KLÍMAPOLITIKA A mini megújuló kapacitás integrációja a magyar villamos energia rendszerbe
Tartalomjegyzék Ábrák jegyzéke... 5 Táblázatok jegyzéke... 7 1 Vezetői összefoglaló (Kazai Zs.)... 8 2 Bevezetés... 9 3 Rövidítések... 12 4 A jelenlegi helyzet bemutatása... 14 4.1 Előzmények... 14 4.2 A jelenlegi villamosenergia ellátás eszközei, struktúrája, a termelés filozófiája... 16 4.3 A jelenlegi rendszerirányítási problémák áttekintése... 22 4.3.1 Erőművek... 22 4.3.2 Hálózat... 25 4.3.3 Egyéb problémák... 28 4.4 Az elosztott termelés és a Microgrid jelenlegi jogszabályi háttere... 30 5 A villamos irányító rendszer működése... 33 5.1 A rendszerirányító számára kedvező hálózati jellemzők... 33 5.2 SZET, mikroszet és mini-hydro... 36 5.2.1 Szivattyús energiatározó (SZET)... 36 5.2.2 MikroSzet... 37 5.2.3 Vízerőművek... 37 5.2.4 Mini-hydro... 38 5.3 A microgridek terjedésének hatása a rendszerirányító munkájára... 39 6 A fogyasztás befolyásolása... 40 6.1 A fogyasztási görbe, és annak jelentősége az energiarendszerben... 40 6.1.1 A fogyasztás szerkezete... 41 6.1.2 A fogyasztói görbe változtatásának igénye... 49 6.1.3 A fogyasztás becslése... 49 6.1.4 A fogyasztás befolyásolásának módszerei... 51 6.1.5 A termelési és fogyasztási menetrend készítése... 55 2
6.1.6 A fogyasztás befolyásolásának jogi/szerződéses keretei és a magyarországi gyakorlat. A MEH szerepe.... 56 6.2 A fogyasztás befolyásolásának műszaki megoldási lehetőségei... 58 6.2.1 A terheléskorlátozás... 58 6.2.2 Megszakítható terhelés... 59 6.2.3 HKV és RKV... 60 6.2.4 IP alapú vezérlési lehetőségek... 65 6.2.5 Együttműködő, intelligens hálózatok... 67 6.3 Néhány gyakorlati megvalósítás a fogyasztás befolyásolására... 74 6.3.1 A DSM felhasználása... 74 6.3.2 Fogyasztói csoportok dinamikus képzése... 74 6.3.3 Vezérlési hierarchia kialakítása... 75 6.3.4 Központi konzol(ok) kialakítása... 76 6.3.5 HW/SW igények... 78 6.3.6 Néhány fogyasztói megoldás... 79 6.3.7 A DSM hatás megbízhatósága... 81 7 Elosztott termelés... 82 7.1 Az elosztott termelés, és a Microgrid... 82 7.1.1 Microgrid struktúrák... 84 7.1.2 Microgrid vezérlés, üzemvitel és kommunikáció... 89 7.2 A microgrid struktúrák alkalmazásának lehetőségei ma Magyarországon 92 7.2.1 Eszközök, amelyek részt vehetnek az új típusú együttműködésben... 92 7.2.2 Virtuális erőmű... 95 7.2.3 A szél- és gázmotorok együttműködése... 97 7.2.4 A megvalósítható VGRID... 103 8 Megújuló energiaforrások integrálása... 106 8.1 Háztartási megújuló energiaforrások hálózatba táplálási lehetőségeinek vizsgálata... 106 8.2 Kis (háztartási)méretekben hasznosítható megújuló energiaforrások. 107 8.3 A kis rendszerek hazai terjedését akadályozó körülmények (Kazai Zs.)108 9 Javaslatok... 109 9.1 Lakossági iránymutatás... 109 3
9.2 Társadalmi hatások (Kazai Zs.)... 112 9.3 Kis rendszerek terjedésének ösztönzése (Kazai Zs.)... 113 9.4 A Smart Grid optimális mérete... 116 9.5 Konkrét javaslatok... 116 10 Irodalomjegyzék... 119 11 Mellékletek... 121 11.1 Microgrid struktúrák... 121 11.2 Az elosztott termelés és az adatgyűjtő rendszerek... 123 11.2.1 Jelenlegi kommunikációs szabványok... 125 11.2.2 Trend, jövőbeli kommunikációs szabványok... 126 11.3 A microgrid rendszerekben alkalmazott készülékek ismertetése... 127 11.3.1 Termelő egységek... 127 11.3.2 Villamosenergia tárolás... 129 11.3.3 Inverterek... 131 11.4 CHP (kogeneráció)... 131 11.5 Megújuló mikrotermelő egységek bemutatása a BMF KVK VEI-ben. 133 11.5.1 Napelem cellák... 133 11.5.2 Szélturbina... 134 11.5.3 Tüzelőanyag cella... 135 11.5.4 A házi napelemes erőmű... 136 4
Ábrák jegyzéke 1. ábra Eltérés a korrigált menetrendtől... 15 2. ábra A villamos energia termelése, szállítása, fogyasztása... 17 3. ábra A fogyasztás és termelés egyensúlya... 17 4. ábra A különböző fogyasztók terhelési görbéi... 18 5. ábra A magyar hálózat egy napi terhelése... 19 6. ábra Nyári és téli erőműkiosztás... 19 7. ábra Különböző erőműfajták termelési idő-termelés karaktesztikája... 20 8. ábra Megújuló erőművek tipikus napi termelési karakterisztikája... 21 9. ábra A menetrendkövetés pontossága 2003. szept. 10-én... 23 10. ábra Eltérés a korrigált menetrendtől... 23 11. ábra A VER forrásainak megoszlása téli munkanap... 24 12. ábra Mélyvölgy hatás 2005. június - július... 24 13. ábra A MÁTRA erőmű környékének erős terheltsége... 26 14. ábra A PAKS erőmű környékének erős terheltsége... 26 15. ábra Gyűjtősín feszültség 120 kv... 27 16. ábra Az E.ON szélerőművekkel szemben támasztott követelménye Németországban... 27 17. ábra A szivattyús energiatározó sematikus ábrája... 36 18. ábra Az ipari szektor terhelése... 42 19. ábra A kereskedelmi szektor terhelése... 42 20. ábra Irodai (office) fogyasztás terhelése 14... 43 21. ábra Lakóhelyi fogyasztás terhelése... 43 22. ábra A tapasztalat alapján a főként hőtechnikai berendezések a hőmérséklet célértékük elérésével mintegy 4-6 óra alatt kikapcsolódnak... 46 23. ábra A HKV által vezérelt fogyasztókat éjjel később kellene bekacsolni... 47 24. ábra Országos terhelés hétköznap... 48 25. ábra A német spot-ár változása... 52 26. ábra A Spanyolországban alkalmazott háromtarifás rendszer... 53 27. ábra Többtarifás rendszer Angliában... 53 28. ábra A többtarifás és a dinamikus fogyasztói ár hatása a fogyasztásra... 54 29. ábra Aktív terhelés menedzsment... 63 5
30. ábra A hagyományos és a jövőbeli sturktúra... 68 31. ábra A hálózat automatizálása és a nem végponti mérések elhelyezése... 72 32. ábra A DSM beavatkozást kezdeményező funkciók elhelyezkedése... 77 33. ábra Smart controller... 79 34. ábra E-max képernyő... 81 35. ábra Az SGRID struktúra sematikus rajza...83 36. ábra Az MGRID struktúra sematikus rajza. 84 37. ábra A VGRID struktúra sematikus rajza...85 38. ábra A szélerőművek és gázmotorok együttműködő szabályozása...96 39. ábra Átlagos szélsebességek a nap során, különböző évszakokban... 99 40. ábra A hegyhátsáli mérőtorony különböző szintjein mért szélsebességek napi menete... 100 41. ábra Szélfarm kimenő teljesítményének időegység alatti megváltozása a beépített teljesítmény százalékában... 101 42. ábra Hazai VGRID a meglévő- tervezett eszközök felhasználásával 103 43. ábra Egy lehetséges Microgrid kialakítás sematikus rajza...112 44. ábra Egy másik lehetséges Microgrid kialakítás sematikus rajza... 122 45. ábra Elvi Microgrid struktúra... 125 46. ábra Az elosztott termelésben jelenleg használt kommunikációs szabványok... 125 47. ábra Az elosztott termelés trendje, a jövőben használt kommunikációs szabványok... 126 48. ábra Microgrid teljesítmény igénye energiatárolással és szabályozással... 130 49. ábra Kogenerációs erőmű hőfelhasználása... 133 50. ábra Napelemes mérőrendszer a Budapesti Műszaki Főiskolán... 134 51. ábra AirX401 szélturbina a Budapesti Műszaki Főiskolán... 134 52. ábra Tüzelőanyagcella... 135 53. ábra Megújuló eszközök a Budapesti Műszaki Főiskola tetején... 135 54. ábra A napelem, a tüzelőanyag cella és a szélturbina kapcsolódása a mikrogrid modellre... 135 55. ábra A mikrogrid elvi sémája... 136 56. ábra A mikrogrid modell... 136 57. ábra Házi napelemes erőmű... 136 6
Táblázatok jegyzéke 1. Táblázat A microgridek hatása a rendszerirányító munkájára... 40 2. Táblázat A HKV rendszerbe bevont fogyasztók beépített teljesítménye áramszolgáltatók szerint... 46 3. Táblázat A becsült DSM hatás különböző eszközök esetén... 82 4. Táblázat Háztartási méterű, elosztott energetikai berendezések főbb jellemzői... 108 5. Táblázat Kismegszakító névleges áramerősségekhez tartozó jellemző teljesítmények... 110 7
1 Vezetői összefoglaló Globális világunkban az energia- termelés és felhasználás módja, struktúrája, logisztikája teljes átalakulásban van. Nem egyedi folyamat ez, összhangban van más ágazatok átalakulásával. Az energiaszektor jellegéből fakadóan más ütemben, alapvetően lassabban mozdítható más szektorokkal szemben. Ugyanez az átalakulás sokkal nagyobb léptékben zajlik pl. a telekommunikáció terén. Az energetika területén ugyanis legtöbb esetben 20-50, vagy akár 100 évre tervezett infrastruktúrával - ideértve az erőműveket, logisztikai eszközöket, és a felhasználókat is - találjuk szembe magunkat. Az elmúlt pár évtizedben rohamos fejlődésnek indult az energetika azon ága, mely jellegéből fakadóan nem a már kialakult centralizált rendszerekbe illeszkedik, hanem az elosztott, vagy decentralizált termelés irányába hat. Ez és természetesen a környezeti hatások köztudott, hogy az energetika felelős az üvegházhatású gázok kibocsátásának több mint kétharmadáért kikényszerítették a változtatásokat ebben a szektorban is. Továbbá az államoknak ma már nincs pénzük óriási erőművek építésére, a vállalkozók pedig a gyorsabban megtérülő beruházásokat kedvelik. Ma már egyre többet hallunk arról, hogy e területen is a fejlődési irány a decentralizált termelés- és felhasználás, valamint a hálózatokba rendeződés. Ez utóbbi nem kis mértékben épülhet a fent említett telekommunikációs fejlődés adta lehetőségekre. Lehetővé vált, hogy akár a meglevő infrastruktúra gyökeres átalakítása nélkül, abba integrálva kiépíthessünk olyan kisebb hálózatokat, melyek segítségével egy közösség, település, vagy kisebb régió önmagát energiával elláthatja, de azon felül akár még energiatermelővé is válhat. Ez a váltás természetesen, új szemléletet jelent és bizonyos területeken kompromisszumokat kell kötni ennek érdekében, de mondhatjuk, hogy ennek technikai, technológiai akadálya ma már nincsen. Tanulmányunkkal is elsősorban az volt a célunk, hogy bemutassuk a sokat vitatott megújuló energia felhasználás jelenlegi rendszerbe integrálhatóságának műszaki megvalósíthatóságát. Tettük ezt nem csak elméleti szinten, hanem speciálisan a magyarországi viszonyokra vonatkozóan. A munkából kiderül, hogy viszonylag egyszerű lépésekkel, mondhatni szemléletváltoztatással, óriási eredmények érhetők el. Ráadásul ehhez nem kell óriási anyagi és fizikai ráfordításokat végezni, hiszen a jelenlegi rendszer is tartalmaz olyan elemeket, melyek hatékonyabb alkalmazásával a szükséges feltételek adottak lehetnek. 8
Megjegyezzük, hogy ezen változtatások társadalmi-, gazdasági- és környezeti hatásainak vizsgálata mindenképpen további vizsgálatokat igényel, melyre jelen munka keretében nem, vagy csak korlátozott mértékben volt lehetőségünk. 2 Bevezetés A napjainkra kialakult villamosenergia-rendszerek szerte a világon centralizált szervezésűek. Ez vonatkozik a hosszú távú fejlesztésre, tervezésre és üzemeltetésre, de a nagyobb távolságú kereskedelmi szállítások is központosított platformon keresztül bonyolódnak. A nagy hálózatrészek együttes kezelése szükséges az alap-energia ellátáshoz, de eközben nehéz gazdaságosan kezelni a lokális adottságokat/igényeket főként a Distributed Generation (DG elosztott termelés) és RENewable energy sources (REN megújuló energiaforrások) területén. Magyarországi példaként említhetjük a gázmotorok illetve szélerőművek problémás helyzetét a nagy energiarendszerben. A villamosenergia hálózatokon megindult kereskedelem szintén szemléletváltást kíván az üzemelőkészítés és az üzemvitel gyakorlatában. Az a villamosenergia ellátási elv, hogy néhány nagy erőműben megtermeljük a szükséges villamos energiát, és azt továbbítjuk a fogyasztókhoz mára idejétmúltnak és bizonyos esetekben gazdaságtalannak bizonyult, ugyanis világszerte egyre jelentősebb a DG és REN részesedése a villamosenergia termelésből. A DG és REN energiatermelés elterjedése, a hagyományos erőművi és hálózati struktúra, valamint a villamosenergia kereskedelem egyre nagyobb térnyerése a rendszerirányító munkáját több ponton is nehezíti, melyek közül a fontosabbak a következők: A bevethető szabályozási tartalékok nem elegendőek A hálózatfejlesztés intenzitása és ezzel az üzembiztonság is csökken A pillanatnyi kereskedelmi igények a kiegyensúlyozott üzemvitelt nehezítik Adott régiók önellátó képessége igen csekély A jelen trendekkel a fenntartható fejlődés nem biztosítható Az alapvetően kedvező kapcsolt termelés jelentősen szűkíti a játékteret 9
A helyzetet tovább rontja a szélerőművek megjelenése A határkeresztező kapacitások korlátozzák a kereskedelmet A rendszerirányító érdeke, hogy a jelenlegi kedvezőtlen tendenciák ne folytatódjanak, hovatovább megforduljanak. A jelenlegi energetikai problémákra adható válaszok közül az extenzív megoldás az elsődleges, amelyben a jelenlegi struktúra bővítésével enyhíthetőek a napi gondok (termelői-, szállítói- és tározó kapacitások bővítése). A másik klasszikus válasz az energiafelhasználás hatékonyságának növelése, amelyben bár születtek lépések, még számos tartalék rejlik. Szükséges az olyan új ellátási struktúrák vizsgálata, amely az előző két lehetőség mellett lokálisan ad megoldásokat a globális problémákra. Pl. új típusú kis energiatermelő kapacitások rendszerbe kapcsolása (pl. háztartási mikro kapcsolt energiatermelő berendezések, stb.). Mindeközben lehetőség adódik arra, hogy az alternatív energiaforrások is versenyképesen termeljenek, miközben a fogyaszt(ás)ok egy része energiatudatosan, a rendszer számára kedvezően, intelligensen viselkedik. A Microgrid koncepció több évtizede ismert, lényege, hogy a (kisebb) villamosenergia termelők és fogyasztók egy alacsonyabb szinten integrált és szabályozott egységet alkotnak, a nagy villamosenergia-rendszer (VER) irányítás felé csak egy szabályozott (menetrendes) termelői/fogyasztói csomópontként lépnek fel. Ezáltal: A VER rendszerirányítás nem aprózódik szét A VER irányítás felé kedvezőbb műszaki paramétereket képviselnek (tervezhetőség) Gazdaságos(abb)an lehet a világban jelenleg terjedő kis egységteljesítményű energiatermelő egységeket integrálni (mikroturbina, tüzelőanyag cella, stb.) A lokális energiatermelési adottságok jobban illeszthetők a lokális felhasználási igényekhez A korszerű ICT alkalmazásával a lokális szabályozás, a rendszerirányítóval való kapcsolattartás és a készülékek intelligenciája is növekszik. A korszerű energiarendszerekben a fogyasztásbefolyásolás is szerephez jut, tehát nem csak a kis termelők, hanem az intelligens fogyasztó berendezések is szerephez jutnak. 10
Jelen tanulmány azt vizsgálja, hogy a fejlett országokban már a kereskedelemben is kapható, háztartási méretű energetikai termelő- és fogyasztói eszközök miképpen segíthetik a nagyléptékű problémák megoldását. A vizsgált eszközök többek között: Termelés: - Mikroturbina - Napelemes egység - Tüzelőanyag cella, stb. Fogyasztás: - Kikapcsolható, szabályozható fogyasztások - Ütemezhető fogyasztó készülékek - Mikrotárolók - Hőtechnikai berendezések, stb. 11
3 Rövidítések AGC Automatic Generation Control AMR Automatic Meter Reading - rendszer ADSL Asymmetric Digital Subscriber Line - Nagysebességű digitális adatátviteli technológia hagyományos vagy ISDN telefonvonalon. DSM Demand Side Management - fogyasztás befolyásolás rendszer EFR Europaische Funk-Rundsteuerung - a hosszúhullámú rádióvezérlés adás szolgáltatója FKA Frekvencia függő korlátozó automatika FTK Frekvencia független terheléskorlátozó automatika GSM Global System Mobile a jelenleg legelterjedtebb mobil telefonszabvány. Európában 900 és 1800 MHz-en, az USA-ban 1900 MHz-en működik. GPRS General Packet Radio System - csomagkapcsolt adatátviteli rendszer GSM mobil hálózatokhoz. Ennek a megoldásnak a lényege, hogy a beszéd által éppen nem használt kapacitást használják fel adatátvitelre. Ez egy változó sebességű, és késleltetésű adatátvitelt eredményez, amiben egy felhasználó sebessége függ a hálózat beszédterhelésétől és az egy időben adatot átvivő készülékek számától. GPRS esetén a maximális sebesség akár 170 kpbs HKV - HFKV Hangfrekvenciás Központi Vezérlés ICT, IT Információ és Kommunikáció Technológia ISO Independent system operator KAPAR Határkeresztező kapacitás aukciós rendszer KÖF Közép Feszültség (3-35 kv) MAVIR Magyar Villamosenergia-Rendszer Irányító ZRt. MGRID MicroGrid MMI Man Machine Interface MVM MagyarVillamos Művek Zrt. KDSZ Körzeti diszpécser szolgálat 12
OVT Országos Villamos Teherelosztó (a MAVIR elődje) PLC Power Line Carrier - erősáramú vezetékes, vivőfrekvenciás jeltovábbítás) RF Radio Frequency RKV Hosszúhullámú Rádiófrekvenciás Központi Vezérlés SCADA Supervisory Control and Data Acquisition SGRID Simple Microgrid (belső szabályozás nélkül) SMS Short Message System - rövid szöveges üzenetek küldése/fogadása vezetékes telefonhálózaton keresztül. TSO Transmission system operator UCTE Union for the Co-ordination and Transmission of Electricity ÜIK Üzemirányító központ VGRID Virtuális mikrogrid VER Villamos energia-rendszer VPN Virtual Private Network - virtuális magánhálózat. Olyan számítógépes hálózat, melynek egyes földrajzilag különálló szegmensei között a biztonságos kommunikáció egy nyilvános átviteli közegen keresztül valósul meg. 13
4 A jelenlegi helyzet bemutatása 4.1 Előzmények A villamosenergia termelés elosztás felhasználás eddigi gyakorlata alapvetően a tervezhetőségre épül. A következő évszázad trendjét tekintve egyre többet beszélnek az előre lefektetett tervekhez képesti kisebb-nagyobb termelői vagy fogyasztó oldali eltérésről, a menetrend flexibilitásáról. Ebben a termelő nem egy földrajzilag is távoli merev fogyasztási menetrendet elégít ki, hanem együttműködik a fogyasztóval. Egy, a villamosenergia iparban lehetséges együttműködési szempontokkal foglakozó vizsgálat a következők megállapításokat teszi 1 : Az együttműködés alapjai: - Önkéntesség és nyitottság - Demokratikus kontroll - Gazdasági érdekek - Függetlenség és autonómia - Nevelés, képzés és információk - A felek közötti együttműködési szándék - Közösségi törődés és figyelem Az egyes együttműködési stratégiák megvalósításához szükséges: - A partner fizikai/gazdasági/mentális képessége - A megbízhatóság - A fogékonyság - Az életminőséget javító eredmény - A fenntarthatóság A közeljövőben egyértelmű trendként mutatkozik az - Új típusú energiatermelő berendezések megjelenése - Automatizálás, IT és telekommunikáció terjedése az energiarendszerben - Minőségibb energiaelosztási gyakorlat - Hangsúly az energia termékeken és azok marketingjén 14
A fogyasztói kapcsolat ezen távlati átértékelődése mellett a magyar villamosenergiarendszer irányításában napi problémák is jelentkeznek. Mint ismeretes, a magyar villamosenergia-rendszer szabályozhatósága elmarad a kívánalmaktól, és előfordul, hogy bizonyos időszakokban az UCTE előírásoknak megfelelő szabályozási tartalék sem áll rendelkezésre. 2 1. ábra Eltérés a korrigált menetrendtől Ennek a problémának a megoldása (vagy legalább mérséklése) elsősorban a villamosenergia-termelői oldalon, másodsorban a fogyasztói oldalon képzelhető el. Jelen tanulmányban a fogyasztói oldal befolyásolásában rejlő lehetőségeket is bemutatjuk, mivel ezek a megoldások általánosságban olcsóbban és gyorsabban kivitelezhetők, mint a termelői oldal kapacitás bővítése. (Azonban nem szabad elfeledkezni a jelenleg nem szabályozható kiserőművek esetleges csoportos szabályozásáról sem, mely szintén megoldási alternatíva lehet.) A MAVIR üzembe helyezte a Fogyasztói Korlátozó Automatika (FKA), ill. RKR rendszert, amelyek az üzemzavari fogyasztás-korlátozás eszközei. Ezek nem tekinthetők az intelligens együttműködés eszközeinek, szerepük biztonsági. 1 Electric cooperative technology solutions Roadmap, October, 2002; National Rural Electric Cooperation Association Cooperative research Network 2 Dr. Tombor Antal: A magyar villamosenergia-rendszer ellátásbiztonsági problémái piaci körülmények között; MEE 52. Vándorgyűlés, Eger, 2005. augusztus 24. 15
Normál üzemben elsősorban a KDSZ-ek hatáskörében lévő HKV rendszer révén lehet beavatkozni a fogyasztás változásába. A teljes piacnyitás során újra kell gondolni a HKV rendszer jelenlegi működési struktúráját is, mivel a szabadpiaccal nem összeegyeztethető az ÁSZ-utód kezében lévő, és csak általa működtethető HKV rendszer. Esetleges megoldást jelenthet az RKV rendszer kiépítése, mely már több éve húzódik. A tervezett menetrend követésére, illetve a napi fogyasztási görbe finomabb befolyásolására többféle műszaki megoldás is elképzelhető. Lehetőségek vannak a nagymennyiségű, de nem kizárólag hőtárolós fogyasztók ütemezett kapcsolásában is. A fogyasztási görbe tudatos, és célszerű befolyásolásával a tartalékok bővítésének egy részét is meg lehet takarítani. 4.2 A jelenlegi villamosenergia ellátás eszközei, struktúrája, a termelés filozófiája A villamosenergiát erőművekben, legtöbbször generátorokkal termelik, hálózaton továbbítják a fogyasztók felé. A rendszer főbb elemei: Generátorok Vezetékek Kapcsolókészülékek Transzformátorok Védelmek, automatikák Meddő kompenzátorok Fogyasztások, stb. Jelen tanulmányban a hálózati veszteség, a hálózati eszközök és a hálózati üzemvitel tárgyalásától eltekintünk. 16
2. ábra A villamos energia termelése, szállítása, fogyasztása A különböző feszültségszintek szerepe: 220, 400 (750 kv) alaphálózat, nemzetközi és hazai energiaszállítás, hurkolt 120 kv főelosztó hálózat, országon belüli egyenletes terítés a nagyobb fogyasztói centrumokba, hurkolt 10, 20 és 35 kv elosztóhálózat, áramszolgáltatói elosztás közel a fogyasztókhoz Az energiarendszer üzeme szempontjából a legfontosabb a termelés és fogyasztás egyensúlya: 3 3. ábra A fogyasztás és termelés egyensúlya 3 Stróbl Alajos nyomán 17
Jelenleg a rendszer fogyasztó vezérelt, azaz a fogyasztó igényét igyekeznek kielégíteni a termelő erőművek (generátorok). Ipari fogyasztó Kommunális fogyasztó Háromműszakos fogyasztó 4. ábra A különböző fogyasztók terhelési görbéi Egyedi fogyasztások A fogyasztók többsége a fenti ábrák szerint többé-kevésbé szabadon, technológiai igényük szerint fogyaszt a nap folyamán. Ezekből az individuális terhelési görbékből a következő napi, országos teljesítményigény görbe adódik: 18
A hazai villamosenergia-rendszer terhelése 2005.12.14. MW 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 óra 5. ábra A magyar hálózat egy napi terhelése 4 A fenti országos fogyasztási igényt a független termelők a MAVIR koordinálásával elégítik ki. A következő ábra a nyári és téli erőműtípus kiosztást ábrázolja: 6. ábra Nyári és téli erőműkiosztás 5 Az egyes erőműveknek technológiájukból adódóan van egy termelési idő-teljesítmény karakterisztikájuk és egy ehhez tartozó költség. Általában a flexibilis termelésnek (pl. gázturbina) magasabb a költsége, míg az alacsony költségű atomerőmű gyakorlatilag nem szabályozható. 4 www.mavir.hu 19
Egyedi gázturbina Jól szabályozható szenes blokk Kapcsolt gázturbina Olajtüzelésű blokk Atomerőmű Szenes blokk, kis szabályozással 7. ábra Különböző erőműfajták termelési idő-termelés karaktesztikája A fentebbi országos teljesítmény igényt tehát az itt bemutatott erőművi termelési görbékből kell össze Tetris -ezni. Ebbe a játékba jön bele, ha megújuló erőműveket is akarunk alkalmazni. A következő ábrákon a megújuló erőművek tipikus napi termelési karakterisztikáját mutatjuk be. Hangsúlyozni kell, hogy ezek a karakterisztikák részben a tüzelőanyag rendelkezése állástól, időjárástól és egyéb tényezőtől függ. Bükkaranyosi szélerőmű 3 heti termelése Kis teljesítményű (400 W-os) szélturbina 5 Forrás MVM Rt. 20
termelése 2 óra leforgása alatt 6 biogáz erőmű kiadott teljesítmény kw 270 260 250 240 230 220 210 200 1 7 13 19 25 31 37 43 49 55 61 67 73 79 85 91 1/4 óra Napelemes erőmű napi termelése 7 Biogáz erőmű 8 Biomassza erőmű Mikro(gáz)turbina termelése MW 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 óra kw 14 12 10 8 6 4 2 0 1 3 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 óra Adatsor1 Biomassza erőmű napi termelése 9 Mikroturbina tipikus termelési görbéje 8. ábra Megújuló erőművek tipikus napi termelési karakterisztikája A fenti ábrákból is látható, hogy a kisléptékű mini megújuló és elosztott (DG és REN) termelőegységek alkalmazása nem segíti a rendszerirányítót a terhelési görbe kiegyensúlyozásában. A termelés balanszírozására elsősorban a gázturbinák, olajosgázos-szenes szabályozós erőművek és a vízerőművek egy része alkalmas. A következő megoldások képzelhetőek el: - A rendszerirányító az össze-vissza termelő kiserőművek eredőjét méri, és szabályozza ki. - A rendszerirányító menetrend adásra és betartásra kötelezi a mikro erőműveket, esetleg menetrendet ad nekik, majd csak az eltérést szabályozza ki. - A szabályozási hatáskört mérlegköri szintre delegálja (elszámolási megoldás gazdasági kényszer) 6 Forrás: BMF KVK VEI 7 Forrás: SolarWind demo 8 Wolfgang Rehm: Auxiliary Power Demand of Biogas Plants nyomán 9 Forrás: SolarWind demo 21
- Önálló kis szabályozó központok jönnek létre (lokális SCADA AGC) Minthogy az energiaellátás egyik sarokpontja a termelés-fogyasztás egyensúlyának biztosítása, ezért a továbbiakban a fogyasztás befolyásolását (kicsiben és nagyban), mint negatív erőművet is vizsgáljuk. Ez hasonlóképpen kezelendő kis méretekben is, mint a kis, elosztott, és esetenként megújuló termelés. 4.3 A jelenlegi rendszerirányítási problémák áttekintése A jelenlegi rendszerirányítási problémák nagy részét az okozza, hogy az elmúlt évtizedben a magyarországi (és ezzel együtt a regionális) erőmű szerkezet és a villamosenergia-hálózat fejlesztésének sebessége jóval elmaradt a villamosenergia rendszerben bekövetkezett változások (piac, országon belüli és határokon túli kereskedelem, elosztott termelés, megújuló források, stb.) sebességétől. Általános problémát jelent, hogy az egyes régiók önellátó képessége igen csekély, mivel a villamosenergia termelő források eloszlása nagyon egyenlőtlen. Ennek eredményeként a hálózat néhány helyen igen erős tranzitnak van kitéve. A jelen trendekkel a fenntartható fejlődés bizonyos területeken nem biztosítható, mivel a további fejezetekben ismertetett problémák jelentősen korlátozzák egyes új technológiák (elosztott termelés, megújuló energiaforrások, időjárásfüggő termelő egységek) térnyerését, melynek nem csak műszaki, hanem (törvényi) szabályzási okai is vannak. 4.3.1 Erőművek A túlnyomórészt régi erőművek miatt a jelenlegi erőműpark szabályozási kapacitása (bevethető szabályozási tartalék nagysága fel és le irányba) és szabályozási sebessége gyakran nem elegendő az előírt tartalékolási kritériumok betartásához. Ez azt eredményezi, hogy a menetrendkövetés pontossága csökken: 22
9. ábra A menetrendkövetés pontossága 2003. szept. 10-én Forrás: MAVIR, Dr. Stróbl Alajos Ennek eredményeként, a korrigált menetrendtől való eltérés is növekszik. 2005-ben összesen 334 órában volt nagyobb az eltérés a megengedettnél (±20 MWh/h): 10. ábra Eltérés a korrigált menetrendtől Forrás: MAVIR, Dr. Tombor Antal, 2006.02.14. 23
A hatásfokát tekintve kedvező (80% körüli hatásfokú) kapcsolt termelés jelentősen szűkíti a játékteret, ami elsősorban leszabályozáskor okoz gondot: 11. ábra A VER forrásainak megoszlása téli munkanap Ennek oka, hogy a jelenlegi átvételi rendszerben a gázmotoros erőművek közel zsinórtermelésre álltak be (kivéve a mélyvölgy időszakot): 12. ábra Mélyvölgy hatás 2005. június július 24
Sokkal kedvezőbb helyzetet lehetne elérni, ha valamilyen formában a kogenerációs erőművek is részt vennének a szabályozásban. Erre megfelelő módszer lehetne, ha az árszabályzás nem csak a megtermelt villamos energiát tekintené terméknek, hanem a fel és leszabályozási képességet (kapacitás és sebesség) is, hasonlóan a nagyerőművekhez. Természetesen az nem megvalósítható, hogy minden egyes kiserőművet külön-külön szabályozzanak, de megfelelően kialakított csoportban, vagy mérlegkörben ez kivitelezhető lenne. A gázmotoros erőművek szabályozhatóságáról a 7.2.3. fejezetben található részletesebb ismertető. A jelenlegi szabályozást további kihívások elé állítja a megújuló energia termelés növekedése, mivel az általuk megtermelt villamosenergiára is vonatkozik a kötelező átvétel, így az egyre zsugorodó közüzemi mérlegkörnek kellene megbírkóznia az általában zsinór-termelésre berendezkedett kiserőművekkel és az időjárásfüggő megújulók változó termelésével is. Erre a problémára jelenthet megoldást a 7.2.3. fejezetben ismertetett javaslatunk, valamint a jelenleg kidolgozás alatt álló új VET-ben szereplő azon elgondolás, mely szerint a támogatásban részesülő termelőknek külön mérlegkört kell alakítaniuk. 4.3.2 Hálózat Mint említettük, nem csak az erőművi, hanem a hálózatfejlesztési beruházások intenzitása is elmaradt az igényektől, ami hosszabb távon az üzembiztonság csökkenésével járhat. A MAVIR által üzemirányított átviteli hálózat bizonyos esetekben csak a 120 kv-os főelosztó hálózat igénybevételével tudja biztosítani az N-1 kritérium 10 betartását. Ennek eredményeként bizonyos kapcsolási állapotokban előfordul, hogy az erőművi kiszállítások (indokolatlanul) terhelik a 120 kv-os hálózatot (a színskála a névleges terhelhetőség 0% - 140%-os tartományát mutatja): 10 Az N-1 kritérium azt jelenti, hogy a folyamatosan üzemelő hálózat bármelyik egy elemét kivehetjük (hiba miatt szabadon kieshet pl. távvezeték, transzformátor, erőművi blokk), és ez az energiaellátás folyamatosságát nem érinti. Az N-n kritérium ugyan ezt jelenti n db elem kiesésére. 25
13. ábra A MÁTRA erőmű környékének erős terheltsége (MÁTRE, DETK, GYÖN, EGER, NBÁT) 14. ábra A PAKS erőmű környékének erős terheltsége (PAKS, BELEM, DÚJV, KALO, SZEK) A biztonságos üzemvitelhez igen fontos a hálózaton az előírt határokon belüli feszültségtartás, és a feszültség szabályozás. Esetenként, a hálózat magas terheltsége mellett a hálózat bizonyos részein igen alacsony feszültség tapasztalható. A következő ábra a 120kV-os gyűjtősín feszültségeket mutatja (a színskála feszültségtartománya 108 kv - 138 kv): 26
15. ábra Gyűjtősín feszültség 120 kv Mivel az 5 MW-nál kisebb erőművekre vonatkozó előírások alapján a csatlakozási ponton cosϕ=1 értéket kell tartani, így a kiserőműveket a hálózat üzemeltetők eleve kizárják a feszültség szabályozásból, pedig egy jól megválasztott karakterisztikával az elosztott termelők igen kedvező, helyi feszültségszabályozást tudnának végezni. Ez különösen igaz a szélerőművekre, mivel a modern inverteres áramátalakítóknak igen jók a szabályozási tulajdonságaik. A következő ábra az E.ON szélerőművekkel szemben támasztott követelményét mutatja Németországban: 16. ábra Az E.ON szélerőművekkel szemben támasztott követelménye Németországban Forrás: E.ON Germany 27