Megújuló energiák villamos rendszerei (BMEVIVEM262)

Megújuló energiák villamos rendszerei (BMEVIVEM262) Prof. Dr Vajda István BME Villamos Energetika Tanszék TAMOP-4.1.2-08/2/A/KMR-2009-0048 A Projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Regionális Fejlesztési Alap társfinanszírozásával valósult meg

1. fejezet Alapok, a legelterjedtebb közvetlen energiaátalakítók

World Population: 1850-2100 Forrás: Paul M Grant: SuperCities and SuperGrids

Energy/Demographics Timeline Forrás: Paul M Grant: SuperCities and SuperGrids

Industrialization Helps Bring Energy Efficiency Million Tons of Oil Equivalent Forrás: Paul M Grant: SuperCities and SuperGrids

HDI vs per capita Electricity HDI = élettartam + írástudás + oktatás + életszínvonal Forrás: Paul M Grant: SuperCities and SuperGrids

Bevezetés 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 az 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.

Bevezetés Miért vizsgáljuk a közvetlen energiaátalakítást, amely lényegében hő-, kémiai, illetve sugárzó energiák mozgó alkatrész nélkül történő villamos energiává való alakítást jelenti. 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.

Bevezetés Miért vizsgáljuk a közvetlen energiaátalakítást? 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 szeretnének 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.

Bevezetés 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..

Tüzelőanyag-cellák (Fuel Cell)

Tüzelőanyag-cellák (Fuel Cell) történeti 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.

Tüzelőanyag-cellák (Fuel Cell) működési elv 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 utóbbi alkatrészek lineáris mozgását. Az egész rendszer átalakítási hatásfokát az a termodinamikai elv szabja meg, amelynél a rendszer kezdő és végállapotának rendezetlenségi foka legkedvezőbb eseben azonos maradhat, de általában nő. Ezen elvet a Carnot-hatásfok önti számszerű alakba.

Tüzelőanyag-cellák (Fuel Cell) felépítés Az 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. T üzelő anyag BE Elektronok T erhelés Elektrolit Ionok Porózus elektródák O xidáló anyag BE Égésterm ék KI

Tüzelőanyag-cellák (Fuel Cell) Az elektronok a külső villamos ellenálláson át eljutnak a katód oldalra, ahol az ott képződő oxigénionok 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. T üzelő anyag BE Elektronok T erhelés Elektrolit Ionok Porózus elektródák O xidáló anyag BE Égésterm ék KI

Fényvillamos generátorok (Solar Cell)

Fényvillamos generátorok (Solar Cell) 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). 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.

Fényvillamos generátorok (Solar Cell) 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.

Fényvillamos generátorok (Solar Cell) 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. A jelenleg gyártott egykristályos fényvillamos generátorok hatásfoka 15-20% körüli, teljesítményük pedig néhányszor 10 kw értéket is elérhet.

Hővillamos generátorok

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.

Hővillamos generátorok A hővillamos energiaátalakítók működése három jelenségen alapul. Az elsőt 1821-ben Thomas Johann Seebecck (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.

Hővillamos generátorok 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.

Hővillamos generátorok Emellett megmutatta - s ez a hővillamosság harmadik jelensége -, hogy a Peltier-hő 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 - Thomson-hőnek nevezik. A 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 Seebeck-együtthatója 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.

Hővillamos generátorok 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 az ábrán

Hővillamos generátorok Felhasználásuk az alábbi előnyöket nyújtja: 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.

MHD (Magneto-Hidro- Dinamikus) generátorok

MHD generátorok A magnetohidrodinamikus (MHD) energiaátalakítók nagyszámú változata közül e fejezetben csupán az MHDgenerátorokkal 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.

MHD generátorok 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.

MHD generátorok 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 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. (A szupravezetést, s a szupravezetők erősáramú alkalmazásait más helyütt tárgyaltuk).

MHD generátorok 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.

MHD generátorok A gáz munkaközegű MHDgenerátorok általános felépítése (e generátorokat Faraday-típusúaknak is szokás nevezni) az ábrán látható. Az 1 égéskamrában a gázt olyan magas hőmérsékletre (néhány ezer K-re) hevítjük, hogy részlegesen ionizálódjanak.

MHD generátorok 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 ionizálódnak, s így jelentősen növelik a vezetőképességet. Ezt a műveletet nevezik sózásnak.

MHD generátorok 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.

MHD generátorok 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.

Félv ezetős átalak ítók (k onv erterek ) v illamos energia VILLAM OS GÉPEK transzformátorok ELEKT R OM ECH AN IKAI ÁT ALAKÍT ÓK lineáris (motorok ) hőenergi mec hani- a (általá- k ai energia forgó v illamos gépek Villamos többdimenziós v illamos gépek energia (gömbmotorok ) egyéb N EM KON VEN CI- ON ÁLIS szuprav ezetés energia (geo.,stb. energia megv a- lósítás M H D primér napelem energia tüzelőanyag c ella termogenerátor KÖZ VET LEN EN ER GIAÁT ALAKÍT ÓK VILLAM OS EN ER GIAÁT ALAKÍT ÓK

Az ötlettől a megvalósításig Ötlet Új termék ÁM TÖR AT MET AT ANY MŰK AT TER TEC SzM