3. fejezet - Napenergia

Tartalom

3.1. A sugárzási energia a Földön
3.2. Technológia

Az ember a Nap energiáját először csupán tűzgyújtásra tudta használni. Az időszámításunk előtti VII. században lencsék segítségével fókuszálták a fényt, így lobbantották lángra például a fáklyákat. Egy legenda szerint az i.e. II. században Archimédesz a Szirakúzát támadó római hajókat bronzpajzsok által visszavert és fókuszált fénysugarak segítségével gyújtotta fel (Butti és Perlin, 1980). Az ezt követő századokban elsődlegesen az épületek megfelelő tájolásával próbálták használni a Nap melegét. Jelentős előrelépést jelentett, amikor Edmond Becquerel 1839-ben felfedezte a fény katalizátor szerepét az elektromosság előállítása során. Kísérletében az elektrolízis folyamatát vizsgálta, amikor észrevette, hogy a rendszer több elektromos áramot termel, ha természetes fénnyel világítja meg (Perlin, 1999). 1876-ban William Grylls Adams és Richard Evans Day fedezte fel a napfénnyel megvilágított szelénium elektromos áramtermelő képességét (Perlin, 1999). További előrelépést azonban nem értek el, mivel a szelénium cellák nem termeltek az elektromos eszközök számára elegendő áramot. Felfedezésük jelentősége mégis abban áll, hogy bebizonyították, egy szilárd anyag is képes a Nap energiáját elektromossággá alakítani további hőbevitel, illetve mozgó alkatrész nélkül.

1891-ben az amerikai Baltimore városbeli Clarence Kemp védette le szabadalmát, mely az első kereskedelmi forgalomban kapható vízmelegítő készülék elkészítését tartalmazta. A rendszer kialakítása igen egyszerű volt. Részben arra a korábbi gyakorlatra támaszkodott, mellyel a farmerek melegítettek maguknak vizet. Ehhez csak egy fekete hordó vagy más hasonló tárolóeszköz kellett, ami a nem fekete színű tárolókhoz képest nagyobb hatásfokkal melegítette a benne található vizet. Kemp ennek a módszernek a szigetelésbeli hiányosságait küszöbölte ki, így biztosítva a napközben felmelegített víz hőmérsékletének lassabb csökkenését.

1905-ben Albert Einstein publikálta a fotoelektromos hatásról szóló cikkét, amiért 1921-ben Nobel-díjjal jutalmazták. A napenergia-hasznosítás történetének következő fontos állomása 1954 volt, amikor a Bell cég laboratóriumában megszületett az – ekkor még kizárólag – szilícium alapú napelem, amely már képes volt a háztartásban alkalmazott gépek számára elegendő elektromos áramot termelni. Az 1970-es évekig folyamatosan végzett kutatások eredményeként a napelemek hatásfoka egyre növekedett, ezért használatuk is fokozatosan elterjedt. Először csak az űrtechnikában alkalmazták, így biztosítva a műholdak számára nélkülözhetetlen elektromosságot. Később – a fajlagos költségek csökkenésével – az elektromos hálózatoktól távol eső helyeken is bevezették használatukat.

A 80-as évek elején megépítették az első napenergiával hajtott közlekedési eszközöket. 1981-ben megalkották az első repülőgépet, amellyel sikeresen átrepülték a La-Manche csatornát. 1982-ben pedig napvilágot látott az első gépjármű is, mely átszelte Ausztráliát, ahol 1987 óta minden évben megrendezik a napenergiával hajtott gépjárművek versenyét.

További technológiai fejlesztési cél a minél hatékonyabb energiakonverzió és a berendezések méreteinek csökkentése volt. Megjelentek a szilíciumtól eltérő alapanyagú, például kadmium-telluritból készült panelek is. Törekedtek az egyre vékonyabb, szinte film vastagságú panelek előállítására. Az amorf szilícium felhasználásával a síklaptól eltérő formák – például tetőzsindely – is elkészíthetővé váltak. A jelenleg legjobb hatásfokkal rendelkező panelt az Amerikai Egyesült Államokban, a Delaware Egyetemen fejlesztették ki. Érdekessége, hogy a napsugárzásának hullámhossza szerint három különböző anyag felhasználásával alakítja át a fényt elektromos árammá.

3.1. A sugárzási energia a Földön

A világ teljes népességéből mintegy 1,5 milliárd fő él elektromos áramellátás nélküli háztartásban. Ezeknek az embereknek több mint 80%-a a Szaharáról délre Afrikában, vagy Dél-Ázsiában él. A probléma elsősorban a nehezen megközelíthető térségekben jelentkezik. Például Afrika városon kívüli térségeiben 10 emberből 9 elektromos áram nélkül él. Ez az arány az afrikai városokban sokkal kedvezőbb, 10 emberből csak 5 nélkülözi az elektromos szolgáltatást. Ezeknek az embereknek még egy kis mennyiségű áramhoz való hozzáférés is életmentő lehet, hiszen ez teszi lehetővé a hatékonyabb mezőgazdasági termelést, az egészségügyi ellátás javítását, az oktatást, a kommunikációt (telefon, rádió, TV), s a tiszta ivóvízhez való hozzáférést. A fejlődő országokban az elektromos áramhoz való hozzáférés javítása az elmúlt évtizedekben a központi elektromos hálózat bővítésén keresztül történt. Ehhez elsődlegesen fosszilis energiaforrásokat – kőolajat, földgázt vagy kőszenet – használtak fel. Az ilyen típusú hálózatbővítés a vidéki szegényebb társadalmi rétegek számára nem jelent megoldást, mivel a hálózat kiépítése a nagy távolságok, illetve a magas költségek miatt nem megvalósítható. Globálisan az energiatermelés 26%-ban járul hozzá az üvegházgáz kibocsátáshoz, melynek nagy része jelenleg a fejlett országok kibocsátásából származik. Becslések szerint 2030-ra a fejlődő országok már 70%-kal több energiát fognak felhasználni, mint a fejlett országok, s ennek arányában az üvegházgáz kibocsátás is jelentősen növekszik ezekben a régiókban. Ezért elkerülhetetlen, hogy a szegényebb rétegek számára is elérhető, alacsony szén-dioxid kibocsátással járó technológiákat alkalmazzanak az elektromos áram nagyobb mennyiségű előállítására. Ehhez kínál megoldási lehetőséget a napenergia.

Direkt globálsugárzás éves összegei

3.1. ábra: Direkt globálsugárzás éves összegei (kWh/m2), 1983–2005 (forrás: NASA)

A Föld felszínére egy óra alatt több napenergia érkezik, mint amennyi energiát a Föld teljes népessége felhasznál. A fejlődő országok nagy többségében különösen jelentős a rendelkezésre álló felhasználható napenergia. Például Afrikában évente mintegy 325 napon olyan erős a napsugárzás, hogy több mint 6 kWh/m2 a napi energiabevétel. Éves összegben a rendelkezésre álló napenergia meghaladja 2200 kWh/m2 értéket (3.1. ábra). Összehasonlításképpen néhány kiválasztott országra a 3.2. ábra mutatja be a globálsugárzásból származó éves energia mennyiségét. Jól látható, hogy míg Németországban a potenciálisan rendelkezésre álló energia alig éri el az 1000 kWh/m2/év értéket, addig Ausztráliában megközelíti a 2500 kWh/m2/év értéket. Becslések szerint, ha a Föld összes sivatagjának csupán 1%-át lefednénk napelemekkel, így ezzel a világ jelenlegi teljes energiaszükségletét biztosítani tudnánk. Sajnálatos módon a legtöbb napenergia éppen azon országok felszínére érkezik, amelyek a legkevésbé képesek azt hasznosítani. Ehhez mind a megfelelő technológiai ismeretek, mind az előállításhoz szükséges kapacitások hiányoznak.

A globálsugárzás éves összegei néhány országban

3.2. ábra:. A globálsugárzás éves összegei (kWh/m2)néhány országban