megújuló energiák és a "föld űrhajó" jövője
DESCRIPTION
Mizsei János előadása a Szkeptikus Klubban 2014. április 15-én.TRANSCRIPT
http://www.eet.bme.hu
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi EgyetemElektronikus Eszközök Tanszéke
A megújuló energia és a "Föld űrhajó" jövője
Mizsei JánosPlesz Balázs
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?
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
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!
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
5/30
Mai energiafelhasználás► Ma kb.: 80 % fosszilis energiahordozók
7 % atomenergia13 % megújuló energiaforrások
► 120,000 TWh összenergiaigény
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!
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
7/30
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
8/30
Globális felmelegedés képekben
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
9/30
Környezetszennyezés
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
10/30
Megújuló energiaforrások
► Napenergia► Szélenergia► Biomassza► Geotermikus energia (?)► Vízenergia (?) ► Nukleáris energia (fúziós)
Megújuló = környezetbarát?
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
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
12/30
SzélenergiaNem okoz szennyezést► Legmagasabb hatásfok: 59,3 % ► Napenergiánál alacsonyabb potenciál: a napból
jövő energia 2,5% alakul át szélenergiává► Időbeli fluktuációk
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
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
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)
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
year2000 2020 2040 2100
Előrejelzés
olajszéngáz
atomenergiavízenergiabiomassza (hagyományos)
biomassza (fejlett)
napenergia (PV és fototermikus energiatermelés)
fototermikus (csak hő)
egyébb megújulókgeotermikus
szélenergia
Forrás: German Advisory Council on Global Change, 2003, www.wbgu.de
EJ/a
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)
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
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
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
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A nap szerkezete
Szerkezet Mag Sugárzási zóna Konvekciós
zóna Fotószféra Kromoszféra Korona
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 %)
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
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
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
26/30
Energia tárolásNapi és éves változások az energiatermelésben
Rövid és hosszú távú energiatárolás is szükséges
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)
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
28/30
Napenergia termikus hasznosítása
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
29/30
Napenergia termikus hasznosítása
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
30/30
Napenergia termikus hasznosítása
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
31/30
Napenergia termikus hasznosítása
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
32/30
Napenergia termikus hasznosítása (időjárás befolyásolása?)
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
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Analógia: víz felemelése „magasabb energiaszintre”, majd az energia hasznosítása
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
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Ami beérkezik…
(energiaspektrum, energia-sűrűség, foton/sec/cm2/eV)
W
phph dW
dh
dnn
Ami beérkezik…
(összes, W-nél nagyobb energiájú fotonok száma, eloszlásfüggvény, foton/sec/cm2)
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
W
phph dW
dh
dnn
dWdh
dnqWJ
gWh
phgL
A legkedvezőbb félvezetőanyag kiválasztása
a beérkező energia spektruma
T
T
mT0m U
U
U1lnUUqW
q
WIP m
Lm
0
ph
mL
m
dWn
q
WI
P
P
0
phdWnP
a beérkező összes teljesítmény:
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
A legkedvezőbb félvezetőanyag
-földi körülmények között
-energiakoncentrálás nélkül, illetve
-ezerszeres energiakoncentrációval
Cu(In,Ga)Se2
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
Fölö
sleges
LJ
gW
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
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Napelemfarm
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
Budapesti Műszaki és Gazdaságtudomanyi Egyetem
Elektronikus Eszközök Tanszéke
44/30
Csúcstechnológia: 3 pn átmenet (GaInP/GaAs/Ge), 28-30%
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
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!