A Magyar Tudományos Akadémia folyóirata. Alapítva: 1840
 

KEZDŐLAP    ARCHÍVUM    IMPRESSZUM    KERESÉS

››  A FOSSZILIS TÜZELŐANYAGOK ENERGETIKAI FELHASZNÁLÁSÁNAK

    HATÁSA A LÉGKÖR ÖSSZETÉTELÉRE

X

Reményi Károly

az MTA rendes tagja • remeni1(kukac)freemail.hu

 

 

Az 1990-es évek óta egyre több kutatás foglalkozik a földi rendszerben oxigént és szén-dioxidot is tartalmazó folyamatoknak a teljes légkör vegyi összetételére való hatásával. A legfontosabb folyamatok: a fotoszintézis, a talaj légzése, a fosszilis tüzelőanyagok égése – tüzelése, az óceánok CO2-felvétele és az óceánokban folyó fotoszintézissel járó légzés (Hillier, 2011). Korábbiakban az oxigénbőség miatt nem fordítottak a témára nagy figyelmet. Az O2/CO2-arány mérése is problémás, mert a két gáz koncentrációja között nagyon nagy a különbség, ezért általában az O2/N2- és a CO2-arány mérését alkalmazzák. A korábbi cikkek (Keeling, 1995; Ishidoya, et al., 2003) a különböző folyamatoknál az O2/CO2-fluxusarányt vették elsősorban figyelembe, ami azonban nem ad választ a két gáz tényleges koncentrációváltozására. A tüzelőanyagok energetikai hasznosításánál, tehát az emberi tevékenységnél a cél a hőfejlesztés, amikor az adott tüzelőanyag összetételének figyelembevétele (az energiafejlesztési reakció) alapvetően fontos a ténylegesen felhasznált oxigénmennyiség megismerése szempontjából. Erre az O2/MJ-jellemző alkalmas. Oxigénfelvétel szempontjából egy nagy fluxusú folyamat energiaszempontú oxigénigénye kedvezőbb lehet egy kis fluxusúnál. (1. táblázat):

A tüzelőanyagok energetikai értékeléséhez fel kell írni a mérlegegyenleteket, és meg kell határozni számszerűen a reakciófolyamatokban részt vevő komponenseket, továbbá az energetikai jellemzőket.

A számításokhoz figyelembe vett alapértékek: C – 32,808 MJ/kg; H – 121,0 MJ/kg; CO – 10,11 MJ/kg (2. táblázat).

Az O–CO2-fluxus aránya alapján viszonylagosan legnagyobb oxigénfogyasztónak a metán (földgáz) mutatkozik 2 aránnyal. Ralph F. Keeling valószínűleg a táblázatban lévő folyamatok alapján számolta a fosszilis tüzelőanyagok égésére az 1,42 arányértéket. Annak értékeléséhez, hogy a fosszilis tüzelőanyagok felhasználása hogyan hat a légköri oxigénmennyiségre, nem elég a folyamatfluxusok ismerete, még a különböző tüzelőanyag-fajtákból összeállított energiamérleg összetételének ismeretében sem. Az energetika feladata tüzeléssel hő előállítása. Az összes oxigénfelhasználás meghatározásához adott energiahordozó egységnyi tömegének elégetéséhez szükséges fajlagos oxigéntömeg ismerete szükséges. A reakciófolyamatok ismeretében ezek a paraméterek számíthatók (3. táblázat).

A táblázatokban található értékek elemzése alapján fel kell hívni a figyelmet arra, hogy nagyon fontos előre rögzíteni az elemzés célját. Cél lehet a tüzelőanyagok rangsorolása a hasznosításuk során a légköri oxigénkoncentrációra gyakorolt hatásuk alapján. A következő elemzést e célkitűzés alapján végezzük.


Megállapítások


1. A tüzelőanyagok H/C arányának növekedésével az O2/CO2-fluxusarány is növekszik, ami természetes, mert a hidrogénégéshez is oxigén szükséges. Ezt figyelembe véve az oxigénfluxus szempontjából a metántüzelés (földgáz) kedvezőtlen, és a folyamatban az O/CO2-arány értéke magas. Még jobban növeli az arányt az a tény, hogy a kibocsátott szén-dioxid 50%-át a

 

 

természet maga is elnyeli, csökkentve a légköri szén-dioxid-koncentráció várt növekedését.

2. A metántüzeléssel kapcsolatban, energetikai szemléletben, az előbbivel ellentétes vélemény alakult ki. A tüzelőanyagok felhasználásának energetikai célja: a hőfejlesztés. Ebből a szempontból értékelve a tüzelőanyagokat, az egységnyi hőmennyiség fejlesztéséhez szükséges oxigéntömeg a mértékadó paraméter. E szempont szerint vizsgálva az adatokat az látszik, hogy a H/C-érték növekedésével csökken az egységnyi hőmennyiség fejlesztéséhez felhasználásra kerülő oxigén mennyisége. A földgáznak egyéb hasznossága mellett, a szénhidrogének között viszont a legkedvezőbb az értéke.

3. A szilárd fosszilis tüzelőanyagok között a szénülés növekedésével növekszik a fajlagos oxigénszükséglet. Feltűnő a lignitnél az alacsony érték. A lignitet nevezhetjük átmenetnek a bio-tüzelőanyagok és a szén között, mert a fajlagosan magas hidrogéntartalom mellett jelentős az oxigéntartalom is (a fás szerkezet is jelentős).

4. Külön csoportot képeznek a biológiai rendszerhez kapcsolható tüzelőanyagok. Ezek maguk is tartalmaznak oxigént, aminek jelentős részét az égés során felhasználják. A természet a saját rendszerének optimalizálására törekszik. A bio-tüzelőanyagok, tehát mind a szén-dioxid-, mind az oxigéngazdálkodás szempontjából a legkedvezőbbek. Sajnos egyéb szempontból az energetikai hasznosításuk kedvezőtlen.

5. A hidrogéntüzelés fajlagos oxigénfelhasz-nálásban megelőzi a szénhidrogéneket, de kedvezőtlenebb a bio-tüzelőanyagoknál.
 


Kulcsszavak: fosszilis tüzelőanyagok, tüzelés, a légkör összetétele
 

 

IRODALOM

Hillier, Warwick (2011): Something in the Air We Breath. Research School of Biological Sciences, Australian National University Canberra ACT 0200 Australia

Ishidoya, Shigeyuki – Aoki, S. – Nakazawa, T. (2003): A High Precision Measurements of the Atmospheric O2/N2 Ratio on a Mass Spectrometer. Journal of the Meteorological Society of Japan. 81, 1, 127–140. • WEBCÍM

ISIS Report 19/08/09 (2009): O2 Dropping Faster than CO2 Rising. • WEBCÍM

Keeling, Ralph (2006): Atmospheric O2 Concentration, Reported as the O2/N2 Ratio. University of California at San Diego Institution of Oceanography (SIO)

Keeling, Ralph F. (1988): Measuring Correlation between Atmospheric Oxygen and Carbon Dioxide Mole Fractions: A Preliminary Study in Urban Air. Journal of Atmospheric Chemistry. 7, 153–176.

Keeling, Ralph F. (1995): The Atmospheric Oxygen Cycle: The Oxigen Isotopes of Atmospheric CO2 and O2 and the O2/N2 Ratio. Reviews of Geophysics, Supplement. July, 1255–1263.

Keeling, Ralph F. - Severinghaus, Jeffrey P. (1993): Atmospheric Oxygen Measurements and the Carbon Cycle. (Proceedings of the 1993 Global Change Institute, The Carbon Cycle) Cambridge University Press, 134–140

Marland, Gregg – Boden, Thomas (1991): CO2 Emissions Modern Record Trend 91. Carbon Dioxide Information Analysis Center, Oak Ridge, TN

Mészáros Ernő: Különleges egyensúly a levegőben. MTA, Miskolci Akadémiai Bizottság, 2010. június 2.

Redfield, Alfred C. – Ketchum, B. H. – Richards, F. A. (1963): The Influence of Organisms on Composition of Sea Water. In: Hill, Maurice N. (ed.): The Sea. Vol. 2, Interscience, New York

 

 

 

 

Reményi Károly: Kiegészítés Az oxigén, a szén-dioxid és az energia című,

a Magyar Tudomány  2012. februári számában megjelent cikkemhez (WEBCÍM)

 

A cikk a légköri oxigénkoncentráció és az emberi tevékenység során kibocsátott CO2 közötti kapcsolatot elemzi. A közelmúltban több tanulmányban olvasható volt, hogy a légköri oxigénkoncentráció a CO2-koncentrációnövekedésnél jobban csökken, amire nem találtam kielégítő magyarázatot. A cikkben, a European Science and Environment Forum-on is említett, A. Siddons és J. D’Aleo által írt Carbon Dioxide: The Houdini of Gases. White Paper for International Climate and Environmental Change Assessment Project (ICECAP), Washington, DC, először 2007 szeptemberében közölt munkában szereplő ábrával mutattam be a légköri karbon mennyiségének változását. A cikkben lévő szöveg: „A 3. ábrán két skálát kell értelmezni. A felső vonal a teljes légköri karbonmennyiséget mutatja (a CO2 gigatonna C-ben kifejezve). Az alsó vonal az emberi tevékenység következtében keletkező karbonmennyiséget jellemzi, de e mennyiség számításakor az 1750-es évnél nulla értékből kell kiindulni (a leolvasott ordinátaértékből 590 Gt értéket mindig le kell vonni).”
Olvasói észrevételeket figyelembe véve, jogosnak tartom az igényt, hogy az ábrával kapcsolatban bővebb ismertetést adjak. Enélkül többek a CO2-kibocsátás jelentőségének elhanyagolását vélték felfedezni, ami korántsem volt szándékom. Az ábrához a következőket kell hozzáfűzni: Az ábrán szereplő két görbét valójában kétféle módon kell értelmezni: a teljes légköri C görbe az ipari forradalom kezdetétől a CO2-koncentrációváltozás tényleges értékeit ábrázolja, míg az emberi kibocsátás görbe az adott évben összesen kibocsátott mennyiséget mutatja. Utóbbi mennyiségekből a légkörben maradó értékeket a „teljes légköri C” görbe már tartalmazza. Nem szerencsés a két görbét azonos méretarányú diagramon ábrázolni, mert az értékek között nagyságrendi különbségek vannak, továbbá magyarázat nélkül valóban a kibocsátások lekezelésének érzetét keltheti. Megjegyzem: az emberi tevékenység révén keletkező kumulált kibocsátást és az általa okozott CO2-koncentrációnövekedés görbéjét több helyütt egy általam szerkesztett ábrával szemléltettem (pl. Reményi, K.: The Fossil-Fuels and the Global Warming. Journal of Energy and Power Engineering, 2012. 6,). E cikkek közlik a fosszilis energiahordozók hasznosításakor keletkezett CO2 mennyiségét, továbbá a természetben lekötött mennyiséget figyelembe véve a légkörben maradó CO2-t, és az így létrejövő koncentrációváltozást. Az 1860 és 2005 között felhasznált fosszilis tüzelőanyagból 1777,5 Gt CO2 keletkezett. Az általam kimutatott természetes lekötés mértéke 59%, így a légkörben maradó mennyiség 728,5 Gt CO2, azaz 198,7 Gt karbon. A légköri karbon mennyisége 1860-ban 610 Gt volt, tehát a felhalmozódással a jelenlegi érték 808,7 Gt. Az irodalomban a jelenlegi légköri karbon mennyiségére közölt értékeket 750–810 Gt tartományban találjuk.


 

 

 

folyamat

az O2-fluxus és

a CO2-fluxus aránya

fotoszintézis és talajlégzés CO2 + H2O ↔ CH2 + O2

 -1,05a

fosszilis tüzelőanyag égése CHy + (1 + y/4) = y/2H2+ CO2

 -1,42b

az óceánok többletfelvétele H2O + CO2 + CO3= → 2HCO3–

 0

óceáni fotoszintézis és légzés

106CO2+16NO3–+H2PO4–+17H+ ↔ C106H263O110N16P+138O2

 -2 – 8c


1. táblázat • a – a fluxusarány átlaga, amennyiben a földi szerves anyag némileg több szénhidrátot redukál, akkor, ha a talajban az O2/CO2-arány nagyobb, mint 1 (Keeling, 1988) • b – az 1991. évre várt tüzelőanyag-felhasználás alapján számított fluxusarány átlagértéke (Marland - Boden, 1991), felhasználva a különböző tüzelőanyagokra számítható O2/CO2-arányokat (Keeling, 1988) • c – A tengervízben az óceáni fotoszintézis által keletkezett többlet O2 és a tengervízből eltávolított CO2 aránya közelítőleg 1,3 : 1. Az értéket a tenger szerves anyagának összetétele határozza meg (Redfield et al., 1963). A levegő és a tenger közötti kapcsolat relatív fluxusa függ a gázcserefolyamat hatásosságától és erősen függ az időléptéktől (Keeling - Severinghaus, 1993). <
 

 

tüzelőanyagok és reakciók

hidrogén és karbon aránya (H/C)

oxigénfluxus és széndioxid-fluxus aránya (O2/CO2)

fejlesztett hő
MJ/mól

2H2+O2=2H2O

—

—

242

C+O2=CO2

0

1

394

CH4+2O2= 2H2+CO2

 4 2,0

878

C3H8+5O2=4H2O+3CO2

2,7

1,7

 2149

C4H10+6,5O2=5H2+4CO2

2,5

1,6

2785

C2H4+3O2=2H2O+2CO2

2

1,5

1271

antracit C 86% H 3,7%

0,25

1,25

 

lignit C 19,7% H 1,7% O 8,5%

0,26

1,0

 

      biológiai anyagok

      

C6H12O6+6O2=6H2O+6CO2 (glükóz)

2

1

3814

C2H6O+3O2=3H2+2CO- (etanol)

3

1,5

1513

CH4O+1,5O2=2H2+CO2 (metanol)

4

1,5

878

kérges fa C 47% H 6% O 43%

0,77

1,4

 


2. táblázat <

 


 

fosszilis tüzelőanyag

fűtőérték

MJ/kg

fajlagos oxigénigény

106·O2 mól/MJ

H2

121

2066

C

32,808

2538

CH4

54,9

2279

C3H8

48,8

2326

C4H10

48,0

2326

C2H4

45,4

2360

antracit C 86% H 3,7%

35,3

2540

lignit C 19,7% H 1,7% O 8,5%

8,52

1813

      biológiai anyagok

 

 

C6H12O6 (glükóz)

21,2

1573

CH4O (metanol)

27,4

1710

C2H6O (etanol)

32,9

1980

kérges fa (nedvesség- és hamumentes)

C 47% H 6% O43%

18,1

1492

 

3. táblázat <

 




1. ábra • A H/C és az O2/CO2-fluxusarány kapcsolata

 




2. ábra • A C, a szénhidrogének és a H2-égés fajlagos oxigénigénye