Energiaigény és energiaellátás helyzete a világon

(109) ZSIBORÁCS H. 1, PÁLYI B. 2, VESZELKA M. 3 Napelemes rendszerek energetikai hasznosítása háztartási kiserőművi méretekben Domestic application of Solar Power Systems for Energy Recovery ifj.zsiboracs.henrik@gmail.com 1 PE Georgikon Kar, Vidékfejlesztési agrármérnök Msc szak 2 PE Georgikon Kar, egyetemi docens 3 PE Georgikon Kar, egyetemi adjunktus Energiaigény és energiaellátás helyzete a világon A világ energiaigénye folyamatosan növekszik. 1980 és 2000 között, a világ összes energia felhasználása 308 EJ-ról 417 EJ-ra emelkedett, ami 35%-os emelkedés, vagyis 1,7% évente. 1 EJ = 10 18 J, ami 23,9 MTOE-nek felel meg. 2000-ben, a világ energiafelhasználásának 34%-a Ázsiában történt (141 EJ), míg Észak Amerika további 27%-ot használt fel ( 113 EJ). Európa a teljes energiaszükséglet 19%-áért felelős ( 78 EJ) (Dr. Farkas, 2005). A teljes energiaigényt a 2002 2004 közötti 513 545 EJ/év értekből kiindulva 2030-ban 750-800 EJ/évnek, 2050-ben 600 1000 EJ/év-nek, 2100-ban 900 3600 EJ/év becsülik (www.kzs.hu). 2009-ben a világ energiaszükségletének legnagyobb részét kőolaj fedezte (32.8%), amelyet a kőszén (27.2%), földgáz (20.9%) és éghető megújuló- vagy hulladék-anyagok (10,2%) követtek.. Nukleáris energia 5.8%-al, vízenergia 2.3%-al és egyéb 0,8%-al járult hozzá a világ primerenergia-termelésének alakulásához (Bank, 2012) (1.ábra). 1.ábra: A világ primér energiaszükséglete (2009) Az elektromos energia fogyasztása az 1971-es évekhez képest 2008-ban több mint háromszorosára, 5850 TWh-ról 20181 TWh-ra nőtt (Key World Energy Statistics, 2010) (2.ábra). 541

TWh 2. ábra: A világ villamos energia termelése (1971-2008) A hazai energiaellátás jellemzői Magyarország energiafelhasználása 2005-ben 1301,5 PJ volt, melynek 36,9%-a hazai termelés és 63,1%- a import. Az energiafelhasználás volumene a rendszerváltozást követő néhány évben csökkent, majd ezt követően, az elmúlt 10 évben, alig változott. A hazai energia kitermelés mennyisége a rendszerváltozást követően folyamatosan csökkent, és jelenleg 400-500 PJ között van (www.barenergy.eu). Hazánkban a kőolaj és földgáz felhasználás teszi ki az összfelhasználás majdnem 70%-át. A földgáz felhasználás közel 45%, és az elmúlt évtizedben évről évre emelkedett. Jelentős a nukleáris energiafelhasználás, amely a Paksi Atomerőmű felhasználását jelenti. A szén felhasználás enyhén csökkenő tendenciájú (www.biztonsagpolitika.hu) (3. ábra). 3. ábra: Az EU elemzése Magyarország energia-összetételéről, 2007 A megújuló energiaforrások részaránya jelenleg meghaladja a 7%-ot, az európai célokkal és nemzeti érdekekkel összhangban M a g y a r o r s z á g m e g u j u l ó e n e r g i a h a s z n o s í t á s i c s e l e k v é s i t e r v e célkitűzésként a kötelező minimum célszámot meghaladó, 14,65 százalékos cél elérését 542

tűzte ki 2020-ra. A megújuló energiákra épülő zöldipar egyik alappillére a napenergia. Magyarországon a századforduló óta végeznek rendszeres megfigyeléseket a napsugárzásra és a napsütés időtartamának regisztrálására. Magyarország szélességén a légkör külső határán 9542 MJ/ m 2 -nyi energia érkezik, melynek 45-50%-a éri el a felszínt. Ez az érték ~4300-4800 MJ/ m 2, ami ~1200-1300 kwh/ m 2 -t jelent (Hidvégi, 2010). A fotoelektromos hasznosítás eszközei A fotovillamos napenergia-hasznosítás legalapvetőbb eszköze a napelem, amely a napsugárzás energiáját alakítja át közvetlenül villamos energiává. A napelemek készítésének alapanyaga megfelelő vastagságú p-n átmenettel (lyuk-elektron párt szétválasztó réteggel) rendelkező félvezető. Ebben zajlik le az energiaátalakítás folyamata. A jó hatásfokú energia átalakító eszköz készítéséhez általában egykristályos vagy polikristályos szilíciumot használnak (Dr. Farkas, 2003, fft.szie.hu, www.m0ukd.com) (4. ábra). 4.ábra. Az egykristályos és polikristályos szilícium napelem elvi felépítése, valamint egy polikristályos napelemcella A kereskedelmi forgalomban kapható napelem modulok mérete és teljesítménye tág határok között változik. A felső mérethatár néhány négyzetméter, a névleges teljesítmény pedig néhány száz Watt nagyságrendben van. A napelemek általában műanyagba vannak beágyazva, a modulokat pedig általában alumínium keretszerkezet határolja. Ez lehetővé teszi, a tartószerkezethez való rögzítést (Dr. Farkas, 2003). Különböző alapanyagú napelemek Napjainkban az egykristályos, polikristályos és amorf változatú szilícium alapanyagokból készítenek napelemeket. A vizsgálatok amorf napelemekkel történtek. Az amorf szilícium napelemeket vékonyréteg-technológiai eljárások alkalmazásával állítják elő. A vékonyréteg-napelemek előállításához valamilyen hordozóanyag (üveg, acélfólia) alkalmazása szükséges. A vékonyréteg-technológia eljárások lehetővé teszik, hogy egyedi napelemek gyártása helyett, komplett elsősorban a kevesebb anyagfelhasználás miatt olcsóbb napelemek előállítását ígéri. 543

Laboratóriumi körülmények között 10-11% hatásfok elérhető, azonban a gyártásban lévő amorf napelemek stabilizálódott hatásfoka 4-6%, vagyis ugyanahhoz a teljesítményhez amorf szilícium napelemből kb. 3-szor olyan felület alkalmazása szükséges, mint egykristályos napelemből (Dr. Farkas, 2003, www.1v.ro, http://fft.szie.hu) (5.ábra). 5. ábra. Egy p-i-n szilícium napelem szerkezete és valós kinézete A vékony-filmes negatív földelésű napelemek hibája az ún. TCO korrózió. Ez a probléma megfelelő védekezés hiányában pár év alatt, jelentkezik, amely jól látható elváltozást okoz a napelem felületén, tartósan, visszafordíthatatlanul károsítja a napelemet, amely jelentős teljesítmény veszteséget okoz. Amikor a víz valamilyen módon behatol az üveg alá, akkor egy kémiai reakció veszi kezdetét, ami a napelem széleitől indul. Ilyenkor a pozitív töltésű nátrium-ionok vonzódnak a TCO réteg negatív pólushoz, bontva a napelem rétegének szerkezetét, tehát onnan veszik ki a Na +, a negatív töltést így a TCO réteg elváltozása jön létre (SMA-Module Technology, 2010). A keszthelyi napelemes rendszer vizsgálata Egy Keszthelyen élő család napelemes energiatermelő rendszer megvalósítását határozta el 2011 nyarán, amely 2012 májusában lett beüzemelve. Cél volt a villamos energiafogyasztásnak részbeni kiváltása megújuló energiaforrás felhasználásával működő termelő berendezéssel. A kutatások-megfigyelések ennek az erőműnek a segítségével történtek. A vizsgálat kiterjedt a napelemes rendszer beruházási költségére, megtérülésének elméleti idejére, a júliusban leadott napi és havi teljesítményre, valamint a nyári beesési szög megváltozásával összefüggő teljesítményváltozásra. A teljesítmény és energia mérések 2012.06.18-2012.08.20-ig napi-havi rendszerességgel történtek. A tervezett napelemes rendszer névleges termelői kapacitása 5kVA, melyből eddig 42db 2268W-nyi amorf-szilícium anyagú napelem teljesítmény lett beépítve. Az inverter típusa az Osztrák gyártású Fronius Ig Tl 5.0-a, napelemé pedig használt, 2004-ben gyártott Japán Kaneka. A termelőegység bemutatása A kivitelezés során, május elején le lett tesztelve 18db napelem, mivel tudni szerette volna a kivitelező, hogy az általa vásárolt használt napelem mire képes optimális körülmények között. 2012 Május 27.-én 12 óra 37 perckor, derült napsütésben 1093W-nyi energiát adtak le a napelemek. Ez modulonként 544

60,72W-nyi energiát jelentett és névleges teljesítményéhez képest 12,4%-al termelt többet. Emiatt döntött úgy a kivitelező, hogy véglegesen ezt a fajta napelemet fogja használni (6. ábra). 6. ábra. 8 éves, 972W névleges teljesítményű, leföldelt, lezárt szélű, TCO korrózió mentes, amorf szilícium napelem. (995W/m 2, 23 C) (Fotó: Zsiborács Henrik) A fejlesztés első körében a termelő berendezés DC oldali villamos teljesítménye 0,3 kw-volt. A 6db, 0,3kW-nyi napelem tetőn (38 ) lett elhelyezve egyedi építésű fém tartószerkezetre, amik 6db M16-os csavarral lettek rögzítve, 5,07 m 2 -nyifelületet foglalnak el. A fejlesztés első lépésének tervezési és kivitelezési költsége bruttó 201.200 Ft-ba került (7. ábra). 7. ábra. A családi ház tetején lévő 0,3kW napelemek. (fotó: Zsiborács Henrik) 545

A többi napelem a hátsókertbe lett kitelepítve, ahol 2db déli tájolású állványzat található, melyből az egyik fixen van kitelepítve, a másik függőlegesen állítható (8. ábra). 8. ábra. Déli tájolású, fixen kitelepített, 972W névleges teljesítményű napelem. (Fotó: Zsiborács Henrik) A napelemek 3*6-os mátrixban lettek elrendezve. Az ezekhez szükséges tartószerkezeteket szintén egyedileg, a napelemekhez illeszkedve készítettük, állítható dőlésszöggel annak meghatározására, hogy milyen mértékben befolyásolja a dőlésszög változása az aktuális teljesítményt. A kertben lévő modulok 30,47 m 2 -nyi területet foglalnak el, aminek a tervezési és kivitelezési költsége bruttó 380.000 ft-volt (1. táblázat). A jelenlegi tervek alapján 4,860 kw-ig fog a család fejleszteni, melynek várható költségeit a 2. táblázat szemlélteti. 1.táblázat. A háztartási méretű kiserőmű költségvonzatai A költség típusa Összeg bruttó (Ft) A 2268W-nyi napelem költsége 302.904 Az 5kW teljesítményű Fronius Ig Tl 5.0 inverter költsége 330.000 0,3kW-nyi napelemes rendszer tervezési és kivitelezési költsége 201.200 1,94kW-nyi tervezési és kivitelezési költsége 380.000 Összesen 1.214.104 546

2. táblázat. A teljesen kiépített napelemes erőmű továbbfejlesztésének várható költségvonzatai A költség típusa Összeg bruttó (Ft) A 2,268 kw-nyi napelemes rendszer költsége 1.214.104 A 2,592 kw-nyi napelem költsége 346.176 A 2,592 kw-nyi napelemes rendszer tervezett tervezési és kivitelezési költsége 529.824 Összesen 2.090.104 A háztartási méretű kiserőmű megtérülésének elméleti ideje A napelemes rendszer megtérülésének elméleti idejét az egyik leggyakrabban alkalmazott számítási módszerrel, a beruházások megtérülésének számításával végeztük: n = C 0 / PV ahol n = megtérülési idő (években) C 0 = a befektetés összege a befektetés idején (2012-es áron: 1.214.104 Ft) PV = az éves haszon jelenértéke (kedvezőtlen feltételek esetén: 127.587 Ft) n = megtérülési idő (években)= 1.214.104/127.587= 9,5158 (év) A PV a minden évben keletkező energia megtakarítás pénzbeli értéke, visszaszámolva a kezdeti időszakra. Sajnos ez az egyszerű számítási modell csak bizonyos feltételek között ad helyes eredményt, mivel a megtakarítás értéke minden évben változik (www.energiacentrum.com). A tervezést segítették a SolarGIS adatai, mely nagy felbontású éghajlati adatokhoz, térképekhez, szoftverekhez és szolgáltatásokhoz biztosít online hozzáférést a napenergiával kapcsolatban. Magyarországon éves szinten egy négyzetméterre 1200 kwh/m 2-1360 kwh/m 2 közötti energia érkezik. Ez azt jelenti, hogy 1kWh-nyi napelemes rendszer elméletileg ezt az energia mennyiséget képes hasznosítani. Ebből következik, hogy 1kWh-nyi energiát többlettermelés alatt az A1 - I. tömb alapján 46,89 ft/kwh, a felett pedig 19,69 ft ért lehetséges értékesíteni egy ilyen rendszer esetében. Tehát a jelenlegi helyzetben érdemes a napelemes erőműveket úgy tervezni, hogy éves szinten ne termeljünk többet, mint amit elhasználunk. A 3. táblázattal szemléltetem, hogy ez mit jelent éves szinten 1 kw-os rendszernél (www.solargis.info). 3. táblázat. 1 kw-os napelemes rendszer esetében lehetséges árviszonyok Magyarországon 1 év alatt megtermelt energia 1kW-os napelemes rendszer esetében (kwh) 1200 1360 Teljes energia felhasználásakor érvényes összeg (Ft/kWh) 46,89 46,89 Teljes energia eladása esetén, a szolgáltató által fizetendő összeg (Ft/kWh) 19,69 19,69 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia felhasználás esetében (Ft) 56.268 63.770 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia eladása esetében (Ft) 23.628 26.778 Különbség (Ft) 32.640 36.992 547

A 4. táblázat az elméleti megtérülést illetve a fejlesztést követő napelemes rendszer elméleti megtérülését szemlélteti. 4. táblázat. A kialakított napelemes rendszer elméleti megtérülése 2,268 kw-nyi napelemes rendszer költsége (Ft) 1 év alatt megtermelt energia 2,268 kwh-ás napelemes rendszer esetében (kwh) Teljes energia felhasználásakor érvényes összeg (Ft/kWh) 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia felhasználás esetében (Ft) 1.214.104 2721 3084 46,89 46,89 127.587 144.608 4,860 kw-nyi napelemes rendszer várható összköltsége (Ft) 1 év alatt megtermelt energia 4,860 kwh-ás napelemes rendszer esetében (kwh) Teljes energia felhasználásakor érvényes összeg (Ft/kWh) 1 év alatt megtermelt összeg teljes energia felhasználás esetében (Ft) 2.090.104 5832 6609 46,89 46,89 291.600 330.450 Megtérülés ideje (év) 9,51 8,39 Megtérülés ideje 7,16 6,32 A háztartási méretű kiserőmű júliusban leadott teljesítménye, adatainak kiértékelése, összehasonlítása egyéb erőművekkel A keszthelyi napelemes erőműnek a júliusban leadott energiájának az adatai napi rendszerességgel lettek feljegyezve az inverterbe beépített mérő és adatgyűjtő kontroller kijelzőjéről. Az adatok egy nyilvánosan elérhető kalkulátor adataival, a SZALONTAI RGB Bt. napelemes cégnek hálózatba tápláló napelemes rendszerének online adataival, Siel Inczédy és Társa kft. rendszerével, a Váci városházának a napelemes erőművével illetve a Solar-Pécs adataival lettek összehasonlítva (http://szalontai.co.hu, http://www.siel.hu, http://www.siel.hu, www.sunnyportal.com). A kalkulátor az Európai Bizottság megbízásából jött létre, mivel igény mutatkozott egy külső, megbízható forrásra a napelemes rendszerek várható éves teljesítményének számolásra. A honlapon megtudhatjuk, hogy lakóhelyünkön mennyi energiára is számíthatunk hozzávetőlegesen egy évben (http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/). A beépített teljesítmények nem azonosak a keszthelyi napelemes erőművel, ezért az egységnyi napelem teljesítményre (NE) jutó havi energiatermelést az 5. táblázat szemlélteti kiértékelve. 548

5. táblázat. Júliusi energiatermelés egységnyi napelem egységre átszámítva, valamint az EU kalkulátorhoz viszonyított eltérés %-ban kifejezve NE típusa Júliusi energiamennyiség (kwh) Egységnyi NE teljesítményre eső júliusi energiatermelés (Wh/NE {1W}) EU kalkulátorhoz viszonyított eltérés (%) EU kalkulátor, 2268W Elméleti, ált. poly Pécs 1, 2250W HG-45, a-si Vác 1, 2160W poly Vác 2, 4000W mono Keszthely, 2268W Kaneka a-si 320 239,996 259,2 511,9 306,859 141,093 106,664 120 127,97 135,299 Pécs 2, 2600W KPV- 260 mono 368.02 8 141,54 9 B.udvari, 2690W Sharp NA- F128 a-si Pécs 3, 2100W Kyocer a poly 386.040 314.701 143,616 149,857 100 75,59 85,05 90,70 95,89 100,32 101,78 106,21 A kiértékelt adatokból jól kivehető, hogy a Keszthelyen lévő 8 éves használt Kaneka napelem egyes új napelem típusokkal szemben nagyon jól teljesít és a legjobbaktól alig marad el, az amortizáció mértéke sokkal jobb, mint a gyárilag jósolt érték. A polikristályos napelemek magasabb ára nincs összhangban az új állapotukban mérhető magasabb teljesítménnyel. A háztartási méretű kiserőmű beesési szög megváltozásának eredményei Az állítható dőlésszögű déli tájolású napelem csoport szögének változtatása (18db) a nyár folyamán 3* volt elvégezve, június, július és augusztusban. A mérés során, a tetőn lévő 6 db napelemből álló csoport és a fix beállítású napelem blokk elektromosan ki lett szakaszolva. Az inverterre csak az állítható dőlésszögű napelem csoport csatlakozott. A pontos szög meghatározása a napelem legalsó sarkától vízmértékkel kijelölt léc és a derékszögű háromszög befogójára helyezett függőónnal illetve hosszmérő szalag segítségével, koszinusz fügvény alkalmazásával történt. A napelem teljesítményét 3-4 beállított szögnél vizsgáltuk. Az adatok gyűjtése az inverterbe beépített mérő és adatgyűjtő kontroller kijelzőjéről történt, 5 perces megfigyelési idővel, ahol a folyamatosan változó értékek minimuma és maximuma lett meghatározva (7.táblázat). 549

7. táblázat. Az állítható dőlésszögű napelem csoport kiértékelt adatai 2012.06.19. 12h15min á (alfa) minimum (W) maximum (W) minimum eltérése (%) maximum eltérése (%) Kiindulási állapot Elért állapot 2012. 07.19. 12h35 min Kiindulási állapot 22,19 44,7 á (alfa) 24,31 676 639 max. 732 700 (W) 5,47 min. eltérése 4,37 max. eltérése Elért állapot 44,92 2012. 08.18. 12h35 min á (alfa) Kiindulá si állapot Elért állapot 24,07 41,8 min. (W) 722 692 min. (W) 716 756 max. 753 752 (W) 4,15 min. eltérése 0,13 max. eltérése 711 756 1,26 0 A legnagyobb teljesítménycsökkenés a minimális és a maximális szögnél volt tapasztalható. A mérési adatokból látható, hogy a szögállítás jelentős teljesítmény javulást nem hozott létre ennél a napelem típusnál a nyári időszakban. 5,47%-nál nem eredményezett több energiát a szög megváltoztatása. A fényerő természetes ingadozásából származó teljesítmény változások bizonytalanná teszik a mérést, mivel annyira minimális az energia változása. Irodalomjegyzék FARKAS I. (2003) Napenergia a mezőgazdaságban. Mezőgazda Kiadó, Budapest. FARKAS I. (2005) Fotovillamos napenergia-hasznosítás szemináriumok. Gödöllő BANK K. (2012) A 21. század energiaforrásai, 2012.05.24, Pdf, 6. oldal. http://www.oah.hu/web/v2/portal.nsf/att_files/eloadasok/$file/pecs_bank.pdf?openelement 2012. június 17. KEY WORLD ENERGY STATISTICS, 2010, Pdf, 26. oldal. http://www.iea.org/textbase/nppdf/free/2010/key_stats_2010.pdf, 2012. június 17. HIDVÉGI H. (2011) Napenergia hasznosításának lehetőségei Szeged és vonzáskörzetében konferencia: 2011. június 30, 6-8 oldal. http://www.archenerg.eu/sites/default/files/110630_hidvegihenrik_szolar_eloadas_0.pdf 2012. június 11. http://www.barenergy.eu/uploads/media/d13_hungary.pdf, 2012. június 17. http://www.biztonsagpolitika.hu/?id=16&aid=843&title=a_visegr%c3%a1di_n%c3%a9gyek_budapesti_ene rgetikai_cs%c3%bacsa 2012. június 18. 550