Hidrológiai tájékoztató, 1995

2. szám, október - ÁLTALÁNOS VONATKOZÁSÚ CIKKEK - Hajdú György: A víz és a hőszivattyú

A víz és a hőszivattyú HAJDÚ GYÖRGY Vásárhelyi-díjas Az első nem nomád, állandó társadalmakat az öntözéses mezőgazdaság, a víz helyzeti energiájának hasznosítása tette lehetővé. A vízemelő kerék, a vízimalom voltak az első gépek, melyeket nem emberi vagy állati erővel mozgattak. Az emberi civilizációt az energia átalakításának a képessége teremtette meg. Azóta a természet energiatartalékainak hasznosítása terén nagy utat tettünk meg, de a vízben rejlő energiának a kihasználásáról azóta sem mondott le az emberiség. Nem csoda, hiszen a levegő után a víz a leggyakrabban előforduló természeti közeg. Az ipari forradalom idején vesztette el a víz vezető szerepét az energianyerésben. Az ipari forradalom a szén rejtett energiájának felhasználásán alapult és sokszorosára gyorsult, amióta a szén után az olaj, a gáz és az atomenergia is a társadalom szolgálatába állott. Mint sok más területen, itt is a hasznos hatások mellett olyan káros mellékhatások keletkeztek, hogy az emberi társadalom fennmaradásának érdekében minden bizonnyal korlátozni kell ezeknek az energiaforrásoknak a felhasználását. Olyan energiaforrásokat kell felhasználnunk, melyek a környezetet egyáltalán nem, vagy kevésbé károsítják. Ismét a vízi energia felé fordult az érdeklődés. Számos olyan tulajdonsága van, melyek a ma domináló fosszilis tüzelőanyagokkal szemben kedvezőbbek. Nem szennyezi a környezetet, megújul, bizonyos fokig tárolható, a nap alacsony energiaigényű óráiban leállítható, de legalább is veszteség nélkül csökkenthető a teljesítménye, álló helyzetből igen gyorsan teljes teljesítményre futtatható. Vannak azonban korlátai is. Nagy a beruházási költsége, létesítésénél többé-kevésbé be kell avatkozni a környezetbe, így elsősorban gyéren lakott területeken építhető. Viszont a termelt villamos energia kis veszteséggel nagy távolságra is eljuttatható. Többnyire a felhasználótól nagy távolságra kell megépíteni, határokon keresztül kell szállítani, sokszor a lelőhely tulajdonosa tőkeszegény, koncessziók, hitelek kellenek a létesítéshez. Ekkor azonban nemzetközi egyezményekkel kell szabályozni a felhasználását. Ezért nem mindenhol lehet hasznosítani. Negatív példa erre a Nagymarosi erőmű, amely több kárt okozna a környezetnek, többek között a Főváros ivóvízbázisának, a Szentendrei-sziget kúttelepeknek, mint ami haszonnal az üzemeltetése járna. Vannak más természetes, megújuló energiaforrások, mint a napenergia, a szélenergia, az árapály energiája, a geotermikus energia, de ezek tömeges felhasználása ugyancsak helyhez kötött, nagy a beruházási költsége, ezért általános elterjedésük még csak a jövő zenéje. Vannak mindegyikre jó kezdeményezések. Franciaországban, a Rance tölcsértorkolatában árapály erőmű üzemel már három évtizede. A holland partokon, ahol a szél átlagos sebessége 5 m/s, évszázadok óta működnek szélmalmok, ma ezeknél lényegesen jobb hatásfokú szélpropellerek termelnek villamos áramot. Lakatlan, forró sivatagokban eredményesen működnek naptelepek. Kisebb igényekre néhány száz Watt teljesítménnyel háztartásokban is működnek, de csak mint alternatív energiaforrások. Kevés olyan vidék van, ahol akkor is elegendő a helyi napfény, amikor fűtéshez szükséges. Mindezek a természetes energiaforrások még messze vannak attól, hogy a fosszilis energiahordozókat pótolni tudják. Egy van ilyen, mely már ma is számottevő eredményeket mutathat fel. Ez a hőszivattyú. Elmélete már 150 éves. Ekkor kezdték elméletileg is vizsgálni azokat a gépeket, melyek hő segítségével mechanikai munkát végeznek, mint a gőzgépek, vagy újabban a robbanó motorok, a dízelgépek, a gőz- és gázturbinák. Ezek fosszilis energiahordozó segítségével hőt állítanak elő, a hővel egy gép belsejében nyomásemelkedést idéznek elő és az alkalmas módon forgómozgássá alakítva járműveket vagy áramfejlesztőket hajt. Minél magasabb fokú hőt termelnek és minél alacsonyabb fokon hagyja el a hőhordozó közeg nem hasznosítható maradéka a gépet, annál jobb a hatásfoka. Bernoully, Carnot, Stirling és mások foglalták matematikai képletekbe a hő és mechanikai munkavégzés törvényeit. A mechanikai munka: W = Q (T1-T2), ahol Q a munkavégző közeg tömege, TI és T2 a munkavégzés előtti és utáni hőmérséklete. A T Kelvin fokban értendő. A munkavégzés hatásfoka: ti = (T1-T2)/T1. A hatékonyság elég alacsony. Pl. egy gőzturbinánál, amely 300 °C-os túlhevített gőzt használ fel és azt 100 °C-on kondenzálja, az elméleti hatásfok: r| = (573-373)/573 = 0,35. A tényleges hatásfok a súrlódási, sugárzási veszteségek miatt csak 25% körüli. Ha egy gázturbinában 1000 °C hőmérsékletű gázt mechanikus energia keltéséhez kombinált rendszerben 120 °C-ra hűtünk, az elméleti hatásfok 0,77, a tényleges kb. 0,50. Elméleti határ a 100%. Azt mondtuk: ez már a perpetuum mobile, az örökmozgó. A benzinmotor kb. 0,30, a dízelmotor 0,40 hatásfokot ér el. Jobb hatásfokkal lehet a fosszilis tüzelőanyagokat felhasználni, ha nem mechanikai munkává, hanem hővé alakítjuk át. A szénnel 30-50, az olajjal 60-80, a földgázzal 70-95%-os hatásfokot lehet elérni. Már a Carnot és Stirling törvények megalkotásakor felmerült, hogy a hőmotorok munkafolyamata megfordítható. Tehát nem hőfelhasználással nyerünk mechanikai munkát, hanem mechanikai munkával nyerünk hőt. Linde nénet fizikus dolgozta ki ennek az elméletét. » így a képlet megfordul: e = T1/(T1-T2). Az előbbi példánkban: e = 473/(473-373) = 473/100 = 4,73. Ez több, mint a perpetuum mobile. A bevitt munkának többszörösét lehet kinyerni. Ez a lehetőség száz évig csak az elmélet játékának tűnt. Közben már hűtőgépeket konstruáltak, ahol mechanikai munkával - egy kompresszor segítségével - hőátalakítást végeznek. Ugyan itt magasabbról alacsonyabbra süllyesztik az anyag hőmérsékletét, de már a hűtőgépek hatásfoka is lehet magasabb 100%-nál. E = T2/(T1-T2). Pl. egy 90 °C-ú anyagot léhűtők 10 °C-ra: e = 283/(363-283) = 283/80 = 3,54. (Természetesen felmerül, hogy a gép, amely a hűtőközeget keringető kompresszort meghajtja, fosszilis energiát fogyaszt és az összhatásfok már sokkal kisebb. Különösen akkor, ha a fosszilis közeg energiatartalmából levonjuk a kinyeréshez felhasznált energiát.) Ettől már csak egy lépés volt a hűtőgép körfolyamatát megfordítani és mechanikai munka segítségével alacsony hőfokú közeget felmelegíteni. Az első ilyen korszerű gépet, a hőszivattyút 1948-ban a Zürichi Műegyetemen alkották meg és ebben nagy szerepe volt egy zseniális fiatal magyar mérnöknek, Heller Lászlónak, a Műegyetem későbbi professzorának. Ekkor és itt készítette a hőszivattyúról doktori disszertációját. 21