PE Energia Akadémia 152 Adat tükör a német szélerőművekről Fiatal mérnökként és kezdő oktatóként a Műegyetem Hőerőművek Tanszékén már az első napokban kezembe került a VBG energetikai szakmai folyóirata, amelyik már akkor (1960) a világ alighanem legrangosabb energetikai szaklapja volt. Az akkori nyugatnémet nagy erőművek tulajdonosi egyesületének (Verein der Grosskessel Besitzer VGB) lapjaként jelent meg havonta. Rendszeres forgatása nagy szerepet játszott szakmai fejlődésemben. E folyóirat, magas színvonalán még ma is megjelenik. Legutóbb a VGB Powertech (6./2017) részletes elemzést 1 tett közzé a német szélerőművekről, amelyet több mint 150 diakép 2 egészít ki. Ezekből válogatunk néhányat, amelyekkel görbe tükröt állíthatunk a német Energiewende keretében épült szélerőművek eredményessége elé. A cikk második része az európai szélerőművi termelést fogja majd bemutatni. E folyóirat szakmaiságában és hitelességében maximálisan megbízhatunk! A cikk 2010 től elemzi a szélerőműves termelést. Az 1. ábra. a Németországban telepített összes szélerőmű 2016 évi termelését ábrázolja, pontosabban a hálózatra adott teljesítmény változását. 2016 év végére a szélerőművi parkok beépített összes teljesítőképessége elérte az 50 019 MW értéket. A szárazföldi (Onshore) széltornyok teljesítményének időbeli változását a kék színű tüskék, a tengerre telepített (Offshore) szélfarmokét a narancssárga függvény ábrázolja. Az első és legfontosabb észrevétel, hogy a teljesítmény (a szélviszonyoktól függően) rendkívüli módon fluktuál. Erre mi erőműves szakemberek azt mondjuk, hogy a termelés kényszermenetrendes (azaz nem a fogyasztói igénynek megfelelően változik, ill. nem ahhoz igazodva változtatható). 1. ábra. A szárazföldi (kék) és a tengeri (sárga) szélerőművek teljesítmény változása (2016) 1 https://www.vgb.org/studie_windenergie_deutschland_europa_teil1.html?dfid=84459 2 https://www.vgb.org/studie_windenergie_deutschland_europa_teil1.html?dfid=84458
A 2. ábra feltünteti az éves maximális és minimális értékeket. A maximális teljesítmény ( egy pillanatra ) 33 626 MW volt, ami a névleges teljesítménynek csupán 73 % a, a minimális érték 135 MW (0,3 %), és az éves közepes teljesítmény is csupán 8 756 MW volt. Erőműves szemmel nézve ezek elég siralmas értékek. Semmilyen erőműves kritériumnak nem tesznek eleget. A névleges teljesítmény elérése gyakorlatilag lehetetlen. 2. ábra. Éves maximális, minimális és közepes teljesítmény A 3. ábra a fogyasztói igény (terhelés) és a szélerőművi termelést ábrázolja együtt, amiből megítélhető a szélerőművek szerepe az országos áramellátás szempontjából. A halványszürke függvény a terhelés változását (Last) ábrázolja, amelynek éves átlagértéke 54 769 MW volt, szemben az említett szélerőművi 8 756 MW os közepes teljesítménnyel. 3. ábra. A fogyasztói terhelés (Last) és a szélerőművi teljesítmény viszonya
A különböző teljesítmények pontos értelmezésében a 4. ábra van segítségünkre. A generátorok kapcsán mért teljesítmények összege a bruttó termelés. Ha levonjuk ebből a saját önfogyasztást, kapjuk a nettótermelést. Ehhez adódik az import, ill. levonódik az export értéke. Tovább csökkenti a felhasználható teljesítményt az un. tározós vízerőművek teljesítményfelvétele (amelyek áramfelesleg esetén az alsó tározóból a felső tározóba szivattyúzzák a vizet). Ezzel adódik az erőművek szintjén értelmezett terhelés (Last). Ha ebből levonjuk a hálózati veszteségeket, kapjuk a villamos fogyasztók által felhasznált (igényelt) nettófogyasztást. 4. ábra. A termelés és a nettó fogyasztás kapcsolata A terhelés az ábra szerint szinte állandóan változik, nappal nagyobb, éjszaka kisebb, de ami fontos, hogy a mindenkori energiaegyensúly fenntartása érdekében éppen a fogyasztói igényt fedező teljesítményt kell az erőművi generátoroknak hálózatra adni, mivel a villamos energia nagy mennyiségben nem tárolható. Ennek az egyensúlynak a biztosítása a villamosenergia ellátás legnagyobb kihívása, amihez a rendszerben megfelelő kapacitású, a fogyasztói igények változását követni képes, un. menetrendtartó erőművekre van szükség. E feladatra a rugalmas gáz és olajerőművek, ill. korlátozottabb módon a szénerőművek és atomerőművek alkalmasak. A szélerőművek viszont semmiképpen, sőt rendkívüli feladat elé állítják a rendszerirányítót, hogy a széljárás szerint erősen fluktuáló áramtermelést a többi erőmű fel, ill. leterhelésével kiegyenlítse úgy, hogy az országos hálózatban egyetlen távvezetéken se következzék be túlterhelés. Ez Németországban ma már a bűvészkedés szintjére emeli a rendszerirányítást, miáltal folyamatosan romlik az ellátásbiztonság. A szélerőművek nagyobb része ugyanis Észak Németországban, ill. az Északi és a Keleti tengeren épült. A kapcsolatos, hálózati kényszerintézkedések száma egyre nő, 2016 ban meghaladta már az évi 6200 as értéket.
Az 5. ábra a szélerőművi névleges teljesítmény (P N ) és az éves maximális teljesítmény (P Max )változását ábrázolja, 2010 től 2016 ig. A görbék mindvégig széttartanak, tehát egyre inkább csökken a maximális teljesítmény viszonylagos értéke (P Max / P N ). 5. ábra. A névleges és a maximális teljesítmény alakulása A 6. ábra kiegészül a közepes (Pµ narancssárga) és a minimális (P Min piros) teljesítmény alakulását bemutató görbékkel. A mindenképpen biztosított (garantált) teljesítmény (piros görbe) mindvégig kisebb, mint egy százalék (P P < 0,01 P N ). 7. ábra. A maximális, a közepes és a minimálisan biztosított teljesítmény A későbbiek megértése céljából a 8. ábrán tájékoztató jelleggel bemutatjuk a szélerőművek teljesítményének a szélsebesség függvényében való változását. Kb. 3 4 m/s os szélsebességnél a szélerőmű üzembe vehető. Ezt követően a teljesítmény a sebességgel köbös összefüggés szerint változik (ez azt jelenti, ha a sebesség a kétszeresére nő, akkor a
teljesítmény nyolcszorosára változik). 14 m/s szélsebesség körül az erőmű eléri a névleges teljesítményét, e fölött névleges teljesítményt szolgáltat. 27 m/s körül a szélerőművet le kell állítani. 8. ábra. A szélsebesség és a teljesítmény kapcsolata A 9. ábra a közepes szélerőművi teljesítmény alakulását mutatja (2010 2016). A közepes teljesítményt a µ jelöli. A bal felső sarokban levő görbe a szélerőművi teljesítmény gyakoriságfüggvényét ábrázolja (piros színnel). 9. ábra. A szélerőművek teljesítményének gyakoriságfüggvénye Halványan a normáleloszlás görbéje is látható, amelyhez képest a szélerőművi eloszlásfüggvény erősen aszimmetrikus: lényegesen nagyobb gyakorisággal fordulnak elő a kis teljesítményű üzemállapotok. A közepes teljesítmény és a legnagyobb gyakorisággal előforduló teljesítmény különbsége az un. standard eltérés (σ). Az eloszlásfüggvény jellemző értékei még a μ-σ, a μ+σ, a μ+2σ, stb. teljesítményértékekhez tartozó gyakoriság értékek.
Ezek változása a 10. ábra alapján követhető. A görbék széttartóak, tehát az idő folyamán (a szélerőművek számának növekedésével) mindvégig nagymértékű az eloszlásfüggvény aszimmetriája. Ezt még inkább igazolja egy további jellemző, az un. variációs együttható (σ / μ) változása, amelynek évenkénti számszerű értékei az ábra alsó részén láthatók. Az értékek 1-hez közelítenek, 2015-ben és 2016-ban kismértékben csökkentek. Ez a mutató egyben az energiatermelés eloszlására is jellemző, ezért akár energetikai mutatóként is kezelhető (energiakínálat, azaz energiameteorológia ). 10. ábra. A gyakorisággörbe jellemzőinek változása (2010 2016 ) Az eddigi ábrákból levonható fontosabb következtetések: A szélerőművek beépített teljesítőképessége 2010 óta közel megduplázódott és meghaladta az 50 000 MW értéket. A szélerőművek által termelt villamos energia is gyakorlatilag duplázódott és évi 77 TWh fölé emelkedett. A szélviszonyoktól függő teljesítményváltozás nem normáleloszlású, lényegesen nagyobb valószínűséggel tapasztalhatók a kisteljesítményű üzemállapotok. A teljesítmény erősen fluktuál. A mindenképpen garantált teljesítmény a névleges teljesítmény 1 % nál kisebb. A helyettesítő erőművi kapacitás szükséglet ezért gyakorlatilag 100 %! A 11. ábrán a szélerőművek közepes termelésének 2015 évi változása (vastag kék függvény) látható. Összehasonlításul a halvány kék görbe a 2005 és 2014 közötti időszakhoz tartozó közepes termelést (µ) és annak szórási tartományát (világos kék mező) is ábrázolja. A szaggatottan ábrázolt függvények alapján a μ+1σ, a μ+2σ és a μ+3σ jellemző értékek változása követhető.
11. ábra. A szélerőművek közepes teljesítményének évi változása Érdekességként megállapítható, hogy a 2015 ös év oktobere és novembere a szélviszonyok szempontjából kivételesen jó időszak volt. A szélerőművek termelése először haladta meg a havi 10 TWh át, igaz ekkor a névleges teljesítmény 5,3 GW al növekedett. A 2016 os év is teljesen hasonló lefutású volt, de az októberi és novemberi termelési értékek nem érték el a havi 10 TWh értéket. Novemberben két, több napig tartó szélcsendes idő is volt. Külön bemutatása nem indokolt. Az erőművek hatékony működésének egyik fontos mutatója az évi csúcskihasználási óraszám (t cs h/év), amely azt mutatja meg, hogy az év során a ténylegesen megtermelt villamos energiát állandó névleges teljesítménnyel üzemelve hány óra alatt lenne képes az erőmű hálózatra adni. Ennek mértékegysége tehát óra/év (h/a). A nagy kihasználású alaperőművek elérik akár a t cs = 6000 7500 h/a értéket is (egy évben 8760 órával számolunk). E mellett használatos a kihasználási tényező, amely hatásfok jellegű: η A = ténylegesen termelt energia/elméletilreg termelhető energia. A 12. ábrán a németországi szélerőmű park kihasználását jellemző számszerű értékek láthatók 1990 től 2016 ig. Az átlagos értékek (piros vonal) : t cs = 1482 h/a, ill. η A = 16, 9 %. Röviden: ezek az értékek siralmasok, még az un. csúcserőművek kihasználását sem érik el, de hát azokat kis beruházási költséggel csúcsviteli ütemmódra tervezik. Pl. a Paksi Atmerűmű, mint igazi alaperőmű kihasználása évről évre 90 % körül mozog, és ezzel a legjobban kihasznált atomerőművek közé tartozik. Tovább rontja a szélerőművekkel termelt áram piaci értékét, hogy csak kis valószínűséggel áll a fogyasztói csúcsidőszakokban rendelkezésre, amikor a legnagyobb szükség lenne rá. Nem lehet előre tervezni, nem építhető rá a biztonságos energiaellátás, hiszen a szélcsendes időszak bármikor bekövetkezhet. Következésképpen nem javítja, hanem rontja a rendszerszintű ellátásbiztonságot. Mindezek
ellensúlyozása jelentősen megnöveli az áram fogyasztói árát (Európában a német árak a legmagasabbak). 12. ábra. A kihasználási óraszám (h/a) és a kihasználási tényező (%) változása (1990 2016) Összehasonlításul a 13. ábra más léptékben a dániai szélerőművek csúcskihasználási óraszámait is feltünteti (narancssárga függvény). Az értékek jelentősen meghaladják a német (kék) értékeket, mivel Dániában a szélerőművek nagyobb hányada a tengerre épült, ahol a szélviszonyok kedvezőbbek. Az ábra halványkék színnel az európai országokhoz tartozó mezőt is feltünteti, mely szerint Németország inkább a mező alján helyezkedik el, míg Dánia egyre jobban a mező felső határát ostromolja. 13. ábra. A kihasználási óraszám változása (2000 2015)
Több európai országra kiterjedő számszerű értékeket, összehasonlításul a 14. ábra foglal össze. Az első oszlopban a csúcskihasználási óraszám értékei, a másodikban a minimálisan biztosított (garantált) teljesítmény értékei szerepelnek a névleges teljesítmény százalékában. Az első sor (kék színnel) a németországi adatokat tartalmazza. Az első oszlopban, zárójelben a németországi értékhez viszonyított százalékos eltérés szerepel. Az adatok alapján megállapítható, hogy a kihasználás mindenütt nagyobb, mint Németországban, több országban az eltérések jelentősek (Írországban pl. +48%). Ebből is arra a következtetésre juthatunk, hogy Németországban a szélerőművek telepítése túlhajtott. 14. ábra. A szélerőművek hatékonysági adatai az európai országokban A minimálisan garantált teljesítményben nincsen lényeges eltérés, mindenütt rendkívül alacsony (kisebb, mint a névleges teljesítmény 1,1 % a), minthogy mindenütt vannak kritikusan szélcsendes időszakok. Ezért gyakorlatilag mindenütt 100 % os helyettesítő kapacitásra van szükség. Az ezzel kapcsolatos problémakör a következő ábrákkal még inkább megvilágítható. A 15. ábra példaképpen egy rendkívül kritikus időszakot mutat be (2011. november). Nov. 16 a és 23 a között olyan mély szélcsend uralkodott, hogy az országos szélerőművi átlagos teljesítmény csupán 1000 MW ot ért el, miközben az országos terhelés átlagos értéke 60 000 MW volt, ami a szélerőművi termelés 60 szorosa. Mivel ekkor a szélerőművek névleges teljesítménye 28 712 MW volt, a helyettesítő erőműveknek 27 712 MW ot kellett átvállalniuk. Tehát legalább ekkora tartalékkapacitást kellett un. forgó tartalékként üzemben tartani, amellyel a közben bekövetkező fluktuációkat is folyamatosan kompenzálni kellett. Erre értettük korábban, hogy ez már bűvészkedés szintű rendszerirányítást követel. Egyébként egész hónapban gyenge volt a szélmozgás, kismértékű javulás nov. 25 e után következett be. A maximális teljesítmény ekkor sem érte el a 20 GW ot.
15. ábra. A szélcsendes időszakok problémája (2011. november) A rendszerirányítóknak még nagyobb a gondja, ha erősen fúj a szél, amelyre a 16. ábra mutat példát. Ilyen időszak volt a már hivatkozott 2015 ös év vége. Az ábrán a novemberi termelés függvénye látható. A havi termelés átlépte a korábban el nem ért 10 000 TWh értéket. A maximális csúcsok a 30 000 MW ot is meghaladták. Külön pech viszont, hogy a minimális teljesítmény is csúcsot döntött, a csupán 153 MW al. A gond ekkor, hogy e nagy teljesítmény elsősorban Észak Németországban jelentkezik, ahol jelentős teljesítményfelesleg mutatkozik (minthogy a hagyományos erőműveket nem lehet ilyen bizonytalan kimenetelű időszakokra leállítani). A felesleges áramot viszont nem lehet Dél Németországba szállítani (ahol pedig áramhiány van), mivel még nem épültek ki az É D irányú nagyteljesítményű távvezetékek (földkábelek). Néhány közép németországi távvezeték szakasz túlterhelődésének elkerülése érdekében a felesleges áramot a szomszédos országokban értékesítik, ill. Lengyelországon és Csehországon keresztül juttatják vissza Dél Németországba. Nem ritkán előfordul, hogy az áramtőzsdén ilyenkor negatív áron értékesítik az áramot (azaz fizetnek azért, ha a felesleget átveszik). Virágnyelven szólva ez nem szolgálja a jószomszédi viszonyt, minthogy a kiszámíthatatlanul átömlő áram a szomszédos rendszerek stabilitását is veszélyezteti. Mindez úgy lenne elkerülhető, ha a felesleges energiát tárolni lehetne, és a tárolt energiát a szélcsendes völgyidőszakokban vissza lehetne táplálni a rendszerbe. Igenám, de a szélerőművek jelenlegi kapacitása mellett nem képződik ehhez elegendő túltermelés. Ahhoz, hogy a völgyidőszakok kitöltéséhez elegendő túltermelés álljon elő, a jelenlegi kapacitás többszörösét kellene beépíteni, és ehhez igazodó hatalmas energiatárolási kapacitást kellene létesíteni. A technika mai színvonalán elvileg két tárolási lehetőség jöhetne szóba: a tározós vízerőművek, ill. a Power to Gas technológia. Utóbbi esetben a túltermelési árammal vízbontás útján Hidrogént állítanak elő, majd azt a völgyidőszakokban az erre külön
16. ábra. Szélerőművi termelés erős széljárás idején létesítendő gázerőművekben áramtermelésre hasznosítják. Persze közben a hidrogén tárolását is meg kell oldani. Iszonyúan költséges megoldás: létre kell hozni a szükséges (legalább tízszeres) szélerőművi többlet kapacitást, meg kell építeni a vízbontó állomásokat, a gáztárolókat, és végül az említett új Hidrogéntüzelésű erőműveket. Eddig csupán néhány kis teljesítményű kísérleti vízbontó állomást építettek. Mindezt átgondolva teljesen illúziónak kell tekinteni a párizsi klímaegyezmény alapján megfogalmazott, un. dekarbonizációs célkitűzést, mely szerint 2050 ig az energiatermelésből teljesen kiszorítandók a hagyományos (fosszilis, azaz a szén, olaj és gázalapú) energiahordozók (nem csak a villamosenergia termelésből, hanem a hőellátásból, valamint a közlekedésből és a szállításból is). A tározós vízerőművek technológiája már érett és bevált technika (igaz, hogy csak nappaliéjjeli ciklusokra alkalmazva). Németországban számos kisebb nagyobb ilyen erőmű üzemel (összesen 6500 MW kapacitással), a legnagyobb 1060 MW teljesítőképességű (Goldisthal/Türingia). De azért végezzünk egy előzetes nagyvonalú számítást a 17. ábrán látható Hochanwarte II. tározós vízerőmű (Türingia) adataival: 2010 óta minden évben előfordult akár 10 14 napig tartó teljesen szélcsendes időszak A téli időszakban az átlagos napi fogyasztás: 1,5 TWh A két hetes összes fogyasztás: 21 TWh A Hochenwarte II. erőmű teljesítőképessége: 320 MW Az erőmű energiatárolási kapacitása (egy tárózási ciklusban): 0,0021 TWh A szükséges ilyen erőművek száma a kéthetes szélcsendes időszak energiaellátásához: n = 21 TWh / 0,0021 TWh = 10 000 Azaz, tízezer Hochenwarte II. nagyságú tározós vízerőműre lenne szükség, ami egyszerűen szólva megvalósíthatatlan. A teljes dekarbonizáció esetén ugyanis már nem állnak rendelkezésre a hagyományos helyettesítő erőművek, ezért az energiatárolás mindenképpen megoldandó lenne.
A jelenlegi (Németországi) tározós vízerőművek összes energiatárolási kapacitása (egy tárózási ciklusban) 0,04 TWh, amely természetesen még bővíthető, de az idevonatkozó vizsgálatok szerint egész Európában is csak mintegy 2 3 TWh tárolási kapacitás kiépítése tekinthető reálisnak. Tehát a tározós vízerőművi technológia alkalmazása járható út, de csak töredékes részleges megoldásra alkalmas. 17. ábra. A Hochenwarte II. tározós vízerőmű látképe és adatai A fentiek ismeretében a jelenleg érvényes energiapolitika alapján vajon milyen jövőre lehet számítani Németország áramellátásában? Az opciós lehetőségek: Atomenergia Politikailag nem kívánatos Szén Politikailag nem kívánatos (a CCS technológiával együtt sem) Gáz Helyettesítő (áthidaló) technológia (importfüggőség) Biomassza Korlátozottan áll rendelkezésre (részben az élelmiszertermelés konkurense) Vízenergia Korlátozottan áll rendelkezésre (gyakorlatilag kihasznált) Napenergia Önmagában nem elegendő, helyettesítő technikát igényel (éjszaka nem termel) Szélenergia Önmagában nem elegendő, helyettesítő technikát igényel (erősen fluktuál) Áramimport Korlátozottan szóba jöhet Mindez együttesen nem túl biztató. Az ismertetett tényadatok alapján megállapítható, hogy Németország energiapolitikája, az un. Energiewende a jövő szempontjából elég bizonytalan, noha rendkívül költséges. A teljes dekarbonizáció meghirdetése irreális célkitűzés. Egyre többen sürgetik a zsákutcából való visszafordulást. Újabban a CDU kormányzó párton belül is erősen támadják az Energiewende t (Berlini Kör). Egyelőre folyik a harc! Az Energiewende tisztán politikai termék. (Petz Ernő, 2017. 07. 10.)