A napenergia hasznosítása II.
2010/4. lapszám | netadmin | 6834 |
Figylem! Ez a cikk 15 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
A Föld Nap körüli mozgása miatt a Földre érkező sugárzás helyzete folyamatosan változik, bolygónk különböző részein más és más. Ha például az Egyenlítő alatt tartózkodunk (a cikk szerzőjének volt erre módja ottani munkavégzése idején), akkor azt fogjuk látni, hogy egyszerűen reggel keleten kel fel a Nap, dél körül pont a fejünk fölött lesz, míg este Nyugaton bukik a horizont alá. Ha pedig valamelyik sarkon tartózkodunk, akkor nyáron sosem nyugszik le a Nap, hanem a horizont közelében látjuk.
Magyarország az északi féltekén helyezkedik el a 46-48. szélességi fokok és a 16,5-22,5. hosszúsági fokok között. Ezért a legnagyobb magassági szögben nyáron kb. 66°-on látszik június 22-én, a zenit idején Budapest, míg a legalacsonyabb szögben, kb. 19,25°-on december 22-én. (Bővebben Dr. Kuba Gellért: Benapozás című munkájában, IPARTERV tervezési segédlet, 1975.)
A napmagassági szög mellett azimut szögnek nevezzük a keletről nyugatra való pályamozgást. Megjegyezném, hogy a legpontosabb pálya-meghatározást a napóra módszerrel tudjuk elérni. Egy meghatározott hosszúságú botot leverünk a földbe – pontosan függőlegesen –, és meghatározott időnként, például 10 percenként megjegyezzük a bot végének helyét például egy lefektetett papíron. Vigyáznunk kell a pontos idő meghatározásával. A rádió által bemondott „zónaidő” – főleg a nyári és téli időbeállítás miatt – eltér a csillagászati időtől. A mi zónaidőnk egyébként is például valahol Bécs térségében érvényes (az 1. ábrán látható, hogy az ország keleti és nyugati vége között kb. 30’ a valódi időeltolódás).
Akkor van a Nap a legmagasabban, amikor a bot a legrövidebb árnyékot mutatja. Ez a csillagászati zenit idő. A Nap mozgásának pontos értékeit táblázatokba foglalták, azok fellelhetők az irodalomban. A GPS rendszerek megjelenése óta pedig nagyon könnyű a helyzet-meghatározás. A napkollektor/napelem-rendszerek hatásfoknövelésének a legegyszerűbb módja tehát a Nap látszólagos mozgásának követése. Ezzel a módszerrel kb. 20-25%-os teljesítménynövekedés érhető el. Két lehetőség adódik: az abszorberek mozgatása 1 vagy 2 tengely körül. De van példa a kettő kombinálására is.
A kivitelezésnél a legnagyobb problémát – minden esetben – a nagy szélerők okozzák. Ezért általában nagyon erős acélszerkezeteket alkalmaznak.
A másik megoldás az abszorber felületén való napsugárzás-koncentrálás. Miért van szükség valójában a sugárzás koncentrálására? Szinte minden esetben a magas hőmérséklet elérése érdekében. Valójában csak a koncentrálás mértékétől függ a kialakuló – néha rendkívül magas – hőmérséklet. Vannak kifejezetten olyan technológiai esetek, amikor így lehet előállítani legkönnyebben az elvárt nagyon magas hőmérsékletet, például wolfram megolvasztására.
Ha energiatermelésre akarjuk használni a kialakuló magas hőmérsékletet, akkor erőművi alkalmazásokra kell gondolnunk. A legegyszerűbb módszer, hogy a magas hőmérséklettel magas nyomású vízgőzt állítunk elő, amivel azután gőzturbina meghajtása által elektromos áramot termelhetünk. Először az Egyesült Államokban építettek erőműszinten egy kísérleti berendezést síktükrök felhasználásával. Sivatagi környezetben egy több tíz méter magas torony tetején helyezték el az abszorbert, olvadt só keringtetésével. A torony előtt felszerelt több száz síktükör vetítette a Nap sugárzását a torony teteje felé. Minden tükör két tengely körül volt mozgatva egy központi számítógép vezérlésével.
Az olvadt sólé segítségével termeltek magas nyomású gőzt turbina hajtására. Hasonló elven építettek nagyméretű berendezést Spanyolországban is, több ezer síktükör felhasználásával. Hazánkban hasonló berendezés épült meg kis méretben, családi ház-szinten Budapest közelében, 2005-ben (a szerző tervezésében és kivitelezésében). Itt nem egy torony tetejére, hanem lefelé vetítenek a tükrök. A síktükrök által vetített fény hasonló, mintha több diavetítővel vetítenénk képet ugyanarra a célfelületre. A szélső tükrök képe vetületben jelenik meg, de a vezérlés mindig a célfelületen tartja a vetítéseket. Előnye ennek a rendszernek, hogy csupán bevilágítási célokra is alkalmazható, például olyan helyekre, ahova soha nem süt be Nap a domborzati viszonyok miatt. Hátránya a bonyolult szabályozás és a nagy szélerők miatti erősített kivitelezés.
Szintén az Egyesült Államokban épült meg az első ún. „vályú” (trough) tükrökre épült naperőmű. A szintén sivatagi körülmények között megvalósított berendezés földre helyezett acélszerkezeten működik. Nagyméretű hajlított tükröket helyeztek rá, amelyek tükrösített üvegből készültek – kialakítva a parabola formát – 4-5 m szélességben. A parabola-metszet fókuszába helyezték el az abszorbercsövet, üvegcsőbe helyezett vákuummal körülvéve. A csőben termoolajat keringtettek 450-500 °C-os hőmérsékletet elérve. A termoolaj melegíti fel utána a nagy nyomású vízgőzt egy hőcserélőben. Nagy előnye ennek a rendszernek, hogy naponta csak egy tengelyen kell mozgatni a tükröket K-Ny-i irányban, ha a „vályú” hossztengelye É-D irányban helyezkedik el. A vezérlés is nagyon egyszerű, mert a fókusz környékére helyezett fényérzékelőkkel lehet a mozgatást iránytani. A rendszer ott működik jól, ahol kevés csapadék esik.
Ha csapadékos helyre telepítik – a svéd megoldás a járható út –, egy üveggel van lefedve a vályú teteje. Felvetődhet a kérdés, hogy miért nincsenek hasonló kivitelű, közvetlenül áramot termelő napelem-megoldások. Voltak próbálkozások, azonban tudomásul kell venni, hogy a napelem félvezető anyagokból készül, amelyek a hőmérséklet növekedésével egyenes arányban csökkenő teljesítményt produkálnak. Sőt egy bizonyos hőmérséklet fölött – kb. 80 °C – tönkre is mennek. Aktív hűtést kell alkalmazni, a bekerülési költségek azonban rövid úton felemésztik a várható eredményt.
Folynak jelenleg is ilyen kísérletek. A legjobb eredményeket szintén az USA-ban érték el ún. „többrétegű félvezetőkkel”. A koncentráció mértéke a jellemző szám ezeknél az alkalmazásoknál. Az elnevezés szerint „…hány Nap van koncentrálva…” a felületen. Jelenleg több ezres számnál tartanak. A fejlesztések egyébként nem elsősorban a földfelszíni alkalmazásokat célozzák.
A fentiekből is látható, hogy először is azt a kérdést kell feltenni, hogy miért építsünk napsugár-koncentráló berendezést? Ugyanis ezt csak akkor érdemes, ha nincs más módszer: melegvíz-termelési és fűtési célokra teljesen értelmetlen. A régi mondás érvényes itt is – minél egyszerűbb egy szerkezet, annál jobb. A tető fölé helyezett napkollektoroknál és napelemeknél nincs hálásabb szerkezet – persze csak akkor, ha jó minőségűek. Az ilyen jellegű beruházások csak akkor térülnek meg, ha hosszú ideig kifogástalanul működnek. A várható élettartamot minimum 15-20 évben lehet meghatározni. Hosszabb távú tapasztalat pedig még nincs. Várható, hogy a közeljövőben szaporodni fognak a hasonló elven működő naperőművek. Az ún. „Szahara projekt” már a konkrét előkészítés állapotában van, a nagy, elsősorban német vállalatok irányításával. Az ott termelt áramot Európába kívánják szállítani tenger alatti kábeleken.
Hazánk helyzete egyébként nagyon jó a napenergiás alkalmazásokhoz. Minden ilyen projektet támogat az Európai Unió, kb. 50%-os arányban. Az Alföld egyes területein lenne értelme hasonló parkokat létesíteni, például a Hortobágyon vagy Gyula térségében. Országosan ott a legmagasabb a benapozott órák száma éves szinten (a gyulai víztorony tetején található az MTA Napfizikai Obszervatóriuma). A beruházások jelenleg valóban aránylag sokba kerülnek, hosszabb távon azonban mindenképpen megtérülnek. Nem tudják kiváltani az alaperőművek teljesítményeit, de egyre inkább be tudnak segíteni az ország energiatermelésébe, teljesen tiszta módon, mindenféle káros anyag kibocsátása nélkül és biztonsággal. Mivel hazánk vállalta az EU-n belül, hogy évente bizonyos százalékban növeli a megújuló energiák felhasználásának arányát, minden lehetséges módszert alkalmazni kellene, lehetőleg az erdők kiirtása nélkül.
Említettük a Föld felszínére érkező napsugárzás színképét. Kitértünk arra is, hogy a teljes spektrum energiatartalmának 46%-át adja a hősugárzás, a vörösen túli infravörös sugárzás. Általában ennek felhasználása a cél – de érdekes módon vannak ettől eltérő felhasználások is. Az üveges növényházakban a nap sugárzásának felhasználásával termelhetünk virágokat és zöldségeket. Újabb kutatások azonban kimutatták azt, hogy nagyrészt a növényeknek nincs is igényük a teljes spektrumra, hanem csak az emberi szem által is látható tartományba eső fényre.
A növények és a primitív életformát jelentő algák is a fény és a szén-dioxid elnyeléséből készítenek oxigént (és vizet). De nem mindegyik növény. Van, amelyik bizonyos időben oxigént termel, bizonyos időben pedig szén-dioxidot. A fotoszintézis teljes mechanizmusa még most sem teljesen tisztázott kérdés. Nagyon nagy ráfordítású programok vannak folyamatban, például a NASA az eljövendő Mars-utazásnál növények telepítésével akarja biztosítani az űrhajósok levegő- és étel-utánpótlását. Olyan program is működik, ahol ipari céllal termelni kívánt növények egy sötét, zárt térben vannak elhelyezve. A beérkező napsugárzást koncentrálják és alkotóelmeire (színeire) bontják. Üvegkábelen vezetik be a fényt a növények megvilágítására, a hősugárzást kiszűrve. A leválasztott hősugárzással olcsón megoldható a temperálás, illetve klimatizálás. Megjegyezném, mint olyan korábbi tervező, aki évtizedig tervezett növényházi berendezéseket Budapest közvetlen közelében, hogy a mai növénytermelési kultúráknál már talajra sincs szükség – csak folyadékra. Az ok nagyon egyszerű: a tápfolyadék adagolását a legegyszerűbben számítógépes rendszerrel lehet megoldani. Az viszont tény, hogy a mai termelési értékek sokszorosan meghaladják a korábbiakat – ráadásul minimális élő munkaerő-ráfordítással. Annak bizonyítására, hogy a növények mennyire valódi élőlények, gondoljunk a Magyarország egyik jelképének is tartott napraforgóra. Ez egy rendkívül igénytelen, magas hozamot produkáló növényfajta – és követi a Nap látszólagos mozgását! Az embernek ehhez bonyolult gépeket kellett építeni.
Egy másik irányzat az egyelőre még kellő mennyiségben rendelkezésre álló víz bontásával kíván hidrogént előállítani. Az elektrolízis fogalmát már régen ismeri az emberiség. A hagyományos módon tekintett víz-elektrolízisnél egy tartályba két elektródát helyezünk egymástól bizonyos távolságra, és arra alacsony feszültségű egyenáramot vezetünk. A víz alapból desztillált, ami egyebek mellett elektromosan szigetelő. Ehhez adagolnak valamilyen elektrolitot, ami által elektromosan vezetővé válik. Az áram hatására megkezdődik a víz bontása, és az egyik elektródán hidrogén, a másikon oxigén válik ki. Ezzel a módszerrel nem a legolcsóbb a hidrogén fejlesztése, bizonyos helyzetekben azonban célszerű megoldás.
Napi téma a megújuló energiaforrások fokozottabb igénybevétele. Az így termelt – főleg elektromos – energia rátáplálása viszont gondokat okozhat az elosztó vállalatoknak. Hazánkban a szélerőművek működésével kapcsolatban kerültek előtérbe ezek a problémák. Tudjuk, hogy a szél nem állandóan és nem állandó erővel, sebességgel fúj. A szélerőműveket először is olyan helyekre telepítik, ahol a tapasztalatok szerint az átlagnál szelesebb időjárás a jellemző. Ennek ellenére nem tervezhető folyamatos és állandó áramtermelés. A mai szélerőművek 40-50 m magasak és 2-2,5 MW/h teljesítményt produkálnak. Az ellenzők sok kifogást találtak már ki ellenük, de elfelejtik – vagy nem tudják -, hogy hazánkban, főleg az Alföldön, mintegy ezer darab szélkerék működött a második világháború előtti időben, természetesen kisebb méretekben. Amikor még nem volt általános az elektromos elosztóhálózat kiépítettsége, ez volt az egyedüli áramtermelési lehetőség sok gazdasági majorban. De elegendő megnézni egy mai amerikai westernfilmet, és rögtön feltűnnek ezek a kedves szerkezetek. Ott főleg víz szivattyúzásra használják a szabadon tartott állatok itatásával kapcsolatban.
Hollandia jelképe is szélmalom, ami valójában nem is malom. A hollandok úgy szereztek maguknak földet a tengertől, hogy körbevettek gáttal egy területet, és a bezárt vizet átszivattyúzták a tengerbe. A szivattyúzást végezték – és végzik még ma is – a „szélmalmok”. Mivel hazánkban nem valósultak meg a folyókon vízszintemelő gátak olyan nagyságrendben, mint például Ausztriában, nem lehetett kiépíteni a magasabb szintre emelő szivattyús energiatároló megoldásokat. A mostani szélerőműveknél tehát az egyik energiatároló lehetőség a felesleges kapacitásokkal való vízbontás. A keletkező hidrogént fel tudjuk használni energiatermelésre, akár közvetlenül elégetve belsőégésű motorokban, akár közvetve (egyen)áramot termelő tüzelőanyag-cellákban.
Ha megvizsgáljuk az energiamérleget, nemcsak a hidrogént kell figyelembe vennünk, hanem a keletkezett oxigént is. Mindkét gázt össze lehet gyűjteni, és nagyobb nyomáson tárolni.
Újabban sok elemzés látott napvilágot a jövendő hidrogénkultúráról. A hidrogén a legkönnyebb gáz, a korábbi léghajózásból ez ismert.
Oxigénnel keveredve robbanógázt alkot, ezért fokozott elővigyázatosságot igényel a tárolása, kezelése. Mivel az oxigénnel való egyesülése, égése során víz keletkezik, a jövő tiszta energiahordozójának is tartják.
A földgáz általános megjelenése előtt Budapesten is városi gázszolgáltatás volt. A korábbi Óbudai Gázgyárban például a termelt városi gáz összetétele a következő volt: hidrogén; szén-monoxid; szén-dioxid; nitrogén; oxigén; metán (földgáz). Ebben az összetételben már a metán is (CH4) is szerepet kapott 24%-ban. A „H2” 28%-os tartalma volt azért a meghatározó. Azt is meg kell még jegyezni,- hogy a szén-monoxid 18%-os résszel – mint veszélyes gázként ismert elem – is éghető gáz!
Az alkalmazott gázkészülékek nagy része egyébként ma is átállítható (visszaállítható) lenne a városi gáz-üzemmódra. Csupán a csővezetéki nyomásokat kell átállítani.
Ha egyszerű elégetésről beszélünk, meg kell jegyezni, hogy a hidrogén könnyen tárolható például a propán-bután gáztartályokban, azok keverékeként is. A gyakorlatban csak annyit fogunk tapasztalni, hogy az égés során, például a cirkogejzíreknél a láng színe piros lesz. A hidrogén égése során a következő értékek adódnak. Fűtőérték: 10,8 MJ /nm³ (10,1325 N/cm² nyomáson és 0 °C hőmérsékleten. 1 köbméter elégetéséhez szükséges levegő: 2,38 m³; 1 m³ elégetésekor keletkezik 0 m³CO2; 1 m³ H2O = 804 g. A fűtőérték ugyan kb. ⅓-a a földgázénak, de ezt ki lehet egyenlíteni a gázkészülékek égőinek beállításával. Tehát minden különösebb probléma nélkül beilleszthető lenne a mai fűtési rendszerekbe is. Belső égésű motorok is működnek ezen az elven némi átalakítások után, és nem terhelik a légkört szén-dioxiddal!
A hidrogén- (és oxigén-) termelés napenergiás alkalmazásoknál azért kerülhet szóba, mert önként adódik a megoldás. A napelemek egyenáramot állítanak elő, ami közvetlenül alkalmas a vízbontásra. Nem kell bonyolult elektronikus berendezésekkel átalakítani váltóárammá. A feszültséget kell valahogyan stabilizálni. A víz pedig esővíz, amely szintén adómentes – egyelőre.
További lehetőség – a fordított vízbontás – a tüzelőanyag cellák alkalmazása. Az „Apolló 13 esete” című film vetítése után a nézők nagy része megtanulta azt, hogy mi is az a tüzelőanyag-cella. A hidrogén és oxigén egyesülése bizonyos katalizátor jelenlétében egyenáram és víz termelését eredményezi. Az oxigén lehet a levegő oxigéntartalma is (21%).
A jelenlegi hazai gyakorlat szerint a földgázellátás Európában az egyik legjobban kiépített (Hollandia után a második legjobb). A földgáz vegyileg CH4, magyarul metán. Ennek hidrogén (H4) részét leválasztva és azt bevezetve egy tüzelőanyag-cellába elektromos áramot termelhetünk magas hatásfokkal. Az egyenáramot könnyen átalakíthatjuk a hálózati áramként megszokott 230/50 formára, tehát a hálózati árammal azonos formájú váltóárammá.
A New Yorkot korábban ért terroristatámadás után világossá vált, hogy a nagy energiatermelő objektumok is ki vannak éve potenciális támadásoknak. Ha viszont az energiatermelést is szétosztjuk – az internethez hasonló módon – kisebb teljesítményű, de összefűzött hálózatokba, sokkal biztonságosabb megoldáshoz jutunk. Valószínűsíthető tehát, hogy a közeljövendő elektromos energiaellátási megoldása ezen hálózatokban kereshető.
Az integrált rendszerekbe beilleszthetők a különféle energiatermelő és -fogyasztó helyek. De építettek már tüzelőanyag-cellával működő elektromos autókat, buszokat is. Sőt, Németország egyik sikeres exportgyártmánya a tüzelőanyag-cellával működő tengeralattjáró, amelyért rendkívül magas árat is hajlandók fizetni a vevők. Az oxigént és a hidrogént is folyadékállapotban, mélyhűtve tárolják a hajó belsejében.
A napenergia hasznosítását tehát nem szabad csupán leegyszerűsítve a napkollektorok és napelemek szintjén kezelni, inkább egy több-bemenetes energiatermelő rendszer részeként, már csak azért is, mert a jövő fejlesztési irányai egyértelműen ebbe az irányba mutatnak. A technológiai fejlesztések nagyon gyors üteműek ezen a területen, viszont az egységbe épített energiatermelő és -fogyasztó rendszerek hozzák a legmagasabb hatásfokot.
A mostani téli állapotok is azt mutatják, hogy a globális felmelegedés néven megismert hatás nem azt jelenti, hogy nem lesz a továbbiakban tél! Sőt, az éghajlatváltozás azt okozza, hogy egyre kiszámíthatatlanabb lesz az időjárás. Viszont a Nap télen is energiát küld a Föld felé, amit könnyen fel tudunk használni. A sugárzási intenzitásban nincs nagy különbség a nyárhoz képest, viszont a napos órák száma kevesebb télen, mint nyáron.
Jelenleg Magyarországon a megújuló energiaforrások használatában a következő irányzatokkal számíthatunk: szélenergia, napenergia, hőszivattyúk, biomassza felhasználása, vízi energia felhasználása. Ha megvizsgáljuk az egyes lehetőségek beruházási igényeit, a leggyorsabban megtérülő beruházások a napenergia és a biomassza felhasználása. A megbízhatóság feltételeiben is ez a két irányzat vezet.
Az, hogy a közeljövőben milyen irányzat fog megerősödni, egyelőre kiszámíthatatlan, mert ez elsősorban a kormányzati politikai döntések függvénye. Viszont az Európai Unió által kezdeményezett „Intelligens Energia Európa” program a fent nevezett sorrendben támogatja a projekteket. A támogatás mértéke a teljes beruházási összeg 40-75%-a lehet, de utófinanszírozási rendszerben! Az elmúlt 6 évben a program részeként nagyon sok komoly beruházás valósult meg Európában és hazánkban is, amelyek jótékony hatása már kezd érvényesülni.
