Exergia- és energiahatékonyság - MIPOET · az exergia hatékonyság nyújt mélyebb betekintést...

Dr. Bezegh András5, Dr. Bezeghné Dr. Jelinek Klára és Bezegh Barbara Bezekon Kft., Budapest

KIVONAT

A mérnöki feladatoknak fontos osztálya, amikor két vagy több rendszer

Az ipari ökológiában is fontos szerepet játszik az exergia és az exergia elemzés, például központi fogalmak az energia-átalakító rendszerek termodinamikai értékelésénél, az irreverzibilitások meghatározásához, és az exergia hatékonyság nyújt mélyebb betekintést az ilyen folyamatok gazdaságosságába.

Kulcsszavak: exergia, energia hatásfok, energiaminőség, exergia fajták, exergiahatékonyság, referencia környezet, exergia elemzés

ABSTRACT It is an important class of engineering problems where two or more

systems are not in equilibrium. The quantity exergy is a property of systems and are defined as the maximum work available while they reach equilibrium. Exergy is the potential of systems to cause changes during the equilibration process, i.e. it is the energy available for use. Exergy is zero, when systems are in equilibrium, i.e. when they are indistinguishable.

Exergy is a concept in the first and second laws of thermodynamics, however, both these laws have sustainability significance as well and can Exergy and exergy analysis play central role in in thermodynamic evaluation of energy conversion systems, e.g. in localisation of irreversibilities, and exergy efficiency provide deeper insight to the economics of such processes.

4 Közleményünk megírásakor támaszkodtunk a Pannon Egyetem TÁMOP-4.2.2.A-

11/1/KONV-2012-0072 számú projektje számára készült tanulmányunkra.

5 Levelezési cím: [email protected]

Ipari Ökológia pp. 36−54. (2015) 3. évfolyam, 1. szám

Magyar Ipari Ökológiai Társaság © MIPOET 2015

nincs egyensúlyban. Az exergia mennyisége rendszereknek az a tulajdonsága, amit úgy határoztak meg, mint a maximális munkát, amely rendelkezésre áll az egyensúly elérésének folyamatában. Az exergia rendszerek azon képessége, hogy változásokat okozzanak az egyensúlyhoz vezető folyamat során, vagyis ez az az energia, ami felhasználható. Az exergia nulla, amikor rendszerek egyensúlyban vannak, azaz, ha nem lehet őket egymástól megkülönböztetni.

Exergia- és energiahatékonyság4

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________

Exergia- és energiahatékonyság

37

Keywords: exergy, energy efficiency, energy quality, types of exergy, exergy efficiency, reference environment, exergy analysis

BEVEZETÉS Az ipari ökológia három súlyponti területe (Bezegh, A 2012) 1) az

anyagáramok, 2) az energiaáramok és 3) e kettő vállalatközi kapcsolódásai. Célja mindezek optimalizálása, a fenntarthatóság (UN-WCED 1987), mint célfüggvény szerint.

Így az energia ellátás és felhasználás az utóbbi néhány évtizedben a különösen fontos kérdések listájának legtetejére került. Az energiaellátás biztonságát az országok vezetése stratégia kérdésként kezeli (Obama, B 2014), mert a gazdaság számára nélkülözhetetlen input és a társadalom számos aggálya szintén vele kapcsolatos. A környezetszennyezés, a klímaváltozás és az erőforrások kimerülése fokozódó mértékben foglalkoztatja a szakembereket és laikusokat egyaránt.

Az energiahatékonyság javítása folyamatosan aktuális mérnöki feladat, állandó és kiemelt témája a hazai és európai uniós energetikai szakpolitikáknak, amit egyidejűleg több motiváció támaszt alá. Ezek

az energiabiztonság, az energiaforrások korlátozott mennyisége és a kimerülőben

lévő készletek, az energiaárak, mint a gazdaságosság és versenyképesség

tényezői, továbbá a környezet- ill. klímavédelem problémái.

Magyarország az évtizedeken keresztül kialakult nagy tehetetlenségű

energetikai rendszere következtében igen jelentős kihívásokkal szembesül, energiaimport-függősége egyike legnagyobbaknak Európában, az energiaforrások szűkösen állnak rendelkezésre, a gazdaság energiaintenzitása többszöröse a legfejlettebb EU tagállamokénak, jelentősek az éghajlatváltozás mérséklése érdekében az országra rótt korlátozások és vállalt kötelezettségek, miközben ki kell lábalnia a gazdasági válságból és fel kell zárkóznia a szerencsésebb országokhoz. A fenti problémák kezelésének értékes eszköze lehet az energiahatékonyság javítása. Az energiahatékonyságnak köszönhetően ugyanis csökken a primerenergia-fogyasztás és az energiaimport, ami javítja az ország ellátásbiztonságát.

Az energiahatékonyság javítása hozzájárul továbbá az üvegházhatású gáz (ÜHG) kibocsátás költséghatékony csökkentéséhez és ezáltal az éghajlatváltozás hatásainak enyhítéséhez is.

Az energiahatékonyabb gazdaságra való áttérés várhatóan felgyorsítja az innovatív technológiai megoldások elterjedését és javítja az ipar versenyképességét, ezáltal előmozdítja a gazdaság növekedését, és munkahelyeket teremt az energiahatékonysághoz kapcsolódó ágazatokban.

38 Ipari Ökológia 36−54

___________________________________________________________________________ Bezegh András, Bezeghné Jelinek Klára, Bezegh Barbara

AZ EXERGIA- ÉS EXERGIAHATÉKONYSÁG ELMÉLETI ALAPJAI

„… nem ismerünk egy dolgot, amíg a miértjét meg nem értettük, vagyis hogy mi az oka.” Arisztotelész

A mérnöki termodinamikai problémák nagyon fontos osztályát képezik

azok a rendszerek és anyagok, amelyek nincsenek a környezetükkel kölcsönösen stabil egyensúlyban. Például, a Földön a tüzelőanyag készletek nincsenek kölcsönösen stabil egyensúlyban a légkörrel és az óceánokkal. A kölcsönös kémiai egyensúly követelményei nem teljesülnek. Bármely rendszer környezete feletti vagy alatti hőmérsékleten nincs a környezettel kölcsönösen stabil egyensúlyban. Ezekben az esetekben a kölcsönös termikus egyensúly követelményei sem teljesülnek. Bármilyen kölcsönösen stabil egyensúly hiánya egy rendszer és környezete között alkalmas hasznos munka előállításához, mint például a 2009 óta Oslo közelében működő ozmózis-erőmű az édesvíz és a sós tengervíz koncentrációkülönbségéből termel villamosságot (New Scientist 2009).

Az exergia az a mennyiség, amely segítségével lehet a maximális nyerhető munkát meghatározni, amely a termodinamika második főtételén nyugszik, és segít az energetikai és egyéb rendszerek folyamatai elemzésében. Az exergia bemutatásához az energiához kapcsolódó fogalmak áttekintése és pontosítása szükséges. Az energia mennyisége és minősége Tudott, hogy az energia a világ összes mozgásának, változásának, történésének és kölcsönhatásának forrása. Az energia általános értelemben a változtató képességet jelenti, fizikai értelemben a dolgok olyan tulajdonsága, amelyet egymás közti kölcsönhatások révén átadhatnak. Az energia számos, különböző formában jelentkezhet. A főbb energiaformák: mechanikai, villamos, sugárzási, nukleáris és hő energia.

Richard Feynman, amerikai fizikus a neki világhírnevet szerző Feynman Lectures in Physics könyvükben (Feynman, RP & Leighton, RB & Sands, M 1970) az energia legjellemzőbb és szinte egyetlen vonásaként a megmaradását írja le, amely az ott szereplő számpéldájában éppen 28 (nem 42): „Fontos, hogy felismerjük: a fizika mai állása mellett valójában nem tudjuk, mi is az energia. Nincs szemléletes képünk arról, hogy az energia kicsiny, meghatározott adagokban terjedne. Nem is ez a helyzet. Ellenben van néhány számszerű mennyiség kiszámítására szolgáló képletünk, melyeknek összege 28 – mindig ugyanaz a szám. Ez pedig elvont dolog annyiban, hogy nem mond semmit a képlet mechanizmusáról, sem a különböző tagok megjelenésének okairól."

Az energia mennyisége: az első főtétel Az energia sok megjelenési formáját ismerjük: mozgási, helyzeti,

nukleáris energia, fény, hő stb. A mozgási energia a gyakorlat számára közvetlenül használható

energiaforma.

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


39

Az energiának az a tulajdonsága, hogy egyik energiaformából átalakítható másik energiaformává, de nem hozható létre, és nem is semmisíthető meg, az energia-megmaradás törvénye, a fizika egyik alapvető állítása és a termodinamika első főtételeként is ismert. Bármikor, amikor tudósok az energia-megmaradás törvényének megsértését vélték felfedezni, végül mindig új energiaformát azonosítottak és azzal korrigálták az eltérést.

Az energia mennyiségének SI rendszerbeli mértékegysége a joule, amely definíciója szerint az a mechanikai munkamennyiség, amit 1 newton erő 1 méter úton végez. A munka eredetileg a mechanikai munkát jelentette. Később az energia-megmaradás tételének felismerése, majd az 1840-es években a munka és a hő egyenértékűségének felismerése után a hő is bevonult az energia elismert megjelenési formái közé. Fontos lényegi különbséget azonban a termodinamika második főtételének felismerése tárt fel. Az energia minősége: a második főtétel

Az energiaformák közötti átalakulásra az energia-megmaradás törvénye mindig érvényes, de ez nem azt jelenti, hogy minden energiaforma korlátlanul átalakítható másik energiaformává. Az energia különböző formái nem alakíthatók át korlátlanul másik energiaformává. Ez különösen a termikus energiára érvényes, a hő soha nem alakítható át teljes mértékben mechanikai munkává. A termodinamika második főtétele (hő magától a melegebb testből a hidegebb felé áramlik) korlátozza azt a munkamennyiséget, amely a hőenergiából hasznosítható. A másik irányban, a mechanikai munka és több más energiaforma korlátlanul alakítható át hővé.

Korszakalkotó közleményében Z. Rant írja (Rant, Z 1955): „Az energia értéket csak akkor jelent, ha átalakítható egyik formájából a másikba, …raktározott formájából technikai célokat szolgáló energiaárammá alakítható.” A mechanikai munka és az elektromos energia – mivel egyenértékűek – a leghasznosabb energiatípusok. Az energiafajták mechanikai munkává alakíthatóságuk alapján értékelhetők.

Hőnek munkává alakítása során, amikor az egy hőmérsékletű hőforrásból származik, azt egy alacsonyabb hőmérsékletű rendszer felé kell továbbítani. Az erre a célra rendelkezésre álló legalacsonyabb hőmérséklet a környezet hőmérséklete, . Adott mennyiségű hőből reverzibilis folyamatban nyerhető maximális munka:

A hányadost Carnot hatásfoknak nevezik. A folyamat során a környezetbe hasznosítatlanul juttatott hő:



Amennyiben az energia minőségét úgy értelmezzük, mint a képességét változás létrehozására (Kotas, TJ 1995), a hőenergia esetében ez egyaránt függ a hőmérséklettől, amelyen rendelkezésre áll, és a környezeti hőmérséklettől.

Az exergia

„Az energia leggyakrabban csak egy zavaros elképzelés, míg az exergia sokkal szabatosabb”

G. Wall (Wall, G 1997)

A Gibbs által „hozzáférhetőségi függvény”-nek (availability function)

nevezett mennyiség további finomítások után vezetett az exergia modern fogalmához: Az exergia definíció szerint az az elméleti maximális hasznos munka, amely akkor nyerhető, ha egy rendszert egy olyan folyamatban hoznak termodinamikai egyensúlyba a környezettel, amelyben kölcsönhatás csak a tekintett rendszer és a környezet között van (Sciubba, E & Wall, G 2007).

Az anyag exergiájának és energiájának aránya úgy tekinthető, mint az energia minőségének mértéke. Egyes energiafajták, mint a mozgási energia, az elektromos energia és a Gibbs szabadenergia (G) 100%-ban munkává alakíthatók, vagyis exergiájuk megegyezik az energiájukkal. Az olyan energia fajtáknál, mint pl. a sugárzó vagy a hőenergia esetében az energia nem alakítható 100%-ban munkává, vagyis exergiájuk alacsonyabb, mint az energiájuk. Az exergia pontos értéke a rendszernek a környezetéhez viszonyított nem-egyensúlyi (disequilibrium) állapotától függ.

Az exergia meghatározásához meg kell adni a rendszer bizonyos paramétereit (hőmérséklet, nyomás, kémiai összetétel, entrópia, entalpia). Az exergia annak függvényében adható meg, hogy mely paramétereket tekintjük állandónak. Egy áramlás specifikus exergiája (B) az alábbiak szerint számítható ki:

ahol H az entalpia, S az entrópia és a 0 index a rendszer kiindulási állapotára utal.

Egy példa a „hasznos energia” értelmezésére: 100 kg gőz 400ºC-os hőmérsékleten, 40 bar nyomáson ugyanannyi, azaz ~300 kJ-nyi energiával rendelkezik (azonos referencia hőmérséklet mellett), mint 2 tonna 40ºC-os víz. A 40 bar nyomású gőzzel hasznos munka végezhető (pl. áramtermelés, mechanikai szerkezetek mozgatása, fűtés stb.), míg a 40ºC-os víz felhasználhatósága korlátozott. A kis hőmérsékletű áramok exergiája növelhető, de ez energia-befektetéssel jár. Például hőszivattyú használatával az exergia növelhető, de ezek működéséhez energia, mechanikai munka kell.

Számos szerző (pl. Szagut) említi az exergiát egyszerűen az energia minőségét kifejező tulajdonságként.

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


41

Az exergia – ahogy R. U. Ayres megjegyzi (Ayres, RU 1998) – az energia hasznos része és az, amit a legtöbb ember felelőtlenül energiának nevez, és ugyanígy tesznek a közgazdaságtanban. R. U. Ayres ugyanitt leírja, hogy négy fajta exergiát különböztetnek meg. Ezek:

1. kinetikus exergia, ami a mozgással kapcsolatos, 2. a potenciál tér exergiája, ami a gravitációs és elektromágneses

erőtér különbségével kapcsolatos, 3. fizikai exergia, ami a nyomás és a hőmérséklet eltéréseiből

származik, és 4. kémiai exergia, ami a kémiai összetételbeli eltérésekből ered.

Más szerzők más felosztásban tárgyalják az exergia fajtákat, esetleg

más csoportosításban ismernek fel közös vonásokat. Az 1. ábrán D. Marmolejo-Correa et al. (Marmolejo-Correa, D & Gundersen, T 2012) több szerző különböző osztályozási szempontjait összegzi.

1. ábra. Az exergia osztályozása és felbontása (Marmolejo-Correa, D & Gundersen, T 2012)

Elvileg az osztályozásnak és a felosztásnak a nyílt és zárt rendszerekre (áramló, illetve nem-áramló exergia) azonosnak kellene lenni, azonban a komponensekben különböző termodinamikai elemek vesznek részt. Amint az 1. ábra mutatja, a besorolás első szintje a hordozó típusán alapszik: (i) az energia áramok, vagy (ii) az anyagáramok. A második besorolási szint az energia úgynevezett exergia arányára utal, és ez, mint az energia szintje is ismert (exergia / energia). Itt különbséget kell tenni a jelenségek vagy a rendszerek között, ahol az exergia egyenlő az energia-tartalommal, és ahol az exergia kisebb, mint az energia-tartalom. A harmadik szint a besorolás szerint az exergia eredete. Az anyagáramok az



exergiát az összetételükből, a nyomás, a hőmérséklet, a pozíció, a relatív sebesség és az elektromos, valamint az atomi energia értékeiből kapják.

A kémiai exergia az anyagáram összetételéhez kapcsolódik. A termo-mechanikus exergia, amit fizikai exergiának is hívnak, az áram hőmérsékletével és nyomásával van kapcsolatban. A kémiai és a termo-mechanikus exergia összegét termikus exergiának nevezik. Lényeges az, hogy minden fizikai és kémiai jelenséghez (fűtés, hűtés, reakció, kiterjedés, kompresszió, sugárzás, hőenergia-termelés, elválasztás vagy keverés) társul egy exergia áram, és ha több mint egy áram vesz részt a folyamatban, akkor összeadhatóak. Különböző energiaformákat is hozzá lehet adni úgy, ahogyan az energiamérlegek esetén, ahol az energia megmarad. Azonban egy ilyen összegzés figyelmen kívül hagyja azt a tényt, hogy a különböző energiaforrások energia minősége különböző.

Ha a vizsgált rendszer továbbra is egyensúlyban van a környezettel és a villamos vagy a nukleáris energia nem vesz részt, a teljes anyagáram exergiája felbontható termomechanikai exergiára és kémiai exergiára

: .

A fajlagos termomechanikus exergia:

.

A fajlagos termomechanikus exergia tovább bontható két komponensre, az egyik a hőmérsékleten és a másik a nyomáson alapszik, a következő egyenlet szerint:

.

Ezt a felbontást több szerző használja, azonban a két komponens különböző nevek alatt található. A és komponenseket is termikus és mechanikai exergiának is nevezik, illetve nyomás vagy termikus komponenseknek. Fontos megjegyezni, hogy a felbontás nem egyértelmű és ezért nincs is alapvető értelme, azonban növeli a tervezési folyamat lehetőségeinek megértését. Általános és közös megegyezés a szakirodalomban, ahogyan a termomechanikus exergia két komponensét leírják a következő egyenletekkel:

A hőárammal járó exergia áram különösen fontos. Modelljét a 2. ábra. mutatja, ahol a hőáram hőmérséleten lép be a reverzibilis hőerőgépbe, és a referencia rendszer hőmérsékletén lép ki, miközben ez a T-S diagramon láthatóan mechanikai munkát (ferdén satírozott részt) eredményezett. A Carnot összefüggésnek megfelelően hő

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


43

(vízszintesen satírozott rész) nem hasznosítható. A 3. ábra. a valós folyamatot mutatja, amikor a hőáram hajtóereje , és ennek megfelelően kisebb a hasznos munka, vagyis valós folyamatokban mindig: .

2. ábra. Reverzibilis exergia áram

3. ábra. Valós exergia áram

Az anergia, mint az energia haszontalan része Az exergiát néha az energia átalakítható részeként definiálják, pl. Z.

Rant és H. D. Baehr (Gaggioli, RA (ed.) 1980). Ez a meghatározás többek közt azért is kifogásolható, mivel az energiának és az exergiának lényegesen különböző vonásai vannak. Az energia tetszőleges vonatkoztatási szint alapján kiszámítható, míg az exergia vonatkoztatási szintje mindig a meghatározott referencia környezet által adott.

Az említett szerzők kialakították az anergia fogalmát. Az energiát az exergia és az anergia összegeként határozták meg. Az anergia vonatkoztatási szintje tetszőleges, emiatt nehéz megmagyarázni, hogy mi lenne az anergia negatív értékeinek fizikai jelentése, különösen azokban az esetekben, amikor a hőmérséklet a környezeti hőmérsékletnél



alacsonyabb. Ugyancsak nehezen értelmezhető az anergia a hővel nem kapcsolatos exergiák, így pl. a kémiai exergia tárgyalása során. Bár az

összefüggés hasznos lehet a környezeti, illetve a referencia hőmérsékletnél minden esetben magasabb hőmérsékletű rendszerek tárgyalásának megértéséhez és vizsgálatához, mégsem ajánlható általános érvénnyel. Az exergia jellemzői

Az exergia néhány fontos jellemzője: Egy rendszer és környezete közötti teljes egyensúly nem rendelkezik

exergiával. Nincs különbség a hőmérsékletben, nyomásban, koncentrációban stb., így semmilyen folyamatnak nincs hajtóereje.

A rendszer exergiája növekszik, minél inkább különbözik jellemzőiben a környezetétől. Például egy meghatározott mennyiségű meleg víz magasabb exergia tartalommal rendelkezik télen, mint egy forró nyári napon. Egy jégkocka télen kevés exergiát hordoz, míg nyáron jelentős exergiát.

Amikor az energia veszít minőségéből, az exergia megsemmisül. Az exergia az energia hasznos része, és ezért van gazdasági értéke, és ezért érdemes figyelemmel gazdálkodni vele.

Az exergia definíció szerint nem csak a rendszer vagy áramlás állapotától, hanem a környezet állapotától is függ. Ezért, ha egy rendszer változatlan, de környezete változik, az exergia is változik.

Az exergiahatékonyság az ideális (vagy reverzibilis) folyamat megközelítésének mértéke. Ez nem feltétlenül igaz az energia- hatékonyságra, amely gyakran félrevezető.

Az exergia általában az, ami az értékes erőforrásnak tekinthető. Vannak mind energetikai, mind nem-energetikai erőforrások, értékmérőjük mindkét esetben az exergia. Az energiahordozók ára is inkább az elraktározott exergiával arányos. Például azonos energiával jellemzett szén és villamos áram ára ezért (is) különbözik, az előbbié jóval alacsonyabb.

Az energiaformákat, amelyek nagy exergia tartalommal rendelkeznek, jellemzően többre értékelik és hasznosabbnak tekintik, mint az alacsony exergiájú energiaformákat. Például a fosszilis tüzelőanyagok magas energia és exergia tartalmúak. A hulladékhőnek a környezeti állapothoz közeli állapotban kevés az exergiája, annak ellenére, hogy igen sok energiát tartalmazhat, és így értéke korlátozott. A napenergia, ami hősugárzás, kibocsátási hőmérséklete a Nap felszíni hőmérséklete (körülbelül 5 800 K), egyaránt sok energiát és exergiát tartalmaz.

A koncentrált ásványi készletek erősen elkülönülnek a környezettől, és így van exergiájuk. Az ásvány koncentrációja növekedésével ez az éles különbség és egyúttal az exergia növekszik. Amikor az ásványt kibányásszák, az ásvány exergia tartalma megmarad, és ha dúsítják vagy tisztítják, az exergia tartalom növekszik. Gyenge minőségű ásványi rétegeknek kevesebb az exergiája, és azokat ennek

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


45

megfelelően csak a nagyobb külső exergia input révén lehet felhasználni. Amikor egy koncentrált ásványt diszpergálnak, exergia tartalma csökken.

• Energia • Exergia

• Tulajdonságai csak az anyag-, vagy energiaáramlástól függnek, és nem függnek a környezeti tulajdonságoktól.

• Tulajdonságai egyaránt függenek az anyag-, vagy energia- áramlásától és a környezettől.

• Értéke a környezettel egyensúlyban eltér a nullától (többek között, hogy egyenlő mc2-tel, az Einstein féle egyenlettel összhangban).

• Nullával egyenlő, amikor "holt állapotban" van, mivel ekkor a környezettel teljes egyensúlyban van.

• Megmarad minden folyamatban, a termodinamika első főtétele szerint.

• Csak reverzibilis folyamatokban marad meg, és nem marad meg valós folyamatokban (amelyekben részben vagy teljesen megsemmisül az irreverzibilitások miatt), a termodinamika második főtétele alapján.

• Nem lehet sem megsemmisíteni, sem termelni.

• Reverzibilis folyamatban nem lehet sem megsemmisíteni, sem termelni, de mindig megsemmisül (elfogy) irreverzibilis folyamatban.

• Számos formája van (például mozgási energia, potenciális energia, munka, hő), és ezekben a formákban mérik.

• Számos formája van (például mozgási exergia, potenciális exergia, munka és hő exergia) és mérhető a munka alapján, illetve, hogy mennyire képes munkát előállítani.

• Csak mint mennyiség szerepel.

• Mennyiségi és minőségi mérték.

1. táblázat. Az energia és az exergia főbb tulajdonságainak

összehasonlítása (Dincer, I & Rosen, MA; 2007)



A referencia környezet Tekintve, hogy egy rendszer exergiája függvénye a környezete

állapotának, ezért igen fontos definiálni és rögzíteni a referencia környezetet.

A referencia környezetről feltételezzük, hogy végtelen, egyensúlyban van minden kapcsolódó más rendszerrel. Jellemzően a környezetet meghatározza a hőmérséklete, nyomása és kémiai összetétele. Az exergia nem egyszerűen termodinamikai tulajdonság, hanem a rendszer és a referencia környezet együttes tulajdonsága. Egy rendszer exergiáját lehet növelni, ha exergiát bevisznek, például munkát végeznek rajta.

Az exergia lényegéhez tartozik az a vonása, hogy nem értelmezhető önmagában, hanem kizárólag a környezetével együtt. Ebből következik, hogy egy változatlan rendszer exergiája különböző körülmények között különböző. A környezetével egyensúlyban lévő rendszer nem képes munkavégzésre, ezért ezt “holt állapot”-nak nevezik.

A referencia környezettel kapcsolatosan kétféle egyensúlyt különböztetnek meg. Az egyiket korlátos egyensúlynak (restricted equilibrium) nevezik, amelyben a mechanikai és a termikus egyensúly kritériumai teljesülnek, de a kémiai egyensúlyé nem. Vagyis egy rendszerben, amely korlátos egyensúlyban van környezetével, a környezetével azonos a hőmérséklete és a nyomása. Sok szerző ezt nevezi környezeti állapotnak.

A másik, a korlátlan egyensúly, vagy holt állapot (unrestricted equilibrium, dead state), amely fennállása esetén a korlátos egyensúly feltételei mellett a kémiai egyensúly is fennáll. Ez azt jelenti, hogy valamennyi komponens kémiai potenciálja is megegyezik.

A kémiai exergia és referencia környezet

Kémiai exergia az a maximális munka, amely akkor nyerhető, amikor a tekintett anyag reverzibilisen a referencia környezetben jelenlévő anyag állapotába kerül.

Három fajta referencia anyag-rendszert alkalmaznak:

- a levegő gázösszetevői, - a Föld kérgének külső rétege szilárd összetevői, - a tengervíz ionos és molekuláris összetevői.

A standard kémia exergiák alapjai megegyezés szerint a standard

nyomású és hőmérsékletű anyagok, a természetben előforduló standard koncentrációban. Ezek táblázatokban megtalálhatóak. Bármely anyag standard kémiai exergiája, a képlet szerint számítható a reverzibilis képződési reakcióra felírt mérleg alapján:

ahol a képződési szabadenergia, az e elem moljainak száma, az e elem standard kémiai exergiája.

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


47

Az exergia elemzés

Az exergiára az a jellemző, hogy csak akkor marad meg, ha az összes, a rendszer és a környezete között előforduló folyamat visszafordítható. Az exergia megsemmisül, ha egy visszafordíthatatlan folyamat játszódik le. Egy erőmű, vegyi üzem, vagy hűtő-létesítmény exergia elemzése során a termodinamikai hiányosságok számszerűsíthetők, amelyekre az exergia megsemmisülése utal, mint energia minőségi- vagy hasznossági veszteség, például elpazarolt hasznos munka vagy elpazarolt lehetőség hasznos munka termelésére. Ugyanúgy, mint az energia, az exergia is átvihető vagy szállítható egy rendszer határán keresztül. Mindenfajta energia átadásnak vagy szállításnak megfelel adott exergia átadás vagy szállítás.

Az exergia elemzés figyelembe veszi a különböző energiafajták és mennyiségek különböző termodinamikai értékeit, a munkát és a hőt. Az exergia átvitelhez kapcsolódó hasznos munka megegyezik a hasznos munkával. A hőátadáshoz kapcsolódó exergia átvitel azonban attól függ, hogy mekkora a hőmérséklet, amelynél ez végbemegy, viszonyítva a környezet hőmérsékletéhez.

Egy mérnök, amikor egy rendszert tervez, kompromisszumokat köt versengő tényezők között. A mérnök célja várhatóan a legmagasabb ésszerű technikai hatékonyság, a legalacsonyabb elfogadható költség a fennálló műszaki, gazdasági és jogi körülmények között, számba véve az etikai, ökológiai és társadalmi következményeket és célokat. Az exergia analízis olyan eszköz, amely megkönnyíti ezt a munkát. Az exergia módszerekkel egyedülálló betekintést lehet nyerni a veszteségek típusaiba, helyeire és okaira, és ezáltal azok segítik azonosítani a lehetséges fejlesztéseket.

Az exergia analízis különösen hatékony módszer és eszköz az alábbiakhoz:

• Ötvözi és alkalmazza a tömeg- és energiamegmaradás elveit és a termodinamika második főtételét az energetikai rendszerek tervezése és elemzése során. • Az energia-hatékonyságot és egyéb erőforrás-felhasználást javítja a hatékonyság azonosításával, azzal hogy mindig szolgáltatja az ideális folyamat megközelítésének mértékét, valamint a veszteségek és hulladékok keletkezési helyét, típusát és valódi nagyságát. • Feltárja, hogy lehet-e vagy sem, illetve, hogy mennyire lehet hatékonyabb rendszereket tervezni a meglévő rendszerekben a hiányosságok csökkentésével. • Bemutatja az energia és egyéb erőforrás-felhasználás környezetre gyakorolt hatását, és azt, hogy hogyan csökkenthetik vagy enyhíthetik ezt a hatást. • Értékelhető teszi, hogy egy rendszer illeszkedik-e a fenntartható fejlődéshez vagy fenntarthatatlan.

Mivel a rendszer vagy áramlás exergiájának értéke függ a rendszer vagy az áramlás és a referencia-környezet állapotától, egy referencia-környezetet meg kell adni, mielőtt exergia elemzést végeznének.



Energiahatékonyság – hatásfok

A hatásfok vagy hatékonyság – adott korlátok közötti – lehető legmagasabb értékének elérése kitüntetett szempontja a mérnöki tervezésnek, üzemeltetésnek. A hatékonyságot úgy határozzák meg (Dincer, I & Rosen, MA 2011), „mint a képességet, hogy a kívánt hatást elérjék minimális energia, idő, erőforrás stb. ráfordításával…[és vizsgálják, hogy] az milyen mértékben közelíti meg az ideális módon végrehajtott feladatot.” Egy egyszerűbb, de nem túl pontos meghatározás szerint a kívánt hatás és a ráfordítás hányadosa. Természetesen külön-külön értelmezendő a számláló és a nevező, bár a végeredmény attól függ, hogy egyenként mennyire pontosan definiáltak, és maguk a meghatározások összhangban vannak-e a rendszer-céllal, illetve célokkal, figyelembe veszik-e a különböző típusú (jogi, pénzügyi, fizikai) korlátokat vagy sem. Lényeges továbbá, hogy kellően egyszerű, átlátható, vagyis (köz)érthető, vagy legalább nem-félrevezető legyen a hatásfok definíció.

A vegyipari műveleti egységekre alkalmazott exergia vizsgálatok vezettek a vegyipar hatalmas XX. századi fejlődéséhez. Ebben az időben az exergiát „hozzáférhető munka (available work)” néven említették.

Az energia és exergia mérnöki alkalmazásának egyik célja meghatározni az ésszerű egyensúlyt a készülő létesítmény számos lehetséges inputja és outputja között, mielőtt a létesítményt megépítenék. Miután ez megtörtént, a következő mérnöki feladat a leghatékonyabb folyamat kiválasztása. Ez nem egyszerű és rögtön értetődő feladat, ugyanis

- az energiahatékonyság, vagyis az első főtétel szerint számolt hatásfok azon az alapon adja meg a legjobb folyamatot, hogy melyiknek a lehetséges legkisebb az energiavesztesége a bevitt energiához képest,

- az exergiahatékonyság, vagyis a második főtétel szerint számolt hatásfok azon az alapon adja meg a legjobb folyamatot, hogy melyiknek a legkisebb a hozzáférhető munkában kifejezett vesztesége, vagyis megsemmisült exergiája a bevitt hozzáférhető munkához képest.

A magasabb exergiahatékonyságú létesítmény általában drágább üzem

megépítését igényli, ebből következik, hogy a tőkeigény és a működési hatékonyság egyensúlyát kell megtalálni.

Az exergiahatásfok különböző célokat szolgáló meghatározásai egy rendszerbeli exergia átviteli, átalakulási és megsemmisülési folyamatai számbavételén, és a belőlük képzett megfelelő hányadosokból állnak. Ezt szolgálják az exergia mérlegek.

Az exergia mérlegek

Az exergia kivétel a megmaradási törvények alól, ezért az exergia mérleget ki kell egészíteni egy taggal, amelyik kifejezi az exergia megsemmisülést (internal exergy loss):

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


49

ahol a rendszerbe juttatott exergia, a rendszer exergia növekménye, a rendszerbe a vele kapcsolatban álló hőforrásokból származó exergia, a rendszerből származó hasznos termékek és a

a hulladékok exergiája, a rendszerből származó munka és a rendszer belsejében az irreverzibilitásokból eredő belső exergia veszteség (megsemmisülés).

A hőforrásokból származó exergia növekedést a Carnot faktor határozza meg:

ahol a külső hőforrásból származó hő, a hőforrás hőmérséklete (a rendszer határán mérve).

Állandósult állapotú folyamatban – amelyben az áramlási sebesség, a kémiai összetétel és a termikus paraméterek a rendszer összes pontjára nézve állandóak – a rendszer exergiája is állandó marad. Mint időegységre vonatkoztatott mennyiségek írhatók le:

A reális folyamatok esetében a bemenő exergia mindig meghaladja a kimenő exergia értékét, ennek az az oka, hogy irreverzibilitások vannak, amelyeket általában az exergia megsemmisülésének neveznek. Nagyon fontos különbséget tenni az irreverzibilitás okozta exergia megsemmisülés és a fel nem használt exergia miatti exergia hulladék, azaz környezetbe áramló exergia között. Mindkettő exergia veszteségeket jelent, de az irreverzibilitásból származó nagy exergia veszteségek miatt még több exergiát kell használni, hogy kompenzálja ezt a veszteséget.

Az exergia megsemmisülés** – a Gouy-Stodola tétel szerint – a következő módon kapcsolódik az entrópia termeléshez:

ahol a teljes exergia input, a teljes exergia output, a

** A szakirodalomban az exergia megsemmisülésnek más nevei is vannak: „rendelkezésre állás megsemmisülés”, „irreverzibilitás” és „elveszett munka” („the availability destruction, the irreversibility and the lost work” -A. Bejan et al. 1995, Thermal Design and Optimization, John Wiley and Sons Inc., New York, p. 123).



környezeti hőmérséklet, a teljes entrópia növekedés és az exergia megsemmisülés az i folyamatban.

A definíció szerint exergia egyensúly csak reverzibilis folyamatokra létezik. Így reális folyamatok, azaz visszafordíthatatlan folyamatok ( ) esetén az exergia soha nincs egyensúlyban, mert a teljes exergia input mindig meghaladja a teljes exergia outputot, azaz a

. Exergia veszteségek

Az exergia veszteség – azaz a megsemmisülés és a hulladék – kiszámításával meghatározhatóak a lehetséges folyamatfejlesztések. Általában, amikor az exergia veszteség nagy, megfontolják, hogy azt a részt javítsák először. Azonban ez a "legnagyobb veszteség kezelése az első" megközelítés nem mindig megfelelő. Ennek az az oka, hogy minden rendszer rész összefügg egymással, és a javulás az egyik részben a javulásnál nagyobb veszteségeket okozhat a többi részben. Mint ilyen, a teljes veszteség a módosított eljárásban valójában azonos vagy még nagyobb, mint az eredeti műveleti konfigurációban volt. Azt is figyelembe kell venni, hogy megújuló vagy nem megújuló az erőforrás. Ezért a problémát kellő óvatossággal kell megközelíteni. Az exergiahatékonyság

Az exergia hatásfok vagy exergiahatékonyság, amely más néven a második főtétel szerinti hatékonyság, eredményesség, vagy racionális hatékonyság, általános definíciója szerint a hasznosított exergia osztva az exergiával. Ez egy 0 és 1 közötti szám lehet, mivel minden reális folyamat tartalmaz exergia megsemmisülést. Ez megkülönbözteti az energiahatékonyságtól, ami jóval meghaladhatja az 1-t. Azonban többféle módon is meghatározható a hasznosított exergia és a felhasznált exergia, ami bizonytalanságot teremt e fogalom használatában. Szintén érdemes megjegyezni, hogy exergiahatékonyságot gyakran úgy határozzák meg, mint a hasznosított exergia és az elméletileg lehetséges hasznosított exergia hányadosát, például az időbeli korlátok miatt.

A hatékonyság (Wall, G 2002) egyszerű meghatározása kifejez minden exergia inputot, mint felhasznált exergiát, és minden exergia outputot, mint hasznosított exergiát. Így az exergia hatásfok, a következő lesz:

Azonban ez a hatékonyság nem minden esetben nyújt megfelelő jellemzést a termodinamikai folyamatok hatékonyságát illetően, például a hőátadás, elválasztás stb. esetén. Gyakran létezik az output exergiának egy fel nem használt része, vagyis egy exergia hulladék a környezetbe jut. Így a hasznosított exergia a különbség, ezt hívják a termék exergiájának, .

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


51

A kimenet két részből áll:

Ekkor az exergia hatásfok az előbbi helyett a következő lesz:

.

Néha az exergia egy része csak keresztülmegy, és a rendszer nem változik. Ezt az exergia részt nevezik tranzit exergiának, . (l. 4. ábra.).

4. ábra. Egy rendszer bemeneti és kimeneti exergiái Ha a tranzit exergiát levonják az input és az output exergiából is,

(vagy inkább a termék exergiából), az exergia lesz

η(ex,3)=(Bki-Bwaste-Btr)/(Bbe-Btr )=(Bpr-Btr)/(Bbe-Btr) Az átmenő (tranzit) exergia számítási nehézségei és elismertségének

hiánya miatt általában az exergia hatásfokot, -t használják, azaz

ηex=η(ex,2)=(Bki-Bwaste)/Bbe =Bpr/Bbe.

Az utóbbi definíciók összehasonlíthatók az 5. ábra. alkalmazásával a rendszer két különböző A és B folyamatára. Az exergia hatékonysága az A folyamatra = 91 százalék és = 10 százalék, míg a B folyamatra

= = 50 százaléknak adódik. Így annak eldöntése, hogy melyik a leghatékonyabb eljárás, az a hatékonyság meghatározásának kérdése. Ha azonban ehelyett a diagramokat használják, látható, hogy az exergia megsemmisülés az A folyamatban nagyobb, mint a B folyamatban, 9 és 5, így igazán az A folyamatot kell először javítani.



5. ábra. Két folyamat exergia hatékonyságának összehasonlítása exergia áramlási diagrammal

Ebből az összehasonlításból kitűnik, hogy jobb belelátást biztosítanak

az exergia áramlás diagramok. Egy ilyen exergia áramlás ábrából meg lehet ismerni a következőket:

• a rendszer különböző részeinek exergia hatékonyságát, • a különböző exergia inputokat és outputokat, • a különböző exergia áramok honnan jönnek és hová mennek, • az átmenő exergia nagyságát, és • mennyi exergia semmisül meg az egyes folyamatokban.

Ez gyakran a rendszer és jellemzői jobb megértését teszi lehetővé, ami

azt jelenti, hogy jobb alapot biztosít a javítására vonatkozó elképzelésekhez.

ÖSSZEFOGLALÁS

Az energia ellátás és felhasználás az utóbbi néhány évtizedben a különösen fontos kérdések listájának legtetejére került. Ezért az energiahatékonyság javítása folyamatosan aktuális mérnöki feladat.

Az exergia az a mennyiség, amely segítségével lehet a maximális nyerhető munkát meghatározni, amely a termodinamika második főtételén nyugszik, és segít az energetikai és egyéb rendszerek folyamatai elemzésében. Az exergia és energia aránya úgy tekinthető, mint az energia minőségének mértéke. Az exergia értéke a rendszernek a környezetéhez viszonyított nem-egyensúlyi állapotától függ. Egy rendszer exergiája függvénye a környezete állapotának, ezért igen fontos definiálni és rögzíteni egy ún. referencia környezetet.

Általában négy fajta exergiát különböztetnek meg. Ezek:

1. kinetikus exergia, ami a mozgással kapcsolatos, 2. potenciál tér exergiája, ami a gravitációs és elektromágneses erőtér

különbségével kapcsolatos, 3. fizikai exergia, ami a nyomás és a hőmérséklet eltéréseiből

származik, 4. kémiai exergia, ami a kémiai összetételbeli eltérésekből ered.

(2015) 3. évfolyam, 1. szám ___________________________________________________________________________


53

Az exergia általában az, ami az értékes erőforrásnak tekinthető. Vannak mind energetikai, mind nem-energetikai erőforrások, értékmérőjük mindkét esetben az exergia.

Az exergia elemzés figyelembe veszi a különböző energiafajták és mennyiségek különböző termodinamikai értékeit, a munkát és a hőt.

Az exergia hatásfok különböző meghatározásai egy rendszerbeli exergia átviteli, átalakulási és megsemmisülési folyamatai számbavételén, és belőlük képzett megfelelő hányadosokból állnak. A hő exergia különleges viselkedést mutat a kriogén tartományban.

Az utóbbi fél évszázadban az exergia tárgyú szakcikkek száma exponenciálisan növekedett, az exergia alkalmazási ugyanígy számos műszaki és természettudományos területre terjedt ki.

FELHASZNÁLT IRODALOM

Ayres, RU 1998, ’Eco-themodynamics: economics and the second law’, Ecological Economics, vol. 26, no. 2, pp. 189−209.

Bezegh, A 2012, ’Az ipari ökológia keretei’, Ipari Ökológia, vol. 1, issue 1, pp. 5−20.

Dincer, I & Rosen, MA 2007, Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development, Elsevier, Oxford (UK), p. 13.

Dincer, I & Rosen, MA 2011, ’Exergy Analysis of Green Energy Systems’, Green Energy, Series of Progress in Green Energy, vol. 1, pp. 17−65.

Feynman, RP & Leighton, RB & Sands, M 1970, Mai fizika, 1. kötet: A modern természettudomány alapjai – A mechanika törvényei, Műszaki Könyvkiadó, Budapest, p. 51.

Gaggioli, RA (ed.) 1980, Thermodynamics: Second Law Analysis, American Chemical Society, Washington, D. C.

Kotas, TJ 1995, The Exergy Method of Thermal Plant Analysis, Krieger Publishing, USA, p. 31.

Marmolejo-Correa, D & Gundersen, T 2012, ’A comparison of energy efficiency definitions with focus on low temperature processes’, Energy, vol. 44, no. 1, pp. 477−489.

New Scientist 2009, First osmosis power plant goes on stream in Norway, megtekintve 2015. november 12, http://www.newscientist.com/article/dn18204-first-osmosis-power-plant-goes-on-stream-in-norway.

Obama, B 2014, Remarks by the President on American Energy, megtekintve 2015. november 12, http://www.whitehouse.gov/photos-and-video/video/2014/05/09/president-obama-speaks-american-energy#transcript.

Rant, Z 1955, ’Energy Value and Pricing’, Strojniški Vestnik, no. 1, pp. 4−7.

Sciubba, E & Wall, G 2007, ’A brief Commented History of Exergy Form the Beginning to 2004’, International Journal of Thermodynamics, vol. 10, no. 1, pp. 1−26.



UN-WCED 1987, Report of the World Commission on Environment and Development: Our common future, megtekintve 2015. november 12, http://www.un-documents.net/our-common-future.pdf.

Wall, G 1997, ’Energy, Society and Morals’, Journal of Human Values, vol. 3, no. 2, pp. 193−206.

Wall, G 2002, ’Conditions and tools in the design of energy conversion and management systems of a sustainable society’, Energy Conversion and Management, vol. 43, issues 9−12, pp. 1235–1248.

Exergia- és energiahatékonyság - MIPOET · az exergia hatékonyság nyújt mélyebb betekintést...

Documents

Transcript of Exergia- és energiahatékonyság - MIPOET · az exergia hatékonyság nyújt mélyebb betekintést...