A MAGYARORSZÁGON LÉTESÍTETT SZÉLENERGIA KAPACITÁSA ÉS STRUKTÚRÁJA Wind Energy Capacity and Structure in Hungary

3-5 July, 2013 Budapest University of Technology and Economics, Hungary

A MAGYARORSZÁGON LÉTESÍTETT SZÉLENERGIA KAPACITÁSA ÉS STRUKTÚRÁJA Wind Energy Capacity and Structure in Hungary L. Tóth Prof. Dr. DSc. SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary (A Magyar Szélenergia Tudományos Egyesület Elnöke, (President of Hungarian Wind Energy Scientific Association) Tel.: +36 28 522000, E-mail: [email protected] N. Schrempf Dr.,Assoc. Prof., SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary, Energetika Tanszék. Tel.: +36 28 522000, E-mail: [email protected] *Szent István University, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Energetics

Összefoglalás Napjainkban is igen jelentősek a fejlesztési munkák, sokféle elképzelés van a szélerőművek hatékonyságának növelése és jobb kihasználhatósága céljából. Hazánkban a számottevő kapacitás bővítés 2006-ban kezdődött és 2010-ig tartott. Ekkora betelt a kiadott kvóta és azóta nincsenek újabb létesítések. évben megtorpant, miközben jelentős beruházási kedv figyelhető meg. A megépült szélerőmű kapacitás 330MW, s korszerű egységekből áll, igazodva a Magyarországi szélviszonyokhoz a területi széljárásokhoz. Ennek köszönhető az igen előnyös termelés (740 GWh/év) és a jő kihasználási tényező (24,1%), amellyel 2012-ben a negyedik helyet foglaltuk el az Európai országok listáján. Ezzel ~220 millió m3 /év földgázt takarítottunk meg, miközben ~400 000tonna CO2 kibocsátást is elkerültünk. Nem vitatható, hogy 9-10 éves megtérülésük után olcsóbb energiát termelnek, s kijelenthető, hogy a létesítésük pénzügyi szempontból is a társadalom egyik leginkább perspektivikus beruházása. Elemzéseink az igazolják, hogy 2020-ra Magyarország igen ambiciózus megújuló energia felhasználásra irányuló tervét a szélenergia jelenleginél jelentősebb felhasználása nélkül nem valószínű, hogy teljesíteni tudja. Kulcsszavak: Szélerőművek, Magyarország szélenergia kapacitása, Szélenergia költsége Az előadás elkészítését a TÁMOP 4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0003 számon nyilvántartott „AZ OKTATÁS ÉS KUTATÁS SZÍNVONALÁNAK EMELÉSE A SZENT ISTVÁN EGYETEMEN” című program támogatta. Summary: Nowadays there are significant development projects and ideas about increasing wind power plant efficiency. In Hungary, wind energy capacity increased in the years between 2006 and 2010. At the end of this period the quota was fulfilled, and since then there are no new investments, although there is a big demand for new projects.

18th International T H E R M O Conference

The current wind energy capacity is 330MW, built of modern units, which are designed for the Hungarian wind circumstances. Because of this energy production is very good (740 GWh/year) and the capacity factor (24.1%) is good as well (the 4th best in Europe in 2012). With this we save approx. 220 million m3 /year natural gas whilst we avoid ~400 000 tons of CO2 emission. It is a fact that wind power plants (after the return of investment -9-10 years-) produce cheap energy. From financial side wind power plant utilization is one of the most perspective investments. Our analysis points out that the ambitious plan of Hungary for 2020 (the increasing of renewable energy utilization) is unlikely to be met without wind energy utilization. Key words: Wind Power Plant, Wind Energy Capacity in Hungary, Cost of Wind Energy 1. ELŐSZÓ A szélenergia hazai fejlesztések áttekintése Az 1980-90-es években a mérőoszlopokon végzett energetikai célú szélmérések azt bizonyították, nagyobb magasságban (100-120m) Magyarország megkülönböztetett területein megfelelő, a szélerőművek működtetéséhez alkalmas szélviszonyok uralkodtak. Az első, kifejezetten szélerőmű telepítésre vonatkozó mérést (1998-’99), a Kisalföld térségében a SZIE munkatársai. 2002-ben az első villamos hálózatra kapcsolt 600 kW teljesítményű, Enercon gyártmányú 65 m oszlopmagasságú szélerőmű - ugyancsak a SZIE mérései alapján - az ország középső részén, Kulcs település térségében létesült (hazai forrásokból az E-ON RT közreműködésével). Az erőmű kedvező vizsgálatai eredményei alapján lezárult azon vita, hogy Magyarország területe gazdaságosan alkalmas-e szélenergia hasznosítására. 2005. évben az új VILLAMOS ENERGIA TÖRVÉNY úgy rendelkezett, hogy a szélből termelt villamos energiát az állam támogatja, az ún. KÁT támogatás keretén belül. E támogatás lehetővé tette, hogy a szélenergia beruházások a vállalkozók részére 9-11 év alatt megtérüljenek. Ezt követően a kormányzat a hazai bejegyzésű vállalkozások részére ún. „széltendert” írt ki: 330 MW teljesítmény létesítésére. A túljelentkezés és az elbírálások körüli bonyodalmak ellenére a nyertesek a ~330 MW kapacitást, a mérések és értékelések során javasolt korszerű berendezések felépítésével megvalósították. 2. A MŰSZAKI- ÉS KAPACITÁSFEJLŐDÉS JELLEMZŐI Hazánkban, hasonlóan más szárazföldi országokhoz - a természeti adottságoknak megfelelően - a nagy energiatartalmú szelek 80-200 m magasságban vannak, ezért az oszlopok kellő magassága igen lényeges. Növekvő tendenciájú a lapátkerekek átmérője (egyre inkább D>100m), hiszen a teljesítmény a szélsebesség mértéke mellett a lapátkerék által súrolt felület nagyságától függ. A szélerőművek maximális várható teljesítménye (Wp jelzés is használatos): 16 1 Pmax = ⋅ ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v∞3 (kW) 27 2 ahol ρ - a levegő sűrűsége [kg/m3], A – a vizsgált (rotor által súrolt - D2π/4) felület [m2], v∞ - a zavartalan szél sebessége a leszabályozásig [m/s].


A szélsebesség fontossága a v3 hatvány miatt jól értelmezhető. Ezért az építések előtti fontos a pontos jellemzőinek a meghatározása az erre célra létesített mérőtornyokon (1. ábra). Alapvető fontosságú a v változását a talajtól kiindulva a 2. ábra szemlélteti. Konkrét típusú szélerőműnél az adott szélsebesség tartományhoz tartozó teljesítmény (Px): 1 Px = c px ⋅ ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v x3 (kW) 2 Ahol a cpx = az n számú tartományra osztott szélsebesség átlagértékei (vnx) alapján, a besorolás szerinti adott szélsebesség tartományhoz tartozó teljesítménytényező. (Függvénye az aerodinamikus, a villamos és a mechanikus hatástényezők együttesen, kísérletekkel kerül meghatározásra. E függvényeket: szélsebesség és teljesítmény (P-v), valamint a szélsebesség és teljesítménytényező (cp-v) diagramokat a gyártók szolgáltatják).

1,5 m/s

H (m) Generátor

v (m/s)

1. ábra Hazai fejlesztésű 85 m magas mérőtorony Az ábra jelei: 1- műszerdoboz, 2- adatrögzítő, 3- adattovábbító, 4- anemométer(kontrol),5anemométerek 30, 60 és 80 m magasságban, 6szélirány érzékelő, 7 – energiaforrás (napelem, PV), 8- jelzőfény, 9- páratartalom, 10légnyomás.

2. ábra A 85 m magas szélmérő oszlopon mért adatok alapján számított átlagos szélprofil (a szélsebesség különbség - 1,5 m/s- a 60 és a 100m gondolamagasságú gépnél)

A cp-v diagramban a cp legnagyobb értékénél található a Pn = névleges teljesítmény. A szélerőmű éves mért energiatermelése (kWh/év) és a névleges teljesítmény alapján meghatározható a kihasználási szám (KF): E KF = ⋅ 8760 ⋅ Pn A KF értékét tizedes formában pl. 0,16-0,45, vagy százalakosan adják meg 16-45%. A KF értéke és a 8760 (az évben lévő órák száma) szorzata megadja az éves névleges kihasználási órák számát, ami hn/év (pl. 8760 x 0,23 = 2014,8 h/év a Pn teljesítményen). Hazai kalkulációk


szerint 2000hn/év névleges teljesítményen (Pn) a gépek üzeme gazdaságos, s a KÁT támogatással 910 év alatt a beruházások megtérülnek.

Szélerőmű létesítések a világban A szélerőmű gyártás ma a világon a legdinamikusabban fejlődő iparág. Az évente épített kapacitásokat szemlélteti a 3. ábra a legnagyobb beruházókra vonatkoztatva. 2007-ig a három másikkal szemben Európa első volt, 2008-ban az USA megelőzte, s 2009- ben már Kína is. Jelenleg Kína egymaga annyit épít, mint Európa és az USA együttesen. Ha elfogadjuk a 4. ábra szerinti WWEA becslést akkor 2020-ban (egy év alatt) ugyanannyi kapacitást kell létrehozni, mint amennyi az elmúlt 10 év alatt épült. Ez 240 milliárd dollár/év beruházást igényel! Összesen a 2020. év végéig 1000-1200 milliárd dollár beruházást igényel a feltételezett igény. Ez hatalmas gyártó és fejlesztő bázist igényel. Ebben és egyéb megújuló energia iparban (gyártásban, munkahelyteremtésben – szellemi és fizikai egyaránt) csak akkor lehetünk szereplők, ha magunk is felhasználók vagyunk és felhasználjuk korporatív előnyeinket a térségünkön belül.

3. ábra A világ szélenergia kapacitásának fejlődése 2020-ig. (Forrás: WWEA-2011. A szerző megjegyzése: Ez ideig a WWEA minden hosszabbtávú becslése alulértékeltnek bizonyult. 2013. év elején viszont módosított és 800000-1200000 MW-ra becsüli. A világban a kisméretű, un. háztartási méretű szélerőművekből ~700000 egység üzemelt 2012-ben (4. ábra), egységenként átlagosan 0,2-0,6kW teljesítménnyel. E berendezések 50%-a Kínában 25%-a az USA-ban működik (Hazánkban jelenleg 200-250 egység üzemel). Energetikai jelentőségük nem számottevő, lokálisan oldhatnak meg energia ellátási problémákat (gyakran szimbólumként jelennek meg a fenntarthatóság példájaként).


4. ábra Kisméretű szélerőművek (SWT = Small Wind Turbines) kapacitásának fejlődése napjainkig és a jövőben (Forrás: WWEA 2012, 11th World Wind Energy Conference) Az utóbbi években a legnagyobb fejlesztéseket Kína hajtotta végre (5. ábra). 2006. évig Európának vezető szerepe volt a világgal szemben. 2008, évben az USA, majd 2009. évben Kína is megelőzte Európát és 2011. évben Kína egymaga többet invesztált, mint Európa és USA együttesen.

5.ábra A fejlődési trend napjainkig a világban (2008-tól a többi-t 3 részben jellemezve) Adatforrás: Mind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr. Az EU 27 országok nemzeti cselekvési tervei alapján 2020-ra a 2010. évi kapacitás közel háromszorosa lesz. Az eddigi trend ennek megvalósíthatóságát igazolja (6. ábra).


6.ábra Az EU27 országainak cselekvési tervei alapján a szélenergia kapacitás változása Adatforrás: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr.

3. TERMELÉSI KÖLTSÉGEK Az erőművek kihasználása A szélerőművek termelési egységköltségét az évi 2000 óra kihasználás mellett szokás megadni. A hazai erőműpark korszerű, a hazai szélviszonyokhoz igazított. Ezért is vagyunk előkelő helyen az erőmű kihasználásban az országok sorrendjében (7. ábra). Sajnos az egy főre vetített szélenergia termeléssel az EU 27-ben az utolsó előtti negyedik helyen vagyunk.

7.ábra A szélerőműve kihasználtsága (hn/év) az EU 27 országaiban (sorrendben 2190hn/év értékkel a 4. helyen vagyunk) Adatforrás: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr.

A termelési egységköltség és a beruházások költsége A 8. ábrán a nagyobb fajlagos beruházási költséget igénylő tengeri (felső görbe) és a szárazföldi gépek termelési egységköltsége létható az éves kihasználási óraszám függvényében (2008. évi árakon). A tengeri és szárazföldi gépek nem csak anyagukban (a tengeri korrozív viszonyok miatt),


hanem kivitelben is eltérnek. A szárazföldi típusokat a magas oszlopok és nagyátmérőjű rotorok jellemzik, de a lapátszög-változtatás (pitch- control) gyorsabban megy végbe, hogy a változó szálsebességeket nagyobb hatékonysággal hasznosítsák.

8.ábra A szélerőművek termelési egységköltsége a kihasználási óraszám függvényében és a fejlesztések révén a csökkenés a 2020-as és 2030-as évekre (felső görbe a nagyobb beruházást igénylő tengeri rendszer). Adatforrás: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr. Ahogyan a 9. ábra diagramjaiból is látható jelenleg a tengeri szélből előállított villamos energia drágább. A jelenleg is folyó igen intenzív fejlesztések révén várhatóan a fajlagos beruházási költségeik közötti eltérés mérséklődik (lásd 9. ábrát). A tengeri szélerőműveknél a 2020-as évekig igen jelentős fajlagos költségcsökkenéssel lehet számolni.

9.ábra A szálerőművek fajlagos beruházási költségeinek változása Adatforrás: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr. Az energiaárak változása kihívás elé állítja a villamos energia ellátás biztonságát, hiszen az időszakos olcsó nagy többletek a hálózaton az alacsonyabb kínálati árak miatt kiegyenlítési kényszereket indukálnak, boríthatják a tőzsdei árakat. Azoknál a szélerőműveknél, ahol a beruházások már megtérültek (nincs kamat és törlesztő részlet), a termelést csak az alacsony externáliás költségek terhelik, s nincs üzemanyag költség, ami a hagyományos erőműveknél az egyik legjelentősebb tétel, tehát igen versenyképes piaci árak érhetők el.

Költségösszetevők


Példaként vizsgáljuk meg a szélenergia költségének hosszabb távú, élettartam alatti alakulását. Egy ilyen – igen leegyszerűsített - folyamatot szemléltet a 10. ábra. Az üzembeállítást követően az energia árában a tőke-visszatérítés és a kamatköltség a meghatározó (KÁ időtartam), a karbantartás, biztosítás és járulékos költségek (adók, jutalékok stb.) nem érek el az összes költség 25-30%-át. Viszont az még jelenleg is 15-20%-al magasabb, mint a villamos energia piaci ára (PA). Ezért a szélerőmű a megtérülési időszakában (min. 8-10 év) támogatásban részesül (TA = KÁT). Tehát TA+PA árat realizál az átvevőtől, s ezzel eleget tud tenni fizetési kötelezettségeinek. Az említett két fő kötelezettség kiegyenlítését követően az előállítás költsége a töredékére 25-30%-ára esik vissza (ÖK1), s ez a költsége az élettartama miatti javítási és kiszabályozási költségek miatt növekszik (ÖK2-re). Ebben az időszakban (T) a villamos energia átlagára és a szélenergia költsége közötti különbség jóval nagyobb, mint a korábban kapott támogatás. Állami beruházásnál a különbség (a profit) az államé (a társadalomé), tehát a beruházás társadalmilag kifejezetten gazdaságos. Ezért is várható, hogy pl. Németországban a szélenergia egységára 2015-2016. években már a piaci átlagár alatt várható, hiszen a 2006. évek előtt épült szélerőművek már megtérülnek. Az egyszerűség miatt nem számoltunk kibocsátási externáliák elkerülésének hozadékával.

10.ábra A szélenergiából termelt villany költségének alakulása a szélerőmű élettartama alatt. Az ábra jelölései:

− − − − − − −

PA = villamos energia jelenlegi piaci ára TA = állami támogatás (KÁT, v. METÁR) A = villamos energia árának növekedési trendje B = a támogatás növekedési trendje I-L = a berendezés élettartama = KÁ + T KÁ = a támogatás fizetésének időtartama T = A támogatás és a hitel visszafizetése utáni élettartam − ÖK1 = a szélenergia előállításának önköltsége (működési, kiszabályozási, javítási, fenntartási költségek) a KÁT megszűnése után − T1 = a villamos energia piaci árának és a szélenergia előállítási költségének különbsége (a KÁT végén)

− C = a szélből villamos energia előállításának trendje (növekvő üzemeltetési, javítási és karbantartás költségek miatt) − ÖK2 = a szélenergia előállításának önköltsége (működési, kiszabályozási, javítási, fenntartási költségek) a KÁT megszűnése után, a gép leszerelésekor. − T2 = a villamos energia piaci árának és a szélenergia előállítási költségének különbsége a lebontás idején − T1 , T2 , A és C terület= a társadalom által elért „nyereség” a szélenergia használata révén (A KÁT befektetés értékének min a 3-4 szerese)


11.ábra Prognózis a várható piaci árakra (Tombor 2008, WWEA 2007, és mások)

4. A HAZAI HELYZET A meglévő kapacitás A Magyarországon megvalósult gépek 90%-ánál a gondolamagasság a hazai szélviszonyokat követve 90-120 m és a teljesítmény 2,0MW. Az építés ütemét a 12. ábra szemlélteti. A termelés a tervezettnek megfelelő 610-700 GWh/év. Az ebből számítható országos átlagos kapacitás kihasználási tényező ~21-24 % (ebbe bele kell érteni a leállásokat is). Egyes parkoknál 23-25%-os értéket is kimutattak. Megállapítható, hogy a megelőző mérések és a segítségükkel készített széltérkép becslése megfelelő. A jelenlegi szélerőmű kapacitás évente ~200 millió m3 földgáz kiváltását eredményezi, miközben ~400 000tonna CO2 kibocsátást is elkerülünk.

12.ábra Magyarország szélerőmű kapacitásának alakulása (V = változatlan, Q = új építés nem valószínű) A Nemzeti Cselekvési Terv alapszáma Az NCST szerint 2020-ig a 14,65 %-os megújuló program keretében a tervezett ~ 1530MW megújulós villanyból 750MW a szélenergia, tehát a jelenlegi 330MW-hoz (Lásd 1. ábra) további 410MW szélerőmű kapacitást kell létesíteni. 2009. évben a 410 MW kapacitásra tender kiírására került sor is került, amelyre mintegy ~1100MW-ra pályáztak hazai- és hazai bejegyzésű külföldi cégek. A kiírás ellentmondásai miatt


a kvóta nem került kiosztásra. Sikeres pályáztatás esetén is legfeljebb (a gépszállítási határidőkre figyelemmel) 2015. második félévében létesülnek újabb kapacitások. Figyelemmel más megújuló energiahordozókkal kapcsolatos trendekre, a várható támogatási feltételekre a hazai vállalás csak a szélerőművek jelentősen nagyobb mértékű építésével valósítható meg (Az indoklást lásd részletesebben a [2]. cikkben). A szélerőművek beruházásai eddig sem kaptak állami támogatást. A beruházási, vállalkozói kedv nagy, már három évvel ezelőtt is mintegy 1000-1200 MW kapacitást jelentő beruházási-terv kivitelezésre alkalmas stádiumban volt. Ha kitűzött NCST cél szerinti villamos kapacitást 2020ra el szeretnénk érni, akkor 900-1000MW megépítésére lenne szükség. Ezzel 2020 év végére ~1300MW kapacitás működne. Természetesen a beruházni szándékozók csak akkor invesztálnak, ha tőkéjük megtérülését biztosítottnak látják. Magyarországon a létesítésbe az állam közvetlen tőkét nem invesztál, csak a szükséges mértékű KÁT támogatást adja, mint minden megújulóra. Az állam által megelőlegezett KÁT megjelenik az áram eladási árában tehát viszonylag rövidtávon visszatérül. Ha e költséggel nem kívánná emiatt a villany árát növelni, akkor érvényesíthetné a korábban bemutatottnak megfelelően a megtérülés utáni időszakban a termelőknél, hiszen ekkor már jelentős a profitjuk. A szélenergia felhasználás révén csökken az ország fosszilis energia függősége és a CO2 eladásból bevétele is származik. Tehát az állam mindenképpen előnyt élvezhet. A korszerű szélerőművek bizonyított és garantált élettartama 20 év, de a szakszerű szervizeléssel és állagmegóvással - a tapasztalatok szerin - 25 évnél nagyobb a várható tényleges élettartam. A jövőben a becslések szerint vitathatatlanul fajlagosan olcsóbb lesz a szélerőművekben termelt áram, mint a szén- vagy gázerőművekben, a teljes termelési költséget figyelembe véve. Nem elhanyagolható a technológiai fejlődés és a növekvő tüzelőanyagköltségek. Konkrétan, ha egy magyarországi korszerű szélerőmű befektetési költsége megtérül (mai támogatás mellet ez ~10 év) az előállított villamos energia költsége a kiszabályozási költségekkel együtt 8-10Ft/kWh-ra mérséklődik. Ennél olcsóbb energia nincs, és ezt még legalább 10 évig produkálják (de nem kizárt a 20 év sem). A szélenergia, amint a többi természetfüggő megújuló, hálózati a kiegyenlítést igényelnek.

13. ábra Egy hazai 7db 2MW-os egységből álló, 6 km hosszúságban elnyúló szélparkban az egyes gépeinek és a park összesített teljesítménye


A 13. ábra jól szemlélteti, hogy egy hazai 7db 2MW-os egységből álló, 6 km hosszúságban elnyúló szélparkban az egyes gépek között ~5órás időtartamban 300-400% eltérések is adódtak a szél horizontális egyenetlensége miatt, miközben az park átlagos (összes = Σ) termelése a felpörgési és leállási résztől eltekintve 30-35%-ot változott. Tehát a parkoknak önmagukban, de országosan is jelentős kiegyenlítő hatásuk van. Fontos megjegyezni, hogy a szélerőműveket üzemeltetők nem zárkóznak el a kiszabályozási költségek átvállalásától, de szükség szerint a visszaterheléstől sem. A hazai szélparkoknál végzett kalkulációk szerint a kiszabályozás piaci árfüggő. A hazai szélpark tulajdonosoknál a kiszabályozási átlagár (2011-2012. években) 0,8-1,5Ft/kWh értékre adódott. Tehát lényegesen nem befolyásolja a termelési költséget. Fontos megjegyezni, hogy a jelenleginél nagyobb kapacitásoknál sem lehetetlen a hazai villamos rendszer kiszabályozása, mivel a tartalék kapacitás a villamos energia rendszerben ma is jelen vannak. Igen jelentős a maradó teljesítmény, amely az összes- és a rendszerirányítási tartalék különbsége. Az utóbbi években épült és kiszabályozásra alkalmas, igen kedvező hatásfokú CCGT erőművek kihasználtsága igen alacsony. Gönyűn, a hazai szélerőműveink közelében létesült 433MW-os CCGT erőmű kihasználása (az üzembeállítása óta) csak egy hónap során érte el a 60%-ot. A hazánkban a meglévő erőmű kapacitás ~9000MW, a csúcsfogyasztás maximuma ~6000-6500MW, miközben naponta átlagosan 1000-1500MW importot veszünk igénybe. Tehát nem fogadható el azon állítás, hogy a meglévő 330 MW szélerőmű kapacitás, vagy annak akár 34 szerese is megoldhatatlan szabályozási gondokat jelentene, miközben nő a határkeresztező vonalak teljesítménye is.

Irodalom [1.] Tóth G. – Schrempf N. – Tóth L. (2005): A szélenergia prognosztizálása, üzemi tapasztalatok, MTA AMB, K + F Tanácskozása Nr. 29 Gödöllő. [2.] Tóth L.- Schrempf N. : (2012) Szélenergia helye, várható szerepe Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Tervében (MCST) ENERGIAGAZDÁLKODÁS 53. évf. 5. szám [3.] Tóth L. – Horváth G. (2003): Alternatív energia, Szélmotorok, szélgenerátorok, Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, 93-124. p., 281-321. pp. [4.] Wilkes J. Moccia J. Dragan M.: (2012) Wind in power, European statistics (EWEA) http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/statistics/Stats_ 2011.pdf [5.] Stróbl A.: (2012) Tájékoztató adatok a magyarországi villamosenergia-rendszerről, A piacnyitás (2003) óta eltelt időszak fontosabb adataiból, MAVIR, 2012. április 15. kézirat, ábragyűjtemény [6.] Stróbl A.: (2013) Energetikai tájékoztatások szakirodalomból (ábragyűjtemény) [7.] www.eurobserv-er.org. Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr. [8.] Tóth, G. – Tóth, L. – Horváth, G. – Berencsi B. (2007): A hazai energia célú széltérkép elkészítésének feltételei. = MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás. Gödöllő, Gödöllői Agrártudományi Egyetem – FVM Műszaki Intézet, 2. kötet 148-153. p. HU ISSN 1419-2357, HU ISSN 1419-2365 [9.] Small Wind World Report 2012 Summary, BONN, 3 – 5 JULY 2012 Germany


CAPACITY AND STRUCTURE OF THE INSTALLED WIND POWER PLANTS ON HUNGARY Wind Energy Capacity and Structure in Hungary L. Tóth Prof. Dr. DSc. SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary (A Magyar Szélenergia Tudományos Egyesület Elnöke, (President of Hungarian Wind Energy Scientific Association) Tel.: +36 28 522000, E-mail: [email protected] N. Schrempf Dr.PhD ,Assoc. Prof., SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary, Energetika Tanszék. Tel.: +36 28 522000, E-mail: [email protected] *Szent István University, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Energetics

Summary: Nowadays there are significant development projects and ideas about increasing wind power plant efficiency. In Hungary, wind energy capacity increased in the years between 2006 and 2010. At the end of this period the quota was fulfilled, and since then there are no new investments, although there is a big demand for new projects. The current wind energy capacity is 330MW, built of modern units, which are designed for the Hungarian wind circumstances. Because of this energy production is very good (740 GWh/year) and the capacity factor (24.1%) is good as well (the 4th best in Europe in 2012). With this we save approx. 220 million m3 /year natural gas whilst we avoid ~400 000 tons of CO2 emission. It is a fact that wind power plants (after the return of investment -9-10 years-) produce cheap energy. From financial side wind power plant utilization is one of the most perspective investments. Our analysis points out that the ambitious plan of Hungary for 2020 (the increasing of renewable energy utilization) is unlikely to be met without wind energy utilization. Key words: Wind Power Plant, Wind Energy Capacity in Hungary, Cost of Wind Energy This article was written with the help of a TÁMOP 4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0003 „INCREASING THE QUALITY OF LEARNING AND RESEARCH” program 1. FOREWORD Overview of Hungarian development on the fields of wind energy In the period of 1980-90 energetic wind measurements proved (made on measurement towers) that at bigger heights (100-120 m) at certain areas of Hungary there are right circumstances for wind energy utilization. The first wind measurement made for energetic purposes (1998-’99) was done by the experts of Szent István University at area of Kisalföld. The installation of the first wind power plant was in 2002 at Kulcs, in Middle Hungary, the wind power plant is an Enercon plant with kW performance. The height of the tower is 65 m. The location of it was chosen according of


the measures of Szent István University (or as short SZIE). According to the wind measurement results it can be stated that Hungary is a proper place for wind energy utilization. In 2005 the new law on electricity stated the government subsides in the frames of the KÁT subsidy. This subsidy helped the investments to return in 9-11 years. After this a ‘so called’ wind tender was announced for Hungarian companies. Approx. 330 MW was installed in Hungary. 2. FEATURES OF TECHNOGICAL DEVELOPMENT AND CAPACITY GROWTH In Hungary the big energy content winds are on 80-200 m, so the tower height is very important. Capacity depends on rotor diameter as well, nowadays D>100m is typical. Expected biggest capacity (can be Wp as well): 16 1 Pmax = ⋅ ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v∞3 (kW) 27 2 where: ρ - air density [kg/m3], A -examined surface (D2π/4) [m2], v∞ - wind speed until control [m/s]. Wind speed is important, see v3. Before wind power plant installation is made these parameters must be defined. (Fig.1) The change of v can be seen on Fig. 2. Capacity of given wind power plants (Px): 1 Px = c px ⋅ ⋅ ρ ⋅ A ⋅ v x3 (kW) 2 cpx is the capacity factor of given areas, defined with vnx (mean wind speed) values. (cpx can be defined with experiments. Wind power plant producers give the P-v, cp-v diagrams.)

1,5 m/s

H (m) Generátor generator

v (m/s)

Fig.1

Fig 2


Hungarian development, 85 m tower height Data from the measurement system on Fig.1. 1- gauge box, 2- data logger, 3- data (wind speed difference 1,5 m/s, 60 and 100 m transmitter, 4- anemometer (control),5- tower height) anemometer at 30, 60 and 80 m height, 6wind vane, 7 – energy source (solar cell, PV), 8- light signal, 9- moisture measurement gauge, 10- air pressure measuring gauge. On the cp-v diagram at the biggest cp value the Pn = nominal performance can be found. On the basis of the measured yearly energy production (kWh/year) and nominal performance the utilization number can be calculated (KF): E KF = ⋅ 8760 ⋅ Pn A KF *8760 (hours in a year) gives the nominal utilization hours, which is hn/year (pl. 8760 x 0,23 = 201.8 h/year on Pn performance). According to Hungarian calculations the operation of a wind power plant is economically efficient on 2000hn/year nominal performance (Pn), the investment returns in 9-10 years with KÁT subsidy. Wind power plants utilizations in the world Wind power plant production is the most dynamically developing branch of industry. Yearly installed capacity can be seen on Fig.3 with the focus on the biggest investors. Until 2007 Europe was the first, in 2008 the USA and in 2009 China. Now China installs the capacity of Europe and Eurpoe altogether. The estimation of WWEA shows that in the year 2020 the built capacity will be as much as in the past 10 years. This is an investment of 240 million dollars/year. Until the end of 2020 100-1200 billion dollars are needed for this investment. This requires huge producer and developer basis. Hungary can only be a leader in wind energy industry if we use our corporate advantage.

1500000 MW estimation 240000 MW fact

Fig.3 The development of wind energy capacity until 2020 (Source: WWEA-2011. Remark: until now all WWEA estimations were underestimated At the beginning of 2013 the estimations were modified to 800000-1200000 MW)


In the world approximately 700.000 small capacity household wind turbines were in operation in 2012 (Fig.4). Their capacity is in average 0.2-0.6kW. The 50 % of these devices is in China, and the 25% in the US. In Hungary currently 150-200 units are in operation, they solve local energy problems.

Fig.4 The capacity of small wind turbines (SWT = Small Wind Turbines) (source: WWEA 2012, 11th World Wind Energy Conference) In the last years China made the biggest development (Fig.5). Until 2006 Europe had the leading role in Europe. In 2008 the USA, and in 2009 China took over Europe. In 2011 China invested more in development than Europe and the US altogether.

Fig. 5 Development of the world’s wind energy capacity Source: Mind Power Barometer – EUROBSERV’ER – February, 2013. *green: other, red: China, yellow: North America, blue:EU-27


The plan of Europe 27 countries is to triple the capacity until 2020. The trend shows that the plan can work. (Fig.6)

year Fig.6 The plan of the Europe 27 countries Source: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – February, 2013.

3. COSTS The utilization of the wind power plants The production costs of the wind power plants have to be given with their utilization level since 2000. The Hungarian wind power plants are modern and they are chosen for the wind conditions of Hungary. Unfortunately we are not in leading position in wind energy; we are at the 24th place (produced energy per capita).

Fig.7 Utilization wind power plants (hn/year) in EU 27 countries Source: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – February, 2013.


Energy production costs and costs of investments On Fig.8 the curve represents the production cost per utilization level. The upper curve shows the data of maritime plants, and the lower the terrestrial plants. The maritime and the terrestrial plants differ in their material and in their construction. The terrestrial types have higher towers and big diameter rotors, but the blade angle change (pitch control) is happening faster.

Fig.8. Energy production costs and the utilization time (hour) source: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – February, 2013. As Fig.9 shows the maritime wind energy is more expensive. But the development of them is ongoing and because of this their cists will decrease. (Fig.9) At maritime wind power plants a huge decrease of costs is estimated until 2020.

Fig. 9 Investment cost change of wind power plants source: Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – February, 2013.


The price of electricity is changing because of cheap surplus energy, and this may cause differences in stock prices. At those power plants where the investments returned there are only low external costs.

Costs For an example let’s check the costs in long-term. Such example can be seen on Fig 10. After installation of the plant the costs are typical (KÁT interval). The maintenance, repair another costs does not reach the 25-30 % of overall costs, but they are 15-20% bigger the market price of electricity (PA). At the interval of return the wind power plan gains subsidy (min. 8-10 years). The energy production costs are 25-30% smaller at ŐK1 and at ŐK2. (It rises because of higher maintenance costs, etc.) At T the difference between average wind energy price and costs is bigger than the subsidies. At governmental investments the profit is as well governmental. In Germany the price of wind energy will be lower than market electricity price in 2015-2016. The power plants which were built before 2006 returned.

Fig.10 Costs of electricity during wind power plant lifetime Abbreviations:

− − − − − − − −

PA = market price of electricity TA = governmental subsidy (KÁT, or METÁR) A = trend of electricity price B = trend of subsidies I-L = lifetime of equipments = KÁ + T KÁ = subsided interval T =interval after the payback of loan and subsidy ÖK1 =costs of wind energy production(utilization, repair, control costs) after KÁT − T1 = the difference of electricity price and wind energy production costs after KÁT

− C = trend of electricity production (increasing utilization, repair and maintenance cost) − ÖK2 = costs of wind energy production (at deinstallation of the plant). − T2 = costs of wind energy production(utilization, repair, control costs) a at de-installation of the plant − T1 , T2 , A and C area= gaining of the society(min.3-4KÁT investment)

4. CURRENT HUNGARIAN SITUATION Capacity


At 90 % of the Hungarian wind power plants the tower height is 90-120 m and the performance is 2 MW. The installation trend is shown on Fig.11. The energy production is 610-700 GWh/year. The utilization factor is ~21-24 %. At some parks 23-25 % value can be measured. With these data it can be proved the estimations were correct. The current wind energy capacity is equal to the energy of ~200 million m3 natural gas, whilst ~400 000 tons of CO2 emission can be avoided.

Fig. 11 Trend of Hungarian wind energy capacity (V = remains the same, Q = new installation is not likely)

Base numbers of Nemzeti Cselekvési Terv (National Plan) According to NCST until 2020 750 MW wind energy capacity should be reached. This means that additional 410 MW must be built. (See Fig.1) In 2009 a tender was announced, and companies competed for 1100 MW. The tender was not announced properly so the quotas were not distributed. New capacities can be built earliest in 2015. To reach the 750 MW can only succeed if new plants are built in an increasing tendency. The wind power investments did not get subsidies. The mood for investment is good; three years ago 1000-1200 MW additional capacity could have been built. If we would like to reach the capacity defined in the NCST, than we need to build additional 900-1000 MW. With this at the end of 2020 1300 MW would operate. Of course, the investors the only invest if they see their investment to return. In Hungary the government does not invest direct stock in the wind energy installation only KÁT subsidy. The KÁT subsidy returns in short term. With the usage of wind energy the fossil fuel addiction of the country is decreasing and income rises from selling CO2. The lifetime of the modern wind power plants is 20 years, but with care it can be 25 years. In the future the energy produced by wind power plants will be cheaper than the energy produced by carbon plants or gas plants. The technological increase and the increasing value of fuel prices cannot be neglected. To be concrete if the investment returns then (approx. 10 years with subsidies) the price of electricity decreases to 8-10 HUF/kWh. There is no cheaper energy source, and the plants produce it for additional 10 years (it can be 20 years as well). Wind energy as other alternative energy sources need network equalization.


Fig.13 Wind power plant capacity (7 plants, 2 MW) On Fig. 12 it can be seen that there can be 300-400 % differences in a 5h interval, and the total outcome changed 30-35%. The wind parks have big network equalization effect. In Hungary the control price in 2011-2012 was 0.8-1.5 HUF/kWh. These costs do not influence the production costs. It is important to state that the control of the electricity network can be done with bigger capacities as the current as well. The utilization level of the plant in Gönyű was only once 60 % since it is in operation. The plant capacity of Hungary is approx. 9000 MW, the max. consumption is approx. 6000-6500 MW. Yearly we use 1000-1500 MW import energy. It is not true that the existing 330 MW wind energy capacity or 3-4 times bigger would cause unsolvable problems in control. Literature [1.] Tóth G. – Schrempf N. – Tóth L. (2005): A szélenergia prognosztizálása, üzemi tapasztalatok, MTA AMB, K + F Tanácskozása Nr. 29 Gödöllő. [2.]Tóth L.- Schrempf N. : (2012) Szélenergia helye, várható szerepe Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Tervében (MCST) ENERGIAGAZDÁLKODÁS 53. évf. 5. szám [3.] Tóth L. – Horváth G. (2003): Alternatív energia, Szélmotorok, szélgenerátorok, Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, 93-124. p., 281-321. pp. [4.]Wilkes J. Moccia J. Dragan M.: (2012) Wind in power, European statistics (EWEA) http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/statistics/Stats_ 2011.pdf [5.] Stróbl A.: (2012) Tájékoztató adatok a magyarországi villamosenergia-rendszerről, A piacnyitás (2003) óta eltelt időszak fontosabb adataiból, MAVIR, 2012. április 15. kézirat, ábragyűjtemény [6.]Stróbl A.: (2013) Energetikai tájékoztatások szakirodalomból (ábragyűjtemény) [7.] www.eurobserv-er.org. Wind Power Barometer – EUROBSERV’ER – 2013. febr. [8.] Tóth, G. – Tóth, L. – Horváth, G. – Berencsi B. (2007): A hazai energia célú széltérkép elkészítésének feltételei. = MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás. Gödöllő, Gödöllői Agrártudományi Egyetem – FVM Műszaki Intézet, 2. kötet 148-153. p. HU ISSN 1419-2357, HU ISSN 1419-2365 [9.]Small Wind World Report 2012 Summary, BONN, 3 – 5 JULY 2012 Germany


Új gázellátási és gázpiaci fejlemények Szerző: Dr. Molnár László, az Energiagazdálkodási Tudományos Egyesület (ETE) főtitkára (e-mail: [email protected], tel.: 06-30-210 7805) A nemzetközi gáz-termelés, -fogyasztás és -kereskedelem bemutatása. A szakértők már az 1970-es években elkezdtek aggódni a Föld szénhidrogén készleteinek kimerülése miatt, előrejelzéseikben - pl. a híres amerikai egyetemen, az MIT-n készült Limits to Growth-ban - jelezték, az ezredfordulóra elfogy a kőolaj és a földgáz. Azonban a geológusok és mérnökök jól végezték munkájukat, és még 2000-ben is rendelkezésre állt 6070 évre elegendő olaj és gáz, mely soknak tűnik, de egyúttal aggodalomra is okot adhat, mert egyelőre semmilyen komoly helyettesítője nincs a kőolajnak - a benzinnek és a dieselnek – és a földgáz helyettesítése sem tűnt/tűnik megoldottnak. Azonban a közelmúltban váratlan fordulat történt, az addig is ismert nem-konvencionális szénhidrogén készletek gazdaságos kitermelését sikerült megoldani. Így a készletek egyszerre 5-6-szorosára emelkedtek, és immár 250-300 évre elegendőek a készletek a szakértők szerint. A legfrissebb kutatások szerint az összes hagyományos földgáz készlet: 181 ezer Mrd m3, az összes nem-konvencionális földgáz készlet: 922 ezer Mrd m3. Új hír, hogy Oroszország óriási nem-konvencionális készletekkel rendelkezik, melyből összesen akár 650 ezer Mrd m3 termelhető ki. Sokféle készlet-becslés létezik, de egy közös bennük, mindegyik szerint a készletek – egyelőre – gyorsan nőnek. És ehhez jön még a metán-hidrát készlet, mely becslések szerint a hagyományos földgáz készlet 30-szorosa is lehet, ahogy azt az 1. Táblázat mutatja. 1. Táblázat: Fosszilis energia készletek 2013-ban, Mrd tonna szén-egyenértékben Földgáz Olaj Szén Metán hidrát 96 160 675 3000 Ha a metán hidrát kitermelése megoldódik, akkor át kell gondolni az egész energiapolitikát, és tényleg eljön a földgáz aranykora. Gázpiaci adatok A világ gáztermelése 2011-ben 3,1%-kal nőtt. Az USA-ban regisztrálták a legnagyobb volumetrikus növekedést (7,7%), és ezzel az USA megerősítette helyét, mint a legnagyobb termelő (651 Mrd m3). Gyors növekedést tapasztaltak még Qatarban (25,8%), Oroszországban (3,1%) és Türkmenisztánban (40,6%), mely kompenzálta a máshol (UK –20,8%, Libia – 75,6%) tapasztalható csökkenést. Az EU-ban 11,4%-kal csökkent a termelés, a mezők kimerülése és a gyenge kereslet miatt. A globális gázfogyasztás 2,2%-kal nőtt. A volumetrikus fogyasztás Észak-Amerikában nőtt a leggyorsabban az alacsony áraknak köszönhetően. Gyors fogyasztás-növekedést lehetett tapasztalni Kínában (21,5%), Saudi Arábiában (13,2%) és Japánban (11,6%). Ezzel szemben az EU-ban 9,9%-kal csökkent a fogyasztás.


A 2011-es gázkereskedelem összességében 4%-kal nőtt. Ezen belül az LNG kereskedelem 10,1%-kal nőtt, Qatarral az élen (34,8%-os növekedés), mely ezzel a növekedés 87,7%-át adta. A vezetékes szállítás csupán 1,3%-kal nőtt. 2011-ben a teljes vezetékes export 695 Mrd m3 volt, a legnagyobb exportőrök: Oroszország 207, Kanada 80, Norvégia 93, Hollandia 50 Mrd m3-rel. Az LNG export 331 Mrd m3 volt, a legnagyobb exportőr Qatar (103 Mrd m3). Az export ⅓-a mára már LNG formájában jut el a fogyasztókhoz. A gázárak régiónként erősen eltérő értékeket mutattak 2011-ben is (lásd 2. táblázat): 2. Táblázat: A gázárak alakulása 2011-ben Régió Ár, USD/ millió Btu LNG Japán cif 14,73 Átlagos német import 10,61 UK NBP 9,03 Kanada, Alberta 3,47 US Henry Hub 4,01 Az amerikai földgáz helyzet egészen különleges árzuhanást produkált, a Henry Hubnál a földgáz ára 5 év alatt 85%-kal esett! Nagy üzlet-e az olajpala és a palagáz? Ennek megítélésére az alábbiakban összevetjük a nemkonvencionális olaj- és gáz-termelés gazdasági hatásait a megújuló energiák fejlesztése révén elérhető eredményekkel: • Az USA-ban a nem-konvencionális olaj- és gázipar 1,7 millió új munkahelyet hozott létre, és 2012-ben 62 milliárd USD jövedelmet (profitot) termelt, melyből az állam jelentős adóbevételekhez jutott; • Németországban a megújuló energiák területén 450 ezer új munkahely jött létre, 37 milliárd Euró állami támogatással.

Az európai gázpiaci helyzet alakulása Az elmúlt években Európában a gázfogyasztás stagnált illetve csökkent. E mögött hosszabb távú hatásként az energiahatékonyság javulása, az olajár indexált gázárak emelkedése illetve az ipari szerkezetváltás – a nehézipari tevékenységek kitelepülése a Távol-Keletre, Indiába – áll. Ehhez adódtak hozzá a pénzügyi-gazdasági válságból következő hatások, az ipari tevékenység visszaesése, a lakossági-önkormányzati energiatakarékosság (spórolás) fokozódása. Magyarországon már a válság megkezdődése előtt elkezdődött a gázfogyasztás csökkenése, mely a pár évvel ezelőtti 14-15 Mrd m3/év-ről 10-11 Mrd m3/év-re zsugorodott. A hazai gázfelhasználás csökkenése 2012-ben tovább folytatódott, és az előzetes adatok szerint 10,2 Mrd m3/év volt. Az európai gázkereslet zuhanásával egy időben fontos változások történtek a gázpiacon. Robosztus méretekben megindult az USA-beli nem-konvencionális gáztermelés, és az USA megszűnt hatalmas importőrként gázt vásárolni az LNG piacokról. A felszabadult mennyiséget a termelők Európában próbálják eladni. Néhány év alatt kiépültek az európai LNG terminálok, melyeken át jelentős mennyiségű LNG (UK 25, Spanyolország 24, 18th International T H E R M O Conference

Franciaország 15, Olaszország 9, Belgium 7 Mrd m3/év) áramlott az EU-ba. (Zárójelben jegyezzük meg: Japán 107 Mrd m3/év LNG-t vásárolt 2011-ben, ezért nem tud megválni – Fukushima után sem – az atomenergiától. Nem növelheti tovább gáz- és olajimportját.) Várható, hogy a gázkereskedés hagyományos, regionális módja háttérbe szorulhat a cseppfolyósított készítmények térhódításával, hiszen ezek a világ bármely pontjára eljuthatnak. Ez árversenyt és beruházási hullámot generál az LNG-terminálok területén. Néhány európai országban – pl. Lengyelország, Franciaország, Ukrajna - jelentős nemkonvencionális gázkészletet találtak. Ezek kitermelése sokkal nehezebb lesz az amerikai készletekénél a szigorú EU környezetvédelmi regulák mellett, de néhány év múlva már ezek a források is megjelenhetnek a piacon. A fentiek és a recesszió együttesen új helyzethez vezetett, Európában gázbőség alakult ki, továbbá – elsősorban a Nyugat-Európai országok részére – az LNG szállítások diverzifikálták a gázforrásokat. Az európai gázpiacokon túlkínálat alakult ki, és a korábbi helyzet – mikoris a TOP szerződések árai alacsonyabbak voltak a piaci áraknál, megfordult, és az azonnali piacokon jelentős árelőnyök alakultak ki. Míg Nyugat-Európa ezt az előnyt ki tudta használni, addig a Közép-Európai régió a TOP szerződések foglyaként magasabb árakat fizetett/fizet a Gazprom szállította gázért. A növekvő gázkínálat, a diverzifikált szállítási útvonalak és a csökkenő kereslet ellenére – mindezek egyértelműen javítják az ellátásbiztonságot - Európa-szerte a politika fókuszába került a gázellátás, és most mindenki az ellátás-biztonságért aggódik. Soha nem látott mennyiségű gázvezeték terv fekszik a tervező asztalokon. Az "örök ígéret", a 10 éve tervezés alatt álló Nabucco és a sokáig a legrealisztikusabb projektnek tűnő Déli-Áramlat mellé feltűnt a piacon még 3-4 új vezeték terv, pl. az AGRI (Azerbajdzsán-Grúzia-Románia Interkonnektor), a Tanap (Trans-Anatolian Pipeline), a BP vezeték (a British Petrol vezetékterve, mely elsősorban a már meglévő vezetékeken akar gázt juttatni a Közép-Keletről Dél-Kelet Európába). Ezek a vezetékek részben vagy teljesen teljesítik a tranzit diverzifikáció és a forrás diverzifikáció követelményét, de sok-sok kérdőjellel. Mert miért lenne Irak vagy Azerbajdzsán megbízhatóbb szállító, mint Oroszország vagy Törökország miért jobb tranzitpartner mint Ukrajna? A hazai gázipar jövője A sokféle vezeték közül előbb-utóbb választani kell. Ez attól is függ, hogy milyen lesz az új, 2015-ös Gazprom szerződés? Keleti vagy nyugati gázár-előny lesz-e? Merre irányuljon a vezeték fejlesztés súlypontja? Az új Gazprom szerződés minél kedvezőbbé tétele érdekében a kormány az E.on Földgáz Trade és az E.on Földgáz Storage államosításáról döntött.

Ez év őszén üzemelni kezdett az Északi Áramlat mindkét vezetéke. Társfinanszírozója, Németország bátran vállalta az orosz kapcsolatot, és az 55 Mrd m3/év újabb orosz import minden következményét. Eközben Magyarországon sokan aggódnak az orosz szállító miatt, pedig az 5-6 Mrd m3-es gáztároló kapacitás és a hazai termelés segítségével gond nélkül tolerálható egy 3-4 hetes import szállítás-kiesés is. Gondolni kell arra is, hogy a biztonság növelése (új gázvezeték(ek), stratégiai tároló, stb. építése, a német tulajdonú gáztározók megvásárlása) sok 100 milliárd forintos költséget jelent. (Egyedül a gáztároló megvásárlása 260 Mrd Ft-ba került.) Részletesen elemezni kell, hogy a biztonságra költött milliárdokkal mekkora kárt lehet elkerülni, és hogy megéri-e ez a befektetés. A hazai gázimport-igények mennyiségi szempontból tökéletesen kielégíthetők a 18th International T H E R M O Conference

mai, csak részben kihasznált vezetékeken is. Minden új szállítási útvonal a meglévő kapacitások egy részének kihasználatlanul hagyásával jár, és az új beruházások költségeit a végfelhasználóknak kell kifizetniük. Az orosz ár-dominancia csökkentését segítheti elő az ún. Észak-déli gázfolyosó, mely a lengyel tengerpartról vezet dél felé, majd Szlovákián keresztül eléri Magyarországot, ahol kettéágazik Horvátország és Románia felé. A horvát és a román interkonnektor már megépült, és rövidesen megkezdődik a szlovák interkonnektor építése is. Ez a vezeték, az osztrák HAG vezeték felbővítésével együtt, erősen bővíti hazánk gázimport lehetőségeit, és segíthet gázimport áraink alacsonyan tartásában. Meg kell említeni néhány kockázatot is: Gyakran hallani arról, hogy a Déli Áramlat elkerüli Magyarországot, és Horvátország lépne hazánk helyére. Hasonló hírek terjednek a Nabuccóról is, melynek megépítése is kérdéses.


New Developments in Natural Gas Supply and the Gas Market Written by Dr. László Molnár, Secretary General of the Hungarian Scientific Society of Energy Economics (e-mail: [email protected], phone: +36-30-210-7805) International Gas Reserves Already in the 1970s experts were worrying about how the hydrocarbon reserves of the Earth were running out. Their predictions such as Limits To Growth, compiled at MIT, the famous US university, forecast that by the millennium crude oil and natural gas reserves would be depleted. Geologists and engineers, however, did their job well and in 2000 we still had oil and gas deposits lasting for 60-70 years. Still, there was plenty reason to worry about as there was no real substitute for crude oil (gasoline and diesel) and no proven alternative for natural gas. Yet recently, in an unexpected turn of events, the economic/profitable production of unconventional hydrocarbons started, increasing reserves by 5-6 times and making them available for 250-300 years, according to experts. According to the latest research, total traditional natural gas reserves make up 181,000 bcm and the total unconventional natural gas deposits reach 922,000 bcm. It was recently discovered that Russia has huge unconventional reserves of which a total of 650,000 bcm can be extracted. There are various estimates but they all have one thing in common: all are predicting that reserves will continue to grow quickly (for now). In addition, there are methane hydrate reserves which are estimated to be 30 times higher than natural gas deposits, as shown by Table 1. Table 1: Fossil energy reserves in 2013, in bn tonnes coal equivalent Natural gas Oil Coal Methane hydrates 96 160 675 3000 If the exploitation of methane hydrate is resolved, the entire energy policy should be reviewed and the golden age of natural gas will truly come. Gas Market Data Global gas production grew by 3,1% in 2011. The biggest volumetric rise was seen in the US (7,7%), confirming the position of the country as the top producer (651 bcm). Rapid growth was generated in Qatar (25,8%), Russia (3,1%) and Turkmenistan (40,6%), making up for the decrease observed elsewhere (UK –20,8%, Libya –75,6%). In the EU production declined by 11,4% as a result of depleted fields and poor demand. Global gas consumption went up by 2,2%. Volumetric consumption grew at the fastest rate in North America thanks to the low prices. Consumption also rapidly increased in China (21,5%), Saudi Arabia (13,2%) and Japan (11,6%). In contrast, consumption fell by 9,9% in the EU.


Gas trade increased by 4% in 2011. LNG trade went up by 10,1% with Qatar in the lead (growth of 34,8%), accounting for 87,7% of the total growth. Pipeline transport rose by a mere 1,3%. In 2011 total pipeline exports were 695 bcm and the biggest exporters included Russia 207, Canada 80, Norway 93, the Netherlands 50 bcm. LNG exports reached 331 bcm with the biggest exporter being Qatar (103 bcm). One-third of exports is now supplied to consumers as LNG. Gas prices greatly differed by region in 2011 too (see Table 2): Table 2: Evolution of gas prices in 2011 Region Price, USD/ million Btu LNG Japan cif 14,73 Average German 10,61 import UK NBP 9,03 Canada, Alberta 3,47 US Henry Hub 4,01 The situation in the US led to a very special decline in gas prices: at Henry Hub the price of natural gas fell by 85% in five years! Is shale oil and shale gas a huge business? To give an answer we must compare the economic impacts of unconventional oil and gas production with the results of the use of renewable energies: • In the US the unconventional oil and gas industry generated 1,7 million new jobs and a profit of 62 billion USD in 2012, providing substantial tax revenues for the country; • In Germany renewable energies led to the creation of 450,000 new jobs, subsidized by the state to the amount of EUR 37 billion. Evolution of the European Gas Market Gas consumption has recently stagnated or decreased in Europe owing to improved energy efficiency, increasing oil-dependent gas prices and industrial re-structuring (relocating heavy industry to the Far-East and India) as a long-term impact. This was intensified by other impacts of the financial and economic crisis, e.g. declining industrial performance, increasing energy saving efforts by the residential and municipal sector. In Hungary gas consumption was already falling before the start of the crisis, declining from 14-15 billion m3/year a few years ago to 10-11 billion m3/year. In 2012 this trend continued with gas consumption dropping to 10,2 bcm/year according to preliminary data. Along with the decline in European gas demands important changes took place in the gas market. Unconventional gas production strongly grew in the US, stopping the imports of huge volumes of LNG. Producers have been trying try to sell the extra quantities in Europe with LNG terminals constructed in the last few years to transport substantial volumes of LNG to the EU (UK 25, Spain 24, France 15, Italy 9, Belgium 7 bcm/year). (Please note: Japan purchased 107 bcm/year LNG in 2011 therefore it cannot give up nuclear energy even after Fukushima. It cannot further increase its gas and oil imports.) The traditional, regional


method of gas trade is expected to be overshadowed by liquefied products which can be transported anywhere in the world. This will generate a competition in prices and projects with regard to LNG terminals. Significant unconventional gas reserves have been found in some European countries, e.g. Poland, France, Ukraine. Under the strict environmental regulations of the EU such reserves will be much more difficult to extract but in a few years these resources may also be available in the market. The above events and the recession led to a new situation: there is a gas surplus in Europe and LNG transports to mainly Western-European countries have diversified gas resources. The surplus in the European gas markets reversed the pervious situation where prices in the TOP agreements were lower than the market prices. Spot markets offer favourable prices and while Western-Europe could taken advantage of such prices, the Central-European region is tied down by TOP agreements, paying a higher price for gas transported by Gazprom. In spite of the growing gas supply, diversified transport routes and falling demands (all improving security of supply), gas is now in the focus of politicians everywhere in Europe who now worry about the security of supply. There is an unprecedented number of pipeline designs in the planning phase. In addition to the "eternal promise" of Nabucco, ten years in the planning, and South Stream, which seemed the most realistic project for a long time, there are now 3-4 new designs including AGRI (Azerbaijan-Georgia-Romania Interconnector), Tanap (Trans-Anatolian Pipeline) and the BP pipeline (using the existing pipelines to transport gas from the Middle East to South-East Europe). These pipelines fulfil the criteria for transit and resource diversification in part or in whole but still raise a lot of questions. Why would Iraq or Azerbaijan be more reliable transporters than Russia, or why is Turkey a better transit partner than Ukraine? Future of the Hungarian Gas Industry Sooner or later a choice must be made between the pipeline alternatives. It also depends on the new Gazprom contract to be agreed in 2015. Will gas prices be more favourable in the East or in the West? Which direction should the design of pipelines take? To reach the most advantageous agreement possible with Gazprom, the government purchased the companies E.on Földgáz Trade and E.on Földgáz Storage. There is no ultimate answer to the above questions. Some experts would enter into a TOP agreement for imports of 3-5 bcm/year while others trust a long-term Western-European gas abundance and cheap prices, arguing against a TOP agreement for Hungary. Both pipelines lines of the North Stream started to operate in the autumn of 2012. Its cofinancer, Germany was brave enough to deal with Russia and all the consequences of the extra 55 billion m3/year Russian imports. Meanwhile in Hungary many worry about the Russian supplier even though the 5-6 bcm gas storage capacity and the domestic production ensure that a loss of imports for 3-4 weeks can be managed. It must be noted that improving the security of supply (constructing new pipeline(s), strategic storages etc., purchasing the German-owned gas storages) will cost hundreds of billions of HUF. (The purchase of the gas storage alone cost HUF 260 billion.) In-depth analyses need to be made to assess the extent of the damage that may be avoided by spending billions on security and whether these billions are worth it. In terms of quantity, Hungarian gas imports


can be fully met through the existing and only partly (approx. in 50%) used pipelines. Each new transport route leaves parts of the existing capacities unused and the costs of the new projects will be paid by the end users. The so-called North South Gas Corridor, leading from the Polish seaside to the south, reaching Hungary through Slovakia, then branching off to Croatia and Romania, can help reduce the Russian dominance. The Croatian and the Romanian interconnectors have been finalized and the Slovakian one will soon be under construction. Together with the expansion of the Austrian HAG pipeline, it will broaden the gas import alternatives in Hungary and help keep the gas import prices at a low level.


The Present Position of and Opportunities for Solar Thermal Industry in Hungary Presenter: Pál Varga Qualification: Mechanical Engineer Status: Chairman of the Solar Association of Hungarian Mechanical Engineers (MÉGNAP) There is a dramatic decrease in installing solar thermal systems in Hungary compared to the majority of the developed countries in Europe despite its favourable climate. What is the reason for this? How could this crisis be ended? Incentives for growth and close up. The objectives and present state of Hungarian National Renewable Energy Action Plan (NREAP) in the field of solar thermal power. •

Opportunities Insolation in Hungary. Realistic and economical practices of using solar thermal energy in heating.

•

The past and present of the Hungarian market of solar thermal collectors The development of the Hungarian market of solar thermal collectors in the last 10 years. The number of installed solar thermal systems in a year according to ESTIF and to Hungarian estimates.

•

The review of the European market of solar thermal collectors The development of the European market of solar thermal collectors in the last 10 years according to ESTIF data. Review on the tendency of leading countries (Germany, Austria, Italy, Spain, France, and Greece). Climate facts compared to market data.

•

Realistic future alternatives, action plans until 2020 and 2030 Realistic prediction of the growth rate of solar thermal collector market until 2020. Energy savings and carbon savings can be reached by using solar thermal collector systems. Other advantages: economy boosting, creating jobs, technological development. Real ratio of solar thermal power within the energy mix of Hungary.


Termovizió alapú eredmények a közlekedés eredetű szennyezőanyagok hatásvizsgálatában Kozma-Bognár Veronika1 - Berke József2,3 1 - Pannon Egyetem, Georgikon Kar, Meteorológia és Vízgazdálkodás Tanszék, [email protected] 2 - Gábor Dénes Főiskola, Alap- és Műszaki Tudományi Intézet, [email protected] 3 - SFD Informatika Kft., [email protected]

Összefoglaló: Jelenleg a távérzékelési módszerek egyre szélesebb körben alkalmazott technológiák a környezetünkről gyűjtött információk megszerzésében. A fejlett információ-technológiai megoldások, számos gyakorlatorientált környezetvédelmi feladat megoldását teszik lehetővé számunkra. Köztudott, hogy a környezetkárosító jelenségek felderítése, térbeli eloszlása, a hatásterületek meghatározása, a terjedési irányok beazonosítása rendkívüli jelentőséggel bírnak a környezetünk megóvására tett erőfeszítések során. A korszerű érzékelők által szolgáltatott adatok feldolgozása, ugyanakkor, jelentős késéssel követi a műszaki eszközök fejlődését. Mindezek alapján indokolt, hogy a technikai fejlődést új módszertanokkal kövessük, hogy minél több hasznos információt tudjunk kinyerni a mért adatokból. Jelen publikációban mezőgazdasági tesztterületek idősoros információtartalmú elemzéseinek eredményeit mutatjuk be a közlekedés eredetű szennyezőanyagok hatásvizsgálata során.

1.

Bevezetés

Napjainkban a távérzékelés egyre szélesebb körben alkalmazott technológia a környezetünk minél átfogóbb megismerésében. A környezetszennyezés által okozott problémák megelőzésében, felderítésében és monitorozásában is rendkívüli jelentőséggel bírnak a légi és űrfelvételekkel készített adatsorok. Az elmúlt évtized technikai fejlődésnek köszönhetően egyre gyakrabban használnak nagy spektrális és nagy geometriai felbontású felvevőrendszereket, melyek segítségével még pontosabb eredmények érhetők el a szennyezések környezetünkre gyakorolt hatásának vizsgálatai során. Jelenleg számos szakirodalmi példa mutatja, hogy a különböző spektrális tartományokban készített távérzékelt felvételek még inkább hozzájárulnak a környzetünkben lejátszódó folyamatokat, jelenségek, minél alaposabban megismeréséhez. Az elektromágneses spektrum termális infravörös tartományát vizsgálják a termográfia által alkalmazott távérzékelési technikák, amelyek az objektum(ok) hőmérsékleti eloszlásának vizsgálatát teszik lehetővé. A termiviziós technológiát eredetileg katonai célokra fejlesztették ki (pl. hőkövető rakéták). A széleskörű polgári felhasználást sokáig a magas ár, a hűtött detektortechnológia és az exporttilalmak korlátozták, azóta több alkalmazási területe fejlődött ki [9]. A távérzékelésen belül a műholdas rendszereken elhelyezett szenzorok megjelenését követően (LANDSAT, ASTER, MODIS, JERS-1) elkezdődtek a légi platformokra történő fejlesztések is, bővítve ezzel az alkalmazási területek sokszínűségét [11]. Az általános környezetvédelmi felhasználások mellett, a mezőgazdaságot érintő probléma megoldásokban jelentős és nélkülözhetetlen adatforrásként jelennek meg a termoviziós eljárások: • hőtermeléssel járó természetes és antropogén jelenségek felkutatásának, kimutatásának (pl. erdőtüzek, tőzeg-öngyulladás, hévforrások megfigyelése, hűtővizek hőszennyezése), • az emberiség okozta egyéb környezeti változások előrejelzése, felmérése, vizsgálata (pl. káros gázkibocsátás meghatározása, város- és tájtervezés), • növényzet egészségi állapotának és állapotváltozásainak vizsgálata, fejlődési stádiumának meghatározására (pl. növények vízellátottságának feltérképezése, fertőzések és egyéb kártételek beazonosítása, rezisztencia mechanizmusok vizsgálata, talajok nedvességtartalmának és bolygatottságának vizsgálata) valamint ezen változásokhoz kapcsolható egyéb folyamatok és paraméterek meghatározására (pl. termés előrejelzés, biomassza meghatározás). 18th International T H E R M O Conference

A Pannon Egyetem Georgikon Karán 2010 óta folynak növény-talaj-légkör rendszerhez kapcsolódó kutatások, melyek egyik célja a nehézfémszennyezések várható károsító hatásainak detektálása. A Meteorológiai és Vízgazdálkodás Tanszék szabadföldi kísérletei a közlekedés okozta nehézfém-szennyezések közül a korom- és kadmium-szennyezés kukorica növényállományra gyakorolt eredményét vizsgálják [1]. A környezetszennyezés által okozott stresszhatásokra a növények indikátorként viselkednek, így a növényállomány növekedési és fejlődési ütemében bekövetkezett változások az általános biológiai akut toxikológiai tesztek [2] mellett, kiválóan kimutathatóak a távérzékelési módszerekkel történő nyomon követéssel. A 2010. évi tenyészidőszaktól kezdődően a földi mérésekkel párhuzamosan légifelvételezésekre is sor került, melynek elsődleges célja a különböző spektrális tartományú légifelvételezési technikák által kínált lehetőségek tesztelése, tanulmányozása volt. Ezt követően a vizsgálatok kiterjedtek különböző módszertani (intenzitás alapú, entrópia alapú, spektrális fraktáldimenzió alapú) elemzésekre is, amelyek a kutatásaink szempontjából a legmegbízhatóbb adatkiértékelési eljárások alkalmazhatóságát vizsgálták. 2.

Kutatások helyszíne

A kutatásaink helyszíne a Keszthelytől 2 km-re fekvő Tanyakereszti Agrometeorológiai Kutatóállomás tesztterülete volt. Az állomástól északra elhelyezkedő (északi szélesség 46°44’ 08,55”, keleti hosszúság: 17°14’19,76”, magasság: 114,2 m.) vizsgálati területen 6 parcella (10m x10m/parcella) került kialakításra [6]: - korommal szennyezett öntözetlen (BC), - korommal szennyezett öntözött (BC_W), - kontroll öntözetlen (Cont), - kontroll öntözött (Cont_W), - kadmiummal szennyezett öntözetlen (Cd), - kadmiummal szennyezett öntözött (Cd_W).

BC

BC_W

Cont Cont_W Cd

Cd_W

1. ábra A vizsgált területről készült, illesztett FIR felvétel


A mintaterületen kialakított parcellákon a rövid tenyészidejű SPERLONA (FAO-340) kukoricahibrid rendszeres heti szennyezést követő környezetállapot felméréseire került sor. A tenyészidőszak során a korom szennyezések 3 gm-2 „vegytiszta” korom, a kadmium szennyezések 10-5 mol/hét koncentrációjú kadmium-nitrát oldat permetezőgéppel illetve porozóval történő kijuttatásával valósultak meg. A gépjárműforgalom befolyásoló hatásainak szélesebb körű megismeréséhez a hatásokat kétféle vízellátás mellett figyeltük meg. Az öntözetlen kezelések esetében csak a természetes csapadék állt a növényállomány rendelkezésére, az öntözött parcellákon a természetes csapadékon felül is részesült vízellátásban a növényállomány. Az öntözést csepegtető eljárással hajtottuk végre, 4-6 mm/óra intenzitással, az időjárás függvényében. A 2010. évi, 2011. évi és 2012. évi tenyészidőszakok során a földi mérésekkel párhuzamosan több légifelvételezésre került sor (1. táblázat). 1. táblázat A vizsgált tenyészidőszakok légifelvételezési időpontjai

3.

2010. évi tenyészidőszak



2010.04.25.

2011.06.04.

2012.04.02.

2010.06.27.

2011.06.20.

2012.05.29.

2010.07.21.

2011.07.04.

2012.06.10.

2010.08.09.

2011.07.17.

2012.06.21.

2010.08.17.

2011.08.01.

2012.07.23.

2010.08.26.

2011.08.22.

2012.08.14.

2010.09.09.

2011.09.03.

2012.09.07.

Alkalmazott eszközök

A légifelvételezések alkalmával a magasabb információtartalom kinyerése érdekében több spektrális tartományban is készültek felvételek: látható (VIS), közeli infravörös (NIR), termális infravörös (FIR). A vizsgálati objektumok kis területi kiterjedéséből (teljes terület: 0,52 ha) adódóan, a parcella szintű kiértékeléshez nagy térbeli felbontású légifelvételek alkalmazását tette szükségessé. A mintaterületünkön végzett légifelvételezések esetében jelentősen túlhaladtuk az 1 méter alatti geometriai felbontást (VIS és NIR esetén 10 cm/pixel, FIR esetén 30 cm/pixel) [7]. Az alkalmazott digitális érzékelők által szolgáltatott adatsorok a látható (VIS: 0,4-0,7 µm), a közeli infravörös (NIR: 0,7-1,15 µm) és a termális infravörös (FIR: 8-14 µm) tartományban készített felvételeket foglalták magukba. A termális infravörös képek felvételezésére speciálisan légifelvételezésre kialakított hazai, Hexium Műszaki Fejlesztő Kft. által fejlesztett, kézi kamerát használtunk [5], amely 0.05 °K hőmérsékletkülönbségek kimutatására is alkalmas (2. táblázat). Egy-egy felvételezési időpontban a pontosabb mérési eredmények elérése érdekében több repülési sávban készültek légifelvételek. Egy tracklog-sávban általában 3-5 felvétel került rögzítésre, biztosítva ezzel a statisztikai kiértékelés biztonságához szükséges mintavételezést. Az elemzések elvégzéséhez vizuális interpretáció és különböző képfeldolgozási módszerek felhasználásával (hisztogram-elemzés) a legoptimálisabb felvételek kerültek kiválasztásra.


2. táblázat HX-IDS-M 110 hordozható hőkamera technikai paraméterei Technikai adatok:

HX-IDS-M 110

Érzékelő típusa

hűtetlen FPA mikrobolométer

Zoom

x1, x2 (digitális zoom feldolgozó szoftverrel)

Pixelszám

384x288

Beépített képalkotó eszközök

hőkamera (16 bit/pixel) és normál kamera (CCD)

Kimenetek

USB, CVBS, külső display kapcsolat

Spektrális érzékenység

50mK@300K, 50Hz

Mérési korrekciók

Automatikus (külső hőmérséklet, távolság, relatív páratartalom)

Tárolóeszköz

Compact Flash (type II)

Tápellátás

Külső adapter (230V AC, 50Hz)

Akkumulátor

Li-Ion újratölthető

Akkumulátoros üzemidő

2 órás folyamatos működés

Páratartalom

működtetés és tárolás 10%-95%, nem kondenzálódó

Védettség

IP54

Súly (markolat nélkül)

3,2 kg

Markolat súlya

0,255 kg

4.

Alkalmazott információelméleti módszerek

4.1. Entrópia Az entrópia napjainkban használt információelméleti fogalmát 1948-ban Claude E. Shannon [12, 13] vezette be, majd gyakorlati példán keresztül szemléltette [14], melyet Neumann János javaslatára nevezett el entrópia függvénynek. Ezek szerint az üzenetek átlagos információ tartalma (független üzenetek esetén) – entrópiája, az alábbiak szerint határozható meg: (1) ahol

H - az információelméleti entrópia pi - az i-edik üzenet előfordulási valószínűsége

Az entrópia matematikai értelemben vett általános definícióját Rényi Alfréd adta 1961-ben [10], amely szerint (2) ahol


Az entrópia gyakorlati esetekben történő számítása során célszerű figyelembe venni még az alábbiakat: 1. Egy zárt rendszer információelméleti (1) szerinti entrópiája az alábbi értékeket veheti fel:

2. 3.

4.2.

ahol n a lehetséges üzenetek száma. A (1) entrópia akkor a legkisebb (Hmin=0), ha a forrás mindig ugyanazt az üzenetet küldi. A (1) entrópia akkor veszi fel a legnagyobb értéket Hmax=log2n, ha az összes üzenet valószínűsége egyenlő ( ). Spektrális FraktálDimenzió

A spektrális fraktáldimenzió (SFD) egy, az általános fraktáldimenzióból [8] származtatott szerkezetvizsgálati eljárás, amely a fraktálok egy újszerű alkalmazását jelenti. Az SFD [3, 4] a térbeli szerkezeten kívül a spektrális sávok színszerkezetének mérésére is alkalmas, és elegendő információt nyújt a színek, árnyalatok fraktál tulajdonságaira vonatkozóan is. Az SFD értékek számításához (két vagy több képsáv esetén) a spektrális fraktáldimenzió (3) szerinti definíciója alkalmazható a mért adatokra, mint függvényre (értékes spektrális dobozok száma az összes spektrális doboz függvényében) egyszerű matematikai átlagolással számítva az alábbiak szerint [4]: log( BM j ) j =1 log( BT j )

S −1

SFDmérhető =

n×∑

S −1

(3)

ahol n – a képrétegek vagy képcsatornák száma S – a spektrális felbontás bitben BMj - értékes képpontot tartalmazó spektrális dobozok száma j-bit esetén BTj – összes lehetséges spektrális dobozok száma j-bit esetén A lehetséges spektrális dobozok száma j-bit esetén az alábbiak szerint számítható: BT j = (2 S ) n

(4)

Mivel az (3) összefüggés metrika [4], a kiértékelések során mind hiper- mind multispektrális felvételek esetén mérésekre egzaktul használható. 5.

Eredmények

A 2010, 2011. és 2012. évben készült látható, közeli és termális infravörös légifelvételek alapján multitemporális elemzéseket végeztünk a korommal és kadmiummal szennyezett valamint a kontroll állományokra vonatkozóan. Kutatásaink magukba foglalták az öntözés esetleges pozitív vagy negatív hatásainak elemzését oly módon, hogy az öntözött és öntözetlen állományok közötti eltéréseket is vizsgáltuk. A multispektrális felvételekből valamint a jellemző referencia adatokból kiindulva kezdtük el a különböző növényállományok entrópia alapú és SFD alapú méréseit. Mindezt azért tettük, mivel a legtöbb kiértékelésre alkalmas matematikai módszer vagy átlagos információtartalom (átlag, szórás, stb) vagy szerkezet (PCA, ICA, SFD, stb.) alapú adatok alapján dolgozik.


A kiértékelés alkalmával a vizsgált növényállományokat tartalmazó felvételek kimaszkolt területei kerültek elemzésre és csak ezekre vonatkozóan mértünk entrópia illetve SFD értékeket. A kapott eredményeket összesítve megállapíthatóvá vált, hogy mely eljárás eredménye tükrözi leginkább a korom és kadmium növényekre gyakorolt hatását, tehát mely paraméter alkalmazásával különíthetőek el leginkább egymástól a szennyezetlen illetve a nehézfémmel szennyezett parcellák. A vizsgálatokba hat paramétert vontunk be: • A felvételekre jellemző spektrális tartományt (λ) • Kezelési típusokat (p) • Vegetációs időszakon belüli időbeli eltéréseket (t) • Évenkénti elemzések szerint változásokat (T) • Geometriai felbontást (r) • Vízellátást (w) A végleges cél az volt, hogy az egyes paraméterek entrópia és SFD alapú adatszerkezetfüggését megállapítsuk. A 3. táblázatban található 2012. évi tenyészidőszak értékei alapján egyértelműen megállapítható, hogy az átlagos információtartalom (entrópia) alapú adatok NIR tartományban nem mutatnak szignifikáns eltérést a korom, kadmium és a kontroll adatok között. Ugyanakkor az SFD szerkezeti vizsgálatok során kapott adatok viszont szignifikáns eltérést adtak, tehát alkalmasak az egyes kezelések közötti eltérések kimutatására. 3. táblázat A korom, kadmium és a kontroll minták közötti eltérések vizsgálata entrópia és SFD alapján NIR tartományban a 2012. évi tenyészidőszakban Légifelvételezési időpontok 2012. tenyészidőszakban

Paraméterek Kezelések Április 2.

Május 29.

Június 10.

Június 21.

Július 23.

13.2877

13.2877

13.1397

13.1397

13.2877

13.2877

13.2877

Kadmium 13.2877

13.2877

13.1394

13.1397

13.2877

13.2877

13.2877

Kontroll

13.2877

13.2877

13.1396

13.1397

13.2876

13.2877

13.2877

Korom

1.0407

1.1771

1.2627

1.2591

1.3048

1.3971

1.3692

Kadmium

1.0505

1.1623

1.2467

1.2443

1.2783

1.3918

1.3556

Kontroll

1.0648

1.1705

1.2545

1.2339

1.2618

1.3802

1.3693

Korom Entrópia értékek

SFD értékek

Augusztus 14. Szeptember 7.

Mindezen elemzéseket az összes kezelési típusra és mind a három tenyészidőszakra elvégezve (2. ábra) megállapítható volt, hogy az átlagos információtartalom (entrópia) a kezelések elkülönítésére nem alkalmas paraméter a VIS és NIR képek alapján. A vegetációs időszakon belül és csak a FIR tartományt vizsgálva viszont találtunk szignifikáns eltéréseket (3. ábra). Az SFD metrika viszont minden vizsgált paraméter esetén szignifikáns eltérést mutatott.


‐ #.( /01)'"20$3 45'%#( $#( .03 )64.#0741( )+, 7, .*1, "+*"#)8)9: ; 9) ‐ 1/6666#

! "#$%&'( )*$#*+, )

‐ 0/6666# ‐ 6/6666# : /6666# 9/6666# 1/6666#

! "#$%&'( )*$#*+, )

0/6666#

! "#

! " $% #

" &#

" &$% #

" ' ( )#

" ' ( )$% #

" &$*#

‐ #.( /01)'"2 $#( .03 )64.#0741( )9: ; ;‐). /0111# ‐ . /01. 2# 0$3 45'% ‐ #( . /0111# ‐ . /0111# )+, 7, .*1, ‐ . "+*"#)8 /0111#

+,*#

‐ . /0111#

‐ 8/9999# 3 ,4#

‐ . /0121#

‐ . /0121#

‐ . /0121#

‐ . /0121#

‐ . /0121#

‐ . /0121#

‐ . /0121#

5,4# ‐ . /9999#

1/0. 6. #

1/‐ 70. #

1/180‐ #

1/068‐ #

1/‐ 000#

1/‐ 768#

1/61. 1#

‐ . /0111#

‐ 9/9999# 1/9999# 3/9999# 8/9999# . /9999#

! "#

" &#

" &$% #

" ' ( )#

" ' ( )$% #

‐ . /0‐ 11#

‐ 8/: : :5:+6# #

‐ . /0‐ 11#

‐ . /0‐ 12#

‐ . /0‐ 12#

‐ . /0‐ 11#

‐ . /0‐ 12#

‐ . /0‐ 12#

7+6#

8/920. #

: /3242#

: /03: 2#

: /1880#

: /2430#

: /2349#

‐ 0/: : : : # ! "#$%&'( )*$#*+, )

! " $% #

‐ . /0‐45'% 12# #( $#( .03 ‐ .)64.#0741( /0‐ 13# /0‐ 12# "+*"#)8)9: ‐;. /0‐ ‐ #.( /01)'"20$3 )+, 7,‐ ..*1, : )14#

*+, #

‐ . /0‐ 12#

‐ 4/: : : : # ‐ : /: : : : # 1/: : : : # 8/: : : : # 0/: : : : # 4/: : : : #

! "#

! " $% #

" &#

" &$% #

" ' ( )#

" ' ( )$% #

*+, #

‐ . /0001#

‐ . /0001#

‐ . /0001#

‐ . /0001#

‐ . /0001#

‐ . /0001#

2 +3#

‐ . /0001#

‐ . /0001#

‐ . /0454#

‐ . /0001#

‐ . /0001#

‐ . /0006#

7+3#

5/. 86. #

5/4419#

5/5. 19#

5/: 5‐ : #

5/. 8‐ 1#

5/‐ 6‐ 4#

2. ábra Az átlagos információtartalom változása kezelésenként és évenkénti összehasonlításban A 2. ábra alapján azonban elmondható az is, hogy amennyiben nem egy-egy éven belül vizsgáljuk az entrópia és a kezelések közötti összefüggést, hanem az egyes évek (T) függvényében akkor már esetenként találunk jelentősnek mondható eltéréseket.

0.++++#

‐ #.( /01)'"20$3 45'%#( $#( .03 )64.#0741( )( )89: )#( $#03 4"; <( ") +, 7, .*1, "+*"#)=>?@?A)>?@@)*1)>?@>), /; BC =)

! "#$%&'( )*$#*+, )

‐ .‐ +++# ‐ .++++# 4.‐ +++# 4.++++# / .‐ +++# / .++++#

! "#

! " $% #

" &#

" &$% #

" ' ( )#

*+, +#

‐ ./ 01/ #

‐ .**23#

‐ .‐ / 23#

‐ .+‐ , +#

‐ ./ 0, 2#

" ' ( )$% # ‐ ., 1, *#

*+, , #

4.+31*#

/ .03‐ 3#

/ .10/ 3#

/ .2441#

/ .3‐ 01#

/ .30‐ +#

*+, *#

4.*/ +/ #

4., 1*/ #

4.43*, #

4.*+3, #

4., ***#

4., 1+3#

3. ábra Az átlagos információtartalom változása kezelésenként és évenkénti összehasonlításban a FIR tartományban


A 4. táblázatban feltüntettük az entrópia szélsőértékeket évenkénti bontásban (a táblázat a két legmagasabb értéket mutatja - a bal oldali a legmagasabb). A táblázat alapján megállapítható: I. Kadmium esetén az entrópia értékek egy adott éven belül lokális maximumot (2011ben ahhoz nagyon közeli értéket) mutatnak. Vagyis a kadmium hatásának vizsgálatára az átlagos információtartalom kiválóan alkalmas - max H(T)→ Cd. II. Az átlagos információtartalom lokális minimum "min H(T)" értékeinek vizsgálata tekintetében azonban teljesen más helyzet mutatkozik. Itt inkább a víztartalom alapú kezelések mutatnak minimális értéket. 4. táblázat Entrópia szélsőértékek éves bontásban (a két érték közül a vastagon szedett a magasabb vagy alacsonyabb) Szélsőérték/tenyészidőszak

2010

2011

2012

max H(T)

Cd, BC

BC, Cd

Cd, BC

min H(T)

Cd_W, Cont_W

BC_W, Cont

Cont, Cont_W

6.

Összefoglaló

A közlekedés eredetű szennyezőanyagok vizsgálata során alkalmazott légifelvételek információtartalmának vizsgálatai során összességében megállapítható, hogy a spektrális tartományok, az évenkénti elemzések valamint a vízellátás szerinti vizsgálati típusok esetében az entrópia értékek csak részben mutattak szignifikáns különbséget. A kezelések alapján számított entrópia értékekben nem találtunk eltéréseket, így az entrópia alapú elemzések ebben az esetben meglátásunk szerint egyáltalán nem használhatóak. A vegetációs időszakon belül és a geometriai felbontás alapján az átlagos információtartalmú vizsgálatok megfelelő eredményt adtak. A szignifikáns eredmények jelentős része a FIR felvételek alapján egyértelműen kimutatásra került. Amennyiben a légifelvételek színszerkezetének információtartalmát értékeltük ki mind a hat különböző vizsgálati típus esetében pozitív eredményeket kaptunk. Ennek következtében elmondható, hogy az SFD értékekben megmutatkozó különbségek, mind a spektrális tartomány szerint, a kezelések alapján, vegetációs időszakon belül, évenkénti elemzések szerint, geometriai felbontás alapján, vízellátás szerinti vizsgálatok során kimutathatóak. Így a spektrális fraktáldimenzió, mint paraméter a tényleges információ tartalom megállapítására kiválóan alkalmazható. A FIR felvételek legnagyobb előnyét abban látjuk, hogy a hagyományos elemzési módszerekkel történő vizsgálatok során a látható (VIS) és közeli infra (NIR) tartományban készült képi adatokból kinyerhető információt nem csak megerősíti, hanem esetenként új tartalommal kiegészíti a FIR képek alapján számított adat. Köszönetnyilvánítás A kutatás az Európai Uniós és Magyarország támogatásával a TÁMOP 4.2.4.A/1-11-1-20120001 azonosító számú „Nemzeti Kiválóság Program – Hazai hallgatói, illetve kutatói személyi támogatást biztosító rendszer kidolgozása és működtetése országos program” című kiemelt projekt keretei között valósult meg. Jelen cikk részben a TÁMOP 4.2.2/B-10/1-20100025 projekt keretében készült. A projekt a Magyar Állam és az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. 18th International T H E R M O Conference

Irodalomjegyzék [1] [2] [3] [4] [5] [6]

[7] [8] [9] [10] [11] [12] [13] [14]

Anda, A., Illés, B. 2012. Impact of simulated airborne soot on maize growth and development. J Environ Prot Vol. 3. 8: 773-781. Barótfi, I. 2000. Környezettechnika. Mezőgazda Kiadó. Budapest. 981. Berke, J. 2006. Measuring of Spectral Fractal Dimension, Advances in Systems Computing Sciences and Software Engineering. Springer-Verlag pp. 397-402. ISBN 10 1-4020-5262-6. Berke, J. 2007. Measuring of Spectral Fractal Dimension, Journal of New Mathematics and Natural Computation. vol. 3/3. pp. 409–418. DOI: 10.1142/S1793005707000872. HX-IDS-M110 hordozható hőkamera termékleírása Hexium Kft. weboldala: http://www.hexium.hu/index2.html?HUN&PROD&HX-IDS-M Kozma-Bognár, V., Berke, J. 2012. Determination of Optimal Hyper- and Multispectral Image Channels by Spectral Fractal Structure, International Joint Conferences on Computer, Information, and Systems Sciences, and Engineering. December 7-9, 2012. Kozma-Bognár, V., Berke, J., Martin, G. 2012. Application possibilities of aerial and terrain data evaluation in particulate pollution effects, European Geosciences Union General Assembly, EGU2012-3063, 22-27 April, 2012, Wien. Mandelbrot, B.B. 1983. The fractal geometry of nature. W.H. Freeman and Company, New York. Nagy, T. 2005. Resurrection of Thermovision, Magyar Elektronika 1-2. Rényi, A. 1961. Onmeasures of information and entropy, Proceedings of the 4th Berkeley Symposiumon Mathematics, Statistics and Probability. 1960:547–561. Sabins, F.F. 1987. Remote Sensing. Principles and Interpretation. W. H. Freeman and Co. Los Angeles. ISBN 0-7167-1793-X. Shannon, C. E. 1948. A MathematicalTheory of Communication. The Bell System Technical Journal. 27:379–423. Shannon, C. E. 1948. A Mathematical Theory of Communication. The Bell System Technical Journal. 28:623–656. Shannon, C. E. 1951. Prediction and entropy of printed English. The Bell System Technical Journal. 30:50–64.


A MAGYARORSZÁGON LÉTESÍTETT SZÉLENERGIA KAPACITÁSA ÉS STRUKTÚRÁJA Wind Energy Capacity and Structure in Hungary

Recommend Documents