Megújuló energiák és a "Föld űrhajó" jövője
- 1. 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
- 2. 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?
- 3. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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
- 4. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke "Föld űrhajó" A fenntarthatóság alapja: a termelési folyamatok zárt ciklusúvá alakítása! Űrhajó: rövidtávú modell Föld: 109 év!
- 5. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 5/30 Mai energiafelhasználás ► Ma kb.: 80 % fosszilis energiahordozók 7 % atomenergia 13 % megújuló energiaforrások ► 120,000 TWh összenergiaigény
- 6. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 7/30
- 8. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 8/30 Globális felmelegedés képekben
- 9. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 9/30 Környezetszennyezés
- 10. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 10/30 Megújuló energiaforrások ► Napenergia ► Szélenergia ► Biomassza ► Geotermikus energia (?) ► Vízenergia (?) ► Nukleáris energia (fúziós) Megújuló = környezetbarát?
- 11. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 11/30 Napenergia ► Nincs szennyeződés ► Nem merül ki ► 1,100,000,000 TWH évente ► 5000-szer több, mint az emberiség energiaszükséglete ► Fluktuációk ► Költségek
- 12. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 14/30 Geotermia ► Napenergiánál kisebb potenciál 28,000 TWh évente ► Nincs fluktuáció ► Lehetséges szennyeződések a föld belsejéből ► Mellékszál: hőszivattyú
- 15. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 15/30 Vízenergia ► Legalacsonyabb potenciál: 10,000 TWh ► Nagy környezeti beavatkozásokat igényel ► Nincs fluktuáció (sőt, tárolni is lehet az energiát)
- 16. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke
- 17. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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)
- 19. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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
- 20. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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
- 21. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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
- 22. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke A nap szerkezete Szerkezet Mag Sugárzási zóna Konvekciós zóna Fotószféra Kromoszféra Korona
- 23. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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 %)
- 24. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Napenergia spektruma Napállandó ► AM 0: 1354 W/m2 ► AM 1: 1040 W/m2 ► AM 1,5: 970 W/m2
- 25. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 25/30 Napenergia hasznosítás Napelemek: ► Fényelektromos hatás ► Elektromos energia ► Hatásfok: 10-30% Napkollektorok: ► Hőelnyelődés ► Hőenergia ► Hatásfok: 50-60% Kombinált rendszer
- 26. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 26/30 Energia tárolás Napi és éves változások az energiatermelésben Rövid és hosszú távú energiatárolás is szükséges
- 27. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 28/30 Napenergia termikus hasznosítása
- 29. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 29/30 Napenergia termikus hasznosítása
- 30. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 30/30 Napenergia termikus hasznosítása
- 31. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 31/30 Napenergia termikus hasznosítása
- 32. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 32/30 Napenergia termikus hasznosítása (időjárás befolyásolása?)
- 33. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Fúziós - fotovoltaikus energiatermelő rendszer h Wg Wg h Csatolás a napkorona elektronjai és a földi atomok, szilárdtestek elektronjai között
- 34. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Analógia: víz felemelése „magasabb energiaszintre”, majd az energia hasznosítása
- 35. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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
- 36. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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)
- 37. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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:
- 38. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke A legkedvezőbb félvezetőanyag -földi körülmények között -energiakoncentrálás nélkül, illetve -ezerszeres energiakoncentrációval Cu(In,Ga)Se2
- 39. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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
- 41. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke Napelemfarm
- 42. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke
- 43. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke
- 44. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 44/30 Csúcstechnológia: 3 pn átmenet (GaInP/GaAs/Ge), 28-30%
- 45. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 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. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem Elektronikus Eszközök Tanszéke 46/30 Köszönöm a hallgatóság figyelmét, türelmét, a Szkeptikus Társaság vezetésének pedig a szervezést és az előadás lehetőséget!