3.2. Technológia

Alapvetően két formája van a napenergia hasznosításának: a passzív hasznosítás, illetve az aktív hasznosítás. Passzív hasznosítás például a mezőgazdasági növények, gabonafélék szárítása, a víz pasztörizálása. Ebben az esetben nem kell gondoskodni az előállított energia konvertálásáról, szállításáról. Az aktív hasznosítás szintén két csoportot alkot: (1) Termikus hasznosítás, amikor a beérkező napsugárzás összegyűjtése után fő célunk a hőtermelés. Ez történhet napkollektorok segítségével. (2) Fotoelektromos hasznosítás, amikor a beérkező sugárzás átalakítása elektromos árammá fotovoltaikus napelemekkel történik.

A napkollektorok elnyelik a bejövő napsugárzást és hőt termelnek, éppen ezért a legkönnyebben fűtésre és hűtésre lehet felhasználni. Ezen eszközök széles skálája létezik ma már (3.1. táblázat). Vannak például sík lapokból álló napkollektorok, melyeket a házak tetőszerkezetéhez erősítünk, vagy parabolatányérok, naptornyok, nappiramisok, melyeket a nagyobb teljesítményű ún. naperőművekben használnak. A koncentrált napenergia (CSP: Concentrating Solar Power) rendszerek lencsék vagy tükrök felhasználásával nagyobb felületről összegyűjtik a napsugárzást egy nyalábba, és így már segítségükkel elektromos áram termelhető. Az összegyűjtött napenergia szolgál a víz felmelegítésére, amely gőzt termel, s ez meghajt egy áramgenerátorral összekötött turbinát.

3.1. táblázat. A napkollektor típusok osztályozási rendszere (Norton, 2011 nyomán)

A fotovoltaikus rendszerek napelemeket alkalmaznak, melyek egymással összekötve együttesen végzik a Napból érkező sugárzás elektromos árammá való átalakítását. Néhány kis napelemmel már akár kézi számológépeket is működtethetünk. Több ezer napelem táplálja a nagyobb naperőműveket.

A napelemek több mint 90%-a szilikon alapú anyagokból áll. Azokhoz a napelem-rendszerekhez, amelyeket az elektromos hálózathoz csatlakoztatnak, átalakító eszközöket is kell alkalmazni az előállított egyenáram váltóárammá alakításához. A hálózathoz nem kapcsolt napelem-rendszerekhez is használható ilyen átalakító, de ebben az esetben célszerű akkumulátorokat is üzemeltetni az esetlegesen termelt többletenergia tárolására. Az akkumulátorokkal együtt, azok túltöltését megakadályozó eszköz beiktatására is szükség lehet. Napjainkban a napkollektor rendszerek mintegy 30%-os hatékonysággal képesek a hőt elektromossággá alakítani, szemben a napelemek 15%-os hatékonyságával. A legújabb kutatások különböző polimerek és nanorészecskék alkalmazásának lehetőségét vizsgálják a napelem-rendszerekben, mely hosszútávon jelentősen növelheti a berendezések hatékonyságát. Ma még sem a napelemeket, sem a napkollektorokat nem használják széles körben elektromos áram termelésére: globálisan tekintve részesedésük nem éri el az 1%-ot. Ennek oka, hogy más technológiákhoz viszonyítva ezen eszközök előállítása relatíve költséges. A jövőben valószínűsíthetően dráguló fosszilis energiahordozók miatt néhány évtizeden belül gazdaságilag is kedvezőbbé válhat a napenergia áramtermelés céljára való felhasználása. Már az elmúlt öt évben is jelentősen növekedett a napenergia felhasználás iránti érdeklődés. A napelemek globális kapacitása 2004 és 2008 között hatszorosára növekedett (3.3. ábra).

A fotovoltaikus rendszerek globális kapacitásbővülése az 1995 és 2008 közötti időszakban.

3.3. ábra: A fotovoltaikus rendszerek globális kapacitásbővülése az 1995–2008 időszakban. (REN21, 2013 nyomán) - animáció

A legnagyobb fotovoltaikus áramtermelők: Kína, Európa és Japán. A világ teljes termelése napjainkra meghaladja a 10.000 MW-ot, melynek több mint felét Kína termeli (3.4. ábra).

A fotovoltaikus napelemek globális áramtermelése a 2000 és 2009 közötti időszakban

3.4. ábra: A fotovoltaikus napelemek globális áramtermelése a 2000–2009 időszakban (Arvizu et al., 2011 alapján).

A napenergia felhasználásának technikai potenciálja még óriási fejlesztési lehetőségeket tartogat. Nehéz megbecsülni a reálisan felhasználható energiamennyiséget. A napenergia sajátossága, hogy a földfelszínre leérkező mennyiség óriási, de az energiasűrűség kicsi, ezért a hatékony hasznosítás nehézkes. A 3.2. táblázatban a Föld különböző térségeiben rendelkezésre álló összes termelhető napenergia becslése szerepel. Az intervallumok alsó és felső értékét rendre a minimális és maximális éves felhőmentes besugárzási mennyiségek alapján számították a napkollektorok kihelyezésére jelenleg rendelkezésre álló szabad földterületek, illetve a potenciálisan felszabadítható maximális földterületek figyelembevételével. Jól látható, hogy a jelenlegi, mintegy 500 EJ napenergia termelés legalább háromszorosa, de akár százszorosa is kinyerhető lenne, megfelelő technikai berendezések alkalmazásával.

Régió

Lehetséges energiatermelés (EJ)

Nyugat-Európa

25–914

Közép- és Kelet-Európa

4–154

Volt Szovjetunió

199–8.655

Észak-Amerika

181–7.410

Közép- és Dél-Amerika

113–3.385

Közel-Kelet és Észak-Afrika

412–11.060

Afrika (Szaharától délre)

372–9.528

Ázsia

196–6.469

Összesen

1.502–47.574

3.2. táblázat. Potenciális évi napenergia-termelés a Föld különböző régióiban (Arvizu et al., 2011 alapján).

Mivel a globális népesség növekedésével az energiaigény is együtt nő, valamint a Föld felszínének több mint kétharmadát óceánok borítják, ezért perspektivikusnak látszik a napkollektorokat vagy a napelemeket az ember által kevéssé hasznosított óceánfelszínre is kihelyezni. Az ún. napszigetek rendkívül vékony napkollektorokból vagy napelemekből összeállított berendezések, melyeket a napsugárzás irányába forgatnak, s a termelt energiát vezetékeken juttatják a távoli hálózatokhoz. Az úszó napszigetek sivatagi környezetben is elképzelhetők (3.5. ábra), melynek prototípusát (100 m-es átmérővel) az Egyesült Arab Emirátusok északi részén tervezik megépíteni.

Tervezett úszó napszigetek a nyílt óceánon, a partmenti területeken, illetve sivatagi környezetben

3.5. ábra: Tervezett úszó napszigetek a nyílt óceánon, a partmenti területeken, illetve sivatagi környezetben (Hinderling, 2008 nyomán)