Fókuszpont

Látványos fejlődésen ment keresztül az utóbbi évtizedben a napenergiával történő áramtermelés a napos dél-európai országokban. A pénzügyi válság miatti a pánikhangulat, az elzárt állami pénzcsapok azonban kérdésessé teszik az iparág életképességét. Alapozhatjuk-e energiaellátásunk biztosítását a napra?



Tabernas sivatag. Furcsa és félelmetes a sivatag szó csengése, ha nem a messzinek tűnő Afrikáról vagy Ausztráliáról van szó, hanem Dél-Spanyolországról. Almería várostól néhány kilométerre fekszik Tabernas falu, amelyről a nevét kapta a 280 négyzet-kilométernyi területű sivatagos természetvédelmi terület. Spanyolország lassú elsivatagosodásának előfutáraként a területen szinte nincs növényzet. A repülőgép ablakából letekintve semmi mást nem láthatunk, mint sárgásbarna sziklákat és porban tengődő, talán térdig érő szúrós bokrok egymástól több méter távolságban elhelyezkedő csomóit. Mintha Arizona fölött járnánk. A hasonlóság sokaknak feltűnt már, hiszen a területen évtizedek óta westernfilmeket és más sivatagi mozikat forgatnak, a felépített díszletek között pedig vadnyugati show-műsorokat adnak elő a kaszkadőrök. Itt vették föl a Volt egyszer egy vadnyugat, A hét mesterlövész, az Egy maréknyi dollárért, a Winnetou, A jó, a rossz és a csúf, a Kleopátra, az Arábiai Lawrence, az Indiana Jones és Az utolsó keresztes lovag, de a 2001: űrodüsszeia egy-egy jelenetét is.
A elsivatagosodás visszafordíthatatlannak tűnő folyamatát részben talán a globális éghajlatváltozás okozza, a déli országrész sivatagos klímája azonban nem kis részben a terület földrajzi adottságainak következménye. Északról a 2168 méter magas Sierra de los Filabres, délről pedig a Sierra de Alhamilla határolja, és szigeteli el a Földközi-tenger felől érkező nedves légáramlatoktól. A hegységek tenger felőli oldalán felemelkedik a párás levegő, lehűl, és kihull belőle a csapadék. A gerincen átbukó főn szél így már száraz, nedvességtartalma szinte nulla. Mindezek miatt a Tabernas sivatagban évente 140 milliméter eső esik (hazánkban ez 500–1000 milliméter, attól függően, hogy az Alföldön vagy a középhegységekben járunk-e), az évi átlaghőmérséklet 17 Celsius-fok. Nyáron napközben szinte sohasem süllyed a hőmérséklet negyven Mezőgazdasági művelésre tehát alkalmatlan a terület. Az évi háromezer órán keresztül zavartalanul szikrázó napsütés (évente több mint 1900 kilowattóra napsugárzás jut minden négyzetméterre) azonban egy dologra ideálissá teszi a környéket: a napenergia kiaknázására. Ezért vált Dél-Spanyolország a világ legfontosabb kísérleti terepévé a napenergiával történő áramfejlesztés területén.
– A Plataforma Solar de Almería [Almeríai Napenergia-kutató Telephely, PSA], ahol most vagyunk, a világ első számú termikus napenergiát kutató intézete. Mi nem foglalkozunk a fotovoltaikus (napelemes) elven működő napelemekkel, hanem a napsugárzás koncentrálásával felmelegített anyagok segítségével hajtunk meg turbinákat, és így termelünk áramot – kezdi bemutatóját Francisco Martin, az intézet munkatársa, miközben a hatalmas, százhárom hektár alapterületű telephely központja felé hajtunk. – Ez a technológia közvetlen napsugárzást igényel, a szórt fény nem megfelelő. Éppen ezért a déli, száraz vidékeken igazán hatékony a létesítése.
A kutatóintézetben, amely 1980 óta működik, a napenergiával működő termikus áramtermelés minden módját kutatják. Ezek közül a leglátványosabb az erőművi léptékű, „tornyos” megközelítés. Háromszáz darab, egyenként 39,6 négyzetméteres forgatható tükör vetíti a napfényt a tájképet uraló nyolcvan méter magas toronyra. Az ily módon egy pontba koncentrált napsugárzás teljesítménye hét megawatt, bár kereskedelmi áramtermelést nem folytatnak, inkább az új fejlesztések működését tesztelik. Új tükröket, vezetékeket és hőközlő anyagokat próbálnak ki. Ez utóbbi lehet a víz, a sóolvadék, de a levegő is. Miután a hőközlő anyag fölmelegedett, az áramtermelés további menete már megszokottnak mondható, hiszen a legtöbb konvencionális erőműben is hasonló módon történik. A gőz vagy más nagynyomású anyag turbinát hajt meg, amely generátorhoz kapcsolódik.
Bár a tornyos naperőmű a legköltséghatékonyabb megoldás (e területen is érvényes a „minél nagyobb, annál olcsóbb” elv), minthogy a fény nagy részének el kell jutnia a tükrökből a toronyba, nem lehet a végtelenségig növelni a telep méretét és ezzel a teljesítményt. Vannak azonban másfajta napenergia-koncentráló megoldások is. Legelterjedtebbek a hatalmas esőcsatornához hasonló, csőszerű tükrök, amelyek a henger közepén elhelyezett csőre fókuszálják a fényt. A csőben folyó anyag fölmelegszik, és ugyanúgy generátort hajt meg, azzal a különbséggel, hogy itt a fókuszpontnál távolabb történik az áramtermelés. Így különösen figyelni kell a csövek hőszigetelésére. Tesztelnek olyan berendezéseket is, ahol a földön elhelyezett forgatható tükrök egyetlen csőre tükrözik a fényt, vagy a parabolaantennához hasonló módon a központban elhelyezett „vevőegységre” fókuszálják az energiát. Ez utóbbiban általában úgynevezett Stirling-motor működik, amelyben, ellentétben a belső égésű motorokkal, nem cserélődik a gáz. A töltőanyag térfogat-növekedéséhez szükséges hőt így kívülről (a napból) kapja a jellemzően hidrogénnel telt dugattyús henger. Mindezek miatt e motor hatásfoka a legjobb az összes hőerőgép közül.
Az elektromosenergia-termelés mellett a napenergia egyéb felhasználási lehetőségeit is kutatják a tengervíz sótalanításától a szennyvíz méregtelenítéséig. Az egyik hangár méretű épület belseje egy hatalmas, 98,5 négyzetméter területű parabolatükröt rejt, amelyre az épületen kívül elhelyezett mozgatható síktükrök vetítik a napfényt. A parabola tükörlapjai által az alig néhány centiméter átmérőjű fókuszpontba koncentrált energia több mint tízezer nap erejével egyezik meg (tehát tízezerszer erősebb ott a napsugárzás, mintha koncentráció nélkül érne bennünket a fény). Francisco Martin egy három centiméter vastag vaslemezt mutat, amelynek a közepe kilyukadt, a hiányzó fém pedig olvadt csokoládé módjára lefolyt, és csepp formában dermedt meg újra. Mint mondja, ott volt, amikor ezt a lemezt behelyezték a parabola fókuszpontjába. Ezután kinyitották az épület spalettáit, beengedve a napfényt. Nem telt el tíz másodperc, mire a vas felizzott, megolvadt és lecsöppent.
A kutatáson túl egyre több kereskedelmi áramtermelést folytató naperőművet (termikust és fotovoltaikust egyaránt) is üzembe helyeztek az Ibériai-félszigeten az utóbbi évtizedben. Az elsőt, a 11 megawatt teljesítményű PS10-et 2007-ben Sevilla mellett építették. Úgy tűnt, a spanyol modell lehet a gazdaságilag is fenntartható napenergia-felhasználás szép példája. Nemrég aztán beütött a krach. A dél-európai országokat érintő újabb pénzügyi válság hatására a spanyol kormány igencsak megnyirbálta a megújuló energiaforrásoknak nyújtott, a világon a legnagyvonalúbbak közé sorolt ártámogatásokat. Ez az iparági szereplők szerint csőddel fenyegeti a teljes napenergia-szektort. Tavaly csak a fotovoltaikus üzletág mintegy 2,6 milliárd eurós (769 milliárd forintos) támogatásban részesült, miközben az országban ádáz háborút folytatnak a megújuló és a nem megújuló energiaforrásokat támogató lobbicsoportok, kölcsönösen hazudozással vádolva egymást. Miközben a spanyol áramtermelés mindössze négy százaléka származik napenergiából, a biztos profitot ígérő állami támogatási rendszer miatt mára tízszer annyi naperőmű épült az országban, mint amenynyit a kormány tervezett. Így a támogatási költségek is a tízszeresükre növekedtek. Eközben a fosszilis energiahordozókat felhasználó erőművek befektetői elmaradó bevételeik miatt háborognak.
Kérdés, hogy ha az állami támogatások csökkenésével azonnal veszélybe kerül az egész iparág léte, indokolt-e egyáltalán a jelenlegi technológiai színvonalon fönntartani az eddig létesült kereskedelmi naperőművek mindegyikét. Francisco Martin, miközben nem szívesen hasonlítja össze a napenergiával, illetve a fosszilis energiahordozókkal termelt áram árát (az utóbbi egyébként ötöd-tized annyiba kerül), így válaszol:
– Kétségtelen, hogy jelenleg olcsóbb a hagyományos áramtermelés, de ki tudja, mennyibe kerül az olaj vagy a gáz húsz év múlva. Ez az iparág még nagyon fiatal, az első kereskedelmi áramtermelést folytató erőművek az utóbbi évtizedben jelentek meg. Így nincs értelme az árról és a termelt energia mennyiségéről beszélni. Minthogy a költségek nagy részét a beruházás viszi el, és a technika fejlődésével a szükséges eszközök egyre olcsóbbá válnak, hosszú távon nemhogy drágább, de egyre olcsóbb lesz a napenergia. Ezt semelyik hagyományos áramtermelő technológia nem tudja garantálni.
Hazánkban, részben az ország éghajlati adottságai miatt, a napenergiával történő áramtermelés másik, úgynevezett fotovoltaikus módját kutatják intenzívebben.
– Amikor a fény szilárdtestben nyelődik el, akkor a test elektronjai magasabb energiaszintre lépnek. Az átlagos testek elektronjai csakhamar hőleadással visszatérnek alapállapotukba, tehát melegednek. A félvezető fotovoltaikus cellákban ezzel szemben a gerjesztett elektronok az összetevők elektromos potenciálkülönbségéből fakadó „beépített” elektromos tér hatására mozogni kezdenek, elektromos áram jön létre – magyarázza Mizsei János, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem elektronikus eszközök tanszékének (EET) egyetemi tanára. – Hogy a napsugárzás energiájának hány százalékát képes elektromossággá alakítani, a napelem hatásfokával adható meg. Magyarországon a földfelszínre beeső napsugárzás teljesítménye körülbelül egy kilowatt, amely egy villanyrezsó teljesítményének felel meg.
A napelemeket különféle félvezető tulajdonságú anyagokból készítik, de a legelterjedtebb mégis a szilícium. Ez a fém a kvarckristályok legfontosabb alkotóeleme, sűrűsége pedig az alumíniuméhoz hasonló, derül ki az EET laborjában, ahol Mizsei János a napelemgyártás technikai lépéseit mutatja. Az úgynevezett egykristályos szilícium-napelemek a leghatékonyabbak. Ahogy nevük is mutatja, egyetlen összefüggő kristályrácsból állnak. Gyártásuk során a szilíciumolvadékba egy apró kristályos szilíciumot helyeznek (ezt nevezik magnak). Ezután lassan kihúzzák, felületén pedig, követve a kristályosodási mag szerkezetét, újabb és újabb szilíciumatomok épülnek be a kristályrácsba. A kristályosítás végén létrejött hengert aztán vékony lemezekre szeletelik, ebből készítik a napcellákat. Ahogy általában lenni szokott, a leghatékonyabb egykristályos szilícium-napelem egyben a legdrágább is. Olcsóbb, de gyengébb hatásfokú a sokkristályos, amelyen már ránézésre is látszik, hogy több szilíciumkristály összeforrt mozaikja alkotja. Gyártása jóval egyszerűbb, hiszen kevésbé ellenőrzött körülmények között kristályosodik ki az olvadékból.
Bár különböző technikai trükkökkel a fotovoltaikus cellák hatásfoka, tehát a létrejött elektromos energia és a beeső napenergia hányadosa akár negyven-ötven százalékig is emelhető, mindez a kereskedelmi felhasználók számára megfizethetetlenül drágává teszi a napelemeket. Minthogy a fotovoltaikus cellákkal termelt áram költsége szinte teljes egészében a napelemek gyártási és telepítési árát jelenti (az amortizáció és a működtetés költsége minimális), nagyon fontos, hogy megtaláljuk az ideális ár-érték arányt.
– Túlzottnak érzem azt a versenyfutást, amelyet a gyártók folytatnak az egyre magasabb hatásfokú cellák kifejlesztéséért. Az energetikai célú felhasználásban ugyanis semmi értelme méregdrága cellákat gyártani, hely van bőven, itt az olcsóság a lényeg – mondja Mizsei János. – Ha hét-nyolc százalékos hatásfokú, nagyon olcsó napelemeket tudnánk készíteni, az lenne az igazi. Ezeket például autópályák mentén lehetne telepíteni, így az infrastruktúra máris adott lenne. Persze vannak olyan területek, például a mobileszközök, napelemes autók, űrhajók, ahol korlátozott a rendelkezésre álló felület. Ott a méretcsökkentés csak hatásfokemeléssel oldható meg.
A napelemekkel történő áramtermelés (bőkezű állami támogatásoktól mentes) gazdasági életképessége és racionális kivitelezhetősége is a felhasználási területtől függ.
– Egy tanyán, esetleg ritkán lakott afrikai országokban, kisebb szigeteken biztosan kifizetődő lenne a napenergia. A hazai elektromos rendszerbe kapcsolva, amikor egy atomerőművel kell versenyezni, akkor biztosan nem. Elegendő tárolókapacitás nem lévén a befektetői és a szolgáltatói félelem megakadályozza, hogy több megújuló energiaforrásból termelt áramot integráljunk az elektromos hálózatba. A rendszerstabilitás mindennél előbbre való – mondja Herbert Ferenc, az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karán működő megújulóenergiaforrás-kutató hely (MEK) vezetője. – A megtermelt energiát tároló tározós vízi erőművek hazai hiánya miatt Magyarország kevésbé versenyképes a megújuló villamos energia integrációja terén, mint a környező országok, ahol jobbak a geográfiai adottságok, és megépültek a szükséges tározók.
A villamosmérnöki kar épületének tetején a MEK munkatársai számos megújuló energiaforrás vizsgálatára alkalmas mérőrendszert alakítottak ki. Van ott napkollektor (amely a napelemmel szemben nem termel áramot, a napenergiát hővé alakítja), szélturbina, napelemek, hőszivattyú. Az egyik kísérleti berendezés Közép-Európában egyedülálló. Nyolcszög alakban függőleges napelemtáblákat állítottak körbe. Azt vizsgálják a segítségével, hogy ha egy toronyházat teljes egészében fotovoltaikus cellákkal borítanánk, mekkora teljesítmény lenne kinyerhető az egyes oldalakból, miközben a nap keletről nyugat felé halad az égen. Az eredmények szerint, ahogy az várható volt, a déli oldal többet termelt, viszont az északi oldal sem haszontalan, a szórt fény segítségével a déli táblák áramtermelésének tizenhét százalékát teljesíti.
A megújuló energiaforrásokkal általában, így a napenergiával is az a baj – hangoztatják a kritikusok –, hogy a teljesítmény nagyon függ az időjárástól. Ez kétségtelenül így van. Már azok a párafelhők is jelentősen csökkenthetik a termelt áram mennyiségét, amelyeket az emberi szem észre sem vesz. A nappalok és az éjszakák váltakozásából, esetleg a szélcsendes időszakokból fakadó időlegesség azonban nem egyedül a megújuló energiaforrások sajátja. A különbség mindössze az intervallum hossza, amíg az energiaforrás az emberiség rendelkezésére áll. Az ipari forradalom előtt szinte lehetetlen volt az energetikai célú bányászat, a mostani évszázad végére pedig elfogynak a készletek. Volt tehát négyszáz év, ameddig így termeltük az energiát, de ez az időszak elmúlik, így nem igaz az az érv, miszerint a szénből, gázból, olajból származó áram folyamatosan elérhető, és az is marad.
Mindez azonban nem jelenti azt, hogy jelenleg nincs szükségünk rájuk. A megújuló energiaforrások időszakos hozzáférhetetlensége miatt várhatóan instabilabbá váló elektromos ellátás miatt még Németországban is (ahol néhány éven belül az összes atomerőművet be akarják zárni) készenlétben fognak tartani néhány reaktort szükség esetére. A témában leghangosabb környezetvédő szervezetek gyakran ismételt tételmondata mégis az, hogy az emberiség energiaigénye teljes mértékben fedezhető a megújuló energiaforrásokból. Kérdés, hogy így vélik-e a kutatók is.
– Megoldható az emberiség energiaellátása napenergiával, de ez azt jelentené, hogy az életszínvonal úgy a harmadára esne vissza. Jelenleg az energiaigények környezetbarát kielégítésére egyetlen megoldás van: az atomenergia. Ez a legolcsóbb, de csak olyan országokban valósítható meg kis kockázattal, ahol megfelelő a társadalmi rend. Manapság talán nem divat ezt hangoztatni, de a realitásokkal szembe kell néznünk – mondja Mizsei János. – Atomerőműveket kell tehát építenünk, és az atomenergia segítségével rengeteg olcsó szilíciumot kell előállítanunk. Majd, amikor már annyi napelemet gyártottunk ebből a szilíciumból, hogy a továbbiak gyártása megoldható az általuk termelt energia segítségével, akkor zárhatjuk be az atomerőműveket. Ezt én száz év múlva várom.
Herbert Ferenc egyetért kollégájával, amikor a konvencionális energiaforrások megújulókra történő teljes hazai cseréjéről kérdezem.
– Erre nem látok esélyt, ehhez ki kellene halnia az ország felének. A kényelem és így a villamos energia iránti igény minden társadalomban fokozódik, ez pedig az elektromos autók várható elterjedésével csak tovább fog nőni. A rendelkezésre álló megújuló energiaforrások szempontjából vannak hazánknál előnyösebb helyzetben lévő országok – tartja a kutatóhely-vezető. – Bár gyakran hangoztatják a gazdag termálvízkészleteinkben rejlő lehetőségeket, a geotermikus energiával történő áramtermelés hazánkban is rendkívül költséges lenne. A szélenergiát a tengerparttal rendelkező országok használhatják sokkal hatékonyabban. A nap az egyetlen valóban kiaknázható megújuló energiaforrásunk. Egy jól megépített napelemes rendszer, minthogy nem tartalmaz mozgó alkatrészeket, egy emberöltőig szolgálhat meghibásodás nélkül. Az ideális az lenne, ha a megújulók biztosítani tudnák a magyar energiaigény húsz százalékát. De ezek nem fogják teljes mértékben kiváltani az atomenergiát és a többi fosszilis energiahordozót.
Vannak elképzelések, amelyek szerint a Szahara perzselő napja alatt lehetne építeni akár egész Európát ellátni képes naperőműveket. Miközben az almeríai kutatóközpont kijárata felé haladunk, Francisco Martin szkepszisét hangoztatja a dologgal kapcsolatban.
– A napenergia és általában a megújuló energiaforrások fölhasználása nemcsak a környezetvédelmi szempontok miatt előnyös, hanem azért is, mert csökkenti Európa függőségét a fosszilis energiahordozókat termelő országoktól és az ottani kiszámíthatatlan politikai környezettől. Ha a napenergia kiaknázását is „kiszervezzük” a kontinensről, újra függeni fogunk, csak most az észak-afrikai országok még annyira sem előre látható döntéseitől. Ettől függetlenül a Szahara éghajlati viszonyai miatt kétségtelenül van ráció az ötletben, de szerintem Európa energiaellátását elsősorban Európán belül kell megoldanunk.

A cikk megjelenését a Szellemi Tulajdon Nemzeti Hivatala támogatta.

A magyar nap alatt

Bár a hazánk területét érő napsugárzás energiája több ezerszeresen meghaladhatja energiaszükségletünket, a napenergia részaránya elenyészőnek mondható a magyar villamosenergia-termelésben, de még a megújuló energiaforrások között is. Mi ennek az oka? Az első ok az, hogy nem minden napelem, amit annak vélünk. Az épületekre szerelt lapos, sötét színű berendezések jelentős része ugyanis nem elektromos energia termelésére használatos napcella, hanem napkollektor. Ez utóbbi leginkább vízmelegítésre használható, amellyel aztán fűthetünk például. A Szent István Egyetem környezet-gazdaságtani tanszékének két kutatója, Hegyesi József és Kohlheb Norbert véleménye szerint a napelemes villamosenergia-termelés (és a napkollektoroshőtermelés) hazai elterjedését részben a magas beruházási költség és a kevéssé ismert megtérülési idő gátolja. A megtérülés a megtakarított hálózati áramból, illetve a megtermelt elektromosság eladásából származhat. Számítógépes modellt hoztak létre, amely a lehetséges forgatókönyvek figyelembevételével megbecsülte a napelemes beruházások megtérülési idejét.
Az eredmények nem egyértelműen adnak optimizmusra okot a napenergiába beruházni kívánók számára. Ha ugyanis a legkisebb teljesítményű, 348 wattos és tizenöt százalékos hatásfokú napelemet vizsgálták, továbbá nem feltételezték az elektromos energia drágulását, azt az eredményt kapták, hogy a beruházás még száz év alatt sem térül meg. A másik oldalon a legnagyobb teljesítményű napcella már tizennyolc év alatt behozhatja az árát, ha tizenöt évig folyamatosan évi öt százalékkal nő az áram ára. A három évvel ezelőtti optimista várakozások szerint három-öt éven belül a napelemek hatásfoka harmincszázalékosra is emelkedhet. (Ma már tudjuk, hogy a várt drasztikus hatásfok-emelkedés nem valósult meg a vásárlók számára reálisan megfizethető cellák esetében.) A tavaly elfogadott Magyarország megújulóenergia-hasznosítási cselekvési terve értelmében 2020-ig a napenergiával történő áramtermelést 81 megawattra kell emelni a mai szinte nulláról. Ezzel párhuzamosan a napenergia részarányát a megújuló energiaforrások között a nulláról három százalékra tervezik növelni. A kormány csaknem hárommilliárd forinttal támogatja a napenergia hasznosítását. A napokban újra startolt a családi házakba napkollektoros rendszerek telepítését ösztönző pályázat.

2011. november 5.