PE Energia Akadémia 195 Két hír a tározós vízerőművekről és az energiatárolás realitásairól Egy optimista és egy tragikus hír: 1. A Kaliforniában működő Hoover Damm tározós vízerőművet szivattyús energiatárolós vízerőművé tervezik továbbfejleszteni. 2. Laoszban, az újonnan épülő vízerőműnél súlyos gátszakadás következett be. Mindkettő összefügg a megújuló erőművek erőltetett fejlesztése miatt szükségesé váló energiatárolás kérdésével, minthogy jelenleg viszonylag nagyobb mennyiségű energia tárolása korlátozott mértékben, reálisan csak a szivattyús tárorozós vízerőművekkel valósítható meg. Mielőtt rátérnénk a két esemény ismertetésére, röviden célszerű áttekinteni a vízerőművekkel kapcsolatosan néhány fogalmat. A vízerőművek több szempont szerint csoportosíthatók. Fontos szempont a hasznosítható vízhozam és a hasznosítható vízesés nagysága, amelyek meghatározzák a vízerőmű tervezhető teljesítőképességét. Így beszélhetünk pl. törpe (kis, közepes, nagy) teljesítőképességű, kis (közepes, nagyesésű), folyami vagy üzemvízcsatornás, tározós, ill. szivattyús energiatárolós vízerőművekről. Ahhoz, hogy adott helyszínen gazdaságos legyen a vízerőmű létesítése, megfelelő hasznosítható vízesésre van szükség, amelyet a folyami vízerőművek esetén a folyómederbe épített duzzasztógát segítségével, tehát duzzasztással és a gát felett kialakított víztározó (felvizi tározó) kialakításával oldható meg. Általában a gátban nyer elhelyezést s vízerőmű lelkét képező vízturbina és az általa hajtott villamos generátor (gépház). A vízturbina, mint erőgép a víz helyzeti energiakülönbségét hasznosítja. A felső tározó tó teszi lehetővé, hogy az erőmű ne csak a mindenkori vízhozamnak megfelelő teljesítményt szolgáltassa, hanem a tárózott víz felhasználásával a teljesítmény a fogyasztói igényekhez igazodóan változtatható legyen. Minél nagyobb a felvizi tározó, az erőmű annál nagyobb, a vízhozamból adódó energián felüli többlet energia szolgáltatására képes (csúcsra járatás). A szivattyús energiatárolós vízerőművek reverzibilis vízgéppel rendelkeznek, amelyek pl. éjszaka motoros szivattyúként vizet emelnek a hegy tetején létesített felső víztározó tóba, majd nappal a csúcsigények idején turbina generátoros üzemmódban, a tárolt víz helyzeti energiáját hasznosítva villamos energiát táplálnak a villamos hálózatra. Még külön említendők a magas hegyvidéki tározós, általában nagyesésű (H > 50 m) vízerőművek, amelyeknél völgyzáró gátak megépítésével hozzák létre a felvizi tározót. Ilyen erőművek épültek többek között pl. Norvégiában és Svájcban. Az ismertetendő események megértéséhez ez utóbb említett ismereteknek van jelentősége, minthogy tározós vízerőművekkel kapcsolatosak. Az első kis tározós vízerőművet Angliában építették 4 kw teljesítőképességgel az 1800 as években. Azóta hatalmas utat tett meg ez a tiszta energiatermelési technika. A múlt században felgyorsulva sorban épültek világszerte a nagyobb és még nagyobb tározós
vízerőművek, amelyeknek a történetéről egy látványos videó is megtekinthető. 1 Amikor e film készült (2009), épülőben volt a világ legnagyobb ilyen létesítményeként a kínai Három Szurdok vízerőmű, a Jangce folyón, 22 500 MW teljesítőképességgel. 1. A Hoover Damm vízerőmű továbbfejlesztése Kézenfekvő gondolat, hogy a meglévő tározós vízerőműveket a leggazdaságosabb szivattyús energiatárolós erőművé továbbfejleszteni, amennyiben a feltételek rendelkezésre állnak, ill. megteremthetők. Ilyen elhatározásra jutott Los Angeles városának önkormányzata, mégpedig azért, mert Kaliforniában már uralhatatlanná vált a villamosenergia rendszer biztonsága a beépített rengeteg naperőművi létesítmény miatt. Sürgetővé vált az energiatárolás megoldása. Kaliforniában a nyugati partvidéken az utóbbi évtizedben sok ezer kisebb nagyobb naperőmű létesült, amelyek az állam áramigényének akár 50 % át képesek fedezni (ha éppen süt a nap). Szép napsütés esetén a túltermelés oda vezet, hogy a spotpiacon az áram ára negatívba megy át, azaz fizetnek a többlet áram átvételéért. Szabályosan gond a felesleges energiától megszabadulni. Ennek ellenére a politika még tovább erőlteti a napenergia hasznosítását. A kaliforniai kormány májusban olyan döntést hozott, hogy új házak építése esetén kötelező legyen a tetőkre napelem táblákat telepíteni. Mindezek fényében szükségessé vált az energiatárolás valamilyen formában való megoldása. Los Angeles városának Víz és Energia Hatósága javasolta, hogy a Kolorádó folyón épült Hoover Damm tározós vízerőművet fejlesszék tovább szivattyús energiatárolós vízerőművé. A szóban forgó vízerőmű az 1930 as években épült, az akkor rohamosan fejlődő nyugati partvidék áramellátására. Akkor a világ legnagyobb vízerőműveként épült, teljesítőképessége 1345 MW. Egy korábbi gátszakadás okán a hatalmas völgyzáró gát új technológiával épült, betontömbökből felépítve, és a beton megkötése során keletkező hő elvezetésével. A beépített beton tömege 6 millió tonna. A hatalmas gát alvíz felöli látképe az 1. ábrán látható. Az említett fejlesztés keretében két alapfeladatot kell megoldani. Egyrészt, valószínűleg a hegy gyomrában egy emelő vízcsövet és egy új szivattyúállomást kell kialakítani a víznek a felső tározóba való emelése céljából. A gát alatt pedig létre kell hozni az alvizi víztározót, az eddigi vízelfolyási lehetőség mellett. Ezzel az USA legnagyobb szivattyús energiatárolós vízerőműve jön létre, amelynél a szintkülönbség 200 m, a gát felett kialakított tó 170 km hosszú, és 35 milliárd köbméter víz tárózására alkalmas. Tehát valóban egy jelentős energiatárolási kapacitás jön létre. Előnye ezeknek az erőműveknek, hogy rendkívül rugalmasak, teljesítményük a mindenkori igényeknek megfelelően gyorsan változtatható. A kétirányú energiaátalakítás természetesen veszteséggel jár, mintegy 20 25 % os veszteséggel kell számolni. 1 https://www.youtube.com/watch?v=4erpnpzh_v4
1. ábra. A Hoover Damm völgyzáró gát látképe Ez az erőmű éppen fordított módon fog működni, mint a szokásos szivattyús tározós vízerőművek. Ugyanis nappal, amikor jelentős naperőművi többletteljesítmény áll rendelkezésre, az erőmű szivattyús motoros üzemben működik és vizet szállít a felső tározóba. Éjszaka pedig, (amikor nem süt a nap) turbinás generátoros üzemmódban pótolja a naperőművi teljesítményt. 2. ábra. A Hoover Damm látképre a felső víztározó felöl nézve Kelly Sanders, az University of Southern California kutatója nyilatkozata szerint (New York Times) ez az energiatárolási mód ideális. A lítium ionos akkumulátorokkal hasonló kapacitású és élettartamú energiatárolók sohasem valósíthatók meg.
E megoldás lehetősége természetesen már másutt is felmerült. Tudjuk, hogy Németországban is sürgető kérdéssé vált az energiatárolás megoldása az Energiewende keretében kiépített hatalmas szél és naperőművi (100 GW ot meghaladó) kapacitás miatt. Minthogy Norvégia rendkívül gazdag vízenergiában, több tározós vízerőművel rendelkezik, így felmerült az a gondolat, hogy az energiatárolás lehetőségét ott lehetne megteremteni. De ehhez Norvégiában is át kellene alakítani a meglévő erőműveket szivattyús energiatárolós erőművekké. A norvégok eddig e javaslatra nem reagáltak. 2. Gátszakadás Laoszban Laoszban a Mekong folyón, Attapeu tartományban épül a Xepian Xe Nam tározós vízerőmű, amelynek már elkészült víztorlasztó gátja 2018. július 23 án, helyi idő szerint este 20 órakor átszakadt. Mintegy öt milliárd köbméter víz zúdult ki a tározóból, elsodorva hat falut. Hatalmas területek kerültek víz alá. A mentési munkákat nehezítette, hogy a monszunesők miatt a vízszint tovább emelkedett. A gátszakadást a monszunesők áradásaival hozták kapcsolatba. Az erőművet nemzetközi konzorcium építi, amelynek építése 2013 ban kezdődött, jelenleg 90 % os készültségi állapotában van. Teljesítőképessége 410 MW, beruházási költsége valamivel meghaladja az egymilliárd dollárt. A dél koreai Sk Engineering and Construction nevű cég a vízerőművet építő konzorcium egyik tagja. A laoszi sajtó azt sugallta, hogy a konzorcium által épített tározó gátjának szakadása vezetett a katasztrófához, míg a dél koreai vállalat kitart amellett, hogy a nagy mennyiségű víz átbukott a gát koszorúján és ez vezetett a létesítmény részleges összeomlásához. A délkoreai államfő ezzel kapcsolatban azt mondta, hogy a felelősöket ráér megtalálni, most a mentés jelenti a legfőbb feladatot. A tragikus esemény kapcsán érdemes Dr. Klaus Dieter Humprich német szakember gondolatait az alábbiak szerint felidézni: 2 Laosz Ázsia szegény országainak egyike, a lakósok mintegy 23 százaléka csak napi 2 dollárt költhet. Topográfiai adottságai révén viszont Dél Ázsia energiatárolójává válhat. A Mekong folyó 2000 km es szakasza folyik át az országon. Számos mellékfolyója is alkalmas tározós és szivattyús energiatárolós vízerőművek építésére. A tőke ömölne erre a célra, és nemcsak Kínából, éppen a klímavédelem jegyében e térségben is szaporodó szél és naperőművek miatt. Persze az is hozzájárul, hogy szénkiszállás miatt a tőke az energetikában új beruházási lehetőségeket keres. A Xepian Xe Nam tározós vízerőmű eddig kereken 1 milliárd Dollárt nyelt el, az említett 410 MW os teljesítménnyel 2400 US$/kW fajlagos beruházási költség adódik. A tervezett évi termelés 1860 GWh, amelyből 4536 éves csúcskihasználási óraszám számolható, ami 51,7 % os évi kihasználást jelent. A termelendő áram 90 % át Thaiföldre exportálták volna. A 27 évre kötött szerződések hosszútávon biztosították volna a bankok részére az előnyös megtérülést. És ebből mi haszna van a laosziaknak? kérdezi a szerző. 2 www.eike-klima-energie.eu/2018/08/03/staudamm-in-laos-geborsten-medienschweigen-lueckenpresse-oder-doch-mehr/
A szerző jogosan észrevételezi, hogy a német sajtó alig számolt be e tragikus laoszi eseményről, se képek, se felvételek. Érdektelenség vagy politikai nyomás? Ez különösen érvényes az energetikával kapcsolatos hírekre, mivel egyre nagyobb a feszültség az Energiewende vel összefüggő problémák miatt. Egyes médiumok a Pravda szintjére süllyedtek. 3. Egy gyors előzetes számítás Ha már a tározós vízerőművekről és az energiatárolás szükségességéről van szó, Michael Treml nagytapasztalatú erőműves mérnök segítségével becsüljük meg, hogy Németországban a dekarbonizáláshoz mekkora vízmennyiségre lenne szükség az energiatározós vízerőművek működtetéséhez. Vajon van e reális megoldás? 3 A számítás kiindulási adataiként feltételezzük, hogy az országos éves átlagos fogyasztói igény 80 GW, amelyből egy szükségállapot (teljes szélcsend) esetén 60 GW ot kellene a szivattyús energiatárolós vízerőműveknek fedeznie, a további 20 GW ot a hagyományos erőművek biztosítanák. Tételezzük fel (a múltbéli meteorológiai adatok elemzése alapján), hogy a szükségállapot 21 napig tarthat, és a mintaként szolgáló tározós vízerőmű Németország eddigi legnagyobb ilyen erőműve, a Goldishtali (Thüringia) vízerőmű legyen. 3. ábra. A Goldisthal tározós vízerőmű (1060 MW) felső tározótava (8 GWh) Az erőmű felső tározója (3. ábra) 12 000 000 m 3 hasznosítható tározókapacitással rendelkezik. Ezzel az erőmű 8 órán keresztül 1 GW (1000 MW) teljesítménnyel képes áramot termelni. De hát 60 ilyen tározós erőműre lenne szükség, amelyek összesen tehát 60 12 000 000 = 720 000 000 m 3 vizet hasznosítanának 8 óra alatt. Minthogy a napnak 24 órája van, 3 60, azaz 180 ilyen tározós erőműre, és 2 160 000 000 m 3 vízre lenne szükség egyetlen napra. De a szélcsendes időszak feltételezésünk szerint 21 napig tart (erre kellene méretezni a tározós rendszert), így 21 180 = 3780, egyenként 1000 MW os energiatárolós vízerőműre lenne szükség, összesen 45 360 000 000 m 3 tárózott vízzel, azaz ennyi vizet kellene összegyűjteni az alsó tározótavakba a szükségidő kezdetére. 3 www.eike klima energie.eu/2018/08/06/zum bedarf an wasser fuer pumpspeicherkraftwerke/
Vajon mekkora ez a vízmennyiség? A Rajna évi átlagos vízhozama 2900 m 3 /sec, az Elbáé 870 m 3 /sec, a Weseré 327 m 3 /sec. Ez annyit jelent, hogy a három folyó napi átlagos vízhozama 353 980 800 m 3 /nap. Tehát a fentiekben számolt összes tárózandó vízszükségletet e három folyó 128 nap alatt tudná feltölteni. Két alapkérdés: honnan és hogyan biztosítható ennyi víz, és mi van, ha viszonylag rövid időn belül bekövetkezik egy hasonló szélcsendes időszak? És nem becsültük meg a szükséges beruházási költségeket, és hogy egyáltalán létesíthető e ennyi magaslati felső tározótó? Könnyen belátható, hogy ez nem járható út, ez nem reális megoldás, csupán illúzió. Egyesek erre azonnal úgy reagálnak, hogy hát ott van még az akkumulátoros energiatárolás lehetősége is. A szerző azt javasolja, hogy számolja ki más, hogy hány korszerűnek mondható lítium ionos akkumulátorra lenne szükség, és egyáltalán lehetséges e annyit legyártani, és hogy ezek hol férnének el? Előre jelzem, hogy meglepő, teljesíthetetlen eredményre fog jutni. Ha nem is gondolunk azonnal a vizsgált szükségállapotra, érdemes előre azt is megfontolni, hogy mit várunk el az szivattyús energiatárolós vízerőművektől hétköznapi üzemeltetésük során. A 4. ábra példaként a 2012. februári tényleges szélerőművi összteljesítmény változását (pontosabban annak felső 20 25 GW os változó tartományát) ábrázolja. 4. ábra. A szélerőművek összes teljesítményének változása (2012. febr. 1 29) Azzal a feltételezéssel élünk, hogy az igényeket a szélerőműveknek és az energiatárolós vízerőműveknek együttesen kellene ellátni. Az átlagos terhelést az egyszerűség kedvéért a piros egyenes jelöli, amely alatt a fogyasztói igényeket tehát a szélerőművek (zöldszínű mező) és az energiatárolós vízerőművek turbina generátoros üzemmódban (sárga mező) együtt látják el. A piros és szürke vonalak közötti szürke mező a szélerőműveknek azt a túltermelését ábrázolja, amely energiával a vízerőművek felső tározóit szivattyús motoros üzemben fel kell tölteni, hogy a sárga mezőknek megfelelő energiát fedezni legyenek képesek turbinásgenerátoros üzemmódban (a szürke és sárga mezők területei által reprezentált energiák
tehát azonos nagyságúak). A rövididejű piros csúcsok azokat a túltermelési időszakaszokat ábrázolják, amikor a szélerőműveket le kell állítani, vagy az energiát exportálni kell. A szerző szerint, hogy ez megvalósítható legyen, egy külön tárolási menedzserre lenne szükség, aki a meteorológiai előrejelzés alapján irányítja a tározós erőművek üzemét, a szélerőművi teljesítmény pillanatnyi alakulásától függően. Az ábrából adódóan néhány számszerű érték: 1. Az összes termelt energia (piros egyenes alatti terület): 4524 GWh 2. Az energiatárolós vízerőművek által termelt energia (sárga terület): 1357 GWh 3. A felső víztározók feltöltésére fordított energia (szürke terület): 1357 GWh (eltekintünk a hatásfoktól, azaz a veszteségektől) 4. A szélerőművek leállítása miatt meg nem termelt (vagy exportált) energia (piros területek): 452 GWh 5. Az energiatárolós vízerőművek maximális teljesítménye (amely az ábra szerint február 4 én mérhető): 6,3 GW. Tehát a vizsgált februári adatok alapján az energiatárolós vízerőműveknek 6,3 GW maximális teljesítményt kell leadniuk, és 1357 GWh villamos energiát kell a tárózott víz felhasználásával szolgáltatniuk. Minthogy az alapul vett Goldisthal vízerőmű 8 GWh tározós energiakapacitással rendelkezik (ennek megfelelő méretű felső tározótóval épült), összesen 169 ilyen erőműre lenne szükség a feladat ellátásához. Az ábrából az is megítélhető, hogy az energiatárolós vízerőműveknek milyen rugalmassággal kell rendelkezniük a szélerőművek teljesítményváltozásainak kiegyenlítéséhez. Ez az ábra csúcsainak meredek felívelő szakaszai alapján ítélhető meg. Ahol a csúcsok átlépnek a piros egyenesen, ott kell a vízerőműveknek turbinásgenerátoros üzemmódból szivattyús motoros ütemmódba átváltani, és fordítva a csúcsok eső görbeszakaszainál. Amilyen meredekségekkel a szélerőművi termelés változik, ugyanolyan ütemben kell a tározós vízerőművek teljesítményét ellentétes irányban változtatni, hogy a rendszerben (az energiaegyensúlyra jellemző) hálózati frekvencia szigorúan 50 Hz en tartható legyen. Ez a rendszerstabilitás elsődleges követelménye. 2015 decemberében Dél Ausztráliában a szélerőművek erőltetett kiépítése és a szénerőművek leállítása miatt nagy áramkiesések következtek be. A kormány azóta új energiapolitikát dolgozott ki, amely szerint a biztonságos energiaellátás érdekében a megújuló erőművek részesedése nem haladhatja meg a 35 % ot. A rendszerstabilitással kapcsolatban még el kell mondanunk, hogy pl. egy erőmű kiesése esetén az első tized másodpercekben a hagyományos erőművek turbina generátor gépcsoportjainak forgó tömegei (mozgási energiája) fékezi a frekvenciacsökkenést, majd a gőzturbinák fordulatszám szabályozói növelik automatikusan a teljesítményt (a turbinák gőznyelésének a növelésével). Ez az un. primer teljesítményszabályozás is elveszik a rendszerben, ha a dekarbonizáció keretében leállítják a hagyományos erőműveket. A szélerőművek és a naperőművek nem rendelkeznek ugyanis ezekkel a pozitív adottságokkal.
Fontolja meg tehát, aki a jövőben dekarbonizálással, azaz csak megújuló energiaforrásokból és energiatárolással kívánja a fogyasztói energiaigényeket ellátni, mert műszaki technológiai okokból az nem valósítható meg. Sok ország még tempósan halad ezen az úton, kettő már visszafordult, mások visszafordulóban vannak. A bűnöket nehéz bevallani. (Petz Ernő, 2018. 09. 02.)