A növények vagy a napelemek a hatékonyabb energiatermelők?

A földi élet és a civilizációnk fenntartásához szükséges energia túlnyomó többsége a Napból származik. Lehet, hogy a mindennapokban nem gondolunk bele, de valójában még a vízenergia, a szélenergia, és a fosszilis energia sem más, mint átalakított napenergia. Az előbbiekkel ellentétben a fotoszintézis, és a fotovoltaika azon megoldások közé tartozik, amelyek közvetlen formában hasznosítják a bolygónkat elérő fotonok energiáját. De a kettő közül vajon melyik a hatékonyabb?

A kérdés többféleképpen is értelmezhető, ezért a válasz megtalálása nem egyszerű feladat. Nézzük előbb a csupasz fizikát.

A napelemek hatékonysága óriási fejlődésen ment keresztül az elmúlt 70 évben, a piacon jelenleg elérhető panelek értékeit a gyártók, illetve a forgalmazók honlapján is megtalálhatjuk, a leginkább elterjedt napelemek esetében ez 17 és 23% között mozog, a várhatóan az évtized második felében forgalomba kerülő szilícium-perovszkit tandem cellák pedig már 30% fölött járnak.

A növények esetében már trükkösebb a kérdés. Mivel itt nem történik villamosenergia-termelés, ezért először érdemes tisztázni, hogy jelen cikkünkben mit értünk a fotoszintézis hatékonysága alatt: a következőkben azt fogjuk megnézni, hogy a növények az őket érő napfényt milyen arányban képesek átalakítani kémiai energiává. A kérdéssel nagyon sok tanulmány foglalkozik, amelyek gyakran eltérő számokat eredményeznek, hiszen egy rendkívül összetett témáról van szó. Általánosságban azonban azt mondhatjuk, hogy a leghatékonyabb növények, attól függően, hogy C3, vagy C4 típusú fotoszintézisről van-e szó, ideális körülmények között valahol 3-6% körül teljesítenek.

Forrás: XG Zhu – What is the maximum efficiency with which photosynthesis can convert solar energy into biomass?

A fentieket úgy foglalhatnánk össze, hogy laboratóriumi körülmények között a napelemcellákat érő fény 20-30%-a, a leveleket érő fénynek pedig a 3-6%-a hasznosul valamilyen formában.

Ha a kérdés gyakorlati oldalát nézzük, akkor figyelembe kell vennünk azt is, hogy a mi égövünkön télen „nem működnek” a növények, márciusban tehát hiába süti a nap a fák csupasz ágait, miközben a napelemek kiválóan termelnek az egyre hosszabb nappaloknak köszönhetően. Brazíliában ugyanakkor az évszakok változása nem jelent ekkora problémát, ezért is játszik jóval nagyobb szerepet a biomassza az ország energiatermelésében, mint nálunk.

Az elméleti értékek érdekesek ugyan, de sokkal fontosabb az, hogy a mi energiafelhasználásunk szempontjából melyik metódus mennyire hatékony. Ez megint egy sokrétű kérdés, amire nem létezik egyszerű válasz.

A napelem villamos energiát termel, ami jól jön akkor, ha a légkondit akarjuk működtetni egy forró nyári napon, viszont nem sokra megyünk vele, ha egy téli éjszakán szeretnénk tölteni az autónkat. A növények ezzel szemben biomasszát termelnek, ami jól jöhet, ha éhesek vagyunk, de nem sokra megyünk vele, ha az autónkat akarjuk feltölteni, vagy megtankolni. Először tehát közös nevezőre kell hozni az evolúció, illetve a mérnökök által feltalált napenergiás technológiákat.

Ahhoz, hogy a biomasszából áramot nyerjünk, el kell égetnünk azt egy 40-80%-os hatásfokkal bíró hőerőműben, így a 3-6%-ból máris csak 1,2-4,8% marad. Igen ám, de nem a teljes növényt égetjük el, a gyökerek például a földben szoktak maradni, a fák lombja is elvész a folyamat során, és a szállítás is energiaigényes dolog, így a tényleges hatékonyság valahol 1-2% körül lehet. Ez áll szemben a napelemek 20-30%-os hatásfokával. A biomasszának tehát nincs sok létjogosultsága a nyári áramellátásban, ha a pusztán a hatékonyságot nézzük.

De mi a helyzet a téli hónapokkal? A biomassza fő előnye, hogy aránylag jól tárolható. A naperőművek által megtermelt villamos energiát viszont át kell alakítani hidrogénné, majd vissza kell alakítani villamos energiává, ha el akarjuk tárolni a szűkösebb hónapokra. Egy ilyen ciklus hatásfoka, technológiától függően valahol 30 és 60% között lesz. A napelemek 20-30%-os hatásfokából tehát marad 6-18%, ami még mindig tízszer jobb, mintha növényeket égetnénk el.

A helyzet csak siralmasabb lesz, ha kukoricából gyártunk etanolt a belsőégésű motorokhoz. Ebben az esetben ugyanis a növény nagyobbik része – a gyökere, a szára, a levelei – kárba vész, és a teljes a folyamatnak a fotoszintézistől az etanolig terjedő hatásfoka mindössze néhány tized százalék lesz, hogy azután a végtermék egy 30% körüli hatásfokú benzinmotorban égjen el. Így a végén oda jutunk, hogy a kukoricát érő napfény energiájának a 0,1%-a alakul át mozgási energiává.

Ugyanez egy naperőműből (25%), hidrogénes energiatárolásból (50%), EV-töltből (85%), és elektromotorból (90%) álló láncolat esetén közel 10%, vagyis a különbség százszoros. A teljes kép még ennél is csapnivalóbb, hiszen októbertől márciusig hiába süti a nap a földeket, az az energia nem fog hasznosulni.

Persze mindez csak elméleti fejtegetés, a nap ingyen süt, tehát nem különösebben érdekes a veszteség mértéke – mondhatnánk.

Az már viszont nem lényegtelen, hogy egységnyi területről melyik megoldással nyerhetünk több, számunkra hasznos és szabályozható energiát, mivel a napsütéssel ellentétben a földterület nincs ingyen, sőt, meglehetősen korlátos jószág.

Energiafűz aratása. Kép: Lignovis GmbH/Wikimedia.

Ha egy hektárt energianáddal ültetünk be, és évente 20 tonna biomasszát takarítunk be róla, annak az energiatartalma 356 ezer MJ (99 MWh) lesz, ami az erőmben történő elégetés után 40-80 MWh villamos energiát eredményez.

Ha ugyanerre a földterületre inkább 0,5 MW névleges kapacitású, egytengelyes napkövető technológiával ellátott naperőművet telepítünk, akkor évi 800 MWh villamos energia megtermelésére számíthatunk – és a terület emellett még 3-4 birkát is képes eltartani. Tegyük fel, hogy a hozam felét hidrogén formájában eltároljuk télre: még ebben az esetben is maradni fog 5-600 MWh (és 3-4 birka). A különbség megint csak tízszeres a napelemek javára.

Egy korábbi cikkemben bemutattam, hogy az etanolgyártásra szánt kukorica termőterületén a közlekedési szektor energiafelhasználásának triplája lenne megtermelhető megújuló energia formájában. Az óriási különbség részben a belsőégésű motor és az elektromos hajtáslánc hatásfoka közötti különbség, részben pedig az etanolgyártás pazarló voltának számlájára írható, de legalább ugyanilyen fontos tényező a fotovoltaika magasabb fokú hatékonysága a fotoszintézishez képest, amit mindenképpen érdemes figyelembe venni a jövő energiarendszerének tervezésekor.

Több naperőművet kellene a szántóföldekre telepítenünk

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.