Bajor Péter - Horváth Adrián: A szélenergia lehetséges szerepe a villamos energia ellátás logisztikai modelljében

Bajor Péter - Horváth Adrián: A szélenergia lehetséges szerepe a villamos energia ellátás logisztikai modelljében

KIVONAT A tézis, mely szerint az elektromos energia raktározhatósága, tárolása nem megvalósítható napjainkban egyre inkább megdőlni látszik. A kapcsolt hő-villamos (hűtő- fűtő- és villamos) energiatermelés, a „smart grid” rendszerek, a teljesítményelektronika és az info-kommunikációs technológiák fejlődése a villamosenergia-ellátás egy új logisztikai modelljének képét vetíti előre. A villamos energia különböző feszültségszinteken megvalósított raktározásával az időben változó mértékű, nehezen előre jelezhető és menetrendbe jelenleg nem illeszthető megújuló források, mint a szélenergia sajátos szerepet kaphatnak, támogatva a simított termelést, a stabilitást, a hálózati megtakarításokat, stb. A közlekedési szektor részéről várható villamos energia és/vagy hidrogén igény is komoly kihívást jelent. A hazai erőműpark várható összetételének vizsgálata is rámutat arra, hogy ezeket a szempontokat érdemes figyelembe vennünk a stratégiai tervezéskor, ha elkötelezettek vagyunk a fenntartható, környezetbarát energiarendszer létrehozása mellett.

BEVEZETŐ Hazánkban a szélenergia villamosenergia-termelésre alkalmazása messze nem éri el a források mértéke szerint lehetséges nagyságrendet. Ha a villamosenergia-ellátás rendszerét, mint sajátos tulajdonságokkal rendelkező vezetékes logisztikai rendszert elemezzük, láthatóvá válik, hogy a menetrendbe nem illeszthető, nehezen előre jelezhető természeti erőforrások (napsütés, szélsebesség) energetikai alkalmazásában a legjelentősebb műszaki korlátnak a raktározás hiánya tekinthető. Korunkban egyre inkább megdőlni látszik az a tézis, hogy a váltakozó áramú villamos energia nem raktározható – az EU élénk kutatás-fejlesztési tevékenységet folytat a hidrogéngazdaság kiépítésének felgyorsítása érdekében. Ha ezzel összhangban a villamos energia rendszerek fogyasztóinak piacán a közúti közlekedési szektor is megjelenik, az újabb igényt jelent egyrészt a raktározás, másrészt a megújuló szélenergiát nagyobb mértékben alkalmazó, tisztább energetikai rendszer számára. Magyarországon a villamosenergia-termelés szerkezetében az elkövetkező néhány évtizedben jelentős változások várhatók – a hazai energiapolitikai stratégia szerkezetváltás előtt áll. A logisztikai megközelítést szem előtt tartva megfontolandó tehát, hogy új, nem megújuló forráson alapuló, a környezetet jelentős mértékben terhelő és importált nyersanyagbázison működő termelő egységek építése helyett a hazai villamos energia rendszer fejlesztésében a raktározás, és nem csupán a nagyobb szivattyús-tározós erőmű építése, hanem számos, az elosztott raktározást és a megújuló szélenergia lehetséges legnagyobb mértékű hasznosítását támogató innovatív megoldás nyerjen elsőbbséget.

A tanulmány első fejezete a villamos energia ellátás hagyományos modelljét mutatja be. A második fejezet áttekintést ad a korszerű, folyamatos technikai fejlesztés alatt álló villamos energia raktározás lehetőségeiről és a raktározás sajátos szerepéről ebben a vezetékes logisztikai rendszerben. A harmadik fejezet a hazai energiapolitikai stratégia egyféle kivonata – illusztrálva a villamos energia rendszer egészével, benne a raktározás és a szélenergia alkalmazásával kapcsolatos fontosabb gondolatokat. Az összegzésben az elemzés tanulságait rögzítjük, és javaslatot fogalmazunk meg a logisztikai rendszermodellel kapcsolatos szimulációs vizsgálatokra.

1. A VILLAMOS ENERGIA ELLÁTÁS LOGISZTIKAI MEGKÖZELÍTÉSE A villamos energia ellátás az általános logisztikai nézőpontból húzott („pull”) rendszerűnek tekinthető [1], maga a szolgáltatás elsősorban az aktuális teljesítményigény biztosítására vonatkozik, hiszen a „termék” tárolásával kapcsolatos nehézségek miatt a villamos erőműveknek mindig termelésre kész állapotban kell állniuk, akkor és olyan mértékben, ahogyan a fogyasztók ezt igénylik. A fogyasztói igények ingadoznak, de előre jelzésük többé-kevésbé jól becsülhető, és a rendszerben a váratlan események lekövetésére is van lehetőség a beépített termelő kapacitásban rejlő tartalékoknak (kb. 133% a napi legmagasabb igényhez képest!), és az importnak köszönhetően. Az átfutási idő (termelés-fogyasztás) elhanyagolható, a műszaki vizsgálatok szintjén a rendelési tételnagyság is, az energia piac liberalizálásával viszont a rendszer irányításában egyre inkább számolni kell eredendően „nem műszaki” paraméterekkel is, elsősorban az árak napi szintű ingadozásának hatásával. 1.1. A villamosenergia-fogyasztás sajátosságai

1.1.1. ábra: A jellemző napi terhelési görbe nyáron és télen [2]

A napi terhelési görbe nagy érzékenységgel követi valamely ország termelési, életmód, meteorológiai és egyéb körülményeit. A fogyasztók energia és teljesítmény igénye pillanatról pillanatra változik, berendezéseiket ki- vagy bekapcsolják, illetve az üzemelő berendezések terhelését változtatják. Normál üzemben a fogyasztói területekre és a rendszer egészére vonatkozóan a véletlenszerű terhelésváltozások egymás hatását kiegyenlítik, illetve az összes fogyasztás viszonylag lassú, előre jól becsülhető változásában jutnak érvényre. A terhelés változására jellemző, hogy viszonylag rövid mind a napi csúcs-igény, mind a völgyidőszak energia-igénye, a tervezésnél ennek a tartománynak az átfogását kell tudni a szabályozással biztosítani.

1.1.2. ábra: A jellemző fogyasztói típusok napi terhelés-változása [1] A villamos energia rendszerben több módszer is rendelkezésre áll a fogyasztói igények befolyásolására. Ez természetesen akkor és csak akkor történhet a várakozásokkal összhangban, ha pontosan ismerjük nemcsak a fogyasztók jellemző csoportjait, és azok igényeit, várható viselkedését, hanem a teljes ellátási lánc, a termelés, szállítás, elosztás jellemzőit, sajátosságait az idő, a vételezés földrajzi megoszlása és az igényelt mennyiségű energia függvényében. Különböző jellegzetes fogyasztói típusok különíthetők el a napi terhelési igény (és menetrend) szerint: háztartások, ipari fogyasztók (1-2-3 műszak), iskolák, közhivatalok, üzletek, közvilágítás, hőtárolós berendezések (az olcsóbb éjszakai áram igénybe vételére, hogy akkor ne kelljen nagyobb alaperőmű-egységeket leállítani, mert azok újraindítása nehézkes és költséges volna), stb. Az ábrákból is látható, hogy a fogyasztók igényeinek előre jelzése nem könnyű feladat. A vételezési viselkedés befolyásolásának célja az, hogy műszaki és gazdasági eszközökkel kivédjük az igényeknek a jelenleginél is nagyobb mértékű ingadozását. Az első eszköz a tarifa-rendszer kialakítása (hasonló működik a távközlésben is). A fogyasztó fizet az általa lekötött villamos teljesítménynek a rendelkezésre állásáért

(„előfizetés”), valamint az elfogyasztott villamos energiáért is („percdíj”). A fogyasztó a saját szokásai ismeretében és tudatos fogyasztói viselkedést gyakorolva eredményesen vehet igénybe kedvezményeket („éjszakai tarifa”). A szerződött mennyiségtől való lényeges eltérés költsége magas. A fogyasztók által vételezett villamos energia mennyisége műszaki eszközökkel is befolyásolható: hangfrekvenciás vezérléssel (kiés bekapcsolás), feszültségcsökkentéssel („puha” korlátozás), automatikus frekvenciafüggő korlátozással (ennek rendszermentő szerepe van), végső esetben diszpécseri lekapcsolással. 1.2. A villamos energia szállítása és elosztása A hagyományos logisztikai rendszereknél is tapasztalható jelenség, hogy a villamos energia termelése és fogyasztása térben elkülönül, a különböző típusú erőművek együttműködése mellett az átvitel és az elosztás feladatát is meg kell oldani – az ellátási lánc szereplői (itt a termelő és a fogyasztó) közötti áthidaló elem a szállítás: továbbítási és elosztási feladatok megvalósítása. A villamos energia rendszerben a szállítást a veszteségek (i2R) csökkentése érdekében indokolt minél magasabb feszültségszinten végezni – ez a váltakozó áramú rendszerben a magyar feltaláló triásznak (Déry, Bláthy, Zipernowsky, 1885) köszönhetően transzformátorok alkalmazásával történik. Mivel az elosztáskor és a felhasználáskor a feszültséget a berendezések szigetelésének megfelelő értékre kell csökkenteni, itt is transzformátorokat alkalmazunk. A villamos energia szállítása a különböző feszültségszinteken távvezetékekkel történik. A hálózatok kialakítása sokféle, magasabb feszültségszinteken hurkolt, ami növeli az ellátás biztonságát valamely szakasz vagy berendezés kiesése esetén.

1.2.1. ábra: A villamos energia szállításának és elosztásának szemléltetése [2]

1.3. A villamos energia termelése, együttműködés az erőművek között A pillanatnyi fogyasztói igény az összes vételezett hatásos (P) és meddő (Q) teljesítmény eredője – a termeléssel ezt az igényt kell kiszolgálni. Természetesen figyelembe kell venni az erőművek házi üzemi fogyasztását (ezt a fogyasztás részének tekintjük) és a szállítás veszteségeit is (ez kb. a kapcsokon kiadott generátor teljesítmény 10%-a). A villamos energia rendszer generátorait forgásban tartó mechanikai teljesítménynek mindig egyenlőnek kell lennie a tengelyt tulajdonképpen fékező fogyasztói teljesítmény és a veszteségek összegével. Ehhez az erőművek összesített teljesítményét folyamatosan szabályozni kell (ezért is nehéz a menetrendbe illeszteni a bizonytalanul előre jelezhető termelésű szélgenerátorokat). A meghajtó és a fékező teljesítmények eltérése a forgó tömegek lassulását vagy gyorsulását eredményezi, ennek során a kinetikus energia alakul át villamos energiává, és viszont, ami a hatásos teljesítmény és a frekvencia változásában is nyomon követhető. A primer és szekunder turbina-szabályozás célja a rendszer frekvenciájának szűk határok között tartása.

1.3.1. ábra: A jellemző erőmű típusok napi terhelés-változása [1] Szinkronjáró, együttműködő villamos energia rendszerek esetén a szabályozás a frekvenciatartás mellett az egymás közötti teljesítmény-szállítások előre rögzített menetrendjének betartására is kiterjed. A nemzetközi együttműködés azért is fontos, mert egy rendszerben nem csak a fogyasztói teljesítmény igény változásával, hanem a menetrendtől eltérő üzemállapotokkal (termelő egységek vagy szállítási lehetőségek esetleges kiesésével) is számolni kell. A teljesítményigény biztosításában

és a szabályozásban különböző típusú erőművek vesznek részt. A terhelésszabályozás központi és automatikus irányítást igényel (szerződött menetrendek betartása, erőművek terhelhetősége, tartalékok fenntartása, hiányok, kiesések gyors pótlása, alkalmazkodás a teljesítményszállítás hálózati feltételeihez). A rendszer irányításában törekedni kell arra, hogy a kis költséggel termelő alaperőművek folyamatosan a névleges teljesítményükkel termeljenek, de a megfelelő szabályozási tartalékot mindig biztosítani kell. A szabályozáshoz szükséges teljesítménytartalékok egyrészt az erőművi tartalékokból (forgó és hideg tartalékok, amelyek különböző költséggel és időtényezővel vehetők igénybe), másrészt importból, harmadrészt, végszükség esetén a fogyasztói korlátozásból származnak. A rendszerek nagy kiterjedtsége a fizikai tehetetlenségnél fogva is előny, az importot szükség esetén a fizikai jelenségek automatizálják – nem könnyű feladat azonban a fizikai történéseket összhangba hozni a szabadpiaci kereskedelemre érvényes gazdasági szerződésekkel és jogi szabályokkal. 1.4. A szélenergia, mint megújuló forrás illesztésével kapcsolatos problémák Az emberiség már évszázadok óta használja munkavégzésre a szél erejét, mint energiaforrást [3]. A szélenergia hasznosítására szolgáló gépek lényegében ma is ugyanazon az elven működnek, mint a régi szélmalmok, legfeljebb alakjuk változott kissé, és ma már elektromos energia termelésére használják őket és nem őrlésre. Technológiájukból adódóan a szélgépek turbinái nemcsak szélcsendben, hanem kis szélsebesség (9 - 18 km/óra) mellett sem tudnak üzemelni, túl nagy sebesség (a szélturbina fajtájától függően 50 - 100 km/óra körül) mellett pedig a berendezések biztonsága érdekében kell őket leállítani, vagyis csak viszonylag állandó, közepes szélsebességű helyeken használhatók gazdaságosan. A legalkalmasabb ilyen helyek a tengerpartok, de szélerőművek a kontinensek belsejében is találhatók. A szélenergia a fejlett országokban ma a leggyorsabban növekvő megújuló energiaforrás. Európa ebben élen jár a világon: Németország a világ legnagyobb szélenergia termelője, 2004-ben kb. 17000 MW beépített szélerőművi kapacitással rendelkezett. Dánia elektromos energiájának 12 %-át szélerőművek termelik. A szélerőművek társadalmi elfogadottsága nem egységes: sokan támadják a szélerőműveket amiatt, hogy a nagy sík területen álló magas szélturbinák hatalmas részt vesznek el a természettől, ráadásul képtelenek beilleszkedni abba, rontva ezzel a tájképet. A szélerőművek ráadásul zajosak is, ezért lakott településektől megfelelő távolságba kell őket építeni, és ezzel még nem oldódott meg a természet zajterhelésének kérdése. A szélenergia széles körű felhasználásának egyik fő akadálya mégis inkább a szél kiszámíthatatlan természete, amely a villamosenergia-rendszerirányító központnak leadandó termelési menetrendtől való gyakori eltérések esetén lényegesen csökkenti a megtermelt energia megbízhatóságát és így természetesen átvételi árát is. Hazánkban az átlagos szélsebesség 60 m magasságban 6 m/s alatt van. Kedvező helyen elhelyezve tíz szélerőmű parkot, átlagosan 1100 h/a kihasználás várható. Ezek alapján egy éves villamosenergia-termelés egy átlagos széljárású évben nagyjából 1000x1200 = 1,1 TWh/a. Ez a jelenlegi magyar villamosenergia-

felhasználásnak közel 3%-a. A jelenlegi korszerű szélerőművek 1800-2000 kW megtermelésére képesek. Egy ilyen erőmű létesítési költsége nagyjából 110 EUR/kW.

1.4.1. ábra: A szélsebesség előrejelzésének bizonytalansága [3] Ahhoz, hogy az előbb említett tíz szélerőmű park létrejöhessen parkonként átlagosan 50 egységgel, a szükséges telek megvásárlásával normális telekárak mellett közel 300 milliárd Ft-ra lenne szükség. Egy így létrehozott park 100 MW megtermelésére lenne képes. Azonban ehhez még hozzá kell számolni a hálózatkiépítés költségét is, mely lehetővé teszi a megtermelt energia elosztóhálózatba történő betáplálását. A szélenergia rendelkezésre állása igen változó, ezért pl.: Németországban a szélerőművek értékelhető villamos teljesítőképességét a beépítettnek a 14%-ára veszik. Ez a szám folyami vízerőműveknél 42%, de a naperőműveknél csak 4.5%. Hazánkban nincs viszonylag állandó széljárású terület és az ország területe jóval kisebb, ezért még kellően széttelepített szélerőmű-parkoknál sem lehet arra számítani, hogy a beépített teljesítőképesség évi átlagban 10%-nál jobban rendelkezésre állna. A dán rendszer 2003-as adatai is ezt támasztják alá. Több mint kétszer akkora villamos teljesítőképesség szükséges, mint az évi csúcsterhelés. A tengerpartra és részben a tengerbe épített szélerőművek kihasználási óraszáma is alig haladja meg az 1600 h/a-t. A hazai szélerőművek segítségével termelt villamos energia várható önköltsége a jelenlegi kiépítettség mellett 40 Ft/kWh körül alakul az építtető megtérülési elvárásainak függvényében. Németországi tapasztalatok alapján a megtérülés már 7 – 10 év alatt létrejöhet. A MAVIR Rt. Közleménye alapján 2010-ig végéig mintegy 170-220 MW szélerőmű-park építhető ki reálisan, ami pozitív tapasztalatok alapján 2020-ig megduplázódhat.

2. A VILLAMOS ENERGIA RAKTÁROZÁSA 2.1. A készletezés szerepe a villamosenergia-rendszerben Mivel a villamosenergia-rendszer infrastrukturális elemeinek (erőművek, hálózat) tervezése során a csúcs-igények biztonságos kiszolgálása a kitűzött cél, a villamosenergia-ellátás infrastruktúrája szükségszerűen és nagymértékben túlméretezett - a raktározás a rendszer optimális üzeme szempontjából nélkülözhetetlen [4]:  A raktározás növeli a termelés hatékonyságát (mélyvölgyben fogyasztást növelő, kiegyensúlyozó hatása van, a csúcsban ezt az energiát már nem kell megtermelni, a raktárból kinyerhető – gyors forgási sebesség, kedvező megtérülés)  A raktározás segítségével a növekvő (csúcs) igények mellett is hosszú ideig használható az egyenletesebben kiterhelt, már létező elosztóhálózat  A pillanatnyi, rövidebb-hosszabb üzemzavarok esetén a raktár (különösen a decentralizált, elosztott rendszer) kiegyenlítő, rendszermentő, adott esetben az újraindítást jelentősen megkönnyítő szerepet lát el, ez a rendszer dinamikus stabilitását növeli. A tárolandó készletek optimális nagyságának meghatározása sajátos logisztikai feladat. Az optimum kritérium többnyire a költségek minimuma, esetünkben azonban inkább az, hogy megfelelő mennyiségű villamos energia álljon rendelkezésre. A készletezési rendszer elemzésében általánosan használt jellemzők a készletállapot (adott időpont készlete), készletellátottság szintje (tervezett és valós készlet aránya), keresleti intenzitás (időegységre jutó kereslet), kereslet kiegészítés szintje (ténylegesen felmerült és kielégített kereslet aránya). 2.2. A villamos energia raktározásának technikai lehetőségei A váltakozó áramú villamos energia tárolására a hazainál szerencsésebb adottságú nemzeti energia-rendszerekben szivattyús-tározós vízi erőművek alkalmazásával van mód.

2.2.1. ábra: Szélkerékfarm és szivattyús tározó rendszere [3] A megoldás lényege, hogy a „mélyvölgyben”, az alacsony fogyasztású éjszakai időszakban az alsó víztározóból a szivattyúkkal a felső víztározóba pumpálják a vizet. Ez rendkívül előnyös, hiszen ezzel a megoldással jelentős kiegyenlítő éjszakai

fogyasztás generálható, tehát az energia rendszerben a szabályozással a napi legalacsonyabb és legmagasabb terhelés (és termelés) között kisebb tartomány átfogását kell biztosítani. A nyilvánvaló előny természetesen az, hogy a raktározott villamos energiát lehetséges a későbbiekben, akár a napi legmagasabb terhelés időszakában igénybe venni: a felső víztározóból leengedett víz egy turbinát forgatva villamos energiát termel, miközben helyzeti energiája mozgási energiává alakul. Ebben a klasszikus esetben tehát a villamos energiát „helyzeti energia formájában” tároljuk. A szupravezető technikák alkalmazása ígéretes. A szupravezetős lebegtetésű lendkerék alkalmazásával az energiatárolás forgási energia formájában történik, az energiatároló szupravezető tekercs közvetlen villamos energia formájában tárolásra ad lehetőséget, de ezeknek az eszközöknek a gyakorlati alkalmazása ma még csekély mértékű. A teljesítmény elektronika (inverterek) és az akkumulátor technika fejlődésével az egyenárammá alakítás és a kémiai formában való tárolás is egyre inkább elképzelhetővé válik a jövőben. A villamos energia tárolásának ezt a módját nem hagyhatjuk figyelmen kívül, a tudományos és technikai teljesítmények vonatkozásában elég csak a mobiltelefon-akkumulátorok terén az elmúlt évtizedben végbement rendkívüli fejlődésre gondolnunk. Növekszik a tudományos-fejlesztői érdeklődés és aktivitás a hidrogén-technológiák fejlesztése terén is. Elterjedésükhöz elsősorban a közúti közlekedésben fűznek nagy reményeket, de ahogyan a technikatörténet mutatja, az infrastrukturális rendszerek fejlődése igen gyakran a meglévő rendszerekkel párhuzamosan, azok alapjain történik, elég csak a gáz- és villanyvilágítás, a petróleum-ellátás és a benzinkorszak példáját idéznünk. A hidrogén-technológiák a tiszta energia képzetét ígérik, de ma még drágák – olcsóbbá válnak viszont, ha a szélerőművek mindenkori energiaszolgáltatásának, és az olcsón termelő alaperőműveknek a közvetítő „raktáraként” alkalmazzuk a hidrogént előállító elektrolizáló berendezéseket, és a hidrogénből villamos áramot gyártó üzemanyag-cellákat. Ez lehet az új lehetőség a villamos energia nagymértékben történő raktározásában – ahogyan a tisztább és fenntarthatóbb közúti közlekedés megteremtésében is.

2.2.2. ábra: A hagyományos energetikai struktúra és a hidrogén-gazdaság [5]

3. A SZÉLENERGIA SZEREPE A MAGYAR ENERGIAPOLITIKÁBAN Hazánk, mint az EU tagállama számos az energetikával kapcsolatos kötelezettséget vállalt, de hangsúlyoznunk kell, hogy a vállalások és a széles körű együttműködés ellenére az Európai Uniónak jelenleg nincs a tagállamok által közösen elfogadott energiapolitikája. A hazai energiapolitikai stratégia legfrissebb összefoglaló jellegű dokumentuma a „Magyarország energiapolitikai stratégiája 2006-2030” (2004 évi adatok szerepeltetésével) . Érdemes áttekintenünk, milyen szerepet szán a hazai energiapolitika a szélenergiának, és melyek a dokumentumban azok a tézisek, amelyek a szélenergia növekvő mértékű hasznosítását támogató gondolatokat fogalmaznak meg. A magyar energiapolitika legfontosabb stratégiai célja az, hogy a hosszú távú szempontokat is mérlegelve optimalizálja az ellátásbiztonság, a gazdaságosság, a gazdasági versenyképesség, a környezetvédelem és a szociális felelősség közötti ellentmondások feloldását, azaz a lehető legjobban összeegyeztesse ezeknek a követelményeknek a kielégítését. Az energiahatékonyság növelése alapvető prioritás, mivel ez az egyetlen olyan eszköz, amely az energiapolitika valamennyi alapkövetelményének teljesítéséhez hozzájárul. Magyarország villamosenergia-ellátásának forrásoldalát ellentmondásos helyzet jellemzi. Geopolitikai adottságok folytán az optimális ellátást a hazai villamosenergia-termelés és a villamos energia import megfelelő aránya biztosítja. (Megjegyzés: „A magyar villamosenergia-rendszer a tervezett regionális piacok találkozási pontjában helyezkedik el, így az EU szabályok mentén megvalósuló új értelmezésű „fordító korong” szerepünk egyértelmű realitás.”) A hazai villamosenergia-rendszerben az elosztás és a közüzemi szolgáltatás teljes egészében privatizált. A rendszerben elsősorban alaperőművi üzemvitelre alkalmas egységek működnek, ezért az - különösen a villamosenergia-piac liberalizációját, a megújuló energiaforrások felhasználásának növekedését követően – „csak technikai” eszközökkel egyre nehezebben szabályozható. A többletkapacitásból adódóan a forrásoldali ellátásbiztonság megfelelő, a tartalékok lényegesen meghaladják az optimális mértéket. A magyar villamosenergia-rendszer beépített teljesítménye 2004-ben 8631 MW, a ténylegesen igénybe vehető teljesítménye 6182 MW, a hazai erőművek csúcsterhelése 4242 MW, a fogyasztás csúcsterhelése 5253 MW, az export- import szaldó 1010 MW. A villamosenergiaellátásban a termelésnek és a fogyasztásnak folyamatosan egyensúlyban kell lennie egymással, így ezt a tartalék-kapacitást a termelői oldalon kell biztosítani. A biztonságos ellátás mai feltétele, hogy az ún. maradó teljesítmény (a beépített névleges villamos teljesítőképesség hiányokkal, karbantartási, kiesési és rendszerirányítási tartalékokkal csökkentett maradványa és a csúcsterhelés különbsége) a beépített teljesítőképességnek legalább az 5%-a legyen. Ha a hazai szélerőmű-park összes névleges teljesítőképessége jelentőssé válik és megépül a szivattyús tározós vízerőmű, akkor a rendszerirányítási tartalékra vonatkozó követelmény megfelelően módosulhat.

A villamosenergia-felhasználás ugyan nőtt az elmúlt 15 évben, de a növekedés üteme jelentősen elmaradt a GDP növekedésétől. A villamosenergia-igény növekedési üteme az összes energiaigényénél nagyobbnak prognosztizálható. Eszerint a bruttó villamosenergia-fogyasztás 2030-ig évi átlagban 1,9±1%-kal növekszik, ami az időszak végére kb. 68,4 TWh villamosenergia-fogyasztást valószínűsít. A termelés műszaki színvonalának javulásából, valamint a tüzelőanyag-összetétel változásából adódó hatásfokjavulás következtében a nettó villamosenergia-fogyasztás ennél nagyobb arányban, évi 2±1%-kal növekedhet. Arra számítunk, hogy az előttünk álló évtizedekben a nyári villamosenergiafogyasztás az átlagnál erőteljesebben nő, így a csúcsidei fogyasztás éves növekedése 1,8%±1% körüli lehet. Kiindulva a jelenleg rendelkezésünkre álló kapacitáskészletből, amely 2004-ben 8630 MW, a rendelkezésre álló teljesítmény 7950 MW, az országos csúcsidejű igénybevétel pedig 6360 MW, a tartalék kapacitás tehát 1590 MW. Ez utóbbi 25% teljesítménytartaléknak felel meg, ami elég magas, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy az import- export szaldó is elég nagy, 1010 MW. Előzőek alapján 2030-ban – az enyhén javuló kihasználásból kiindulva – a csúcsidejű kapacitásigény mintegy 10 600 MW-ra, a rendelkezésre álló teljesítményigény az importtal együtt 12 700 MW-ra, a beépített teljesítőképesség pedig – importot nem feltételezve – mintegy 13 700 MW-ra adódik. Ha van import és export, akkor ez utóbbi mintegy 12 000 MW-ra adódik. Mindez azt jelenti, hogy kizárólag a villamosenergia-igény növekedéséből az alapváltozat esetében 2030-ig mintegy 4000 MW új csúcsidejű kapacitásigény, ill. 3500 MW beépített teljesítőképesség igény jelentkezik. A minimális igénynövekedés (1%/év) esetében a beépített teljesítőképesség – ha nem lenne import – mintegy 10 760 MW-ra adódik. Feltételezve 1260 MW import-export szaldót, a tényleges beépített kapacitásigény 2030-ban 9500 MW. Ez azt jelenti, hogy a minimális igénynövekedés esetében kizárólag a villamosenergia-igény növekedéséből 2030-ig 1900 MW új csúcsidejű kapacitásigény, illetve – a jelenlegi nagyobb teljesítménytartalék miatt – még ennél is kisebb, mintegy 850 MW beépített teljesítőképesség-igény jelentkezhet. Figyelembe véve a korszerű erőművek megbízhatóbb üzemelését, a tényleges beépített kapacitás bővítési igényt az alapváltozat esetében mintegy 2600 MW-ra, a minimális igénynövekedés esetében pedig mindössze kb. 600 MW-ra valószínűsíthető. Az elöregedett, illetve a gazdaságilag ellehetetlenült erőművek pótlására ugyanezen idő alatt – feltételezve a paksi atomerőmű üzemidő-hosszabbítását – összesen mintegy 5500 MW új erőművi kapacitást kell megépíteni, ebből 1300 MW-ot 2010-ig, 3200 MW-ot 2010 és 2020 között (nagyrészt az évtized második felében). Mindösszesen: alapváltozatban mintegy 8000 MW, minimális növekedési ütem esetében kb. 6000 MW teljesítőképességű új erőművet kell megépíteni 2030-ig. Utóbbi esetben a beruházási igényt majdnem teljes egészében az elöregedett blokkok pótlása teszi ki. Alapváltozatban 2030-ig mintegy 8000 MW új erőművi kapacitást kell megépíteni (minimális igénynövekedés esetében 6000 MW ez az érték). Ebből – ha minden feltétel teljesül – összesen 1400-1600 MW-ot (az akkori össz-kapacitásnak mintegy 1215%-át) a megújuló energiát felhasználó új erőművek tehetnek ki (kb. 800-1000 MW szélerőmű, 500 MW biomassza-erőmű – decentralizált formában – és kb. 100 MW geotermikus energiára alapozódik), az általuk termelt villamos energia évi mintegy 6-7 TWh lesz, ami az akkori összes villamosenergia-felhasználásnak kb. 9-10%-át

fogja kitenni. A többi – alapváltozatban mintegy 6500 MW – megosztható a szén(lignit-) és a földgáztüzelésű erőművek, valamint az új atomerőművi blokkok között.

3.1. ábra: Az erőműpark várható összetétele [2] A hazai termelésben az atomerőmű részaránya ma 38%. A paksi atomerőműben megtermelt villamos energia ára – jelenleg (8,60 Ft/kWh) és a tendenciákat tekintve tartósan – legalacsonyabb a hazai erőművek értékesítési áraihoz viszonyítva. Ha megújuló forrásokkal kellene helyettesíteni a paksi atomerőmű által megtermelt villamos energiát – ha az egyáltalán lehetséges lenne –, az a ma ismert adatok (23,8 Ft/kWh kötelező átvételi ár) alapján évente mintegy 170-200 milliárd forint többlet költséget jelentene a fogyasztók számára A rendszer gerincét adó nagyerőművek kihasználását kedvezőtlenül befolyásolja, hogy a kötelező átvétel körében létesített kis teljesítményű gázmotoros, kombinált ciklusú, hőszolgáltatást is végző egységek, továbbá a fatüzelésű egységek alaperőművi üzemmódban működnek. Emiatt a rendszer nem üzemel optimumon, szabályozására csak kereskedelmi eszközökkel van lehetőség. A nagy szénhidrogén tüzelésű blokkok kihasználása – a kötelező átvétel növekedésének, a piacnyitás kiteljesedésének hatására és versenyképességük miatt is – fokozatosan csökken, s rendszeresen vissza kell terhelni a paksi atomerőművet is. A megújuló energiaforrásból termelt villamos energiával kapcsolatos jogi szabályozás nem megfelelő, nincs összhangban az uniós irányelvekkel, pedig a megújuló energiahordozók részarányának növelése egyszerre csökkenti Magyarország importfüggését és javítja a fenntartható fejlődés feltételeit, benne a

környezet- és klímavédelmi célok teljesíthetőségét. A rendszerirányítás általi kezelhetőség elsősorban a szélenergia alkalmazásánál merül fel, és ennek mértéke jelentősen növelhető szivattyús tározós vízerőmű létesítésével. Megfontolandó a geográfiai adottságokat maximálisan kihasználó, nemzetközi együttműködés keretében történő megvalósítás. 2030-ig – döntően a műszaki állapot és a gazdasági ellehetetlenülés miatt kiselejtezendő erőművek pótlására, kisebb részben a növekvő igények fedezése céljából – mintegy 8000 MW új erőművi kapacitást kell megépíteni. A létesítési, engedélyezési feltételrendszerben mindenfajta opciót nyitva kell hagyni. Az atomerőművi részarány, a kevésbé rugalmas kapcsolt energiatermelés, a nagy kihasználásra törekvő biomassza-erőművek és – a fogyasztói igényeket követni nem tudó – sztochasztikusan változó szélerőművi villamosenergia-termelés miatti rendszerszabályozási feladatok megoldhatósága céljából a vizsgált időszakban szükségessé válik szivattyús tározós vízerőmű(vek) létesítése, esetleg 600- 900 MW össz-kapacitással. Támogatás nélkül a megújuló energiák alkalmazása ma még általában nem gazdaságos. A vázolt előnyök ellenére a megújuló energiák alkalmazásával nem célszerű túllépni a támogatások még tolerálható és a rendszerirányítás által még kezelhető szintjét. A megújuló energiaforrások túlértékelésének egyik magyarázata az, hogy sokan a megújuló energiaforrásoknak kizárólag elméleti, s nem a gyakorlatilag is hasznosítható potenciáljából indulnak ki. A magyarországi megújuló energia felhasználás reálisnak tekinthető részaránya 2025-ig mintegy 9%-ot, 2030-ig kb. 10%-ot érhet el A szélerőművek (parkok) elterjedését, a villamosenergia-termelésben való részesedését, a környezetvédelmi szempontok mellett egyrészt a potenciális beruházókat helyzetbe hozó kötelező áramátvételi szabályozás (ET, 2005), másrészt a hálózat rendszerszabályozási rugalmatlansága által meghatározott korlátozott széláram-felvevőképessége miatti többletköltségek figyelembevételével kialakított energiapolitikai optimum határozza meg. A 2005 végén beépített üzemelő szélerőművi kapacitás 17,25 MWn névleges (csúcskihasználási) kapacitás, e mellett 313 MWn kapacitás rendelkezik a magyar Energia Hivatal végleges engedélyével. A hálózatfejlesztés terhei alól nagy részben mentesülő beruházók kedvező helyzete óriási lobby-nyomásban jelentkezik: a fentieken felül további 900-1000 MWn áll kérelmezés alatt. A hálózat (szivattyús-tározós vízerőműrendszer nélkül) még 2020 körül sem tud 500 MWn kapacitásnál többet felvenni. (A hálózatot csúcsterhelésre kell méretezni!) Mindezek figyelembevételével elemzésünk alapján 2010-ig 300-450 GWh/év szélenergián alapuló villamosenergia-termelés épülhet ki, amely 2025-re a szivattyús- tározó vízerőműrendszer megvalósulása esetére 1100 GWh/évre bővülhet. (Mivel a magyarországi szélviszonyok mellett a szélerőművek csúcskihasználási óraszáma 1500-1800 óra/év, – a szélerőmű átlagosan 4-5-ször kevesebb villamos energiát képes termelni, mint egy vele azonos névleges teljesítményű hagyományos erőmű. Így a fenti 300-450 GWh/év 180-270 MW-nak, az 1100 GWh/év pedig kb. 670 MW-nak felel meg. 2030-ig ez esetleg 900 MWn-ra emelhető. A szokásosan „MWn”-ben megadott szélerőmű (névleges) kapacitások

tehát a közvéleményt félrevezetik és a szélerőművek lehetséges szerepét a közvélemény számára túlértékelik. Természetszerűleg vonatkozik ez a szélerőművek belépésével elvárt CO2-emisszió csökkenésre is.) Liberalizált piaci körülmények között az optimális energiahordozó szerkezet elérésére, az ellátásbiztonságot garantáló vezetékrendszerek és tárolók megvalósítására, termelő kapacitások fejlesztésére csak társasági döntések alapján van lehetőség, de az államnak is nagy szerepe van a megfelelő beruházási feltételek, ösztönző gazdasági környezet létrehozásával. Az árakat a piaci folyamatoknak kell kialakítaniuk, de az államnak a maga eszközeivel olyan befolyásolásra kell törekednie, ami az energia-megtakarításra, az energiafogyasztás csökkentésére ösztönöz és megdrágítja a csúcsidejű fogyasztást. ÖSSZEGZÉS Magyarországon a szél erejének, mint megújuló energiaforrásnak a villamosenergiatermelésre alkalmazása messze nem éri el a természeti erőforrások mértéke szerint lehetséges nagyságrendet, és az erre való törekvés a hazai energiapolitikai stratégiában sem jelenik meg. Érthető és indokolt az energetikai szakma konzervatív, tartózkodó hozzáállása, hiszen ha a villamosenergia-ellátás rendszerét, mint sajátos tulajdonságokkal rendelkező vezetékes logisztikai rendszert elemezzük, láthatóvá válik, hogy a menetrendbe nem illeszthető, nehezen előre jelezhető természeti erőforrások (napsütés, szélsebesség) energetikai alkalmazásában a legjelentősebb műszaki korlát a raktározási lehetőség hiánya. Az aktuális energiapolitika a villamos energia raktározásának kérdését csak érintőlegesen kezeli, az egyetlen megjelenített módszer a központi szivattyús-tározós megoldás – az elosztott típusú raktározás az elképzelések között nem szerepel: egy ilyen típusú szimuláció megalkotására fogalmazható meg a logisztikai nézőpont kutatási kezdeményezése.

Ez a perspektíva a lehetséges hatékonyabb és környezeti szempontból tisztább erőműpark (nagyobb alaperőművi, esetünkben atomerőművi részarány, a megújulók lehetséges legteljesebb mértékű alkalmazása), a hálózati infrastrukturális megtakarítások (nem kell új távvezetéket építeni, ha hatékonyabban kiterheljük a meglévőt, stb.), valamint a villamosenergia-rendszer dinamikus stabilitása szempontjából is sikert ígér. A logisztikai megközelítést szem előtt tartva megfontolandó tehát, hogy új, nem megújuló forráson alapuló, a környezetet jelentős mértékben terhelő és importált nyersanyagbázison működő termelő egységek építése helyett a hazai villamos energia rendszer fejlesztésében a raktározás, és nem csupán a nagyobb szivattyús-tározós erőmű építése, hanem számos, az elosztott raktározást és a megújuló szélenergia lehetséges legnagyobb mértékű hasznosítását támogató innovatív megoldás nyerjen elsőbbséget.

A SZERZŐK … mindketten a Széchenyi István Egyetem, Logisztikai és Szállítmányozási Tanszék munkatársai, valamint az „Infrastruktúrális Rendszerek Modellezése és Fejlesztése” Multidiszciplináris Műszaki Tudományi Doktori Iskola PhD-hallgatói. Bajor Péter egyetemi tanársegéd [email protected] Horváth Adrián tanszéki mérnök [email protected]

HIVATKOZÁSOK [1] Bajor P., Németh P.: Az ostorcsapás-effektus új megközelítése: A villamos energia ellátás példája, in. I. Logisztikai Rendszerek és Elméletek Konferencia, Győr, 2007. [2] www.mvm.hu, www.mavir.hu [3] Horváth A.: Szakdolgozat, SZE-MTK, 2008. [4] Ibrahim H, et al. Energy storage systems—Characteristics and comparisons, Renew Sustain Energy Rev (2007), doi:10.1016/j.rser.2007.01.023 [5] G. Marbán, T. Valdés-Solís: Towards the hydrogen economy? I. J. Hydrogen Energy 32 (2007) 1625 – 1637, doi:10.1016/j.ijhydene.2006.12.017