Az Olvasók kérték kezdeményezés keretében cikksorozatba kezdtem, melyben bemutatom a megújulóenergia-hasznosítási technológiákat.
A következő két cikk a németországi környezetvédelmi sorozatban megjelent napenergiás cikkeimre épül.
Az ember egyre több ház tetején és nagy forgalmú utak, vasutak mellett lát napelemeket és napkollektorokat. Ezek a kütyük nagyon hasznosak: a Nap energiájának hasznosításával állítanak elő használati meleg vizet, gőzt, hűtik vagy fűtik a lakást, és elektromos áramot is termelnek.
Az utóbbi években gomba módra szaporodtak a „napfarmok”, melyek elkerített részein óriási napelemek és kollektorok (vagy tükrök) termelnek egy-egy település számára elektromos áramot. Ezeket többnyire autópályák és vasút mellett és sivatagokban lehet látni nagy mennyiségben, esetleg közvetlenül a település határában, ahol már nem éri meg mezőgazdasági növényeket termeszteni.
A négy legfontosabb megoldás:
- Használati meleg víz előállítása napkollektorral: a kollektor testében csőhálózat található, melyben fagytűrő folyadék van feltöltve. A felmelegedő folyadék a hőmérséklet-különbség hatására áramolni kezd, és felmelegíti a hőtároló tartályban lévő vizet, melyet majd a háztartás különböző pontjain használhatunk.
- Elektromos áram terelése napkollektorokkal: parabola kialakítású tükrök, melyekben a Nap sugarait a tükörfelület fekete csőre vetíti, a csövekben sűrű olajszerű folyadék a közvetítő anyag. A hőmérséklet növekedése miatt az olaj áramlani kezd, hőcserélőben leadja a hőt a gőztermelő kör számára. A keletkező forró gőz generátort hajt meg, mely áramot generál.
- Elektromos áram termelése napelemekkel: akkumulátor segítségével tárolható az áram, átvételi szerződéssel a hálózatba is lehet termelni. Németországban ez év január óta drasztikusan csökkent a támogatás és az átvételi ár, de még mindig megéri telepíteni napelemeket.
- Légkondicionálás napkollektorral: A rendszerben lévő hűtőközeg, mely többnyire ammónia, teljesen azonos megoldással üzemel, mint a normál abszorpciós hűtőgépek: a hőelvonás során az ammónia elpárolog, majd a hidegebb helyen lekondenzál. Az áramlásról a napkollektorok meleg vize gondoskodik. Általában összekötik olyan megoldással, hogy a konyhából, mosdóból és fürdőből elszívott levegő (szagok) helyére hőcserélő és abszorber/adszorber közbeiktatásával a friss levegőt nyomja be a rendszer.
Minden esetben, amikor utcai levegő és a házban lévő levegő hőcseréjéről van szó, célszerű nem nyitható ablakokat beépíteni, és passzív házként kialakítani a házunkat: passzív ház esetén az épület fűtése nem igényel fosszilis tüzelőanyagokat.
A meleg vizes esetekben tehát mindenképpen szükséges egy hőcserélő és egy hőtartály, ami után a csövek vezetése tulajdonképpen csak akkora szakértelmet igényel, hogy éppen mit szeretnénk kialakítani (légkondicionálással vagy nélküle).
A napelemekre és kollektorokra koncentrálva: Németországban míg 1999-ben 2,3 millió m2, addig 2010-ben már 13 millió m2 kollektorfelület üzemelt.
Az egységnyi felületre besugárzott napenergia széles skálán mozog az országban:
Berlin: 1000- 1020 kWh/év, München: 1160- 1200 kWh/év, Essen: 970 kWh/év, Frankfurt és Nürnberg: kb. 1050 kWh/év.
Általános szabály szerint a napkollektorokat a következők alapján célszerű tervezni:
1,5 m2 kollektor-felület szükséges a házra lakónként sima kollektorból, és 1 m2 felületű szükséges a vákuumcsöves kollektorokból. Az éves hőátadás 350-400 kWh/m2. Ehhez szükséges melegvíz-tartályt is telepíteni, melyet a napi melegvíz-igény kétszeresével kell tervezni.
A hőcserélő felülete érdes cső esetén 1 m2 kollektor-felületre vetítve 0,35 m2, sima cső esetén elegendő 0,25 m2.
A fenti példa kiegészíthető támogatott fűtéssel is:
Szezonális hőtárolás nélkül:10 m2 fűtött lakóterülethez sima kollektorból kb. 1,1 m2, vákuumcsöves kollektorból 0,8 m2 szükséges, és mellé minimum 50 liter tárolókapacitás szükséges 1 m2 kollektorfelület esetén.
Szezonális hőtárolással: 1,5- 3 m2 sima kollektor vagy 1-2 m2 vákuumcsöves kollektor/10 m2 fűtött lakófelület. Ehhez már 250- 1000 liter hőtároló kapacitás szükséges.
A teljes rendszer költsége az utóbbi években nagy mértékben csökkent: míg 2002-ben a meleg víz előállítására telepített rendszerek ára 6000 euróba került, addig 2006-ra ez 4000 euróra csökkent. Az ár tartalmazza az ÁFÁ-t és a szerelési költségeket. A költségek összetétele: 27 % szerelési ktg, 36 % kollektor-felület, 24 % hőtároló egység, 8 % szolár állomás (tető alatti részek), 6 % egyéb költség.
A sima felületű kollektorok a beérkező napenergia 35 %-át hasznosítják. A rendszer 800- 1000 euró/m2 áron érhető el ÁFÁ-val. A teljes költség egy 5 m2 felületű kollektor és egy 300 literes hőtároló esetében szereléssel és ÁFÁ-val: 4-5000 euró (2012-ben).
Ha a hőtermelés nem elégséges, és ezért további kollektorfelület beépítése is szükséges, akkor 10 m2 felületű kollektor és 800 literes hőtároló beépítése 8-10.000 euróba kerül szereléssel és ÁFÁ-val.
Ugyanezt vákuumcsöves kollektorral is meg lehet oldani: fűtés-kiegészítés nélkül 4 m2 kollektor és 300 literes hőtartály 5-6 ezer euróba kerül, mindez fűtéssel kombinálva 8 m2 kollektorral és 800 liter tartállyal 10- 12 ezer euróba kerül, ÁFÁ-val és szerelési költséggel.
A levegővel hűtött berendezések is jó hatásfokkal építhetők be a házakba: januárban átlagosan 70 óra üzemidővel 25 kWh meleg víz és 160 kWh fűtőenergia termelhető. Ugyanez nyáron, júniusban 210 óra üzemidővel számolva 220 kWh meleg víz és 95 kWh fűtés.
Ennek költsége kb. 550- 700 euró/m2 szerelési költségek nélkül.
Léteznek már naperőművek is, melyek működési elve a víz felmelegítésén alapszik, tükrök segítségével egy oszlopra irányítják a Nap sugarait, az oszlopban lévő víz felmelegszik és áramlani kezd, hőcserélőn keresztül átadja a hőt a generátor felé áramló folyadéknak, a generátor áramot termel, majd a vízgőz kondenzálódik és lehűl.
Ugyanez a módszer nagyobb hatásfokkal működik, amikor olvasztott só a hőközvetítő közeg.
Néhány szó az árakról:
2004-ben a háztartási áram ára 18 Ct/kWh
2010-ben: 20 Ct/kWh
2013-ban:23 Ct/kWh
Megtermelt áram átvételi ára:
2004-ben: 57,4 Ct/kWh
2010-ben: 39,14 Ct/kWh
2013-ban: 20,03 Ct/kWh
Napenergiával megtermelt áram termelési költség:
2000-ben: 75 Ct/kWh
2010: 36 Ct/kWh
előrejelzés 2020-ra: 15 Ct/kWh
A napenergiával megtermelt lakossági áram díja:
2000: 15 Ct/kWh
2010: 22 Ct/kWh
előrejelzés 2020-ra: 35 Ct/kWh
A cikk kezdő képe egy vákuumcsöves napkollektort ábrázol, mely a közepes hőmérséklet-tartományba tartozik: a kollektor hőmérséklete 150- 200 fok.
Ennek működési elve:
A csőben lévő folyadék (többnyire metanol) elpárolog, forráspontja kb. 60 fok, majd a hőcserélőben leadja a hőt és újra lekondenzál és visszafolyik a csőbe és kezdődik elölről.
Az alábbi képen a kollektorok működése látható: a napsugarak felmelegítik a kollektorfelületet, a benne lévőhűtőközeg felmelegszik, és a piros színnel jelölt csövekben a hőtárolóba áramlik a folyadék. a hőtárolóban lévő hőcserélő segítségével használati meleg vizet állíthatunk elő.
A jobb oldali sematikus ábrán látható fekete nyilak szemléltetik a napsugarakat, melyek a "receiver", azaz a sugarakat összegyűjtő cső felületére verődnek a tükörről. A csőben áramló közeg olaj.
Teljesítmény: 2,2- 3,4 ha/MW(elektromos).
A hőtároló egység szinte teljes egészében lehetővé teszi a folyamatos működést, mert az olaj hőkapacitása magas. Így éjszaka sem hál le teljes egészében a rendszer, és éjszaka is lehet áramot termelni, mert az olaj a hőcserélőben víznek adja át a hőt, hogy az abból keletkező gőz meghajtsa a generátort.
A rendszer kombinált hatásfoka kb. 35%, az elektromos hatásfok 23%, az éves átlagos hatásfok kb. 15%.
Hasonló elven működnek a tányér formájú tükrök is,
Az újfajta kísérletek a "solar power tower" nevet viselik: napenergia gyűjtő tornyoknak lehetne őket magyarul nevezni.
A torony körül tükröket helyeznek el, melyek a torony tetején lévő felületre irányítják a Nap sugarait. A toronyban víz vagy kálium- vagy nátrium-nitrát van, az utóbbi megoldás teljesítménye nagyobb, mert a nitrátok olvadáspontja magasabb, így 1100 fok hőmérséklet is elérhető.
Az olvadt só a hőcserélőkön keresztül vízgőzt állít elő, ami generátort hajt meg.
Teljes hatásfoka 17%.
A teljes tükörfelület 260.000 négyzetméter.
Az energiatermelésnek veszteségei is vannak:
- nem teljes reflexió
- kollektorfelület problémák
- por kiülepedése
- adszorberről visszaverődő sugarak
- hőveszteség az adszorberben
- a tükörfelületek egymásra gyakorolt árnyékoló hatása
A kollektor hőt szolgáltat, a rendszer felépítéséhez szükség van abszorberre, deszorberre, kondenzátorra és gőzképző egységre.
A hűtőközeg ammónia, melynek a forráspontja -33 fok, az oldószer víz.
Az abszorberben keveredik össze a hűtőközeg és az oldószer, a deszorberben adja le a hőt, és elpárolog. A hűtőközeg ezt követően a kondenzátorban fog lecsapódni (kondenzálódni).
A gőzölőben a hűtőközeg hőt von el a hűtendő közegtől, expandál, felmelegszik.
A sorozat harmadik részében lesz szó a napelemek működéséről.