e-villamos online szaklap

Éjszaka nem süt a nap

Hogyan tudunk mégis áttérni a 100%-ban megújuló energiaforrásokra?

| | |  0 | |

Éjszaka nem süt a nap

A cím elég közhelyesnek tűnik, de a naperőművekkel kapcsolatban rendszeresen elhangzik, hogy „Jó, de mi van, ha nem süt a nap, és a napelemek nem termelnek energiát? Akkor is kell világítani!”. Ugyan a kritika megalapozott, hiszen éjszaka a fotovoltaikus naperőművek nem képesek energiát termelni, de ennek ellenére számos megoldás van és lehet arra, hogy a közeli jövőben teljesen függetleníteni tudjuk magunkat a hagyományos energiaforrásoktól és az atomerőművektől. Elérhető cél a 100%-ban megújuló energiaforrásokra épülő villamos hálózat?

Annak érdekében, hogy megértsük azt, hogy ez hogyan lehetséges, vizsgáljuk meg Németország példáját, ahol a legközelebb állnak ahhoz, hogy a belátható jövőben egy kizárólag megújuló energiaforrásokra épülő villamos hálózatot alakítsanak ki. A német törvényalkotók elhatározták, hogy megszüntetik az atomerőműveket, csökkentik a CO2kibocsátást és függetlenítik magukat a fosszilis energiahordozóktól, mintegy példát mutatva más országoknak. A Németországban felhasznált energia 30%-a már most is megújuló energiaforrásokból származik (szél és naperőművek), amely arányt 2020-ra 35%-ra, 2030-ra 50%-ra és 2040-re 65%-osra kívánják növelni.

Ahhoz, hogy minden energiát megújuló energiaforrásokból nyerhessünk, van pár probléma, amit meg kell oldani, köztük az egyik az, hogy a megújuló energiaforrások erősen függenek az időjárástól (felhős égbolt, nincs szél) és ezért teljesen újra kellett gondolni a villamoshálózat működtetésének menetét. Jelenleg a megújuló energiaforrások a hagyományos energiaforrásokkal párhuzamosan működnek, és amennyiben nem süt a nap, akkor az atomerőművek vagy éppen a gázturbinás erőművek teljesítményét növelik, hogy elegendő energia álljon rendelkezésre a villamos hálózatban.

Ez idáig az elmúlt 100 év meteorológiai észleléseiből készített matematikai-statisztikai modellek alkalmazásával tervezték meg, hogy adott napon a nap- és szélerőművekből mennyi energia vihető be a villamos hálózatba, de az elmúlt évtizedekben végbement klímaváltozások ezeket a statisztikai előrejelző modelleket egyre megbízhatatlanabbá tették. Annak érdekében, hogy érthetőbbé tegyük a klímaváltozás hatásait a naperőművekre, vegyünk egy konkrét példát: elsivatagosodás és homokviharok Észak-Afrikában.

Biztos sokan olvasták elkerekedett szemekkel a fenti sorokat és tették fel a kérdést: mi a fene van az afrikai homokviharoknak a német naperőművek energiatermelésére? Nos, a német klímakutatók kimutatták, hogy igenis van összefüggés a kettő között. Az elmúlt 2-3 évben számos esetben előfordult, hogy statisztikai időjárás-előrejelző modellek kudarcot vallottak és az adott napra tervezett energiát nem tudták a naperőművek betermelni a villamos hálózatba és ezzel veszélybe került az energiaellátás. Hirtelen és pánikszerűen kellett a hagyományos erőművek teljesítményét fokozni. Voltak persze olyan napsütéses napok is, amikor a naperőművek az ország energiaigényének 80%-át fedezni tudták, sőt olyan esetek is amikor nem lehetett kellően gyorsan csökkenteni a hagyományos erőművek teljesítményét és a naperőműveket le kellett választani a villamos hálózatról, vagy éppen a szomszédos országok hálózatába kellett a többletenergiát áttáplálni, aminek a szomszédok villamosenergia-hálózatának rendszerirányítói sem örültek túlságosan.

Az energia túltermelés is nagyon veszélyes tud lenni a villamos hálózatra, éppen ezért vezették be Magyarországon is 2016-ban a VDE-AR-N4105 szabványt a szolár inverterek esetében, mivel abban az esetben, ha a megtermelt energia meghaladja a fogyasztást, a szolár inverterek egyre nehezebben tudják beinjektálni az energiát a villamos hálózatba és ezért egyre jobban emelik a feszültséget, aminek egy idő után az a következménye, hogy a hálózati frekvencia is emelkedik. A régebbi szabványok szerint a szolár invertereknek lekellett kapcsolódniuk automatikusan a villamos hálózatról, amikor elérték az 52 Hz frekvenciát. Miután Németországban igen nagyarányú a naperőművi kapacitás a teljes villamosenergia-termeléshez képest, előfordult túltermelés esetén, hogy az egész hálózat összeomlott (vagy majdnem), mivel közel egy időben a megnőtt frekvencia hatására a villamos termelő-berendezések (naperőművek) 30%-a lekapcsolódott a hálózatról. Ezt követően a hálózati frekvencia csökkenésével ismételten egyszerre csatlakozott vissza az összes naperőmű, aminek a hatására ismételten megnőtt a hálózati frekvencia, majd újra automatikusan lekapcsolódtak és nagyon nehéz volt stabilizálni a hálózatot. Ennek megelőzésére vezették be Németországban a fenti szabványt, ami megköveteli, hogy a szolár invertereknek alkalmasnak kell lenniük a kimenő teljesítményük fokozatos csökkentésére amennyiben a hálózati frekvencia eléri vagy meghaladja az 50,5 Hz-et.

A 1. ábra mutatja, hogy 50-60%-os eltérés volt például 2014. április 4-én a hálózati rendszerirányítók által betervezett (a statisztika időjárás-modellek alapján számított) és valósan megtermelt napenergia között, ami bőven a statisztikai hibahatáron túl van. Egyes naperőművek akár 80%-kal kevesebb energiát termeltek, mint az várható lett volna az adott napon.

1. ábra: Szaharai homokvihar idején mért és előre tervezett termelési adatok egy adott naperőmű és a villamos hálózat szintjén. 2014. április 4. – egy referencia naperőmű termelési adatai. Sárga: tervezett energiatermelés, piros: mért érték.

A felhőképződések okát vizsgálva a klímakutatók felfigyeltek arra, hogy az ilyen szintű termelésbeli eltéréseket megelőzően minden esetben erős homokviharok voltak Észak-afrikai területeken, és amennyiben a homokvihar területén magasnyomású légköri képződmények voltak, a feláramlások hatására jelentős mértékű por került a felső légkörbe, amely végül a az Európában kialakult alacsony-nyomású területek felé vándorolt felhők formájában. A felhők kialakulásához az kell, hogy a szilád halmazállapotú részecskéken, mint a sivatagi por, a vízpára a levegőből kicsapódjon. A felhők pedig egyrészt leárnyékolták a napelemeket, másrészt pedig a lehullott eső jelentős mennyiségű sivatagi porral fedte be a napelemeket, ami tovább csökkentette a teljesítményüket. Nem kell feltétlenül, hogy felhők képződjenek, a magas-légköri por megakadályozza, hogy a fény nagy része elérje a föld felszínét, azt visszatükrözik még a felső légkörben.

Elsőre nehéz elhinni, de például a kínai gazdaság energiaéhsége okozta felső-légköri szennyezés is jelentős szerepet játszik az Észak-afrikai területek elsivatagosodásában. Mivel Kínában főleg szénerőművekben termelik meg a villamos energiát, így óriási mennyiségű, nagyon apró szemű szénpor került a levegőbe (gondoljunk csak bele a TV híradóban mutogatott képekre a kínai szmogos városokról), ami a felső légkörben uralkodó széljárások hatására Afrika felé vándorol. Az apró szénrészecskék a levegőben elnyelik a hőt, meggátolva a felhőképződést, nem hull csapadék (a szénpor elnyeli a hőt, nem tud a levegő páratartalma kicsapódni, hogy felhők képződjenek). Mivel a talaj mentén ezeken a területeken éjszaka fagypont alá csökken a hőmérséklet, a nagy hőingadozás hatására a sziklákból idővel egyre kisebb szemű homok és por keletkezik és végül a területek teljesen elsivatagosodnak.

Évente 5-15 alkalommal okoznak az afrikai homokviharok 10 és 60 nap közötti időszakra jelentős klímaváltozást Közép-Európában, amelynek hatására hol extrém meleg a nyár, hol pedig kimondottan hűvös és csapadékos idővel szembesülünk nyaralásaink során. A Német Meteorológiai Szolgálat (DWD) és a Karlsruhe-i Egyetem kutatói már dolgoznak egy olyan előrejelzési rendszeren, amivel kiváltható lesz a jelenleg használt statisztikai modell és legalább a napelemek energiatermelése pontosabban tervezhető lesz.

Hogyan lehet a szélsőséges klíma ellenére működőképessé tenni a megújuló energiákra alapuló villamos hálózatot?

Ahhoz, hogy teljesen el tudjunk szakadni a hagyományos energiaforrásoktól és az atomerőművektől, teljesen újra kell gondolni a villamosenergia-továbbító hálózatokat az egyes országokban. A hagyományos hálózatok úgy lettek megtervezve és megépítve, hogy a központi erőművekből országos nagyfeszültségű távvezetékeken keresztül, regionális transzformátorállomásokon át jut el az energia a fogyasztókhoz. Ez a régi hálózati topológia okozza azt, hogy a napelemes rendszerek tulajdonosai pánikszerűen hívják a telepítő céget, mondván „Az inverter már megint rossz! Egyfolytában lekapcsol a hálózatról”. Ilyenkor nehéz elmagyarázni az egyszeri ügyfélnek, hogy az inverternek kutya baja, rakhatnánk oda bármilyen invertert, az is folyton lekapcsolna a hálózatról, mivel a trafóállomásoktól futó kábelek hossza miatt, és hogy a kötelezően előírt hálózati feszültség (230 V) a hosszú kábel legvégén is meglegyen, bőven 240 V fölé kell letranszformálni a nagyfeszültséget a trafóállomásokon. Az áramszolgáltatók előírják, hogy a szolár invertereknek automatikusan le kell kapcsolódniuk a villamos hálózatról, ha a feszültség a 253 Voltot eléri. Ha a napelemes kiserőmű a trafóállomástól induló kábelszakasz vége felé van, és a kiserőmű környezetében nincs kellő energiaigény (fogyasztó), akkor a napelemek által megtermelt energiának a trafóállomás irányában kellene visszaáramolnia mindaddig, amíg a fogyasztók el nem tudják azt használni. Mivel a trafóállomás irányába egyre nagyobb a hálózati feszültség, így az inverter próbálja növelni a kimenő feszültséget annak érdekében, hogy ez energia vissza tudjon áramolni a vezetéken, de ha eléri az előírt 253 Voltos határértéket, akkor nem tud visszatáplálni a hálózatra, mert az előírások értelmében le kell kapcsolódni a hálózatról.

Ha egy analógiával szeretnék élni, akkor a magyar autópálya hálózatot hoznám példának: egy csillagpontos hálózat, ahol Szegedről Pécsre csak Budapesten keresztül (M0 körgyűrű) lehet eljutni, és mindenki tudja, hogy az M0-s többszöri bővítése ellenére is sokszor van dugó a hatalmas forgalom miatt.

A decentralizáltan megtermelt, megújuló energiaforrásokból nyert energia megfelelő továbbításához a csillagpontos hálózatok helyett egy pókhálószerű hálózatra volna szükség, hogy a Pécsen megtermelt energiát ne Budapesten keresztül kelljen továbbítani Szegedre. Tegyük fel, hogy éppen elutaztunk nyaralni, a házunkban alig van energiafogyasztás, nem megy a klíma, a sütő és a villanybojler sem fogyaszt áramot – míg a szomszéd településen a pékségben meg éppen jól jönne ez a megtermelt energia a sütő működtetéséhez. Ha a szomszéd település a trafóállomástól futó különálló kábelen csatlakozik a villamos hálózathoz, akkor csak a trafóállomáson keresztül tudjuk a feles energiát eljuttatni, ami – ahogy az előzőekben taglaltuk - a magas feszültségszint miatt nem lehetséges. Amennyiben van egy közvetlen kábel az én településem és a szomszéd település között (pókhálós hálózat), akkor az egyik helyen keletkező feles energia sokkal könnyebben továbbítható, illetve a hálózat minősége is sokkal jobb lesz, kevesebb lesz a szennyezés.

Ezt a pókhálószerű hálózati topológiát angolul microgrid-nek nevezik. Azokban az országokban ahol a villamos hálózat már öregedő és jelentős mértékű a naperőművek penetrációja, a régi hálózat felújítása helyett inkább törekednek a decentralizált erőművekhez alkalmasabb microgrid-eket kiépíteni. A microgrid kifejezés nem csak a pókhálószerű hálózatot jelentené, amennyiben a jogszabályokat sikerül megváltoztatni, akkor a rendszer alkalmas lenne arra is, hogy az energiát továbbítani vagy értékesíteni lehessen. Csak vegyük példaként a magyarországi nettó elszámolásos szabályozást, aminek értelmében csak azon a ponton használható fel az energia ahol azt megtermelik (egy helyrajzi számon, egy mérőórán). A microgrid rendszer erre is megoldást kínálna, illetve akár az országos hálózattól függetlenül is tud működni egy utca vagy éppen egy település szintjén, amely beépített automatikus szabályozó és energiatároló rendszerekkel rendelkezik.

2. ábra: Intelligens mikrohálózat – energiatároló megoldások. Egy vízió a jövőből, hálózatba szervezett mikro villamoshálózatok, amelyek önmagukat tudják felügyelni, és beavatkozni hiba esetén. 1 napelemek, 2 irodák 3 szélerőmű, 4 ipari létesítmény, 5 központi erőmű, 6 izolált mikrohálózat, 7 Zavar a villamos hálózatban, 8lakóházak.

És akkor térjünk is át az energiatárolásra, ami úgyszintén kulcskérdés ahhoz, hogy 100%-ban megújuló energiákra épülő villamoshálózatot építsünk ki. A tárolórendszerek között két fő kategóriát különböztetünk meg: az egyikbe tartoznak azok az akkumulátoros rendszerek, amelyek viszonylag rövid ideig képesek a hálózatra betáplálni, de nagyon gyorsan rendelkezésre állnak. Ezek az elsősorban lithium-ion akkumulátoros megoldások, amelyek feladata, hogy az áram minőségét rövid időszakokra javítsa, például olyan esetekban, amikor negyed-félórás időszakban több energiát termelnek a naperőművek, mint amire igény van, ekkor az akkumulátoros rendszerekben el lehet tárolni a felesleget (nem kell visszaszabályozni a naperőmű kimenő teljesítményét, nincs elvesztegetett energia, így olcsóbbá válik a megújuló energia, mert nincs veszteség, amit be kellene árazni a megtermelt energia árába). De hasonló eset, amikor hirtelen egy átvonuló felhő borítja az eget és a naperőművek teljesítménye 30-40%-kal leesik, ekkor az akkumulátoros rendszerekből akár 0,5 másodperc alatt ki lehet nyerni a hiányzó energiát. Angliában például most fejeződött be egy 200 MW-os tendereztetés hasonló energiatárolós rendszerekre, de Japánban is több száz megawattnyi hasonló rendszer épült ki az elmúlt 2-3 évben. Jelenleg az energia árából 1,30 Font/Mwh értéket képvisel az, hogy gyorsreagálású, többségében gázturbinás erőműveket kell folyamatosan készenlétben tartani hasonló esetekre, és 2040-re, amikor várhatóan 40 GW-nyi naperőmű kapacitás fog kiépülni az Egyesült-Királyságban, ez a költség felkúszna 6,80 Font/Mwh-ra ha a jelenlegi rendszerben gondolkodnának. Az akkumulátoros energiatárolókkal ez a költség megállítható lesz 3,70 Font/Mwh-nál. A megújuló energiaforrások középtávon mindenképpen többletköltségeket rónak az energia árára, de ha nem lépünk, akkor 100 éven belül a környezetszennyezés olyan mértéket öltene, hogy nem volna hol élnünk.

3. kép: Németországban, az Északi-Fríz-szigetekhez tartozó Pellworn községben megvalósult energiatermelő és -tároló hálózat.

Az energiatároló rendszerek másik csoportjába az olyan rendszerek tartoznak, amelyek akár hosszabb ideig is képesek az energiát tárolni, illetve olyan kapacitással bírnak, hogy huzamosabb ideig is le tudják adni az eltárolt energiát. Ezekre azért lesz szükség, hogy a címben is említett esetben, amikor nem süt a nap, akkor is a megújuló forrásból nyert energiát tudjuk élvezni. Ilyen nagykapacitású energiatárolókat meg lehet építeni lithion-ion akkumulátorokból is, de ezeknek a költsége túl magas lenne miután a lithium elég ritka anyag és a dél-amerikai lelőhelyek megnyitását követően sem esett túl nagyot az áruk. Ennél sokkal olcsóbb megoldás, amennyiben a naperőmű közelében a terület topográfiája engedi, mini vízerőművek építése ahol napközben a napenergia felhasználásával felszivattyúzzunk vizet egy magaslati víztárolóba, és este a gravitációs elven működő vízerőműből nyerjük az energiát.

4. kép: Akkumulátor-konténer

Erre nincs mindenhol lehetőség, így a következő lehetőség, ami a legígéretesebbnek tűnik a redox folyadékáramos akkumulátor, ahol elktrolitekben tárolják el az energiát és viszonylag kis helyen nagy energiasűrűséget lehet velük elérni.

Az energiatárolására alkalmas technológiák már léteznek, de mivel az eddigi üzleti modellek nem ösztönözték, így legtöbbször megmaradtak a laboratóriumok polcain. Ahogy az a napelemek esetében is történt a 2000-es évek közepén, megfelelő politikai akarattal és kezdeti anyagi támogatásokkal olyan kapacitásúra lehet ezeket az energiatároló rendszereket fejleszteni, hogy teljes mértékben függetleníteni tudnánk magunkat a fosszilis energiahordozóktól, de még az atomerőművektől is.

 A cikk a Villanyszerelők Lapja 2017. január-februári lapszámában jelent meg.

Hozzászólás

A hozzászóláshoz be kell jelentkeznie.

Facebook-hozzászólásmodul