3.10: Energiaforrások és kémiai mérleg
Adattáblázat megtekintése
| Sorrend | Rész |
|---|---|
| 1 | Energiaforrások és kémiai mérleg |
Energiaforrások és kémiai mérleg
Kőszén, kőolaj és földgáz nem megújuló energiahordozók; égésük CO2-kibocsátással jár. Nap-, szél-, víz-, geotermikus energia és biomassza különböző erőforrásokat és tárolási megoldásokat igényel. A tüzelőanyagcella kémiai energiából elektromos energiát ad; a hidrogén előállításának energia- és kibocsátási mérlege is része az értékelésnek. Egy energiaforrás előnyeit és korlátait számszerű feltételek alapján hasonlítsd össze.
Mi található a fosszilis energiahordozókban?
A kőszén ősi növényi maradványok hosszú ideig tartó átalakulásával keletkezett. Nem tiszta elemi szén: széntartalmú szerves szerkezete mellett víz, ásványi összetevők és például kéntartalmú anyagok is lehetnek benne. A lignit, barnakőszén, feketekőszén és antracit eltérő széntartalmú, nedvességű és fűtőértékű anyagok; az antracit széntartalma általában nagyobb. Az eltérő minőség miatt ugyanakkora tüzelőanyag-tömeg nem feltétlenül ad ugyanannyi hőt.
A földgáz fő összetevője a metán; kisebb szénatomszámú más szénhidrogének és lelőhelytől függően nem szénhidrogén-összetevők is előfordulhatnak benne. A kőolaj sokféle szénhidrogénből és kisebb mennyiségű más összetevőből álló keverék. Sem a kőszénnek, sem a kőolajnak nincs egyetlen, minden mintára érvényes molekulaképlete.
Nem megújulóként kezeljük őket, mert képződésük földtörténeti időskálán történt; a fogyasztást emberi időskálán nem pótolja hasonló ütemű újraképződés. A koksz és a faszén ezzel szemben előállított, széndús anyag: a kiindulási széntartalmú anyagot kevés oxigénnel vagy levegőtől elzártan hevítik. A fa eredete és a kőszén eredete alapján nem sorolhatók automatikusan ugyanabba a megújulási kategóriába.
A kőolaj frakcionált desztillációjának elve
Ábra szöveges leírása
| Párlat | Elhelyezkedés a vázlatban |
|---|---|
| Gázok | kisebb forráspont |
| Benzin | könnyebb folyadékok |
| Petróleum, kerozin | köztes párlat |
| Gázolaj | nehezebb párlat |
| Nehéz frakciók | kenőolaj; bitumen |
A lepárlás után az összetételt is módosíthatják
A frakcionált desztillációban a különböző illékonyságú összetevők elválasztása történik. A krakkolás ezzel szemben kémiai átalakulás: hosszabb szénláncokból rövidebb szénhidrogének képződnek. A reformálás során például az elágazás, a gyűrűs szerkezet és az aromás összetevők aránya módosítható. Ezeket nem nevezzük egyszerű lepárlásnak.
A benzin oktánszáma a kopogásos égéssel szembeni ellenállás mértéke az előírt vizsgálati feltételek között. Az n-heptán a 0, a 2,2,4-trimetilpentán, más néven izooktán a 100 értékű referencia. A 95-ös oktánszám az azonos vizsgálatban 95 térfogatszázalék izooktánt tartalmazó referenciaelegy viselkedéséhez hasonlít; nem állítja, hogy a vizsgált benzin ténylegesen 95% izooktánból áll. Az oktánszám nem azonos a fűtőértékkel.
Energiaforrás és energiahordozó
Az energiaforrást és az energiahordozót különítsd el: a hidrogén előállításához energia kell, ezért az előállítás módja nélkül a felhasználáskori vízképződés nem elég a teljes környezeti mérleghez.
Fontos összefüggés
A fűtőértéket azonos alapra kell átváltani (mol, tömeg vagy térfogat), és az égéstermék vízének halmazállapotát is rögzíteni kell. A hatásfok önmagában nem mondja meg a teljes életciklus kibocsátását.
Az égéshő és a fűtőérték különbsége a víz termékállapota alapján
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| H2O(f) termék | A felszabaduló hő nagysága körülbelül 890 kJmol CH4. |
| H2O(g) termék | A felszabaduló hő nagysága körülbelül 802 kJmol CH4. |
| Kondenzáció | A különbség körülbelül 88 kJmol CH4: két mol víz lecsapódása. |
Égéshő, fűtőérték és a hő előjele
A termokémiai egyenletben az égés reakcióentalpiája negatív, mert az anyagi rendszer energiát ad át. Ha azt kérdezzük, mennyi hő szabadul fel, ennek nagyságát pozitív számmal adjuk meg. A −890 kJmol és a 890 kJ felszabaduló hő tehát más megfogalmazás, nem ellentmondás.
A nagyobb, felső érték a keletkezett víz lecsapódási hőjét is tartalmazza; az alsó fűtőértékben a víz gőzállapotú termék. A tankönyvi égéshő–fűtőérték megkülönböztetés ezt a két termékállapotot követi. A tüzelőanyagok nedvessége és a megadott referencia-hőmérséklet is számít. Egy mol tiszta metánra, egy kilogramm nedves fára és egy köbdeciméter földgázra megadott adatot előbb közös alapra kell hozni.
Kidolgozott példa: mit jelenthet a 100% fölötti, fűtőértékre vetített adat?
Feladat: Egy tüzelőanyag alsó fűtőértéke 50,0 MJkg, felső értéke 55,0 MJkg.
Egy kilogramm elégetésével a kondenzáció hőjét is hasznosító berendezés 52,5 MJ hőt ad át.
Értelmezd a két hányadost!
Az alsó értékre vetítve 52,550,0 = 1,05, azaz 105%.
A nevező nem tartalmazza a víz lecsapódásából visszanyert többlethőt.
A felső értékre vetítve 52,555,0 ≈ 0,955, azaz 95,5%.
Az átadott energia kisebb a teljes, lecsapódást is tartalmazó energiabevitelnél.
A 105% nem energiateremtést bizonyít: eltérő számítási alapot jelöl.
A két számot csak az alap megnevezésével szabad összevetni.
Az értékek szemléltető feladatadatok.
Az érettségin használható kapcsolatok
- A primer energiaforrás a természetben közvetlenül rendelkezésre áll, például napenergia, szén vagy földgáz. Szekunder energiahordozó például a villamos energia vagy a hidrogén; ezt primer forrás felhasználásával állítjuk elő.
- A fosszilis tüzelőanyagok égése CO2-t, tökéletlen égése CO-t és kormot, kéntartalma SO2-t, magas hőmérsékletű égés pedig nitrogén-oxidokat adhat.
- A fűtőérték egységnyi tömegű vagy térfogatú tüzelőanyag hasznosítható égéshőjéhez kapcsolódik. Az összehasonlításnál az egységet és a víz halmazállapotára vonatkozó feltételt is figyelni kell.
- Megújuló energiaforrás utánpótlódik emberi időskálán, de nem automatikusan környezetterhelés-mentes. A teljes életciklus anyag-, terület- és energiaigényét kell értékelni.
- Bioetanol erjesztéssel, biodízel növényi olajok átészterezésével készülhet. Égésük is ad CO2-t; klímahatásuk a termelés és földhasználat teljes mérlegétől függ.
- Galvánelem és üzemanyagcella közvetlenül kémiai energiát alakít elektromos energiává. Akkumulátor tölthető galvánelemrendszer; kapacitása és cellafeszültsége külön mennyiség.
Felidéző gyakorlás
Miért nem elég a hidrogén tüzelőanyagcellás felhasználását vizsgálni a környezeti mérleghez?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
Középszintű követelmények · 3.10
Az OH 3.10 Energiagazdálkodás középszinten előírja a kőszén, kőolaj, földgáz, nem megújuló és megújuló energiaforrások ismeretét; az egyes források előnyeinek és hátrányainak értelmezését; leírás alapján a nap-, szél-, víz-, geotermikus energia, biomassza és például tüzelőanyagcella alkalmazásának magyarázatát. A tudást mindennapi jelenségek és információk értelmezésében is alkalmazni kell.
Középszintű érettségi mintafeladat
Egy etanollal működő rendszerben az üzemanyag elégetése és az előállítás is számít. (8 pont)
- Írd fel az etanol tökéletes égését. (3 pont)
- Miért nem elég az égés termékeit vizsgálni a környezeti mérleghez? (3 pont)
- Nevezd meg egy tárolható szekunder energiahordozót. (2 pont)
Középszintű mintamegoldás és részletes pontozás
- Írd fel az etanol tökéletes égését. (3 pont)C2H5OH + 3 O2 → 2 CO2 + 3 H2O (rendezett egyenlet 3 pont).
- Miért nem elég az égés termékeit vizsgálni a környezeti mérleghez? (3 pont)A termesztés vagy nyersanyag-előállítás (1 pont), feldolgozás (1 pont) és szállítás (1 pont) is erőforrást igényel.
- Nevezd meg egy tárolható szekunder energiahordozót. (2 pont)Például hidrogén (2 pont).
Összesen: 8 pont.
Azonos célhoz hasonlítsd az energiaforrásokat
| Forrás | Előny | Korlát és mérlegelendő feltétel |
|---|---|---|
| Szén, olaj, földgáz | Tárolhatók, energiájuk igény szerint felszabadítható. | Véges készlet, CO2; szennyezők és kitermelési terhek. |
| Nap és szél | Működéskor nem kell széntartalmú tüzelőanyagot elégetni. | Időjárás és napszak; hálózat, tárolás, eszközgyártás. |
| Vízenergia | Szabályozható lehet; tározóval energiatárolás is lehetséges. | Földrajzi adottság, élőhely és vízgazdálkodás. |
| Geotermikus energia | Megfelelő helyen folyamatos hőforrás. | Hőmérséklet, vízösszetétel, visszasajtolás és helyi adottság. |
| Biomassza | Újratermelhető szerves anyag, tárolható energia. | Újratermelés, földhasználat, víz, tápanyag és kibocsátás teljes mérlege. |
| Maghasadás | Nagy energiasűrűség; működéskor alacsony közvetlen CO2. | Radioaktív hulladék, hűtés, biztonsági rendszerek; nem megújuló urán. |
Milyen átalakítás adja a hasznos energiát?
| Megoldás | Működés | Mit kell értékelni? |
|---|---|---|
| Napelem | A fényt közvetlenül villamos energiává alakítja. | Napsugárzás, napszak, időjárás; eszközgyártás és villamos rendszer. |
| Napkollektor | A napsugárzás hőjét például folyadék melegítésére használja. | Hőigény, hőmérséklet, tárolás; nem ugyanaz a berendezés, mint a napelem. |
| Szélenergia | A levegő mozgása forgatja a berendezést; a generátor villamos energiát ad. | Szélviszonyok, változó teljesítmény, helyszín és élőhelyek. |
| Vízenergia | A víz helyzeti vagy mozgási energiája turbinát, azon át generátort hajt. | Vízhozam, szintkülönbség, tározó és ökológiai hatás. |
| Geotermikus energia | A Föld belső hőjét hasznosítja; alkalmas feltételek között villamos termelésre is használható. | Hőmérséklet és hőteljesítmény, víz összetétele, utánpótlás és visszasajtolás. |
| Biomassza | Szerves anyag kémiai energiája hasznosul égéssel vagy előbb más üzemanyag előállításával. | Újratermelés, termesztés, talaj, víz, feldolgozás és a teljes szénmérleg. |
A termelés időpontját és az energiaigényt is össze kell illeszteni
Az átlagos termelés önmagában nem mutatja meg, hogy az energia akkor áll-e rendelkezésre, amikor szükség van rá. A változó termelés és fogyasztás összehangolásához hálózat, szabályozható kiegészítő termelés, fogyasztásigazítás vagy tárolás is használható. A tárolás energiaátalakítás, ezért a visszakapott energia általában kisebb a betöltöttnél.
Az akkumulátorban kémiai változás, a szivattyús tározóban a magasabbra emelt víz helyzeti energiája, a hidrogéntárolásban az előállított energiahordozó biztosítja a későbbi felhasználás lehetőségét. A szivattyús tározó önmagában nem új primer energiaforrás: előzőleg villamos energiát kell befektetni a szivattyúzásba.
Kapcsolt hő- és villamosenergia-termelésnél a villamos átalakítás mellett keletkező hő egy részét is hasznosítják. A két hasznos kimenet összege azonos energiabevitelhez vetítve nagyobb arányt adhat, mint a villamos kimenet önmagában. Ettől a villamos hatásfok és az összes hasznosítási arány továbbra is külön mennyiség.
Miért lehet a hőszivattyú COP-értéke egynél nagyobb?
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Villamosenergia-bevitel | 3 kWh. |
| Környezeti hő bevitele | 9 kWh. |
| Fűtési hőkimenet | 12 kWh. |
| COP | 123 = 4; csak a villamosenergia-bevitel szerepel a nevezőben. |
Hasznos energia és teljesítmény
Ehasznos = η Ebevitt
P = E / t
A hatásfok dimenziótlan; 35% = 0,35. 1 kWh = 3,60 MJ. A kW teljesítmény, a kWh energia.
Kidolgozott példa: kisebb teljesítmény, azonos feladat
Feladat: Két lámpa azonosnak feltételezett megvilágítást ad.
Az egyik 60 W-os, a másik 10 W-os;
mindkettőt napi 5,0 órában használják 30 napig.
Mennyi energiát takarít meg a kisebb teljesítményű?
Az idő 5,0 · 30 = 150 h.
Az energiakülönbség (0,060 − 0,010) kW · 150 h = 7,5 kWh, azaz 27 MJ.
Azonos feladat mellett a fogyasztás 60 W-ról 10 W-ra csökken: a megtakarítás 5060 ≈ 83%.
Ez nem állítja, hogy a 10 W teljes egészében fénnyé alakul.
A számítás a megadott teljesítményekkel és használati idővel érvényes.
Két készüléket azonos hasznos szolgáltatás alapján hasonlíts össze, például azonos megvilágítással, fűtött helyiséggel vagy megtett úttal.
Kidolgozott példa: ugyanannyi hasznos energiát termelő rendszerek
Feladat: 10,0 kWh villamos energia kell.
A tüzelőanyag fűtőértéke 50,0 MJkg;
az átalakítás hatásfoka 40,0%.
Mennyi tüzelőanyag szükséges?
10,0 kWh=36,0 MJ;
a bevitt energia 36,00,400=90,0 MJ.
A tüzelőanyag tömege 90,050,0=1,80 kg.
A fűtőérték azonos megadott termékállapotára számolunk;
a teljes életciklus külön mérleg.
Az előállítástól a hasznos energiáig
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Előállítás | Elektrolízis vagy fosszilis alapanyag átalakítása; energia és anyag kell. |
| Tárolás és szállítás | Sűrítés, cseppfolyósítás vagy más tárolás: további energiaigény. |
| Tüzelőanyagcella | A félreakciók elektronátadása elektromos energiát szolgáltat. |
| Értékelés | Hasznos kWh-ra vetített teljes energia- és kibocsátási mérleg. |
A protonok és elektronok útja hidrogén–oxigén PEM-tüzelőanyagcellában
Ábra szöveges leírása
| Lépés | Magyarázat |
|---|---|
| Anód (−) | Hidrogén oxidációja; elektronleadás. |
| Membrán | Protonvezetés az anódtól a katód felé. |
| Külső vezeték | Elektronmozgás az anódtól a katód felé a fogyasztón át. |
| Katód (+) | Oxigén redukciója; vízképződés. |
A cellát üzemanyaggal látjuk el; az akkumulátort töltjük
A tüzelőanyagcellában a kívülről bevezetett anyagok redoxireakciója villamos energiát szolgáltat. Folyamatos működéséhez üzemanyag- és oxidálószer-utánpótlás, valamint a termékek elvezetése kell. Nem egyszer használható, eleve zárt üzemanyagkészletű szárazelemként képzeljük el. A katalizátor a reakciósebességet módosítja; nem energiaforrás, és nem változtatja meg az összegzett reakcióentalpiát.
Az akkumulátor töltésekor villamos energiával állítjuk vissza a később lejátszódó energiatermelő reakció feltételeit. A hidrogén vízből elektrolízissel is előállítható: 2 H2O → 2 H2 + O2. A cellában ennek fordított összegzett reakciója megy végbe, de a két berendezés együttes működése veszteségek miatt nem termel többletenergiát.
A hidrogén felhasználásakor keletkező víz helyi termék. Az előállítás, a tárolás, a szállítás és az eszközgyártás terhei külön szerepelnek a teljes mérlegben. A cella előnye lehet a helyi szén-dioxid-kibocsátás hiánya; korlátja például az energiahordozó előállítása, tárolása és a berendezés anyagigénye. Ezért a hidrogén előállításának módját mindig a megadott leírás alapján értékeld.
Felidéző gyakorlás
Egy 2,00 kW-os eszköz 3,00 órán át működik állandó teljesítménnyel. Mennyi energiát használ?
Válaszolj a kérdésre, majd ellenőrizd a válaszod, és olvasd el a magyarázatot. Ebben a gyakorló nézetben a válaszokat nem mentjük.
A bioüzemanyag is részt vesz a szénmérlegben
A bioetanol alkoholos erjedéssel előállítható: C6H12O6 → 2 C2H5OH + 2 CO2. Az etanol elkülönítése és megfelelő víztartalmának beállítása további energiaigényes műveleteket is kívánhat. Az etanol tökéletes égése újabb CO2-t ad, ezért a termesztéstől a felhasználásig vezető folyamatot együtt kell vizsgálni.
A biodízel jellemzően zsírsavak metilésztereinek keveréke. Növényi olaj triacil-gliceridje és metanol átészterezésével három zsírsav-metilészter és glicerin keletkezhet. Ez nem a metanol egyszerű hozzákeverése az olajhoz. A bioelőtag az eredetre utal; a tényleges környezeti mérlegben a nyersanyag, a feldolgozás és a földhasználat is számít.
A biogáz szerves anyag oxigénszegény vagy oxigénmentes körülmények közötti mikrobiológiai lebontásával képződő gázkeverék; fontos összetevője a metán és a szén-dioxid. Megfelelő tisztítás után a metántartalma energiahordozóként hasznosítható. Nem azonos a földgázzal, és nem minden nyers biogáz tekinthető tiszta metánnak.
A megújuló eredet nem tesz minden kibocsátást automatikusan semlegessé. A növény növekedésekor felvett szén és a később kibocsátott szén összevetése mellett meg kell adni az időtartamot, az utánpótlást és az értékelésbe bevont folyamatokat. Egy adatokkal alátámasztott következtetés legyen feltételes: mi következik a megadott anyag- és energiamérlegből, és mi marad azon kívül?
Tankönyvi kapcsolódás
Oktatási Hivatal: Kémia 9–10., II. kötet, 176–177, 218–219. nyomtatott oldal; 88, 100. lecke. A PDF-ben a nyomtatott oldalszámhoz 1-et adj hozzá.
A magyarázatok, hasonlatok és feladatok önálló feldolgozások. A közép- és emelt szintű követelmények ellenőrzésének alapja az Oktatási Hivatal részletes követelményrendszere.
Források
Kapcsolódó források
A tankönyvi kapcsolatok az I. kötet 82–83. és 154–155., valamint a II. kötet 131., 176–177. és 218–219. nyomtatott oldalai. A követelmény az OH 3.10 szakasza. A rajzok és a kidolgozott példák önálló szemléltetések.
A PEM-cella útjai: US DOE; vízbontás: US DOE: elektrolízis; az alsó és felső hőérték: EIA; a lepárlás és az oktánszám: OpenStax; a hőszivattyú COP-fogalma: DOE/NREL szemléltetés.