A domborzat áramlásmódosító hatásainak becslése és modellezése

Átírás

1 A domborzat áramlásmódosító hatásainak becslése és modellezése Dr. Radics Kornélia 1, Dr. Bartholy Judit 1 MH Meteorológiai zolgálat, 115 Budapest, Lehel u. -5. (tel.: ) LT Meteorológiai Tanszék, 1117 Budapest, Pázmány s. 1/A. (tel.: ) kornelia.radics@mil.hu, bari@ludens.elte.hu 1. Bevezetés A hagyományos energiakészletek csökkenésével és a légkör szén-dioxid tartalmának jelentős növekedésével napjainkban egyre nagyobb szerephez jutnak a kifogyhatatlanul rendelkezésre álló ún. megújuló energiaforrások. lehetséges alternatív energiaforrások egyike a szél. A többezer éves hagyományokkal rendelkező szélenergia-hasznosítás látszólag végnapjait élte a XX. század közepén, hiszen nem volt jelentős energiahiány a Föld fejlett országaiban. A szélenergia ekkor relatíve drága, gyenge hatásfokú és csak időszakosan kinyerhető erőforrásnak számított. zért a fosszilis tüzelőanyagok, valamint az atomenergia átmenetileg háttérbe szorította a szélenergia hasznosítását (Bartholy és Radics, 0). Az 1970-es évek sokkoló olajválsága, majd a rákövetkező évtizedekben a globális melegedés problémája azonban újra a szél mint megújuló energiaforrás felé fordította a kutatók, a fejlesztők és a közvélemény figyelmét. ddig soha nem tapasztalt ütemű fejlődés indult meg, s önálló iparággá nőtte ki magát a mind hatékonyabb szélerőművek tervezése, gyártása, karbantartása. Az elmúlt évtizedben minden eddiginél nagyobb mértékben megnőtt a hasznosított szélenergia mennyisége urópában és az egész világon egyaránt. zzel párhuzamosan a hatékony szélparkok által termelt energia előállítási költsége olyan szintre csökkent, hogy napjainkban már versenyképes számos hagyományos energiahordozóval, és olcsóbb, mint az atomenergia. A villamos energia termelését célzó szélenergia-hasznosítás 00-ben még nem volt jelen hazánkban. A XX. század végéig a szélenergia hasznosítása csak olyan kisteljesítményű szélkonverterek alkalmazásával jöhetett szóba Magyarországon, amelyek vízszivattyúkat, áramfejlesztőket, vízszellőztető berendezéseket működtettek. Az utóbbi években végzett kistérségű vizsgálatok azonban igazolták, hogy hazánk megfelelően kiválasztott térségeiben is lehetséges nagyteljesítményű, villamos energiát termelő szélerőműveket telepíteni. Az előadás során a szélenergia mint megújuló energiaforrás hasznosításának magyarországi lehetőségeit tárgyaljuk. Kutatásaink célja egyrészt az európai ajánlásoknak megfelelő hazai szélklíma és szélenergetikai vizsgálatok, valamint Magyarország szélatlaszának elkészítése, másrészt hazánk szélsebesség és szélenergia térképének modellezése és megrajzolása volt.. Az alkalmazott vizsgálati módszerek Kutatásaink kezdeti szakaszában a korábbi klimatológiai elemzések (Bacsó et al., 195; Bacsó, 1959; Kakas, 1967; emzeti atlasz, 1989; Tar, 1991) felhasználásával hazánk különböző régióinak ún. rendelkezésre álló szélteljesítményét becsültük. Az urópai szélatlasszal (Troen és Petersen, 1989) megegyező módszertant alkalmazva, 9 magyarországi meteorológiai állomás legfrissebb, hat éves idősora alapján elkészítettük 1

2 hazánk szélatlaszát (Radics, 04), s elemeztük az energetikai szempontból lényeges jellemzőket. A domborzat és az érdesség áramlásmódosító hatásának vizsgálatára a dán fejlesztésű ind Atlas Analysis and Application Programot (AsP-ot) alkalmaztuk. A AsP a mért széladatok horizontális és vertikális extrapolációjára szolgáló, Jackson és Hunt elméletére alapozott, lineáris, spektrális modell (Mortensen et al., 199), melynek felhasználásával készült az urópai szélatlasz is. védországi mérési adatsorok felhasználásával feltártuk a AsP modellezési korlátjait (Bartholy és Radics, 00; 01), majd a hegyhátsáli toronymérés (Haszpra et al. 01) négy szinten ( m-en, 48 m-en, 8 m-en és 115 m-en) mért széladatainak segítségével igazoltuk a AsP modell hazai adaptálhatóságát. Így lehetőség nyílt a modellezési eredmények verifikálására. A széladatok horizontális és vertikális extrapolációját esettanulmányok során végeztük el (Radics és Bartholy, 0b), továbbá a domborzat és az érdesség áramlásmódosító hatását elemeztük azzal a céllal, hogy feltárjuk a rendelkezésre álló szélteljesítmény-mező legfontosabb sajátosságait. A kutatás befejező részében az ország egész területére a AsP modell és a digitális terepmodellek alkalmazásával modelleztük és megszerkesztettük az átlagos szélsebességet és rendelkezésre álló szélteljesítményt ábrázoló térképeket (Radics, 04). A térképsorozat felhasználásával lehetőségünk nyílt Magyarország szélenergia-készletének részletes felmérésére és az ország szélenergia hasznosíthatóság szempontjából történő regionalizálására.. redmények, következtetések lőadásunk során az európai ajánlásoknak megfelelő hazai szélenergetikai vizsgálatainkat mutattuk be. redményeinket összefoglalva az alábbi legfontosabb következtetéseket vonhatjuk le. A korábbi szélklimatológiai vizsgálatok eredményeit összevetve nem mutatható ki hazánk szélklímájának alapvető megváltozása az elmúlt évszázad során, annak ellenére, hogy kisebb térségek rövidebb idősorait is megvizsgálva esetenként szignifikáns trend jelenik meg (Tar et al., 01). 9 magyarországi meteorológiai állomás hat éves, m-es magasságra korrigált széladatsora alapján az éves átlagos szélsebesség 1,47 m s -1 (Jósvafő) és 4,05 m s -1 (zentkirályszabadja) között változik (1. ábra). Így az európai szélosztályozás alapján hazánk a mérsékelten szeles kategóriába sorolható (Bartholy et al. 0) ábra. A m-re interpolált szélsebességi értékek [m s -1 ] éves átlagának területi eloszlása Magyarországon.

3 A szélsebesség és köbös átlagai határozott évi és napi menetet mutatnak (. ábra). A szélsebesség napi és évi változékonyságának mértéke átlagosan 1- m s -1. A köbös átlagok évi és napi menete még sokkal határozottabb. Éves amplitúdójuk sok esetben eléri a 0 m s - -ot, míg a napi változékonyság mértéke akár m s - is lehet. -1 opron J F M A M J J A O D [m s -1] Kékesteto [m s -] J F M A M J J A O D -1 Budapest J F M A M J J A O D -1 yíregyháza J F M A M J J A O -0 D -1 Pécs J F M A M J J A O D [m s -1] zeged [m s -] J F M A M J J A O D. ábra. A szélsebesség (vékony vonal) és a köbös szélsebesség (vastag vonal) havi anomáliáinak területi eloszlása hazánkban. A Dunántúlon és a középső országrészben az északi és északnyugati szelek, míg a keleti országrészben az északi és északkeleti szelek a leggyakoribbak (. ábra). Az uralkodó szélirány relatív gyakorisága alacsony, 11,5 % (Miskolc) és 5,4 % (zentkirályszabadja) közé esik. A szélcsendes időszakok aránya néhány térségben kifejezetten magas értéket vesz fel; átlagosan 1,9 % (Kékestető, 5,07 m-en) és, % (Jósvafő, 9,99 m-en) között változik. Az 1- m s -1 -os sebességű szelek átlagos éves tartama a legnagyobb ( óra), azaz a gyenge szelek a legjellemzőbbek országunkra (4. ábra). A legnagyobb átlagos éves energiát a 4-9 m s -1 -os szelek hordozzák (átlagosan -1 kh m - ). A szélsebesség havi anomáliái általában 1 m s -1 -on belül maradnak, azaz szélklímánk az egész év során kiegyenlítettnek mondható. A hegyhátsáli toronymérés alapján a legszelesebb (március) és a legkevésbé szeles (október) hónapokban vizsgáltuk a szélsebesség relatív gyakorisági értékeit az egyes mérési magasságokban. Bár a tavaszi hónapok lényegesen nagyobb szélenergia-kinccsel rendelkeznek, nem találtunk szignifikáns különbséget a márciusi és októberi szélsebesség eloszlások között a magasabb szinteken (Radics és Bartholy, 0a). A magasság és a szélsebesség növekedésével mind a szélcsendes időszakok száma, mind a relatív gyakorisági értékek szórása csökken.

4 opron Budapest Kékesteto yíregyháza Pécs zeged. ábra. A mért szélirány értékek relatív gyakoriságának (%) területi eloszlása hazánkban. Kékesteto opron yíregyháza Budapest zeged Pécs 4. ábra. A mért szélsebességei értékek relatív gyakoriságának területi eloszlása hazánkban. A vertikális szélprofil jellemzésére használt formulákkal nem találtunk jelentős különbséget a hegyhátsáli mérések teljes adatsorára, valamint a stabilis és labilis esetekre számított szélsebességi értékek három különböző szintre meghatározott hibája között (Bartholy és Radics, 05). Mind a teljes adatsorra, mind a labilis esetekre a felhasznált profilegyenletek alulbecsülik a magasabb szinteken uralkodó szélsebességi értékeket. zzel ellentétben, stabilis légköri viszonyok esetén a valóságban alacsonyabb 4

5 szélsebességek fordulnak elő 8 m-en és 115 m-en, mint az a leggyakrabban alkalmazott szélprofil-formulák segítségével számítható. A topográfia és a modellezett átlagos szélsebességi értékek jó egyezést mutatnak a rendelkezésre álló szélteljesítmény-mezővel. Még kis horizontális távolságok (5- km) esetén is lényeges különbségek (60-80 m - ) mutatkozhatnak a rendelkezésre álló szélteljesítmény mennyiségében a domborzati különbségek, illetve az érdességi viszonyok függvényében (5. ábra). 0 Hegyhátsál 0 m 0 Hegyhátsál 80 m 0 Hegyhátsál 60 m m - 5. ábra. A rendelkezésre álló szélteljesítmény-mező horizontális szerkezete Hegyhátsál km-es körzetében, 60, 80 és 0 m-es magasságban. 5

6 gy megfelelően kiválasztott szélteljesítmény-szint felszín feletti magasságát ábrázoló, ún. háromdimenziós diagramok (6. ábra) nélkülözhetetlen segítséget nyújthatnak a tervezett szélerőművek optimális helyszínének kiválasztásában. Távolság fkm] 60 Pápa - A 0 m -es szélteljesítményszint felszín feletti magassága Távolság [kmg 60 Debrecen 60 < m 60 Pécs - m - 0 m 0 - m - 50 m Kecskemét m m > 70 m ábra. A 0 m - -es rendelkezésre álló szélteljesítmény-szint felszín feletti magassága Debrecen, Kecskemét, Pápa és Pécs km-es körzetében. Magyarországon az átlagos szélsebesség és rendelkezésre álló szélteljesítmény nagy térbeli változékonyságot mutat (7. ábra). Különösen a hegyvidéki területeken találunk kis távolságon belül jelentős eltéréseket. 1 m-es magasságban a modellezett átlagos szélsebesség átlagosan közel másfélszerese, a modellezett rendelkezésre álló szélteljesítmény pedig több mint háromszorosa a m-re számított értéknek. A felszín feletti magasság növekedésével a leginkább és legkevésbé szeles vidékek szélenergiaviszonyai közti különbség egyre nő. A szélenergia hasznosítására leginkább alkalmas térség Magyarországon az északnyugati országrész, de a délkeleti területek is jelentős szélenergia-kinccsel rendelkeznek. Az ország regionális szélenergia-viszonyainak tanulmányozása, elemzése a AsP felhasználásával modellezett finom felbontású széltérképek (Radics, 04) segítségével végezhető el, melyek különböző szinteken ábrázolják az átlagos szélviszonyokat és a rendelkezésre álló szélteljesítmény mennyiségét. Kutatásaink összegzéseként levonható tehát az a legfontosabb következtetés, hogy Magyarországnak van kinyerhető szélenergia-kincse, amit elődeink a kor technológiai szintjének megfelelően ki is használtak. A szélenergiának mint megújuló energiaforrásnak a napenergia, a vízi energia és a biomasszából nyert energia hasznosítása mellett Magyarországon is fontos szerepe lehet a jövőben. 6

7 7. ábra. A domborzat áramlásmódosító hatásának figyelembe vételével 1 m felszín feletti magasságra modellezett rendelkezésre álló szélteljesítmény-mező. Köszönetnyilvánítás Köszönetünket fejezzük ki a Magyar Honvédség Meteorológiai zolgálatának a szinoptikus meteorológiai állomások széladatsoráért, Dr. eidinger Tamásnak (LT, Meteorológiai Tanszék) a digitális terepmodellek használatának lehetőségéért, Dr. Haszpra Lászlónak (Országos Meteorológiai zolgálat) és Dr. Barcza Zoltánnak (LT, Meteorológiai Tanszék) a hegyhátsáli profilmérések és a stabilitási paraméterek idősoráért. Az elvégzett kutatásokat részlegesen az alábbi pályázatok támogatták: OTKA T , T-084, T-04984, K-6478, KFP-A/0006/0, KFP-A/08/04, KFP- 6/079/05 számú programjai, valamint az U5-ös keretprogramon belül futó CHIOTTO projekt (VK-CT-0/016). Köszönjük a Magyar Tudományos Akadémia Bolyai János Kutatási Ösztöndíjának támogatását. Felhasznált irodalom Bacsó., Kakas J. és Takács L. (195): Magyarország éghajlata. OMI kiadványa, XVII. Kötet, Budapest, 5p. Bacsó. (1959): Magyarország éghajlata. Akadémiai Kiadó, Budapest, 0p. Bartholy J. és Radics K. (00): A szélenergia hasznosítás lehetőségei a Kárpát-medencében. gyetemi Meteorológiai Füzetek, o. 14, Budapest, 80p. Bartholy J. és Radics K. (01): elected wind characteristics and potential use of wind energy in Hungary. Part I. Időjárás 5, Bartholy J. és Radics K. (0): A szélenergia hasznosításának története. Légkör, XLVII/, 0-4. Bartholy J., Radics K. és Bohoczky F. (0): Present state of wind energy utilisation in Hungary: policy, wind climate, and modelling studies. Renewable and ustainable nergy Reviews 7, Bartholy, J., Radics, K. (05): ind profile analyses and atmospheric stability over a complex terrain in southwestern part of Hungary. Physics and Chemistry of the arth, Vol. 0, Haszpra L., Barcza Z., Bakwin, P., Berger, B., Davis, KJ. és eidinger T. (01): Measuring system for the long-term monitoring of biosphere/atmosphere exchange of carbon dioxide. J. Geophys. Res. 6(D),

8 Kakas J. ed. (1967): Magyarország klímaatlasza, II. rész. Adatbázis. Akadémiai Kiadó, Budapest, 6p. Mortensen,.G., Landsberg, L., Troen, I. és Petersen,.L. (199): ind Atlas Analysis and Application Program (AsP). Risø at. Labs, Roskilde, Denmark, 16p. emzeti atlasz (1989): Magyarország nemzeti atlasza (szerk.: Pécsi M.). Kartográfiai Vállalat, Budapest, 95p. Radics K. és Bartholy J. (0a): elected wind characteristics and potential use of wind energy in Hungary. Part II. Időjárás 6, Radics K. és Bartholy J. (0b): stimation of climate effects of land use changes with simple wind models. Physics and Chemistry of the arth 7, Radics K. (04): A szélenergia hasznosításának lehetőségei Magyarországon: hazánk szélklímája, a rendelkezésre álló szélenergia becslése és modellezése. Doktori értekezés, LT Meteorológiai Tanszék, Budapest, 19p. Tar K. (1991): Magyarország szélklímájának komplett statisztikai elemzése. OMz Kisebb Kiadványai 67, Budapest, 14p. Tar K., Makra L., Horváth z. és Kircsi A. (01): Temporal change of some statistical characteristics of wind speed over the Great Hungarian Plain. Theor. Appl. Climatol. 69, Troen, I. és Petersen, L. (1989): uropean ind Atlas. Risø at. Labs, Roskilde, Denmark, 656p. 8