2. Nemhagyományos villamos energiaátalakítók 2.1 Bevezetés Társadalmunk jólétét fogalmilag a lelki, dominánsan, az anyagi javak bőségével azonosítjuk. Az emberiség története azt bizonyítja, hogy az anyag javak termelése lényegesen nem fejlődött addig, amíg azok előállítására az ember csak saját, esetleg háziállatainak energiáját használhatta. (Egy személyt 60-100W teljesítményre vehetünk igénybe és ez még 10 órai munka esetén is alig jelent 1 kwh-t.) 1. ábra: Országok fejlettsége és energiafelhasználása A fentiekből következik, hogy energiadús társadalom megalkotásra kell törekednünk. Az anyagi jólét, - amelyet az egy főre eső nemzeti jövedelemmel veszünk arányosnak - és az egy fő által felhasznált energia közötti összefüggést a 1. sz. ábra mutatja be. Láthatjuk, hogy az összes ország egy adott egyenes közelében helyezkedik el. Ez a tendencia azt jelzi, hogy adott nemzeti jövedelemhez megfelelő mennyiségű energiát szükséges felhasználni, pontosabban ennek megléte nélkül a magas nemzeti jövedelem nem lehetséges. Kisebb-nagyobb eltérések az egyenestől láthatók, az elvi összefüggés azonban feltétlenül igaz. Felvetődik az olvasóban, hogy energiaátalakítási lehetőségeink közül miért vizsgáljuk a közvetlen energiaátalakítást, amely lényegében hő-, kémiai, illetve sugárzó energiák mozgó alkatrész nélkül történő villamos energiává való alakítást jelenti. Ebbe a keretbe tartozó törekvéseinknek több oka van: 1
Legfontosabbnak talán azt mondhatnánk, hogy a jelenlegi 35-40%-os hő-villamos erőművi hatásfokkal nem vagyunk megelégedve és a hatásfokokat jelentősen növelni kívánjuk. Erre elsősorban a tüzelőanyag-elem rendszerű erőművek, illetve a magnetohidrodinamikus generátort első lépcsőnek használó erőművek adnak reményt. A közvetlen energiaátalakítás körébe tartozik a megújuló energiáknak (nap, szél, vízmozgás) az emberi felhasználás körébe való vonása is. Igen lényeges előnynek tartjuk a mozgó alkatrészt nem tartalmazó közvetlen energiaátalakító rendszereknél a megbízhatóság jelentős növekedését. Olyan rendszereknél, melyeknek 20-30 ezer órát felügyelet nélkül kell működniük, más megoldás úgyszólván szóba sem jöhet. A közvetlen energiaátalakítás egyes módszereitől azt remélik, hogy az 1 MW-ra eső beruházási költség jelentősen csökkenthető. Ezt nem tartjuk valószínűnek, azonban a technológiák jelentős fejlődése, újszerű megoldások, esetleg ezt a célt is realizálhatják. Végezetül, a közvetlen energiaátalakításra való törekvések okai között szeretnénk megemlíteni azt a technikatörténet által igazolt tényt, hogy az emberiség a viszonylag bonyolultabb technikai megoldások megvalósítása után törekedett azok egyszerűsítésére, mind a gépészetben, mind az elektrotechnikában, elegáns megoldások létrehozásával. Itt, a bevezetőben, érdemes rámutatni arra, hogy igen sokfajta közvetlen energiaátalakítási módszer létezik. Ez egyrészt az ilyen igények sokrétűségét mutatja, másrészt azt a következtetést is megengedi, hogy jelenleg egyik módszernek sincs technikailag és gazdaságilag átütő ereje. Az ismertebb berendezések közül soroljuk fel az alábbiakat: magnetohidrodinamikus (MHD) generátorok, elektro-gáz-dinamikus generátorok, Nernst-Ettingshausen generátorok, hővillamos generátorok, termionikus generátorok, fényvillamos generátorok, tüzelőanyag elemek, termomágneses generátorok, ferrovillamos generátorok, elektrohidrodinamikus generátorok, piezo-villamos generátorok, atomenergiát közvetlen villamos energiává alakító berendezések, fúziós átalakítók. A közvetlen energiaátalakítási módszereken és eszközökön kívül más területek is a nemhagyományos energiaátalakítás részét képezik. Ezek közül kiemeljük a szupravezetők, ezen belül is a magashőmérsékletű szupravezetők alkalmazásait. Ez a kutatási terület rohamosan fejlődik világszerte, és Magyarországon is figyelemre méltó eredményeket produkált. Az alábbiakban csak a nagyobb jelentőségű és részben Magyarországon is művelt területekről számolunk be. Ezek a tüzelőanyag elemek, a hővillamos generátorok, a fényvillamos generátorok és a magnetohidrodinamikus generátorok. Pl. tüzelőanyag elemeket, fényvillamos és hővillamos elemeket a Villamosipari Kutató Intézet az 1970-80 években kifejlesztett. 2
Kémiai energiatárolás hatásfoka különféle akkumulátor típusok esetén Megújuló energiaforrások esetében egy akkumulátortelep kiválasztásánál a következő műszaki szempontokat kell figyelembe venni: Energiatárolási hatásfok: Milyen arányban tudjuk a megtermelt villamos energiát tárolás után felhasználni. Élettartam: Töltés-kisütés ciklusok megengedhető száma. Kémiai energiatárolóknál megadják a töltés és kisütés megengedhető mértékét is. Méret és súly: A tárolandó energiához szükséges térfogat és súly. Jól jellemezhető az energiatároló fajlagos energiasűrűségével. Napelemes energiatermelés energia-megtérülésének meghatározása céljából svéd kutatók megvizsgáltak több kémiai energiatároló rendszert. Vizsgált energiatároló rendszerek a következők voltak: lítium-ion (Li-ion), nátrium kén (NaS), nikkel kadmium (NiCd), nikkel fém hidrát (NiMH), ólom savas (PbA), vanádium-redox (VRB), cink bromid (ZnBr) és poliszulfid-bromid (PSB). Név A megadott irodalomban feltüntetett jellemzők a következők: Ciklusok Hatásfok [db x 1000] Max idő [év] 100% 80% 33% Élettartam [év] Energia sűrűség [Wh/kg] Li-ion 0.85 0.95 3.0 5.0 5.0 7.0 7.0 10 14 16 14 16 80 120 NaS 0.75 0.83 2.3 2.5 4.5 5.0 6.8 7.5 14 16 14 16 103 116 NiCd 0.65 0.85 0.3 0.5 1.0 1.5 4.8 6.0 20 25 13 16 22 30 NiMH 0.65 0.85 0.60 1.0 0.80 1.2 2.8 3.0 8.0 10 7.7 8.2 35 55 PbA 0.70 0.84 0.32 0.80 0.40 1.0 0.90 2.0 8.0 12 2.5 5.5 20 32 VRB 0.60 0.80 2.8 3.0 3.0 4.0 7.0 8.0 15 20 15 20 15-20 ZnBr 0.60 0.73 1.5 2.5 2.5 3.0 4.0 5.0 8.0 10 8.0 10 70 85 PSB 0.60 0.65 9.0 10 9.0 10 9.0 10 14 15 14 15 10-15 1. Táblázat: Kémiai energiatárolók hatásfokai és várható élettatettartamuk Maximális idő alatt az energiatároló korrózióból és öregedésből következő élettartamot értjük. Sekély töltés-kisütés esetén ez maximálja az egység élettartamát. A tényleges élettartam ennél kisseb lehet, amennyiben meghaladjuk a töltés-kisütés ciklusok maximális számát. A vizsgálat során feltételezték, hogy napi 1 töltés-kisütés megy végbe, ez alapján limitálták bizonyos energiatárolók (NiMH, NiCd, PbA) élettartamát. Következtetésként levonhatjuk, hogy a legjobban elterjedt akkumulátor típusok esetében a hatásfok 65 és 95% között található, amely igen nagy szórás. Ismétlődő mélykisütés esetén a ciklusok száma nem haladja meg az 5000-et, amely napi ciklusokat feltételezve 13 évnyi működést eredményez. Kisütés mélységét limitálva az élettartam jelentősen növelhető bizonyos cellatípusoknál. 3
2.2 Tüzelőanyag elemek 2.2.1 Történelmi háttér A tüzelőanyag elemek fejlődésének kezdetét az 1840-es évekre kell tennünk, amikor is H. Davy szénnel és salétromsavval primitív tüzelőanyag cellát, Growe pedig 1839-ben a hidrogén-oxigén cellát valósította meg, amelyen a mai modern tüzelőanyag elemek minden lényeges része megtalálható. Érdekes, hogy a probléma lényegét ő is felismerte, amikor jegyzeteiben ezt írta: Valószínű, hogy a kémiai vagy katalitikus hatás ott történik meg, ahol a folyadék, a gáz és a platina a folyadék felszínén találkozik, és a legfőbb cél az, hogy minél több ilyen működő felületet alkossunk. 1890 körül L. Mond és C. Langer olyan tüzelőanyag cellát szerkesztett, amely 66mA/cm 2 terhelhetőségű volt. A dinamó gyors fejlődése ezeket a kezdeti eredményeket háttérbe szorította. Az 1940-es években Berl nyilvánosságra hozta a szén-oxigén elektród mechanizmusát. Justi pedig Németországban dolgozott nagy terhelhetőségű porózus fémelektródákon. A leglényegesebb fejlődést Bacon 1954-ben végzett munkája adta a tüzelőanyag elemek számára, mely a nagy nyomású típus kifejlesztéséhez vezetett. Az 1960-as évek óta részben űrlaboratóriumok, részben űrhajók számára számos tüzelőanyag elem típust dolgoztak ki és az ezen a területen dolgozó kutatók száma is több százra tehető. A tüzelőanyag cellák első jelentősebb ipari alkalmazása 1983-ra tehető, amikor New- Yorkban 4 MW-os tüzelőanyag erőmű került üzembe, amely interverrel kapcsolódik a new-yorki 60 periódusú hálózathoz. 2.2.2 A működés fizikai alapelvei A tüzelőanyag elem működése kísérletileg könnyen bemutatható. Nem kell mást tenni, mint kénsavas vízbe két darab porózus szénlemezt belemeríteni és a vizet elektrolizálni. Néhány perc után a lemez pórusaiban, illetve felületén oxigén és hidrogén fejlődik. Az áramforrásról a lemezeket lekapcsolva és terhelő áramkörre átkapcsolva néhány másodpercig villamos energiát nyerhetünk, miközben a lemezeken lévő hidrogén és oxigén az elektrolitban vízzé egyesül. Amennyiben a lemezekre az oxigén- és hidrogéngáz jutását csővezetéken permanensen biztosítjuk - valamint az ionképződéshez kedvező feltételeket megteremtjük - állandóan működő kémiai áramforrást nyerünk. Ez a kémiai áramforrás a tüzelőanyag elem. Az előbbiekben azt mondottuk, hogy a lemezek pórusaiba juttatott hidrogén és oxigén - miközben a tüzelőanyag elem villamos teljesítményt ad le - vízzé egyesül. Vizsgáljuk meg azon két eljárás alapvető különbségét, amikor hidrogén-és oxigéngázt egy belső égésű motor hengerében égetünk el vízzé és ugyanazt az elégetést a jelenleg vizsgált tüzelőanyag elem működési feltételei között valósítjuk meg. A benzinmotor hengerében az égő anyagot, a hidrogént és az égést tápláló anyagot: az oxigént közvetlen módon összekeverjük és ennek következményeképpen az égő anyag elektronjai közvetlenül mennek át az oxigén atomokhoz, ill. molekulákhoz. Ezen átmenettel - azaz oxidációval a végtermék molekulák termikus sebességét mintegy 30-szorosra növeltük. A nagy sebességű molekulák ezen rendezetlen mozgásából, ill. impulzusából fedezi a motor dugattyúja, esetleg a turbina lapátja az 4
utóbbi alkatrészek lineáris mozgását. Az egész rendszer átalakítási hatásfokát az a termodinamikai elv szabja meg, amelynél a rendszer kezdő és végállapotának rendezetlenségi foka legkedvezőbb esetben azonos maradhat, de általában nő. Ezen elvet a Carnot-hatásfok önti számszerű alakba. Mi történik a tüzelőanyag elemben? Terhelés Elektronok Elektrolit Tüzelő anyag BE Oxidáló anyag BE Ionok Porózus elektródák Égéstermék KI 2. ábra: Tüzelőanyag elem vázlatos felépítése és működése A 2. ábrának megfelelően olyan elrendezést alakítunk ki, amelynél az égő anyag és az oxidáló anyag molekuláit nem engedjük keveredni. Induljunk az anód lemezről, melyre a jelen példában hidrogén molekulákat juttatunk. A katalizátort tartalmazó anódnak olyan tulajdonsága van, hogy a hidrogén molekulákról, illetve atomokról az elektronokat leválasztva, azokat egy külső, fémes villamosan vezető körbe tereli, a hidrogén ionokat pedig az elektrolitba juttatja. Az elektronok a külső villamos ellenálláson át eljutnak a katód oldalra, ahol az ott képződő oxigén ionok elektron hiányát betöltik és az elektroliton át eljuttatott hidrogén ionokat igénybe véve, neutrális vízmolekulákat képeznek. Amíg a termodinamikai égetésnél a hidrogén égési hőjének alig 25-30%-át nyerhetjük ki mechanikai munkaként, addig a tüzelőanyag elemben a hidrogén kémiai energiájának 80%-át is megkaphatjuk villamos energia formájában. Láthatjuk, hogy a hidrogén két fajta égetési módszere között hatásfok szempontjából alapvető különbség van. A cellla kb. 1 V kimeneti feszültségű ez sorbakötve növelhető. 5
2.2.3 A tüzelőanyag elemek típusai Igen sokféle tüzelőanyag elemet valósítottak meg, mely tényből nyilvánvaló az is, hogy egyik típusnak sincsenek elsöprő műszaki vagy gazdasági előnyei a másik felett. A tüzelőanyag elemeket többféle módon lehet osztályozni, itt háromféle osztályozást említünk meg: Hőfok szempontjából ismerünk környezeti hőfokon működő tüzelőanyag elemet; 300-700 C intervallumban működő közép hőfokú tüzelőanyag elemeket; 1000-1500 C között működő magas hőfokú tüzelőanyag elemeket. Osztályozhatjuk a tüzelőanyag elemeket a tüzelőanyagnak az elembe történő beviteli módja szerint is. Az elembe a tüzelőanyagot bejuttathatjuk gáz formájában; oldat formájában; esetleg szilárd anyag formájában. Végül az elemben alkalmazott elektróda megoldások szempontjából is osztályozhatunk, mivel használhatók az elemben: fémszivacsból készült porózus elektródák; az elektrolitban keringő fémzagyok; az elektrolitba folyamatosan juttathatunk tömör, automatikus adagolású fémszalagokat. Üzemanyag-cella típusok Az üzemanyag-cella típusokat működési hőmérséklet szerint szokásos alcsoportokba sorolni. A működési hőmérséklet döntően megszabja az elemben lejátszódó folyamatok, a felhasználható szerkezeti anyagok, az elektrolit minőségét. A működési hőmérséklet szerinti csoportosítás párhuzamos az elektrolit minősége szerinti felosztással is. E két szempont szorosan összefügg egymással. Alacsony hőmérsékletű üzemanyag-cellák AFC Alkaline Fuel Cell (alkálikus cella) 6
Anód reakció: 2H 2 + 4OH 2H 2O + 4e Vándorló ion: OH Katód reakció: O 2 + 2H 2 O + 4e 4OH 1. ábra AFC működése és elektródjain lejátszódó kémiai reakciók Az alkálikus cellák (AFC) elektrolitja 30 35%-os kálium hidroxid oldat, melynek hátránya, hogy széndioxidra (de még szénmonoxiddal szemben is) igen érzékeny, ez az elektrolit lúgot kálium-karbonáttá alakítaná. Emiatt üzemanyagként igen tiszta hidrogént és oxigént igényel, mivel a széndioxid arányát néhány 10 ppm alatt kell tartani. Elektródanyagként nikkel vagy nemesfémekkel aktivált szén használatos. Katalizátorként a hidrogén disszociációját elősegítő anyagokat alkalmaznak, leginkább platinát, ruténiumot, palládiumot, ezek ötvözeteit, továbbá nikkelt. Az alkálikus cellák kitűnnek magas elméleti hatásfokukkal (70%). PEFC Polymer Electrolyte Fuel Cell (polimer membrános cella) PEMFC Proton Exchange Membrane Fuel Cell PEM Polymer Electrolyte Membrane Anód reakció: H H + 2 2 + 2 e Vándorló ion: + H Katód reakció: 1 O2 + 2H + + 2e H 2O 2 2. ábra PEFC működése és elektródjain lejátszódó kémiai reakciók A membrános cellák (PEFC) elektrolitja vékony gáztömör protonáteresztő + membrán, amely csak a H ionokat engedi át. A működési hőmérséklete szintén alacsony (50-80 C). Üzemanyaga hidrogénre és oxigénre korlátozódik, utóbbi levegő is lehet. 7
A cellában hatékony katalizátort kell alkalmazni, az elektrolit savassága miatt főleg nemesfémek (platina, platina-ródium ötvözet) jöhetnek szóba. Az elektródok villamos kontaktusát biztosító poláris lapok anyaga fém vagy széntartalmú áramvezető. Ezen cellák elméleti hatásfoka az alkálikus cellákhoz hasonlóan magas (68%). Közepes hőmérsékleten működő üzemanyag-cellák PAFC Phosphoric Acid Fuel Cell (foszforsavas cella) A foszforsavas cellák (PAFC) elektrolitja tömény csaknem vízmentes foszforsav. Az aránylag nagy hőmérséklet (190-210 C) csökkenti a platinakatalizátor deaktivizálódását. Üzemanyagként széndioxid tartalmú fűtőgáz nyersanyag használatára, de folyékony szénhidrogének (olajféleségek) alkalmazására is sor kerülhet. Alacsony hőmérsékleten a platina a kéntől mérgeződik meg. De magasabb hőmérsékleten nem, tehát lehet használni ként is tartalmazó szénhidrogéneket. Elektródként műanyagba ágyazott szenet használnak, melyet katalikusan aktív nemesfémmel (platina vagy arany) vonják be. A foszforsav nem folyékony állapotban van a cellákban, hanem porózus műanyagban itatják fel. Elméleti hatásfoka a többi cellához viszonyítva alacsonyabb (60%). Magas hőmérsékleten működő üzemanyag-cellák Magasabb hőmérsékleten a kémiai reakciók gyorsabban mennek végbe. A katalizátorok iránti követelmények sem olyan szigorúak, mint közönséges hőmérsékleten. Ismerünk számos olyan kémiai folyamatot, amely közönséges hőmérsékleten csak katalizátor jelenlétében játszódik le számottevő sebességgel, magasabb hőmérsékleten viszont katalizátor nélkül is végbemegy. MCFC Molten Carbonate Fuel Cell (karbonát olvadékos cella) Li A karbonátolvadékos cellák (MCFC) elektrolitjának anyaga lítium-karbonát ( 2 CO3 ) és káliumkarbonát ( 2 K CO3 ) olvadékával impregnált kerámia. Az oxigénion transzport a karbonát ionok vándorlása révén megy végbe. Az oxidálószer levegő és szén-dioxid, az üzemanyag metán, hidrogén és a reformálás melléktermékeként keletkező szénmonoxid. A magas hőmérséklet (600-650 C) miatt platina katalizátor alkalmazására nincs szükség. Ezért cellát viszonylag olcsó szerkezeti anyagokból építik: az anód nikkel, a katód nikkeloxid. A karbonátolvadék korrózív hatására azonban figyelemmel kell lenni. Előnyt jelent még a magas elméleti hatásfoka (65%) és a nyersanyag intern reformálásának lehetősége. SOFC Solid Oxide Fuel Cell (oxidkeramikus cella) Az oxidkeramikus cellák (SOFC) ittriummal stabilizált cirkónium-dioxid ( ZrO 2 ) gáztömör kerámia elektrolitot alkalmaznak, ennek elhelyezése lemezes vagy csöves cellában történik. Az unipoláris La Sr MnO vezetést az O 2- -ionok biztosítják. A katód lantán strocium mangán-trioxid ( 3 ) Ni Zr keveréke, az anód nikkel zirkónium-trioxid ( 2 O3 ) keveréke. A nagy működési hőmérséklet (800 C-1000 C) miatt üzemanyagként ebben is CH 4, reformált H 2 és CO közvetlenül felhasználhatók. A magas üzemi hőmérséklet miatt a korróziós hatásokra itt is figyelemmel kell lenni. Előnyös a magas elméleti hatásfok (65%), amely különösen gáz és gőzturbina kombinált üzeménél érvényesül (cogenerativ energiatermelésnél 85%). Igen nagy a teljesítménysűrűsége (240 mwcm -3 ). 8
Hidrogén tárolásának lehetséges módszerei A hidrogén tárolása számos problémát vet fel, ezek megértéséhez ismernünk kell legfontosabb fizikai és kémiai tulajdonságait. A hidrogén a földön megtalálható legkönnyebb elem. Színtelen, szagtalan, normálállapotban légnemű anyag. Önállóan a földön nem található meg jelentős mennyiségben, azonban vegyületekben megkötve rendkívül gyakori. Moláris tömege 1g. Fajsúlya mintegy 7%-a a levegőnek. Forráspontja normál nyomáson 20 Kelvin. A hidrogén fajlagos tömege folyékony halmazállapotban 71g/liter. Tömeghez viszonyított energiasűrűsége a legnagyobb a ma ismert energiahordozók között, a földgázhoz viszonyítva kétszeres, a kőolajhoz viszonyítva 2,5-szeres. A térfogathoz viszonyított energiasűrűsége azonban csupán harmada a földgáznak és a kőolajnak is csak a negyede. A hidrogén tárolásának lehetséges módjait az alkalmazott technológiák szerint csoportosítjuk. Hagyományos Hidrogéntárolási módszerek A hagyományos hidrogéntárolási módszereken a más gázok tárolására jelenleg is használt megoldásokat értjük. A gázokat nagy nyomáson, folyékony- vagy gázhalmazállapotban helyezzük el tartályokban. Nagy nyomásra a hidrogén térfogathoz viszonyítva alacsony energiasűrűsége miatt van szükség. A komprimálás energiaigénye (és ezért költsége) magas, ezért az lehetőleg mindig csak az igény mértékében történik. Rögzített felhasználási hely (csővezetékes szállítás) esetén nem szükséges folyékony halmazállapotba hozni a gázt, azonban mobil alkalmazások során (gépjárművek) a hagyományos tárolási módszer esetén elengedhetetlen. A tartályok kezdetben fémből készültek, a nagy térfogat ezért magas többletterhet jelentett, azonban a vegyipar fejlődésének köszönhetően ma már jóval könnyebb szénszálból is el tudják készíteni, megfelelő nyomásállósággal. A sűrített gáz mennyisége növelhető hűtéssel, ebben az esetben hibrid tárolásról beszélünk. A folyékony halmazállapotú tárolás során a gázt forráspontja alá hűtik (20 Kelvin). Ez a tárolási módszer biztosítja a legnagyobb energiasűrűségű üzemanyagot, a legmagasabb áron. Ez a folyamat rendkívül bonyolult tárolórendszert igényel, amely a kilépő gáz melegítése mellett a tartály megfelelő hőszigetelését is biztosítja. Ezek a tartályok a Cryo-tank -ek. Speciális Tárolási módszerek Jelenleg három fő irány van, az abszorpció, az adszorpció és a kémiai reakció felhasználása. Abszorpció esetén a hidrogén lényegében bizonyos fémek belsejébe diffundál, és az intersticiós rács-helyekhez kötődik. Adszorpció esetén a reakció jellegétől függően megkülönböztethetünk fizikai és kémiai adszorpciót. Fizikai adszorpció során a hidrogén sokkal kevésbé kötődik az anyaghoz, mint a kémiai esetben. Kémiai reakció során a hidrogén termelése, tárolása és visszaalakítása reverzibilis folyamatok során történik. Előfordulhat, hogy a hidrogén termelése (az energia elnyelése) megvalósítható az egységben azonban bizonyos anyagok (pl. NaBH 4 ) esetén a tároláshoz olyan hőmérsékleti viszonyok szükségesek, amelyek nem valósíthatók meg gazdaságosan a helyszínen. Ezeket a folyamatokat használják fel a következő technológiák: 9
Tárolás kémiai úton fém-hidridekben: előnye, hogy kis nyomáson viszonylag nagy mennyiségű hidrogén tárolható. Az eljárás lényege, hogy a fém-hidridek úgy szívják magukba a hidrogént, mint a szivacs a vizet, a gáz mintegy rárakódik a fémekre. Mivel a hidrogén felszabadításához hőközlésre van szükség, a tartály esetleges sérülése esetén sem kerül ki nagy mennyiség a környezetbe, ezáltal biztonságosabb üzem érhető el. Gépjárművekben jelenleg azért nem használják ezt a technológiát, mert egyrészt az előállítás költséges, másrészt a tároló jellegéből adódóan túl nagy tömegű. Napjainkban tengeralattjárókon terjedt el ez a módszer. (De pl. Toyota Prius elektromosban is ez van.) Tárolás szén nanocsövekben: ez az egészen friss kutatás arra a felfedezésre épül, hogy szénből készült nanocsövekben nagy mennyiségű hidrogén tárolható Ennek az eljárásnak az előnye, hogy olcsó alapanyagból kis fajlagos tömegű tároló építhető. 10
2.3 A fényvillamos generátorok A fényvillamos energiaátalakítók a fénysugárzást alkotó fotonok energiáját alakítják át közvetlenül villamos energiává (ezek az ún. fényvillamos generátorok, vagy szintén elterjedt terminológiával, fotovoltaikus generátorok, napelemek), ill. a villamos energiát alakítják át közvetlenül fényenergiává (pl. fotódiódák). 2.3.1 Történeti áttekintés Fényvillamos jelenséget elsőként Edmond Beckquerel francia fizikus észlelt folyadékban 1839-ben. Elektrolitba merített elektródákra fényt bocsátva azt tapasztalta, hogy az elektródák között feszültség volt mérhető. A jelenséget szilárd testben elsőként W.G. Adams és R.E. Day angol tudós figyelte meg 1876-ban. Kísérleteiket a félvezető tulajdonságú szelénen végezték. A későbbiekben a rézoxidok (Cu 2 O) tulajdonságainak vizsgálata került előtérbe. Így sikerült kimutatni, hogy pl. a Cu 2 O félvezető kristály megvilágított és megvilágítatlan részei között vagy Cu 2 O és Cu kontaktusban feszültség ébred. A megfigyelt jelenséget kezdetben azzal magyarázták, hogy az anyag által elnyelt fotonok nyomást gyakorolnak az elektronokra. A későbbiekben a jelenséget a töltéshordozók diffúziójával hozták összefüggésbe. Az elmélet továbbfejlesztve jutottak arra a következtetésre, hogy a szóban forgó töltéshordozók az anyag kisebbségi töltéshordozói. 2.3.2 A fényvillamos generátorok működése Az időben állandó feszültség (melyet a továbbiakban fotofeszültségnek fogunk nevezni) annak következtében jön létre, hogy a beeső fotonok többlet töltéshordozókat keltenek. E töltéshordozók a kristályban kialakult belső lokális villamos tér hatására elmozdulnak, ill. felhalmozódnak, így az anyagban tértöltés, ennek hatására pedig fotofeszültség keletkezik. A fényvillamos generátorok gyakorlati alkalmazása felé vezető úton meghatározó jelentőségű volt a fényvillamos jelenség felfedezése p-n átmenetekben. Ezt először szilíciumon, majd ólomszulfidon (PbS) figyelték meg, 1941- ben. A félvezető technika ugrásszerű fejlődése az ötvenes évek fordulóján indult meg. Ennek eredményeképpen már 1954-ben két kutató intézet, az RCA és a Bell Telephone Laboratories is készített fényvillamos generátort. A generátorok kb. 6% hatásfokkal üzemeltek. 2.3.3 A fényvillamos generátorok alkalmazása Az első sikeres kísérleteket követően a fényvillamos generátorok alkalmazására igen gyorsan sor került az űrprogramok keretében. Az 1958-ban felbocsátott Vanguard I műbolygó villamosenergia-ellátását szilícium-alapanyagú fényvillamos generátorokkal oldották meg. Az azóta felbocsátott több ezer műbolygó és más űreszköz nagy részének 11
villamos energia forrása is fényvillamos generátor (Alternatív ill. kiegészítő lehetőség a hővillamos generátorok alkalmazása). A jelenleg gyártott fényvillamos generátorok hatásfoka 15-20% körüli, teljesítményük pedig néhányszor 10 kw értéket is elérhet. A fényvillamos generátor felépítésbeli jellegzetességei láthatók a 3. ábrán. 3. ábra: Fényvillamos generátor felépítése Az energiaválság következtében a fényvillamos generátorok földi alkalmazása mind nagyobb és nagyobb jelentőségűvé vált. A fényvillamos generátorok már ma is versenyképesek számos más, relatíve kis teljesítményű energiaforrással. A szakemberek megítélése szerint a fényvillamos generátorok üzemeltetési költsége kisebb lesz a dieselvagy benzin agregátorokénál, melyek a távolfekvő települések energiaforrása napjainkban. Emellett számos más lehetőség is kínálkozik gazdaságos felhasználásukra, így például a vizszivattyúzás, az öntözés, a falvak villamosítása elsősorban a fejlődő országokban. A fényvillamos generátorok árának és üzemeltetési költségeinek további csökkenésével lehetővé válik alkalmazásuk lakó-és középületek villamosenergia ellátásában. A távlati tervekben fölmerült nagyteljesítményű erőművi alkalmazásuk lehetősége is. 12
2.4 A hővillamos generátorok A hővillamos (görög eredetű, de szintén elterjedt terminológiával: termoelektromos) energiaátalakítók a hőenergiát alakítják át közvetlenül villamos energiává, ill. - az ún. fordított hővillamos hatás révén - a villamos energiát alakítják át közvetlenül hőenergiává. A hővillamos energiaátalakítás jól ismert az erősáramú villamosmérnökök előtt, hiszen ezen az elven alapulnak a hőelemek is. Míg azonban a hőelemek vizsgálatakor a hatásfok kérdése föl sem merül, a hővillamos generátorok esetén éppen fordított a helyzet: alkalmazhatóságuk, elterjedésük nagymértékben függ az energiaátalakítás hatásfokától. E fejezetben a hővillamos generátorokkal fogunk foglalkozni. 2.4.1 Történeti áttekintés és az alapjelenségek A hővillamos energiaátalakítók működése három jelenségen alapul. Az elsőt 1821-ben Thomas Johann Seebeck (1770-1831) német fizikus észlelte. Két különböző anyagú vezető végeit összeszorította. Az egyik érintkezési pontot melegítve azt tapasztalta, hogy a vezetők közelébe helyezett mágnestű kitért. A felfedezett jelenség további vizsgálata céljából, kísérletét számos anyagpáron is elvégezte. A jelenség helyes magyarázatát ennek ellenére nem találta meg, ugyanis úgy képzelte, hogy a mágneses tér szerkezete közvetlenül a hőmérsékletkülönbség hozza létre. Ma már tudjuk, hogy a hőmérsékletkülönbség hatására feszültség keletkezik, mely a körben áramot indít. Ennek az áramnak a mágneses tere térítette el a mágnestűt. Ezt a termoelektromos jelenséget nevezzük ma Seebeck-effektusnak. A második jelenség felfedezése Jean Charles Athanase Peltier (1785-1845), francia órásmester (később fizikus) nevéhez fűződik. Az 1834-ben végzett kísérletei alkalmával azt tapasztalta, hogy két különböző vezetőből készített hurkon áramot átbocsátva az érintkezési pont hőmérséklete nő vagy csökken, az áram irányától függően. ezt a jelenséget nevezzük Peltier-effektusnak. Heinrich Friedrich Emil Lenz (1804-1865) német származású orosz fizikus 1838-ban elvégzett kísérletei rávilágítottak az észlelt jelenség gyakorlati hasznosíthatóságára is. Bizmut-antimonid hurkon adott irányban áramot átbocsátva a kötési pont környezetében a víz megfagy, majd az áram irányát megfordítva a jég megolvad. Lord Kelvin (William Thompson, 1824-1907) angol fizikus a Seebeck és a Peltier-effektus tanulmányozása során, 1854-ben jutott arra a felismerésre, hogy az addig különállónak ismert jelenségek között összefüggésnek kell létezni: a hatások minden esetben együttesen mutatkoznak meg. A jellemző paraméterekre - hibás meggondolásokból kiindulva - helyes, a kísérletek által is igazolt összefüggést vezetett le. Emellett megmutatta - s ez a hővillamosság harmadik jelensége -, hogy a Peltierhő nemcsak különböző anyagok határán lép ki, hanem homogén összetételű vezetőből is, ha annak mentén a hőmérsékleteloszlás inhomogén. A homogén vezetőből kilépő hőmennyiség egy részét - felfedezőjéről - Thompson-hőnek nevezik. A 13
megkülönböztetést az indokolja, hogy míg a Joule-hő az áramerősség négyzetével arányos (s így az áramiránytól független), addig a Thomson-hő az áramerősség lineáris függvénye, s függ annak előjelétől is. A hővillamos energiaátalakítás helyes elméleti megalapozását E. Altenkirch német fizikus végezte el az 1909-1911-es években. Arra a következtetésre jutott, hogy a hővillamos berendezésekben olyan anyagokat célszerű használni, melyek Seebeckegyütthatója kicsi. Ilyen tulajdonságokkal a félvezetők rendelkeznek, melyek Altenkirch munkássága idején még nem voltak széles körben elterjedtek. A félvezetők hővillamos berendezésekben történő felhasználása A.F. Joffe szovjet fizikus nevéhez fűződik, aki 1956-ban fedezte fel, hogy PbTe és PbSe alkalmazásával igen jó hatásfokkal (8-10%) üzemelő hővillamos energiaátalakítók készíthetők. 2.4.2 A hővillamos generátorok alkalmazása A hővillamos generátorok alkalmazásának és elterjedésének kulcskérdése a minél nagyobb hatásfok elérése. Napjainkban a hővillamos generátorok elterjedtek mind a tudományos kutatásban, mind a műszaki alkalmazásba. A generátorok teljesítménye néhány W-tól néhány kw-ig terjed. Félvezetőből készített hővillamos generátor vázlatos rajza látható a 4. ábrán. 4. ábra: Félvezetőből (p-n átmenetek) kialakított hővillamos generátor Felhasználásuk az alábbi előnyöket nyújtja: 14
Felügyelet nélküli üzemeltethetőség. Nagy megbízhatóság. Hosszú élettartam. Egyszerű karbantartás. Olyan objektumok energia ellátására használhatók, amelyek a távvezetéktől távol esnek, illetőleg ahol más villamos energiaforrás nincs. A hővillamos generátorok különböző energiaforrások, így pl. nap, sugárzó izotópok, fúziós reaktorok, szervez üzemanyagok, kipufogógázok, stb. hőenergiáját hasznosíthatják. Ilyen egységek működnek a sarkvidéken és a magas hegységekben felépített automatikus meteorológiai állomásokon, kozmikus, tengeri és tenger alatti objektumokon, sivatagos területeken lefektetett gázvezeték védelmére. Gazdaságossági számítások szerint, ha a hatásfok eléri a 15%-ot, a hővillamos generátorok versenyképesek lesznek számos más energiaforrással. 2.5 MHD-generátorok A magnetohidrodinamikus (MHD) energiaátalakítók nagyszámú változata közül e fejezetben csupán az MHD-generátorokkal foglalkozunk, ezen belül is az ún. kondukciós típusokkal, melyek munkaközege nagy sebességgel áramló, ionizált gáz. Az MHD-generátorok a gáz kinetikus energiáját közvetlenül alakítják át villamos energiává. Jellegzetességük - legalábbis az általunk tárgyalandó típusénak -, hogy a generátor kapcsain megjelenő feszültség és áram az időben állandó. 2.5.1 Történeti áttekintés A magnetohidrodinamikus energiaátalakítás elve nem újkeletű. 1931-ben M. Faraday végzett kísérleteket mágneses térbe helyezett, üvegcsőben áramló folyékony higannyal. Kísérletei alapján jutott arra a következtetésre, hogy a Föld mágneses terében az ár-apály-jelenség következtében mozgó vízáramok energiatermelésre lehetnek felhasználhatók. A jelenleg folyó kutató-fejlesztő tevékenység elsősorban a gáz munkaközegű MHD-generátorokra irányul, noha más anyagok, mint pl. a folyékony fémek is alkalmazhatók. Ennek oka a gázok néhány kedvezőbb tulajdonságában rejlik. A gázkisüléseket tanulmányozva Sir William Grookes (angol fizikus és kémikus, 1832-1919) 1879-ben vetette föl a negyedik halmazállapot létezésének gondolatát. Ezt a halmazállapotot Irving Langmuir (amerikai fizikus, kémikus, 1881-1957) nevezte először 1930-ban plazmaállapotnak, értve ezen a gáz ionizált állapotát. Az ionizáció fokától függően a plazma a fémekéhez, a félvezetőkéhez, az elektrolitekhez vagy a közönséges gázokhoz hasonló tulajdonságokat mutat. Az MHD-elven működő generátort elsőként magyar kutatók: Karlovitz Béla és Halász Dénes szabadalmaztatták 1935-ben. A szabadalom alapján 1940-ben készült el a kísérleti egység az amerikai Westinghouse gyárban. Noha a gép a számított feszültséget 15
szolgáltatta, az áram és a teljesítmény - a gáz nem megfelelő vezetőképessége következtében - a vártnál lényegesen kisebbnek bizonyult. A füstgázok alkalmazása azért került előtérbe, mert ez megkönnyíti hibrid erőművek (hőerőmű+mhd-generátor, s különösen az atomerőmű + MHD-generátor) létrehozását. Az MHD-generátorok hatásfoka teljesítménye és fajlagos mutatói nagymértékben függnek a mágneses tér intenzitásától. Az indukció szükséges értéke az 5-10 T értéket is elérheti. Érthető tehát, az MHD-generátorok fejlesztése újabb lendületet kapott a kemény szupravezetők felfedezését követően. Noha a megjelenő publikációk alapján arra következtethetünk, hogy a fejlett országokban intenzív kutatómunka folyik, az MHD-generátorok ipari alkalmazása még várat magára. 2.5.2 Az MHD-energiaátalakítás elve A magnetohidrodinamika a villamos vezetőképességgel rendelkező folyadékok és gázok mozgásával, állapotváltozásaival foglalkozik. A hidrodinamikától abban tér el, hogy a folyadékra vagy gázra nem csak mechanikai erők hatnak, hanem azok a villamos és mágneses erőtérrel is kölcsönhatásba léphetnek. Ilyen formán a magnetohidrodinamikai közeg mozgása során elektromágneses hatásokat is hozhat létre, amelyek mechanikai hatásokat válthatnak ki. Az MHD-energiaátalakítás az elektromágneses indukció törvényén alapul, csakúgy, mint az elektromechanikai energiaátalakítás. A két energiaátalakítási mód közötti különbség abban áll, hogy az MHD-generátorokban vezető közegként mágneses térben mozgó ionizált gázt (plazmát) vagy folyékony fémet alkalmaznak. 6. ábra: Az MHD-generátor felépítése A gáz munkaközegű MHD-generátorok általános felépítése (e generátorokat Faraday-típusúaknak is szokás nevezni) a 6. ábrán látható. Az 1 égéskamrában a gázt olyan magas hőmérsékletre (néhány ezer K-re) hevítjük, hogy részlegesen ionizálódjanak. Látni fogjuk a későbbiekben, hogy ez a termikus ionizáció nem elegendő ahhoz, hogy a plazma villamos vezetőképessége megfelelő nagyságú legyen. Ezért kis mennyiségben olyan anyagokat (pl. alkáli fémeket) adalékolnak a plazmához, melyek könnyen 16
ionizálódnak, s így jelentősen növelik a vezetőképességet. Ezt a műveletet nevezik sózásnak. Az égéskamrából kilépő plazma a 2 speciális kialakítású fúvócsőbe (ezt a továbbiakban csatornának fogjuk nevezni) kerül, melyben igen nagy (hangsebesség körüli, vagy annál nagyobb) sebességgel áramlik. A tekercselés a csatornában erős mágneses teret gerjeszt. (Szupravezetős tekercset alkalmazva a mágneses indukció értéke 5...10 T-t is elérhet.) A mágneses térben áramló, vezetőképes plazmában általában egyenfeszültség indukálódik, mely zárt körben áramot indít. Ezt az áramot a csatorna falán elhelyezett 4 elektródáról vezetjük a külső körbe. A külső körnek leadott villamos energia a plazma energiájából fedeződik. A fúvócsőben haladva a plazma hőmérséklete és vezetőképessége csökken. A generátort azonban úgy kell méretezni, hogy a gáz a csatorna végén is megfelelő vezetőképességgel rendelkezzen, vagyis hőmérséklete elegendően nagy legyen. A kilépő gázok hőtartalmának hasznosítása végett az MHD-generátorokat más hőerőgépekkel célszerű összekapcsolni. A nagy mágneses terek előállítására általában szupravezető mágneses tekercseket terveznek. További probléma, hogy a generátor egyenáramú teljesítményt termel, az erősáramú hálózathoz való csatlakoztatása nagyteljesítményű áraminvertert igényel. A kombinált MHD erőmű hatásfoka a tervek szerint meghaladja az 50%-ot, ipari méretű alkalmazásához azonban sok, fentebb is jelzett műszaki feladatot kell még megoldani. 17