2012 - Fenntartható energiát mindenkinek

2011 decemberében hivatalosan is véget ért a kémia éve.
Az idei - 2012-es évet az ENSZ a fenntartható energiatermelés népszerűsítésének szenteli.

Hivatalos elnevezése 2012 INTERNATIONAL YEAR OF SUSTAINABLE ENERGY FOR ALL (a Fenntartható energiát mindenkinek nemzetközi éve).

Ezúttal is "kötelességemnek" érzem, hogy készítsek egy összeállítást a témakörről, hiszen több szempontból is foglalkoztam már vele jó néhány címszavamban. Ez is (mint minden) érinti a három fő témaköröm közül legalább kettőt (fizika, kémia) közvetlenül, de legalább közvetve a harmadikat (csillagászat) is.

Az Élet és Tudomány idei első számának egyik cikke bevezetőt nyújt a témához és az év során több cikkben is foglalkoznak majd vele.
Én is csak elkezdem a témát és az év során szeretném majd bővíteni.

Bevezető

Az energetika, energiatermelés és felhasználás az élet szinte minden területére hatással van.
Földünkön nem rég értük el a 7 milliárdos népességet. Közülünk csaknem másfél milliárdan egyáltalán nem jutnak villamos energiához és még vagy egymilliárdnak bizonytalan a hozzáférése.

Az a szerencsés kétharmad, akik hozzáférnek egyáltalán nem mindegy, hogy milyen formában előállított villanyáramot használnak. Az elektromos energia jelenlegi legnagyobb tömegű előállítása nem igazán barátja a környezetnek és az összes elterjedt termelő, továbbító rendszer számos sebből vérzik. (Jelentős környezetszennyezést okoz, nagyok a veszteségek, stb.)
Ugyanakkor rendelkezünk számos megfelelő módszerrel már jelenleg is, amivel ezek a problémák kiküszöbölhetők, de legalábbis jelentősen csökkenthetők.

Addig is, amíg nagyobb mértékben teret nyernek a fenntartható megoldások (mert ez a kulcsszó), a meglévő energiát megpróbálhatjuk minél hatékonyabban, minél kisebb veszteséggel felhasználni. Ezzel nem csak pénzt takaríthatunk meg, hanem csökkenthetjük a környezetszennyezést és meghosszabbíthatjuk azt az időszakot, ameddig a fogyóban lévő fosszilis energiahordozóinkat használhatjuk még.

Alternatív áramteremelés

Egyik korábbi címszavamban ("Háztáji" energiatermelés - (alternatív) villamos energia bárhol, bármiből") - egy villamosmérnök ismerősöm ötlete alapján - összeszedtem a jelenleg elérhető elektromos áram előállítási lehetőségeket.
Itt most röviden felsorolom ezek közül a fenntartható energiatermelésen alapuló megoldásokat.

Vízzel

Az egyik lehetséges energiaforrás a víz.
Ha van egy generátorunk és van valami patak a környéken akkor azzal termelhetünk áramot.
Másfél méteres vízmagassággal számolva, 200 W teljesítményhez 35 l/sec, 1 kW-hoz 130 l/sec vízmennyiség szükséges. Gyakorlatilag olyan, mint egy fordítva működő centrifugál-szivattyú.
Egyfázisú, kefe nélküli, állandó mágneses alternátort alkalmaznak a képen látható legegyszerűbb típusnál.
Vannak persze nagyobb és még nagyobb változatok is, de ezekhez már komolyabb kiépítés szükséges.
Viszont, ha egyszer elkészült és van víz, akkor gyakorlatilag ingyen termel áramot.
Magasabbról történő hozzávezetési lehetőség esetén sokkal nagyobb teljesítmények érhetők el, viszonylag kisebb vízmennyiségekkel is. Pl. 11 méteres vízmagasság esetén, már másodpercenkénti 10 literes vízmennyiséggel is fél kilowattnyi teljesítmény nyerhető, az alábbi magoldással. A másik két eszköz nagyobb teljesítményű, de persze több víz szükséges a működtetéséhez.

Széllel

Folyóvíz nem mindenütt található, szél viszont bárhol lehet, ha nem is mindig fúj.
A szélerőművek nem éppen olcsók, ráadásul a kisebb teljesítményűek fajlagosan még drágábbak is.

A képen egy 10 kW-os szélerőmű látható, ez már inkább egy társasház, lakóközösség áramellátására alkalmas.
Toronymagassága 12 m
A szélturbina átmérője 8 m
230 volt feszültséget, és 43,5 A áramerősséget biztosít.

A szél "tiszta energiát" biztosít.
Azon viszont érdemes elgondolkodni, hogy
- a rendszerhez 40db 12v-150Ah-s savas ólomakkumulátor is tartozik, (mert az ember akkor is szeretne áramot, amikor nem fúj a szél)
- az akkumulátorok élettartama néhány év
- az ólom nem barátja a környezetnek

Nappal

Napfény is előfordulhat szinte bárhol, viszont a szélhez hasonlóan nem mindig áll rendelkezésre.

Magyarország jelenlegi (2007) legnagyobb (150 m² 9,6 kW) napelem rendszere a Szent István Egyetem Fizika és Folyamatirányítási Tanszékének gödöllői épületén.

Egy tipikus szilíciumkristály alapú napelem 1,5 W / 100 cm² teljesítményt ad le 0.5 V egyenfeszültség és 3 A áram formájában teljes nyári napsütésnél.
Egy 1,4 m²-es napelemtábla ára még mindig elég húzós, és ilyenből 20 db kellene egy családi ház szolid (kevesebb, mint 2 kW) elektromos ellátásához. És persze ehhez is kell akkumulátor (lásd fentebb), mert a Nap sem süt mindig.

Hővel

Elvileg készíthetünk egy kis "házi hőerőművet" is, de az nem túl praktikus.
Léteznek viszont (legalább is Újzélandon, az USA-ban, illetve Ausztráliában) olyan készen beszerezhető eszközök (WhisperGen), amelyek egy Stirling-motorral alakítják a hő egy (kis) részét mechanikai munkává illetve aztán egy generátorral elektromos árammá. Mellesleg a "hulladékhővel" fűtik a lakást is.
Szóval egy ilyen szerkezet a ház elektromos- és hőenergia igényét egyaránt biztosítja.

Az általam talált rendszerek általában földgázzal, vagy gázolajjal működnek.
Ez azt jelenti, hogy mondjuk biogázzal már kifejezetten "zöldek" lennének.

Maga a Stirling-motor egy olyan hőerőgép, amely bármilyen hővel működik, tehát akár napenergiáról, akár szárított trágyát égetve üzemképes. (Bár az általam talált rendszerek mind földgázzal, vagy gázolajjal működnek, tehát komolyabb átalakítás nélkül csak a biogáz jöhet szóba.)
Ezeknek az elektromos hatásfoka 12-17%, vagyis télen jól fűtenek, de nyáron amikor nem lehet annyi "hulladékhőt" felhasználni (hacsak nincs egy azt hasznosító hűtőrendszer is), nem igazán hatékony. Ilyenkor célszerű lenne még valami napenergia hasznosítást is alkalmazni.

"Vegyileg"

Találtam még egy megoldást, amit szintén alkalmazhatnak családi házak elektromos árammal történő ellátására.
Ez az elektrokémiai áramforrások közé tartozó üzemanyagcella.
Gyakorlatilag a kémiai energiát alakítja közvetlenül elektromos árammá.
Elvi működése az alábbi ábrán látható.

Alapvetően hidrogénnel működik, de mint az ábrán is látható földgázból (vagyis metánból) katalitikusan előállítható hidrogén.
Mivel a biogáz is nagyrészt metánból áll, így gyakorlatilag "teljesen zöld" áramforrásként használható.
A folyamatban elektromos áram mellett csak víz és hő, illetve biogázból (metánból) kiindulva, még szén-dioxid is keletkezik.

Ez a megoldás sem olcsó és még hozzájön a biogázt előállító rendszer költsége is. Viszont ha kiépül, akkor már ingyen és "zölden" termel áramot. Egy olyan tanyán azonban, ahol rendelkezésre áll a biogáz "alapanyaga" és nincs villany a közelben, biztosan megéri.

Összegzés

A fentiek alapján az alábbi következtetések vonhatók le:
- Többféle módon is előállíthatunk elektromos áramot "családiház méretekben"
- A szükséges eszközök nagy része, kész rendszerek formájában rendelkezésre is áll
- A rendelkezésre álló megoldások meglehetősen drágák
- Ugyanakkor érdemes lenne megvizsgálni, hogy árammal még el nem látott helyeken nem olcsóbb-e az említett megoldások valamelyike a villany odavazetéséhez viszonyítva
- Azt is vizsgálni kellene, hogy környezetvédelmi szempontokat is figyelembe véve a megoldások némelyike nem lenne-e jobb a jelenleg "hagyományos" áramellátáshoz viszonyítva. (Elsősorban a Stirling-motoros és az üzemanyagcellás megoldás jöhetne szóba, biogázzal működtetve.)

Takarékoskodás

A jelenlegi energiafelhasználásunk jelentősen csökkenthető egy kis odafigyeléssel, a szokásaink akár kismértékű megváltoztatásával is. Ezzel is sokat tehetünk a környezetünkért és a pénztárcánkat is jelentősen kímélhetjük.
Ezzel is foglalkoztam már egy korábbi címszavamban (Energiafelhasználás / pazarlás a háztartásokban (Sok kicsi sokra megy)).
Most röviden összefoglalom az abban leírtakat

Készenlétügyek

Az én házamban készenléti állapotban üzemelő eszközök összesítésének eredményén magam is ledöbbentem.

Az alábbi készülékek tápegysége folyamatosan tölti az akkumulátort vagy "csak úgy" működik:
- vezeték nélküli telefon
- "normál vezetékes" telefon (ami nálam gyakorlatilag egy mobil telefon)
- üzenetrögzítős telefon
- kaputelefon
- óra
- a műholdvevő beltéri egysége (kikapcsolt állapotban is működik, mutatja az időt)
- számítógép (a nap legalább felében "készenléti állapotban")
(Van még egy TV-m és és egy DVD játszóm, de azokat használaton kívül mindig kikapcsolom)

Tehát van 7 olyan eszközöm, amelyek gyakorlatilag állandóan készenléti állapotban működnek.
A készenléti fogyasztás függ az adott készüléktől. Meglehetősen eltérő adatokat (5-10-15-20-25 W) találtam. Apám szerint (aki szakember) az 5 W a reális adat. (A legújabb készülékekben már jelentősen csökkentették.)

Ezzel számolva az én állandó fogyasztásom 35 W.
Ez naponta 840 Wh (0,840 kWh), évente több, mint 300 kWh. Közel annyi, amit egy átlagos kombinált hűtő fogyaszt egy nap (illetve egy év) alatt!
"Forintosítva" (a jelenleg érvényes áron /2012-ben bruttó kb. 47 Ft/kWh/ számolva) naponta 39,50 Ft.
Ez egy évben több, mint 13.000 Ft, vagyis a havi villanyszámlámból több, mint 1000 Ft megy el az ilyen, tulajdonképpen felesleges fogyasztásra.

Az általam talált adat szerint 0,43 kg szén-dioxidot "termelünk" 1 kWh elektromos energia előállítására. (Ez persze nyilván minden országban eltérő, attól függően, hogy milyen típusú erőműveket használnak, milyen a rendszer/ek/ hatásfoka, stb.)
Ezzel az adattal számolva évente 132 kg szén-dioxid kerül a légkörbe csak a készenléti állapotban lévő eszközeim miatt. Ez 72 m³ szobahőmérsékletű szén-dioxidot jelent.

Ezt a kb. 3 millió magyar háztartásra "extrapolálva" durván 900 millió kWh (900 MWh). Ez kb. megegyezik a Magyarországon 2001-ben szélerőművekben megtermelt elektromos energiával!
Ehhez az említett értékkel számolva 387.000.000 kg (387.000 tonna, vagyis 216.000.000 m³) szén-dioxid kibocsátás járul.

Gondolkodtam, hogy mennyit tudnék csökkenteni ezen, de nem igazán sokat.
A számítógépet nem lehet teljesen áramtalanítani.
Valószínűleg a műholdvevőnek sem tenne jót, ha kihúznám.
Ha a "normál vezetékes" telefonomat kihúznám azzal nem sokat spórolnék, mert akkor az akkumulátorát használná, ami lemerülne és amikor (mondjuk "nappali üzemmódban") visszadugnám, akkor a töltés során többet fogyasztana a készenléti állapotánál.
Az üzenetrögzítős telefonom tápját tulajdonképpen kihúzhatnám, amikor otthon vagyok, de elég nyűgös dolog lenne mindig bedugni, amikor mondjuk kimegyek füvet nyírni vagy egyéb kerti tevékenységet végezni.
A kaputelefont viszont akkor lehetne kihúzni, amikor elmegyek otthonról. Valószínűleg gyakran elfelejteném kihúzni, vagy visszadugni, ezért ez is elég nyűgösen kivitelezhető.

Szóval az igazán jó megoldás az lenne, ha az összes eszköz készenléti állapotát jelentősen csökkentenék. Ezt egyébként tervezik is néhány éven belül. A "megcélzott" készenléti fogyasztási érték 1,5 - 2 W. Vagyis a jelenleginek kb. egyharmadára akarnák leszorítani. A legkorszerűbb eszközök már tudják ezt.

Világítás

Megkezdődöt a "hagyományos izzólámpák" kivonása a forgalomból. (Ha ezt Edison megérhette volna!)
Első körben a 100 W-os égők tűntek el, aztán szépen fokozatosan a többi.
A világítás ugyan nem tartozik a legnagyobb fogyasztók közé, de nagyon sok fényforrást használunk és mondjuk a téli időszakban meglehetősen hosszú ideig, akár napi 6-8 óráig.

Nézzünk néhány példát erre.
Ha mondjuk egy 3 db "hagyományos 100 W-os izzólámpát" tartalmazó csillárt használ valaki a nappalijában mondjuk 6 órán keresztül a téli hónapokban, akkor ennek a napi fogyasztása 1,8 kWh, közel kétszerese egy átlagos kombinált hűtő napi fogyasztásának.
Ezt "forintosítva" (a jelenleg érvényes áron /2012-ben kb. 47 Ft/kWh/ számolva) közel 85 Ft/nap, több, mint 2600 Ft havonta ennek az egyetlen helyiségnek a világítására.
Ha ezt lecseréljük 3 db 20 W-os (kb. ugyanolyan fényerejű) kompakt fénycsőre, akkor ennek a négyötöde megspórolható, a fogyasztás mindössze 0,36 kWh lesz naponta. (Fontosítva 17 Ft/nap, kb. 525 Ft/hónap.)

Minél nagyobb fogyasztású fényforrást használunk annál inkább érvényes az, hogy ki kell kapcsolni a világítást minden olyan helyiségben, ahol éppen nincs rá szükség!
Az említett esetben 0,3 kWh, kb. 14 Ft spórolható meg óránként az izzólámpás, illetve ennek ötöde a kompakt fénycsöves fényforrás esetén.

A kompakt fénycsövek tapasztalataim szerint nem túl hosszú élettartamúak és a kapcsolgatást is kevésbé szeretik, de a sokkal kisebb fogyasztásuk miatt mégis "megérik az árukat". És persze hamarosan nem is igen lesz más alternatíva...

Kivéve az egyre jobban terjedő LED-es fényforrásokat. Ezek még elég drágák, de szinte "örökéletűek" és nagyon kicsi a fogyasztásuk. A fényerejük ugyan nem valami hatalmas, de olyan helyiségekben, ahol csak az a lényeg, hogy ne essen orra az ember a sötétben, talán a legjobb alternatívát jelentik.

A képen egy "saját megoldás" látható 70 db nagy fényerejű LED sorbakötve, közvetlenül 230 voltról (persze egy sorbakötött ellenállással és Graetz egyenirányítóval).
Mindössze 8 W-os fogyasztású és alatta olvasni lehet.
Fölötte van 2 db 20 W-os (külön kapcsolható) kompakt fénycső.
Az egész együtt is kevesebb 50 W-nál és a normál szobai tartózkodáshoz teljesen elegendő fényt biztosít.
A LED-es rész a kapcsolgatást is jól bírja.

Itt is külön érdemes foglakozni a takarékoskodással.
A legnagyobb fogyasztóknál (hűtőgép, elektromos vízmelegítő) előbb-utóbb érdemes váltani egy korszerűbbre, mert nagyon nagy fogyasztásbeli különbségek adódhatnak.

Összegzés

Így "bemelegítőnek" ennyit szedtem össze. Az év során szeretném bővíteni ezt a címszót.

Jelenleg magyarul szinte alig található még információ a Fenntartható energiát mindenkinek nemzetközi évéről és angolul is eléggé kevés. Úgy látszik még nem teljesen kezdődött el az év így január első felében.

Felhasznált irodalom