1. Beadandó Feladat Az alternatív energia felhasználása Budapest, 2009. október 3.
2. oldal Az alternatív energia felhasználása Tartalomjegyzék: AZ ALTERNATÍV ENERGIA... 3 NAPENERGIA... 3 A NAPELEM... 4 A NAPKOLLEKTOR... 4 A PASSZÍVHÁZ... 5 VÍZENERGIA... 5 ÁRAPÁLY ERŐMŰ... 6 GEOTERMIKUS ENERGIA... 6 A HŐSZIVATTYÚ... 6 SZÉLENERGIA... 7 BIOMASSZA... 7 AKTUÁLIS ENERGIAFORRÁS FELHASZNÁLÁS... 8 FORRÁSOK... 8
3. oldal Az alternatív energia felhasználása Az alternatív energia A természeti jelenségek kölcsönhatásából kinyerhető tiszta energia, például a napenergia, vízenergia, szélenergia, geotermikus energia. A megújuló energiaforrásnak nevezzük azon természeti jelenségeket, melyekből az energia úgy nyerhető ki, hogy jelentősebb emberi beavatkozás nélkül legfeljebb néhány éven belül az újratermelődik. Az alternatív energiaforrások jelentősége, hogy használatuk összhangban van a fenntartható fejlődés alapelveivel, és nem okoznak környezetszennyezést. Alternatív energiaforrás az az energiahordozó, amelyből a jelenleg használatos szénhidrogének alternatívájaként valamilyen energiát (hő-, mozgási-, villamos energia) tudunk kinyerni. A kőolaj, a földgáz, a szén és az urán a nem megújuló energiafajták közé tartoznak. Ezek az energiafajták adják jelenlegi energiafelhasználásunk csaknem teljes részét, azonban, ahogy ezek neve is mutatja, készletük korlátozott, újratermelésükre nincs lehetőség, vagy az olyan lassú, hogy belátható időn belül a készletek megújulására nem számíthatunk. Vannak viszont olyan energiafajták, melyek folyamatosan újratermelődnek. Ezek az alternatív energiák (megújuló energiák. A fosszilis energiahordozó készletek végesek, ráadásul ha növekvő energiaigényünket kizárólag ezek felhasználásával akarjuk kielégíteni, az a környezetszennyezés további fokozásával jár. Az sem mindegy, hogy a jelentős részben importnyersanyagra épülő magyar energiaipar mennyiért szerzi be az energiát. Sajnos Magyarország lemaradása óriási, a gazdaságos módon kinyerhető energia felhasználások terén. A gyors növekedés idején mind a nyersanyagokkal, mind az energiahordozókkal rendkívül pazarló módon gazdálkodtak, akkoriban úgy tűnt, hogy a tudományos felfedezések és a műszaki találmányok minden létező és felmerülő problémára kínálnak megoldást. Napjainkban a befektetések egyre jobban a megújuló energiákat alkalmazó vállalkozások felé orientálódnak. Napenergia Napunk a földi élet elsődleges energiaforrása. Azt az energiát, amely az összes Földön található és kitermelhető kőolajkészletekben rejlik a Nap 1,5 nap alatt sugározza a Földre. Az emberiség jelenlegi, évi energiafogyasztását a Nap egy órányi energia kibocsátása teljes egészében fedezné. Földünk másodpercenként 50 milliárd kwh energiát kap a Naptól. Ez a hatalmas fúziós erőmű, már évmilliárdok óta üzemel. A Napban hidrogén atomok alakulnak át hélium-szerű molekulákká, roppant gravitációs nyomás mellett extrém magas hőmérsékleten. A nap felületének hőmérséklete 5700 C. A Nap hatalmas tömegében, amely a naprendszer több mint 99%-a az évmilliárdos működés ellenére még mindig több mint 70 % hidrogén üzemanyag van, ami szinte kimeríthetetlen energiaforrásként értelmezhető. A megújuló napenergia a fosszilis forrásokkal szemben hosszú távon jelent megoldást az emberiség energiaszükségleteinek kielégítésére, hiszen folytonosan, vagy bizonyos gyakorisággal fordul elő a természetben.
4. oldal Az alternatív energia felhasználása A Napelem A napelemek olyan szilárdtest eszközök, amelyek a fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítják. Az energiaátalakítás alapja, hogy a fény elnyelődésekor mozgásképes töltött részecskéket generál, amiket az eszközben az elektrokémiai potenciálok, illetve az elektron kilépési munkák különbözőségéből adódó beépített elektromos tér rendezett mozgásra kényszerít. A napelemek elterjedését nagymértékben hátráltató tényező az áruk, aminek két fő oka az előállításuk energia- és csúcstechnológia-igényessége, a kis széria, továbbá, hogy csak napon képesek működni. Az utóbbi években azonban (főként a kínai napelem gyártás felfutása, és a tömegtermelés megjelenése miatt) folyamatosan csökken a napelemek ára, és szakmai előrejelzések szerint 2010 után várható, hogy a napelemmel termelt áram ára megegyezzen a fosszilis energiatermelés költségével. Másrészt a Föld jelenlegi legnagyobb naperőműve 40 MW-os, ami mindössze tizede a Paksi Atomerőmű egyetlen blokkja teljesítményének, és ezt a teljesítményt is csak ideális időben produkálja. A napelemekre általában 25 év a garancia, de ez sokszor 40 év is lehet. A napenergia hasznosításában hosszabb távon számottevő növekedés várható. A napkollektor A napkollektor olyan épületgépészeti berendezés, mely napenergia felhasználásával közvetlenül állít elő fűtésre, vízmelegítésre használható hőenergiát. A hőcserélő közeg jellemzően folyadék, ám levegő is használható. Ezt a felmelegített anyagot használják fűtésre, felhasználási területei között megtalálható még például a fűtésen kívül a melegvízszolgáltatás mosogatáshoz, fürdéshez és akár medencék vízutánpótlásához, de olyan megoldással is találkozhatunk, ahol a fényt összegyűjtve üvegszálakon, vagy tükrös csöveken keresztül vezetik el épületek világításához. Gyakran keverik össze a napkollektort és a napelemet, de a kettő már csak működési elvéből és felhasználásából eredően sem ugyanaz! Míg a napkollektor meleg vizet szolgáltat, a napelemet elektromos áram termelésére használják. Az első és nagyon könnyen megvalósítható alkalmazási mód a használati meleg víz előállítása. Ez az úgynevezett egy kollektor - egy tartály hidraulikus séma szerinti működés, azaz egy kollektor, vagy kollektor-mező és egy tartály, vagy egy funkciójú tartály együttes szerepel az összeállításban. A második alkalmazási mód a medencefűtés. Ez a megvalósítás is hasonlít az előző előállítási módhoz, a tartály szerepét maga a medence veszi át. A harmadik a fűtés-kiegészítés. Nem véletlen a szóhasználat, hiszen tudjuk, hogy a Nap hazánkban a téli hónapokban rövid ideig szolgáltat energiát, azonban az átmeneti hónapokban még, ill. már elég nagy energiát szolgáltat, így fűtésről nem, de fűtés-kiegészítésről igenis beszélhetünk! Egy jól méretezett rendszer akár 40% megtakarítást is eredményezhet az éves energiaszükségletből. Akkor terjednének el tömegesen a napkollektorok, ha maximum 10 éven belül megtérülnének.
5. oldal Az alternatív energia felhasználása A passzívház Egy épület, ami 15 kwh / m2 / év energiánál többet nem fogyaszt. Az energiabarát passzívház majdnem egy energiamentes ház, melyet passzív napenergia fűt. Gyakorlatilag magától gondoskodik a kellemes hőmérsékletről, még a napban szegény télben is. A tartalékfűtés ritkán kapcsol be és 500W energia fogyasztásával akkor is csak annyi energiát fogyaszt, mint egy kávéfőző gép. A passzívház egy olyan épületet jelent, melynek belső klímája télen-nyáron kellemes érzést biztosít hagyományos fűtési rendszer nélkül. Az épületnek optimális összhangban kell lennie a fal, a padló, a tető és az ablakok hőszigetelő képességének, az épületek tájolásának az alkalmazandó anyagok minőségének, a belső higiénikus klímát előállító állandó friss levegőről gondoskodó hőszivattyús fűtési eljárásnak, valamint a természetből nyerhető egyéb energiaforrások kihasználásának (pl. napenergia, szélenergia). Az energiabarát passzívház ezzel csak kis mennyiségű környezetszennyező CO2-t bocsát ki és lakója számára fűtőköltséget takarít meg. A passzívház rendkívül egyszerű fizikai törvények alapján működik, az üvegházhatásra alapozva nyerik a hőenergiát a nagyméretű, elsősorban déli ablakfelületeken bejutó napenergia felfűti a lakóhelyiségeket. Annak érdekében, hogy az így nyert energia minél tovább a házban maradjon, jelentős vastagságú hőszigetelés öleli körül a házat minden irányból. A passzív házak hőszigetelésénél nagyon fontos követelmény, hogy a szigetelés összefüggő legyen, az épületen ne legyenek hőhidak, különben a passzív ház energiatakarékosságának hatásfoka nagymértékben lecsökken. A kifelé áramló hőveszteséget minimálisra csökkenti, a beáramló napenergiát pedig maximálisan kihasználja. A hagyományos téglaszerkezetű épületek 300-400 kwh / m2 / év energiát használnak fel. Vízenergia A vízfolyások, tavak, tengerek, mechanikai energiakészletét villamos energiává (régebben közvetlenül mechanikai energiává alakító műszaki létesítmény. Gyűjtőfogalomként magában foglalja mindazokat a műtárgyakat és berendezéseket, amelyek a villamosenergia-termeléshez szükségesek. A hasznosítható energia növelése érdekében a vizet duzzasztják, esetleg tárolják, és a vízerőtelepen a turbinákra ejtik, amelyek generátort hajtva termelnek villamos áramot. A víz energiáját az emberiség már a történelmi időkben is használta. A régi kultúrákban, Kínában, Egyiptomban és Mezopotámiában leginkább a vízkerekeket alkalmazták a mezőgazdasági területek öntözésére és ivóvíz ellátásra. A római időkben jelentek meg a vízimalmok; az úszó hajókra felépített úszómalmok, amik gabonát őröltek csakúgy, mint part menti társaik. Felhasználták a vízkerekek forgási energiáját a kovács- műhelyekben kalapálásra és fújtatásra, a fűrészmalmokban a faanyag darabolására. A műszaki kihasználtság lehetősége tehát szoros kapcsolatban van a természetföldrajzi környezettel. A folyókon általában szakaszjellegeket szoktunk megkülönböztetni, ahol az esésnek megfelelően a felső, középső vagy alsó szakasz jelleg dönti el a vízierő nagyságát. Ahol nagy esésmagasságok vannak, azok a helyek kiválóan alkalmasak vízerőmű építésére: pl. Skandináv félszigeten vagy az Alpokban. Az energia-hatékonyságot lehet növelni a felszíni adottságoknak megfelelően, 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 vízrendszer jellegéből adódóan Magyarországon hihetetlenül alacsony a folyók esése - nagy alföldi térségbe futnak ki a hegyvidéki területekről - és világ legalacsonyabb esésű folyói kategóriájába sorolhatóak. Ilyen viszonyok mellett - gazdaságossági szempontból - az energetikai kihasználásra nem sok remény van, ezért pl. a tervezett erőműveket, amelyeket még évtizedekkel ezelőtt tulajdonképpen az I. világháború után már megterveztek, nem nagyon tudták kivitelezni.
6. oldal Az alternatív energia felhasználása Árapály erőmű Az árapály-energia kiaknázásához egy árapálymedence nyílásához (tölcsértorkolathoz) gátat kell építeni. A gát (vagy vízlépcső) turbinák és generátorok segítségével áramot fejleszt. Az árapály-energia szinte ingyen van, amint a gát megépült, - nincs szükség üzemanyagra, a fenntartási költségek pedig relatíve alacsonyak. Az árapály rendkívül megbízható jelenség, azt is könnyű megmondani, mikor lesz magas és mikor alacsony az árapály. Naponta kétszer van apály illetve dagály is, ami az árapály-energiát könnyen kezelhetővé teszi. A gátépítés költségei hatalmasak, és a megfelelő helyszínek is csak kevés helyen állnak rendelkezésre. Ezért csak az oroszok a franciák és a kanadaiak kezdtek bele ilyen erőművek építésébe. Jelenleg nem gazdaságos, mert a kezdeti költség, a gát megépítése nagyon sokba kerül. A hatékonyság korlátozott, mivel naponta csak kb. 10 órán át képes energiát szolgáltatni, amikor az árapályhullám kifelé vagy befelé mozog a medencébe, és az energiatermelés nem a fogyasztáshoz igazodik. Az alkalmas tölcsértorkolatba épített ár-apály erőműt úgy tervezik meg, a dagály és az apály vízszint különbségét felhasználva energiát tudjanak előállítani, turbinák segítségével. A potenciális energia a gát két oldala közötti vízszint különbségből fakad, ami kinetikus energiává alakul, ahogy a víz átfolyik a turbinán. A turbina meghajtja a generátort, ami elektromos áramot termel az erőmű által termelt teljesítmény az ár és az apály közötti vízszint különbség négyzetével egyenlő. Geotermikus energia A geotermikus energia a Föld kőzetlemezeinek természetes mozgásából származó energia. A geotermikus kifejezés görög eredetű, jelentése: földi hő. A geotermikus energia a napenergiához hasonlóan korlátlan, el nem fogyó, de azzal ellentétben nem szakaszosan érkező, hanem folytonos, viszonylag olcsón kitermelhető és a levegőt nem szennyezi. A legáltalánosabban alkalmazott rendszerekben a termálkútból feltörő vizet gáztalanítják, ülepítik és sótartalmát részben eltávolítják, majd a felhasználás helyére szivattyúzzák, a lehűlt vizet pedig valamilyen vízáramba, vízgyűjtőbe elvezetik. Ezek a rendszerek egyszerűek, megbízhatóan működnek, kis beruházási költséggel létesíthetők és olcsón üzemeltethetők, problémájuk azonban, hogy ha nincs vízutánpótlásuk a rétegenergia csökkenése következtében idővel kevesebb vizet adnak. A Kárpát-medence, de különösen Magyarország területe alatt a földkéreg az átlagosnál vékonyabb, ezért hazánk geotermikus adottságai igen kedvezőek. A Föld belsejéből kifelé irányuló hő áram átlagos értéke 90-100 mw/m2, ami mintegy kétszerese a kontinentális átlagnak. A hőszivattyú A hőszivattyú a környezet energiájának hasznosítására szolgáló berendezés, mellyel lehetséges fűteni, hűteni, meleg vizet 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. 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 a föld 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 hő szállításához folyamatosan elektromos energiát kell a rendszerbe táplálni. 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.) 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 hő leadó felület miatt már 35 C is elegendő.
7. oldal Az alternatív energia felhasználása Szélenergia A szélenergia megújuló energiafajta, amelynek termelése környezetvédelmi és költségelőnyei miatt rohamos ütemben nő a világban. A szélenergia kitermelésének modern formája a szélturbina lapátjainak forgási energiáját alakítja át elektromos árammá. A szélturbinákat ma már ipari méretekben, nagy csoportokban is felhasználják szélfarmjaikon a nagy áramtermelők, de nem ritkák a kis egyedi turbinákat működtető telepek sem. Nagy előnye, hogy nem környezetszennyező és alkalmas hálózatba integrálható elektromos áram termelésére. A szélturbinák közös jellemzője a magas műszaki színvonal, a rendkívül megbízható működés és a csekély karbantartási igény. A jelenlegi gyors növekedés ellenére a szélenergia jövője koránt sem garantált. Bár már 50 országban van szélerőmű, a fejlesztések leginkább csak néhány országnak köszönhetőek (Németország, Spanyolország és Dánia). A többi országnak még nagyon sokat kell tennie szélenergiai iparuk fejlesztésében annak érdekében, hogy a globális célokat elérhessük. Az energiatermelés korszerűsítése olyan megoldást igényel, amely hosszú távon biztosítja a szükséges energiatermelést, miközben megőrzi a természeti és táji értékeket és területeket. Biomassza A biomassza biológiai eredetű szervesanyag-tömeg Nagy lehetőség van a biomassza energetikai célú felhasználásának növelésében. Biomassza 5 nemzetgazdasági szférából származhat: növénytermesztésben és erdészetben képződő melléktermékekből, állattenyésztésből, élelmiszeriparból (növényolaj-iparból), és a kommunális és ipari hulladékokból. A biomasszák jelentősége, hogy fosszilis energiahordozók válthatók ki velük, így megvalósítható a fenntartható energiafelhasználás (fenntartható fejlődés). Mivel ezek a biomasszák a megfelelő kezelés esetén megújuló energiaforrások, vagyis rövid életciklusban általában 1 éven belül újból megtermelődnek, használatuk esetén bányászott energiahordozók takaríthatók meg (kőszén, földgáz, kőolaj). Így a megtakarított fosszilis energiahordozók nem fokozzák a levegő szennyezettségét és a CO2 tartalmának növekedését (üvegház-hatás, globális felmelegedés). A megújuló energiaforrások és ezen belül a biomassza fokozott alkalmazására nemcsak a fenntartható fejlődés miatt van szükségünk, hanem nemzetközi vállalásaink is erre köteleznek. Nemzetközi kötelezettségeink két területen jelennek meg: egyrészről a környezetvédelem területén, másrészt az energetika területén. Magyarországon adott a jó föld, a jó környezet a biomassza termeléshez.
8. oldal Az alternatív energia felhasználása Aktuális energiaforrás felhasználás Az energiaforrások felhasználásának eloszlása 2008ban az Amerikai Egyesült Államokban: Általános Energiafelhasználás Alternatív Energia Színleírás 37,13% 1,23% 33,66% Szén Természetes Gázok Nukleáris Elektromos Energia 8,45% 4,81% Petróleum 8,14% Napenergia 23,81% 22,47% 53,3% Vízenergia Geotermikus Energia Biomassza 7% Szél Energia Megjegyzés az ábrához: a fenti ábra egy táblázatból és egy grafikonból áll, ahogy meg volt követelve. Források Az alábbi forrásokból merít a dokumentum: http://www.alternativenergia.net http://www.passzivhaz.info http://hu.wikipedia.org