Többszempontú értékelés a megújuló és nukleáris villamosenergia-termelésben

Átírás

1 Többszempontú értékelés a megújuló és nukleáris villamosenergia-termelésben Börcsök Endre, Osán János, Török Szabina Környezetfizikai Laboratórium borcsok.endre@energia.mta.hu

2 Tartalom - Primer energiaforrások felhasználásának forgatókönyvei - Forgatókönyvek összehasonlításának szempontjai - Többszempontú döntési modell ismertetése és egyszerűbb alkalmazása - Alternatív forgatókönyvek - Optimális energiamix meghatározásának részfeladata - Legfontosabb eredmények összefoglalása

3 cseh olasz német Mi határozza meg egy régió primer energiahordozó fölhasználásának összetételét (energiamixét)? Fogyasztói igény Elérhető energiahordozók Rendelkezésre álló technológia - hozzájuk kapcsolódó gazdasági érdekek - az alternatívák társadalmi megítélése román francia finn magyar magyar

4 A gazdasági érdekek és a társadalmi megítélés roppant sokrétű szempontrendszerrel írható le. Az IAEA, UNDESA, IEA, EEA szervezetek, a 2001-es nemzetközi felmérésükben 38 szempontban foglalták össze a fenntartható fejlődés energetikai indikátorait. A Paul Scherrer Institut 2006-ban a redundancia elkerülése végett a 38 szempontot 18-ra csökkentette, melyet munkánk kiindulópontjaként fogadtunk el. A technológiák rangsorolása és az energiamixek összehasonlítása a rögzített szempontrendszer alapján, döntéstámogató módszerek segítségével történik. Munkánkban a MCDA-AHP technikát alkalmaztuk, melynek lényeges eleme, hogy minden lépésben számszerűsít, így kiválóan alkalmas további számítások elvégzésére.

5 A döntés támogató modell szempontjai és indikátorai:

6 Szempontok fontosságának összehasonlítása: Eredményeink egy nem reprezentatív, 200 fős, főként doktori kurzust végző hallgatókból és energetikai konferenciák illetve az IAEA rendezésében megvalósult konferencia látogatóiból álló mintára épül.

7 Általános technológiai rangsor: A szempontokhoz tartozó jól mérhető indikátor értékek, egyéni részrehajlás nélkül, stabil eredményt biztosítanak.

8 A paksi atomerőmű üzemidő hosszabbítását minden forgatókönyv tartalmazza. Az új telephelyen csak 2030 után számolunk nukleáris kapacitással, így az Atom-Zöld és az Atom(+)-Zöld forgatókönyvek ugyanazt az eredményt adják.

9 Az energiastratégia forgatókönyveinek rangsorolása MCDA-AHP modell segítségével: súlyozott pontszámösszeg Atom-Zöld AntiAtom-Zöld Atom-Zöld(+) Atom(+)-Zöld Atom-Szén- Zöld AntiAtom- Zöld(+)

10 Az energiastratégia forgatókönyveiből indultunk ki (A metodika nem szerepel a tanulmányban, de feltételezhető, hogy szcenáriók megalkotása heurisztikus elven alapulhat). Az energiastratégiából hiányzik a kiemelt forgatókönyvhöz kapcsolódó döntési mechanizmus. A vázolt hat forgatókönyvön túl számtalan egyéb szcenárió is elképzelhető. (energiahordozók szintjén) Egy-egy konkrét megvalósítási tanulmányon túl, egyéb technológiai specifikáció is lehetséges. (technológia és méretlépcső szintjén) Megújuló primer energiaforrások fölhasználására is több megvalósítás elképzelhető. (megújuló energiahordozók szintjén)

11 Ezek alapján nem meglepő, hogy számtalan, sokszor nem kellő mértékben átgondolt forgatókönyv látott napvilágot. Tipikusnak tekinthető az atomenergia (esetleg az egész fosszilis szektor) megújuló energiaforrásokkal történő kiváltása.

12 Az alternatív forgatókönyv javaslatok gyakori vonása, hogy egyoldalúan közelíti meg energetikai problémákat, utal ugyan a hozzájuk fűződő nehézségekre de részleteiben nem elemzi azokat. Pl: Igényoldal és termelési oldal összehangolása, szükséges tároló kapacitások mérete, hol és hogyan valósíthatók meg? Távfűtésnek megnyerhető épületállomány? Költségek? Laborunk az NFM megbízásából olyan döntéstámogató módszert dolgozott ki, mellyel közelebb kerültünk az általános probléma, az optimális energiamix megkonstruálásához.

13 Hazánknak a 2009/28/EK irányelvben megfogalmazott célkitűzés alapján a fűtés és hűtés, a villamos energia, a közlekedés ágazatokban az előre jelzett 760PJ bruttó energiafogyasztásnak % -át megújuló energiaforrásból kell előállítania 2020-ig. [PJ] Fűtési sz. Villamosenergia-sz. Közlekedési sz. összes 2010 * 398,7 152,9 169, ,4 197, Megújulóforrásból , ,5 A hazai energiaigény várható alakulása 2020-ig (* MEKH) A közlekedési szektor megújuló energiafölhasználása minimum 10%-ot el kell, hogy érjen ig a megújuló energia felhasználás PJ ra prognosztizálható.

14 beépített potenciál (MEKH) fenntartható potenciál (NCsT) max. növekedéssel korrigált napenergia (PV) PJ/a napkollektor PJ/a szélenergia PJ/a ** vízenergia PJ/a biomassza PJ/a biogáz PJ/a geo. erőmű PJ/a *** geo. fűtőmű PJ/a geo. hőszivattyú PJ/a 0.250* összes: PJ/a Az optimalizálásnál peremfeltételként rögzített, maximálisan fölhasználható megújuló energia értékek 2020-ban * NCsT(2010) ** MAVIR *** geotermikus fűtőmű növekedésével számolva A biomassza szerepe kiemelkedő hiszen a többi energiahordozóval csak 50% alatti hányad érhető el a 97,5 PJ-ból.

15 2.5 Millió tkm/a áru szállítás, külső költség Millió /a 0.04 c /kwh (ExternE) A fűtési szektorban az energia ellátást elsősorban helyi forrásokkal kell biztosítani. Az elektromos felhasználás esetén az energiahordozó ellátás biztosítását az igény oldal földrajzi elhelyezkedésének figyelembevétele nélkül, míg a hő felhasználás esetén település szinten meghatározott igény figyelembevételével kell megvalósítani.

16 Tűzifa (PJ/év) Melléktermék (PJ/év) Hazai tűzifa potenciál becsült értéke megyénként Mezőgazdasági melléktermékekre vonatkozó potenciál megyénként Hazánkban a fenntartható módon kitermelhető tűzifa potenciál 34 PJ-t tesz ki és a mezőgazdasági melléktermékek további 116 PJ energiát jelentenek. Növény Becsült szükséges termőterület (ezer ha) Etanol l/ha Előállítható etanol (ezer liter) Búza 466, ,5 Kukorica 639, Árpa 105, (adat hiányában a búzáé) ,7 Rozs 4, ,235 Zab 2, ,971 Összes Főtermékből előállítható olaj energia potenciálja a termelésből kivont területek maximális fölhasználásával 14,8-24,6 PJ Kivitelre szánt gabonákból előállítható bioetanol

17 A megújuló energia felhasználás növelésénél a jelenlegi energia igényekből indultunk ki, hiszen a rövid időtávlat nem teszi lehetővé, hogy az épületállomány vagy a közlekedési eszközök gyökeresen átalakuljanak. Magyarországi épületek energetikai adatai a három épülettipológiai csoportban. EP: összes hőenergia-felhasználás, melyből EF fűtésre, EHMV pedig használati melegvíz készítésére szolgál Gépjárműállomány életkora és változása 2020-ig

18 Családi ház Hagyományos társasház Iparosított társasház TJ/év TJ/év TJ/év Budapest 35365, , ,76 Bács-Kiskun 17423, , ,96 Baranya 12745, , ,90 Békés 12256, ,12 24,40 Borsod-Abaúj-Zemplén 24838, , ,99 Csongrád 11834, , ,09 Fejér 14211, , ,71 Győr-Moson-Sopron 13488, , ,39 Hajdú-Bihar 16105, , ,53 Heves 11154, ,84 547,16 Jász-Nagykun-Szolnok 13024, ,27 624,58 Komárom-Esztergom 9408, , ,71 Nógrád 8012,44 712,35 243,47 Pest 34910, , ,27 Somogy 11862, ,38 600,80 A három épület tipológiai csoport energiaigényét a lakosságszám függvényében település szinten becsültük. A technológiai méret kategóriákat a 3 épület tipológiai csoporthoz igazítottuk a termikus egységeknél és a tetőre telepített PV esetén. A többi villamos energia termelő egységnél a hazai viszonyokból kiindulva határoztunk meg három méret lépcsőt. Számításaink során 0%-ról indítottuk a megújuló energia fölhasználást, és csak az eredmények diszkutálásánál vettük figyelembe a már meglévő beépített kapacitásokat. Szabolcs-Szatmár-Bereg 20984, , ,76 Tolna 8498,82 982,81 781,85 Vas 9134, , ,79 Veszprém 12072, , ,88 Zala 9518, ,74 80,40 Lakóépület-típusok éves energiaigényére vonatkozó becslés megyei szintű felbontásban

19 A közlekedési szektorban a megújuló részarány növelésére három út valósítható meg: - az üzemanyagba kevert megújuló részarány növelése a technológiai határig, -átalakítással a technológiai határ kitolása tiszta megújuló üzemre, -új tisztán megújuló üzemre kifejlesztett típus beszerzése. Személygépkocsi Változatlan E4 B4 Bekeverés növelése E10 B7 vagy B10 Busz B4 B7 vagy B10 Átalakítás E85 CNG CNG B100 CNG B100 Új E4 B7 vagy B10 B100 CNG HEV Elektromos B7 vagy B10 B100 HEV Elektromos A töltőállomások technológiai adottságai az üzemanyag típusok számát korlátozzák. Az elektromos közlekedés csak az új beszerzésű járművek esetén volt alternatíva. Tehergépjármű B4 B7 vagy B10 CNG B100 B7 vagy B10 B100 HEV Elektromos Gépjárműállomány lehetséges változásai tüzelőanyag felhasználás szempontjából

20 Szempontok és indikátoraik

21 Gazdasági megközelítés: Alapvető kérdésnek vettük, hogy érdemes-e a közlekedési szektor 10% megújuló részarányát a villamos és hő szektor kárára tovább növelni. A közlekedési szektort és a villamos és hő szektort külön modelleztük. Csak az eredményül kapott energiamixek marginális költségeit hasonlítottuk össze, vagyis a 10% fölötti átalakítások milyen költséggel valósulnának meg, és mennyi elszámolható megújuló primer energia felhasználást jelentene a közlekedési szektorban, illetve milyen áron lehetne a villamos és hő szektorban ugyanezt megtermelni. A költségek meghatározásánál az O&M költségeken kívül minden esetben intervallumokkal dolgoztunk, hiszen az átlagos értékeknél sokkal életszerűbb modellezést tesz lehetővé. Hasonlóan a villamos és hő szektorban, a felhasználási óraszámnál is intervallumokat használtunk, így a megtermelt energia kiegyenlített átlagos árának (LCOE) minimuma az ideális helyszínről, a maximuma pedig a kedvezőtlen telepítésről ad információt.

22 A megtermelt energia kiegyenlített átlagos ára (LCOE) A fűtési szektorban lehet a legkisebb fajlagos költséggel növelni a megújuló részarányt. A szél, víz és napenergia felhasználás jóval magasabb költségekkel járhat. A közlekedésben alkalmazott bioüzemanyagok mint megújuló energiaforrások szintén költségesek. A problémát ebben az esetben nem is a beruházási vagyis az átalakítási költség jelenti, hanem az energiahordozó. Akárhány üzemelési évre is számoljuk az LCOE értékét, az üzemanyag előállítási ára alá nem kerülhetünk. ( Az üzemanyag áraknál az előállítási költségekből indultunk ki, ami első generációs etanolnál 27,3 30 Ft/kWh-t, elsőgenerációs biodízelnél 23,9 30,6 Ft/kWh-t, biometán esetén pedig 22,0 32,9 Ft/kWh-t jelentett. )

23 A megtermelt energia kiegyenlített átlagos ára (LCOE) Az elektromos közlekedés költségeinek vizsgálata azonban, föként a 2,5x szorzó alkalmazása miatt külön figyelmet érdemel. A e-mobility esetén az LCOE számolásnál élettartamnak 6 évet vettünk, a forgalomban lévő akkumulátorok élettartamából kiindulva. Ha a villamos hálózat megújuló részarányát 10%-nak vesszük, az elektromos közlekedés RE-ra fajlagosított költségének kiszámolásakor, akkor a teljes költségük a bioüzemanyagokkal szerepelnek együtt. Azonban 100%-os megújuló energiaforrást alkalmazva (csak a legolcsóbb szél vagy víz esetén) az elektromos busz közlekedés is gazdaságos lehet. Ezek alapján leszögezhetjük, hogy az elektromos közlekedés széleskörű elterjedéséhez hozzájárulhatna egy 2,5-nél magasabb szorzó alkalmazása.

24 Célszám és peremfeltételek definiálása, az energia kiosztás egységének rögzítése * Az energiaegység kiosztásában résztvevő technológiák/méretkategóriák (alternatívák) meghatározása, igény ( i), potenciál ( p) és korlátozó feltételek alapján Az alternatívák MCDA rangsorolása megadott szempontok alapján, az aktuális lekötött potenciál figyelembe vételével Az optimális megoldás iteratív módon, mind kiosztási feladat kerül megközelítésre. Villamosenergia-termelés A legjobb alternatíva kiválasztása Fűtés-hűtés Megújuló energia egységek kerülnek kiosztásra a célszám eléréséig. nincs nincs nincs Globális igény van Lokális energiahordozó potenciál van Egyéb korlátozó feltétel van Energiaegység szétosztása települések között p arányában van Lokális energiahordozó potenciál van Energiaegység szétosztása települések között p i arányában nincs nincs Az energia egység annak a legjobb értékelésű energiafejlesztési alternatívának kerül kiosztásra, melyre a területi felbontásban igény van és melynek energia ellátása biztosított. Területi potenciálok és igények újraszámolása Elértük-e amegújuló energiahányadot? igen Az alkalmazott alternatívák területi eloszlásának meghatározása nem

25 Az optimális energiamix meghatározása során a megújuló villamosenergia-termelés arányát 10%-ban minimalizáltuk a hő fejlesztés mellett. Ekkor a gazdaságilag legkedvezőbb szcenárióban a hőszektor dominál: - háztartási biomassza fűtés (77PJ), - kapcsolt biomassza (2.3PJ) és biogáz (13.2PJ) alapú villamos és hő termelés, - szél energia (3.54PJ) és - nap kollektor (1.4PJ). A vázolt szcenárió esetén a 97.5PJ megújuló részarány elérésének marginális költsége 20,44 Ft/kWh körül mozog. Mivel a hő és villamos szektor marginális ára nem éri el bioüzemanyagok előállítási költségét, nem gazdaságos a közlekedési szektorra előírt 10%-os megújuló részarányt túllépni. A biomassza fűtésre vonatkozó célszám megvalósításához brikettált mezőgazdasági melléktermékek is alkalmasak, hiszen tüzeléstechnikai paraméterei és a költsége is a hasított tűzifához hasonló.

26 Hazai primerenergia-felhasználás várható alakulása 2020-ig szektoronként (villamosenergia-termelés, fűtés hűtés melegvíz, közlekedés), kiemelve a megújuló energiahordozók felhasználásának alakulását Nehézséget jelenthet azonban a háztartási méretnél a saját tüzelőanyag felhasználás, hiszen az nem kerül az elszámolási rendszerbe. Problémát jelent azonban, hogy jelenleg szinte kizárólag 1. generációs üzemanyag kerül felhasználásra, melyek a mezőgazdasági főtermékekből készülnek, és így az élelmezésre szánt terményekkel versenyben vannak. A 2. generációs üzemanyag gyártás megoldás lehetne, azonban a jelenlegi min. 30%-os felár komoly hátráltató tényező.

27 Többszempontú döntési modell alkalmazása A kiindulási szempontsúlyok egy szakmai zsűri páros összehasonlítási kérdőívei alapján, felméréssel kerültek megállapításra Szempontsúly gazdaság munkahely klíma h. egészség innováció Szempontsúlyok szakértői súlyozással

28 relatív skála szél (H) szél ( F) víz (törpe folyóvizes) víz (kicsi folyóvizes) víz (közepes) biomassza e. k. (faapríték tüzelés - F) biomassza e. k. (faapríték tüzelés - E) biomassza e. k. (szalma tüzelés - F) biogáz e. k. (biomassza - F) biogáz e. k. (szennyvíz - F) biogáz e. k. (depónia - F) napkollektor (H) napkollektor (F) biomassza (faapríték - H) komplex szempontrendszer gazdasági szempont A komplex szempontrendszerrel megkonstruált rangsort pusztán gazdasági szempontú értékeléssel összevetve jól látható, hogy a tüzelés alapú energiafejlesztésre épülő technológiák a negatív környezeti és egészségi hatásuk miatt a komplex értékelésben hátrébb szorulnak.

29 Hazai primerenergia-felhasználás várható alakulása 2020-ig szektoronként (villamosenergia-termelés, fűtés hűtés melegvíz, közlekedés), kiemelve a megújuló energiahordozók felhasználásának alakulását, egységes szempontsúllyal számolva

30 szél alapú energiafejlesztés [MW] Legfontosabb eredmények összefoglalása fotovoltaikus energiafejlesztés [MW] változó terhelés [MW] 3800 Terhelés és a termelés korrelációja változó terhelés [MW] szél és fotovillamos energiafejlesztés [MW] szél és fotovillamos energiafejlesztés 1200MWh tároló kapacitással [MW] változó terhelés [MW] %szél, 37% a fotovoltaikus és 1200MWh tároló kapacitás változó terhelés [MW]