A napenergia hasznosításának egyik módja a fotovillamos energiaátalakítás. A tömeggyártású napelemes berendezések készítéséhez szükséges energia Magyarországon is 0,96–2,64 év alatt térül meg. 2015-ben a globális napelemes berendezésállomány 233 GWp (a gigawatt csúcs angol rövidítése) volt, Magyarországon 162 MWp. A hazai potenciállal termelhető éves villamos energia mennyisége több mint 12-szerese jelenlegi igényünknek. A napelem-technológiák és -berendezések hazai fejlesztése az 1970-es évek közepén indult. Több napelemgyártó és számos tervező, kivitelező, forgalmazó tevékenykedik Magyarországon. Hazánkban 2020-ra a napelemes berendezések 500 MWp teljesítményű állománya prognosztizálható, bár újabban 1–2 GWp értéket is prognosztizálnak. Európában a napelemekkel termelt villamos energia ára már ma több helyen olcsóbb a helyi hálózati villamos energia áránál, vagy megegyezik azzal.

Globális kép és kitekintés Európára

A napelem vagy fotovillamos (angol rövidítése PV) elem olyan eszköz, amely a Nap sugárzási energiáját közvetlenül alakítja át villamos energiává. A napelemek alapanyaga általában félvezető. Az energiaátalakítás a félvezető alapanyagban játszódik le. A félvezető anyagot érő sugárzás azon része, amelynek energiája nagyobb, mint a félvezető anyagban a tiltott sáv szélessége, a félvezető anyagokban villamos töltéshordozó lyuk-elektron párt generálhat, ha az anyagok felületéről nem verődik vissza, illetőleg az abszorpcióhoz elegendő anyagvastagság áll rendelkezésre.

Számos napelemstruktúra ismeretes. Alkalmazás szempontjából megkülönböztethetünk földi vagy űrtechnikában alkalmazott napelemeket, de normál vagy koncentrált napsugárzásra készült, egyrétegű vagy többrétegű stb. napelemekről is beszélhetünk. Laboratóriumi körülmények között gyártott többrétegű napelemstruktúrákkal 46% energiaátalakítási hatásfokot is elértek, és további növekedés is várható. Új technológiák alkalmazásával számos napelemstruktúra készült (például szerves anyagok, fényérzékeny festékek stb.). Ezek energiaátalakítási hatásfoka messze elmarad jelenleg a csúcsértéktől, de az NREL folyamatos monitorálása szerint minden évben nő az elért hatásfok (URL1).

A ma földi alkalmazásban használt hosszú élettartamú, nagy hatásfokú napelemek többsége egykristályos, illetőleg polikristályos (multikristályos, kvázi-polikristályos) szilícium felhasználásával készül. Ezek tömeggyártásban elért energiaátalakítási hatásfoka 14–15% körüli, de összetettebb struktúrákkal 20% felett van. Garantált élettartamuk legalább huszonöt év. Számos más anyagból is készül napelem. Alkalmazásuk során gyakori kérdés, hogy mennyi idő alatt termelnek annyi energiát, amennyi az előállításukhoz szükséges. Az 1. ábrán néhány anyagból felépített napelemmodul és koncentrátoros rendszer (angol rövidítés: CPV) energiamegtérülése látható, amennyiben azokat Szicíliában, Cataniában alkalmazzák (URL2).

A 2. ábrán látható a németországi környezetben, azaz moderáltabb éves fajlagos globálsugárzás (1000 kWh/m²/év) mellett a különböző alapanyagot felhasználó, tetőre szerelt napelemes villamosenergia-termelő rendszerek energiamegtérülése (URL2).

Megállapítható, hogy az előállításhoz szükséges energia 1,2–3,3 év alatt térül meg. Figyelembe véve Magyarország átlagosan 1250 kWh/m²/év globál napsugárzási viszonyait, az energiamegtérülés 25%-kal kedvezőbb. A 3. ábrán követhető a három fő gyártástechnológia: az egykristályos, a multi- vagy polikristályos szilícium és vékonyréteg-technológiák fejlődése és részesedése a teljes napelemgyártási volumenben, amely 2014-ben 47,5 GWp volt (URL2).

A napelemes berendezések globális állományának jelentős növekedése a 4. ábrán követhető. 2015-ben a globális állomány kb. 233 GWp volt (URL3).

Az EurObserv’ER tagországonként követi az EU-ban létesített napelemes berendezések állományát. A huszonnyolc EU-tagország összes állománya 2013-ban közel 80 GWp (ezen belül Németország: 36,4 GWp), 2014-ben pedig közel 85 GWp (ezen belül Németország: 38,3 GWp) volt. A globális adatokkal összevetve látható Európa és benne Németország vezető szerepe, de az nem tart sokáig. Kína óriási napelemtermelő kapacitást hozott létre az utóbbi években, és az főként az ottani alkalmazásokat fogja ugrásszerűen megnövelni.

Hazai potenciál

Magyarországon a globál napsugárzás átlagértéke kb. 1250 kWh/m²/év. Ez azt jelenti, hogy hazánk 93 030 km² területére évente átlagosan kb. 1,163×1014 kWh energia érkezik a Napból. Ez az energiamennyiség mintegy 2900-szorosa a kb. 40 milliárd kWh éves villamosenergia-felhasználásunknak. Egy háztartás éves villamosenergia-igényének megfelelő energia átlagosan 2 m²-re érkezik a Napból. Ez a legnagyobb energiakincsünk! Nem függ a gazdasági és politikai válságoktól, nem eshet embargó alá, nem korlátozhatják különféle gazdasági és politikai folyamatok. Ez az energiamennyiség folyamatosan érkezik a Napból, és rendelkezésünkre áll. Csak okosan kell hasznosítanunk. A napelemek alkalmazásának hazánkban a villamos energia termelésében óriási lehetősége van, és meg vagyunk győződve arról, hogy az elkövetkező időszakban a hazai napelemes alkalmazások száma és névleges összteljesítménye jelentősen növekedni fog. Becslést és számítást készítettünk a hazai potenciálról (Pálfy, 2004). Megvizsgáltuk, hogy Magyarországon a különböző építmények tetején, szabad vagy felszabaduló földterületen, autópályák, vasútvonalak mentén mennyi napelem helyezhető el, és ezek várhatóan mennyi energiát tudnának termelni. (A szabad földterületeken történő telepítésnél lehetőség van egyéb, például legelőként történő hasznosításra, erre svájci példák is szolgálnak.) A számításoknál a KSH adataira támaszkodtunk, és számos csökkentő tényezővel (takarások, kedvezőtlen tájolások, optimálistól eltérő dőlésszögek stb.) számoltunk. A becslés során 10% energiaátalakítási hatásfokkal számoltunk, de ma már 20% feletti hatásfokú napelemmodulok is kaphatóak a piacon.

Ezekkel számolva a telepíthető napelem-teljesítmény és a megtermelhető villamos energia duplázódik. A számításokat az 1. táblázatban foglaltuk össze. Nem vettük figyelembe az épületek homlokzatára telepíthető napelemeket. Ezek további potenciált jelentenek. Ugyanakkor meg kell jegyeznünk, hogy a termikus kollektorokkal osztozni kell a lakóépületek tetőfelületein.

A táblázatból látható, hogy a 10% hatásfokú napelemekkel kb. 405 GWp napelem-teljesítmény volna telepíthető, amelynek villamosenergia-termelése jobb esetben évi több mint 486 milliárd kWh. Ez a villamosenergia-mennyiség a jelenlegi magyar fogyasztás kb. tizenkétszerese! A számítások tovább pontosíthatók, de világosan látszik, hogy a napelemek elhelyezésének és alkalmazásának hazánkban a villamos energia termelésében óriási lehetősége van.

Hazai helyzetkép

A napelem-technológiák és -berendezések magyarországi fejlesztése az 1970-es évek közepén indult a Villamosipari Kutató Intézetben (VKI), és az elmúlt 40 év első fele a VKI, majd Pannonglas és Solart-System szakembereinek tevékenységéhez köthető (Pálfy, 2016). 1979-re 15%-os hatásfokú napelemeket sikerült kifejlesztenünk a VKI-ban. A hazai napelemes berendezések összkapacitását néhány jellemző évre a 2. táblázatban foglaljuk össze.

Jelentős a fejlődés. Az utóbbi időkben volt, hogy egyik évről a másikra megháromszorozódott a magyarországi napelemes berendezések állománya, de nagy a lemaradásunk. 2015 végén kb. 16 000 napelemes berendezés volt Magyarországon, ami összehasonlítva Németország több mint egymilliós berendezésállományával igencsak szerény mennyiség. A hazai állomány összteljesítményének alakulásában a nagy fellendülést a hálózatra dolgozó napelemes rendszerek (grid connected) hazai engedélyezése jelentette.

Hazánkban az eddig legnagyobb, (2015 októberében üzembe helyezett) mátrai napelemes erőműben a villamos energiát 72 480 db 255 Wp névleges teljesítményű polikristályos szilícium alapanyagú napelem termeli (névleges beépített teljesítmény 18,4824 MWp), és táplálja a villamos hálózatba (5. ábra).

A fotovillamos energiaátalakítás hazai helyzetképéhez hozzátartozik, hogy 1982-ben a Magyar Elektrotechnikai Egyesületben megalakítottuk a Fotovillamos energiaátalakítók, napelemek munkabizottságot, 1983-ban pedig a Magyar Napenergia Társaságot, amelynek keretében a Fotovillamos energiaátalakítók szakosztály aktív tevékenységet folytat. A Nemzetközi Napenergia Társaság (ISES) tagjaként 1993-ban a Magyar Napenergia Társaság nagysikerű világkonferenciát és világkiállítást szervezett Budapesten. Az iparág összefogására és reprezentálására 2010-ben megalakítottuk a MANAP iparági egyesületet.

Végül, de nem utolsósorban említést érdemel, hogy fotovillamossággal kapcsolatos oktatási tevékenység többek között a gödöllői Szent István Egyetemen, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetemen és az Óbudai Egyetemen is folyik.

A PV várható alkalmazásának alakulása

A napelemes berendezések elterjedésére az Európai Unió előrejelzést készített a tagországok vállalásai alapján 2020-ig, kitekintve 2030-ig (6. ábra).

A 6. ábrán látható, hogy a napelemes berendezések teljesítménye már 2014-ben meghaladta a tagországok által 2020-ra vállalt és becsült értéket. Ugyanez jellemző hazánkra is.
Az Európai Unió Napelemes Stratégiája (PV SRA) térképeken mutatja be 2010-re, 2015-re, 2020-ra és 2030-ra a napelemes áramforrásokkal termelt villamos energia árának alakulását, mégpedig hogyan lesz olcsóbb, mint a tagországok helyi hálózati villamos energiájának ára (grid parity) (7. ábra).

A hazai fotovillamos ipar számos értetlenség és akadályozás ellenére negyven év kitartó munkájának és néhányunk eltökéltségének is eredményeképpen napjainkra megteremtődött. Több napelemgyártó és számos tervező, kivitelező, forgalmazó tevékenykedik Magyarországon. A hazai felsőoktatásban több intézmény képez szakembereket. Egyesületek fogják össze a szakembereket, és adnak segítséget hétköznapi tevékenységükhöz.

A napelemes berendezések 2015-re megvalósult állományának további jelentős bővülése várható. A Nemzeti Energia Stratégia Programjához 2010-ben előterjesztett becslésünk szerint 2020-ra egyenletes növekedés mellett 500 MWp teljesítményű új napelemes berendezést prognosztizáltunk. Ebből a Nemzeti Megújuló Energia Cselekvési Tervbe (NREAP) 63 MWp vállalása került be (8. ábra). Ez jóval kevesebb a becsültnél, mégis nagy eredménynek tartottuk a korábban vállalt 10 MWp-tal szemben. Próbáltunk becslést végezni a különböző években várható berendezésállomány mértékére 2020-ig, amit azonban a tények eddig minden évben felülírtak (8. ábra). (Ezt is jelzi a törés 2015 után)

Reméljük, hogy a továbbiakban is így lesz. Az alkalmazások számszerű többsége jelenleg épületeken van, és a jövőben is ez prognosztizálható, így építészeinkkel, épületgépészeinkkel együtt nagy a felelősségünk, hogy optimális megoldások szülessenek.
 

Kulcsszavak: napenergia, fotovillamos, napelem, sugárzás, hatásfok, megtérülés, egykristályos, polikristályos, szilícium, amorf, potenciál
 

HIVATKOZÁSOK

EurObserv’ER (2015): augusztus • WEBCÍM

Pálfy Miklós (1986): A VKI-ban folyó napelemfejlesztéssel kapcsolatosan elhangzott előadások, publikációk jegyzéke 1974−1986 között. Elektrotechnika 79, 10, 387−389. • WEBCÍM

Pálfy Miklós (2004): Magyarország szoláris fotovillamos energetikai potenciálja. Energiagazdálkodás. 45, 6, 7−10.

Pálfy Miklós (2016): A napenergia fotovillamos hasznosítása Magyarországon. In: Váradi F. Péter (szerk.): Van új a nap alatt. Budapest: Móra Könyvkiadó, 387−405.

nagypanel és alagútzsalus házak

egyéb lakóépületek

mezőgazdasági épületek

mezőgazdasági épületek

oktatási épületek

oktatási épületek

önkormányzati épületek

önkormányzati épületek

gyep-legelő

új, mezőgazda-ságilag
felszabadult területek

vasútvonalak mentén

autópályák mentén

összesen

teljesítmény kb. (kWp)

berendezés kb. (db)