A napkollektoros hőtermelés és a napelemes áramtermelés összehasonlítása

A cikk a Magyar Épületgépészet 2015/5. számában jelent meg, melynek tartalomjegyzéke itt letölthető.

Mostani írásunk első részében összehasonlítjuk a napkollektoros és a napelemes technológiát, majd a cikk második részében javaslatot teszünk a napkollektoros rendszerek hőenergia alapú támogatására.
Elöljáróban is hangsúlyozni kívánjuk azonban, hogy a napenergia hasznosításának e két módját nem versenytársaknak tekintjük, hanem sokkal inkább egymás kiegészítőjének.

Mivel még ma is gyakran előfordul, hogy összekeverik a napkollektort a napelemmel, ezért az egyértelműség kedvéért először tisztázzuk: két teljesen eltérő berendezésről, eltérő technológiáról van szó. A napkollektorban a napsugárzás hatására folyadék, vagy levegő melegszik fel, és az így keletkezett hőenergiát többnyire melegvíz készítésre és épületek, vagy medencék fűtésére használják fel. A napelem viszont félvezetőt tartalmazó berendezés, amelyben a napsugárzás hatására töltésszétválasztás, azaz villamos feszültség keletkezik. A napelem tehát egyenáramot állít elő, amelyet többnyire egy inverter a hálózati feszültséggel megegyező váltóárammá alakít át, így a napelemekkel termelt áram normál villamos fogyasztók működtetésére használható.

A napkollektorok és napelemek részletes működési elvével és szerkezeti kialakításával ebben a cikkben nem foglalkozunk, a két technológiát energetikai és pénzügyi-gazdaságossági szempontból hasonlítjuk össze. Az összehasonlításnál az 1. ábrán látható, leggyakrabban alkalmazott napelem és a napkollektor típusokat vettük alapul.

1. ábra. Az összehasonlításnál alapul vett napkollektor és napelem jellemzői

Energetikai jellemzők

Energiatermelés szempontjából a két legfontosabb jellemző a teljesítmény és az éves energiahozam. A teljesítmény megadása elsősorban a napelemeknél jellemző. A gyártók a standard teszt körülmények (STC) esetén mérhető maximális névleges teljesítményt adják meg. Ennek a jelölése PMAX, vagy PSTC, a mértékegysége pedig Wp ahol a „p” index az angol „peak” (csúcs) szó rövidítése.

A manapság jellemzően alkalmazott 60 cellás polikristályos napelemek névleges teljesítménye 250 – 260 Wp. Fontos hangsúlyozni, hogy az ilyen módon megadott névleges teljesítményt a napelem csak az ideálisnak tekinthető teszt körülmények esetén, 1000 W/m2 teljesítményű napsugárzás és 25 °C-os cellahőmérséklet esetén adja le.

A napkollektoroknál a névleges maximális teljesítmény megadása kevésbé használatos, inkább a hatásfokgörbét adják meg a gyártók. A hatásfok alapján azonban egyszerűen meghatározható a napelemekhez hasonló névleges maximális teljesítmény. A példában felvett 2 m2 teljes felületű napkollektor maximális hatásfoka kb. 80%, hasznos felülete kb. 1,8 m2, így a maximális teljesítménye 1000 W/m2 napsugárzás esetén: 0,8 x 1,8 x 1000 = 1400 Wp.

A várható éves energiahozamot a napkollektoroknál egy négyzetméter felületre, a napelemeknél pedig 1 kWp névleges teljesítményre vonatkoztatva szokás megadni. A hasznosítható éves energia természetesen függ a földrajzi helytől, a dőlésszögtől és a tájolástól is, átlagos értéknek azonban hazánk területén napkollektoroknál kb. 550 kWh/m2, napelemeknél pedig kb. 1100 kWh/kWp fajlagos értékek fogadhatók el.

A napkollektorok és napelemek fentiek szerinti energetikai jellemzői a 2. ábrán láthatók.

2. ábra. Napkollektorok és napelemek energetikai jellemzői

Az ábra alapján az alábbi megállapítások tehetők:
• A napkollektor jobb hatásfokú, energetikailag hatékonyabb, mint a napelem. Azonos felületen napkollektorokkal 4,5-szer akkora névleges teljesítményt, és 3,2-szer nagyobb éves energiahozamot lehet elérni, mint napelemekkel.
• Fordítva nézve: azonos névleges teljesítmény eléréséhez 4,5-szer, azonos éves energiahozam eléréséhez pedig 3,2-szer nagyobb felület szükséges napelemből, mint napkollektorból.

Pénzügyi-gazdaságossági jellemzők

A napkollektorok és napelemek összehasonlítását célszerű elvégezni pénzügyi-gazdasági szempontok, azaz ár-érték alapján is. A 3. ábra első oszlopában látható, hogy a napkollektorok felületre vetített egységára valamivel nagyobb, mint a napelemeké. A második és a harmadik oszlop azonban megmutatja, hogy mind az egységnyi névleges teljesítményre, mind az egységnyi energiahozamra vetített ár a napkollektorok esetében lényegesen alacsonyabb, mint a napelemeknél. Tehát napkollektorokkal jelentősen olcsóbban lehet előállítani energiát, mint napelemekkel.

3. ábra. Napkollektorok és napelemek ár-érték jellemzői

A kiváltott energia ára

A napkollektoros és a napelemes rendszerek között jelentős különbséget eredményez a napenergiával kiváltott energiahordozó fajtája és ennek ára. A napkollektorok az esetek többségében vezetés földgázt, míg a napelemek hálózati villamos energiát váltanak ki. A kétféle energia ára a 4. ábrán látható. A könnyebb összehasonlíthatóság érdekében a vezetékes földgáz MJ-ban és gázköbméterben megadott árát átváltottuk kWh-ra. Az átszámításnál a gázkészülék hatásfokát 80%-os értékkel vettük figyelembe.

4. ábra. Az áram és a vezetékes földgáz ára

Az általánosan használt lakossági A1 normál tarifájú nappali áram ára jelenleg bruttó 37,56 Ft/kWh, míg földgáz esetében a lakossági normál tarifájú vezetékes földgázból előállított hőenergia ára bruttó 14,95 Ft/kWh. A lakossági tarifák esetében tehát látható, hogy az áram ára kb. 2,5-szer magasabb, mint a gáz ára. Ez komoly versenyelőnyt jelent a napelemes rendszereknek a napkollektoros rendszerekkel szemben, hiszen a drágább energiahordozó kiváltása nagyobb megtakarítást és így rövidebb megtérülési időt eredményez.

A tároló szerepe

A napenergia-hasznosító rendszerek egyik legfontosabb eleme a tároló. Tárolóra szinte minden esetben szükség van, mivel a napenergia rendelkezésre állása és az energiafogyasztás időbeli lefolyása általában nem esik egybe. Ezért a megtermelt napenergiát valamilyen tárolóban kell összegyűjteni és eltárolni a fogyasztás idejére.

5. ábra. Napkollektoros és napelemes rendszerek jellemző kialakítása

Napkollektoros rendszerek esetében tárolás céljára többnyire egy víztartályt, használati-melegvíz tárolót, vagy fűtési puffertárolót alkalmaznak. Ezek általában csak napi ciklusú tárolást tesznek lehetővé, segítségükkel, a napkollektorokkal napközben megtermelt hőenergia eltárolható, így fedezhető belőle a következő napi napsütés kezdetéig jelentkező fogyasztás. Napkollektoros rendszereknél, napi ciklusnál hosszabb tárolás azonban már nem, vagy csak nagyon nagy helyigénnyel és irreálisan magas költséggel valósítható meg. Szezonális tárolás, tehát a nyári napenergia télire történő eltárolása pedig szinte lehetetlen.

A hálózatra visszatápláló napelemes rendszereknél azonban a tárolás szempontjából gyökeresen más a helyzet, hiszen tárolás céljára felhasználható a villamos hálózat. Magyarországon a villamos energiáról szóló 2007. évi LXXXVI. törvény (VET) rendelkezik arról, hogy az 50 kW teljesítmény alatti, ún. háztartási méretű kiserőművek által termelt villamos energiát az adott csatlakozási ponton értékesítő villamosenergia-kereskedő köteles átvenni, és annak méréséről gondoskodni. Ráadásul a napelemes kiserőmű tulajdonosa kérheti a szolgáltatótól a hálózatba összesen betáplált és vételezett villamos energia éves szaldó szerinti elszámolását.

A hálózatra csatlakozás lehetősége, a kötelező átvétel és az éves szaldós elszámolás összességében azt jelenti, hogy a napelemes rendszerek tulajdonosai az országos villamos hálózat formájában egy olyan ingyenes energiatároló eszközhöz (akkumulátorhoz) jutnak hozzá, ami korlátlan kapacitású, 100%-os hatásfokú, és hosszú ideig (egy évig) tud tárolni. Ez pedig nem más, mint az ideális szezonális tároló, melynek segítségével nem csak a napközben megtermelt energiát tehetjük el éjjelre, hanem a nyáron előállított energiát is eltárolhatjuk télire. A szezonális tárolóként működő villamos hálózat így lehetővé teszi, hogy egy adott létesítmény éves villamos energia szükségletét akár 100%-ban is fedezni lehessen a napelemes rendszerrel. Ez pedig további komoly versenyelőnyt jelent a napelemes rendszereknek a napkollektoros rendszerekkel szemben.

Komplett rendszerek összehasonlítása

Az eddigiekben csak a napkollektor és a napelem tulajdonságait vizsgáltuk. A napenergia hasznosításához azonban a napelemeken és napkollektorokon kívül további berendezésekre és szerelési anyagokra is szükség van. Most vizsgáljuk meg a komplett rendszereket, ahol a beruházási költségnél minden szükséges rendszerelem, valamint a tervezés, engedélyeztetés és kivitelezés költségeit is figyelembe vettük.

A 6. ábrán azonos, évi megközelítőleg 3300 kWh energiahozamú napkollektoros és napelemes rendszer összehasonlítása látható. Ehhez napkollektorból 6 négyzetméternyi felület szükséges, míg napelemekből ugyanezt az éves energiahozamot 3 kWp névleges teljesítmény, és 19,2 négyzetméter felület tudja biztosítani. A kisebb elnyelő felület ellenére a napkollektoros rendszer névleges teljesítménye nagyobb, 4,2 kW, szemben a napelemes rendszer 3 kW teljesítményével. A napkollektoros rendszer ráadásul olcsóbb is, bruttó beruházási költsége kb. 1,2 millió forint, míg a napelemes rendszer ára kb. 1,75 millió forint.

6. ábra. 3300 kWh éves energiahozamú napkollektoros és napelemes rendszer jellemzői

Hiába azonos azonban a példaként bemutatott két rendszer éves energiahozama, ha a napkollektorok vezetékes földgázt váltanak ki, akkor ez a jelenlegi lakossági árakon csak évi 49 ezer forint megtakarítást jelent, míg a napelemes rendszer, ami áramot vált ki, évi 124 ezer forint megtakarítást produkál. A lényegesen magasabb megtakarítás miatt a napelemes rendszer megtérülési ideje sokkal rövidebb, kb. 14 év, mint a napkollektoros rendszeré, ami kb. 24 év.

A jogi és gazdasági környezet hatása

A komplett rendszerek összehasonlításából látszik, hogy a napkollektoros rendszerek pénzügyi megtérülés szempontjából nem tudják felvenni a versenyt a napelemes rendszerekkel. Ennek az oka pedig nem a napkollektoros rendszerben keresendő, hanem a jelenlegi jogi és gazdasági környezetben. Míg a lakossági, családi házas napkollektoros rendszerek semmilyen támogatásban nem részesülnek, addig a napelemes háztartási méretű kiserőművek jelentős támogatást kapnak, hiszen a kötelező átvétel és az éves szaldós elszámolás magas átvételi árat és az ingyenes szezonális tárolás lehetőségét is biztosítja.

Magyarországon a lakossági szektorban megvalósuló napelemes rendszerek számának dinamikus növekedési üteme jól mutatja, hogy egy elfogadható mértékű megtérülést biztosító jogi és gazdasági környezet mennyire ösztönző tud lenni. A lakosság jelentős része hajlandó tisztán önerőből, beruházási támogatás nélkül is megvalósítani hálózatra kapcsolt napelemes rendszereket. A sok kis háztartási méretű, decentralizált elhelyezkedésű naperőmű megvalósulása pedig az országos energiaellátás szempontjából is egyértelműen kedvező. Messze még az a határ, amikor a napelemes rendszerek teljesítményét nem tudja majd gond nélkül fogadni az országos hálózat. Addig is minden új naperőmű megvalósulása ingyen és tisztán, környezetszennyezés nélkül megtermelt villamos energiát jelent nemcsak a konkrét beruházónak, hanem az egész országnak.

Talán érdemes lenne a döntéshozóknak megvizsgálni a napelemes példa alkalmazhatóságát a napkollektorok esetére is. Ha egy új, megtermelt hőenergia alapú támogatási rendszer bevezetése eredményeként a napkollektorokkal előállított hőenergia ára is legalább olyan magas lenne, mint a napelemekkel előállított villamos energia ára, akkor ez valószínűleg a napkollektoros rendszereknél is dinamikus növekedési pályát eredményezne. Ráadásul a napkollektorokkal termelt hőenergia közel 100%-ban import energiahordozót váltana ki, és mivel a hőenergia területén nem lehetséges visszatáplálás, így akármilyen nagy országos napkollektoros kapacitás kiépülése sem jelentene hálózati problémát.

Javaslat a napkollektoros rendszerek megtermelt hőenergia alapú támogatására

Bajban van a hazai napkollektoros iparág. Az utóbbi években a hazai napkollektoros piacot jelentős visszaesés, majd alacsony szintű stagnálás jellemezte. Főleg a lakossági szektorból érkező megrendelések estek vissza drasztikus mértékben, elsősorban a támogatások hiánya miatt. Az utóbbi öt évben egyedül 2012-ben adott az állam beruházási támogatást a családi házakon megvalósuló napkollektoros rendszerekhez. A piaci adatok bizonyítják, hogy a kiszámíthatatlanul, rendszertelen időközönként kiírt, csak rövid ideig elérhető beruházási támogatások hosszú távon több kárt okoznak, mint amennyi a rövid távú előnyük. Tovább hátráltatta a napkollektoros rendszerek terjedését a rezsicsökkentés keretében 25%-kal olcsóbbá tett vezetékes földgáz is.

Hogyan tovább hazai napkollektoros iparág? Egy biztos: a Nap továbbra is süt Magyarországon, a hazai adottságok továbbra is kedvezőek a napenergia hőtechnikai célú hasznosításához. Az is biztos azonban, hogy a jelenlegi gazdasági környezetben a napkollektoros rendszerek tisztán piaci alapon nem tudják felvenni a versenyt a földgázból hőenergiát előállító hagyományos rendszerekkel. Ez azonban nem hazai specialitás. A napenergia-hasznosítás területén élenjáró európai országokban mindenhol állami támogatásra volt szükség a napkollektoros iparág felvirágoztatásához.

A hazai napkollektoros piac régen várt fellendülését csak az állam aktív, ösztönző szerepvállalásával lehetne elérni. Hosszú távon kiszámítható, normatív jellegű, és egyszerűen igénybe vehető támogatási rendszerre lenne szükség. A támogatásnak olyannak kell lennie, ami nem csak a napkollektoros iparágnak előnyös, hanem bizonyíthatóan hasznos a nemzetgazdaságnak, az egész országnak, benne minden magyar állampolgárnak. A nemzetgazdasági előnyt a döntően importból származó energiahordozók kiváltása, az ország energiafüggőségének csökkentése, az új munkahelyek megteremtése jelentheti. A károsanyag kibocsátás csökkentése révén pedig a napkollektorok hozzájárulnak egy tisztább, élhetőbb környezet megvalósításához.

A napkollektoros piac támogatási formájaként azonban nem feltétlenül csak a korábbi években alkalmazott, a rendszert megvalósító magán-, vagy jogi személynek nyújtott vissza nem térítendő beruházási támogatás jöhetne szóba. A napkollektoros rendszerek hőenergiát előállítanak elő, így kézenfekvő lehetne a napenergiából előállított hőenergia támogatása. Ehhez nem lenne másra szükség, mint egy hitelesített hőmennyiségmérőre, amit a napkollektoros rendszerbe építenek be. Manapság már az is megoldható, hogy a hőmennyiségmérők interneten, vagy GSM alapon online küldjék be a mért adatokat az ezzel megbízott közreműködő szervezetnek. A támogatás kifizetése a hőmennyiségmérők által mért és beküldött energiamennyiség alapján történne éves rendszerességgel. A közreműködő szervezet a mért adatokat interneten is megjelenítené, így a szükséges adatvédelmi előírások betartása mellett online lehetne megtekinteni a rendszerhez csatlakoztatott valamennyi hazai napkollektoros rendszer pillanatnyi teljesítményét és halmozott hőmennyiségét.

A javasolt rendszer felépítése a 7. ábrán látható.

7. ábra. A hőenergia alapú támogatási rendszer működésének vázlata

A javasolt megtermelt hőenergia alapú támogatási rendszer egyszerű, igazságos, és hatékonyságra ösztönző:
• Egyszerű, mert nem lenne szükség bonyolult, a támogatható műszaki és energetikai megoldásokat, az elszámolható és a nem elszámolható költségeket stb. részletesen szabályozó pályázatra. A pályázónak csak egyszerűen meg kellene adnia a napkollektoros rendszerének főbb paramétereit, és vállalnia kellene, hogy beépíti a közreműködő szervezet által elfogadott, hitelesített hőmennyiségmérőt, és gondoskodik a mért adatok továbbításáról.
• Igazságos, hiszen az kap több támogatást, aki több energiát termel. A beruházási támogatásoknál ez nem így van, hiszen ott a drágább, de nem feltétlenül hatékonyabb rendszer nagyobb támogatást kaphat. Megszűnne a túlárazás is, hiszen ennek nem lenne a továbbiakban értelme.
A pályázat keretén belül egyszerűen nem lenne szükséges vizsgálni a költségeket, minden pályázó szabadon dönthetné el, hogy milyen típusú és árszínvonalú berendezéseket választ.
• Hatékonyságra ösztönző, mert az üzemeltetőnek fokozottabban érdeke, hogy figyelje a napkollektoros rendszerének működését. Ebben segíti őt az online adatmegjelenítés is, hiszen itt nem csak a saját rendszerének a működését követheti nyomon, de össze is tudja hasonlítani a saját adatait más, hasonló rendszerek adataival.

A megtermelt energia alapú támogatásra a napkollektoros területen eddig még nem volt példa, a villamosenergia-termelés területén azonban ez Magyarországon is alkalmazott módszer. Ilyen pl. a KÁT rendszer, vagy a háztartási méretű kiserőművek (HMKE) esetében alkalmazott éves szaldós elszámolási rendszer. Ezekben a támogatási rendszerekben a megújuló energiából termelt és a hálózatba betáplált villamos energiáért a piaci árnál lényegesen magasabb árat fizet a MAVIR, vagy a szolgáltató. Bár a napkollektoros hőenergia termelő rendszerek nem tudnak energiát visszatáplálni a hálózatba, matematikailag azonban mindegy, hogy visszatáplálás történik, vagy a fogyasztás kisebb, a végeredmény ugyanaz: kevesebb fosszilis energiára van szükség.

A megtermelt energia alapú támogatás megvalósításához azt kellene eldöntenie a hazai energiapolitika irányítóinak, hogy 1 kWh (vagy egy MJ) napkollektorral megtermelt hőmennyiség mekkora támogatást ér meg az országunknak.

Ha figyelembe vesszük a 4. ábrán bemutatott árakat, miszerint a földgázból előállított hőenergia ára 80%-os hatásfokot figyelembe véve kb. bruttó 15 Ft/kWh, a villamos energia ára pedig 37,56 Ft/kWh, akkor a két energiahordozó közötti különbség kb. 22,5 Ft/kWh. Ha a támogatási rendszer biztosítaná, hogy a napkollektorokkal megtakarított hőenergia is ugyanannyit érjen, mint pl. a napelemekkel megtermelt villamos energia, akkor bizonyos, hogy a hazai napkollektoros piac is hasonlóan dinamikus növekedési pályára tudna állni, mint amit a hazai napelemes piac produkált az utóbbi években.

Varga Pál elnök, MÉGNAP, Magyar Épületgépészek Napenergia Egyesülete