A NAPENERGIA HASZNOSÍTÁSA

Timárné Horváth Veronika, egyetemi adjunktus
Budapesti Mûszaki Egyetem, Elektronikus Eszközök Tanszéke

Bevezetés

1991 december 9-én az Európai Közösség és további 43 európai állam /beleértve a volt Szovjetunió utódállamait is/, közöttük Magyarország is aláírta az Európai Energia Charta-t, amely az össz-európai energiabiztosítás politikai keretét alkotja. A Charta az energiatermelés, -befektetések, -kereskedelem /tehát gazdasági kérdések/ összehangolásán kívül igen komoly hangsúlyt fektet az energiatermelés és a környezetvédelem kapcsolatára is, így külön foglalkozik az energia-áraknak a környezetvédelmi ill. -helyreállítási költségkomponenseivel, ezeknek az árakba való beépítésének szükségességével, valamint a megújuló energiaforrások és tiszta technológiák alkalmazásának elterjesztésével [ ]. Egyes felmérések szerint Magyarország egyre növekvô adósságainak fô elôidézôje a nem kellôen hatékony iparágak energiaellátását biztosító drága fosszilis energiahordozók importja. Ezért e nyomasztó adósság-tehertôl való megszabadulás érdekében minden belföldi energiatermelési lehetôséget számba kell venni. A felmérésnek tartalmaznia kell a rövid- és hosszútávú költségeket, a környezeti vonatkozásokat is [ ]. Magyarország nyugati normák szerint nagy energia fogyasztónak számít: az egy fôre esô energiafogyasztás összemérhetô Japánéval a sokkal alacsonyabb egy fôre esô GDP ellenére /mintegy negyede Japánénak/. Ez a nem hatékony energiafelhasználás a nagy energiaigényû nehézipar fejlesztésének, az épületeknél alkalmazott rossz hatásfokú hôszigetelési technikáknak és fûtôberendezéseknek, a nem hatékony energiatermelésnek és a takarékos felhasználást ösztönzô ár-rendszer hiányának tudható be. E nagy energiaszükséglet kialakulását elsôsorban a volt Szovjetunióból érkezô olcsó és bôséges olaj és gáz tette lehetôvé. Magyarország egyik alapvetô energiaforrása a szén, amelyet fôleg villamos energiatermelésre használnak, de jelentôs mennyiséget fordítanak kokszosításra illetve ipari hevítésre is. Széntartalékainkat 100 Mt gazdaságilag hasznosítható kôszén és 3650 Mt barna szén illetve lignit képezi. A magyar szeneknek általában magas a hamu- és kéntartalmuk, ráadásul a földrajzi viszonyok túlnyomó többségben megnehezítik és költségessé teszik a bányászatot. A megújuló energiaforrások részesedése az ország energiaellátásából kb. 2%, a vízierômûveket is beleértve, mely mértéket a kormány stratégiája szerint 1995-re 5-6%-ra kell növelni. Mialatt a biomasszában és a geotermikus forrásokban rejlô lehetôségek jóslások szerint csak rövid távra jelentenek megoldást, hosszabb távon a nap- és szélenergiát hasznosító technológiák is megfontolás tárgyát képezik. A megújuló energiaforrások alkalmazási lehetôségei Magyarországon A megújuló energiaforrások gyûjtôfogalom alatt az alábbi energiaforrásokat értjük: - napenergia; - szélenergia; - biomassza; - geotermikus energia; - óceánok energiája (hullám, ár-apály, áramlás, só- koncentráció-különbség, hôgradiens, sarki jég); - vízienergia; A Magyarországon leginkább szóbajöhetô megújuló energiaforrásokat az alábbiakban tekintsük át vázlatosan [ ]. A szél energiájának hasznosítási lehetôségét korlátozza az a tény, hogy az Alpokkal és a Kárpátokkal körülhatárolt hazánkra az alacsony (2-6 ms) szélsebesség jellemzô. E kis szélsebességnél a szél energiatartalma nem éri el a 150 Wm2-t, a szélgépekkel való energiatermelés gazdaságosságához viszont 500-600 Wm2-re volna szükség. A kis szélsebességtartományban már induló szélkerekeket az állatitatáson kívül alkalmazni lehet egyedülálló épületek akkumulátoros áramellátására, öntözési, vízátemelési célokra, halas- és szennyvíz tavak oxigéndúsítására, villanypásztor áramellátására, stb. A napenergia hasznosítása lehet aktív és passzív. Eszközeirôl részletesebben a késôbbiekben lesz szó. Hazánk különleges geotermikus adottságai lehetôvé teszik a föld melegének gazdaságos hasznosítását. A földi hôáram átlagértéke a Föld felszínén négyzetméterenként és másodpercenként 5,02×10-6 J. Magyarország területén ez az érték 8,04×10-6-14,2×10-6 J. A magyar geotermikus anomáliából következik, hogy 2000 m mélységben 20-40°C-kal magasabb a hômérséklet a földi átlagnál. A geotermikus energia kinyerése vagy direkt e célra fúrt, vagy pedig a szénhidrogénbányászat meddô kutató fúrásai után e célra megnyitott kutakból lehetséges. A felszínre hozott, hôtartalmától megszabadított geotermikus víz gondot is jelent, mert hôvel és ásványi sókkal szennyezi a talajfelszínt és az élôvizeket. Környezetvédelmi okok miatt szükséges tehát a tárolórétegbe történô víz-visszasajtolás általánossá tétele. Jelenleg mintegy 80-90 ezer tonna olajnak megfelelô energiahordozót helyettesítenek geotermikus hôvel. Felhasználási területe üvegházak, fóliasátrak fûtése, uszodák, strandok, gyógyfürdôk vízellátása, lakások fûtése, használati melegvízellátása. A megújuló energiaforrások skáláján a biomassza különbözô fajtái foglalják el a legnagyobb helyet. A mezô- és erdôgazdaságban keletkezô melléktermékek azon része, amelyre a talajerôvisszapótlásnál és az állattartásnál nincs igény, kerülhet energetikai hasznosításra. Ma ennek a mennyiségnek még a 10%-a sincs tüzelési célokra felhasználva. A melléktermékek nyomással történô tömörítése (brikettálás) csak akkor célszerû, ha lakossági szilárd tüzelôanyagot kívánunk vele kiváltani.A brikettálható hulladékok köre nagyon széles. A fafeldolgozási kéreg, fûrész- és csiszolatpor, a mezôgazdasági gabonaszalmák, az ipai folyamatok hulladékai (textilipar, papíripar, stb.) egyaránt brikettálhatók és így az eddigi szeméttelepi hulladékból hasznos tüzelôanyag nyerhetô. A tüzelésre alkalmas bioanyagok hôértéke megközelítôleg azonos az átlagos hazai barnaszenekével. A bioanyagok kéntartalma minimális és ezáltal pl. 1,3 millió tonna biomassza eltüzelésével feleslegessé válik 1 millió tonna barnaszén eltüzelése. Ilyen módon a füstgázokkal 60 ezer tonna SO2 nem kerül ki a légtérbe. A továbbiakban a figyelmet a napenergia hasznosítására kívánom fordítani. A napenergia hasznosításának elônyei A napenergia elônyei röviden az alábbiakban foglalalhatók össze: - gyakorlatilag korlátlanul rendelkezésre áll; - alkalmazásával a fosszilis energiahordozó-készle- tek hosszabb ideig elegendôek lesznek olyan cé- lokra, melyekre más források nem használhatók; - tiszta, természetes, következésképpen környezet- barát erôforrás. Hazánkban a napsugárzás energiasûrûségének átlagértéke 1760 kWhm2év, ami azt jelenti, hogy pl. kb. 21 km2-nyi területre hazánk 1990 évi 37 TWh-nyi energiaszükségletével egyenlô mennyiségû energia érkezik. A napos órák száma 1900-2200 óraév (földrajzi fekvéstôl függôen), ami Európát tekintve átlagosnak számít. Mindezek alapján elmondhatjuk, hogy a napsugárzás tekintetében nem vagyunk rosszabb helyzetben, mint Hollandia, Svájc vagy Németország, mely országokban a napenergia hasznosításának széleskörû elterjesztése nemzeti ill. kormányzati célkitûzés. A napenergia hasznosításának formái A napenergia hasznosítása lehet aktív és passzív. Az építészeti (passzív) hasznosítás jelentôsége az, hogy az épületek tájolását, építészeti megoldását úgy tervezik, hogy azok természetes úton, különleges gépészeti jellegû szerkezetek nélkül is a szokásosnál több napenergiát tudjanak felfogni, tárolni és hasznosítani. Ezen építészeti, építkezési technológiákkal és módszerekkel 15-20%-os energiamegtakarítást lehet elérni a hagyományos építkezéssel szemben. Az aktív napenergia termikus hasznosításának elterjedt eszközei a folyadék- és levegôkollektorok. Magyarországon a tavasztól ôszig terjedô idôszakban 1 m2 kollektorfelülettel 200-600 kWh hôenergia termelhetô. A lakossági fûtés és melegvízkészítés mellett a kempingekben, uszodákban zuhanyzó víz elôállítására is jól hasznosítható. A levegôkollektorok alkalmazása a mezôgazdasági termékek szárításánál, gyümölcsök aszalásánál van elterjedôben. A fotovillamos rendszerek a Nap sugárzását napcellák segítségével egyenesen villamos energiává alakítják, így nagyon vonzó energiaforrásoknak bizonyulnak, hiszen mûködésük közben nem okoznak semmiféle szennyezést. Élettartamuk megfelelô anyagok alkalmazása esetén akár 20 év is lehet és nagyon kevés törôdést igényel a fenntartásuk [ ]. Az elsô, 1953-ban készített Si egykristály anyagú, 6% hatásfokú napelem megjelenése óta jelenleg évente már több, mint 50 MWp teljesítményû napelemet állítanak elô a világon. A napelemek alkalmazása nemcsak ûrbéli, hanem földi hasznosításban is egyre terjed. Az autonom áramforrások mellett egyre több, kW és MW nagyságrendû napelemes villamosenergia-termelô rendszer épül. A fotovillamos energia helyzete a világ legjelentôsebb termelôinél Az alábbi két táblázat a világ két legjelentôsebb fotovillamosság-elôállító országának, az Amerikai Egyesült Államoknak és Japánnak mutatja be a fejlôdését 1985-90 között [ ]. A fejlesztések elsôdleges céljai között szerepel az energia elôállítási költségének radikális csökkentése /ez ma az 1$/Wp ár körül van/ elsôsorban a cellahatásfok- modulhatásfok növelésével, a modulok élettartamának és stabilitásának növelésével valamint a a felhasznált anyagok és technológiák elôállítási költségének csökkentésével. Ha azonban figyelembe vesszük a villamosenergia-termelés külsô költségeit is /3. táblázat/, beláthatjuk, hogy több éves mûködtetés esetén az eredô energiatermelési költség alakulása már nem ad okot legyintésre. Az ár kérdésérôl azt mondhatjuk, hogy akkor lesz igazán versenyképes a fotovillamos energia ára, ha megnô a piaci kereslet, vagyis nô a gyártó kapacitás. Ez egy bûvös kört alkot, amibôl csak nagyfokú propaganda és állami támogatás segítségével lehet kitörni. Az aktiv napenergia-hasznosítás egyes eredményei Magyarországon Magyarországon a hetvenes évek óta volt aktiv napelemgyártás, melynek a napjainkban zajló gazdaságátalakítás vetett véget. A korábbi Villamosipari Kutató Intézetben majd a jelenleg felszámolás alatt álló Pannonglas R.T. SOLARLAB Kft-jében gyártott napelemek listájáról néhány példa a teljesség igénye nélkül:[ ] - egyedi napelemek 0,02-0,5 W tartományban, több ezer db -egyedi napelem modulo 1-16 W névleges teljesítménnyel -napelemes ív- és világítás érzékelôk, több ezer db -napelemes rádióátjátszó és mikrohullámú átjátszó tápegységek 40W-600 W tartományban -napelemes vízszivattyúk 8-160 W névl. telj. -napelemes villanypásztorok 8W névl. telj. -napelemes fényjelzô és világító berendezések 8-16 W névl. telj. -napelemes korrózióvédelmi áramforrás 240 W névleges teljesítménnyel Szemléletformáló oktatás a Budapesti Mûszaki Egyetemen A BME VIllamosmérnöki Karának Elektronikus Eszközök Tanszékén az 1992-93 tanévben oktatási kísérletként létrehoztunk egy hallgatói- oktatói SOLAR-CLUB-ot. A klub heti rendszerességû rendezvényeit kezdetben egy szûk, 6-7 mikroelektronikai technológus diákból álló hallgatói csoport és négy-öt oktató látogatta. A klub népszerûsége azonban hónapról hónapra nôtt minden nyilvános propaganda ellenére, egyre több vendéglátogató hallgató és szakember kereste fel és hallgatta meg elôadásait. A tanév végére a klub rendes tagjainak létszáma mintegy 20 fôre növekedett, egyes elôadásokon pedig 25-30 érdeklôdô külsô látogató is megjelent. A népszerûség egyik oka a klub célkitûzésében keresendô: elôadások, kötetlen beszélgetések keretében a környezetbarát energiaforrások iránt nyitott és érdeklôdô hallgatók és diplomás szakemberek bôvíthették információikat, konzultációs lehetôséget találtak hasonló témával foglalkozó társaik megismerése révén. Magunk is megdöbbenve ismertük fel, hogy a Villamosmérnöki Kar különbözô tanszékein hányan is foglalkoznak egymástól teljesen elszigetelten a napenergia hasznosításának különbözô mûszaki kérdéseivel, ki-ki saját diákjának bevonásával. A kezdeti közös tudásszint-emelô elôadások után egyre szélesebb körbôl hívtunk vendégeket, kértünk tájékoztató elôadásokat. Vendégünk volt pl. a Magyar Napenergia Társaság elnöke, a SOLART SYSTEM Kft. ügyvezetôje, a Földmûvelési Minisztérium Mûszaki Intézetének fôosztályvezetôje, a SIEMENS-SOLAR magyarországi képviselôje valamint a SOLAREX (USA) alapítója. Valamennyiüknek ezúton is köszönetet mondunk szívességükért. A SOLAR-CLUB talán legfontosabb eredménye az eltelt egy év azon felismerése, milyen elemi erejû a fiatal generáció érdeklôdése a környezetvédelem iránt, mennyire szívükön viselik jövônket. Ezért erre a konkrét tapasztalatra alapozva további oktatás-fejlesztési programot dolgoztunk ki a Gépészmérnöki Kar Energetika Tanszékévél és a Villamosmérnöki Kar több tanszékével közösen: Környezetbarát energiatermelés címmel u.n. áBá oktatási modult szervezünk és hirdetünk meg 1994 folyamán.