A jelleggörbék, általánosan megfogalmazva, a különféle berendezések működési szempontból lényeges fizikai paraméterei közti kapcsolatot írják le. Motorok esetében beszélhetünk például nyomaték-fordulatszám jelleggörbéről, amelyek a motor által leadott nyomatékot mutatják be a fordulatszám függvényében. Villamos berendezések esetén a két legfontosabb mennyiség az áram és a feszültség, így leggyakrabban az áram-feszültség (I-U) jelleggörbét (karakterisztikát) használjuk.

Áram-feszültség jelleggörbe

Szilícium kristályos napelemcella jellemző áram-feszültség jelleggörbéje

Egy napelemcella a legnagyobb áramot rövidzárás, tehát 0 feszültség esetén adja le, ezt rövidzárási áramnak nevezzük. A feszültség növelésével az áram kezdetben szinte állandó, csak igen kis mértékben csökken, azonban egy bizonyos feszültség (kristályos szilícium napelemek esetén kb. 0,5 V) felett meredeken lecsökken. A görbe vízszintes tengelymetszetét, amikor nem folyik áram, üresjárásnak nevezzük, egy cella jellemző üresjárási feszültsége pedig 0,65 V.

A napelemre kapcsolt fogyasztó szintén jellemezhető egy jelleggörbével. Egy ellenállás esetén, az Ohm törvény értelmében az ellenálláson eső feszültség egyenesen arányos a rajta átfolyó árammal:

Az ellenállás jelleggörbéje tehát egy origóból kiinduló egyenes, mely alacsonyabb ellenállás esetén meredekebb, magasabb ellenállás esetén pedig laposabb. Amennyiben a napelemcella és az ellenállás jelleggörbéit közös koordináta rendszerben ábrázoljuk, akkor a kettő metszéspontjaként meghatározható a rendszer munkapontja. Az alábbi ábrán egy 0,1 Ω-os ellenállás jelleggörbéjét mutatom be, ebben az esetben a napelem kapcsain 0,59 V feszültség alakul ki és az áramkörben 6 A áram folyik. A termelt teljesítmény az áram és feszültség szorzata, ebben az esetben 3,54 W.

Egy napelemcella és egy ellenállás összekapcsolásakor kialakuló munkapont meghatározása a jelleggörbék metszéspontjaként

Teljesítmény-feszültség jelleggörbe

A napelem teljesítmény-feszültség jelleggörbéje az előállított villamos teljesítményt ábrázolja a feszültség függvényében. Ezt a görbét az áram-feszültség jelleggörbéből egyszerűen előállíthatjuk úgy, hogy adott feszültség esetén összeszorozzuk a feszültség és a hozzá tartozó áram értékét.

Napelem áram-feszültség és teljesítmény-feszültség jelleggörbéje egy diagramon ábrázolva

A napelemek teljesítményének van egy jól látható maximuma ott, ahol a feszültség és az áram egyaránt viszonylag magas értéket vesznek fel. Ezt a pontot legnagyobb teljesítményű munkapontnak nevezzük, és a hazai gyakorlatban is elterjedten MPP-nek rövidítjük (az angol Maximum Power Point kifejezésből). A napelemek használata során arra érdemes törekedni, hogy a napelem az MPP-hez minél közelebb tudjon működni, például a napelemre kapcsolt ellenállás értékét úgy célszerű megválasztani, hogy annak jelleggörbéje pont az MPP-ben metssze a napelem jelleggörbét. A valóságban azonban ez nem ilyen egyszerű, mivel a napelemek jelleggörbéje jelentősen függ a sugárzástól és a cellahőmérséklettől, így nem lehet olyan állandó ellenállást találni, ami minden üzemállapotban biztosítja a legnagyobb teljesítményű működést.

A napelemek maximális termelését MPP követő berendezések segítségével biztosítják, amelyek olyan DC feszültségszabályozók, amelyek a napelemek kapocsfeszültségét folyamatosan úgy állítják be, hogy a leadott teljesítmény maximális legyen. Ezt a folyamatot legnagyobb teljesítményű munkapont követésnek (Maximum Power Point Tracking), közismert rövidítéssel MPPT-nek nevezzük. Ez a szabályozó általában az inverterekben található meg, de bizonyos esetekben (pl. optimalizálóval szerelt modulok vagy laboratóriumi rendszerek) más megoldással is találkozhatunk.

Jelleggörbék időjárásfüggése

Az eddig bemutatott jelleggörbék egyetlen napelemcellára vonatkoznak, a kereskedelmi forgalomban kapható napelemmodulok azonban több, sorba kapcsolt cellából épülnek fel. A hazánkban legelterjedtebb napelemek esetében 60 darab sorba kötött cella alkot egy modult, így ezek feszültsége összeadódik, a teljes modul üresjárási feszültsége (kb. 39 V) hatvanszorosa az egyes cellák üresjárási feszültségének (kb. 0,65 V), az áramuk viszont megegyezik. A következőkben szereplő diagramok már teljes napelem modulokra vonatkoznak.

A sugárzás csökkenésével egyenes arányban csökken a napelemek rövidzárási árama

A fenti ábrán a napelemek sugárzásfüggését láthatjuk. A sugárzás a napelemek rövidzárási áramát egyenes arányban befolyásolja, tehát fele akkora sugárzás esetén közel fele akkora áramra számíthatunk. A sugárzás kisebb mértékben az üresjárási feszültségre is hatással van, a sugárzás csökkenésével a feszültség is csökken, de jelentősebb változást csak alacsony sugárzás esetén figyelhetünk meg.

A cellahőmérséklet növekedésével a napelemek üresjárási feszültsége csökken

A napelemcellák hőmérséklete főként az üresjárási feszültségre van hatással, ami közel lineárisan csökken a hőmérséklet növekedésével. A hőmérséklet növelése a rövidzárási áram növekedését is okozza, a feszültségre gyakorolt hatásnál azonban csak jóval kisebb arányban. A napelemek hatásfokának közismert hőmérsékletfüggése az itt bemutatott feszültségcsökkenésre vezethető vissza.

A jelleggörbék időjárásfüggése alapján meghatározhatjuk például, hogy hogyan változik a napelemek teljesítménye és hatásfoka a környezeti jellemzők függvényében. A jelleggörbék a rendszerek méretezése során is fontosak annak érdekében, hogy biztosítani tudjuk, hogy pl. az inverterre kapcsolt napelemek árama és feszültsége mindig az inverter működési tartományán belül legyen. Olyan, hazánkban kevésbé elterjedt megoldások esetén, ahol a napelemekről közvetlenül (köztes elektronika nélkül) látunk el valamilyen fogyasztót, nem is kerülhetjük meg a karakterisztikák használatát a méretezés során.

A napelemek olyan berendezések, amelyek a felületükre érkező napsugárzást közvetlenül villamos energiává tudják alakítani. Elvi felépítésüket tekintve egy félvezető diódával egyeznek meg, így működési elvük megértéséhez elengedhetetlen ezek alapvető ismerete is. A gyakorlatban a szilícium alapú napelemek messze a legelterjedtebbek, így a következőkben az egyszerűség kedvéért a szilíciumra vonatkoztatva mutatom be a működést, de az elv hasonló az egyéb félvezetők esetében is.

Félvezetők elméleti háttere

Az anyagok atomokból épülnek fel, amelyek két fő része az atommag és az elektronburok. Az elektronok különböző elektronhéjakon helyezkednek el, amelyekhez az atommagtól távolodva egyre magasabb energiaszint tartozik. Az atomok tulajdonságait döntően a leggyengébben kötött, tehát legmagasabb energiájú külső elektronhéjon (ún. vegyértékhéjon) található elektronok határozzák meg. Az atomokban az elektronhéjakon belül az elektronok diszkrét pályákon tartózkodnak, melyek mindegyikéhez egy meghatározott energiaszint tartozik, így az elektronok energiája nem vehet fel tetszőleges értéket. Szilárd testek esetében ezek a pályák sávokká szélesednek, egy-egy sávon belül az elektron energiája tehát nem csak egy konkrét értéket vehet fel, hanem egy tartományon belül változhat. A sávok szélessége az atomi elektronpályáktól és a kristályszerkezettől is függ, így bizonyos anyagok esetében ezek akár át is fedhetnek, amennyiben azonban nem érnek össze, akkor ún. tiltott sáv marad köztük, amely be nem tölthető energiaszinteket jelent.

Szilárd testek esetében vegyértéksávnak nevezzük azt a legkülső energiasávot, amelyben még elektronok találhatóak. Az vegyértéksáv felett található (magasabb energiájú) sávot vezetési sávnak nevezzük, mivel az itt található elektronok szabadon elmozdulhatnak az atomok közt, ezáltal elektromos vezetést hozva létre. Fémek esetében a vezetési és a vegyértéksáv energiaszintje átfed, a két sáv nem különül el egymástól, a vegyértékelektronok így szabadon mozoghatnak a kristályrácson belül, ebből fakad a fémek jó vezetőképessége. A szigetelő anyagok esetében más a helyzet: a vegyértéksáv teljesen betöltött, így ott az elektronok nem tudnak elmozdulni, és nem hozhatnak létre vezetést. A vezetési sávban ezzel szemben nem találhatóak elektronok, a kettő közt pedig egy széles tiltott energiasáv van, ami meggátolja, hogy a vegyértékelektronok a vezetési sávba átlépve vezetést hozzanak létre.

A félvezető anyagok sávszerkezete a szigetelőkhöz hasonló: egy betöltött vegyértéksáv felett egy üres vezetési sáv található, a kettőt elválasztó tiltott sáv szélessége azonban kisebb, így az elektronoknak kisebb gerjesztés hatására is lehetőségük van átlépni azt. Gerjesztés esetén egy elektron átlép a vezetési sávba, ahol szabadon elmozdulhat az atomok közt, míg a helyén egy elektronhiány, ún. lyuk marad. Ez a lyuk szintén elmozdulhat az atomok közt azáltal, hogy az elektronhiányt valamelyik szomszédos elektron tölti be, majd annak a helyét egy távolabbi szomszédja, és így tovább. A lyuk lényegében egy negatív elektron hiánya, így kvázi egy pozitív töltéshordozónak tekinthetjük, az általa létrehozott vezetést pedig lyukvezetésnek nevezzük. Ezt a jelenséget, amikor egy félvezetőben az elektron a vezetési sávba lép, másképpen elektron-lyuk párok keletkezésének is nevezzük.

Szilárd testek sávszerkezete. A függőleges tengelyen felfelé az egyre magasabb energiaszinteket találjuk, míg a fekete a betöltött, a fehér pedig a betöltetlen energiaszinteket jelöli. Félvezetők és szigetelők esetén megfigyelhető a betöltött vegyérték és a betöltetlen vezetési sáv közti tiltott sáv [1]

A hőmérséklet emelkedésével az elektron-lyuk párok száma megnövekszik, így egyre több az anyagban a szabadon elmozdulni képes töltéshordozók száma, tehát nő a félvezető vezetőképessége. Ez az oka vannak, hogy a fémekkel ellentétben a félvezetők ellenállása magasabb hőmérséklet esetén nem növekszik, hanem csökken.

Felvezetők adalékolás (p- és n-típus)

A leggyakoribb félvezető a szilícium, amely a periódusos rendszer IV. főcsoportjába tartozik, tehát négy külső (vegyérték) elektronnal rendelkezik. A szilícium kristályban az atomok tetraéderes kristályrácsban helyezkednek el, így minden szilícium atomnak négy szomszédja van, a négy vegyérékelektron ezekkel alkot kovalens kémiai kötést. Ezek a kovalens kötésben résztvevő elektronok alkotják a fentiekben bemutatott betöltött vegyértéksávot. A kristályrács kétdimenziós reprezentációját az alábbi ábra mutatja.

Szilícium kristályrács tiszta szilícium, illetve p- és n-típusú adalékolás esetén: az n-típusnál megfigyelhető az elektronhiány (lyuk) a vegyérték elektronok közt, míg a p-típusnál a többlet, kovalens kötésekben részt nem vevő, vezetési sávba kerülő elektron

A félvezetők tulajdonságai adalékolással (szennyezéssel) befolyásolhatók, melynek során a szilícium atomok közé a szomszédos főcsoportokba tartozó atomokat, leggyakrabban bórt és foszfort juttatunk:

• p-típus: a bór a III. főcsoportban található, így mindössze 3, a szilíciumhoz képest egyel kevesebb vegyértékelektronnal rendelkezik. Minden, a rácsba beépült bóratom hatására tehát egy elektronhiány, vagyis lyuk jön létre, a vegyértéksáv így nem lesz teljesen betöltött, a lyukak pedig a kristályrácsban elmozdulva növelik a vezetőképességet. A lyukvezetés során a pozitív töltésű lyukak a szabadon elmozduló töltéshordozók, ezért ezt p-típusú félvezetőnek nevezzük.
• n-típus: a foszfor az V. főcsoportba tartozik, így az 5 vegyértékelektron közül csak 4 képes beépülni a kristályrács kovalens kötéseibe, az ötödik a vezetési sávba kerül és szabadon mozoghat a kristályban. A vezetést a negatív töltésű elektronok okozzák, ezért ezt n-típusú félvezetőnek nevezzük.

A p- és n-típus nem elektrosztatikus töltésre utal, hiszen mindkét anyag semleges: amennyivel több vagy kevesebb elektron található bennük, ugyanannyival több, illetve kevesebb proton található a foszfor-, illetve bóratommagokban is. Bár a p-típusú félvezetőbe a lyukak dominálnak, a termikus gerjesztés hatására kis számban szabad elektronok is találhatóak a vezetési sávban, és ez megfordítva igaz az n-típusra is.

Szabadon mozgó töltéshordozók a p- és n-típusú félvezetőkben

Mindkét típusú szennyezés szabadon mozgó töltéshordozókat juttat az anyagba, így növeli a félvezető vezetőképességét, a gyakorlati alkalmazásuk azonban nem ezen tulajdonságuk köré épül. Több p- és n-típusú rétegek egymás mellé helyezéséből összetett elemek, pl. diódák és tranzisztorok hozhatók létre.

Diódák működési elve

A dióda egy p- és egy n-típusú félvezető rétegből épül fel, amelyek határfelületét p-n átmenetnek nevezzük. Az n-oldalon levő elektronok magasabb energiaszinten vannak, mint a p-oldalon levő lyukak (hiszen előbbiek a magasabb energiájú vezetési, míg utóbbiak az alacsonyabb vegyértéksávban találhatóak), így az energiaminimumra törekvés értelmében az elektronok átdiffundálnak a határfelületen, és betöltik a p-oldalon levő lyukakat (más szóval az elektronok és lyukak rekombinálódnak). Az átlépő elektronok hatására az n-oldalon lecsökken, míg a p-oldalon megnő a negatív töltésű elektronok száma, tehát az n-típusú félvezetőben pozitív, míg a p-típusúban negatív elektrosztatikus töltés alakul ki. Az elektrosztatikus töltés elektromos térerősséget, és ezáltal egy potenciálgátat hoz létre, ami gátolja a további elektronok átlépését a p-oldalra. A folyamat tehát addig tart, amíg a potenciálgáton történő átjutáshoz szükséges energia el nem éri az elektronok alacsonyabb energiaszintre jutásából fakadó energianyereséget, így ez egész jelenség csak a p-n átmenet közelébe korlátozódik. A határfelület közelében a rekombináció hatására eltűnnek a szabad töltéshordozók, melyek helyére a kialakult elektrosztatikus töltés miatt nem is lépnek újak, így egy ún. kiürített réteg alakul ki.

Potenciálgát és kiürített réteg kialakulása egy p-n átmenet határfelülete mentén

A diódákat egyenirányításra használjuk, mivel nyitóirányban kis feszültségesés árán átengedik a villamos áramot, ezzel ellentétes irányú (záróirányú) feszültség esetén azonban nem. Nyitóirányú feszültségről akkor beszélhetünk, ha (az alábbi ábrának megfelelően) a feszültségforrás pozitív pólusát a p-oldalra, míg a negatív pólust az n-oldalra kapcsoljuk. Ebben az esetben a diódára juttatott feszültség ellentétes irányú a p-n átmenet mentén kialakult potenciálgáthoz képest, így annak ellenében képes elektronokat és lyukakat juttatni a kiürített rétegbe. A feszültség növelésével csökken a kiürített réteg vastagsága, és amennyiben a feszültség meghaladja a potenciálgát nagyságát (ezt küszöbfeszültségnek nevezzük, és szilícium diódák esetében jellemző értéke 0,7 V), akkor a kiürített réteg teljesen megszűnik, és a dióda szabadon vezeti az elektromos áramot. A diódán eső feszültség ilyenkor csak alig függ az áramerősségtől, és közelítőleg a küszöbfeszültséggel egyezik meg – ettől a kis feszültségeséstől eltekintve a diódát nyitó irányban rövidzárnak tekinthetjük.

A potenciálgátat (küszöbfeszültséget) meghaladó nyitóirányú feszültség esetén kiürített réteg eltűnik és a diódák jól vezetik az elektromos áramot

Záróirányú kapcsolás esetén a diódára kapcsolt feszültség iránya megegyezik a potenciálgát irányával. A pozitív pólust a p-oldalra kapcsoljuk, amely így magához vonzza az ott található elektronokat, míg a negatív pólus az n-oldalon a lyukakat vonzza. A szabadon mozgó töltéshordozók eltávolodnak a határfelülettől, így a kiürített réteg szélessége megnövekszik, ami tovább gátolja az elektromos áram vezetését, a dióda tehát jó közelítéssel szakadásként viselkedik. Valójában egy kis mértékű (szilícium esetében jellemzően nanoamper nagyságrendű, szinte elhanyagolható) záróáram ilyenkor is folyik a termikus gerjesztés hatására létrejövő elektronok és lyukak miatt. A dióda záró tulajdonságait egészen az ún. letörési feszültségig képes megőrizni, magasabb feszültség esetén azonban az áramerősség értéke hirtelen megugrik. Ennek oka, hogy a nagy feszültség hatására az elektronok olyan nagy energiára tesznek szert, hogy képesek további kötött elektronokat kiszakítani a vegyértéksávból, így lavinaszerűen megnövelve a szabadon mozgó töltéshordozók számát (ezt a jelenséget lavina-effektusnak is nevezzük). A magas feszültség és áram együttesen jelentős hőtermeléssel is jár, így ez általában a dióda tönkremeneteléhez vezet.

Záróirányú feszültség esetén a kiürített réteg kiszélesedik, így a diódák nem vezetik az áramot

Napelem mint fotodióda

A diódák működésének megértése után már csak egy lépésre vagyunk a napelemek működési elvétől, hiszen a napelemek lényegében nagy felületű fotodiódák. Fotodiódának az olyan diódákat nevezzük, ahol a vezetés fény hatására jön létre.

A napsugárzás elemi energiacsomagokból, fotonokból áll, amelyek a félvezető belsejébe behatolva gerjesztik a vegyértéksáv elektronjait, és azokat a vezetési sávba juttatva elektron-lyuk párokat hoznak létre. A kiürített sávban kialakult elektrosztatikus töltés hatására ezek szétválnak, az elektronok a pozitív töltésű n-oldalra, míg a lyukak a negatív p-oldalra gyűlnek. Ez a töltésmozgás záró irányú áramnak feleltethető meg, melynek áramerősségét a fotonok által keltett elektron-lyuk párok száma, tehát közvetve a sugárzás intenzitása határozza meg. Az n-oldalon felgyűlt elektronok hatására az ottani kontaktuson negatív, míg a p-oldalon pozitív töltés halmozódik fel, melynek hatására feszültség jön létre. Amennyiben ez a feszültség kisebb, mint a p-n átmeneten kialakult potenciálgát, akkor a töltéshordozók nem a félvezetőn belül, hanem egy külső áramkörön keresztül rekombinálódnak, így egyenáram jön létre: a napelemek energiát termelnek.

A napsugárzás hatására a kiürített rétegben elektron-lyuk párok keletkeznek, majd a p-n átmeneten kialakult térerősség hatására szétválnak, és a félvezető két oldalán gyűlnek fel, ahonnan egy külső áramkörök keresztül, energiát termelve képesek rekombinálódni

A napelemek tehát olyan diódák, melyeken működés közben záró irányú áram folyik, míg a kontaktusokon nyitóirányú feszültség alakul ki, így a napelemek nem fogyasztóként, hanem termelőként viselkednek. A záróirányú áram nagysága a sugárzással arányos, aminek különösen az árnyékolási veszteségek megértése során van jelentősége: amennyiben egy árnyékolt cellát nem ér sugárzás, az egy sima diódaként viselkedik, és záró irányba nem engedi át az áramot. Egy napelem cella által előállított feszültséget korlátozza az p-n átmeneten kialakult potenciálgát nagysága (ami egyben a dióda küszöbfeszültsége), hiszen ennél nagyobb feszültség esetén a rekombináció már nem egy külső áramkörön, hanem a napelemen belül történne. Egy szilícium napelem cella jellemző üresjárási feszültsége hozzávetőlegesen 0,6 V, ami közelítőleg a szilícium diódák küszöbfeszültségével egyezik meg.

A napelemek működési elvének ismerete a cellák hőmérsékletfüggésének, jelleggörbéinek, elméleti modelljének és az árnyékolási veszteségeknek a megértését is megkönnyíti, mely témaköröket külön, részletes cikkekben is bemutatom.

Hivatkozások

• Wikipeadia: Electronic band structure, https://en.wikipedia.org/wiki/Electronic_band_structure (2019. dec. 5.)
• Wikipeadia: Fermi-szint, https://hu.wikipedia.org/wiki/Fermi-szint (2019. dec. 5.)

Az erőművek névleges, beépített teljesítménye azt mutatja meg, hogy a tervezési körülmények között mekkora teljesítményt képes előállítani az erőmű. Ez az érték határozza meg az erőmű méretét és beruházási költségét, és ez határolja be a működése során kiadható pillanatnyi teljesítményt is. Az erőmű bevételei azonban a megtermelt energiából származnak, illetve azzal arányos a felhasznált tüzelőanyag vagy egyéb segédanyagok mennyisége, így a környezeti kibocsátások is.

A névleges teljesítmény és a termelt energiamennyiség közt a kihasználási tényező teremt kapcsolatot. A kihasználási tényező egy adott időszakban ténylegesen megtermelt, és az elméletileg maximálisan megtermelhető energia hányadosa. Az elméletileg megtermelhető maximális energiát úgy számítjuk, hogy az erőmű névleges teljesítményét megszorozzuk a vizsgált időszak teljes hosszával, tehát azt feltételezzük, hogy az erőmű végig csúcsteljesítményen üzemel. Egy 50%-os kihasználási tényező tehát jelentheti azt is, hogy az erőmű végig a névleges teljesítménye felét állította elő, de azt is, hogy az idő felében csúcsteljesítményen, a másik felében pedig egyáltalán nem üzemelt. A gyakorlatban természetesen mindig ez a két véglet közti állapot fordul elő.

A kihasználási tényezővel analóg mennyiség a csúcskihasználási óraszám, amely az adott időszakban megtermelt összes energia és a névleges teljesítmény hányadosa. A csúcskihasználási óraszám a kihasználási tényező és az időszak teljes hosszának szorzatával egyezik meg, pl. egy 70%-os éves kihasználási tényező 6132 h éves csúcskihasználási óraszámnak felel meg (hiszen egy év 8760 órából áll, és 8760 h * 0,7 = 6132 h). A kihasználási tényezőt és óraszámot leggyakrabban éves időtartamra vonatkoztatjuk, de egyébként tetszőleges hosszúságú időtartamra is értelmezhetőek.  A havi csúcskihasználási óraszámok segítségével pl. az éves energiatermelés éven belüli eloszlását vizsgálhatjuk meg.

Hagyományos erőművek esetén a termelt energiamennyiség és így az erőmű kihasználtsága alapvetően üzemeltetési kérdés. A kötelező karbantartásokat leszámítva ezek az erőművek elvi síkon képesek az év legnagyobb részében csúcsteljesítményen működni, így akár 90% feletti kihasználási tényezőt is elérhetnek. A gyakorlatban azonban az energiaigények is változnak, így a hazai erőműparknak is ezt a változást kell lekövetnie: völgyidőszakban kevesebb, míg csúcsidőszakban nagyobb teljesítményt kell előállítani. Az alapigényeket magas kihasználási óraszámú ún. alaperőművek látják el, amelyek jellemzően alacsony üzemeltetési költségű szén- vagy atomerőművek. A ritkábban előforduló csúcsigényeket ezzel szemben kisebb kihasználtságú, olcsóbban megépíthető, de drágábban termelő, jellemzően földgáz tüzelésű csúcserőművek elégítik ki. A hagyományos erőművek esetén is kialakult az, hogy az különféle erőművi technológiákra más-más kihasználási tényező jellemző, ennek azonban főleg piaci okai voltak: az olcsóbban termelő erőművek jobb kihasználtsággal működnek, de nincs műszaki akadálya annak, hogy szükség esetén akár egy gázturbinás erőmű is szinte egész évben üzemeljen.

A megújuló energiaforrásokon alapuló erőművek esetében azonban alapvetően más a helyzet, mivel itt a megtermelhető energia mennyiségét nem az üzemeltetési stratégia és a piaci árak, hanem az időjárás alakulása határozza meg. A környezeti hatások által megszabott kihasználási tényezőtől lefelé ugyan még az időjárásfüggő megújulók esetén is el lehet térni, ez azonban ma még csak kivételes esetben fordul elő, hiszen a legtöbb megújuló erőmű közel ingyen (nulla változó költséggel) képes termelni, így mindig érdemes a lehető legjobb kihasználtságra törekedni.

A Nemzetközi Megújuló Energia Ügynökség 2017-es adatai alapján megvizsgáltam az egyes megújuló alapú villamosenergia-termelő erőművek jellemző kihasználási tényezőjét [1]. Ehhez kigyűjtöttem az egyes megújulókhoz tartozó beépített erőművi teljesítményt és az éves szinten megtermelt energia mennyiségét, majd a kettő hányadosaként kiszámoltam a csúcskihasználási óraszámot és tényezőt.

Megújuló alapú villamosenergia-termelők világszintű kihasználási tényezője 2017-es év adatai alapján [1]

Az egyes energiaforrásokra jellemző kihasználási tényezőket oszlopdiagramon is ábrázoltam. Csökkenő sorrendben:

• Geotermikus energia: a nagy mélységből feltörő fluidum hőmérséklete az időjárástól függetlenül közel állandó, ami közel állandó magas teljesítmény tesz lehetővé. Az erőmű hatásfokát a környezeti hőmérséklet is befolyásolja, ráadásul az alacsony hőmérséklet a kedvezőbb, így ezek az erőművek télen még több energia termelésére képesek a nyári időszakhoz képest.
• Biomassza: a legtöbb biomassza termelését egy éves ciklikusság jellemzi, azonban a belőle készült tüzelőanyagok tárolhatósága és több különböző alapanyag használatának lehetősége viszonylag magas kihasználást tesz lehetővé.
• Vízenergia: a folyók vízhozamának szezonalitása (szárazabb és nedvesebb időszakok, hóolvadás) miatt a vízerőművek átlagos kihasználási tényezője már 40% alatti, a megújulók között azonban még ez is magasnak számít. Az általános gyakorlat szerint a vízerőművek teljesítményét nem a csúcs, hanem annál alacsonyabb vízhozamra méretezik, ami hozzájárul a magas kihasználtsághoz.
• Szélenergia: a szélturbinák teljesítménye közelítőleg a szélsebesség harmadik hatványával arányos, így alacsonyabb szélsebesség esetén a termelésük jelentősen elmarad a névlegestől, ami alacsony kihasználáshoz vezet.
• Óceánenergia: a kis beépített kapacitás miatt (aminek ráadásul legnagyobb részét két árapály erőmű teszi ki) ez az érték még kevésbé reprezentatív, de az alacsony kihasználás oka feltehetőleg az árapály jelenségből fakadó vízszintváltozás periodikus jellege.
• Napenergia: a legalacsonyabb kihasználási tényezővel rendelkező megújuló, ami több hatás együttes eredménye: a) az év felében (éjszaka) egyáltalán nem termelnek, b) a légkör és a sugárzás beesési szöge miatt a napközbeni változását is egy fokozatos felfutás és csökkenés jellemzi, c) a borús időben jelentősen csökken a teljesítmény, d) a névleges termelés egy irreálisan kedvező állapotra vonatkozik (1000 W/m² sugárzás és 25 °C cellahőmérséklet, ami a valóságban csak igen ritkán fordul elő).

Nagyon fontos látni azonban, hogy a táblázatban szereplő értékek világszintű átlagot mutatnak, míg konkrét erőművek kihasználtsága nagymértékben eltérhet a földrajzi hely és a lokális körülmények hatására. A természeti erőforrások rendelkezésre állása területenként jelentősen különbözhet, így például egy észak-afrikai napelempark csúcskihasználási óraszáma duplája egy azonos méretű, Észak-Európában létesített parkhoz viszonyítva. A hazai értékek egyébként közel állnak a világátlaghoz, így az itt bemutatott számértékek a gyakorlatban is jól használhatók.

Megújuló alapú villamosenergia-termelők átlagos kihasználási tényezője 2017-ben

Mi is ennek a jelentősége, miért fontos tisztában lennünk mindezzel akkor, ha a megújulókkal akarunk foglalkozni?

A megújuló alapú erőművekről a sajtóban és a szakmai anyagokban is leggyakrabban a beépített teljesítmény jelenik meg mint legfontosabb információ. Gyakorlati szempontból azonban a termelt energia a lényegesebb: ettől függ az erőmű bevétele, ez határozza meg a megtakarított környezeti kibocsátást, valamint a nemzetközi célkitűzésekben előírt megújuló részarányt is energiaára vonatkoztatják. Itt tehát visszatérhetünk a bevezetőben említett példára: egy 10 MW-os geotermikus erőmű éves szinten akár hatszor annyi energiát is megtermelhet, mint egy 10 MW-os napelempark, így léptékében és jelentőségében egy jóval nagyobb beruházásról van szó. A csúcskihasználási óraszámok jellemző értékeinek ismerete nélkül azonban sokkal nehezebben tudjuk felmérni az egyes technológiák közti különbségeket, így könnyen juthatunk hibás következtetésekre, vagy rosszabb esetben téves döntéseket is hozhatunk.

Az alábbi ábrán a beépített teljesítmény és az éves energiatermelés százalékos eloszlását ábrázoltam az egyes megújuló energiaforrások szerinti bontásban. Jól látható például, hogy bár a vízenergia lassan már csak a teljes beépített kapacitás felét teszi ki (az ezredfordulón részaránya még 93% volt), a megtermelt energiának még mindig közel kétharmada onnan származik. Napenergia esetében bár ma már egészen szignifikáns a beépített kapacitás, termelt energia tekintetében még így is csak jóval kisebb részesedéssel bír. A geotermia esetében ugyanakkor fordított a helyzet: bár beépített teljesítményben alig jelenik meg, energiatermelésben már egy csekély, de jól látható részesedést tudhat magáénak. Az óceánenergia alacsony részaránya miatt meg sem jelenik az ábrán.

Egyes megújuló energiaforrások részaránya a világszintű beépített teljesítményen és éves energiatermelésen belül 2017-ben [1]

Végezetül készítettem egy számítást arra vonatkozóan is, hogy a fenti, világátlagra vonatkozó adatokkal számolva mekkora beépített teljesítményre lenne szükség az egyes megújuló technológiákból ahhoz, hogy Magyarország 2018-as teljes évi villamosenergia-felhasználásának megfelelő energiát (azaz 45,4 TWh-t) elő tudjon állítani. Mindez persze csak egy elméleti eszmefuttatás, hiszen az energiaellátás most, és várhatóan a jövőben is egy többféle energiaforrás együttes használatából felépülő, optimális energiamixnek megfelelően áll össze.

Magyarország bruttó villamosenergia-felhasználásának megfelelő energia (45,4 TWh) előállításához szükséges beépített teljesítmény a világátlagnak megfelelő kihasználási tényezőkkel számolva

Látható, hogy például napelemekből mintegy 40 GW beépítésére lenne szükség, ami sokszorosa a jelenlegi 10 GW alatti beépített erőművi teljesítménynek. (Világátlag helyett a Magyarországon jellemző 1200 órás éves csúcskihasználási óraszámmal számolva 37,8 GW összeteljesítményű napelemparkokra lenne szükség.) Mindez a napenergiás áramtermelő egységek jelenlegi nagyszabású elterjedését is segít kontextusába helyezni: a Nemzeti Energia és Klímaterv tervezetében előirányzott 2000-4000 MW-nyi napelemteljesítmény a villamosenergia-rendszer átlagos, kb. 5200 MW-os rendszerterheléséhez képest nagyon soknak tűnik, az ország teljes villamosenergia-ellátásán belül azonban így is várhatóan csak 5-10%-os részarányt fog betölteni.

Hivatkozások

• International Renewable Energy Agency (IRENA): Renewable Energy Capacity and Generation Data, http://resourceirena.irena.org/gateway/dashboard/?topic=4&subTopic=54 (2019. nov. 25.)

Megújulóknak az emberi időléptékben újratermelődő energiaforrásokat nevezzük, szemben a fosszilis és nukleáris energiahordozókkal, amelyek csak évmilliók alatt vagy egyáltalán nem termelődnek újra. A megújuló energiaforrások modern hasznosításának szükségességére elsőként a fosszilis (szén, kőolaj és földgáz) tüzelőanyag-készletek végessége irányította rá a figyelmet a XX. század közepétől kezdődően. Az 1973-as és 1979-es olajárrobbanások hatására dráguló energiaellátás a 80-as évektől gazdaságilag is indokolttá tette az alternatív energiaforrások hasznosítását, így új lendületet adott az ezt célzó technológiák fejlesztésének. Az egyre növekvő kitermelés ellenére azonban máig sem kerültünk közel a fosszilis tüzelőanyagok kifogyásához, mivel a kitermelés növekedésével párhuzamosan a gazdaságosan kitermelhető készlet is növekedett, köszönhetően az új felfedezéseknek, a kitermelési technológiák fejlődésének és a nem konvencionális készletek (pl. palagáz) kiaknázásának.

Az elmúlt néhány évtizedben a klímaváltozás elkerülésének, a folyamat ütemének lassítási, hatásainak csökkentési szándéka vált a megújuló energiaforrások terjedésének fő hajtóerejévé. 2011-es adatok alapján a teljes ismert fosszilis tüzelőanyag-készlet elégetésével 2795 Gt (gigatonna, milliárd tonna) CO₂-ot juttatna az emberiség a légkörbe, miközben ennek mindössze töredékét, 565 Gt CO₂-t bocsáthatjuk ki úgy, hogy az emberi társadalom számára akár végzetes következményeket hordozó 2 °C feletti globális átlaghőmérséklet-emelkedést még nagy (80%) valószínűséggel elkerülhessük [1]. Ennek fényében tehát nem várhatunk addig, amíg a csökkenő készletek miatt dráguló fosszilis tüzelőanyagok fokozatosan, gazdasági alapon átadják a helyüket a megújulóknak, hanem egy gyors és nagyszabású energetikai átmenetre van szükség egy globális klímakatasztrófa elkerüléséhez.

A REN21 szervezet 2019-es jelentése szerint a világ teljes energiafelhasználásának csaknem 80%-át fosszilis energiahordozók fedezik, míg a modern megújulók részaránya alig haladja meg a 10%-ot. A 7,5%-os hagyományos biomassza főleg fatüzelést jelent a világ azon részein, ahol más energiahordozóhoz nem férnek hozzá, így ennek részaránya az világban jelentkező energiaszegénység fokozatos csökkenésével várhatóan egyre jobban visszaszorul.

Teljes végső energiafelhasználás energiaforrások szerinti megoszlása [3]

Hagyományosan az alábbi hat energiaforrást soroljuk a megújulók közé:

• vízenergia
• napenergia
• szélenergia
• geotermikus energia
• biomassza
• óceánenergia

Ezek másik, az emberi léptékű megújuláson túli fontos tulajdonsága, hogy CO₂-kibocsátás nélkül (biomassza esetében CO₂-semlegesen) hasznosíthatók energia előállítására, így kiemelt szerepet kapnak a klímaváltozás elleni küzdelemben. A következőkben röviden, a teljesség igénye nélkül, ám a lényeges szempontokat kiemelve bemutatom az egyes megújuló energiaforrások jellemzőit, a gyakorlati szempontból legfontosabb tulajdonságait és a felhasználásukat szolgáló technológiákat.

Vízenergia

A vízenergia hasznosítása során a szárazföldekre hulló csapadékvíz helyzeti energiáját használjuk fel, amelyből a folyókra telepített vízerőművek segítségével villamos energiát termelhetünk. A vízenergiát évezredek óta hasznosítja az emberiség főként malmok hajtására, valamint a villamosenergia-termelésben annak kezdeti időszakától kezdve kiemelkedő a jelentősége. Tulajdonságai szinte minden szempontból kedvezőek: viszonylag olcsó, kiszámítható a rendelkezésre állása és jól szabályozható. Rugalmas működésük miatt ráadásul más megújulók ingadozó termelésének kiegyenlítésére is jól használhatók, segítve azok rendszerbe illesztését. A vízerőműveknek bár nincsenek környezeti kibocsátásai, de létesítésük számottevő lokális környezeti hatással járhat (pl. duzzasztás esetén jelentős méretű, akár lakott területek víz alá kerülhetnek). Hátrányuk, hogy a világon rendelkezésre álló potenciál döntő része már kiépítésre került, így már csak kis mértékű bővülésre van lehetőség.

Kedvező rendelkezésre állás

Jól szabályozható, rugalmas

Segíti az időjárásfüggő megújulók hálózati integrációját

Nagy múltú, kiforrott technológia

Olcsó

Korlátozott és nagyrészt már kiépített vízenergia potenciál

Lokális környezeti hatások jelentősek lehetnek

Napenergia

A napenergia hasznosítása során a Napból érkező sugárzás energiáját használjuk fel hő- vagy villamosenergia-termelésre. A napenergia messze a legnagyobb potenciállal rendelkező energiaforrás, hiszen a földfelszínt két óra alatt több napsugárzás éri, mint amennyi a világ teljes éves energiafelhasználása, bár ennek a teljes besugárzásnak természetesen csak töredéke hasznosítható [4]. A napenergia napelemek (vagy naphőerőművek) segítségével villamosenergia-, illetve napkollektorokkal hőtermelésre is felhasználható. Jelenleg ez a legnagyobb arányban terjedő megújuló energiaforrás, ami ráadásul az erőművi energiatermelés mellett a háztartási léptékű, decentralizált energiaellátásra is jó lehetőséget nyújt. A nap- és szélenergiát időjárásfüggő megújulóknak nevezzük, mivel termelésüket döntő méretékben az időjárási körülmények határozzák meg. A napelemek jelentősen lecsökkent árának köszönhetően mára már nem is az energiatermelés költsége, hanem annak ingadozó, kiszámíthatatlan mivolta jelent kihívást.

Hatalmas rendelkezésre álló potenciál

Moduláris, kis méretben, decentralizáltan is jól hasznosítható

Jelentősen csökkenő költségek

Időjárásfüggő, ingadozó termelés

Jelentős szezonális változékonyság

Alacsony kihasználási tényező

Szélenergia

A szélenergia a levegő mozgásából származó energiát jelenti, amelyből szélturbinák segítségével termelhetünk villamos energiát. A szélenergiát hagyományosan malmok, illetve közlekedési céllal vitorláshajók meghajtására használták, modern hasznosítására pedig a különböző típusú szélturbinák szolgálnak. Az erőművi méretű szélturbinák esetében egyre nagyobb egységteljesítményű és magasabb tornyok építésére törekednek, mivel a földfelszíntől távolodva egyre növekvő szélsebesség növeli a termelt energia mennyiségét és javítja a gazdaságosságot. A napelemekhez hasonlóan decentralizált energiatermelés is megvalósítható vele, de a talajközeli, jellemzően alacsonyabb szélsebesség miatt ez csak kimondottan szeles, általában tengerparti helyeken kedvező. A szélturbinák teljesítménye jó közelítéssel a szélsebesség harmadik hatványával arányos, így a sebesség kisebb változékonysága is jelentős teljesítményingadozással jár. A várható termelésének előrejelzése a gyakorlatban még a napelemekhez képest is nehezebb és pontatlanabb.

Viszonylag nagy rendelkezésre álló potenciál

Decentralizáltan is hasznosítható, bár kevésbé hatékony

Több évtizedes folyamatos növekedés

Időjárásfüggő, ingadozó termelés

Erősen szélsebességfüggő teljesítmény

Geotermikus energia

A geotermikus energia a Föld belsejében található radioaktív elemek bomlásából származó hő, amelyet a felszínre juttatva tudunk hasznosítani. A Föld bizonyos pontjain ez a hő természetes formában is képes felszínre törni (pl. izlandi gejzírek), legtöbbször azonban mélyfúrással lehet kitermelni a több kilométeres mélységben található forró rétegvizeket. A geotermikus energia hő- és villamosenergia-termelésre egyaránt felhasználható, utóbbi esetben azonban jóval magasabb (legalább 100 °C feletti) hőmérsékletre van szükség a jó hatásfokú energiatermeléshez, így a geotermikus erőművek csak az igen kedvező adottságú területeken terjedtek el (bár a magyarországi Turán is üzemel már egy). A legtöbb helyen a hőhasznosítás kerül előtérbe, jellemzően geotermikus távhőrendszerek formájában, a fűtési felhasználás után visszamaradt hőt pedig fürdők vagy üvegházak fűtésére is előszeretettel hasznosítják. A geotermikus energia nagy előnye az egész éves egyenletes rendelkezésre állás, azonban a fúrás miatt viszonylag drága, a felhasznált fluidum visszasajtolása energiaigényes, és a méretezés során a geotermikus rezervoár esetleges kimerülésével is számolni kell.

Egyenletes, egész éves rendelkezésre állás

Hőtermelésre hatékonyan és gazdaságosan használható

Drága, különösen a kutak fúrása miatt

Visszasajtolás jelentős villamos energiát igényel

Túlzott kinyerés esetén idővel kimerülhet a rezervoár

Biomassza

A biomassza a biológiai úton létrejött szerves anyagokat jelenti, amihez energiaforrásként a kommunális hulladékot is hozzászámítjuk. A biomassza típusától függően igen sokrétűen felhasználható, hő és villamos energia termelésén túl, a többi megújulótól eltérően üzemanyag (bioetanol, biodízel) is közvetlenül elállítható belőle. A biomassza elégetése során CO₂-ot bocsát a környezetbe, ennek ellenére mégis CO₂-semlegesnek tekintjük, mivel nem évmilliókkal korábban a földkéregben megkötött CO₂-t juttatunk a levegőbe, csak az adott növény által az élettartama alatt megkötött mennyiséget, amit a kitermelése után helyére kerülő másik növény rövid idő alatt újra megköthet. A kimondottan energetikai célú növénytermesztés azonban az élelmiszertermelés elől veszi el a területet és a művelése is jelentős mennyiségű fosszilis üzemanyagot igényel, így létjogosultsága környezeti szempontból megkérdőjelezhető. Alapvetően a szerves hulladékok (akár kommunális, akár mezőgazdasági) energetikai célú hasznosítása kedvező megoldás, és erre a jelenlegi energiaellátási rendszerbe is jól illeszkedő eljárások vannak.

Sokrétűen, hő, villamos energia és üzemanyag termelésre is használható

Melléktermékek, hulladékok energetikai hasznosítása

Jól beilleszthető a hagyományos energiaellátásba

CO₂ semleges, de nem CO₂ mentes

Energetikai célú növénytermesztés termőföldet igényel

Művelés jelentős fosszilis energiahordozó felhasználással jár

Óceánenergia

Az óceánok energiájának hasznosítására számos különböző koncepció létezik, mely irányulhat az árapály jelenség által létrehozott vízszintkülönbségnek, az óceán hullámzásának, az áramlásoknak, illetve a különböző rétegekben tapasztalható sótartalom- vagy hőmérséklet-különbségnek a hasznosítására. Az ezzel kapcsolatos projektek többsége azonban jelenleg még csak kutatási vagy demonstrációs fázisban van, a világon beépített teljes óceánenergia kapacitás több mint 90%-át két árapály erőmű (254 ill. 240 MW beépített teljesítmény) teszi ki. Több évtizednyi kutatási tevékenység ellenére azonban máig sem jellemzők kikristályosodott, ipari léptékben életképes hasznosítási módok, a számos kidolgozott koncepció közül azonban nem kizárt, hogy némelyik akár már a közeli jövőben is elterjedhet.

Számos ígéretes koncepció létezik

Kis számú, főleg kísérleti és demonstrációs projekt

Jelenleg még nem létezik kiforrott és gazdaságos technológia

A megújulók általános bemutatása után a következő cikkben azok világszintű elterjedéséről is részletesen írok.

Hivatkozások

1. Carbon Tracker Initiative: „Unburnable Carbon - Are the world’s financial markets carrying a carbon bubble?”, 2011.
2. Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC): Special Report: Global Warming of 1.5 °C., 2018.
3. Renewable energy policy network for the 21st century (REN21): Renewables 2019 Global Status Report, 2019.
4. Jeff Tsao, Nate Lewis, George Crabtree: Solar FAQs, 2006.