Trapp Henci 2014. december 16. 14:41
Hogyan került a háztartásokba a napenergia?
Elsőre talán modern kori feltalálók, tudósok jutnak eszünkbe, ha a címben felvetett kérdésre keressük a választ, ám a napenergia tudatos felhasználása már 2500 éve elkezdődött.

Az emberiség története során számos energiaválsággal kényszerült szembenézni, ilyenkor többnyire a napenergiában rejlő lehetőségeket kutatták, de a történelem sodra általában hozott egy új, olcsó (javarészt fosszilis) energiaforrást, és a napenergia nyomban gazdaságtalanná vált. Több ezer éves történet előzi meg azt, hogy ma már sok helyen általános a napenergia hasznosítása. Ebben a történetben felbukkan a „magyar géniusz” is, egy tudós-feltaláló hölgy személyében…

Ókor – hétköznapi szoláris építészet

Mivel a görögök rengeteg fát használtak az ókorban – tüzelésre, hajóépítésre, fémolvasztásra –, ezért a Kr.e. V. századra gyakorlatilag kiirtották erdőiket, így energiaválságba kerültek, ami arra késztette őket, hogy napenergia-hasznosításon alapuljanak épített házaik. Ezek rendszerint déli tájolásúak voltak, északi oldalukon vastag, nyílászárók nélküli fallal. A ház déli oldala oszlopos, előre ugró tetőszerkezetben végződött, amely elzárta a nyári napsugaraktól a belső helyiségeket, de a téli – alacsony szögben érkező – napsugarakat beengedte az oszlopcsarnok mögötti részbe.

A világ első lakótelepei is a szoláris építkezés alapelvén épültek a görög városállamokban. A mai Görögország északi részén feküdt Olynthosz, ahol közel kétezer-ötszázan éltek az ókorban. Városuk egy fennsíkra épült, ahol a téli hónapokban sokszor fagypont alá csökkent a hőmérséklet, ezért olyan lakótelepet építettek, amelynek utcái észak-déli és kelet-nyugati fekvésűek, a szorosan egymás mellé, sorházszerűen épült házak déli tájolásúak voltak, így egyenlő részben jutottak napfényhez. Több ókori várost is feltártak a régészek, ahol hasonló energiatudatos építkezés folyt.

Rómában az I. századtól kezdve lendült fel a napenergia hasznosítása, mivel itt is energiaválságba kerültek, hiszen rengeteg fát használtak fűtésre – a korabeli római polgári házakban nem ritka a központi vagy padlófűtés –, épület- és hajóépítésre. A rómaiak továbbfejlesztették a görögök által megalkotott szoláris építészetet, már ismerték az üveget, amelynek segítségével jóval több lehetőség kínálkozott számukra a fény hasznosítására. A római fürdőkben elterjedt volt a nagy üvegfelületek alkalmazása, így az üvegházhatást is hasznosítani tudták az épületek hőtárolására.

Vitruvius foglalta össze könyvében, hogy a Római Birodalom mely területén hogyan célszerű építkezni: Észak-Afrikában a házakat északi tájolásúra tervezték, a hűvösebb klímájú észak-itáliai területeken pedig a görögöktől eltanult déli fekvésű házak építését szorgalmazták. Justitianus törvénykönyve rögzítette a napenergiához való jogot, ebben szabályozták, hogy a házak milyen távolságra épülhetnek egymástól, és maximum milyen magasságban.

Sötét középkor – Arkhimédésztől Baconig

Az ókorból átemelhető szoláris építészet a középkorban szinte teljesen elveszett, egészen a reneszánszig nem jelent meg a napenergia háztartásban történő felhasználásának kérdése. Szinte csak hadmérnökök álmodoztak arról, hogy olyan tükörszerkezeteket építsenek, amelyek segítségével az ellenség hajói felgyújthatók, mert ismerték azt a legendát, miszerint Kr.e. 212-ben Arkhimédész fókuszálótükrökkel gyújtotta fel a Siracusa ellen megindult római hadihajókat.

Tűzgyújtásra már az ókorban is használták a tükröket, például áldozati oltárok távoli felgyújtására, de abszurd elképzelésnek számított a hadiiparban történő alkalmazása. Ennek ellenére a kor tudósai foglalkoztak vele, Leonardo da Vincitől kezdve Roger Baconig sokan. Utóbbi azt javasolta, hogy a keresztes hadak fókuszálótükörrel gyújtsák fel a Szentföldön ellenük induló arab sereget, emiatt eretnekség vádjával börtönbe zárták. Tilos volt ugyanis beleavatkozni a természet rendjébe, isteni áldásnak tekintették a napsugarakat, azt nem volt szabad eltéríteni, befolyásolni.

Reneszánsz újjászületés a napenergia-hasznosításban

A reneszánsz megújulás pozitívan hatott a szolárépítkezés újjászületésére is. Az egyház korábban elítélte az üvegházak alkalmazását, mert a természet isteni rendjébe való beavatkozásnak titulálta, ha évszaktól független termesztést folytatott valaki. A nagy földrajzi felfedezések új terményeket hoztak, így Angliában, Franciaországban és Hollandiában is egyre terjedt az üvegházakban történő termelés. A XVIII. században már igyekeztek eltárolni a nappal összegyűjtött hőenergiát, ezért azokat téglafalakban tárolták, amelyek éjszaka a levegő lehűlésekor sugározták a hőt.

A XIX. századra újra felmerült az igény, hogy lakóházak építésekor szempont legyen a napenergia hasznosítása, ezért jellemzően déli tájolású üvegházakat csatoltak a lakóépületekhez, amelyek a napsütéses őszi-téli napokon hozzájárultak a házak fűtéséhez, és klímájukat az is jelentősen javította, hogy dísznövényeket tartottak bennük. A városok fejlődésével, egyre sűrűbb beépítésével nem mindig lehetett megoldani a déli tájolást, ezért az üvegházak egy része már nem funkcionált megfelelően, az I. világháborút követőn meg is szűnt az ezeket az építményeket körülvevő kultusz.

Újkori tudomány az ipar inspirációjára

A XVIII. század második felében egy francia természetbúvár, Horace de Saussure kísérleteket végzett az üvegborítások hőfejlesztő hatásának, majd tárolásának vizsgálatára. Az eszköz, amelyet elkészített, „forró doboz” néven került be a tudománytörténelembe. Kísérletéhez épített egy nagy fadobozt, alaposan szigetelte, majd erre több réteg üvegfedést készített. A napra kihelyezve akár 109 °C-os hőmérsékletet is lehetett mérni a fadoboz belsejében. Az ipari forradalom beindította a világ elméinek kísérletező, kutató kedvét, a napenergia-hasznosítás iránti igény egyre erősödött.

A modern szoláris technika alapjait a francia matematikus, Augustin Mouchot teremtette meg. Kísérleteket végzett a napfényes Algériában, ahol megépített egy óriási, óránként kettőezer liter víz szivattyúzására képes, napkazán által üzemeltetett gőzgépet, amely az 1878-as párizsi világkiállításon szenzációs sikert aratott. Mindeközben Amerikában, a svéd származású John Ericcson – Mouchot berendezését tökéletesítve – építette meg saját, napenergiával működő gőzgépét.

Rajtuk kívül is számos tudós kísérletezett a századfordulón, volt, aki hatalmas szolármezőket vizionált, és Frank Shuman a forró dobozokhoz hasonlatos szerkezettel bebizonyította, hogy a napenergiát akár ipari léptékű energiaellátásra is lehet fordítani. Az I. világháború azonban fordulatot hozott az energiaforrások tekintetében, az olajipar rendkívül gyorsan fejlődött, lecsökkentek a fosszilisüzemanyag-árak, így a napenergia háztartásokban és ipari célra való felhasználása tovább váratott magára.

Fenntartható fejlődés az atomkorban

Az Egyesült Államokban a XX. század második harmadától kezdve egyre több magánbefektetést injektáltak a szoláris technika mint alternatív energiaforrás fejlesztésébe, elterjesztésébe. Fontossá vált a berendezések hatékonyságának növelése és felhasználhatósági körének szélesítése. Egy 1938–1988 között futó program során – Solar Energy Research Project –, amelyet az amerikai iparmágnás, Godfrey Lowell Cabot finanszírozott, hat kísérleti napház épült Amerikában.

Az ezzel foglalkozó kutatócsoportnak lett tagja, majd később, 1940-től vezetője a magyar származású Telkes Mária, aki elsőszámú feladatként kapta a napenergia-átalakítás lehetőségeinek kutatását. Telkes 1925-ben – huszonöt évesen – költözött Clevelandbe, az ottani biofizikai kutatólaborban kezdte meg munkásságát, ekkoriban főként az agysejtek sugárzását tanulmányozta. A harmincas években Telkes Máriát úgy kezelték, mint egy korabeli celebet, a New York Times egy 1934-es összeállításába beválogatta az akkori tíz legsikeresebb amerikai nő közé.

A kor és a szolártechnika legnagyobb kihívását a hőtárolás jelentette, erre talált megoldást Telkes Mária a kémiai hőtárolással: a napsugarak energiáját glaubersóban tárolta. A Doverben megépült első napház déli homlokzatát függőleges állású napkollektorokkal építette be, innen a meleg levegőt ventilátorok továbbították a mögöttük lévő sótároló kazettákra. A glaubersó az abszorbeált hőtől megolvadt, majd amikor este a ház lehűlt, megszilárdult, hője felszabadult, melegítve a ház belső helyiségeit. A doveri házba 1948 telén egy magyar család, Némethyék költöztek be.

Az első tél igen hideg volt, így kiegészítő fűtést is kellett használni, majd két télen keresztül viszonylag kellemes hőérzetet biztosított a rendszer, viszont sorozatos és egyre gyakoribb működési zavarok léptek fel: a glaubersó megolvadásakor különvált az olvadt só és a vizes fázis, visszafagyáskor ezek már nem keveredtek össze, így a látens hő felszabadulása nem volt egyöntetű.

Az olcsó és tiszta energia

Az első szilícium napelemes kísérletek során – 1954-ben a Bell-laboratóriumban – már 4, majd 15 százalékos hatásfokú napelemet is sikerült előállítani. Gordon Pearson, Darryl Chapin és Calvin Fuller ezen eredményeinek köszönhetően a napelemeket sokan „a jövő tiszta energiaforrásának” tekintették. A technika fejlődésével a napelemes kapacitás is növekszik, Amerikában 2008-ban még csak 1 gigawatt volt a napenergiát felhasználó kapacitás, tavaly ez már 11,8 GW-ra nőtt, és 2016-ra megközelítheti az 50 GW teljesítményt. Ma már közvetlenül áramot termelő napelempanelek mellett naperőművek is épülnek, a Mojave-sivatagban, Primm városa mellett 347 ezer, számítógép által vezérelt tükörrel hasznosítják a fényt, amellyel az Ivanpah erőművet üzemeltetik, ellátva ezzel 140 ezer háztartást elektromos árammal.

Mivel nem kell új energiaforrást felfedezni, hanem technikai fejlesztést kell véghezvinni, ezért ahogy várható volt, a napenergia ára egyre alacsonyabb. A napelemes rendszerek beszerzési költsége egy év alatt 15 százalékkal csökkent, és további 5-15 százalékos csökkenés várható helyszíntől és piaci helyzettől függően 2014 végére. A Bloomberg New Energy Finance beszámolójában arról ír, hogy 1977-ben wattonként még 76,67 dollárba került egy szilícium napelemcella, ami 1987-ben zuhant először 10 dollárra, majd 2000-ben 6-6,5 dollárra, hogy 2013-ban 0,74 dollárra csökkenjen.

Hazánkban a napsugárzás energiasűrűségének átlagértéke 1260 kWh/m2 évente, a napsütéses órák száma átlagosan 2150 óra/év; mindkettő magasabb, mint az európai közepes érték. Egy átlagos, Magyarországon telepített családi házas napelemes rendszer, az elmúlt 16 évben tapasztalt energiaár-emelkedés ütemét előre vetítve, nagyjából 6-8 év alatt behozza az árát, és a jelenleg tapasztalható általános villamosenergia-díjak stagnálása esetén is 8-10 éven belül eléri a megtakarítás a rendszer bekerülési költségét.

Napelemes tetőcserép – egy magyar találmány
Hétköznapi probléma ösztönzött egy magyar feltalálót a napelemes cserép kifejlesztésére: magas villanyszámlára panaszkodott a felesége, ezért az elektronikai szakember elkezdett dolgozni egy olyan terméken, amelynek felhasználási területe szélesebb, mint a hagyományos napelemes rendszereké. Tóth Miklós feltaláló szerint egy számítógép üzemeltetéséhez már négy darab cserép is elegendő, egy hűtő működtetéséhez nyolc cserép szükséges, 150-250 cseréppel egy családi ház teljes áramszükséglete fedezhető, 300-500 cseréppel pedig már a fűtés és hűtés is biztosítva van. Mivel a technológia magában hordozza a bővíthetőséget, akár néhány cseréppel is elkezdhető a rendszer kiépítése, később pedig további elemekkel bővíthető.