Energiaigény és energiaellátás helyzete a világon

Átírás

1 (109) ZSIBORÁCS H. 1, PÁLYI B. 2, VESZELKA M. 3 Napelemes rendszerek energetikai hasznosítása háztartási kiserőművi méretekben Domestic application of Solar Power Systems for Energy Recovery ifj.zsiboracs.henrik@gmail.com 1 PE Georgikon Kar, Vidékfejlesztési agrármérnök Msc szak 2 PE Georgikon Kar, egyetemi docens 3 PE Georgikon Kar, egyetemi adjunktus Energiaigény és energiaellátás helyzete a világon A világ energiaigénye folyamatosan növekszik és 2000 között, a világ összes energia felhasználása 308 EJ-ról 417 EJ-ra emelkedett, ami 35%-os emelkedés, vagyis 1,7% évente. 1 EJ = J, ami 23,9 MTOE-nek felel meg ben, a világ energiafelhasználásának 34%-a Ázsiában történt (141 EJ), míg Észak Amerika további 27%-ot használt fel ( 113 EJ). Európa a teljes energiaszükséglet 19%-áért felelős ( 78 EJ) (Dr. Farkas, 2005). A teljes energiaigényt a közötti EJ/év értekből kiindulva 2030-ban EJ/évnek, 2050-ben EJ/év-nek, 2100-ban EJ/év becsülik ( ben a világ energiaszükségletének legnagyobb részét kőolaj fedezte (32.8%), amelyet a kőszén (27.2%), földgáz (20.9%) és éghető megújuló- vagy hulladék-anyagok (10,2%) követtek.. Nukleáris energia 5.8%-al, vízenergia 2.3%-al és egyéb 0,8%-al járult hozzá a világ primerenergia-termelésének alakulásához (Bank, 2012) (1.ábra). 1.ábra: A világ primér energiaszükséglete (2009) Az elektromos energia fogyasztása az 1971-es évekhez képest 2008-ban több mint háromszorosára, 5850 TWh-ról TWh-ra nőtt (Key World Energy Statistics, 2010) (2.ábra). 541

2 TWh 2. ábra: A világ villamos energia termelése ( ) A hazai energiaellátás jellemzői Magyarország energiafelhasználása 2005-ben 1301,5 PJ volt, melynek 36,9%-a hazai termelés és 63,1%- a import. Az energiafelhasználás volumene a rendszerváltozást követő néhány évben csökkent, majd ezt követően, az elmúlt 10 évben, alig változott. A hazai energia kitermelés mennyisége a rendszerváltozást követően folyamatosan csökkent, és jelenleg PJ között van ( Hazánkban a kőolaj és földgáz felhasználás teszi ki az összfelhasználás majdnem 70%-át. A földgáz felhasználás közel 45%, és az elmúlt évtizedben évről évre emelkedett. Jelentős a nukleáris energiafelhasználás, amely a Paksi Atomerőmű felhasználását jelenti. A szén felhasználás enyhén csökkenő tendenciájú ( (3. ábra). 3. ábra: Az EU elemzése Magyarország energia-összetételéről, 2007 A megújuló energiaforrások részaránya jelenleg meghaladja a 7%-ot, az európai célokkal és nemzeti érdekekkel összhangban M a g y a r o r s z á g m e g u j u l ó e n e r g i a h a s z n o s í t á s i c s e l e k v é s i t e r v e célkitűzésként a kötelező minimum célszámot meghaladó, 14,65 százalékos cél elérését 542

3 tűzte ki 2020-ra. A megújuló energiákra épülő zöldipar egyik alappillére a napenergia. Magyarországon a századforduló óta végeznek rendszeres megfigyeléseket a napsugárzásra és a napsütés időtartamának regisztrálására. Magyarország szélességén a légkör külső határán 9542 MJ/ m 2 -nyi energia érkezik, melynek 45-50%-a éri el a felszínt. Ez az érték ~ MJ/ m 2, ami ~ kwh/ m 2 -t jelent (Hidvégi, 2010). A fotoelektromos hasznosítás eszközei A fotovillamos napenergia-hasznosítás legalapvetőbb eszköze a napelem, amely a napsugárzás energiáját alakítja át közvetlenül villamos energiává. A napelemek készítésének alapanyaga megfelelő vastagságú p-n átmenettel (lyuk-elektron párt szétválasztó réteggel) rendelkező félvezető. Ebben zajlik le az energiaátalakítás folyamata. A jó hatásfokú energia átalakító eszköz készítéséhez általában egykristályos vagy polikristályos szilíciumot használnak (Dr. Farkas, 2003, fft.szie.hu, (4. ábra). 4.ábra. Az egykristályos és polikristályos szilícium napelem elvi felépítése, valamint egy polikristályos napelemcella A kereskedelmi forgalomban kapható napelem modulok mérete és teljesítménye tág határok között változik. A felső mérethatár néhány négyzetméter, a névleges teljesítmény pedig néhány száz Watt nagyságrendben van. A napelemek általában műanyagba vannak beágyazva, a modulokat pedig általában alumínium keretszerkezet határolja. Ez lehetővé teszi, a tartószerkezethez való rögzítést (Dr. Farkas, 2003). Különböző alapanyagú napelemek Napjainkban az egykristályos, polikristályos és amorf változatú szilícium alapanyagokból készítenek napelemeket. A vizsgálatok amorf napelemekkel történtek. Az amorf szilícium napelemeket vékonyréteg-technológiai eljárások alkalmazásával állítják elő. A vékonyréteg-napelemek előállításához valamilyen hordozóanyag (üveg, acélfólia) alkalmazása szükséges. A vékonyréteg-technológia eljárások lehetővé teszik, hogy egyedi napelemek gyártása helyett, komplett elsősorban a kevesebb anyagfelhasználás miatt olcsóbb napelemek előállítását ígéri. 543

4 Laboratóriumi körülmények között 10-11% hatásfok elérhető, azonban a gyártásban lévő amorf napelemek stabilizálódott hatásfoka 4-6%, vagyis ugyanahhoz a teljesítményhez amorf szilícium napelemből kb. 3-szor olyan felület alkalmazása szükséges, mint egykristályos napelemből (Dr. Farkas, 2003, (5.ábra). 5. ábra. Egy p-i-n szilícium napelem szerkezete és valós kinézete A vékony-filmes negatív földelésű napelemek hibája az ún. TCO korrózió. Ez a probléma megfelelő védekezés hiányában pár év alatt, jelentkezik, amely jól látható elváltozást okoz a napelem felületén, tartósan, visszafordíthatatlanul károsítja a napelemet, amely jelentős teljesítmény veszteséget okoz. Amikor a víz valamilyen módon behatol az üveg alá, akkor egy kémiai reakció veszi kezdetét, ami a napelem széleitől indul. Ilyenkor a pozitív töltésű nátrium-ionok vonzódnak a TCO réteg negatív pólushoz, bontva a napelem rétegének szerkezetét, tehát onnan veszik ki a Na +, a negatív töltést így a TCO réteg elváltozása jön létre (SMA-Module Technology, 2010). A keszthelyi napelemes rendszer vizsgálata Egy Keszthelyen élő család napelemes energiatermelő rendszer megvalósítását határozta el 2011 nyarán, amely 2012 májusában lett beüzemelve. Cél volt a villamos energiafogyasztásnak részbeni kiváltása megújuló energiaforrás felhasználásával működő termelő berendezéssel. A kutatások-megfigyelések ennek az erőműnek a segítségével történtek. A vizsgálat kiterjedt a napelemes rendszer beruházási költségére, megtérülésének elméleti idejére, a júliusban leadott napi és havi teljesítményre, valamint a nyári beesési szög megváltozásával összefüggő teljesítményváltozásra. A teljesítmény és energia mérések ig napi-havi rendszerességgel történtek. A tervezett napelemes rendszer névleges termelői kapacitása 5kVA, melyből eddig 42db 2268W-nyi amorf-szilícium anyagú napelem teljesítmény lett beépítve. Az inverter típusa az Osztrák gyártású Fronius Ig Tl 5.0-a, napelemé pedig használt, 2004-ben gyártott Japán Kaneka. A termelőegység bemutatása A kivitelezés során, május elején le lett tesztelve 18db napelem, mivel tudni szerette volna a kivitelező, hogy az általa vásárolt használt napelem mire képes optimális körülmények között Május 27.-én 12 óra 37 perckor, derült napsütésben 1093W-nyi energiát adtak le a napelemek. Ez modulonként 544

5 60,72W-nyi energiát jelentett és névleges teljesítményéhez képest 12,4%-al termelt többet. Emiatt döntött úgy a kivitelező, hogy véglegesen ezt a fajta napelemet fogja használni (6. ábra). 6. ábra. 8 éves, 972W névleges teljesítményű, leföldelt, lezárt szélű, TCO korrózió mentes, amorf szilícium napelem. (995W/m 2, 23 C) (Fotó: Zsiborács Henrik) A fejlesztés első körében a termelő berendezés DC oldali villamos teljesítménye 0,3 kw-volt. A 6db, 0,3kW-nyi napelem tetőn (38 ) lett elhelyezve egyedi építésű fém tartószerkezetre, amik 6db M16-os csavarral lettek rögzítve, 5,07 m 2 -nyifelületet foglalnak el. A fejlesztés első lépésének tervezési és kivitelezési költsége bruttó Ft-ba került (7. ábra). 7. ábra. A családi ház tetején lévő 0,3kW napelemek. (fotó: Zsiborács Henrik) 545

6 A többi napelem a hátsókertbe lett kitelepítve, ahol 2db déli tájolású állványzat található, melyből az egyik fixen van kitelepítve, a másik függőlegesen állítható (8. ábra). 8. ábra. Déli tájolású, fixen kitelepített, 972W névleges teljesítményű napelem. (Fotó: Zsiborács Henrik) A napelemek 3*6-os mátrixban lettek elrendezve. Az ezekhez szükséges tartószerkezeteket szintén egyedileg, a napelemekhez illeszkedve készítettük, állítható dőlésszöggel annak meghatározására, hogy milyen mértékben befolyásolja a dőlésszög változása az aktuális teljesítményt. A kertben lévő modulok 30,47 m 2 -nyi területet foglalnak el, aminek a tervezési és kivitelezési költsége bruttó ft-volt (1. táblázat). A jelenlegi tervek alapján 4,860 kw-ig fog a család fejleszteni, melynek várható költségeit a 2. táblázat szemlélteti. 1.táblázat. A háztartási méretű kiserőmű költségvonzatai A költség típusa Összeg bruttó (Ft) A 2268W-nyi napelem költsége Az 5kW teljesítményű Fronius Ig Tl 5.0 inverter költsége ,3kW-nyi napelemes rendszer tervezési és kivitelezési költsége ,94kW-nyi tervezési és kivitelezési költsége Összesen

7 2. táblázat. A teljesen kiépített napelemes erőmű továbbfejlesztésének várható költségvonzatai A költség típusa Összeg bruttó (Ft) A 2,268 kw-nyi napelemes rendszer költsége A 2,592 kw-nyi napelem költsége A 2,592 kw-nyi napelemes rendszer tervezett tervezési és kivitelezési költsége Összesen A háztartási méretű kiserőmű megtérülésének elméleti ideje A napelemes rendszer megtérülésének elméleti idejét az egyik leggyakrabban alkalmazott számítási módszerrel, a beruházások megtérülésének számításával végeztük: n = C 0 / PV ahol n = megtérülési idő (években) C 0 = a befektetés összege a befektetés idején (2012-es áron: Ft) PV = az éves haszon jelenértéke (kedvezőtlen feltételek esetén: Ft) n = megtérülési idő (években)= / = 9,5158 (év) A PV a minden évben keletkező energia megtakarítás pénzbeli értéke, visszaszámolva a kezdeti időszakra. Sajnos ez az egyszerű számítási modell csak bizonyos feltételek között ad helyes eredményt, mivel a megtakarítás értéke minden évben változik ( A tervezést segítették a SolarGIS adatai, mely nagy felbontású éghajlati adatokhoz, térképekhez, szoftverekhez és szolgáltatásokhoz biztosít online hozzáférést a napenergiával kapcsolatban. Magyarországon éves szinten egy négyzetméterre 1200 kwh/m kwh/m 2 közötti energia érkezik. Ez azt jelenti, hogy 1kWh-nyi napelemes rendszer elméletileg ezt az energia mennyiséget képes hasznosítani. Ebből következik, hogy 1kWh-nyi energiát többlettermelés alatt az A1 - I. tömb alapján 46,89 ft/kwh, a felett pedig 19,69 ft ért lehetséges értékesíteni egy ilyen rendszer esetében. Tehát a jelenlegi helyzetben érdemes a napelemes erőműveket úgy tervezni, hogy éves szinten ne termeljünk többet, mint amit elhasználunk. A 3. táblázattal szemléltetem, hogy ez mit jelent éves szinten 1 kw-os rendszernél ( 3. táblázat. 1 kw-os napelemes rendszer esetében lehetséges árviszonyok Magyarországon 1 év alatt megtermelt energia 1kW-os napelemes rendszer esetében (kwh) Teljes energia felhasználásakor érvényes összeg (Ft/kWh) 46,89 46,89 Teljes energia eladása esetén, a szolgáltató által fizetendő összeg (Ft/kWh) 19,69 19,69 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia felhasználás esetében (Ft) év alatt megtermelt összeg teljes energia eladása esetében (Ft) Különbség (Ft)

8 A 4. táblázat az elméleti megtérülést illetve a fejlesztést követő napelemes rendszer elméleti megtérülését szemlélteti. 4. táblázat. A kialakított napelemes rendszer elméleti megtérülése 2,268 kw-nyi napelemes rendszer költsége (Ft) 1 év alatt megtermelt energia 2,268 kwh-ás napelemes rendszer esetében (kwh) Teljes energia felhasználásakor érvényes összeg (Ft/kWh) 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia felhasználás esetében (Ft) ,89 46, ,860 kw-nyi napelemes rendszer várható összköltsége (Ft) 1 év alatt megtermelt energia 4,860 kwh-ás napelemes rendszer esetében (kwh) Teljes energia felhasználásakor érvényes összeg (Ft/kWh) 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia felhasználás esetében (Ft) ,89 46, Megtérülés ideje (év) 9,51 8,39 Megtérülés ideje 7,16 6,32 A háztartási méretű kiserőmű júliusban leadott teljesítménye, adatainak kiértékelése, összehasonlítása egyéb erőművekkel A keszthelyi napelemes erőműnek a júliusban leadott energiájának az adatai napi rendszerességgel lettek feljegyezve az inverterbe beépített mérő és adatgyűjtő kontroller kijelzőjéről. Az adatok egy nyilvánosan elérhető kalkulátor adataival, a SZALONTAI RGB Bt. napelemes cégnek hálózatba tápláló napelemes rendszerének online adataival, Siel Inczédy és Társa kft. rendszerével, a Váci városházának a napelemes erőművével illetve a Solar-Pécs adataival lettek összehasonlítva ( A kalkulátor az Európai Bizottság megbízásából jött létre, mivel igény mutatkozott egy külső, megbízható forrásra a napelemes rendszerek várható éves teljesítményének számolásra. A honlapon megtudhatjuk, hogy lakóhelyünkön mennyi energiára is számíthatunk hozzávetőlegesen egy évben ( A beépített teljesítmények nem azonosak a keszthelyi napelemes erőművel, ezért az egységnyi napelem teljesítményre (NE) jutó havi energiatermelést az 5. táblázat szemlélteti kiértékelve. 548

9 5. táblázat. Júliusi energiatermelés egységnyi napelem egységre átszámítva, valamint az EU kalkulátorhoz viszonyított eltérés %-ban kifejezve NE típusa Júliusi energiamennyiség (kwh) Egységnyi NE teljesítményre eső júliusi energiatermelés (Wh/NE {1W}) EU kalkulátorhoz viszonyított eltérés (%) EU kalkulátor, 2268W Elméleti, ált. poly Pécs 1, 2250W HG-45, a-si Vác 1, 2160W poly Vác 2, 4000W mono Keszthely, 2268W Kaneka a-si , ,2 511,9 306, , , ,97 135,299 Pécs 2, 2600W KPV- 260 mono ,54 9 B.udvari, 2690W Sharp NA- F128 a-si Pécs 3, 2100W Kyocer a poly , , ,59 85,05 90,70 95,89 100,32 101,78 106,21 A kiértékelt adatokból jól kivehető, hogy a Keszthelyen lévő 8 éves használt Kaneka napelem egyes új napelem típusokkal szemben nagyon jól teljesít és a legjobbaktól alig marad el, az amortizáció mértéke sokkal jobb, mint a gyárilag jósolt érték. A polikristályos napelemek magasabb ára nincs összhangban az új állapotukban mérhető magasabb teljesítménnyel. A háztartási méretű kiserőmű beesési szög megváltozásának eredményei Az állítható dőlésszögű déli tájolású napelem csoport szögének változtatása (18db) a nyár folyamán 3* volt elvégezve, június, július és augusztusban. A mérés során, a tetőn lévő 6 db napelemből álló csoport és a fix beállítású napelem blokk elektromosan ki lett szakaszolva. Az inverterre csak az állítható dőlésszögű napelem csoport csatlakozott. A pontos szög meghatározása a napelem legalsó sarkától vízmértékkel kijelölt léc és a derékszögű háromszög befogójára helyezett függőónnal illetve hosszmérő szalag segítségével, koszinusz fügvény alkalmazásával történt. A napelem teljesítményét 3-4 beállított szögnél vizsgáltuk. Az adatok gyűjtése az inverterbe beépített mérő és adatgyűjtő kontroller kijelzőjéről történt, 5 perces megfigyelési idővel, ahol a folyamatosan változó értékek minimuma és maximuma lett meghatározva (7.táblázat). 549

10 7. táblázat. Az állítható dőlésszögű napelem csoport kiértékelt adatai h15min á (alfa) minimum (W) maximum (W) minimum eltérése (%) maximum eltérése (%) Kiindulási állapot Elért állapot h35 min Kiindulási állapot 22,19 44,7 á (alfa) 24, max (W) 5,47 min. eltérése 4,37 max. eltérése Elért állapot 44, h35 min á (alfa) Kiindulá si állapot Elért állapot 24,07 41,8 min. (W) min. (W) max (W) 4,15 min. eltérése 0,13 max. eltérése ,26 0 A legnagyobb teljesítménycsökkenés a minimális és a maximális szögnél volt tapasztalható. A mérési adatokból látható, hogy a szögállítás jelentős teljesítmény javulást nem hozott létre ennél a napelem típusnál a nyári időszakban. 5,47%-nál nem eredményezett több energiát a szög megváltoztatása. A fényerő természetes ingadozásából származó teljesítmény változások bizonytalanná teszik a mérést, mivel annyira minimális az energia változása. Irodalomjegyzék FARKAS I. (2003) Napenergia a mezőgazdaságban. Mezőgazda Kiadó, Budapest. FARKAS I. (2005) Fotovillamos napenergia-hasznosítás szemináriumok. Gödöllő BANK K. (2012) A 21. század energiaforrásai, , Pdf, 6. oldal június 17. KEY WORLD ENERGY STATISTICS, 2010, Pdf, 26. oldal június 17. HIDVÉGI H. (2011) Napenergia hasznosításának lehetőségei Szeged és vonzáskörzetében konferencia: június 30, 6-8 oldal június június rgetikai_cs%c3%bacsa június