2014. március: jegyzet, portré, agykutatás, tudomány, nanotechnológia, megújuló energia, atomenergia, innováció, közlekedés, biztonságtechnika, egyetem, ipari automatizálás, paragrafus, zöldkörnyezet, it

A napenergiáé a jövő?

A Csongrád megyei Pusztaszer mellett idén januárban készült el egy napelempark. A beruházás tavaly ősszel indult, ez év január 21-én pedig már meg is kezdődött a próbaüzem. Csongrád megyében egyébként három helyen épül ilyen létesítmény. Hamarosan Pusztaszer, Balástya és Ópusztaszer mellett „termelnek” napfényből villamos energiát. Összesen 720 háztartás egész évi energiafogyasztását fedezi majd a megújuló energiaforrás. De hogyan állunk úgy általában a napenergia hasznosításával? Magazinunk erre a kérdésre kereste a választ.


A  pusztaszeri határban, alig másfél hektáron, 499 kilowatt teljesítményű napelempark épül. A kerítéssel körbevett, acéllábakon álló 1996 napelemet 35 fokos szögben éri a fény. Az esőben is működő megújuló energiaforrás napos időben 240 háztartás energiafogyasztását tudja fedezni. A kínai napelemeket kamionok szállították a rotterdami kikötőből a helyszínre, a villamos berendezéseket pedig egy német cég szállította. A napelemekben keletkező egyenáramot inverter alakítja az otthoni hálózatban is használható váltóárammá, amit egy trafóházon keresztül táplálnak az országos hálózatba. Egy ekkora park egy hónap alatt felépíthető, a beruházás 12 év alatt megtérül, a huszonöt évre tervezett működési ideje alatt tehát tisztes hasznot hoz a befektetőknek. Jó helyet választottak az építők, hiszen Csongrád megye a napenergia hasznosítása terén az ország egyik legjobb adottságú része.

Ebből a szempontból Kalifornia még jobb hely. Február közepén ott kezdett el működni a világ legnagyobb naperőműve, az Ivanpah Solar Electric Generating System (Ivanpah Napenergiás Villamosenergia-termelő Rendszer). A Nap fényét háromszázezer darab két méter magas és három méter széles, egyenként is számítógép-vezérelt tükör vetíti a három, egyenként 137 méteres torony egyikére. A napenergia felforralja a toronyban tárolt vizet, az így keletkező gőz pedig megforgat egy turbinát, amely villamos energiát termel. A 2,2 milliárd dollárból létrehozott telep 392 megawattos teljesítményre képes. A megtermelt energiával 140 ezer kaliforniai háztartást látnak el, a napenergia felhasználásával 400 ezer tonna szén-dioxid-kibocsátást spórolnak meg, ami nagyjából annak felel meg, mintha 72 ezer autót vonnának ki a forgalomból.

Ivanpah Napenergiás Villamosenergia-termelő Rendszer

A Szent István Egyetem Környezetipari Rendszerek Intézetének igazgatója, Farkas István szerint a Nap sugárzásából származó energia közvetlen felhasználása már régóta gyakorlat. Elég csak ókori eredményekre gondolni, például a még jelenleg is korszerű, Szókratész-féle napház elvére, amely szerint az épület déli falát magasabbra kell húzni, hogy hasznosuljon a téli napsugárzás. A technológiai fejlődés azonban már lehetővé teszi a napenergia aktív hasznosítását is, amelynek során alapvetően fototermikus vagy fotovillamos módon, az erre a célra készített eszközök (napkollektor és napelem) révén alakul a napenergia hővé vagy villamos energiává.

De miért érdemes a napenergiával foglalkozni? Mert hihetetlen mennyiségű energiát sugároz a Földre a Nap. Számítások szerint a napsugárzásból a Földre jutó éves energiamennyiség mintegy hatezerszerese annak, amit a világ évente felhasznál. Termé­sze­te­­­sen a Föld felszínén mért napsugárzás jelentős eltéréseket mutat. A trópusokon, az Egyenlítő mentén viszonylag magas ez az érték, az Egyenlítőtől távolabb kisebb a beesési szög, ezért csökken a sugárzásból kinyerhető energia mennyisége. A sarkkörök táján pedig az alacsony beesési szög miatt ez az energiamennyiség egészen csekély. A Föld felszínének különböző pontjain időben eltérő a sugárzás, mert eltérő évszakok vannak. A mérsékelt égöv nyaranta több, telente kevesebb energiát kap. (Hazánkban a téli időszakban befogható napenergia mindössze ötöde a nyári mennyiségnek.) A légkör felhős állapota is jelentősen befolyásolja a sugárzás intenzitását, borult időben a sugarak nagyobb része elnyelődik a légkörben. Szennyezett légkörben a lebegő részecskék ugyancsak részben elnyelik, részben megtörik ezt az energiát – olvasható a CEEBEE (Képzési Hálózati Központ az Energiahatékony Építészet és a Megújuló Energiák Alkalmazására) nevű program szakmai anyagában. A levegő nedvességtartalma is elnyelő, szóró hatású, ezért a szárazföldi, kontinentális területeken a sugárzás erősebb, mint a tengerek felett, illetve a vízparti, nedvesebb klímájú vidékeken.

A napenergia aktív hasznosításának egyik módja a napsugárzás hővé alakítása, ami kétféleképpen lehetséges: alacsony, illetve magas hőmérsékletű technológiával. Alacsony hőmérsékletű eljárás a napkollektoros rendszer, amikor viszonylag kis mennyiségű energiának viszonylag alacsony hőmérsékleten történő kinyeréséről van szó. Ilyenek a néhány tucat négyzetméter felületű napkollektorrendszerek, melyek családi házak, nagyobb lakóépületek, irodák tetején meleg vizet állítanak elő, illetve kiegészítő fűtőrendszerként üzemelnek. Az alacsony hőmérsékletű jelző itt a kollektor hőközvetítő közegének hőmérsékletét jelenti, ez általában nem haladja meg a 120-140 Celsius-fokot, másrészt jelenti az alkalmazott fűtési rendszerekben (mint padlófűtés, falfűtés, mennyezetfűtés) az alacsony hőmérsékletű (30-45 Celsius-fokos) hőközvetítő közeg alkalmazását.

A napenergia hasznosításának magas hőmérsékletű változata, amikor a napsugarakat koncentráltan gyűjtik össze, és az így kinyert energiával speciális hőközvetítő közeget (sóoldatot) melegítenek fel több száz Celsius-fok körüli hőmérsékletre, majd ennek segítségével gőzt fejlesztenek, amivel generátorok révén villamos energiát állítanak elő. Erre példa egy hosszú, fekvő parabola keresztmetszetű vályú, amelynek a belső felülete fényvisszaverő bevonattal van ellátva, a fókuszában pedig a hő közvetítő közeget tartalmazó cső van. A teknő a napsugarakat a fókuszba koncentrálja, az odagyűjtött sugarak energiája meg felmelegíti a csőben lévő oldatot.

A parabolás napkollektor teknője a napsugarakat
a fókuszba gyűjtve melegíti fel a csőben lévő oldatot

A felmelegített oldatot elvezetik a hőcseré­lőbe, ott gőzt fejlesztenek, amit az energia­termelő turbinákra vezetnek. Nagyobb tel­je­sítmény elérése érdekében a koncentrátoros kollektorokból többet is elhelyeznek, s azokat összekapcsolják.

Egy másik megoldás a naptorony: magas, toronyszerű építmény, amelyet nagy területen elhelyezkedő sokelemes tükörrendszer vesz körül. Ilyen rendszer a korábban említett kaliforniai. A naptányér egy nagyméretű parabolatükör, amelynek a gyújtópontjában van a sugarakat összegyűjtő hőközpont. A sugarak energiája itt is a hőközvetítő közegnek adódik át, majd gőzt fejlesztenek, amivel villamos energiát állítanak elő. Ezeken kívül létezik még a napkémény, mely azon egyszerű elven alapszik, hogy a meleg levegő felszáll. A folyamat lényege, hogy a Nap energiáját összegyűjtő tető alatt a levegő felmelegszik, a kémény felé áramlik, melyben felszáll, és közben lehűl. A villamos energiát a kéménybe elhelyezett turbinák termelik a felszálló levegő mozgási energiáját felhasználva.

A napkémény a felszálló levegő mozgási energiáját hasznosítja

A napenergia aktív hasznosításának másik fő módja a napelemekkel történő villamosenergia-termelés. A napelem a rá eső napsugarak energiáját nem hő-, hanem villamos energiává alakítja. A napelem lényege egy félvezető réteg, amelyben a napsugarak, fénysugarak – illetve a sugárzás egységcsomagjai, a fotonok – töltésszétválasztást hoznak létre. A felvezető réteg egy villamos tér, amelyre igaz az a törvény, hogyha a benne lévő töltéseket bevitt energiával, illetve munkavégzéssel szétválasztják, akkor a térben villamospotenciál-különbség, azaz feszültség alakul ki. Ez a feszültség azonos az egységnyi töltés szétválasztásához szükséges energiával vagy munkavégzéssel. Az így keletkezett feszültség a félvezető réteget két, eltérő polaritású felületéhez csatlakoztatott elektródán keresztül elvezethető. A napelemben a fenti jelenség során mindig egyenfeszültség keletkezik, a félvezető csak az egyik irányban engedi folyni a napsugarakból kinyert villamos energiát.

Az első generációs napelemet egykristályos és multikristályos Si (szilícium), GaAs (gallium-arzenid) és Ge (germánium) alapanyagokból állították elő. A szilícium alapanyag előnye, hogy nagy mennyiségben áll rendelkezésre, és az egyéb célokra előállított egykristályos alapanyag selejtjét is képes multikristályos alapanyag előállítására hasznosítani, ami az amúgy tetemes gyártási költségeket csökkenti. A gallium-arzenid és a germánium napelemek többnyire az igen magas hatásfokot igénylő alkalmazásokban kapnak szerepet. Tipikus felhasználási területük az űrkutatás, ahol az előállítás költsége kisebb súllyal esik latba, mint a napelem hatásfoka. Ezeket a kisméretű cellákat úgynevezett koncentrátorral kombinálják, ami mind az energiasűrűség növelése, mind a költséghatékonyság szempontjából előnyös. Ebben az esetben a Nap fényét lencsékkel, illetve tükrökkel a cella tényleges méretének sokszorosát kitevő felületről gyűjtik össze, ezért a drága és kifinomult technológiával készült kicsiny cellából lényegesen kevesebb kell. A koncentrált sugárzás tovább növeli a cellák egyébként is magas, nemritkán 30 százalék fölötti hatásfokát is, bár ilyen alkalmazásoknál az aktív hűtés elengedhetetlen.

Első generációs napelem

A második generációs vagy vékonyréteg napelemeket leginkább amorf és mikrokristályos szilícium, CdTe (kadmium-tellurid) és réz-indium-diszelenid (CIGS) alapanyagokból állítják elő. Előnyük – a kis alapanyagigény mellett –, hogy nagy felületen olcsón gyárthatók, valamint, hogy hordozójuk közönséges hajlékony polimer vagy fémfólia is lehet, ami növeli sokoldalú alkalmazhatóságot. Az amorf és mikrokristályos szilícium olcsó és hozzáférhető alapanyag a jelenlegi gyártástechnológia mellett, ugyanakkor idővel csökken az amúgy is alacsony, 7-8 százalék körüli hatásfokuk. Nagy reményekkel kecsegtet az új technológiák egyike, a kadmium-tellurid vékonyréteg napelem szerkezet. Az olcsó gyártási költségek mellett ezen a téren viszonylag magas, 10 százalék körüli hatásfokot lehet elérni. Robbanásszerű elterjedésének némiképp gátat szab az alapanyagok és technológiák környezetkárosító hatása. A kadmium-tellurid cellák nagy riválisa a környezetbarát réz-indium-diszelenid napelemcsalád. Alapanyagaik sokfélesége és változatossága okán ez a technológia óriási potenciállal rendelkezik. A jelenlegi 12 százalék körüli hatásfok további fejlesztéssel akár 18 százalék fölé is növelhető. Hátránya a magasabb gyártási költség, egyes gyártók azonban ennek drasztikus csökkentését ígérik a forradalmi újításoknak köszönhetően.

Az előbb említetteken túl világszerte folynak kutatások új elveken és konstrukciókon alapuló napelemek technológiai fejlesztésére. Ezek elsősorban nanoszerkezetek és polimerek, úgynevezett nanokompozitok felhasználásán alapulnak. A nanokristályos napelemeket kompozitok (több fázist tartalmazó szilárd anyagok) felhasználásával alakítják ki. Nanokompozit anyagról akkor beszélhetünk, ha legalább az egyik fázis mérete olyan, hogy valamely dimenzióban kisebb 100 nanométernél, azaz a molekuláris és a makroszkopikus méretek között helyezkedik el. Az ilyen anyagokat komponenseikhez képest új tulajdonságok, speciális kvantumhatások és a nagy fajlagos felület miatt létrejövő új jelenségek jellemzik.

A szerves polimer alapú napelemeket jellemzően nanokompozit vékonyréteg formájában készítik. Komoly előnyük, hogy olcsón állíthatók elő, ugyanakkor számos problémát is felvetnek, elsősorban a fotokémiai degradáció jelenségét, valamint azt, hogy hatás­fokuk most még jóval 10 százalék alatt van.

A második generációs vagy vékonyréteg napelem

Nagy felületű, nagy területet beborító napelemegységek alkalmazásával el tudnak érni néhány tíz megawattos teljesítményt is. Ám ezzel nem versenyezhetnek a fosszilis energiahordozók felhasználására épült nagy erőművekkel vagy a nagy teljesítményű vízerőművekkel. Alkalmazásuk korlátja az is, hogy a napsütésben gazdag területek (sivatagok, trópusi területek, lakatlan szigetek, távoli tengerpartok), ahol az energiaforrás adott, gyakorta messze vannak a sűrűbben lakott vidékektől, illetve nagy energiaigényű ipari fogyasztóktól. Emiatt a termelt villamos energia eljuttatása a felhasználókhoz növekvő veszteségeket, emelkedő költségeket jelent. A kutatás, a fejlesztés nem áll meg, a Nap energiáját egyre hatékonyabb módszerekkel képesek kinyerni. A napsütés szempontjából kedvező fekvésű országok és földrajzi területek (Ausztrália, Afrika, Dél-Európa, Közel-Kelet, India, Dél-Amerika) energiagazdálkodásában mind nagyobb szerephez jutnak.

Második generációs napelem réz-indium-diszelenid (CIGS) alapanyagból

Ha már napelemek: a jelenleginél jobb hatásfokú és olcsóbb napelemek előállításához járulhatnak hozzá azok az eredmények, amelyeket Gali Ádám, az MTA Wigner Fizikai Kutatóközpont Szilárdtest-fizikai és Optikai Intézetének, valamint a BME Atomfizika Tanszékének kutatója és társai tavaly publikáltak a Physical Review Lettersben. Gali Ádám „óriási módszertani áttörésnek” nevezi azokat az elméleti számításokat, amelyekről doktoranduszával, Vörös Mártonnal, valamint a University of California (Davis) egy kutatócsoportjának tagjaival közösen számolt be.

A fizikusok azt vizsgálták, növelhető-e a napelemek hatásfoka nanokristályokkal, vagyis nanométer méretű kristályszemcsékkel. A kutatók szerint igen. Az elméleti számításokkal sikerült kimutatniuk, hogy a szilícium egy kevéssé vizsgált speciális fajtája, az úgynevezett tércentrált köbös szerkezetű szilícium nemcsak hogy jobban nyeli el a fényt, de nanokristályos formában az ütközéses ionizáció – vagyis az a kölcsönhatás, amelynek következtében egy nagy energiájú töltéshordozó több kis energiájú töltéshordozót hoz létre – igencsak hatékony. Már korábban is hoztak létre ilyen nanokristályokat, arra azonban eddig senki sem gondolt, hogy a napelemek hatásfokát éppen ezekkel a nanokristályokkal növelhetnék. Márpedig ez az olcsó és környezetbarát energia előállításának egyik kulcskérdése. A jelenlegi, viszonylag olcsó, félvezető anyagból felépülő napelemek hatásfoka ugyanis még a technológia tökéletesítése esetén sem mehet az elméleti, körülbelül 32 százalékos határ fölé. A háztetőkön látható napelemek pedig még ennek az – eddig csupán laboratóriumi körülmények között elért – elméleti hatásfoknak a felét is éppen csak meghaladják. Ez azt jelenti, hogy a fény energiájának minimum 68 százalékát nem hasznosítjuk, a nem hasznosuló energia nagy része a napelem melegítésére megy. A kutatók azt remélik, hogy hőtermelés helyett sikerül további energiát továbbítani a villamos szektorba. Mindezt úgy, hogy egy napelem által elnyelt, nagy energiájú fénykvantum (foton) nem egy töltéshordozót generál, mint a szokványos napelemekben, hanem akár kettőt-hármat is. Ennek hatására a napelem akár másfélszer annyi energiát termelhet, növelve a hatás­fokot. Ez nagyon nagy szó egy olyan területen, ahol már egyetlen százalék hatásfokjavítás is áttörést jelent.

Mivel az ütközéses ionizáció a szilícium­kristályban igen alacsony hatásfokú, a kutatók olyan anyagokat kezdtek keresni, amelyeknél más a helyzet. Ilyenek lehetnek a csupán néhány ezer atomot tartalmazó nanokristályok, amelyekben a kvantummechanikai kölcsönhatásnak köszönhetően megnő az ütközéses ionizáció folyamatának hatásfoka. Ráadásul előállításuk nem igényel bonyolult, a jelenlegi napelemekhez használt technológiát – például nem kell annyira figyelni az eljárást jelentősen megdrágító tisztaságra –, így ez a megoldás nemcsak hatékonyabb, de egyben olcsóbb napelemet is eredményez.

A nanokristályos napelemeket kompozitok felhasználásával alakítják ki

Gali Ádám, az MTA Lendület Program által támogatott kutató magazinunknak elmondta, a Physical Review Letters folyóiratban a közelmúltban fogadták el újabb cikküket, amelyben számításaikkal olyan amorf cink-szilfid/szilícium nanokristályok alkotta nanokompozitot találtak, amely a szilícium nanokristályokban a napfény megvilágítására keletkező töltéshordozókat jól szét tudja választani. „Ez azt jelenti, hogy olyan anyagot találtunk, amelyből akár nagyméretű napelemtábla is készíthető.”

Kroó Norbert fizikus szerint egyre jobban oda kell figyelni a napenergia hasznosítására, mert a napjaink meghatározó energiaforrásának számító, évmilliók alatt felhalmozódott szénhidrogénkincsünket 100-200 év alatt elhasználjuk. Ha az elfogy, és nem gondoskodunk időben a pótlásáról, hihetetlen energiaínség várhat utódainkra. A megoldás látszik: az emberiség jelenlegi energiafelhasználását sok ezerszeresen meghaladó mennyiségű energia érkezik a Napból. Logikus a következtetés: a jövő energiája a napenergia. Kérdés, mikor köszönt be ez a jövő. Átütő technológiaváltás esetén akár éveken belül döntően átalakulhat az energiatermelés, ám lehet, hogy évtizedeket kell erre várni. Egy biztos: jelenleg még nem tartunk ott, hogy napenergiára lehetne alapozni egy ország energiaellátását. A tudománynak számos kérdésre kell még választ találnia. Kroó professzor fantasztikus ígéretnek tartja a polimer napelemeket, mert azok olcsók, hajlékonyak, ellenben alacsony – a legjobbaké is csupán körülbelül hat százalék – a hatásfokuk. A hatékonyságnövelés lehetséges útja: ezüstből, aranyból készült nanogömböcskék ráhelyezése erre a hajlékony felületre. Ezek a nanogömböcskék összegyűjtik az elektromágneses energiát, tehát nanoméretű napkollektorokként tekinthetünk rájuk. Ezzel a megoldással az említett napelemtípus hatásfokát hatról 18 százalékra emelték. A Rice Egyetemen dolgozó, magyar származású Naomi Halas munkatársaival egy olyan technológiát fejleszt, amelynek segítségével szigetelőanyagból nanogömböcskéket állítanak elő, majd ezeket vékony aranyréteggel vonják be. Attól függően, hogy mekkorák ezek a gömbök, különböző hullámhosszúságú fényre érzékenyek. Vizes közegben a fény hatására a gömbök felületén gőz keletkezik, amit elvileg energiatermelésre lehet használni.

A jövő tehát a napenergiáé, de nemcsak technológiai, hanem politikai problémák is adódnak a hasznosítással. Hol süt a legtöbbet a Nap? Az Egyenlítő környékén, ám a térségben fekvő országok többségében bizonytalan a politikai helyzet. Erre a szempontra is figyelni kell, amikor arra gondolunk, hogy oda telepítünk naperőműveket. „Ez a jövő, de sohasem szabad egyetlen forrásra építeni” – figyelmeztet Kroó Norbert professzor.•

Magyarország és a napenergia
Farkas István gödöllői professzor szerint Magyarország adottságai a napenergia-hasznosítás szempontjából kedvezőek, az évi napsütéses órák száma ugyanis 1900−2200 között van, és a felszínt érő napsugárzás éves összege átlagosan 1300 kWh/m². A napsugárzás szempontjából az Alföld középső és déli része a legkedvezőbb. Az ország földrajzi helyzetéből adódóan nagy különbség van a téli és a nyári napsugárzás között, ezért a Nap energiája télen csak korlátozottan használható fel, és a berendezéseknek fagy esetén is működő­képeseknek kell lenniük.

A 93 ezer négyzetkilométernyi Magyarország éves elektromosenergia-fogyasztása 40 terawattóra, tehát a Napból érkező energia mintegy 2500-szorosa a teljes villamosenergia-igényünknek. Azonban: a napsütés következtében nyáron a nappali órákban átlagosan 4 kWh/m² napi energiaforrásra számíthatunk, ami a kinyerés technológiai veszteségeit figyelembe véve már nem több 2,5-2,8 kWh/m²-nél. Ennek alapján egy megfelelően kiépített napkollektoros rendszer a használati melegvíz-igényt és a fűtési energiaszükségletet is ki tudja elégíteni. Ám nyáron nincs szükség fűtésre (hűtésre inkább), a téli időszakban pedig jóval kisebb a napsugárzás energiatartalma, s ez már fűtést semmiképpen, a meleg víz igényét is csak 25-35 százalékig tudja fedezni. Tehát a napenergia épp akkor nem áll megfelelő mennyiségben a rendelkezésre, amikor az energiaigény a legnagyobb, a nyáron befogható energiát viszont nem tudjuk télre eltárolni.

A számítások szerint hazánkban napenergia felhasználásával a melegvíz-ellátás az év 8-9 hónapjában csaknem teljes egészében megoldható, rásegítés csupán a téli hónapokban kell, akkor is változó mértékben. Napsütéses napokon a rásegítés mértéke akár 40-50 százalék alatt is maradhat. Igaz, ugyanez a paraméter a borús téli napon nem éri el a 10 százalékot sem. Ezért kell a rásegítő energia biztosítása.

A fűtés esete kissé más. A fűtés téli program, amikor a napenergia körülbelül 20-25 százaléka a nyári mennyiségnek. Ez eleve kevés, amihez még jöhet a pillanatnyi időjárás miatti csökkenés. A fűtésnél nem érhető el a meleg víz előállításánál lehetséges arány, az alapfunkció és a rásegítő feladat megfordul. Az alapfunkció a fűtés a napenergiától független rendszerrel, s rá lehet segíteni a napenergiából nyert hővel. Ha mindent figyelembe veszünk, a teljes évi fűtési költség 30-35 százaléka kiváltható a napkollektor segítségével, míg a meleg víz előállításának költségeiből akár 70-80 százalékot is megspórolhatunk.

Farkas István szerint hazánkban a technikailag kedvezően beépíthető felület mintegy 4052 négyzetkilométer (beleértve a vasutak, autópályák mentén felhasználható területeket is). Tekintettel a felületek dőlésszögmegoszlására és a napelemek hatásfokára, a teljes fotovillamos energetikai potenciál 1749 PJ/év.
 
Innotéka