Az alternatív energiahordozók és felhasználásuk

Az alternatív energiahordozók és felhasználásuk Tartalomjegyzék 1.Az alternatív energiahordozókról...1 1.1.Energiahordozók napjainkig...1 1.2.Új energiarendszer születőben...1 1.2.1.Atomenergia...2 1.2.2.Fúziós energiatermelés...2 1.2.3.Megújuló energiahordozók...2 2.Tüzelőanyag-cellák...3 2.1.Mik is azok a tüzelőanyag-cellák?...3 2.2.Tüzelőanyag-cellák működése...4 2.3.Tüzelőanyag-cellák a gyakorlatban...5 3.Napelemek...6 3.1.Történeti, fizikai háttér...6 3.2.Napenergia-hasznosítás fényelektromos cellákkal...6 1. Az alternatív energiahordozókról 1.1. Energiahordozók napjainkig Az energiáról az embereknek mostanában leginkább az ára jut eszébe, ami havonta a gáz- és villanyszámlánkon jelentkezik, vagy amikor a benzinkútnál fizetünk. Fontos tudnunk, hogy az energiának más ára is van, társadalmi és környezeti. Ez utóbbiak nagyjából láthatatlan költségek, amelyekért már most is súlyos árat fizetünk, és egyre többet fogunk fizetni. A légkör szennyezése, a globális felmelegedés szorosan összefügg a fosszilis (szén, olaj, gáz) energiahordozók felhasználásával. Ezen energiahordozók ilyen nagytömegű felhasználása (autók, gyárak, erőművek, lakások fűtése stb.) már súlyosan károsítja a környezetet. A világon évente 5 milliárd tonna szenet bányásznak, változatlan felhasználás mellett a szénkészlet még 170 évig elegendő. A külszíni bányászás rongálja a felszínt, a mély művelésű bányák pedig a karsztvízrendszereket veszélyeztetik. A szén elégetésével szén-dioxid, kén-dioxid, nitrogén-oxidok és korom jut a légkörbe. Ezek légúti betegségeket okozhatnak. A szén elégetésével évente csak a kén-dioxidból 100 millió tonna kerül a levegőbe. A kőolaj részesedése a világ energiafelhasználásában 40 %, a közlekedésben több, mint 90 %. Az elemzők szerint a 2000. évi fogyasztási szint tartása esetén még 200 évig elegendő a kitermelhető készlet. A fosszilis energiahordozókra alapozott energiaellátás teljesen megkerül mintegy kétmilliárd embert, ahol nem jutnak hozzá ezekhez az üzemanyagokhoz, ott nincs villanyáram. További kétmilliárd ember nem részesülhet az energia legtöbb jótéteményében, például a fűtés vagy a melegvíz ellátásban. Mostanában a fosszilis tüzelőanyagokon alapuló gazdaság kezd veszíteni a tekintélyéből, ahogy az emberek egyre inkább tudatára ébrednek kedvezőtlen társadalmi és környezeti hatásainak. 1.2. Új energiarendszer születőben Ma új energiarendszer van születőben. Az elektronikus eszközök meg növekedett feldolgozó 1

képessége, kis mérete, gyors működése és kis fogyasztása lehetővé teszi az energiatermelés és energiafogyasztás hatékonyságának javítását. A hatékonyság javítása nem elég, változtatni kell a fosszilis energiahordozók felhasználásának arányán a megújuló energiahordozók javára, és fokozni kell az ilyen irányú kutatásokat. Hazánkban még van mit javítani az energia felhasználás hatékonyságán is, egységnyi nemzeti termék előállításához kétszer annyi energiát használunk fel, mint a fejlettebb államok. Téves felfogás, hogy a környezetvédelem és a versenyképesség összeegyeztethetetlen fogalmak. A környezet védelmében tett ésszerű intézkedések hosszabb távon javítják azon vállalatok versenyképességét, amelyek az új helyzethez alkalmazkodnak. Természetesen ehhez jó energiapolitikára és állami támogatásra van szükség, (ami nálunk hiányzik). A környezetvédelmi követelmények érvényesítése fontos az energiatársaságoknál is. Az energiapolitikai döntések meghozatalakor a környezetvédelmi költségeket a fejlesztések szerves részeként kell tekinteni. A környezetvédelmi költségeket elsősorban az EU-konform jogszabályok előírásainak teljesítése határozza meg, melyek a meglévő létesítményekre moratóriumi idő után, az újonnan létesülőknél azonnal érvényesek. Az Európai Unió energiapolitikai alapelvei között kiemelt jelentőségű a megújuló energiahordozók felhasználásának a bővítése. 1.2.1.Atomenergia Az atomerőművek a világ villamosenergia-termelésének 17 %-át adják, hazánkban ez az arány 40 %. Az atomerőmű gazdaságosan termeli a villamosenergiát, 1 kg olajból 4 kwh energiát lehet előállítani, míg 1 kg uránból 50.000 kwh energiát. Az ipar minden ága termel hulladékot és radioaktív hulladék nem csak az atomerőművekből, de orvosi, ipari és mezőgazdasági felhasználásból is származik. Az atomerőműveknél összegyűjtik, koncentrálják a radioaktív hulladékot, és a környezettől elkülönítve tárolják. Az iparban általában csak hígítják a kibocsátott hulladékokat. Az atomerőművek nem bocsátanak ki üvegházhatású gázokat, mint a szén- és a gázerőművek, amik jelentősen szennyezik a környezetet. Földünkön minden évben kb. 300 millió tonna veszélyes hulladék keletkezik, ennek 1 %-a radioaktív és ennek általában 97 %-a kisaktivitású hulladék. Jelenleg több, mint 400 atomerőmű működik biztonságosan szerte a világon. Néhány közülük több, mint 40 éve. Ezalatt nagyjából 10 ezer reaktorév üzemeltetési tapasztalat gyűlt össze. A nukleáris ipar folyamatos biztonságnövelő beruházásokat folytat és az előírások szigorúbbak, mint bármely más energiatermelő ágazatban. 1.2.2.Fúziós energiatermelés Az emberiség energiagondját nagyon hosszú időre megoldaná a fúziós energiatermelés, ez szemben a hagyományos atomerőművekkel nem atommaghasadással termelné az energiát, hanem hidrogén atomok egyesítésével hélium atomokká. Így termelődik az energia a csillagok belsejében, és a Napunkban is. Fúziós reakció a Nap belsejében 10 millió fok hőmérsékleten és óriási nyomáson zajlik, az energiatermelés ingadozása kicsi. Ilyen reakció (termonukleáris) megy végbe a hidrogénbombában is, a másodperc tört része alatt. A kutatók már 50 éve próbálják megvalósítani a szabályozott termonukleáris energiatermelést. Mára sikerült elérni az egy-két másodperces üzemidőt úgy, hogy a termelt energia nagysága eléri a betáplált energia nagyságát. A termonukleáris reaktor úgy termeli majd ha sikerül megvalósítani a villamos energiát, hogy radioaktív anyag alig keletkezik és égési terméke a hélium (nemesgáz). 1.2.3.Megújuló energiahordozók A megújuló energiahordozók növekvő felhasználása és az energiahatékonyság javítása jelentősen hozzájárul a jövő energiaproblémáinak megoldásához. Fontos, hogy a döntéshozók érintett köre és a 2

társadalom minél előbb ismerje fel az alternatív energiahordozók hasznát és előnyeit. A megújuló energiahordozók úgy használhatók fel energiatermelésre, hogy közben nem, vagy csak igen kis mértékben bocsátanak ki a környezetre káros anyagokat (ilyen például a napelemek anyaga, azok élettartamának lejárta után, vagy a szélturbinák lapátjának anyaga az elhasználódás után). Az ilyen hulladékok azonban technikailag jól kezelhetőek és megfelelő előírások betartásával a környezeti kockázat minimálisra csökkenthető. Megújuló energiahordozóknak azokat az energiahordozókat tekintjük, melyek a kiaknázás után rövid időn belül újratermelődnek. Ilyen energiahordozók a nap-, szél-, víz-, geotermikus-energia, biomassza stb. Ezek előnye a kisebb környezetszennyezés mellett az, hogy az óriási méretű, központosított erőművekkel szemben elsősorban decentralizált erőművek épülnek, amelyek az adott helyen fellelhető erőforrásokat használják és ugyanott munkahelyeket is létesítenek. A szélenergia másodlagos napenergia akkor merült fel komoly lehetőségként villamos áram előállítására, amikor dán mérnökök fejlett műszaki eljárásokat és anyagokat kezdtek alkalmazni az 1970-es években. Ennek hátránya, hogy az energiatermelés nem folyamatos, a termelt villamos energiát tárolni kell. A biomassza biológiai eredetű szervesanyag-tömeg. A biomassza elsődleges forrása a növények asszimilációs tevékenysége, a napenergia felhasználásával. A másodlagos biomassza az állattenyésztés melléktermékei, hulladékai. A harmadlagos biomassza a biológiai eredetű anyagokat felhasználó iparok termékei, melléktermékei, hulladékai és az emberi települések szerves eredetű szerves hulladékai. Az energetikai hasznosítás közül jelentős hasznosítási mód az eltüzelés, brikettálás és a gázosítás. Elsősorban a hagyományos agrártermelési ágazatokban keletkező mező-, erdőgazdasági melléktermékek és hulladékok, az energetikai erdőgazdaság (energiaerdők) és az energetikai célú növénytermesztés (energianövények) hasznosítására van lehetőség. A biomassza elégetésével szén-dioxid keletkezik, ami szintén szennyezi a környezetet. A napenergia biztonságos, nem szennyezi a környezetet, ingyen áll rendelkezésünkre, amig nem vetnek ki rá adót. A napenergia hasznosításának hátránya, hogy tárolni kell az energiát és a beruházás még drága. A berendezések gyártása és hulladéka viszont környezetszennyező, de ezek jól kezelhetők. Évente annyi energia érkezik a Napból a Földre, amennyit 60 milliárd tonna kőolaj elégetésével nyernénk. Ha a Napból jövő energiának csak 1 %-át hasznosítanánk és csak 5 %-os hatékonysággal, akkor a világon minden ember annyi energiát fogyaszthatna, mint ma egy átlag amerikai állampolgár. Magyarországon egy négyzetméterre évente 1200-1300 kwh energia érkezik, amelyből 900 kwh hasznosítható jó minőségű naphőgyűjtővel. A napsugarat közvetlenül elektromos árammá alakító félvezető eszközöket széles körben használják például műholdak és távolsági kommunikációs rendszerek áramforrásaként, valamint elektromos fogyasztási cikkekben, például zsebszámológépekben. Egy példa az energiatakarékosságra: Európában a múlt század 60-as éveiben az épületek fűtésére fordított fajlagos energia négyzetméterenként évi 240 kwh volt, ma már csak 70 kwh, nálunk ez az érték 160 kwh, tehát bőven van még javítani való. 1960 (Európa) Ma (Európa) Ma (Hazánk) 240KWh 70KWh 160KWh Fűtésre fordított fajlagos teljesítmény alakulása négyzetméterenként 3

Fűtésre fordított fajlagos teljesítmény alakulása négyzetméterenként 300 250 200 KWh 150 100 50 A kiotói konferencia javaslata az energiagondjaink megoldására: energiatakarékosság, a megújuló energiahordozók ésszerű alkalmazása, a közlekedések okozta szennyezések csökkentése és az atomenergia alkalmazása. 2. Tüzelőanyag-cellák 0 2.1. Mik is azok a tüzelőanyag-cellák? 1960 (Európa) Ma (Európa) Ma (Hazánk) A tüzelőanyag-cellák, más néven üzemanyag-cellák (angol neve: fuel cell) hidrogénből és oxigénből elektrokémiai úton elektromos áramot állítanak elő, alacsony hőmérsékleten, jó hatásfokkal. A környezetet nem szennyezik, mert a reakció végterméke a tiszta víz. A hidrogén többféle forrásból nyerhető: vízből, szénhidrogénekből, alkoholból, szintézisgázból és biogázból. A víz kivételével a többi anyagból kémiai eljárással nyert hidrogénen kívül még szén-dioxid is keletkezik. A tüzelőanyag-cellák zajtalanul működnek, mivel nincs bennük mozgó alkatrész. Az ilyen típusú áramforrás nem új, 1839-ben William Robert Grove angol fizikus fedezte fel az általa elnevezett durranógázelemet mai neve: tüzelőanyag-cella, melyben hidrogén és oxigén áramtermelés közben reagál egymással. Grove vízbe merült két platinalemezen keresztül vezetett árammal a vizet alkotórészeire hidrogénre és oxigénre bontotta. Észrevette, hogy az áramforrás kikapcsolása után a két elektródán még feszültséget lehetett mérni. Ezt a jelenséget akkor is tapasztalta, amikor a hidrogén és oxigén buborékoktól megtisztított platinalemezeket a vízbe helyezte és az egyik lemezre hidrogént a másikra oxigént juttatott. Ez az összeállítás áramforrásként működött ugyan, de ennél a galvánelemek sokkal jobbnak bizonyultak (ár, hatásfok stb.), és ezért a galvánelemek terjedtek el. Jedlik Ányos magyar fizikus is foglalkozott a Grove-féle gázelemek megbízhatóságának és hatásfokának javításával l860-ban, de kísérletei nem vezettek eredményre. Említésre méltó eredmény F.T. Bacon 1930-as években kezdődő kutatásai, amely megnyitotta az utat a további fejlődéshez. Ezután a NASA támogatta a tüzelőanyag-cella fejlesztéseket, 1965-re készült el az első 5 kw-os, tüzelőanyag-cella az amerikai hadsereg részére, és azóta a fejlődés töretlen. Nemcsak az Egyesült Államokban, hanem Európában, Japánban és a világ egyéb országaiban is intenzív kutatás folyik. Úgy tűnik, hogy százévig szinte semmi nem történt Grove felfedezésének hasznosítására, ez így nem igaz, mert gyakran próbálkoztak a kutatók az eszköz használhatóságának javítására. A sikerhez az elektrokémia elméletének jelentős fejlődése mellett, még egyéb tudomány és technika fejlesztésére is szükség volt. Fellendült a katalizátorok és az elektrolitok kutatása. 4

2.2. Tüzelőanyag-cellák működése Tekintsük át röviden a galvánelemek és a tüzelőanyag-cellák működésének megértéséhez szükséges legfontosabb alapismereteket. A fémekben az elektromos áramot a szabad elektronok áramlása biztosítja, a fémrácsban az ionok helyhez kötöttek és így az áramvezetésben nem vesznek részt. Elektrolitikus vezetés esetén mind a pozitív, mind a negatív ionok részt vesznek az elektromos áram létrehozásában. Elektromos energiát nyerhetünk minden olyan kémiai reakcióval, amely elektronátadással és elektronfelvétellel jár, a kémiában nagyon sok ilyen típusú reakció ismert. A kémiai reakcióban az elektronleadás és felvétel egyidejűleg és azonos helyen megy végbe, de ilyen esetben a reakció csak hőt termel. A villamos energia előállításához még az szükséges, hogy az elektronleadást és felvételt - ami továbbra is azonos időben következik be -, de a térben elkülönítsük egymástól. A galvánelemek felépítése: két különböző elektromos potenciálú elektród két elektrolit oldatba merül, az elektródok között kívül fogyasztón keresztül fémes összeköttetést, az elektrolitoldatok között elektrolitikus kapcsolatot (porózus lemez, vagy sóhíd) létesítenek. Így zárt áramkör áll elő, és a vezetéken létre jön az elektronáramlás. Az egyik elektródon folyamatos elektronleadás, a másikon pedig folyamatos elektronfelvétel lesz, míg az elektrolitban pozitív és negatív ionok ellentétes irányú mozgása biztosítja a töltésáramlást. A tüzelőanyag-elemek különlegessége abban rejlik, hogy a kémiai reakcióban részt vevő hidrogént és oxigént folyamatosan vezetjük be a cella elektródáihoz, amíg a működésükre szükség van. A cellák működése azonnal újra indul, ha az üzemanyagot megint folyamatosan töltjük a cellákba. A tüzelőanyag-cellák élettartama hosszú, üzemanyaggal való feltöltése egyszerű. Egy cella kapocsfeszültsége 1 és 2 V között van (típustól függően), annyi cellát kell sorbakapcsolni, hogy a kívánt feszültséget elérjük. Az egyik gyakran használt tüzelőanyag-cella típus, amelyben a két elektróda elválasztásához protoncserélő membrán elektrolitot (proton a hidrogén atom magja, másképpen az egy elektronjától megfosztott hidrogén) alkalmaznak. A protoncserélő membrán csak a protont ereszti át. A protoncserélő membrán két oldalán szorosan van elhelyezve a két porózus fém elektróda. Az egyik elektródához a hidrogént a másikhoz a tiszta oxigént vagy levegőt vezetik. A hidrogén atomok leadják az elektronjaikat az elektródának és, mint protonok a porózus elektródán és a protoncserélő membránon áthaladva az oxigénes térbe jutnak, ahol vízzé egyesülnek az oxigén ionokkal és eltávoznak a rendszerből. Az oxigén atomok úgy válnak oxigén ionokká, hogy az eletródából felvesznek két elektront. A cella által szolgáltatott áram nagysága az elektróda felületével és a kémiai reakció sebességével (elektronleadás és elektronfelvétel) arányos. A reakcó sebesség növeléséhez olyan elektródot kell választani, amely katalizálja az adott reakciót. Megfelelő katalizátor segítségével a reakció sebessége százmilliószorosára is növelhető. A tüzelőanyagcellában hidrogént oxidálnak, ehhez legjobb katalizátor a platina. Sajnos a platina drága és ritka fém, ezért a platinát vagy ötvözeteit minél kisebb mennyiségben kell felvinni a hordozó, például protoncserélő membrán felületére. Magasabb hőmérsékleten (600-1000 C) működő tüzelőanyagcelláknál a kémiai reakció már elég gyors, és a platinaelektród kiváltható más fémmel vagy ötvözettel. Az első protoncserélő membránt tartalmazó cella 1962-ben a Gemini űrhajón jutott fel az űrbe. 2.3. Tüzelőanyag-cellák a gyakorlatban Mostanáig sokféle tüzelőanyag-cellát fejlesztettek ki, de alapjában véve ezeknek két fő típusát különböztethetjük meg, az alacsony hőmérsékleten (50-80 C ) és a magasabb hőmérsékleten (600-1000 C) működőket. Az előbbiek könnyen elviselnek sok be- és kikapcsolást, ez előnyös például gépjárműveknél, míg az utóbbiak inkább folyamatos üzemben, például erőművekben hasznosíthatók. A tüzelőanyag fajtáját, az elektrolit és más komponensek minőségét, valamint a felépítésüket tekintve jelenleg számos, különböző típusú tüzelőanyag-cella van forgalomban. 5

Megemlítek néhány fontosabb típust! A foszforsavas tüzelőanyag-cella jelenleg a leggyakrabban használt típus. Ennek működési hőmérséklete 200 C körüli és alkalmas nagyobb mértékű energiaigények kielégítésére. Ez a típus használható lakások, irodaépületek, kórházak és autóbuszok elektromos árammal való ellátására. Épületeknél, ahol az árammal egyidejűleg keletkező hőt is fel lehet használni fűtésre, 80 %-osnál jobb hatásfokot is el lehet érni. A karbonátolvadékos cellák, amelyek nagy hőmérsékletű, helyhez kötött nagy és folyamatos energiafelhasználásra tervezett áram- és hőforrások, fűtőanyaga metán. Az anód nikkel, a katód nikkel-oxid. Hatásfoka a hőfelhasználással együtt meghaladja a 85 %-ot. A szilárdoxidos tüzelőanyag-cella, tüzelőanyaga metán. Igen nagy a teljesítménysűrűsége, köbméterenként 240 kw, a hatásfoka 45 %. Működési hőmérséklete 1000 C, ezért kifejezetten ipari áramforrás. Ha hidrogén helyett hidrogéntartalmú szénhidrogént használnak, a foszforsavas, a protoncserélő és némelyik olvadt karbonátos tüzelőanyag-cellás áramtermelőhöz, akkor hidrogént előállító rendszer (reformer) is szükséges. A hidrogén előállítása helyben történik. Más típusú például olvadt karbonátos, és a szilárd oxidos tüzelőanyag-cellákban a magas üzemi hőmérséklet miatt magában a cella belsejében alakul át a földgáz hidrogénné és szén-dioxiddá. Magas hőmérsékletű tüzelőanyag-cellákhoz gőzturbinát és áramfejlesztőt is alkalmaznak. Ezeknél a kimenő elektromos teljesítmény 60 %-át a tüzelőanyag-cella, 40 %-át a gőzturbinával hajtott generátor adja. A turbinából távozó meleg levegőt visszavezetik a tüzelőanyag-cellába. Az említett típusú tüzelőanyag-cella típusokat már a kereskedelemben forgalmazzák (tudomásom szerint nálunk még nem!). A Dow Chemical Company és a General Motors egyetértésre jutott a világ eddigi legnagyobb üzemanyag-cellás tranzakciójáról. Ennek lényege az, hogy a GM kereskedelmileg is értékesíteni kívánja üzemanyag-cellás technológiáját, míg a Dow freeporti üzemében (Texas) melléktermékként keletkező hidrogén, e technológia révén elektromos energiával látná el a gyárat. Ma már üzemelnek 2 MW-os tüzelő-anyag-cellás erőművek, és készülnek a 100 MW-os erőművek tervei. Már számos autógyártó cég üzemeltet tüzelőanyag-cellás autókat és buszokat kísérleti célból. Ezeknél a fő problémát a hidrogén tárolása és szállítása jelenti. A hidrogén szállítása gáz formában csak rövid útra elegendő, hiszen aránylag kis mennyiség is nagy térfogatú tartályt igényelne. Folyékony állapotban tárolt hidrogénnél (olvadáspontja -259 C) ugyan nagyobb az energiasűrűség, de ez csak nagyon alacsony hőmérsékleten, illetve igen nagy nyomáson valósítható meg. A hidrogént acélból készült palackokban 150 bar nyomáson hozzák forgalomba. Ezek a palackok nehezek, még nagyobb nyomáson is a hidrogén tömege csak az össztömeg 0,5-1%. 3. Napelemek Az energiahordozók döntő részének eredete a Nap, kivételt csak a geotermikus és a nukleáris energia jelent. A Nap energiáját a benne zajló fúziós energiaátalakulás szolgáltatja, felszínének hőmérséklete: 5800 K. A Nap felszínéről elektromágneses sugárzás formájában (fény- és hősugárzás) érkezik hozzánk az energia. A napelemek olyan félvezető eszközök, amelyek a fénysugárzás energiáját közvetlenül villamos energiává alakítják. Ne tévesszük össze a napelemeket a napkollektorokkal. A napkollektorokban levő vizet az elnyelt napenergia felmelegíti és így az alkalmas lakások, családi házak ellátására melegvízzel. 6

3.1. Történeti, fizikai háttér Egy kis történeti háttér, hogy lássuk, milyen sok problémát kellett a kutatóknak megoldani és milyen hosszú időnek kellett eltelni ahhoz, hogy végül hasznos termék szülessen. Edmund Becquerel francia kísérleti fizikus 1839-ben fedezte fel a fényelektromos hatást. Willoughby Smith angol mérnök 1873-ban fedezte fel, hogy a szelén vezetőképessége megváltozik a fény hatására (hasznosítása: a szelénelemes fénymérő). Tíz évvel később Charles Fritts szelén napelemet készített. Albert Einstein elméleti fizikus kidolgozta a fényelektromos hatás elméletét, ezért 1921- ben Nobel-díjat kapott. Az elmélet helyességét Robert A. Millikan kísérlettel bizonyította. A rádiózás kezdeti szakaszában a kristály egyenirányítók a detektoros rádiókban váltak fontossá. A félvezetőknek az elektronikában azután lett óriási szerepük, miután W. H. Brattain, J. Bardeen és W. Shokley fizikusok 1949-ben felfedezték a tűs tranzisztort és megalapozták a rétegtranzisztor elméletét, felfedezésükért 1956-ban Nobel-díjat kaptak. A Nobel-díj átvételénél hangsúlyozták, ők voltak abban a szerencsés helyzetben, hogy a tranzisztor felfedezésével a több évtizedes félvezető kutatás fejére feltehették a koronát. A fényelektromos hatást a klasszikus fizika alapján nem lehet értelmezni. Fény hatására fémekből elektronok lépnek ki, az elektronok kilépése nem a fény erősségétől függ, hanem a frekvenciájától. Egy foton (fény részecske, a fény kvantuma) energiája annál nagyobb, minél nagyobb a fényhullám frekvenciája. A foton energiájának le kell győzni azt az erőt, amellyel a vegyérték elektron a kristályrácshoz kötődik, ha a foton energiája ennél nagyobb, akkor a többlet energia az elektron mozgási energiájává alakul. A fény erősség növelésével a kilépő elektronok száma növekszik. Einstein elmélete alapján értelmezhetők a fotokémiai jelenségek is. A fotokémiai jelenségek közé tartoznak azok a kémiai folyamatok, amikor fény hatására bizonyos molekulák felbomlanak, vagy fény hatására másfajta molekulák keletkeznek. Félvezetőnek nevezzük azokat az anyagokat (nagyon leegyszerűsítve), amelyek villamos vezetőképessége a fémek és a szigetelőanyagok között van. Vezetőképességük a fémekkel ellentétben a hőmérséklet növekedéssel (széles hőmérsékleti határok között) nő. A mai technológia fejlettségi szintjén a szilícium a legelterjedtebb félvezető anyag, ezt követi a gallium-arzenid félvezető. Nanotechnikai eszközökben jelentős szerepük van még az alumínium-gallium-arzenid típusú félvezetőknek. 3.2. Napenergia-hasznosítás fényelektromos cellákkal Olyan fényelektromos cellákkal foglalkozunk, amelyekben a fény csak elektromos változást kelt (tágabb értelemben a növények zöld levelét stb. is tárgyalni kellene, amelyekben fotokémiai folyamat zajlik). Ebbe a meghatározásba is három jelenség illeszthető be, melyek közül csak az utolsó tartozik a mostani témánkhoz. Az első, amikor megvilágítás hatására a fémből elektronok lépnek ki, ez a folyamat a fotoemisszió (fotocellák, rádiócső katódja stb.). A másik jelenség, amikor megvilágítás hatására változik az anyag villamos ellenállása, ez a jelenség a fotokondukció. A harmadik fényelektromos jelenség, amikor fény hatására a félvezetőben villamos feszültség keletkezik. Ezek a fényelemek, vagy napelemek, amelyek a fény energiáját villamos energiává alakítják át. Ez utóbbi jelenség csak úgy jöhet létre, ha a félvezetőből egyenirányítót készítünk. A tiszta szilícium egyik oldalát elektron leadó anyaggal szennyezik (n típus), a másik oldalát pedig elektron felvevő anyaggal (p típus). Ezzel elkészült az egyenirányító, ha ezt a félvezető eszközt egy bizonyos frekvenciánál magasabb frekvenciájú fény éri, akkor ez áramot termel. A földi légkör határán a napsugárzás teljesítménye négyzetméterenként 1400 W. A beérkező sugárzás egy része a légkörön áthaladva szóródik és elnyelődik, a fennmaradó közvetlen sugárzás teljesítménye a légkörben megtett út hosszától függően tovább csökken. Hazánkban a napsugárzásból érkező energia éves értéke, négyzetméterenként ( vízszintes felületre ) 1200 és 1300 7

kwh között ingadozik. A napsugárzás éves értéke Magyarország egész területén belül lényegesen nem változik. Nálunk a napsugárzás átlag teljesítménye négyzetméterenként a sugárzásra merőleges felületre 1000 W. Egykristályos pn átmenetet energia átalakítási célokra használva jó (Si alapanyag esetén 23-24 %) hatásfokú napelem készíthető. A szerkezet kialakítása során sokszor egymásnak ellentmondó követelményeket kell kielégíteni. A fény a pn átmenet síkjára merőlegesen essen be, olyan bevonatot kell alkalmazni, amely csökkenti a fény visszaverődését. A fényelnyelést a felület alakja, érdessége is befolyásolja. Jó minőségű, kevés kristályhibát tartalmazó anyagot kell használni. A nem átlátszó hozzávezetések a felület minél kisebb részét fedhetik le, viszont a soros ohmikus ellenállás csökkentése a hatásfok növelés egyik kulcskérdése. A jó minőségű szilícium egykristályok magas ára jelentős hajtóerő a polikristályos félvezető vékonyrétegek napenergia átalakítóként való alkalmazása felé. A polikristályos napelem hátránya az egykristályossal szemben a rosszabb hatásfok (8 %), előnye, hogy olcsóbb. Az amorf félvezetők, így az amorf szilícium is, vékonyréteg formában viszonylag könnyen előállíthatók. Az amorf szilícium napelemek olcsó hordozóra leválasztott, amorf anyagot tartalmazó rétegszerkezetek. Minthogy a technológiai követelmények az egykristályos Si gyártáshoz képest lazábbak, s csak a működésben alapvetően fontos tartományokhoz szükséges a drága egykristályos anyag beépítése, így a napelem ára sokkal kisebb lehet, ami ellensúlyozza a kisebb hatásfokot. A napelemek alkalmazása során számos kiegészítő berendezésre is szükség lehet (napkövető automatikák, a terhelést optimalizáló elektronikus rendszerek, energiatárolók stb.). Az elemek hűtéséről is gondoskodni kell, mert az erős felmelegedés csökkenti a napelem hatásfokát. A napelemek alkalmasak lakóházak, tanyák áramellátására. Közszükségleti cikkek: számológépek, órák, játékok, rádiók, televíziók működtetésére. Ma már napenergiával különböző járműveket is üzemeltetnek, pl. elektromos autókat, motorcsónakokat. Célszerű napenergiával hidrogént előállítani energiatárolás céljából, a tüzelőanyag-cellák üzemeltetéséhez. A naperőművekben MW nagyságrendű teljesítményeket állítanak elő. Tükröket félkör alakban úgy helyeznek el, hogy azok a visszaverődő sugarakat egy magas betontoronyra gyűjtsék össze. Az ott elhelyezett vízzel telt csövekben nagynyomású gőz keletkezik, amivel áramfejlesztőket lehet működtetni. A naptorony-erőművek tükörrendszere álló vagy mozgatható tükrökből áll. Ilyen elven működik a napkohó is, legfontosabb része a Nap járását követő visszaverő homorú gömbtükör, ennek a gyújtópontjában helyezik el a melegítendő anyagot. A melegítendő testnek jó fényelnyelőnek kell lennie. Németországban 300 MW napelem kapacitást állítottak üzembe 2004-ben, az iparág 30 ezer embert foglalkoztat. A német napelemgyártók már eladták az idén gyártandó valamennyi terméküket, szerződéseiket már csak 2006-ra kötik. A fosszilis energiahordozók jelenlegi nagy arányú felhasználásával, és a gépkocsik sok milliárd tonna kipufogógázának légkörbe juttatásával olyan helyzetbe kerül a világ gazdasága, melyek nem tarthatók fenn még egy évszázadig. Reméljük, hogy e tüzelőanyagok teljes kifogyása előtt a környezeti és egészségügyi terhek, valamint a Föld hősugárzási egyensúlyának felbomlása kikényszerítik majd a tisztább, megújuló energiahordozók általános használat. 8