Energetika 2 Házi dolgozat Szivattyús tárózó beépítésének célja, és hatása a villamos energia rendszerre Hegedüs Ákos
Hegedüs Ákos
Energetika 2 házi dolgozat
Bevezetés: Azért választottam ezt a témát, mert eddigi tanulmányaink során több esetben is előkerült a villamosenergia-rendszer kiszolgáltatottsága egyes energiahordozók felé, a villamos hálózat szabályozásának problémái, emellett felhívták a figyelmünket a környezetvédelem fontosságára, és az energetika környezetre gyakorolt hatására. Ebből kifolyólag előkerült a megújuló energiaforrások alkalmazásának lehetősége. Általában az ilyen típusú energiatermelő egységekről több nehézséget, problémát hallottam, mint bármilyen más energiaforrásnál. Véleményem szerint igen fontos ennek a problémának a megoldása. Mivel a tanulmányaimat a villamos energetika szakterületén szeretném folytatni, ezért a dolgozatom témájaként a szivattyús energia tározók témakörére esett.
Szivattyús tározó: A szivattyús tározó a villamos energia tárolásának egyik lehetősége. A világon már számos helyen felépítettek ilyen létesítményeket. Sokszor használják az erőmű kifejezést is, ami megtévesztő lehet, hiszen a szivattyús tározó villamos energiából állít elő villamos energiát, szemben a megszokott erőművekkel, amik valamilyen más energiahordozóból állítják elő a villamos energiát. Egy villamos energetikához nem értő emberben felmerülhet a kérdés, hogy ha nem alakítja át az energiahordozót, akkor mi értelme van ilyet telepíteni, sőt a tárolás hatásfoka nem 100%, így a visszanyert energiamennyiség kevesebb, mint a befektetett. A házi dolgozatom ennek a kérdésnek a megválaszolásával foglalkozik.
Működési elve, felépítése: Az energiacsúcsok folyamán, vagy szabályozás szempontjából használják energiatermelésre, úgy hogy két különböző magasságú víztározó között a magasabban fekvőből az alacsonyabban fekvő felé engedik a vizet, miközben a víz helyzeti energiáját kihasználva villamos energiát állítanak elő egy generátorban. Ha a rendszerben többlet energia áll rendelkezésre, akkor egy szivattyúval, vagy a generátort villanymotorként alkalmazva a vizet a felső víztározóba juttatják.
1. ábra Szet felépítése
-1-
Hegedüs Ákos
Energetika 2 házi dolgozat
A: Felső víztározó; B: Gépház; C: Turbina; D: generátor; E: Vízbevezetés; F: Csatorna; G: Távvezeték; H: Alsó víztározó pl.: folyó Az ilyen kialakítású SZET-ek hatásfoka körülbelül 65-80% lehet. Teljesítményük akár a GWos nagyságrendet is elérheti.
2. ábra
[1]
Rohrleitung: csővezeték; Pumpe: szivattyú; Motor: motor; Transformator: transzformátor; Turbine: turbina; Generator: Generátor
Alternatív tárolási lehetőségek: Több fajta alternatíva is létezik energia tárolásra, ma is használt technológia a szivattyús tározón kívül, a sűrített levegős tározó, akkumulátorok. Léteznek kutatások egyéb módszerek kidolgozására, is mint például szupravezetős mágneses elven működő tárolók kialakításra, rugókban, vagy lendkerékben tárolt mechanikai energia visszanyerésére optimalizált eszközök, de ezek még igen kiforratlan állapotban vannak. Szinte nincs olyan terület, ahol a szivattyús tározó ne utasítaná maga mögé a többi versenytársát. Valószínűtlen, hogy valamelyik kutatási területen hirtelen áttörés következne be az elkövetkezendő években. Legfontosabb előnyei a szivattyús tározónak: a kapacitás és tároló képessége a rendszer számára megfelelő nagyságú(akkumulátorokkal eddig maximum pár MW-ot sikerült elérniük), jó az élettartama és a ciklushatásfoka, a kiadott villamos energiára vetített egységköltsége kedvezőbb az említett rendszerekhez képest, felterhelési ideje 10-20 másodperc, sőt egyes esetekben akár 6 másodperc is lehet.[2] A gyakorlat is azt mutatja, hogy a legtöbb országban ha van rá lehetőség akkor ilyen rendszert építenek be.
Szélenergia hátrányai: Ha azt vesszük figyelembe, hogy a szél kinetikus energiája mekkora a légkörben, akkor hatalmas potenciál rejlik annak kihasználásában, de sajnos néhány tényező megnehezíti a szélenergia felhasználását. A szélturbinák folyamatosan fejlődnek, egyre kisebb szélsebesség is elég ahhoz, hogy a névleges teljesítményükön üzemeljenek. A tartószerkezetek is egyre erősebbek, így magasabb és nagyobb lapátátmérőjű szerkezetek alakíthatók ki, de még így is igen alacsony a csúcskihasználási óraszámuk, és igen egyenlőtlenül termelik a villamos energiát. A villamosenergia-rendszer stabilitásának érdekében korlátozzák a beépített teljesítmény maximumát. „A rendszerszintű teljesítmény korlát alapján üzembe helyezhető összes -2-
Hegedüs Ákos
Energetika 2 házi dolgozat
szélerőműi kapacitás beépített teljesítménye: 330 MW”[3], ez volt a Magyarországon hatályban lévő rendelet 2006-ban, amit még nem változtattak meg. Manapság már nagyon közel járunk ehhez az értékhez. A villamos energia igény növekedtével ez a szám változhat, de csak a növekedés arányában. A következő ábrán a zöld vonal jelentése: a termelt villamos energia szélerőművekben órás átlagban, ezen a vonalon jól látható, hogy teljesen rendszertelenül változik a megtermelt energia, ezzel lehetetlen lenne előre tervezni, ami a villamos-energia rendszer szabályozott működéséhez elengedhetetlen.
3. ábra[4]
A napenergia felhasználása is hasonló problémákba ütközik, rossz kihasználási óraszám, egyenlőtlen termelés, alacsony hatásfok. Ezért van szükség egy olyan energetikai berendezésre, amely képes tárolni a megújuló energiaforrásokból származó energiát. Így a villamos hálózatnak sokkal inkább megfelelő energiát tudunk előállítani. Sokszor hallani a kapcsolt villamos energia termelésnél, hogy az erőmű által előállított hő és villamos energia nem összeadható, mert más a használati értékük, véleményem szerint ez igaz a tározós energiatárolókra is. Az általa eltárolt szabályozott formában visszanyerhető (hatásfok miatt nem az egész) energia többet ér, mint a nem szabályozható megújulókból kinyert.
Villamosenergia-rendszer jellemzése: A villamosenergia-rendszer feladata a fogyasztók igényeinek kielégítése. Manapság már szinte elképzelhetetlen elektromosság nélkül élni a fejlett világokban. Magyarországon a hálózat névleges frekvenciája 50 Hz. Az elektronikus eszközök, amiket használunk erre a frekvenciára vannak méretezve, ha ettől eltérünk, akkor hamarabb tönkremennek. Mivel a villamos energia önmagában nem tárolható, így a fogyasztásnak és a termelésnek minden egye pillanatban meg kell egyeznie. Ha ez a feltétel mégsem teljesül, akkor a kiegyenlítődés miatt változni fog a frekvencia, ami ahogy már előbb írtam az elektronikus eszközök tönkremeneteléhez, és egyéb problémákhoz vezethet. Természetesen a frekvencia nagymértékű eltérésére kicsi a valószínűség, hiszen a rendszer irányítója azonnal beavatkozik ilyen esetekben. Volt már arra példa, hogy a teljesítmény egyensúly megtartása érdekében lakossági fogyasztókat is le kellett választani a hálózatról. Bevett szokás, hogy ilyen esetben, a nagyobb ipari fogyasztókkal kezdik a hálózatról való leválasztást. Ennek igen komoly piaci következményei vannak, igen nagy kiesést okozhat az adott vállalatnál. -3-
Hegedüs Ákos
Energetika 2 házi dolgozat
4. ábra Villamosenergia-termelés és import alakulása[5]
Hogy a szabályozást végre lehessen hajtani tartalékokra van szükség. Ezeket 3 csoportba szokás osztani: primer, szekunder és tercier tartalék. A primer 7-10 másodpercen a szekunder tartalék 7-10 percen belül helyreállítja a rendszer megbomlott teljesítményét, és a frekvenciát. A tercier tartalék a rendszer gazdaságos üzemelését állítja be. [6]
Lehetséges telephelyek: Magyarországon a geológiai, és a domborzati viszonyok 70-510 méter közötti esésmagasságot tesz lehetővé. Ez az érték megfelelő, nem marad el a külföldön megépült létesítményekhez képest [2]. Részletes vizsgálatokat az alábbi telephelyekre végeztek el: Dunakanyar (Duna és a Keserűs-hegy között), Zempléni-hegység (Aranyos-völgy és a Nagykorsós-hegy között), Keszthelyi-hegység (Szigligeti-medence és az Ederics-hegy között). A kimutatásokat azonos szempontok szerint végezték. A Dunakanyar bizonyult az egyik legalkalmasabb területnek, de a másik kettő is megmaradt opciónak.
Beépítés célja és hatása: Ahogy az előző témakörben is említettem, a villamosenergia-rendszernek szüksége van tartalékra. A hőerőművek lassan szabályozhatók, a nagy hőtágulás miatt, ezekkel nem, vagy csak igen nagy költségek árán oldható meg a rendszer stabil üzeme. Nálunk a legtöbb csúcserőmű gázturbinás, ezeknek a berendezéseknek már igen kedvező a felfutási idejük. Sajnos a fosszilis energiahordozó készleteink igen csekélyek, így ebből nem fedezhetjük az igényeinket. Importra van szükségünk, ezt főként Oroszországból fedezzük. Az importált energiahordozók közül kiemelkedően fontos szerepet tölt be, a földgáz, mert ennek a -4-
Hegedüs Ákos
Energetika 2 házi dolgozat
részaránya a legmagasabb. A primerenergia felhasználáson belül körülbelül 42,2%-ot tesz ki.[7] Ezzel szemben lévő hatás, hogy a kapcsolt erőművek, az atomerőmű, a növekvő megújuló részarány a kötelező átvételű villamos energia miatt kiszorulnak a gázturbinák a magas áraik miatt. A szabályozás ebben az esetben, csak úgy oldható meg, ha a működő erőművek is részterhelésen járnak, hogy felfelé is lehessen szabályozni. A terhelés gyors változtatása csak úgy oldható meg ilyen esetben, hogy egyszerre több erőmű változtatja a teljesítményét, a sok kisebb változás teszi ki a szükségeset. Ez nagyban eltér a tervezési üzemtől, ahol a hatásfokuk rosszabb. „2009. első negyedévében még a Paksi Atomerőművet is 44-szer – vagyis minden második napon – vissza kellett terhelni.”[8] A világon több helyen nagy problémát okoz, hogy éjszaka a fogyasztás értéke nagyon alacsonyon szinten van. A gazdasági válság energiaigény csökkenésének hatására előfordult olyan is, hogy az erőművek fizettek azért, hogy ne kelljen leszabályozniuk a berendezésüket. Az éjszakai minimum fogyasztás megemeléséhez is használható a szivattyús tározó. Ebből kifolyólag a beépített teljesítményénél nagyobb mértékben is hozzájárul a szabályozáshoz, hiszen képes teljesítmény felvételre is. Az importfüggőség enyhítésére igen alkalmas a Szivattyús energia tározó, a csúcserőművekhez hasonlóan nagyon gyorsan lehet a terhelését változtatni. „ A tározós és a szivattyús tározós erőművek a fő ellátói a szekunder szabályozásnak” [9]. Az előző mondat arra utal, hogy főleg szekunder tartalékként használják a már megépült tározókat, ha előre láthatóan sokáig áll fenn valamilyen hiány a rendszeren belül, akkor a gazdaságossági szempontból a terhelést egy alaperőmű veszi át. Esetleg valamilyen meghibásodás esetén működik a névleges teljesítmény közelében hosszan tartó ideig. Persze ez több mindentől is függhet pl.: éjszakai áram árától, csúcserőművekben termelt villamos energia árától. Ezen kívül mind primer mind tercier tartalékként is használható.
Környezetvédelmi szempontok: Manapság egyre többet hallunk a környezet védelméről. Véleményem szerint nagyon fontos, hogy a következő generációra egy jobb világot hagyjunk. Ennek egyik alapfeltétele, hogy a légkört nem szennyezzük, olyan mértékben, hogy az már ne legyen visszafordítható. Ebből kifolyólag kap az energetika egyre nagyobb figyelmet, hiszen a légszennyezés igen nagy hányadáért ez az iparág a felelős. Ha a megújuló energiaforrások arányát növelni szeretnénk, akkor mindenképp tenni kell azért. Ennek több féle módja lehet, ebből az egyik a szivattyús víztározó építése. Sokan vannak az ilyen létesítmények építése ellen, hiszen nagyban befolyásolja a látképet, de szerintem ez egy elhanyagolható mértékű beavatkozás a környezet védelme érdekében. Saját véleményem szerint az ilyen típusú modern ipari létesítmények még látogatás alapját is képezhetik. Persze vizsgálni kell a környezetre gyakorolt hatásokat, de vannak megoldások, amelyek csökkentik a környezeti terhelést: gépházak csővezetékek földalatti elhelyezése, hátrahagyott bányák felhasználása.
Összefoglalás: A szivattyús energiatározók alkalmazása a nemzetközi gyakorlatban általános, kipróbált és kiforrott technológia. Mivel gazdasági elemzést nem végeztem, nem tudhatom, hogy mennyi időbe kerülne a megtérülése egy szivattyús tározónak, és egyáltalán megtérül e. De szerintem fontos lenne a szél, napenergia részarányát növelnünk, csökkentenünk kell az energiahordozók importjától való függést, valamint a villamosenergia-rendszer szabályozását mindenképpen biztosítani kell. A bevétel fő forrása is a szabályozásból adódik. A külföldi példák azt mutatják, hogy a befektetés megtérül, számos európai országban létezik ilyen létesítmény pl.: Fekete Vág Szlovákia (Čierny Váh), Coo Trois Pont Belgium, Presenzano -5-
Hegedüs Ákos
Energetika 2 házi dolgozat
Olaszország, Markersbach Németország. A magyar villamosenergia-rendszernek nagy szüksége lenne szabályozó erőművekre, szekunder tartalékra, hiszen a mai mennyiség nem elég a hálózat biztonságos és gazdaságos üzeméhez, és a jövőben valószínűleg az igények még inkább növekedni fognak. Az ilyen létesítmények üzemideje akár 40 év fölött is lehet, tehát nem csak ideiglenesen oldja meg a problémát.
Irodalomjegyzék:
[1] Deutsche Energie-Agentur GmbH, NNE-Pumpspeicher Abschlussbericht, Berlin, (2008) www.dena.de [2] A szivattyús energiatározás helyzetének elemzése, Dr. Szeredi István, Budapest, 2010. Június [3] A szélenergiából villamos energiát termelő erőművek , 2006. január 19.,Budapest,Magyar Energia Hivatal http://www.eh.gov.hu/gcpdocs/200601/vefoszlermvekengedlyezse20060119.pdf [4] Szélerőművek kihasználtsága Magyarországon, MAVIR tanulmány http://www.mavir.hu/c/document_library/get_file?uuid=153d2d78-1c6f-4d54-858e5bc46f56c352&groupId=10258
[5] A MAGYAR VILLAMOSENERGIA-RENDSZER, MAVIR, 2012. április 28. 09:19:20; http://www.mavir.hu/web/mavir/home
[6] Gazdaságos üzemi tartalék, Gács Iván, 2009.04.08, Energetikai Gazdaságtan
[7] A megújuló energiák hatékony hasznosítása, Lipcsei Gábor, Energetikai Szakkollégium, 2011 [8] A szivattyús energiatározók helyzete Magyarországon, Gerse Pál, 2009., Energetikai Szakkollégium [9] Austrian pumped storage power stations supply peak demands, Anton Mitteregger, Gerhart Penninger, 25. April 2008.
-6-
