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

Szélenergia-hasznosítás Oktatási anyag Dr. Kun-Szabó Tibor

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

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.

A magyar energetikai potenciál Energia-fajta Vagyon, Mt (PJ/év) Termelés, Mt/év (PJ) Ellátottság, év Nem megújuló Szén 480 7,0 ~70 Lignit 2200 7,6 ~400 Kőolaj 19 1,3 ~15 Földgáz 60 3,0 ~20 Uránérc 3,4 2∙10-5 Bányászat megszűnt Megújuló Vízenergia 16 1,8 -- Biomassza 100 14 Nap- és szélenergia 10 ~0

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.

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.

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, h2 az adott magasság, h1 pedig a mérés magassága. Ez az összefüggés csupán síkvidékre érvényes, mivel a domborzati viszonyokat nem veszi figyelembe

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

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.

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.

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

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

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

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

Magyarország lehetőségei

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

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

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

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

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

A szélmotor felépítése

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

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

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

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

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.

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 Ferencet a NYTF-ról, akinek az összeállítását itt részben felhasználtuk. Dr. Kun-Szabó Tibor egyetemi docens

Köszönöm a figyelmet!