A Nobel-díjas Henri Becquerel apja, Edmund Becquerel nevéhez fűződik a Becquerel-effektus felfedezése (1839). Ennek lényege az, hogy elektrolittal érintkező fémelektróda potenciálja megvilágítás hatására megváltozik. A jelenséget tehát - elvben - fényenergia-elektromos energia átalakításra lehet használni. (Mouchot ilyen irányú próbálkozásait a termoelemekkel - az 1870-es évek végén - már említettük korábban.) Charles Fritts, amerikai feltaláló az 1880-as évek végén készítette el az első szelén napelemet. Ennek hatásfoka azonban kisebb volt, mint 1%. A kvantumfizika és a fotoelektromos effektus felfedezése után az 1930-as évek elején kezdtek néhányan ismét a napelem megvalósításával foglalkozni, de az újra felfedezett szelén napelem rossz hatásfoka nem motiválta a további kutatásokat.

1954-ben a Bell Laboratóriumban három kutató: Gordon Pearson, Darryl Chapin és Calvin Fuller szilícium napelemekkel kezdett kísérletezni. Az első kísérletekben már 4%-os hatásfokot értek el, majd további tökéletesítések után hamarosan 15%-os hatásfokú napelemet állítottak elő. Eredményeik nagy port vertek fel, a napelemeket sokan "a jövő tiszta energiaforrásának" tekintették. Hamarosan kiderült, hogy költségessége miatt a napelem (fotovillamos cella, PV-átalakító) széles körű alkalmazására most még nem kerülhet sor, de néhány speciális célra már ma is nélkülözhetetlen. Ilyen a távoli, izolált területek energiaellátása és - elsősorban - az űrkutatás. Az USA űrprogramja során jelentős méretű napelemipart hoztak létre, az űreszközök működtetése ugyanis napelemek nélkül elképzelhetetlen. További, népszerű alkalmazást nyert egy sor kis energiaigényű elektronikai eszközben; például zsebszámológépekben, zsebrádiókban, zseblámpákban stb. Újabban kiterjedten használják a napelemeket az autonóm napházakban.


Energiadilemmák a 20. század második felében

A második világháború után az olajipar világszerte rohamos fejlődésnek indult; egyes energiaszegény országokban (például Izraelben, Japánban) azonban a napenergia-ipar is fellendült.Az Egyesült Államok és szövetségesei egy ideig várakozó álláspontra helyezkedtek az energiaipar perspektíváinak kijelölése tekintetében. 1952-ben Truman elnök kezdeményezésére bizottságot hoztak létre a komplex probléma vizsgálatára. A bizottság - előrelátó módon megállapította, hogy a fosszilis tüzelőanyagok hiánya várhatóan súlyos problémát okoz majd az USA-nak és szövetségeseinek a 70-es évek közepére. (Az előrejelzés igen pontosnak bizonyult.) Ezért leszögezik, hogy "... erőfeszítéseket kell tenni a kimeríthetetlen mennyiségben rendelkezésre álló napenergia hasznosítására...". A kormány azonban a gyakorlatban nem követte a bizottság által javasolt irányt. Eisenhower elnöksége idején az USA vezetése 1954-ben elkötelezte magát az atomenergia mellett és ebben szövetségesei is gyorsan követték.

Az atomenergia békés felhasználásának lehetősége a nyugati világban euforikus hangulatot váltott ki. Az egész ezután következő korszakot "atomkorszak" néven kezdték emlegetni, amelynek legfontosabb vívmánya az lesz, hogy az emberiséget olcsó; korlátlan mennyiségben rendelkezésre álló atomenergiával látja el, ez pedig az emberi civilizáció soha nem látott felvirágzását teszi lehetővé. Óriási beruházások indultak az atomenergia-ipar fejlesztésére, eközben a napenergia-hasznosítás fejlesztésére szánt összegek nem érték el a teljes energiaipari fejlesztés 1%-át. Néhányan már akkor is látták az atomenergia alkalmazásában rejlő csapdákat és a várható súlyos problémákat, de csak kevesen adtak hangot kételkedésüknek. Ezek közé tartozott George Russler, aki már 1959-ben figyelmeztetett az atomerőmű-hulladék elhelyezésével kapcsolatban a várható súlyos gondokra. Cikkében ezt írja: "Ha valaki a problémát a jövőre vetíti, amikor a világ jelenlegi hagyományos erőműveinek talán 10-20-szorosára is szükség lesz és ezeket jórészt atomerőművek helyettesítik, a nukleáris hulladék elhelyezése- abban a léptékben - talán már megoldhatatlan lesz." Russler ezzel szembeállítja a környezetbarát napenergia előnyeit: "A napenergia alkalmazása nem vet fel óriási biztonsági problémákat, hulladékelhelyezési gondokat, nem igényel sok milliárd dolláros beruházásokat. A megfelelő - hosszú évszázadok alatt egyre tökéletesedett - technika és a megvalósítás know-how ja is rendelkezésre áll. Egyedül a probléma sürgető fontosságának felismerése és az elhatározás hiányzik." A II. világháború után, a hidegháború és a fegyverkezési verseny évtizedeiben a megújuló energia ismét a perifériára szorult. A felfokozott tempójú ipari fejlesztéseknek és a katonai arzenál gyors kiépítésének koncentrált energiaforrások kellettek. A megújuló energiához, és ezen belül a napenergiához kapcsolódó fejlesztési programok csak a fegyverkezési verseny megszűnte és a "keleti tömb", majd a Szovjetunió összeomlása után kaphattak új lendületet. A fejlődés ezúttal is Amerikából indult.


Az utóbbi évtizedek eredményei

A Luz International 1984 és 1990 között 8 elektromosenergia-szolgáltató naperőművet épített Kaliforniában. Az erőművek parabola keresztmetszetű, vonalfókuszos (vályú-) kollektorokkal működtek, összteljesítményük 355 MW volt. Ugyanebben az időszakban kiterjedt kísérleteket folytattak a toronykazános erőművek alkalmazására is. Ezek első, sikeresen működő prototípusa a Solar One volt, amely szintén Kaliforniában épült fel. A kazán egy 76 m magas torony tetején állt, erre fókuszálta a napsugarakat 1820 db külön mozgatható, egyenként 40 m2 felületű tükör (heliosztát).

Az erőmű teljesítménye 35 MW volt. A történeti áttekintés alapján nyilvánvaló, hogy a vonalfókuszos erőmű az Ericsson-Shuman-féle rendszer (1900-as évek eleje), a heliosztátos erőmű pedig a Mouchot-féle koncentráló kollektoros kazán (1870-80-as évek) továbbfejlesztett változata. Az 1980-as évek elejétől több nagyméretű, fotovillamos energiaellátó erőművet építettek, kísérleti jelleggel. Ezek közül az egyik legnagyobb a Carissa Plains-ben (USA) 1984-85-ben létesült 5,2 MW teljesítményű napelemerőmű, amely szilícium egykristálycellákból épült. 1990-ben, a napelemek elöregedése és a hatásfok csökkenése miatt a berendezést szétszerelték és elemeit kisebb energiaellátó rendszerekben hasznosították. Számos kisebb teljesítményű napelemes rendszer épült ezen kívül az USA-ban, Németországban, Svájcban, Hollandiában stb. Érdekes kísérleti erőmű épült Floridában 1988-ban 15 kW teljesítménnyel. Moduljait amorf szilícium-diódás egységekből építették fel. Ezek jóval olcsóbbak a hagyományos kristályos szilícium napelemeknél, de hatásfokuk is jóval kisebb. A rendszer hatásfoka három év alatt 25%-kal csökkent, így 1991-ben a hatásfok már csak 4% volt. A napelemes elektromos energiatermelés egyelőre még jóval drágább, mint a hagyományos. Egy amerikai gazdasági elemzés szerint (1995-ben) a napelemekkel előállított áram ára kilowattóránként 20 cent, míg a hőerőművek esetében az egységár 3-4 cent/kWh.

A napenergia hasznosításának mindmáig legelterjedtebb eszköze a sík napkollektor, amelyet kiterjedten használnak lakóházak és középületek melegvízellátására, valamint fűtéskiegészítésre. Az EU-tagországok vezető szerepet töltenek be a kollektorok építésében közülük is elsősorban Németország (amely az utóbbi években a szélerőművek építésében is világelsővé lépett elő). A napenergia-hasznosítás elterjesztése Németország mellett Hollandiában, Dániában, Svájcban és Ausztriában is kormányzati célkitűzés; az ilyen jellegű beruházások az említett országokban állami támogatást kapnak.

A szoláris építészetben egyre inkább tért hódít az integrált szemlélet, a "teljes épület" megközelítés. Ez azt jelenti, hogy a passzív építészeti elemek mellett aktív épületgépészeti eszközöket is alkalmaznak a napenergia nagyobb mértékű hasznosítására annak érdekében, hogy a hagyományos energiaellátás igényét minimálisra, vagy éppen nullára csökkentsék. (Korábban láttuk, hogy az M.I.T. napházai, különösen Telkes Mária doveri háza, ennek a törekvésnek az előfutárai voltak.) Az ilyen épületekre jellemző az egyes elemek, berendezések többfunkciós használata. Például: a sík kollektorok hőnyereségét nemcsak használati melegvíz előállítására, hanem alacsony hőmérsékletű központi fűtéses rendszerben fűtésrásegítés céljára is hasznosítják; a napkollektorok ugyanakkor az előtető, a tetőfedés és az árnyékoló szerkezet funkcióját is elláthatják.

Magyarországon Bucsa községben (Karcag közelében) épült az első bioszolár napház, amely csak passzív elemeket tartalmaz (az épülettömbbe déli oldalról integrált naptér, különböző hőtároló elemek és korszerű, jó hőszigetelésű falak és nyílászárók). Az alkalmazott passzív eszközökkel a hagyományos fűtési költségek 40-60%-a megtakarítható. (A kiegészítő fűtés: jól szabályozható, gáztüzelésű légfűtés.) A jelenlegi csúcsteljesítmények közé sorolható a freiburgi autonóm (energia-önellátó) ház. Ez passzív elemek (transzparens hőszigetelések, gáztöltésű ablakok, az északi homlokzat és az alapozás különleges hőszigetelése) mellett aktív elemeket is tartalmaz: 14 m2 kollektort és 30 m2 felületű napelemmezőt, amely vízbontó berendezést is működtet. Az elektromos energia egy részét 48 db akkumulátorban tárolják, másik részét vízbontásra használják. Az így nyert hidrogént a háztartásban főzési-sütési célra használják fel.

Az utóbbi évtizedekben egyre nagyobb teret hódít a szolár-hidrogén technológia. A napsugárzás energiáját napelemekkel alakítják át villamos energiává, majd az így előállított egyenárammal elektrolizáló berendezést működtetnek. A vízbontásból nyert hidrogén többféleképpen felhasználható. A tiszta hidrogén levegőben elégethető és hőtermelésre felhasználható. Levegőben elégetve a víz mellett némi NOx is keletkezik, de katalitikus égést biztosítva a keletkezett NOx mennyisége elhanyagolható.

A belső égésű motorok - kisebb módosítások elvégzése után - hidrogénnel is üzemeltethetők. Elsőként a BMW-gyár fejlesztette ki hidrogén-motoros gépkocsiját. A motor kipufogó csövén víz és kis mennyiségű nitrogén-oxid távozik; hatásfoka jóval nagyobb, mint benzinüzem esetén. (Az üzemanyag lehet folyékony hidrogén is, ekkor azonban költséges hőszigetelést kell alkalmazni, ezért inkább nagynyomású tartályban tárolják.) A hidrogén a leghatékonyabb alkalmazást a tüzelőanyag-cellákban nyerte el. Ezekben hidrogént oxidálnak katalitikus úton elektrokémiai folyamat során, más szóval a kémiai energiát elektromos energiává alakítják át. Különböző típusai vannak, például: lúgos, savas, szilárd polimercellák, sőt újabban mikroorganikus (biokémiai) cellák is. A hidrogén ily módon történő oxidációjával létrejött víz képződési hője (entalpiája) 286 kJ/mol (emlékeztetünk arra, hogy az égéshő ennél kisebb, 242 kJ/mol). A képződési entalpia elektromos energia formájában jelenik meg az elektródok között, amely a fogyasztón realizálódik. A cellában tehát a kémiai energia közvetlenül elektromos energiává alakul; emiatt a folyamatot gyakran "hideg égésnek" nevezik. Az energiaátalakulás hatásfoka 60% körüli, ami jóval nagyobb, mint az égetéses folyamatok hatásfoka (ott ugyanis a felső határ a Carnot-hatásfok). Egy cellával 1,23 V feszültség érhető el. A tüzelőanyag-cellák üzemeltetésénél számos technikai problémát kell megoldani, emiatt ezek technikailag bonyolult, költséges berendezések. Előnyük a folytonos üzem és a minimális környezetszennyezés.

Járművekben történő alkalmazás esetén a tüzelőanyag-cellák egyenáramú motorokat hajtanak meg, emiatt sebességváltó nem szükséges az erőátvitelhez. Nagyobb léptékű fejlesztési programok az 1990-es években indultak a vezető autógyárakban (Daimler-Benz, Chrysler, Ford). A Daimler-Benz 1997-ben üzembe helyezte az első tüzelőanyag cellás autóbuszokat Stuttgart városi közlekedésében.

Hazánkban a napsugárzás energiasűrűségének átlagértéke 1260 kWh/m2 év, a napsütéses órák száma átlagosan 2150 óra/év; mindkettő magasabb, mint az európai átlag. A napenergia tekintetében jobb helyzetben vagyunk, mint Hollandia, Dánia, Svájc, Németország és Ausztria, amely országokban a napenergia hasznosításának széles körű elterjesztése - mint már említettük - évtizedek óta kormányzati célkitűzés. Az utóbbi időben nálunk is örvendetes fejlődésnek indult a napenergia-ipar.

Felhasznált irodalom: Fizikai Szemle 2003/3. 99.o., Ujfaludi László, Eszterházy Károly Főiskola, Eger

1. K. BUTTI, J. PERLIN: A Golden Thread (2500 years of solar architecture and technology) - Marion Boyars, London-Boston, 1980.
2. IMRE L., BITAI A., HECKER G.: Megújuló energiaforrások - Felsőfokú oktatási segédlet. BME Energetika Tanszék, Budapest, 2000.
3. F. KREITH, R.E. WEST (editors): CRC Handbook of Energy Efficiency - CRC Press, New York, London, 1997.
4. SZŰCS M.: Szoláris bioklimatikus építészet. A napenergia építészeti hasznosítása -Magyar Napenergia Társaság, Budapest, 2000.
5. ZÖLD A.: Energiatudatos építészet - Műszaki Könyvkiadó, Budapest, 1999.