Figylem! Ez a cikk 11 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).
Néhány éve, évtizede még a hőszivattyú (köznapi alkalmazása) is a fikció kategóriájába tartozott. Mára azonban komolyan kell venni, egyre több hőszivattyút építenek be a korszerű épületekbe, amelyek jó hatásfokkal, energiatakarékosan, nem mellesleg megtérülően üzemelnek. Ma is számos újdonság létezik. Stirling-motor, zeolitos kazán, sűrített levegős tároló stb. – a kérdés az, vajon sikeres lesz-e valamelyik?
Fűtőkövek – zeolitos hőszivattyú
Öt évvel ezelőtt jelent meg a magyar piacon a zeolitos hőszivattyú. Ez a berendezés lehetővé teszi, hogy otthonunkat egy speciális kővel, a zeolittal melegítsük. A zeolit egy kristályos szerkezetű alumínium-szilikát, amely magába szívja a vizet, és miután felmelegíti, kiengedi. Amennyire egyszerű, annyira meglepő a tulajdonsága: a zeolit, mivel nagymértékben nedvességfelszívó, magába tudja szívni a párát az atmoszférából, és a felszínére került vízmolekulák, mivel tovább nem tudják folytatni mozgásukat, lelassulnak, és a kinetikus (mozgási) energiájuk hővé alakul. A zeolit a vízzel való kapcsolatában el tudja érni a 80 °C-ot (ezt igazolhatom, mivel az egyik gyártó tréfás kedvű képviselője végzett velem egy kis kísérletet, amely után piros foltok maradtak a tenyeremen. – A szerk.).
A zeolit–gáz hőszivattyú olyan speciális hibrid rendszer, amely – többek között – két, az elmúlt évtizedben már bevált és innovatív műszaki megoldást egyesít egy termékben: ez a gázüzemű kondenzációs készülékek és a szolár berendezések technikája, amihez a hőtermelési folyamatokban a víz- és zeolit-bázisú szorpciós eljárás kapcsolódik. A zeolit–gáz hőszivattyú tehát úgy hasznosítja a kondenzációs üzemet, illetve az „ingyenes” környezeti hőmennyiséget, hogy a rendszerben alkalmazott kollektorok már nagyon alacsony kollektor-hőmérséklet mellett is hatékonyak lehetnek. A cél, hogy lehetőség szerint csekély mértékű fosszilis energiahordozó-felhasználással, illetve a környezet minimális terhelésével minél nagyobb hőmennyiséget termeljünk.
Ehhez biztosít jó alapot a „csomagban kínált” zeolit–gáz hőszivattyú, saját külső szolár melegvíztárolójával és kollektormezőjével együtt, amely tökéletes alternatíva egy családi ház fűtési hőszükségletének, illetve használati melegvíz-ellátásának kielégítésére.
A kérdés az ár, valamint a megtérülési idő. A magyar fogyasztók árérzékenysége egyelőre nem teszi lehetővé, hogy a technológia szélesebb körben hódító útjára induljon. A német piacokon azonban találkozhatunk vele, egyre több zeolitos hőszivattyút építenek be a háztartások is.
Tüzelőanyagcellás kazán
A háztartási célú, tüzelőanyagcella-alapú, mikro-kogenerációs ( CHP) egységeket Németországban 2014 áprilisában kezdték értékesíteni. A két nagyvállalat, egy német kazán- és egy japán mikroelektronikai gyártó által közösen kifejlesztett, integrált rendszer kifejezetten az európai piaci igényekre készült, és a PEM (Proton Exchange Membrane – protoncsere membrán) típusú tüzelőanyagcellán alapszik.
PEM tüzelőanyagcella Az üzemanyagcellák általában két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő elektrolitból állnak. A folyamat során katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogénmolekulák előbb hidrogénatomokra, majd protonokra és elektronokra bomlanak.
Az üzemanyagcellák általában két elektródából (anódból és katódból) és a köztük lévő elektrolitból állnak. A folyamat során katalizátor (általában platina) segítségével a hidrogénmolekulák előbb hidrogénatomokra, majd protonokra és elektronokra bomlanak. A protonok az elektroliton haladnak keresztül, az elektronok pedig egy külső áramkörön, így elektromos áram formájában hasznosíthatók. A katódra érkező elektronok a katalizátor segítségével egyesülnek a protonokkal és az oxigénnel, így víz jön létre.
Egy adott cella teljesítménye általában kicsi, emiatt a cellákat sorosan összekapcsolják, úgynevezett kötegekbe (fuel cell stack) rendezik őket. A tüzelőanyagcellát a japán gyártó fejleszti, gyártja, ezután Németországba szállítják, ahol a kazángyártó szereli össze, és integrálja késztermékké.
A Japánban már jól bevált CHP tüzelőanyagcellás rendszerekhez hasonlóan a berendezés alapvetően két részből áll: a tüzelőanyagcellából, valamint a „back up” kazánból és melegvíztárolóból. Önmagában a cella 750 W elektromos és 1 kW hőteljesítmény leadására képes; eredő hatásfoka 90% körüli. A rendszerbe integrált gázkazánnal együtt 19 kW hőteljesítmény leadása lehetséges. A berendezés jobb oldalán helyezkedik el a melegvíztároló és a gázkazán, a balon a tüzelőanyagcellás rendszer.
A cégek a tüzelőanyagcellás technológiát igen jó lehetőségnek tartják arra, hogy a decentralizált kogenerációs energiatermelést háztartási léptékben lehessen megvalósítani. Azt tervezik, hogy 2020-ra öt számjegyű, tehát tízezer körüli ilyen CHP rendszer kerül telepítésre Németországban. A német tapasztalatokra építve a szomszédos országok, például Franciaország és Nagy-Britannia piacait is megcélozzák majd. Japánban a CHP tüzelőanyagcellás rendszerek értékesítése már 2009-ben megkezdődött, és az éves szintű értékesítésük már most tízezer körüli darabszámra tehető.
Sűrített levegős tároló
A megújuló energia térhódításának sok esetben akadálya az időszakosan és kiszámíthatatlanul működő energiatermelő berendezések – napelem, szélkerekek stb. – által termelt energia tárolása. Erre a problémára kínálhat jó megoldást egy új fejlesztésű eszköz, a sűrített levegős tárolás (CAES). A módszer lényege, hogy éjszaka, amikor alacsony az energia iránti igény, s ezért olcsó az elektromos áram, a szolgáltató mintegy 50 bar nyomással tartályokba vagy természetes tárolókba sűríti a levegőt. A csúcsidőszakban pedig, amikor drágán lehet értékesíteni az áramot, a sűrített levegőt egy földgázos égőfejjel előmelegítik, majd a kitáguló levegővel hajtják meg a turbinákat.
Az eljárást vizsgáló EPRI (Electric Power Research Institute – Villamos Energia Kutató Intézet) várakozásai szerint a technológia még továbbfejleszthető, ha a sűrítés során keletkező hőt el tudják tárolni, ezzel ugyanis kiváltható a gázégő használata. Bár a technológia viszonylag alacsony hatásfokon működik, a hozzávetőlegesen ezerdolláros kilowattonkénti tárolási ár még mindig csak harmada a savas akkumulátoros tárolásénak. Miután a technológia alkalmazásának feltételei már megértek a piaci alkalmazásra, a kaliforniai Kern megyében egy 300 megawattos CAES beruházásra készül a Pacific Gas & Electric (PG&E), amellyel a Tehachapi Szélfarm által 2012-től termelt 4500 megawattnyi energia tárolását segítik majd. A 300 megawattos CAES-szel egészítik ki azt az 1200 megawattos víztározós tárolókapacitást, amely a közelmúltban készült el. Az elképzelések szerint a földgázhoz hasonlóan porózus kőzetekben tárolnák a sűrített levegőt. A különbség annyi, hogy amíg a földgáz évente mindössze néhány alkalommal cserélődik, addig a CAES-szel tárolt levegő naponta cserélődne. A tervezett 300 megawattos CAES tároló hozzávetőlegesen 623 ezer köbméternyi helyet igényel, s ezzel nyolc órára való elektromos energiát képes tárolni.
A Tesla óriásakkumulátorai
A Powerwall-t a megújuló forrásból származó elektromos energia tárolásának első, könnyen alkalmazható módszerének szánja a Tesla. A fali szerkényre hasonlító 100 kg-os doboz verziótól függően 7 vagy 10 kWh-a energia tárolására képes. A kisebb kapacitású változatot napi töltésre és felhasználásra, míg a 10 kWh-s verziót a háztartás áramellátásának folyamatos biztosításához, biztonsági háttérnek tervezték. A Teslától megszokott módon szépen kialakított dobozokból akár kilenc is egymás mellé tehető, így igen komoly otthoni tárolókapacitás alakítható ki belőle. A 7 kWh-ás Powerwal-lal a háztetőre telepített napelemek által napközben termelt energiát eltárolva a napelemek szempontjából inaktív időszakban, a reggeli, illetve az esti órákban is biztosítható a háztartás energiaellátása. Nincs szükség a felesleges áram hálózatba való visszatáplálására, majd néhány órával később az onnan való áramvételezésre, hiszen az energia a helyben telepített akkumulátorokról sötétben is rendelkezésre fog állni.
Természetesen 7 kWh egy nagyobb családi ház áramellátására valószínűleg nem elegendő, de kettő 7 kWh-ás Powerwall akkuval már nagyon sok háztartást lehetne véglegesen függetleníteni az elektromos hálózattól. A 10 kWh-ás verzió azokba a háztartásokba kínál biztonsági hátteret, ahol az elektromos energiaellátás bizonytalan, sok a kimaradás a szolgáltatásban. Ilyen helyeken egy 10-12 órás áramkimaradás is áthidalható egy Powerwall egységgel, mielőtt be kellene indítani a generátort. Bár nálunk az áramszolgáltatás meglehetősen stabil, a világon valószínűleg sok helyen van létjogosultsága egy ilyen jellegű szünetmentes áramszolgáltatási megoldásnak. A Powerwall azokban az esetekben is jó megoldás, ha az éjszakai áram és a nappali áram ára között nagy az eltérés.
Tesla Powerpack Korlátlan számban összekapcsolható, 100 kWh kapacitású akkumulátorszekrények.
A telepet az olcsóbb árammal feltöltve a csúcsidőben is olcsóbb árammal üzemeltethetők az elektromos fogyasztók. A 7-90 kWh kapacitásig skálázható Powerwall mellett bemutattak egy korlátlan számban összekapcsolható, 100 kWh kapacitású akkumulátorszekrényt is, a Tesla Powerpacket. Már van olyan szolgáltató, amely ezekkel tervez 250 MWh kapacitású tárolót építeni.
Stirling-motor, külsőégésű hőerőgép
A hő a motoron kívül keletkezik, nem benne, mint a belsőégésűeknél. Sokkal egyszerűbb szerkezet, mint a belsőégésű motorok. Nincsenek szelepek, nagyobb a tüzelőanyag-választék, kisebbek az igénybevételek, csendesebb a járása, egyszerűbbek az alkatrészek. A működési elve is egyszerű.
Stirling-motor
Mint tudjuk, a levegő tágul, ha melegszik, és összehúzódik, ha hűl. Ha egy zárt térben lévő levegőt a tér hideg, majd a meleg oldalára tereljük, akkor a térfogatváltozás egy mechanikai szerkezetet mozgathat. A hőmérsékletkülönbséget munkára lehet így fogni, és ehhez már pár fok is elég. Bár az alapelv ez, mégis többféle típus létezik, de ezek leginkább technikai megoldásokat jelentenek csak. Egy másik csoportosítás szerint a hőmérsékletkülönbség alapján két fő kategória van: 100 foknál kisebb különbözetre is működik, vagy efelett. Számottevő teljesítményt elfogadható méretű elemekkel az utóbbiaktól lehet várni. Ezek a berendezések általában még csak a barkácsműhelyek munkaasztalain léteznek. Sok problémát kellene legyőzni ahhoz, hogy valóban elterjedjen a Stirling-motoros energiatermelés.
Cikkünkben csak néhány újdonságot emeltünk ki, melyek technológiai megvalósításával komolyan foglalkoznak a szakemberek. A jövőkép meglehetősen gyorsan változik, az energiaszükséglet folyamatosan nő, miközben a károsanyag-kibocsátást drasztikus mértékben csökkentenünk kellene. A megoldás az energia hatékony felhasználásában és környezetkímélő előállításában rejlik. Az iparban ez a szemléletmód lett a trend, a legújabb kutatások is erre veszik az irányt.
Tesla Powerpack
Stirling-motor
