3-5 July, 2013 Budapest University of Technology and Economics, Hungary A MAGYARORSZÁGON LÉTESÍTETT SZÉLENERGIA KAPACITÁSA ÉS STRUKTÚRÁJA Wind Energy Capacity and Structure in Hungary L. Tóth Prof. Dr. DSc. SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary (A Magyar Szélenergia Tudományos Egyesület Elnöke, (President of Hungarian Wind Energy Scientific Association) Tel.: +36 28 522000, E-mail: toth.laszlo@gek.szie.hu N. Schrempf Dr.,Assoc. Prof., SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary, Energetika Tanszék. Tel.: +36 28 522000, E-mail: schremp.norbert@gek.szie.hu *Szent István University, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Energetics Összefoglalás Napjainkban is igen jelentősek a fejlesztési munkák, sokféle elképzelés van a szélerőművek hatékonyságának növelése és jobb kihasználhatósága céljából. Hazánkban a számottevő kapacitás bővítés 2006-ban kezdődött és 2010-ig tartott. Ekkora betelt a kiadott kvóta és azóta nincsenek újabb létesítések. évben megtorpant, miközben jelentős beruházási kedv figyelhető meg. A megépült szélerőmű kapacitás 330MW, s korszerű egységekből áll, igazodva a Magyarországi szélviszonyokhoz a területi széljárásokhoz. Ennek köszönhető az igen előnyös termelés (740 GWh/év) és a jő kihasználási tényező (24,1%), amellyel 2012-ben a negyedik helyet foglaltuk el az Európai országok listáján. Ezzel ~220 millió m 3 /év földgázt takarítottunk meg, miközben ~400 000tonna CO 2 kibocsátást is elkerültünk. Nem vitatható, hogy 9-10 éves megtérülésük után olcsóbb energiát termelnek, s kijelenthető, hogy a létesítésük pénzügyi szempontból is a társadalom egyik leginkább perspektivikus beruházása. Elemzéseink az igazolják, hogy 2020-ra Magyarország igen ambiciózus megújuló energia felhasználásra irányuló tervét a szélenergia jelenleginél jelentősebb felhasználása nélkül nem valószínű, hogy teljesíteni tudja. Kulcsszavak: Szélerőművek, Magyarország szélenergia kapacitása, Szélenergia költsége Az előadás elkészítését a TÁMOP 4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0003 számon nyilvántartott AZ OKTATÁS ÉS KUTATÁS SZÍNVONALÁNAK EMELÉSE A SZENT ISTVÁN EGYETEMEN című program támogatta. Summary: Nowadays there are significant development projects and ideas about increasing wind power plant efficiency. In Hungary, wind energy capacity increased in the years between 2006 and 2010. At the end of this period the quota was fulfilled, and since then there are no new investments, although there is a big demand for new projects.
The current wind energy capacity is 330MW, built of modern units, which are designed for the Hungarian wind circumstances. Because of this energy production is very good (740 GWh/year) and the capacity factor (24.1%) is good as well (the 4 th best in Europe in 2012). With this we save approx. 220 million m 3 /year natural gas whilst we avoid ~400 000 tons of CO 2 emission. It is a fact that wind power plants (after the return of investment -9-10 years-) produce cheap energy. From financial side wind power plant utilization is one of the most perspective investments. Our analysis points out that the ambitious plan of Hungary for 2020 (the increasing of renewable energy utilization) is unlikely to be met without wind energy utilization. Key words: Wind Power Plant, Wind Energy Capacity in Hungary, Cost of Wind Energy 1. ELŐSZÓ A szélenergia hazai fejlesztések áttekintése Az 1980-90-es években a mérőoszlopokon végzett energetikai célú szélmérések azt bizonyították, nagyobb magasságban (100-120m) Magyarország megkülönböztetett területein megfelelő, a szélerőművek működtetéséhez alkalmas szélviszonyok uralkodtak. Az első, kifejezetten szélerőmű telepítésre vonatkozó mérést (1998-99), a Kisalföld térségében a SZIE munkatársai. 2002-ben az első villamos hálózatra kapcsolt 600 kw teljesítményű, Enercon gyártmányú 65 m oszlopmagasságú szélerőmű - ugyancsak a SZIE mérései alapján - az ország középső részén, Kulcs település térségében létesült (hazai forrásokból az E-ON RT közreműködésével). Az erőmű kedvező vizsgálatai eredményei alapján lezárult azon vita, hogy Magyarország területe gazdaságosan alkalmas-e szélenergia hasznosítására. 2005. évben az új VILLAMOS ENERGIA TÖRVÉNY úgy rendelkezett, hogy a szélből termelt villamos energiát az állam támogatja, az ún. KÁT támogatás keretén belül. E támogatás lehetővé tette, hogy a szélenergia beruházások a vállalkozók részére 9-11 év alatt megtérüljenek. Ezt követően a kormányzat a hazai bejegyzésű vállalkozások részére ún. széltendert írt ki: 330 MW teljesítmény létesítésére. A túljelentkezés és az elbírálások körüli bonyodalmak ellenére a nyertesek a ~330 MW kapacitást, a mérések és értékelések során javasolt korszerű berendezések felépítésével megvalósították. 2. A MŰSZAKI- ÉS KAPACITÁSFEJLŐDÉS JELLEMZŐI Hazánkban, hasonlóan más szárazföldi országokhoz - a természeti adottságoknak megfelelően - a nagy energiatartalmú szelek 80-200 m magasságban vannak, ezért az oszlopok kellő magassága igen lényeges. Növekvő tendenciájú a lapátkerekek átmérője (egyre inkább D>100m), hiszen a teljesítmény a szélsebesség mértéke mellett a lapátkerék által súrolt felület nagyságától függ. A szélerőművek maximális várható teljesítménye (W p jelzés is használatos): 16 1 3 Pmax = ρ A v (kw) 27 2 ahol ρ - a levegő sűrűsége [kg/m 3 ], A a vizsgált (rotor által súrolt - D 2 π/4) felület [m 2 ], v - a zavartalan szél sebessége a leszabályozásig [m/s].
A szélsebesség fontossága a v 3 hatvány miatt jól értelmezhető. Ezért az építések előtti fontos a pontos jellemzőinek a meghatározása az erre célra létesített mérőtornyokon (1. ábra). Alapvető fontosságú a v változását a talajtól kiindulva a 2. ábra szemlélteti. Konkrét típusú szélerőműnél az adott szélsebesség tartományhoz tartozó teljesítmény (P x ): 1 3 Px = c px ρ A vx (kw) 2 Ahol a c px = az n számú tartományra osztott szélsebesség átlagértékei (v nx ) alapján, a besorolás szerinti adott szélsebesség tartományhoz tartozó teljesítménytényező. (Függvénye az aerodinamikus, a villamos és a mechanikus hatástényezők együttesen, kísérletekkel kerül meghatározásra. E függvényeket: szélsebesség és teljesítmény (P-v), valamint a szélsebesség és teljesítménytényező (c p -v) diagramokat a gyártók szolgáltatják). 1,5 m/s H (m) Generátor v (m/s) 1. ábra Hazai fejlesztésű 85 m magas mérőtorony Az ábra jelei: 1- műszerdoboz, 2- adatrögzítő, 3- adattovábbító, 4- anemométer(kontrol),5- anemométerek 30, 60 és 80 m magasságban, 6- szélirány érzékelő, 7 energiaforrás (napelem, PV), 8- jelzőfény, 9- páratartalom, 10- légnyomás. 2. ábra A 85 m magas szélmérő oszlopon mért adatok alapján számított átlagos szélprofil (a szélsebesség különbség - 1,5 m/s- a 60 és a 100m gondolamagasságú gépnél) A c p -v diagramban a c p legnagyobb értékénél található a P n = névleges teljesítmény. A szélerőmű éves mért energiatermelése (kwh/év) és a névleges teljesítmény alapján meghatározható a kihasználási szám (K F ): E K F = 8760 Pn A K F értékét tizedes formában pl. 0,16-0,45, vagy százalakosan adják meg 16-45%. A K F értéke és a 8760 (az évben lévő órák száma) szorzata megadja az éves névleges kihasználási órák számát, ami h n /év (pl. 8760 x 0,23 = 2014,8 h/év a P n teljesítményen). Hazai kalkulációk
szerint 2000h n /év névleges teljesítményen (P n ) a gépek üzeme gazdaságos, s a KÁT támogatással 9-10 év alatt a beruházások megtérülnek. Szélerőmű létesítések a világban A szélerőmű gyártás ma a világon a legdinamikusabban fejlődő iparág. Az évente épített kapacitásokat szemlélteti a 3. ábra a legnagyobb beruházókra vonatkoztatva. 2007-ig a három másikkal szemben Európa első volt, 2008-ban az USA megelőzte, s 2009- ben már Kína is. Jelenleg Kína egymaga annyit épít, mint Európa és az USA együttesen. Ha elfogadjuk a 4. ábra szerinti WWEA becslést akkor 2020-ban (egy év alatt) ugyanannyi kapacitást kell létrehozni, mint amennyi az elmúlt 10 év alatt épült. Ez 240 milliárd dollár/év beruházást igényel! Összesen a 2020. év végéig 1000-1200 milliárd dollár beruházást igényel a feltételezett igény. Ez hatalmas gyártó és fejlesztő bázist igényel. Ebben és egyéb megújuló energia iparban (gyártásban, munkahelyteremtésben szellemi és fizikai egyaránt) csak akkor lehetünk szereplők, ha magunk is felhasználók vagyunk és felhasználjuk korporatív előnyeinket a térségünkön belül. 3. ábra A világ szélenergia kapacitásának fejlődése 2020-ig. (Forrás: WWEA-2011. A szerző megjegyzése: Ez ideig a WWEA minden hosszabbtávú becslése alulértékeltnek bizonyult. 2013. év elején viszont módosított és 800000-1200000 MW-ra becsüli. A világban a kisméretű, un. háztartási méretű szélerőművekből ~700000 egység üzemelt 2012-ben (4. ábra), egységenként átlagosan 0,2-0,6kW teljesítménnyel. E berendezések 50%-a Kínában 25%-a az USA-ban működik (Hazánkban jelenleg 200-250 egység üzemel). Energetikai jelentőségük nem számottevő, lokálisan oldhatnak meg energia ellátási problémákat (gyakran szimbólumként jelennek meg a fenntarthatóság példájaként).
4. ábra Kisméretű szélerőművek (SWT = Small Wind Turbines) kapacitásának fejlődése napjainkig és a jövőben (Forrás: WWEA 2012, 11th World Wind Energy Conference) Az utóbbi években a legnagyobb fejlesztéseket Kína hajtotta végre (5. ábra). 2006. évig Európának vezető szerepe volt a világgal szemben. 2008, évben az USA, majd 2009. évben Kína is megelőzte Európát és 2011. évben Kína egymaga többet invesztált, mint Európa és USA együttesen. 5.ábra A fejlődési trend napjainkig a világban (2008-tól a többi-t 3 részben jellemezve) Adatforrás: Mind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. Az EU 27 országok nemzeti cselekvési tervei alapján 2020-ra a 2010. évi kapacitás közel háromszorosa lesz. Az eddigi trend ennek megvalósíthatóságát igazolja (6. ábra).
6.ábra Az EU27 országainak cselekvési tervei alapján a szélenergia kapacitás változása Adatforrás: Wind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. 3. TERMELÉSI KÖLTSÉGEK Az erőművek kihasználása A szélerőművek termelési egységköltségét az évi 2000 óra kihasználás mellett szokás megadni. A hazai erőműpark korszerű, a hazai szélviszonyokhoz igazított. Ezért is vagyunk előkelő helyen az erőmű kihasználásban az országok sorrendjében (7. ábra). Sajnos az egy főre vetített szélenergia termeléssel az EU 27-ben az utolsó előtti negyedik helyen vagyunk. 7.ábra A szélerőműve kihasználtsága (h n /év) az EU 27 országaiban (sorrendben 2190h n /év értékkel a 4. helyen vagyunk) Adatforrás: Wind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. A termelési egységköltség és a beruházások költsége A 8. ábrán a nagyobb fajlagos beruházási költséget igénylő tengeri (felső görbe) és a szárazföldi gépek termelési egységköltsége létható az éves kihasználási óraszám függvényében (2008. évi árakon). A tengeri és szárazföldi gépek nem csak anyagukban (a tengeri korrozív viszonyok miatt),
hanem kivitelben is eltérnek. A szárazföldi típusokat a magas oszlopok és nagyátmérőjű rotorok jellemzik, de a lapátszög-változtatás (pitch- control) gyorsabban megy végbe, hogy a változó szálsebességeket nagyobb hatékonysággal hasznosítsák. 8.ábra A szélerőművek termelési egységköltsége a kihasználási óraszám függvényében és a fejlesztések révén a csökkenés a 2020-as és 2030-as évekre (felső görbe a nagyobb beruházást igénylő tengeri rendszer). Adatforrás: Wind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. Ahogyan a 9. ábra diagramjaiból is látható jelenleg a tengeri szélből előállított villamos energia drágább. A jelenleg is folyó igen intenzív fejlesztések révén várhatóan a fajlagos beruházási költségeik közötti eltérés mérséklődik (lásd 9. ábrát). A tengeri szélerőműveknél a 2020-as évekig igen jelentős fajlagos költségcsökkenéssel lehet számolni. 9.ábra A szálerőművek fajlagos beruházási költségeinek változása Adatforrás: Wind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. Az energiaárak változása kihívás elé állítja a villamos energia ellátás biztonságát, hiszen az időszakos olcsó nagy többletek a hálózaton az alacsonyabb kínálati árak miatt kiegyenlítési kényszereket indukálnak, boríthatják a tőzsdei árakat. Azoknál a szélerőműveknél, ahol a beruházások már megtérültek (nincs kamat és törlesztő részlet), a termelést csak az alacsony externáliás költségek terhelik, s nincs üzemanyag költség, ami a hagyományos erőműveknél az egyik legjelentősebb tétel, tehát igen versenyképes piaci árak érhetők el. Költségösszetevők
Példaként vizsgáljuk meg a szélenergia költségének hosszabb távú, élettartam alatti alakulását. Egy ilyen igen leegyszerűsített - folyamatot szemléltet a 10. ábra. Az üzembeállítást követően az energia árában a tőke-visszatérítés és a kamatköltség a meghatározó (KÁ időtartam), a karbantartás, biztosítás és járulékos költségek (adók, jutalékok stb.) nem érek el az összes költség 25-30%-át. Viszont az még jelenleg is 15-20%-al magasabb, mint a villamos energia piaci ára (PA). Ezért a szélerőmű a megtérülési időszakában (min. 8-10 év) támogatásban részesül (TA = KÁT). Tehát TA+PA árat realizál az átvevőtől, s ezzel eleget tud tenni fizetési kötelezettségeinek. Az említett két fő kötelezettség kiegyenlítését követően az előállítás költsége a töredékére 25-30%-ára esik vissza (ÖK 1 ), s ez a költsége az élettartama miatti javítási és kiszabályozási költségek miatt növekszik (ÖK 2 -re). Ebben az időszakban (T) a villamos energia átlagára és a szélenergia költsége közötti különbség jóval nagyobb, mint a korábban kapott támogatás. Állami beruházásnál a különbség (a profit) az államé (a társadalomé), tehát a beruházás társadalmilag kifejezetten gazdaságos. Ezért is várható, hogy pl. Németországban a szélenergia egységára 2015-2016. években már a piaci átlagár alatt várható, hiszen a 2006. évek előtt épült szélerőművek már megtérülnek. Az egyszerűség miatt nem számoltunk kibocsátási externáliák elkerülésének hozadékával. 10.ábra A szélenergiából termelt villany költségének alakulása a szélerőmű élettartama alatt. Az ábra jelölései: PA = villamos energia jelenlegi piaci ára TA = állami támogatás (KÁT, v. METÁR) A = villamos energia árának növekedési trendje B = a támogatás növekedési trendje I-L = a berendezés élettartama = KÁ + T KÁ = a támogatás fizetésének időtartama T = A támogatás és a hitel visszafizetése utáni élettartam ÖK 1 = a szélenergia előállításának önköltsége (működési, kiszabályozási, javítási, fenntartási költségek) a KÁT megszűnése után T 1 = a villamos energia piaci árának és a szélenergia előállítási költségének különbsége (a KÁT végén) C = a szélből villamos energia előállításának trendje (növekvő üzemeltetési, javítási és karbantartás költségek miatt) ÖK 2 = a szélenergia előállításának önköltsége (működési, kiszabályozási, javítási, fenntartási költségek) a KÁT megszűnése után, a gép leszerelésekor. T 2 = a villamos energia piaci árának és a szélenergia előállítási költségének különbsége a lebontás idején T 1, T 2, A és C terület= a társadalom által elért nyereség a szélenergia használata révén (A KÁT befektetés értékének min a 3-4 szerese)
11.ábra Prognózis a várható piaci árakra (Tombor 2008, WWEA 2007, és mások) 4. A HAZAI HELYZET A meglévő kapacitás A Magyarországon megvalósult gépek 90%-ánál a gondolamagasság a hazai szélviszonyokat követve 90-120 m és a teljesítmény 2,0MW. Az építés ütemét a 12. ábra szemlélteti. A termelés a tervezettnek megfelelő 610-700 GWh/év. Az ebből számítható országos átlagos kapacitás kihasználási tényező ~21-24 % (ebbe bele kell érteni a leállásokat is). Egyes parkoknál 23-25%-os értéket is kimutattak. Megállapítható, hogy a megelőző mérések és a segítségükkel készített széltérkép becslése megfelelő. A jelenlegi szélerőmű kapacitás évente ~200 millió m 3 földgáz kiváltását eredményezi, miközben ~400 000tonna CO 2 kibocsátást is elkerülünk. 12.ábra Magyarország szélerőmű kapacitásának alakulása (V = változatlan, Q = új építés nem valószínű) A Nemzeti Cselekvési Terv alapszáma Az NCST szerint 2020-ig a 14,65 %-os megújuló program keretében a tervezett ~ 1530MW megújulós villanyból 750MW a szélenergia, tehát a jelenlegi 330MW-hoz (Lásd 1. ábra) további 410MW szélerőmű kapacitást kell létesíteni. 2009. évben a 410 MW kapacitásra tender kiírására került sor is került, amelyre mintegy ~1100MW-ra pályáztak hazai- és hazai bejegyzésű külföldi cégek. A kiírás ellentmondásai miatt
a kvóta nem került kiosztásra. Sikeres pályáztatás esetén is legfeljebb (a gépszállítási határidőkre figyelemmel) 2015. második félévében létesülnek újabb kapacitások. Figyelemmel más megújuló energiahordozókkal kapcsolatos trendekre, a várható támogatási feltételekre a hazai vállalás csak a szélerőművek jelentősen nagyobb mértékű építésével valósítható meg (Az indoklást lásd részletesebben a [2]. cikkben). A szélerőművek beruházásai eddig sem kaptak állami támogatást. A beruházási, vállalkozói kedv nagy, már három évvel ezelőtt is mintegy 1000-1200 MW kapacitást jelentő beruházási-terv kivitelezésre alkalmas stádiumban volt. Ha kitűzött NCST cél szerinti villamos kapacitást 2020- ra el szeretnénk érni, akkor 900-1000MW megépítésére lenne szükség. Ezzel 2020 év végére ~1300MW kapacitás működne. Természetesen a beruházni szándékozók csak akkor invesztálnak, ha tőkéjük megtérülését biztosítottnak látják. Magyarországon a létesítésbe az állam közvetlen tőkét nem invesztál, csak a szükséges mértékű KÁT támogatást adja, mint minden megújulóra. Az állam által megelőlegezett KÁT megjelenik az áram eladási árában tehát viszonylag rövidtávon visszatérül. Ha e költséggel nem kívánná emiatt a villany árát növelni, akkor érvényesíthetné a korábban bemutatottnak megfelelően a megtérülés utáni időszakban a termelőknél, hiszen ekkor már jelentős a profitjuk. A szélenergia felhasználás révén csökken az ország fosszilis energia függősége és a CO 2 eladásból bevétele is származik. Tehát az állam mindenképpen előnyt élvezhet. A korszerű szélerőművek bizonyított és garantált élettartama 20 év, de a szakszerű szervizeléssel és állagmegóvással - a tapasztalatok szerin - 25 évnél nagyobb a várható tényleges élettartam. A jövőben a becslések szerint vitathatatlanul fajlagosan olcsóbb lesz a szélerőművekben termelt áram, mint a szén- vagy gázerőművekben, a teljes termelési költséget figyelembe véve. Nem elhanyagolható a technológiai fejlődés és a növekvő tüzelőanyagköltségek. Konkrétan, ha egy magyarországi korszerű szélerőmű befektetési költsége megtérül (mai támogatás mellet ez ~10 év) az előállított villamos energia költsége a kiszabályozási költségekkel együtt 8-10Ft/kWh-ra mérséklődik. Ennél olcsóbb energia nincs, és ezt még legalább 10 évig produkálják (de nem kizárt a 20 év sem). A szélenergia, amint a többi természetfüggő megújuló, hálózati a kiegyenlítést igényelnek. 13. ábra Egy hazai 7db 2MW-os egységből álló, 6 km hosszúságban elnyúló szélparkban az egyes gépeinek és a park összesített teljesítménye
A 13. ábra jól szemlélteti, hogy egy hazai 7db 2MW-os egységből álló, 6 km hosszúságban elnyúló szélparkban az egyes gépek között ~5órás időtartamban 300-400% eltérések is adódtak a szél horizontális egyenetlensége miatt, miközben az park átlagos (összes = Σ) termelése a felpörgési és leállási résztől eltekintve 30-35%-ot változott. Tehát a parkoknak önmagukban, de országosan is jelentős kiegyenlítő hatásuk van. Fontos megjegyezni, hogy a szélerőműveket üzemeltetők nem zárkóznak el a kiszabályozási költségek átvállalásától, de szükség szerint a visszaterheléstől sem. A hazai szélparkoknál végzett kalkulációk szerint a kiszabályozás piaci árfüggő. A hazai szélpark tulajdonosoknál a kiszabályozási átlagár (2011-2012. években) 0,8-1,5Ft/kWh értékre adódott. Tehát lényegesen nem befolyásolja a termelési költséget. Fontos megjegyezni, hogy a jelenleginél nagyobb kapacitásoknál sem lehetetlen a hazai villamos rendszer kiszabályozása, mivel a tartalék kapacitás a villamos energia rendszerben ma is jelen vannak. Igen jelentős a maradó teljesítmény, amely az összes- és a rendszerirányítási tartalék különbsége. Az utóbbi években épült és kiszabályozásra alkalmas, igen kedvező hatásfokú CCGT erőművek kihasználtsága igen alacsony. Gönyűn, a hazai szélerőműveink közelében létesült 433MW-os CCGT erőmű kihasználása (az üzembeállítása óta) csak egy hónap során érte el a 60%-ot. A hazánkban a meglévő erőmű kapacitás ~9000MW, a csúcsfogyasztás maximuma ~6000-6500MW, miközben naponta átlagosan 1000-1500MW importot veszünk igénybe. Tehát nem fogadható el azon állítás, hogy a meglévő 330 MW szélerőmű kapacitás, vagy annak akár 3-4 szerese is megoldhatatlan szabályozási gondokat jelentene, miközben nő a határkeresztező vonalak teljesítménye is. Irodalom [1.] Tóth G. Schrempf N. Tóth L. (2005): A szélenergia prognosztizálása, üzemi tapasztalatok, MTA AMB, K + F Tanácskozása Nr. 29 Gödöllő. [2.] Tóth L.- Schrempf N. : (2012) Szélenergia helye, várható szerepe Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Tervében (MCST) ENERGIAGAZDÁLKODÁS 53. évf. 5. szám [3.] Tóth L. Horváth G. (2003): Alternatív energia, Szélmotorok, szélgenerátorok, Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, 93-124. p., 281-321. pp. [4.] Wilkes J. Moccia J. Dragan M.: (2012) Wind in power, European statistics (EWEA) http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/statistics/stats_ 2011.pdf [5.] Stróbl A.: (2012) Tájékoztató adatok a magyarországi villamosenergia-rendszerről, A piacnyitás (2003) óta eltelt időszak fontosabb adataiból, MAVIR, 2012. április 15. kézirat, ábragyűjtemény [6.] Stróbl A.: (2013) Energetikai tájékoztatások szakirodalomból (ábragyűjtemény) [7.] www.eurobserv-er.org. Wind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. [8.] Tóth, G. Tóth, L. Horváth, G. Berencsi B. (2007): A hazai energia célú széltérkép elkészítésének feltételei. = MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás. Gödöllő, Gödöllői Agrártudományi Egyetem FVM Műszaki Intézet, 2. kötet 148-153. p. HU ISSN 1419-2357, HU ISSN 1419-2365 [9.] Small Wind World Report 2012 Summary, BONN, 3 5 JULY 2012 Germany
CAPACITY AND STRUCTURE OF THE INSTALLED WIND POWER PLANTS ON HUNGARY Wind Energy Capacity and Structure in Hungary Summary: L. Tóth Prof. Dr. DSc. SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary (A Magyar Szélenergia Tudományos Egyesület Elnöke, (President of Hungarian Wind Energy Scientific Association) Tel.: +36 28 522000, E-mail: toth.laszlo@gek.szie.hu N. Schrempf Dr.PhD,Assoc. Prof., SZIE Gépészmérnöki Kar, Folyamatmérnöki Intézet*, 2100 Gödöllő, Páter K u 1. Hungary, Energetika Tanszék. Tel.: +36 28 522000, E-mail: schrempf.norbert@gek.szie.hu *Szent István University, Faculty of Mechanical Engineering, Department of Energetics Nowadays there are significant development projects and ideas about increasing wind power plant efficiency. In Hungary, wind energy capacity increased in the years between 2006 and 2010. At the end of this period the quota was fulfilled, and since then there are no new investments, although there is a big demand for new projects. The current wind energy capacity is 330MW, built of modern units, which are designed for the Hungarian wind circumstances. Because of this energy production is very good (740 GWh/year) and the capacity factor (24.1%) is good as well (the 4 th best in Europe in 2012). With this we save approx. 220 million m 3 /year natural gas whilst we avoid ~400 000 tons of CO 2 emission. It is a fact that wind power plants (after the return of investment -9-10 years-) produce cheap energy. From financial side wind power plant utilization is one of the most perspective investments. Our analysis points out that the ambitious plan of Hungary for 2020 (the increasing of renewable energy utilization) is unlikely to be met without wind energy utilization. Key words: Wind Power Plant, Wind Energy Capacity in Hungary, Cost of Wind Energy This article was written with the help of a TÁMOP 4.2.1.B-11/2/KMR-2011-0003 INCREASING THE QUALITY OF LEARNING AND RESEARCH program 1. FOREWORD Overview of Hungarian development on the fields of wind energy In the period of 1980-90 energetic wind measurements proved (made on measurement towers) that at bigger heights (100-120 m) at certain areas of Hungary there are right circumstances for wind energy utilization. The first wind measurement made for energetic purposes (1998-99) was done by the experts of Szent István University at area of Kisalföld. The installation of the first wind power plant was in 2002 at Kulcs, in Middle Hungary, the wind power plant is an Enercon plant with kw performance. The height of the tower is 65 m. The location of it was chosen according of
the measures of Szent István University (or as short SZIE). According to the wind measurement results it can be stated that Hungary is a proper place for wind energy utilization. In 2005 the new law on electricity stated the government subsides in the frames of the KÁT subsidy. This subsidy helped the investments to return in 9-11 years. After this a so called wind tender was announced for Hungarian companies. Approx. 330 MW was installed in Hungary. 2. FEATURES OF TECHNOGICAL DEVELOPMENT AND CAPACITY GROWTH In Hungary the big energy content winds are on 80-200 m, so the tower height is very important. Capacity depends on rotor diameter as well, nowadays D>100m is typical. Expected biggest capacity (can be W p as well): 16 1 3 P = ρ A v (kw) max where: ρ - air density [kg/m 3 ], A -examined surface (D 2 π/4) [m 2 ], v - wind speed until control [m/s]. 27 2 Wind speed is important, see v 3. Before wind power plant installation is made these parameters must be defined. (Fig.1) The change of v can be seen on Fig. 2. Capacity of given wind power plants (P x ): 1 3 Px = c px ρ A vx (kw) 2 c px is the capacity factor of given areas, defined with v nx (mean wind speed) values. (c px can be defined with experiments. Wind power plant producers give the P-v, cp-v diagrams.) 1,5 m/s H (m) Generátor generator v (m/s) Fig.1 Fig 2
Hungarian development, 85 m tower height 1- gauge box, 2- data logger, 3- data transmitter, 4- anemometer (control),5- anemometer at 30, 60 and 80 m height, 6- wind vane, 7 energy source (solar cell, PV), 8- light signal, 9- moisture measurement gauge, 10- air pressure measuring gauge. Data from the measurement system on Fig.1. (wind speed difference 1,5 m/s, 60 and 100 m tower height) On the c p -v diagram at the biggest c p value the P n = nominal performance can be found. On the basis of the measured yearly energy production (kwh/year) and nominal performance the utilization number can be calculated (K F ): E K F = 8760 Pn A K F *8760 (hours in a year) gives the nominal utilization hours, which is h n /year (pl. 8760 x 0,23 = 201.8 h/year on P n performance). According to Hungarian calculations the operation of a wind power plant is economically efficient on 2000h n /year nominal performance (P n ), the investment returns in 9-10 years with KÁT subsidy. Wind power plants utilizations in the world Wind power plant production is the most dynamically developing branch of industry. Yearly installed capacity can be seen on Fig.3 with the focus on the biggest investors. Until 2007 Europe was the first, in 2008 the USA and in 2009 China. Now China installs the capacity of Europe and Eurpoe altogether. The estimation of WWEA shows that in the year 2020 the built capacity will be as much as in the past 10 years. This is an investment of 240 million dollars/year. Until the end of 2020 100-1200 billion dollars are needed for this investment. This requires huge producer and developer basis. Hungary can only be a leader in wind energy industry if we use our corporate advantage. 1500000 MW estimation 240000 MW fact Fig.3 The development of wind energy capacity until 2020 (Source: WWEA-2011. Remark: until now all WWEA estimations were underestimated At the beginning of 2013 the estimations were modified to 800000-1200000 MW)
In the world approximately 700.000 small capacity household wind turbines were in operation in 2012 (Fig.4). Their capacity is in average 0.2-0.6kW. The 50 % of these devices is in China, and the 25% in the US. In Hungary currently 150-200 units are in operation, they solve local energy problems. Fig.4 The capacity of small wind turbines (SWT = Small Wind Turbines) (source: WWEA 2012, 11th World Wind Energy Conference) In the last years China made the biggest development (Fig.5). Until 2006 Europe had the leading role in Europe. In 2008 the USA, and in 2009 China took over Europe. In 2011 China invested more in development than Europe and the US altogether. Fig. 5 Development of the world s wind energy capacity Source: Mind Power Barometer EUROBSERV ER February, 2013. *green: other, red: China, yellow: North America, blue:eu-27
The plan of Europe 27 countries is to triple the capacity until 2020. The trend shows that the plan can work. (Fig.6) 3. COSTS year Fig.6 The plan of the Europe 27 countries Source: Wind Power Barometer EUROBSERV ER February, 2013. The utilization of the wind power plants The production costs of the wind power plants have to be given with their utilization level since 2000. The Hungarian wind power plants are modern and they are chosen for the wind conditions of Hungary. Unfortunately we are not in leading position in wind energy; we are at the 24th place (produced energy per capita). Fig.7 Utilization wind power plants (h n /year) in EU 27 countries Source: Wind Power Barometer EUROBSERV ER February, 2013.
Energy production costs and costs of investments On Fig.8 the curve represents the production cost per utilization level. The upper curve shows the data of maritime plants, and the lower the terrestrial plants. The maritime and the terrestrial plants differ in their material and in their construction. The terrestrial types have higher towers and big diameter rotors, but the blade angle change (pitch control) is happening faster. Fig.8. Energy production costs and the utilization time (hour) source: Wind Power Barometer EUROBSERV ER February, 2013. As Fig.9 shows the maritime wind energy is more expensive. But the development of them is ongoing and because of this their cists will decrease. (Fig.9) At maritime wind power plants a huge decrease of costs is estimated until 2020. Fig. 9 Investment cost change of wind power plants source: Wind Power Barometer EUROBSERV ER February, 2013.
The price of electricity is changing because of cheap surplus energy, and this may cause differences in stock prices. At those power plants where the investments returned there are only low external costs. Costs For an example let s check the costs in long-term. Such example can be seen on Fig 10. After installation of the plant the costs are typical (KÁT interval). The maintenance, repair another costs does not reach the 25-30 % of overall costs, but they are 15-20% bigger the market price of electricity (PA). At the interval of return the wind power plan gains subsidy (min. 8-10 years). The energy production costs are 25-30% smaller at ŐK1 and at ŐK2. (It rises because of higher maintenance costs, etc.) At T the difference between average wind energy price and costs is bigger than the subsidies. At governmental investments the profit is as well governmental. In Germany the price of wind energy will be lower than market electricity price in 2015-2016. The power plants which were built before 2006 returned. PA = market price of electricity TA = governmental subsidy (KÁT, or METÁR) A = trend of electricity price B = trend of subsidies I-L = lifetime of equipments = KÁ + T KÁ = subsided interval T =interval after the payback of loan and subsidy ÖK 1 =costs of wind energy production(utilization, repair, control costs) after KÁT T 1 = the difference of electricity price and wind energy production costs after KÁT Fig.10 Costs of electricity during wind power plant lifetime Abbreviations: C = trend of electricity production (increasing utilization, repair and maintenance cost) ÖK 2 = costs of wind energy production (at deinstallation of the plant). T 2 = costs of wind energy production(utilization, repair, control costs) a at de-installation of the plant T 1, T 2, A and C area= gaining of the society(min.3-4kát investment) 4. CURRENT HUNGARIAN SITUATION Capacity
At 90 % of the Hungarian wind power plants the tower height is 90-120 m and the performance is 2 MW. The installation trend is shown on Fig.11. The energy production is 610-700 GWh/year. The utilization factor is ~21-24 %. At some parks 23-25 % value can be measured. With these data it can be proved the estimations were correct. The current wind energy capacity is equal to the energy of ~200 million m 3 natural gas, whilst ~400 000 tons of CO 2 emission can be avoided. Fig. 11 Trend of Hungarian wind energy capacity (V = remains the same, Q = new installation is not likely) Base numbers of Nemzeti Cselekvési Terv (National Plan) According to NCST until 2020 750 MW wind energy capacity should be reached. This means that additional 410 MW must be built. (See Fig.1) In 2009 a tender was announced, and companies competed for 1100 MW. The tender was not announced properly so the quotas were not distributed. New capacities can be built earliest in 2015. To reach the 750 MW can only succeed if new plants are built in an increasing tendency. The wind power investments did not get subsidies. The mood for investment is good; three years ago 1000-1200 MW additional capacity could have been built. If we would like to reach the capacity defined in the NCST, than we need to build additional 900-1000 MW. With this at the end of 2020 1300 MW would operate. Of course, the investors the only invest if they see their investment to return. In Hungary the government does not invest direct stock in the wind energy installation only KÁT subsidy. The KÁT subsidy returns in short term. With the usage of wind energy the fossil fuel addiction of the country is decreasing and income rises from selling CO 2. The lifetime of the modern wind power plants is 20 years, but with care it can be 25 years. In the future the energy produced by wind power plants will be cheaper than the energy produced by carbon plants or gas plants. The technological increase and the increasing value of fuel prices cannot be neglected. To be concrete if the investment returns then (approx. 10 years with subsidies) the price of electricity decreases to 8-10 HUF/kWh. There is no cheaper energy source, and the plants produce it for additional 10 years (it can be 20 years as well). Wind energy as other alternative energy sources need network equalization.
Fig.13 Wind power plant capacity (7 plants, 2 MW) On Fig. 12 it can be seen that there can be 300-400 % differences in a 5h interval, and the total outcome changed 30-35%. The wind parks have big network equalization effect. In Hungary the control price in 2011-2012 was 0.8-1.5 HUF/kWh. These costs do not influence the production costs. It is important to state that the control of the electricity network can be done with bigger capacities as the current as well. The utilization level of the plant in Gönyű was only once 60 % since it is in operation. The plant capacity of Hungary is approx. 9000 MW, the max. consumption is approx. 6000-6500 MW. Yearly we use 1000-1500 MW import energy. It is not true that the existing 330 MW wind energy capacity or 3-4 times bigger would cause unsolvable problems in control. Literature [1.] Tóth G. Schrempf N. Tóth L. (2005): A szélenergia prognosztizálása, üzemi tapasztalatok, MTA AMB, K + F Tanácskozása Nr. 29 Gödöllő. [2.] Tóth L.- Schrempf N. : (2012) Szélenergia helye, várható szerepe Magyarország Megújuló Energia Hasznosítási Cselekvési Tervében (MCST) ENERGIAGAZDÁLKODÁS 53. évf. 5. szám [3.] Tóth L. Horváth G. (2003): Alternatív energia, Szélmotorok, szélgenerátorok, Szaktudás Kiadó Ház, Budapest, 93-124. p., 281-321. pp. [4.] Wilkes J. Moccia J. Dragan M.: (2012) Wind in power, European statistics (EWEA) http://www.ewea.org/fileadmin/ewea_documents/documents/publications/statistics/stats_ 2011.pdf [5.] Stróbl A.: (2012) Tájékoztató adatok a magyarországi villamosenergia-rendszerről, A piacnyitás (2003) óta eltelt időszak fontosabb adataiból, MAVIR, 2012. április 15. kézirat, ábragyűjtemény [6.] Stróbl A.: (2013) Energetikai tájékoztatások szakirodalomból (ábragyűjtemény) [7.] www.eurobserv-er.org. Wind Power Barometer EUROBSERV ER 2013. febr. [8.] Tóth, G. Tóth, L. Horváth, G. Berencsi B. (2007): A hazai energia célú széltérkép elkészítésének feltételei. = MTA AMB Kutatási és Fejlesztési Tanácskozás. Gödöllő, Gödöllői Agrártudományi Egyetem FVM Műszaki Intézet, 2. kötet 148-153. p. HU ISSN 1419-2357, HU ISSN 1419-2365 [9.] Small Wind World Report 2012 Summary, BONN, 3 5 JULY 2012 Germany