Megújuló energiák és a "Föld űrhajó" jövője

http://www.eet.bme.hu
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A megújuló energia és a "Föld
űrhajó" jövője
Mizsei János
Plesz Balázs

Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
„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 % atomenergia
13 % 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
Szélenergia
Nem 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)

year
2000 2020 2040 2100
Előrejelzés
olaj
szén
gáz
atomenergia
vízenergia
biomassza (hagyományos)
biomassza (fejlett)
napenergia (PV
és fototermikus
energiatermelés)
fototermikus (csak hő)
egyébb megújulók
geotermikus
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 tárolás
Napi 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
ph
ph dW
dh
dn
n
Ami beérkezik…
(összes, W-nél nagyobb
energiájú fotonok száma,
eloszlásfüggvény,
foton/sec/cm2)

W
ph
ph
dW
dh
dn
n
dW
dh
dn
qWJ
gWh
ph
gL
A legkedvezőbb
félvezetőanyag
kiválasztása
a beérkező energia spektruma
T
T
m
T0m U
U
U
1lnUUqW
q
W
IP m
Lm
0
ph
m
L
m
dWn
q
W
I
P
P
0
ph
dWnP
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
Fölösleges
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!

Megújuló energiák és a "Föld űrhajó" jövője

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

Más de szkbl

Más de szkbl (20)

Megújuló energiák és a "Föld űrhajó" jövője