Egy új cikksorozatba kezdek, mely a megújuló energiákkal, azok kihasználásának lehetőségeivel és a műszaki lehetőségekkel foglalkozik.
Az első részben a szélenergia használatának lehetőségeit nézzük át.
A megújuló, nem fosszilis energiahordozók használata egyre jobban terjed, köszönhető nagyrészt a szén-dioxid kibocsátási szabályok elfogadásának és különböző éghajlat-védelmi döntések meghozatalának.
Megújuló energiaforrásnak tekintjük a szél, a víz, az árapály, a Nap, a biomassza és a geotermális energiát.
Az energiafelhasználás szempontjából ezek a következőképpen oszlanak meg:
48-50% biomassza
22-23% meleg víz biomasszából, napenergiából és geotermális energiából
20% vízenergia
6-7% elektromos áram biomasszából, szélenergiából, napenergiából és geotermális energiából
4-5% bio-üzemanyagokból.
Az Európai Uniós célkitűzések évről évre változnak: a teljes energiamixben az egész Unióban 20% fölé kívánják emelni a megújuló források használatát.
A technikai oldalról szemlélve nézzük először a szél energiájának hasznosítását.
A Nap ultraibolya (UV) sugarakat bocsát ki, melyek felmelegítik a földfelszínt, ezen keresztül a levegőt: a nagy energiájú napsugarakat abszorbeálják a sötét felületek, pl. talaj, növényzet. Ezek ezután hőt, infravörös sugarakat bocsátanak ki. Az eltérő színű felületek eltérő mértékben melegednek fel. Minél világosabb egy felület, annál kevesebb ultraibolya sugarat képes elnyelni, ezáltal kevesebb infravörös sugarat bocsát ki. Fordítva is igaz: minél világosabb egy felület, annál több ultraibolya sugarat ver vissza. Ez a fényvisszaverés az Albedo jelensége, mely a Föld esetében 30%-ot tesz ki, vagyis globálisan a beérező UV-sugarak 30%-a ahogyan beérkezett, vissza is verődik a világűr felé, és semmilyen hatást nem gyakorol a Földre és annak légkörére sem.
A földfelszín ugyebár felmelegedett, de nem egyenlő mértékben. A melegebb felületek több hőenergiát adnak le, felmelegítik a felettük lévő légrétegeket, ezáltal a levegősűrűsége csökken, felemelkedik, és helyére „nehezebb”, nagyobb sűrűségű hidegebb levegő áramlik. Ez a szél keletkezésének alapja.
A szélképződés egyik fajtása a víz-szárazföld szélrendszer:
Nappal a szárazföld melegebb, felette a levegő felfelé áramlik, így a vízfelszín feletti hidegebb levegő áramlik a part felé. Az alábbi ábra baloldalán a nappali szélirányt, a jobb oldali ábrán az éjszakai szélirányt mutatják a nyilak.
A szél sebességét befolyásolják a felületi érdességek, az útjába kerülő hegyek, dombok és épületek/települések, fák és erdők.
Az éghajlati és meteorológiai alapismeretekkel egy későbbi cikksorozatban foglalkozok részletesebben.
A szélerőmű felépítését az alábbi ábra mutatja.
Az erőmű részei: propeller, gondola (energiaközvetítő egység, fék, generátor), a gondola hátsó részén szélerősség mérő, torony.
Elvi működés: a szél mozgási (kinetikus) energiáját az erőmű
mechanikus energiává alakítja, a szél hatására a rotor forgásba lendül, a
generátorban pedig elektromos áramot generál. Ezzel párhuzamosan a szél sebessége lecsökken.
A szélben lévő teljes energiamennyiség technikai okok miatt nem nyerhető ki teljes mértékben. A teljes szélenergia kb. 48-50%-a nyerhető ki.
A modern turbinák hatásfoka közel 50%.
Nézzünk egy példát:
A szél kinetikus energiája: Ew=1/2mv^2
Tömegáram: m/t= p*(V/t)=ρ*H*v=ρ*π*r^2v, ahol H: a teljes erőmű magassága, amilyen magasra a propeller felér, π=3,14; ρ: levegő sűrűsége, v: szélsebesség, V/t: térfogatáram
Teljesítmény: Pw=Ew/t
Ha a kapacitás 2 MW(elektromos)
a rotor átérője 40 m
hőmérséklet 10°C, levegő sűrűsége 1,23 kg/m3
Számítsuk ki a teljesítményt, ha a szélsebesség 6 m/s és 18 m/s.
Tömegáram 6 m/s estén:
m/t= 1,23 kg/m^3*40 m*40 m*3,14*6 m/s=37 Mg/s
Tömegáram 18 m/s esetén:
m/t=111 Mg/s
v=6 m/s esetén: Pw=1/2*m/t*v^2=666 kW
v=18 m/s esetén: Pw= 17982 kW
vagyis: ha a szélsebesség háromszorosára nő, akkor 27-szeresére nő a teljesítmény.
A képgalériában néhány turbinakialakítás látható.
A rotorok (propellerek) anyaga többnyire szénszálas vagy üvegszálas. Egy 1,2 MW teljesítményű turbina rotorja kb. 150.000 US$-ba kerül.
Az utóbbi években sokat fejlődött a technológia:
a rotor forgási frekvenciájának csökkenésével (és a rotor-forgásfelület növekedésével) nőtt a teljesítmény. 5-18 fordulat/perc sebességgel akár 3 MW névleges teljesítmény is elérhető, míg az 1000 fordulatos rotorokkal csak 1 kW.
Az 1990-es években 30 kW-os erőművek működtek. Jelenleg közel 4 MW érhető el egyetlen erőmű segítségével. Ennek oka, hogy nőtt a stabilitás és jobb anyagokat használunk az építéshez.
A rotorok nem viselik el a túl erős szeleket: védelmi okokból a sebességmérő lekapcsolja a gépet, ha túl erős a szél, vagy a modernebb berendezések esetében elforgatja a rotort, hogy tovább működhessen. Ez utóbbi esetben 30 m/s szélsebességnél fordítja ki a szélből a rotort a rendszer. Régi típusú erőművek ilyen sebességnél már leállnak.
Az erőműveknél számolhatunk megtérülési időt, hiszen mind minden beruházástól, ettől is elvárjuk, hogy ne termeljen veszteséget.
A megtérülési időt a követező módszerrel számolhatjuk:
Befektetett energia: Ei=Efix+Eváltozó, ahol Efix: építés során felhasznált energia, Eváltozó: karbantartás energiaigénye, üzemanyagok.
Megtermelt energia:
Ep=p*t, ahol p: átlagos energiatermelés egységnyi idő alatt, t: idő
megtérülési idő: payback time
p*t(pb)= Efix+Eváltozó, ahol Eváltozó=p(változó)*t(pb)
t(pb)=Efix/(p-pvar)
Példa:
élettartam: 20 év (működési idő)
építéshez szükséges energia: 12,9 TJ
karbantartáshoz szükséges energia: 0,3 TJ (teljes életciklus alatt)=pváltozó*20 év
energiaterelés: 216 TJ (teljes életciklus alatt)=p*20 év
t(pb)=12,9 TJ/(216TJ/20év-0,3 TJ/20év)=1,1 év (13,2 hónap)
A szélerőművekből a nagy energiaigényre való tekintettel már komplett szélfarmokat építettek szerte a világon, pl. a Balti-tenger és az Északi (Jeges)-tenger vidékén is.
A szárazföldre telepített erőmű-parkok neve on-shore, a tengerfelületre telepített pedig off-shore.
Az on-shore erőművek éves szinten 2000 órát, az off-shore erőművek maximum 4000 órát működnek évente.
A világon 2013 év végére 318.000 MW teljes erőmű-kapacitást telepítettek, ez a világ energia-igényének 3%-a.
Kitekintés: a jóslatok szerint 2020-ra elérhetővé válik, hogy világszerte 1 TW legyen a telepített kapacitás.
Az alábbi képen egy off-shore szélerőmű park látható.