Nap– és szélenergia felhasználásának lehetőségei

1. Nap– és szélenergia felhasználásának lehetőségei Oktatási anyag, 2004 Készítette: Dr. Kun-Szabó Tibor

2. Szélenergia-hasznosítás Oktatási anyag Dr. Kun-Szabó Tibor

3. Energiaforrások I. • Nem megújuló • Szén • Kőolaj • Földgáz • Atomenergia • Fúziós energia • Megújuló • Napenergia • Szélenergia • Vízenergia • Biomassza • Geotermikus

4. Energiaforrások II. • Energiaforrásoknak a természet olyan anyagi rendszereit tekintjük, melyekből technikailag hasznosítható energia nyerhető gazdaságosan, az adott társadalmi, politikai, műszaki fejlettségi stb. körülmények között. • Gondolni kell arra, hogy - utódaink érdekében – a következőkben is kellő mennyiségű környezetbarát energiának kell biztonsággal rendelkezésre állnia.

5. A magyar energetikai potenciál

6. A szél keletkezése • A szél a levegő földfelszínhez viszonyított mozgása. A légkörben kialakuló nyomáskülönbségek hatására jön létre. A légkör alsó rétegeiben végbemenő légmozgást viszont a Nap sugárzó energiája hozza létre. • A légmozgás során a felmelegedett levegő ritkább, ezáltal felfelé emelkedik és helyébe hidegebb levegő áramlik. A trópusi területeken a légtömegek erősebben felmelegszenek, ezért a levegő felemelkedik és a sarkok felé kezd áramlani (antipasszát szelek). A pólusok felé haladva a levegő lehűl, nyomása meg-növekszik, süllyedni kezd, végül a föld felszínén visszaáramlik az egyenlítő irányába (passzát szelek). • Azon a helyen ahol a meleg levegő fölfelé emelkedett vákuum alakul ki. A légnyomás süllyed és alacsony légnyomású terület keletkezik. Ott, viszont, ahol a levegő ismét a talaj felé süllyed, magas nyomású terület alakul ki. • Csak az állandó jellegű szelek használhatók megfelelően jelentős energiatermelésre.

7. A szél mint energia • A szél teljes mozgási energiáját 100 TW teljesítményűre becsülik. A baj azonban az, hogy ennek csak bizonyos hányadát lehet hasznosítani. • A szél munkavégző képessége a szélsebességnek a harmadik hatványával arányos. • A gazdasági megfontolások azt mutatják, hogy a szelet elsősorban azokon a vidékeken érdemes kiaknázni, ahol a szélsebesség évi átlaga meg-haladja a 4-5 m/s értéket. Ez többnyire csak tengerparti helyeken van így, a szárazföld belseje felé haladva a belső súrlódás erősen csökkenti a szél sebességét. • Magyarország szélcsendes zugnak számít, még ha ezt egy-egy tomboló vihar cáfolja is. Budapesten az átlagos szélsebesség 1,8 m/s, és még Mosonmagyaróváron, hazánk legszelesebb vidékén sem haladja meg az 5 m/s értéket. Nyíregyházán van 4-5 m/s, sőt ennél nagyobb szél-sebesség is, de nem tart annyi ideig , hogy ezt tartósan ki lehessen használni. Ráadásul a szél energiasűrűsége aránylag kicsi, 40-60 W/m2.

8. A szélsebesség szerepe • A szelet mozgási energiájának felhasználásával lehet hasznosítani • A meteorológiai szolgálat nem tájékoztat pontosan, mert • a szélmérés 6-10 méter magasan zajlik és azt sok minden befolyásolja (például a fák) • A szélsebességet a kívánt magasságra az alábbi képlettel számolhatjuk: • v2 = v1* (h2/h1)1/5, ahol: • v1 a talajhoz közelebbi ponton mért szélsebesség, • h2az adott magasság, • h1pedig a mérés magassága. • Ez az összefüggés csupán síkvidékre érvényes, mivel a domborzati viszonyokat nem veszi figyelembe

9. Szélenergia hasznosítása • Szélkerekek • Kis teljesítményű, vagy mikro-szélturbinák • Nagy teljesítményű szélerőművek

10. Szélerőmű üzemeltetése • A szélerőműveket általában két módon üzemeltetik: 1. Szigetüzemben, azaz a termelt villamos energiát saját célra, a közcélú elosztóhálózattól függetlenül hasznosítják. 2. A villamos áram a hálózatra van kapcsolva, azaz a villamos áramot közcélú elosztóhálózatba táplálják be. • A rákapcsolást úgy is ki lehet alakítani, hogy a szél-generátorral mindkét üzemmódot meg lehessen oldani. • A szélgenerátor hálózatra való csatlakoztatásánál általában az alábbi szempontokat kell figyelembe venni: 1. műszaki (generátor típus, csatlakozási pont, védelmi funkciók stb.), 2. jogi (Villamos Energia Törvény, a vonatkozó rendeletek, az áram-szolgáltató üzletszabályzata) és 3. gazdaságossági.

11. A szélenergia tárolása • A szélenergiából szélgenerátorokkal átalakított villamos energiát akkumulátorok töltésére is lehet használni (általában 12-14 V feszültségen). A folyamatos energia- ellátás érdekében a szélgenerátor napelemekkel együtt is felszerelhető. Ebben az esetben a nap és a szél kitűnően kiegészítik egymást. Amikor süt a nap és nem fúj a szél, a napelemek biztosítják az energiát, míg a téli hónapokban vagy éjszaka a szélenergia állhat rendelkezésre. • Az akkumulátorokban tárolt energia 12-14 V-os egyenáramú hálózatot táplálhat, vagy váltakozó árammá alakítható, s így minden háztartási eszköz üzemeltethető vele. Ha több az áram, mint ami folyamatosan felhasználható, akkor a plusz mennyiség a kereskedelmi hálózatot táplálja. • Ha az akkumulátorok feltöltött állapotban vannak, és az energiára nincs szükség, a töltésszabályozó lekapcsolja a szélgenerátort az akkumulátorról. Az előállított energiát ebben az esetben hővé alakítja a rendszer, és használati melegvizet állít elő, ill. fűtési célt szolgál. • Ha a fogyasztók olyan sok áramot igényelnek, ami miatt az akkumulátor majdnem eléri a kisülési határértéket, akkor a töltésszabályozó lekapcsolja a fogyasztókat (kisülés elleni védelem). • A szélenergia tárolásának egyik kémiai módszere lehet még a hidrogén gyártása és cseppfolyós állapotban való tárolása. Ebben az esetben a szél által termelt villamos energiát használják fel a víz bontására.

12. Szélenergia az EU-ban • Dánia: • A szélenergia biztos és jó piac • 2015-ig évente 3-400 MW termelő kapacitást telepítenek tengerre • Rendelkezik a legmodernebb erőmű-típusokkal • Támogató politika segíti a terjedését • A második legnagyobb export ágazata a szélenergia • Anglia: • Bővítése teljes egészében az államtól függ • NFFO – Program (Nem Fosszilis Üzemanyag Kötelezvény) szabályozza az üzembe helyezést és a bővítést

13. Szélenergia az EU-ban • Svédország: • Jó kilátások • A szélenergia hasznosítás: • Csak állami segítséggel • Franciaország: • Első szélerőművet 1999. végén állították fel • Gyártók szívesen telepítenek ezen területekre

14. Szélenergia az EU-ban • Spanyolország: • Több mint 2000 MW-ot állítanak elő • Évi 1000 MW-os fejlesztés van tervezve • Fejlődés politikailag is biztosított • Három dán gyártó alapított leányvállalatot • Két spanyol vállalat is működik • Olaszország: • 1997-ben indult • Az országnak nincs saját erőforrása, de nagyon kedvező az áramdíj

15. Szélenergia az EU-ban • Hollandia: • 1980-as évek kezdete óta • Közepes piac • Az ország elég sűrűn lakott ahhoz, hogy jelentős kapacitás legyen gazdaságosan telepíthető • Németország: • 1999. végére 7500 db berendezés • Összes teljesítményük 4000 MW • 2000. április 1.-től új törvény • 2000-ben a kiépítés 1000 MW-tal bővült • Itt is tesztelnek és fejlesztenek szélerőműveket

16. Magyarország lehetőségei

17. Környezeti hatások • Szennyezőanyag-kibocsátások elkerülése • Globális felmelegedést okozó anyagok kibocsátásának elkerülése • Savasodást előidéző anyagok kibocsátásának elkerülése • Földterület használat • Vizuális benyomás • Zaj • Elektromágneses zavarás • Madarak

18. Széltornyok • Csak szélfúvásos területekre érdemes telepíteni • Mivel a szél nem folyamatosan fúj • Erőssége állandóan változik • A szélturbinák nem szolgáltatnak egyenletesen áramot • Teljesítményük változó • Ingadozásokat akkumulátorok segítségével ki lehet küszöbölni • Jobb megoldás a szélturbinák elektromos hálózathoz való csatlakoztatása

19. Széltornyok I. • Leginkább a „Dán Koncepció” szerint épülnek • a rotor három lapátból áll • dinamikai szempontból kiegyensúlyozott, mivel a tartószerkezetre a lehető legcsekélyebb dinamikus terhelés jut • melyet a lapátkerék • hajlító, • csavaró és • lengéstani terhelése okoz • A három lapát üvegszállal erősített poliészterből készül

20. Széltornyok II. • A különböző cégek lapátjai eltérnek egymástól • Minden lapátot tesztelnek: • statikailag • aerodinamikailag • Vannak, akik a lapáttollba fűtést építenek: • jégképződést megakadályozása • jéghullások következtében bekövetkező balesetek megakadályozása végett

21. Széltornyok III. • Állvány • Gondola • Generátor • Nyomatékváltó rendszer • Főtengely • Kuplung (tengelykapcsoló) • Pozícionáló motor • Vezérlőegység • Fék • Szélerősségmérő és • Széliránymérő • Rotor (forgórész)

22. A szélmotor felépítése

23. A szélerőművek biztonságtechnikája Biztonsági előírások Tűzvédelmi rendszabályok Biztonsági rendszabályok és utasítások Biztonsági rendszerek Lefékezés nagy szélsebességről Vész-leállító gomb Rázkódásérzékelő és rezgésellenőrző műszer Leállítás hálózat kimaradása esetén

24. A terület kiválasztásának szempontjai • Szélviszonyok • Felszíni adottságok • Természeti adottságok • Területrendezési szempontok • Hálózati csatlakozás szempontjai • Létesítés gazdaságossága, előzetes üzleti terv

25. Szélviszonyok Környezeti adottságok Természeti adottságok Területrendezési szempontok Hatósági beleegyezés Hálózati csatlakozás szempontjai Logisztikai szempontok Létesítés gazdaságossága Egyéb szempontok

26. A Balaton-felvidéki Nemzeti Park Igazgatóságának álláspontja • Védett természeti értékek megóvása • Nemzetközi tapasztalatok adaptálásának nehézségei • Az alapkőzet teherbírása • A tájba illesztés nehézségei • Zaj, és infrahangok • Együttműködési készség

27. Néhány elektronikus forrás • www.nyf.hu 2003.12.13. • www.kornyezetunk.hu 2003.12.17. • www.tabulas.hu 2003.12.19. • http://www.winfo.hu/ 2000.10.25. • www.omsz.hu 2003.12.10. • http://www.bfnpi.hu/kepeslap/kepeslap.asp 2003.12.19. • http://www.pannongeodezia.hu/ 2003.12.19.

28. Köszönetnyilvánítás Köszönet illeti a Környezetmérnöki Tanszék hallgatóit (Albert Orsolya, Asztalos Anita, Herczeg Judit és Sörös Gábor) a tervezési gyakorlatok készítése során elvégzett szakirodalmazási munkájukért, Zalavári Istvánt, az i-qudrat Kft. igazgatóját az elkészítés során nyújtott gyakorlati segítségéért, amelyek eredményei ebben az oktatási anyagban megjelenhettek. Köszönet illeti Kiss Ferenceta NYTF-ról, akinek az összeállítását itt részben felhasználtuk. Dr. Kun-Szabó Tibor egyetemi docens

29. Köszönöm a figyelmet!