Hőenergia napenergiából
Sokfelé használják a napenergiát közvetlenül hőtermelésre, de aránya csak néhány országban, pl. Cipruson és Izraelben jelentős. Napsugarakkal mintegy 200 Celsius-fokra lehet hevíteni egy folyadékot, a sugarakat parabolatükrökkel koncentrálva 650 foknál magasabb hőmérséklet is elérhető. Sokelemes tükörrendszerrel egy toronyra fókuszálva a napsugárzást, a hőmérséklet az 1500 Celsius-fokot is meghaladhatja. A nap hőjével hajtott gőzgépeket szokásos generátorokra kapcsolva elektromos energia nyerhető. A kaliforniai Mojave sivatagban 1984 és 1991 között 9 parabolatükrös elektromos erőművet építettek, ezek ma is működnek, összteljesítményük 354 megawatt. Hatásfokuk éves átlagban 20%, a legújabb típusé eléri a 30%-ot. Ezek az értékek napenergia-hasznosításban magasnak számítanak, de a legjobb gáztüzelésű erőművek hatásfoka megközelíti a 60%-ot. Naperőművekben a jobb hatásfokhoz legalább 1500 fokos hőmérsékletet kell elérni. Egyelőre kísérleti stádiumban van egy másik lehetőség kipróbálása, a hibrid rendszerben kétféle átalakítást kombinálnak. A koncentrált napsugár-nyaláb látható részéből napelemekkel elektromos energiát nyernek, a sugárzás többi részével hőt termelnek, majd abból állítanak elő elektromosságot.
Elektromos energia termelésére a hőelektromos jelenséget is fel lehet használni. A mozgó alkatrész nélküli rendszerben kétféle anyag, rendszerint fém vagy fémek ötvözete, hőmérsékletkülönbsége hozza létre az elektromos áramot.
Thomas Johann Seebeck (1770-1831) német fizikus 1821-ben fedezte fel véletlenül, hogy egy fémrúd két vége között elektromos feszültség lép fel, ha a rúd két vége eltérő hőmérsékletű. Egy másik kísérletben két különböző fémből készült rúdból egy zárt kört hozott létre. A kétféle fém érintkezési pontjait eltérő hőmérsékletűvé tette, mire a közelben levő iránytű kitért szokásos helyzetéből. A hőmérsékletkülönbség miatt áram folyt a kétféle fémből álló körben, az iránytűt ennek a mágneses tere térítette el. Tehát kétféle fémből vagy félvezetőből felépített körben, ha a csatlakozási pontok hőmérséklete különböző, elektromos áram folyik. Ezt a termoelektromos jelenséget ma felfedezőjéről Seebeck-jelenségnek hívjuk. A jelenség fordítottja is megvalósítható: két különböző vezető anyag érintkezésénél az átfolyó elektromos áram hatására az érintkezési pont felmelegszik vagy lehűl, ez a Peltier-jelenség.
A Seebeck-jelenség hatásfoka sem magas, mindössze 7% körüli és az alkalmazásokban ritka és ezért drága fémötvözeteket, pl. bizmut és tellúr ötvözeteket használnak. Ezért nem is használják ki ezt a lehetőséget széles körben. A kutatók olyan anyagokat kerestek, amelyek gyakoriak, könnyen előállíthatók.
A közel 200 éve ismert jelenség komolyabb hasznosítása az 1990-es években kezdődött meg. Jelenleg a nanoszerkezetű kompozit anyagok tűnnek a legígéretesebbnek, ezekben kvantumpöttyök vagy nanodrótok kaphatnak szerepet. Kísérletileg igazolták, hogy vékonyfilm szuperrács elrendezésben kétszer akkora teljesítmény érhető el, mint pontosan ugyanannak az anyagnak nagyobb tömegét használva. Bizmut-tellúr és ón-tellúr illetve ólom-tellúr és ólom-szelén fémötvözet párokkal végezték a méréseket. Nagy anyagmennyiséget kell nanoszerkezetekből összerakni, nanodrótok, nanopöttyök beillesztése mellett kell nagy elektromos teljesítmény kezelését megoldani.
Nemrég szerves molekulával is sikeresen hoztak létre hőből közvetlenül elektromos energiát, drága fémek helyett olcsó szerves anyagokkal is érdemes kísérletezni. Benzol-ditiol, dibenzol-ditiol és tribenzol-ditiol molekulákkal kísérleteztek. (A benzolban hat szénatom kapcsolódik össze gyűrűvé, minden szénatomhoz egy hidrogénatom kötődik. A -tiol név -SH (kén és hidrogén) csoportot jelöl, ez kapcsolódik a benzolhoz.) A szerves molekulát két, arany nanorészecskékből álló elektróda közé fogták be, majd az egyik elektródát felmelegítették. A szerves molekula két csatlakozó pontja tehát eltérő hőmérsékletre került és a Seebeck-jelenségnek köszönhetően megjelent a feszültségkülönbség. 1 fok hőmérsékletkülönbség a benzol-ditiolnál 8,7 mikrovolt, a dibenzol-ditiol esetében 12,9, míg a harmadik kipróbált molekulánál 14,2 mikrovolt feszültséget mértek. (Fémeknél is hasonló, a mikrovolt/fok tartományba eső értékek jellemzőek.) A kísérletsorozatban 30° hőmérsékletkülönbségig mentek el.
A mért effektus ugyan nem nagy, mégis jelentős. Megmutatták, hogy molekuláris méretekben, olcsó anyagokkal is működtethető a Seebeck-jelenség. A munka folytatódik, más szerves molekulákat és más fémeket próbálnak ki, a szerkezeten is változtatnak. Olcsó szerves molekulákból és fém nanorészecskékből gyakorlati célokra használható energiatermelő, illetve hűtő egységeket szeretnének létrehozni.
A termoelektromos jelenség természetesen nemcsak a napenergia hasznosítására vethető be. A hagyományos energiatermelés több lépésben zajlik. Különböző anyagok (földgáz, olaj, szén, bio-anyagok) elégetéséből vagy az atommagok hasadásából nyert hőenergiával rendszerint gőzt termelnek, az megforgatja a turbinát, a turbina a generátort és így jutunk elektromos energiához. A többlépcsős folyamat minden fázisában energiát vesztünk, ezért az eredetileg felszabadult hőenergia kis hányadából lesz csak elektromos energia. A hőenergia nagy része haszontalanul elveszik. Évtizedek óta foglalkoznak azzal, hogyan lehetne ezt a hulladék hőt is hasznosítani, erre jó megoldást kínál a termoelektromosság jelensége.
Energiatárolás és továbbítás
Bármilyen olcsó és egyszerű megoldás is születik a napenergia elektromos- vagy hőenergiává alakítására, továbbra is fennmarad az energiatárolás problémája. Az éjszaka és a nappal, a napos és a felhős időszakok váltakozása, a nyár és a tél eltérő napsugárzása miatt az energiaátalakítás nem megy folyamatosan. A napenergiával előállított üzemanyag kémiai kötéseiben tárolja az energiát, ezzel nincs gond. Nagymennyiségű elektromos- és hőenergia tárolása viszont egyelőre megoldatlan. A folyamatos előállítás is megoldható lenne, de ez a lehetőség egyelőre a tudományos fantasztikumok világába illik. Geoszinkron pályán keringő műholdak sokasága alakítaná át a napsugarakat és a termelt energiát mikrohullámok formájában sugározná le a felszíni vevőantennákra. Akkor sem lenne szükség nagy tárolókapacitásokra, ha kiépülne egy olyan globális elektromos hálózat, amelyben szupravezető kábeleken veszteség nélkül folyna az áram a napsütötte vidékekről az éppen sötét földrészekre. Anyagi okokból a globális szupravezető hálózat sem tartozik a közeljövő lehetőségei közé.
Hozzászólások