek csökkentése vagy a nyereség növelése már csak új beruházással valósítható meg. A beruházás mindig egy egyszeri anyagi ráfordítás, aminek a jövőbeli üzemeltetés folyamán kell megtérülni. Ezért a fejlesztési döntésekhez elengedhetetlen a jövőbeli fogyasztás minél pontosabb ismerete. 6.5.1. A fejlesztés célfüggvénye Az energetikai célú beruházásnak az energiamegtakarításból kell megtérülnie. Vizsgáljuk a költségeket és a megtakarítást az idő függvényében (106. ábra)! A beruházási költségek még az üzemindulás (a beruházás aktiválása) előtt keletkeztek, azaz az üzemeltetés 0 pillanatában a költséggörbe már nem zérusról indul. Ez az induló költség az üzemeltetéstől függetlenül jelentkezik, ezért állandó költségnek nevezzük. A beruházás üzemeltetéséhez további anyag- energia, személyzeti, stb. költségekre van szükség. Ezek az idő folyamán halmozódnak, ezért változó költségeknek nevezzük. Az energiamegtakarítás csak az üzemeltetés indulásától jelentkezik és az üzemidő növekedésével halmozódik. Ha az energiamegtakarítás kevésbé emelkedik, mint a változó költségek, a beruházás soha sem fog megtérülni. Ha az energiamegtakarítás görbéje meredekebb a változó költségek görbéje, egy idő után,

208

az ún. fedezeti pontban a két görbe metszi egymást. A fedezeti pont vízszintes koordinátája a megtérülési idő: az üzemeltetésnek az az időtartama, amely alatt az energiamegtakarításból származó halmozott megtakarítás éppen megegyezik az ugyanezen időtartam alatt szükséges ráfordítások összegével.

106. ábra. Költség és haszon időfüggése

A két görbe közötti vonalkázott terület a haszon, ami a fedezeti pontig negatív, majd a fedezeti pont után pozitív lesz. A megtérülési idő értéke egy kamatok és infláció nélküli ideális gazdaságban a beruházási költség (B, Ft) és az éves megtakarítás (M, Ft/év) hányadosa: T

B . M

A megtérülési idő hányadosa a számított amortizációs kulcs, ami megmutatja, hogy évenként a beruházási költségek hányadrésze térül meg:



1 . T

Az ilyen ideális megtérülési idő ill. amortizációs kulcs ugyan nem alkalmazható a beruházási döntésekhez, de az egyes változatok közötti összehasonlításokra igen. A kamatokkal, inflációval stb. terhelt közgazdasági számításokkal meghatározott megtérülési idő ugyanis arányos a T-vel, azaz az ugyanolyan gazdasági környezetbe helyezett beruházási változat tényleges (közgazdasági) megtérülési ideje is akkor lesz kisebb, ha a T = B/M megtérülési ideje is kisebb*. Természetesen a legkedvezőbb változat kiválasztása után, a kiválasztott beruházási javaslatra, el kell végezni a közgazdaságilag helyes gazdaságossági számításokat is. Az alábbiakban az egyik legegyszerűbb megtérülési idő számítási módszert ismertetjük, amelynél feltételezzük, hogy az inflációs ráta a megtérülési időn belül zérus, és a banki kamatok állandók. Ha rendelkezésünkre áll a beruházáshoz szükséges összeg, akkor a megtérülési időt úgy kell értelmeznünk, hogy a *

Nem igaz ez akkor, ha valamelyik változatra pl. állami vagy más gazdasági preferencia érvényesül.

209

megtakarítások halmozott összege elérte azt az összeget, amit a beruházásra szánt összeg bankba helyezésével kaptunk volna. Tételezzük fel, hogy a fedezet az n-ik év végére következik be, ekkor az összehasonlítási értékünk a B beruházási költség j kamatláb melletti kamatos kamata:

B1  j   Bq n , ahol q  1  j . n

Az éves megtakarítás, azaz a haszon az energiamegtakarításnak a változó költségekkel csökkentett része: M  E  Kv .

Tegyük fel, hogy az éves megtakarítást az adott év végén mindig betesszük a bankba, így attól kezdve az kamatozik. Ekkor az n-ik év végén a számlánkon megjelenő összegek: 1. évi megtakarításból:

M 1  j 

n 1

 Mq n1 ,

2. évi megtakarításból:

M 1  j 

n2

 Mq n2 ,

3. évi megtakarításból:

M 1  j 

n3

 Mq n3 ,

... n. évi megtakarításból:

Ezek az összegek láthatóan egy q hányadosú geometriai sort alkotnak, így az n-ik év végén rendelkezésünkre álló tőke:



M 1  q  q  q ...q

n 1



qn  1 M . q 1

Az n akkor egyenlő a megtérülési idővel, ha a bankba helyezett B nagyságú tőke kamatos kamata megegyezik a megtakarításokból kapott tőkével:

qn  1 Bq  M . q 1 n

Ha előírjuk a megtérülési idő értékét, a fenti egyenletből megkaphatjuk a fajlagos hasznot: n M q q  1   B qn  1

j  1  1   1 j

ami megmutatja, hogy egységnyi beruházási költségnek minimálisan mennyi megtakarítást kell eredményezni ahhoz, hogy a beruházás n év alatt megtérüljön. Az amortizációs kulcs arra szolgál, hogy meghatározzuk a beruházási költségnek azt a hányadát, amit évente meg kell takarítanunk ahhoz, hogy a beruházás várható élettartama alatt a berendezések pótlására fordítandó összeg rendelkezésünkre álljon. Infláció nélküli gazdaságban a berendezések költsége az élettartam lejárta után is

210

ugyanakkora. Tehát, ha minden évben a bankba teszünk B összeget, akkor az N évi élettartam alatt keletkezett tőke az új beruházásra fordítandó B tőkével kell, hogy megegyezzen. Figyelembe véve, hogy a beruházás aktiválásakor nincs megtakarítás, azaz csak az 1. év végén kerül megtakarítás a bankba, ami csak a 2. évtől kamatozik:

B1  j 

N 1

 B.

Innen az amortizációs kulcs:



1  j 

N 1

Ha az inflációt is figyelembe vesszük, állandó j kamat és állandó i inflációs ráta esetén:

B1  j 

N 1

 B1  i  N ,

azaz



1  i  N

1  j 

N 1

Az amortizációs kulcs a beruházási költséget éves részösszegekre bontja fel, ezért a mértékegysége: 1/év. Az amortizációs kulcs megkönnyíti a technológiai változatok gazdasági célfüggvényének a meghatározását, mert a fejlesztési költségeket is éves költségként tudjuk felírni, azaz a beruházási és üzemi költségeket egyetlen összköltség függvényben tudjuk szerepeltetni:

C  B  U  min , ahol  az amortizációs kulcs, B a beruházási költség és U az éves üzemeltetési költség. Egy vizsgált rendszer szabadon felvehető paramétereinek meghatározásához leggyakrabban a fenti típusú célfüggvényt használjuk. Energiamegtakarítást célzó beruházásnál viszont a haszon maximumát választjuk célfüggvénynek:

C  K E   B  U   max , ahol KE az energiaköltség csökkenése. 6.5.2. Fűtés-hűtés összekapcsolása: a pinch point módszer A veszteségfeltárásnál használt t  Q diagram alkalmas arra, hogy technológián belül, vagy technológiák között vizsgáljuk a fűtési és hűtési igények összekapcsolási lehetőségeit, ezzel minimálisra csökkentve a külső források igénybevételét. Vizsgáljunk először egy olyan rendszert, amelyben van egy melegáram, amit hűteni kell, és van egy hidegáram, amit fel kell melegíteni (107. ábra).

211

107. ábra. Hőhasznosítási lehetőségek

Ha a melegáram hűtés előtti hőmérséklete magasabb, mint a hidegáram felmelegítés előtti hőmérséklete, fizikailag található olyan tartomány, amelyben a hidegáramot felhasználhatjuk a melegáram hűtésére és fordítva. Az ábrán látható, hogy teljes hőhasznosítás nem lehetséges, hiszen a hidegáram fűtési igénye nagyobb. mint amennyit a melegáram le tud adni. Egy lehetséges megoldást mutat a c. diagram, ahol a melegáram összes hőtartalma hasznosul, a hidegáram további fűtési igényét külső hőforrásból kell biztosítani. Az általános esetet mutatja a d. diagram, ahol a hőhasznosítás csak részben valósul meg, kiegészítő fűtésre és kiegészítő fűtésre is szükség van. Az e. ábra szerinti esetben ugyanakkora kiegészítő fűtésre van szükség, mint a c. esetben, a hőátviteli viszonyok azonban egészen mások: csökkent a két közeg hőmérséklete közötti különbség, ami nagyobb hőátadó felületek beépítését igényli viszont alacsonyabb hőmérsékletszinten kell a (kisebb értékű) hőt bevinni, ami esetleg veszteséghők hasznosításával is megoldható. A hőhasznosítás mértékének összes variációját megkapjuk, ha a meleg- és hidegáramok t  Q diagramját a Q tengely irányában egymáshoz viszonyítva folyamatosan eltoljuk (108. ábra). Az egyetlen korlátot az f diagram mutatja: a melegáramok görbéjének mindig a hidegáramok görbéje felett kell maradnia, ellenkező esetben ugyanis a hőáram megfordul, a melegáram (mivel alacsonyabb hőmérsékletű) hűteni kezdi a hidegáramot, miközben maga újra melegedni kezd.

212

108. ábra. Hőhasznosítási lehetőségek

Azt a pontot, ahol a melegáramok görbéje legjobban megközelíti a hidegáramok görbéjét, pinch pointnak, magyarul szűkületi pontnak nevezzük. A szűkületi pontban mért legkisebb t hőmérsékletkülönbségnek jelentős szerepe van a hőcserélők és a hőcserélő-rendszerek tervezésében. Csökkentésével általában csökkenthetők az energiaigények, ugyanakkor növekszik a beépítendő hőátadó felület, ami a beruházási költségek növekedését vonja maga után (109. ábra).

Költség

Összköltség Energiaköltség

Beruházási költség

Min. hőmérsékletkülönbség 109. ábra. Hőmérsékletkülönbség és költségek

Fenti módszer kiterjeszthető tetszőleges számú hideg- ill. melegáramra is. Ehhez összesíteni kell mind a meleg-, mind pedig a hidegáramokat: olyan t  Q diagramot kell szerkeszteni, amelyik minden hőmérséklethez az összes hőelvételt, ill. összes hőbevitelt tartalmazza. Az áramok egyesítésének a módszere megegyezik a veszteségfeltárásnál leírtakkal. A 110. ábra egy összesített t  Q diagramot mutat. Azt a módszert, amelyben az összevont t  Q diagramban a szűkületi pont alapján keressük a maximálisan elérhető hőhasznosítás mértékét, pinch-point módszernek

213

nevezzük. A technológiai gyakorlatban számos lehetőség adódik a pinch-point módszer alkalmazására. Ezek közül mutatunk be néhányat. Előmelegítés ill. előhűtés saját közeggel Az ipari gyakorlatban számos olyan technológiát ismerünk, amelyet egy, a környezettől eltérő hőmérsékleten kell megvalósítani úgy, hogy a közbenső hőmérsékleteken csak fűtésre ill. hűtésre van szükség. A belépő és kilépő áramok közel azonos hőkapacitásúak és az áramok hőmérsékleti végpontjai is csaknem azonosak.

110. ábra. Összesített

t  Q diagram

Határesetként vegyük fel, hogy az egyetlen meleg- és egyetlen hidegáram hőkapacitásárama azonos és a kezdő- és véghőmérsékletek is azonosak. Ekkor a fűtési és hűtési igények is azonosak.

214

111. ábra. Hőhasznosítás megvalósítása

Végtelen kis hőmérsékletkülönbségekkel ill. végtelen nagy hőcserélőt alkalmazva elvileg nem lenne szükség külső hőforrásra. A valóságos folyamatokban a külső hőforrás iránti kapacitás szükséglet annál nagyobb, minél nagyobb véges hőmérsékletkülönbséget választunk (111. ábra). Legyen a célfüggvényünk az éves összköltség: C   B  U  min ,

ahol  az amortizációs kulcs. Tételezzük fel, hogy a hőhasznosító hőcserélő beruházási költsége a hőátadó felülettel (F), a külső fűtés beruházási költsége pedig annak hőteljesítményével (Q) arányos: B  a0  a1 F  b0  b1Q ,

ahol a0, a1, b0 és b1 a gazdasági elemzésekből adódó konstansok. Az energiaköltség szintén a külső fűtés teljesítményével (Q) és az éves kihasználási óraszámmal () arányos: U  c0  c1Q .

Mivel a minimum helye független az állandó tagok értékeitől, az egyszerűsített célfüggvény:

C  a1 F  b1  c1 Q . A hőátadó felületet és hőmérsékletkülönbséggel:

fűtési

igényt

felírhatjuk

választott

215

Qh Q  Q Q W    kt kt kt k , Q  W t F

ahol Qh a hasznosított hő, k a hőátviteli tényező és W a hőkapacitásáram. Figyelembe véve, hogy ( W / k ) értéke jó közelítéssel független a hőmérsékletkülönbségtől, a minimalizálandó célfüggvény:

C  a1

Q  a1  c1 Wt  min . kt

Látható, hogy a függvény első tagja t = 0-nál végtelen, és növekvő t-vel aszimptotikusan tart 0-hoz, a másik tag viszont lineárisan növekszik, ezért a függvénynek – elegendően széles értelmezési tartományban – kell minimummal rendelkeznie. A minimum helye:

t min  

a1Q

kW b1  c1 

Hasonlóan vezethető le az optimális hőmérsékletkülönbség hűtés esetére is. Az optimális hőhasznosító hőcserélő kiválasztása Vegyünk egy olyan technológiai blokkot, amelyből egy, a környezeténél magasabb hőmérsékletű közegáram távozik , és tételezzük fel, hogy van olyan hőfogyasztónk, amelyik ennek az áramnak a hőtartalmát korlátlanul fel tudja használni. A hőhasznosító hőcserélőben termelt hővel primerenergiát tudunk megtakarítani, ezért tételezzük fel, hogy a megtakarított hőenergia fajlagos ára ismert. Célfüggvénynek válasszuk a megtakarítást:

C0  aQ Q  B  U   max , ahol C0 az éves megtakarítás, mint célfüggvény, aQ az energia egységára, Q az óránként megtakarított hőenergia,  az éves kihasználási óraszám,  az amortizációs kulcs, B a hőcserélő beépítésének teljes beruházási költsége és U a hőhasznosító fenntartási (üzemeltetési) költsége. Gazdaságos a hőhasznosító, ha a fenti függvény pozitív, és optimális, ha maximuma van. A megtakarított hő a hőcserélő  hatásosságából számítható:





Q  W1 t m,be  t h,be  W1T0 , ahol W1 a hőcserélőn átáramló kisebb hőkapacitásáramú közeg, tm,be és th,be pedig a hőcserélőbe belépő meleg- ill. hideg közeg hőmérséklete. A beruházási költség jó közelítéssel a beépítendő hőcserélő F felületével arányos: B  a0  a1 F ,

ahol a0 és a1 állandók. Egy hőcserélőnél az üzemeltetési költség elhanyagolhatóan kicsi a beruházási költségekhez képest, ezért a döntéselőkészítésnél U = 0 közelítést választunk.

216

Behelyettesítve a célfüggvénybe: C0  aQW1T0  a0  a1F  max .

A a0 tag állandó, így a célfüggvény maximumhelyét nem befolyásolja, azaz elhagyható a célfüggvényből. Az egyszerűsített célfüggvény tehát: C0'  aQW1T0  a1 F  max .

Az egyszerűsített célfüggvény maximumhelye az elhanyagolások mellett is az eredeti célfüggvény maximumhelyét adja, de a gazdaságosság kritériuma továbbra is az eredeti célfüggvényre érvényes, azaz C0 > 0. Ismeretes, hogy egy fázisváltozás nélküli hőcserélőben a hatásosság két dimenzió nélküli paraméter függvénye:  kF W1     , .  W1 W2  Mivel a hőkapacitásáramok aránya adott, a  csak a felület függvénye, így a célfüggvényünk is csak egy változótól függ. Szorozzuk meg a fenti kifejezést a k hőátviteli tényező értékével és osszuk el a ( kaQW1T0 ) állandóval, ekkor úgy módosul a célfüggvényünk, hogy a maximumhelye nem változik: C  

M kF  max , kT0 W1

ahol

M

a1 aQ

kF  f   függvényt kell W1 a célfüggvénybe helyettesíteni. A leggyakrabban alkalmazott egyen-, ellen- és tiszta keresztáramú hőcserélőkre a   f  kF / W  függvény monoton, így a C()függvénynek legfeljebb egy maximuma van, és az optimális hőcserélő hatásossága meghatározható. Válasszuk keresett független változónak a -t, akkor a

Az optimum tiszta ellenáramú hőcserélőre: 2

 opt

 W  W W  M   1  1  1  1   4 1 1  W2 W2  kT0   W2   W 2 1 W2

és tiszta egyenáramra:

217

M kT0 .  W1 1 W2 1

 opt

Az optimális hatásosság, mint igény alapján tervezhetjük meg a hőcserélőt. Ha a méretezés során kiderül, hogy a tényleges k értékek jelentősen eltérnek a felvettől, a számítást a korrigált értékekkel is el kell végezni. Hőhasznosítás hőszivattyúval A hőhasznosítási feladatokban gyakori, hogy a veszteséghő hasznosítására ugyan lenne megfelelő nagyságrendű fogyasztó, de a veszteséghő hőmérsékletszintje alacsonyabb, mint az igényelt hőmérsékletszint. Ilyenkor a hőmérsékletszint növelésére hőszivattyút lehet alkalmazni. A hőszivattyú beruházási és üzemeltetési költsége is nagyobb, mint egy hőcserélőé, ezért az előzőeknél is lényegesebb a beruházás gazdaságosságának vizsgálata.

112. ábra. Hőszivattyú

A 112. ábra egy kompresszoros, homogén hűtőközeggel működő hőszivattyús kapcsolást mutat. A hőszivattyú kondenzátora a hűtendő melegáramból* t0 hőmérsékleten Q0 hőáramot von el, amelyet a kompresszor által bevitt hővel (Qk) megnövelve t hőmérsékleten, a kondenzátorban ad át a hidegáramnak (Q). A gazdaságosságot kijelölő célfüggvényünk ebben az esetben költségként kell, hogy tartalmazza a hőszivattyú beruházási költségét és a kompresszormunka energiaigényét is. Jó közelítéssel feltételezhetjük, hogy a hőszivattyú költsége egy állandó tagon túl a hőteljesítményével arányos, amely viszont közel lineáris összefüggésben van az elpárologtató és a kondenzátor hőátadó felületének összegével. Így a módosított célfüggvényünk: C0'  aQWh h Th  a1 F1  F2   ak Qk

k

 max ,

A következetesség érdekében továbbra is melegáramnak tekintjük a hűtendő és hidegáramnak a melegítendő közeget még akkor is, ha jelen esetben a melegáram hőmérséklete a kisebb.

218

ahol a jelölések megegyeznek a hőszivattyú nélküli esettel. F1 és F2 az elpárologtató ill. a kondenzátor hőátadó felülete, ak a kompressziós energia egységára (villamos hajtású kompresszor esetén az villamos energia ára), k pedig a kompresszor összhatásfoka. A h index a hidegáramra, a későbbiek folyamán alkalmazott m index pedig a melegáramra utal. A Th és Tm továbbra is az adott hőcserélő belépő hőmérsékleteinek különbségét jelenti: Th  t m,be  t 0 és Tm  t  t h,be .

Szorozzuk meg a függvényt kh-val és osszuk el kaQW1T0 -val, ekkor az optimalizálandó célfüggvény:

C  h 

M1  k h Fh k h Wm k m Fm  M 2 Qk     max , k h Th  Wh k m Wh Wm  k h Th Wh

ahol

a1 a Q k és M 2  k k h . M1  k a Q aQ A hidegáramok hőcserélőjének teljesítménye éppen Qk-val nagyobb, mint a melegáramok hőcserélőjének teljesítménye, azaz

Qk  Qh  Qm  Wh  h Th  Wm m Tm . Mindkét hőcserélőben fázisváltozás van így a hatásosságukat a

 1 e



kF W

összefüggéssel számítjuk. A célfüggvényt végső soron két változó, az F1 és F2 szerint kell keresni. Füstgáz-hőhasznosítás Az eddig tárgyalt két esetben a veszteséghőt egy új fogyasztóban hasznosítottuk, tehát a rendszer összes hőteljesítménye megnőtt. Az alábbi hőhasznosítási feladatnál a szükséges hőteljesítmény nem változik, a megtakarítás a rendszerbe bevitt energiában jelentkezik (113. ábra).

219

113. ábra. Megtakarítási lehetőségek

Gyakori, hogy egy meglévő rendszernél tüzelőanyag megtakarítás céljából a kazán(ok) távozó füstgázait kívánjuk felhasználni. A füstgáz-hőhasznosító nem új fogyasztó kielégítésére szolgál, hanem a meglévő rendszer alacsonyabb hőfokszintű hőigényeit biztosítja. Az eredeti állapotban a Vfg mennyiségű füstgáz kilépési hőmérséklete tfg volt. Ha tehát ezt a hőmérsékletet tki értékre csökkentjük, a





hasznosított hő mértéke Vfg cpfg t fg  t ki lesz. Ha ezt a megtakarítást a meglévő rendszerbe visszük be, a változatlan összes hőigény miatt a primerenergia igény csökken, kevesebb tüzelőanyagra lesz szükség, de így kevesebb füstgáz is keletkezik. Végső soron tehát az előbbiek szerint számított megtakarítást nem tudjuk elérni. A tényleges megtakarítást a következőképpen számíthatjuk. Az egységnyi tüzelőanyagból keletkező qbe bevezetett hőmennyiség éppen a H fűtőértékkel azonos: qbe  H . A kazán hatásfokát az 1 Nm3 gáznemű tüzelőanyag elégetésekor keletkezett Vfg füstgázmennyiségből és a tfg füstgázhőmérsékletből számíthatjuk:

  1





qv 1  1 q  Vfg cpfg t fg , H H f

ahol cpfg a füstgáz közepes fajhője qf pedig az egyéb, nem a távozó füstgáz hőtartalmából adódó veszteségek (pl. sugárzási veszteség) összege. Ha a tfg





hőmérsékletet tki értékűre csökkentjük, a veszteség q v  Vfg cpfg t fg  t ki értékkel csökken, azaz a hatásfok -nal nő:



220





q v 1  Vfg cpfg t fg  t ki . H H

Mivel a hasznos hő (Qh) változatlan, a kazánba bevitt hőmennyiség új értékét a Q megnövelt hatásfokkal számíthatjuk: Qbe  h , ezzel az új tüzelőanyag Q fogyasztás B1  be és a veszteség új értéke Qv  Qbe  Qh lesz. H Ha B0 volt az eredeti tüzelőanyag-fogyasztás, akkor a megtakarítás:

B  B0  B1 

Qh  1 1    . H    

A gazdaságossági számításoknál és a döntéselőkészítéseknél ez a számítási módszer elegendő pontosságú. A részletes műszaki tervezésnél természetesen már azt is figyelembe kell venni, hogy a kazán a hőhasznosító beépítése után másik, egy alacsonyabb terhelési állapothoz tartozó munkaponton fog dolgozni. Emiatt az eredeti  hatásfok is megváltozik, rendszerint nő. Az így kialakult alacsonyabb füstgázhőmérsékletet a hőhasznosító hőcserélő méretezésénél figyelembe kell venni. 6.5.3. Optimális hálózat kialakítása Több fogyasztó egy vagy több forrásból történő ellátására hálózatot kell kialakítani. A hálózat költségeit mind a hálózat nyomvonala, mind pedig annak kapacitása befolyásolja. Optimális nyomvonal keresése Vizsgáljuk a 114. ábra által mutatott egyszerű feladatot!

114. ábra. Egyszerű hálózat

221

Az F forrásból az A, B és C fogyasztó VA ,VB és VC igényét kell kielégíteni. A terepviszonyok az ábrán látható 1...5-tel jelzett nyomvonalak választását teszik lehetővé. A lehetséges négy változat: 1. változat:

1-2-3

2. változat:

1-4-5

3. változat:

2-4-5

4. változat:

3-5-4

Ha csővezeték hálózatról van szó, a költségeket a csövek költsége és a fektetési költség összege határozza meg. A csövek költsége az átmérő és a hossz szorzatával, azaz a cső tömegével arányos:

k cs  a0 ld , ahol l a cső hossza, d az átmérője, a0 pedig a fajlagos költség. A fektetési költség jellemzően csak a fektetési hossztól függ: k f  bl ,

ahol b az egységnyi nyomvonalhossz fektetési költsége. Míg az a0 fajlagos költség független a terepviszonyoktól, a b fektetési költség nyomvonal-szakaszonként lehet más és más. A csőátmérő a szállított mennyiségből adódik. A szállításhoz szükséges keresztmetszet:

A

V , v

ahol v a sebesség. Innen a szükséges átmérő:

d

4V v

Az állandókat egyetlen konstansba összevonva, a célfüggvényünk a teljes nyomvonalra felírt összes költség:





C   li a V  bi  min . i

A célfüggvényt mind a négy változatra ki tudjuk számolni: 1. változat:



 



C  l1 a V1  b1  l2 a V2  b2  l3 a V3  b3 , 2. változat:



 



C  l1 a V1  V2  V3  b1  l4 a V2  V3  b4  l5 a V3  b5 ,

222

3. változat:



 



C  l2 a V1  V2  V3  b2  l4 a V2  b4  l5 a V3  b5 , 4. változat:



 



C  l3 a V1  V2  V3  b3  l5 a V1  V2  b5  l4 a V1  b4 . A négy változat közül a minimális költségű adja az optimális megoldást. A feladatot diszkrét lineáris programozási feladatra lehet visszavezetni, így nagyobb rendszereknél kész programcsomagokat használhatunk az optimális nyomvonal megválasztására. Az optimális csőátmérő keresése Az optimális csőátmérő megválasztásához szintén az összes költséget választjuk célfüggvénynek:

C  B  U  min . Itt már a nyomvonal, ezzel együtt a csőhossz is adott, a beruházási költség csak a csőátmérő függvénye. Az állandók összevonásával: B  ad d ,

ahol ad a cső átmérőtől függő ára. Az üzemi költségeket az áramlás fenntartásához szükséges energia ára adja: U  aE P ,

ahol aE a szivattyú vagy kompresszor meghajtására szolgáló energia (rendszerint villamos energia) egységára, P az a többletteljesítmény, amely a cső ellenállásának a legyőzéséhez szükséges és  a kihasználási óraszám. Szivattyú vagy ventilátor esetén a többletteljesítmény:

P

Vp , 

ahol p a csőszakasz ellenállása,  pedig a berendezés összhatásfoka. Legyen  a csősúrlódási tényező, Le a csőszakasz egyenértékű csőhossza, v a sebesség és  a szállított közeg sűrűsége, akkor az ellenállás: Le v 2 p   . d 2

A sebességet az egységnyi keresztmetszetre jutó térfogatáram:

v

V 4V  2 A d 

kifejezéséből kapjuk.

223

Vezessük be a K 

8Le 2

jelölést, akkor a nyomásesés:

p  K

V 2 d5

Behelyettesítve a célfüggvénybe, egy d-től függő kifejezést kapunk:

C  ad d  a E K

V 3 d 5

  min .

Látjuk, hogy a beruházási költségek az átmérő növekedésével arányosan nőnek, míg az üzemeltetési költségek d ötödik hatványával fordított arányban csökkennek, így a függvénynek kell, hogy legyen minimuma (115. ábra). Az optimális csőátmérő:  ad   d opt    5a E KV 3  



1 6

Költség

Összköltség

Beruházási Üzemi költség d 115. ábra. Csővezeték költségei

Optimális hőszigetelés Ha egy hengeres, szigetelt csővezeték belső és külső hőmérséklete között t a hőmérsékletkülönbség, akkor a méterenkénti hőveszteség:

q 

2  2  t  t , dk  2s  ln ln 1   db  db 

ahol  a hővezetési tényező, db a cső belső átmérője, dk a cső külső átmérője és s=(dk-db)/2 a szigetelés vastagsága. Az összefüggésből látható, hogy a szigetelés vastagságának növelésével a hőveszteség csökken. A 116. ábra egy 100 mm belső átmérőjű, salakgyapot hőszigetelésű (=0,04 W/(m/K) csővezeték hőveszteségét mutatja a szigetelési vastagság függvényében 200 °C hőmérsékletkülönbség mellett. A számított értékeknél a szigetelés külső hőmérsékletét a környező levegő hőmérsékletével vettük azonosnak.

224

q , W/m150

számított tény

100 50 0 0

100

s , mm

116. ábra. Szigetelt cső hővesztesége

A valóságban a levegő és a szigetelés külső fala között kialakul egy hőmérséklet lépcső, amit a levegő hőátadásából adódó hőellenállás okoz. Ennek figyelembevételét mutatja az ábra vékony vonallal kihúzott (tény) görbéje. Látható, hogy gazdaságossági számításokhoz elegendő pontosságú, ha csak a fal hőellenállását vesszük figyelembe. A szigetelés költsége a szigetelőanyag mennyiségével, azaz állandó sűrűség mellett annak térfogatával arányos. 1 m hosszú csővezeték szigetelésének térfogata:

Vsz  sd b  s . A hőveszteségből, mint üzemeltetési költségtényező és a szigetelőanyag mennyiségéből, mint beruházási költségtényező, megkapjuk a hőszigetelés célfüggvényét a szigetelés vastagságának függvényében:

C  a B sd b  s  a E

2  2s  ln1    db 

t 3,6  min ,

ahol aB a szigetelőanyag ára, Ft/m3, aE az energia egységára, Ft/kJ és  a kihasználási óraszám. A 3,6-es szorzó a W mértékegységet számítja át kJ/h-ra. Láttuk, hogy az üzemeltetési költség a hőveszteséggel arányosan csökken a szigetelési vastagság függvényében, ugyanakkor a beruházási költség nő, így a célfüggvénynek a gyakorlatba előforduló esetekben van minimuma. 6.5.4. Optimális biztonsági rendszer Eddig olyan feladatokkal foglalkoztunk, amelyekben határozottan megfogalmaztuk a célt, és ahhoz kerestük a megoldási lehetőségeket. A biztonsági berendezések és létesítmények éppen ellenkezőleg, olyan célból készülnek, hogy nem várt eseményeket elkerüljünk, a baleset és/vagy anyagi kár bekövetkezését megelőzzük. A biztonsági rendszereknél mindig két lényeges paraméter határozza meg a beruházás mértékét: – a zavar, baleset vagy havária bekövetkezésének valószínűsége és – az okozott kár mértéke.

225

A zavar, baleset vagy havária bekövetkezése is kétféle okra vezethető vissza: – külső okokra, mint pl. természeti csapás (árvíz, földrengés, forgószél, stb.) vagy a szolgáltatások zavara (áramkimaradás, szállítás elmaradása stb.), vagy – belső okokra, ami rendszerint rendszeren belüli emberi mulasztás (tiltott helyen dohányzás, nem megfelelő rakodás, a technológiai fegyelem megsértése stb.), de előfordulhat rejtett hiba is (anyaghiba, kifáradás, öngyulladás, porrobbanás stb.) A zavarokra, meghibásodásokra, havária esetekre a tervezés során kell felkészülni. A tervezőnek fel kell tárni a lehető legtöbb váratlan helyzetet, sőt a rendkívüli esetek egymásrahatását is. Ebben fel kell használnia statisztikai adatokat és a saját tervezői tapasztalatát is. Nagy segítséget adnak a különböző biztonságtechnikai rendszabályok, szabványok és előírások. Ezek betartása rendszerint kötelező. Az energetikában az alábbi fő témakörökben vannak előírások: – építés, – tűzvédelem, – balesetvédelem, – szállítás, – tüzelés, – veszélyes berendezések gázpalackok stb.).

(tartályok

és

nyomástartó

edények,

kazánok,

Ezek az előírások mindegyike számos biztonságtechnikai berendezés létesítését kötelező jelleggel elrendeli. Ezek közül csak példa jelleggel néhány: – Az építési szabályzat előírja, milyen legkisebb távolságot kell tartani az egyes építmények között. – Az üzemekben, tömegeket befogadó épületekben menekülőutakat, vészkijáratokat kell létesíteni, amelyeket vészvilágítással is el kell látni. – Nagyobb létesítményeket tűzszakaszokra kell bontani, ahol a tűzszakaszok közötti sáv megakadályozza a tűz továbbterjedését. A tűzoltáshoz megfelelő mennyiségű tüzivizet kell tárolni. – Gáztüzelésű kazánházakban ill. kazánhelyiségekben hasadó-nyíló felületeket kell kialakítani a robbanások levezetésére. Ugyanitt kötelező a megfelelő légcsere biztosítása is. – A gáz és olajtüzelésű berendezéseket el kell látni olyan reteszelő automatikával, amelyek bizonyos feltételek esetén (pl. lángkialvás, az égési levegő megszűnése, áramkimaradás stb.) azonnal leállítják a tüzelőanyag betáplálását. – A nyomástartó edényeket és a kazánokat előírás szerinti biztonsági szerelvényekkel (pl.: biztonsági szelep) kell ellátni.

226

– Tűzveszélyes ill. veszélyes anyagok szállítása csak speciális, az adott feladatra alkalmas szállítóeszközzel engedélyezett. A szállítóeszköznek alkalmasnak kell lennie a biztonságos töltés/lefejtés műveletének elvégzésére is. Ebből a felsorolásból is látszik, hogy a biztonsági berendezések jelentős többletberuházást, ill. beruházási, sok esetekben beruházási és üzemeltetési többletköltséget is jelentenek. Ezeket a járulékos beruházásokat ugyanúgy kell kezelni, mint a többi beruházást: a feladat az előírás szerint adott, ezt kell a lehető legkedvezőbb feltételek mellett (pl. a legkisebb összköltséggel) megvalósítani. Vannak olyan esetek is, amikor az előírás a döntés egy jelentős részét a tervező megítélésére bízza. Pl. egy zárt lefúvató rendszernél a lefúvató rendszert olyan kapacitásúra kell tervezni, amely az egyidejűségek figyelembevételével is meg tudja akadályozni, hogy a rendszerre kötött berendezések nyomása meghaladja a nyitónyomás 10 %-kal növelt értékét. Egy nagyobb vegyipari üzemben a lefúvató rendszerre esetleg több száz biztonsági szelep is rá van kötve. Azok a készülékek, amelyeket a biztonsági szelepek védenek, a néhány tized bar-tól a néhány tíz, esetleg 100 bar körüli nyomás között többféle nyomásszintűek lehetnek, és a lefúvatandó mennyiségek is különbözők. Ilyen esetekben az egyidejű lefúvási mennyiség meghatározása komoly valószínűségszámítási feladatot jelent. Tovább lehet árnyalni a problémát azzal, hogy a biztonsági szelepeknek bármikor, ha a nyomás a megengedettnél nagyobbra nő, „meg kell szólalni”, tehát a néhány tized bar-osnak olyan esetben is, amikor éppen a 100 bar-os is lefúvatás alatt van. Emiatt a rendszer ellennyomására szigorú kötöttségünk van, azaz igen nagy átmérőjű lefúvató gerincvezetéket kell létesítenünk, ami a költségeket növeli. Ilyen esetekben gazdaságossági számításokkal kell eldönteni, hogy két vagy három nyomásszintű lefúvató rendszer nem eredményez-e kisebb költségű megoldást. A biztonsági berendezések másik köre, amikor nem haváriaelhárítás a feladat, hanem gazdasági érdekből (pl. bevételkiesés, piacvesztés, kötbér, stb. elhárítása) kell beruházni. Ilyen esetben lehetőségünk van mérlegelni, hogy milyen mértékű biztonságra törekedjünk (117. ábra).

Költség

összköltség

beruházási költég keletkezett kár

A beruházás volumene 117. ábra. Beruházás költségei

227

Csökkenthetjük a költségeket a biztonsági szintek megosztásával is. Egy kórházban pl. 100 % tartalékot kell képezni a villamos energia kimaradásra a műtőkben és az intenzív osztályokon, de csak vészvilágítást kell tartani a közlekedőkön, a könyvtárban, esetleg a kórtermekben is. A 118. ábra egy lehetséges megoldást mutat be a tartalékképzésre.

118. ábra. Energiaellátás biztonsági szintjei

Ennél a kapcsolásnál a külön meleg- és külön hidegtartalék beruházási költsége biztosan meghaladja egyetlen tartalékberendezés beruházási költségét, ezért csak akkor lehet gazdaságos, ha a kisebb energiafelhasználásból adódó energiamegtakarítás kompenzálja a többlet beruházási költséget.

119. ábra. Kazánházi tartalékrendszer

A 119. ábra egy gyakori kazánházi kialakítás elvi sémáját mutatja. Itt az égők vagy alternatív kialakításúak, azaz mindkét tüzelőanyag eltüzelésére alkalmasak, vagy cserélhetők. A 3. kazánt, amelyik az üzemelőkkel azonos felépítésű és teljesítményű arra használják, hogy a karbantartásokra, javításokra leálló üzemi kazánt pótolja a

228

kiesés idejére. A meleg tartalék egy kisteljesítményű kazán kizárólag azokhoz a fogyasztókhoz, amelyek a 3. kazán felfűtési idejére sem eshetnek ki. 6.5.5. A környezetvédelem hatása a fejlesztésre Ismeretes, hogy világszerte szigorodnak a környezetvédelmi normák és, ha életben akarunk maradni, ez a tendencia nem is fordítható meg. Az egyre szigorodó előírásokat egyre több környezetvédelmi fejlesztéssel, beruházással lehet csak betartani. Egy mai normáknak megfelelő szénerőműnél pl. a beruházási költségeknek mintegy 30..40 %-át teszik ki a környezetvédelmi célú beruházások. Az energetika legnagyobb környezeti hatása a levegőszennyezés. ezért a füstgázok tisztítása az egyik leggyakoribb feladat. Sajnos nem csak az ún. szennyezőanyagok (CO, NOX, SO2 stb.) okoznak problémát, hanem az égéstermék CO2 -tartalma is: az egyre növekvő szén-dioxid szennyezés a föld globális klímaváltozásához vezethet. Kisebb mértékű, de volumenében még mindig jelentős a vízszennyezés. Itt gyakran nem a szennyezőanyag, hanem a hőszennyezés okoz problémát: a folyókba, patakokba engedett hűtővíz, ha csak 1..2 °C-kal is emeli a természetes víz hőmérsékletet, katasztrofális hatással lehet az élővilágra. Az atomerőművek kétszeresen is veszélyesek lehetnek a környezetre: meghibásodásuk esetén földrészeket károsíthatnak, de nem kevés problémát okoz a kimerült fűtőelemek az ún. atomhulladékok elhelyezése is. Jelentős talajszennyezést okozott, és okoz még ma is, a tüzelő és fűtőolajok elfolyása. Mivel ez nem üzemszerű jelenség, biztonsági rendszer (pl. szivárgásjelzés) kialakításával minimálisra csökkenthető a szennyezés. Az energetikusok háromféle módon járulhatnak hozzá a környezet védelméhez: – hatékony leválasztással, – környezetkímélő energiatermeléssel és – a fajlagos energiafogyasztás csökkentésével. A két utóbbi módszer jelentősége a nagyobb, mivel a kisebb kibocsátású energiatermelés és a fajlagos energiaigény csökkenése a „megtermelt” szennyezőanyag abszolút mennyiségét is csökkenti, míg a leválasztás csak a szennyező környezetbe jutását akadályozza meg. A hatékony leválasztó berendezések tervezése, fejlesztése külön szakma. Itt elsősorban arra kell ügyelni, hogy a szennyező útját a megnyugtató végleges lerakásig nyomon kövessük, hiszen pl. a füstgáz mosása a levegőszennyezés csökkentése mellett vízszennyezést okozhat, a száraz eljárások alkalmazásával pedig szilárd veszélyes hulladékot kapunk. A környezetkímélő energiatermelésben a primer energiahordozó megválasztása játszik döntő szerepet. A hagyományos szilárd és folyékony tüzelőanyagok helyett kedvezőbb a földgáz, egyrészt azért, mert kedvező tüzeléstechnikai tulajdonságai miatt kevés szennyezőanyagot bocsát ki, másrészt széntartalma 43 %-kal kisebb, mint a kőszéné, aminek következtében lényegesen kevesebb CO2-t bocsát ki a levegőbe. Egyik legnagyobb jövőt a H2-nak, mint tüzelőanyagnak jósolnak. Egyrészt ez annak tulajdonítható, hogy szinte korlátlan mennyiségben áll rendelkezésünkre, másrészt,

229

mert égésterméke víz, amivel nem szennyezzük a környezetet. A szén jövője az új technológiák: fluid tüzelés, szénelgázosításra épülő ciklusok, stb. elterjedésével várható. Bár a lakossági ellenállás jelentős, és a szakmai vélemények is megosztottak, valószínűleg a következő 50..100 év energiahordozója marad az atomenergia. Közeljövőben várható a fúziós energia hasznosításának ipari szintű kifejlesztése, ez forradalmasíthatja az atomenergetikát és környezetvédelmi szempontból is egy kedvező technológiát kapunk. A megújuló energiák közül a napés a szélenergia terjeszkedése várható, de elsősorban csak a kisebb fogyasztók körében. Hasonló tendencia mutatható ki a biomassza hasznosításánál is. Az energiatermelés másik nagy lehetősége a kombinált erőművi ciklusok alkalmazása. Magyarországon is működnek már gáz-/gőzturbinás kombinált ciklusú erőművek, de az új technológiák iránti kutatás világszerte intenzív. Az energiafelhasználás csökkentési lehetőségeire igyekeztünk jelen könyvben is számos példát adni. Legnagyobb lehetőséget az egyes – korábban különálló egységenként működött – rendszerek célszerű összekapcsolásából várhatunk. Ilyen pl. a fűtés-hűtés összekapcsolása vagy a hulladékanyagok felhasználása másodlagos nyersanyagként vagy hulladékégetéssel energiatermelésre.

230

7. ENERGIA MENEDZSMENT Az eddigi fejezetekben az energiafelhasználás és az energiagazdálkodás műszaki részleteivel ismerkedtünk meg. A következőkben sorra vesszük azokat a stratégiai és szervezési lehetőségeket, melyek elősegítik az energiafelhasználás hatékonyságának növelését. Ezek a menedzsment technikák segítséget nyújtanak a meglévő és üzemelő rendszerek energetikai elemzéséhez, hatékony útmutatást adnak a szükséges beavatkozások megtervezéséhez és végrehajtásához. Ismertetjük az egyes gazdasági szervezetek energiagazdálkodást felelő személyének – főenergetikus – feladatait és lehetőségeit.

7.1.

Stratégiai megközelítés

A vállalatok számos különböző módon közelíthetik meg az energiagazdálkodás kérdését. Hogy hol helyezkedik el az energiagazdálkodási osztály, kik dolgoznak ott és hogyan finanszírozzák, illetve milyen kapcsolatban áll a vállalat többi részévei, ezek olyan kérdések, amelyekre nincs egyetlen lehetséges válasz, a lehetőségek skálája széles. Az általunk elfogadandó stratégia az egyedi helyzetünk függvénye; elsősorban a szervezetünk vállalati kultúrájától függ, valamint attól, hogy milyen fejlettségi fokot ért el az energiagazdálkodás területén. 7.1.1. Az energiagazdálkodás fázisokra bontása Az energiagazdálkodási tevékenységek kialakítása világos fázisokra bontható. Tekintet nélkül arra, hogy első ízben vezeti be az energiagazdálkodást vagy a jelenlegi tevékenységeit igyekszik javítani, bármely vállalatnak tisztában keli ezzel lennie és ennek fényében kell erőfeszítéseket tennie. A folyamat egymást átfedő fázisok összességeként 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 ellenőrzés alá vegye a fogyasztást és a költségeket a vállalat fő energiafogyasztóinak meghatározásával, valamint a pazarlást elkerülő, költséggel nem járó módszerek bevezetésével. – Beszerzési stratégiák: Tekintsük át az energiahordozó, illetve árkiválasztási lehetőségeket annak érdekében, hogy biztosíthassuk a legmegfelelőbb energiaforrások igénybevételét és azok legelőnyösebb áron való beszerzését. – Üzemeltetési gyakorlatok: Vizsgáljuk át a kazánházi, fűtési, világítási és szellőztetési ellenőrző stratégiákat, hogy biztosíthassuk a meglévő üzem és berendezés maximális hatásfokon való üzemeltetését. – Motiváció és képzési gyakorlatok: Tekintsük át az energiatudatosságfejfesztő kampányokat és úgy alakítsuk át a képzési programokat, hogy megfelelő

231

útmutatást nyújthassunk a megfelelő energiagazdálkodási módszerekről a vállalat összes dolgozójának, elsősorban azoknak, akiknek tevékenységei befolyásolják a fogyasztást. 2. fázis Amennyiben a meglévő üzemet, épületeket sikerült ellenőrzés alá vonni és a nyilvánvaló túlfogyasztást megfékezni, figyelmünket olyan energiamegtakarítási intézkedések felé fordíthatjuk, amelyek erőforrások beruházását teszik szükségessé. Beruházási gyakorlatok: Tekintsük át a jobb energiahatékonyságot célzó beruházási lehetőségeket és rangsoroljuk azokat a szükséges tőkebefektetés, illetve előrevetített megtérülési rátájuk szerint. A rendelkezésre álló erőforrások alapján olyan munkaprogramot tervezzünk, amely a beruházás legjobb megtérülését eredményezi annak érdekében, hogy fedezzük az energiagazdálkodási tevékenységek költségeit és újra beruházható megtakarításokat érhessünk el. Általánosságban szólva, a 2. fázis kezdeti stádiumaiban ez arra fog vezetni, hogy a beruházást alacsony vagy közepes költségtartományba eső intézkedésekre korlátozzuk. Mégis, a könnyű megtakarítást eredményező lehetőségek kimerítése után lépéseket kell tennünk az alacsonyabb megtérülési rátát eredményező beruházások megvalósítása érdekében is. Úgy tűnhet, hogy a vállalatok végül elérkeznek egy olyan ponthoz, ahol új beruházás nem vezet további megtakarításokhoz. Valójában az új és hatékonyabb technológiák kiegészítő beruházásokat igényelnek. 3. fázis Amennyiben az 1. és 2. fázis beindult, arra kell összpontosítani a figyelmünket, hogy ellenőrzés alatt tartsuk beruházásunkat és védelmezzük azt. Ez azt jelenti, hogy hatékony energiagazdálkodási információs rendszert hozunk létre és működtetünk, amely tartalmazhat egy számítógéppel vezérelt nyomon követő és célmeghatározó rendszert. Energiagazdálkodási információ: Tekintsük át az adatgyűjtési, feldolgozási és visszacsatolási eljárásainkat, mechanizmusainkat annak érdekében, hogy biztosíthassuk, hogy az információ eljut azokhoz, akiknek szükségük van rá, méghozzá időben és olyan formában, amely támogatja a vezetői döntéshozatalt, melynek eredményeképpen – 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, hogy vállalatunk mennyi erőforrást hajlandó rendelkezésünkre bocsátani. Ha a beruházott szakértelem és anyagi erőforrás elégtelennek bizonyul. a vállalat valószínűleg nem lesz képes csökkenteni

232

energiafogyasztását, illetve nem tudja ellenőrzés alá vonni azt. Némely esetben még visszaesés is tapasztalható. Ha a felső vezetés nem nyújt állandó támogatást, nem áll rendelkezésre a szükséges anyagi erőforrás, és nem megfelelő színvonalat képviselnek az energiagazdálkodási szakemberek, az ellenőrzés kudarcba fog fulladni. Amennyiben így alakulnak a dolgok, a vállalat rosszabb helyzetbe kerülhet, mint amelyet az energiamegtakarítási erőfeszítések beindítását megelőzően foglalt el. Ennek az az oka, hogy miután kísérlete kudarcélménybe torkollott, a második próbálkozáskor nehezebb lesz: – meggyőzni a felső vezetést, hogy további időt és pénzt fektessen be az energiagazdálkodás sikeres megvalósítása érdekében, – rábírni a vállalat egyéb dolgozócsoportjait arra, hogy komolyan vegye az energiamegtakarítás kérdését. A gyakorlatban az 1. és 2. fázis sohasem ér teljesen véget. Az ellenőrzés megvalósítása és fenntartása dinamikus folyamat. Bizonyos idő elteltével azt tapasztaljuk, hogy újra vissza kell nyernünk ellenőrzésünket a folyamat fölött, mivel a fogyasztók veszítenek energiatudatosságukból vagy új ellenőrzési rendszereket kell bevezetnünk. Hasonlóképpen a technológiai változások eredményeként állandóan felül kell vizsgálnunk az új intézkedések bevezetésének előnyeit. Meg kell érteni a változásokat A Főenergetikus egyik feladata. hogy részt vegyen a vállalatát érintő változások bevezetésében. A szervezeti változtatások meglehetősen jól előrevetíthető 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 változást akarnak bevezetni, vagy javítani akarják a teljesítményüket. Cselekvésre kerül sor, ami esetleg kockázattal jár. Ez bizonytalanságot szül, ami gyanakvást kelthet és végül a kezdeményezés megtörését idézheti elő. De amennyiben a szóban forgó dolgozók szembe tudnak nézni az ellentmondásokkal és a bizonytalansággal, újra átgondolják a problémát és átlépnek a kreatív gondolkodás fázisába, amelyben a korábbi ellentmondásokat egymással összevetik és felfedezik a megoldásokat. Ez az új meglátás rutinszerűvé válhat, amint a dolgok elintéződnek. Ezek után a vállalat a 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 energiamegtakarítás felé terelődjék. Ilyenfajta kérdéseket kell feltenni magunknak: – milyen mértékben tudjuk kihasználni a vállalat jelenlegi kultúráját? – van mód arra, hogy megszabaduljunk a vállalat fejlődését gátló korlátoktól?

233

– kell-e, és ha igen, tudunk-e változtatni a vállalatunkon? – mennyire vagyunk mi magunk képesek arra, hogy megváltoztassuk vagy jobb irányba tereljük a vállalat működését? Vállalati kultúra A fenti kérdések megválaszolásához meg kell értenünk ama vállalat kultúráját, amelynél dolgozunk. Az energiagazdálkodásnak azon viselkedések és szokások együttes légkörében kell működnie, amelyek a szervezet kultúráját formálják. Ezek a viselkedésformák magukba foglalják a vállalat célkitűzéseivel kapcsolatos elképzeléseket, a hatáskörök elhelyezkedését, valamint a kedvelt vezetési stílusokat. Fontos kérdés, hogy hogyan szokták teljesíteni a kéréseket, milyen körültekintéssel járnak el, melyek a teljesítményértékelés és a dolgozói teljesítményösztönzés bevett eljárásai, amennyiben megpróbáljuk befolyásolni vagy megváltoztatni az emberek hozzáállását és viselkedésformáit. Ebben a tekintetben kétféle gondolkodásmód terjedt el. Az egyik elképzelés az, hogy mivel a vállalatok felépítése bonyolult, csak azt a rugalmas megközelítést, amely specifikus vállalati kultúra kialakítását teszi lehetővé, koronázhatja siker. Az ezzel ellentétes nézet arra mutat rá, hogy a vállalatok túl bonyolult felépítésűek ahhoz, hogy teljesen megérthessük azt, ezért az energiagazdálkodási rendszereknek elég masszívaknak kell lenni ahhoz, hogy bármiféle kultúrában működni tudjanak. Hogy a rugalmas vagy a masszív megközelítés fog jobban működni, természetesen az adott körülményektől függ. A gyakorlatban azonban bármennyire masszív energiagazdálkodási rendszert alakítunk is ki, sikere attól függ, hogy milyen jól van összehangolva az adott szervezeti kultúrával. Az adott vállalat kulturális légköre aszerint változik, hogy környezetében mekkora a bizonytalansági tényező és milyen időhatárok közt kell működnie. Például az a vállalat, amely egyik napról a másikra él bizonytalan piaci viszonyok között, merőben más vezetési stílust igényel, mint egy olyan szervezet, mely stabil körülmények között, hosszú távú időhorizontra való kitekintéssel tevékenykedik. Ha ezt az elgondolást hálós ábrázolásmódban jelenítjük meg, négy „tipikus” kulturális formát nyerünk: vállalkozó, csapat, hierarchikus és piaci (120. ábra). A vállalati kultúra eme megközelítése meglehetősen elvont, ezért a következő négy szervezet Repülőtér, Áruház, Gázszolgáltató vállalat és Városi Önkormányzat segítségével illusztráljuk a meglévő különbségeket. Azért választottuk ezt a négy szervezetet, mert bár mind a négy jó gyakorlatáról ismert, meglehetősen különböznek egymástól a tekintetben, hogy energiagazdálkodási kérdésekben hogyan osztják le a hatásköröket, milyen stílust honosítottak meg, kik a felelősek és hogyan rendelkeznek a finanszírozásról. A Repülőtérnél például az energiagazdálkodás az Ellenőrzési Osztály feladatkörébe tartozik, főenergetikusuk hibakereséssel foglalkozik, figyelmét a veszteségek csökkentésére és az energiamegtakarítási beruházások lehetőségeinek feltárására összpontosítja. Ezzel szemben a Városi Önkormányzatnál az Energiaegység hét emberből áll, akik a Tervezési és Építési Szolgáltatások dolgozói. Tanácsadási szolgáltatásokat

234

nyújtanak térítés ellenében az Önkormányzat különböző osztályainak és az iskoláknak, de nem rendelkeznek saját költségvetéssel az energiahatékonysági beruházások kivitelezésére.

CSAPAT

VÁLLALKOZÓI

magas

bizonytalanság HIERARCHIKUS

PIACI

hosszútávú

rövidtávú

alacsony

tervezés 120. ábra. A „tipikus” kultúratípusok hálós ábrázolása

1. A vállalkozótípusú kultúra Az innováció és a növekedés a vállalkozótípusú kultúra megkülönböztető jegyei. A szervezet kifelé tekintő, tervezése rövid távú és elviseli a bizonytalansági tényezőt. A vezetés karizmatikus, az elszámoltatás személyes kapcsolatrendszerben történik. Az emberek intuíciójukra és megérzéseikre hagyatkoznak. Gyorsan hoznak döntéseket, de továbbra is gyűjtenek információt és menetközben módosítják terveiket. Ezek a szervezetek rugalmas struktúrákkal rendelkeznek és dolgozóikat a változatosság és a kockázatvállalás motiválja. Az ilyen vállalatok főenergetikusának optimális stratégiája az, hogy – megszerzi a vezérigazgató támogatását ahhoz, hogy a szervezet minden részére kiterjeszthesse hatáskörét, valamint – fő energiafelhasználókra összpontosítja figyelmét és olyan beruházási programot dolgoz ki, mely gyors megtérülést eredményez. 2. A csapat-típusú kultúra A csapattípusú kultúrákat a részvétel és együttműködés megkülönböztető jegyei jellemzik. A szervezet befelé tekintő, a tervezés hosszútávra történik és eltűri a bizonytalanság jelenlétét. A vezetés nem beavatkozó és támogató természetű, az elszámoltatás összejövetelek keretében történik. A döntéshozatalkor a dolgozók időt szánnak az eltérő vélemények meghallgatására és a különböző nézőpontokat egységesítő megoldásokat keresik. Ezekre a szervezetekre a rugalmas struktúra jellemző és dolgozóit együttgondolkodás ösztönzi.

235

Az ilyen típusú szervezeteknél dolgozó főenergetikus optimális stratégiája az, hogy – energiahatékonysági bizottságot állít fel az összes érdekelt osztály képviseletével, melynek feladata az energiapolitika kidolgozása, és – energiaügyi képviselőket nevez ki, akik segítségével a dolgozók bevonhatók a politika megvalósításába. 3. A hierarchikus-típusú kultúra A struktúra és az ellenőrzés a hierarchikustípusú kultúra megkülönböztető vonásai. A szervezet befelé forduló, hosszú távra tervez és előnyben részesíti a biztonságot. A vezetés konzervatív és a hatásköröket szabályzatban rögzítik. Az elszámoltatás formális és képviseleti rendszeren keresztül valósul meg. A döntéshozatali folyamatra jellemző, hogy a dolgozók általában hosszú ideig gyűjtik és elemzik az információt, mivel céljuk az egyetlen optimális megoldás megtalálása. Az ilyen szervezetek jellemzője a jói körülhatárolt struktúrák jelenléte és a dolgozókat a tervezhetőség és a biztonság motiválja. A főenergetikus optimális stratégiája az ilyen típusú vállalatnál – olyan energiagazdálkodási rendszer kidolgozása, melynek helye világosan körülhatárolt a struktúrában és pontosan meg vannak határozva az elszámoltathatóság és a jelentéstétel útjai és eljárásai, – olyan átfogó információs rendszerek kialakítása, amely nyomon követi a fogyasztást és jelenti a hibákat. 4. A piaci-típusú kultúra A termelékenység és a teljesítményszemlélet jellemzi a piaci-típusú kultúrákat. A szervezet kifelé tekintő, rövid távon tervez és fontosságot tulajdonít a biztonságnak. A „főnök” a hatalom letéteményese, de magas fokon valósul meg a hatáskörök leosztása és a feladatok decentralizálása, ugyanakkor a fegyelem általában szigorú. A dolgozók hajlamosak a gyors és végleges döntések meghozatalára és a cselekedeteiket a rátermettségre és racionális okfejtésre való hagyatkozás vezérli. Az ilyen szervezetek jól körülhatárolt struktúrákkal rendelkeznek és dolgozóikat az észszerű célok elérése sarkallja. A főenergetikus optimális stratégiája a következő: – költségközpontok kialakítása a szervezeten belül, melyek felelősek saját területük energiagazdálkodásáért és meghatározott költségvetéssel rendelkeznek – rutineljárások kidolgozása, melyek segítségévei tájékoztatják a felhasználókat tényleges energiafogyasztásukról, összevetve az előirányzatokkal. Az emberek nem egyformán érzik jól magukat az itt vázolt kulturális légkörökben. A teljesítményközpontú személy előnyben részesíti a piaci-típusú kultúrát, amely azonnali cselekvést követel, de ahol a biztonsági fok magas. A megerősítést igénylő embertípus minden bizonnyal a csapattípusú kultúrát kedveli, amelyben a cselekvési szükségszerűség kevésbé markáns és kisebb a biztonság is, a hangsúly viszont az együttműködésen van. A részletekre kiterjedő vezetési stílus többé-kevésbé mindegyik kultúrának megfelel.

236

A vállalati struktúra és a vezetési stílus közötti kapcsolat nagy fontossággal bír a főenergetikus számára. Annak a kultúratípusnak a meghatározása, amelyben tevékenykednünk kell, segíthet a legmegfelelőbb stratégia és stílus megválasztásában, melynek alkalmazásával munkánkat a felső vezetés elé tárjuk és a dolgozókat energiamegtakarításra serkentjük.

7.2.

Energiapolitika

Számos vállalat létezik, néhány közülük igen fejlett energiagazdálkodással rendelkezik, amely eddig még nem érezte szükségét annak, hogy formális energiapolitikát dolgozzon ki. Ezeknél a vállalatoknál egyetértenek az energiafelhasználásért felelős és elszámoltatható szervezet szükségességével, de létrehozása nem történt meg. De amíg az energiamegtakarítás iránti elkötelezettség csak nemhivatalos vagy véletlenszerű alapon funkcionál, tévútra terelődhet vagy hatása csökkenhet, amennyiben személyi változások történnek a felső vagy középvezetők, vagy éppen az energiaügyi szakemberek soraiban. Ahol az elkötelezettség informális, egy élenjáró vagy kulcsfontosságú döntéshozó elvesztése a fent említett bármelyik szinten alááshatja a vállalat energiagazdálkodási tevékenységeit. Ezen felül, hacsak az elkötelezettséget formálisan el nem fogadják, fennáll annak a veszélye is, hogy egyéb, átmenetileg sürgetőbb prioritások sajátítják ki maguknak az energiafogyasztás ellenőrzésének szentelt figyelmet, legyen az a vezetés ideje, vagy pedig az emberi, illetve anyagi erőforrások odaítélése. Az energiamegtakarítás iránti elkötelezettség csak nehezen foglalható bele az alkalmazottak teljesítményértékelésébe, kivéve ha az energiafogyasztással kapcsolatos felelősségeket és elszámoltathatóságot világosan írásba foglalják és rutinszerűen az összes érintett dolgozó rendelkezésére bocsátják. Kidolgozott energiapolitika nélkül a vállalat energiafogyasztásának kézbentartására 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 az energiamegtakarítás és a környezetvédelem iránt, egyszersmind – munkaanyagként szolgál a vállalat energiagazdálkodási tevékenységének irányításához és garantálja a folytonosságot. A vázolt két célkitűzés azt sugallja, hogy a vállalat energiapolitikáját két részben célszerű megfogalmazni. Az 1. rész, az elkötelezettség kifejezése és az alapelvek összefoglalása, publikálható és terjeszthető. A 2. rész, a részletes működési politika, kereskedelmi szempontból érzékeny információt is tartalmazhat, ezért csak a vállalaton belül érdemes azt közreadni.

237

A részletezett okoknál fogva a vállalat elsőrendű érdeke, hogy az energiagazdálkodást támogató szándékát, elkötelezettségét demonstráló formális, írott dokumentumba foglalja, amely kiegészül világosan megfogalmazott célkitűzésekkel, az elérésüket szorgalmazó akciótervvel, valamint a felelősségek egyértelmű leosztásával. Ezen felül még négy ok szól amellett, hogy a főenergetikus erőfeszítéseket tegyen annak érdekében, hogy a vállalat formális írásba foglalt energiapolitikát dolgozzon ki és fogadjon el. 1. Nagyobb valószínűséggel érünk el energiamegtakarítást akkor, ha mind nekünk, mind pedig a vállalatunknak rendelkezésre áll annak a világos megfogalmazása, hogy milyen eredményt várnak el tőlünk. 2. A vállalatunk jobban fogja értékelni munkánkat, ha teljesítményünket összevetheti a közös megegyezéssel kidolgozott programmal és célkitűzésekkel. 3. Tevékenységeink megvalósítása nagyobb hatásfokot ér el, amennyiben megtelelő emberi és anyagi erőforrásokat biztosítanak számunkra. 4. Tevékenységeinket nagyobb valószínűséggel fogadják el és támogatják a vállalatunk különböző szintjein, ha azok a felső vezetés formális támogatását élvezik. Az energiapolitika perspektívái Az energiagazdálkodás csupán eszköz egy adott cél elérésére védelmet nyújt szervezetünknek, hogy tevékenységeit energiaellátási zavarok nélkül folytathassa, valamint hogy elkerülhesse a szükségtelen energiaköltségeket. Vállalatunk nem működhet a megfelelő minőségű, mennyiségű és árfekvésű energia rendelkezésre állása nélkül. De még ezen kívánalmak teljesülése esetén is az energiapolitikai célkitűzések csupán másodlagos fontossággal bírnak a vállalat által meghatározott kulcsfontosságú célokkal való összehasonlításban. Mivel az utóbbi lehetősége idő függvényében változik, hasonlóképpen fog változni az energiapolitikának tulajdonított fontossági fok is. Energiamegtakarítási erőfeszítések nem tehetők anélkül, hogy kellő figyelmet fordítanánk a vállalat működésének egyéb összetevőire, például a dolgozók hangulatára, a termelékenységre vagy az épületekkel kapcsolatos fűtési kockázatokra. Ugyancsak tekintetbe kell venni egyéb olyan tágabb értelmű korlátokat, mint a véges erőforrások kimerülése, a környezetszennyezés vagy a környezet pusztulása. Általános vezérvonalként úgy fogalmazhatnánk, hogy nagy gondossággal kell eljárnunk energiapolitikánk kimunkálásakor, és megvalósításakor kizárólag olyan utakat-módokat válasszunk amelyek védik egyrészt vállalatunk célkitűzéseit, másrészt egyéb érdekeket is és így segítjük elő szervezetünk fejlődését. Manapság egyre növekvő figyelmet szentelnek az energiapolitikának a környezetvédelmi kérdésekkel kapcsolatos szélesedő aggodalom miatt. Megérett tehát az idő arra, hogy nyomást gyakoroljunk szervezetünkre vállalati energiapolitika kidolgozása és elfogadása érdekében. Amennyiben ez már megtörtént, ösztönözni kell a vállalatot hogy ezt a politikát hangolja össze a szervezet vállalati környezeti stratégiájával, amennyiben létezik ilyesmi.

238

Energiapolitikai minta Nincs két teljesen egyforma vállalat. Úgy kell tehát kidolgoznunk politikánkat, hogy az tükrözze a környezeti adottságokat, valamint a vállalat specifikus tevékenységeit és prioritásait. Hasonlítsuk össze ezt az energiapolitikai mintát a saját vállalatunk energiapolitikai célkitűzésével, amennyiben készült ilyesmi. Elképzelhető, hogy annak bizonyos részei, kellő adaptációval, átültethetők a saját vállalatunkéba. Ha szervezetünk még nem dolgozott ki energiapolitikai programot, próbáljunk meg mi magunk kimunkálni egyet az alábbi Tartalmi Útmutató segítségével. A másik lehetőség az, hogy módosítjuk a 7.2.3. szakaszban található energiapolitikai mintát úgy, hogy megfeleljen saját szervezetünk egyedi körülményeinek. Tartalmi Útmutató 1.

rész 1.1.

A felső vezetés elkötelezettségének kinyilatkoztatása az energiagazdálkodás iránt, valamint középvezetők bevonásának deklarálása.

1.2.

A politika általános megfogalmazása.

1.3.

A célkitűzések részletezése, rövid és hosszabb távú célokra bontva.

rész 2.1.

Akcióterv, amely tartalmazza a munkaprogramot ütemtervvel együtt.

2.2.

A program teljesítéséhez szükséges költségekre lebontott forrásszükségletek, beleértve a humán erőforrással kapcsolatos igényeket, a beruházási és képzési kívánalmakat.

2.3.

A tevékenységekhez rendelt felelősség és elszámoltathatóság meghatározása. nevesítve az egyéneket vállalati besorolásukkal együtt.

2.4.

Bármiféle létező energiagazdáikodási bizottság hatáskörének, felépítésének, tagságának és jelentési mechanizmusának leírása.

2.5.

Az osztályok által a bizottságba delegált képviselők név szerinti felsorolása, a belső és külső kommunikációs csatornák körvonalazása.

2.6.

Az ellenőrzési folyamat ismertetése, feltüntetve a teljes folyamat és annak pénzbeni kihatásának felmérési állomásait és mechanizmusait, valamint az energiagazdálkodásba bevont szakemberek egyéni teljesítményének értékelési szempontjait.

Az energiapolitika kidolgozása Az energiapolitika tényleges megszövegezése bizonyos mértékig az adott szervezet vállalati kultúrájától függ, de hatással lehet rá az ott bevezetett vezetési stílus is. Nagyobb a valószínűsége a energiapolitikai célkitűzések széles körben való elfogadtatásának, ha az összes érintett félnek alkalma nyílt közreműködni annak megfogalmazásában. Az energiapolitikát tartalmazó dokumentumot összeállíthatja és megfogalmazhatja a főenergetikus, de ajánlatos azt osztályközi bizottsággal

239

felülvizsgáltatni és módosíttatni. Fel kell kérni az osztályok képviselőit, hogy tegyenek javaslatokat az energiapolitikai dokumentum első megfogalmazásakor, majd ismét a felülvizsgálatot követően. A konzultációs időszakot annak kell szentelni, hogy kezdjük el megszerezni a politika iránti elkötelezettséget a vállalat egésze részéről. Ideális esetben úgy járunk el, hogy az összes érdekcsoport érezze, hogy a kidolgozott politika ésszerű és az ő érdekeiket is képviseli. Mindennél fontosabb, hogy kerüljük el olyan helyzet kialakulását, amelyben valamely csoport úgy érzi, hogy megkérdezése nélkül kényszerítették rá a vállalat energiapolitikáját. Az energiapolitika ratifikálása Miután a politikát megszövegezték, fontos, hogy a vállalat formálisan is elfogadja és ratifikálja azt. Enélkül nehézségekbe ütközhet ama erőforrások megszerzése, amelyekre szükségünk van az energiagazdálkodási tevékenységek kivitelezéséhez. Először a vállalatvezetésnek kell formálisan elfogadnia az energiapolitikát. Ezt követően a dokumentum példányait el kell juttatni az összes osztálynak és az érintett érdekcsoportoknak, majd gyűlésekre kerül sor, melyek során az energiapolitikát és annak hatásait elmagyarázzák a résztvevőknek. Itt ismét az a célunk, hogy jó kapcsolatokat építsünk ki az energiagazdálkodási szakemberek és azon dolgozók között, akik befolyásolhatják munkánk eredményét. Ezeket a találkozókat célszerű arra is felhasználni, hogy részletesen megtárgyaljuk azokat a marketing vagy képzési tevékenységeket, amelyekre a politika megvalósításához szükség lehet. A bevonandó tevékenységek Legelőször is biztosítanunk kell, hogy hatékonyan megtárgyaljuk mindama tevékenységeket, amelyek szükségesek az energiagazdálkodási munkaprogram általunk elért fázisának megvalósításához. Csak miután sikeresen számbavettük mindezeket, kerülhet sor egyéb kezdeményezések felkutatására. Ha a vállalatunknál már beindultak energiagazdálkodási tevékenységek, nagy a valószínűsége annak, hogy először ezek a tevékenységek a vállalaton belüli energiamegtakarítási erőfeszítésekre korlátozódnak. De ugyanakkor növekvő nyomás nehezedik ránk, hogy ne csupán energiaköltségek megtakarítására fordítsuk figyelmünket, hanem igyekezzünk javítani a szervezet környezeti teljesítményét is. Válaszképpen erre a kihívásra, szükség lehet szerepünk kiszélesítésére, hogy ne csak az épületek vásárlásába és karbantartásába szóljunk bele, hanem a vállalat egyéb energiafogyasztási területeivel is foglalkozzunk. Azok a területek, amelyek haszonnal alkalmazhatják a főenergetikus által felhalmozott tapasztalatokat, többek között a következők: – a környezetszennyeződés csökkentése a széndioxid és freon emissziók lefaragásával, valamint a levegőminőség javítása az épületekben és azokon kívül, – szállításnál felhasznált üzemanyag csökkentése, – beszerzés, tekintettel az anyagok energiatartalmára,

240

– hulladékkezelés, mivel az elhelyezés, a rekultiváció és az újrafelhasználás energiavonzatokkal jár, és – üzem és teleptervezésnél, hiszen számolni elhelyezkedéséből adódó szállítás energiaigényével.

kell

épületek

A fenti területek többnyire kívül állnak a főenergetikusok jelenlegi hatáskörein, néhány más viszont felelősségi körébe tartozik. Azonban relevanciával bír a vezetés számára az energetikai szakemberek energiamegtakarítási erőfeszítései eredményeképpen felhalmozott tapasztalata. Igyekeznünk kell, hogy minket is bevonjanak legalább a politika kimunkálási fázisába, amikor ezeket a tevékenységeket összehangolják 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 energiafogyasztás 50 %-kal való csökkentése 2025re. A terv meghatározza minden egyes tevékenység felelősét, valamint azok teljesítésének határidejét. Az 1992ben közzétett második éves jelentés arra utal, hogy a megelőző évben 2,5 %-kal csökkentették az energiafogyasztást. A következő lépések Hogy milyen következő lépésekre szánjuk el magunkat, függ – attól a fázistól, amelyet az energiagazdálkodási programunkban elértünk, valamint – azoktól a kérdésektől, amelyeket a mátrixból azonosítottunk mint a következőkben megoldandó problémákat. Bárhol legyünk is a jelen pillanatban, az állandó célkitűzésünk az energiagazdálkodás stratégiai megközelítésének kialakítása legyen. Ez azt jelenti, hogy részt kell vennünk olyan hosszútávú beruházási és szervezetfejlesztési program kidolgozásában, amely végső eredményként beilleszti energiagazdálkodási tevékenységeinket – a vállalatunk kömyezetgazdálkodási rendszereibe, valamint – a mindennapi vezetői döntéshozatalba is. Igen fontos, hogy ne legyünk túlságosan nagyravágyók. Haladjunk lépésről lépésre, csak annyi munkát vállalva magunkra, amivel meg tudunk gyürkőzni a jelenlegi humán és anyagi erőforrásainkra támaszkodva. Csak azokat a feladatokat célszerű elvállalni amelyekről tudjuk, hogy jó esélyünk van a sikeres teljesítésükre. Különösen fontos hogy ne tegyünk olyan ígéreteket, amelyeket nem tudunk betartani, mivel ez – tönkreteszi ama hírnevünket, hogy hatékonyan szoktunk dolgozni és munkánk megéri a befektetést – elrettenti az embereket attól, hogy ismét igénybe vegyék szolgálatainkat, valamint – megnehezíti jövőbeni energiagazdálkodási tevékenységeink finanszírozását.

241

7.2.1. Szervezet Az energiagazdálkodás az egész szervezetet átfogja és a főenergetikus csak akkor tevékenykedhet hatékonyan, ha a vállalat minden részéhez hozzáférhet. De az energiagazdálkodásnak helyet is kell biztosítani 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 tevékenységnek tekintik, ezért a főenergetikus igen gyakran a vállalat műszaki osztályán kap helyet. Ez jó alapot jelenthet az energiagazdálkodási program 1. fázisában, amikor az ellenőrzés megszervezése történik, de kevésbé megfelelő a képzés, illetve az energiaügyi információs tevékenység szempontjából. A személyzeti osztály megfelelő hely a motivációs és képzési feladatok ellátására, a pénzügyi osztály pedig hosszú távon jó bázisnak bizonyulhat a 3. fázisban megjelölt pénzügyi kontroll és számviteli eljárások lebonyolítására. De mindkét helyszín hátrányokat jelent a műszaki támogatás és hitelesség szempontjából. A vezérigazgatói iroda nyújthatja a széleskörű ismeretséget és hozzáférhetőségi lehetőségeket, amire szükség van az energiagazdálkodás bevezetésének kezdeti stádiumában. De amennyiben hosszútávon be kívánjuk építeni az energiagazdálkodást a szervezet irányításának fő vonulatába, hogy ily módon az egész vállalatot behálózza, akkor nem ez a legmegfelelőbb hely. Az utolsó lehetőség külső tanácsadók alkalmazása, akik széleskörű tapasztalatot és szakértelmet nyújthatnak. Ez lehet a legkedvezőbb megoldás olyan műszaki helyzetekben, amikor a tanácsadók felhasználhatók a belső energiaügyi szakemberek támogatására, de nélkülözi a kapcsolatok ama hálózatát és a napi kontaktust, ami alapvető fontosságú a dolgozók tájékoztatása és biztatása szempontjából. A gyakorlatban azt tapasztaljuk, hogy nincs ideális otthona az energiagazdálkodási tevékenységnek, következésképpen az tűnik az optimális megoldásnak, hogy a helyszínt időről időre változtatjuk, aszerint, hogy a szervezet átlép az energiagazdálkodási program egyik fázisából a másikba. Minden opciónak megvannak az előnyei és a hátrányai. Bármely helyzetben találjuk magunkat, annak megfelelően kell terveznünk. A fontos kérdés a következő: – Az egész energiagazdálkodási csoport egy helyen működjék egy komplex egységként? – Vagy célszerűbb megoldás, hogy a csoport tevékenykedjenek a vállalat különböző részeiben?

242

tagjai

szétszórtan

Az alsószintű vezetés szempontjából nézve, a vállalat bizonyos helyén székelő egyetlen egység rendelkezik a legrövidebb utasítási lánccal és ugyanakkor az összetartás szellemében cselekedhet, valamint a legalacsonyabb vonatkozó költségekkel jár A szétszórt helyszínek, kombinálva a részlegek közötti felelősségek leosztásával, nagyobb hasznot eredményezhetnek hosszabb távon, mivel ily módon az energiagazdálkodás jobban összhangba hozható a vállalat különböző részeiben végzett tevékenységekkel. Hogy a vázolt opciók melyike bizonyul legjobbnak nemcsak rövid, hanem hosszú távon, az az adott vállalat specifikus körülményeitől függ. Ha a műszaki osztályon nyerünk elhelyezést, az ellen kell harcolnunk, hogy az energiamegtakarítást csupán speciális műszaki tevékenységnek kiáltsák ki, ily módon elszigetelve azt. Az energiaügy az egész szervezetet átfogó vezetési kérdés és nem műszaki specifikum. Az a feladatunk, hogy – megértessük az összes vezetővel, hogy az energiafogyasztás ellenőrzés alatt tartása vezetői felelősségkörükbe tartozik – fogadtassuk el velük, hogy ezen „új” meggondolás szellemében járjanak el és számoljanak el saját energiafogyasztásukkal. A felső vezetés támogatása A főenergetikus gyakran úgy érzi, hogy pozíciója és hatásköre korlátozott. Mégis többnyire arról van szó, hogy neki kell meggyőznie a nála magasabb beosztásban lévőket arról, hogy változtatásokat eszközöljenek saját és beosztottaik működési formáiban. Mivel ilyen kontraszt áll fenn a főenergetikus korlátozott hatásköre és az egész vállalatot átfogó energiagazdálkodási feladatai között, aligha koronázhatja 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 és rajtuk keresztül a beosztottaiknak el keli kötelezni magukat a jó energiagazdálkodási gyakorlatok megvalósítása iránt. A felső vezetés eme támogatása hiányában az energiagazdálkodás valószínűleg alacsonyszintű tevékenység marad, amely képtelen kitörni a vállalat mindennapos műszaki problémaköréből. Következésképpen a vállalat kulcsfontosságú vezetői és beosztottaik nem fogadják el azt olyan kérdésként, amellyel naponta foglalkozniuk kell tevékenységeik részeként. Mivel a főenergetikusi poszt meglehetősen alacsonyan helyezkedik el a szervezeti hierarchiában, valószínűleg úgy érezzük, hogy sok a felelősségünk és kicsi a hatáskörünk. Nekünk kell változtatásokat eszközölnünk a vállalat teljes vertikumában, de nincs elég hatalmunk azok keresztülviteléhez. Azáltal növelhetjük meg befolyásunkat, hogy szövetségre lépünk a vállalatunknál tevékenykedő patrónusunkkal, aki magáévá teszi az energiagazdálkodás ügyét. Ez akkor bizonyul különösen hatékony megoldásnak, ha ez az illető széles körben ismert pozícióval rendelkezik, például a vállalat elnöke vagy vezérigazgatója. De az ilyen győzelem csak időleges megoldást jelent.

243

A probléma az, hogy az ily módon szerzett befolyás informális és átmeneti jellegű. Nem alkotja szerves részét sem a főenergetikusi munkakörnek, sem pedig a szervezetünk energiagazdálkodási struktúrájának. Amennyiben patrónusunk elhagyja hivatalát vagy figyelmét más irányba fordítja, a befolyásunk odavan és még gyengébb helyzetbe kerülünk, mihelyst ismertté válik, hogy tevékenységünk már nem élvezi azt a támogatást és biztatást, amit korábban kapott. Ne feledkezzünk meg arról, hogy a felső vezetéshez eljutó információnak három fő célja van: – jóváhagyást nyer humán erőforrásra vagy energetikai intézkedésekre költendő jelentős pénzalapok kérdéseiben, – összefoglalást ad az elért haladásról, és – elismerést és presztízsi szerez tevékenységünk számára. Vezetői funkció A főenergetikus szerepe mindenek felett vezetői poszt. Bármilyen egyéb képesítéssel és tulajdonságokkal rendelkezünk, szükségünk van megfelelő vezetői képzésre és szakértelemre a vezetői funkcióink ellátásához. Kifejezett vezetői rálátás és képességek nélkül valószínűleg nem leszünk képesek saját beosztottaink hatékony vezetésére vagy az energiagazdálkodás ügyének elfogadtatására az egész szervezetben. Ha nem rendelkezünk a szükséges vezetői tapasztalattal, igyekeznünk kell tudomást szerezni a vállalatnál folyó továbbképzési lehetőségekről. Hogy milyen tulajdonságokat kell a főenergetikusnak magában kifejlesztenie, bizonyos mértékig annak függvénye, hogy az energiagazdálkodás milyen szintet ért el a vállalatnál. Az 1. és 2. fázisban akkor leszünk nagy valószínűséggel hatékonyak, ha a személyes teljesítményre összpontosítjuk figyelmünket, rövidtávú célokat tüzünk ki magunk elé és az azok elérése eredményeképpen hozzánk érkező pozitív visszacsatolásokra hagyatkozunk. De ha ezek a tulajdonságok már megvannak bennünk és azokat sikeresen alkalmazzuk, végül is rádöbbenünk, hogy már megvalósítottuk mindezeket a könnyen elérhető javításokat és megtakarításokat. És ekkor már nem adódnak számunkra rövid távon teljesíthető sikerlehetőségek és ily módon elmarad majd az áhított elismerés. Amikor az energiagazdálkodási program a 3. fázisba lép, a főenergetikusnak más kvalitásokat kell csillogtatnia. Itt a hangsúly már nem a személyes kezdeményezőkészségen van, hanem a megvalósított energiahatékonysági beruházás védelmén, valamint a bevezetett információs rendszer működésének felügyeletén. Következésképpen ekkor már nem bírnak ugyanakkora relevanciával a korábban oly hatékony személyes tulajdonságok. Esetleg még hátrányokat is eredményezhetnek. A feladatunk ekkor már főleg a beállított rendszerek és eljárások védelmezése, illetve a viselkedésformák bizonyos előírt határok között tartása. Példa a főenergetikus munkaköri leírására A főenergetikus feladatai és felelősségei nyilvánvalóan széles skálát ölelnek fel, sőt még időben is változhatnak az energiagazdálkodás bevezetettségi stádiumától függően. Ezért hasznos lehet felhozni itt egy példát a főenergetikus munkaköri leírására, ami szerepét jellemzi: 1. Az energiapolitika kimunkálásának és megvalósításának felügyelete.

244

2. Költséghatékony módszerek bevezetése és fenntartása annak érdekében, hogy a vezetés megfelelő információhoz jusson az energiafogyasztást és az azzal járó környezetszennyezést illetően. 3. Megfelelő és rendszeres jelentések készítése az ilyenfajta információkról a fogyasztásért felelős beosztottak, valamint a felső vezetés számára. 4. Az energiahordozó beszerzésére és felhasználására vonatkozó hatékony és környezetbarát politika és eljárások bevezetése és fenntartása. 5. Az energiatudatosság megalapozása, fenntartása a vállalat dolgozóiban. 6. Hatékony karbantartási és üzemeltetési gyakorlatok bevezetése és fenntartása a vállat teljes vertikumában. 7. A vállalat energetikai kérdésekben való jártassággal és tudatosítással kapcsolatos képzési szükségletének feltárása. 8. Költséghatékony lehetőségek felkutatása érdekében új és régi telephelyeken.

energiahatékonyság növelése

9. Energiafogyasztás és környezetszennyezés csökkentését célzó beruházási program kidolgozása. 10.Energiagazdálkodási tevékenységek költséghatékonyságának felmérését célzó eljárások felülvizsgálatának bevezetése és fenntartása mind a felső vezetés, mind az érintett beosztottak számára. Elszámoltathatóság A jó jelentési rendszer legalább olyan fontos, mint az energiagazdálkodás elhelyezkedése a vállalaton belül. A következőkre van szükség: – az energiafogyasztás ellenőrzésének felelősségét rá kell ruházni arra a személyre, aki a vállalat adott részében a költségvetésért felelős, – egy személyt keli felelőssé tenni az összes energiagazdálkodási tevékenység összehangolásáért, akinek rendszeresen jelentenie kell, hogy a különálló egységek hogyan ellenőrzik energiafogyasztásukat, – az energiafelhasználók ennek a személynek jelentenek közvetlenül és neki tartoznak elszámolással is, – az a személy közvetlenül jelent a felső vezetésnek és annak tartozik közvetlen elszámolással az energiagazdálkodási tevékenységeket illetően, – világos struktúrát kell kialakítani az energiagazdálkodással foglalkozó osztályközi bizottság számára. Havonta legalább egyszer kell jelentenünk ama részleg vezetőjének, ahol elhelyezést nyertünk. Ezen részlegvezetőn keresztül kell jelentést tennünk az osztályközi energiagazdálkodási bizottságnak legalább egyszer negyedévenként. Az ilyen bizottság előnye abban áll, hogy azon keresztül hozzáférhetünk azokhoz a döntéshozatali területekhez, amelyek hatással vannak olyanfajta energiafogyasztásra, ami egyébként számunkra nem elérhető. Ezen a bizottságon keresztül évente legalább egyszer jelentenünk kell az igazgatósági testületnek.

245

Az is kívánatos, hogy az energiagazdálkodási osztályon dolgozó szakembereket két csoportra osszuk úgy, hogy az egyik csoport az energiamegtakarítást célzó intézkedésekért legyen telelős, a másik pedig az azokat magába foglaló beruházások megtérüléséért. Míg mindkét csoport közvetlenül a főenergetikusnak tartozik elszámolással, az ellenőrzési feladatokat ellátó csoport munkáját rendszeres külső felülvizsgálatnak kell alávetni. Általában mind a részlegvezető, mind pedig az osztályközi Energiagazdálkodási Bizottság részt vesz ebben a felülvizsgálati tevékenységben. Az energiagazdálkodási osztály Hogy hány beosztottra van szüksége a főenergetikusnak tevékenységei ellátásához, a következő tényezőktől függ: – az energiaszámlák nagysága, – milyen mértékű energiafogyasztás csökkentésre van szükség a vállalatnál, – milyen fázisban van az energiagazdálkodási program. Másrészről, az energiafogyasztás csökkentésének mértéke a következők függvénye: – a vállalat telephelyeinek, üzemeinek és tevékenységeinek száma és kiterjedése, – azok jelenlegi energiahatékonysági szintje, – a dolgozók jelenlegi energiatudatossági szintje és a már bevezetett energiamegtakarítást célzó rutintevékenységek színvonala, – a vezetői döntéshozatalt támogató jelenleg működő energiaügyi információs rendszer megfelelőségi foka, – a felsorolt tényezők bármelyikének javítását előirányzó költségvetés nagysága. A felsoroltakból egyértelműen következik, hogy időről-időre változni fog az energiagazdálkodási tevékenységek ellátásához szükséges szakemberek száma. A rendelkezésünkre álló beosztottak száma nem az egyetlen fontos szempont. Hasonló fontossággal bír szakértelmük és tapasztalatuk szintje. Kellő szakértelem és tapasztalat hiányában a részünkről történő alapos ellenőrzés nélkül kicsi a remény arra, hogy működésük hatékony lesz. Ha így áll a dolog, ez alááshatja saját tevékenységünk hatékonyságát, mivel elveszi időnket attól, hogy egyéb feladatainkat lelkiismeretesen elláthassuk, mint például stratégiai gondolkodás, a vállalaton belüli jelentéstétel, az energiagazdálkodási tevékenységek értékének népszerűsítése a szervezeten belül és kívül.

246

Hosszabb időszakot tekintvén, az energiagazdálkodási tevékenységeknek készségek és szakértelem széles skálájából kell táplálkozniuk: – általános vezetési, – műszaki, – pénzügyi, – személyzeti vezetői, – oktatási és képzési, – marketing. A lényeg az, hogy a készségek és tapasztalatok megfelelő arányát gyűjtsük össze a megfelelő időben és a megfelelő helyen. Munkaprogramunk különböző fázisaiban különböző típusú segítségre van szükségünk, ezért szakembereinknek a következő területeken kell jártasnak lenniük: 1. fázis: – a telephelyeken, energiahatékonyság,

üzemekben

és

ellenőrzéskor

alkalmazott

– oktatás és képzés. 2. fázis: – beruházások számvitel és pénzügyi értékelése. 3. fázis: – motiváció, ösztönzés, népszerűsítés, reklám – vezetői információs rendszerek tervezése és működtetése. 7.2.2. Motiváció A vezetés olyan végrehajtási folyamat, melynek segítségével céljainkat más emberekkel kialakított kapcsolatok útján érjük el. A legtöbb főenergetikusnak példák és meggyőzés eszközeivel kell megpróbálniuk hatást gyakorolni az emberek viselkedésére ahelyett, hogy megmondanák nekik, mit tegyenek. Korábban az volt az elterjedt nézet, ma már kevésbé széles körben hallható mint például tíz évvel ezelőtt, hogy az energiagazdálkodás műszaki kérdés. A felhasználó részéről az épület működésébe történő beavatkozást helytelen dolognak tekintik, és a cél az, hogy a minimumra csökkentsük a felhasználó viselkedése által gyakorolt hatást az épület ellenőrzésének automatizálásával. Bár igaz, hogy a kazánrendszerek jobb vezérlése, a szobatermosztátok és az időkapcsolók nagymértékben javítják az energiahatékonyságot és csökkentik a fogyasztást, ha teljesen kivesszük a környezeti ellenőrzést az épületek használói kezéből, ronthat a hatékonyságon. Az emberek megtalálják az automatikus rendszerek kikerülésének módjait: nyitva hagyják az ablakokat és az ajtókat, nem kapcsolják ki a villanyt, amikor már nincs rá szükség, beleavatkoznak a vezérlésbe és megváltoztatják a termosztát beállítását.

247

Míg az ilyen viselkedésformák megkeserítik a műszakiak életét, a gyakorlatban azt találjuk, hogy az embereket jó szóval és meggyőzéssel rá lehet venni bizonyos dolgokra. Például akkor érünk el sikereket az energiamegtakarítás területén, ha a kellő motivációval rábírjuk az embereket viselkedésük megváltoztatására. Hogy ezt a kérdést hogyan tudjuk megoldani, elsősorban a saját vezetési stílusunktól és a vállalatunknál kialakult kultúrától függ. A problémánk abban áll, hogy a legtöbb ember nem tulajdonít nagy fontosságot az energiának. Az emberek csak akkor szokták észrevenni környezetüket, ha hirtelen kényelmetlen érzésük támad: ha túl meleg vagy túl hideg van, áporodott a levegő vagy huzat van, túl erős vagy túl gyenge a fény. A kényelmüket illetően az emberek a stabilitást keresik, ezért nem könnyű rávenni őket, hogy annyi figyelmet szenteljenek az energiagazdálkodásnak, amennyit az megérdemel. Ne felejtsük el, hogy a költségek csökkentése és a környezetszennyezés javítása érdekében törekszünk a hatékonyabb energiafelhasználásra. De az emberek motiválása érdekében ezeket a szervezeti célokat úgy kell tálalni, hogy az megnyerje az emberek tetszését. Ha befolyásolni óhajtjuk azokat, akik fölött nincs hatalmunk, akkor nekik kell azonosulniuk ezekkel a szervezeti célokkal. Ennek elérése érdekében be kell bizonyítanunk, hogy tevékenységeinket és elvárásainkat a „vásárló igényei motiválják”. Sok esetben azonban pont az ellentéte történik. Jelenleg az az általános helyzet, hogy a felső vezetés előírja a főenergetikusnak, hogy önkényesen megválasztott százalékkal csökkentse az energiaköltségeket, és csupán kevés vállalat ért el megtakarításokat azáltal, hogy rávette embereit hozzáállásuk és viselkedésük megváltoztatására. Számos módon növelhetjük befolyásunkat, például azáltal, hogy – biztosítjuk az embereket arról, hogy nyernek valamit javaslatunkból, – jutalmazunk, például dicsérünk, vagy egy jó szót szólunk a megfelelő 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 elégedjenek meg az alacsonyabbra állított termosztáttal? Hogyan győzhetjük meg őket arról, hogy pontosan olvassák le a mérőórákat minden hónapban és időben küldjék be az adatokat? És hogyan szerezzük meg a jóváhagyást ahhoz a beruházáshoz, melynek eredményeként olyan intézkedések kerülnek bevezetésre, amelyek meggyőződésük szerint energiamegtakarításhoz vezetnek? A motiváció mindaz, ami arra ösztönzi az embereket, hogy önkéntesen cselekedjenek bizonyos módon és tartsanak ki mellette a nehézségek árán is. Az embereknek vannak alapvető szükségleteik (pl. étel), amelyek ki nem elégítésük esetén ösztönöket hoznak mozgásba (pl. éhség), ami viszont cselekvéshez vezet (étel keresése). De az emberek bonyolultabb okoknál fogva is cselekszenek. Azonosság és elégedettség érzését keresik másokkal kialakított kapcsolatok eredményeképpen. Következésképpen a kollégák részéről érkező nyomás nagyobb hatást gyakorolhat, mint a pénzügyi ösztönzés vagy a vezetési ellenőrzés. Ezt a megközelítést magukévá tevő szervezetek jobban törődnek a dolgozók hangulatával, csoportok és nem

248

egyének ösztönzését tűzik ki célul, tájékoztatják dolgozóikat, például a vállalat lapja útján, valamint igyekeznek a munkahelyet megelégedés forrássá alakítani. A munkahelyi megelégedettség megteremtésének egyik fő módszere abban áll, hogy úgy alakítjuk a munkahelyi körülményeket, hogy a dolgozók azáltal érhetik el saját céljaikat, hogy erőfeszítéseket tesznek a szervezet célkitűzéseinek elérésére. Ily módon a teljesítményszinteket magasra lehet állítani, ha az emberek magukénak fogadják el azokat. A munka gazdagabbá tesz bennünket alapelv szintén fontos a motiválás szempontjából. Ha az embereknek nagyobb önállóságot adunk, nagyobb megelégedettséggel végzik munkájukat. Következésképpen a dolgozókat jobban el tudjuk számoltatni cselekedeteikért. Az elvárások is hatást gyakorolnak a viselkedésre. A dolgozók erőfeszítéseiket a jutalomhoz mérik. Ha úgy érzik, a tőlük elvárt erőfeszítés jóval meghaladja a várt eredményt, motivációjuk csökken. Ugyanez történik, ha megítélésük szerint mások magasabb jutalmat kapnak ugyanazért az erőfeszítésért. Azokon a területeken, ahol a vállalat jutalmaz vagy nem, a teljesítmény hatást gyakorol a dolgozók érzéseire, következésképpen motiváltsági szintjükre. Bár az emberek tudják, hogy világos kapcsolat van az erőfeszítés, a teljesítmény és a jutalom között, nincs bizonyíték arra nézve, hogy csupán a jutalom növelésével az embereket teljesítményük javítására lehetne ösztönözni. A jól végzett munka nagyobb elismerése és a dolgozókra ruházott, munkája iránti megnövelt felelősség valószínűleg jobb hatást fog elérni. A kellemetlen dolog viszont az, hogy a jutalom hiánya elveszi az emberek munkakedvét. A magasan motivált emberek, amennyiben nem megfelelő körülmények között kénytelenek dolgozni és nem is fizetik meg őket rendesen, elégedetlenek lesznek és nem mutatnak jó teljesítményt. Kit érdemes motiválnunk? Hat kategóriára lehet osztani azokat az embereket, akiket motiválni kell. Mindegyik csoport más módon érdekelt az energia kérdésében, ezért más motivációt igényel. 1. Felső vezetők A felső vezetőket leginkább az ösztönzi, hogy a vállalat teljesítményét a költségek csökkentésével és a nyereségesség növelésével javítsák. A legfontosabb tehát az, hogy eredményeinket ilyen formában hozzuk tudomásukra. Mutassuk be nekik, hogy milyenek lennének az üzemanyag költségek ma, ha energiahatékonysági intézkedéseket tettünk volna a múltban. Írjuk le, hogy hogyan lehetett volna elérni ezeket a megtakarításokat, ártárgyalások segítségével, bizonyos energiahatékonysági intézkedésekbe való beruházással vagy jobb irányítással. Ezek után számviteli úton számszerűsítsük a megtakarításokat, mivel ez kiváló eszköz energiagazdálkodási tevékenységek és jövőbeli beruházások finanszírozására. Egyes főenergetikusok nagy fontosságot tulajdonítanak jelentős hatalommal bíró patrónus befolyásának. Ez azonban nem ideális megoldás, mivel nagymértékben függ attól, hogy az illető patrónus meddig marad magas posztján és meddig tartja fenn érdeklődését és támogatását. Jó megoldás viszont arra, hogy energiagazdálkodási programot indítsunk be és gyorsan cselekedjünk. A probléma a motiváció szempontjából az, hogy a kölcsönvett hatalom elégedetlenséget szül és a kegyekből való kiesés visszájára fordítja a már elért haladást. Módszeresen kell eljárnunk annak

249

érdekében, hogy a patrónusi segítséget biztosabb bázisra cseréljük, támogatást keresvén a vállalat teljes vertikumában. Különösen lényeges az, hogy meggyőzzük az egységek vezetőit arról, hogy az energiagazdálkodás területén elért sikereket saját eredményüknek tekintsék, még akkor is, ha segítségünk és bátorításunk nélkül ez nem ment volna. 2. Osztályvezetők Az osztályvezetők motiválásának legegyszerűbb módja az, hogy őket tesszük felelőssé az energiaköltségek kézbentartásáért saját költségvetési területükön. Őket az fogja energiafogyasztás csökkentésére ösztönözni, hogy mi fog történni el nem költött energiaköltségekre szánt pénzeszközökkel és hogyan fogják meghatározni a költségvetést az elkövetkező évre. Némely vállalatnál a költségvetést irányítóknak lehetőségük van arra, hogy az energiaköltségekre előirányzott források bizonyos hányadát megtarthassák és más költségvetési területekre csoportosítsák át. Egyetemen például a megtakarításokat oktatás és kutatás finanszírozására használhatják. Más szervezeteknél, ahol a megtakarításokat elvonják és a jövő évi költségvetést annak arányában karcsúsítják, a megtakarításokat nem ösztönzik, különösen akkor, ha a költségvetésről döntő személyek amiatt aggódnak, hogy az energiafogyasztás ismét hirtelen megnövekedhet szigorú tél esetén. A megtakarítások elvonása azonban nem mindig hat negatív ösztönzésként. Van olyan vállalat, ahol a költségcsökkentés önmagában elégséges ösztönzés az osztályvezetők számára, habár az összes megtakarítást visszaáramoltatják a központba. Itt ugyanis azt a módszert követik, hogy az energiagazdálkodást beépítik a teljes erőforrásgazdálkodásba és a teljesítményt ugyanúgy jelentik, mint az összes egyéb költségeket. Még ilyen körülmények között is meg kell találniuk az osztályvezetőknek azokat a módokat, amelyek segítségével beosztottaikat energiamegtakarításra buzdíthatják. Nekik szükségük van a főenergetikus segítségére és tanácsára a tekintetben, hogy milyen viselkedésforma csökkenti leginkább az energiafogyasztást; abban is segítségünkre szorulnak, hogy megemeljék embereik tudatossági szintjét az ilyen kérdéseket illetően és rendszeres visszacsatolást várnak beosztottjaik teljesítményéről. 3. Kulcsszemélyek A kulcsszemélyek közvetlenül ellenőrzik az épületek vagy üzemek működését, ők a területfelelősök, a gondnokok és a karbantartók. Hogy meggyőzzük őket az energiafogyasztás ellenőrzésének fontosságáról, szükséges, hogy a kulcsszemélyek legalább részben az ellenőrzésük alatt álló területek és üzemek energiahatékonyságának növeléséhez mérjék a saját személyes teljesítményüket és munkájukból eredő megelégedettségüket. Sikerük attól is függ, hogy munkájuk elvégzése után mennyi felhasználható kapacitásuk marad, valamint, hogy mekkora az önállóságuk munkájuk megszervezésében. Ha minden csepp erejüket felemészti az általuk ellenőrzött üzem vagy terület működtetése, akkor fő célkitűzésük a meghibásodások megelőzése és a használók részéről érkező panaszok elkerülése.

250

Amennyiben a kulcsszemélyeket alábecsülik a felső vezetők, csak akkor számítanak rájuk, ha valami elromlik, még a legalapvetőbb energiahatékonysági intézkedésekhez szükséges költségvetéssel sem rendelkeznek és önkényesen meghatározott százaléknyi energiacsökkentést rónak ki rájuk átfogó utasítások keretében, akkor minden bizonnyal igen nehéz lesz őket ösztönözni. Másrészről viszont, ha az energiahatékonyságot személyes célként fogadják el, ha támogatást, elismerést és anyagi erőforrásokat kapnak a felső vezetéstől, és a főenergetikus műszaki segítséget is ad nekik, akkor nagyobb 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, az adott vállalattól, valamint a személyes vezetési stílusunktól függ. A kulcsfontosságú ellenőrző személyzetet úgy motiválhatjuk, hogy „gazdagítjuk munkájukat” azáltal, hogy segítünk nekik arra használni fel az energiahatékonyságot, hogy munkájukra büszkébbek lehessenek. 4. Az energiagazdálkodási osztály dolgozói És vajon mi mitől vagyunk elégedettek munkánkkal? Ha mi nem érezzük motiválva magunkat, kollégáinkat és a vállalat többi dolgozóit sem tudjuk ösztönözni. Érdemes megállni itt egy pillanatra és elgondolkozni azon, hogy milyen választ adhatnánk erre a kérdésre. A vezetőket általában három alapvető mozgatórugó motiválja: teljesítmény, hovatartozás, hatalom. Általában azt találjuk, hogy ezek közül egy fontosabb számunkra, mint a többi. Ha projektorientáltak vagyunk, akkor fontos számunkra az eredmények elérése, a világosan meghatározott célok, a személyes megbízatások, valamint a mérhető eredmények. Szeretjük a változatosságot, mivel az állandó kihívást jelent, ugyanakkor sokat számít nekünk főnökeink elismerése. röviden szólva, a teljesítmény ösztönöz bennünket. Ha az emberi kapcsolatok az a tényező, ami igazán jelentőséggel bír számunkra, és szívesebben dolgozunk másokkal együtt mint egyedül, motivációnk abban áll, hogy másokat is bevonjunk az energiagazdálkodás tervezésébe és működtetésébe. Kollégáinkat csapattá igyekezzük szervezni, és jó munkaszellemet próbálunk kiépíteni az energiafelelősök és az egységvezetők között. Összefoglalva, a hovatartozás számunkra a fő motiváló tényező. Ha az a lényeges számunkra, hogy az embereket befolyásoljuk és igazgassuk őket, az motivál bennünket, hogy sikerrel vegyünk rá másokat arra, hogy a vállalatunk érdekében cselekedjenek. Mások viselkedését akarjuk meghatározni, vagy legalábbis a helyes irányba terelni. Dióhéjban összesűrítve, bennünket a hatalom motivál. 5. Energiafelelősök Nyilvánvaló előnnyel jár, ha energiafelelősöket neveznek ki, akik az adott részleg vagy épület energiafogyasztásáért felelnek. Ideális esetben a képviselőket azok a részlegek nevezik ki, ahol dolgoznak. A manuálisan történő mérőóra-leolvasásnak megvan a maga értéke. Az emberek gyakran jobban ismerik fel a problémákat, mint az automatikus érzékelők. Ha van olyan emberünk, aki törődik az energiaügyi kérdésekkel, az más emberek viselkedésére is hatással lehet és arra ösztönözheti a

251

kollégákat, hogy jobban odafigyeljenek a dolgokra. Kérjük meg őket, hogy tartsák nyitva szemüket, jelentsék a hibákat és azt, hogy véleményük szerint mi módon lehet energiát megtakarítani; továbbá kérjük fel őket, hogy kísérjék figyelemmel az energiapocsékolási eseményeket: csukják be az ajtókat és az ablakokat, kapcsolják le a villanyt. A gyakorlatban ennek a sikere az adott vállalattól, illetve annak az energiagazdálkodás iránt kialakított elkötelezettségétől függ. Amennyiben más dolgozók nem teszik magukévá ezt a felügyelői szerepet, nyilvánvaló negatív következményeket eredményezhet. Az energiafelelősöket átmeneti megoldásként célszerű alkalmazni, mivel jobb, ha nyomonkövetői funkciójukat megszüntetik, amennyiben a vállalat önműködő mérőrendszert vezet be és az energiaügyet beépíti a rutinszerűen végzett forrásgazdálkodásba. Az energiafelelősöknek képzésre és támogatásra van szükségük funkciójuk teljesítéséhez, és ami ennél talán még fontosabb, dicsérni és bátorítani kell őket, hogy kitartóan végezzék némileg hálátlan rutinfeladatukat. Világosan kell látniuk, hogy munkájuk javítja a hatékony energiafelhasználást. Tudatában kell lenniük annak, hogy a mérőórák pontos és időbeni leolvasása alapvető fontosságú a hatékony energiagazdálkodás szempontjából és, hogy a hibák bejelentése energiamegtakarításhoz vezet. Ez azt jelenti, hogy világos, naprakész információval kell ellátnunk őket. A bejelenteti hibákat gyorsan és hatékonyan kell kivizsgálnunk. Még egyszer hangsúlyozzuk: ha a mi oldalunkon akarjuk őket tartani, személyes kapcsolatokat kell kiépíteni velük. 6. A vállalat dolgozói A vállalati dolgozók egészének motiválásakor a környezeti meggondolások sok ember számára legalább akkora jelentőséggel bírnak, mint a pénz. Számítsuk ki az energiamegtakarítás széndioxid és kénemmisszióra gyakorolt hatását. Mutassuk be ezt a globális felmelegedés és savas eső témájával összefüggésben. Gondolkodjunk el azon, hogy vajon a vállalatunk energiamegtakarításának egy részét nem tudná-e jótékonysági célokra fordítani. Ha egy osztály kevesebbet költ a számára előírt költségvetésnél, dolgozói nevezhetik meg azt a jótékonysági célt, amelyre a megmaradt összeget szánják. Nincs szükség arra, hogy minden dolgozóval személyesen beszéljünk, különösen akkor, ha az egységvezetőket el tudjuk látni az embereik motiválásához szükséges anyaggal. Ha megfelelő megoldásnak tűnik, építsük be az energiahatékonyságot a dolgozók ösztönzési programjaiba és a vállalat körlevele útján ismertessük a részleg energiamegtakarítás terén elért eredményeit. Vezetési stílus Vezetési stílusunk hatással van arra, hogy milyen módon motiváljuk a vállalat dolgozóit, módszereinket az adott vállalati kultúrához és a szóban forgó motiválandó személyhez keli igazítanunk. A különböző kultúrák különböző stílust igényelnek. – A vállalkozói kultúra személyes kapcsolatokon alapuló dinamikus vezetési stílust helyezi előtérbe. A kockázat és változás által ösztönzött mozgékony személyiségtípusnak kedvező. – A csapatkultúra az összejöveteleken és beszélgetéseken nyugvó támogató vezetési stílust kedveli. Az együttműködés által motivált útegyengető típusú személyiség számára vonzó.

252

– A hierarchikus kultúra a szakértelmen és eljárásokon nyugvó formális vezetési stílust favorizálja. Ez a legjobb megoldás a stabilitást és ellenőrzött környezetet helyeslő összekötő típusú személyiségforma számára. – A piaci kultúra a célkitűzéseken alapuló, célorientált vezetési stílust tartja a legmegfelelőbbnek. A függetlenség és személyes elszámoltathatóság hívei vonzódnak hozzá leginkább. Nyilvánvalóan a vállalat nem minden dolgozója rendelhető hozzá a fent jellemzett típusokhoz, ezért úgy kell eljárnunk, hogy az megfeleljen az adott egyének elvárásainak. Ne feledkezzünk meg munkánk közben a motivációval kapcsolatban felsorolt meggondolásokról. Tűnődjünk el azon, hogy hogyan hasznosíthatjuk azokat munkatársainkkal kapcsolatban, főleg amikor befolyásolni igyekszünk őket. Ne szabályként kezeljük ezeket a gondolatokat. Az emberek motiválásának nincsenek leegyszerűsített módjai, a fenti javaslatok azonban segítségül szolgálhatnak akkor, ha azt próbáljuk felmérni, mennyire sikeresen oldjuk meg ezt a problémát. 7.2.3. Energiapolitikai példa Az elkötelezettség deklarálása Környezeti stratégiája részeként a vállalat elkötelezi magát a felelősségteljes energiagazdálkodás, valamint energiahatékonyság javítását célzó eljárások iránt összes épületeiben, üzemeiben és berendezéseinél, amennyiben az költséghatékony. Politika A vállalati politika célja az energiafogyasztás ellenőrzése – szükségtelen kiadások elkerülése, – költséghatékonyság, termelékenység, munkakörülmények javítása, – a környezet védelme, valamint – a fosszilis érdekében.

üzemanyagok

hasznos

élettartamának

meghosszabbítása

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 a CO2 emisszió, mennyiségének csökkentése, valamint 4. a környezeti és megújuló energiaforrások felhasználásával a fosszilis energiahordozóktól való függőség csökkentése, ahol csak lehetséges. Azonnali célok A vállalat rövid távon az alábbi célokat tűzi ki maga elé: 1. energiafogyasztása fölötti ellenőrzés megszerzése beszerzési, üzemeltetési, ösztönzési, valamint képzési módszereinek felülvizsgálata és javítása útján,

253

2. energiamegtakarítást célzó folyamatos intézkedési programokba való beruházás, amely a legjobb megtérülést hozza olyan pénzalapok előteremtése érdekében, melyek legalább részben további energiagazdálkodási tevékenységekbe ruházhatók be, és/vagy 3. a fenti eredmények védelme olyan vezetői információs rendszer létrehozásával és fenntartásával, mely biztosítja, hogy azokhoz jut el az információ, akiknek szükségük van rá, időben és a megfelelő formában kapják azt, hogy segítse a vezetői döntések meghozatalát. (A nem kívántpontok törlendők az energiagazdálkodás már elért fázisának megfelelően). Felelősségek Az energiafogyasztás ellenőrzésének felelőssége arra az igénybevételi ponthoz legközelebb lévő, releváns végfelhasználóra hárul, aki elszámolással tartozik a költségvetés kezelőjének az adott fogyasztásért. Az energiaköltségért a felhasználási ponthoz legközelebb tevékenykedő költségvetést kezelő személy felelős, aki közvetlenül számol el a pénzügyi vezetőnek ezzel a költséggel. Az energiagazdálkodási tevékenységek koordinálásáért a főenergetikus felel, aki az Energiagazdálkodási Bizottságnak tartozik elszámolással ama részleg vezetőjén keresztül, ahol dolgozik. Az energiapolitika kidolgozása és megvalósítása az Energiagazdálkodási Bizottság felelőssége, amely az igazgatóságnak tartozik elszámolással. A főenergetikus és munkatársai abban a részlegben nyernek elhelyezést, amely leginkább támogatja az energiagazdálkodási tevékenység jelenlegi fázisát. Ez a részleg: ... (Írjuk be a megfelelőt). Az Energiagazdálkodási Bizottság a vállalat minden energiafogyasztó részlege által delegált képviselőkből áll. Ezek a képviselők: ... . (Írjuk be a személyek nevét és beosztását). Negyedévenként ül össze és elnöke .... (Írjuk be a nevet és a beosztást), az igazgatóság tagja. A Bizottság a Környezetgazdasági Bizottság albizottságaként működik és annak tartozik jelentési kötelezettséggel. (Ha nem így van, törlendő). Szerkezet A főenergetikus havonta jelentést készít közvetlen energiagazdálkodási tevékenységről, külön számlákkal igazolva

főnökének

– az energiafelhasználás, valamint – az energiagazdálkodási tevékenység költségeit.

254

Közvetlen főnökén keresztül negyedévenként jelentést tesz az Energiagazdálkodási Bizottságnak, amely rendszeresen küld jelentést, illetve egyszer egy évben előadást tart az igazgatóságnak: – az épületek, üzemek, berendezések energiafogyasztásáról, – a fogyasztás csökkentése tevékenységekről.

érdekében

kifejtett

energiagazdálkodási

Kommunikációs csatornák A végfelhasználók vagy költségvetéskezelők által ellenőrzött energiafogyasztással kapcsolatos ügyekről szóló formális kommunikációt a főenergetikus fogja össze, aki, amennyiben szükséges, közvetlen főnöke, egyéb felső vezető, vagy az Energiagazdálkodási Bizottság tudomására hozza azt. Az energiagazdálkodási tevékenységekkel kapcsolatos formális kommunikáció ugyancsak a főenergetikus útján történik, aki, ha fontosnak tartja, az összes releváns végfelhasználó, a költségvetés kezelői, közvetlen főnöke, egyéb felső vezetők, illetve az Energiagazdálkodási Bizottság figyelmébe ajánlja azt. Akcióterv Az elkövetkező évben az alábbi energiagazdálkodási tevékenységeket fogjuk elvégezni: – költségvonzattal ellátott munkaprogram kidolgozása, – a meghatározott állomások részletes időzítésének elkészítése, – a nevesített személyek által foganatosítandó eljárások azonosítása. Források Az energiagazdálkodásban résztvevő személyek száma, szaktudásuk összessége valamint a beruházás nagysága megfelelnek a fenti tevékenységek követelményeinek. Az elkövetkező évben a dolgozók száma ..... lesz. (Írjuk be a megfelelő számot.) A jövő év energiagazdálkodási költségvetése a vállalat éves energiaköltségének 10 százaléka lesz, azaz .... (Írjuk be a megfelelő számot). Felülvizsgálat Az összes energiagazdálkodási tevékenység időszakonként felülvizsgálatra kerül. A főenergetikus állapítja meg a haladást a kitűzött célokkal való összehasonlítással, valamint a különböző tevékenységek pénzben kifejezhető értékét is azonosítja, amennyiben lehetséges. Az Energiagazdálkodási Bizottság készíti el a tevékenységek éves auditálását, majd beterjeszti az igazgatóságnak. Ezt követően a fontos részleteket a megfelelő felső vezetők, a költségvetés kezelői, illetve a végfelhasználók tudomására hozzák. A jelen energiapolitikai dokumentum évenkénti felülvizsgálatra és elfogadásra kerül.

255

8. FELHASZNÁLT ÉS AJÁNLOTT IRODALOM BALIKÓ S.: Lefúvató vezetékek kapacitásának meghatározása, Kőolaj és Földgáz, 1981. november pp. 327-334. BALIKÓ S.: Zárt lefúvató rendszerek legkedvezőtlenebb ellen-nyomásainak meghatározása az egyidejű lefúvatások figyelembevételével, Kőolaj és Földgáz, 1982. október pp. 312-317. BASSA G.: Tüzeléstechnika, BME Gépészmérnöki Kar jegyzete. Tankönyvkiadó, Bp., 1992. BECKMANN, G. – GILLI, P. V.: A hő tárolása, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1987. BIHARI P.: Segédlet az Energetika c. tárgyhoz, BME Energetika Tsz., Bp., 1996. BOGNÁR – LACZKÓ – SIPOS: A közlekedés energiagazdálkodása, energetikusképző tanfolyam jegyzete, Digital-Comp Bp., 1988.

Felsőfokú

BOGOSZLOVSZKIJ–POZ: Hőhasznosítás a lég- és fűtéstechnikában. Elmélet és számítási példák, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1987. BOUSTEAD, I. – HANCOCK, G. F.: Ipari energiaanalízis, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1983. BÜKI G.: Fűtőerőművek és távhőrendszerek, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1980. DÖRING – KOCH - ZELTNER: Ipari berendezések hőszigetelése. Ipari szakkönyvtár Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1985. ENDREY T.: Gépjárművek, Felsőfokú energetikusképző tanfolyam jegyzete, DigitalComp Bp., 1988. Energiafelhasználói Kéziköny,. Szerkesztette: BARÓTFI I., Szolgáltató Kft., Bp., 1993. Energiagazdálkodási kézikönyv – Energiagazdálkodási Energia Központ, Budapest, 1997.

Környezettechnika

útmutató,

Magyar-EU

Energiapolitika Magyarország, OECD felmérés, Párizs, 1996. Épületgépész művezetők zsebkönyve, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1979. FARKASNÉ – NAGY – GÁSPÁR: Energiagazdálkodás, NME Ipari Kemencék Szakmérnöki Szak hallgatói részére, NME Mérnöki Továbbképző Intézet, Bp., 1985. FARKAS O.-NÉ: Kohászati kemencék, Tankönyvkiadó, Bp., 1985. Felsőfokú energetikusi Tanfolyam jegyzete. II. Energiagazdálkodás, Előkészületben. Bp., 1997. FŰZY O.: Áramlástechnikai gépek és rendszerek, Tankönyvkiadó, Bp., 1991.

256

GARBAI L.: A hőveszteség mérése és számítása az ipari energetikában, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1988. GARBAI – DEZSŐ: Áramlás Könyvkiadó, Bp., 1986.

energetikai

csővezeték-rendszerekben,

Műszaki

GYÖRKE B.: Ipari energiagazdálkodás, Felsőfokú energetikusképző tanfolyam jegyzete, Digital-Comp Bp., 1988. HARMATHA A.: Hőhasznosítás, Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1985. HELLER L.: Energiagazdálkodás, Összeállította: JÁSZAY T. BME Gépészmérnöki Kar jegyzete. Tankönyvkiadó, Bp., 1966. HELLER L.: Hőtárolók, Összeállította: JÁSZAY T. BME Gépészmérnöki Kar jegyzete. Tankönyvkiadó, Bp., 1967. Ipari folyamatok műszerezése. Szerkesztette: Helm L., Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1966. Kalorikus gépek, Szerkesztette: FÜLÖP Z., BME Gépészmérnöki Kar jegyzete. Tankönyvkiadó, Bp., 1991. KERÉNYI A.: Általános környezetvédelem. Globális gondok és lehetséges megoldások, Mozaik Oktatási Stúdió, Szeged, 1995. KISS L.: Villamosenergia-gazdálkodás, Tankönyvkiadó, Bp., 1989. LADÓ – ROMHÁNYI – BRÜCHNER - KÁDÁR: Anyagforgalmi diagramok alkalmazása az anyagfelhasználás és hulladékhasznosítás racionalizálására, Országos Környezetés Természetvédelmi Hivatal, Bp., 1983. LÉVAI A.: Hőerőművek II., Műszaki Könyvkiadó, Bp., 1964. Operációkutatás I. Szerkesztette: TÓTH I., Matematika üzemgazdászoknak sorozat. Tankönyvkiadó, Bp., 1990. Operációkutatás II. Szerkesztette: CSERNYÁK L., Matematika üzemgazdászoknak sorozat. Tankönyvkiadó, Bp., 1990. PATTANTYÚS Á.G.: A gépek üzemtana, Tankönyvkiadó, Bp.,1964. PLEVA L.: Hőenergia-gazdálkodás, Veszprémi Egyetem jegyzete. Veszprém, 1991. PÓTSA E.: Gőzkazánok, BME Gépészmérnöki Kar jegyzete. Tankönyvkiadó, Bp., 1991. SZENDY K.: Korszerű hálózatszámítási módszerek, Akadémiai Kiadó, Bp., 1967. 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.

257