ENERGIATERMELÉS, -ÁTALAKÍTÁS, -SZÁLLÍTÁS ÉS -SZOLGÁLTATÁS 2.4 A napenergia hasznosításának összehasonlító értékelése Tárgyszavak: napelemek; PR (teljesítményarány); termikus napenergia-hasznosítás; állami programok. A Nemzetközi Energia-Ügynökség (IEA) a napenergia hasznosításának mértékét nemzetközi viszonylatban figyeli. Értékelés céljából adatbankban rögzíti a műszaki és üzemeltetési adatokat. Jelenleg az adatbank 14 ország 315 napelemes energiarendszerére vonatkozó adatokat tárol. Ezeknek a berendezéseknek az összesített névleges teljesítménye 10,8 MW. Túlnyomórészt olyan, hálózatra kapcsolt berendezésekről van szó, amelyeknek teljesítménye 1 kw-tól 3 MW-ig terjed. Az értékelés módja A különböző berendezéseket normatizált paraméterek alapján hasonlítják össze: energiahozam, hatásfok, teljesítményarány (PR). A hálózatra kapcsolt napelemes rendszerek alapvető jellemzője az éves energiahozam (Y f ). Az egyik legjelentősebb európai napelemes energiatermelő berendezés, az olasz Serre Persano teljesítményadatait tünteti fel az 1. ábra. Hat évre visszamenőleg adják meg az éves energiahozam (Y f ), a generátorveszteség (L c ) (a generátor hasznosítási mértékének eltérése a modulhatásfoktól, a modulteljesítmény csökkentése, az illesztési hibák okozta veszteség) és a rendszerveszteség (L s ) (egyenfeszültségű ohmos veszteség, váltóirányító hatásfoka) eredő értékeit. Az Y f + L c + L s adja azt az elméleti teljesítményt, ami elérhető volna, ha a generátor teljes felületének hatása veszteségmentesen érvényesülne. A PR (teljesítményarány) a reális (Y f ) és az elméleti (Y r ) energiahozam hányadosát jelenti. Tehát ennek a mutatónak az alapján lehet objektíven megítélni a hálózatra csatolt napelemes erőművek minőségét: PR Y Y f f = =. Yr Yf + Lc + L s Korábbi vizsgálatok szerint a hálózatra csatolt napelemes erőművek évi PR értéke 1990 és 1999 között általában 0,6 és 0,8 között volt. Figyelembe
véve az újabb váltóirányítók éves hasznosítási mutatóit, a PR optimális értéke 0,81 és 0,84 között lehet. A világviszonylatban legnagyobb teljesítményű napelemes berendezés a Nápoly közeli Serre helységben 1995-ben 0,5 alatti PR-értéket ért el, ami az igen jelentős generátorveszteségre vezethető vissza. A 2000-ben elért 0,7 érték már kedvezőnek mondható. 6 Yf Lc Ls hozamok és veszteségek, kwh/kw 5 4 3 2 1 0,48 0,66 0,69 0,68 0,67 0,70 0 1995 1996 1997 1998 1999 2000 1. ábra A 3,3 MW névleges teljesítményű olasz napelemes berendezés (Serre) üzemeltetési eredményei Olaszország napenergia-hasznosítási törekvései nagyon is érthetők, ha meggondoljuk az olasz energiaellátás helyzetét. Az ország 80% fölötti mértékben függ az energiaimporttól. A bruttó fogyasztást több mint 50%-ban kőolajból fedezik, aminek 95%-át Líbiából, Iránból, Szaudi Arábiából és Irakból importálják. A második legnagyobb energiaforrás, a földgáz 73%-a Algériából, Oroszországból és Hollandiából származik. Az atomenergia hasznosítását egy 1987. évi népszavazás tiltja. A 7,8% megújuló energiatermelés elsősorban a biomassza, a geotermikus hő (térfűtés) és a vízi energia hasznosítását jelenti. Új energiapolitika Újabb politikai döntések mozgásba hozták az olasz napenergia-hasznosítási piacot. A Kiotói Jegyzőkönyv által indíttatva úgy döntöttek a politikusok, hogy 2010-ig 19 Mt-val kell csökkenteni a szén-dioxid-kibocsátást és ennek érdekében fokozott mértékben kell igénybe venni a megújuló energiaforrásokat. A 2000 évi helyzetet az 1. táblázat tükrözi.
Ugyanebben az évben a napenergetikai villamosenergia-termelés és a napenergia termikus hasznosításának elősegítése érdekében kezdeményezték a 10 000 háztető programot. Az energiatermelő vállalatokat a törvény értelmében kötelezték, hogy 2002-től kezdve az előző év termelésének 2%-át megújuló energiahordozók hasznosításával fedezzék. 1. táblázat Megújuló energiaforrások installált villamos teljesítménye MW-ban (2000) Nagy vízerőmű Kis vízerőmű Geotermikus Szárazföldi szélerőmű Szemétégetés Biomassza Napelemes 11 041 1 119 870 423 120 82 3 Összesen 13 658 Termikus napenergia-hasznosítás A napkollektorok hasznosítását Észak-Olaszországban (Dél-Tirol) kezdeményezték. A többi régióban az első berendezések kudarcai miatt a fejlődés lelassult. A berendezéseket ugyanis a felszerelés után a cégek magukra hagyták és nem törődtek karbantartásukkal. A múlt év során ismét némi fellendülést lehetett tapasztalni ezen a piacon. A teljes felszerelt mennyiség elérte a 311 000 m 2 kollektorfelületet, ami 1000 főre vonatkoztatva 5,45 m 2 -t jelent. Ezeknek a létesítményeknek 85%-a kizárólag melegvíz-termelésre szolgál. A maradék 15%-ot szállodák, sportlétesítmények és uszodák hasznosítják. A fűtésre igénybe vett berendezésekkel inkább északon lehet találkozni. Újabban megfigyelhető a vákuumcsöves megoldás terjedése. Észak- Olaszországban kényszeráramoltatásos megoldásokat, Közép- és Dél- Olaszországban egyszerűbb, kompakt rendszereket használnak inkább. A kedvezőbb tulajdonságú berendezések beszerzési költsége (szerelés nélkül) 400 500 euró/m 2, a legdrágábbak 1500 euró/m 2. Állami programok A termikus napenergia-hasznosítási programokat foglalja össze a 2. táblázat. A Comune Solarizzato program 2000 óta Közép- és Dél-Olaszországban közintézményekben törekszik napenergia-hasznosító rendszerek létesítésére. 2003-ig 400 szakember képzéséről kívánnak gondoskodni. Mintegy 9 M euró ráfordítással 13 közületnél 11 000 m 2 kollektorrendszert szerelnek fel.
2. táblázat A legfontosabb olasz napenergia-hasznosítási programok áttekintése A program megnevezése A támogatás célja Kezdeményező hatóság Comune Solarizzato Szakemberek képzése és foglalkoztatása középületeken létesítendő berendezésekhez Munkaügyi Minisztérium és ENEA Solar Termico I 30%-os hozzájárulás középületeken létesítendő Környezetvédelmi Minisztérium berendezések számára Solar Termico II Magánberendezések támogatása (támogatás mértéke még nincs meghatározva) Regionális hatóságok A Solar Termico program mind közületek, mind háztartások számára 30%-os támogatást nyújt a napenergia hőhasznosítására, 8 M euró ráfordítást biztosítanak összesen 30 000 m 2 felületű rendszer finanszírozásához. A Környezetvédelmi Minisztérium a támogatás 50%-át az engedély kiadásakor, 50%-át a berendezés átvétele után folyósítja. A Solar Termico II program magánemberek számára nyújt támogatást teljesen regionális szervezésben. Magánháztartások igényelhetik a támogatást 6 20 m 2 felületű berendezések létesítéséhez. Erre a támogatásra az állam 7,7 M eurót biztosít. Ebből a régiók a lakosság létszámának arányában részesülnek. Arra számítanak, hogy ezzel a kezdeményezéssel mintegy 60 M eurónyi beruházást mozgósítanak. A Környezetvédelmi Minisztérium más minisztériumokkal együttműködve 5000 m 2 -t kíván létesíteni büntetés-végrehajtási intézményeken és 10 000 12 000 m 2 -t szociális lakásokon. Napenergetikai feketepiac Olaszországban a termikus napenergia-hasznosítás berendezéseit importálják. Csupán néhány vállalat állít elő különleges alkatrészeket, azonban az európai piacon jelenlétük elhanyagolható. Egyes üzemek azonban más országok termikus napenergia-hasznosító rendszereit gyártó cégek számára szállítanak szelepeket, tömítéseket és armatúrákat. Állítólag elég jelentékeny a napenergetikai termékek feketepiaca, vagyis elszámolás nélkül adnak el és szerelnek fel termékeket. Mindenesetre Olaszországban a piac erőteljes felfutására lehet számítani. Középtávon az ország Európa legnagyobb feltáratlan piaca. Az olasz napelemes berendezések Az első olasz napelemes nagyberendezéseket a 90-es években létesítették. Ilyenek a Vulcano (80 kw), Serre Persano (3 MW), Portici (100 kw). A villamosenergia-piac liberalizálása megkönnyíti a hálózatra csatlakoztatott egységek létesítését. A fejlődés üteme nem egyenletes: 1999-ben 800 kw,
2000-ben 520 kw, 2001-ben 1 MW. Végeredményben egész Olaszországban 2001 végéig 20 MW összteljesítmény volt üzemben. A hálózatra csatlakozó berendezések teljesítménye ebből kb. 8 MW, az önálló rendszereké 5,5 MW. Egy hálózatra kapcsolt rendszer átlagára 8000 euró/kw (5 kw-ig). 5 és 20 kw között ez 7000 euróra csökken. Az értéktöbbletadó 10%. Egy önálló rendszer létesítményköltsége mindent beleszámítva 12 000 euró. A hasznosítás mértéke A 100 kw 3,3 MW névleges teljesítményű hálózatra kapcsolt olasz napelemes energiatermelő rendszerek hasznosítási mértékét 1987 óta figyelik. A kezdeti alacsony PR-értékek után ma már egyre kedvezőbb adatok látnak napvilágot. A 10 000 háztető program újabb berendezései jó minőségűek és kedvező hasznosítást biztosítanak (2. ábra). 0,9 0,8 PR (teljesítményarány) 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2. ábra 25 olasz napelemes berendezés éves PR (teljesítményarány) trendje Az átlagos PR-érték a 2. ábrából számítva 0,62, a szórási tartomány igen széles, 0,35 0,81. Az alacsony PR-értékek 1992-ben azzal magyarázhatók, hogy részben kísérleti berendezésekről volt szó, amelyeknél hosszú kiesési idők fordultak elő. Így például a 100 kw-os Casaccia berendezés üzemképessége 1992 és 2000 között csak 82%-os volt. 40 kiesést regisztráltak (modulcsatlakozó hibák, földelési hiba, üvegtörés a modulon, egyenfeszültségű kapcsoló meghibásodása, váltakozó feszültségű kapcsoló cseréje). Az utóbbi három évben további hibák: váltóirányító kiesése, váltakozófeszültségű vezérlés cseréje. 1999-ben normál üzem mellett az évi PR 0,7 volt.
Az új napelemes program fokozott támogatást nyújt a létesítők számára. A támogatás felső határa 75%-os, W-onként 7,7 euró. Építészeti modellterveket is rendelkezésre bocsátanak. Az olasz napelemgyártó ágazat két nagy modulgyártó céggel, néhány váltóirányító gyártóvállalattal, valamint nagyberendezéseket üzemeltető és tervező cégekkel rendelkezik. A legnagyobb közülük a 2,5 MW termelési kapacitású Eurosolare, melynek 70 alkalmazottja van. A második legnagyobb gyártó cég a 2,2 MW termelési kapacitású Helios. További kilátások Az elmúlt években Olaszország volt Németország után a második legnagyobb piac a napenergetikai rendszerek számára. A támogatási programoknak köszönhetően a piac igen kedvező alakulása várható. A 2001. év 1 MW létesítményét követőleg a piac megkétszereződésére lehet számítani. A fejlődés rohamos növekedését nem annyira a kereslet emelkedése, mint inkább a támogatások adminisztratív megvalósítása fogja ösztönözni. Németország Az Alsó-Szászországban megvalósított 1000 háztető program figyelembevételével 48 berendezésen végeztek részletesebb vizsgálatot. Az 1 és 5 kw-os névleges teljesítményű berendezéseken kalibrált Si-sugárdetektoros készülékkel a besugárzás intenzitását is ellenőrizték. A 3. ábra tünteti fel annak a 48 háztartási berendezésnek az évi PR-adatait, amelyeket 1991 és 1993 között létesítettek és amelyeknek átlagos névleges teljesítménye 2,3 kw. Az éves PR-értékek széles határok között ingadoznak. PR (teljesítményarány ) 3. ábra 48 német napelemes berendezés éves teljesítményarányának trendje (éves átlagértékek)
A berendezések minősége a nyolc üzemév alatt leromlott. A 0,6 alatti PR-mutatóval rendelkező (1994) berendezések hozamának csökkenése lényegében az alábbiakkal magyarázható: A napelem-generátort leárnyékolták vagy legalábbis részben leárnyékolták a fák, épületek, épületrészek. A váltóirányító üzemavara, továbbá a napelem-generátor és a váltóirányítás hibás illesztése. Hibás alkatrészek (váltóirányító, napelemmodul, egyenfeszültségű áramkör). A berendezések minőségének változásait mutatja be egyik konkrét példa alapján a 4. ábra. PR (teljesítményarány) 4. ábra Az 1000 háztető programból kiválasztott napelemes berendezésnél mért PR csökkenő jellege A váltóirányítót a kilenc üzemév alatt a létesítő cég hétszer cserélte. A kiesések időben egybeesnek a PR havi visszaesésével. A berendezés rendszeres karbantartása ellenére az éves PR esése a váltóirányító meghibásodásával, a generátorhoz való tökéletlen illesztésével és a hosszú javítási idővel magyarázható (csere esetén 1 3 hónap). A jelentős hozamcsökkenés ellenére az üzemeltető család igényét a napenergia 60 70%-ban fedezte. Svájc Svájcban az 51 hálózatra kapcsolt berendezést a sokféleség jellemzi (önálló erőmű, épületbe integrálva, háztetőn, szabadon álló, hangvédelmi falon, épülethomlokzaton). Teljesítményük 1 560 kw. A berendezéseket 1989 és 1999 között folyamatosan létesítették. A gyakori online ellenőrzésnek köszönhetően az ellenőrzési adatok 95%-a rendelkezésre áll.
Az éves hozam átlagértéke 790/kW, az átlagos PR = 0,68. Az 5. ábrán látható az éves PR eloszlás 1993 és 2001 között. 5. ábra 51 svájci napelemes berendezés éves teljesítményarányainak eloszlása Eszerint a berendezések minősége csökkent. Itt is feltűnő, hogy az értékek széles határok között szórnak. 2001-ben a PR 0,45 és 0,82 között ingadozik. A legjobb (PR = 0,82) berendezések váltóirányítóinak évi hasznosítási tényezője 97%. Az 5. ábrán meghatározott 244 éves PR-értéket három csoportba sorolták a berendezések létesítési időpontjai szerint: 1. A régebbi berendezések (1989 1992) minősége általában észrevehetően csökkent: PR (1993) = 0,72-től PR (2000) = 0,64-re. Ezeknek a berendezéseknek túlnyomó részét funkcionális szempontok alapján, optimális hozamra tervezték és létesítették. Az első üzemévek alatt kedvező eredményeket adtak. 2. Az 1993 1995 között épült napelemes berendezések PR paramétere a nyolc üzemév alatt kisebb mértékben csökkent. Az üzemeltetés első évében a PR = 0,64 érték kisebb volt, azonban 2001-ben a PR csak 0,63-ra esett vissza. Ebbe a csoportba tartozó berendezéseket fokozottabb mértékben integrálták az épületekbe és a homlokzatokba, azonban az optimált alkatrészek (váltóirányítók) felhasználása ellenére PR-értékeik kisebbek. 3. Az 1995 után létesített napelemes berendezések az első üzemévben, 1996-ban, éves átlagban csupán PR = 0,66 értéket értek el, azonban ez hat üzemév alatt nagyjából állandó maradt. Az éves PR-érték szó
Japán rási tartománya 2001-ben igen nagy. A napelemes berendezéseket alárendelték az épületesztétikai követelményeknek. Az ennek következtében megszületett kompromisszum eredménye, hogy kisebbek a hozamok és a berendezések minősége gyengébb, mint a kizárólag műszaki szempontok alapján tervezett rendszereké. A berendezések gyengébb minőségének lehetséges okai: Az épületekbe integrált napelemes berendezések esetében a modulok hőmérséklete és a sugárhatás mennyisége negatívan befolyásolja a hozamot és a PR értékét. A napelemes generátor leárnyékolása vagy részleges leárnyékolása ilyen körülmények között elkerülhetetlen. A napelemes generátor kedvezőtlen tájolása és dőlésszöge ugyancsak negatív hatású. A háztetőkre szerelt kiválasztott berendezések névleges teljesítménye 1,2 5,6 kw. Ez a 25 berendezés nagyjából a német 1000 háztető berendezéseinek (átlag 2,3 kw) felel meg. Ezek napelem-generátorai (átlag 3 kw) nincsenek optimálisan tájolva, viszont hat évvel később létesültek, és így érett, hatékony szerkezeti elemeket tartalmaznak. Ezen túlmenőleg 10 és 150 kw közötti teljesítményű berendezések üzemeltetési adatait is figyelembe vették. Az 1966 után üzembe helyezett 25 berendezés négyéves üzemidő alatt igen kedvezően viselkedett (éves átlagban PR = 0,7 és e fölött). 1997 és 2000 között a PR átlagértéke közel állandó volt. Ha a 2000-ben üzembe helyezett, összesen 85 háztartási berendezést is figyelembe vesszük, akkor az átlagos PR = 0,74 és az éves hozam 990 kwh/kw. Az éves hozam szórási tartománya a PR-értékhez hasonlóan nagy és a többi ország eredményeivel hasonlítható össze. 1996-tól kezdve egyre több berendezést építettek be épületekbe, amelyeket esztétikai szempontok figyelembevételével terveztek, tájolásuk nem volt optimális, és jelentősen árnyékolva voltak. Egyes berendezések esetében a napelem-generátort két különböző tájolású háztetőre szerelték fel és közös váltóirányítóhoz csatlakoztatták. Japán északi részén a havazás befolyásolta a napelem-generátorok működését. Három berendezésnél a váltóirányító nem megfelelő működése miatt a PR-érték túl kicsi volt. Ezért a váltóirányítót hatékonyabb típusra cserélték ki. (Dr. Barna Györgyné) Nasse, W.: Zuverlässigkeit im internationalen Vergleich. = Sonne, Wind und Wärme, 26. k. 8. sz. 2002. p. 49 55. Fontana, S.: Energie-Importland Italien. = Sonne, Wind und Wärme, 26. k. 8. sz. 2002. p. 26 29.