"Háztáji" energiatermelés - (alternatív) villamos energia bárhol, bármiből

Egy villamosmérnök ismerősöm adta az ötletet erre a témakörre.
Megtetszett, és most (2008) ebben a címszóban megpróbálom a néhány kilowattnyi elektromos energia előállításának egyszerűen, családi-, hétvégi házakban megoldható lehetőségeivel kapcsolatos információkat összegyűjteni.

Szokásomhoz hűen, elsősorban az alapelvekkel foglalkozom, de megemlítem a készen elérhető, működő rendszereket is.

Ebben a "méret tartományban" is alapelvében ugyanazok az eszközök állnak rendelkezésre, mint "nagyban".

Előzmények

A téma nem áll tőlem távol, már korábban is felmerült.
Amikor, több mint 20 éve, a jelenlegi házba költöztünk, akkor még szenes kazánnal fűtöttünk. Komoly problémát jelentett, hogy az ilyen "vidéki" helyeken viszonylag gyakran előforduló áramkimaradások esetén, keringetés nélkül könnyen túlhevült a kazán.
Ezért már akkor szóba került, hogy valamilyen "szélerőművet" (kisebb szélkereket) építhetnénk és az egy generátorral akkumulátort töltene. Arról pedig - szükség esetén - egy konverterről működtethető lenne, egy darabig, a kb. 80 wattos keringetőszivattyú.

Hamar rájöttem, hogy egy ilyen szélkereket házilag nem olyan egyszerű megoldani. Komoly fémmunkákat igényel, ezért "ejtettem" az ügyet. (Azóta szert tettem egy kis fém kandallóra, ami remekül működik áram nélkül is.)

Most, hogy újra felmerült az "alternatív áramtermelés" témaköre, megpróbálom "energiaforrások" szerint csoportosítva összeszedni a jelenleg létező lehetőségeket.
Ezek mindegyikére léteznek kész megoldások. Vannak köztük nagyon költségesek, és vannak könnyen megoldhatók. Mindegyiknek van előnye és hátránya.
Persze a költségek elfogadhatósága egyrészt függ a rendelkezésre álló keretektől, másrészt mindenképpen össze kell vetni azokat a többi lehetőség árával.
Ha valaki egy évben egyszer tölt néhány napot egy "Isten háta mögötti" helyen és mindenképpen áramot akar használni, akkor vehet egy kis áramfejlesztőt (a képen) húszezerért és fejleszthet vele áramot. Ez ugyan nem túl olcsó áram, és nem barátja a környezetnek sem ez a megoldás, de ilyen rövid időszakra "megbocsátható".
Huzamosabb ott tartózkodás, vagy ott élés esetén, már valami "komolyabb" megoldás szükséges.

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. (PowerPal Low Head)
Ára kb. 500 Ł (kb. 190.000,- Ft)
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 baloldali ábrán a PowerPal Low Head típusok víz-hozzávezetési megoldása látható, mellette egy kisebb és egy nagyobb áramfejlesztő típussal. A jobboldali típus már 2 kW elektromos teljesítményt produkál 17 méteres vízmagasság és másodpercenkénti 30 literes vízhozam esetén. Ennek ára 3600 Ł (kb. 1,4 millió Ft).

Viszont egy 1 kW-os benzinmotoros áramfejlesztő csak kb. 20.000,- Ft, de egy néhány kilowattos is 100000 alatt van. Ha ebből csak a generátor kell, és hozzábarkácsoljuk a turbinát........

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.

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.
Ára 5 millió forint. (Egy jóval kisebb, 2 kW-os változat viszont 3 millió forintba kerül!)

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 231.000,- Ft (tartozékok nélkül). Ilyenből 20 db kellene egy családi ház szolid (kevesebb, mint 2 kW) elektromos ellátásához.
Ennek költsége:
- napelem 4,6 millió Ft
- tetőszerelő szett kb. 200.000,- Ft
- (speciális) kábelek 1000 Ft/m
- szinuszos szolár inverter 440.000 Ft (ami az akkumulátorok áramából 230V váltót csinál)
- plusz az akkumulátorok (a fogyasztástól és a "napmentes" időszaktól függő mennyiség, a fenti szélerőmű adatai alapján kellene 8 db 12v-150Ah-s savas ólomakkumulátor, kb. 150.000, Ft.

Szóval nem lenne olcsó mulatság napelemről "működtetni" egy háztartást és itt is meg kell említeni, hogy az akkumulátorok élettartama néhány év.

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.)

Az egyik típus, amire részletes adatokat találtam 0,8 kW elektromos és 5,5 kW hőenergiát termel és ehhez 0,75 liter gázolajat fogyaszt óránként.
Az elektromos hatásfoka 12-17%, vagyis nyáron amikor nem lehet annyi "hulladékhőt" felhasználni, nem igazán hatékony. Ilyenkor célszerű lenne még valami napenergia hasznosítást is alkalmazni.

Egy ilyen WhisperGen "családi házas" változata 3000Ł (kb. 1,14 millió Ft). Üzemeltetési költsége attól függ, hogy mivel működtetik.

"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. Jelenlegi költsége 500-1500 USD (kb.100.000 - 300.000 Ft) /kW.
Ehhez persze még hozzájön a biogázt előállító rendszer költsége. 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.)

Felhasznált irodalom