A napenergia hasznosítása III.
2010/1-2. lapszám | Kiss Tibor | 4274 |
Figylem! Ez a cikk 16 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Cikkünk első részében bemutattuk a napenergia-hasznosítás elvét, az alkalmazható eszközöket és kiviteli megoldásait, a második részben pedig a napsugárzás koncentrálásával működő berendezéseket. Most nézzük meg az egyéb alkalmazásokat.
Az első részben megtárgyaltuk a Föld felszínére érkező napsugárzás színképét. Kitértünk arra, 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. Újabban azonban a kutatások kimutatták, 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, 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 történt 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, azonban bizonyos helyzetekben 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 itatására.
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 m³ CO2; 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 valamiként 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 – 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 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.
