A szélenergiaKiss Ferenc

Fogalma

Szélenergia-hasznosítás: energiahasznosítási módszer, amely folyamatosan erõs széljárású területeken, közvetlen munkavégzésre vagy elektromos energia elõállítására kialakított szélerõgéppel történik.

Környezetvédelmi Lexikon

Története

A szél okozta viharok, természei csapások(hurrikán, tornádóForrás: http://www.enn.com) hatalmas erejétõl régóta retteg az ember és e hatalmas energiát, a szélenergiáját is régóta igyekszik felhasználni az emberiség. A szelet elõbb használták a vízen, mint a szárazföldön. A vitorlás, amely felváltotta az evezõs hajókat, Egyiptomba jelent meg elõször. Hátránya az volt, hogy az árbócra keresztben felhelyezett rúdon feszülõ vászon (vitorla) csak hátszélben volt alkalmazható. A hajózás függött a széliránytól mígnem a föníciaiaknak, görögöknek, rómaiaknak köszönhetõen rájöttek a széliránytól független hajózás technikájára.Vitorlás hajó nélkül talán Kolombus Kristóf sem fedezhette volna fel Amerikát.

Simon Jacobsz de Vlieger (Dutch 1600 - 1653)Marine with Dutch Shipping, 1635 oil on canvas 30 3/4 x 44 in. Image courtesy of: Fine Arts Museums of San Francisco, Forrás: http://www.marineart.com

Az elsõ szélmalmot feltehetõleg a perzsák építeték.Az idõk folyamán a szélmalmoknak sok területen volt nagy szerepük, mind az iparban, mind a mezõgazdaságban. Az elsõ megbizható emlék a VII. sz.- ból származik. Ez egy

víz emelésre, gabona õrlésre használt szerkezet volt. XIII. sz.-tól kezdve terjedt el Norvégiában a vízszintes tengelyõ szélkerék. Ez azért volt döntõ lépés, mert ha a szélirány megváltozott képesek voltak átállítani a gépezetet. A XVI- XVII sz.-ban élte fénykorát a szélmalom ott, ahol a szélre biztosan lehetett számítani (a tengerpartokon). Pl. Hollandiában már 1700-as években 8000 szélmalom mûködött, melyek 5-10 kW teljesítményt is elértek, ami 50-100 MW-ot jelentett. Ezzel az erõvel már fûrésztelepek, fémmegmunkáló üzemek is dolgoztak. Hollandián kívül még nagyon sok helyen használtak szélmalmokat, szélerõgépeket.

Csak századunkban kezdõdött el a szél, mint villamos energia elõállítására alkalmas energiaforrás felhasználása. Mára viszont elmondható hogy a szélenergiát fõleg ilyen célból hasznosítják. A szélmotorokkal, szélerõgépekkel, kevés kivételével, villamos energiát akarunk fejleszteni. Az elsõ nagy szélerõmû I941-ben épült Vermont álamban, mely 1,25 MW teljesítményû volt, de négy év múlva egy katasztrófa következtében ( leszakadt az egyik lapátkerék) tönkre ment. 1970-ben Howards Knobon (USA) megépítettek egy olyan berendezést, mely 200 család energiaigényét fedezte. Ez jelentõs elõrelépés volt a villamosenergia termelés szempontjából.    

Elméleti háttere

A szél keletkezése

A szél a levegõ földfelszínhez viszonyított mozgása (Környezetvédelmi Lexikon). A légkörben kialakuló nyomáskülönbségek hatására jön létre. A légkör alsó rétegeiben végbemenõ légmozgást a Nap sugárzó energiája hozza létre. A légmozgás során a felmelegedett levegõ ritkább, ezáltal felfelé emelkedik és helyébe hidegebb levegõ áramlik. A trópusi területeken a légtömegek erõsebben felmelegszenek, ezért a levegõ felemelkedik és a sarkok felé kezd áramlani (antipasszát szél). A pólusok felé haladva lehûl, nyomása megnövekszik, süllyedni kezd, végül a föld felszínén visszaáramlik az egyenlítõ irányába (passzát szél). Azon a helyen ahol a meleg levegõ fölfelé emelkedett vákuum alakul ki. A légnyomás süllyed és alacsony légnyomású terület keletkezik. Ott, viszont, ahol a levegõ ismét a talaj felé süllyed, magas nyomású terület alakul ki.

Az állandó jellegû szélrendszereken kívül idõszakos és helyi jellegû szelek is vannak. De csak az állandó jellegû szelek használhatók megfelelõen jelentõs energiatermelésre.

A szél, mint energia

A szél teljes mozgási energiáját 100 TW teljesítményûre becsülik. Azonban, hogy ennek csak bizonyos hányadát lehet hasznosítani. A szél munkavégzõ képessége a szélsebességnek a harmadik hatványával arányos. A gazdasági megfontolások azt mutatják, hogy a szelet elsõsorban azokon a vidékeken érdemes kiaknázni, ahol a szélsebesség évi átlaga meghaladja a 4-5 m/s értéket. Ez többnyire csak tengerparti helyeken van így, a szárazföld belseje felé haladva a belsõ súrlódás erõsen csökkenti a szél sebességét. Így Magyarország viszonylag szélcsendes zugnak számít, még ha ezt egy-egy tomboló helyi vihar cáfolja is. Budapesten az átlagos szélsebesség 1,8 m/s és még Mosonmagyaróváron, hazánk legszelesebb csücskén sem haladja meg az 5 m/s értéket. Nyíregyházán van 4-5 m/s, sõt ennél nagyobb szélsebesség is, de nem tart annyi ideig , hogy ezt tartósan ki lehessen használni. Ráadásul a szél energiasûrûsége aránylag kicsi, 40-60 W/m2.

Tervezés

Nehéz feladat egy szélgenerátor helyének és típusának kiválasztása, mert a meteorológiai állomások átlagadatai alkalmasak ugyan az általános tendenciák meghatározására, de nem lehet segítségükkel az adott berendezést megtervezni.

 (Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix/)

A szél idõben változó intenzitású energiaforrás, ezért nagy jelentõsége van a helyszínen végzendõ szélméréseknek és a kapott eredmények megfelelõ kiértékelésének. Szélgépet csak olyan helyen érdemes telepíteni, melynek környezeti viszonyai és domborzati fekvése megfelelõ szélenergia kinyerésére, hiszen a domborzat és a különbözõ tereptárgyak nagymértékben befolyásolják a szél áramlási képét. Tehát helyi szélsebesség és szélirányméréseket kell végezni. A mérések alapján felvett idõben változó szélenergia áramok pontos leírásához, elemzéséhez statisztikai módszerek szükségesek. Az így kapott eredmények már kellõ információval szolgálnak a berendezések üzemeltetéséhez is.

Energiatermelés céljából a 30-200 méter talajszint fölötti magasság a megfelelõ. A mérõberendezést általában maximum 20 méteres talajszint feletti magasságokban tudjuk elhelyezni, ezért a szélsebességet a kívánt magasságra át kell számolni. A szél munkavégzõ képességét a sebessége meghatározza. A szél sebessége ( és teljesítménye) a magassággal arányosan nõ, mely egy képlet szerint számítható át.

ahol: v1 – szélsebesség a talajközeli h1 magasságban

v2 – a h2 magassághoz tartozó számított szélsebesség

A legmegfelelõbb gépet szélgenerátorokat gyártó cégek ajánlataiból ki lehet választani. Számos cég foglalkozik szélgépek gyártásával, a 100 W-ostól a néhány MW teljesítményûig bezárólag.

Üzemeltetés

A szélerõmûveket általában két módon üzemeltetik:

1. Szigetüzemben, azaz a termelt villamos energiát saját célra, a közcélú elosztóhálózattól függetlenül hasznosítják.

2. A villamos áram hálózatra kapcsolva, azaz a villamos áramot közcélú elosztóhálózatra tápláláva.

A termelt áram villamos hálózatra táplálásának elvi vázlatát mutatja az ábra.

A rákapcsolást úgy is ki lehet alakítani, hogy a szélgenerátorral mindkét üzemmódot meg lehessen oldani. A szélgenerátor hálózatra való csatlakoztatásánál általában az alábbi szempontokat kell figyelembe venni:

mûszaki (generátor típus, csatlakozási pont, védelmi funkciók stb.), jogi (Villamos Energia Törvény, vonatkozó rendeletek, az áramszolgáltató üzletszabályzata), gazdaságossági.

A hálózati csatlakozásnál a következõ paramétereket kell folyamatosan ellenõrizni: feszültség, áramerõsség, frekvencia.

Ha bármely paraméter a megengedet határokon kívüli értéket vesz fel, a szabályozás a berendezést lekapcsolja a hálózatról.

Megjegyzés:

További információk a http://lajli.gau.hu/~gabesz/menu/wind/wind.htm honlapon ill. Göõz Lajos A természeti erõforrásokrólcímü könyvében találhatók.

Felhasználási lehetõségek

Villamos energia elõállítása

A szélgenerátoros(http://www.nrel.gov/data/pix/searchpix.cgi) villamos energia termelés az európai országok közül különösen Dániában vált népszerûvé. Dániában jelenleg több, mint 1000 közepes teljesítményû szélgenerátor termel villamos energiát 50-150 kW teljesítménnyel. Az ottani gazdasági kalkulációk szerint a beruházási költség 2000-4000 $/kW körül alakul. A farmerek és szövetkezetek ezeket a berendezéseket jelentõs haszonnal tudják üzemeltetni. Amennyiben a termelt villamos energiát közvetlenül használják fel, akkor akkumulátorokat kell használni. A szélgépes áramfejlesztõk elsõsorban ott terjedtek el, ahol az elektromos

vezetékrendszer nincs kiépítve, vagy kiépítése nem gazdaságos. A jelenleg használatos robbanómotoros áramfejlesztõk helyettesítése a gazdaságosabban üzemeltethetõ szélgenerátorokkal(táblázat) elõsegítheti a legelõterületek, távoli majorok, telepek villamos energiával való ellátását is.  

MegnevezésBenzin motoros KGS-207

Benzin motoros SZGA-2,6

Szélgépek SZGA-4,1

Névleges teljesítmény (kW) 2,0 0,5 1,0

Éves összes üzemóra (h) 1000,0 2000,0 2000,0

Termelt energia (kW/h) 2000,0 1000,0 2000,0

Beruházási költség (eFt) 40,0 55,0 120.0

Ebbõl: gép (eFt) 25,0 40,0 100,0

          kieg. berendezés (eFt) 15,0 15,0 20,0

Amortízáció (eFt/év) 8,0 4,4 9,6

Éves üzemelési költség (eFt) 55,0 8,6 11,5

Ebbõl: jav. karbantart. (eFt) 5,2 1,7 3,6

          üzema. kenõa.(eFt) 37,3 1,0 1,0

          szállítás, egyéb (eFt)  1,7 0,5 1,5

         bér (eFt) 10,8 5,4 5,4

Összes költség (eFt) 63,0 13,0 21,1

Fajlagos költség (Ft/kW/h) 31,50 13,00 10,55

Néhány szó a szélenergia gazdaságosságáról. Nemzetközi egyezmények alapján a telepítés korlátok közé nem esik. Az árviszonyok okozta esetleges veszteségek enyhítése érdekében a szélenergia a világ majdnem minden országában államilag támogatott; vagy a termelt energiát támogatják, vagy a beruházást, azaz a berendezés létesítését. Sok országban 20-40%-al magasabb az energia szolgáltatók által a lakosság irányába eladott energia egységára, mint a szélenergiából nyerhetõ energia. Ez mutatja, hogy saját célra az energia elõállítása a szél segítségével, ma már feltétlenül gazdaságos.

Megjegyzés:

Magyarországon az Ipari, Kereskedelmi és Idegenforgalmi Minisztérium 55/1996.(XII.20.) IKIM rendelete foglalkozik a közcélú villamos mûvek villamos energia vásárlási árainak megállapításával. A rendelet hatálya kiterjed az átvételi kötelezettség alá esõ villamos energiára, annak felvásárlási árának meghatározására. 4.1.§-a külön említi a szélerõmûben elõállított energiát is. A rendelet 1997. január 1.-tõl van hatályban.

Víz kiemelése

A szélmotorokat a mezõgazdaságban pl. víz szivattyúzásra(Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix/)

ill. egyéb gépek meghajtására alkalmazzák. A szivattyúkat hajtó belsõ égésû motorok energia igénye jelentõs. Ezért, ahol állandó szélmozgás van és nincs hálózati villamos energia, szélmotorral hajtott szivattyúk alkalmazása a leggazdaságosabb. A szélgépes szivattyúk technikai megoldása eltér a villamos áram termelésére szolgáló szélgépektõl. A jelenleg használatos típusok közvetlen meghajtásúak, a szélkerék áttétel

nélkül hajtja meg a szivattyút, amely lehet dugattyús és membrános. Mivel a jelenleg alkalmazott szélgépek teljesítménye, forgási sebessége nagyban függ a szélsebességtõl, ezért a turbinás szivattyúk alkalmazása nem jöhet számításba. Ezeknek a szivattyúknak a szállítóteljesítménye a fordulatszámtól nagymértékben függ. A vízhúzó ill. a vízátemelõ szélmotoroknál a lapátkerék forgó mozgását kulisszás, excentrikus hajtómûvek alakítják át a szivattyú által hasznosítható egyenes vonalú mozgássá. Ha a lapáttengely és a dugattyúrúd közé áttételi mechanizmust építenek akkor a dugattyún hasznosítható nyomaték is módosítható. Ezt a megoldást ott is lehet alkalmazni, ahol a vízszint a talajszinttõl 20-30m mélységben van. Másik megoldás, ha a forgattyú membránszivattyút mûködtet. Igaz kevesebb a vízemelõ magasság, de nagyobb mennyiségû vizet tud kiemelni. A

külföldi és hazai tapasztalatok azt mutatják, hogy a szélmotoros szivattyúkat a mezõgazdaságban fõleg legeltetéses állattartás ivóvíz ellátására használják. De gazdaságosan alkalmazható öntözésre is, de elsõsorban felszíni öntözésnél.

A szélgépekkel végzett vízkiemelés gazdaságossági mutatói 2000 napos üzemelt esetén (kalkuláció)

Megnevezés STGV-3,6 STGV-2,6 STGV2

Névleges vízszállítás (H=10m)1/m 25 22 32

Éves összes üzemóra (h) 1100 1100 1100

Kiemelt vízmennyíség (m3/év) 1650 1452 2112

Beruházási költség (eFt) 190 57 56

Amortizáció (eFt/év) 15,2 4,6 4,5

Éves üzemelési költség (eFt) 9,8 8,6 8,6

Ebbõl: jav., karban., (eFt) 1,7 1,5 1,5

           üzema., kenõa., (eFt) 0,6 0,6 0,6

           szállítás, egyéb (eFt) 1,5 0,5 0,5

           bér (eFt) 6,0 6,0 6,0

Összes költség (eFt/év) 25,0 13,2 13,1

Fajlagos költség (Ft/m3) 24,4 12,3 8,3

   

Szélmotoros szennyvíz-levegõztetõ

Sikerült már kifejleszteni szennyvíztavakon alkalmazható oxigénbevitelre képes szélmotorokat. A kísérleti gépet a Balmazújváros határában lévõ szennyvíztóra telepítették. A szennyvíztárolót földmedencékben alakították ki. A medencékben a szennyvíz tisztítása biológiai lebontás utján megy végbe. A szélmotor a tóban cölöpökön helyezkedik el, mint ahogy az ábra is

mutatja . A vízszintes tengelyû lapátkerék szöghajtómûvön keresztül függõleges tengelyû levegõztetõ kereket hajt. A lapátkerék 1,8-2,0 m/s szélsebességnél indul, és a védelmi mechanizmus 10 m/s szélsebességnél lép mûködésbe. A lapátkerék maximális fordulatszáma 133/min. A levegõztetõ kerék legnagyobb átmérõje 1,2 m. a vízszint idõnkénti ingadozása miatt lehetõség van a kerék 150 mm-es irányú állítására.    

A szélenergia tárolása

A szélenergiából szélgenerátorokkal átalakított villamos energiát akkumulátorok töltésére is lehet használni (általában 12-14 V feszültségen). A folyamatos energia biztosítás érdekében a szélgenerátor napelemekkel is felszerelhetõ. Ebben az esetben a nap és a szél kitûnõen kiegészítik egymást. Amikor süt a nap és nem fúj a szél, a napelemek biztosítják az energiát, míg a téli hónapokban, vagy éjszaka a szélenergia állhat rendelkezésre. Az akkumulátorokban tárolt energia 12-14 V-os egyenáramú hálózatot táplálhat, vagy váltakozó árammá alakítható, s így valamennyi háztartási eszköz üzemeltethetõ vele. Ha több az áram, mint ami folyamatosan felhasználható, akkor a plusz mennyiség a kereskedelmi hálózatot táplálja. Jó példa erre Dánia, ahol a családi szélgépekkel megtermelt "fölösleges" energia az országos hálózatot táplálja. Ha az akkumulátorok feltöltött állapotban vannak és az energiára nincs szükség, a töltés szabályozó lekapcsolja a szélgenerátort az akkumulátorról. Az elõállított energiát ebben az esetben hõvé alakítja a rendszer, melegvízet állít elõ a rendszer, ill. fûési célt szolgál. Ha a fogyasztók olyan sok áramot igényelnek, ami miatt az akkumulátor majdnem eléri a mélykisülési határértéket, a töltésszabályozó lekapcsolja a fogyasztókat ( mélykisülés elleni védelem). A szélenergia tárolásának egyik kémiai módszere lehet még a hidrogén tárolása. Ebben az esetben a szél által termelt villamos energiát vízbontásra használják fel. Az így keletkezõ oxigént és hidrogént palackokban, tárolják.

Egyebek, érdekességek

Nap- és szélenergiával hajtott autó

Miközben a világ vezetõi azon tanakodnak, hogyan csökkentsék a fosszilis források használatát, két norvég tervezõ megoldást talált a közlekedési emissziók csökkentésére. Találmányuk egy nap- és szélenergiával hajtott, nyitott, alumínium vázas, autó,

amely alapvetõen a riksáhozhasonlít.Harald Roestvik, stavangeri napenergia felhasználásra szakosodott tervezõ szerint: "Ez a jármû jelzi a környezetvédelem új kihívását, tekintetbe véve azokat az országokat, ahol a Föld népességének nagy százaléka lakik."

A tervezõ együttmûködve az osloi Peter Opsvikkel, három évig dolgozott az új autó prototípusán. Az autót Pillangónak nevezik, utalva arra, hogy a pillangók kitárják a szárnyukat repülés elõtt, hogy a nap felmelegítse

testüket és energiát gyûjtsenek a repülésre. A legendás Citroen 2CV-re hasonlító Pillangó a vezetõn kívül 2-3 utast tud szállítani. A tetején három napkollektor van, és hátulján egy szélkerék. A hátsó részben levõ akkumulátor folyamatosan töltõdik a nap- illetve a szélenergia hatására. Az új autó sokkal lassabb az általános benzinhajtású autókkal szemben. A végsebessége mindössze 45 km/h, de Roestvick szerint ez nem gond a zsúfolt városokban."Az emberiség 86%-a él Ázsiában. A zsúfoltság és környezetszennyezés óriási probléma. Az átlagos elõrejutási sebesség a legtöbb ázsiai nagyvárosban kb 6 km/h, szemben pl. London 18 km/h-val", írja a Reuters. Roestvik szerint az autó ideális megoldás lenne a nap- és szélenergiában bõvelkedõ ázsiai és afrikai országok számára, amelyek költségvetésük nagy százalékát költik fosszilis energiahordozók importálására.

A Pillangó project eleddig kizárólag a tervezõk által finanszírozott, de legújabban a norvég "The Bellona Foundation" környezetvédelmi csoport is támogatja.Roestvik felhívja a figyelmet arra, hogy "Ha mindössze két norvég tervezõ egy komoly környezetkímélõ autó prototípusával tudott szolgálni, vajon mire lenne képes egy államilag támogatott project? Norvégia nem vezetõ a környezetvédelem terén a gáz- és olaj érdekvédelem miatt. Ideje lenne, hogy norvégok és más ipari államok kivegyék a részüket a fosszilis energiaforrások alternatívájának keresésében."

(TANYA PANG, Reuter)Küszöbön a szélerõmûvek korszaka

A Greenpeace felhívta a kormányok figyelmét, hogy amennyiben emelkedik Európa energiaigénye, azt a part menti szélenergia felhasználásával elégítsék azt ki. A Greenpeace felhívását Európa hatalmas szélenergiájának kiaknázására Svend Auken dán energiaügyi-környezetvédelmi miniszter és Michael Meacher, Nagy-Britannia környezetvédelmi minisztere is támogatja. „Az

energia forradalma Dániában már megkezdõdött. A szélenergia egy jelenõs forrás, és ez azt bizonyítja, hogy a fosszilis erõforrásokat hamarosan kivonhatják a forgalomból" — nyilatkozott Corvin Millais, a Greenpeace International megújuló energiákkal foglalkozó kampányszervezõje. — „Európa part menti szélenergia-forrása másfélszer akkora, mint az Európai Unió teljes energiaszükséglete."A Greenpeace felkérte az európai kormányokat, hogy állítsák le a partmenti olajlelõhelyek feltárását, és megújuló energiaforrásokkal váltsa ki azokat. „Az éghajlatváltozás megállítása azt követeli a kormányoktól és az ipartól, hogy a part menti szélenergia felhasználását támogassa, ne az olajkitermelést" — mondta Millais. — „Nem értem, hogy a kormánynak és az iparnak, amelyek eddig csak növelték a gondokat, miért kellene hanyatlaniuk ettõl a megoldástól."Az Európai Szélenergia Szövetség (EWEA,http://www.ewea.org/europe.htm) kiadott egy tanulmányt „Szélenergia — a tények. Terv az európai akciókra" címmel. A 330 oldalas tanulmány részletezi a földre, illetve tengerre telepített szélkerekeknek a gazdasági, technikai és környezetvédelmi elõnyeit, amelyek már ma sok millió európai energiaigényét elégítik ki. Az EWEA fõigazgatója, Christophe Bourillon nyilatkozata szerint „A szélenergia a leghatékonyabb energiaforrások közé tartozik, és vetélkedni tud a szénnel, az olajjal és a gázzal, sõt, vissza is szorítja majd azokat."Az EWEA 100 ezer MW szélenergiával rendelkezik majd 2010-ig, ami Európa energiaszükségletének 10%-a.

(Greenpeace International)Dánia szélenergiája — egy ipari sikertörténet

Dánia a szélenergia tekintetében a világ vezetõ államává igyekszik válni. Svend Auken energiaügyi-környezetvédelmi miniszter ismertette a terveket, melyek szerint 2030-ig az ország energiafogyasztásának 50%-át szeretnék szélenergiából kinyerni. Ez sok létezõ fosszilis energiaforrást fog felváltani.

Az utóbbi négy évben a dán szélenergia-ipar megnégyszerezte eladásait. A termékek 60%-a exportra készült, 1,5 milliárd dollár hasznot hozva ezzel. 24 ezer ember dolgozik a iparág kötelékeiben, s 50 országba exportálják termékeiket.

Dániának jelenleg 4900 szélturbinája van, amelyek az ország teljes energiaszükségletének 7%-át adják. Ez a legmagasabb arány világszerte.

1930-ban több mint 30 ezer szélmalmot használtak Dániában a farmok gépeinek hajtására és vízkiemelésre. 2030-ra kevesebb mint 4000 korszerû szélturbina adja majd az ország energiaszükségletének felét.

A Dán Energiaügynökség tanulmánya kimutatta, hogy a tengerre épített szélturbinák ugyanolyan olcsón tudnak energiát elõállítani, mint a szárazföldre építettek.

Dánia szélenergia-ipara 12 ezer emberrel többet foglalkoztat, mint a halászat.

Egy korszerû, 1,5 MW-os szélturbina — a szénerõmûvekkel összevetve — évente átlagosan 5000 tonna szén-dioxid-kibocsátástól védi meg a Föld légkörét, és ezer ember számára termel elegendõ energiát.

Európa legnagyobb szélerõmûtelepe Carnóban, Wales-ben mûködik, amely 25 ezer ember számára elegendõ energiát termel. A szélturbinákat Dániában gyártották.

Tavaly Dánia negyedik legnagyobb exportcikke volt a szélturbina, ami 525 millió dollár bevételt nyújtott az országnak. Ma a szélenergia 440 ezer háztartásra elegendõ energiát termel Dániában, és 1,5 millió tonna szén-dioxid-kibocsátást elõz

meg. Ma 35 ezer szélturbina mûködik világszerte. Ezeknek több mint a fele készült Dániában.

(Greenpeace International) Fordította: Mikola KláraA modern idõk vitorlása

XIX. sz. végére csökkeni kezdett a szél szerepe a hajózásban. A szelet felváltotta a gõz, majd az olaj, mivel ezek az energiaforrások megbízhatóbbak voltak. De a hagyományos energiahordozók csökkenése ill. az árának az emelkedése újra kezdi elõtérbe helyezni a szélenergiát. A fejlett országokban már kidolgozták a jövõ vitorlás hajóját, mely nemcsak tervrajzon él. Japánban 1980 óta üzemel a beltengerek vizén az ún. SHIN-ATTOKU- MARU nevû hajó, mely 1600 t, 2 árbocos, 2 hatalmas méretû (11,7 m és 7,8 m) mûanyag vitorláját a számítógép irányítja, a szelet figyelembe véve. Nagyon gazdaságos mivel 50% üzemanyagot megtakarít, szemben a hagyományos motoros hajókkal.

Nyíregyháza

A Nyíregyházi Mezõgép Vállalat kétféle típusú szélgépet gyárt a telepi villamos energia termeléshez. Ez a két típus teljesítményben és árban is eltérõek. SZGA-4,1 villamos szélmotor: a szélsebesség tartomány, amelyben a gép dolgozhat 2,4-10,0 m/s. Névleges teljesítménye, 1 kW és 28 V-os áramot állít elõ. Az állvány magassága 12 m, a járókerék 4,1 m. SZGA-2,6 villamos szélmotor: a szélsebesség tartomány 2,4-12,0 m/s, névleges teljesítménye 0,5 kW, és l4 V-os áramot állít elõ. Az állvány magassága 8 m, a járókerék átmérõje 2,6 m. Az összehasonlított aggregátor típusok fõbb gazdasági mutatói szerint az 1 kW energia önköltsége a szélgépek esetében lényegesen alacsonyabb, mint az alternatívaként vizsgált benzinmotoros aggregátor esetén. Költségeit tekintve a szélenergia felhasználása villamos energia termelésre lényegesen drágább, mint a hálózati vételezés. De, ha a benzinmotoros eljárással hasonlítom össze, akkor a szélgép gazdaságosabb. A szélgép megtérülési ideje kb. 2 év.

Felhasznált irodalom

Gourieves, D.Le: Windpower plants Pergamon Press.pp. 76-77. , Oxford 1982.

Göõz Lajos: A természeti erõforrásokról, Nyíregyháza, 1999.

Jansen, W.A.M., Smulders P.T.: Rotor Design for horizontal axis windmills Amersfort: Steering Comitee.pp.3-23, 1977.

Ledács Kiss Aladár: A szélenergia hasznosításának lehetõségei Magyarországon Energiagazdálkodási Tudományos Egyesület, 1980-82.

Robert Gasch: Windkraftanlagen B.G. Teubner Stuttgart, 1991. 5. Siegfried Heier: Windkraftanlagen im Netzbetrieb B.G. Teubner Stuttgart, 1994.

Tóth László, Horváth Gábor, Tóth Gábor: A szélenergia hasznosítása, http://lajli.gau.hu/~gabesz/menu/wind/wind.htm  

Vissza          

A NAPENERGIA

     Vágvölgyi Gusztáv

Fogalma

A Napban lejátszódó magfúziós folyamatok során keletkezõ energia. Ennek az energiának egy része 3,8 x 1026 J s-1 sugárzási teljesítménnyel szétsugárzódik a Napot körülvevõ térbe. A Föld Naptól való távolságának megfelelõen a terjedési irányra merõleges síkban a napsugárzás energiaáramának sûrûsége a napállandó S° = (1370 ? 8) J s-1m-1. Ez azt jelenti, hogy a Föld keresztmetszeti felületének a teljes felülethez való viszonya alapján a Föld felületegységére az atmoszféra felsõ határán globális mértékben S°/4 = 342 J s-1 m-2 jut. Ennek révén a Föld közel állandó értékû sugárzó energiát vesz fel 5,51 x 1024 J a-1 mennyiségben. Elsõsorban ez a felvett külsõ energia tartja fenn a Föld biogeokémiai körfolyamatait és az életet is. A Nap energiát az ultraibolya, a látható és az infravörös tartományban sugároz. Az energiamaximum 483 nm-es hullámhossznál található. Reflexió és szóródás révén az atmoszférába bejutó napenergiának globális átlagban 30,5%-a a világûrbe jut vissza. A beesõ ~ reflektált hányada, az ún. albedo (a = 0,305) 85%-át az atmoszferikus albedo (reflexió, ill. szóródás a felhõkön, továbbá az atmoszféra gáz-halmazállapotú komponensein és az aeroszolokon), 15%-át pedig a földfelületrõl visszavert energia teszi ki. Az elnyelt energiából (3,83 x 1024 J a -1) 2,48 x 1024 J a -1 mennyiséget (a teljes sugárzó energia 45%-a) az óceánok, a szárazföld és jégfelületek abszorbeálnak, a fennmaradó részt (1,35 x 1024 J a-1, 24,5%) pedig az atmoszféra komponensei nyelik el. Ez utóbbiakkal való kölcsönhatás (ózon, oxigén stb.) révén a 290 nm hullámhossznál kisebb,

az élõlényekre veszélyes sugárzó energia teljes egészében elnyelõdik, ami azt eredményezi, hogy a földfelületre jutó hányad spektrális összetétele eltérõ lesz .

                                                                                                     Környezetvédelmi Lexikon

Története      

"Fák, csillagok, állatok és kövek szeressétek a gyermekeinket. (.) Tanítsd, melengesd te is, drága Nap, csempészd zsebükbe titkos aranyadat."

(Szabó Lõrinc: Ima a gyermekekért; részlet)A Nap szimbolikája

Az ember már õsidõk óta felismerte, hogy Nap nélkül nincs élet, ezen kívül szimbolikus jelentõségét növelte, hogy az idõszámításnak is a látszólagos napmozgás a legfõbb kulcsa. Ezeknek köszönhetõ, hogy a nappal kapcsolatos hagyományok és szimbólumok igen sokrétûek. A nap kultusza, mint egy teljes csillagvallás része, a világvallások kialakulásához is hozzájárult.

Munkácsi Bernát szerint nap szavunk eredetileg "naj-pi" volt, s "nõ-fit" jelentett -, akit sorsa rendel harcba szállni a sötétség és hideg hatalmaival, tavasszal gyõzedelmeskedni, õsszel elbukni velük szemben, termékenyítõ halálos nászra kelni az évente ugyancsak megújuló Földdel.

A csillagászat a Nap jeleként a kört közepén egy ponttal szimbolizálja, ez a jelkép igen õsi, már az õsi kultúrák leletein is megtalálható, de ugyanerre vezethetõ vissza jin-jang jel, vagy a beregi motívumokban található forgórózsa is. Amikor nyáron nagyon melegünk van, azt szoktuk mondani: "Hét ágra süt a Nap". Ez a magyar szólás arra vezethetõ vissza,

hogy az õsi világkép a teret a négy égtájjal és a felül-középen-alul tagolás hármasságával fejezte ki, ezért akkor süt igazán a nap amikor a világ hét sarkát bevilágítja.

A napenergia kutatásának története

Az építészeknek az elsõ szolártechnikai tanácsot a görög történetíró, Xenophón (kr.e. 430-354) adta: "A házak déli oldalát magasabbra kellene építenünk, hogy a téli napot befoghassuk" A legnagyobb antik szolártechnikus Arkhimédész (kr.e. 287-212) volt, napenergiával kapcsolatos kutatása nemcsak elméleti, hanem fontos gyakorlati eredményeket is hozott. Homorú tükrök segítségével, amelynek gyújtópontja kis görbületük miatt több száz méter távolságban volt, a római hadvezér Marcus Claudius Marcellus hajóit a szicíliai fõváros kétéves megszállásakor felgyújtotta. Európában a Nap melegének hasznosítási kérdése akkor került elõtérbe, amikor Gallilei (1564-1642) feltalálta a lencsét. Az elsõ modern napmelegtárolót a svájci természettudós, de Saussure (1740-1799) építette meg. Öt üvegtárcsát úgy helyezett el, hogy az üveglapokat mindig légtér választotta el egymástól. Az üvegrétegek közötti levegõ jelentõsen fokozta a hatásfokot. Ezzel a módszerrel de Saussure 87,5 °C-ot ért el. Modern síkkollektoraink ezen az elven mûködnek. A naperõgépek évszázada a XIX.sz. volt. A moder naperõgép a francia August Bernard Mouchot nevéhez fûzõdik. Algír közelében 1864. szeptember 22-én helyezte üzembe készülékét. Ez a nagy berendezés egy 5 m átmérõjû tükörrel mûködött, és percenként 2,5 t vizet szállított.

1902 és 1908 között Kaliforniában H.E. Willsie és John Boyle 4,4 kW és 15 kW teljesítményû naperõgépet készített. A.G. Aneas egy 11 kW teljesítményû gépet szerkesztett, és ugyanebben az évben készült el Pasadenában a híres napenergiával mûködõ gõztermelõ is. Frank Shuman és C.V. Boys 1911-ben Philadelphiában egy naperõmû modellt készítettek, amelyet két évvel késõbb az egyiptomi Meadiban, Kairótól 16 km-re megvalósítottak. Ez a 73,6 kW teljesítményû berendezés öntözési célokat szolgált. Egy 4200 m2 területû gyapotültetvényt látott el a Nílusból szivattyúzott vízzel. A jénai Zeiss mûvekben 1921-ben dr. Rudolf Straubel professzor napkemencét épített, amelyben a vasrúd néhány másodperc alatt megolvadt. A napenergiának a lakásban (háztartásban) történõ közvetlen hasznosítására vonatkozó elsõ kísérleteket 1930 és 1940 között végezték.

Martin Wagner német építész 1931-ben a "Das wachsende Haus" (A növekvõ ház) pályázaton mutatta be tervét. Ezen egy üvegréteg védi a külsõ falakat az idõjárás hatásaival szemben, egyben köztes teret is képezve, amely csökkenti a hõveszteséget, és a besugárzott napenergiát hasznosíthatóvá teszi. Az elsõ nagy építés, melynek során szolár-vízmelegítõket szereltek fel, 1939-ben Floridában volt (tervezõ: Edison Court). A kollektorok acélból készültek kettõs üvegezéssel, a lapos, ovális formájú vezetékek vörösrézbõl. A víz néhány óra alatt 83°C-ra melegedett fel. Ezeket az elsõ, sorozatban gyártott kollektorokat a Pan American Solar Heater Inc. Cég készítette. Az UNESCO és az indiai kormány 1954 októberében szervezte az elsõ fontos nemzetközi konferenciát, amely csak a nap- és szélenergiával foglalkozott. 1955 októberében az arizónai Phoenixben alakult meg a napenergia alkalmazásával foglalkozók egyesülete, az AFASE (Association For Applied Solar Energy), egyidejûleg tudományos ülésszakot és a napenergiát hasznosító berendezéseket bemutató kiállítást is tartottak. Harminchat országból mintegy ezer tudós vett részt a rendezvényen, a kiállításon 80 szolárberendezést mutattak be. Ezekben az években, 1945 és 1959 között építették a legfontosabb, úttörõ jellegû szolárházakat. Az idõszak legfontosabb felfedezése a new-yorki Bell-Telephone-Laboratories cég által 1954-ben bemutatott napelem (szolárcella) volt. Ez az eszköz, amely a napenergiát közvetlenül villamos energiává alakítja át, mára már igen elterjedt. Az elsõ európai szolárházak 1956-ban épültek, különös módon abban az országban, ahol viszonylag keveset süt a nap, Angliában (Gardner és Curtis). Liverpool közelében, Wallaseyben 1961-ben építette fel A.E. Morgan építész a napenergiával fûtött "St. George" iskolát. Párizsban 1973 júliusában "Le soleil au service de l'homme" címmel megtartott UNESCO konferencia pontosan tájékoztatott arról, hogyan áll a napenergia hasznosításának helyzete a világban. 60 országból 800 tudós vett részt a rendezvényen. Megállapítható, hogy ez az UNESCO konferencia néhány hónappal az olajválság elõtt, a napenergia-kutatás egyik korszakát zárta le. 1973-ig a napenergia problémája a tudósok kutatási területe volt, de azóta mindinkább a világ közvéleményének érdeklõdési körébe került. Egy kutatási ágból iparág lett. Ügy, amely valamennyiünket érint: politikusokat, vállalkozókat, építészeket, építtetõket, háztulajdonosokat és az "utca emberét" is, akit minden bizonnyal nem érdekel közelebbrõl az építészet vagy az energiagazdálkodás, de mint adófizetõ polgárnak és lakásbérlõnek végül is neki kell megfizetnie a modern építészet energiapazarlását.  

Elméleti háttere

A Földön az élet a Nap energiájának köszönheti létét. Földünk hideg és sötét bolygó lenne a Nap sugarai nélkül. A Napból érkezõ energia az egyetlen jelentõs energiaforrás a Földön, tehát minden, ami mozog, mûködik, él, történik, a Nap energiájának köszönheti ezt. Gondolj bele! Ülsz, és olvasod ezt a szöveget, eközben szemed ide-oda jár a sorokon, ereidben áramlik a vér, amit szíved ütemesen pumpál, eközben kint az utcán rohannak az autók, repülnek a madarak, fúj a szél és mindez a Nap energiájának köszönhetõ. A Nap csak egy csillag a sok közül, amely pusztán azért látszik olyan fényesnek, mert rendkívül közel van hozzánk. Ha ugyanolyan távol volna, mint a második legközelebbi csillag, az Alfa Centauri, semmivel sem volna különb, mint a többi fényes csillag. Eltekintve a bolygórendszerünkben elfoglalt középponti helyétõl, nincs semmi olyan különös ismertetõjele, amely megkülönböztetné a Tejútrendszer sokmilliárdnyi hasonló csillagától. A földlakók szempontjából természetesen rendkívül fontos szerepet játszik a Nap, mivel az élethez elengedhetetlenül fontos meleg és fény forrása.    

A Nap alapadatai

A Nap a Naprendszer legnagyobb tagja, egy plazmaállapotú, sugárzó gömb

átmérõ: 1.390.000 km

tömeg: 1.989e30 kg

a mag hõmérséklete: 15.000.000 oK.

felszíni hõmérséklet: 5800 oK

A Napban a Naprendszer tömegének 99,87%-a koncentrálódik. Átmérõje a Földének 109, míg a Jupiterének közel 10-szerese. Óriási tömege révén a Nap hatalmas gravitációs erõt fejt ki. Ez az erõ tartja együtt a naprendszert, és irányítja valamennyi bolygó és kisebb égitest mozgását is. A Nap energiája elsõsorban közeli ibolyántúli, látható és infravörös sugárzás formájában hagyja el a csillagot, de emellett a Nap kisebb mennyiségben mindenféle más sugárzást is kibocsát, a gamma- és röntgensugaraktól egészen a rádióhullámokig. A Nap elemi részecskéket is kisugároz, amelyet napszélnek nevezünk.

A Napból másodpercenként kisugárzott energia teljes mennyiségét a Nap sugárzási teljesítményének nevezzük, és ugyanúgy wattban fejezzük ki, mint egy villanykörte teljesítményét. Ez az érték 3.86e26 W. A kisugárzott energiamennyiségnek legfeljebb csak tízmilliárdod része éri el a Földet. A földi légkör 1 négyzetméterére merõlegesen beesõ teljesítmény még így is átlagosan 1353 W. Ez a mennyiség a napállandó. A napból érkezõ energia a Föld energiaszükségletének a 20000 szeresét biztosítja. Még Észak-Európában is, ahol kevés a napsütés, egy egyszintes ház tetejére tízszer annyi energia érkezik mint amennyi szükséges a ház fûtéséhez. Így a megújuló energia források közül a napenergia hasznosítása lehet a legversenyképesebb alternatíva a jelenlegi energiatermelési módokhoz képest. A Földre érkezõ napenergia egyrészt természeti jelenségekben; szélenergiában, a tengerek energiájában, a légkör és földfelszín felmelegedésében, valamint a víz természetes körforgásában jelentkezik. Másrészt a növények fotoszintézise révén bekerül az élõ rendszer energiaáramlásába.

A Nap szerkezete

A Nap középpontjában a hõmérsékletet kb. 15 millió oK-re, a sûrûséget pedig a ránehezedõ külsõ rétegek hatalmas nyomása miatt 160000 kg/m3-re (a víz sûrûségének 160-szorosára) becsülik. A Nap rádiuszának mintegy egynegyedéig terjedõ központi mag fúziós atomerõmûként mûködik, ahol az energia nagyenergiájú fotonok, így gamma- és röntgensugárzás formájában szabadul fel a könnyebb elemek nehezebbekké való egyesülése közben. A Nap magjában lejátszódó fúziós folyamatban proton-proton reakció zajlik le, melynek során hidrogénatomok magjai (vagyis protonok) egyesülnek, és héliumatommagok jönnek létre. Minden reakcióban 4 proton egyesül egy-egy héliummaggá, kettõ pedig átalakul neutronná. Minden reakcióban egy kicsiny tömeg energiává alakul át az E=mc2 képletnek megfelelõen. Bár az

egyes proton-proton reakciókban a tömegnek csak 0,7%-a alakul át energiává, a lejátszódó nagy számú reakciók miatt a Nap másodpercenként 4 millió tonna anyagot használ fel fényerejének megtartására. Az óriási anyagvesztés ellenére a Nap még a mostanihoz hasonló szinten 5 - 6 milliárd évig sugározhat. A Nap magját kb. a sugár 70%-áig a röntgensugárzási zóna veszi körül. Ebben a tartományban a fotonok gyakran ütköznek, elnyelõdnek, majd véletlenszerûen kisugárzódnak. Egy-egy fotont oly sokszor érik ilyen megpróbáltatások, hogy legkevesebb tízezer, de akár 1 millió évig is eltarthat mire a felszínre ér. A Nap felszínközeli külsõ, 25 - 30%-ot kitevõ részében nagyarányú konvekció zajlik. A hõ az anyag áramlása révén jut el a fotoszférába, majd onnan sugárzódik ki a világûrbe. Ezt a réteget konvektív zónának nevezik. A Nap átlagos sûrûsége (1410 kg/m3) a Föld átlagos sûrûségének csak egynegyede, a víz sûrûségének pedig 1,4-szerese, ami azt sugallja, hogy a Napot fõként könnyebb kémiai elemek alkotják: 73% hidrogén, 25% hélium, 2%-ban pedig nehezebb elemek. A Nap gyorsabban forog az egyenlítõjénél mint a pólusokon. Az egyenlítõn mért forgási periódus 25 nap, a sarkok közelében 35 nap.

A Nap légköre

A Nap "látható" felszíne a fotoszféra, amely vékony gáznemû réteg s gyakorlatilag az összes napfény ebbõl származik. A fotoszféra hõmérséklete mintegy 5800 oK. A fotoszféra fölött a pár ezer kilométer vastag ritkább réteg, a kromoszféra helyezkedik el. A kromoszférában a fotoszféra fölött néhány száz kilométer magasban a hõmérséklet 4300 oK-re csökken. Ezután a hõmérséklet gyorsan nõ addig az átmeneti rétegig, amelyik a kromoszférát, a Nap legkülsõ rétegét a koronától elválasztja. A korona a Nap rádiuszát többszörösen kitevõ távolságig terjed, hõmérséklete 1 - 5 millió oK között van. A kicsiny sûrûségû korona belsejében a részecskék mozgása igen nagy. A korona túl halvány ahhoz, hogy speciális eszközök nélkül látni lehessen, ami alól kivétel a teljes napfogyatkozás ideje, amikor a holdkorong legfeljebb néhány percre takarja el a fotoszféra vakító fényét. Ezt legutoljára Magyarországon 1999. augusztus 11 -én lehetett látni.

http://www.nyf.hu/others/html/kornyezettud/megujulo/Napenergia/03Napfogyatkozas1.jpg

A koronából áramlanak ki azok a részecskék amiket napszélnek nevezünk.

A Nap fehér fénye színképnek (spektrumnak) nevezett színes fénysávra bontható a vöröstõl a kékig és az ibolyáig. A látható spektrum pontosan olyan, mint a szivárvány, mert a levegõben lebegõ vízcseppek fénytörõ prizmaként bontják színeire a napfényt. A prizmával elõállított spektrum színeirõl elõször Newton mutatta ki, hogy további színekre már nem bonthatók. A napfény folyamatos színképében több ezer abszorpciós vonal található. Az abszorpciós vonalak ujjlenyomatként jellemzõek a Nap mélyebb légkörében található kémiai

elemekre.

Felhasználási lehetõségek

Napenergia hasznosítás napjainkban

Az ember a napenergiát évezredek óta hasznosítja, ennek ellenére a napenergia hasznosítással mûködõ melegítõ és elektromos áramot elõállító rendszerek új technológiának tekinthetõk, amelyet Európában a 60-es évek vége óta üzemeltetnek. A napenergia technológiai hasznosítását két nagy csoportba szoktuk osztani. Az egyik esetben nem használunk külön berendezést a napenergia felfogására, ekkor passzív napenergia hasznosításról beszélünk, a másik esetben a napenergia befogására és elvezetésére gépészeti berendezéseket használunk, ebben az esetben aktív napenergia hasznosításról beszélünk

Passzív napenergia hasznosítás Minden épület hasznosítja a ráesõ napsugarak energiáját, az egyik jobban, a másik kevésbé jól. Az építészet története során voltak korok, amikor elõtérbe került a környezetbe illesztése

az épületeknek, és voltak korok amikor ez a szemlélet teljesen háttérbe szorult. Fontos azt is látni, hogy a napenergia passzív hasznosításánál lényeges kérdés, hogy milyen éghajlatú területen vagyunk. Mást jelent a napenergia passzív hasznosítás egy az egyenlítõhöz közeli, félsivatagos területen, és mást a Skandináv országokban, ahol még a nyári idõszakban is gyakori a fûtési igény, és mást jelent nálunk a mérsékelt éghajlati övben, ahol télen kevés a napenergia, nyáron pedig sok. Az elmúlt évtizedekre Magyarországon inkább az volt a jellemzõ, hogy sem a családi házak, sem az intézmények építésénél nem vették figyelembe a napenergia passzív hasznosításának lehetõségeit, ennek két következménye lett:

egyes épületeknél a rossz tájolás és a rosszul méretezett ablakfelületek következtében alacsony a napenergiából befogható energiamennyiség, így még a napban gazdag tavaszi és õszi idõszakban is magas fûtési költséggel üzemelnek,

másrészt vannak épületek, ahol a nyári idõszakban túlmelegedés tapasztalható amely hátrányosan érinti a bent tartózkodók komfort érzetét.

A passzív napenergia hasznosítás feladata

Fenti problémákon jól érzékelhetõ a passzív napenergia hasznosítás feladata: úgy hasznosítani a napenergiát, hogy az épület az éghajlat adta keretek között optimálisan hasznosítsa a napból érkezõ energiát, viszont amikor nyáron sok a napsütés sem melegedjen túl.

A passzív napenergia hasznosítás feltételei

A passzív napenergia felhasználáshoz a következõ feltételeknek kell teljesülni:

sütnie kell a Napnak a napsütésnek el kell érnie a szerkezetet a szerkezetnek alkalmasnak kell lennie a sugárzás hasznosítására a hasznosítónak alkalmasnak kell lennie a hõ tárolására, és a fûtendõ térbe való közvetítésére

Gyakran ezek az alapvetõ feltételek nem adottak, ezért nem lehet az épületet passzív napenergia hasznosításra tervezni. Gondoljunk például azokra a rendezési tervekre, ahol a beépítési távolságok úgy vannak meghatározva, hogy az épületek a nap jelentõs részében nem kapnak napfényt. Ebbõl is látszik, hogy a passzív napenergia hasznosítás tervezése a településtervezéssel kezdõdik.

A passzív napenergia hasznosítás szempontjából a tervezés során következõket fontos figyelembe venni:

települési szinten o az épületek megfelelõ tájolhatósága érdekében az utak optimális nyomvonalvezetése, o a beépítési távolságok meghatározásánál a benapozás figyelembe vétele, o megfelelõ árnyékoló növényzet telepítése, amely nyári idõszakban védi az épületeket az erõs napsugárzástól,

építményi szinten o az épület kedvezõ tájolása, o a tájolásnak és a hõveszteség minimalizálásnak megfelelõ alaprajz és tömegforma tervezése, o az üvegezett felületek nagyságának optimális méretezése, o az épületszerkezetek anyagának kiválasztásánál a passzív hasznosítás figyelembe vétele (pl. a falak jó hõtároló

anyagból készüljenek),

A passzív napenergia hasznosítás lehetõségei

Épületek esetén a passzív napenergia hasznosítás elsõdleges feladata a temperálási célú napenergia biztosítása az energiahiányos idõszakban. Mivel a mérsékelt égövben a téli idõszakot az igen alacsony napenergia mennyiség jellemzi, ezért a passzív napenergia hasznosításnak a tavaszi és õszi átmeneti idõszakban van nagy jelentõsége. Fentiek miatt az épületek fûtõberendezésének méretezésénél a passzív rendszer hõtermelését figyelmen kívül kell hagyni. Ez azt jelenti, hogy a beruházásnál nem, viszontaz üzemelésnél jelentõsköltség takarítható meg.

Közvetlen hasznosítású épületek

A közvetlen napenergia felhasználásának legegyszerûbb módja, ha a ház déli oldalán a benapozás szempontjából optimális méretû hõszigetelõ ablakokat helyezünk el, az épület alaprajzát kevés kiszögelléssel tervezzük, és a lakótereket elsõsorban a déli oldalra rendezzük.

Fenti megoldást új ház építésekor bárki alkalmazhatja többlet költség nélkül. A közvetlen hasznosítású épületek klasszikus képviselõje az un. Wright ház. Az épület Új-Mexikóban áll, ahol jóformán egész évben süt a nap, hidegek az éjszakák. Tehát a feladat az volt, hogy a nappali energia többletet átmentsék az éjszakai órákra. A tároló nagyságát úgy kellett meghatározni, hogy az kompenzálja az éjszakai hõveszteséget. Wright ezt úgy oldotta meg, hogy az épület központi terének déli oldalát 36 m2 nagyságú, kétrétegû üvegfelületbõl tervezte. Ez a nagyság megfelelt a helyiség alapterületének. Az elnyelõ a padlószerkezet, amelyet 60 cm vastag kerámiából készített, alatta hõszigetelõ réteggel. Az épület hõtároló képességét nehéz falszerkezetekkel, és a napsütést is részben hasznosító víztöltetû tárolófallal növelte. A hõveszteséget a napsütés nélküli idõszakban az üvegfelület elõtt

lebocsátható hõszigetelõ táblákkal csökkentette, amely alkalmas volt a nyári árnyékolásra is.

Üveg elõterek

A ház déli bejáratánál lévõ fûtetlen üveg elõterek, mint például az üvegezett terasz, veranda, szélfogó vagy üvegház, jelentõsen hozzájárulnak a ház fûtéséhez.

A hõmegtakarítás három ténnyel magyarázható:

a bejáratnál lévõ plusz réteg szigetel, a nap felmelegíti az üveg elõteret, és ez tovább csökkenti az üveg mögötti homlokzat hõveszteségét, az üveg elõtér levegõjét a ház levegõjének temperálására is hasznosíthatjuk.

Ennek kialakítása történhet az épületeknél utólag, vagy új épületeknél az épülettel egységben tervezve.

     

                 

                             

Az üveg elõterek hátránya, hogy lakótérként nem használhatók folyamatosan, ezért érdemes ezeket a tereket "zöld" terekként hasznosítani, azaz egyrészt itt helyezhetõk el télen a fagyérzékeny növények, másrészt kultúrnövényeket ültetve hozzájárulhat a család élelmiszer ellátásához.

Tömegfalas épületek

Ez a megoldás tudatos fejlesztési munka eredménye, amely Trombe nevéhez fûzõdik.

A tömegfal elválasztja a lakott teret a külsõ tértõl, és hõtárolóként felvéve a napsugárzás energiáját közvetíti a hõt fûtött tér felé. A tömegfal védelmet jelent a lakótérnek a hõszigetelésében, viszont a helyiség használata (külsõ térrel való kapcsolat, természetes világítás) szempontjából elõnytelen. Ma már ilyen épületet nem építenek, de az elv tovább él a transzparens külsõ hõszigetelés, vagy az üveggel burkolt homlokzat formájában.  

Vegyes passzív energiahasznosító rendszerek

Az alkalmazott módszerek hátrányainak kiküszöbölésére a késõbbiekben fenti megoldásokat vegyesen alkalmazták. Ennek érdekes példája az ábrán látható kanadai lakóház. Ennél az épületnél az emeleten nagy üvegfelületet, a földszinti részen üvegház hasznosítót, míg az épület egyik oldalán kétszintes tömegfalat alkalmaztak. A tömegfal különlegessége, hogy közte és az üvegfal között járható tér van a tisztítás megkönnyítésére. A passzív napenergia hasznosítás körébe eleinte azokat a rendszereket soroltuk, amelyek mûködtetõ szerkezetek és hõhordozó alkalmazása nélkül üzemeltek Jelenleg már léteznek olyan hibrid passzív rendszerek, amelyekben mûködtetõ szerkezet és - általában levegõ - hõhordozó is van. Ennek egyik hazai példája a pécsi kísérleti napház.

Aktív napenergia hasznosítás

A passzív napenergia hasznosítás elõnye az egyszerû és ezért költséghatékony megoldások alkalmazása. Azonban ahhoz, hogy a napenergia adta lehetõségeket hatékonyabban ki tudjuk használni, érdemes olyan technológiai megoldásokat alkalmazni, amelyek speciálisan a napenergia befogására és hasznosítására készültek. Ezeket az épületgépészeti berendezésekkel mûködõ rendszereket aktív napenergia hasznosítóknak nevezzük. A napenergia közvetlen hasznosítására szolgáló aktív rendszerek legfontosabb eleme a napenergia-gyûjtõ szerkezet (elnyelõszerkezet), az ún. napkollektor. A napkollektor a napsugárzást elnyeli és a keletkezett hõt alkalmas munkaközegnek adja át. A napkollektornak számos szerkezete ismert és kapható a kereskedelmi forgalomban. A legegyszerûbb felépítésû rendszer: egy

üvegezett hõszigetelt dobozba épített, feketére festett acéllemez, melyhez fémesen kapcsolódik egy csõkígyó, ebben áramlik a hõhordozó közeg, amelyet a Nap felmelegít. A dobozt fényáteresztõ üveg zárja le, amely a hõszigetelésen túl mechanikai védelmet is biztosít.

Az aktív rendszer elemei

Az aktív napenergia-hasznosító rendszer az alábbi alapvetõ elembõl áll:

az elnyelõszerkezetbõl, a tárolóból, a hálózatból, a hõhordozó közegbõl, és a mûködtetés szerkezeteibõl.

Az elnyelõszerkezet

Abszorberelnyelõk

Az abszorberelnyelõk lényegében fedetlen, hõszigetelés nélküli napkollektorok. Ezeket viszonylag kis hõmérsékletkülönbség mellett, jelentõs sugár intenzitás esetén (nyáron) használjuk. Folyadékos (víz) hõhordozóval mûködik, kis fajlagos tömege és könnyû szerelhetõsége miatt bárhol elhelyezhetõ, és elõnyösen alkalmazható házilagos kivitelezés esetén is. A legkorszerûbb az ún. EPDM gumiból készült csõjáratos szõnyeg (abszorber), amely földre, tetõre szerelhetõ, vegyszerek iránt érzéketlen (tehát pl. a medence kémiailag kezelt vize is átereszthetõ rajta), fagy nem károsítja, ezért télen sem kell leüríteni. Hasonló napkollektorként viselkedik a napra kitett vízzel töltött fekete hordó, vagy a vízzel teli locsoló-tömlõ is, amelyek a napsugárzás hatására felmelegszenek. Hátrányuk azonban, hogy nagy a hõveszteségük és a napsütés elmúltával viszonylag gyorsan lehûlnek.

Vákuumcsöves kollektorok

A vákuumos síkkollektor kialakítása abban különbözik a normál síkkollektorétól, hogy az üvegfedése sûrûn alátámasztott, és a kollektorházból vákuumszivattyú idõszakonként kiszívja a levegõt. A vákuumcsöves kollektor kör keresztmetszetû, tökéletesen zárt, üvegbõl készült vákuumcsövekbe helyezett abszorber, amelynek zárt csõjáratába elpárolgó közeget töltenek. A felmelegedõ és így elpárolgó közeg a vákuumcsõ felsõ részén kialakított hõcserélõben kondenzál és felmelegíti a kollektor felsõ csövében keringetett hõátadó folyadékot.

Síkkollektorok

A síkkollektorok a napenergia-hasznosítás legáltalánosabban használt szerkezetei. Éghajlati adottságaink mellett hazánkban napenergia-hasznosítására a folyadékhordozós síkkollektorok alkalmazhatók leginkább, ezért részletesebben ennek felépítésével foglalkozunk az alábbiakban.

Beépítési módjuk alapján két változat terjedt el:

a "doboz "napkollektor (modul elem), amely önálló szerkezeti egység, alkalmas akár tetõn, akár máshol a szabadban történõ felállításra, a doboz korrózióálló, hosszú élettartamú, tömör kialakítású hõelnyelõ-átalakító elemet (abszorbert), hõszigetelést és fényáteresztõ (üveg vagy mûanyag) fedést tartalmaz, a tetõbe épített napkollektor, amely a tetõhéjalás része, szerkezeti elemei azonosak a doboz kollektoréval.

                 

 

A kollektorok elhelyezése és tájolása

A kollektorok optimális tájolása déli irányú, de ettõl a felszerelési hely adottságaitól függõen -kis mértékben- el lehet térni keleti/nyugati irányba. A déli iránytól eltérés a hasznosított napsugárzás csökkenését eredményezi, melynek mértéke ? 30o eltérésig nem jelentõs. Kelet/nyugati tájolás esetén elérheti a 30o-ot. Ha a keleti és nyugati tájolás között kell választani, a melegebb, délutáni léghõmérséklet és a délután kisebb valószínûséggel elõforduló ködök miatt célszerûbb a nyugati tájolást választani.

A kollektorok optimális dõlésszöge a felállítási hely földrajzi fekvésétõl függ, és évszakonként váltakozik.

Magyarország területén az optimális dõlésszög

egész éves üzem esetén: ~45o

májustól szeptemberig: ~30o

novembertõl februárig: ~65o

Az optimális dõlésszögtõl való eltérés a kollektorok teljesítményének csökkenését eredményezi. A csökkenés egész éves üzem mellett, vízszintes beépítés esetén ~20%, függõleges beépítés esetén ~35%.

Mivel a síkkollektorok a határozott irány nélküli és hazánkban jelentõs arányú szórt sugárzást is hasznosítják, ezért viszonylag kevéssé érzékenyek. Ez az oka annak, hogy a kollektorokat általában állandó tájolással és dõlésszöggel (fixen) szerelik fel. Napkövetõ beépítéssel a hasznosított energiamennyiség csak kis mértékben növelhetõ, ami nem áll arányban az ilyen mozgószerkezet többletköltségével.

A síkkollektor fõ részei

az elnyelõ (abszorber) feladata, hogy magába gyûjtse a napenergiát, a lefedõ üveg vagy mûanyaglemez feladata, hogy a napfényt áteresztve szigetelje a kollektort,

a kollektordoboz és a szigetelés feladata, hogy merevítse, szigetelje, vízmentessé tegye a kollektort.

Az elnyelõ (abszorber)

A folyadék munkaközegû síkkollektor energia-gyûjtõ eleme általában jó sugárzás-elnyelõ tulajdonságú csõjáratos lemezlap (abszorber). Az abszorber felépíthetõ sík bordázatú csövekbõl, vagy kiképezhetõ olyan fémlemezként, amelyre csõkígyót erõsítenek. A munkaközeg a csõben áramolva a napsugárzás hatására felmelegszik. Bizonyos esetekben a csõjáratos lemez mûanyagból is készülhet A lefedéssel készülõ kollektorok üresjárati hõmérséklete (amikor a hõhordozó közeg nem kering) igen magas lehet (elérheti a 180-200 oC fokot is). Ezért elnyelõlemeznek fémet célszerû alkalmazni, legtöbbször rezet vagy alumíniumot. A csõvezeték általában vörösréz.

A síkkollektor elnyelõ-elemének bevonata

A síkkollektorokkal hasznosított energia mennyisége jelentõs mértékben függ az elnyelõlemez tulajdonságaitól. A cél olyan elnyelõlemez kialakítása és alkalmazása, amely a napsugárzást közel 100%-ban elnyeli, ugyanakkor saját visszasugárzása minimális. Ezt ún. szelektív bevonattal lehet elérni. Szelektív bevonatként általában galvanizálással felvitt nikkel-, vagy króm-oxidokat használnak, de lehet kapni szelektív tulajdonságokkal rendelkezõ festéket, ún. "szolárlakkot" is. Kedvezõ hatást lehet elérni az elnyelõlemez felületének érdesítésével is. Természetesen alkalmazhatók szelektív bevonat nélküli abszorberek is. Ezek hatásossága kisebb, de a nyári félévben kielégítõen alkalmazhatók.

A síkkollektorok lefedése

Lényegesen befolyásolja a kollektorok hatásosságát a lefedés fényáteresztõ és hõszigetelõ képessége. A kollektor gyártók általában alacsony vastartalmú, 4 mm vastag edzett biztonsági üveget alkalmaznak. Az üveg elõnye az igen jó fényáteresztõ képesség és a megbízható, hosszú élettartam. Az edzett üveg a jégverésnek és a hóterhelésnek is ellenáll. Új fejlesztés a lencsefelületû biztonsági üveg, amelynél a felszínt borító kicsiny lencsék a nagy szög alatt érkezõ közvetlen napsugárzást bevezetik az elnyelõ fölötti térbe.

Másik lefedõ lemez típus a polikarbonát lemez. Elõnye az alacsony ár, a kis súly, a szabhatóság és a jó hõszigetelõ képesség. Hátránya az, hogy a nagy termikus igénybevétel és a sugárzásterhelés mellett rövidebb az élettartama.

A kollektorok hõszigetelése és dobozszerkezete

A kollektorok abszorbereinek hátoldalán hõszigetelést kell alkalmazni. A hõszigetelésre szálas ásvány-vagy üveggyapot lemezt használnak 40-80 mm vastagságban. A dobozszerkezet (kollektor ház) általában alumínium lemezbõl készül. Egyszerûbb kollektorokhoz mûanyag, vagy fa dobozt alkalmaznak. A dobozszerkezet feladata a lefedés, az abszorber, és a hõszigetelés zárt egységben tartása, a kollektor lezárása, a nedvesség bejutásának megakadályozása. Közvetlenül a tetõszerkezetbe épített kollektorok doboz nélküliek. Ezek elõnye, hogy némileg olcsóbbak és kisebb a hõveszteségük. A kollektorok általában 2 m2 körüli felülettel, kb. 1x2 m-es méretben készülnek. Nagyobb igények kielégítésére több kollektort kell alkalmazni.

Tárolók

Tárolót azért kell alkalmazni, mert a napsütés idõtartama - mely évszaktól és az idõjárástól függõen változó - általában nem esik egybe a fogyasztás idejével. Ezért a napsütés idõtartama alatt elõállított hõt tárolni kell a felhasználás idõszakára.

A tárolók hatásuk szerint három félék lehetnek:

rövid idejû, általában 24 órára hatásos, közepes idõtartamú, 1-4 hetes hatásosságú, hosszúidejû, egész idényre hatásos tárolókra.

A tárolókat töltetük szerint is osztályozhatjuk: folyadék, szilárd,

kémiai töltetûekre.

A folyadék töltetû tárolás gyakran alkalmazott megoldás, mert a folyadék fajhõje nagy, a hõ betárolása és hasznosítása egyszerû, adottságaink mellett a felhasználók is fõként meleg vizet igényelnek, az elnyelõszerkezetek nagyobb része folyadék hõhordozóval mûködik.

A folyadékos-tárolók belsõ hõcserélõ csõkígyóval készülnek, melyben a kollektorokban felmelegedett hõátadó folyadék áramlik. Ennek a hõcserélõnek megfelelõen nagy felülettel kell rendelkeznie. Ma már igen jó hatásfokú kûlsõ hõcserélõket is lehet kapni. A szilárd töltetû tárolás az amerikai földrészen elterjedt megoldás, mert ott gyakran alkalmaznak levegõs hõhordozós hasznosítókat.

Elõnyei:

nincs tömítési probléma, a töltet tág hõmérsékleti határok között mûködhet, a töltet kis fajhõje miatt a tároló nagy térfogatú, rendszerint egy helyiség a pincében, melynek jelentõs lehet a

hõvesztesége, de ez az épület temperálására használható.

Hátrányai: nagy tárolótérfogat, jelentõs tömeg, a rossz hõátadási tényezõ miatt a tároló felfûtés és a kinyerése nehézkes, a tárolóban a hõmérsékleteloszlás nem

egyenletes, a tároló egyes részei hatástalanok lehetnek.

A tárolóban leggyakrabban alkalmazott töltés 5-8 cm átmérõjû folyami kavics.

A kémiai tárolás az anyagok fagyás- ill. olvadáshõjével mûködik.

Néhány gyakran használatos anyag:

Nátrium-karbonát-dekahidrát Nátrium-tioszulfát-pentahidrág Nátrium-szulfát-dekahidrát

Hõhordozó

A kollektorokban alkalmazott leggyakoribb hõhordozó a víz, ill. az ezzel egyenértékû fagyálló folyadék, de léteznek levegõhordozóval mûködõ kollektorok is. A levegõhordozós kollektorokat az amerikai földrészen elõszeretettel alkalmazzák lakóépületek fûtésére, hazánkban azonban elenyészõ mennyiségben, fõleg terményszárítókban használják. A levegõhordozóval üzemelõ kollektorok esetén az abszorbernek lényegesen nagyobb felülettel kell érintkeznie a hõhordozóval, mint a folyadékos hordozós kollektornak, ezért a levegõs kollektorok elsõsorban táskás kollektorok.

Hálózat

A hálózat köti össze a kollektort a tárolóval. A csõvezetékként alkalmazható vörösrézcsõ, vagy nem horganyzott, ún. "fekete" acélcsõ. A kollektorok hidraulikus kapcsolása lehet soros, vagy párhuzamos. Általában a párhuzamos kapcsolás a szokásos, úgy hogy az áramlási viszonyok minden kollektorban azonosak legyenek.

A mûködtetés szerkezetei

Folyadékos rendszerek

A folyadékos napkollektoros rendszerek legegyszerûbb formája a gravitációs rendszer, ennek az az elõnye, hogy nem szükséges keringetõ szivattyú, mert a keringéshez szükséges nyomáskülönbség a felmelegedés hatására létrejövõ sûrûségkülönbségek alapján alakul ki. Ehhez viszont az szükséges, hogy a tároló tartály a kollektorok felé kerüljön. A gravitációs rendszer hatékonysága jelentõsen elmarad a direkt keringtetéssel ellátott rendszerekétõl.

Direkt keringtetésû folyadékos hõhordozóval mûködõ rendszer esetén az alábbi mûködtetõ szerkezetekre van szükség:

keringetõ szivattyú tartja a hõhordozó munkaközeget áramlásban a kollektor és a hõcserélõ között,

csõvezeték rendszer a kollektorokat köti össze a tároló rendszerrel, légtelenítõ elemek, tágulási tartály, biztonsági szelep és nyomásmérõ,

vezérlõ és szabályozó berendezések, amelyek feladata, hogy a szivattyú bekapcsolásával beindítsák a hõhordozó közeg keringetését akkor, amikor a napkollektorban lévõ munkaközeg hõmérséklete nagyobb a tárolóban lévõ hõmérsékletnél.

Levegõs rendszerek

Levegõ hõhordozó esetén a mûködtetésnek és a hordozó közeg szállításának sokféle megoldása alakult ki, a levegõ áramlását elsõsorban ventillátorokkal oldják meg.

Napenergiát hasznosító rendszerek

A napenergiát hasznosító rendszerek felhasználásuk alapján lehetnek:

Használati melegvizet elõállító rendszerek, Épületek fûtését ellátó rendszerek, Uszodafûtést ellátó rendszerek, Épületek hûtését ellátó rendszerek,

Mezõgazdasági célokat ellátó rendszerek.

Használati melegvizet elõállító rendszerek

A használati melegvíz igény az épületgépészeti energiafogyasztók között a legegyenletesebb, idõjárástól független igény. Ezért a használati melegvíz elõállítása napenergiás rendszerekkel már ma is gazdaságosan megoldható. A használati melegvíz-készítés energiaigénye egy négytagú családnak kb. 5000 kWh évente. Egy 4-6 m2 kollektorfelületû berendezéssel ennek az energiamennyiségnek mintegy 70%-át megtakaríthatjuk. Természetesen ugyanez az arány jellemzõ a nagyobb rendszerekre is, tehát intézmények használati melegvizes rendszerei is kb. ezt a megtakarítást tudják produkálni. A használati melegvíz rendszerek lehetnek egykörös és kétkörös rendszerek.

Egykörös rendszer

Egykörös rendszer esetén a kollektorokban közvetlenül a felmelegítendõ használati melegvíz kering. Az ilyen rendszer csak a nyári félévben használható, mivel télen, 0 °C alatti hõmérséklet esetén a kollektorokban a víz megfagyna. A rendszer elõnye az egyszerûség, hátránya a fagymentes idõszakra korlátozott alkalmazhatóság, valamint a kollektorokban a vízkövesedés, lerakódás veszélye.

Kétkörös rendszer

Kétkörös rendszer esetén a kollektorkör a használati vízhálózattól elválasztott külön kör, melyben megfelelõ minõségû fagyálló folyadék kering. A használati-víz felmelegítése a hõcserélõben történik. Az ilyen rendszerek egész évben - tehát télen is - biztonságosan használhatók. A kétkörös rendszerek elõnye a nagyobb éves energiahozam, a megbízható, lerakódást, vízkövesedést kiküszöbölõ üzem, míg hátrányuk a hõcserélõ miatti nagyobb beruházási költség.

Tartálykollektor

Az egy- és kétkörös rendszerekhez képest egyszerûsítést jelent az un. tartálykollektor. Ez olyan hõszigetelt, üvegfedésû dobozba helyezett tartály, mely felmelegíti és tárolja is a melegvizet. Az egyoldali hõszigetelés miatt természetesen nagyobb a vesztesége, mint a valódi tárolóké.

Épületek fûtését ellátó rendszerek

A hagyományosan elõállított energiának csaknem a felét helyiségfûtésre használjuk. A Nap télen is süt, de a téli szórt és közvetlen sugárzás melegét általában messze alábecsülik. Fischer fizikusnak december 22.-én, tehát az év legalacsonyabb napállásánál, Zürich közelében, 3 °C környezeti hõmérséklet mellett, sikerült gõzt fejlesztenie. Egy nappal késõbb egy 0,7 m2 felületû kollektorral a kerti vízcsapból nyert 30 l hideg vizet 60 °C -ra melegítette. A téli napenergia nagyon jól hasznosítható kiegészítõ helyiségfûtési célra. Az átmeneti idõszakban (õsszel-tavasszal), amikor gyakran napos, de hideg az idõ, a napenergia szerepe az épületfûtésben nagyon fontos lehet. A hirtelen és rövid idejû hõmérséklet-ingadozások idején hagyományos fûtési rendszereket nem kell bekapcsolni, és így a berendezés felfûtéséhez szükséges aránytalanul nagy energiamennyiség megtakarítható.

Folyadékos rendszerek

Az épületek fûtésének kiegészítõ napenergiás rendszere amennyiben a fûtési rendszer melegvízzel üzemel, nem különbözik jelentõsen a használati melegvizet elõállító rendszerektõl. A berendezés méretei azonban nagyobbak az elõzõtõl.

Egy 300 m2 kollektorfelülettel épült és 3 m3 -es tárolóval rendelkezõ szolárberendezés egy egyszerû lakóháznál 8500-9000 kWh évenkénti fûtõenergia megtakarítást jelenhet. Az üzembe helyezett berendezések tanúsága szerint 24 órás tárolóval épült berendezéssel lehetséges megtakarítani a fûtési energiaszükséglet 45-50 %-át.

Levegõs rendszerek

A napenergia fûtési célra való hasznosítása nemcsak folyadék hõhordozóval képzelhetõ el. A légfûtés egyes országokban (pl.: USA) igen elterjedt és az elsõ napenergiás kísérleti házak is elsõsorban levegõ hõhordozóval készültek. A levegõs rendszereknek

a legnagyobb elõnye, hogy nincsenek korróziós problémák, de a kollektor hõmérsékletének és a tároló térfogatának nagyobbnak kell lennie és ez a rendszert megdrágítja.

Uszodafûtést ellátó rendszerek

Az úszómedencék vizének fûtését ellátó rendszerek igen jó hatásfokkal mûködnek, hiszen a kinti úszómedencék használata egybeesik a legmagasabb napenergiás idõszakkal. Mivel a külsõ hõmérséklet ilyenkor megközelíti a kollektorok közepes üzemi hõmérsékletét ilyen üzemállapotban a legjobb hatásfoka - alacsony optikai vesztesége miatt -a lefedés nélküli kollektornak (abszorbernyelõ) van. Ez alapján és a beruházási költséget is mérlegelve, az uszodavíz fûtésére az olcsó, lefedés nélküli kollektorokat érdemes használni

Épületek hûtését ellátó rendszerek

Elsõ pillanatban ellentmondásnak tûnik hideget elõállítani a nap melegével, de a napenergia hasznosítás kapcsán technikai lehetõségek egész sora álla rendelkezésünkre amelyek megoldották ezt a problémát. Ez az a terület, ahol igen jók a lehetõségek, hiszen a legnagyobb hûtési energiára akkor van szükség amikor a legjobban süt a nap.

Természetes helyiséghûtés

Ismert fizikai jelenség, hogy egy folyadék elpárologtatása közben környezetébõl hõt von el, ezáltal lehûtve azt. Ezt a hatást hasznosította Hay és Yelott a "Sky-Therm" rendszernél az épület klimatizálására. A lapos tetõn 21 cm vastag vízréteg van, amely a nyári idõszakban éjszakánként fedetlen. Így sugárzásával és párolgásával hûti az épületet. Nappal a vízréteget 4,5 cm vastag, kemény poliuretán lappal fedik le, hogy a közvetlen sugárzás a tetõt és a vizet ne érje el. A tetõn levõ hideg víz a mennyezeten keresztül hûti a lakóhelységet.

Hagyományos hûtési eljárás

A hagyományos hûtési eljárás során egy nyomás alatt álló folyadék elpárologtatásával lehet hûteni. Folyadékként gyakran a nagyon alacsony forráspontú ammónia vizes oldatát használják. Ez a folyamat energiát követel, amit bizonyos feltételek mellett

napenergiával lehet fedezni. A francia CNRS Kutatóintézet kisérleti berendezésével, amely 12 m2 felületû parabolikus kollektorral naponta 25-50 kg jeget állított elõ. Lehetõség van arra is, hogy napelemek segítségével elektromos áramot állítsanak elõ, és így hagyományos felépítésû hûtõberendezéseket üzemeltessenek.

Mezõgazdasági célokat ellátó rendszerek

A mezõgazdaság alapvetõ felhasználója a napenergiának, hiszen a növények a fotoszintézis során napenergia segítségével állítják elõ azokat a szerves anyagokat, amelyek testüket felépítik. Amennyiben a növények által elõállított anyagokat energetikai célra használjuk (pl.: a fát elégetjük, vagy a repceolajat üzemanyagként hasznosítjuk), úgy biomassza energiáról beszélünk, amely átalakult és elraktározott napenergia.

Szárító és aszaló rendszerek

A mezõgazdaságnak azonban van olyan területe, ahol igen jól alkalmazható a napenergia, mégpedig a termények szárítása vagy aszalása. Ezek a szárító, aszaló rendszerek lényegében levegõs kollektorok segítségével üzemelnek, hasonlóan az épületfûtési megoldáshoz, azonban itt a meleg levegõ zárt szárító-aszaló terekbe kerül bevezetésre.

A napenergiával üzemelõ rendszerek gazdaságossága

Magyarországon a hagyományos energiahordozói árak rohamos és további várható emelkedésével megdõltek azok a prognózisok, amelyek a napenergia aktív hasznosításának elterjedését - jelentõs beruházási költsége miatt és csekély folyamatos ráfordításai ellenére - legfeljebb az ezredfordulót követõ évtizedre valószínûsítették. Ehelyett a megvalósítás-beruházás költségei alig növekedtek, ill. más berendezésekéhez képest csaknem stagnáltak A folyamatos ráfordítás költségei pedig elenyészõk a manapság 3,5-4-szeresére növekedett hagyományos villamos energia-, földgáz-, pébégáz-, távhõenergiák fogyasztói árához képest. Az ezredforduló tájára, illetve középtávra várható pl. a napkollektoros melegvíz elõállítás, ill. új épületeken a teljes fûtésnek és a melegvíz készítésnek a már mérhetõ, nagyságrendekkel nagyobb elterjedése.

Ráadásul az ismert egyszerû, de mégis gyárilag elõállított és a kereskedelemben forgalmazott berendezésekhez képest a házilag elõállított, könnyen barkácsolható kollektorok és boylerek létesítési költsége a maiaknak a felére is redukálható.

Fotovillamos hasznosítás napelemekkel

A napenergia fotovillamos hasznosítása alatt a Nap sugárzási energiájának közvetlenül villamos energiává történõ átalakítását és ennek hasznosítását értjük. Az energia-átalakító szerkezeteket napelemeknek nevezzük.

A napelemek története

A francia Alexandre Edmond Becquerel fizikus 1839-ben rájött arra, hogy egy bizonyos réz-oxid világítás hatására elektromos áramot termel. Charles Fritts, aki szelénbõl 1880-ban elkészíti az elsõ napelemet, már akkor azt jósolta, hogy a jövõben a házakat napelemmel fedik be, hogy az elektromos áramot termeljen. Az elsõ szilíciumból készült napelemet, amelynek kb. 6% volt a hatékonysága, Fuller, Pearson és Chapin készítette el 1954-ben az amerikai Bell laboratóriumban. Az 1960-as és 70-es években a napelem technológiában elért

jelentõs fejlõdés hajtóereje az ûrrepülés kutatásfejlesztése volt. Napjainkban már 15% hatásfokú napelemeket gyártanak, és laboratóriumokban 20%-nál nagyobb hatásfokú elemek is készültek. Az energia árának az 1970-es évek elején bekövetkezett jelentõs növekedésének következtében hatalmas összegeket fektettek a napelem technológia fejlesztésébe. A többgenerációs fejlõdés jobb hatékonyság, hosszabb élettartam és alacsonyabb elõállítási költség eléréséhez vezetett. Az egyik legjelentõsebb vívmány az olcsó, amorf sokkristályos szilícium elem tömegtermelése volt. Ma már rengeteg olyan termék van, amely az energia igényét napelem segítségével fedezi. Pl. zsebszámológépek, karórák, rádiótelefonok.

A napelemek elmélete

A napelemek olyan félvezetõkbõl állnak, mint a szelén, az amorf szilícium, a szilícium kristály, a gallium arzenid, a réz indiumdiszelin, vagy a kadmium tellurid. Mûködésük azon alapul, hogy a fénysugárzás fotonjai a félvezetõ elektronjait a kötésbõl kimozdítják. Így elektron-lyuk párok keletkeznek. Ezek abban az esetben, ha ellentétes típusú félvezetõ anyag

határfelületére érkeznek, kettéválnak. Az n-típusú félvezetõkben elektron többlet, a p-típusúban elektron hiány keletkezik. A félvezetõk jól vezetõ alaplapra szerelve és a Nap felõli oldalán elektromos vezetõ csíkokkal ellátva a keletkezõ energia elvezethetõ. Világos idõben egy szilícium elem kb. 0,5 V-ot, és kb. 25 mA/cm2 energiát termel, ami másként 12-13 mW/cm2.

Típusok

Ma már különbözõ típusú napelemek vannak forgalomban, mint pl. a monokristályos, polikristályos és amorf elemek.

Gyártási problémák

A szilíciumot kvarcból nyerik, amely nagy mennyiségben található a természetben. Viszont a felhasznált szilíciumnak nagyon tisztának kell lennie, amihez a termelés során sok energiára van szükség. A gyártás során erõs klórtartalmú vegyületeket és trikolint is fölhasználnak, emiatt a gyártás igen drága és környezetszennyezõ. Jelenleg már folynak a kutatások környezetkímélõ eljárás kidolgozására.

Napelemek felhasználása

A napelemeket, jelenleg leginkább azokon a területeken használják, ahol viszonylag kis áram mennyiségre van szükség (számológép, karóra, ventillátorok, stb.), vagy ahol nagyobb mennyiségû áram szükséges, de nincs lehetõség a hálózat kiépítésére, vagy nem éri meg a hálózat kiépítése (ûrkutatás, fúrótornyok, világító tornyok, távoli településeken, kutatóállomásokon stb).

 

Naperõmûvek

A naperõmûvek két alapvetõ típusa alakult ki, az egyik a nap energiáját hõvé alakítja és ezt alakítja tovább elektromos energiává, a másik típus napelemek segítségével közvetlenül elektromos energiává alakítja a napenergiát. Valamennyi naperõmû típusnak a célja, hogy a hagyományos, környezetszennyezõ erõmûvi technológiát fokozatosan kiváltsa "tiszta" energiaforrásokkal. A napenergiát hõvé alakító erõmûvek, jellemzõen koncentálják a napenergiát. A napenergia koncentrálására három technológia alakult ki:

Parabolikus teknõk, amelyek a napsugárzást egy olyan csõvezetékbe gyûjtik össze, amely a teknõk gyújtópontjában van.

Energiatornyok, amelyeket heliosztikus tükör mezõk vesznek körül, amelyek a napsugárzást a központi toronyra szerelt fogadóberendezésre koncentrálják.

Parabolatükrök, amelyek a napot két tengelyen követik, s amelyek a napsugárzást a tükör gyújtópontjában levõ érzékelõre, vagy motorra koncentrálják

A napenergiát közvetlenül elektromos energiává alakító erõmûvek, mûködési elve lényegében nem különbözik a napelemeknél ismertetett folyamattól, lényegében csak annyi történik, hogy napelem táblák nagy mennyiségét kötik sorba, ezzel érve el a nagyobb

teljesítményt.  

Napenergiából hidrogén

Az jövõ egyik legígéretesebb megoldása, hogy a napenergia segítségével hidrogént állítanak elõ, majd a hidrogént mint üzemanyagot hasznosítják.  

Az emberiség válaszút elõtt áll

A "napkályha" már 4,5 milliárd év óta ég és emberi számítás szerint még további 5 milliárd évig nem fog kialudni. Tehát ez az az energiaforrás ami tartósan emberi - léptékkel mérve - folyamatosan, megújuló módon a rendelkezésünkre áll. Ezért a napenergia közvetlen felhasználást, valamint a napenergiából megújuló más energiaformákat (szél-, víz- és biomassza energia) megújuló energiaforrásoknak nevezzük. Jelenleg az emberiség elsõsorban a nem megújuló energiaforrásokat használja (szén, kõolaj, földgáz, urán) amelyekben az uránt kivéve szintén a napenergia van elraktározva. Ezek az energiaforrások évmillók során alakultak ki és a készleteik végesek, ezért nem megújuló, vagy fosszilis energiaforrásoknak is szoktuk nevezni. A megújuló energiaforrások használata nem csak új technológia bevezetése, hanem egy olyan egyetemes elv érvényre juttatásának egyik fontos lépése, amely által az emberi társadalom újból összhangba kerülhet a természettel.

Miért is van szüksége az embernek külsõ energiaforrásokra?

Azért, hogy anyagi szükségleteit ki tudja elégíteni, meleget tudjon csinálni, ha fázik, hideget, ha melege van, melegvizet ha fürdeni akar, világítani a sötétben, hogy közlekedni tudjon, valamint fogyasztási termékeket tudjon elõállítani. Tehát az embernek nem arra van szüksége, hogy elégesse a szenet, földgázt, olajat, hanem az ezekbõl nyert energia segítségével ki tudja elégíteni igényeit, szükségleteit. Ezt pedig teheti így, ahogy eddig, fosszilis energiaforrások elégetésével, környezetszennyezõ módon, elvéve a jövõ generációktól a lehetõséget, hogy õk is egy egészséges bolygón élhessenek. Vagy teheti a földi rendszerbe illeszkedõ módon úgy, hogy a megújuló energiaforrásokat használja.

A Gaia ház ezt az alternatívát nyújtja az emberiségnek. Technikailag már megoldott a megújuló energiaforrásokkal való energiaellátás bevezetése, most már csak rajtunk múlik, melyik utat választjuk.

Érdekességek

A Nap és a Fák

Egyes feltételezések szerint kapcsolat van a fák növekedése, és a 11 éves naptevékenységi ciklus között. Eszerint a fák évgyûrûi a napfoltmaximum éviben vastagabbak, a minimum éveiben vékonyabbak volnának. Nagyon valószínû, hogy a földi légkör kényes egyensúlyát már a naptevékenység ingadozásából származó aránylag kismértékû energia-bevitel változása is jelentõsen megváltoztatja, amely pl. a zivatarok gyakoriságában is jelentkezhet.

A Nap energiája

Földünket a Nap teljes energiájának csupán 0, 01 %-a éri el. Mégis ez az energia mennyiség az, ami mindent, ami él és mozog a Földön, táplál és mûködtet. Évente olyan mennyiségû energia érkezik a Napból a Földre, amennyit 60 milliárd tonna kõolaj elégetésével nyerhetnénk. Ha ennek csak 1 százalékát hasznosítanánk csupán 5 százalékos hatékonysággal, akkor a világon minden ember annyi energiát fogyaszthatna, mint ma egy amerikai állampolgár. (Természetesen az ilyen mértékû energia felhasználásnak is vannak korlátai, hiszen, ez az óriási mennyiségû tiszta energia rendelkezésre állása lehetõvé tenné az emberiségnek, hogy a jelenleginél is nagyobb mértékben átalakítsa a Földi környezetet, ezáltal ökológiai katasztrófát okozva.)

A napfényben benne van az összes szín

Tudod-e, hogy a napfényben benne van az összes szín. Ennek szép megnyilvánulása a szivárvány, ami olyankor szokott létrejönni, amikor a levegõben levõ vízcseppek megtörik a fény, és mint kis prizmák színeire bontják a fehér fényt. Mi azért látjuk különbözõ színûnek a dolgokat, mert eltérõ mértékben verik vissza a rájuk esõ fényt. Pl. a hó szinte teljesen

visszaveri a fényt, ezért fehér, a korom teljesen elnyeli, ezért fekete, a piros virág csak a fény piros részét veri vissza, a többit elnyeli.

Tudod-e, honnan van a Nap energiája?

A nap egy hatalmas kályha, ami fúzióval állítja elõ az energiát. Lényegében az atomerõmûvekben zajló folyamatnak éppen az ellenkezõje történik, az az nem maghasadás, hanem két hidrogén atom fúziója, aminek az eredménye egy hélium atom lesz, és eközben energia szabadul fel.

Tudod-e, hogyan alakul ki a sarki fény?

A nagyobb napkitörések kibocsátotta részecskék heves mágneses viharhoz vezetnek. Ezek a részecskék rendszerint az eseményt követõ pár napon belül érkeznek a Földre. A napszél részecskéinek kis hányada behatol a magnetoszférába, s a Föld felsõ légkörébõl kibocsátott ionizált részecskék társaságában a Föld mágneses terének fogságába kerülnek. A szoláris mágneses viharok létrehozta zavarok a magnetoszférából a részecskéket a felsõ légkör rétegeibe "rázzák ki". A belépõ töltött elemi részecskék a felsõ rétegben gerjesztik és ionizálják az atomokat és a molekulákat. A folyamat váltja ki a sarki fényt, amelynek gyakorisága napfoltmaximum idején a legnagyobb. Mivel északi és déli mágneses pólusa van a Földnek, ezért északi és déli fényrõl beszélhetünk.

Tudod-e mi a az üvegházhatás?

A jelenség lényege a következõ: a bolygó légköre viszonylag átlátszó a Napról érkezõ rövid hullámhosszúságú fénysugarak számára. Az elnyelt energia felmelegíti a talajt, amely igyekszik visszasugározni az energiát az ûrbe. Ez a sugárzás azonban már nem hasonlít az eredetihez, mert annál sokkal hosszabb infravörös hullámokból áll, amelyet például a vízgõz és a szén-dioxid is elnyel. Így ez a sugárzás nem képes elhagyni bolygónk atmoszféráját. A légkör tehát hasonlóan viselkedik, mint az üvegházak teteje, visszatartja a sugárzást, s hozzájárul a Föld felszíni hõmérsékletének további emeléséhez. Más légkörrel rendelkezõ bolygókon is megfigyelhetõ az üvegházhatás, természetesen mindenütt más mértékben, és más-más molekulák is okozhatják.

A napenergia segítségével hajtott jármûvekkel régóta kísérleteznek, ilyen a napenergiával mûködõ autó.

   

Felhasznált irodalom

David Pearson: A természetes ház kézikönyve

Magyar Napenergia Társaság: Napenergia aktív hõhasznosítás 1997.

P.R. Sabady: A napenergia építészeti hasznosítása 1980.

Energia felhasználói kézikönyv Szerkesztette: dr. Barótfi István

Környezetvédelmi Lexikon Akadémia Kiadó 1993.

A képek forrásai: http://www.nrel.gov/data/pix

                          A természetes ház kézikönyve  

Vissza  

VíZENERGIA

Göõz Lajos - Kovács Tamás

Fogalma

Vízerõmû: A vízfolyások, tavak, tengerek, mechanikai energiakészletét villamos energiává (régebben közvetlenül mechanikai energiávál alakító mûszaki létesítmény. Gyûjtõfogalomként magában foglalja mindazokat a mûtárgyakat és berendezéseket, amelyek a villamosenergia-termeléshez szükségesek. A hasznosítható energia növelése érdekében a vizet duzzasztják, esetleg tárolják, és a vízerõtelepen a turbinákra ejtik, amelyek generátort hajtva termelnek villamos áramot. A hasznosítható esés (vízlépcsõmagasság nagysága szerint megkülönböztetnek kisesésû, közepes esésû és nagyesésû ~vet. Törpe erõmûnek a 100 kW-os teljesítmény alattiakat tekintik. A világ vízerõmûveirõl és gátjairól rendszeres statiszti- kát közöl a Water Power c. angol nyelvû nemzetközi szaklap. Hazánk elméleti víz- erõkészlete 7478 . 106 kWh/a, a hasznosítható vízerõkészlet-teljesítményt 1060 MW-ra becsülik, amely átlagos évben 4500 GWh energiatermelésnek felel meg. A hazánkban mûködõ ~vek száma 37, összes

teljesítménye 50 MW, energiatermelésük 177 GWh. Ebbõl 90% a Tiszára és mellékf.-ira jut. Az egymáshoz csatla- kozó ~vek sorozata a ~lánc. Az energiagazdaságilag egymással együttmûködõ ~vek neve ~rendszer. - A vízerõmûvek szerteágazó környezeti hatásai miatt mindenek elõtt a kis esésû folyókon létesített erõmûvek csak igen gondos környezeti hatástanulmányok után létesíthetõk.

                                                                                                               Környezetvédelmi lexikon

Története

Egyes szakemberek szerint víz a Föld történetében mintegy 4 milliárd éve van jelen, az Archaicum elejétõl. Az õsföldet egy vízgõzben gazdag légkör vette körül, amelynek lehûlésébõl származik a jelenleg bolygónkon található víz minden formája. A Föld különleges helyet foglal el a naprendszerben e tekintetben, mivel a Föld-Nap távolság következtében - amely átlagosan 150 millió km - a víz mindhárom formájának (gõz, víz, jég) megjelenése lehetõvé válik. Ez csak a naprendszer sugarának mintegy 2%-át kitevõ keskeny sávban állhat elõ. A Vénusz ennek nagyon keskeny sávnak, a potenciális vízzónának a szegélyén helyezkedik el. A víz jelenléte tette lehetõvé mintegy 3,5 milliárd esztendõvel ezelõtt a szerves élet kialakulását is.

A víz teljes tömegét 1,4 milliárd km3-re becsüljük és ennek 97,3 %-a az óceánokban található. Ezen vízmennyiség tekintélyes része részt vesz egy nagy körforgásban, amelynek átlagos idõtartama 9 napnak vehetõ. Amikor felhajtunk egy pohár vizet, sohasem tudhatjuk, hogy egy-egy benne lévõ vízrészecskét hanyadszor öntünk le a torkunkon. Egy adott molekula bejárhatta Európa egy részét, áramolhatott a Fekete-tenger, vagy esetleg az Atlanti-óceán medencéjében, majd megszámlálhatatlan társával együtt újra végigszárnyalt a szárazföld felett, valahol a hegyekben lehullott, beszívódott a föld mélyére, majd kibukkant egy forrás tövében, ahol éppen kimerünk maguknak egy pohár vizet. Azonban nem minden vízrészecske vesz részt ebben a körforgásban, gondoljunk csak az óceánok mélyén lévõ vízre, amelyeket sokkal kisebb mértékben fenyeget az elpárolgás veszélye. E hatalmas körfolyamat éltetõ motorja a Nap, amelynek a Földre sugárzott energiájának egy jelentõs részét a felszíni vizek párologtatása emészti fel. E szüntelen körforgásnak alapvetõ szerepe van az idõjárás alakításában is.

A víz óriási pusztító és építõ munkát is végez, tartós nyomokat hagy maga után. A tengerek hullámzása a szárazföldek partjait alakítja, a vízfolyások völgyeket vájnak a szállított hordalékkal, amelyekbõl majd máshol zátonyokat, szigeteket építenek. Ahol a vízfolyás sebessége a felszín erõs lejtése miatt igen nagy, mély szinte függõleges falakkal rendelkezõ ún. szurdokvölgyeket

alakítanak ki a vízfolyások. Például Észak-Amerikában a Colorado-folyó 1000 m-nél is mélyebb völgyet alakított ki: a Gr and- kanyont.  http://www.gandynet.com/art/Marlin/Images/New_Work/Grand_Canyon.htm A felszíni folyások nemcsak mechanikai munkájukkal pusztítanak, hanem a benne oldott szén-dioxid megtámadja a kõzeteket is. A mészköves dolomitos területeken ezen hatás eredményeként víznyelõk, töbrök, nagyobb uvaláka és barlangok jöhetnek létre. A sziklák repedésein beszivárgó víz megfagyva mállasztja, aprózza a kõzeteket. Ez különösen az USA, Utah állambeli földkapuk mutatják. A számítások szerint évente a folyók 3000 millió tonna anyagot hordanak a világtengerekbe.

A kõzetréteg lehordásával a szárazföldek tengerszint feletti magasságát pl. 100 ezer év alatt 1 méterrel csökkentik. Nemcsak pusztítanak a folyók, hanem deltákat építenek a tengerbe, tavakat töltenek fel, pl. a Missisipi deltája 25 hektárral a Dunáé pedig egy fél hektárral növekszik évente. Ott ahol a folyó a tengerbe ömlik, a tengertõl hódít el területeket.

Hozzávetõleges számítások alapján a Napból Földre jutó energiamennyiségnek kb. 23 %-a a víz körforgásának fenntartására fordítódik. Ennek az energiának mintegy 99 %-a a párolgás-lecsapódás átalakulására fordítódik, amely számunkra kihasználhatatlan. A megmaradó töredék a földfelszínen mozgó víz helyzeti és mozgási energiája. Az állóvizek csak helyzeti és nyomási energiával rendelkeznek, de az áramló vizeknél ezek mellett a mozgási (kinetikai) energia is megjelenik. Vízenergián ezen energiák összességét értjük. Becslések szerint a világ hasznosítható vízenergia kapacitása kb. 20.000 TWh körül lehet. Az egész világon termelt összes vízenergia termelés kb. 2000 TWh. Ez a mûszakilag hasznosítható energia 10 %-át jelenti.  

 

Elméleti

vízerõ-

készlet

Twh

Mûszakilag

hasznosítható TWh

Összes villamos

energiatermelés TWh

Vízenergia

termelés TWh

Vízenergia

aránya %

Mûszaki vízerõkészl

et hasznosítot

tsága %

Európ 4360 1430 2599 453 18 32

a

Észak-

Amerika

6150 3120 3202 642 20 21

Latin-Ameri

ka5670 3780 370 281 76 7

Afrika

10120 3140 234 49 21 2

Ázsia 20430 7530 3475 564 16 7

Óceánia

1500 390 161 39 24 10

Összesen

18230 19390 9962 2028 20 11

 

A víz volt az a legrégebbi erõforrás, amit arra használtak, hogy csökkentsék az emberi és állati terhet.Nem lehet tudni biztosan mikor is találták fel a vízikereket, de az biztos, hogy a legrégebbi öntözõrendszerek kb. 5000 évesek. A vízikereket már az ókori Kelet országaiban: Egyiptomban, Kínában és Indiában is használták, vízimalmok pedig az ókori Görögországban és Rómában is mûködtek. A legkorábbi vízimalmok talán a függõleges tengelyû kukoricaõrlõ malmok voltak, melyeket norvég ill. görög típusú malom névvel illettek. Ezek valószínûleg Kr. e. az I.- illetve a II. században jelentek meg Közép Keleten, néhány századdal késõbb pedig Skandináviában. Ismereteink szerint Angliában már használtak mind vízszintes tengelyû, mind függõleges tengelyû vízimalmokat az angolszászok. A XI. század végén Anglia 3000 felmért településén 5624 vízimalom mûködött, Franciaország egyetlen megyéjében (Aube) pedig

kétszáz. Magyarországi vízimalmokra utaló adat legkorábban a XI. századból ismert. "1061-ben egy nagybirtokon 320 mansio (kb. 1600 lélek) számára 6, 1124-ben egy másik nagybirtokon 120 mansio (1150 lélek) számára 7, 1141-ben egy harmadik nagybirtokon 120 mansio (600 lélek) számára 3, azaz 266, 165, ill.200 lélekre esett egy malom."

Magyarországon is fontos volt a termények nagyobb hatékonyságú feldolgozása érdekében a korábban használt kézi malmok helyett a vízimalmok használata. Két ember kézimalommal 4,5-7 kg lisztet tudott õrölni óránként, míg egy átlagos teljesítményû vízimalom 150 kg-ot.  

Megnevezés Ember, emelõve

l

Ember, markolato

n

Kézzel hajtott

függõleges kerék

Szamaras

járgány

Ökrös járgány

Lovas járgány

Alulcsapott vízikerék

Felülcsapott vízikerék

Sebesség (m/sec)

1,10 0,80 0,15 0,80 0,60 0,90 3,00 2,50

Teljesítmény

(mkg/sec)5,50 8,00 9,60 11,20 39,00 40,00 131,00 175,00

Napi munka

(mkg-ban)158400 230400 276480 322560

1123200

1166400

11328400 15120000

Természetesen a vízimalmok nagy beruházást igényeltek, ezért rendszerint a földesúr vagy a kolostor tulajdonában voltak. A földesurak sokszor kötelezõvé tették ezek használatát, megfelelõ díj ellenében, és hogy ezt ki ne játszhassák a kézi malmokat összetörették. A víz energiáját azonban nemcsak gabonaõrlésre használták, hanem különbözõ célokra: így a textiliparban, a bányászatban, bányavíz-kiemelésre is és késõbb a kohók légfúvóit is vízierõ hajtotta.

1568-ban a kincstári kezelés alá vont körmönci, úrvölgyi bányákban megépítettek egy 10258 öl hosszúságú vízvezetéket. Ez a több mint 20 kilométeres vezetékrendszer látta el vízi energiával télen-nyáron körmöci aknákat és zúzómûveket oly módon, hogy a segítségével vízikereket hajtottak. A vízkereket pedig közlõmûvek beiktatásával munkagépek meghajtására használták.

A XVIII. század végére három vízikeréktípus volt használatban, amelyek a víz nyomómagasságában térnek el:

alulcsapott vízikerékennél a típusnál a lapátok belemerülnek az áramló folyóba, így szinte minden áramló vízben lehet használni. A hátránya azonban, hogy használhatatlan ha a víz folyásiránya áradás miatt megváltozik.      

felülcsapott vízikerék

itt a zárt lappátokra felülrõl érkezik a víz, ezért maga a kerék sokkal masszívabb mivel el kell bírnia a víz súlyát. Az áradások nem befolyásolják a mûködését, mivel a víz egy csatornán keresztül érkezik a kerékre, amelyen egy zsilipkapuval szabályozható a víz mennyisége.    

középen csapott vízikerék

a víz itt is egy csatornán keresztül érkezik és kb. a keréktengelynél folyik a kerék lapátjaiba. Elõnye, hogy nem szükséges olyan nagy esésmagasság mint a felülcsapottnál, ahol a beáramló és kiáramló víz magasságkülönbségének legalább akkorának kell lennie, mint a kerék átmérõje.

A XVIII. század hetvenes éveiben az Altaj vidéki ezüstbányákban áttértek a mélyebb rétegek kitermelésére. Azonban ezeknél a korábban használt, kézi erõvel ill. lovas járgánnyal mûködtetett vízemelõ gépek nem

tudták biztosítani a víz elvezetését ill. az érc felhozatalát a felszínre. Ezt egy K. D. Frolov nevû orosz feltaláló sikeresen megoldotta. Az egyik helyi folyón egy 17,50 m magas duzzasztógátat épített, ahonnan a víz egy 443 m hosszú, speciális aknán valamint egy 96 m-es csatornán keresztül jutott el az elsõ, 4,3 m átmérõjû vízikerékre amely egy fafûrészt mûködtetett. Ezután a vizet két csatornán vezették tovább. Az egyik a preobrazsenszkiji bányához, a másik pedig egy 128 m hosszú föld alatti járaton át a jekatyerinszki bányaérc felvonójának vízikerekéhez folyt. Ez a kerék 45 m, 77 m és 102 m mélyrõl emelte fel az ércet. E keréktõl a víz egy 64 m hosszú járaton át a szivattyú-berendezéshez folyt. Az itteni kerék 17 m átmérõjû volt és egy rúd segítségével juttatták el a szivattyúhoz a hajtóerõt, amelyek 213 m mélybõl emelték ki a vizet. Miután a víz ezt a vízemelõ szerkezetet is meghajtotta, a víz egy másik vágatban a voznyeszenszki bánya vízikerekéhez folyt, amely mind az ércfelvonót, mind pedig a vízemelõ szerkezetet mûködtette a tárnában. Az ércet egy serleges felvonó 60 m mélyrõl emelte a felszínre. A XVIII. század harmincas éveiben született Hell József Károly kezei alatt a “vízoszlopgép”-nek nevezett vízikerék. Mûködési elve a következõ:

A csövön érkezõ víz nyomást gyakorol egy dugattyúra. Mivel a víz nyomása nagyobb volt a levegõ nyomásánál, ezért a dugattyú felfelé haladt, és eközben terhet emelt. Ahhoz, hogy a dugattyú ismét alsó helyzetbe térjen, a vizet egy csapon át vissza kellett vezetni az alsó csatornába. Tehát egy csap átkapcsolásával sikerült egyszer a dugattyú egyik, majd a másik oldalára nyomást gyakorolni, s ezáltal hasznos munkát végeztetni.Egy bizonyos Reichenbach Ilsak nevû helyen állította üzembe 1817-ben vízoszlopos gépét, amelyet 1927-ig szinte megállás nélkül üzemeltettek. Ez naponta 230 m3 vizet

emelt 356 méter magasra. Dugattyúja percenként 2 és fél mozgást végzett. Ezt a század elején feljavították, így percenként 6 lökettel napi 600 m3 vizet szivattyúzott ki a tárnákból.

 Azonban megjelentek a gõzgépek, és így a vízenergia felhasználása az 1800-as évek végére háttérbe szorult. Mint sok más találmánynál a vízikeréknél is kiszámíthatatlan volt a jövõbeli felhasználási lehetõség. Ezt bizonyítja,

hogy amikor Faraday felfedezte az elektromágneses indukciót újabb távlatok nyíltak a vízenergia hasznosítására, így a róla alkotott kép ismét megváltozott.

Elméleti háttere

A víz energiájának hasznosítása a kezdeti idõben azért volt korlátozott, mivel azt csak helyben tudták felhasználni. A fejlõdésnek óriási lendületet adott a villamos energia termelésének lehetõsége - amely az energia nagyobb távolságra való szállítását is biztosította - ill. amikor egy francia mérnök feltalált egy új és sokkal hatékonyabb vízikereket, amely az elsõ sikeres vízturbina

volt. A feltaláló Benoit Fourneyron volt. Fourneyron turbinája magában foglalt több, addig nem alkalmazott újítást is. Az egyik legfontosabb, hogy a vízbe merülõ turbina vezetõlapátokkal rendelkezett, amely a vizet pontosan a lapátokra irányította. Ez biztosította a víz egyenletes eloszlását ezáltal megnövelte a hatékonyságot (a víz energiájának 80 %-át alakítja hasznos mechanikai energiává). Az elsõ ilyen turbinát a Badeni Nagyhercegség egyik kisvárosában St. Blasien-ben használták. A fejlõdés azonban nem állt meg. Újabb turbina típusok jelentek meg. Ilyen volt a magyar Bánki Donát által kifejlesztett és róla elnevezett Bánki-turbina. További típusok a Francis-, Pelton-, Kaplan-tirbinák. Az eltérõ típusú turbinák kifejlesztésével megpróbálták a

különbözõ vízhozamú és esésmagasságú vizek energiáját a lehetõ legnagyobb hatásfokkal hasznosítani. De mit is nevezünk turbinának? Vízturbina minden olyan erõgép, amely a folyadék munkavégzõképességét járókerék forgatásával mechanikai munkává alakítja. Mielõtt az egyes turbina típusok paramétereit megvizsgálnánk nézzük meg egy nagyon egyszerû vízerõmû felépítését amely az ábrán látható. A víz a felvízbõl egy nyomócsövön keresztül lép be a turbinába annak nyomócsonkján keresztül. A turbina járókerekén, energiáját átadva mechanikai energiát közöl a járókerékkel, majd a szívócsövön keresztül az alvízbe ömlik.  

A vízhozam (víznyelés) (Q) a vízturbina nyomócsonkján idõegység alatt beáramló folyadéktérfogat. Mértékegysége: [m3/s].

Az esésmagasság (H) a vízturbinán átáramló, egységnyi súlyú folyadék munkaképességének (energiájának) csökkenése. Mértékegysége (m].

Az ún. geodetikus esés(Hg) a felvíz és az alvíz vízszintjének különbsége. Mértékegysége: [m]. Az esésmagasság mindig kisebb, mint a geodetikus esés. Az eltérés a felvíztõI a turbináig (alvízig) épített csõvezetékek

veszteségének és a turbinából kilépõ víz sebességi energiájának (amennyiben van) az összege. Képlettel:

H=Hg - hny

(Ahol hny a nyomóvezeték áramlási ellenállása.)A vízturbina fordulatszáma (n) a forgórész idõegységre esõ körülfordulásainak száma. Mértékegysége: [l/min].

A vízturbina bevezetett teljesítménye (N) a folyadék által a turbinának átadott teljesítmény:

A vízturbinai hasznos teljesítménye (Nh) a hajtott gépnek a tengelykapcsolónál átadott teljesítmény]. A vízturbina hatásfoka ( ):

Ebbõl a képletbõl, hasznos teljesítmény:    

Egy-egy konkrét esetben - ismerve a helyszín adottságait - a fenti jellemzõk alapján választható ki a megfelelõ vízturbina mind a típusát, mind a teljesítményét illetõen.

Mint elõzõekben említettük a különbözõ típusú turbinákat azért kísérletezték ki, hogy az eltérõ esésmagasság és vízhozam mellett is gazdaságosan üzemeltethetõ legyen egy vízerõmû. A turbinák járókerekén átáramló folyadék iránya szerint lehetnek:

radiális, axiális, félaxiális.

Attól függõen, hogy a járókeréken való átáramláskor a víz nyomása megváltozik, vagy sem lehet beszélni reakciós ill. akciós turbinákról. Reakciós turbina például a Francis-turbina és a Kaplan-turbina, akciós a Pelton- és a Bánki-turbina.    

Napjainkban az erõmûveknél leggyakrabban a Francis turbinát alkalmazzák (1849).  Itt a víz nyomócsonkon keresztül a támlapátokkal merevített csigaházban körbehalad a turbina  kerületén, majd a szabályozás céljából állítható vezetõ-lapátkoszorún keresztül áramlik a járókerékre. A járókerék hajtja a vele közös tengelyre szerelt villamos generátort. A víz a szívósövön  keresztül áramlik a szabadba. A víz a járókerékre  radiális  irányban  lép  be és  axiális irányba lép ki. A Francis-turbina a közepes esésû és közepes vízhozamú vízerõmûvek turbinája. Fordulatszáma 60-450 (1/min) lehet. A turbina járókerekének az alakja függ a fordulatszámtól (12.15. ábra).  Megkülönböztetünk lassú  járású (n = 60-125), normál járású (n = 125-225) és gyors járású (n = 225-450) járókereket.

A Bánki-turbinaegy kétszeres átömlésû szabadsugár turbina. Dob alakú  járókerekében két tárcsa között köríves (hengerfelületû) lapátok vannak. A vízsugár a szabályozó nyelvel ellátott vezetõcsatornából, vagy vízszintesen, vagy függõlegesen a járókerék külsõ palástján lép be a lapátok közé, majd a lapátokon túljutva belülrõl újból átömlik a lapátkoszorún. Elsõsorban törpe vízerõmûvekben alkalmazzák.  

A Pelton turbinát1880-ban szabadalmaztatta Lester Pelton. A turbinát a californiai gyorsfolyású hegyi folyókra tervezte, így a nagyesésû, kis vízhozamú vízerõmûvekben alkalmazzák. A nyomócsövön érkezõ víz a szabályozótûvel ellátott sugárcsõbõl nagynyomáson lép ki a járókerék kettõs kanalaiba. Fordulatszáma egy

sugárcsõvel 4-30 [1/min], több sugárcsõvel 30-70 [1/min] is lehet. A vízhozamot a szabályozótû ellõre vagy hátra mozgatásával ill. a sugárlevágóval lehet szabályozni. E kettõs szabályozással elkerülhetõk a hosszú nyomóvezetékben kialakult nyomáslengések.

Az ún. szárnylapátos vízturbinákra jellemzõ a nagy fordulatszám és az axiális átömlés. Elnevezésük onnan ered, hogy a járókerék lapátok a szárnyelmélet alapján méretezett profilokból vannak kialakítva. Három típusát különböztetjük meg:

A Kaplan-turbinának mind a járókerék, mind a vezetõkerék-lapátjai állíthatóak. Összehangolt   állításukkal elérhetõ, hogy a turbina nagy eséstartományokban jó hatásfokkal tudjon dolgozni. A víz a beton csigaházon a támlapátokon és a vezetõkerék állítható lapátjain keresztül - 90 -os irány elérést követõen - tengelyirányban érkezik a szintén állítható lapátú járókerékre, majd egy könyökszerû szívócsövön át jut az alvízbe.

A propeller-turbinánakcsak a vezetõkereke állítható, a járókerekei fixen vannak az agyba erõsítve. Jó hatásfokkal csak állandó esés és vízhozam esetén üzemeltethetõ.

A Thomann-turbinának csak a járókerék lapátjai állíthatóak. Hatásfokgörbéje laposabb, mint a propeller turbináé, de a Kaplan-turbináénál kedvezõtlenebb.

 A csõturbinát kis vízierõmûvekben  alkalmazzák.  A víz itt szinte  irányváloztatás  nélkül halad át a turbinán, ezért a hidraulikai hatásfoka jobb, mint a Kaplan turbináé. Elõnyei a Kaplan-turbinával szemben: azonos járókerékátmérõ mellett nagyobb vízhozam és fordulatszám. Azonos vízhozamnál kisebb fõméretek kisebb hidraolikus veszteségek. Hátrányai: nehézkes ellenõrzés, korlátozott egységteljesítmény.

Láthatjuk tehát, hogy a Pelton kereket nagy esésnél, a Bánki- és a Francis-turbinát közepes esésnél, alacsony esésnél pedig a Kaplan-, Propeller-, Thomman-turbinákat ill. a csõturbinát alkalmazzák. Azonban az esés nem az egyetlen tényezõ amely meghatározza, hogy mikor melyik típus a legmegfelelõbb. A különbözõ turbináknál fontos paraméter a specifikus sebesség (Ns), amely összefüggésben van a (P[kw]). Ami számunkra elsõdleges, hogy adott paraméterek mellett midig olyan turbinát alkalmazzunk, amely a leghatékonyabban dolgozik és így a legtöbb energiát termeli.

H: esés [m] ; n: percenkénti fordulat [1/min]; Ns : specifikus sebesség ; P: termelt energia    

Ez az egyenlet alkalmas arra, hogy mindig meghatározhassák a feltételeknek megfelelõ turbinát. A turbina fordulatszámát (n) alapvetõen meghatározza az áramhálózat, amelyhez a generátor kapcsolódik (Magyarországon a hálózati frekvencia 50 Hz). Az esést (H) maga a hely határozza, meg ahová az erõmû épül. Az Ns értéket a turbina paraméterei határozzák meg. Így:

- a beáramló víz, vagy a vízsugár sugarának és a turbina sugarának az aránya (r/R)

- a lapát és a víz sebesség aránya (VB/VW)

Ezek alapján minden turbinatípusnak - függetlenül a mérettõl - saját Ns értéke van. Ezen érték alapján a  táblázatból kikereshetõ a megfelelõ turbinatípus. Az energia követelmény pedig természetesen meghatározza a turbina méretét is.

Felhasználási lehetõségek

    A mûszaki kihasználtság lehetõsége tehát szoros kapcsolatban van a természetföldrajzi környezettel. A folyókon általában szakaszjellegeket szoktunk megkülönböztetni, ahol az esésnek megfelelõen a felsõ, középsõ vagy alsó szakasz jelleg dönti el a vízierõ nagyságát. Ahol nagy esésmagasságok vannak, azok a helyek kiválóan alkalmasak vízerõmû építésére: pl. Skandináv félszigeten, az Alpokban, a Pireneusokban, a Sziklás-hegységben. Az energia hatékonyságot lehet növelni a felszíni adottságoknak megfelelõen, ha például egy könnyen lezárható völgyben, vagy völgykatlanban, kanyonban völgyzárógátak segítségével megnöveljük a szintkülönbséget, és ugyanakkor egyenletessé tudjuk tenni a vízhozamot. A vízenergia nagysága

mindig szorosan összefügg a folyóvizek vízjárásával is. A vízierõmûvek építése szempontjából a kétperiódusú esõs övezet a legkedvezõbb, ahol egyenletes a folyók vízjárása, pl. a Kongóé, az Amazonasnak a vízjárása rendkívül egyenletes. Az egyperiódusú esõzónában és a trópusi monszunéghajlat alatt már igen nagy eltérésekkel találkozunk, félévenként a vízhozam szakaszosságával kell számolni, pl. a Nílus, az Orinoco, a Gangesz is ebbe a kategóriába tartozik. A mérsékelt övben, az óceáni klímában a legegyenletesebb a csapadék és ebbõl a szempontból az itt építendõ erõmûvek igen kedvezõ helyzetben vannak, így Skóciában, Új-Zélandon. A vízhozamban a legnagyobb egyenetlenség a kontinentális és mediterrán klímájú területek folyóin mutatkozik. Például a Tiszánál, Szolnoknál a legkisebb és a legnagyobb vízszint aránya, több mint százszoros különbséget mutat. Nyilvánvaló, hogy az erõmû kapacitásának meghatározásánál mindig a legnagyobb vízhozamra kellene építeni, de ha az év bizonyos részében csak csökkentett kapacitással tudjuk üzemeltetni – mivel a vízhozam nem elegendõ - így ez rendkívül gazdaságtalanná teszi az erõmûvet. Ilyen esetben az a vízmennyiség számítható, ami az év nagy részében egyenletes hozamot biztosít.

Korszerû erõmûveknél figyelembe kell venni az eljegesedést, a téli fagyást, a jégzajlást és még sok egyéb tényezõt is. Alacsony hõmérsékletnél a folyók nem kapnak elegendõ vizet még akkor sem, ha a tél egyébként csapadékos. A hosszú tél nagy problémát jelent a szibériai és a kanadai vízierõmûvek kihasználásában. De Európában is elõfordul, hogy komoly ellátási zavarok léptek fel, pl. 1962-63 telén éppen a hideg miatt. A völgyzáró gátak igen jelentõs kultúrmérnöki teljesítmények, de nagy veszélyeket is hordanak magukban, ha a geológiai viszonyok, adottságok nem megfelelõen voltak vizsgálva, nem elég körültekintõ volt a tervezés, elõkészítés. Pl. 1963-ban Észak-Olaszországban Vaiont-gát esete. A gát mögött felgyülemlett víz a hatalmas esõzések hatására földcsuszamlást eredményezett és 240 millió m3 földtömeget zúdított le a víztározóba az óriási földtömeg nyomására a víz átbukott a gáton és a települések egész sorát öntötte, pusztította el, háromezer ember halálát okozva. Eddig a világ ötödik legmagasabb gátjával, tehát ezzel a gáttal -ami 266 m magas- történt a legsúlyosabb gátszerencsétlenség. A vizsgálatok azt igazolták, hogy a geológiai adottságokat nem vették kellõképpen figyelembe.

Az alacsony esésû erõmûveket többnyire beépítik a folyómederbe, pl. ilyen a tiszalöki erõmû. A középesésû erõmûveknél szintén gyakori ez a megoldás, de az energia jobb kihasználása érdekében a folyóvizet nem egyszer elzárják  gáttal és az erõmûvek külön épített mederbe, terelik.  Az ilyen erõmûveket üzemi víz csatornás erõmûveknek nevezik.  A nagyesésû

erõmûvek építésénél különleges megoldásokat alkalmaznak, a víz esését többnyire duzzasztógátakkal növelik, amellyel a hasznosítható energia is növekszik. Ilyenek épültek az USA-ban a Colorado-folyónáltöbb is(pl. a Hoover gát).  Nagyon gyakran a vizet nyomóalagúton vagy nyomócsõrendszeren juttatják el a turbinákhoz. Ilyenekkel találkozunk Norvégiában is, de pl. Bulgáriában a Battak erõmû is ilyen rendszerû. De itt a szomszédban, Kárpátalján meg is lehet tekinteni szintén ilyen típusú erõmûvet építettek, amelyet annak idején még a II. világháború elõtt magyar tervezõmérnökök is papírra vetettek, de megvalósítani már csak a szovjet idõszakban tudták. Ezekkel a módszerekkel pl. a hegy másik oldalán egy völgybe kivezetve a vizet egy csõrendszerrel, igen nagy esést lehet  elérni, csak rendkívül megnöveli az építési, beruházási költségeket. forrás:http://www.hooverdam.com

A legnagyobb vízenergia felhasználók a világon Svájc, Olaszország, Norvégia, Svédország és Finnország. Majd az utóbbi évtizedekben Oroszország, Németország, USA és Dél-Amerikában, Brazíliában, valamint Afrikában is létesítettek hatalmas erõmûveket. A világ legnagyobb vízienergia-készletével Afrika rendelkezik. Itt is elsõsorban a Kongó áll elsõ helyen. Ezek a felmérések, amelyek a vízi energia hasznosítására vonatkoztak nem mindig voltak reálisak. Tudniillik számításba kell venni a beruházási költségeket, amelyek rendkívül nagyok a vízierõmûveknél, az amortizáció hosszát, távlatait, az áramtermelésnek a költségeit, a szállítást és még sok egyéb tényezõt.

Az erõmûvek környezeti hatása külön vizsgálatot érdemel. A vízierõmûvek gyakran egy-egy állam életében igen nagy szerepet játszanak az energiatermelésben, de ugyanakkor az ökológiai hatásuk rendkívül negatív, különösen hosszú távon számolva. Ha csak a brazíliai Parána folyót vesszük - Argentína és Paragvay területén - itt egy egész tórendszert, tavak láncolatát alakította ki a

kiépült vízerõmû, és így rendkívül mélyrehatóan befolyásolta a környezetet és élõvilágot. Ha például nem megfelelõ az erõmû kiépítése, egyes halak nem tudnak eljutni a felsõ szakaszokra, hogy ott ikráikat lerakják, így veszélybe kerülhet a faj fennmaradása. A lebegõ vízinövények a lelassult folyókon és a víztárolóban rendkívül elszaporodhatnak, ezzel akadályozzák a víz áramlását. Megállapítható, hogy a térségben kialakított vízrendszer, ami fõleg a hajózást szolgálja (pl. ilyen a hidrovia terv, amely Paragvay vízrendszerét kötné össze) egy teljes mocsárvilágot fog majd kialakítani, vagy már részben kialakított.

Ilyen és ehhez hasonló ökológiai hatást tapasztalunk  Kelet-Afrikában,  Nyugat-Afrikában és számos helyen, ahol ezek a gátak leblokkolják az üledéket és a tápanyagok áramlását. A

folyótorkolatok, delták, amelyeken eddig mindig mangrove-erdõk díszlettek, folyamatosan gyorsított erózióval pusztulnak el. Az üledék ellátottság csökkenése, ami helyenként viszont a tápanyag ellátást biztosította a part menti övezetekben élõ földmûvelési kultúrák fennmaradását veszélyezteti, ill. a tengeri élõvilágot is, hiszen a beáramló üledék sok állat számára jelent táplálékot, valamint a rák és kagylófélék - a meghatározott növekedési ciklusban - ivására igen távol a parttól kerülhet sor.

A világ 10 legmagasabb gátja

Sorrend

A gát neve

OrszágMagasság [m]

Befejezés éve

1 Rogun USSR 335 1989

2 Nurek USSR 300 1980

3Grand

DixenceSwitzerla

nd285 1961

4 Inguri USSR 272 1980

5 BorucaCosta Rica

267 1990

6 Vaiont Italy 262 1961

7 Tehri India 261 1990

8Chicoas

enMexico 261 1980

9 Kishau India 253 1995

10 GuavioColumbi

a246 1989

forrás : http://is1.eng.ku.ac.th/~irre/E10TALL.HTM  

A világ 10 legnagyobb teljesítményû erõmûve

Sorrend

A gát

neve

Ország

Üzembehelyezés

éve

Kapacitás (KW)

Kapacitás (KW)

       

1989-ben

Maximum

1

Turukhansk

USSR

1994

-

20.000.000

2Itaipu

Brazil/Paraguay

1983

7.400.0

12.600.

00

000

3

Grand Coulee

USA

1942

7.460.000

10.830.000

4

Grui

(Raul

Leoni)

Venezuela

1968

10.300.000

10.300.000

5

Tucurui (Raul

G. Lhano

Brazil

1984

7.460.000

7.960.000

)

6

Sayano-

Shushensk

USSR

1980

6.400.000

6.400.000

7

Corpus

Posadas

Argentina/Paraguay

1990

-

6.000.000

8

Krasnoyarsk

USSR

1968

6.000.0001

6.000.000

9

La Grand

Canada

1979

5.328.0

5.328.0

200

00

10

Churchill

Falls

Canada

1971

5.225.000

5.225.000

forrás: http://is1.eng.ku.ac.th/~irre/E10HYDRO.HTM      forrás: http://www.abb.se/pow/11342.htm

Erõmûfejlesztési tervek a nagyvilágban

Az elkövetkezõ években várhatóan Dél-Kelet-Ázsia fejlõdõ országaiban, Indiában és Kínában fognak leggyorsabban növekedni az új villamosenergia-termelõ kapacitások. Az elektromos energia iránti igény növekedése Ázsiában 2000-ig évente 6%-ra tehetõ. Ezt követõen pedig 2020-ig 4-5% növekedés várható. Ehhez a növekedéshez az ázsiai országokban 1350 GW új

kapacitást kell üzembe helyezni. A fejlett európai országokban korlátozott az új villamosenergia-termelõ kapacitások iránti igény. Ebben a régióban az a trend érvényesül, hogy a régi, kevéssé hatékony erõmûvi egységeket korszerû kombinált ciklusú gázturbinás egységekre cserélik ki. Jelentõsebb új erõmûépítés a kelet-európai országokban, Törökországban és az Európai Közösség déli országaiban várható. A volt szocialista országokban nem a kapacitások szûkös volta jelentett korábban problémát, hanem a mûködés alacsony hatásfoka. Ezért itt a korszerûsítés, a hatásfok növelése és a környezetszennyezés csökkentése volt a fõ cél az elmúlt években. Az elkövetkezõ húsz évben a közép- és dél-amerikai országokban évente 2,6%-oselektromos -energiaigény növekedés várható. Tekintve, hogy Dél-Amerikai igen jelentõs vízenergia-potenciállal rendelkezik, ez a régió lesz a vízierõmûvi berendezések legnagyobb piaca. 2010-ig várhatóan 121 GW új erõmûvi kapacitást helyeznek üzembe, amelybõl 58 GW vízenergiára, 37 GW földgázra, 15 GW pedig szénbázisra épül. A maradékot megújuló energiahordozókra tervezik. Bár a Dél-Afrikai Köztársság a kontinens területének mindössze 4%-át teszi ki, lakosainak száma pedig éppen, hogy eléri Afrika összes lakosainak 6%-át, itt termelik az egész kontinens összes villamosenergia-felhasználásának 50%-át. Az afrikai kontinens elektromosenergia-termelése 2010-re várhatóan megduplázódik. A Dél-Afrikai Köztársaságban termelt villamos energia döntõ részét jelenleg hazai szénbõl állítják elõ. Mivel az ország igen jelentõs szénkészletekkel rendelkezik, a belátható jövõn belül ez a helyzet nem fog változni. Tekintettel arra, hogy a Dél-Afrikai Köztársaság 6000 MW fölös kapacitással rendelkezik, a következõ néhány éven belül nem várható új, az alapterhelés kielégítésére szolgáló kapacitások beléptetése. Figyelemmel azonban az elektromos energiaigények növekedésére, várható a csúcsigények növekedése is, ami szükségessé teszi új kapacitások kiépítését. Az Egyesült Államokban a lakossági villamosenergia-felhasználás az elõrejelzések szerint 2015-ig 15%-kal fog növekedni. Ugyanebben az idõszakban az ipar igénye 20,3%-kal növekszik majd. 1994-tõl 2001-ig 252 GW új kapacitást helyeznek üzembe, amelynek 80%-át gázturbinás vagy kombinált ciklusú erõmû egységek teszik ki. A szénerõmûvi részesedése 11%, a maradék 9%-ot pedig megújuló energiaforrásokra, nagyobb részben vízenergiára tervezik. A nyári csúcsigény itt az elõrejelzések szerint évente 2,5%-kal fog növekedni.

http://www.pert.hu/taj_pub/1997_5/erfejl_hnf.htmNem beszéltünk még a vízerõmûvek azon fajtájáról amelyeket szivatyús-tározós erõmûvek névvel illetnek. Ezek valójában egy völgykatlanban, ill. elhagyott bányaüregekben kialakított mesterséges tavak, ahová vizet szivattyúznak fel azokban az idõszakokban, amikor az erõmûvek olcsón termelnek.  A villamos energia nagyipari méretekben ugyanis nem tárolható. A csúcsterhelések idõszakában elõnyös - a gyorsan indítható tározós vízerõmûvi egységek - használata. Az energia a víz helyzeti energiájában tárolódik. A veszteség 20-25%-os. A tározós vízerõmû turbógenerátorai két irányban mûködnek. Éjszaka munkagépként a hálózatból felvett villamos energia

felhasználásával vizet szivattyúznak a magaslaton elhelyezett víztározóba. Nappal a csúcsterhelés idõszakában a tározóból lefolyó víz hajtja meg a hidrogenerátort és termel áramot. Így páldául Luxemburgban a Viaden mellett megépített szívattyús energiatárolót éjjel feltöltik Németországból vett olcsó villamosenergia segítségével, majd nappal vagy csúcsidõben - természetesen nappali tarifával, azaz drágábban - újra eladják a tároló leürítésével nyerhetõ villamos energiát.(Magyarországon a Dömsöd és Dobogó között tervezett tározós erõmûvet nem építették meg.) A világon kb. 200 ilyen erõmû mûködik. Például:Cruachan tározós erõmû Skóciában.

A vilád 10 legnagyobb szivattyús-tározós erõmûve

Sorrernd

Az erõmû neve

Ország

Tátoló kapaci

tás (millió

m3)

Üzembehelyezés éve

1Owen Falls

Uganda204.80

01954

2 KaribaZimbabwe/

Zambia180.60

01959

3 Bratsk USSR169.27

01964

4Aswan,

HighEgyiptom

168.900

1970

5Akosom

boGhana

148.000

1965

6Daniel

JohnsonCanada

141.852

1968

7Guri (Raul Leoni)

Venezuela138.00

01986

8Krasnoy

arskUSSR 73.300 1967

9 Bennett Canada 70.309 1967

W.A.C

10 Zeya USSR 68.400 1978

forrás :http://is1.eng.ku.ac.th/~irre/E10LARGE.HTM

forrás: http://www.geocities.com/TheTropics/1951/kariba.htm

                                                                          forrás: http://www.tourintel.ru/cities/BRATSK.HTM

Magyarországi energiahasznosítás és egyéb lehetõségek

A vízrendszer jellegébõl adódóan Magyarországon hihetetlenül alacsony a folyók esése - nagy alföldi térségbe futnak ki a hegyvidéki területekrõl - és világ legalacsonyabb esésû folyói kategóriájába sorolhatóak. A Tiszának például 1 km-en csak 2-3 cm az esése. Ilyen viszonyok mellett - gazdaságossági szempontból - az energetikai kihasználásra nem sok remény van, ezért pl. a tervezett erõmûveket, amelyeket még évtizedekkel ezelõtt tulajdonképpen az I. világháború után már megterveztek, nem nagyon tudták kivitelezni. Megépült ugyan a tiszalöki erõmû, ami már háború elõtti tervezés, majd késõbb a kiskörei erõmû, de pl. Csongrádnál már elkezdték a duzzasztógát építését, de erõmûvet már nem terveztek be. Azért is merült fel a csongrádi duzzasztónak a megépítése, hogy így egy hosszú szakaszon a hajózást lehetne biztosítani a megemelt szinttel. Mivel a

jugoszláviai részen a jugoszláv állam már Nagykikindánál megépítettek egy duzzasztót, így tulajdonképpen a kiskörei erõmû és a jugoszláviai határszakasz között vált szükségessé, hogy még egy magyar duzzasztómû épüljön, de erre mint említettem, energetikai felhasználás tekintetében még terv sem készült el.

Említettük a Tisza energetikai lehetõségeit, amelyek elég korlátozottak, de nem beszéltünk még a Dunáról és esetleg más folyókról. A Bõs-Nagymarosi probléma megítélésénél már tulajdonképpen kész helyzet elé vagyunk állítva, és jelenleg olyan utat kellene követni, ami nem jelentsen az ország számára sok százmilliárd forint kiadást, de ha lehetõség van rá, ne hagyjuk veszni a már beruházott összegeket. Ezen kívül pedig a lehetõ legkisebbre tudjuk csökkenteni a szigetközi degradációs jelenségeket és a tározóból megfelelõ vízmennyiséget tudnánk biztosítani.

Magyarország mûszakilag hasznosítható vízerõ-potenciálja kb. 1000 MW, amely természetesen több mint az optimálisan hasznosítható energia. A megoszlás a következõ:

Duna 72%

Tisza 10%

Dráva 9%

Rába, Hernád 5%

Egyéb 4%

A teljes hasznosítás esetén kinyerhetõ energia 7,0-7,5 TWh/év, azaz 7000-7500 millió kWh évente. A valóságban viszont: a Dunán nincs villamos energia termelésre szolgáló létesítmény a Tiszán a Tiszalöki Vízerõmû és a Kiskörei Vízerõmû található 11,5 MW és 28 MW teljesítménnyel a Dráván jelenleg nincs erõmû a Rábán és a Hernádon, ill. mellékfolyóikon üzemel a hazai törpe vízmûvek többsége egyéb vizeken nincs mûködõ energiatermelõ rendszer

Környezetvédelmi szempontból, ahol viszonylag nagyobb esése van a folyóknak, könnyebb olyan tájba illõ erõmûrendszert beépíteni, ami nem okoz ökológiai károkat. Erre számos példát találunk, fõleg Ausztriában, ha csak a Dunánál maradunk, de a többi folyón pedig, amelyek nagy esésûek, ezeket az ökológiai károkat lényegesen könnyebben ki tudják küszöbölni. Nagy divatja van jelenleg a kisteljesítményû erõmûveknek. Ezt nagy esésû patakoknál vagy kisebb folyóknál nagyobb környezeti beavatkozás nélkül lehet kialakítani. Ezek a turbinaházak néhány méteresek, de a legújabb megoldások olyan jellegûek, hogy szinte észrevétlenül, magában

az áramló vízbe helyezett igen érzékeny turbina fejleszti az áramot és lát el esetleg kisebb településcsoportot, kisebb elektromos szolgáltatást igénylõ  üzemet. Ezeknek megítélésem szerint nagy jövõje van és környezetvédelmi szempontból is tökéletes konstrukciók. Ezek fõleg jelenleg Angliában és ugyanakkor még Németországban épültek, illetve készülnek az üzemekben futószalagon ilyen kis turbinás erõmûvek.

A hazai kis-és törpe vízerõmûvek nagy része a kedvezõbb adottságokkal rendelkezõ Nyugat-Dunántúlon, a Rába baloldali vízgyûjtõ területének kisvízfolyásain található. Az itt található négy vízerõmû együttes teljesítménye 2085 kW, évi átlagos energiatermelésük 10 millió kWh. A négy erõmú közül a legnagyobb és egyben a legrégebbi az Ikervári Vízerõmû, amelyet 1896-ban alakítottak át egy régi malomból. Az erõmûben 5 db vízszintes tengelyû iker Francis-turbina üzemel, összesen 1,4 MW beépített teljesítménnyel, amelyek átlagosan évi 7,6 millió kWh energiát termelnek. Az ún. kiépítési vízhozam 28 m3/s, az esésmagasság 8,4 méter. A Kõrmendi Vízerõmûvet ugyancsak egy régi vízimalomból alakították át 1930-ban. Az erömûben 2 db Francis-turbina üzemel, összesen 0,24 MW, azaz 240 kW teljesítménnyel, amelyek éves szinten 1,3 millió kWh energiát tudnak termelni. A kiépítési vízhozam 8,6 m3 /s, az esésmagasság 4,1 méter. Érdekessége az erõmûnek, hogy a duzzasztást egy - manapság már ritkaságszámba menõ - rõzsegát biztosítja.     A Csõrõlneki Vízerõmûben 3 db Francis-turbina üzemel ugyancsak 240 kW beépített teljesítménnyel már 1909 óta. Az évenként termelt villamosenergia 1,2 millió kWh, amelyet 13 m3/s kiépítési vízhozam és 3,5 méteres esésmagasság mellett produkál az erõmû. A duzzasztást itt is rõzsegát biztosítja. Az Alsószólnöki Vízerõmûben 4 db Francis-turbína 200 kW beépített teljesítményû 12 m3/s vízhozammal és 3 méteres esésmagassággal.     Észak-Magyarország területén a Hernádból kiágazó Bársonyos csatornán öt törpe vízerõmû üzemel. Mindegyik a század elején létesült, helyi energiaforrásként, egy-egy 40 kW-os Francis-turbinával. Összteljesítményük 200 kW, éves átlagos

energiatermelésük 0,5 millió kWh lenne, de kettõ már üzemképtelen közülük. Rajtuk kívül három közepes teljesítményû vízerõmü hasznosítja még a Hemád vízerökészletét.     A Kesznyéteni Vízerõmû 1943 óta üzemel. Két, egyenként 2,2 MW teljesítményû Kaplan-turbinával az évi átlagos energiatermelés 23,5 millió kWh. A kiépítési vízhozam 40 m3/s, az esésmagasság 13,5 méter.     A Felsõdobszai vízerõmûben 2 db Francis- és két db Kaplan-túrbina üzemel. Együttes teljesítményük 0,52 MW, éves termelésük 3 millió kWh. A kiépítési vízhozam 20,8 m3/s, az esésmagasság 3,5 méter. Az erómû 1906-ban létesült.     A Gibárti Vízerõmû 1903-ban létesült két db Francis-turbinával. Összteljesítménye 0,5 MW, éves termelése 3 millió kWh. A kiépítési vízhozam 18 m3/s, az esésmagasság 4,4 méter. Mindkét területen az erõmûvek rekonstrukciójával növelni lehetne a teljesítményt.

Felhasznált irodalom

 Energia felhasználói kézikönyv       Szerkesztõ: Dr. Barótfi István

 Horváth Árpád: Korok, Gépek, Feltalálók       Gondolat 1964.

 Dr. Rosta István:  Fejezetek magyarország technikatörténetéból     Nemzeti Tankönyvkiadó 1995.

 A. A. Zvorikin - N. I. Oszmova - V. I. Csenisev - Zs. V. Suhargyin: A technika története    Kossuth         1964.

 Rosemary Burton-Richard Cavendish: A világ száz csodája

 Környezetvédelmi Lexikon

AMPIR Natural Energy: Equipment Catalogue  

Vissza    

   

BIOMASSZA ENERGIA

Monoki Ákos

Fogalma

Története

Elméleti háttere

Fizikája

Felhasználási lehetõségei       * Felhasználási lehetõsége Magyarországon            - A szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása            - A folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása            - A biogáz hasznosítása

Felhasznált irodalom

Fogalma

  Biomassza: biológiai eredetû szervesanyag-tömeg, egy biocönózisban vagy biomban, a szárazföldön és vízben található élõ és nemrég elhalt szervezetek (növények, állatok, mikroorganizmusok) testtömege;  biotechnológiai iparok termékei; és a különbözõ transzformálók (ember, állatok, feldolgozó iparok stb.) összes biológiai eredetû terméke, hulladéka, mellékterméke. Az ember testtömegét nem szokás a biomassza fogalmába vonni. A biomassza elsõdleges forrása a növények asszimilációs tevékenysége. Keletkezésének folyamata a produkcióbiológia fõ témája. Ennek felmérését szolgálta a Nemzetközi Biológiai Program (IBP) világméretû akciósorozata, amelyben hazánk is részt vett. A növényi biomassza a fitomassza, az állati biomassza a zoomassza. A termelési-felhasználási láncban elfoglalt helyük alapján a biomassza lehet elsõdleges, másodlagos és harmadlagos. Az elsõdleges biomassza a természetes vegetáció, szántóföldi növények, erdõ, rét, legelõ, kertészeti növények, vízben élõ növények. A másodlagos biomassza az állatvilág, gazdasági haszonállatok összessége, továbbá az állattenyésztés fõtermékei, melléktermékei, hulladékai. A harmadlagos biomassza a biológiai eredetû anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai, emberi települések szerves eredetû szerves hulladékai. A biomassza hasznosításának fõ iránya az élelmiszertermelés, a takarmányozás, az energetikai hasznosítás és az agráripari termékek alapanyaggyártása. Az energetikai hasznosítás közül jelentõs hasznosítási mód az eltüzelés, brikettálás, pirolizálás, gázosítás, és biogáz-elõállítás. Az aerob biológiai szennyvíztisztításnál a mikroorganizmusok rohamos elszaporodása megy végbe a rendelkezésre álló tápanyag, a víz oxigén tartalma és a hõmérséklet függvényében. A biomasszát az elpusztult mikroszervezetek testtömege képezi, amit ülepítéssel vagy flotálással lehet eltávolítani (eleven-iszap). A biomassza-képzõdés oxigénmentes közegben anaerob mikroorganizmusok (anaerob szervezetek) révén is végbe mehet, de lényegesen kisebb sebességgel. A biomassza képzõdés másik formája a fõleg élõvizekeben, (hûtõvizekben) lejátszódó algavirágzás. Hazánkban 1981-83 között Láng István, akadémikus vezetésével nagyszabású felmérés történt a biomassza helyzetének és lehetõségeinek feltárására. Az eredményeket 1985-ben publikálták, "A biomassza komplex hasznosításának lehetõségei" címmel. Hazánkban évente kb. 53 millió tonna szerves anyagot termelnek a vadon élõ és gazdasági növények (szárazanyagban), amelynek több mint fele melléktermék, illetve hulladék. Ezek hasznosítására igen sok lehetõség kínálkozik: talajjavítás, trágyázás, energianyerés, takarmányozás, biotechnológiai hasznosítás, kémiai átalakítás (ipari nyersanyagként) stb. ezek jobb kiaknázása a következõ idõszak kulcsfontosságú feladatai közé tartozik. (Környezetvédelmi Lexikon)

Története

  Napjainkig a tüzelõanyagok történelme lényegében a biotüzelõanyagok történelme volt. Eltekintve a forrásoktól, a tengerpartokon illetve a felszínre bukkanó szénrétegeknél talált széntõl, a 17. századig a biomassza volt az egyetlen hõforrás a Napon kívül. Ebben az idõben a világításban az állati és növényi olajok, valamint a faggyú gyerták égetése játszott nagy szerepet.   A legkorábbi bioenergia az igavonó állatok erejébõl származott és még ma is hasznosított energiaforrás, a legnagyobb arányban a fejlõdõ országokban, ahol leginkább a kis farmokon ez a legelérhetõbb energiaforrás, 80-90%-ban Afrikában és Ázsiában ez a legjellemzõbb. Ha feltételezzük, hogy minden egyes állat napi 8 órát dolgozik, 100 napot egy évben, akkor a teljes energia termelés, 90 TWH vagy 320 PJ/év, csak egy kis töredéke a növények által közvetlenül termelt energiának.   Az ipari forradalom elején a fát felváltotta a szén. Az ipari fejlõdést általában három egymással ellentétes dologgal magyarázzák:

- A növekvõ jólét a kívánt technikai innovációnak kedvezõ alapfeltételeket biztosított. Ez vezetett a gépek növekvõ használatához, amelyhez a szén sokkal jobb üzemanyag volt, mint a fa.

- A tudományos találékonyság széleskörû technológiai változást eredményezett, a fát felcserélõ szénbõl származó energia hasznosításával. A növekvõ jólét csak egy következménye volt az iparosodásnak.

- A népességnövekedés, a szegénység és a fa növekvõ ára késztette a szén elõtérbe kerülését, amely sokkal kisebb készletben állt rendelkezésre. A külszíni szén készletek hamar kimerültek és szükségessé vált a mélybányászata, illetve a víz mélybõl történõ kiszivattyúzása.

Nepál és Etiópia összenergia szükségletét csaknem teljesen biomasszából elégítik ki Kenyában 75% Indiában 50% Brazíliában 25%-ot állítanak elõ biomasszából.

  A fejlõdõ országok közel 4 milliárdos népességével több, mint 3 Gt (lég-szárított) biomasszát hasznosítanak évente. Az iparosodott nemzetek esetében is a bioüzemanyagok hasznosítása nem elhanyagolható, a fejenkénti átlag 1/3 tonna/év, ami 3%-os elsõdleges energia fogyasztást jelent.

  A megújuló energiaforrások alkalmazásával foglalkozó kutatások az 1970-es évek végén a második energiaár-robbanást követõen kezdõdtek el. A kifejlesztett, korszerû nagyüzemi biomassza tüzelési rendszerek az egyes országok agrártermelési, helyi ipari, illetve kommunális szféráiban széles körben elterjedtek. A bonyolultabb és költségesebb technológiák kifejlesztése azonban megtorpant, mivel az energiaárak alacsony szinten stabilizálódtak a nemzetközi piacon. Az elmúlt évtizedekben azonban újra fokozottan elõtérbe kerültek a megújuló energiaforrásokat hasznosító technológiák fejlesztése, a világszerte egyre nagyobb gondot okozó környezetvédelmi problémák miatt. A fejlesztések elõtérbe-kerülésének másik oka a Nyugat-Európában termelésbõl kivont termõterületek hasznosításának és a falusi lakosság helyben tartásának célja volt. Jelenleg az európai agrár ágazatok hozzávetõleg 1,7 millió tOE megújuló energiát használnak fel, melynek legnagyobb részét a tûzifa és az erdészeti, valamint faipari melléktermékek teszik ki 1,2 millió tOE mennyiséggel, ezen kívül a szalma 0,3 millió tOE közvetlen tüzeléssel történõ hasznosítása.

  Egyes források szerint az EU területének egy tizedét lehetne energetikai rendeltetésû biomassza termelésre hasznosítani. Ez körülbelül évi 80 millió tOE-nak felel meg, amely a régió jelenlegi villamos energia szükségletének 20 %-át fedezné. Európában a fa energetikai célú felhasználása évi átlagban 2,3 %-os növekedést mutat.   Ausztria alternatív energia hasznosítása igen jelentõs. Stájer tartományban a biomassza energetikai hasznosítása a primer energiafelhasználáson belül 1980-ban még csak 7% volt, míg a fosszilis energiahordozóké 79%. Ekkor még egyetlen biomassza hasznosítású fûtõmû sem volt, 1985-ben pedig már 74 mûködött. Az összes alternatív energia felhasználás 1992-ig 23%-os részarányt ért el, és ezen belül a biomassza 15%-ot tett ki.

Elméleti háttere

  Bioenergia: az élõ szervezetekben és elhalásuk után a belõlük származó szerves anyagokban lévõ kémiai energia, amely a zöld növények által, a fotoszintézis útján megkötött napenergiából származik. A bioenergia a Föld legfontosabb megújuló energiaforrása. Fontos eszköze az üvegházhatás csökkentésének, mert CO2  semleges. A fosszilis energiaforrások szintén bioenergia eredetûek, de nem megújulóak. Közelgõ kimerülésük sürgeti a bioenergia racionálisabb és széles körû felhasználását:

biogáz fejlesztés, termikus konverzió, cellulózbontás biokonverzióval, gázosítás és egyéb módszerek segítségével. (Környezetvédelmi Lexikon)

A Földön föllelhetõ élõ anyag teljes tömege a nedvességtartalommal együtt 2000 milliárd tonna. Néhány a biomassza mennyiségével kapcsolatos adat az Open University alapján:

A szárazföldi növények össz-tömege: 1800 milliárd tonna.

Az erdõk teljes tömege: 1600 milliárd tonna.

A világ népessége (1993): 5,5 milliárd fõ.

Az egy fõre jutó szárazföldi biomassza: 400 tonna.

A szárazföldi biomasszában raktározott energiamennyiség: 25 000 exajoule, 3000 EJ/év (95TW).

A nettó évi szárazföldi biomassza produkció: 400 000 Mt/év.

1 Exajoule (EJ) = 1 millió megajoule.

1 Terawatt (TW) = 1 millió megawatt.

Az összes energiafogyasztás (minden fajtáját beleértve): 400 EJ/év (12TW).

Biomasszából származó energiafogyasztás: 55 EJ/év (1,7 TW).

Táplálékból származó energiafogyasztás: 10 EJ/év (0,3TW).

 A teljes napsugárzásnak csak kis része éri el a Föld felszínét és ennek csak a töredékét hasznosítják a növények a fotoszintézis révén.

A fotoszintézis azon folyamatok összessége, amelynek során a növényi szervezetek és egyes baktériumok a fényenergiát kémiai energiává alakítják, melynek segítségével szerves anyagot termelnek.

Jelentõsége:                   - A fotoszintézis során átalakított fényenergia adja az energiát az egész élõvilág energia                     igényes folyamataihoz.

                  - A Föld mai légkörének az összetétele a fotoszintetikus folyamatok eredménye (teljes                     oxigéntartalma fotoszintetikus eredetû, a fotoszintetikus úton asszimilált szén mennyisége                     egyes becslések szerint eléri a 44 milliárd tonnát!)

Lényege:    A zöld növények azon képessége, hogy a zöld színtestek és napfény segítségével vízbõl, ásványi anyagokból, szén-dioxidból képesek felépíteni saját szerves anyagaikat. Olyan redox folyamat, melynek során egy elektrondonorról úgy jut át egy elektron az akceptorra, hogy ahhoz a redoxpotenciál különbségek miatt szükséges energiát a fény szolgáltatja.

A fotoszintézis általános egyenlete:

                                                           H2D+A=>H2A+D

ahol a H2D  a hidrogén/elektrondonor, az A a hidrogén/elektronakceptor.

 A baktériumok kivételével a fotoszintetizáló szervezetek a CO2 redukálásához általában a vizet használják. A folyamat során O2 szabadul fel a víz oxidációja miatt.

A fotoszintézis konkrét egyenlete:

                                                           2nH2O+nCO2=>(CH2O)+nH2O+nO2

A folyamatban az elektrondonor a H2O , míg az elektronakceptor a CO2 . A folyamat során O2 szabadul fel. Egy mol CO2 redukciójakor 112 Kcal szabad energiaváltozás lép fel, amely kémiai energia formájában kötõdik meg.   A növényekben raktározott energia számos kémiai fizikai átalakulási folyamat során hasznosítódik a növényekben, a talajban, a környezõ atmoszférában, az élõlényekben, míg végülis kisugárzódik a Földrõl, alacsony hõmérsékletû hõ formájában, kivéve persze azt a részét, amely az idõk folyamán tõzeggé, vagy fosszilis energiahordozóvá alakul. E körfolyamat jelentõsége számunkra abban rejlik, hogy ha beavatkozunk és kizsákmányoljuk a biomassza egy részét, abban az állapotban, amelyben kémiai energiaraktárként létezik, egy energiaforrást nyerünk. A biotüzelõanyagok közé az energiaforrások széles skálája tartozik ide a fa egyszerû elégetésétõl a városi hulladékégetõ multi-megawattos erõmûig. A biotüzelõanyagok halmazállapota lehet: szilárd, folyékony vagy gáz halmazállapotú, eredetét tekinve pedig szerves anyagokból, ipari, mezõgazdasági, kommunális és háztartási hulladékokból származó.

Fizikája

  A biomassza energia hasznosításának az alapja az égés, amely hõenergia felszabadulással járó folyamat. Az alábbi reakció egyenlet tartalmazza az égés folyamatának legfontosabb lépéseit, a metán példáján keresztül. Minden egyes metán molekula egy szén és négy hidrogén atomot tartalmaz, képlete: CH4 . Az égés során a reakció partnere a kétatomos oxigén molekula: O2 . Minden egyes metán molekula az égése során két oxigén molekulával lép reakcióba:    

Az olaj, szén vagy más tüzelõanyagok még komplexebbek a metánnál, de az égésük hasonlóképpen megy végbe.

  A világ negyedik legelterjedtebb energiaforrása a szén, a kõolaj és a földgáz után a biomassza. A biomassza energia fedezi a felhasznált energia 14%-át világátlagban, míg a fejlõdõ országokban 34%-át.

Biomassza energiaforrásnak az alábbiak tekinthetõk:

- mezõgazdasági termények melléktermékei, hulladékai (szalma, kukorica-szár/csutka, stb.)

                     

 

- energetikai célra termesztett növények (repce, cukorrépa, különbözõ fafajok)

- állati eredetû biomassza (trágya, stb.)

- erdõgazdasági és fafeldolgozási melléktermék illetve hulladék (fa apríték, nyesedék, forgács, fûrészpor, háncs, stb.)  

               

   

A biomassza, mint energiahordozó jellemzõi:

- megújulása a fotoszintézisnek köszönhetõ

- az energia tárolása az által valósul meg, hogy a fotoszintézis során a növényekben létrejövõ szerves anyagokban kémiai energia formájában raktározódik el a napfény energiája

- az energetikai hasznosítást úgy lehet megvalósítani, hogy nem növeljük a légköri szén-dioxid mennyiségét

- nagyban elõsegíti az ásványkincsek megõrzését

- jelentõsen kisebb a káros anyag emisszió (CO2, CO, SO2, CxHx) a fosszilis energiahordozókhoz képest

- az élelmiszer-túltermelés következtében felszabaduló földterületek reális alapot adnak a racionális hasznosításnak

- kedvezõ hatással van a vidékfejlesztésre, a munkahelyteremtésre

Felhasználási lehetõségei

A biomassza, mint energiaforrás a következõképpen hasznosítható:

1. Közvetlenül:

- tüzeléssel, elõkészítés nélkül, vagy elõkészítés után

2. Közvetve:

- kémiai átalakítás után (cseppfolyósítás, elgázosítás), folyékony üzemanyagként vagy éghetõ gázként  

                             

   

- alkohollá erjesztés után üzemanyagként

- növényi olajok észterezésével biodízelként

- anaerob fermentálás után biogázként.

A biomassza energiahordozók kis- és közepes teljesítményû decentralizált hõ- és villamos energiatermelésre, valamint motorhajtóanyagként hasznosítható viszonylag alacsony energiasûrûsége miatt.

Felhasználási lehetõsége Magyarországon

  A biomassza energetikai célú hasznosítására elsõsorban a hagyományos agrártermelési ágazatokban keletkezõ mezõ- és erdõgazdasági melléktermékek és hulladékok hasznosításának, az energetikai erdõgazdaság (energiaerdõk) és az energetikai célú növénytermesztés (energianövények) keretén belül van lehetõség. Ezen források hasznosítására hazánkban reális lehetõségek kínálkoznak. A fejlett ipari országokban az élelmiszer-túltermelés következtében felszabaduló földterületek igen jól hasznosíthatók energiaerdõk telepítésére, vagy energianövények termesztésére, és az adott térség munkanélküliségbõl adódó problémáit is enyhíti, egy megújuló energiaforrás termelése történik, valamint az energiahordozókra kiadott pénz a térségben marad és annak további fejlõdését szolgálja. Az élelmiszertermelésbõl kivont szántóterületek aránya a fejlett ipari országokban eléri a 20%-ot. Magyarország EU csatlakozása esetén 50 000 - 1 000 000 ha termelésbõl kivont termõfölddel lehet számolni.   Az alternatív energiaforrások hasznosítása egyre fontosabb feladatunk lesz, hiszen hazánk is csatlakozott a Rioi Egyezményhez, amelyben tagországok arról nyilatkoztak, hogy a  CO2 - emissziót 2000-ig az 1990. évi szintre csökkentik, majd szinten tartják.

  Hazánkban a megújuló növényi biomassza mennyisége szárazanyagban kifejezve a fõ- és melléktermékekkel együtt 55-58 millió tonna. Energetikai célra megfelelõ körülmények között 6-8 millió tonna szerves anyag lenne hasznosítható (minimálisan pedig 3-4 millió t) a 25-26 millió t mezõgazdasági, valamint 1-2 millió t erdõgazdasági melléktermékbõl. Ahhoz, hogy ez a hasznosítás nagyobb arányú illetve hatékonyságú legyen, megfelelõ ökológiai, gazdasági és mûszaki feltételeknek kell rendelkezésre állniuk. A hasznosítható 6-8 millió t biomassza össz energia készlete kb. 1,5-2,0 millió tOE-re tehetõ. 500 000 ha energia erdõ 0,8-1,0 millió tOE bio-tüzelõanyagot, 300-400 000 ha bio-hajtóanyag termelõképessége hosszú távon 0,5-1,0 millió tOE-t is elérhet. Magyarországon az energia mérlegben a tûzifa 0,32 millió tOE értékkel, az egyéb biomassza energiaforrások kb. 0,1 millió tOE értékkel szerepelnek és az ország össz energiafelhasználásának alig több, mint 0,14%-át tették ki a 90-es évek elején. (KOCSIS et al., 1993).

A szilárd halmazállapotú biomassza hasznosítása

  A mezõ- és erdõgazdaság évente igen nagy mennyiségû mellékterméket produkál. Ezen melléktermékeket számos célra lehet felhasználni, mint például talajerõ visszapótlásra a növénytermesztésben, az állattartásban, ipari felhasználásban, illetve energiatermelésre.

                       

 

  Ma sajnos a keletkezõ mennyiség 10%-át sem használják fel tüzelési/energiatermelési célra. Energiatermelésre a gabonaszalma és a fahulladék a legalkalmasabb, a kukorica- és a napraforgószár csak nehezen hasznosítható energetikai célra, de annál alkalmasabb talajerõ visszapótlásra. A gyümölcsfa ültetvényeken keletkezõ igen nagy mennyiségû nyesedék hasznosítására alig-alig kerül sor, általában energia pazarló és környezetszennyezõ módon elégetik, noha aprítására és tüzelésére megfelelõ berendezések állnak már rendelkezésünkre.   Az erdõgazdaságban az összes kitermelt faanyag 22%-a tekinthetõ mellékterméknek. A nettó fakitermelés 41%-a tûzifa, és az 59%-a ipari fa. Az ipari fa feldolgozása, megmunkálása során szintén nagy mennyiségû melléktermék, hulladék keletkezik, amelyet szintén jól lehetne energetikai célokra hasznosítani. A keletkezõ faforgácsot, fûrészport, fakérget szárítása után brikettálják, amely aztán könnyen hasznosítható. A fakitermelés melléktermékeit is csak részben hasznosítják energia termelési célra, vagy lakossági igényeket elégítenek ki vele, vagy faaprítékként használják fel, illetve eladják. KACZ-NEMÉNYI, 1998 szerint 250-300 000 t fakitermelési és feldolgozási hulladék, illetve melléktermék hasznosítására lenne hazánkban lehetõség, amely 90 000 tOE-et jelent.   Az energetikai célú növénytermesztés irányulhat alternatív motorhajtóanyag-termelésre (alkohol, repce-metil-észter stb.), tüzelõanyag ellõállításra (biobrikett, energiaerdõ, repceolaj). A biomassza termelésének nettó hõ-energia hozama a mezõgazdasági éas erdészeti melléktermékek esetében mintegy 0,3-1,3

tOE/ha között, míg az e célra létesített energiaerdõk esetében 1,7-2,6 tOE/ha között változik (KOCSIS et al., 1993). Az energetikai célú növénytermesztésnek KACZ-NEMÉNYI, 1998 szerint számos akadálya van:

a.) Nehéz termelõi-társadalmi elfogadtatás

b.) Feldolgozó módszerek nehéz beilleszthetõsége a meglévõ agrártechnológiákba.

c.) Az átalakító berendezések kis energetikai hatásfoka.

d.) Az átalakítás gyenge energetikai input/output hatékonysága.

e.) A biomassza hasznosításának nagy a beruházási igénye.

  Energiahasznosításából az alábbi növények jöhetnek számításba:

a.) Különbözõ fafajok (energiaerdõk - nyár, fûz, akác).

b.) Magas cukortartalmú haszonnövények (cukorcirok, cukorrépa).

c.) Magas olajtartalmú növények (napraforgó, repce, szója).

  A magas olaj-, illetve cukortartalmú növények a hagyományos növénytermesztési technológiákkal termeszthetõk, míg az energiaerdõk telepítése, gondozása, letermelése különbözik a hagyományostól. Az energiaerdõk telepítésének az a célja, hogy a lehetõ legrövidebb idõ alatt, a lehetõ legkisebb költségekkel állítsanak elõ jól égethetõ tüzelõanyagot. Telepítésük elsõsorban a termelésbõl kivont, kevésbé jó termõképességû területeken jöhet szóba. Hazánkban az energiaerdõk telepítése szempontjából a nyár, fûz, juhar, éger, akác jöhet szóba, melyek közül az akácot tekintik a legalkalmasabbnak, hiszen fiatal korában gyorsan nõ, jól sarjadzik, kicsi a nedvességtartalma és nedvesen is jól tüzelhetõ.   A Dániában és Svédországban történt energiaerdõkkel kapcsolatos kísérletek során fûzfa telepítvényeket vizsgáltak, ahol 20 000 db/ha egyedsûrûségben ültették a klónokat és három évente termelik. A telepítés várható élettartamát 30 évre, vagyis 10 kitermelésre becsülik. Más külföldi, nyárfákkal végzett kísérletekkel ha-ként 10-13 t szárazanyagot értek el, háromnyomású, hétéves rotációval. A hazánkban végzett kísérletek eredményei igen változóak, fafajtól, vágásfordulótól függõen 3,5-20 t/ha szárazanyagot kaptak. Marosvölgyi (1996) szerint hazánkban 12t/ha/év szárazanyag (200-220 GJ/ha évi energia hozam) tervezhetõ a hagyományos fajokkal.   A fa fûtõértéke függ: - a víztartalmától (minél nagyobb a víztartalma, annál kisebb a fûtõértéke) - a fafajtól (sûrûségtõl) Minél több vizet tartalmaz a fa, a fûtõértéke annál kisebb lesz, mivel az égési folyamat alatt párolog el a víz, és a víz párolgásához hõ szükséges.   A biotüzelõanyagok elégetése ritkán történik eredeti formájukban, fajtától függõen elõkezelést igényelnek, például: darabolás (aprítás, õrlés, szecskázás), tömörítés (bálázás, pogácsázás, pelletálás). A brikettálást, valamint a pelletálást általában szárítás követi, hiszen a biotüzelõ anyagok víztartalma magasabb a technológia által megköveteltnél (20% alatt kell lennie).   A mezõgazdasági és erdészeti melléktermékek könnyû szállításához, hasznosításához szükség van kisebb-nagyobb tömörítésre. A tömörítvényeknek két fõ fajtáját különböztetjük meg: Pellet: 10-25 mm átmérõjû tömörítvény. Biobrikett: 50 mm, vagy annál nagyobb átmérõjû, kör, négyszög, sokszög vagy egyéb profilú tömörítvények, amelyeket mezõ-, erdõgazdasági melléktermékekbõl állítanak elõ. Brikettet dugattyús és csigás présekkel állítanak elõ. Általában kötõanyag felhasználása nélkül készítik. Gyakran célszerû a különbözõ melléktermékek összekeverése a szilárdság növelése érdekében, például a szalma briketthez fûrészpor, fenyõfakéreg. Brikettálni csak a 10-15% nedvességtartalmú alapanyagokat lehet, tehát, ha a tömörítendõ anyag nagyobb nedvességtartalmú, szárítást igényel.

Elõnyei:

a.)  Fûtõértéke a hazai barnaszenekének felel meg (15 500 - 17 200 kJ/kg), de azoknál tisztább.

b.)  A szén 15-25%-os hamutartalmával szemben csak 1,5-8% hamut tartalmaz, melyet talajerõ visszapótláshoz lehet használni.

c.)  Kéntartalma maximálisan 0,1-0,17%, amely a szén kéntartalmának 15-30-ad része.

Hátránya, hogy nedvesség hatására szétesik, de nedvességtõl gondosan elzárt helyen korlátlan ideig tárolható.

  A mezõ- és erdõgazdasági melléktermékek tüzelõberendezései hazánkban az 1980-as években terjedtek el, így 1993-ban 50kW-4MW hõteljesítmény határok között már 500 ilyen berendezés mûködött. A tüzelõberendezések fõbb részegységei KACZ - NEMÉNYI alapján: - tüzelõanyag tároló a kitároló szerkezettel, - tüzelõanyag-szállító rendszer, - tüzelõanyag- és levegõadagoló rendszer, - hõcserélõ (kazán), - hamu/salak eltávolító berendezés, - füstgáz elvezetés (kémény), - szabályozó és védelmi berendezés.

A biomassza energetikai célokra történõ hasznosításának elõnyei:

a.) Kén-dioxid kibocsátás csökkenése. A tüzelési célokra hasznosított biomassza kéntartalma minimális általában 0,1% alatt van.

b.) Kisebb mértékû korom kibocsátás.

c.) Policiklikus aromás szénhidrogének kibocsátásának csökkenése.

d.) A szén-dioxid kibocsátás nullának tekinthetõ, hiszen az elégetett üzemanyag által az atmoszférába jutó szén-dioxid mennyiséget az elõzõ évben kötötte meg fotoszintézise során a termesztett magas olajtartalmú haszonnövény. A termelés, begyûjtés, elõkészítés, valamint a  szállítás során van bizonyos mértékû szén-dioxid kibocsátás.

Hátrányai:

a.) Nagyobb nitrogén-oxid kibocsátás (valószínûleg a levegõ nitrogénjébõl keletkezik a magasabb hõfokon történõ égés következtében).

b.) Az RME hosszabb idõ után megtámadja a lakk réteget, de ez a megfelelõ lakkfajta magválasztásával kiküszöbölhetõ.

c.) Egyelõre nincs rá állami támogatás.

A folyékony halmazállapotú biomassza hasznosítása

  Magyarországon a magas olajtartalmú növények közül az õszi káposztarepcének vannak alkalmas ökológiai adottságú területek, fõleg Nyugat-Magyarországon. E növény termesztéséhez hazánkban minden feltétel adott, és a kinyerhetõ repceolaj nemcsak üzemanyagként, hanem kenõ-, hidraulikaolajként, valamint tüzelõolajként is hasznosítható.  A növényi eredetû biomasszából elõállított folyékony energiahordozók alkoholok, zsírok és olajok lehetnek, melyeket az alábbi módokon lehet hasznosítani: a.) motorhajtóanyagként, b.) hidraulika- és fékfolyadékként, c.) kenõolajként, d.) tüzelési célokra, e.) vegyipari és élelmiszer-ipari alapanyagként.

Ezen energiaforrások tüzelési célokra történõ alkalmazása még nem jelentõs, pedig a fosszilis energiahordozók részbeni kiváltásánál jelentõs szerepet játszhatnak, legfõképpen a növényi olajok. Motorhajtóanyagként az alkoholok és a növényi olajok felhasználhatóak:

a.) nyers formában, b.) vegyi átalakítás után, c.) hagyományos hajtóanyagokhoz keverve, d.) adagolva.

  Az alkoholok közül az etil-alkohol (etanol) motorikus célú felhasználása a világon sokfelé elterjedt. Az etil-alkohol elõállítása nagy cukor-, keményítõ- vagy cellulóz tartalmú növényi biomasszából történhet fermentáció vagy hidrolízis és fermentáció kombinációja utáni folyamatos desztillációval. Brazíliában a cukornádból, az USA-ban kukoricából állítanak elõ igen nagy mennyiségben etanolt. Hazánkban az ipari alkohol elõállítására a cukorrépa, édes cirok, kukorica, kalászos gabonafélék és a burgonya a legalkalmasabb. Cukorrépából és cukorcirokból 3000-3500 l/ha, kukoricából 2000-2500 l/ha, kalászos gabonákból 1000-2000 l/ha, burgonyából mintegy2000l/ha alkohol nyerhetõ (KACZ-NEMÉNYI, 1998).   Az etanol energiatartalma kisebb, mint a benziné, így azonos teljesítmény elérése érdekében 25-50%-kal többre van szükség. Így a tisztán etanollal üzemeltetett gépkocsi motorok üzemanyagtartályának nagyobbnak kell lennie, növelt paraméterekkel kell rendelkezniük a keverékképzésben résztvevõ szerkezeti elemeknek. A benzinhez kevert etanollal kedvezõ tulajdonságú üzemanyag nyerhetõ, hiszen nõ a keverék oktánszáma és oxigén tartalma, így javulnak az égés feltételei. 5-15% etanol hozzáadásával kapják a motalco, gasohol nevû üzemanyagokat, Brazíliában a 20-22% alkoholtartalmú benzint is használják.   A metilaklohol (metanol) is alkalmas motor hajtóanyagnak, maximum 15%-ban hagyományos hajtóanyagokhoz hozzáadható komponensként, benzinhez történõ keverésnél elegyedési problémák merülnek fel, ezért etilalkoholos, metanolos benzinkeverék készítése a szükséges.   A repce magja 38-45% olajtartalmú. Németországban hektáronként 3 tonnát tudnak termelni, ami 1,3 t olajat ad. A repcemagból az olajnak a felét mechanikusan préselik ki, majd a maradék olajat a felaprított pogácsákból oldószerrel (n-hexán) kivonják, a hulladékban mindössze 0,5-2%mennyiségû olaj marad.

A növényi olajok hasznosításának hátrányai: a.) nagyobb lobbanáspont (nehezebb gyújtás) b.) nagy viszkozitás (rossz porlaszthatóság) c.) kokszosodási hajlam

  Ezeken a tulajdonságokon kémiai átalakítással lehet javítani (repceolaj zsírsavainak metanollal történõ átészterezésével repcemetilészter, RME nyerhetõ). A németországi olajütõ malmok feldolgozási kapacitása 1000-3000t/h között mozog, míg az évi feldolgozási kapacitás kb. 3,7 millió tonna. Egy hektárnyi repce termésébõl 1300 l repceolaj, ennek átészterezésébõl 1375 l RME kapható, melléktermékként 1774 kg, 30% fehérjetartalmú repcepogácsa nyerhetõ, ami takarmányként hasznosítható.   A repceolaj-metilészter, valamint a napraforgó-metilészter elõállításakor, mint ismeretes számottevõ melléktermékként glicerin keletkezik. A vegyileg tisztított glicerint széleskörûen felhasználják: a.) szilárd fûtõanyagnak (20% glicerinnel fûrészforgácsot kevernek össze és briketté sajtolják) b.) trágyának (trágyalével keverik össze) c.) semlegesítéssel tisztítják, majd mikrobás cukrosítással és erjesztéssel, desztillálással etanol nyerhetõ.

A különbözõ glicerin származékokat számos célra tudják hasznosítani: a.) kozmetikumok b.) fogkrémek c.) gyógyszerek d.) tápanyagok e.) lakkok f.) mûanyagok g.) mûgyanta h.) dohány i.) robbanóanyagok készítésben j.) cellulóz feldolgozásban (KACZ-NEMÉNYI, 1998).

  A repce olajtartalmának kinyerésére ma már korszerû berendezések állnak rendelkezésre, amelyek 90%-ot is meghaladó olajkinyerést biztosítanak. (Az egyik legalkalmasabb berendezés a KOMET csigás prés). Ezek a prések 2-5 kg mag/óra teljesítménytõl a 70-100 kg/óra teljesítményig állnak rendelkezésre. A csigás prés által kinyerhetõ olaj igen tiszta, szennyezõ anyagot elhanyagolható mértékben tartalmaz, 24 órás ülepítéssel ez a kis százalék is eltávolítható.   Hazánkban a termesztett repce igen alacsony termésátlagú. Gyenge minõségû, homokos területen 1,5-1,7 t/ha, de kedvezõbb területeken sem éri el a 3 t/ha-os termésátlagot. Növényi olaj elõállításával kapcsolatos kísérleteket a Bácska és Duna melléki Mezõgazdasági Szövetkezetek végeztek, 2,5 t/ha

átlagot véve 37%-os olajtartalom mellett egy ha területrõl 832 kg (990 l) repceolaj, ezentúl 1660 kg 30% fehérjetartamú repcepogácsa állítható elõ.

e.) Azon országok számára, amelyek a kõolaj igényüket exportból fedezik, más országoktól való függõségüket ez úton tudnák csökkenteni.

A biomassza eredetû energiaforrások hasznosításakor arra kell törekedni, hogy:

- a melléktermékek, hulladékok hasznosítása keletkezési formájukban történjen a nagyobb költségek elkerülése érdekében,

- az eltüzelés elõkészítése csak a legfontosabb lépéseket tartalmazza, pl. darabolás, bálázás

- a szállítás ne történjen túl nagy távolságokra.

  A szilárd biomassza elégetésekor jelentõs hamu keletkezik, ami káliumtartalmánál fogva talajerõ-visszapótlásban hasznosítható. (A szén égetésébõl származó hamu magas kén tartalma miatt nem alkalmas ilyen célokra.) A káros anyag emisszió nagymértékben függ a tüzelõberendezés mértétõl, üzemétõl (gépi táplálású berendezéseknél jobbak a mutatók), a teljesítmény-kihasználás fokától.

A biogáz hasznosítása

  A mezõgazdasági termék-elõállítás folyamataiban keletkezõ anyagokból gáz halmazállapotú energiahordozók is elõállíthatók.   Biogáz-elõállítás: kevert kultúrával - alapvetõen két lépésben, savtermelõ baktériumcsoport közremûködésével - végzett anaerob eljárás (anaerob lebontás). Az elsõ lépésben a savas erjedés során a komplex szerves savakra lebontó mikroorganizmusok fejtik ki hatásukat. A második lépésben további baktériumcsoport ezeket az anyagokat bontja szén-dioxiddá, metánná és egyéb gázokká. A folyamat végeredménye a döntõen metánból és szén-dioxidból álló, energetikai célokra hasznosítható biogáz. A visszamaradó melléktermék a kirothasztott iszap, melyet szerves trágyaként használnak fel. E kétlépcsõs folyamatot költségcsökkentési okokból leginkább egy reaktorban valósítják meg, azonban az eljárás hatásfoka növelhetõ és szabályozhatósága is javul akkor, ha a savas és a metános bontási lépést külön reaktorban hajtják végre. A módszert már

Magyaroroszágon is alkalmazzák a szennyvíztisztító telepeken a szennyvíziszap, valamint a mezõgazdaságban a hígtrágyák kezelésére, ill. az élelmiszer-ipari  (pl. cukoripar) szennyvizek tisztítására.

  Biogázkinyerõ kút: a rendezetten lerakott hulladékrétegbe függõlegesen telepített, alkalmasan kiképzett, rendszerint mûanyagból készített perforált csõ, amely a mélyebb rétegekben keletkezõ biogáz kinyerését teszi lehetõvé.

A kép forrása: Környezetvédelmi Lexikon   Biogáztermelés hulladéklerakón: a települési hulladékokat befogadó rendezett lerakóhelyen döntõen anaerob körülmények között végbement biodegradáció, amelynek eredményeképpen metánban dús biogáz keletkezik, amit a hulladékba vízszintesen vagy függõlegesen elhelyezett gázkinyerõ csövek segítségével termelnek ki. A megszívott gyûjtõhálózat segítségével kitermelt biogázt tisztítást követõen energetikai célra hasznosítják. Az eljárást Magyarországon is (pl. a soproni rendezett lerakóhelyen) alkalmazzák.

  Biodegradáció: az az aerob vagy anaerob folyamat, amelynek során a talaj szaprofita mikroszervezetei feltárják, és a növények számára ismét felvehetõ szervetlen állapotba hozzák azokat a biogén elemeket, amelyek részt vesznek a szerves anyagok felépítésében, az energia raktározásába és transzportjában. A biodegradáció a szervesanyag-produkció szakadatlanságát biztosítja, mivel csak a holt szerves anyag degradációja és az ökoszisztémán belül az elemek körfogása teszi lehetõvé a

korlátozott mértékben rendelkezésre álló elemek maximum kihasználását. Biotranszformációk körébe tartozó komplex fizikai, kémiai és biológiai folyamatok összessége végén a szerves anyagcseretermékek helyett is szervetlen vegyületek keletkeznek, a folyamatot mineralizációnak nevezzük. A biodegradáció sebessége nagy mértékben függ a molekulaszerkezettõl (policiklusos és halogénezett vegyületek rendkívül nehezen bomlanak), a környezeti tényezõktõl és az adott vegyület lebontására képes enzimekkel rendelkezõ mikroorganizmusok mennyiségétõl. A biodegradáció mértéke határozza meg egy adott ökoszisztémán belül az elemek körforgalmának sebességét. Tanulmányozása különös jelentõséggel bír a hulladékok kezelésében és ártalmatlanításában, a környezetszennyezések biológiai úton történõ eltávolításában. A folyamatot széles körben alkalmazzák a szerves települési és termelési hulladékok komposztálásakor, a szennyvizek biológiai kezelése (tisztítása) során, valamint szerves komponenseket tartalmazó szennyezett levegõ tisztításakor. (Környezetvédelmi Lexikon)

A gáznemû energiahordozók két fajtája: - biokémiai (anaerob fermentációs) eljárások eredményeként képzõdõ   biogáz - termokémiai (pirolitikus és gázosítási) folyamatokban keletkezõ gázok.

  Biogáz: Szerves anyagok anaerob bomlásakor, illetve a biomassza zárt térben való elgázosításakor (erjesztés, rothasztás) baktériumok közvetítésével fejlõdõ gáz. Összetétele kb. 30%  szén-dioxid és 70% metán. Sertés hígtrágyából fejlesztet biogáz égéshõje kb. 23.000 kJ/m3 . Spontán keletkezik, sõt meg is gyullad mocsarakban, lápokban ("lidércfény"), trágyakazlakban, szeméttelepeken. A nyersanyag lehet kommunális hulladék, mezõgazdasági, vagy erdõgazdasági melléktermék. Egy m3 kommunális hulladékból 60-300 m3  biogáz termelhetõ. A biogázfejlesztés után visszamaradó erjesztett trágyát biotrágyának (biohumusz) nevezik, ami teljes értékû, jól kezelhetõ, szagtalan, kertek, parkok trágyázására jól használható anyag. Mesterségesen a 19. sz. eleje óta állítják elõ. Az elsõ biogáz generátort Indiában helyezték üzembe, 1856-ban. Azóta világszerte (fõleg Ázsiában) sok millió hasonló mûködik, többségük "családi" méretû, de vannak nagyüzemi, "erõmû" jellegû biogáz telepek is, amelyek egész városokat látnak el energiával. Az elsõ biogáz-elõállító üzemet 1959-ben létesítették az USA-ban. A biogáz közvetlenül is felhasználható fûtésre, fõzésre (a földgázhoz hasonlóan és ugyan azokkal a berendezésekkel) vagy elektromos energia termelésére, illetve jármûvek hajtására, robbanómotorok üzemanyagaként. A biogáz-generátorba mindenféle szerves hulladék, trágya, konyhai és élelmiszeripari hulladék, vágóhídi és kommunális szennyvíz, mezõgazdasági hulladék konvertálható biogázzá. A biogáz képzõdése közben a patogén szervezetek elpusztulnak, ami közegészségügy szempontból igen jelentõs. A visszamaradó komposzt minden értékes ásványi anyagot megõriz, és kitûnõ szerves trágyaként használható. Hazánkban is

mûködik néhány biogáz reaktor, a "családi" méretû hazai típus fejlesztése folyik. Magyarországon az eddig készült biogáz fejlesztõk nagy része még kísérleti konstrukció, és kb. 1 t/h  vagy ennél kisebb kapacitású. A becslések szerint a világon mûködõ mintegy 9 millió biogáz fejlesztõbõl 7,2 millió Kínában van. A jövõ energiaforrásának lényeges alapja lehet a biogáz, ami rendkívül környezetkímélõ és fontos szerepet tölthet be az organikus mezõgazdaságban (szerves trágya visszapótlás). (Környezetvédelmi Lexikon)

  A biogáz - mely a két fenti energiahordozó közül a jelentõsebb - elõállítása történhet elsõdleges és másodlagos biomassza-forrásokból, vagyis a növényi fõ- és melléktermékekbõl, valamint bármilyen természetes eredetû szerves anyag (szerves trágya, fekália, élelmiszer-ipari melléktermékek, hulladékok, háztartási hulladékok, kommunális szennyvizek és iszapjaik) egyaránt történhet. Termelésének alapfeltétele a szerves anyag, a levegõtõl elzárt környezet,  valamint metánbaktériumok jelenléte. Ilyen körülmények között a metánképzõdés spontán is végbemegy. Az intenzív biogáz-termeléshez azonban állandó és kiegyenlített hõmérséklet, folyamatos keverés, kellõ mértékben aprított szerves anyag, metanogén és acidogén baktériumok egymással szimbiózisban tevékenykedõ törzseik megfelelõ aránya is szükségesek. Biomasszából biogázt mezofil és termofil zónában történõ erjesztéssel lehet nyerni.

A mezofil hõfokú rendszer jellemzõi: - 25+/-5 napos átfutási idõ, -  35+/-2 oC hõmérséklet, - kóros véglényekben szegény, - viszonylag egyöntetû alapanyagból, nagyobb hely- és gázfelhasználási lehetõségek esetén célszerû használni.

A termofil hõfokú rendszer jellemzõi: - 15+/-2 napos átfutási idõ, - 56+/-2 oC hõmérséklet, - káros kórokozók fordulnak elõ benne, - gyors, - nagy energiaveszteséggel jár.

  A biogázképzõdés során a szerves vegyületek egyszerûbb vegyületekre bomlanak (savas fázis), majd szétesnek alkotóelemeikre, metán gázra (kb. 60-70%)  és szén-dioxidra (kb. 30-40%) illetve a kiinduló anyagoktól függõen különbözõ elemekre (H, N, S stb.) (metanogén fázis). A biogáz összetétele és fûtõértéke nagymértékben függ a kiindulási szerves anyagtól és az alkalmazott technológiától.   A termelt gáz felhasználásánál arra kell törekedni, hogy a keletkezés helyéhez közel, legalább 95%-os mértékben fel kell használni. A gáz leggazadságosabb felhasználását a kazánban, illetve légelõmelegítõben történõ elégetés biztosítja, mert az elérhetõ hatásfok 80% körüli.

A biogáz hasznosítási lehetõségei:

a.)  termikus hasznosítás      - gázmelegítõk      - gázégõk

b.) komplex hasznosítás      - elektromos és termikus: gázmotor/turbina generátorral és hõcserélõ      - mechanikus és termikus: gázmotor/gázturbina és hõcserélõ

c.) mechanikus hasznosítás      - gázmotor      - gázturbina

  Ahhoz, hogy hazánkban is elterjedjen az energetikai célú növénytermesztés, meg kell teremteni a megfelelõ törvényi szabályozásokat, pénzügyi feltételeket, amelyek segítenék az e téren tevékenykedõ gazdálkodókat.

Felhasznált irodalom

A képek forrásai: www.nrel.gov/data/pix Dr. Bai Attila / Zsuffa László: A biomassza tüzelési célú hasznosítása in Fûtéstechnika, megújuló energiaforrások 2001. IV. évf.

február Bohoczky Ferenc: Megújuló energiák alkalmazási lehetõségei és perspektívái in Fûtéstechnika, megújuló energiaforrások 2001. IV. évf. február Christopher Flavin: Átmenet a fenntartható energiagazdaság felé in A világ helyzete 1992. World Watch Institute 1992 Kacz Károly - Neményi Miklós: Megújuló energiaforrások Mezõgazdasági Szaktudás Kiadó, Agrármûszaki kiskönyvtár 1998. Göõz Lajos: Szabolcs-Szatmár Bereg megye természeti erõforrásai Nyíregyháza, 1999.

Vissza

A HIDROGÉN

Kiss Ferenc

Fogalma

Hidrogén:  színtelen,  szagtalan,  nem mérgezõ gáz, mely nagy energia felszabadulással járó reakcióban vízzé ég el.  Felhasználásának  környezeti haszna, hogy ártalmatlan, vízzé ég el (bár az égés közben  nitrogén-oxidok is keletkeznek, és amennyiben vízbõl, napenergia (ill. ebbõl nyert áram) segítségével állítják elõ, felhasználása alig terheli a környezetet. Hátránya, hogy környezetbarát elõállítása és biztonságos tárolása jelenleg drága, felhasználásához a szokványos berendezéseket és a szállító-, ill. elosztórendszereket át kell alakítani.

                                                                      Környezetvédelmi Lexikon  

Története

A hidrogént 1766-ban fedezték fel.  Neve a görög hydrogénium szóból ered, ami vizalkotót jelent. Ebbõl származik az elem kémiai jele is, a H. Elemi állapotban gyakorlatilag nem fordul elõ a Földön, azonban a Nap és más csillagok fõleg hidrogénbõl állnak. A Világmindenség  leggyakoribb és legõsibb kémiai elemének tekinthetõ, hiszen a fiatal Univerzumban elsõként jött létre.

Az Univerzum kezdeti állapotáról biztosat nem tudunk, elméletekben azonban  nincs  hiány. A ma leginkább elfogadott modell, amelyet G. Gamov  elméleti  fizikus  dolgozott  ki az ún. "Big-bang", a nagy robbanás elmélete. Eszerint a jelenlegi Univerzum az õsanyag gigantikus robbanása következtében jött létre kb.10 - 20 milliárd évvel ezelõtt. Az õsanyag sûrûsége szerinte 1025 g/cm3, hõmérséklete pedig 1016 K lehetett, ezen  "tûzgömb" robbanásszerû kiterjedésével magyarázható az Univerzum ma észlelt expanziója (ábra).  A „tûzgolyóban” vagy „tûzgolyókban” uralkodó magas hõmérséklet és sûrûség termikus egyensúlyt hozott létre a protonok, elektronok, neutronok és a sugárzási kvantumok között. A robbanásban hidrogén és héliumképzõdési reakciók mentek végbe:

11H + 0

1n D  +

D +

D 32He +1

0n

D +

D11H

32He + 1

0n 1

1H

D e + 1

0n

Ezeknek a folyamatoknak az eredményeképpen az Univerzum anyagának körülbelül 10 %-a héliummá és 90-% hidrogénné alakult. Az Univerzum anyagának tágulásával a hõmérséklet 3000 K alá csökkent, a protonok és elektronok egyesülésével töltéssel nem rendelkezõ anyag jött létre. Az "õsanyagban" véletlenszerûen fellépõ sûrûsödések az anyag gravitációs

tömörüléséhez vezettek, így jöttek létre a 1014...1015 naptömegnyi anyagot tartalmazó -fõleg hidrogénbõl álló- halmazok, s ezekbõl alakultak ki késõbb a csillagok, csillaghalmazok a galaxisok, a gravitációs erõk hatására .

Az elemi hidrogén emberi felhasználása nem tekint hosszú múltra vissza. A legfontosabbak a következõk: szállítás (ûrhajó , léghajó) energia felszabadítása (bomba).

További felhasználására vonatkozó kísérletek napjainkban is folynak mint pl.a következõk: fúziós erõmû , gépkocsi üzemanyag, üzemanyag cella szélesebb körû elterjesztése, amelyekre mérg visszatérünk.  

Forrás: http://www.airships.net      

http://www.nrel.gov/data/pix            

http://w3.ouhsc.edu/rso/Image/HBombAnim.gif            

Elméleti háttér

A hidrogén általános tulajdonságai

1.  A hidrogén Világegyetem leggyakoribb eleme. Megközelítõleg 100-szor gyakoribb, mint az összes többi elem együttvéve(ha a héliumot nem vesszük figyelembe). 2. Alapeleme a kémiai elemek szintézisének. 3. A földi élet szempontjából fölhasználható energia és a kozmikus energia elõállítása szempontjából  is a alapvetõ fontosságú. 4. A hidrogén részt vehet bármely  kémiai reakcióban. 5. Az összes vegyületet - szénvegyületekkel együtt - figyelembe véve, a hidrogéntartalmú vegyületek száma a legnagyobb. Itt nem ismertetjük teljes egészében a hidrogén fizikai és kémiai tulajdonságit csak táblázatban foglaljuk össze azokak. Részletezésre csak azok a tulajdonságok kerülnek, amelyek az energiatermelés szempontjából fontosak.

  A hidrogén tulajdonságai

Tulajdonság Érték  Megjegyzés

Móltömeg  1,00797 g/Mol  -

Elektronszerkezet  1 s1 -

Kovalens sugár  0,032 nm  -

Ionsugár H-  0,15 nm  -

Ionsugár H+  0,0001 nm -

Elektronegativitás (Pauling) 2,1  -

Égési hõmérséklet 2600 °C gáz

Fajhõ cp  14,40 kJ/kg.K  gáz, 0-200 °C, 0,1MPa

Fajhõ cv 10,29 kJ/kg.K gáz, 0-200 °C, 0,1MPa

Sûrûség 0,08989. kg/m3 gáz, 0 °C, 0,1 MPa

Sûrûség 70,8 kg/m3 folyadék, –253 °C

Sûrûség 76 kg/m3 szilárd, – 262 °C

Olvadáspont – 259,1 °C (13,8 K)  szilárd

Forráspont – 252,7 °C (20,4 K)  folyadék

  A hidrogén és az energia

A következõ táblázat adataiból látható, hogy ha 1-nek vesszük a mai ismereteink szerinti legnagyobb energiaforrást, akkor ez az érték leginkább a fúziós erõmûvekben közelíthetõ meg. A fosszilis energiahordozókból elõállított energia, az utóbbinak mindössze kb. 10 milliomod része. Ezt mutatja az alábbi példa.

Fúzió: 4 g hidrogén 2,5 x 1012 J Égés : 4 g petróleum 1,2 x 105 J

  Lehetséges „energiaforrások" összehasonlítása

Relatív érték

Energia per nukleon 

Erõs kölcsönhatások

Elektromágneses 

kölcsönhatások

Gyenge kölcsönhatások

Gravitációs kölcsönhatások

1     

10-2      

10-4 10-6 10-8        

10-10    

10-12

1 GeV    

10 MeV      

100 KeV  1 KeV 10 eV        

 0,1 eV    

0,001 eV

-annihiláció                                

 

   

-magfúzió -maghasadás --bomlás          

-kémiai- biológiai- és napenergia  

-termikus   energia

 

--bomlás    

 

 -fekete  lyukak összeütközése -anyagáramlás a fekete lyukba                            

-szabadesés a Földön.

Napjainkban a hidrogén égésébõl származó energia felhasználásának van realitása, ezért égésével részletesebben is foglalkozunk. Az atommag fúzió folyamatait csak vázlatosan mutatjuk be. A hidrogén égését leíró alábbi egyenletet már általános iskolából ismerhetjük.

A hidrogén égése

Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix/

H2 + 1/2 O2H2O

A hidrogén oxigén jelenlétében 550-600 °C-os gyújtóláng vagy szikra hatására elég, s közben energia szabadul föl. A energia mennyisége függ attól, hogy az égéstermék folyadék, vagy gõz . 1 kg hidrogénre vonatkoztatva, ha folyadék, 141,97 MJ ill.119,6 MJ, ha gõz.A reakció ellenkezõ irányban is véghezvihetõ. A víz bontása lehetséges egyenáram segítségével.  18°C-on elméletileg 2,8 kWh elektromos energia felhasználásával tudnánk elõállítani 1 m3 (0,1 MPa) hidrogén gázt , azonban a gyakorlatban ez az érték megközelíti a 4 kWh-t. Ezért a hidrogén ilyen módon történõ elõállítása csak akkor gazdaságos, ha olcsó elektromos áram áll rendelkezésünkre, vagy így akarunk energiát tárolni. Hidrogén elõállítására azonban vannak gazdaságosabb módszerek is:

   Vízgáz reakció

C + H2O CO + H2      CO + H2O CO2 + H2

    Parciális oxidáció

        CH4 + 1/2O2 CO + 2H2      CH4 + H2O CO + 3H2

  A hidrogén tárolása

Abban az esetben, ha a levegõben atmoszférikus nyomáson 4,1-74 tf %  H2 van jelen, robbanóelegy jön létre. Ezért tárolása során ezt figyelembe kell venni. A hidrogén tárolható tartályban nagy nyomáson vagy cseppfolyós állapotban alacsony hõmérsékleten, továbbá valamilyen anyagban elnyeletve. Így például a fémekben oldott hidrogén is felhasználható energiatárolásra. Különbözõ hidrogén tárolási módok  jellemzõit mutatja a táblázat. Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix

   

Tárolási jellemzõk

Anyag H2 térfogati  sûrûség (g/cm3)

 H2tömeg sûrûség (tömeg%) 

Energiatartalom (MJ/kg)

Energiasûrûség (MJ/dm3)

MgH2  0,101  7  9,9  14

FeTiH1.95 0,096  1,75 2,5  13,5

LaNi5H6.7 0,089 1,37  2,5    12,7

Folyékony H2 (20K) 0,070 100 141  10

H2 gáz 10 MPa, 0,007  100 141  1

300K

Krioadszorber (77K) 0,015-0,030 3,8-5,2    

Látható, hogy bizonyos fém-hidridek esetében legalább akkora energiasûrûség érhetõ el, mint alacsony hõmérsékleten (20K) folyékony állapotban. Számos fém-hidrid teljesíti a szükséges mûszaki követelményeket  is, azonban még sok probléma vár megoldásra a mindennapi alkalmazásig.    

Felhasználási lehetõségek  

Fúziós erõmû

Az ilyen típusú energia elõállítás nem sorolandó a " megújulók" közé, hiszen még kísérleti stádiumban van, de néhány mondatban meg kell emlitenünk, mert jelentõsége a jövõben nagy lehet. Mai ismereteink szerint a világegyetem leggyakoribb elemei a hidrogén és a hélium ( ~99%), azaz az elemszintézis „alapanyagai”. Tehát a kozmosz azon része, melyet az emberiség eddig tanulmányozott kimeríthetetlennek tûnik ezen energiahordozó szempontjából. Az elemek nukleáris fúzióval történõ keletkezése elsõ lépésének a hidrogén az „alapeleme", ezért jelenleg a hidrogén lehet az ún. fúziós erõmû „tüzelõanyaga".

A megvalósítás problémái

Magas hõmérsékletet (5 - 10 x 106 K) kell biztosítani a beindításhoz, ezért új tecnológiára van szükség. Az felszabadult energia felhasználhatóvá tétele nem megoldott.

Forrás és további információk: http://pooh.chem.wm.edu/chemWWW/courses/chem105/projects/group3/page11.html

http://www.ipp.cas.cz/tokamak/tokamaks/tokamaks.htm

Elõnyei

Hosszú távú felhasználhatóság (az Univerzum csillagai legalább 10 milliárd éve "mûködnek" hidrogénnel).

Feltehetõen kevesebb a környezeti probléma, mint a fosszilis ill. atomenergia felhasználásánál.

A fúziós energia mellett, amely a csak jövõ alternatívája, létezik néhány ma is felhasználható, de eddig kevéssé kihasznált, környezetbarát energiaforrás is: napenergia, vízenergia, szélenergia, és a hidrogén égése. Ez utóbbit az energiafelhasználás jelentõs tényezõje a közlekedés alapvetõ mûszaki változtatások nélkül képes lenne felhasználni.

Hidrogénnel hajtott belsõégésû motorok

Napjainkban a gépjármûvek többségét  kiforrott technológiájú belsõégésû motorok hajtják. Ezen a téren már évszázados  mérnöki és kutatómunka tapasztalataival  rendelkezünk, és már a gázüzemû belsõégésû motorok konstrukciós problémái is megoldottak. A hidrogén üzemanyagra való áttérés  nem igényelne  nagy változtatást a jelenleg használt motorokban, mert a hidrogén is égés során szabadítja fel az energiát mint, a ma használt üzemanyagok, azonban tömegegységre vonatkoztatott fûtõértéke a benzinének vagy a gázolajénak közel háromszorosa ( l. táblázat). 1 kg H2 elégése során ~119,6 MJ, energia szabadul fel. A forró kipufogógázt felhasználhatjuk a hidrogén tároló tartály fûtésére, így gyorsítva meg a hidrogéntároló anyag hidrogén leadását.

Különbözõ gépjármû hajtóanyagok összehasonlítása

Forrás: Garaguly József doktori értekezése

  Hidrogén Benzin  Gázolaj

Égéshõ Hf [MJ/kg]  141,974 45,217  44,715

Fûtóérték Ha [MJ/kg]  119,617 42,035 41,843

Égéstermék H2O  H2O, CO2 (CO) H2O, CO2 (CO)

A hidrogéntartályban tárolható, vezetéken szállítható. 1000 km-es távolság fölött kevesebbe kerül a hidrogént szállítani, mint az elektromosságot. Ezért az átállási költségek nem  magasak. A gazdasági és hatékonysági kérdéseken túl, egy hidrogén üzemanyagú motor teljesítené a köztudottan legszigorúbb kaliforniai emissziós normákat is. (Kalifornia Állam Levegõtisztaság Védelmi Tanácsa (CARB) 1997-tõl kötelezõvé teszi a zérus emissziójú közúti jármûvek (ZEV) forgalmazását az állam területén. 1998-ban az eladott jármûvek 2 százalékának, 2003-ra pedig már 10 százalékának kell zéró károsanyag kibocsátásúnak lennie.)

Nagy elõny, hogy a hidrogén égése során csak vízgõz keletkezik, ami nem szennyezi a környezetet, sõt visszakerülve a föld természetes vízkörforgásába újra felhasználható hidrogén elõállítására.

A  Föld felszínének 2/3-át  víz borítja. Belõle napenergia segítségével elektrolízis útján  hidrogént állíthatunk elõ és a felhasználás végén a vizet vissza is kapjuk. Ezért a hosszú távú felhasználásnak nincs akadálya, mert a körfolyamat biztosítja a "megújulást". Elmondható tehát, hogy olyan újrafelhasználható energiahordozó áll a rendelkezésünkre, melyet nem kell a felhasználás után visszaszállítanunk és  regenerálnunk, hiszen a visszaszállításról a természet gondoskodik. A megfelelõ hatásfokú vízbontási, energiaátalakítási és tárolási technológiák kialakítása, továbbfejlesztése folyamatban van.

Még nem teljesen megoldott viszont a hidrogén  biztonságos, elegendõen nagy energiasûrûségû, gazdaságos tárolása, valamint a kimerült tárolóegységek újratöltése. Mindkettõ fõként biztonsági kérdéseket vet fel, de nem elhanyagolható a nagynyomású rendszer járulékos tömegeinek hatása sem.

Egyebek, érdekességek

Üzemanyag cella  

 Az üzemanyagcellák (Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix) a szárazelemekhez hasonlóan kémiai reakciók útján elektromos áramot állítanak elõ. Amíg a ma széles körben használt "elemeket" kimerülésük után nem tudjuk újra felhasználni -hulladékká válnak-, az üzemanyagcella mindaddig újra és újra használható, amíg az üzemanyagát biztosítjuk. Ez a legtöbbször hidrogén, de léteznek metánnal és metanollal mûködõ cellák is. A  reakció során a hidrogénbõl víz keletkezik, a szénvegyületekbôl még szén-dioxid is, amely közismert üvegház

hatású gáz. Ezért a hidrogén felhasználása környezeti szempontból elõnyösebb. Az üzemanyagcella lényegében katalizátorok és speciális membránok segítségével a hidrogénbõl   és oxigénbõl vizet és elektromos áramot állít elõ.(Forrás: http://www.nrel.gov/data/pix) Az üzemanyagcella önmagában nem újdonság, hiszen a tömegközlekedésben is használják pl. az USA-ban és az ûrsiklón is üzemanyagcellák szolgáltatják az elektromosság egy részét. Ezek a készülékek azonban hatalmasak, és a kW-MW teljesítménytartományban üzemelnek. Ígéretes kutatások folynak azonban a

miniatürizálás irányában, így a közeljövôben akár mobiltelefonra illeszkedô változat is készülhet. Az üzemanyagcellának számos elônye van az akkumulátorokkal szemben. Talán a legfontosabb, hogy pillanatok alatt utántölthetô, és hogy várhatóan lehetséges lesz a jelenlegi akkumulátoroknál sokkal nagyobb kapacitásút elôállítani belôle. Ráadásul gyakorlatilag korlátlan a cella élettartama, ami környezetvédelmi szempontból fontos.

Robotkút hidrogénhez

BMW-nél már tudják,  hogy a benzinen és a gázolajon kívül rövidesen más energiahordozókra is szükség lesz, ezért már évek óta kísérleteznek a hidrogén hatású autókkal. A müncheni repülõtéren át is adták az elsõ nyilvános hidrogéntöltõ állomást. A tankolást robot végzi. Az automatizált folyamathoz elektronikus kártyát használnak.    

   

Felhasznált irodalom

H. Buchner: Energiespeicherung in metalhydriden, Springer-Verlag, Wien (1982)

P. Dantzer: Metal-hydride technology: a critical review, In Hydrogen in Metals III. Properties and Applications, Ed. H. Wimpf, Topics in Applied Physics Vol 73. Springer Verlag (1996)

Garaguly József: Hidrogén abszorpció-deszorpció vizsgálata amorf ötvözetekben, in-situ ellenállásmérésekkel, Doktori Értekezés, BME Közlekedésmérnöki Kar, MTA Szilárdtestfizikai és Optikai Kutató Intézet, Budapest, 1998

C.A. Hampel (Ed.): The Encyclopedia of the Chemical Elements, Reinhold Book Corporation, New York (1968)

W. Hoagland: Solar energy, Scientific American, 150. (Sept. 1995) pp. 136-139

K. Raznjevi: Hõtechnikai táblázatok, Mûszaki Könyvkiadó, Budapest, 1965

J. Töpler, K. Feucht: Results of a test fleet with metal hydride motor cars, Proceedings of the MH88 (Stuttgart, Sept. 4-9, 1988) pp. 1451-1461, Zeitschrift für Physikalishe Chemie Neue Folge, Bd. 164 (1989) pp. 1451-1461

R. Wiswall: Hydrogen storage in metals, In Hydrogen in Metals II. Application oriented properties, Topics in Applied Physics, Vol. 29, Springer Verlag (1978)

J.D. Fast: Interaction of Metals and Gases Vol. 1. Thermodynamics and Phase Relations, Philips Technical Library, 1965.

F.H.M. Spit, J.W. Drijver, W. Turkenburg and S. Radelaar: Thermodynamics and kinetics of hydrogen absorption in amorphous NiZr-alloys, In Metal Hydrides (ed. G. Bambakidis), Plenum Press, New York (1981) pp. 345-360

Vissza  

A geotermikus energia

A megye területén található hévízkutak általános értékelése

A hévízkutatás rövid története megyénkben

Szabolcs-Szatmár-Bereg megye földrajzi felépítése és vízföldtani adottságai alapján geotermikus energia feltárásra különösen kedvezõnek mondható a megyén belül Tiszavasvári-Nagyhalász-Kisvárda-Fehérgyarmat-Nagyecsed-Nagykálló által bezárt terület.

Mint említettük, a megyében az elsõ nagymélységi földtani kutatófúrást Tisztaberek községben mélyítették le még 1934-ben (1105-1109 méter mélységbõl 40 liter melegvíz tört fel percenként.) Rendszeres hévízkutatás a Sóstó I. és Sóstó II. hévízkút lemélyítésével kezdõdött el a területen. Pávai Vajna Ferenc tanácsára 1957-ben fúrták az I. sz. 998 méter mély kutat, amelybõl 50 C-os kloridokban és karbonátokban gazdag gyógyhatású víz tört fel (a kút pozitív volt). Ennek a két fúrásnak a jelentõsége az, hogy egyértelmûvé tette, hogy vízfeltárásra a Nyírségben is van lehetõség és erre a felsõ-pannon üledékek a legalkalmasabbak.

Ennek alsó határa:

Nyíregyházán 750 méter

Nyírlugoson 712 méter

Kisvárdán 751 méter

Tisztaberekben 715 méter

Ez csak a Szamos és a Kraszna közén mélyül el, kb. 800 méterig.

Fent említett 2 kút fúrását Sóstón még további 3 követte, így már 5 mf. található egy viszonylag szûk kb. 500x500 m-es területen.

táblázat

Kút Fúrás ideje Mélység Vízhõfok

I. 1957. 908 50 C

II. 1958. 800 50 C

III. 1967. 601 37 C

IV. 1968. 904 50 C

V. 1991. 789 49 C

A hévízkutak általános értékelése (talpmélység, hõmérséklet, vízhozam, vegyi jelleg, vízkeménység) alapján történik.

A megyében található kutak többsége felsõ-pannon üledékekbe került lemélyítésre és az ott lévõ vízadó homokrétegeket csapolja meg. Mindössze két hévizkútban szûrõztek be alsó-pannonkori rétegeket is. (Mátészalka, Sóstó 1.)

A területen a geotermikus gradiens 14 m/ C és 26 m/ C között változik, átlagosan 17,5 m/ C.

A kutak talpmélysége 513 és 2579 méter között változik, átlagosan 949,2 méter.

A kitermelhetõ vízhozamok 300 és 1600 l/perc közötti, az átlag 892,2 l/perc.

A kifolyó víz hõmérséklete 35 C és 67 C között változik, átlagosan 50,35 C.

A megyei termálvizeket 3 csoportba soroljuk:

a./ hidrogénkarborátos

b./ szulfidos

c./ kloridos

Ezen belül több alcsoportot különböztethetünk meg. A megyében feltárt hévizek túlnyomó része (80%-a) alkálihidrogénkarbonátos, kisebb arányban jódos, brómos.

Kloridos hévizek pl.:

Nyíregyháza Sóstófürdõ I.

Nyíregyháza Sóstófürdõ II.

Nyíregyháza Sóstófürdõ III.

Nagykálló

Tiszavasvári.    

A kationok közül a nátrium és a kalcium szerepel a legnagyobb mennyiségben. Keménységüket tekintve a megye hévízkutjainak többsége a lágy alkalikus vizek csoportjába tartozik. Csak a fehérgyarmati sorolható a kissé kemény vizek közé.

A megye hévízkútjai 1993.

           

A körök a kutak helyét, benne a számok a kifolyó víz hõmérsékletét jelölik (C)

Ásványvizek, gyógyvizek

A hévízkutak kb. 70%-ának a vize ásványvíznek minõsül, ezek nagy része gyógyhatású. Ezek különbözõ szervi és gyulladásos megbetegedések ellen eredményesen használhatók fel (mozgásszervi, reumatikus, nõgyógyászati megbetegedések). A sóstói kutak egy részének alkalikarbonátos és hidrokarbonátos vize gyógyvízként való palackozásra is alkalmas, más része - viszont - mint pl. az 1991-ben fúrt Kínál és Krä  Kft. hévízkútja - a nagy metabórsav tartalom miatt palackozásra vagy ivókúrakénti alkalmazásra nem javasolt. A kisvárdai hévíz is gyógyvíz. Egyaránt felhasználható fürdõvízként és ivókúrára is. Jelentõs jódtartalma miatt jódhiányban szenvedõ betegek kezelésére lehet alkalmazni.

A hévízhasznosítás jelenlegi helyzete

A geotermikus energia sajátosságai, felhasználásának elõnyei és hátrányai

A geotermikus energia hasznosítására vonatkozóan sok még a megoldatlan kérdés. Tartalékaink országosan kétségtelenül nagyok. Elõnyei közé tartozik, hogy ez az energiaforrás nem okoz vegyi vagy nukleáris környezetszennyezést. Nagy mértékben gazdaságossá teszi a hasznosítást az, hogy a hõmennyiséget felszínre hozó víz sokoldalúan értékesíthetõ. Hátránya viszont az, hogy helyhez kötött energia, a hasznosítási célokat elõre kell mindig meghatározni - akár mezõgazdasági, akár kommunális, vagy balneológiai - s a hasznosítást tervezni, természetesen a feltárási lehetõségek, a földtani-geológiai adottságok függvényében. Hiába van meg a magashõfokú víz feltárási lehetõsége (pl: területünkön a penészleki körzetben), ha az adott területen nincsenek olyan hasznosítók, akik segítségével a gazdaságos felhasználás megoldható. Ilyen esetben nemcsak hogy célszerûtlen ennek az energiának a feltárása, hanem környezetvédelmi és vízkészletgazdálkodási okokból egyenesen káros.

A megyében jelenleg a kútállomány magasabb és a kitermelhetõ hõenergia is jóval nagyobb, mint a felhasználás mértéke. A kutak vízhozamának jelenleg 2/3 részét, mintegy 55-60%-át hasznosítják. Egyes területeken a rétegnyomás csökkenés mértéke már a kritikus határhoz közelít, ami szigorú, összehangolt vízgazdálkodást követel.

A kutak vizsgálata során gyakran észleljük, hogy még azonos mélységû, egymástól csekély távolságra levõ kutak termelésénél is rendkívül nagyok az eltérések, helyenként a vízhõmérsékletben, a vízhozamban és az ásványi anyagok összetételében. Ugyanez vonatkozik a hasznosító ágazatok igenyeire is. Eltérõek az igények a berendezések, a kihasználási hatásfok, a használt termálvíz elhelyezésének módja tekintetében is.

Sajnos magas költségû és jelenleg technológiailag is csak részben megoldott a hévíz visszasajtolása (elõzetes mechanikai és biológiai tisztítás után), ami pedig a jövõ szempontjából egyetlen célszerûen járható út (64. ábra). A tervezésnél tehát rendkívül fontos annak eldöntése, hogy milyen formában veszik igénybe ezt az energiát, és az, hogy csak a komplex hasznosítást szabad támogatni.

A geotermikus energia hasznosítási területei

A geotermikus energia hasznosításának területei a következõk:

1. Kommunális hasznosítás (fûtés, használati melegvízellátás, ivóvíz ellátás, hûtés)

2. Balneológiai hasznosítás 3. Mezõgazdasági hasznosítás 4. (fûtés, melegvízellátás, szárítás, hûtõházak, intenzív haltenyésztés, stb.) 5. Egyéb hasznosítás

o ipari hasznosítás (konzervipar, kenderfeldolgozás egyébterületeken pl. a Szentesi Kontaktagyár ílymódon több millióFt-ot takarít meg évente.)

o kereskedelmi felhasználás (hûtõlánc kialakítása) o "gyógyászati termékek" (a gyógyvíz bepárlásával, pl.: Sárvári termálkristály)

o ásványi anyagok kitermelése o villamosenergia termelése (alacsony és magas hõmérsékletû vizekrekidolgozott technológiák révén)

o hõszivattyúk alkalmazásával.

5. Komplex hasznosítás.

Néhány gondolat még a felhasználással kapcsolatosan:

Egy átlagos méretû családi ház olajfûtéséhez kb. 1,2 t/év, használati melegvízellátáshoz pedig 0,6 t/év a fûtõolaj szükséglet. A termálvíz hasznosítása során a makói, mosonmagyaróvári tapasztalatok azt bizonyítják, hogy a háztartások hidegvíz igénye jelentõsen csökken, mivel a felhasznált háztartási víz kb. 80%-a melegvízként hasznosul.

A kommunális célokra fûtés szempontjából többféle hasznosítási megoldást lehet számításba venni. A padozat fûtés a legcélszerûbb Szabolcs-Szatmár-Bereg megye területén - a feltárható vizek hõmérséklete alapján - korszerû hõcserélõ berendezések alkalmazásával. A használati melegvíz- és fûtési igények ellátása tekintetében éppen a megye területén lokálisan -

a sajátos és kedvezõ oldott ásványi anyag tartalomból kiindulva - esetlegesen plusz ráfûtés révén jól hasznosítható ez az energia. A nyíregyházi Jósa András Kórház évente több millió Ft-ot takarít meg hévízkútjának direkt úton történõ melegvíz hasznosításával, - több mint egy évtizede - különösebb korróziós gondok nélkül.

Az ivóvíz-ellátás szempontjából ezeknek a vizeknek a közvetlen hasznosítása már célszerûtlen.

Nagyon elhanyagolt területe a hasznosításnak a hûtés, és szárítás. (A mezõgazdasági energiafelhasználásból a legjelentõsebb tétel még ma is a szárítás 26%, s csak második helyen szerepel a traktorok üzemanyagfogyasztása 24%, az állattenyésztés 14%.)

A különbözõ hasznosítási módok kombinációja jelenti a leggazdaságosabb termálvíz hasznosítást. Vagyis több hõlépcsõben való hasznosítási formában kell megoldani és csak ebben a rendszerben szabad és célszerû vizsgálni a lehetõségeket.

Összegezve tehát; a kommunális, mezõgazdasági és egyéb igények a fûtés, használati melegvíz-ellátás ugyanazon termálvíz bázisra települjön, s így a komplex energetikai, valamint vízellátó rendszer keretén belül valósuljon meg az energia igény kielégítése. A reális megközelítés érdekében a gazdaságossági szempontok, környezetvédelmi szempontok szemmel tartásával csak egy ilyen vertikum-költség vonzatai adnak valós képet a gazdaságos hasznosításra.

A másik nagyon fontos szempont ezzel kapcsolatban, hogy ha komplex hasznosítást tervezünk, új, minõségi, gyakorlati gondolkodásmódra van szükség: a termálvíz energiatartalmát ebben a hasznosítási folyamatban az éves középhõmérsékletnek megfelelõ mértékig hûtjük le és az ilymódon kinyert energiával az évszakonként is változó energia igények minél szélesebb követelményét tudjuk ésszerûen kielégíteni.

A dunántúli Lébény-i termelõszövetkezetben érdekes kísérletet végeztek a termálvíz tárolásával kapcsolatban. Földbe süllyesztett - egyszerû ásott, majd alul és oldalt fóliával szigetelt - víztartályba a nyáron feleslegessé vált melegvizet tárolják a téli idõszakra, a kertészet fûtésére. A vízfelszínre kb. 4 cm vastagon mûanyag szigetelõ törmeléket szórtak, majd e fölött 20-30 cm-re egy takaró fóliát helyeztek el. A felületi szigetelés olyan tökéletesnek bizonyult, hogy a felsõ fólián a hó is megmaradt. A nagy tömegû melegvíz biztosítja a - ma már osztrák tulajdonban lévõ - gazdaság kertészetének téli hõigényét.

Ugyanezt a technológiát lehetne alkalmazni a termálvizen kívül a nyári idõszakról tárolt napenergiára is ilyen módon, hiszen a napkollektorokkal 80-90°C-os vizet könnyen elõ tudunk állítani. A Philips cég kísérleti zéró-energia háza is ilyen elven mûködik.

Éppen Szabolcs-Szatmár-Bereg megyében az eddigi technológiai tapasztalatok alapján úgy kell terveznünk a geotermikus kutakat, hogy a kihasználtság lehetõleg egész évben biztosítva legyen. A komplex hasznosításra vonatkozóan ilyen megközelítések még a felmerülõ költségek csökkentésére (kúttelepítés, vízkezelés megosztás) is nagyobb lehetõséget adnak. A legcélravezetõbb útnak az látszik, ha a területünkön prognosztizálható társadalmi, gazdasági célokat, mint perem feltételeket kezeljük, s azt vizsgáljuk, hogy miként lehet a leggazdaságosabb módon ezt termál energiával megoldani és amikor a döntési lehetõségek már megvannak, akkor a szükségletek jellemzése alapján a megoldást a gazdasági optimum függvényében kell kialakítani.

Országosan az eddigi termálenergia-hasznosításban a lakások, középületek fûtésére mintegy 4% jutott és a használati melegvíz-ellátással együtt még plusz 1,88%.

A lakótelepek, középületek fûtésere leginkább alkalmas 70 °C-nál melegebb hévíz nyerésére az ország nagy területein van lehetõség, de sajnos Szabolcs-Szatmár-Bereg megyében a geológiai adottságok e tekintetben nem túl kedvezõek, de hõszivattyúval ez a folyamat kiválóan és gazdaságosan megoldható. Egyedül az észak-keleti területen és Tiszavasvári környékén, s néhány mély medencében van lehetõség arra, hogy nagyobb hõfokú vizet (megközelítõen ilyen hõmérséklettel) tárjunk fel.

A legújabb geofizikai kutatások alapján a Szabolcs-Szatmár-Bereg megye délkeleti, a román határmenti területeken jóval 100 °C (150-180 °C) feletti réteg hõmérsékletek tételezhetõk fel 3500-4000 m mélységben. Itt már kõbányászatot is lehetne folytatni.

A megye hévízkútjainak vizét legnagyobb mértékben (68,43%-ban) balneológiai célokra használják. A hat fedett fürdõbõl három Nyíregyházán, egy-egy Kisvárdán, Mátészalkán és Nagykállóban üzemel.

A balneológiai célokat szolgáló hévízhasznosítás az év meghatározott idõszakában teljes értékû, amikor ezek az igények lecsökkennek, akkor a hévízkutak minimálisan vannak kihasználva. Így pl. a mátészalkai, a kisvárdai II. kút vagy a nagykállói kút. Ezeknek a kutaknak a hõhasznosítását - mindenképpen - szezonon kívül is meg kellene oldani. A hasznosítás bõvítését

célozná, hogyha még a használaton kívüli hévízkutakat is bekapcsolnák a termelésbe (4 db). (A kutak kihasználtságára egy, példát említek. Amikor a Tanárképzõ Fõiskolát felépítették Nyíregyházán azzal az elgondolással, hogy a megye legnagyobb ott épülõ tornacsarnoka mellé uszodát is építenek oktatási célokra, lemélyítettek egy hévízkutat is. Ennek talpmélysége 900 m. A kút termelésre történõ kiképzése során 59 °C-os vizet produkált, 1600 l/perc teljesítménnyel. A kutat 19 évig nem hasznosították. A kút pozitív kút volt. Jelenleg mintegy 5%-os kapacitás kihasználással, egy kisebb tanuszoda céljára hasznosítják a vizet. A rendszertelen termelés és a kútkarbantartás hiánya is hozzájárult a rétegnyomás csökkenéshez, s így már búvárszivattyút kell alkalmazni.)    

Javaslat a megye geotermikus energiakészletének hasznosítására, különös tekintettel a gazdaságilag hátrányos helyzetû területekre

Az eddig elmondottakból kitûnik, hogy a megye területén számos helyen van lehetõség ennek az energiának a feltárására, hasznosítására. A termálvizek bakterológiai szempontból általában nem esnek kifogás alá. A megyében sajnos számos olyan kút van, amit nem hasznosítanak, vagy csak csekély mértékben. Az elmaradott térségekben létesítendõ ipari létesítményekben vagy más, elsõsorban mezõgazdasági beruházásokban (szárítás, aszalás, gombatermesztés, fólia és üvegházak fûtése, stb.) az itt feltárásra kerülõ vizet (helyenként akár technológiai vízként is) kiválóan lehetne hasznosítani.

Természetesen a víz kémiai összetételének megfelelõen esetleg hõcserélõn keresztül, de mindenképpen olyan komplex módon, ami a maximális energia levételt eredményezné. A víz helyenkénti kedvezõ kémiai összetétele alapján, a haltenyésztésben, halastavak, keltetõk létesítésével is hasznosulhatnának a már feltárt kutak. Intenzív haltenyésztés megvalósítására született egy terv, amelyet Tiszabecsen valósítottak volna meg. A norvég MARENOR beruházó társaság magyarországi közös vállalata a Szarvasi Haltenyésztési Kutatóintézet (MAGNOR) zárt rendszerû melegvizes medencében tok halat és afrikai törpe harcsát akart tenyészteni. A halak intenzív növekedéséhez 20 C hõmérsékletû víz szükséges. Ezt a vizet 6-700 méter mélybõl felhozott 45-50°C-os, valamint a parti szûrésû kutakból nyert 12 °C-os víz elegyítésével könnyel lehetne itt biztositani. Sajnos a beruházáshoz szükséges összeg nem állt rendelkezésre, így ez az elképzelés nem valósulhatott meg. A befektetés kb. 3 év alatt térült volna meg. (Azért került elõtérbe a Felsõ-Tiszavidék, mivel a Dél-Alföld hévizei, egész Karcag vonaláig számos helyen magas arzén tartalmúak.)

Nincs hasznosítva a nagyhalászi kút, továbbá a nyírbátori hévízkút, ami csak kis részben van igénybe véve. Nincs megoldva a gemzsei kút kihasználtsága, a vásárosnaményi kutat megfelelõ technológiai igények szolgálatába lehetne állítani, mivel az 57 °C-os víz hasznosítása csak balneológiai. A baktalórántházi kút szintén nincs kihasználva. A legmagasabb hõértékû vizet adó tiszavasvári kút technológiai problémái megoldásra várnak.

A megye területén az elmúlt idõszakban több szerkezet- és szénhidrogénkutató fúrást mélyítettek le. Ezek - a Penészlek-i fúrások kivételével - meddõnek bizonyultak. Egyes csövezett kutak viszonylagosan kis költséggel termálkutakká képezhetõk ki, perspektivikusan a hõhasznosítási elképzelésekbe esetleg figyelembe vehetõk.

A kitermelt termálvizek visszasajtolásának problémái

Mint az eddigiekben már többízben említettük a jövõbeni termálvízhasznosítás együtt kell, hogy járjon a felhasznált, majd mechanikai és biológiai tisztításon átesett termálvíz visszasajtolásával. Ez nemzeti  érdek, mivel a vízkészletek végesek, ugyanakkor sok helyen a depresszió olyan mértékû lett néhány év alatt, ami az eddigi pozitív kutak termelését is csak búvárszivattyúval teszi tehetõvé. Van olyan terület az országban, ahol 50-60 méter értékû a depressziós szint, s egy évtizeden belül esett ennyire vissza. Mindemellett, nem ismerjük minden vízadó rétegnek a hidrodinamikai viszonyait, és nem ismerjlük a visszaáramlás, újból való  feltöltõdés sajátos kommunikációs lehetõségeit.

A magyar bányatörvény a víz elhelyezésére vonatkozóan szigorú környezetvédelmi elõírásokat tartalmaz. Ezek a geotermikus energia széleskörû hasznosítását is megkérdõjelezik, illetve nagymértékben befolyásolják. Vízvisszasajtolásra már 1970-tõl vannak tapasztalataink, de ennek széleskörû bevezetéséhez még pontosabban kell ismernünk a kísérleti eredményeket. A legjelentõsebb víz-visszasajtolás Szeged város mellett az algyõi szénhidrogénmezõ területén volt, kísérleti jelleggel.

A hőszivattyú a jövő energiaforrása.

A Föld élővilágát egy rendkívüli hőegyensúly hozta létre, mely a Nap sugárzásából, valamint a Föld belső hőjéből és a Világűr dermesztő hidegének kölcsönhatásából alakult ki. Az ehhez tartozó globális energiaszintet helyileg befolyásolja a Föld forgás-tengelye, az Óceánok meleget tároló és a sarkok, gleccserek hideget tároló hatása. A viszonylag állandó éghajlat tette lehetővé a magasabb rendű élet kialakulását.

A földi energia mai szintje évmilliárdok alatt alakult ki. Óriási anyag és energiaforgalom mellett került dinamikusan kiegyensúlyozott állapotba. Azonban ez az egyensúly igen kényes. A geológia és a biológia tanúsítja, hogy egy-egy helyi katasztrófa, vulkán kitörés vagy meteor becsapódás hosszú időre felborította ezt az egyensúlyt, fajok, kultúrák pusztultak el és évezredek kellettek hozzá, hogy az egyensúly újra helyreálljon.

A földi hőforgalom egyik fontos eleme a széndioxid. Ez szükséges a növényvilág felépítéséhez, a légkörben jelenlévő része pedig vékony takaróként segít tartalékolni a földre jutó napenergiát, az éjszakai kisugárzás visszatartásával.

Évezredekig az emberiség hőigényét a fa és más növényi anyagok eltüzelésével elégítette ki. Az ezek elégésénél felszabaduló széndioxid a fejlődő növényzetbe beépült, így az egyensúlyban nem történt változás.

Az ipari forradalommal az emberi társadalom arra a veszélyes útra lépett, mely a Föld dinamikus energia egyensúlyának megsérüléséhez vezet. A veszélyt a fosszilis energiahordozók, a szén, az olaj, a földgáz egyre növekvő elégetése okozza. Ezek elégetésénél a hő keletkezése során káros anyagok kerülnek a légkörbe. A Föld hőegyensúlyára ezek közül a széndioxid az egyik legveszélyesebb. A megsokszorozódott széndioxid kibocsátás miatt a "hővédő takaró" megvastagszik és a szükségesnél jobban visszatartja a Nap hőjét, hasonlóan az üvegházakhoz. Sok mérési adat bizonyítja, hogy a légkör és ennek folytán az óceánok felmelegedése megindult. A felmelegedés folytán növekszik a légkör és a tengerek mozgási energiája. Bizonyítják ezt az egyre gyakoribbá és erősebbé, pusztítóbbá váló orkánok, zivatarok, árvizek.

1850 óta mérik az Alpok gleccsereinek visszahúzódását, fogyását, melyet szintén a légkör felmelegedése okoz. Az ipari forradalom kezdetétől rohamosan növekvő szénfogyasztás olyan tömegű CO2-t bocsát ki, melyet az egyre fogyatkozó növényzet már nem tud feldolgozni és növeli az üvegházhatást. 1850-óta a légkör CO2 tartalma 290-300 ppm-ről 370-380 ppm-re növekedett. Azóta a Föld légkörének hőmérséklete 0,9 0C-vel emelkedett. A riasztó, hogy ebből 0,70C az utolsó 30 évben állt elő és a változást leíró grafikon exponenciális emelkedést mutat.

A szkeptikusok szerint csupán egy periodikus felmelegedésnek vagyunk résztvevői, amilyenek kb. 10.000 évenként követik a lehűléseket. Ennek ellentmond, hogy a geológiai vizsgálatok tanúsága szerint a felmelegedés, ill. lehűlés üteme kb. 1000 évenként volt 1 0C, tízszer lassúbb, mint a most mért.

A legutóbbi hidegcsúcs 18.000 éve volt és kb 8000 évig tartott, míg a földi középhőmérséklet 50C-t emelkedve bekövetkezett a meleg időszak. Ekkor az óceánok szintje 100-120 m-rel volt magasabb a jelenleginél. Az ismétlődő periódusok üteme szerint jelenleg egy lassú lehűlésnek kellene kezdődnie. Ezzel szemben az emberi beavatkozás miatt módosult a globális ütem.

Fennáll a veszélye a tengeráramlatok irányváltoztatásának. A Golf áramlat ad lehetőséget Skandináviának, a Brit szigeteknek a mérsékelt égövi civilizációra, szemben a velük egy szélességi fokon fekvő Alaszkával, Észak-Kanadával. Tudósok szerint reális a veszélye a Golf és más áramlatok útvonala módosulásának.

A változásnak vannak már igen durva jelei. A Déli Sarkról olyan jégtömegek váltak le, amelyek miatt a hajózási térképeket módosítani kell . Műholdak figyelik a az egyre magasabbra sodródó, több tízezer négyzetkilométeres jéghegyek útját, hogy ne veszélyeztessék a hajózási útvonalakat.

Ha a tovább növekvő energia éhséget, növekvő fűtési és hűtési igényeket, a szaporodó gépkocsikat a jövőben is a mai ütemű fosszilis energia felhasználással elégítjük ki, akkor történelmileg rövid időszak alatt, (valószínűleg még ebben az évszázadban ) katasztrófa elé kell néznünk. Al Gore, az USA alelnöke (és lehet, hogy még ebben az évben elnöke) a következőket írta a fosszilis anyagok növekvő felhasználásáról:

"Ma már tudjuk, hogy halmozódó globális környezeti hatásuk halálos veszélyt jelent minden nemzet biztonságára, halálosabbat, mint amilyet bármilyen hadászati ellenfél jelenthet, amellyel valaha is találkoztunk."

Mit ért ezalatt?

Az emberiség szegényebb fele a tengerpartok 50 km-es körzetében él. Gondoljunk Nyugat- és Kelet Indiára, a Kínai Alföldre, a Közel-Keletre, a Missisipi, az Amazonas, a Rio de la Plata, a Nilus, az Eufrates, a Rajna és sok más folyó torkolatvidékére. A tengerek szintjének néhány méteres emelkedése többszáz-milliós tömegeket mozgatna meg, olyan népvándorlást, az ezzel járó nemzetiségi, vallási konfliktusokat, háborúkat gerjesztve, amilyenekhez képest a népvándorlás, vagy a XX. század világháborúi gyermekjátékok voltak. Ez a veszély sajnos egyre reálisabb lesz.

A fosszilis energiahordozók felhasználásának egyik határa a kimeríthetőségük, amire sokszor gondoltunk, a másik a légkör CO2 terhelhetősége, amit eddig nem igen vettünk figyelembe. Korábban azt hitték, hogy az előbbi rejti a nagyobb veszélyt. De mindig fedeznek fel új olaj- és gázlelőhelyeket, a szénkincs pedig kifogyhatatlannak tűnik. Be kell látnunk, hogy a másik a veszélyesebb, a közelebbi.

Kétségtelen, hogy az emberi civilizációt pusztulással fenyegető felmelegedés megindult, üteme gyorsul.

Az emberiség néhány százalékát kitevő gazdag társadalmak vezetői elszánták magukat a fosszilis energia felhasználás csökkentésére. De a nagy többséget kitevő fejlődő és fejletlen népeket nem lehet - és nem is szabad - visszatartani attól, hogy kövessék a kulturális és civilizációs fejlődés útját, az azzal járó növekvő energiafelhasználást.

Milyen kiutat kell találni? Van-e egyáltalán kiút? Hiszen ép az energiatermelő és szolgáltató multinacionális trösztök, gáz-és olajtermelő országok érdeke a fosszilis tüzelőanyagok minél nagyobb forgalma és az ebből fakadó profit.

Biztos, hogy ez a megoldás még több akadállyal fog találkozni, mint az ózonréteget veszélyeztető freonok használatának korlátozása, ami a nemzetközi szerződések ellenére sok tekintetben még ma is írott malaszt maradt.

De erre az útra rá kell térnünk, még hozzá minél előbb, mielőtt a változások öngerjesztővé, vissza nem fordíthatókká válnak.

A megoldás kétségtelenül a CO2 kibocsátás csökkentése.

Ennek egyik módja a legnagyobb kibocsátók, az erőművek, a háztartások, a közlekedés, az ipar energiafogyasztásának csökkentése anélkül, hogy le kellene mondani az eddig megszokott kényelemről és biztosítani lehessen a fejlődő népek növekvő energiaigényét.

Vegyük sorba.

Az erőműveket eddig lakott területektől távolra építették, hogy az égéstermékek ne veszélyeztessék a lakott környezetet. Elégették úgy a fosszilis energiahordozót a villamos áram termeléséhez, hogy maximum 40% hasznosult, a többi a légkörbe vagy közeli folyóba került. A környezetvédelmi intézkedések újabban kötelezik az erőműveket, különösen újak építésénél, hogy a füstgázból mossák ki a pernyét, kormot, savakat, mentesítve ettől a környezetet. De a hőveszteség és vele a nagymennyiségű CO2 továbbra is terheli a légkört, növeli az üvegház hatást.

A távfűtés térhódításával azok az erőművek, melyek fogyasztók közelében épültek, legalább a fűtési időszakban hasznosítani tudták a hőt és csökkent a veszteségük. Egyre több erőművet építenek eleve ilyen kettőscélú hasznosításra és ezzel jelentősen csökkentik a fosszilis energia felhasználását és a környezet hőterhelését, mivel az általuk ellátott fogyasztók már nem használnak a fűtésre és vízmelegítésre más energiát.

Sok hagyományos erőmű azonban nincs fogyasztói környezetben és ezek még évtizedekig fogják hulladék hőjükkel terhelni a környezetet. Hacsak nem találnak valami olyan megoldást, hogy ezt a hőt nagy távolságra is érdemes legyen szállítani.

A vízierőművek tisztán, káros hatások nélkül termelnek elektromos energiát, de csak ott, ahol építésük, üzemük nem károsítja más formában a környezetet. Vízierőművekre vannak nagyon jó és nagyon rossz példák. Tervezésük mindenképen nagy figyelmet és szélesebb környezeti vizsgálatot igényel. Hála a nagy távolságra kis veszteséggel szállítható elektromos energiának, lakott vidékektől távol még sok lehetőség van új, hatalmas vízierőművek kiépítésére.

Hasonló a helyzet az atomerőművekkel. Emisszió kibocsátásuk nincs, nem növelik az üvegház hatást. Az üzemükhöz szükséges hasadóanyag szinte végtelen mennyiségben rendelkezésre áll. Néhány súlyos baleset megriasztotta a közvéleményt, az utolsó évtizedben ennek következtében megtorpant elterjedésük. Rövid ideje ismét megindult több kontinensen atomerőművek építése. Ennél az energiaforrásnál fokozottan áll, hogy lakott terület közelében nem fognak a közeli évtizedekben ilyet építeni, viszont a villamos energia tőlük is szállítható.

Vannak nagy reményekkel kecsegtető új megoldások, mint a szélerőművek, a napsugárzás közvetlen átalakítása elektromos energiává, a tengerek ár-apály energiájának kihasználása, a termikus nukleáris energia, melynél nem kell katasztrófával számolni. Ezek azonban annyira a kutatás állapotában vannak, olyan költségesek, oly hosszú a beruházás megtérülési ideje, hogy csak gazdag államok jelentékeny állami támogatásával lehet létesítésüket elősegíteni.

Két olyan környezetbarát technikai megoldás van jelenleg, melyek a fosszilis forrásoknál olcsóbban termelnek hőt és megtérülési idejük sem túl hosszú. Ezek a napelemek és a hőszivattyúk. Elektromos energiát nem lehet velük termelni, de a fűtéshez és vízmelegítéshez használt fosszilis energiahordozók kiváltására alkalmasak. Amint a fenti ábrán látható, a háztartások és ugyanígy a közületek energia fogyasztásának nagyobb részét fűtésre és vízmelegítésre használják, tehát nagy a jelentősége a ma ehhez használt fosszilis energiahordozók kiváltásának.

A napelem nagy előnye, hogy felépítése után gyakorlatilag költségmentesen állít elő hőt. Hátránya, hogy borús időben csökken a teljesítménye, éjszaka nem termel hőt. Fűtésre csak második energiaforrásként használható. Felépítése helyigényes, költséges, emiatt csak kisebb teljesítményre - háztartási méretekben - alkalmazhatók. 1 m2 napelem teljesítménye max.. 800 W, borús időben ennek töredéke. Egy 12 lakásos társasház fűtési és vízmelegítési hőigénye 50-100 kW, ehhez a tetőzet déli és keleti oldalát kell lefedni napelemekkel. Ez kb. a felső határa éghajlatunk alatt a napelemek hasznosíthatóságának. A rohamosan növekvő városok egyre magasabb lakóházai számára ez nem megoldás. De terjed a családi házaknál és különösen a melegebb éghajlat alatt, ahol a hosszabb napos idő és a kisebb fűtési igény növeli a használhatóságát. Legelőnyösebb ott, pl. a Balaton vagy a Velencei tó mellett, ahol csak nyáron szükséges a melegvíz előállítása.

A hőszivattyúk hátránya a napelemekkel szemben, hogy meghajtó energiát igényelnek. Ez az esetek túlnyomó részében elektromos energia, a hőszivattyú kompresszorával egybeépített villamos motor, melynek energiája is hővé átalakulva hasznosul a hőszivattyús folyamatban. Korábban gyakori volt a gáz- vagy dízelmotorral meghajtott hőszivattyú, de az olaj és gáz drágulása, a robbanó motor magasabb előállítási költsége és az egyszerűbb üzemű villanymotorral szembeni hátrányai miatt az érdeklődés iránta csökkent és egyre kevesebb gyár állítja elő.

A hőszivattyú olyan nagyteljesítményű klímagép, melyet elsősorban fűtésre használnak, de egy átkapcsolással hűtött vizet vagy levegőt tud keringetni a fűtési rendszerben, tehát klímagépet pótol. Felépítése egyszerű. Két hőcserélőt egy körvezeték köt össze. Egy kompresszor a csővezetékben olyan munkaközeget keringet, melynek igen alacsony a forráspontja, csak nagy nyomás alatt cseppfolyósodik. A hideg oldali hőcserélő előtt a folyékony halmazállapotban lévő munkaközeg nyomását egy nyomáscsökkentő szelep leejti kb. 5 bar-ra. Ekkor a munkaközeg hevesen elpárolog, kb. 0 0C-ra lehűl és a párolgáshoz szükséges hőt a hőcserélő másik oldalán átfolyó környezeti közegből (vízből, levegőből, termálvíz hulladékból. szennyvízből, stb ) vonja el, annak lehűtésével. A kb. 50C-re felmelegedett munkaközeget a kompresszor elszívja, besűríti 15 - 25 bar nyomásra, melytől a lecsapódó munkaközeg felmelegszik 40 - 600C-ra. A lecsapódásnál felszabadul az a hő, melyet a környezetből elvont, megnövelve a kompresszorba betáplált és hővé átalakult energiával. Mindezt az energiát a másik hőcserélőn áthaladva átadja a fűtési rendszerben keringő fűtőközegnek.

A hőszivattyú hasznosságát az jelzi, hogy egységnyi meghajtó energiával hány egység hőt tud a környezetből elvonni. Ezt az arányt a hatékonysági mutatóval ( COP, ) jelzik, amely mindig nagyobb 1-nél. A COP értéke levegőből történő hőnyerésnél éves átlagban 3, talajvíznél 4, termálvíz 20-250C-al elfolyó csurgalékát felhasználva 5 - 7.

Beruházási költsége viszonylag nem magas, a világpiaci energiaárakkal szemben csupán 2 - 5 év a megtérülési ideje. Elterjedése az olajár-robbanások után rohamossá vált, majd ennek elmúltával lelassult, az utolsó 6 éve az olaj és gáz árának emelkedése miatt ismét felgyorsulóban van.

A fenti ábra mutatja Svájcban és Németországban az évenkénti új beépítések darabszámát.

A hőszivattyú előnye, hogy kicsi a helyigénye, nagy teljesítményekre is alkalmas és önállóan képes nagyobb igények teljes ellátására, hidegebb vidéken is. A kompresszor meghajtásához szükséges vásárolt energia többszörösét tudja a környezetből elvont hővel leadni.

Elméletét Carnot dolgozta ki, az első hőszivattyúkat 1870 körül alkalmazta von Rittingen osztrák mérnök a Salzburg környéki sóbányákban.

1999 májusában Berlinben tartották a Nemzetközi Energia Ügynökség szervezésében a VI. Hőszivattyús Világkonferenciát.

9 millió fűtési hőszivattyú üzemel a Föld országaiban. Üzemük már 6%-kal csökkenti a CO2 kibocsátást. Élenjár az USA és Japán, ahol évente 1 - 1 millió hőszivattyút gyártanak. De Európában is mindinkább teret nyer, különösen azokban az államokban, melyek importálni kénytelenek a fosszilis energiahordozókat és államilag preferálják a környezetbarát hőtermelést. A hőszivattyú nem különbözik lényegesen a klímagéptől vagy hűtőgéptől Akkor nevezzük hőszivattyúnak, ha elsősorban fűtésre használják és csak másodsorban hűtésre. Sokan vitatják, hogy besorolható-e a megújuló energiaforrások közé. Ez a nézet uralkodik kormányzati hivatalainkban is.

A következő táblázat mutatja 100 kW hőtartalmú fosszilis energiával előállítható villamos, ill. hőenergia mennyiségét, a veszteséget és a környezet hőtartalmából hasznosított részt, kWó-ban.

ENERGIA HASZNOSÍTÁS kWó

Bevitt energia

Termelt áram

Felhasznált áram

energia veszteség

Környezeti energia

Hasznos energia

Villamos erőmű olajjal 100 35 0 65 0 35

Villamos erőmű gázzal 100 40 0 60 0 40

Villamos erőmű gázzal, kombi ciklus 100 40 0 10 0 90

Olajkazán 100 0 0 40 0 60

Gázkazán régi 100 0 0 30 0 70

Gázkazán új 100 0 0 20 0 80

Gázkazán kondenzációs 100 0 0 10 15 105

Hőszivattyú levegő, talajhőből 100 0 40 60 80 120

Hőszivattyú talajvízből 100 0 40 60 120 160

Hőszivattyú termál csurgalékból 100 0 40 60 160 200

Az utolsó oszlopon látható, hogy a fosszilis energiahordozó elégetéséből hány % energiát nyerhetünk. A hőszivattyú hatékonysága, - még ha figyelembe vesszük a meghajtó elektromos energia előállításánál keletkező veszteséget is - magasan felülmúlja még a korszerű kombi ciklusú villamos erőműét vagy kondenzációs gázkazánét is.

Az észszerű megoldás a jövőre nézve kínálkozik. A fosszilis energiahordozókkal üzemeltessünk kombi ciklusú erőműveket fogyasztó helyek közelében. Hazánkban már több ilyen üzemel, legutóbb a Csepeli Erőmű rekonstrukciója történt ily módon. A termelt hővel elláthatók nagyfogyasztók, távfűtött lakótelepek. A villamos energiával pedig a kombi-távfűtéssel gazdaságosan el nem látható fogyasztók egyedi és telepi, lakótelepi hőszivattyús fűtése oldható meg.

A nálunk fejlettebb országokban erre sok példa adódik. Stockholmban egy 260 MW teljesítményű hőszivattyús távfűtő telep a tenger vízéből nyeri a hőt. Egy 150 MW teljesítményű pedig a városi szennyvíztisztító elfolyó vízének lehűtésével dolgozik.

Ha nem is ekkora mértékben, de nálunk is vannak eredményes telepítések.

A Harkányi Gyógyfürdő elfolyó vízéből nyeri energiájának 5/6-od részét két 1100 kW-os hőszivattyú, mely a fürdő közelében lévő nagyfogyasztók fűtését végzi. Eredetileg 4 egységet terveztek, erre elegendő az elfolyó víz hőtartalma, de a gáz-lobby érdekek a befejezést egyelőre meghiúsították.

A Szekszárdi Húskombinátban egy 500 kW hőteljesítményű hőszivattyú a 220C-os üzemi szennyvízből nyeri az energiát és a 140C hőfokú ivóvizet 450C-ra előmelegíti a kazántápvíz készítéséhez.

A Fővárosi Vízművek Halásztelki kúttelepén 1984 óta egy 450 m2-es épületet fűtenek az ivóvízből nyert energiával. A lehűtött ivóvíz visszakerül a hálózatba, ahol útja során a földhő visszamelegíti.

Hazánk területén rengeteg hévíz-kút felhasználás után 30-350C-kal elfolyó vízéből 5 - 6-os hatékonysággal lehet fűtésre felhasználható hőt termelni. De a Kárpát-medence alján fekvő országunkban talajvíz szinte mindenütt található Ebből 4-es hatékonysággal üzemeltethető a hőszivattyú.

A magyar műszaki élet egyik nagy tudósa, Dr Heller László professzor - aki 1948-ban doktori disszertációját a hőszivattyúról készítette - már az ötvenes években javasolta a Parlament fűtését és hűtését hőszivattyú segítségével a Duna vizéből. A Duna és más folyóink vízének hőtartalma a hazai igényekhez képest végtelen. A legkisebb Duna-vízhozamból 20C kinyerésével 7.500 MW hőenergia nyerhető.

Az Északpesti Szennyvíztisztító elfolyó vízéből kb. 100 MW hő lenne hőszivattyúval kinyerhető a környéken lévő fogyasztók számára.

A fosszilis energia több mint felét ma olyan igényre fordítják, amely napenergiával, bioenergiával, hőszivattyúval kiváltható. Az osztrák kormány a fosszilis energia import csökkentés érdekében támogatja a megújuló energiaforrásokat. 10 évvel ezelőtt kormányprogramba iktatták ezek preferálását. A támogatás több oldalú. Alacsony kamatú, hosszú lejáratú hitelek, adóalap csökkentés, kedvezményes áramtarifa. Ennek eredménye, hogy ma már 1000 MW hőszivattyú és 300 MW napenergia kapacitás működik Ausztriában, jelentősen csökkent az olajimport és a kibocsátott emisszió.

Az EU országaiban kormányrendelet írja elő az áramszolgáltatóknak a kedvezményes tarifa nyújtását hőszivattyús fogyasztók számára.

Nálunk az energiaárak jelentősen eltérnek tényleges értéküktől. A földgázé 25-30%-a, a tüzelőolajé kétszerese a valóságosnak. . A földgáz esetében ez pazarló használathoz vezet, dezorientálja a fogyasztókat.

Igen hasonló a helyzet, mint volt az ivóvíznél. A korábbi kormányok "szociális" indokból mesterségesen alacsony szinten tartották az ivóvíz árát. A tényleges előállítási költségnek kb. 20%-át fizették a fogyasztók, a többit az állam a termelőknek dotálta. Ennek eredménye a mértéktelen ivóvíz pazarlás volt.

Az ipari és kertészeti üzemek leállították saját kútjaikat és ráálltak a városi ivóvízre. Ez lakósági vízhiány formájában jelentkezett. Óriási költségű beruházásokkal kellett a fogyasztás növekedésével versenyt futni. Pl. Budapest napi ivóvízfogyasztása a 80-as évekre elérte az 1.350.000 m3-t. Ez több, mint kétszerese volt a hasonló lakósszámú és iparú Bécsnek, Milanónak vagy Nyugat-Berlinnek. Miután megszűnt az ivóvíz dotálása és a fogyasztói áraknak kellett a termelés költségeit fedezni, a budapesti ivóvízfogyasztás visszaesett kevesebb, mint felére, napi 5 - 600.000 m3-re. Ez a folyamat az egész országban hasonló volt.

Ez fog a gáznál is történni. Előbb-utóbb kénytelenek leszünk a földgáznak az értékarányos árát bevezetni. Azonnal meg fog szűnni az igény az újabb gázvezeték-fektetésre, több marad a szennyvíz hálózat lemaradásának behozására. Ki fog alakulni lassan az egy vezetékes energiarendszer. A fogyasztó minden igényét az elektromos energia segítségével fogják kielégíteni.

Természetesen ez gondot jelentene a gázszolgáltatóknak, mert mint ahogy a vízműveknél történt, kihasználatlanná válna a kapacitásuk, csökkenne a nyereségük, növekedne a nem fizetők száma. De a magasabb ár, szervezési intézkedésekkel kiegészítve, kárpótolná őket. Az alacsony jövedelmű

fogyasztók számára súlyos problémát jelentene a földgáz árának világpiaci szintre emelése, de abból a kb. 100 milliárd egy részéből, amit a MOL évente ráfizet a ma már a fogyasztás 80%-át kitevő import-gázra, lehetne a rászorulókat támogatni.

Az ország háztartásainak harmada még nincs vezetékes gázzal ellátva. Elektromos ellátás azonban mindenütt van. Ezeken a területeken és az új építkezőknek kellene az EU-hoz hasonlóan olyan kedvezményeket, hiteleket adni, hogy érdemes legyen elektromos meghajtású hőszivattyúval felváltani a drága PB gázt és olajat, a sok kézimunkával és szennyel járó, már nem is olyan olcsó szénfűtést.

Az alanti .táblázat mutatja a különböző energiahordozókkal fűtött 200 m2-es családi ház átlagos fűtési költségét a használatos energia hordozókkal.

200 m2-es családiház fűtési költsége (jól szigetelt)

Fűtőanyag Egység Egységnyi Tüzelési Éves költség

Ft kWó hatásfok Ft/kWó Ft/év

tüzelőolaj liter 152,00 9,22 0,70 23,55 188 410

Fűtőolaj kg 97,50 11,00 0,70 12,66 101 299

földgáz háztartásnak m3 31,12 9,03 0,80 4,31 34 463

földgáz nem házt. m3 27,06 9,03 0,80 3,75 29 967

PB gáz tartályos kg 125,44 12,80 0,80 12,25 98 000

PB gáz palackos kg 181,73 12,80 0,80 17,75 141 977

magyar szén kg 16,00 6,63 0,60 4,02 32 177

import szén kg 27,00 5,58 0,65 7,44 59 553

éjszakai áram kWó 10,08 1,00 0,96 10,50 84 000

távfűtés (gázzal) Ft/m3/év 1000,00 9,03 0,74 14,97 119 721

hőszivattyú vizből kWó 20,94 1,00 4,00 5,24 41 880

hősziv. levegőből kWó 20,94 1,00 3,00 6,98 55 840

szennyvizből kWó 20,94 1,00 4,50 4,65 37 227

Ez az áramszolgáltatók számára a piac növekedését hozza, nagyobb kapacitás kihasználást és nyereséget. De nékik kell elsősorban, - mint nyugati partnereik is teszik - a hőszivattyús üzemet kölcsönökkel, vásárlási támogatással és tarifakedvezménnyel elősegíteni. És nem utolsósorban, a széles közönség előtt ma még alig ismert hőszivattyús rendszerről a közönséget tájékoztatni. Ennek kezdeti lépései az ELMÜ, a DÉMÁSZ és DÉDÁSZ egyes kiadványaival megtörténtek. Szükség lenne a különböző érdeklődési körök számára szerkesztett tájékoztató anyagokra. Pl. a gimnáziumok fizika óráján vídeo-filmen mutatni be a hőszivattyú fizikai törvényeit.

Szakmai kiadványok az építészek, az épület gépészek, az önkormányzati hivatalok műszaki dolgozói, a hűtőgép szerelők, stb számára .

Ekkor remélhető, hogy a most felnövő nemzedék már oly természetesnek fogja venni a hőszivattyú üzemét, mint egy svájci vagy kanadai szakember, akinek akkor kell magyarázkodnia, ha az új lakóházba nem hőszivattyús fűtést tervez.

Sajnos hazánkban a kormányzati szervek sem ismerték fel még a hőszivattyú jelentőségét. Néhány évvel ezelőtt az EU-hoz csatlakozni szándékozó országok számára lehetőség volt a hőszivattyú széleskörű ismertetése számára jelentős támogatást kapni. Az Energia Központ feladata volt ennek a megszerzése. Az erre kiirt pályázatot az EGI dolgozata nyerte el, mely azt bizonygatta, hogy hazánkban csak igen speciális esetekben gazdaságos a hőszivattyú, általában nem érdemes foglalkozni vele.

Ez a vélemény az uralkodó ma is a hivatalos körökben. Az Energia Központ számos füzetben tájékoztatta a közönséget az energia-megtakarítás különböző lehetőségeiről.

A megújuló energia forrásokat népszerűsítő füzetben hőszivattyúról a három mondatos tájékoztatás után a következő értékelést adja:

"Mivel általában villamos energia kell működtetéséhez, a hazai áramtarifa mellett nem nagyon gazdaságos - hacsak nem villamos fűtés helyett alkalmazzák."

Így Magyarország nem is igényelte a széleskörű ismertetéshez kapható E.U. támogatást melyben a szomszédaink részesültek.

Ennek eredménye képen szomszédaink alaposan megelőztek bennünket a hőszivattyús fűtés elterjesztése terén.

A mérnöktársadalom, az áramszolgáltatók, az illetékes hatósági szervek összefogásával kimozdíthatjuk hazánkat a jelen elmaradt helyzetéből. . Ez csökkentené energia költségeinket, javítaná városaink levegőjét, kevesebb gázt, olajat kellene importálnunk, egy lépéssel közelebb kerülnénk az Európai Unió elvárásaihoz.

A szélmotorok szárnylapát tervezése.

A szárnylapátok tervezésekor figyelembe kell venni, hogy muködésük folyamán ki vannak téve a környezet kiszámíthatatlan hatásainak. Mégis biztosítaniuk kell az igényelt teljesítményt a rendszer egész életútja alatt. A szárnylapát tervezése az aerodinamika elméletén alapszik, mivel a lapát egy áramvonalas test amit legjobban a metszetével tudunk leírni. A tervezéshez fontos megérteni az alapveto összefüggéseket. A következo összefüggésekkel kiszámíthatók a legfontosabb paraméterek.

A szélmotor teljesítménye

A szélmotor a levego mozgási energiáját alakítja át mechanikus energiává. Az ideális teljesítmény:

A vízhúzó szélmotoroknál ezt szivattyúzásra, míg a szélgenerátoroknál villamos energia eloállításra használják.

Szélkerékrendszerek

A szélmotorokat alapvetően a gyorsjárási tényező nagyságával különböztetjük meg.

A nyomatéktényező a gyorsjárási tényező függvényében

A teljesítménytényező a gyorsjárási tényező függvényében

A <4 tényezo a lapátkerék legkülső pontján mérhető kerületi sebesség és a szélsebesség viszonyszáma. Ha <4 lassújárású, ha >4 gyorsjárású szélmotorokról beszélünk.

A cp tényező a szél energiájából nyerhető teljesítményt fejezi ki.

A lassú járásúaknál ez =1-nél a legkedvezőbb, míg a gyorsjárásúaknál =6-10 is lehet. A teljesítmény-tényezőkből következtethetünk a nyomaték-tényező karakterisztikára is, mivel :

A lassú járásúaknál ( suru lapátozásúak ) kis szélsebességnél nagy nyomaték jelentkezik a tengelyen. Azonban a jelleggörbe meredeken csökken mivel a szélsebesség növekedésével a lapát a következo örvényébe kerül.

A gyorsjárásúaknál széles szélsebesség tartományban alakul ki megközelítoleg állandó nyomaték.

Szárnyprofilok

A szélmotorok szárnylapátjainak metszetei a szárnyprofilok.

A szárnylapáton jelentkező erők a felhajtóerő és ellenálláserő. Hányadosuk a siklószám. A lapáton egy látszólagos szélsebesség alakul ki, ami az áramló szélsebesség és a kerületi sebesség vektoriális összege.

Ez a lapát sugár függvényében változik és a helyi gyorsjárárási tényezővel fejezzük ki.

A szárnyprofilok különböző állásszögekhez tartozó felhajtóerő és ellenállás tényezőit táblázatokba foglalják és közreadják. Minden profilnak van egy optimális állásszöge. Ez általában 4-8° között mozog.

A sűrű lapátozású, lassú járású szélmotoroknál enyhén konkáv profilú, főként lemezlapátokat alkalmaznak. A siklószám 10-50 között mozog. A gyorsjárású szélmotorok szárnylapátjainak kialakítása általában konvex, ívelt jellegű. A siklószám 80-120 között mozog.

Szárnylapát tervezés

A tervezés egy bizonyos vsz szélsebességhez és P teljesítményigényhez történik. Ezt csak a rendelkezésre álló szél és várható terhelések figyelembevételével tudjuk megtenni.

Speciális lehetőségek (hőszivattyúk, hőcsövek)

A hőszivattyú sok szakértő szerint reneszánszát éli. Működési elve lényegében azonos a hűtőszekrényével, hasznosítási módja azonban annak éppen a fordítottja. Mivel e két berendezés felépítésében és alkatrészeit tekintve csak méreteiben tér el egymástól, a hőszivattyút meleg nyári napokon adott esetben hűtésre is fel lehet használni. Meleg éghajlatú fejlett régiókban gyakran használják is erre a célra.

A kompressziós hőszivattyú (51. ábra) úgy működik, hogy egy megfelelő összetételű alacsony nyomású és alacsony hőmérsékletű hűtőközeget a párologtató egységben valamely hőforrásból származó hő (pl. a talajvízé, a talajé, a levegőé, a napenergiával működő berendezések hulladékhője) közlése révén

elpárologtatnak, a kondenzátorban pedig a gázt mechanikus energia közlésével komprimálják, ezáltal nő a hűtőanyag gőzének nyomása és hőmérséklete. A magasabb nyomáson a hűtőanyag forráspontja is magasabb. Ez a hő vonható fűtésre. A második hőcserélőben, amelyben az anyag újra folyékony halmazállapotúvá válik, az alacsony hőmérsékleten felvett párolgási hő átadódik a fogyasztókörbe (fűtéskör). Az újra folyékony halmazállapotú hűtőanyag egy szabályozószelepen áthaladva visszajut a kisnyomású párologtatóba, és ott újból elpárolog.

Annak eldöntésére, hogy alkalmas-e fűtésre a hőszivattyú vagy nem, egy-egy esetben a munkaszám ad támpontot. A munkaszám azt jelenti, hogy a hőszivattyú által leadott energiamennyiség hányszorosa a működtetéshez felhasznált elektromos energiának. Az elérhető munkaszám elsősorban a hőforrás és az előremenő hőmérséklet különbségétől függ. A hőfokkülönbség 1 °C-os csökkentésével 2,5% elektromos energiamegtakarítás jár együtt.

A talajvíz a hőszivattyúk működtetésének ideális eleme, mivel egész évben rendelkezésre áll, hőmérséklete pedig viszonylag állandó. Olyan házakban, amelyeknek minden helyiségében padlófűtés működik, csak 35 °C-os előremenő vízhőmérsékletre van szükség. Ebben az esetben az éves munkaszám 4, szélsőséges esetben akár 6 is lehet. Még 55 °C-os előremenő hőmérséklet mellett is megvalósítható a hőszivattyú monoenergikus alkalmazása.

Levegős hőszivattyúk (52. ábra) nagyon könnyen telepíthetők, azonban az alacsony forráshőmérséklet miatt a legnagyobb energiaigényű évszakban (télen) is nagyon alacsony a munkaszámuk. Alkalmazásuk olyan épületek esetében is meggondolandó, amelyek fűtésére elegendő a 35 °C-os előremenő vízhőmérséklet. Ha ennél magasabb hőmérsékletű fűtővíz is kell, alternatív fűtést célszerű készíteni.

Talajkollektor (horizontális kivitel), illetve talajszondák (vertikális 20-150 m mély kivitel) esetén olyan energiahasznosítási munkaszám érhető el, amely a talajvizes és a levegős készülékek között helyezkedik el. Ebben az esetben olyan fűtések szolgálhatók ki a hőszivattyúval, amelyeknek előremenő vize nem melegebb 45 °C-nál. A talajkollektorok új építkezések esetén viszonylag könnyen telepíthetők, hiszen a ház körüli környezet, a kert még nem készült el.

A hőszivattyú teljesítményére ezenkívül a talaj minősége, fajtája is jelentős hatással van. A nagy talajvíztartalmú, agyagos talaj az eddigi tapasztalatok szerint például kiválóan alkalmas hőforrás, ezzel szemben a homokos talaj nem. A talajkollektor felülete a fűtendő felület 1-2-szerese legyen. A vezetékek nem haladhatnak beépített terület alatt. Az épülettől mért minimális távolságuk 1,5 m lehet. A kollektorok egymástól mért minimális távolsága 75 cm. A vezetékek legmagasabb pontján légtelenítőt kell beiktatni a rendszerbe. Betemetés előtt nyomáspróbára van szükség. A vezetékeket kb. 20 cm-rel a fagyhatár alá kell fektetni, de nem túl mélyre, mert a talaj a meleget 98%-ban végül is felülről kapja, csak 2%-a érkezik a mélyebb rétegekből. Az egyes hőcserélőkörök nem lehetnek hosszabbak 100 méternél.

A hőszivattyúk maximális előremenő vízhőmérsékletét a gyártók megadják. Általában ez az érték 55 °C-os, propántöltetű hőszivattyúk esetében 65 °C. Ha meleg víz termelésére is szükség van, megfelelően mértezett puffertározót is be kell építeni, az előremenő hőmérsékletet ugyanis alacsonyabban kell tartani. Lehetőleg minden helyiség azonos és állandó hőmérsékleten legyen. A vezeték minden olyan szakaszát, amely hideg hatásnak van kitéve, megfelelően szigetelni kell.

A hőszivattyúk telepítése drága, ugyanakkor működtetésük gazdaságos, környezetbarát, ezért mindenképpen támogatni kellene anyagilag azokat, akik az ilyen rendszerek telepítése mellett döntenek.

A hőcsöves hőcserélő egy köteg, kívülről bordázott csőből áll, amelyeket egyedileg hőcsővé alakítottak. A hőcsőn végbemenő, párolgásból és kondenzálódásból álló körfolyamat biztosítja a hőszállítást a hőcsövek elpárolog-tatóiból a csövek kondenzáló szakaszába. Az előbbiek abba a gázcsatornába nyúlnak, amelyben a hulladékhőt hordozó közeg áramlik, az utóbbiak pedig az előmelegítendő levegőt szállító csatornában helyezkednek el. A csatornákban a két közeg ellenáramban halad. Ezt szemlélteti az 53. ábra.

A hőcsöves hőcserélők előnyei a hulladékhő hasznosításának szempontjából a következők:

Nincs mozgó alkatrész és nincs szükség külső energiára, ezáltal nagy a megbízhatóságuk. A primer és szekunder közeg keveredése, vagyis egyiknek a másikkal való szennyeződése teljesen kizárt, mivel szilárd fal van a meleg és a hideg

áram között. Széles méretválaszték áll rendelkezésre, az egység általában önhordó, és alkalmas bármilyen hőmérsékleten való alkalmazásra, kivéve a

legmagasabb hőmérsékleteket. A hőcsöves hőcserélő teljesen reverzibilis, azaz bármelyik irányban működhet. A kondenzátum összegyűjtése is megvalósítható a távozó gázból és a megfelelő bordasűrűségű csövek használata szükség esetén lehetőséget ad a

könnyű tisztításra.

Ezeknek a hőcserélőknek az alkalmazása három fő csoportba sorolható:

hőhasznosító és légkondícionáló rendszerek alkalmazása általában viszonylag alacsony hőmérséklettel és egyszerű üzemviszonyokkal, valamely folyamat távozó gázáramából a hő hasznosítása helyiségek fűtőlevegőjének előmelegítésére, egy technológiai folyamat hulladékhőjének visszanyerése és újra felhasználása pl. az égéshez szükséges levegő előmelegítésére.

A hőcsöves hőhasznosító berendezésekben használt anyagok és folyadékok fajtája nagymértékben függ a működési hőmérséklet-tartomány, és ami a külső csőfelületet és bordákat illeti, a környezet szennyezettségétől is. A légkondicionáláshoz és más esetekben, amikor az üzemviszonyok olyanok, hogy a hőmérséklet nem haladja meg a csövekben a 40 °C-ot, freonokat és acetont használnak. Ha a hőmérséklet-tartomány feljebb van, legjobb vizet használni. Kemencék és közvetlen gázfűtésű levegőrendszerek forró füstgáza esetén magasabb hőmérsékletű szerves folyadékok használhatók.

Az első hőcsöves hőcserélő berendezést hővisszanyerésre használták (elvi vázlatát lásd a 54. ábrán).

A hőcsöveket nemcsak a hővisszanyerés területén használják. Vizsgálják a közvetlen fűtés lehetőségét pl. gázégővel. Fűtési célokra meleg levegőt, vagy meleg vizet szolgáltató berendezést használnak. Ebben a megoldásban az elpárologtató szakasz a hőcső közepén, míg a kondenzáló szakaszok a végeken vannak. A berendezést gázégő fűti, amelyet termosztáttal oly módon szabályoznak, hogy a vízhőmérséklet 55-80 °C között legyen. A másik kondenzáló szakasz alá ventilátort helyeztek el, amely a meleg levegőt a helyiségbe fújja.

DR. Anisits Ferenc

Új Energiaforrások

Az ökológusoknak a közlekedéssel kapcsolatos kritikája leginkább az autómotorok és a repülőgéphajtómuvek energiafogyasztására és károsanyag-kibocsátására irányul. Ám az "autó és környezete" körül zajló régebbi ellenséges hangvételű vita mára már, szerencsére, elvesztette létjogosultságát. Egyrészt az ipar az új modellek fejlesztésekor figyelembe veszi az ökológiai kritériumokat, másrészt az "ökodiktatúra" hívei is belátták, hogy a közlekedésben gyökeres fordulat az autóipar részvétele nélkül elképzelhetetlen

A XX. század energiagazdálkodását az jellemezte, hogy szaporodtak az energia-átalakítók és nőtt a teljesítőképességük. A primer energiaforrások és a különféle hajtóműrendszerek az energia-átalakítás láncolatán át kapcsolódnak össze egymással: a primer energiaforrásból szekunder energiahordozó (üzemanyag, villamos energia), a kémiai és/vagy villamos energiából - a hajtóműrendszer közvetítésével - utazási (mozgási) energia keletkezik. Amikor tehát a gépkocsi hajtóműveinek hatásosságát és környezeti hatásait értékeljük, nem elegendő csupán a "tanktól a kerékig" vizsgálódnunk. Valós képet a rendszerről csak akkor kapunk, ha az energia-átalakítási láncot teljes hosszában értékeljük, hiszen minden lépcső áthidalása veszteséggel jár és káros anyag kibocsátásával járhat együtt.

Az üzemanyagok közül a legfontosabbak: a benzin, a dízelolaj, a sűrített gáz, a folyékony gáz, a metil-alkohol (metanol), a hidrogén és a biológiai eredetű üzemanyagok: a biodízel és a növényi eredetű

Biodízel - rejtett szubvenció

A biodízel (egyebek közt repceolajból és pálmaolajból készíthető), ez a viszonylag új üzemanyag a gépkocsi hagyományos, belső égésű motorjában hasznosítható. Ám használata csupán politikai és legföljebb nemzetgazdasági megfontolásokkal okolható meg: a repcetermesztéssel munkához juttathatók az élelmiszertermelésbol kiszorult parasztgazdaságok, a nemzetgazdaságnak a kőolajimporttól való függősége pedig legalább valamelyest mérsékelhető.

A repce termesztésének - mint minden nagy területen termesztett növényének - nagy a műtrágyaszükséglete, s ez erősen megterheli a talajt és a talajvizet. A biodízel ökomérlege, ha figyelembe vesszük létrehozásának valamennyi láncszemét (a szántást, a vetést, a műtrágya gyártását, a szállítást, a műtrágyázást, az aratást, a betakarítást és a tüzeloanyag-gyártást), nem éppen kedvező. Ráadásul a biodízelgyártás költségei oly nagyok, hogy a termék csak adókedvezménynyel vagy adómentességgel - a mezőgazdaságnak ily módon nyújtott rejtett szubvencióval - tehető

eladhatóvá, piacképessé. (Például az NémetországbanKban 1 liter dízelolaj előállítása ma 0,4-0,5 márkába kerül, ezzel szemben 1 liter biodízel eloállítása 1,9-2,3 márkát emészt fel.)

Mindezek miatt ma nem célszerű repcét kizárólag azért termeszteni, hogy a belőle kisajtolt olajat belsőégésű motorokban elégethessük. Ellenben ésszerű a mezőgazdaságban melléktermékként keletkező biomasszát erőművekben hasznosítani: az ott nyert villamos árammal például hidrogént is gyárthatunk. Ezt az

Az energia-átalakítás láncolata

Primer források A primer energiaforrásokat két nagy csoportba oszthatjuk. Meg nem újuló energiaforrás a szén, a kőolaj, a földgáz és a hasadóanyag. A megújuló energiaforrások csoportjába sorolható a nap-, a víz- és a szélenergia, illetőleg a biomasszából nyerhető energia. Ezekbol szekunder energiahordozókat: üzemanyagot vagy villamos energiát nyerhetünk különféle energiaátalakítási eljárások eredményeként. Ezek az eljárások az átalakítás hatásfokában és környezeti hatásaiban nagymértékben különböznek egymástól. Ilyen eljárás egyebek között: a kőolaj lepárlása, a metil-alkohol (metanol) szintézise, a villamos energia termelése, a hidrogén és a biodízel előállítása.

utat járva elkerülhetnénk egy sereg fölösleges beruházást. Például nem kellene repceolaj- észterező üzemeket építeni, biodízel-töltőállomásokat létesíteni, s a motorokat sem kellene biodízelre átállítani.

Biodízel - rejtett szubvenció

Az alkimisták nagy álmához (ólomból aranyat csinálni) hasonlít az ötlet: vízzel motort hajtani (Verne Gyula: A rejtelmes sziget, 1874). A vízmotor egy olyan gép, amely vízzel - mint üzemanyaggal - működik. Az emberiség soha nem volt közelebb ehhez a célhoz, mint ma. Az álom és a valóság közötti különbség "mindössze" az, hogy a vizet, mielőtt motor hajtására használnák, a két összetevőjére: hidrogénre és oxigénre kell felbontani. Ehhez persze nagy mennyiségű energiára van szükség.

A hidrogént leggyakrabban a víz elektrolízisével állítják elő, ehhez pedig villamos energiára van szükség. Bár a korszerű berendezésekben a befektetett energia 80 százaléka a víz szétbontására fordítódik, a teljes - az elektromos áram termeléséhez szükséges, a primer energiából kiinduló - folyamatnak a hatásfoka csupán 25 százalékot tesz ki.

Hidrogén ma legolcsóbban földgázból nyerhető (a földgáz "könnyű" szénhidrogénekből, nagyrészt metánból: CH4-ből áll), s e folyamatnak az összhatásfoka nagyobb is lehet, mint a vízbontásé. A futurulógusok szerint a hidrogént a jövőben vízből

napenergiából származó villamos energiával, illetőleg biológiai reaktorokban baktériumok és algák közremuködésével termelik majd.

Ahhoz, hogy a gépkocsi hidrogént vihessen magával, különféle tárolókat fejlesztettek ki.

1. A hidrogént nagy nyomású gázként szállítva viszonylag nagy térfogatú tárolóra van szükség. Egy 50 literes tartályba 1 kilogramm 220 bar nyomású hidrogéngáz tölthető; ezzel egy középosztályú gépkocsi körülbelül 100 kilométert tehet meg.

2. Folyékony és mélyhűtésu hidrogénnel - ennek tárolására fejlesztették ki a kriogéntárolót - az autó jóval messzebbre juthat. Ám a hidrogén cseppfolyósítására kell fordítani a hidrogénben tárolt energiának a 30 százalékát, s ehhez még a napi 2 százaléknyi párolgási veszteség is hozzászámítandó.

3. A fém-hidrid tárolóban a hidrogén fémmel alkotott vegyületében tárolódik. Maga a tároló - más rendszerekkel összehasonlítva - kicsi térfogatú, de nehéz. A hidrogén tankolása hosszan tartó és nem tetszés szerinti gyakorisággal végezhető folyamat.

Hidrogén + Oxigén

A hidrogénben "tárolt" energia két módon szabadítható fel.

Tüzelőanyag-cell működése

A tüzelőanyag cella és rokonsága 1. az ELEKTROKÉMIAI-CELLÁban az oxidáció és a redukció térben elkülönül, s a két hely között az elektronok külso áramkörben haladnak2. az ELEKTROLIZÁLÓ-CELLÁban a villamos energia kémiai reakciót tart fenn3. a GALVÁNELEMben a kémiai reakció villamos energiát termel4. a TÜZELŐANYAG-CELLÁban a hidrogén (az üzemanyag) oxidálódik, s ez a folyamat termel villamos energiát

A cikk szerzője és Henry Ford a BMW dízelfejlesztési központjában (1983)

1. A hidrogént belsőégésű motorban levegővel vagy oxigénnel elégetjük; az égés végterméke víz.

2. A hidrogént tüzelőanyag- cellában hidegen égetjük, e folyamat végterméke: villamos energia.

A tüzelőanyag-cella a villanymotorral hajtott gépkocsi nagy hatásfokú energia- átalakító rendszere, egy valóságos kis eromű. A villanymotort itt nem akkumulátorból származó árammal tápláljuk, hanem az áramot magában a gépkocsiban állítjuk elő. A tüzelőanyag- cellában a folyékony vagy gázhalmazállapotú hidrogénnek oxigénnel (levegővel) való elektrokémiai reakciójából közvetlenül villamos energia termelodik. E folyamatban csak kevés káros anyag keletkezik, a cella hangtalanul üzemel, s több cellából mindig az éppen szükséges teljesítményű "erőmű" rakható össze.

A vezeto autókonszernek a PEM (Protone Exchange Membrane; protoncserélő membrán) alapú tüzeloanyag- cellát alkalmazzák. A PEM egy olyan - protont vezető - elektrolitikus membrán, amelynek a két oldalán, a platinával (Pt) bevont felületeken megy végbe a hidrogén és az oxigén kémiai reakciója. A cellát célszerű olyan tüzelőanyaggal táplálni, amelynek nagy az energiasűrűsége, az elosztóhálózata pedig viszonylag kis ráfordítással kiépíthető.

A hidrogénnel üzemeltetett tüzelőanyagcella a lehető legegyszerűbb rendszer (lásd a második képet). A nyomás alatt tárolt hidrogén és oxigén közvetlenül a tartályokból adagolható. A rendszerhez ezen kívül szükség van nyomásszabályozókra, s gondoskodnunk kell a gázok recirkulációjáról, illetőleg a végterméknek - a vízgőznek - a kondenzálásáról és a víz hűtéséről. Ilyen rendszereket az űrhajózásban (például a Gemini és az Apollo űrhajók fedélzetén) már régóta használnak. Az űreszközök fedélzetén a hidrogén és az oxigén a rakéta meghajtására és az élet fenntartására amúgy is rendelkezésre áll, és ott sem a költségek, sem a fogyasztás nagysága nem döntő fontosságú. Ám a közlekedésben épp ezek azok a faktorok, amelyek egy új hajtási rendszer sorsát meghatározzák.

Metanollal, benzinnel

A metil-alkohollal (metanollal) üzemeltetett tüzelőanyag-cella különösen jól hasznosítható az autózásban. A metanol könnyen szállítható, a hagyományos benzinkutaknál - a kutak bizonyos módosítása után - tankolható, biológiailag leépül és minden fosszilis energiahordozóból (szénből, földgázból, kőolajból), illetőleg minden organikus nyersanyagból létrehozható. Metanol oxidációján alapuló cellát már beépítettek különféle gépkocsikba, ám az ott ma még nem teljesen felel meg a célnak: egyelőre "túlsúlyos".

A benzinnel muködő tüzeloanyag-cella fejlesztése ugyancsak napirenden van. Addig azonban, amíg az ilyen cella mindennapi használatra is alkalmassá válik, még sok műszaki akadályt kell leküzdeni. Különösen a benzin átalakítása okoz problémát, mert ahhoz nagy hőmérsékletre és bonyolult rendszerekre van szükség. Ez pedig csökkenti a meghajtórendszer hatásfokát és növeli a káros anyagok kibocsátását. Egyelőre teljesen nyitott az a kérdés, hogy a benzinüzemű tüzelőanyag-cella egyáltalán előnyösebb-e, mint a hagyományos belsőégésű motor. Az azonban bizonyos, hogy ezen az úton a kőolajtól való függetlenség nemérhető el.

DR. ANISITS FERENC motorfejlesztő mérnök

Metanol a cellában A metanol oxidációja:Ez a reakció két részreakcióból áll:1. a metanol oxidációja az anódon:2. a levego oxigénjének redukciója a katódon:A hidrogénionok (protonok) az elektrolitikus membránon keresztül vándorolnak; a villamos áram a külso körben felhasználható.

ANISITS FERENC 1957-1962: Budapesti Muszaki Egyetem, okleveles gépészmérnök1962-1965: hazai cégeknél tervezőmérnök1965-1981: kutató- és fejlesztőmérnök (MAN/Augsburg,Adolph-Saurer /Arbon, M. W. M./Mannheim)1981-1999: A BMV dízelmotor-fejlesztési központjának vezetője (Steyr, Ausztria). A BMW központjában tizenöt dízelmotor-típus fejlesztését irányította, ezekbol összesen 2,5 millió darabot gyártottak le.

Móczár Gábor - Farkas István

NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS

Földünkön jelenleg az ún. fosszilis energiaforrások felhasználása bír döntő jelentőséggel. A Nap sugárzó energiáját magában rejtő kőolaj, földgáz és szén kialakulása mintegy 10-400 millió évvel ezelőtt kezdődött a Földön. Ma legtöbbször ezek elégetésével jutunk hőenergiához. Az iparilag fejlett országok intenzív energiafelhasználása miatt azonban az energiahordozó készletek rohamosan csökkennek, a felhasználáshoz képest az újratermelődésük aránya is meglehetősen alacsony. A készletek csökkenésén túlmenően az igazi veszélyt a környezetbe kerülő szennyező anyagok jelentik. Jól ismert jelenség az ún. üvegházhatás, amely a túlzott széndioxid-keletkezéssel függ össze. Arról van szó, hogy a kialakult szennyezőburok miatt a Föld hosszúhullámú kisugárzása jelentősen lecsökkenhet, és ennek következtében a Föld átlaghőmérséklete káros mértékben megnövekedhet. A fenti okok miatt egyre nagyobb szerepet kapnak a megújuló energiaforrások: a napenergia, a folyóvizek és a tengerek energiája, a szélenergia, a geotermikus energia és a biomassza. A napenergia hasznosítása során a napsugárzást megfelelő szerkezetek révén közvetlenül hő- vagy villamos energiává alakíthatjuk át. A vízenergia hasznosításánál a természetesen vagy mesterségesen felduzzasztott tárolókból lezúduló víz turbinát forgat, amely áramfejlesztőt hajt, amelynek révén villamos energiához jutunk. A szélenergia hasznosítása is ehhez hasonló, amikor is az erős szél egy lapátszerkezetet, turbinát forgat, amely áramfeljesztővel van összekötve. A biomasszából történő energiatermelés tulajdonképpen az élővilág hulladékának a hasznosítását jelenti.  Az elsődleges energiaszükséglet kielégítésében a megújulók aránya a fejlett országokban ma mintegy 10%, az EU országaiban 4%, Kelet-Európában 3%. Az Unió és a tagországok energiapolitikájában megfogalmazódott elvek és az érvényesített intézkedések, támogatások, kedvezményes hitelek, valamint a szénre kivetett adó hatásaként 2010-re az EU elsődleges energiaszükségletének 15 százalékát fedezik megújuló energiaforrásból.  Amennyiben a hagyományos energiahordozók áraiban érvényesítik a környezeti ártalmak társadalmi költségkihatásait (externális költségek), akkor ez az arány még tovább növekedhet. Az ENSZ becslése szerint 2050-re akár a 60

százalékot is elérheti. A legnagyobb növekedési ütemet a jelenleg kis részarányt képviselő napenergia közvetlen felhasználására prognosztizálják. Ma már a megújuló energiaforrások alkalmazásához szükséges eszközök, berendezések árai hazánkban is egyre kedvezőbbek. A világ egyre több országában államilag is támogatják ezen eszközök megvásárlását. A szoláris technológia piacképes bevezetéséhez, a szélesebb körű elterjesztéséhez Magyarországon is szükség lenne az állami támogatások különböző formáira.   

Móczár Gábor

A napsugárzásból  nyerhető energiaA Nap sugárzásából származó energia közvetlen felhasználása már régóta ismert az emberiség számára. Elég csak az ókori eredményekre gondolni, nevezetesen az Arkhimédész által előállított gyújtótükörre, vagy a még ma is korszerű Szókratész-féle napház elvére, amely szerint az épület déli oldalát kell magasabbra építeni a téli napsugárzás hasznosítása végett. Napjaink kis teljesítményű napenergia-hasznosító berendezéseinek többségét a mediterrán országok háztetőin látjuk, ami általában egy napkollektorból és a hozzá tartozó melegvizes tartályból áll, és használati meleg vizet biztosít a ház lakóinak. Ezekben az országokban számos napenergiával működő gyümölcsszárító és -aszaló berendezés üzemel. A Nap sugárzásából a földi élet számára elsősorban az elektromágneses sugárzás, a fény a legjelentősebb. A Nap sugárzó teljesítményének a Földet elérő része mintegy 173x1012 kW, ami többezerszeresen meghaladja az emberiség jelenlegi energiaigényét. Az átlagos intenzitás mértékéül az ún. napállandót használjuk, amelynek értéke: I0=1353 W/m2.  A sugárzás egy része közvetlen módon jut el a Föld felszínére, míg másik része a légkör hatása miatt megtörik, visszaverődik, és így végül kialakul a szórt sugárzási komponens. Az energetikai hasznosítás szempontjából a két komponens összegével, vagyis a teljes sugárzással számolunk.   

A napsugárzással érkező energia mennyiségeMagyarországon a századforduló óta végeznek rendszeres megfigyeléseket a napsugárzásra és a napsütés időtartamának regisztrálására. A napenergia hasznosításával kapcsolatos műszaki tervező munkához elengedhetetlenül fontosak ezek az adatok, hiszen ezekből kiindulva tudjuk meghatározni a berendezésekkel kinyerhető energia mennyiségét. A napsugárzásra merőleges síkon mért sugárzási adatok, mint az alábbi táblázat is mutatja, széles határok között változnak.

A teljes napsugárzás évi átlagos összege hazánkban (MJ/m2) Merőleges síkon mért sugárzási átlagértékek (kWó/nap)

január  február  március  április  május június

 4,02  5,75  7,43  8,92  10,3  10,8

július augusztus szept. október nov. dec.

 10,2  10,7  9,5  7,89  5,71  4,65

 

A napsütéses órák számaA meteorológiai intézet sok éve regisztrálja a napsütéses órák számát hazánkban. Ezek az adatok szintén rendkívül hasznosak azon szakemberek számára, akik a napenergia felhasználásával kapcsolatos berendezések műszaki terveit készítik el.

Napsütéses órák száma hazánkban 

január február  március  április  május június

 57  82,9  135,7  186,7  252,8  267,1

július  augusztus  szept.  október  nov. dec.

 296,6  278  202  138,9  62,8  40,2

 

A NAPENERGIA-HASZNOSÍTÁS MÓDJAIA napenergia közvetlen hasznosításának legelterjedtebb módjait két fő csoportba szokás sorolni. Ezek egyike az ún. paszív hasznosítás, amikor külön kiegészítő eszköz, berendezés nélkül tudjuk a napenergiát - megfelelő tájolás, célszerű üvegezés, hatékony szigetelés és alkalmas szerkezeti anyagok megválasztásával - az épületek fűtésére felhasználni. A másik megoldás az aktív hasznosítás, amikor valamilyen, külön erre a célra készített eszköz (kollektor, napelem) segítségével alakítjuk át a Nap sugárzási energiáját hővé vagy villamos energiává. Tágabb értelemben a biomassza energetikai célú felhasználása is napenergia-hasznosítást jelent, hiszen a növények az asszimiláció során a napsugárzás segítségével alakítják át a szervetlen anyagokat szerves vegyületekké. Más szóval a növények kémiailag kötik meg a napenergiát, amit aztán a növényi rostok elégetése során hőenergiaként hasznosíthatunk. A napenergia hasznosításának a mezőgazdaság területén van a legnagyobb hagyománya. A kezdetben üvegezett, majd később műanyag borítású üvegházakat évek óta széles körben használják, elsősorban zöldségfélék és virágok termesztésére. Hazánkban több vidéken is igen elterjedt az ún. fóliás termesztés, ami a mi éghajlati viszonyaink mellett is lehetővé teszi egyes zöldségfélék korai előállítását. A takarmányszárítás is igen fontos terület. Itt általában a környezeti hőmérsékletnél csak 5-10 fokkal melegebb levegőre van szükség, mivel magasabb hőmérsékleten szárítva a takarmány már veszítene tápértékéből. Többféle műszaki megoldást is alkalmaznak erre a feladatra. Ma már széles körben elterjedt például az a technológia, amelynek lényege, hogy a kényszerlevegős szárítók elé nagy átmérőjű, fekete fóliából kialakított, a talajhoz rögzített csövet kapcsolnak be. A ventillátor a fekete fólián keresztül nyomja a levegőt a szárítóba. A csövön áthaladva a levegő felmelegszik, és közben feszesen "felfújva" tartja a csövet. A napenergia-hasznosító berendezések alkalmazására azok a területek a legelőnyösebbek, ahol alacsony hőmérsékletű levegőre vagy vízre van szükség.

Ilyen terület például az uszodák hőellátása, ahol a használat időszaka szerencsésen egybeesik azzal az évszakkal, amelyben a Nap sugaraival a legtöbb energia érkezik a Föld felületére. A szabad téren lévő medencék hőigénye két fő részből tevődik össze. Egyik a víz felszínén a párolgásból adódó hőveszteség, a másik pedig a friss víz felmelegítésének energiaigénye. Napsütéses időben az uszodákhoz a szükséges energia mennyiségét kollektoros vízmelegítéssel lehet biztosítani.

Passzív napenergia hasznosításA napenergia aktív hasznosítása, mint erre már utaltunk, alapvetően fototermikus vagy fotovillamos módon mehet végbe. A fototermikus megoldás azt jelenti, hogy egy alkalmas eszközön (napkollektoron) folyadékot vagy levegőt áramoltatunk keresztül úgy, hogy közben minimálisra csökentjük az áramló közeg által felfogott energiának visszasugárzás vagy hővezetés általi eltávozását a készülékből. A felmelegített folyadékot leggyakrabban meleg víz előállítására használjuk fel, de természetesen egyéb megoldások is előfordulnak a gyakorlatban.  A fotovillamos megoldás során napelem segítségével alakítjuk át a napenergiát közvetlenül villamos energiává. Az ily módon kapott 12 vagy 24 V-os egyenfeszültséggel közvetlenül lehet fogyasztókat (pl. világítás, szellőztetés) működtetni. Szükség esetén 220 V-os váltóáramú hálózati fogyasztók is működtethetők egy inverteres egység közbeiktatásával.

Mindkét esetben problémát jelent a begyűjtött hő- ill. villamos energia tárolása. Ennek oka az, hogy az energiát sokszor éppen akkor szeretnénk felhasználni, amikor az a napsugárzás hiánya miatt nem áll rendelkezésre, vagy fordítva, akkor van energiahozam, amikor nincs igény a felhasználásra. A folyadékkal működő kollektoros hasznosítás esetén a leggyakoribb megoldás egy megfelelő méretű szigetelt tartály alkalmazása. A napelemek által szolgáltatott villamos energiát legegyszerűbben akkumulátorokban tárolhatjuk. A napkollektorok illetve napelemek által begyűjthető energia mennyisége nagyban függ a berendezések tájolásától és dőlésszögének beállításától. Tájolás tekintetében természetes, hogy a déli beállítás a legkedvezőbb. A dőlésszög optimális értéke az üzemeltetés időszakától függ. A Budapesten érvényes havi átlagos sugárzási adatokból számolva egész évi működtetés esetén a vízszintessel bezárt 43,5 fokos dőlésszögű beállítás az optimális. Nyári hónapokra a jelentősen eltérő napmagasságok miatt ez az érték 18,5 fokra, a téli hónapok idejére pedig 76,2 fokra becsülhető. Általában 30-60°-os dőlésszöget szokás alkalmazni.

A napelemA napelemek, vagy más néven fotovillamos elemek a fotovillamos jelenséget hasznosítják. A Nap elektromágneses sugárzása a napelem alapanyagát képező félvezetőben szabad töltéshordozókat hoz létre, amelyek hatására a napelem fémelektródáin feszültségkülönbség keletkezik. Ha a fémelektródákat külső áramkörön keresztül összekapcsoljuk, akkor a napelem megvilágításának hatására a külső áramkörben azzal arányos mértékű egyenáram folyik. Az áram nagyságát a keletkezett szabad töltéshordozók száma határozza meg, a feszültség pedig az alapanyag jellegétől függ.  A napelem fény hatására működik, így közvetlen vagy közvetett (az égboltról érkező) napsugárzás, illetve egyéb fényforrás hatására is. Az elméleti energiaátalakítási hatásfok akár a 60 százalékot is elérheti, azonban a gyakorlatban ennél lényegesen kisebb hatásfokú napelemek készülnek.  

A napkollektorA napenergia összegyűjtésre szolgáló berendezések működési hőmérséklete a felhasználási céltól függően különböző lehet: 20 és 100 oC között változik. A burkolat nélküli hőelnyelők fekete felületű műanyagból vagy fémből készülnek, megjelenési formájuk lehet lemez, paplan, szőnyeg, cső vagy tömlő. Ezek az olcsóbb berendezések legfeljebb 40 oC-ig alkalmasak a napenergia hasznosítására, és csak a nyári időszakban működőképesek. Igen jól használhatók például uszodavíz melegítésére, vagy hőszivattyúk energiagyűjtőjeként.

A 40 oC hőmérséklet fölötti működést a hőelnyelő hőszigetelésével, jó minőségű fényelnyelő bevonatával és fényáteresztő takarással kell biztosítani, ezeket a berendezéseket nevezzük üvegezett síkkollektoroknak

A szárnylapát metszetei

Elso feladat, hogy a lapátszámhoz megfelelo -t válasszunk.

Ezután kiszámítjuk a szükséges szélkerék-sugarat:

A következő műveleteket minden egyes szárnymetszetre kiszámítjuk.

A helyi gyorsjárási tényezőt:

Az áramlás szögét:

A lapát beállítási szögét:

A szárnymetszet hosszát:

A legjobb hatásfok úgy érhető el ha a szárnylapát minden metszetében azonos az áramlás szöge, tehát sugárirányban elcsavarodik és változik a szárnymetszet hossza. Ez igen összetetté teszi a szárnylapát gyártását.

Amikor meghatározzuk a keresztmetszeteket eljutunk a szilárdtest modellhez. A felszerelt lapátkerék általában jobb sodrású.

Szilárdsági méretezés

A vízhúzó szélmotorok lapátjait általában fémből, a szélgenerátorokét üvegszálas poliészterből készítik. A szárnylapátra aerodinamikai-, centrifugális-, súly- és dinamikus erők hatnak. Ebből fakadóan hajlító-, húzó-, csavaró- és dinamikus igénybevételek jelentkeznek.

Napjainkban a megfelelő falvastagság eloszlás meghatározásához számítógépes végeselem-módszert alkalmaznak. A kialakuló feszültségállapot színskálán érzékeltethető.

Összefoglalva tehát a lapáttervezés módszere három lépésen alapszik: a szárnyprofil kiválasztása, a szárnylapát tervezése és a terhelések meghatározása. Manapság számítógépes segédleteket alkalmaznak ezen a területen. A tervezési adatok változtatásával testre szabott feladatok oldhatók meg. A tervező így könnyen változtat a geometriai és muködési jellemzokön.

Jelmagyarázat

A a lapátkerék legnagyobb átméroje által súrolt felület (A=R2 ) m2

c a szárnymetszet hossza m

cM nyomaték tényező -

cP teljesítmény tényező -

Lsz lapátszám db

P teljesítmény W

R a lapátkerék legnagyobb sugara m

r a szárnymetszet sugara m

vk a lapát kerületi sebessége m/s

vl látszólagos szélsebesség m/s

vsz a szél sebessége m/s

állásszög

beállítási szög

gyorsjárási tényező -

r helyi gyorsjárási tényező -

sűrűség (a levegő sűrűsége =1.25 [kg/m3] ) kg/m3

áramlás szöge

szögsebesség s-1

Felhasznált irodalom:

Gourieves, D.Le: Windpower plants Pergamon Press.pp. 76-77. , Oxford 1982.

Jansen, W.A.M., Smulders P.T.: Rotor Design for horizontal axis windmills Amersfort: Steering Comitee.pp.3-23, 1977.

Ledács Kiss Aladár: A szélenergia hasznosításának lehetoségei Magyarországon Energiagazdálkodási Tudományos Egyesület, 1980-82.

Robert Gasch: Windkraftanlagen B.G. Teubner Stuttgart, 1991.

Siegfried Heier: Windkraftanlagen im Netzbetrieb B.G. Teubner Stuttgart, 1994.

Hőszivattyú  

Független Ökológiai Központ Környezetkímélőbb Építés Adatbázisa  

  Tartalomjegyzék   Mi a hőszivattyú? Mik a hőszivattyú előnyei? Hogyan működik a kompressziós hőszivattyú? Csoportosítás működési elv szerint Csoportosítás hőforrás szerint Felhasználási területek A hőszivattyúk alkalmazásának ökológiai vonatkozásai Magyarországon kapható hőszivattyúk További információforrások

 hőszivattyú heat pump Wärmepumpe bomba de calor

Mi a hőszivattyú?

A hőszivattyú a környezet energiájának hasznosítására szolgáló berendezés, mellyel lehetséges fűteni, hűteni, melegvizet előállítani. A berendezés a működtetésére felhasznált energiát nem közvetlenül hővé alakítja, hanem a külső energia segítségével a hőt az alacsonyabb hőfokszintről egy magasabb hőfokszintre emeli, legtöbbször a föld, a levegő és a víz által eltárolt napenergiát hasznosítva. (Mert külső energia felhasználása nélkül , "magától" a hő csak melegebb helyről tud a hidegebb hely felé áramlani.)A hűtőgép is hasonlóan működik: a szekrény belsejéből szállítja el a hőt, tehát hűti, majd ezt a hőmennyiséget a hátulján levő csőkígyón adja le. A geotermikus hőszivattyú például a "föld" (talaj, talajvíz) és a ház belső terei között szállít hőt. A talaj mélyebb rétegeinek hőmérséklete télen-nyáron állandó (pl. 6 méter mélyen átlagosan +12 °C): télen melegebb, nyáron hidegebb, mint a levegő hőmérséklete. A szállítási irányon változtatva télen a talajtól hőt elvonva fűthetünk, nyáron a talajt melegítve hűthetjük a házat. (illetve melegvizet állíthatunk elő télen-nyáron) A hő szállításához folyamatosan elektromos energiát kell a rendszerbe táplálni. A rendszer hatékonyságát az ún. munkaszámmal (COP=Coefficient of performance) jellemezhetjük, ami azt mutatja meg, hogy a hőszivattyú által leadott hasznos hőteljesítmény hányszorosa a működtetéshez felhasznált hajtási teljesítménynek. Ez azonban az év folyamán változhat a hőforrás hőmérsékletének változásával, ezért az egy évre vonatkozó energiaszám (JAZ - Jahresarbeitszahl:éves munkaszám) pontosabb képet ad a hőszivattyú teljesítményéről. Ez

elsősorban attól függ, hogy mekkora hőmérsékletkülönbséget kell áthidalni (a hőforrás és a fűtési előremenő hőmérséklet különbsége), általában három és öt közötti érték, tehát egy egység villamos energiával három-öt egység hőenergiát állíthatunk elő. (szemben az elektromos fűtéssel, ahol egy egység villamos energiával egy egység hőenergiát kapunk.)

Mik a hőszivattyú előnyei?

  Egész évben képes közvetett módon kiaknázni a nap energiáját, nem függ a pillanatnyi napsugárzás erősségétől, mivel a környezetben eltárolt energiát hasznosítja.

 Segítségével alacsony hőmérsékletszintű hőforrásokból is kinyerhető hő, illetve hulladékhőt hasznosíthatunk.

 Amennyiben a fűtést teljes egészében a hőszivattyú végzi (monovalens rendszer), nincs szükség kéményre, a helyszínen nincs károsanyag kibocsájtás.

Hogyan működik a kompressziós hőszivattyú?

  

  Két hőcserélőt egy körvezeték köt össze. Egy kompresszor a csővezetékben olyan munkaközeget keringet, melynek igen alacsony a forráspontja, csak nagy nyomás alatt cseppfolyósodik. A hideg oldali hőcserélő előtt a folyékony halmazállapotban lévő munkaközeg nyomását egy nyomáscsökkentő szelep leejti 1,7 bar-ra. Ekkor a munkaközeg hevesen elpárolog, -2°C-ra lehűl és a párolgáshoz szükséges hőt a hőcserélő másik oldalán átfolyó környezeti közegből (jelen esetben levegőből, de lehet vízből, termálvíz hulladékból. szennyvízből, stb ) vonja el, annak lehűtésével. A 3 °C- re felmelegedett munkaközeget a kompresszor elszívja, besűríti 13,5 bar nyomásra, melytől a lecsapódó munkaközeg felmelegszik 73,5 °C-ra. A lecsapódásnál felszabadul az a hő, melyet a környezetből elvont, megnövelve a kompresszorba betáplált és hővé átalakult energiával.

forrás:www.ochsner.de

  

Mindezt az energiát a másik hőcserélőn áthaladva átadja a fűtési rendszerben keringő fűtőközegnek.

Hőszivattyúk csoportosítása működési elvük szerint

A hőszivattyúk döntő többsége kompressziós elven működik elektromos vagy gázmotor segítségével, de létezik abszorpciós elven működő hőszivattyú, vagy a kettőt kombináló berendezés, ezek legtöbbje még kísérleti stádiumban van, vagy kevéssé elterjedt. Példa az ilyen

típusú berendezésre ezen a honlapon található, a működését bemutató videoklippel együtt.

Hőszivattyúk csoportosítása hőforrás szerint  

 talaj:

A talajkollektoros rendszer esetében többszáz méter hosszú speciális kemény PVC köpennyel ellátott rézcsöveket, vagy polietilén csöveket fektetnek le 1-2 méter mélyen. Hátránya, hogy nagy felületen (a fűtött alapterület 1,5-3-szorosán) kell megbontani a telket a csövek lefektetésekor, ezért leginkább új építésű házak esetén jöhet szóba. Segítségével négyzetméterenként 20-30 Wattnyi energiát nyerhetünk. Ennek nagysága függ a talaj hővezetésétől, nedvességtartalmától, és az esetleges talajvíztől.

A talajszondás rendszer esetén kb 15 cm átmérőjű, 50-200 méter hosszú lyukat fúrnak a földbe leginkább függőlegesen. Ebbe helyezik az U alakú szondát, amiben zárt rendszerben cirkulál a hűtőközeg. 200 méteres mélység esetén kb. 17 ˙C-os a Föld.

Lehet két- vagy háromkörös rendszer, attól függően, hogy a szondában közvetlenül a hűtőközeg áramlik, vagy fagyálló folyadék adja át közvetetten hőjét a hűtőközegnek. A szondák speciális esete az energiakaró: több szondát egymás mellé helyezve nyáron eltárolják a hőenergiát a földben, amit télen hasznosítanak. Különösen nyári hűtési igény esetén, ill. ipari méretekben gazdaságos.

Nagyságrendekkel mélyebb szondák esetén (1000-2000 méter) már nem a talajrétegekben eltárolt napenergia kerül közvetetten hasznosításra, hanem elsősorban a geotermikus energia. A Föld középpontjában lejátszódó reakciók hője a felszín felé áramlik, ezért mennél mélyebb a fúrt kút, annál nagyobb a kúttalp körüli réteg hőmérséklete. Ez a hőmérséklet a geotermikus gradienstől függ. (egy kilométerrel mélyebben mennyivel melegebb a földkéreg) Ez hazánkban 60°C/km körüli érték, szemben a 30°/km-es európai átlaggal.

talajkollektor

talajszonda

masszív abszorber (beton építmény)

Föld alatti vagy föld feletti beton vagy téglafalban, betonlemezben műanyag csőkígyót helyeznek el. Külön e célra épített szoborszerű elemek, vagy támfalak, homlokzati betonfelületek is felhasználhatóak.A működés elve hasonló a talajkollektorokhoz: A beton jól vezeti a hőt, tömege alkalmas a hő tárolására. Segít a levegő, talaj, esővíz hőjének átvételében, a napsugárzást közvetlen is hasznosíthatja.

masszív abszporber (beton építmény)

talajvíz

A talajvíz-kútból búvárszivattyúval nyert víz hőjének elvonása után a vizet vagy egy másik kútba, vagy felszíni vízbe (patak,tó,folyó) vezetik, vagy elszivárogtatják földbe fektetett dréncsöveken át. A talajvíz állandó hőmérséklete (7˙C-12˙C) és jó hővezető-képessége révén ideális hőforrás.

További speciális alkalmazás, amikor hőforrásként egy tó szolgál. Ebbe helyezik el körkörösen a kollektorként szolgáló csöveket.

talajvízkutak

levegő

A külső levegő ventillátorokkal kerül beszívásra, amit a hőszivattyú hűt le. Hátránya, hogy a levegő hőmérséklete nem állandó, így a rendszer hatékonysága is változó, illetve a ventillátorok által keltett zaj is problémát jelenthet. Felhasználásra kerülhet még a ház pincéjének levegője is. Központi szellőztető rendszerrel ellátott, légmentesen szigetelt ház esetén az kifúvásra kerülő elhasznált levegő is használható hőforrásként, vagy a befúvásra kerülő levegőt melegítve, vagy a fűtési rendszerre rásegítve. (Ennél egyszerűbb megoldás a hőcserélők alkalmazása, ahol a kifúvott meleg és a beszívott hideg levegő egy nagy felületű berendezésen át adja át a hőt, anélkül, hogy keveredne.)

külső levegő

forrás:www.waermepumpe-bwp.de/

hulladékhő

Számításba jöhet hőforrásként a szennyvíz, az elhasznált termálvíz. Előbbire magyarországi példa a szekszárdi húskombinát, ahol a 22°C-os szennyvíz a hőforrás, míg utóbbira a harkányi gyógyfürdő, melynek 32-35 °C-os elfolyó vizét használják fel két egyenként 1100 kW-os hőszivattyúval.

A hőszivattyú felhasználási területei  

 fűtés:

A hőforrásból elvont hőt a berendezés általában a zárt körben keringetett víz fűtőközeg felmelegítésére használja fel. Elsősorban az alacsony hőmérsékletű fűtési módok alkalmasak hőszivattyúval történő felhasználásra, mert akárcsak a napkollektoroknál, annál nagyobb a rendszer hatékonysága, minél kisebb a fűtési előremenő hőmérséklet. Padló-, fal- és mennyezetfűtés jöhet számításba, ahol a nagy hőleadó felület miatt már 35 °C is elegendő. Monovalens rendszer: a ház teljes fűtési energiaszükségletét biztosítjaBivalens rendszer: a hőszivattyú mellé kiegészítő fűtés kell, ami lehet bármilyen kazán, vagy napkollektoros rendszer is.

melegvíz-készítés: Használati melegvíz készítésére is felhasználható a hőszivattyú, de a kondenzátor oldali felső hőmérséklet határ kb. 55-60 °C, emiatt a melegvíz hőmérséklete 60 °C alatt marad.

hűtés: A folyamat megfordításával a fűtésnél hőforrásként használt közegnek adja át a helyiségekből elvont hőt.  

fűtés és melegvízkészítés hőszivattyú és napkollektor használatával.

forrás:www.waermepumpe-bwp.de/

A hőszivattyú alkalmazásának ökológiai vonatkozásai

 A hőszivattyú által szolgáltatott energia két forrásból származik:

Környezeti hő, mely egyértelműen nyereség, akárcsak a napkollektor által gyűjtött napenergiaHűtőközeg keringetéséhez szükséges energia, mely a legtöbb készüléknél elektromos áram.

Az elektromos áram erőművi termelésénél és szállításánál komoly veszteségek lépnek fel, illetve a fosszilis tüzelőanyagok és az urán felhasználása jelentős környezetszennyezéssel jár. E két tényező a hőszivattyúk alkalmazásának ökológiai mérlegét igen lerontja: Magyarországon felhasznált áram 39,1 %-a atomerőműben, 25,2 %-a szénerőművekben, 33,6 %-a olaj és gáztüzelésű erőművekben kerül előállításra. A megújuló energiaforrások igen alacsony, 2,1 %-os értéket képviselnek. (utóbbi részarányának jövőbeni növekedése prognosztizálható, javítva a hőszivattyú ökomérlegét.)

Felmerülhet a kérdés, hogy nem lenne-e ökológiailag pozitívabb, ha a hőszivattyú működtetéséhez szükséges áram termelésére felhasznált fosszilis tüzelőanyagokat közvetlenül használnánk fel fűtésre? Mint azt a hőszivattyús rendszer energia-diagramja mutatja, a válasz nagymértékben függ az áramtermelés hatékonyságától:

Erőművi áram felhasználása esetén, magyarországi és németországi adatokat figyelembevéve. A hőszivattyú munkaszáma 3,5.

A diagramon jól látszik, hogy a primerenergia-felhasználás csökkentése leginkább az erőművi hatékonyság és a munkaszám növelésével lehetséges. Előbbire a kogenerációs energiatermelés jelent gazdaságos alternatívát, utóbbit a minél hatékonyabb készülékek és a minél nagyobb energiatartalmú környezeti hőforrás felhasználásával érhetjük el. Míg Németországban egyértelműen pozitív a hőszivattyú ökológiai mérlege, addig Magyarországon nem feltétlenül: mint azt az alábbi ábra mutatja, sokkal környezetkímélőbb hőszivattyút használni a villamos fűtés helyett, viszont a kondenzációs gázkazánok hasonlóan környezetbarát megoldást nyújtanak

A fenti adatok összehasonlítása a különböző fűtési rendszerekkel a primerenergia-felhasználás vonatkozásában:

(100 kW fosszilis energiából hány kW hasznos hő termelhető)

Megjegyzés: A fenti adatok, diagramok, megállapítások 3,5-ös munkaszám mellett tekinthetőek igaznak, de lehetséges ennél nagyobb hatékonyságú rendszereket is létrehozni, melyek ökológiai mérlege a fentieknél egyértelműen jobb. Ez nem keverendő össze a gazdaságossággal, mert a mai piacgazdaságban sajnos a nagyobb primérenergia-felhasználás sokszor nem jár nagyobb költséggel. (például a hazánkban szociális-politikai kérdésként kezelt gázárak magas állami támogatottsága mind a hőszivattyú, mind a megújuló energiaforrásokat hasznosító berendezések megtérülési idejét jóval hosszabbá teszi.)

A Körkép adatbázisában szereplő hőszivattyúk:

 

Nordic geotermikus hőszivattyú: " DX,DXW" széria (folyadék-levegő ill. víz)

Nordic geotermikus hőszivattyú: " R" széria (folyadék-levegő)

háttérrel.

AL-KO WärmepumpenKülönféle hőforrású hőszivattyúk és lakásszellőztető berendezés hőviszivattyús hővisszanyeréssel.

Bundesamt für Energie Bereich Umgebungswärme, KälteA környezeti és hulladékhő hasznosításának, a hőszivattyúval kombinált kogenerációnak szentelt tudományos igényű honlap, ahol publikációkat tölthetünk le, kutatási beszámolókat ismerhetünk meg.

Bundesverband WärmePumpeA hőszivattyú népszerűsítésére szolgáló oldal. Bemutatja a különböző típusokat, azok működését, gazdaságosságát. Példákat mutat különböző rendszerek lehetséges megtérüléseire.Gyártó cégek katalógusa, hírek, újdonságok bemutatása teszi teljessé az oldalt

Geothermie - Praktische Nützung von ErdwärmeÉrdekes és tartalmas honlap a földhő és a geotermikus energiák hasznosításáról. Földszondák, termálvíz felhasználásának bemutatása mellett számos kevésbé elterjedt energiatermelési móddal ismerteti meg a laikus érdeklődőt. Letölthető cikkek, linkgyüjtemény kapcsolódó egyéb információforrások is megtalálhatóak itt.

Geowatt Kft.A békéscsabai kft. többek között hőszivattyúkkal is foglalkozik. Honlapjukon áttekintés található a különböző hőszivattyúkról, magyarországi alkalmazásuk műszaki, gazdaságossági kérdéseiről.

Links Wärmepumpe

Maritime Geothermal Ltd.Kanadai hőszivattyú-gyártó cég. Honlapján termékeikhez kapcsolódva rengeteg hasznos információ lelhető fel a hőszivattyúkról: működésük elméleti alapjai, gyakran ismételt kérdések,

képgaléria, részletes esettanulmányok, letölthető brosurák, linkek.

OCHSNER WärmepumpeA cég gyártmányai között szerepelnek többek között fűtésre, melegvízkészítésre, hűtésre szolgáló hőszivattyúk. Speciális berendezések passzívházakhoz, és háztartási méreteknél nagyobb berendezések, szabályozott hőszivattyús lakásszellőztető rendszer is megtalálható palettájukon. A honlap legfőbb erénye a remek bemutató, leíró rész, mely segítségével rengeteget tanulhatunk a hőszivattyúkról.

Felhasznált irodalom:

 Stróbl Alajos, dr.: Energiatakarékos környezetkímélés hőszivattyúkkal    OMIKK, Bp. 1999

Hajdú György: A hőszivattyú a jövő energiaforrása: a Nap és a Föld hőjének hasznosítása   http://www.inco.hu/inco6/innova/cikk3h.htm

Stumphauser Tamás, Dr. Csiszár Antal (ed.): Energiahatékonysági kézikönyv ház- és lakástulajdonosok részére   http://www.reak.hu/kk/028.htm

Geowatt kft. honlapja: http://www.geowatt.hu/ készítette:Jároli Józseflektorálta:Dr. Kontra Jenő okl. gépészmérnök,a műszaki tudomány kandidátusa 

Független Ökológiai Központ

www.foek.huKörnyezetkímélőbb Építés Adatbázisawww.foek.hu/korkep/  2002.09.10.

A közölt anyagok a forrás feltüntetésével szabadon felhasználhatóak.