A napenergia felhasználásának lehetőségei Magyarországon fűtési és melegvíz előállítási célokra
Készítette: Galambos Csaba KX40JF
A jelenlegi energetikai helyzet Napjainkban egyre nagyobb gondot jelent a fosszilis tüzelőanyagok készletének fogyatkozása, illetve a kitermelésük, eltüzelésük okozta szennyezés. A jelenlegi termelés és felhasználás mértékét figyelembe véve még 40-65 évig elegendő a Föld gazdaságosan kitermelhető földgáz- és kőolaj-készlete [2], amely a fűtési- és használati melegvíz előállítását nagyrészt biztosítja. Az olcsó és még sokáig elegendő atomenergia kapcsán a biztonság hiányáról beszélnek az emberek, nem is említve, hogy használati melegvíz előállítására nem használjuk. Az egy főre eső széndioxid kibocsátás értékei ugyan csökkenő tendenciát mutatnak, de még így is rengeteg üvegházhatású gáz kerül a légkörbe (USA: 17,7 tCO2/fő, Oroszország: 11,2 t CO2/fő, Kína: 5,8 t CO2/fő, Japán: 8,6 t CO2/fő; 2009-es adatok) [3]. Így tehát szükség- és időszerű lehetséges alternatív megoldások után nézni. Villamos energia termelés terén a bizalmatlanság ellenére a nukleáris erőművek látszanak átvenni a főszerepet, szél- és vízerőművekkel karöltve. Mivel ezek fiatal technológiák, ezért még fejlődésben vannak (főleg az atomenergetika). Nem lehet pontosan megjósolni, hogy mennyi ideig tudja az emberiség urán-alapú energiával fedezni a villamosenergia-szükségletét, hiszen ez a technológiai fejlődéstől is függ, nem is beszélve a más hasadó anyagok (pl. plutónium, tórium) hasznosításának lehetőségéről. A melegvíz előállítása pedig a geotermikus és a napenergia feladata kell, hogy legyen. Ezek a tiszta (károsanyag-kibocsátás nélküli) technológiák a legalkalmasabbak arra, hogy tüzelés nélkül hőenergiát állítsunk elő. Nagy előnyük még, hogy az ellátottság nem függ semmilyen szolgáltatótól, nem kell érte fizetni, nincs kimaradás télen csőtörés esetén. Vajon meg lehet ezt valósítani Magyarországon is, vagy feltétlenül a Szaharába kell költözni hozzá? Vajon télen, vagy egy hosszabb napsütés-mentes időszakban melegvíz nélkül maradunk? Mi kell ahhoz, hogy egy átlagos háztartás saját magának termelje meg a melegvizet? Mennyire költséges, ha a hagyományos, vezetékes melegvízről a napkollektorosra állunk át? Az alábbiakban ezekre a kérdéseke próbálok meg választ adni.
Magyar napenergia-körülmények Aki nem elég tájékozott a napenergia-felhasználás témakörében, abban joggal merül fel a kérdés, hogy Magyarországon miért akarna bárki is napenergiát hasznosítani, amikor az az egyenlítő környéki lapos, forró területeken sokkal jobban használható. Nos, valóban így van, a Magyarország területére egy év alatt érkező napsugárzás mennyisége mindössze fele a ráktérítő és baktérítő közötti régióra esőnek. Ez azonban egyáltalán nem azt jelenti, hogy nem lenne érdemes azt kiaknázni. Példaként felhozható a szomszédos Ausztria, ahol 3 millió m2nyi napkollektor működik, vagy Németország, ami 5. a felszerelt napkollektorok számának rangsorában. Magyarországon körülbelül 50ezer m2 (0,05 km2) napkollektort találunk a háztetőkön, pedig az előbb említett országokban rosszabbak a napsütés-viszonyok [4]. Hazánkban még a rosszabb sugárzási adottságú területekre is minimum 1000 kWh/m2 energia érkezik a Napból egy év alatt [5]. Ez az ország teljes területére számítva több mint 93 PWh (Petawatt-óra) = 9,3 · 10 kWh, és ez alulbecsült érték. Ebből jelenleg, a napkollektorok összes területéből kiindulva, évi 50 GWh = 5 · 10 kWh energiát hasznosítunk. Az magyar háztartások éves energiaszükséglete (villamos és hő együtt) körülbelül 140 TWh = 1,4 · 10 kWh1. Ezt 140 km2 napkollektorral tudnánk előállítani 1
saját becslés egy átlagháztartás hőigénye alapján
hőenergia formájában. (Magyarországon több mint 2500 km2 tetőfelület áll rendelkezésre2, ezek közül azonban nem mind alkalmas arra, hogy kollektort szereljünk fel rá. Legjobb, ha déli fekvésű, 40-45°-os dőlésszögű felületre építjük fel, így a vízszinteshez képest kb. 15%kal több energiát képes felvenni.) Azonban ennek a 140 TWh-nak csak kb. a 85%-át használjuk fűtési és használati melegvíz előállításának céljára. Magyarországon kicsit kevesebb, mint 4millió háztartás található [6], így egy ház éves hőenergia igénye kb. 30 MWh. Egy napra átlagosan 80 KWh fogyasztás jut, de nem szabad elfelejteni, hogy nyáron nem fűtünk, csak télen. Így a nyári napokon csak alig 10-11 KWh-t használunk naponta, télen viszont ez a mennyiség átlagosan 120-140 KWh is lehet. Sajnos pont ilyenkor érkezik kevesebb hasznosítható sugárzás, körülbelül 5,3 KWh/m2/nap (45°-os dőlésszög esetén) [7]. Ezt 26 m2 felületű napkollektorral lehet fedezni, de nem mindig van lehetőség ezt kiépíteni, ráadásul lehetnek hidegebb napok, kevesebb napsütéssel. Mindezeket összevetve egy átlagos családi ház napi melegvíz- és fűtésigényét ideális esetben sem lehet kielégíteni csupán napkollektorral. Mi lehet tehát a megoldás?
Átállás napenergia felhasználásra Először is tudnunk kell, hogy hogyan is működik egy ilyen rendszer. Manapság már elég jól megoldható, hogy a háztartás a napenergiát hasznosítsa, ha lehet, egyébként pedig hagyományos módon (tüzeléssel) fűtse fel a vizet. Ehhez alapvetően 3 dolog szükséges: egy (vagy több) napkollektor, egy kazán és persze egy vezérlőegység. A kollektorok Nap által felmelegített vizét egy elosztón keresztül a használati melegvíz vezetékeibe, vagy a fűtési körbe vezetjük, attól függően, hogy melyik területen milyen mennyiségű melegvízre van szükségünk. Ha valahová nem jut elég melegvíz, akkor a kazánnal melegítünk fel vizet, amit szintén bevezethetünk ezekbe a rendszerekbe. Ennél persze sokkal célszerűbb kétkörös rendszert használni, ami annyiban különbözik a fentebb leírtaktól, hogy a Nap nem az általunk felhasznált vizet, hanem valamilyen egyéb folyadékot (pl.: fagyálló folyadékot, hogy télen se fagyjon be a rendszer) melegít fel, ami aztán egy hőcserélőn keresztül adja át a hőtartalmát a víznek. Egy ilyen rendszer főbb elemei az 1. ábrán bemutatottak szerint csatlakoznak egymáshoz. Természetesen akár medencefűtést is beiktathatunk egy újabb hőcserélő segítségével. Ez a fajta rendszer azért jelent kényelmes megoldást, mert a már meglévő fűtési illetve melegvíz rendszerbe becsatlakozik, nem kell semmit drasztikusan megváltoztatni, átépíteni, csupán hozzátenni (ellentétben a távfűtésről való átállással). Természetesen költségei vannak, elég jelentősek, de vajon mekkora problémát jelent ez? Megéri a gáz (vagy fa, vagy szén) árán spórolni ilyen magas áron? Mennyi idő alatt térül meg a befektetés?
2
saját becslés a háztartások száma alapján
1. ábra (kétkörös használati melegvíz előállító és épületfűtő napkollektoros rendszer) 1. Napkollektor 2. Fűtési tároló 3. Melegvíz tároló 4. Kazán 5. Napkollektor-fűtési tároló köri hőcserélő 6. Kazán-melegvíz tároló köri hőcserélő
7. Napkollektor-melegvíz tároló köri hőcserélő 8. Használati víz hálózat 9. Fűtési hálózat 10. Napkollektor köri keringető szivattyú 11. Fűtés köri keringető szivattyú 12. Melegvíz tároló köri keringető szivattyú
Jelenlegi napkollektorok hatékonysága, anyagi vonzatai Az energetikai piacon körülnézve találhatunk komplett rendszereket és külön tárolókat, hőcserélőket, napkollektorokat is. Az előbbi előnye, hogy egymással kompatibilis, könnyen összeszerelhető rendszert, míg az egyenként beszerzett elemeké, hogy az igényeinknek jobban megfelelő és akár jobb hatásfokú napkollektoros rendszert kapunk. Ha azt vesszük alapul, hogy egy átlagos, 4 tagú család, egy 100-120 m2-es, közepesen hőszigetelt (fűtési igény: 80-100 W/m2) házban lakva szeretné kiaknázni a nap erejét, akkor erre kb. 1,3millió forintot kellene rászánniuk. Ebben az árban a vízvezetékeken (és a szerelés költségein) kívül gyakorlatilag minden benne van és kb. 13 m2 a napkollektor felülete. Ha a napenergiát csak a melegvíz előállításához szeretnék használni, akkor azt már félmillió forintból megtehetik [8]. Ezzel szemben, ha maradnak az eddigi, például gázfűtéses módszernél, akkor egy év alatt kb. 350 ezer forintot számolhatnak fűtésre, és 15-20 ezer forintot a melegvíz előállítására. A CO2 kibocsátás ebben az esetben 12 t egy háztartásra nézve (0,4 kgCO2/kWh-val számolva).
Természetesen, mint azt már korábban írtam, nem fűthető egy ház csak a 13 m2-nyi napkollektor segítségével, mindössze körülbelül a fűtés 40%-át tudja kiváltani a hideg téli napokon. Tehát a napkollektor használatával is kéne a gázért fizetni, évente kb. 210 ezer forintot (így már csak 5 t az éves CO2 kibocsátás). A jelenlegi gázárral számolva tehát a napkollektor megtérülési ideje 8-10 év, ez az idő azonban az árak (várható) drágulásával csökken. Ha csak a melegvizet szándékoznak megújuló energiaforrásból előállítani, akkor lényegesen tovább, 25 évig kellene várni, amíg behozza az árát. Eddig azonban mindvégig 100%-os hatásfokú napkollektorokkal és hőcserélőkkel számoltam, nem vettem figyelembe a veszteségeket. A jobbfajta vákuumcsöves napkollektorok hatásfoka nyáron a 70%-ot is elérheti, télen viszont legjobb esetben is csak a 40-50%-ot. Ez azt jelenti, hogy télen a beeső napsugárzásnak kevesebb, mint a felét tudjuk hasznosítani (kb. 2,3-2,5 KWh/m2/nap). Ez tovább rontja a megtérülési időt, ugyanis így a fűtési szezonban csak a gáz kb. 20%-át tudjuk kiváltani napenergiával (6,5 t CO2 kibocsátás). Ez a megtérülési időt megnöveli 14-15 évre, ami azonban még így is az ésszerűség határain belül maradó érték. Tudunk valamit tenni azért, hogy a költségek jelentős emelkedése nélkül javítsunk a napkollektoros rendszer összhatásfokán, tehát a megtérülési időn javítsunk?
A napkollektorok hatásfokának javítása A legáltalánosabb megoldás, nem csak napkollektoros fűtés esetére, ha rendesen hőszigeteljük a házat (fűtési igény: 30-50 W/m2). Így 30, de akár 60 %-kal csökkenthetjük a ház fűtésigényét (az eredeti szigetelés minőségének függvényében). Ez évi plusz 20 ezer forint megtakarítást jelenthet, de számolni kell a szigetelés költségeivel, ami tovább emeli a beruházási költséget. Apróbb megtakarítások érhetők el, ha gravitációs elve működő rendszert építünk ki, amivel egy szivattyú munkáját spórolhatjuk meg (ez a költségeken nem emel, de a szivattyúzás költsége is kicsi). Egy másik ötlet, amely a napkollektoros rendszert érinti, és nem a házat, az, hogy nyáron, amikor a napsugárzás a legmagasabb, a napenergia használható hűtésre is! A légkondicionáló berendezések rengeteg áramot fogyasztanak, így megjelenésükkel jelentősen megnőtt a széndioxid kibocsátás illetve a villanyszámlák végösszege. Erre három módszert alkalmazhatunk jelenleg. Az első esetben napenergiával meghajtott motor (Rankine vagy elektromos) működteti a légkondicionálót. Itt tehát a Nap termikus energiáját először elektromos árammá alakítjuk, majd vissza termikussá. Ez a módszer kevéssé versenyképes, mert a napelemek hatásfoka ritkán haladja meg a 15 %-ot, így a rendszer összhatásfokát is csak rontja. Emellett 4-5-ször olyan drágák, mint az alább bemutatott, közvetlenül a termikus energiát hasznosító rendszerek. Az abszorpción alapuló módszer azt jelenti, hogy a vákuumcsöves napkollektorban 88-90°C -ra felmelegített vizet használjuk a légkondicionálót hajtó hőforrásként. Sajnos azonban még ez a megoldás sem versenyképes, a magas beruházási költségek és a kis teljesítménye miatt [1]. A harmadik az adszorpciós klíma, amely jól használható kisebb helyiségek hűtésére, mint például egy nappali (tehát semmiképpen sem bevásárlóközpontokéra). Egy ilyen készülék silica-géllel működik. A gél sókristály halmazállapotú eredetileg, a halmazállapot változásának megindításához minimum 80 °C-os hőmérsékletű víz szükséges, amit a napkollektor biztosít. Ha ezt a vizet a gélt tartalmazó tartály egyik oldalához vezetjük, akkor hőt vonhatunk el a tartály másik oldalán lévő víztől [9]. Az ilyen berendezések általában csak
16°C-os vizet tudnak előállítani, de két-három adszorpciós ágy használatával 6-8 °C-os vizet is elő tudunk állítani [1]. Az így kapott vizet felhasználhatjuk fali, padló- vagy hagyományos, ventillációs hűtésre is. Ha nyáron naponta csak 3 órát üzemeltetjük hagyományos léghűtő berendezésünket és természetesen nem a ház 100 m2-es alapterületét, hanem csupán a nappali és hálószobákat (kb. 60-70 m2) fűtjük, akkor naponta 10-12 KWh teljesítményt használunk el erre. Ennek előállítása egy szénerőműben (0,8 kgCO2/kWh) 9 kg CO2 kibocsátásával jár és a felhasználónak 500 forintjába kerül. Ha ezt csak a legmelegebb időszakban (mondjuk másfél hónap nyár közepén) használjuk, akkor évente 23000 forintot költünk légkondicionálásra (majdnem fél tonna CO2 kibocsátása mellett). Ezt megtakaríthatjuk, ha egy adszorpciós hűtőrendszert alkalmazunk. A napkollektorra külön már nem kell költeni, csak a hűtőre, ami viszont manapság még igen drága (a technológia és a korlátozott darabszám miatt), így az éves 23000 forint megtakarítással sokáig kell várni, amíg behozza az árát. (Egy egymillió forintos berendezéssel számolva kb. 40 évig. Ha azonban olcsóbb lesz és elterjed a technológia és felmennek a villamos energia árak, ez jelentősen lerövidülhet.) Az évenkénti (légkondicionálóval rendelkező háztartásonként) fél tonnával kevesebb széndioxid kibocsátásának eltűnése azonban azonnal jelentkezik.
Mit nyerhetünk egy napkollektoros rendszerrel, ami télen fűt, nyáron hűt, és egész évben előállítja a melegvizet? Mai világunkban egyre égetőbb probléma a környezet-, azon belül is a légszennyezés. Sajnos általában a környezetkímélő megoldások drágábbak a hagyományosnál. Kivételt jelenthet talán a napenergia kihasználása. Beruházási költsége ugyan elég magas, viszont 1520 év alatt megtérül az ára és ezután már ingyenesen állítja elő a melegvizet, valamit a fűtés költségeit is leredukálja. A háztartásban élők így kb. évi 100 ezer forintot takaríthatnak meg. Ezzel együtt pedig az atmoszférát megkímélik évi 6,5 t CO2-tól. Ha az összes magyarországi család így állítaná elő a melegvizét, akkor évente 26 Mt (megatonna = egymillió tonna) CO2dal kevesebb jutna ki a légkörbe, feltételezve, hogy eddig szénerőben állítottuk elő az áramot és szénnel tüzeltünk; valójában a paksi atomerőmű látja el árammal Magyarország 40 %-át CO2-mentesen, és a magyarok kb. 60%-a földgázzal fűt, ami csak 0,4 kg CO2-t termel KWhként. Így korrigálva az értéket még mindig igen magas, 18 Mt-s megtakarítás érhető el. Ezen kívül még tehetünk valamit a pénztárcánkért és a Földünkért a napenergia segítségével. Ugyanis a nyilvánvaló fűtési lehetőség mellett hűthetünk is a Nap erejével. Egy jelenleg még igen drága, de jól használható technológia, az adszorpciós hűtés segítségével a klíma-berendezést is lecserélhetjük, így ingyen hűthetjük a házat, ráadásul tisztán (CO2mentesen). Ezzel tovább redukálhatjuk a költségeket (-23000 Ft/év), de főleg a széndioxid emissziós értékeket. Ha a jelenlegi kb. félmillió3 légkondicionáló-tulajdonos lecserélné készülékét egy adszorpciós hűtőre, akkor további 2-3 t CO2-től menthetnénk meg a felsőbb régiókat évente. Tehát aki hosszú távra tervez, annak mindenképpen megérné napkollektoros melegvíz előállító és fűtő berendezést vásárolni, ezzel gyermekeinek megkönnyíteni a jövőt mind anyagi, mind környezetvédelmi szempontból.
3
Erre sehol sem találtam adatot, saját becslés
Irodalom jegyzék: [1] X. Q. Zhai, R.Z. Wang, Y. J. Dai, J. Y. Wu, Y. X. Xu és Q. Ma: Solar integrated energy system for a green building (Science Direct) [2] Eckhard Rebhan: Challanges for Future Eergy Usage ( http://www.uni-saarland.de/fak7/fze/AKE_Archiv/AKE2008FHeraeus/Vortraege/AKE2008F_E1_Rebhan_challenges-forFutureEnergy.pdf ) [3] http://www.guardian.co.uk/news/datablog/2011/jan/31/world-carbon-dioxide-emissionscountry-data-co2 [4] http://epiteszforum.hu/files/van_meg_mit_tanulnunk_a_napenergiarol.pdf [5] http://solartisnapkollektor.hu/napenergia-magyarorszagon.php [6] http://www.nmhh.hu/dokumentum.php?cid=22990 [7] http://www.naplopo.hu/Cikkek/Napsugarzas/napsugarzas.html [8] http://nrg-eco-store.hu/termekek.html?page=shop.browse&category_id=8 [9] http://www.alternativ-energia.eu/szolar_hutes_futes.php
