Megújuló energiák és a "Föld űrhajó" jövője

http://www.eet.bme.hu

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemElektronikus Eszközök Tanszéke

A megújuló energia és a "Föld űrhajó" jövője

Mizsei JánosPlesz Balázs

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem

Elektronikus Eszközök Tanszéke

„Kínzó” kérdések az energiával kapcsolatban

► Apúúú, mi az, hogy energiaaa, és mi az hogy hosszútávúúú?

► Megújuló energia: fából (műanyagból?) készül-e a vaskarika? (Ld.: „hosszútávú”)

► Túléljük-e magunkat, és ha igen, akkor mennyivel? ► Mi a "Föld űrhajó" jövője? ► Vajon van-e hosszútávú megoldás a fenntartható

fejlődés vagy legalább a stagnálás érdekében?



Válaszkísérletek, ha nem is a megoldás, de az értelmes vita érdekében:

► A megújuló energiák fajtái, eredetük, hasznosítási lehetőségük, különös tekintettel a napenergiára

► A napelem (fotovoltaikus cella) működése, hatásfoka, korlátai, fejlődési lehetőségei

► Példák megújulóenergia-szüretre



"Föld űrhajó"A fenntarthatóság alapja: a termelési folyamatok zárt ciklusúvá alakítása!

Űrhajó: rövidtávú modell

Föld: 109 év!



5/30

Mai energiafelhasználás► Ma kb.: 80 % fosszilis energiahordozók

7 % atomenergia13 % megújuló energiaforrások

► 120,000 TWh összenergiaigény



6/30

Fosszilis energiahordozók problémái

► Globális felmelegedés Üvegházhatás

• Közvetlen okok (gázkibocsátás, CO2, metán, NOx)• Közvetett okok (esőerdők irtása, ózonréteg

csökkenése) Környezeti változások

► Környezetszennyezés (kémiai és rádioaktív!)► Kifogyóban vannak (?)

Több százmillió éves napenergia felhalmozódás rászabadítása a földre néhány emberöltőnyi idő alatt: katasztrófaveszély!



7/30



8/30

Globális felmelegedés képekben



9/30

Környezetszennyezés



10/30

Megújuló energiaforrások

► Napenergia► Szélenergia► Biomassza► Geotermikus energia (?)► Vízenergia (?) ► Nukleáris energia (fúziós)

Megújuló = környezetbarát?



11/30

Napenergia

► Nincs szennyeződés► Nem merül ki► 1,100,000,000 TWH évente► 5000-szer több, mint az

emberiség energiaszükséglete

► Fluktuációk► Költségek



12/30

SzélenergiaNem okoz szennyezést► Legmagasabb hatásfok: 59,3 % ► Napenergiánál alacsonyabb potenciál: a napból

jövő energia 2,5% alakul át szélenergiává► Időbeli fluktuációk



13/30

Biomassza

► Éves biomasszatermelés: 800,000TWh

► Hatásfok ? Kukorica: a fény 1.3 %-át alakítja

át kémiai energiává ► Könnyű tárolni► Nincs fluktuáció az

energiatermelésben



14/30

Geotermia► Napenergiánál kisebb potenciál

28,000 TWh évente► Nincs fluktuáció ► Lehetséges

szennyeződések a föld belsejéből

► Mellékszál: hőszivattyú



15/30

Vízenergia

► Legalacsonyabb potenciál: 10,000 TWh

► Nagy környezeti beavatkozásokat igényel

► Nincs fluktuáció (sőt, tárolni is lehet az energiát)





year2000 2020 2040 2100

Előrejelzés

olajszéngáz

atomenergiavízenergiabiomassza (hagyományos)

biomassza (fejlett)

napenergia (PV és fototermikus energiatermelés)

fototermikus (csak hő)

egyébb megújulókgeotermikus

szélenergia

Forrás: German Advisory Council on Global Change, 2003, www.wbgu.de

EJ/a



18/30

A megújulók célszerű kezelése:

► A megújuló energiaforrásokat nem versenyeztetjük egymással

► Az egymást kiegészítő tulajdonságaikat kombinálni kell (nagyon előnyös a szél+víz)

► Csökkenteni kell az energiafelhasználást (az a legjobb, ha kevesebbet kell termelni)



A Nap

► A föld energiájának 99.98 %-a a napból származik

► Az ár/apály 1/3-át a nap tömegvonzása okozza

► Távolság: 150 millió kilométer

► Megújuló és fosszilis energiaforrásokból nyerhető energia is a napból származik



A nap

► Tömeg a naprendszer tömegének 99,9 % teszi ki (1,989 x 1030 kg)

► Maghőmérséklet: 14,8 millió K► Felületi hőmérséklet: 5.800 K► 73,5 % Hidrogén, 25 % Hélium► Gravitáció 27-szerese a földinek► Kb. 4,5 milliárd éve keletkezett



A nap energiatermelése

► Főként proton-proton reakció

► 564 millió t Hidrogén fúzióval alakul át 560 millió t Héliummá

► Teljesítmény:3,7 x 1026 W

► Teljesítménysűrűség: mindössze ~100 W/m3

E=mc2



A nap szerkezete

Szerkezet Mag Sugárzási zóna Konvekciós

zóna Fotószféra Kromoszféra Korona



Életciklus (hosszútávú )

► 4,6 milliárd éve: gravitációs „összerántás”► Ma: fősorozatbeli fejlődés (Kb. a 10 milliárd évnyi H -> He

fúzió felénél tart)► 900 millió év múlva: föld hőmérséklete > 30°C► 1,9 milliárd év múlva: föld hőmérséklete > 100°C► 7 milliárd év múlva: vörös óriás, a Vénusz és a Merkúr

megsemmisül, a föld felszíne megolvad► He -> C fúzió beindul (kb. 130 millió év)► Fehér törpe (az eredeti tömegének 50 %)



Napenergia spektruma

Napállandó

► AM 0: 1354 W/m2

► AM 1: 1040 W/m2

► AM 1,5: 970 W/m2



25/30

Napenergia hasznosítás

Napelemek:► Fényelektromos

hatás► Elektromos

energia► Hatásfok: 10-30%

Napkollektorok:► Hőelnyelődés

► Hőenergia

► Hatásfok: 50-60%

Kombinált rendszer



26/30

Energia tárolásNapi és éves változások az energiatermelésben

Rövid és hosszú távú energiatárolás is szükséges



27/30

Alternatív üzemanyagok (autózni kell)

Fosszilis üzemanyagok jellemzői: nagy energiasűrűség, fejlett technológia, olcsóság.

Nap: 1 kW/m2 , nem elég az energiát koncentrálni kell

Lehetőségek: Diesel olaj -> növényi olaj Biomassza Benzin -> alkohol Hidrogén, Metán (Tükrök, lencsék)



28/30

Napenergia termikus hasznosítása



29/30




30/30




31/30




32/30

Napenergia termikus hasznosítása (időjárás befolyásolása?)



Fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer

h Wg Wg h

Csatolás a napkorona elektronjai és a földi atomok, szilárdtestek elektronjai között



Analógia: víz felemelése „magasabb energiaszintre”, majd az energia hasznosítása



Mikroelektronika - Követelmények © Poppe András, BME-EET 2013 35

A töltéshordozók (elektronok) felemelése „magasabb energiaszintre”, majd az energia hasznosítása

Feltétel: beépített potenciál, vagyis pn átmenet létrehozása



Ami beérkezik…

(energiaspektrum, energia-sűrűség, foton/sec/cm2/eV)

W

phph dW

dh

dnn

Ami beérkezik…

(összes, W-nél nagyobb energiájú fotonok száma, eloszlásfüggvény, foton/sec/cm2)



W

phph dW

dh

dnn

dWdh

dnqWJ

gWh

phgL

A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása

a beérkező energia spektruma

T

T

mT0m U

U

U1lnUUqW

q

WIP m

Lm

0

ph

mL

m

dWn

q

WI

P

P

0

phdWnP

a beérkező összes teljesítmény:



A legkedvezőbb félvezetőanyag

-földi körülmények között

-energiakoncentrálás nélkül, illetve

-ezerszeres energiakoncentrációval

Cu(In,Ga)Se2



Gát

Árapály vagy hullámzás energiájával működő vízikerék

H

A

Szinuszos hullámzást („A” amplitúdóval) feltételezve Pmax nyerhető H=0.39A gátmagasság esetén

Nem hasznosítható

Fölö

sleges

LJ

gW



40/30

Napelemes rendszerek► Szigetüzemű vagy hálózatra kapcsolt

- megbízhatóság- a hálózat feladatának újraértékelése- egy erőmű minden felhasználónak?

► Forgatott vagy fixen rögzített - több energia forgatással- drágább- árnyékolás- karbantartásigény magasabb



Napelemfarm







44/30

Csúcstechnológia: 3 pn átmenet (GaInP/GaAs/Ge), 28-30%



Mit hoz a jövő?► A megújuló energiaforrásokra, és a

napenergiára szükség van, ezt el kell fogadtatni a köztudatban is

► Körülményekre specializált rendszerek tervezése (napkollektor, napelem)

► Különböző rendszerek kombinálása (szél és vízenergia)

► Nincs „nyertes” technológia -> pld.: Hárskút.

Egy új elmélet nem úgy terjed, hogy az ellenzőit meggyőzik, hanem úgy, hogy az ellenzőik kihalnak.

Max Planck



46/30

Köszönöm a hallgatóság figyelmét, türelmét, a Szkeptikus Társaság vezetésének pedig a szervezést és az előadás lehetőséget!

Environment

Megújuló energiák és a "Föld űrhajó" jövője