ENERGIAHORDOZÓK

 Gépek, közlekedés és más rendszerek energia ellátása

Domanovszky Henrik

LNG.hu Engineering Kft.

I. BEVEZETÉS

Az üzemeltetés energiafelhasználása

A gépek, a közlekedési eszközök és más rendszerek üzemeltetése ENERGIA ÁTALAKÍTÁSI FOLYAMAT, mely során valamely forrásból származó energiahordozót konvertálunk munkavégzéssé, mozgási vagy helyzeti energiává. A közlekedés és így a szállítás is ENERGIA ÁTALAKÍTÁSI FOLYAMAT, mely során a valamely forrásból származó energiahordozót mozgási és helyzeti energiává konvertáljuk.

A gépek, rendszerek, közlekedési eszközök energiafelhasználását ily módon nem lehet kizárólag az átalakítást végző eszköz, nevezetesen a gép, jármű energiafelhasználására korlátozva vizsgálni, mivel az csak egy része a rendszernek.

Az objektív ismeretek érdekében az energiafelhasználásának mérlegeléséhez a felhasznált energia hordozót vizsgálva, annak teljes folyamatát, vagyis az energia életciklusát szükséges megismerni. Ezt hívjuk Well-to-Wheel szemléletnek, mely a Tank-to-Wheel lehatároltan a gépben, járműben lezajló folyamatot a Well-to-Tank energetikai folyamat résszel együttesen kezeli.

Energetikában használt mértékegységek

A folytatás megfelelő követéséhez és értelmezéséhez szükséges az energetikában használt számos mértékegységgel tisztában lenni, azok átváltását tudni.

Alap SI mértékegységként használatos:         Joule, Watt-óra:   3,6 J = 1 Wh         

J, MJ (10⁶), GJ (10⁹), TJ (10¹²), PJ (10¹⁵), EJ (10¹⁸) és

Wh, kWh, MWh, GWh, TWh

Számos további energia egység van még forgalomban, így:

Cal, kcal, Gcal = kalória, kilokalória, gigakalória                                           1 cal = 4,186 J

toe, ktoe = tonna olaj egység, ezer tonna olaj egység                               1 toe = 41 868 MJ

barrel, mb = olajhordó (158,99 l), millió olajhordó                                     1 barrel = 6120 MJ

btu, mbtu = british themal unit, million british thermal unit    1 btu = 1054,4 J = 0,293 Wh

Globális energia felhasználásunk

A globális energiafelhasználás folyamatosan intenzíven növekszik, melynek számos tényezője van. 1990-óta, (a kiotói egyezmény báziséve) 2018-ra összesen +63 %-kal emelkedett az energiafelhasználás, amelyből az villamos áram felhasználás +127 százalékos emelkedése ugrik ki.

A globális energiafelhasználás emelkedése számos okra vezethető vissza, úgymint:

• A populáció folyamatos növekedése

• A folyamatos urbanizáció

• A gazdaság és annak mutatójaként használt GDP emelkedése
• Gépek, eszközök növekvő teljesítménye és természetesen számosságuk növekedése (így a motorizált járműállomány is 1886-óta töretlenül növekszik, 2009-ben meghaladta az 1 milliárdot)

• Növekvő hozzáférés az energiaszolgáltatásokhoz, fogyasztó eszközökhöz és az energiaellátás javuló szolgáltatási szintje, azaz megbízhatósága

II. ENERGIA FELHASZNÁLÁSÁNAK EMISSZIÓS KÉRDÉSEI

Az energiahordozó felhasználásának emissziója

A primer energiahordozók felhasználása során felszabadulhatnak

• Káros szennyező anyagok, mint NO_x, PM, SO_x
• Hátramaradt szilárd anyagok
• Mérgező anyagok, mint CO, Hg, Pb, As (arzén), valamint radioaktív anyagok mint U (urán), Th (tórium), Rd (radon)
• A nem káros, hanem ún. üvegházhatású gázok, mint a CO₂

A széntartalmú energiahordozók tökéletes égési folyamata során az alábbi képlet szerint számolható az emisszió:

A karbon-semleges energiahordozók felhasználásakor új CO₂ nem kerül a légkörbe, mivel az energiahordozó előállítása során felhasznált elnyelt CO₂ jut vissza a környezetbe – ezek a megújulók

A karbon-mentes energiahordozók felhasználása során CO₂ nem keletkezik – zéró CO₂ volna?

Üvegházhatású gázkibocsátás kérdései

Naponta halljuk, hogy „szélsőséges időjárás”, „globális felmelegedés” melyet az emberi tevékenységgel összefüggő CO₂ azaz üvegházhatású gázkibocsátás okoz.

Valóban lehetséges ez?

Nem inkább arról van szó, hogy a városiasodás és ezzel együtt

• a betonnal, aszfalttal lefedett területek,
• a légkondicionáló berendezések száma az elmúlt évtizedekben rohamosan emelkedett,
• hogy az erdők, esőerdők, őserdők kivágása növekszik,

mindez pedig jelentősen befolyásol számos egyéb légköri hatást?

Tipikus meleg nyári késő délután hőtérkép Portland, Oregon város és környékéről

Lehetséges volna, hogy a CO₂ problematikusnak számít a földünkre nézve?

Nem tévesztettük szem elől, hogy a CO₂ a vízzel együtt A TÁPLÁLÉKOT jelenti a növényvilág számára és ezen keresztül a teljes földi élet alapját képezi?

Vagy éppen azt, hogy a CO₂ légköri koncentrációja egy nagyságrenddel is magasabb volt a dinoszauruszok idején?

Klímaváltozás

Állítható-e egyáltalán, hogy az időjárás azaz a klíma egyre szélsőségesebbé vált?

Az alábbi grafikonok származása és ajánlott irodalom: Paul Homewood „The US Climate in 2019”.

Az adatok erős ellentmondással támasztják alá a szélsőségességet, és sok esetben még a melegedés trendjét is. A statisztikán alapuló tanulmányok állandó kérdése a vizsgálat alá vont tartomány. A klímaváltozást terjesztők sosem a ’30-as évektől, hanem a ’70-es évektől bizonyítják a felmelegedést, holott 40-50 év a földtörténetben még csak szempillantásnyi időnek sem nevezhető.

Éghajlatváltozás

Mit tekinthetünk állandónak a földünk klímáját meghatározó összetevők rendszerében?

Tudjuk, hogy a napsugárzás intenzitása ciklikusan változik
Milankovitch* kutatásai alapján 3 csillagászati pályaelem változására vezette le az éghajlatváltozást:

• Az első a Föld forgástengely hajlásszögének a változása. Ez a szög 41 000 éves periódussal ingadozik 21,5 és 24,5 fokok között.
• A második a Föld keringési pályájának alakja, amely 100 000 éves periódussal változik. Egyszer megnyúlik, és nagy excentricitású ellipszis alakját ölti, majd ismét szinte kör alakúvá válik.
• A harmadik pedig a precesszió, vagyis a földtengely elmozdulása. A forgástengely 23 000 év alatt ír le egy teljes kört a csillagokhoz képest. A precesszió határozza meg, hogy egy adott félgömbön a nyár a földpálya napközeli vagy naptávoli pontjára esik-e, vagyis, hogy a Föld éghajlatának a tengely ferdesége miatti évszakosságát erősíti vagy gyengíti-e a pálya excentricitásából adódó évszakosság.

*Az 1914-től Budapesten élő, majd a háború miatt itt internált szerb származású geofizikus, csillagász kutató Milutin Milankovitch a Magyar Tudományos Akadémiában kutathatott és 1920-ban publikálta felismerését. Később az elméletet Bacsák Györggyel dolgozták tovább, ami akkor került a figyelem középpontjába, mikor a geológiai rétegek vizsgálata alátámasztotta a felismerés szerinti ciklikusságot. Forrás: Hágen András

Földtörténeti Éghajlatváltozás

Jellemző ábrázolás technika a „politikailag korrekt tudomány” tárából, mely bemutatja a földtörténeti és jövőbeli éghajlatváltozásokat, látszólag körültekintően.

Habár:

• nem tűnik láthatónak a XX. század első felének magasabb hőmérséklete;
• kitakarásra került a középkor meleg és hideg évszázadainak váltakozása, a 19. század közepén véget érő kis jégkorszak;
• a római kor jelenleginél legalább 2°C-al magasabb átlaghőmérséklete;
• az utolsó, 10.000 éve véget ért jégkorszak mintegy 100.000 éves hossza alatt a Grönlandon végzett fúrások sűrűn (50-100 éves ciklusban változó 10°C-t elérő amplitúdójú klímaváltozási folyamatok egymáskövetését igazolták.  

Üvegházhatású gázkibocsátás problémája

Az energia felhasználás és lényegében az emberi tevékenységnek a legtöbb eleme, különösképp az energiahordozók felhasználása CO₂ kibocsátással jár, mint ahogy bármilyen természetes erjedési folyamat is széndioxid és metánképződést eredményez. Megállapítást nyert, hogy a légkörben lévő CO₂ koncentráció befolyásolni képes – üvegházhatással bír – a föld légkörébe jutott napenergia visszaverő képességét.

Arról azonban nem esik szó, hogy ennek az üvegházhatásnak milyen jelentéktelen mértékű a szerepe a föld klímájában. Ellentétben, hajlamossá váltunk elfelejteni, hogy minden, ami a modern életet, kényelmet biztosítja számunkra, az a megfizethető, biztonságosan elérhető energiaszolgáltatásokon alapul. 

Bővebben olvasandó a téma megismeréséhez egy valóban hozzáértő tudósnak;

Prof. Richard Lindzen „Global Warming for the two cultures” címmel a The Global Warming Policy Foundation (GWPF) éves közgyűlésén tartott előadása.

Az – elvitathatatlanul létező – globális éghajlatváltozást emlegetve az alarmista szemlélet a föld felgyorsult melegedését állítja, minek következtében globális katasztrófákat vízionál, a ma népes életterek elsüllyedésével fenyeget, elsivatagosodással és az élelemtermelés csökkenéséből adódó éhínséggel. Arról azonban mélyen hallgat, hogy a földtörténeti szempontból értelmezhető időgrafikonon a jelenlegi hőmérséklet éppen csak középhőmérsékletnek sem nevezhető és még az emberi történet írás során, a rómaiak idején is legalább 2°C-al volt magasabb az átlaghőmérséklet.

Az alábbi két, átlagos tengerszint változását ábrázoló időgrafikon jól illusztrálja 1. az 1850-es évektől, a kis jégkorszak végétől és az utolsó jégkorszak végétől bekövetkezett változást. 

A „globális felmelegedés” ideológia fő elméleti központjaként működő IPCC is kénytelen volt leírni: „The climate system is a coupled non-linear chaotic system, and therefore the long-term prediction of future climate states is not possible.” 

III. GLOBÁLIS ENERGIA FELHASZNÁLÁSUNK HELYZETE

Energiánk ellátó rendszere

Globális energiafelhasználásunk

A globális energiafelhasználásunk emelkedése az 1990 és 2018 között időszakban kizárólag a 2009-es gazdasági válság idején torpant meg. A 2010-ben 538 EJ energia felhasználás 2018-ra 598 EJ-ra emelkedett, amit az alábbi primer energiahordozó megoszlás fedezett.                                                

  

Európa energiafelhasználása szembe megy a világ többi részével, 2006-óta csökkenő tendenciát mutat és 2018-ra mindösszesen 39,31 EJ nagyságrendű, ami mindösszesen a világ energiafelhasználásának 6,6 százalékát jelenti.

Globális villanyáram felhasználás

Hasonlatosan a teljes energiafelhasználáshoz, a villanyáram fogyasztás bővülése is csak 2009-ben fordult meg, az is leginkább az első számú fogyasztó, az ipari szektor fogyasztásában vált feltűnővé. Az 1990-2018 közötti időszakban a villanyáram iránti keresletbővülés lényegében kétszerese volt a teljes energiafelhasználás bővülésének, +127 százalékot produkálva. Eközben a villanyáram termelés hatásfoka is javult, a hőerőművek átlagos termikus hatásfokának javulása a 42 % körüli szintről 48 % fölé emelkedett Európában. Hasonló trend valósult meg a világ többi részén, néhány százalékponttal alacsonyabb szintet rajzolva.

A fogyasztók által átvett nagyságrendileg 80 EJ áram az előállított áram mindössze 83,8 %-a, vagyis a villanyáram előállításához felhasznált primer energiaforrás nem csak annyival több, amennyivel a termikus és egyéb hatásfok elemészt, hanem például a hálózati veszteség is nagyban hozzájárul a rendszer összhatásfokához.

Fontos leszögezni tehát, a villanyáram szekunder energiahordozó, melyet a primer energiahordozókból állítunk elő. Miközben a villanyáramtermelés óriási emelkedését látjuk, a legszennyezőbb és emellett a legmagasabb CO₂ kibocsátást eredményező szén felhasználásának aránya 1990-óta inkább emelkedett, mint csökkent volna.

2018-ban az áramtermelés primer forrásának mix-e az alábbi összetevőkből állt:
Szén                                                           38,15%
Földgáz                                                      23,10%
Víz                                                              16,24%
Nukleáris                                                   10,18%
Szél                                                               4,78%
Olaj                                                               2,94%
PV                                                                 2,08%
Bio                                                                1,95%
Hulladék                                                      0,04%

Az olaj 1973-as olajválság bekövetkezésekor meglévő 25 százalékos részaránya mostanra 3 százalék alá apadt, míg a legfőbb energiaforrásként a szén 40 % körül ingadozó részt képvisel, ami egyértelműen az energiahordozó viszonylagosan alacsony árának tudható be. A gáz részaránya a ’80-as évek óta emelkedő pályán van, a görbe alakulása a szén felhasználás ingadozásával ellentétessé vált az elmúlt évtizedben, ami szintén kiéleződött árversenyre vezethető vissza.

Szintén beszédes információ, hogy miközben a villanyáramot már egyenesen CO₂-mentes energiaforrásként tünteti fel az azt támogató politika, kizárólag szél és napcella parkok telepítéséről, azok támogatásáról hallani, addig ez a két megújuló forrás összességében kevesebb mint 7 százalékát fedezte a megtermelt áram mennyiségnek, míg a vízerőművek 16 százalékot meghaladta. Az elmúlt három évtizedben a kevéssé divatos, de karbonmentes nukleáris forrás kismértékű növekedés mellett, az áramtermelés egészéből kivett részaránya mintegy 10 százalékra csökkent.

Összesítve tehát a fentieket, 2018-ra a villanyáram termelés karbonmentes és karbonsemleges energiaforrása mindösszesen épp csak meghaladta a 35 százalékot, a szén még mindig 10 százalékkal nagyobb részt képviselt.

Az energia tárolhatósága       

Az energiahordozók egyik jellemzője a tárolhatóság, mivel a felhasználás és az előállítás nem tud azonos módon ingadozni. A folyamatos, zavarmentes ellátás biztosítása érdekében, készletezésre van szükség.

Ennek a készletezésnek regionális szinten, sok esetben országonként van szerepe, így biztosítható egy-egy ország, vagy régió energiafüggetlensége, ami lényegében szorosan kihat a politikai függetlenségre is.

A készletezhetőség időben mérendő és ez alapján meg kell különböztessük az energiahordozóinkat. 

Globális szinten rendelkezésre álló tároló kapacitás:

Villanyáram termelésének és fogyasztásának együttműködése

A villanyáram hálózatára kritikus jellemző, hogy bármelyik pontján vizsgáljuk a fogyasztás (másnéven terhelés) és a termelés egyensúlyban kell legyen. Mivel a hálózatra kapcsolt fogyasztók összességének terhelése nem befolyásolható, ezért a termelést kell a fogyasztásnak megfelelő szinten (ütemben) tartani. Szemléltetésként szolgálhat az alábbi ábra. A terhelés időbeli változását a fekete vonal jelzi, azzal kell a hálózatba kapcsolt termelő egységeknek ütemet tartani. A nukleáris áram termelése konstans, azzal lehet a mindenkori minimum áramigényt, vagy annál valamivel kevesebbet megtermelni. A szél időjárás függvényében, a nap időjárás és napszak függvényében termel. A terhelés és termelés egyensúlyának eléréséhez a hőerőművek által fejlesztett áram szükséges. A hőerőművek szerencsére szabályozható teljesítménnyel rendelkeznek, így kapacitás határaikon belül képesek ellátni a kiegyensúlyozás feladatát.

Könnyen átlátható, hogy amennyiben a szél és a nap nem termel, úgy a hőerőműveknek kell a teljes igényt kiszolgálniuk, így akkora kiépített kapacitást kell a hőerőművekkel rendelkezésre tartani, mintha a megújulók egyáltalán nem lennének a rendszerben. Ez az ellátó rendszer egészének beruházási költségeire lefordítva gyakorlatilag azt jelenti, hogy a szélgenerátorok és napcellák beruházási költsége egy az egyben drágítja a villanyhálózat kiépítésének költségét. A többlet beruházás megtérülése pedig csak az általuk valóban megtermelt és a hálózatra átadott áram mennyisége alapján, a hőerőművekben azonos mennyiségű áram megtermeléséhez szükséges primer energiahordozó bekerülési költségének kiváltásával számolható. Legalábbis ez volna a helyzet, amennyiben nem volna üzemeltetési költségük. Márpedig különösen az offshore szélerőmű farmoknál magas, az angolok 22 font/MWh költséggel számolnak, ami jelentősen meghaladja önmagában a gáz és főként a szén beszerzési árát. Nem más marad tehát, mint a fogyasztó számára drágább villamos energia.

Ha az ábrát tovább elemezzük, leolvasható példa értékek az ábrázolt hétre: a fogyasztás csúcs 95 GW, ebből következik, hogy a szükséges beépítendő nukleáris és fosszilis kapacitás együttese 100 GW felett kell legyen az esetleges időjárási és egyéb okokból bekövetkező fogyasztási csúcsok fedezésére, továbbá az interkonnektorokon esetlegesen szükséghelyzetben átadandó teljesítményigény fedezésére. Az ábra ezzel szemben 23 GW nukleáris és 56 GW fosszilis kapacitást említ, ami a biztonságos szolgáltatáshoz egészen biztosan nem volna elégséges. Létesített 33 GW nap kapacitásból az ábra készítői a napcella termelést ki is rajzolták napi egy-két óra hosszra 33 GWh termelésre, a napi megtermelt mennyiségnek pedig mintegy 240 GWh átlagot lehet becsülni, ami 30 % beépített kapacitás kihasználás volna (a valóság ennél lényegesen alacsonyabb eredményt szül, inkább a felére lehet számolni). Ezzel szemben a 25 GW szélerőmű létesített kapacitásnál a teljesítmény csúcs közeli termelés alig jelenik meg a rajzon és az illusztráció több esetben szélcsend közeli állapotot (vagy egyéb okból lekapcsolt termelést) jelez. Ez nehezebben átlagolható, ezért vegyük alapul a brit hálózatot, ahol szárazföldi és tengeri szélerőműpark is nagy kapacitással létezik (a ’20-as évek közepére várják a 25 GW kapacitás elérését). 25 % körüli kapacitás kihasználásról olvasni.

Miközben az erős marketing a szélerőművek és napcellaparkok már a hőerőműveknél olcsóbb energiatermelését hirdeti, szükséges látni, hogy ezen addicionális erőművek telepítése továbbra is hatalmas összegeket emésztenek fel. Az angol kormány kalkulációjában 1,63 millió font/MW költséggel számolt még abban az időben, amikor a font-euro kurzus jelentősen magasabb volt, tehát nagyságrendileg 2 millió €/MW értékkel számolható a telepítés, ami mintegy kétszerese a PV telepítés költségének. Ha reális kapacitás kihasználással számolunk, akkor a megtermelt áramra eső beruházási költség elég hasonló összeget jelent. 10 éves megtérülésre számolva, kamat és jövedelem nélkül is jó 90 €/MWh, ha ehhez hozzá adjuk a szélgenerátor üzemeltetési költségét is 115 €/MWh magasságokban járunk.

Az ár értelmezéséhez 2020-ban Európában a gáz jegyzési ára 5 €/MWh alá esett. 50 %-os termikus hatásfok esetén az energiaköltség nem éri el a 10 €/MWh-t. Ehhez hozzátehető a kombinált hő és áramtermelés, aminek ma már az ipari hatásfoka 85 %-ot is eléri.

Összegzésül; a „tiszta, tehát emisszió-mentes” villanyáram közel 40 %-a szén alapú.

Egy új 1 MW-os zsinór fogyasztó belépéséhez 1,2 MW-os termelő kapacitást kell beállítani, ez modern hőerőművekre számolva 2,5 MWh-nyi primer energiahordozó felhasználását jelenti óránként. Ha fedezni szeretnénk ezt az áram mennyiséget szélgenerátor által termelt árammal, akkor 5 MW kapacitást kell, mintegy 12 millió € beruházással üzembeállítani, ami mellett természetesen az 1,2 MW-nyi hőerőmű kapacitás bővítés is társul a szélcsendes időjárás fedezéséhez.

Az energiafelhasználás üzemeltetési szempontjai

Egy gép, jármű, vagy bármely rendszer üzemeltetéséhez felhasználandó energia kiválasztása, esetleg a rendszer más energiahordozóra való átállítása előtt számos szempontot kell figyelembe venni és mérlegelni.

Ezen szempontok mindegyike összefügg a többivel ezáltal egy komplexen mérlegelendő rendszert kapunk, ráadásul sok esetben számos alternatíva merülhet fel.

IV. KŐOLAJ

Globális kőolaj felhasználás szektorai

Közlekedés energia felhasználásának alakulása

Szénhidrogének rendszerezése

Kőolaj lepárlás folyamata

A kitermelt kőolajat el kell szállítani a finomítóba, ahol összetett lepárlási, krakkolási és adagolási eljárás keretében finomított terméket állítanak elő különböző felhasználási célokra.

A folyamat alapját a lepárlás képezi, ahol a felhevített kőolajat bevezetik a lepárló aljába, az alacsonyabb forráspontú, szénhidrogén láncok a szelepeken keresztül feljebb áramlanak a torony hűvösebb régiói felé. Amilyen hőmérsékleten eléri a folyadék halmazállapotot, azon a szinten kerülnek ki a lepárló toronyból.

A kihozatal aránya függ az olaj kitermelő helytől, az ipar azonban csak kismértékben képes ezt befolyásolni. Emiatt a termelői lánc rugalmatlan az egyes termékek iránti megnövekedett, vagy lecsökkent kereslettel szemben. 

V. BENZIN

Benzinek jellemzői

• Oktánszám
• Illékonyság
• Stabilitás
• Korrozív hatás
• Gyantatartalom
• Kémiai összetétel (Szénhidrogének, kén-, ólom-, halogén, oxigéntartalom)
• Sűrűség
• Egyéb tulajdonságok:
– energiatartalom
– lobbanáspont, gyulladáspont
– elektromos vezetőképesség
– víztartalom stb.
• EU irányelvi megfelelés megújuló részarány teljesítésére:
– bioüzemanyag tartalom (tf% = térfogat százalék, et%=energiatartalom százalék) 2020-tól kötelező min. 6,1 tf% bekeverése

BASF oktánszám vizsgáló motor

Benzinek jellemzői – oktánszám

Oktánszám meghatározásának vizsgálati eljárása a vizsgáló motorral:

1. A vizsgálandó benzint be kell tölteni a tüzelőanyag-tartályba.
2. A karburátor úszószintjét (a légviszonyt) addig változtatják, amíg a kopogás legerősebben nem jelentkezik.
3. Ezt követően a motor sűrítési arányát úgy állítják be, hogy a kopogásérzékelő műszer közepes értéket mutasson. A továbbiakban a sűrítési viszonyt nem változtatják.
4. Kimérik a kopogás-benzinszint összefüggésre jellemző görbét a minősítendő benzinnel.
5. Majd két, a minősítendő benzint villába fogó ismert összetételű i-oktán/n-heptán keverékkel.
6. A benzin oktánszámát interpolációval határozzák meg.

Benzinek jellemzői – kompressziótűrés

Az oktánszám a benzin kompresszió-tűrésére jellemző mutatószám. Mérése úgy történik, hogy a minősítendő benzint i-oktánból (i-oktán, C₈H₁₈) és n-heptánból (normál heptán, C₇H₁₆) készített keverékkel hasonlítják össze. Az i-oktán kompresszió-tűrése jó (100), az n-heptán viszont erősen hajlamos kopogásra (0). A minősítendő benzinnel kopogás szempontjából azonosan viselkedő keverék térfogatszázalékban kifejezett i-oktán tartalmát nevezik a benzin oktánszámának. (OZ = Oktanzahl, vagy ON = octanenumber).

Ha pl. az azonos viselkedésű összehasonlító keverék 92 % i-oktánból és 8 % n-heptánból áll, akkor a benzin oktánszáma 92.

• Normál lángfront sebesség 30 m/s
• A kopogásos (v. detonációs) égés egy nagyságrenddel nagyobb lángfront sebességet eredményez
• Nagyobb nyomások meredekebb nyomásemelkedés (dp/dα), nyomáslengések, magasabb égéstér hőmérséklet

Benzinek jellemzői – Illékonyság

A lepárlási görbének hatása van a benzin összetevőire, a motor üzemeltetésére

• A 100 °C alatt elpárolgó hányad nagy: egyenletes hidegüzem

• A 70 °C alatt elpárolgott hányad nem túl nagy: gőzképződés

• A 20 %-hoz tartozó hőmérséklet nagy: jégképződés elkerülése

• A 98 %-hoz tartozó hőmérséklet nem túl nagy: olajhígulás

• Kis hőmérsékleten is van bizonyos gőzhányad: hidegindítás

• A nagyobb hőmérsékleten elpárolgott hányad nagy: melegüzemi fogyasztás

Benzinek adalékolása és hatása

A benzinek lepárlását követő finomítási eljárás során az üzemanyag tulajdonságait adalékokkal javítják.

• Oktánszám javító – oktánszámnövelés
• Detergens/diszpergens – tisztántartás és tisztítás
• Korróziós inhibitor – a tüzelőanyag-rendszer korrózióvédelme
• Jegesedés-gátló – jégképződés megakadályozása
• Maradék átalakító – égéstéri lerakodások okozta öngyulladás megakadályozása
• Fémdeaktivátor – oxidációs katalizátorként ható fémfelületek deaktivitása
• Öregedés-stabilizátor – tárolási stabilitás javítása
• Égésjavító – az égéslefutás javítása
• Ólomhelyettesítők (kopáscsökkentők) – ólomvegyületek nem oktánszám-növelő hatásának pótlása
• Oktánszámigény-növekedés gátló – lerakódások okozta oktánszámigény növekedés megakadályozása
• Sztatikus feltöltődés-gátló – vezetőképesség növelése
• Zavarosodás-gátló – vízkiválás segítése
• Színezékek – eltérő benzinek megkülönböztetése

Lerakódások a motorban és hatásuk

Tüzelőanyag ellátó rendszer korrózió

• anyagok
• menettulajdonságok
• működés

Szívószelep-beragadás

• hidegindítás
• működőképesség
• motorsérülés

Befecskendező-szelep lerakódás

• menettulajdonságok
• teljesítmény romlás
• fogyasztás emelkedés
• károsanyag-kibocsátás

Égéstér-lerakódások

• oktánszámigény
• motorsérülés

Olajiszap

• kenőképesség
• kopás
• motorsérülés

VI. GÁZOLAJ

Gázolaj jellemzői

• Cetánszám, cetánindex
• Sűrűség
• Zavarodás-pont
• CFPP
• Kén tartalom
• Korróziós tulajdonság
• Kenési tulajdonság, viszkozitás
• Stabilitás
• Megújuló részarány

Gázolaj jellemzői – cetánszám

A cetánszám a gázolajok gyulladási készségét jellemző tulajdonság.

A cetánszámot speciális vizsgáló-motorban határozzák meg amely során a vizsgált gázolaj gyulladási hajlamát összehasonlítják cetánból (cetánszáma=100) és α-metil-naftalinból (cetánszáma=0) álló szénhidrogén elegy gyulladási hajlamával. Azonos gyulladási hajlam esetén az összehasonlító elegy térfogatszázalékban mért cetán tartalma adja meg a vizsgált gázolaj cetánszámát.

A cetánszám mérését szabványos egyhengeres vizsgálómotoron (pl. CFR, BASF), állandó gyulladási késedelemmel és változtatott sűrítési nyomással (de nem sűrítési viszonnyal!) határozzák meg.

  A vizsgálómotor főbb adatai: egyhengeres, örvénykamrás dízelmotor, párologtató hűtéssel.
 Furata 95 mm, lökete 120 mm, lökettérfogata 850 cm³. A sűrítési arány állandó, ε = 18,5.

A tüzelőanyag-ellátás két, választható kalibrált mérőedény valamelyikéből történik, az adagolószivattyú szállítási mennyisége pontosan beállítható. A befecskendezés kezdetét a porlasztótű mozgását érzékelő induktív útadó, az égés kezdetét a hengerfejben lévő induktív adó jelzi, a két adó jele közti időtartam a gyulladási késedelem.

A szívócsőben Venturi-csöves áramlásmérő van, melynek legszűkebb keresztmetszetéhez depressziómérő csatlakozik. Az áramlásmérő után állítható pillangószelep van, amivel a beszívott levegő mennyisége és így a hengernyomás változtatható. Kisebb hengernyomás nagyobb gyulladási késedelmet okoz.

A gázolajok szénhidrogén molekulák összetett rendszeréből állnak össze. A molekulák típusa és a szénhidrogén láncok mérete eltérő, a gyulladási hajlamuk pedig eszerint változik.  

Gázolaj jellemzői – cetánindex

Mivel a cetánszám meghatározása bonyolult és időigényes vizsgálat, bevezették a cetánindex fogalmát.

A cetánindex a gázolaj egyéb tulajdonságaiból – sűrűség, desztillációs tulajdonságok – számítással meghatározott, a gyulladási hajlamra jellemző mérőszám.

CI = 454,74 −1641,416⋅ρ + 744,74⋅ρ² − 0,544 ⋅ t + 97,803⋅ (lgt)²

a képletben ρ a gázolaj sűrűsége 15°C-on,

t a gázolaj közép forrpontja (50 % elpárolgásához tartozó hőmérséklet)

A cetánindex értéke cetánszám növelőadalék hatására nem változik, ezért az adalék motorikus előnyét a cetánindex nem mutatja ki.

A gázolaj cetánszám befolyásolja:

• a motor indíthatóságát,
• a motorjárás keménységét,
• az égési csúcsnyomást,
• a tüzelőanyag fogyasztást,
• a füstgázhőmérsékletet,
• a lerakódásokat,
• a motor füstölését.

Gázolaj jellemzői – sűrűség, zavarodás-pont, CFPP

• A sűrűség az anyag tömegének és térfogatának hányadosa. A kőolajtermékek sűrűsége a hőmérséklettől jelentősen függ, ezért nagyon fontos a meghatározás hőmérséklete. 1992-óta 15°C-on kell a kőolajiparban a sűrűséget meghatározni.

A dízelmotorok adagolószivattyúja adott térfogatot fecskendez be, ezért ha nagyobb a hajtóanyag sűrűsége, nagyobb a bevitt energia és ezáltal a motor teljesítménye.

A sűrűség növelésével azonban romlik a porlasztás minősége, nő a gépjármű emissziója, és kedvezőtlenül változnak a gázolajok egyéb alkalmazástechnikai tulajdonságai is, mint például a hideg-felhasználási jellemzők.

• A zavarosodás-pont az a hőmérséklet, amelynél a gázolajat a vizsgálati eljárás körülményei között lehűtve megkezdődik a paraffinok kiválása. A gázolaj zavarosodása nagyobb hideg esetén természetes jelenség, közvetlen üzemzavart nem okoz.
• A CFPP (Cold Filter Plugging Point) az a legalacsonyabb hőmérséklet ahol a gázolaj a teszt körülményei között a vizsgálati szűrőn átszűrhető. A CFPP érték jobban megközelíti a gázolajok hidegben történő felhasználásának határát. A téli gázolajok előállításánál a hideg-felhasználási tulajdonságok javítására használnak folyásjavító adalékokat. Ezek hatásmechanizmusa abban áll, hogy a keletkező paraffin kristályok növekedését gátolják.
• Egyes társaságok használnak ún. paraffindiszpergátor adalékokat is, ezek feladata a korlátozott méretű paraffin kristályok kiülepedésének megakadályozása.

Gázolaj jellemzői – kéntartalom, aromástartalom

A kőolajtermékek természetes alkotóeleme a kén. A gázolaj kéntartalmának csökkentését elsősorban a gépjárművek emissziójának csökkentése indokolja, kén-oxidok jelentősen terhelik a környezete (savas esők), de fontos korlátozásuk amiatt is, mert a katalizátoroknak ártanak ezek a vegyületek. A kéntartalom csökkentésével a gázolajok kenőképessége jelentősen csökken, a megfelelő kenőképességről adalékolással kell gondoskodni.

A gázolajok aromástartalmának, különösen a policiklikus aromások mennyiségének csökkenésével jelentősen csökken a dízelgépjárművek részecske kibocsátása és ezen belül az erősen rákkeltő hatású policiklikus aromások mennyisége. Az EU előírások maximálják a gázolajok többgyűrűs aromás szénhidrogéntartalmát, ennek bevezetése a jövőben Magyarországon is várható.

Gázolaj jellemzői – korrozív hatás, kenőképesség

Korrozív hatás csökkentése a gázolajok esetében azért szükséges, mert a forgalmazás és a felhasználás során érintkeznek a szállító eszközök és a gépjárművek szerkezeti anyagaival.
A tiszta szénhidrogének nem korrozívak azonban a gázolajban előforduló aktív ként tartalmazó és savas jellegű (pl. nafténsavak) vegyületek, különösen a rézzel szemben mutatnak korrozív tulajdonságokat.
A kémiai reakcióban keletkező vegyületek az üzemanyag ellátó rendszerben jelentős kopásokat okozhatnak.
A gázolajok korróziós tulajdonságainak javítására korróziós inhibitorokat alkalmaznak.
Gázolajok kenési tulajdonságainak fontos jelentősége van a motorok befecskendező szivattyúinak kenésében.
A kenési funkciókat a gázolajban lévő természetes anyagok látják el, mint pl. a poláris felületaktív anyagok, heteroatomot tartalmazó vegyületek (kén, nitrogén, oxigén) és heterociklusos aromások. Az utóbbi évtizedekben bekövetkezett termék fejlesztések, különösen a kéntartalom csökkentése nagymértékben rontották a gázolajok kenési tulajdonságait és ez a tendencia a további kéntartalom csökkentéssel még inkább fokozódik. A mai korszerű dízel hajtóanyagok megfelelő kenési tulajdonságait csak korszerű kenőképesség-javító adalékok használatával lehet elérni.

Gázolaj jellemzői – viszkozitás

Gázolajok minősítésénél a kenőképességet a viszkozitással illetve a kopási tulajdonságokkal jellemzik.
A viszkozitás jelentősége a gázolajok esetében a porlaszthatóságban és a keverékképzésben van.
A gázolajok kenőképességét laboratóriumi módszerrel lehet meghatározni. Több módszert is alkalmaznak a világban a gázolajok vizsgálatára, ezek:

• HFRR (High Frequency Reciprocating Rig),
  • SRV,
  • SLBOCLE (Scuffling Load Ball on Cylinder Lubricity Evaluator).

Az EU-ban és Magyarországon a HFRR módszer (ISO 12156-1) az előírás, a megengedett kopásérték 460 μm.

Gázolaj jellemzői – forrpont, oxidálódás, megújuló részarány

A gázolaj különböző szénhidrogének elegye. Ezért nem jellemezhető egyetlen forrásponttal, hanem forráspont tartománnyal vagy forráspont görbével. A gázolajok desztillációs tulajdonságait szabványos ún. ASTM desztillációval határozzák meg az átdesztillált térfogat hányadokhoz tartozó hőmérsékletek megadásával. A gázolajok forráspont görbéjének tartománya és lefutása alapvetően befolyásolja az egyéb jellemzőket, mint pl. a sűrűség, viszkozitás, hidegviselkedési tulajdonságok, lobbanáspont. A gázolajok kezdő forrpontja szorosan összefügg a lobbanásponttal, ami elsősorban a tárolás szempontjából nagyon fontos biztonságtechnikai előírás.

A gázolajokban lévő reakcióképes vegyületek tárolás során oxidálódhatnak és polimerizálódhatnak, aminek során oldhatatlan gyantaszerű vegyületek keletkezhetnek. Ezek jelentős mértékben hozzájárulhatnak üledékek kialakulásához, a szűrők eltömődéséhez és az égéstérbe kerülve kokszszerű lerakódások keletkezhetnek belőlük. A lerakódások csökkentik a motor teljesítményét és növelik a fogyasztást és az emissziót.

A gázolajok oxidációs stabilitásának növelésére adalékokat alkalmaznak, amelyek növelik a termék tárolási stabilitását és megakadályozzák a tüzelőanyag-ellátó rendszer műanyag alkatrészeinek roncsolódását.

Gázolaj megújuló részarány teljesülésére Magyarország 2020-ra vonatkozó minimális értéket nem, csak a forgalomba hozott üzemanyagokra vonatkozóan írt elő teljesítési kötelezettséget: összesen 8,2 et%-ot kell elérni.   

VII. FÖLDGÁZ

Földgáz felhasználás

A gáz hőfejlesztésre és áramtermelésre régóta használt energiahordozónk, mely jelenleg a szén és a kőolaj után a harmadik legnagyobb mértékben biztosítja a mai ember energiafelhasználását. Sokáig a kőolaj kistestvéreként kezelték és árazták azonban a kitermelési technológia fejlődésével, az exportőrök számának növekedésével és további diverzifikációk miatt a földgáz mára elszakadt a kőolajtól, kereskedelmét, árazását eltérő fundamentumok határozzák meg.

• A földgáz esetében jellemzően metánról (CH₄) beszélünk, azonban a kitermelés során számos további szénhidrogén molekulát találunk a gázban, jellemzően etán (C₂H₆), propán (C₃H₈), bután (C₄H₁₀) és pentán (C₅H₁₂) keveredésére lehet számítani. Ezen túl a kitermelőhelyek különböző arányban inert gázokat (pl. CO₂, N) is nyújtanak.
• A „klíma harcosok” a földgázra mint átmeneti fosszilis energiahordozóra tekintenek, annak ellenére, hogy 50 százalékkal alacsonyabb CO₂ kibocsátást eredményez a legfőbb áramtermelő energiaforrásnál, a szénnél. De a valós értéke a tiszta, károsanyag szennyezéstől mentes égése, mivel a metán tökéletes égése során részecske nem keletkezik, NO_x terhelés is csak kis töredéke más szénhidrogén felhasználásnak. Emellett azonban korlátlanul képes a megújuló forrásból származó metánt befogadni, mellyel akár így teljes mértékben is kiválthatóvá válik.

Földgáz szállítása – csővezetéken

A földgázt a mai napig bővülő, nagynyomású szállító vezeték rendszer segítségével juttatják el a termelő helytől a fogadó országig, ahonnan kisebb nyomású elosztó csővezetékek biztosítják a fogyasztók kiszolgálását.

A szállító vezetékek létesítése nagymértékben függővé teszi mind a termelői, mind a fogyasztói oldalt, részben a nagyon magas beruházási költségeknek és a javarészt hosszú megvalósítási időnek köszönhetően. A jellemzően sok országon keresztül haladó szállító vezeték projektek megvalósítását természetesen a politikai nézetkülönbségek is sokszor ellehetetlenítik. A képen az erős kritikák mellett épülő Nord Stream 2 csővezeték, melynek üzembeállása egyértelműen csak Németország és a kitermelő Oroszország érdekeit szolgálja.

Földgáz szállítása – LNG állapotban

Újabb kitermelőhelyek és fogyasztók belépését a nem éppen új cseppfolyósítási technológia biztosítja. Bár az LNG már az 1960-as évektől összeköti az exportáló és importáló feleket, azonban az elmúlt nem egészen másfél évtized gázkitermelési forradalma mellett a szállítást diverzifikáltabbá tevő LNG rohamos terjedése történik, 2019-ben 13%-os kereskedelmi növekedés volt a megelőző évhez képest. Az LNG polgáriasodása segít az egyéb ágazatokban, így a közlekedésben való elterjedésben.  

A legelső dedikáltan LNG szállítás céljára épült tanker – Methane Princess – 27.400 m3 térfogattal 1964-ben kezdett dolgozni.

Ma a katari Q-Max hajók a legnagyobbak, 266.000 m3 térfogattal rendelkeznek.

2019 végén 541 aktív LNG tankerhajót tartottak nyilván, az évi 8,4 %-os bővülés jól mutatja az iparág intenzív növekedését.

Földgáz jellemzői

A gázok fontosabb energetikai, tüzeléstechnikai jellemzői a következők:

• gázösszetétel,
• relatív sűrűség,
• égéshő vagy felső fűtőérték,
• fűtőérték vagy alsó fűtőérték,
• Wobbe-index,
• Metánszám
• érzékelhetőség
• gyulladási, öngyulladási hőmérséklet
• harmatpont
• forrpont, olvadáspont, kriogén állapot

Földgáz jellemzői – gázösszetétel

A gáz alkotóinak energetikai, tüzeléstechnikai jellemzői jelentősen eltérnek vagy eltérhetnek. Ezért a gáz összetételét az egyik meghatározó jellemzőnek kell tekinteni. Meghatározása az adott, szennyező anyagoktól mentes gázkeverék, kémiailag egynemű alkotóinak térfogataránya vagy térfogatszázaléka alapján történik, erre szolgálnak a kromatográfok. Mértékegysége: tf%, m³/m³. Az összetevők részarányát mérés útján lehet meghatározni.

Földgáz jellemzői – tapasztalható összetétel és tulajdonság eltérések

A földgáz elosztói hálózatban szállított gáz sem állandó összetételű, hanem az elosztást végző szolgáltató szervezet a rendeletileg meghatározott kereteken belül igyekszik tartani a gáz tulajdonságait, elsősorban az energiatartalmát, a gázösszetételét módosítva. A táblázat két eltérő budapesti helyszínen deklarált néhány napos eltéréssel mutatja a gázösszetételt és néhány tulajdonságát.

A színes értékek kiugró összetétel változást mutatnak, a megemelkedett inert tartalom ellensúlyozása érdekében a nagyobb szénhidrogén láncok, etán, propán, bután hozzáadásával ellensúlyozta a szolgáltató az összetétel változást annak érdekében, hogy az energiatartalom ne változzon, ettől azonban még a motorikus szempontból fontos wobbe szám és a kompressziótűrő képesség jelentős mértékű csökkenése volt tapasztalható.

Földgáz jellemzői – relatív sűrűség

A relatív sűrűség az adott állapotú gáz vagy gázkeverék és ugyanazon állapotú levegő sűrűségének hányadosa:

ahol        ρ_kev = az adott gáz vagy gázkeverék sűrűsége

                ρ_lev = a levegő sűrűsége (1,2928 kg/m³)

Az állapottól független számérték jelölése:       

d, mértékegysége: –

Egy keverék relatív sűrűsége az alkotóinak relatív sűrűségéből számítható a következők szerint:

ahol        d_i = egyes alkotók relatív sűrűsége

                r_i = a keverék alkotóinak térfogataránya.

A gáziparban döntő mértékben nem ideális gázkeverékek fordulnak elő. Ennek ellenére az az alapvető gáztörvény, amely szerint azonos állapot esetén a moláris térfogat az anyagi minőségtől független itt is érvényes.

Ugyanannak a gázmennyiségnek a térfogata a nyomás és a hőmérséklet függvényében jelentősen változik, ezért az egyértelműség és az adatok összehasonlíthatósága érdekében a gázok térfogatát az úgynevezett normálállapotra vonatkoztatva célszerű megadni.

A normál állapotot a normál hőmérséklet (t_n=0 °C; T₀=273,15 °K) és normál nyomás (p_n=101,325 kPa) jellemzi.

A Standard köbméter [Sm³] normál állapotban meghatározott, míg

a Normál köbméter [Nm³] normál nyomáson, azonban 15°C hőmérsékleten kerül meghatározásra.

Földgáz jellemzői – égéshő, felső fűtőérték

Égéshő, vagy felső fűtőérték [Hs; GCV (Gross Calorific Value); HHV (Higher Heating Value)]

Az energiahordozók megfelelő hőmérsékleten, a levegő oxigénjével történő egyesítésükkor jelentős hő szabadul fel. Az égéskor felszabaduló hőmennyiség egysége: Joule (J, kJ, MJ). Az égés intenzitás jelző faktora a hőmérséklet, egysége: Kelvin (K) vagy Celsius-fok (°C).

Az energiaforrások egyik fontos jellemzője, ami a hajtó és tüzelőanyagok energiatartalmának mérőszáma.A gáz energiahordozókra vonatkozóan a jellemző definíciója a következő:

A felső fűtőérték az a hőmennyiség, amely normál-állapotú gáz egységnyi mennyiségének levegő (vagy oxigén) jelenlétében történő tökéletes elégésekor felszabadul, ha az égéstermékek a kiindulási hőmérsékletre hűlnek le, és a keletkezett víz, cseppfolyós halmazállapotban van jelen. Mértékegysége: MJ/Nm³; MJ/kg; kJ/mol.

A definícióval összhangban a gáz és a levegő hőmérséklete az elégetés előtt és az égéstermékek hőmérséklete az elégetés után egyaránt 20°C. Továbbá tüzelőanyag széntartalma szén-dioxiddá a kéntartalma kén-dioxiddá ég el, és a tüzelőanyag és a levegő eredeti nedvességtartalma és a hidrogén elégetéséből származó víz az elégetés után 20°C-on cseppfolyós halmazállapotú.

Földgáz jellemzői – alsó fűtőérték

Fűtőérték, vagy alsó fűtőérték [Hi; NCV (Net Calorific Value); LHV (Lower Heating Value)]

Az energiaforrások másik fontos energetikai jellemzője, melynek a jellemző definíciója a következő:

Az alsó fűtőérték az a hőmennyiség, amely normál-állapotú gáz egységnyi mennyiségének levegő (vagy oxigén) jelenlétében történő tökéletes elégésekor felszabadul, ha az égéstermékek a kiindulási hőmérsékletre hűlnek le, és a keletkezett víz, gőz halmazállapotban van jelen. Mértékegysége: MJ/Nm³; MJ/kg; kJ/mol.           

Mindkét jellemző a gázkeverékek esetében az egyes alkotókra vonatkozó mennyiségekből számítható a keveredési szabály szerint:

ahol:

• r_i = a keverék alkotóinak térfogataránya;
• H_Si, H_Ii = a keverék alkotóinak égéshője, illetve fűtőértéke.

Földgáz jellemzői – Wobbe index

A név Goffredo Wobbe olasz fizikusról származik aki 1927-ben az alábbi felfedezést osztotta meg:

• A gázégők hő teljesítménye adott állandó nyomás és állandó nyílás mérete esetén arányos az időegység alatt égéstérbe beáramlott keverék térfogatával;
• Egy adott nyílás méret és állandó nyomás mellett az áramlási sebesség arányos a gáz relatív sűrűségével;
• A gáz fűtőértéke arányos a gázkeverék relatív sűrűségével.

A földgáz iparban a gázok minőségének, illetve a csereszabatosságuk, felcserélhetőségük, (interchangeability) meghatározásában a Wobbe indexnek kitüntetett szerepe van. A gázellátásban, a gázkereskedelemben fontos minőségi indikátorként használják. Definíciója a következő:

A Wobbe Index (WI) az adott felületen és nyomáson az égetőeszközbe beáramló gázkeverék által termelt fajlagos hőmennyiség mértéke. Mértékegysége: MJ/Nm³; MJ/kg; kJ/mol

Értékét, – a megadott referencia körülmények mellett, – a felső fűtőérték és a relatív sűrűség négyzetgyökének hányadosa adja:

A Wobbe index meghatározás egyik lehetséges elve a katalitikus égetés utáni oxigén maradék meghatározása.

A gáz-levegő keverék egy elektromos fűtésű katalitikus égetőben 800°C körüli hőmérsékleten teljes mértékben elégetésre kerül. A maradék oxigén egy cirkónium dióda segítségével, nagy pontossággal megmérik. Ez az oxigén maradék mennyisége jól korrelál a gáz Wobbe index értékével, másrészt módot ad az égéshez szükséges levegő pontos mérésére is.

A kimeneti kalorikus értékek mérési pontossága a keverék sűrűségét szabályzó, és az opcionálisan választható cella típusától függ.

Földgáz jellemzői – Metánszám

A Metánszám [MN] a földgáznak a belsőégésű motorokban való felhasználásában nyújt segítséget, hasonlatosan a benzin oktánszámához. Mivel azonban a tiszta metán oktánszáma 130 körüli, a benzin oktánszám megállapítására vonatkozó aránypár használata nem járható út. De amiatt is szükséges volt kidolgozni egy alternatív számítási módszert, mivel a gázok összetétele változik és ez határozza meg a kompressziótűrő képességét. Leiker és Társai 1971-ben elsőként adták meg a Metánszám meghatározásának módszerét a gáz fő komponenseinek összetétele alapján:

A belsőégésű motoroknál a termikus hatásfok emelése érdekében a Kompresszió növelése a cél, ennek az üzemanyag kompressziótűrése szab határt. Emiatt a motorgyártók meghatározzák, milyen tág határok között változhat a MN, vagyis a földgáz üzemanyag összetétele.

A jelenleg használt modern MN meghatározási számítások csekély mértékben eltérő eredményt jeleznek, így az alkalmazott algoritmus nevét is megadjuk az érték mellé. Az üzemanyag értékesítés láncolatában az MN garantálása fontos minőségbiztosítási szempont. 

Földgáz jellemzői – érzékelhetőség

A földgáz alapvetően színtelen és szagtalan gáz, mely a levegőnél könnyebb. Ez utóbbi tulajdonsága jelentősen megkülönbözteti a propán és bután gázok elegyétől, melyek a levegőnél nehezebb gázok. Így tehát, míg a PB-gázok lefelé szállva, a levegőt alul szorítják ki és ezzel nem csak gyúlékony keveréket alkotnak, de fulladásveszélyt is eredményeznek, addig a földgáz elillan. Azonban a kibocsátási forrás környékén az 5-15 % arányú gáz-levegő keverék gyúlékony keveréket alkot. Amennyiben a keverék begyullad, úgy az lángfrontot alkotva terjed, míg kellő gáz utánpótlás áll az égéshez rendelkezésre.

Emiatt a földgáz levegőben való jelenlétét észlelni szükséges. Biztonsági okokból a földgáz elosztó vezetékekben a gázt mesterségesen szagosítják, hogy ezzel lehetővé váljon az észlelhetősége. Az LNG-szakosítására azonban egyenlőre nem rendelkezünk a kriogén hőmérséklet tartományra alkalmas anyaggal.

Az LNG esetében arra is figyelemmel kell lenni, hogy a kriogén folyadék és folyadék felszínről kilépő gőz halmazállapotú metán is nehezebb a levegőnél, így melegedés közben a molekulák emelkednek, keveredni a levegővel csak akkor kezdenek, amikor sűrűsége már felmelegedett a levegő sűrűségének szintjére. Így tehát alulról a levegőt kiszorítja, mely a PB-hez hasonló oxigénhiányos, fulladásos tünetet okozhat. Az LNG szivárgásának, jelenlétének korai észleléséhez metán érzékelő készülékek telepítésére van szükség. 

Földgáz jellemzői – gyulladáspont

A gyulladás az égési folyamat megindulása külső gyújtóforrás hatására, vagy anélkül. A gyulladáspont vagy öngyulladási hőmérséklet az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelynél meghatározott vizsgálati körülmények között az anyagból felszabaduló gőzök és illetve gázok atmoszferikus nyomáson spontán meggyulladnak.

Definíciója:

Az öngyulladási hőmérséklet az a legalacsonyabb hőmérséklet, amelyen a folyadék gőzeinek vagy az éghető gázoknak az oxigén jelenlétében a meggyulladáshoz már nincs szükség külső gyújtóeszközre.

Földgáz jellemzői – harmatpont

Tekintettel a földgáz eltérő összetételére, gépek üzemeltetési biztonsága szempontjából fontos a gázból való nedvesség kicsapódásának (kondenzációjának) elkerülése. A csővezetéken szállított földgázban lévő víztartalom, illetőleg általánosságban a gázban megtalálható hosszabb szénláncú molekulák harmatpontja jelentősen magasabb, mint a metáné, tehát melegebb környezetben kicsapódásra hajlamos. Minél több ezen molekulák részaránya a gázelegyben, annál hamarabb indul el a kicsapódás.

A harmatpont definíciója:

A harmatpont (dew point) a gázelegynek azon hőmérséklete, amelyen az adott nedvességtartalmú gáz telítetté válik és a harmatpont-hőmérsékletnél alacsonyabb hőmérsékleten a víztartalom, vagy más folyadéktartalom kicsapódása, kondenzációja. A harmatpont mértékegysége K, vagy °C.

Földgáz jellemzői – Forrpont, olvadáspont, kriogén állapot

A hőmérséklet és nyomás függvényében a gázok (nevezzük itt az egyértelműség kedvéért légnemű anyagoknak) halmazállapota lehet gáznemű, gőz, folyadék és szilárd (valamint itt nem tárgyalt plazmaállapot). Ha a légnemű anyag hőmérséklete a kritikus hőmérséklet alá kerül, akkor a halmazállapota gőz, ha felette van, akkor az gáz halmazállapotú. A légnemű anyag folyadék és szilárd halmazállapota a kondenzált halmazállapot.

A kritikus ponthoz tartozik:
kritikus hőmérséklet (T_c) és
kritikus nyomás (p_c) továbbá
kritikus térfogat (V_c).

Általában adott hőmérsékleten és nyomáson az adott légnemű anyag csak egy halmazállapotban lehet stabilisan jelen. Ugyanakkor az átalakulások egyensúlyi hőmérsékletén és nyomásán két vagy három halmazállapota is stabilis lehet.  A különböző halmazállapotú és külön fázisban lévő anyagok egymásba történő átalakulását fázisdiagramokon (phase equilibrium) ábrázoljuk. Egy légnemű anyaghoz rendelhető fázisdiagram séma:

A légnemű anyagoknál a fázis diagramon a (környezeti) normál nyomáshoz (1 atm) tartozó azon hőmérsékletet nevezzük forráspontnak (T_b, Boiling point) melynél a gőz halmazállapotból kondenzáció során folyadék halmazállapotba lép át.

Olvadáspont (T_m, Melting point) az a hőmérséklet a fázis diagramon, mely ponton a légnemű anyagra jellemző fázis diagramnak folyadék-szilárd halmazállapot egyensúlyi görbéje metszi a gőz-folyadék halmazállapot egyensúlyi görbét. Vagyis az a pont, melynél hidegebb hőmérsékleten a folyadék fázis nem tartható fenn.

A kriogén szó a görög krio, azaz hideg eredetű. Nincs definiált hőmérséklet határa, azonban széles körben nevezzük kriogén folyadék állapotnak a légnemű anyagok folyadék halmazállapotát, amennyiben a forráspont 100-150 K-nél hidegebb hőmérsékleten van. 

Néhány fontosabb gáz T_m, T_b, T_c hőmérsékleti és p_c nyomásérték jellemzője az összehasonlíthatóság érdekében:

*pirossal a kriogén gázok,

**adatok forrása: Perry’s Chemical Engineers’ Handbook

Földgáz cseppfolyósítás

A földgáz nem csak rendkívül kedvező felhasználási tulajdonságokkal felvértezett, bőséggel rendelkezésre álló energiaforrásunk, de a fizikai tulajdonságai is segítségünkre van abban, hogy a kitermelő és a fogyasztó között hatékonyan és olcsón szállíthassuk. A szállító vezetékek jellemzően 70 bar nyomással üzemelnek, melynél nagyobb 200, vagy 250 bar névleges nyomással is tárolunk palackokban, valamint szállítjuk a sűrített földgázt. Így használják a CNG járművek is üzemanyag célra a földgázt.

A nagymennyiségű hatékony – vezeték nélküli – szállítás érdekében a földgáz cseppfolyósítása terjedt el.

A metán T_b = -161,5°C hőmérsékleten cseppfolyósítható és 79°C-al melegebben lévő kritikus pontja kellően tág teret enged a folyadék fázis hosszútávú fenntartásához, ami az üzemeltetéshez kedvez. Belsőégésű motorok üzemanyag ellátásához kismértékű nyomást, pl. 8 bart alkalmazunk.

Az equilibrium görbét szemlélve láthatóvá válik, hogy a földgáz az 1 barhoz tartozó T_b = -161,5°C hőmérséklet és a kritikus ponthoz tartozó T_c =-82,6°C közötti 79°C nagyon széles tartományban engedi a metán felhasználását. Nem kevésbé hasznos hogy a cseppfolyósított földgázban a metán mellett még megtalálható pár százalékos etán és a többnyire 1 százalék alatti propán és bután gázok kritikus pontja még melegebb hőmérsékleten található.

Ennek a széles hőmérséklet tartományban tarthatóságának a cseppfolyósított hidrogénnel, mint energiahordozóval való összehasonlításakor mutatkozik a tárolhatóságban rejlő óriási előnye.

LNG virtuális csővezeték

A cseppfolyósítás tradicionálisan a termelő és az import terminál közötti földgáz tankerhajós szállítás céljait szolgálja. Azonban az elmúlt két évtizedben az ipari és közlekedési célú direkt felhasználása előtt is megnyílt az út. Az LNG ugyanis az olajtermékekhez közeli volumetrikus energiasűrűsége révén közúton épp úgy tartálykocsiban, vagy ISO konténerben szállítható, ahogyan a gázolaj, vagy a benzin. A különbség azonban, hogy bármely baleset esetén nem kell környezeti katasztrófára számítani, mint egy olajszállítónál.

Az LNG közvetlen felhasználásához disztribúciós és tároló kapacitás, valamint újra gázosító technológia létesítésére van szükség. A közlekedés ellátása esetén az LNG közvetlen kiszolgálása valósul meg. További lehetőségként a CNG járművek feltöltése is lehetővé válik az LNG helyi újra gázosítását követően. Ehhez a hőmérséklet emelkedésével járó térfogat növekedést szükséges korlátozni és ezáltal a kívánt nyomás elérhetővé válik.

Magyarország első LNG létesítménye az LNG & LCNG járműtöltő állomás M0 Szigetszentmiklós pihenőben, megnyitása 2019 nyarán volt.

Alacsony karbon-tartalmú földgáz

A metán molekulákban a C:H aránya minden más szénhidrogén üzemanyagénál alacsonyabb, ennek eredményeképpen a kipufogón távozó CO₂ mennyisége is a legkedvezőbb. Az üvegházhatású gázkibocsátás csökkentésére irányuló törekvések eredményeként két évtizede fejlesztettek ki egy még kedvezőbb hajtóanyagot, a hythane-t, a hidrogénnel dúsított metángázt.

Egészen a 30 tf%-ig adagolható a hidrogén a metánhoz, így drasztikusan csökkenthető a TTW emisszió. A svájci EMPA által felvázolt LCF (Low Carbon Fuel) üzemanyag koncepció szerint 70 százalék földgázhoz kevert 20 % biometán és 10 százalék hidrogén egy 160 g CO₂ kibocsátású benzines autó emisszióját 90 grammra csökkenti úgy, hogy a mai infrastrukturális és energiahordozó széleskörű rendelkezésre állás keretfeltételei is biztosítottak. Ti. Svájcban és Európa már sok nyugati államában a biogáz 20 százalék körüli töltőhelyhez közeli rendelkezésre állása már nem kérdés, míg a 10 százaléknyi hidrogén fenntartható — CO₂ mentes — helyi előállítása napcellákkal termelt áram vízbontással könnyen megoldható. A Hythane térnyerése nem csak az üvegházhatású gázkibocsátás csökkenésének hasznával járna, hanem a hidrogén infrastruktúra terjedésében is segíthet, ami a hidrogénnel hajtott járművek bevezetésének egyik fő akadályát képezi. A hidrogén hatására a lángterjedési sebesség magasabb, ez megfelelő adaptációt igényel, de nagyobb termikus hatásfokhoz vezethet.

VIII. HIDROGÉN

A hidrogéngáz jellemzői

A hidrogén molekula a mai dekarbonizációs politika középpontjában áll, annak ellenére, hogy a hidrogén nem energiaforrás és felkészültségi szintünk semmilyen téren nem éri el a széleskörű energetikai elterjedéséhez szükséges mértéket. A szoláris, biológiai, vagy elektromos forrásból származó elemi hidrogén előállítása több energiát igényel, mint amennyi az elégetésével nyerhető, ezekben az esetekben a hidrogén energiahordozóként funkcionál; hasonlatosan az akkumulátorhoz.

A H₂ molekula rendkívül kis méretű ami számos probléma, baleseti kockázat forrása. A hidrogén sok fémben oldódik és azon túlmenően, hogy elszivárog, kedvezőtlen maradandó hatással lehet rájuk; ilyen hatás például a hidrogén-elridegedés, amely repedésekhez és végül robbanáshoz vezethet. A hidrogén a tárolóedény falának és illesztésének legkisebb repedésén keresztül is átszivárog. Az olyan tartályok, amelyek más anyagok számára gáztömör tárolást képesek biztosítani, a hidrogén számára nem biztos, hogy megfelelnek.

A folyékony hidrogén és a sűrített hidrogéngáz egységnyi térfogatra vett energiasűrűsége bármely megvalósítható nyomáson lényegesen kisebb, mint a hagyományos üzemanyagforrásoké; jóllehet az egységnyi tömegre vett energiasűrűsége többszöröse.

A hidrogéngáz előállítása

Úgy tudjuk, a hidrogén egyatomos formában a világegyetem leggyakoribb kémiai eleme, a föld felszínének pedig harmadik leggyakoribb eleme, azonban a föld légkörében és felszínén önállóan sem a H₂ kétatomos molekula csak nagyon ritkán fordul elő. A legtöbb elemmel vegyületet képez. Kis tömege miatt a H2 molekula a földi gravitációs térből való kilépésre is képes, amely tulajdonsága miatt vigyáznunk kellene a meglévő készleteinkre.

A hidrogén molekula előállítására számos módszer áll rendelkezésünkre. A hidrogén előállításának egyszerű módja a víz elektrolízise. A vízbe alacsony feszültségű áramot vezetve, oxigéngáz képződik az anódon, illetve ezzel egyidejűleg hidrogéngáz képződik a katódon. 2 H₂O à 2 H₂ + O₂  A folyamat jelentős energiabevitelt igényel, ami az eljárást drágítja. A kémiai folyamat visszafordítható, mely során áram termelődik, ez a tüzelőanyagcella működésének alapja.

Gazdasági szempontból a szénhidrogénekből és leginkább a metánból reformálással történő kinyerése életszerű, bár ez utóbbi is messze áll a széleskörű energetikai felhasználáshoz szükséges költségszerkezettől, míg azonban a vegyipar számára ez kedvező alapanyag lehetőséget nyújt. A földgáz reformálás során magas hőmérsékleten (1000–1400 K, 700–1100 °C) a vízgőz (vízpára) reagál a metánnal, így szén-monoxid és dihidrogén keletkezik: CH₄ +H₂O à CO + 3 H₂  Ebben a folyamatban keletkező gáz az ún. szintézisgáz. Melyből további szénhidrogén molekula csoportok állíthatóak elő.

A folyamat visszafelé is működik: CO₂ + 4 H₂ à CH₄ + 2H₂O

A hidrogén előállítására és felhasználására vonatkozóan számos projekt jött létre az elmúlt legalább 4 évtizedben, ami óta a hidrogén energetikai hasznosítását próbálják a kísérleti, utóbb demonstrációs szintről a nagyüzemi szintre transzformálni. A hidrogén energiahordozó életciklusának lehetőségeit jól mutatja ez a projekt ábra. Ezidáig gazdaságilag önállóan működőképes projekt nem került napvilágra.

Megújuló áram tárolása gázban

A „korlátlan” megújuló energiaforrás fogyasztói rendszerbe állításához biztosítani kell az időjárástól függő termelés és a fogyasztási profil eltérésének kiegyensúlyozását, ahogyan arról a III. fejezetben szó volt.

Vagyis a teljesítmény púpok elraktározását és szükség szerinti visszanyerését volna szükséges megoldani, amelyhez akkumulátorok teljesen hatástalanok, a vízszivattyús energiatárolás pedig csak korlátozott számú területen oldható meg. A feladatra az összes energia tárolói technológia közül kizárólag a gáztárolók nyújtanak egyedül elégséges kapacitás méretet.

A feleslegben termelt villanyáramból vízbontással hidrogén előállítás és a tárolt hidrogénből a tüzelőanyag cellákon újra áram fejlesztése lehetséges, bár ez a folyamat alig éri el a 30 százalékos összhatásfokot, miközben a legnagyobb gondot a minden egyéb energetikai megoldásnál lényegesen magasabb beruházási költség jelenti, miközben az eszközök csak a túltermelési időszakokban működnek, tehát a kapacitás töredékében üzemelnek. A technológia másik Achilles sarka a hidrogén fejezetben taglalt molekula körülményes tárolhatósága.

A „Power-to-Gas” (PtG) rendszer egy további lépést kínál. Az Audi Werlte 6 MW-os demonstrációs méretű üzeme ennek a rendszernek legalábbis működő képességét, ha nem is gazdaságosságát jól igazolta. A villanyárammal a vízbontás során nyert hidrogént és a szomszédos biogáz üzemben a biogázból leválasztott széndioxidot egy katalizátor segítségével metán fejlesztésre konvertálják. Ezt a szintetikus gázt (e-gas néven is hívják) a gázcső hálózatba korlátlan mennyiségben lehet injektálni. A sokmilliárd köbméternyi földalatti tárolók pedig lényegében korlátlan energiahordozó tárolási lehetőséget biztosítanak. Eddig a pontig az Audi üzeme 60 % közeli hatásfokot mutatott fel, míg még nagyobb üzemekről szóló tervek a 60 %-ot felülről közelítő hatásfokról beszélnek. A metán árammá konvertálása visszafelé jól ismert és probléma nélküli folyamat, 50 % körüli hatásfok elérhető, hőfejlesztés kihasználása esetén ez 85 %-ot is elérheti.

A közlekedés és más ipari felhasználás számára három energiahordozó féleséget kínál egyszerre a rendszer: a villamos töltést, a helyi hidrogén felvételt (tankolást) és a hálózatból a CNG, esetleg cseppfolyósító létesülése esetén az LNG töltését is.

Hidrogén a „karbonmentes” energiahordozó

A hidrogén képében a karbonmentes energiahordozó délibábját kergetjük évtizedek óta.

A valóságban a H₂ csak a TTW szemlélet szerint karbonmentes.

Bár létezik olyan H₂ előállítási útvonal is, amelynél az előállítás során is, tehát a teljes energetikai körfolyamatra kijelenthető karbonmentes, vagy ahhoz nagyon közeli energiabevitel (felhasználás), azonban ezen utak ésszerű gazdasági alapja ma még távolról sincsen.

A hidrogén költsége

Ha az üvegházhatású gázkibocsátás csökkentését gazdasági szempontok szerint vizsgáljuk és a költség ráfordítást szembe állítjuk az elkerült emisszióval, igazán figyelemreméltó eredményre jutunk.

A hidrogén hatékony felhasználására a PEM típusú cellák ígéretesek. De itt is évtizedek óta várjuk az ipari áttörést.

Hidrogénből eredő kockázat

A hidrogén közvetlen energetikai felhasználásához a gáz rendkívül alacsony sűrűsége természetes környezetben alkalmatlanná teszi, ezért sűrítéshez folyamodunk. 700, illetve 350 baros nyomású tárolás és közlekedési célú felhasználás terjedt el. A gáz szállításához szokásos eljárás még a földgázvezetékbe való injektálása is. Tömeg alapon a hidrogén nagyon magas, a metánnál mintegy 2,5-szeres energiatartalommal rendelkezik. A hidrogén veszélyei között gyúlékonysága talán a legjelentősebb. 5 és 75 százalék közötti gáz-levegő koncentráció meggyújtható és olyan csekély energia elégséges hozzá, mint a benzin-levegő keverék benyújtási energiájának 40-ed része! Az sem kevéssé teszi veszélytelenné, hogy a lángja magas hőmérsékletű, átlátszó, tehát

észrevehetetlen, viszont terjedési sebessége környezeti nyomáson 5-6 Mach. Balesetek származtak a felszabaduló hidrogén által előidézet nyomáshullámból, detonációból is.

Mivel a hidrogén szivárgás észlelésére más lehetőség nincsen, hidrogén érzékelő rendszert kell alkalmazni minden alkalmazásnál.

IX. BIOENERGIA

Karbonsemleges bioenergia

A karbonsemleges energiahordozók feladata a fosszilis energiahordozók részleges, majd teljesmértékű felváltása. Előbb a fosszilis energiaforrásaink korai kimerülésének okán sürgettük a megújulók elterjedését, utóbb pedig a CO₂ emberi kibocsátás okozta globális felmelegedés réme tartja előtérben a biomassza, a szerveshulladék és a körbe tartozó primer energiaforrások, valamint az azokból előállított energiahordozók felhasználásának intenzív szorgalmazását.

A feladat azonban koránt sem egyszerű. Részben azért, mert a biomassza források iránti kereslet közepette áldozatul esnek addig érintetlen őserdők, esőerdők, melynél a természetes CO₂ megkötő szereplő az áldozat így pont ellentétes hatást érünk el, mint szeretnénk. Hasonló kétségek merülnek fel a termőföld tápanyagának kizsákmányolása, a vízhasználat és további okokból. Emiatt az igénybe vett bioenergia megválasztása nagy körültekintést igényel, lokális értékelés mellett azonban sok esetben pozitív hatással bír. 

Megújuló szénhidrogének és a hidrogén 

Amint az ábra szemlélteti a közlekedés számára rendelkezésre álló energiahordozók nagyon sok félék, ami köszönhető az alkalmazható hajtásláncok széleskörű alkalmazhatóságának is.

Első generációs bioüzemanyagok – etanol

A bioetanol cukor tartalmú növényekből, cukorrépa, cukornád, kukorica vagy gabonából készülő alkohol, legnagyobb arányban a benzint adalékolva használják Otto-motorok hajtásához. Emellett a nagy kompressziótűrésű E-85 jellel árusított etanol üzemanyag a szikragyújtású motorokban tisztán is működik hajtóanyagként. Példaként említhető a nagy etanol termelő ország, Brazília, ahol az E100-as üzemanyag mellett benzint szinte egyáltalán nem használnak, aminek oka az import kiváltása volt. Ritka kivételként említhető a kompresszió gyújtású motorokban való felhasználása is, mely jóval nagyobb kompresszióviszony és egy speciális adalék hozzáadásával válik működővé pl. Scania – ED95-ös üzemanyag. A legnagyobb hazai előállítója a Hungrana, főként kukoricából termel.

Első generációs bioüzemanyagok – biodízel

A biodízelt zöldségolajokból és állati zsírokból állítják elő, általában egy sor zsiradékos metil vagy etil észter-savvá konvertálás után. Korábban kezeletlen nyers olajakat is használtak, mint préselt olajmagvakat. Ásványi dízel adalékolására, kompresszió-gyújtású motorok üzemanyagaként használjuk, de létezik tisztán biodízel célú felhasználás is számos országban. Legnagyobb hazai termelő a komáromi Rossi (MOL csoporthoz tartozik már).

Első generációs bioüzemanyagok – biometán

A biometán lehet szennyvízből, kommunális szemétből képződő gáz, vagy olyan biogáz, mely szerves hulladék – beleértve az állati eredetű trágyát is – anaerob fermentálásával (légmentes erjedés) képződik. A nyers gáz átszűrhető (tisztítás és nemesítés) magas minőségű metánban gazdag üzemanyagot állítva így elő, mely nagyon hasonlatossá válik a vezetékes földgázhoz.

Hazai példa: biometán üzemanyagcélú előállítására a zalaegerszegi szennyvíztisztítómű. A legnagyobb biometán előállítónk a kaposvári cukorgyár, mely a földgázvezetéken keresztül értékesíti a biometán molekuláit. 

Első generációs bioüzemanyagok – kétségek

A bioetanol és biodízel első generációjával szembeni aggályoktól sem vagyunk mentesek, mely körbe a biometán nem tartozik elsősorban a hulladék hasznosítás körkörös gazdaságban megtestesült szerepe miatt.

Ezen kételyek:

1. Emelkedő élelmiszer árak.

2. Relatív alacsony üvegházhatású gáz nyereség, vagy akár a teljes ciklusra vetítve nettó növekedés is

3. Magas széndioxid semlegesítési költség

4. Folyamatos és jelentős állami költségvállalás a bioüzemanyagok gazdaságilag életképességéért

5. Direkt és indirekt befolyása a termőföld használatának változásában és ezzel összefüggésben az üvegházhatású gáz kibocsátásban.

6. Direkt és indirekt befolyása a vízkészlet változásban.

Bármely 1. generációs bioüzemanyag esetében nehézkes ezen pontokat teljes mértékig cáfolni. Kivételt ez alól csak a cukornád képez, melyet már a Brazil példa alapján néhány afrikai és dél-amerikai országban is sikerrel termesztenek. De ez esetben is termőföld használat változás beárnyékolhatja az eredményt.

Fejlettebb módon, a 2. generációs bioüzemanyagok annak a lehetőségét ígérik, hogy a parlagon lévő területek és apró, alacsonyrendű parcellák bevonásával, nem pedig az élelmiszer célú nagy területek elvonásával lehet majd a terményszükségletet – a biomasszát – biztosítani. Kulcskérdés a termőföld hozamának további növekedése, de mindenek előtt az előállítás gazdasági versenyképessége.

Második generációs bioüzemanyagok

A 2. gen. bioüzemanyagok technológiájának sikeres tömegméretűvé fejlesztése, szignifikáns előrelépést kíván meg számos területen; jelenleg még akadályt jelent a technológiai finomításával együtt járó óriási költség, mely egy 2. gen. üzem beruházását legalább egy nagyságrenddel teszi drágábbá, mint egy 1. gen. üzemét. A főbb fejlesztendő területek az alábbiak:

1. A termények hatékonyabb megértése, az alapanyagköltség csökkentése, és az energia növény fejlesztése

2. A biokémiai út technológiájának fejlesztése, a termény előkészítése, enzimek és hatékonyság növelése, valamint költségcsökkentés tükrében

3. A termokémiai út technológiájának fejlesztése, a termény előkészítése, enzimek és hatékonyság növelése, valamint költségcsökkentés tükrében

4. Melléktermék és eljárás integráció

Az ábra a 2. generációs üzemek mutatja, 2010-es állapot szerint

A kétezres években felszökő és tartósan magas szinten lévő kőolaj ár a 2. generációs bioüzemanyag kutatásnak, demonstrációs üzemek elindításának jó táptalajként szolgált. A kőolaj árának felezése és az alá esése azonban a további befektetéseket legalábbis jelentősen lelassította.

Ligno-cellulóz

Ligno-cellulóz botanikus kifejezés olyan fás vagy rostos növényi eredetű anyagot takar, mely lignin, cellulóz és félcellulóz polimerek heterogén mátrixú összekapcsolódásából áll. A cellulóz és a félcellulóz együttes tömege a növényi anyagában fajtánként eltérő arányú, de általánosságban 50-75 %-a a teljes száraz tömegnek, míg a maradék lignin. A cellulóz egyenes láncú glukózokból álló polimer.  A félcellulóz heterogén, mely polimer túlnyomóan xylóz és arabinóz pentózokból és hexózokból áll. A lignin számos fenol komponensből áll melyek a hidrolízis és a cukrok fermentálása során inhibitorként léphetnek fel, azaz a konverziós folyamatot nehezítik.

A mezőgazdasági eredetű termény és hulladék, részben a héj gyakran jelentős mennyiségben kínálja a legalacsonyabb költségű ligno-cellulóz forrást. A héjak, a fafeldolgozó hulladékához hasonlóan, koncentráltan keletkeznek a feldolgozóüzemeknél, amíg más források – mint például a szecska – begyűjtést igényelnek. Egyes növények többféle termék együttes feldolgozását nyújthatják. A repce ültetvény feldolgozásával például sütő olaj, nagy protein tartalmú disznó és baromfi táp keletkezik, de ezen felül a szár 2GBÜ előállításának is alapanyaga.

A ligno-cellulóz összetétel viszonylagosan nem mutat nagy változatosságot az eltérő mezőgazdasági termények esetében. Például az európai és észak-amerikai gabonaszár cellulóz tartalma is a száraz tömeg 35-40 százalékát teszi ki, a félcellulóz 26-27, míg a lignin a 15-20 százalék közé esik. Ehhez jön még némi nem organikus összetevő, mint salak és silica 10-20 %-kos, fás növény esetén pedig 2-5 %-kos mennyiségben.

Biomassza feldolgozás biokémiai úton

A biokémiai konverzió biológiai hatóanyagokat használ: specifikált enzimeket és mikroorganizmusokat a ligno-cellulóz szerkezetének alap polimerekké bontásához. A következő lépés a cellulózok és félcellulózok, beleértve a glükózt és xilózt önálló cukrokká bontása. Ezek a cukrok fermentálhatók etanollá. A folyamathoz alapanyagként használható a mezőgazdasági és erdészeti biomassza, de még számottevő potenciális forrás lehet a városi kommunális hulladék (MSW: Municipal Solid Waste) újrahasznosítása is.

A biokémiai eljárás három alapműveletből áll – az előkészítés, az enzimes hidrolízis és a fermentáció. Az előkészítés lépései között az alapanyag betakarítás, a kezelés, a feldolgozás és szállítás, a biomassza kis és homogén részekké aprítása, a polimerek feldarabolása, az alap lignin komponensek szétválasztása és a végtermék visszanyerése. Az enzimes hidrolízisen áteső cellulózból hexózok, mint pl. glükóz képződik, a félcellulózokból pedig pentózok, zömében xilóz jön létre. Ezáltal a termény teljes mértékig felhasználódik. Ez teoretikailag különböző termékek együttes előállítását teszi lehetővé, azonban az eltérő iparok eltérő termékeket helyeznek a középpontba emiatt a bio-finomítók termékválasztéka a lehetségesnél szűkebb.  Az energia tartalom a ligno-cellulóznál mintegy 20 GJ/száraz tonna. Ha az eljárás hatásfokát nézzük, az 1 tonnából kinyert 2,3-2,6 GJ üzemanyag mindössze 12-15 százalékos minimumot és közel 35 százalékos maximumot jelez a6,3 GJ hozam esetén. Utóbbi a ligno-cellulóz 70 százaléknyi szénhidrát tartalmának elvileg maximális konverziós hatásfokát tükrözi. A szénhidrát-etanollá folyamat egyenlege tehát – laboratóriumi körülmények között – 51 százalékos hatásfokú.

Biomassza feldolgozás termokémiai úton

Szemben a biokémiaival, a termokémiai eljárás a bioüzemanyag termelésnél zömében meglévő, több évtizede használt technológiákra alapoz. Eredetileg az eljárás a szénből folyékony üzemanyaggá és vegyszerekké konvertálására fókuszált (ez a termelés ismét előtérbe kerülhet a kőolaj drágulásával), de jelenleg a leggyakoribb kutatási területe a földgáz készletek felhasználásával kapcsolatos. Ide tartozik a biomassza folyadékká (BTL) konvertálása is.

A termo-kémiai eljárás része a szintézis gáz (syngas) előállítás, melyet többnyire a Fischer-Tropsch (FT) eljárás alá vonás előtt tisztítanak, majd egy sor folyékony üzemanyag változatot állítanak elő.

A termokémiai út a mezőgazdaságból származó száraz ligno-cellulóz alapanyagot, erdészeti terméket, vagy kommunális hulladékot, levegő (vagy oxigén) jelenlétében hőkezelés során választja szét, így az elgázosítással syngas termelődik. Ez a szintézis gáz főként CO-ból és H₂-ből áll, valamennyi CO₂ és metán, valamint magasabb karbon összetevők kíséretében. A generált gázokat kitisztítják eltávolítva a kátrányt, majd átszűrik és a tiszta gázt használatra készen összegyűjtik. Felhasználható kémiai építőkockaként, egy sor üzemanyagfajta formájában, vagy ipari kemikáliaként, beleértve a hosszú szénláncú szintetikus dízelt és a repülőgép üzemanyagot. Ez a BTL eljárás pirolízis, gázosítás és katalitikus konverzió elemeiből áll össze. A pirolízis (melegítés oxigéndús környezetben főként bio-olaj előállítási céllal) és a gázosítás az áramtermeléshez és a katalizálástól független hőtermeléshez energiabevitelként is jelenik meg. A végtermékek potenciális köre bővülhet, ahogy a teljes platformot egy bio-finomítóban implementálják.

Fischer-Tropsch eljárás

Katalitikus kémiai reakció, melyben szénmonoxidot és hidrogént állítanak elő, egy sor folyékony szénhidrogén molekulává (parafinekké) gázosítva olyan szilárd alapanyagokat, mint a szén, vagy a fás biomassza. A fém katalizátorok tipikusan vas és kobalt alapúak, de említendő a ruténium és a nikkel is. A szintézisgáz szénhidrogén üzemanyaggá folyamat képlete:         (2n+1)H₂ + nCO → C_nH _(2n+2) + nH₂O

• Az eljárást 1923-ban dolgozta ki Prof. Franz Fischer és Dr. Hans Tropsch a német Kaiser-Wilhelm Intézet Szén Kutatójában. A szabadalmaztatott eljárást 1925-ben jelentették be. Üzemi méretű fellépése a szénből előállított syngas termelésével történt. A 2. világháború alatt évi 600 000 t folyékony üzemanyagot állítottak elő Németországban szénből.
• Lehet a földgázt is konvertálni, példa a Mobil gázt-benzinné Új-Zélandon alkalmazott eljárása, melyet a ’70-es évek olajár sokkját követően indítottak.
• A Shell a malajziai Bintuluban működtet FT-gázolaj üzemet 1993 óta. Az üzem és a technológia, mint Shell közép desztillációs szintézis (SMDS) ismert. Alapanyagként földgázt használ elsősorban alacsony kéntartalmú gázolaj, valamint élelem minőségű viasz előállításához.

Ipari méretekben jónak számít, ha az eljárás 50 % körüli energetikai hatásfokra képes

Termokémiai utak változatossága

A termokémiai utak rendkívül sokféle termék előállítását teszik lehetővé, amit az alábbi ábra szemléltet. A sárgával kiemeltek közvetlenül üzemanyag célra hasznosulhatnak.

Az FT szintézissel előállított biodízel magas minőségű termék cetánszáma és alacsony a kén tartalma alapján, energiasűrűsége hasonló a konvencionális kőolaj gázolajhoz. Szintetikus könnyűbenzin és más közép desztillátumok előállításának lehetősége úgyszintén nagyon ígéretes. Nem kevésbé attraktív lehetőség a növekvő mennyiségben előállított nehéz kőolaj fajták ilyen könnyebb biotermékekkel való keverése.

Ökölszabály szerint:

• a magas hőmérsékletű FT szintézis szintetikus benzin és kemikáliák gyártásához vezet;
  • az alacsony hőmérsékletű FT szintézis viaszos termékeket ad, melyet krakkolással szintetikus könnyűbenzinné, kerozinná vagy gázolajjá lehet alakítani.

Az eljárás számos addicionális melléktermék képzésének lehetőségét nyújtja. Minden syngas komponens (CO, CO₂, CH₄, H₂, és így tovább) szeparálható. A volatilis kátrány komponens – mely technikai akadályként léphet fel a nagyüzemi termelés előtt – a szétválasztás lehetőségének köszönhetően egyes cégek számára (amilyen a Choren, az Ensyn és az Enerken is) mint értékes kemikália válhat alapanyaggá.

Az előkészített alapanyagok elgázosítása részben a reaktor égésterében 700-1500°C hőmérsékleten (tipikusan 850°C) korlátozott oxigén környezetében történik.

Alternatív módon az eljárást meg lehet fékezni a pirolízis lépcsőjénél (felfűtve 450-600°C-ra oxigén jelenléte mellett), ekkor elsősorban folyékony biodízel nyerhető, de képződhetnek gáz halmazállapotú és szilárd termékek is.

Szintézisgáz termék – metanol

Syngasból metanolt is elő lehet állítani. Ez egy másik potenciálisan előállítható bioüzemanyag féleség, de a folyamatnak a földgázból olcsón derivált metanol jelenti a konkurenciát. A benzinnel összehasonlítva magas oktánszáma van és viszonylag alacsony energiatartalma. Leginkább az MTBE-t (metil-terc-butil-éter) oktánszámfokozó adalékot állítanak elő belőle (bár karcinogén, vagyis rákkeltő hatásának köszönhetően az USA-ban és több más országban, mint üzemanyag adalékot betiltottak). A metanol önmagában is használható üzemanyagnak, mint benzinadalék, vagy mint hidrogén előállításának forrása. Aggályos az etanolnál nagyobb környezetterhelése és egészségügyi veszélye.

A BioMCN jelentős méretű 2. generációs Bio-MTBE gyártónak számít, a 36,4 % alkohol tartalmú, 63,6 % isobutilén tartalmú energiahordozó 19,8 MJ/kg energiasűrűséggel rendelkezik. 

A német Lurgi cég kidolgozott egy alternatív utat új MtSynfuels eljárás néven. Szintézissel metanol syngasból (MegaMethanol® technológia), olefintermelésre (MTP® eljárás) és oligomerizáció (MtSynfuel eljárás) használják. A Lurgi ezt az eljárást alkalmazva a mértékadó szabványokat teljesítő szintetikus közlekedési üzemanyag előállítására képes.

Biodízel előállítás olajtartalmú terményből

A FAME (repce) olajok és (állati) zsírok katalitikus hidrogénezése és krakkolása nem kifejezetten új eljárás, a termék is jelen van a piacon, mi több, mint első generációs bioüzemanyagként is besorolható. Valójában a trigliceridek magas minőségű szintetikus biodízellé konvertálásáról van szó. Amióta az eljárásban a hidrogén alkalmazása is szerepel, azóta jól illeszkedik az olajfinomítói tevékenységbe, mivel a hidrogén az előállítási folyamat részeként keletkezhet.

A Neste Oil a hidrogénezett dízel, a HVO előállításához a növényi olajokat (a PPO-kat) veszi sorra és a szállítási, előfordulási lehetőségeknek megfelelően válogat a NExBTL forrásául. A táblázat a Neste Oil adatait tartalmazza.

Megjegyzés: a Neste Oil kimutatásával szemben más (2007-es) statisztikák a pálma olaj hozamát 2,14 t (Nigéria) és 4,23 t (Malajzia) közé teszik hektáronként, míg a jatropha hozamát jellemző statisztikákat zömében fiatal, egy-két éves növénykultúrák határozzák meg, melyek hozama jelenleg 0,6 és 4,1 t/ha közé esik. A Jatropha curcas növényszerkezetéből következik, hogy a 7,8 t/ha-os hozamot is nyújthatja. Fő előnye pedig a hulladékterületeken való művelhetősége.

A jatropha curcas magvai 17-20 mm hosszúak és 10 mm szélesek, a felhasználás első fázisa a préselés, fejletlen országokban ezt közvetlenül a motorikus égetés követi, finomításával azonban kiváló biodízel nyerhető belőle.

Biodízel változatok

Az eltérő alapanyagból származó biodízel üzemanyagok fő motorikus tulajdonságai is eltérőek, ami a biodízeleket alkotó szénhidrogén láncok eltérő keverékére vezethető vissza.

Fejlett biodízel változatok

A NExBTL, azaz hidrogénezett biodízel (CnH2n+2) fűtőértéke magas, 44 MJ/kg a cetánszáma pedig kiugró, 84 és 99 között van. Felhasználásával járó fő előny pedig a mintegy 30 százalékkal alacsonyabb részecske kibocsátás, további előnye a hosszú távú tárolással szembeni stabilitás. A hidrogénezett biodízelt többnyire a fosszilis gázolaj adalékolására használják, bármilyen arányban.

A DME, azaz Dimetiléter (CH3OCH3) előállításának alapanyaga általában szén, vagy földgáz, azonban a biomassza is használható alapanyag, FT eljárás, tehát BtL. Légköri viszonyok között gáz halmazállapotú, de alacsony (5-8 bar) nyomás mellett  cseppfolyósítható. Felhasználása lehet az LPG adalékolása, vagy akár annak helyettesítése. Szemben a metanollal, a DME nem toxikus. Létező LPG infrastruktúra használható a tárolás és értékesítéshez. Az LPG motorok szikragyújtásúak, de a tisztán DME kompresszió gyújtású motorban is égethető (cetánszáma 55-60), fő előnye a kedvezőbb NOx és SOx emisszió, valamint a részecskementes kipufogógáz.

A DME-hez optimalizált Volvo teherautó üzemanyag ellátására a Delphi készített speciális befecskendező rendszert, ez amiatt kihívás, mert a kenőképessége és viszkozitása alacsony, így a rendszernek lényegesen ellenállóbbnak kell lennie. A dízelnél tisztább égést a magasabb cetánszámának is lehet köszönni, azonban az energiatartalma mintegy fele a gázolajénak (~19 MJ/l), tehát nagyobb fogyasztásra és tartályra kell tervezni, ráadásul előírás, hogy a tároló edény 80-85 százaléknál nem tölthető meg jobban.

Alga – 3. generációs bioüzemanyag

Fenntarthatósági szempontból az etanol előállítására is a legkedvezőbb az alga, ráadásul a fő árbevételt a protein és más kozmetikai alapanyagok (a termény tömegének 40%-a) értékesítése biztosíthatják.

Az alga ipari mennyiségű CO₂ -vel és napsugarakkal táplálkozik, anyagcsere közben pedig képes etanol előállítására.

Fontos a megfelelő alga típus megválasztása (Kék Zöld Alga típusok változataival kísérleteznek) hozam és a beérés sebessége alapján. Fejlesztés alatt áll a kinyerés technológiája is.

Az etanol előállítás (olcsó és másra nem alkalmas napos területen) már ma is nyereséges, mivel a melléktermékként nyert protein a teljes termelési folyamat költségét fedezni képes.

Az alga egyik legígéretesebb tulajdonsága a CO₂ abszorpciója, melynek kiaknázási módját széntüzelésű erőművek emissziójából származó, tisztán CO₂ gáztáplálásával úgyszintén tanulmányoznak. Ez a CO₂ injekció az alga növekedésének elősegítését szolgálja.

Alga tenyésztés

Kétfajta tenyésztési kultúra létezik a természetes mellett, a nyílt tavas eljárás, valamint a zárt reaktoros. Előbbi terület igényes és kényes a szennyeződésekre amelytől a tenyészet hirtelen pusztulhat, utóbbi jelentős eszköz beruházásigénye miatt jelent kihívást. Az algából nem csak etanol, de biodízel is származhat.           

 A nyílt tavas alga tenyészet hozamáról azt állítják, hogy napi 10 gr/m² a jelenlegi megcélzott pedig ennek az ötszöröse. A hozam 60%-a finomításra alkalmas triglicerid. Más összegzésből: évi ~2,5 l/m² bioüzemanyag hozamra számolhatunk.

Becsült biomassza potenciál

A globális energiafelhasználás jelenlegi 600 EJ értékéhez viszonyítva a fenntartható körülmények között kinyerhető bioenergia potenciált nem kevesebb, mint 250-500 EJ közötti értékre becsülik. A táblázat nem számol az alga hozamban rejlő potenciállal. 

A biomassza felhasználás intenzitásának növelésének egyik fő hozadéka a mezőgazdasági, erdészeti gazdálkodások jövedelemtermelő képességének emelkedése.

Üzemanyagok fontosabb tulajdonságai

A táblázat áttekintést nyújt az üzemanyagok az üzemeltetés szempontjai szerint fontosabb tulajdonságairól

X. TÖRTÉNELEM

Kis üzemanyag történelem

Őskor (1886-1914)

• Az első négyütemű Otto-motor 1876-ban gázmotor volt.
• Ezt Benz 1885-ben illesztette folyékony motorhajtóanyaghoz.
• Diesel szabadalma 1892 (de az első dízelmotoros jármű1925!)
• Autóklubok gondoskodtak a hajtóanyag terjesztéséről.
• 1900 előtt az olajipar a petróleum eladásából élt, a benzin eladhatatlan melléktermék volt. 1900 után kezdtek el bizonyos minimális követelményeket teljesítő benzineket előállítani, amelyeket szállodák, vendégfogadók, gyarmatáru-kereskedők, kerékpár-kereskedők, patikák stb. forgalmaztak.
• Németországban stellinnek nevezték az első autóbenzint, 5 és 10 literes kannákban árulták.
• Ezekből az évekből származnak az ESSO, a Shell és az Aral elődvállalatai.

Hőbontás (krakkolás) (1913-1921)

• Az első világháború idején már kiderült, hogy a benzingyártásnak is korlátai vannak. A kőolaj-kitermelés 15 – 20 %-a a benzin kihoztal.
• Termikus krakkolással – hőbontással – lehetett a hosszabb szénláncú vegyületekből ún. krakkbenzint előállítani.

Az első töltőállomások (1920-1926)

Már az első világháború előtt lehetett tartálykocsikból benzint vásárolni. A 20-as évek elejétől hátsóudvarokban, kapubejárókban egyedi gyártású töltőállomások működtek. Az első nyilvános töltőállomás Európában 1922/23 telén nyitott ki. Az USA-ból importált szivattyúkat telepítettek, ezek 2 m magas kovácsoltvas elemekből összeállított oszlopok voltak, amelyeket a népnyelv vasszűznek keresztelt el. Ötliteres mérőedénnyel ennek a mennyiségnek a többszöröseit lehetett vásárolni.

A kopogás és az ólomtetraetil (1916-1926)

• 1912-ben figyeltek fel a kopogás jelenségére. 1916-ban alakult Daytonában (Ohioállam, USA) az első motorhajtóanyagokkal foglalkozó kutatóintézet, amelyet 1921-ben a General Motors vett át. Különböző vegyületekkel, anilinnal, majd dietil-tellurid-dal próbálkoztak, ez utóbbival már 4-ről 7-re lehetett emelni a sűrítési arányt.
• 1921 végén végezték az első kísérletet ólom-tetraetillel 1923-ban árultak először ólmozott benzint Daytonban, melyhez már lerakódásgátló adalékot is kevertek. 1922-26 között az ólom-tetraetil az emberi szervezetre mért hatását sokat vitatták.

Kopogás csökkentő adalékok (1923-)

• Németországban a acéltermelés melléktermékeként kokszgázból előállított benzolt – amellyel korábban nem igen tudtak mit kezdeni – megfelelő tisztítás után a benzinhez keverve hozták forgalomba 1924-ben: az első szuperbenzint (Bi-Bokeverék, Aral). 1926-ban kezdte meg a munkáját az Aral elődvállalatánál egy, a motor és hajtóanyag egymásra hatását vizsgáló intézet. 1932-ben helyezték üzembe egy mobil járművizsgáló állomást, amellyel a motort az „aralbenzinhez” lehetett beszabályozni. Az első világháború előtt már 10 stabil vizsgálóállomás működött, évi 150 000 díjmentes beállítást végeztek. A háború után a 100-at is elérte a számuk. 1963-ban szűnt meg ez a szolgáltatás.
• A szintetikus benzin újabb állomás volt a motorhajtóanyagok történetében.
• Ólom-tetrametil, vas-karbonil, stb. oktánszám emelőadalékok voltak.
• 1972-ben kezdődött a benzin ólomtartalmának korlátozása, a század utolsó évtizedében szűntek meg az ólmozott benzinek.

További adalékok

• 1920 – oktánszámnövelők
• 1925 – színezékek
• 1932 – fém dezaktivátorok oxidációs katalizátorként ható fémfelületek dezaktiválása
• 1946 – lerakódásgátlók (égéstér) lerakódások által okozott oktánszámigény-növekedés megakadályozása
• 1948 – korrózió-gátlók
• 1950 – jegesedés-gátlók

• 1961 – feltöltődés-gátlók vezetőképesség növelése, szivattyúzáskor szikraképződés megelőzése
• 1961 – detergens-diszpergensek (I. generáció, karburátorok) tisztántartás, tisztítás
• 1967 – emulzióbontók vízkiválás segítése
• 1980 – detergens-diszpergensek (II. generáció. szelepek, befecskendező)
• 1986 – kopáscsökkentők (szelepülék kopásgátlók) az ólom kenő tulajdonságait helyettesítő adalékok

Aktuális trendek

• A korszerű motorhajtóanyag jó minőségű összetevőkből tudatosan összeállított alapanyagból és ehhez illeszkedő adalékcsomagból áll.
• Megújuló részarány folyamatos növelése.

Kis gáztörténelem

Már az ókorban is ismertük

Habár már az ókori görögök időszámításunk előtt ezer évvel is tudtak a gáz létezéséről és hasznosságáról, a kínaiak pedig 2500 évvel ez előtt bambusz csővezetéket létesítettek a szállítására. Francia felfedezők 1626-ban azonosították a biogázt Amerikában, észlelve amint az indiánok az Erie-tó az összegyűjtött gázt meggyújtják.

A skót William Murdoch 1792-ben tudott először házában világítani gáz segítségével, melyet szénből nyert. A francia Lebon 1801-ben faszénből nyert gázt, hasonló célra. 1804-ben a német Frederick Albert Winsor Londonban mutatta gáz alapú világításra vonatkozó felfedezéseit. Ezt követően kezdtek Angliában széngázt termelni házak és utcák megvilágításához.

Baltimore 1816-ban vált az első várossá az Államokban, ahol a széngáz alapon a város utcáit megvilágították. 1821-ben William Hart furta az első sikeres gázkutat Fredonia, New York állam területén. Fredonia Gas Light Company vált az államok első földgáz elosztó cégével. 1836-ban Philadelphia városa alapította meg az első önkormányzati gázszolgáltató céget, mely mára a legnagyobb és leghosszabb vezetékrendszerrel rendelkező gázszolgáltató az államok több mint 900 gázszolgáltató cége közül.

A 19. században lényegében csak világításra használták a gázt, de 1885-ben Robert W. Bunsen találmánya – a Bunsen-égő – számos új utat nyitott a gáz felhasználására, mely azonban a gázszolgáltató csőrendszer széleskörű 20. században megvalósult kiépítésével nyert polgárjogot.

A földgáz cseppfolyósítására vonatkozó elképzelés 1893-ra datálódik, Németországban, azonban az első ipari méretű létesítmény 1941-ben, az Ohio állambeli Clevelandben valósult meg.   

Felhasználás esetén kérem az alábbi hivatkozással élni:

Domanovszky Henrik

LNG.hu Engineering Kft

Kérdéseiket a

domanovszky@lng.hu

 email címen fogadom.