Innovációs Pályázat Kutatásfejlesztés Teljesen önellátó üvegház létesítése, megújuló energia rendszer kialakításával

Átírás

1 Innovációs Pályázat Kutatásfejlesztés Teljesen önellátó üvegház létesítése, megújuló energia rendszer kialakításával

2 1. Innováció célja, leírása 1.1 Innováció célja, A mai világban nagy hangsúlyt kellene fektetni arra, hogy a gazdaság fellendüljön, jól és gazdaságosan működjön. Célunk egy olyan gazdaság létrehozása, kiépítése, mely bárhol a világban kiépíthető legyen és önállóan, el illetve fent tudja magát tartani. Ezt úgy valósítanánk meg, hogy külső energiaforrás nélkül - gondolunk itt az áramszolgáltatók általi kiszolgáltatott helyzetre a megújuló energiákra támaszkodva termelnénk meg a szükséges hő, víz valamint energiaszükségletet. 1.2 Alkalmazott technológiák ismertetése A projekt keretében az üvegház szükséges energia ellátását az eddigi ismert megújuló energia rendszerek összefogásával, kombinálásával szeretnénk megoldani. Villamos energia A nap és vagy a szél energiáját felhasználva elérhetjük azt, hogy az üvegházhoz szükséges teljes villamos energiáját elő tudjuk állítani. Mint ahogy a címben is olvasható a teljesen önellátó alatt itt azt értjük, hogy külső energia nélkül. Ezt szigetüzemű napelemes rendszerrel valósítanánk meg, mert így bárhol a világban kiépíthető, jól alkalmazható ahol nincsen a közelben villamos hálózat vagy a fogyasztás mértékéhez képest túlságosan bonyolult volna az ahhoz való kapcsolódás. Az önálló rendszerben való működés a napelemes rendszerek alapvető feladata. Egyszerűen, csendesen és megbízhatóan képesek ellátni egy tanya vagy gazdasági épület energiaigényét. Hálózati kapcsolat nélkül csakis annyi energiát tudunk felhasználni amennyit a rendszerünk megtermelt, mondhatni folyamatos visszajelzést kapunk energiafogyasztásunk alakulásáról. Ez szinte automatikusan fogyasztásunk csökkenését, az energiatudatosság megerősödését hozza magával. A szigetüzemű napelemes rendszerek esetén a napelemek által megtermelt energiát akkumulátorokban tároljuk. Az akkumulátorok töltését illetve kisütését a töltésvezérlő irányítja, ezen felül kisfeszültségű (12 24 V) fogyasztók áramellátását is biztosítja. Egy inverter segítségével az akkumulátorok által biztosított egyenáramot 230 V, 50 Hz-es váltakozó árammá tudjuk transzformálni, amellyel a legtöbb elektromos fogyasztó működtethető. Egy szigetüzemű napelemes rendszer (1. ábra) költségei egységnyi hasznosított

3 energiamennyiségre vonatkoztatva 50-75%-kal magasabbak, mint egy hálózatra tápláló rendszer esetén. Ez az akkumulátor telep költségeinek és a tárolókapacitás korlátozott méretének eredménye. A hálózati kapcsolattal kiépített napelemes rendszer tehát olcsóbb, és egy gyorsabban megtérülő beruházás. Ha szigetüzemű napelemes rendszert szeretnénk megvalósítani, a villamos fogyasztók összeírásával és fogyasztási szokásaink számszerűsítésével kell kezdenünk a tervezést. Készítsünk egy listát, amelyben minden fontosabb, nagyobb teljesítményű villamos fogyasztónk szerepel az általuk igényelt teljesítménnyel és a várható működési időkkel együtt. A teljesítményeket (Watt) és az üzemidőket (óra/hét) tételenként összeszorozva majd ezt összegezve megkapjuk, hogy várhatóan mekkora energiafogyasztásra lehet számítani (Wh/hét). Már ennél az összeírásnál kiderül, melyek a sok energiát igénylő nagy fogyasztók. Érdemes újra átgondolni, mi az, amit minden körülmények között működtetni szeretnénk (pl. világítás, számítógép) és mely fogyasztókat lehet időszakosan nélkülözni. Nagy teljesítményű fogyasztók esetén érdemes elgondolkozni azon is, hogy helyettesíthetőek-e másféle energiaforrásról üzemelőkkel (pl. villanybojler napkollektorral) vagy alkalomszerű használatuk alatt elláthatja-e őket egy benzines aggregátor. 1. ábra. Szigetüzemű napelemes rendszer Fontos, hogy a szigetüzemű napelemes rendszert a várható legnagyobb teljesítményre kell méreteznünk. Magas energiafogyasztás és nagy várható teljesítményfelvételek esetén igen magas költségekre kell tehát számítani. Fogyasztási szokásaink ésszerű alakításával azonban kisebb és olcsóbb napelemes rendszer is elegendő lesz. El kell továbbá döntenünk,

4 hogy egész évben vagy csak például a nyári hónapokban szeretnénk használni a rendszert. A napelemek elhelyezésére szolgáló felület dőlésszögének, tájolásának és a méretezési időszak napsugárzási energiahozamának ismeretében meghatározható, mekkora napelem felületre van szükségünk. Borús idő esetén a napelemek nem vagy csak alig termelnek energiát. Ekkor az akkumulátorokról üzemeltetjük az elektromos berendezéseket. Ha az ember igyekszik takarékosan gazdálkodni, csak a kiemelt fontosságú fogyasztókat üzemelteti ezekben az időszakokban. Gondoljuk tehát végig, mekkora energiaigényt jelentenek ezek a berendezések és milyen hosszú legyen az az időszak, amelyet kizárólag akkumulátoros üzemben át szeretnénk hidalni (pl. 3 nap). Ezek alapján meghatározható legalább mekkora akkumulátor telepre van szükségünk. Az energia átalakításának és tárolásának veszteségeit figyelembe véve azonban érdemes a szükségesnél nagyobb kapacitást beépítenünk. Az akkumulátorok élettartamára jó hatással van, ha szobahőmérsékleten vagy legalább temperált térben tudjuk elhelyezni őket. Előfordulhat az, hogy több napon keresztül borús, esős az időjárás, vagy télen kevesebbet süt a nap, ezért a rendszert egy kisebb méretű (50 kw alatti) szélerőművel, egészíthetnénk ki (bár az önkormányzatoknál a rendezési tervben meg van adva a maximális építménymagasság ezt kell figyelembe venni.) Az átmeneti időszakot a helyi adottságoktól függetlenül az alábbi megoldással gondoltuk áthidalni. Ha a napenergiát tároló akkumulátor egység állapotjelzője a megadott érték alá esik, akkor a rendszer automatika elindít egy aggregátort. Ezzel a megoldással úgy gondoljuk, hogy az esetleges energia hiányt tudjuk pótolni addig, amíg az időjárás kedvezően alakul. A napelemes rendszert lehet földre, vagy épület tetejére telepíteni. A projektben a helytakarékos megoldás miatt az akkutelep, vagy az üvegházban termesztett növény tárolására kiépítésre kerülő raktár tetejére célszerű elhelyezni. Hő energia A hőenergia kinyerésére a talajszondás hőszivattyús rendszer lenne az optimális. A talajszondás hőszivattyús rendszereknél az épület fűtéséhez szükséges hőt a függőlegesen a talajba helyezett szondákon keresztül nyerjük. A szondákban szivattyúkkal keringtetett fagyálló keverék biztosítja a hő szállítását. Az általában U alakú szondákat egy-egy körülbelül 15 cm átmérőjű, m mélységű furatba helyezik, így a talajkollektoros rendszerhez képest jóval kisebb helyigény mellett biztosítható a hőnyerés. További kedvező tulajdonsága a rendszernek, hogy a felszíni rétegektől távolodva csökken a Nap hőenergiájának hatása és

5 átveszi a szerepét a geotermikus energia, a Föld belsejéből származó hőenergia. Magyarország területén a felszíntől távolodva kilométerenként átlagosan C-ot emelkedik a hőmérséklet, ami közel kétszerese az európai átlagnak. Az átlagot meghaladó és közel állandónak tekinthető szondaköri hőmérséklet kedvező hatású a hőszivattyús rendszer üzemeltetésére, ugyanis a hőszivattyús rendszer üzemköltségét az áthidalandó hőmérsékletkülönbség befolyásolja. Magasabb talajhőmérséklet mellett ugyan az a hőszivattyú alacsonyabb üzemköltséggel üzemeltethető. A szondamező kialakítása magas szintű szakértelmet és több szakterület összetett munkáját igényli. Egyrészt szükséges a talaj adottságainak, ellenállásának, rétegződéseinek, a talaj- és rétegvizek helyzetének és folyásirányának ismerete, másrészt minden egyes szondamezőt az épületgépészeti rendszer hőfelhasználásának sajátosságaira kell méretezni. A csúcsigényen kívül az éves hőfelhasználás eloszlása is komoly szerepet játszik egy szondamező kialakításában. Például éves átlagban több fűtési hőenergia nyerhető egy nyáron hűtésre használt szondamezőből, mint egy folyamatosan például medencetemperálásra használt mezőből megegyező adottságok és kialakítás mellett. A talajszondával átlagosan kinyerhető hőteljesítmény 50 W/m. A talajszondát használó hőszivattyúk a talajban raktározott hőenergiát akár 80%-ban fel tudják használni az épület fűtésére, a többi mintegy 20%-ot villamos energia (vagy földgáz) segítségével állítják elő. A hőforrás magasabb és közel állandó hőmérsékletű, szemben talajkollektorral, így a rendszer hatékonysága is magasabb. Általános esetben egy nagyobb családi ház, mely 3000 m3 földgázt használ el egy évben, megfelelő alacsony hőmérsékletű felületfűtés esetén (padló, fal vagy mennyezetfűtés) a következő üzemelési költséggel számolhat: az épületnek mintegy kwh hőenergiára van szüksége. Talajszondás hőszivattyú esetében kwh villamos energia (áram) fogyasztásával kell számolni és a további kwh-t a Föld szolgáltatja. A villanyszámlánk Ft lesz H tarifa mellett. Így az éves megtakarítás Ft lenne. Ha gázmotoros hőszivattyút alkalmazunk, akkor a kwh előállításához csupán ~800 m3 földgázra van szükségünk, ami Ft-os éves költséget jelent, Ft-os éves megtakarítással a jelenlegi energiaárak mellett. További jelentős megtakarítás, hogy a nyári hónapokban hűtésre is használhatjuk a hagyományos Split klímával szemben töredék áron. Régi rendszer átalakítása esetén a hűtés-fűtés kombinációval tudunk gyors megtérülést elérni. A talajszondás rendszer kialakítása bányakapitánysági és gyakran vízjogi engedélyeztetéshez is kötött eljárás.

6 Működési elv: A talajszondás hőszivattyús rendszer lelke maga a kompressziós hőszivattyú (vannak abszorpciós elven működő hőszivattyúk is, de alkalmazásuk kevésbé gyakori hazánkban). Működése a következőképpen írható le: A berendezés két hőcserélőből (kondenzátor és elpárologtató), egy kompresszorból és egy expanziós szelepből áll. A folyamatról elöljáróban annyit, hogy ez egy körfolyamat. Tehát kezdjük az első lépéssel: - A talajszonda csővezetékében lévő folyadék a talajtól hőt von el, megnő a hőmérséklete és a hőcserélőben ezt átadja a hőszivattyúban keringő közegnek mi ennek hatására elpárolog. - Ebben az állapotban belép a kompresszorba, ami megnöveli a nyomását és a hőmérsékletét a fűtési előremenő hőmérséklet fölé. - A kondenzátorba belépve a közeg leadja a hőt a fűtőközegnek, lecsökken a hőmérséklete és kondenzálódik (újra folyékony halmazállapotba kerül). - A munkaközeg kilépve a kondenzátorból folyadék halmazállapotú és magas nyomású. Áthalad az expanziós szelepen, ahol nyomása lecsökken és lehűl a közeg a hőforrás (talaj) hőmérséklete alá. Ahhoz, hogy végbemehessen ez a körfolyamat, olyan munkaközegre, gázra van szükség, amelynek alacsony a forráspontja és magas nyomás alatt cseppfolyósodik. A talajszondás rendszer (2. ábra) előnyei: hátrányai: viszonylag magas a szondamezőből kinyerhető hőmérséklet, azaz kedvező COP érték érhető el a szondamezőből kinyerhető hőmérséklet közel állandó, független a külső hőmérséklet ingadozásától lehetőséget nyújt passzív hűtésre magas a fúrási és telepítési költség nem minden esetben lehetséges a fúrás (pl. barlangos területek) a szondaköri szivattyúzás üzemeltetési többletköltséget okoz alacsony hőmérsékletű és így kis hőfoklépcsőjű fűtési rendszereknél alkalmazható

7 a kis hőfoklépcső miatt többlet beruházási költség jelentkezik a nagyobb cső és szerelvényméretek miatt 2. ábra. Talajszondás rendszer Vízellátás A víz ellátását fúrt kúttal oldanánk meg. Az innen nyert víz fedezné az üvegház vízigényét. A víz-kutak típusai: Kutak osztályzása a vízadó réteg szerint: 1. Talajvíz-kutak 2. Rétegvíz-kutak Alapvető kérdés az, hogy a vizet háztartási célra, tehát ivóvízként, vagy pedig öntözéshez, igénytelenebb állatok tartásához kívánjuk használni. Ugyanis míg az utóbbi igények kielégítéséhez elegendő a gyengébb minőségű talajvíz, addig ivóvízként réteg-, vagy karsztvíz felhasználása ajánlott. Kutak osztályzása kivitelezésük technológiája szerint: Ásott kút Ásott kutat csak kis mélységig lehet készíteni, ezért csak a talajvizek kitermelésére alkalmas. Előállításuk költséges, vízhozamuk bizonytalan, vízminőségük megkérdőjelezhető.

8 Az ásott kutak többnyire nem érik el a vízadó réteg alját, ezért tökéletlen kutaknak is nevezzük őket. Ebből kifolyólag vízhozamuk a több mint 1 méteres átmérő ellenére messze elmarad a fúrt kutaktól.

9 Fúrt kút A technológiák fejlődése és a gépesítés a kutak készítését is forradalmasította, kutak ma már szinte kizárólag fúrással készülnek. Fúrt kutak (3. ábra) készülhetnek pár centistől több méteres átmérőig, alig tíz méterestől akár tízezer méteres mélységig. Különböző, a talajszerkezettől függően a kívánt vízhozam, vagy a vízminőség szerint más-más átmérőjű illetve mélységű kút kerül kialakításra, amelyek különböző technológiával készíthetők el. Egy szakszerűen kivitelezett fúrt kút hozama évtizedeken keresztül állandó, vízminősége megfelelő. Költségvonzata töredéke egy hasonló paraméterekkel rendelkező ásott kútnak. Nem elhanyagolható az sem, hogy fúrt kút a környezettől elzárható, állatok, növények, emberek nem tudnak beleesni. 3. ábra. Fúrt kút A két lehetőség közül mi a fúrt kutat helyezzük előtérbe, mivel az ásott kút víz mennyisége, a nagy szárazság következtében elapadhat, kiszáradhat. Természetesen a helyi viszonyoknak megfelelően amennyiben a közelben patak, ér a természet adta lehetőség igénybe vehető. Ebben a fejezetben felsorolt technológiákat egy olyan rendszerbe fognánk össze, mely teljesen automatizált rendszert alkot. A napenergiával megtermelt árammal látnánk el a komplett rendszert, a többlet energiát egy akkumulátor telep segítségével eltárolnánk, a korábban leírtak alapján, szükség esetén a hiányzó energiát aggregátorral pótolnánk. Az üvegház fűtés-hűtését a hőszivattyú biztosítaná, amely az üvegházban termesztett növény fejlődésének legoptimálisabb hőmérsékletet tudja biztosítani. A hőszivattyú energia ellátását

10 szintén a napelemes rendszer által megtermelt energiából kívánjuk megoldani. A földből való víz kinyeréséhez használt szivattyú energia ellátását szintén a napelem látja el. Ezzel az optimálisan méretezett tervezett napelemes rendszerrel és a hozzá méretezett akkumulátor teleppel és aggregátorral a tervezett technológiák áramellátása biztosított, megoldott. Kiemelt fontosságot kap az energia-ellátás biztonsága a meglévő természet adta lehetőségek felhasználásával. Melynek következtében javítja az energia rendszer hatékonyságát, mivel csak annyi energiát termel mely az üvegház megfelelő működéséhez szükséges. Az üvegház öntözését automata rendszerrel oldanánk meg. Az előre meghatározott időpontokban a kiépített öntöző rendszer automatikusan bekapcsol. Az irányítás technikai rendszert úgy építenénk fel, hogy a helyszínen, vagy internetes felületen keresztül a korábbi beállítások módosíthatóak legyenek, mivel a nyári időszakban előfordulhat, hogy a korábban beállított időpontot az időjárás felülírja, és még / vagy már nem szerencsés az öntözés. A fizikai állományt csak akkor kell igénybe venni, ha ültetés, palántázás, vagy a termény betakarítása aktuálissá válik. Az üvegházrendszer általános ismertetése A rendszer lelke a vezérlő számítógép, ami egyszerűvé és tökéletessé teszi a klímaszabályozást. A Priva cég legújabb fejlesztésű klímavezérlő számítógépe, ami magába ötvözi a cég 15 éves tapasztalatát a kertészeti technológiákban. Priva egy forradalmian új rendszer, ami lehetővé teszi a növényház összes technológiai elemének összehangolt, optimalizált működését, ami a sikeres termesztés alapja. A klímavezérlő számítógép a növényház teljes klímáját szabályozza, elvégzi a szellőzők irányítását, a fűtő és hűtő rendszer vezérlését, a CO 2 adagolást, a különböző ernyők mozgatását, pártartalom szabályozást, asszimilációs világítás, kazánok, a növényház levegőjének keringetését ventillátorokkal, illetve az öntöző és tápoldatozó rendszer működtetését. - automatizálja a növényház és a technológiák működését - optimalizálja a klíma, öntöző és energia rendszerek működését - külső és belső tényezők folyamatos mérése, optimális növényházi klíma 24 órában megbízható és folyamatos működés

11 - továbbfejleszthető (kis és nagy területhez egyaránt kialakítható rendszerek) intelligens hőmérséklet integráció (optimális fűtési és szellőzési stratégia a rendelkezésre álló energiához) - Priva Office szoftver lehetővé teszi az adatok és folyamatok könnyű áttekintését és archiválását illetve a rendszer könnyű kezelhetőségét A komplett rendszer részei - központi vezérlő egység - hardware (vezérlő számítógép alállomások, vezérlő- és kommunikációs panelok, kijelző, billentyűzet, stb.) - software (vezérlő számítógép program modulok) mérőeszközök, kiegészítők (időjárás állomás, érzékelők, kábelek stb.) LDA kezelő felület (terminál) Priva Office (grafikus kezelő és archiváló program) PC - személyi számítógép Priva Office-hoz (szerver / kliens) Öntözés program - Szelep csoport - Indító program - Vízrendszer (öntözőgép) - Vízrendszer (öntözőgép) alap program - Adagoló csatorna

12 - Szelep vezérlés - öntöző szelepek Mérőeszközök, kiegészítők Időjárás állomás komplett (4 mtr-es felfogatóval alumínium házban): Szélsebesség mérő Szélirány mérő Külső levegő hőmérséklet Eső érzékelő Időjárás állomás extra érzékelők - Linear fényérzékelő alumínium házban - Mérődoboz (hőmérséklet és páratartalom mérés) - Mérődoboz +száraz nedves hőmérő - Vízhőmérséklet érzékelő - Fűtéscső érzékelő 80 mm - Ablaknyitás érzékelő - Ablaknyitás érzékelő komplett DWC Brinkman drén tálca rendszer DWC rendszer részei: - DWC szabályozó program - Start program (transpiráció összeg) - DWC mérő rendszer alkatrészek - Module EC/pH (központi dobozban elhelyezve)

13 Infra kamera (PT sensor) - Infravörös kamerával történő növényhőmérséklet mérés és klímaszabályozás - Megbízhatóan nagy mérési felület (1-10 m2 vagy akár még több) +/- 0,2 C mérési pontosság - Pontosabb fűtés, szellőzés, ernyő és párásítás szabályozás, ezáltal jobb termési eredmény illetve energia megtakarítás Drénvíz kezelés Drén gyűjtők Minden csatorna végén a drénvíz összegyűjtéséhez egy drén gyűjtő tartály kerül leszállításra. Fekete, műanyag dréntartály 40 mm-es kifolyóval (50 cm-es tömlővel) Nevelőkocka 100 x 100 x 65 (25/35)

14 Innováció Az általunk kínált technológia számtalan innovatív megoldást tartalmaz. Minden betervezett és kiválasztott technológiában, alkatrészben felfedezhető az innováció. Többek közt az általunk betervezett öntöző technológia az elhasznált öntözővizet drénvizet újrahasznosítja, tápanyag szintet mér, és ahhoz mérten adagol plusz tápanyagot, mással ellentétben a még tápanyagban gazdag drénvizet nem kiengedjük. A tisztított drénvizet a párásító rendszer is újra tudja hasznosítani. Az energia és árnyékoló ernyő technológia is rendkívül költséghatékony és magas szintű műszaki tartalommal bír a jelenleg forgalomba lévőkkel szemben, mint telepítés és üzemeltetés tekintetében. Az üvegház szerkezet a lehető legfejlettebb konstrukció, ami jelenleg az európai piacon elérhető, erre az éghajlatra igazítva. A konstrukció kiválasztásánál figyelembe vettük a Magyarországon, előfordulható szélsőséges és sajátságos időjárási viszonyokat, hó terhelés, erős szél, erős napfény. Az itt bemutatott technológiával létesített üvegházban a mindennapokban közkedvelt zöldségféléket (paradicsom, paprika), és a külföldről behozott virágfélék termesztését helyeznénk előtérbe, melynek következtében csökkentenénk a külföldről behozott áruk mennyiségét. Ennek következtében gyorsabban juthatnának el a végtermékek a viszonteladókig, esetleg közvetlenül a fogyasztókig. Nem kell attól félni, hogy a tartósság elérése miatt éretlenül, vagy virág esetében fagyasztott áruként indul útjára.

15 5. ábra. A napsütéses órák száma Magyarországon Az aktuális sugárzás mindig az adott helytől is függ. A napelemek költséghatékony működését a napfény erőssége is nagyban befolyásolja. A napfény erősségét befolyásoló tényezők a következők lehetnek: domborzati viszonyok, felhőzet és a napfénytartalom. Hazánk legnaposabb részén évi eloszlásban 2000óra fölött van a napsütéses órák száma. 2. Környezetvédelmi hatásokra kitekintés A megújuló energiaforrásoknak kiemelt szerepe van a zöldgazdaságban. A környezetvédelem, a klímavédelem nem létezik önmagában. A gazdaság elemeinek milyensége és az erőforrások felhasználásának hatékonysága határozza meg a környezetünk állapotát. A környezetvédelem elemei Fenntarthatóság A Klima védelme A levegő tisztaságának védelme A vizek védelme A talaj termőerejének fenntartása A fenntarthatóság biztosításának eszközei Káros anyag kibocsátás csökkentése (növekedésének megállítása)

16 Energiatakarékosság Megújuló energiák hasznosítása Talajszennyzés csökkentése Okszerű talajerő gazdálkodás Fajok védelme Alapvető probléma az üvegház hatású gázok felszaporodása. Okai: - Az energia felhasználás exponenciális növekedése elsősorban fosszilis energiahordozók elhasználásával (CO2, Nx gázok) Ez nem állítható meg. - Koncentrált állattenyésztés, szennyvíz mennyiség növekedés (Metán) A projekt kapcsán elsődleges célunk, elképzelésünk az volt, hogy az üvegház működéséhez szükséges energiát teljes mértékben megújuló energiából nyerjük, valamint minden környezeti és humán követelményeknek megfeleljünk.