Napenergia

A Nap energiája hő és fény formájában éri el a Földet , melyet az emberiség ősidők óta hasznosít, egyre fejlettebb technológiák segítségével. A napenergiához kapcsolódó technológiák, mint a napfűtés, a fotovoltaikus berendezések, a naperőművek vagy a napenergiát felhasználó épületek segíthetnek megoldani az emberiség előtt álló legnagyobb kihívásokat.[1]

A Napból érkező energia hasznosításának két alapvető módja létezik: a passzív és az aktív energiatermelés.Naperőművekben alakítják át a napenergiát elektromos árammá.

Passzív hasznosításkor az épület tájolása és a felhasznált építőanyagok a meghatározóak. Ilyenkor az üvegházhatásthasználjuk ki hőtermelésre. Alapjában véve passzív napenergia-hasznosító minden olyan épület, amely környezeti adottságai, építészeti kialakítása következtében képes használni a Nap sugárzását mint energiaforrást. A passzív napenergia-hasznosítás főként az átmeneti időszakokban működik, vagyis akkor, mikor a külső hőmérséklet miatt az épületen már/még hőveszteség keletkezik, de a napsugárzás még/már jelentős.

Az aktív energiatermelésnek két módja van. Első módszer, hogy a napenergiát hőenergiává alakítjuk. A jellegzetes napenergia hasznosító épületeken nagy üvegfelületek néznek déli irányba, melyeket estére hőszigetelő táblákkal fednek. Az üvegezésen keresztül a fény vastag, nagy hőtároló képességű padlóra és falakra esik, melyek külső felületei szintén hőszigeteltek, így hosszú időn át képesek tárolni az elnyelt hőt. A hőenergia „gyűjtése” és tárolása főképp napkollektorokkaltörténik. Ez az a berendezés, ami elnyeli a napsugárzás energiáját, átalakítja hőenergiává, majd ezt átadja valamilyen hőhordozó közegnek. Magyarországon 2007 augusztusában telepítettek először napkollektort panelházra, a miskolci Avasegyik 50 lakásos házára.[2]

A másik módszerrel – az ún. fotovoltaikus eszköz (PV), vagyis napelem segítségével – a napsugárzás energiáját elektromos energiává alakítjuk. Harmadik lehetőségként termokémiai módszerekkel is tárolható.[3]

A Nap energiája

A Földre 174 petawattnyi energia érkezik a napból az atmoszféra felső részeibe.[4]Ennek körülbelül 30 %-a visszatükröződik az űrbe, a maradékot a felhők illetve a földfelszín és az óceánok nyelik el. A napfény spektruma az infravöröstől a látható fényen keresztül az ultraibolyáig terjed.

A földfelszín, az óceánok és az atmoszféra elnyeli a napsugárzást, növelve ezzel a hőmérsékletet. Az óceánokból elpárolgott vizet tartalmazó meleg levegő okozza a légáramlatokat. Amikor a levegő nagy magasságba ér, ahol a levegő hideg, a víz kicsapódik, ami felhőket formál és esőt okoz, megteremtve ezzel a víz körforgását. A víz kicsapódásának rejtett hője felerősíti a légáramlást, létrehozván olyan légköri jelenségeket mint a szél, a ciklon vagy az anticiklon.[5] Az óceánok és a föld által elnyelt napenergia 14 celsius fokon tartja a Föld átlaghőmérsékletét.[6] A fotoszintézissegítségével a növények a napenergiát kémiai energiává alakítják, ami élelmet, fát, biomasszát és a fosszilis tüzelőanyagokat hoz létre.[7]

A földfelszín, az atmoszféra és az óceánok által elnyelt napenergia 3,850,000 exajoule évente.[8] Ez adat alapján 2002-ben a Földet érő egy órai napsugárzás több energiát tartalmazott, mint amit az emberiség egy év alatt felhasznál.[9][10]

A napenergia hasznosítása

A napenergiát ebben az esetben a napsugárzásra használjuk, jóllehet a geotermikus és árapály energia kivételével minden megújuló energia, sőt a fosszilis tüzelőanyagok energiája is a nap energiájából erednek.

A napenergia hasznosításának két formája a passzív -épületek tájolása, építőanyagok megválogatása- illetve az aktív -naperőművek, napkollektorok napelemek- felhasználás. Az aktív, energiatermelő technológiákat szokás kínálati, a passzív, alternatív forrásokon spóroló technikákat keresleti oldali technológiáknak is nevezni.[11]

Építészet és várostervezés

A napsugárzás az építészet kezdetei óta befolyásolja az épületek terveit.[12] A görögök és a kínaiak által délre tájolt épületek voltak a napenergiát felhasználó építészet első példái, mely gyakorlat egyszerre adott világosságot és meleget.[13]

A nap energiáját hasznosító építészet általános jellemzői közé tartozik a nap iránti tájolás, a felszín kis aránya az épülethez képest vagy a szelektív árnyékolás. Ezen elemek éghajlatnak megfelelő használata jól világított és komfortos hőmérsékletű tereket eredményez.[12] Az újabb napenergiát hasznosító dizájn számítógépes modellek segítségével teremt egyensúlyt a napenergia világító, fűtő és légmozgató hatásai között,[14] melyeket gyakran aktív napenergia, mint napkollektor, napelem és állítható ablakok tesznek még hatékonyabbá.

A városi hőszigetek olyan nagyvárosi területek, melyek hőmérséklete meghaladja a környezetét, elsősorban a városokban használt építőanyagok - mint például az aszfalt és a beton - alacsony albedója és magas hőkapacitása eredményeként. Eme jelenség elleni legegyszerűbb megoldás az épületek és utak fehérre festése és fák telepítése lehet. Ezen eszközök használata egy esetleges Los Angeles-i "cool communities" program keretében mintegy 3 Celsius fokos hőmérséklet csökkenést okozna mintegy 1 milliárd dolláros költséggel, ami azonban évi 530 millió dollár megtakarításhoz vezethetne a csökkenő légkondicionáló és egészségügyi kiadások révén.[15]

Mezőgazdaság és kertészet

A mezőgazdaság és a kertészet igyekszik a nap energiáját minél optimálisabban kihasználni a minél magasabb terméshozam érdekében. Erre olyan technikákat alkalmaz, mint a vetés tájolása, időzítése vagy a sorok közötti optimális távolság illetve a növények megfelelő keverése.[16][17] Bár a napsugárzásról általában mint korlátlan erőforrást tartják számon, a kivételek, mint például a kis jégkorszak jelzik annak valódi fontosságát a mezőgazdaság számára. Fontos azt is megjegyezni, hogy a napenergiát a mezőgazdaság nem csupán növénytermesztésre használja, hanem olyan dolgokra is mint például vízpumpálás, szárítás vagy csirkekeltetés.[18][19]

Az üvegházak szintén a nap energiájának minél erőteljesebb kihasználására jöttek létre, először a Római Birodalom történetében, melyek célja uborkatermesztés volt az egész év során Tiberius császár részére.[20] A modern üvegházak a 16. századi gyarmatosító Európához köthetőek, melyek lehetővé tették a távolról érkező egzotikus növények hazai termesztését.[21]

Világítás a nap segítségével

A természetes fény a történelem legnagyobb részében domináns szerepet játszott a világítás terén. A rómaiak már a 6. században elismerték a fényhez való jogot, melyet később, 1832-ben az angol parlament is megerősített.[22][23] Bár a 20. századra a mesterséges fény lett a belső terek világításának leginkább elterjedt módja, a napfényt alkalmazó és hibrid technológiák alkalmasak az energiafogyasztás mérséklésére.

A napfényt használó rendszerek összegyűjtik és szétosztják a beérkező napfényt, kiváltva ezzel a világításhoz és egyes esetekben a légkondicionáláshoz szükséges energiát, emellett pszichológiai szempontból is jobbak a mesterséges fényt használó rendszereknél.[24] A technika alkalmazása során gondosan meg kell választani az ablakok típusát, tájolását és formáját, amihez gyakran árnyékolás, fénypolc vagy fénycsatorna használata is járul. Noha ezek a megoldások beépíthetőek meglévő épületek esetén is, a legjobb hatás a teljes mértékben naphoz alkalmazkodó dizájnnal érhető el, ami a világításhoz használt energia 25 %-át is megtakaríthatja.[25]

A nap hőjének hasznosítása

A 40. szélességi fok alatt a háztartási meleg víz 60-70 %-a, 60 Celsius fokos hőmérséklettel számolva, állítható elő napkollektorok használatával.[26] 2007-ben ezen rendszerek összkapacitása elérte a 154 GW-ot,[27] melyből mintegy 70 GW az ezen a téren élen járó Kínából származott.[28] A lakossághoz viszonyítva viszont a háztartások több mint 90 %-ával Izrael és Ciprus a technológia első számú alkalmazói.[29]A napkollektor olyan épületgépészeti berendezés, amely a napenergia felhasználásával közvetlenül állít elő fűtésre, hűtésre és vízmelegítésre használható hőenergiát. Fűtésre való alkalmazása az épület megfelelő hőszigetelését feltételezi és általában csak tavasszal és ősszel mint átmeneti, illetve télen mint kisegítő fűtés használatos. Hőcserélő közege jellemzően folyadék, de a levegőt használó változatai is elterjedtek. A hétköznapi nyelvben gyakran összetévesztik a napelemmel, amely a napsugárzást elektromos energiává alakítja.

Naperőmű

A naperőmű gyűjtőfogalom, a megújuló energiaforrásokat felhasználó erőművek egyik csoportja, amelyekben a napsugárzás energiáját hasznosítják.

Megkülönböztetünk napelemeket alkalmazó fotovillamos naperőműveket, ahol a Nap elektromágneses sugárzását közvetlenül alakítják villamos árammá napelem segítségével, és naphőerőműveket, amelyek a napkollektorok elvén a Napinfravörös energiáját gőzfejlesztésre használják és ezt turbinákkal alakítják elektromos árammá. Ez utóbbi hőt lehet hasznosítani közvetlenül is fűtésre.

2003-ban több mint 700 megawattóra energiát állítottak elő világszerte napenergiából. A hagyományos erőművekkelellentétben nem termel szén-dioxidot, így nem járul hozzá a globális felmelegedéshez.

Naperőművek a világban

Hatalmas naperőművek épülnek/épültek napelemek mezőivel. A spanyolországi PS10 naphőerőmű, a spanyolországi Tres naperőmű, a spanyolországi Monte Alto naperőmű, a spanyolországi Andasol 1 naperőmű, az ausztráliai King's Canyon naperőmű, az ausztráliai White Cliffs naperőmű, a németországi Waldpolenz naperőmű, az amerikai Nellis naperőmű, az amerikai Nevada naperőmű, az amerikai Mojave-sivatag naperőműje, az algériai Hászi r-Rmel hibrid naphőerőmű, a portugáliai Serpa naperőmű, az amerikai SEGS naperőmű, mind olyan erőfeszítések, hogy az emberiség végleg megszabaduljon a globális felmelegedést előidéző szénerőművektől és más hagyományos energiaforrásoktól.

Előnyei

• Ha már egy napenergia hasznosító szerkezet telepítve van, maga az energia "ingyen van".
• Nem függ beszállítótól, nem vonható embargó alá, csökkenti a más országoktól való energiafüggőséget.
• A geotermikus, a nukleáris és az árapály energia kivételével minden felhasznált energia valamilyen formában a napból érkezik/érkezett
• Tiszta és decentralizált

Hátrányai

• A napenergia időbeli eloszlása és intenzitása csak korlátozott mértékben tervezhető előre
• Megoszlása szezonális (legnagyobb mennyiségben nyáron áll rendelkezésre)
• A napenergia hasznosítása jelentős beruházásigénnyel jár, ami komoly megtérülési számításokat követel, úgy pénzügyi, mint környezetterhelési szempontból.

Környezetterhelés alatt értjük a) a felhasznált anyagok, szerkezetek gyártása és szállítása, valamint b) a beruházás kivitelezése, működtetése, leszerelése folyamán szükséges összes erőforrást, illetve keletkező környezetszennyezést.