8. KIEGÉSZÍTŐ MEGÚJULÓENERGIARENDSZEREK Simon Gábor – Nagy József
Ebben a fejezetben olyan megújuló energiaforrásokról lesz szó, amelyeknek keletkezése nincs közvetlen öszszefüggésben a mezőgazdasági tevékenységgel. Ennek ellenére számos lehetőség nyílik alkalmazásukra a vidéki élet területein is, akár a munkában, akár a háztartás körül.
A napenergiáról általában Minden megújuló energia (az árapályjelenségből és a földhőből származó energia kivételével) végső soron a napból származik, ez az úgynevezett fosszilis energiahordozókban rejlő energiára is igaz. A nap óránként 174 423 000 000 000 kilowatt energiát sugároz a föld felszínére. Ez így ránézésre is nagyon sok, maradjunk annyiban, hogy a föld felszínére érkező napsugárzás több ezerszerese az emberiség jelenlegi energiaigényének. Magyarországon a napos órák száma 1900–2200 óra/év (földrajzi fekvéstől függően), azaz jobb adottságokkal rendelkezünk, mint Ausztria, Dánia, Hollandia vagy Németország, melyek ma vezető szerepet játszanak a napenergia-hasznosítás területén. A napsugárzás energiatartalma 350-400-szorosa hazánk teljes évi energiafelhasználásának, úgy is fogalmazhatunk tehát, hogy a napenergia alkalmazásában nagy a fejlődési lehetőségünk. Talán nem hiábavaló a napenergiával kapcsolatban néhány fontos tényezőt tisztázni anélkül, hogy matematikai és fizikai fejtegetésekbe bonyolódnánk. 231
A világűrből a földre érkező sugárzás és a világűrbe távozó hő normális esetben egyensúlyban van. Ezt az egyensúlyt az emberi tevékenység, a különböző technológiák szén-dioxid-termelése rossz irányban befolyásolja azzal, hogy a szén-dioxid csökkenti a légkör sugárzásátbocsátó képességét, és a földön az egyensúlyi állapothoz képest többlethő marad: ez az üvegházhatás. Könnyen belátható, hogy a napból érkező sugárzás erősségét befolyásolja a beeső sugarak szöge – azaz a földrajzi elhelyezkedés, az évszak, a napszak –, függ a felhősödés mértékétől, sőt attól is, hogy a vizsgált terület zavartalan természet (pl. tenger), mezőgazdasági terület, falu, kisváros vagy éppen nagyváros, ipari környezet, mivel a légkörben a direkt sugárzás a természetes és civilizációs szennyeződés miatt tovább csökken. Az előbbi eszmefuttatást követően állapítsunk meg néhány tényt: Magyarországon a beeső napsugárzás éves összege átlagosan 1300 kWh/m2/év. Az ország leginkább napsütötte része Kecskemét és környéke, a legkevésbé napos vidék Sopron környéke és az Északiközéphegység, a különböző vidékek közötti eltérés azonban nem több 7%-nál. Az átlagos napi besugárzás erőssége júliusban a legnagyobb, a tavaszi és nyári hónapokban érzékelt besugárzás az egész éves menynyiségnek kb. 75%-át teszi ki. A napenergia alkalmazása a gyakorlatban A napenergiát közvetlenül alapvetően háromféle módon hasznosíthatjuk: a napkollektorokat fűtésre és használati melegvíz készítésére, a napelemeket elektromos áram előállítására, valamint az építészetben a passzív napenergia-hasznosítás során (ami nem tévesztendő össze az ún. passzív házzal, amely az előbbi több elemét is tartalmazza).
232
Napkollektor A napkollektorok legelterjedtebb fajtája a síkkollektor, ami egy elöl üvegezett, hátul hőszigetelt lapos dobozszerkezet, amiben fekete lemezre (abszorberre) erősített csőkígyó található. A napkollektor működése során a napsugárzás áthalad a jó fényáteresztő képességű üveg fedőlapon és elnyelődik a jó elnyelő képességű abszorberen, ami a napsugárzás hatására a csőkígyórendszerrel együtt fölmelegszik. Az így keletkezett hőenergiát a csővezetékben keringetett hőátadó folyadék szállítja el a napkollektorból. A napkollektorok legújabb és leghatékonyabb fajtája a vákuumcsöves napkollektor. Gyengébb fényviszonyoknál és hidegebb időben is hatékonyan működik. Gerincét a vákuumcső adja, ami egy 1,5–2 m hosszú üvegcső. Ebben található egy rézcső, amiben a hőhordozó közeg áramlik. Az összegyűjtött hőt a környezettől a vákuum elszigeteli, ezzel javítva a hatásfokot hidegebb időben is. A vákuumcső hengeres formájából adódóan a napsugárzás hosszabb ideig éri közvetlenül az abszorber lemezt, így nagyobb hatékonyságot eredményez a kora délelőtti és késő délutáni órákban. A panelek orientációja a síkkollektorokéhoz hasonló, párhuzamosan és sorosan is csatlakoztathatók egymáshoz. A vákuumcsövek sérülés esetén könnyen cserélhetők anélkül, hogy az egész panelt javítani kellene. Felületüket viszont gyakrabban kell tisztítani a csövek közé szoruló falevelektől vagy hótól. Napelem A napelemek vagy más néven fotovoltaikus elemek a nap sugárzási energiáját közvetlenül villamos energiává alakítják át, azaz abban különböznek a napkollektortól, hogy nem hőt, hanem villamos energiát termelnek. Ezt kémiai folyamat révén érik el, melynek eredményeként egyenáram jön létre, amit szükség esetén inverterrel alakíthatunk át váltóárammá. Amikor több 233
energia termelődik, mint amennyit felhasználunk, a maradék energiát akkumulátor segítségével tárolhatjuk, vagy a megfelelő csatlakozás kiépítése után a normál hálózatba táplálhatjuk vissza. A ma gyártott napelemek többségének monokristályos, polikristályos vagy amorf szilícium félvezető az alapanyaga. A legjobbaknál az energiaátalakítás hatásfoka közelíti a 20%-ot, élettartamuk igen hosszú. A gyártók garantálják, hogy ezek a napelemek 20 éves korukban is leadják névleges teljesítményüknek legalább 80%-át. A napelemgyártásban új módszer az ún. vékonyfilmes technológia, ami lényegesen csökkenti a korlátozottan rendelkezésre álló szilícium iránti igényt, a nanotechnológia pedig további lehetőségeket rejt egyrészt a hatásfok javítása, másrészt a költségek csökkentése terén. A gyártók rendszerint 5 kW és 200 kW közötti modulokat kínálnak. A hálózatra kapcsolt rendszerek általában 100–200 kW-os modulokból állnak. Az ennél kisebb modulok sziget üzemű rendszerekben, egyedi berendezések önálló áramforrásaiként alkalmazhatók. Hazai mérések szerint egy 8 m2 felületű, háztetőre szerelt, 1 kW összteljesítményű polikristályos napelemes rendszer éves szinten körülbelül 1400 kWh villamos energiát termel. Passzív napenergia-felhasználás Azokat az építészeti, épületgépészeti megoldásokat tartalmazza, amelyek segítenek az épületek hatékony napenergia-felhasználásában. Ezeket passzív szolárházaknak is hívják. Egy jól megtervezett, megfelelő tájolású szolárházban a fűtési és világítási energia igen jelentős részét megspórolhatjuk. Régen ilyen feltételeknek felelt meg a hagyományos verandás ház, ahol a veranda gondoskodott a nyári árnyékolásról és a téli napsugarak beengedéséről. A passzív szolárházak általában az üvegházhatást használják ki, és természetesen a napenergia hasznosításán kívül a tájolás, a 234
megfelelő építőanyagok, a szigetelés és a szellőztetőrendszer összhatása biztosítja azt, hogy akár 15 kWh/m2/év értékre csökkenhet a fajlagos energiafelhasználás. Ma egy átlagos magyarországi lakóépület energiaigénye bizony (az épület kialakításától is függően) meghaladja a 250 kWh/m2/év értéket. Nézzük röviden, milyen napenergia-felhasználási lehetőségek rejlenek a mezőgazdaságban: • kieső területek, tanyák áramellátása, vízszivattyúzás, öntözés, talajvíz-eltávolítás; • villanypásztor működtetése; • halastó levegőztetése, etető levegőztetése; • madár- és vadriasztó berendezések működtetése; • gyümölcsaszaló, gyógynövényszárító működtetése; • terményszárítás, meleg levegős fűtés; • fóliasátor és üvegház kiegészítő fűtése; • itató fagymentesítése stb. Természetesen minden új építésű létesítménynél alkalmazhatók és alkalmazandók a passzív szolárrendszer elemei, és megfontolandó a napkollektor beállítása meglévő épületeknél fűtés és a használati melegvízellátás kiegészítésére. A napenergia alkalmazásának gazdaságossági szempontjai A passzív napenergia-hasznosítás előnye a beruházási költségektől mentes, egyszerű megoldások alkalmazása. Egy ház akkor felel meg leginkább a passzív energia-felhasználásra, ha kihasználja a különböző évszakok adottságait, de védekezik is káros következményei ellen. Ilyen a már említett tornácos parasztház. Ha az építmény déli oldalára kerül az előtér, az üvegezett terasz, veranda, szélfogó vagy télikert, jelentősen hozzájárulhat a fűtési költségek csökkentéséhez. A passzív napenergia-hasznosítás elsődleges feladata az energiahiányos időszakban a temperálási célú napenergia biztosítása, ezért a fűtőberendezés méretezésénél a 235
passzív rendszer hőtermelését nem lehet számításba venni. Így a beruházási költségeknél ugyan nem, az üzemelésnél viszont jelentős megtakarítás érhető el a fűtési költségekben. Ahhoz, hogy egy napkollektoros vagy napelemes rendszer pénzügyi megtérülését ki lehessen számolni, az alábbi adatok ismerete szükséges: • a napkollektoros/napelemes rendszer beruházási költsége, hatásfoka, kihasználtsága; • mennyi hagyományos energia takarítható meg a beruházandó rendszer segítségével; • milyen energiahordozót kívánunk kiváltani; • mennyi a kiváltott hagyományos energiahordozó egységára; • az időjárási tényezők (napsugárzás) tapasztalati értékei. A síkkollektorok négyzetméterára ma 30-40 000 Ft körül van, az azonos teljesítményű vákuumcsöves kollektorok 10-30%-kal drágábbak. A bolti árakat és a vállalkozói szerelési díjakat figyelembe véve, ha az éves melegvíz-igény felét szeretnénk napkollektorból nyerni, akkor a jelenlegi villamosenergia- és gázárak mellett a rendszer megtérülési ideje 4–6 év. Hangsúlyozzuk, hogy ez pályázati források igénybevétele nélkül igaz, azok természetesen jelentősen csökkenthetik a megtérülési időt. Ugyancsak alkalmas a megtérülési idő csökkentésére a napkollektorok készítésében, szerelésében való személyes részvétel. Ezt segíti egy kalákás napkollektor-építő műhelyhálózat. Ez a civil kezdeményezés elsősorban a vállalkozó kedvű, kis kézügyességgel rendelkező emberek számára igyekszik megteremteni a saját kezű kollektorkészítés feltételeit, szakmai segítséggel mindenki anyagáron készítheti el saját napkollektorát. Az országban hét helyen találhatók ennek a hálónak szemei: Debrecenben, Esztergomban, Gömörszőlősön, Nyíregyházán, Pécsett, Túrkevén és Zalaegerszegen. 236
Az elektromos hálózattal nem rendelkező területek – tanyák, hétvégi házak, mezőgazdasági létesítmények stb. – áramellátása sziget üzemű napelemes rendszerekkel oldható meg, mivel a villamos hálózat kiépítése a legtöbb esetben lényegesen drágább, mint egy napelemes rendszer telepítése. Így például a villamos energia 2007. évi árát és az átlagos hálózatépítési költséget figyelembe véve, ha a villamos hálózat 1 km-nél nagyobb távolságra van, 1000 kWh éves villamosenergiafogyasztásnál már megéri sziget üzemű napelemes rendszert kiépíteni.
A szélenergiáról általában Merről fúj a szél? – erre a kérdésre hasznos tudni a választ, legalábbis a mindennapi életben. Most azonban másról van szó, most a szél „tudományos” alapját keressük, és rájövünk, hogy milyen egyszerű is az. A szél abból keletkezik, hogy a földet forgása következtében egyenetlenül éri a nap sugárzása. Így a sarkok kevesebb hőt kapnak, mint az Egyenlítő közelében lévő régiók, a szárazföld gyorsabban melegszik fel és hűl le, mint a tengerek. A hőmérsékleti különbségek a földfelszíntől a sztratoszféráig terjedő rétegekben globális légáramlási rendszert tartanak mozgásban. A szelek mozgását még több más tényező is befolyásolja, mint például az évszakok, a nappalok és éjszakák változása, az ún. Coriolis-erő, a föld és a víz fényvisszaverő képességének különbségei, a levegő nedvességtartalmának és a szélsúrlódásnak az egyenetlenségei. A nap földet elérő energiájának 1-2%-a alakul szélenergiává. Ez nem kevés: 50-100-szorosa annak, amit a föld teljes növényvilága alakít biomasszává a fotoszintézisen keresztül. E szélenergia zöme nagy magasságokban található, ahol a szél sebessége meghaladhatja akár a 160 km/h-t is. A súrlódás révén a szélenergia szétoszlik a föld atmoszférájában és felszínén. Ez utóbbi érdekel minket. 237
A szélenergiát hasznosító eszközök (nevezzük most őket az egyszerűség kedvéért szélenergia-konvertereknek) a szél mozgási energiáját alakítják át forgatónyomatékká a rotorlapátokon. A szélenergiából kinyerhető energia a következőktől függ: • a levegő sűrűségétől; • a szélsebességtől; • a rotor által súrolt területtől. Egy mozgásban lévő test mozgási energiája arányos a test tömegével. Ilyenformán a szélben lévő energia a levegő sűrűségétől, azaz a térfogategységre jutó tömegétől függ. Ez azt is jelenti, hogy minél „nehezebb” a levegő, annál több energia nyerhető a szélből. Normál légköri nyomáson a levegő sűrűsége 15 °C-on 1,225 kg/m3. A levegő sűrűsége azonban meredeken csökken, ha a nedvességtartalma nő. És persze a melegebb levegő sűrűsége kisebb, mint a hidegebbé, nagyobb magasságokban pedig a légnyomás alacsonyabb, és így a levegő sűrűsége is kisebb. A szélsebesség mértéke rendkívül fontos a szélből kinyerhető energia szempontjából. A szél energiatartalma a szélsebesség harmadik hatványával arányos, azaz ha a szél sebessége kétszer akkora, akkor nyolcszor annyi energiát tartalmaz. Ha egy gazdát megkérdeznek, mennyi földet művel, akkor valamennyi hektárt vagy holdat említ. Ugyanez a helyzet a szélerőgépeknél is, csak ebben az esetben nem vízszintesen, hanem függőlegesen fekvő területről van szó. A rotor által súrolt terület az egyik meghatározó tényező a hasznosítható szélenergia számításakor, ez az energia a súrolt területtel egyenesen, azaz a rotor sugarával négyzetesen arányos. Érdemes még megemlíteni a Betz-törvényt. ALBERT BETZ német fizikus csaknem száz évvel ezelőtt bebizonyította, hogy a szél energiájának ideális esetben is csak kevesebb mint 60%-a hasznosítható, azaz a szél energiájának 40%-a a legjobb berendezéssel is elvész. Anélkül, hogy matematikai és fizikai fejtegetésekbe 238
bocsátkoznánk, elégedjünk meg annyival, hogy ennek az az oka, hogy a rotor lelassítja és eltéríti a szelet, és a rotor mögött kisebb lesz a szélsebesség. Ezek után tekintsük át, hogy a szélben rejlő és általunk is számszerűsíthető energiát hogyan tudjuk hasznosítani. Ebben is vannak hagyományaink: Magyarországon az első világháború előtt közel 700 szélmalom működött, ebből több mint 500 az Alföldön, mivel ez volt a legnagyobb gabona- és szemestakarmány-termő vidék, és a szél is kellő gyakorisággal és intenzitással fújt. Ezeket aztán kiszorították a robbanómotorok, az olcsó üzemanyag. Az első olajválság okozta sokk után ébredt rá Európa, hogy szükség van a megújuló energiák, így a szélenergia hasznosítására, és a berendezések fejlesztésére is. A szélmalomban a szélenergia még mechanikai szerkezetet működtetett és fizikai munkát végzett, a szélenergia kitermelésének modern formája a szélturbina lapátjainak forgási energiáját alakítja át villamos árammá. A szélturbinákat ma már ipari méretekben, nagy csoportokban is felhasználják a nagy áramtermelők. Nézzük most meg, hogyan működnek ezek a berendezések. Először is mivel a szél mozgási energiáját hasznosító berendezések elnevezése terén meglehetős káosz uralkodik, ha önkényesen is, de próbáljunk meg rendet vágni benne. A szélkonverter kifejezés alatt a szélenergiát átalakító berendezést értjük, a szélgépet inkább kísérleti célokra, szélcsatornában használjuk. A szélkerék kisebb eszköz, a szélmotor pedig legtöbbször mechanikai energiává alakítja a szélenergiát. A szélerőgép szintén, a szélgenerátor, szélturbina, szélerőmű pedig mindig villamos energiát állít elő. Hogy könnyebb dolgunk legyen, ezután szélerőgépnek nevezzük a szélenergiát mechanikai energiává alakító eszközöket, míg szélturbinának a szélből villamos energiát előállító berendezéseket. Kezdjük a szélerőgéppel, ami a westernfilmek állandó szereplője, és amelyet már akkor is vízkiemelésre 239
használtak, mikor nálunk erre a gémeskút szolgált. A szélerőgép sűrű lapátozású, vízszintes tengelyű rotorral van ellátva. A tengely forgását egy átalakító segítségével függőleges irányú mozgássá alakítják, így téve alkalmassá szivattyúzásra. A szélerőgépek dugatytyús és membránszivattyú meghajtására alkalmasak. Működésüket már alacsony (2 m/s alatti) szélsebességnél megkezdik, teljesítményük viszont csak néhány watt. Karbantartási igényük minimális, élettartamuk várhatóan 20–25 év, működésükhöz nem szükséges felügyelet. A 6 méternél alacsonyabb berendezések telepítéséhez nem kell hosszadalmas, bonyolult és költséges engedélyezési eljárást lefolytatni, telepítésük egyszerű. Leginkább öntözésre, vízátemelésre, állatok itatására, kommunális vízellátásra használhatók az egyes esetek alapos mérlegelésével. A szélenergia hasznosításából származó energia túlnyomó többségét a szélturbinák termelik. Ezek közül a vízszintes tengelyű turbinákat tárgyaljuk, mivel a függőleges tengelyű turbinák használata és térnyerésének esélye a közeljövőben csekély. A szélturbinák elterjedése a nyolcvanas évekre tehető, telepítésük jellemzően Európa fejlett országaiban, elsősorban a szeles tengerpartokon indult meg. Mára ezek a szélturbinák rendkívül széles teljesítménytartományban megtalálhatók, a néhány kilowattos „háztáji” turbináktól kezdve az 5 megawattos turbinákig. A méretskála is követi a teljesítményskálát: a toronymagasság 10 métertől már 100 m fölé terjed, és ugyanez mondható el a rotorátmérőről is. Technológiájukat tekintve alapvetően két típust különböztetünk meg: a nyomatékváltós, aszinkron generátorral működő és a nyomatékváltó nélküli, szinkron generátorral működő berendezést. Az előbbiben egy 4-6 pólusú aszinkron generátort alkalmaznak. A percenkénti 20-30 fordulatos lapátkerékmozgást nyomatékváltóval gyorsítják a kívánt mértékre. A nagy sebességű forgó alkatrészek kenéséről és hűtéséről a speciális folyadékok zárt 240
rendszerben gondoskodnak. Az utóbbi, nyomatékváltó nélküli berendezés sokpólusú (gyűrűs) szinkron generátorral van szerelve, ahol nincs szükség nyomatékváltóra, mert a generátor a lapátkerék közvetlen hajtásával képes a maximális villamos teljesítmény elérésére. Mindkét típusnál kábeleken juttatják le a fent megtermelt villamos energiát a torony aljában található elektronikus átalakító berendezésbe (inverterbe), amely általában 690 volt váltakozó feszültségű áramot állít elő, és ez transzformátoron keresztül kerül a rendszerint középfeszültségű hálózatba. A szélturbinák kb. 3 m/s szélsebességnél kapcsolnak be, és teljesítménytől függően 10-15 m/s szélsebességnél adják le névleges teljesítményüket. 25 m/s szélsebességnél az automatikus védelem leállítja a turbinát. Ezeknél a szélturbináknál általános, hogy követik a szélirányt, és a lapátszöget is automatikusan állítják a maximális teljesítmény elérése érdekében. A vezérlést és az adatrögzítést számítógép végzi és továbbítja egy adatmegjelenítő központba. A tornyok legtöbbször acélcsőből, ritkábban acélszerkezetből készülnek, a lapátok pedig műgyanta erősítésű poliészterből. Az alapozás igen gondos és felelősségteljes munkát követel, mivel ehhez rögzítik csavarokkal az akár 100 méter magas tornyot és a több tíz tonnás gondolát. A világban nagy ütemben folyik a szélturbinák telepítése. Generációváltásnak vagyunk a szemtanúi: megtörtént a kilowattról megawattra való áttérés a szélturbinák teljesítményében, a néhány száz kilowattos turbinákat néhány megawattos turbinákra cserélik, még mielőtt a kisebbek kitöltötték volna élettartamukat. A leszerelt, kisebb szélturbináknak is megvan a piaca, 1-2 éves várólisták alakultak ki a kereskedőknél. A világon 2005-ről 2006-ra 25%-kal, közel 75 000 MW-ra emelkedett az üzemelő szélturbinák teljesítménye. A vezető szerep Németországé, ahol a 21 000 MW kapacitás az összes villamosenergia-fogyasztás 5%-át adja. Arányaiban Dánia áll az élen, ahol a 3200 MW 241
kiépített szélturbina-teljesítmény a dán villamosenergia-felhasználás negyedét teszi ki. Érdemes megjegyezni, hogy a szélturbinák ott nyertek teret, ahol ezt egyrészt a szélviszonyok indokolják, másrészt tározós erőművek gondoskodnak a villamosenergia-rendszer rugalmasságának fenntartásáról. Ez kulcsfontosságú, hiszen a villamos energia olyan speciális energia, amiből mindig pontosan annyit kell termelni és a fogyasztókhoz eljuttatni, amennyi az éppen aktuális igény. Könnyen beláthatjuk, hogy milyen nehézséget okozhat a villamos energia termelő-elosztó-fogyasztó hálózatában a széljárástól függő teljesítményű szélturbinák beillesztése a rendszerbe, annál is inkább, mivel nem rendelkezünk tározós erőművel. Ez az egyik oka annak, hogy adminisztratív korlátok akadályozzák a szélturbinák terjedését. 2006 végén Magyarországon mintegy 61 MW volt a szélturbinák teljesítménye, és ez a közeljövőben nem fogja elérni a 400 MW-ot. Pedig a világban arra számíthatunk, hogy a szélturbinák teljesítménye az elkövetkező 3-4 évben bőven meghaladja majd a 220 000 MW-ot, és a szél a legolcsóbb energiatermelővé válik – persze csak a kedvező szélviszonyokkal rendelkező országokban. A befektetői szándékok a hazai szélviszonyok energetikai hasznosíthatóságát támasztják alá, hiszen 1500 MW-nyi szélturbina-teljesítmény megépítését célozzák. A megvalósításra a jelenleg létező akadályok feloldása után számíthatunk. A vidéken élő emberek számára a szélenergia hasznosítására olyan megoldások jöhetnek szóba, amelyek – más megújuló energiákkal kombinálva, „hibrid” megoldásokat alkalmazva – biztosítják az igényeknek megfelelő energiaellátást. A hibrid rendszer a napés a szélenergia együttes alkalmazása, mely kiegyenlítő hatású, hiszen a szél többször és erősebben fúj télen, a nap pedig főleg nyáron süt. A rendszert akkumulátor teszi teljessé. A ház körüli és mezőgazdasági felhasználásokhoz olyan szélerőgépek jöhetnek szóba, melyek 242
sem az engedélyezési eljárás tekintetében, sem anyagilag nem terhelik túl a tulajdonost. Ilyenek egyrészt elérhetők a kereskedelemben olyan áron, mely akár 23 éves megtérülést is biztosít, másrészt pedig főleg az interneten fellelhető szakirodalomban közzétett leírások alapján az ügyesebbek néhány tízezer forintos költséggel saját maguk készíthetnek szélerőgépet. A szélerőgépek és szélturbinák létesítésének gazdaságossági szempontjai A szélerőgépek gazdaságosságának vizsgálata nem igényel különösebb matematikai apparátust. Mindössze arról van szó, hogy a kívánt felhasználás eredményét kell összevetni a viszonylag mérsékelt beruházási öszszeggel. Erre a www.agraroldal.hu/energia-2_cikk.html című weboldalon megfelelő példát találhatunk, ne felejtsük el azonban aktualizálni a beszerzési árakat és az üzemanyagköltséget. A szélturbina létesítése már sokkal összetettebb feladat, és számos adatra, munkára van szükség ahhoz, hogy végül megalapozottan lehessen dönteni a beruházás gazdaságosságáról. Ahhoz pedig, hogy egészen pontos számításokat tudjunk végezni, tervezői apparátust is igénybe kell venni, ami ugyancsak pénzbe kerül. Hogy az esetleg fölöslegessé váló költségeket megspóroljuk, néhány tételt tapasztalati úton szerzett adatokkal is pótolhatunk, de ezzel sem tudunk elkerülni teljesen bizonyos kiadásokat. Így például nem tudjuk megspórolni a legalább egyéves időtartamú szélmérés költségeit, de figyelembe tudjuk venni azt, hogy a teljesítményétől ugyan nem egészen függetlenül, de a szélturbina fajlagos ára manapság 1000 euró/kW beépített teljesítmény, a megvalósítás (tervezés, kivitelezés, engedélyeztetés stb.) költségei ennek az árnak kb. egyharmadát teszik ki. A beruházási döntést megelőzően járható útként azt javasoljuk, hogy kísérjük figyelemmel a szélmérés adatait a mérés egy éve 243
folyamán, és a részeredmények már adhatnak némi támpontot ahhoz, hogy érdemes-e a beruházáselőkészítés folyamatába mélyebben belemenni. A következőkben felsoroljuk az elvégzendő feladatokat, melyek egy előzetes megvalósíthatósági tanulmány elkészítéséhez szükségesek, ami a szélerőmű létesítési folyamatának alapjául szolgál. Mielőtt elkezdenénk egy beruházást, szeretnénk tudni, hogyan térül meg a befektetésünk. Egy-egy szélturbina létesítése köznapi értelemben sok pénzt emészt fel, így törekednünk kell arra, hogy befektetési döntésünket igen körültekintően hozzuk meg. Ehhez kezdetben az alábbiakban részletezett feltételek ismeretére van szükség. A szélturbina létesítésének helye Meg kell győződni arról, hogy a kiszemelt terület övezeti besorolása lehetővé teszi-e a szélturbina telepítését. Erről az illetékes önkormányzat településrendezési terve rendelkezik. Ha lehetséges, kerüljük el azt a helyszínt, amelyhez a rendezési tervet módosítani kell, ami időigényes és körülményes munka, hiszen szükséges – többek között – a területi környezetvédelmi és vízügyi igazgatóság, a környezetvédelmi felügyelőség, növényegészségügyi és talajvédelmi szolgálat, nemzeti park, földhivatal szakhatósági véleménye is. Ügyeljünk a domborzat és a terep adottságaira, terepakadályok ne álljanak a szél útjában. Ne felejtsük el, hogy a szélturbinát oda is kell szállítani, és a hosszú, speciális szállítójárművek, amik egyébként külön engedéllyel, kísérőkocsival, csak éjszaka közlekedhetnek a közúton, nagyobb lekanyarodási íveket, méreteiben és teherbírásában megfelelő műtárgyakat igényelnek. Fontos a talaj statikai vizsgálata, a talajvízszint ismerete. Komoly költségtényező a szélturbina által megtermelt villamos energia csatlakoztatása a közüzemi hálózatra, vagyis a szélturbinát a lehető legközelebb tegyük a 244
csatlakozási ponthoz. Vegyük figyelembe persze a lakott területtől való védőtávolságot, és az esetleg védett növény- és állatvilágot. Szélmérés Ha meg akarjuk tudni egy helyen a szélből kinyerhető energia mennyiségét, akkor ki kell számítanunk, vagy legalábbis mérésekkel alátámasztottan meg kell becsülnünk azt. A szélmérést a szélturbina tervezett helyén felállított mérőtoronyra szerelt műszerekkel kell elvégezni. Mérni kell legalább a szélsebességet és a szélirányt, és az erre a célra használatos eszközök többsége méri a levegő páratartalmát és sűrűségét is. A berendezés gondoskodik az adatok gyűjtéséről és számítógépbe táplálásáról is. A szélmérési eredmények alapján annál megbízhatóbb következtetésekre juthatunk, minél közelebb van a mérőműszer a telepítendő szélturbina tengelymagasságához, és minél hosszabb ideig, de legalább egy évig mérünk. A szélmérési eredmények kiértékelését érdemes szakemberre bízni. Az eredményekből választ kapunk arra, hogy milyen teljesítményű, jelleggörbéjű, milyen bekapcsolási szélsebességgel rendelkező szélturbinát válasszunk, és azt is megtudjuk, hogy a mérések során tapasztalt szélviszonyok mellett mennyi villamos energia kinyerésére számíthatunk. Nagy általánosságban elmondhatjuk, hogy ha az éves mérés eredménye 6 m/s, azaz 21,6 km/óra átlag szélsebességet mutat, akkor a szélturbina gazdaságosan létesíthető. Egy egyéves időtartamú, dokumentált adatokat produkáló szélmérés költségei elérhetik akár a 2-3 millió forintot is. Üzemeltetés A szélerőművek élettartamát 30–35 évre tervezik. Működésük során közvetlen üzemeltetési munkaerőigényük nincs, de természetesen rendszeres karbantartást, 245
ellenőrzést igényelnek. A karbantartással kapcsolatos költségek általában nem haladják meg a megtermelt villamos energiából származó árbevétel 1,5-3%-át. A szélturbina-karbantartásra berendezkedett cégek általában a termelt energia mennyiségétől függő díjért vállalják a berendezések rendszeres szervizét. Az energiatermelés árbevétele A szélenergia hasznosításával értékesítésre termelt villamos energia átvételének szabályait és árának megállapítását a 105/2008. (XII.29.) GKM rendelettel módosított 56/2002. (XII.29.) GKM rendelet tartalmazza. A mai helyzet szerint az átvételi kötelezettség alá eső, szélenergia hasznosításával termelt villamos energia ára, áfa nélkül, csúcsidőszakban: 25,30 Ft/kWh, völgyidőszakban: 15,80 Ft/kWh. Ezek az árak természetesen változnak, és néha változnak az átvétel egyéb feltételei is, például az átvételi árat a termelés becslésének pontosságától függően csökkenthetik akár 30%-kal is. Szélerőgépek, szélturbinák létesítésének jogi környezete Könnyű helyzetben van az, aki saját célra, a közcélú elosztóhálózattól függetlenül működő szélerőgépet kíván üzembe állítani, mivel ezek engedélyeztetése egyszerű: az önkormányzathoz kell benyújtani az építési engedélyezési tervdokumentációt, melyet a szélerőgép szállítója rendszerint el is készít. Ezzel szemben komoly megpróbáltatások várnak arra, aki úgy dönt, hogy szélturbinát létesít, melynek termelését vagy annak egy részét a közcélú hálózatba továbbítja, mivel hosszú és aprólékos engedélyezési eljáráson kell végigmennie.1 1
500 kW vagy annál nagyobb teljesítményű szélturbina létesítéséhez szükség van a Magyar Energia Hivatal előzetes engedélyére. A mostani helyzet szerint a 2006-ban kiadott, mintegy 330 MW összteljesítményen felül a MEH nem ad ki újabb engedélyt.
246
Az eljárás célja a környezetvédelmi, építési, vezetékjogi engedély megszerzése, a terület rendelkezésre állásának igazolása és a közműegyeztetések levezetése. Környezetvédelmi engedélyezési eljárás Az engedélyezési eljárás során tanulmányt kell készíteni, és ezt kell benyújtani a területileg illetékes környezetvédelmi felügyelőségnek. A tanulmányban be kell mutatni a projektnek a területen található élő és élettelen környezeti elemekre, valamint a környéken élő emberekre gyakorolt hatásait. Figyelembe kell venni a talaj, az élővizek növényzetének és állatvilágának, valamint a lakott területnek, az épített és művi környezetnek, a műemlékeknek és a levegőnek a védelmét. A felügyelőség a különböző szakhatóságok állásfoglalásának figyelembevételével hozza meg döntését. 2 MW összteljesítménytől kezdve környezeti hatástanulmányt is kell készíteni. Építési engedélyezési eljárás Az építési engedély iránti kérelmet a területi Műszaki Biztonsági Felügyelethez kell benyújtani. A kérelemnek tartalmaznia kell az ingatlannal való rendelkezés jogosultságát, az építészeti-műszaki tervdokumentációt, közműnyilatkozatokat, tervezői, szakértői nyilatkozatot és a felelős műszaki vezető nyilatkozatát. Tartalmaznia kell a talaj szerkezeti paramétereit, a talajmechanikai vizsgálat eredményeit, továbbá a telepítendő berendezés méreteit, az alaptest és a tartóoszlop tervrajzát. Vezetékjogi engedélyezési eljárás A vezetékjogot engedélyező hatóság a területi Műszaki Biztonsági Felügyelet. A kérelem előtt a villamos hálózat tervezőjének előkészítő eljárást kell lefolytatnia. A műszaki tervnek tartalmaznia kell a vezeték, a be247
rendezés nyomvonalát, a csatlakozási pontot, a biztonsági övezet terjedelmét, az elfoglalt területek nagyságát, a tulajdoni határokat. Az eljárás során figyelembe kell venni a település, a környezet védelmét, a településrendezési terveket is. A vezetékjogi eljárásért díjat kell fizetni.
A geotermikus energiáról általában Amikor a geotermikus szót halljuk, a legtöbb embernek a földből feltörő melegvíz jut az eszébe, és az, hogy abban milyen jót lehet fürdeni. Nincs is semmi okunk arra, hogy ezt kétségbe vonjuk, és ha következő gondolatunk a víz gyógyhatása, ez is érthető. Végül azt is sokan tudják már, hogy a geotermikus energia felhasználása a felszín alatti vizek energiatartalmának hasznosítását jelenti. A geotermikus energia a föld szilárd kérgét alkotó kőzetek belső hője, melynek forrása a magma felől folyamatosan működő hőáramlás. A Kárpát-medence, de különösen Magyarország területe alatt a földréteg az átlagosnál vékonyabb, azaz a kéreg alatti magas hőmérsékletű magma közelebb van a felszínhez. Gyakran szokták a geotermikus gradiens kifejezést használni, ami azt mutatja meg, hogy ha 1 méterrel mélyebben megyünk le a föld mélyébe, hány Celsius-fokkal emelkedik a hőmérséklet. A földön ez általában 0,020– 0,033 °C/m, nálunk pedig 0,042–0,066 °C/m, azaz míg máshol a föld mélye felé haladva 30–50 méterenként, nálunk 15–18 méterenként emelkedik 1 °Ckal a hőmérséklet. A geotermikus energia hordozója a Kárpát-medencében jellemzően a termálvíz, mivel rendelkezünk azzal a kedvező adottsággal is, hogy a Kárpát-medencét nagy vastagságban kitöltő üledékes kőzetekben jelentős mennyiségű rétegvízkészletek találhatók. Termálvíznek a 30 °C hőmérsékletűnél melegebb vizeket nevezzük. A termálvizeket rendszerint fúrt kutakon keresztül ter248
melik ki. Mélységi hőmérsékletük szerint alacsony, közepes és magas entalpiájú (hőtartalmú) termálvizeket különböztetünk meg. A hőmérséklethatárokat a különböző szakemberek eltérően határozzák meg: az alacsony/közepes határ a 90–125 °C, a közepes/magas határ a 150–225 °C hőmérséklet-tartományban van. A termálvizek magyarországi hasznosítása egyrészt vízellátási (ivóvíz, gyógyfürdő), másrészt energetikai célú. Ez utóbbi nem terjed ki a villamosenergiatermelésre, a MOL kísérlete a zalai Iklódbördöcén a vízhozam elégtelensége miatt egyelőre eredménytelennek bizonyult. Így villamos energiát termelő geotermikus alapú erőmű továbbra sem működik nálunk, a termálvíz hőtartalmát közvetlen hőhasznosításra fordították és fordítják ma is. További jellemzője a mai felhasználásnak a közvetlen hőhasznosítás szezonális jellege, a balneológiai felhasználás során kihasználatlanul marad a víz hőenergiája, a geotermikus energia alkalmazásának hatásfoka az elvárhatónál kisebb, a hasznosítás szinte kizárólag egylépcsős, így a víz még bőséges hőtartalommal kerül vissza az eredeti rétegbe, vagy rosszabb, de nem ritka esetben a felszíni vízkészletbe. A világban villamosenergia-termelésre felhasználható geotermikus energia ott található, ahol jelenleg is élő vulkáni és tektonikai tevékenység zajlik (Új-Zéland, Kalifornia, Fülöp-szigetek, Izland stb.). Az áramtermelés akkor a legegyszerűbb, ha a földből feltörő termálvíz túlhevített gőz formájában jelenik meg a kútfejen, és kémiai összetétele sem akadályozza meg azt, hogy közvetlenül rávezessék a turbinára. Ez a szerencsés helyzet jellemzi a világ első geotermikus villamos erőművét, mely az olaszországi Larderellóban működik. Mivel az ilyen adottság elég ritka, ezért különböző technológiákat fejlesztettek ki a geotermikus villamosenergia-termelésre. Az egyik ilyen módszer során a telített víz nyomásának csökkentésével a víz egy részét telített gőzzé alakítják, és a kapott gőzt vezetik a turbi249
nára, ez az ún. elgőzölögtetéses áramtermelés. Egy másik lehetőség az ORC (organikus Rankine-ciklus) technológia, melyben a termálvíz hőtartalmát egy olyan közeg (a legtöbb alkalmazásban ez izobután) veszi át, melynek forráspontja alacsonyabb a vízénél, és ez végzi el a mechanikai munkát a turbina forgatásával. Térjünk vissza egy gondolat erejéig a termálvíz kémiai összetételére. Ezek a vizek rendszerint különböző gázokat, így metánt, kénhidrogént tartalmazhatnak, melyeket biztonsági vagy korrózióvédelmi okokból, valamint a műszaki berendezések élettartamának növelése érdekében el kell távolítani. Ugyanígy csökkenteni kell a víz sótartalmát is, hogy megakadályozzuk a csövekben és berendezésekben való lerakódásukat. Ahol a sótalanítás nehézségekbe ütközik, a hő hasznosítása közvetetten, hőcserélőn keresztül történik. A termálvíz által hordozott hő leggyakoribb közvetlen hasznosítási területe a balneológia, a kommunális fűtés és használati melegvíz-szolgáltatás, valamint a mezőgazdasági célú alkalmazások, mely utóbbiakra a későbbiekben térünk ki. A hőhasznosítás során az alapvető cél az, hogy a termelt víz energiatartalmát a gazdaságosság korlátainak figyelembevételével a lehető legnagyobb mértékben kihasználjuk. Ezért a jól átgondolt koncepció alapján létesülő, fűtési és/vagy hűtési, használati melegvízellátó rendszerek kombinált alkalmazásai rendszerint több hőmérsékletlépcsőben hasznosulnak. Mivel a termálvízből elméletileg kinyerhető energia mennyisége a víz tömegének, fajhőjének és hőmérséklet-csökkenésének a szorzata, így a hasznosítás szempontjából alapvetőek a termálkút energetikai jellemzői, nevezetesen a víz hőmérséklete és folyadékárama. A termálvizek épületek fűtésére való felhasználását legtöbbször a használati melegvíz-ellátással kötik össze, lehetőséget teremtve ezzel is a többlépcsős hasznosításra. A hazánkban megvalósult geotermikus energiát közvetlenül hasznosító megoldások sikeres példája Kistelek város közintézmé250
nyeinek hőellátása, valamint a Hódmezővásárhelyen megvalósított geotermikus közműrendszer, mely 3000 távfűtött lakás használati melegvíz-ellátásáról gondoskodik, ezenkívül évi 40 000 GJ hőmennyiséget továbbít a fűtési rendszerbe. A geotermikus energia hasznosítási lehetőségei a mezőgazdaságban A geotermikus energia közvetlen hőhasznosításának már régi példái vannak a magyar mezőgazdaságban. A mezőgazdasági felhasználás eddig is hangsúlyos volt, és a jövőben remélhetőleg még inkább az lesz. Magyarországon a legelterjedtebb hasznosítási mód az üvegházak, fóliasátrak fűtése. A légtér fűtése után a termálvíz maradék energiáját még talajfűtésre is felhasználják. Fontos szerepe van az energetikai méretezésnek, mivel előfordulhat, hogy télen, nagyon alacsony hőmérsékletnél a termálvíz nem tudja biztosítani a szükséges belső hőmérsékletet, ilyenkor készen kell állnia egy másik fűtőberendezésnek, hogy ezeket a geotermikus energiahiányokat ki lehessen egyenlíteni. Az is ismeretes, hogy az öntözés optimális eredménye sok egyéb tényezőn kívül függ az öntözővíz hőmérsékletétől is. Ha elfolyó, már alacsony entalpiájú vízzel melegítjük az öntözővizet, optimálisan oldhatjuk meg a melegvizes öntözést, hiszen a melegítéshez szükséges hőenergia „ingyen” van. Ugyanilyen meggondolásból alkalmazhatjuk a talajfűtést a növény gyökereinek melegítésére az elfolyó, alacsony hőtartalmú víz energiatartalmának felhasználásával. A termálvíz hőenergiáját hőcserélőn át „vesszük le”, hogy a talaj sószennyezését elkerüljük. A tapasztalatok szerint a mezőgazdasági termények geotermikus energia alkalmazásával történő szárítása növeli a versenyképességet, és javítja a termékek minőségét is. Magyarországon elsősorban a gabonafélék, napraforgó és kukorica nedvességtartalmának 251
csökkentésére használják a geotermikus energiát szárítótornyokban, de előfordul a gyümölcsaszalásban is. Vannak olyan területek, ahol lényeges a pontos hőmérséklet-szabályozás, és ezt az igényt a geotermikus energia alkalmazása a többi megújuló energiaforráshoz képest sokkal jobban ki tudja elégíteni. Ilyen alkalmazási terület a haltenyésztés, a baromfitenyésztés és az algatelepek vízellátása. A geotermikus energia természetesen éppúgy alkalmazható a mezőgazdasági létesítményekben, mint bármely más építményben. Itt ismertetjük a hőszivattyús rendszerek alapjait, mivel a mezőgazdaságban, a termékek feldolgozása során, az állattenyésztésben gyakran találkozunk kihasználatlan, hőenergiát még tartalmazó közegekkel és egyben fűtési igényekkel is. A talajban a föld középpontja felől folyamatos a hőáramlás a felszín felé. Ezt az energiamennyiséget geotermikus hőszivattyúval gazdaságosan hasznosíthatjuk. Üzemeltetési költségeik csökkenése miatt az utóbbi időben dinamikusan terjednek a hőszivattyús fűtési rendszerek. A hőszivattyús technika célja, hogy a kisebb hőmérsékletű, közvetlenül nem hasznosítható hőmérsékletű hőenergiát kompresszor segítségével nagyobb hőmérsékletű, hasznosítható hővé alakítsa. A hő származhat bármilyen közegből, eszerint megkülönböztetünk a talaj, a levegő vagy a víz energiájának elvonásával működő berendezéseket. Ahol nagy mennyiségben 10 °C feletti elfolyó víz áll rendelkezésre, ott mindenképpen gondolkodni kell az elfolyó víz hőtartalmának hőszivattyús hasznosításáról. A hőszivattyú működése közben hőcserélő folyadék (munkaközeg) áramlik egy elpárologtatón, kompresszoron, kondenzátoron és expanziós szelepen keresztül. A munkaközeg – amint a hőt felveszi az elpárologtató hőcserélőn keresztül a hőnyerő közegtől (a 8.1. ábrán levegő, de lehet víz vagy a talaj is) – fölmelegszik, és gáz halmazállapotúvá válik. A már gáz halmazállapotú 252
munkaközeget a kompresszor (villamos energiát felhasználva) ismét összenyomja, és nagy nyomáson cseppfolyósítja, azaz kondenzálja. A munkaközeg eközben hőt ad le a környezetnek, és ezt a hőt lehet fűtésre fölhasználni. A folyamat végén a munkaközeg hőmérséklete és nyomása egy expanziós szelepen (fojtás) áthaladva ismét lecsökken, és az egész körfolyamat kezdődhet elölről (8.1. ábra).
8.1. ábra A hőszivattyú működésének körfolyamata
A hőszivattyúknak több fajtája van. Mindegyiknek megvan a maga előnye és hátránya, a nagyobb beruházási költséghez alacsonyabb üzemelési költség társul, és ugyanez igaz fordítva is. 253
A geotermikus energia alkalmazásának gazdaságossága A mezőgazdaságban megvalósuló geotermikus projektek gazdaságosságát alapvetően a geotermikus forrás kifejlesztésében és megvalósításában található beruházási költségek befolyásolják. Az egy felhasználót jelentő kis projektek általában nem teszik lehetővé a fűtési rendszerek megfelelő tervezését és létesítését, és ez kitermelési, karbantartási bonyodalmakat okozhat. A különböző típusú felhasználásokat tartalmazó nagyobb projektek lehetőséget nyújtanak a többlépcsős hasznosításra és arra, hogy kombináljuk a különböző napi és éves hőfogyasztásokat. Ilyen esetekben a magas kezdeti beruházási költségek negatív hatását minimálisra csökkenthetjük, és kihasználhatjuk az ingyenes hulladékhő előnyeit, ami aztán versenyképes, sőt nagyon versenyképes hőenergiaárat eredményez. Hangsúlyoznunk kell, hogy bizonyos típusú kis projektek is lehetnek gazdaságilag nagyon előnyösek. Ilyenek általában a szárítóüzemek, a haltenyésztés, az algák tenyésztése stb. Ezek természetüknél fogva jó éves hőterhelési tényezővel működnek, ezzel alacsonynyá téve a geotermikus hő végső árát. A költségek alakulásában döntő jelentősége van egy-egy projekt megvalósítására, és a folyamatos energiatermelésre vonatkozóan a fúrás költségeinek (ha kutat kell fúrni) – amit a mélység és a kőzet keménysége befolyásol –, a termálvíz nyomásának, hőmérsékletének, kémiai összetételének, a működtetés és karbantartás költségeinek és persze a geotermikus energia hasznosítására vonatkozó támogatási rendszernek. A megújuló energiaforrások hasznosítása kapcsán a legkézenfekvőbb szempont a megtérülési idő. Ne felejtsük el viszont, hogy a hagyományos energiaforrások ára egyre növekszik, ami folyamatosan csökkenti a megújulós berendezések megtérülési idejét is. A geotermikus energia hasznosításának gazdaságosságát a jogi környezet is befolyásolja. 254
A geotermikus energia alkalmazásának jogi vonatkozásai A termálvízkutatás és -termelés a hasznosítás módjától függetlenül a vízgazdálkodási törvény hatálya alá tartozik, és vízjogi engedély alapján végezhető. A bányatörvény alapján a kitermelő bányajáradék fizetésére kötelezett. A bányajáradék mértéke a kitermelt geotermikus energia értékének 2%-a. Nem kell bányajáradékot fizetni a kitermelt geotermikus energia 50%-át meghaladóan hasznosított mennyisége után. Termálvíz-kiemelés esetén a kitermelt hő értéke 1650 Ft/GJ, a zárt körű rendszerben kitermelt hő értéke 325 Ft/GJ. Az elfolyó termálvizek után szennyvízbírságot kell fizetni a 3/1984. (II.7.) OVH rendelet alapján. A felszíni vizek minősége védelmének egyes szabályairól szól a 203/2001. (X.26.) kormányrendelet. Jelentős változás, hogy a meglévő termálvíz-hasznosítók részére meghatározott türelmi időt két évvel, 2012. december 31-ig meghosszabbították. A 314/2005. (XII.25.) kormányrendelet szerint a vízbesajtolás felszín alatti vízbe a felügyelőség döntésétől függően környezeti hatásvizsgálatra kötelezett tevékenység. Hőszivattyús hasznosításhoz a területi bányakapitányság fúrólyuk-létesítési, illetve kútátalakítási engedélye szükséges.
Inernetes források A napenergiáról általában: www.energiaklub.hu www.energiakozpont.hu www.kardoslabor.hu www.emergia.hu www.ezermester.hu
255
A szélenergiáról általában: www.wikipedia.org www.windpower.org www.digitaljournal.com www.energiakozpont.hu www.fenykapu.free-energy.hu www.nyirokowatt.hu A geotermikus energiáról általában: www.egec.org www.energiakozpont.hu www.hik.hu www.nyf.hu www.eere.energy.gov
256
