A villamosenergia-rendszer stratégiai kérdései

Köztestületi Stratégiai Programok A villamosenergia-rendszer stratégiai kérdései Kádár Péter Vajda István Budapest, 2010. október

Tartalom 1 A VILLAMOS ENERGETIKA ÉS KÖRNYEZETI HATÁSAI... 3 1.1 Az energiatermelő berendezések környezeti hatásai 3 1.1.1 Kibocsátások az életciklus során 3 1.1.2 Területigény 6 1.1.3 Vízfelhasználás 7 1.1.4 Externáliák költsége 8 1.2 Az energetikai beruházások értékelése 11 1.3 Hálózati kérdések 12 1.4 A hálózat flexibilissé tétele 13 1.5 A regionális energiatermelés előmozdítása 13 2 AZ ELOSZTOTT VILLAMOS ENERGIATERMELÉS ÉS -TÁROLÁS... 15 2.1 Elosztott és megújuló termelés 15 2.2 A Smart hálózat 16 2.3 A megújuló energiák hálózatba integrálása 20 2.3.1 Szélerőművi termelés szabályozása és korlátozása 20 2.3.2 Területi diverzifikáció 20 2.3.3 Lokális irányító-szabályozó központok 20 2.3.4 Tőzsdei ügyletek 21 2.3.5 Innovatív módszerek 21 2.3.6 További módszerek 21 2.4 Igény az energiatárolásra 22 2.5 A villamos energiatárolás eszközei 22 2.5.1 A SZET 24 2.5.2 MikroSZET 25 2.5.3 Energiatárolás hidrogén formájában 26 2.5.4 Tárolás hő formájában 31 2.5.5 A villamos autók 31 2.5.6 Lendkerekek 31 2.5.7 Akkumulátorok 33 2.5.8 A VRB 35 2.5.9 Sűrített levegős energiatárolás 36 2.5.10 Szuperkapacitások 37 2.6 A fogyasztás befolyásolása 38 2.6.1 A DSM tartalékok 39 2.6.2 Fogyasztásszabályozási stratégiák 40

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai 1 A villamos energetika és környezeti hatásai 1.1 Az energiatermelő berendezések környezeti hatásai Nincs olyan erőművi technológia, amelyik környezetterhelés nélkül üzemelne, ezért az energetikai fejlesztési és üzemeltetési döntési szempontrendszernek komplex módon kell a kérdést vizsgálni, a túlhangsúlyozott rövidtávú gazdasági tényezők helyett. Az összehasonlítási szempontok mérlegelésénél a hatásfok, a beruházási költség, a fajlagos költségek, az üzemanyag költségek mellett figyelembe kellene venni a CO 2 és egyéb károsanyag kibocsátást, az együttműködést a villamos hálózattal, a területigényt, a vízfelhasználást és egyéb externális költséget is. Energetikai beruházásoknál az eddiginél nagyobb hangsúllyal javasoljuk a környezeti hatásokat figyelembe venni. A környezeti hatások figyelembe vételének a tervezési fázis részét kell képezni. Célszerű a meglévő rendszereket környezetvédelmi korszerűségük tekintetében felülvizsgálni (pl. ennek eredményeként épültek az erőművi füstgáz kéntelenítők) 1.1.1 Kibocsátások az életciklus során Gyakorlatilag minden erőmű létrehozása, üzemeltetése és elbontása során jelentős nyersanyag felhasználás történik, illetve különböző károsnak minősített anyag kibocsátása történik a technológiából következően, ami esetenként jelentősen csökkenthető, de nem megszüntethető. A fenntarthatósági elemzésekben a hagyományos élettartam-, megtérülés- és hatásfokszámítások mellett egyre inkább helyet kap a környezet- és energiatudatos életciklus elemzés alapú megközelítés. Ennek lényege, hogy egy eszközt, tárgyat, terméket nem csak annak előállítása vagy felhasználása alatt vizsgálunk, hanem a teljes előállítási, használati és megsemmisítési folyamatát egyben nézzük: mit használunk fel hozzá, mi marad vissza belőle. Ebben a megközelítésben már árnyaltabban tudunk egyes tisztán megújulónak tartott energiaforrást, vagy annak a környezetre gyakorolt hatását vizsgálni. A következő táblázat tájékoztató jelleggel megadja néhány ipari félkész alapanyag előállítási energiaszükségletét. Ez azt mutatja, hogy pl. egy szélerőmű nem bocsát ki káros anyagot, ingyen termeli az energiát de ehhez igen sok energiát kellett korábban befektetni, ami többek között károsanyag kibocsátással is jár. Hasonlóképpen a már nem üzemelő berendezéseket le kell majd bontani, az anyagokat megfelelően újra felhasználni, megsemmisíteni vagy deponálni kell. A berendezések előállításába fektetett energiát láthatatlan szürke energiának nevezik. GJ/t MWh/t Alumínium 207 57,5 Beton 1,4 0,39 Réz 131 36,4 Rozsdamentes acél 53 14,7 1. táblázat: Félkész ipari termékek előállításához szükséges energia 1 1 White Radcliffe Kulcinski: Life cycle energy cost of wind and gas-turbine http://fti.neep.wisc.edu/presentations/sww_energy_ctr.pdf 3

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai 1-1. ábra: Alumínium elektrolízisnél felhasznált energia 2 A fentebbiekre alapozva pl. konkrét szélerőműparkok létrehozásánál az energia befektetés, illetve az életciklus alatti károsanyag kibocsátás is elemzésre került. 1. táblázat: Egy átlagos szélerőműhöz felhasznált energiaigényes anyagok [kg] 3 1-2. ábra: Szélerőmű életciklusa során felhasznált energiaigényes anyagok 4 2 European Aluminium Technology Platform & VISION 2030; January 2006 3 Matthew McCulloch - Marlo Raynolds - Michelle Laurie; February 2000: Life-Cycle Value Assessment of a Wind Turbine, Alberta, Canada 4

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai Az életciklus elemzésnek egy másik kimenete az Energy Payback Time, az az időtartam években, amennyi alatt megtermeli az előállítás során befektetett energia mennyiséget a készülék. Egyes esetekben soha (pl. űrhajók korábbi napelemei), de itt nem is feltétlen ez a cél. Energetikai célú beruházásoknál viszont alapvető, hogy ne fordítsunk több energiát az előállításukra, mint amennyit meg tud termelni a napelem (vagy mint amennyi energia van a bioüzemanyagban). Fotovoltaikus rendszereknél szűkebb értelemben csak magát a napelemet vizsgálják, tágabb értelemben a tartószerkezetet, invertert, stb. 1-3. ábra: Két konkrét polikristályos és egy vékonyfilmes napelemes rendszer energia visszatérülési időtartama év-ben kifejezve. 5 Hasonló energiamegtérülési időtartamokra jut egy másik kutatás is, mintegy 20 rendszer vizsgálata alapján. Modul fajta Energy Payback Time (év) monokristályos-si 3,2 Vékonyfilm 2,7 2. táblázat: Napelem rnergia megtérülési idő 6 Az életciklus során felhasznált energia számításakor részletesen elemezhető pl. a félvezetőgyártás egyes lépései során összességében befektetett energia mennyiség (pl. tisztítás, őrlés, olvasztás, kristálynövesztés, szeletelés, stb.) 7 Újabb elemzések már 9-17 4 Barbara Batumbya Nalukowe - Jianguo Liu - Wiedmer Damien - Tomasz Lukawskií. Life Cycle Assessment of a Wind Turbine; May 22, 2006 5 Sergio Pacca, Deepak Sivaraman and Gregory A. Keoleian Center for Sustainable Systems, Report No. CSS05-09: Life Cycle Assessment of the 33 kw Photovoltaic System ont he Dana Building at the University of Michigan: Thin Film Laminates, Multi-Cristalline modules, and balance of the system compontents; University of Michigan, Ann Arbor, Michigan, June 1, 2006; http://css.snre.umich.edu 6 Colin Bankier and Steve Gale: Energy Payback of Roof Mounted Photovoltaic Cells: Published Jun 16 2006 by Energy Bulletin 7 A. Wokaun, A. Steinfeld: Lecture 2: Life Cycle Analysis and multi-criteria assessment of energy systems in view of sustainability indicators; http://ene.web.psi.ch/teachingwa.html; Life Cycle Analysis (LCA) of photovoltaic (PV) energy systems 5

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai szeres energia-visszatérülési rátát jósolnak, illetve 1-4 éven belüli energia visszatérülést. 8 A következő diagram a tipikus erőművi technológiák életciklusa alatt kibocsátott, 1 GWh előállított villamos energiára vonatkozó CO 2 kibocsátást mutatja (t/gwh). 1-4. ábra: Erőművi fajlagos CO 2 kibocsátások (t/gwh) 9 Az energetikai beruházásoknál javasoljuk az életciklus szemléletű tervezést megvalósítani. 1.1.2 Területigény Az energiatechnológiák különböző területigényűek, amit mindenképp figyelembe kell venni, ugyanis az emberiség az extenzív fejlődés határait feszegeti azaz a világ sok részén kezd elfogyni a szabad terület, a terület felhasználását nem lehet mindig az energetikának alárendelni. Különösen igaz ez a világvárosokban, mint. pl New York, London, Tokyo. Energiaforrás fosszilis hőerőmű (bánya nélkül) termikus naperőmű napelemes erőmű szélerőmű energiaültetvény 10 Területigény (m 2 /kw) 1-4 10-30 20-60 50-150 4000-6000 1-5. ábra: A villamosenergia-fejlesztés fajlagos területigénye 11 8 Life-Cycle Environmental Performance of Silicon Solar Panels, http://www.oregon.gov/odot/hwy/oipp/docs/solar_panel_lifecycle.pdf 9 S.W.White W.H.Readcliffe-G.L.Kulcinski: Life Cycle Energy Cost of Wind and Gas-Turbine Power 10 1 kw beépített kapacitású, biomassza alapű erőműhoz szükséges termőterület (az egy éves folymatos üzem biztosításához) 6

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai 1-6. ábra: Egyes villamos energia termelő technológiák teljes technológiai láncra vetített fajlagos területigénye 12 Kétségtelen, hogy a fajlagos terület-kihasználási mutató szempontjából, ha a beépített teljesítményt viszonyítjuk a természetátalakítást szenvedett területek nagyságával, akkor a vízerőművek igen rossz helyen szerepelnek (kb. 100.000-1.000.000 m 2 /MW azaz 1-10 W/m 2 ) 13. A kompakt gázerőművek (ha nem tekintjük a gázkitermelés és -szállítás területigényét), akkor igen előkelő helyen végeznek (akár 100 m 2 /MW azaz 10000 W/m 2 ). Relatívan kicsi a nukleáris erőművek helyigénye is, ha nem számoljuk a hűtési technológia, az uránbányászat és dúsítás helyfoglalását.) A hazai környezet egyáltalán nem bővelkedik szabad területekben, ezért a nagy helyigényű, területre vetített kis energiasűrűségű energetikai létesítmények nem előnyösek. 1.1.3 Vízfelhasználás A XXI. században előre láthatólag a víznek stratégiai szerepe lesz, a vízzel mint helyenként ritka természeti erőforrással kell számolni (pl. Közel-Kelet, Észak-Afrika). Ezért sem közömbös, hogy az egyes technológiák mennyi vizet igényelnek. Ha azt vizsgáljuk, hogy a tüzelőanyag előállításához mennyi vizet használunk (bányászat, tisztítás, kémiai kezelés, öntözés stb.), akkor azt találjuk, hogy míg 1000 kwh villamos energia előállításához szükséges földgáz mennyiséghez 38 liter víz, szénhez 2100 l víz, olajhoz (sajtolásos technológia) 31000 l víz szükséges, addig a bioetanolhoz kb. 200 000 és a biodízelhez kb. 400 000 l víz szükséges. 14 Maga az erőmű is igényel vizet. 11 forrás Vajda György: Energetika és fenntartható fejlődés Természet Világa,132. évfolyam, 8. szám, 2001. augusztus 12 forrás : Fazekas A.I. 13 A fenti táblázat csak a vízerőtelep méretével számol 14 IEEE Spectrum: How Much Water Does It Take to Make Electricity? - Virginia Water Resources Research Center - www.spectrum.ieee.org/apr08/6182 7

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai A geotermális 2000 l-t, a hagyományos szenes erőmű 20 000 l-t (folyami hűtés), a nukleáris kb. 30 000 l-t a fenti energiamennyiség előállítása közben. Az erőművek telepítésének sarkalatos kérdése a hűtőközeg, rendszerint a hűtővíz rendelkezésre állása, ezért előszeretettel építik azokat tavak, tengerek vagy folyók mellé (pl. Dunamenti erőmű, Tisza II. erőmű, Gönyűi erőmű, Paksi erőmű). A hazai energetika eddig nem kellően számolt a víz stratégiai jelentőségével. Össze kell hangolni a hazai vízstratégiával is. 1.1.4 Externáliák költsége Az erőművek költségét sokszor csak a beruházásra és üzemeltetésre szűkítik le. Azért, hogy teljesebb képet kapjunk, bevezették az externália fogalmát, amely nem csak a közvetlen költségeket (pl. bányászat, bontás, hulladék lerakás), hanem esetenként olyan közvetett költségeket is meghatárol, mint pl. egy erőmű által okozott egészségkárosodás társadalmi költségei. "Externális költségeknek, vagy más néven járulékos, külső költségeknek azokat a költségeket nevezik a villamosenergia-ellátás vonatkozásában, amelyek az emberek egészségkárosodásával, a természetben, a gazdasági tevékenység természeti feltételeinek romlásában, a társadalom anyagi javaiban, életkörülményeiben, szociális viszonyaiban jelentkező károkkal, többletráfordításokkal, többletköltségekkel összefüggésbe hozhatók, s amelyek a villamosenergia-ellátás technológiájának következtében keletkeztek, merültek fel. Tisztán gazdasági megközelítésben és a fogalom terjedelmének erős leszűkítésével az mondható, hogy a villamosenergia-ellátás externális költségei alatt azok a költségek értendők, amelyek a mindenkori piaci árakban nem ismertethetők el. Jóllehet a külső költségek léte mindenki számára világos, a fogalom tehát kvalitatíve lényegileg meghatározott, a költségek számszerűsítése, konkrét, kvantitatív meghatárolása nagyon nehéz. Nagyon nehéz ugyanis megfelelően számba venni a különböző területen jelentkező költségeket. Ennek alapvető oka az, hogy nincs egységes módszer, eljárás a külső költségek számbavételére, s nincs valójában abban sem egyetértés, hogy mely költségek sorolhatók a villamosenergiaellátás külső költségei közé. Egyes vélemények szűkebb körét határozzák meg az ide sorolható költségeknek, mások a költségeknek lényegesen tágabb körét hozzák összefüggésbe a villamosenergia-ellátással. A költségek számbavétele más okokból is nagyon nehéz. Számos esetben egyértelmű, hogy az adott költség a villamosenergiaellátás külső költségei közé sorolható, ugyanakkor nem állnak rendelkezésre adatok a költségek számbavételére. Más esetben elvi problémaként merül fel, hogy egyes károkat hogyan lehet számszerűsíteni, hogyan lehet a veszteség költségét, a kárt számszerűsíteni. A tájrombolás, a zavaró zaj 'kára' nagyon nehezen számszerűsíthető, s bizonyosan bármilyen számszerűsítés erősen szubjektív, esetleges." 15 A terjedőben lévő életciklus elemzési módszer csak a közvetlen költségeket takarja. Jelenleg az építési és üzemeltetési költségeket tekintve a hagyományos fosszilis és nukleáris energiatermelés a legolcsóbb. Nincs ez így, ha a figyelembe vesszük a környezeti, légköri és egészségkárosodást is. Ezeknek pontos számszerűsítésére még 15 Fazekas András István: http://www.zoldtech.hu/cikkek/20050727externalia 8

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai nincs egységes módszertan. A technológiák egyik mutatószáma az egységnyi energiatermelésre vonatkozó CO 2 kibocsátás. Az externális költségek tartalmazzák az egyéb, nem a jelenben okozott közvetlen költséget és definíciótól függően tartalmazhatják a CO 2 kibocsátás költségeit is. Alapértelmezésben tartalmazni szokták. Cent / kwh 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 Kőolaj Fekete és barnakőszén Biomassza Földgáz Napelem Szél 1-7. ábra: Az erőművi villamos energia externális költségei (tól ig) Németországban 16 Az externáliák értékeinek felhasználásával a hazai energiamix optimalizálása során az alábbi eredményeket kapjuk: 17 Az erőmű, az üzemanyag és az externális költségek összemérhetőek A radikális mértékű országos CO 2 csökkentés költsége, illetve a távlati externália minimalizálás kb. azonos költségű és hatású (azaz vagy ma csökkentem le a kibocsátást, vagy majd később legalább ennyibe fog kerülni a károk felszámolása) A költségtakarékos megoldás még a 13%-os megújuló részaránnyal is óriási kibocsátás (és externália) növekedést vonna maga után A minimimális beruházási költségű megoldásokban az üzemanyagköltségek tetemesek (pl. gázerőművek)! A gáz részarányt nem szabadna tovább bővíteni, mert növeli a CO 2 kibocsátást (amit épp csökkenteni kellene), illetve a legmagasabb üzemköltségű Minél több szélerőművet kell építeni A vízerőmű mindig belekerült a mixbe A jelenlegi típusú biomassza fejlesztést (természetes erdők igen alacsony hatásfokú égetése) egyik egyedi optimum sem kívánja A szélerőműves és/vagy vízerőműves optimum is tartalmazza a nukleáris fejlesztést (vigyázat, ez nem jelenti, hogy szabályozható a rendszer, egy tárolós erőmű egyértelműen növeli az externális költségeket!) Véleményünk szerint a több technológiát támogató, kiegyensúlyozott párhuzamos technológiai fejlesztés nyújtja legkisebb külső energiafüggőséget. 16 Forrás: Az Európai Bizottság Extern-E kutatása, Időközi jelentés 2003. 17 A villamosenergia termelés externális költségei, különös tekintettel a megújuló energiaforrásokra; Elemző tanulmány a MEH részére, 2010 április 9

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai 1-8. ábra: Európai technológiák externális költségei (tól ig) 18 1-9. ábra: Technológiák CO 2 kibocsátásai 18 Az energetikai tervezésnél a rövidtávú közvetlen költségek helyett a teljes életciklusra számított összköltség és az externális költség szemléletű tervezést javasoljuk. Mindezt az energiamix optimális összetételének meghatárolásakor is figyelembe kéne venni. 18 MEH háttéranyag, 2009 10

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai 1.2 Az energetikai beruházások értékelése Az energetikában ritkán merül fel szabad, minden paraméterében nyitott kérdés, sokkal inkább jól meghatározott, kevés döntési alternatíva közül kell választani, pl.: A termelést vagy a felhasználás hatásfokát növeljük? Fosszilis vagy nukleáris erőművek épüljenek? Épüljön-e vagy ne új vezeték? A profit vagy az ellátásbiztonság a fontosabb? Koncentráltan vagy elosztva termeljünk-e (DG)? Hagyományos vagy megújuló forrásokat alkalmazzunk (REN)? Megépüljön-e a vízlépcső? Nukleáris vagy gáz alapú erőmű épüljön? stb. Mint azt már fennebb láttuk, egy erőmű, de bármely beruházás számos előnnyel és hátránnyal jár. Nem ismerünk olyan energiatermelési formát, amely mindenki számára csak előnyt, tisztaságot, hasznot hoz. De ugyanakkor nincsen jó és rossz erőmű sem. A beruházás hatásait nem csak műszaki, hanem szélesebb szempontrendszerben kell vizsgálni. A beruházások egyik értékelési sémája lehet a kvantitatív súlyfaktorokkal dolgozó STEPLE (szociális, műszaki, gazdasági, politikai, jogi és környezetvédelmi - Social, Technical, Economy, Policy, Legal, Environmental). Pl. a következő szempontokat vizsgálhatjuk: Szociális tényezők Munkahelyteremtés Energia-ellátáshoz való jog Ipari fejlődés egy régióban Új szakmák megjelenése, stb. Műszaki szempontok Ellátási biztonság Energia minőség Termelési- és felhasználási hatékonyság Szabványosítás Integráció, stb. Gazdasági oldal Költségek Energia végfelhasználói ár Gazdasági növekedés Megtérülés (ROI) A beruházott értékek felhalmozódása Időtartam/életciklus, stb. Politikai megközelítés Az állam szerepe Az ellátás elsődlegességének kérdése Csoport érdekek lobbying Nemzeti érdekek, stb. Törvénykezési megfontolások Szabályozás bonyolultsága Alkalmazott restrikciók Ellenőrzött verseny Belépési korlátok Korrupció 11

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai Kooperáció a résztvevők között, stb. Környezeti szempontok Üvegházhatás Fel- és elhasznált anyagok mennyisége Táj átalakítás Ökológiai hatás Természeti energiaforrások, stb. A véleményeket és döntéseket a fenti komplex szempontrendszer alapján lehet meghozni. A komplex értékelés egyik megközelítően jó sémája a STEPLE, de további szempontokat is figyelembe lehet venni. Az energetikai döntések során nem az önmagában optimális megoldást választják, hanem az adott helyzetben a relatívan legmegfelelőbbet. Minden szempont egyszerre érvényesül. 19 A döntéselmélet-tudomány igen fejlett, bár az energetikában sajnos ritkán jut szerephez. Jelentős előrelépés lehet, ha az egyszerű, politikusok által is könnyen kezelhető STEPLE sémát bevezetnék. Vannak hasonló módszerek is, mint pl. STEEP (az előző, a jogi szempontrendszer nélkül). Javasoljuk a STEPLE sémát alkalmazni az energetikai döntéshozatalban. 1.3 Hálózati kérdések Környezeti szempontból nem lehet megfeledkezni a villamos energia szállításának eszközeiről, elsősorban a távvezetékekről sem. A távvezetékek megszokott látványelemei az iparilag fejlett országoknak, de ma már egyre nehezebb újabbakat létesíteni. Részben ezért, részben pedig az elektromágneses hatások minimalizálása miatt is nagy jelentősége van a kompakt (viszonylag kis térfogatú) távvezetékek kifejlesztésének. Európai politikusok gyakran felemlítik az Európán átívelő nagyteljesítményű energiahálózat kiépítésének szükségességét. Ehhez tudni kell, hogy a mai nemzeti energiarendszereket alapvetően a kölcsönös kisegítés érdekében kapcsolták össze. A mai kor nagyléptékű kereskedelmi igényeinek kielégítése helyenként szűk keresztmetszeteket hozott létre. Ezek feloldása nem történik egyedi és egyszeri akcióval, kizárólag egy nagy vezeték megépítésével, hanem folyamatosan építeni kell minél több határkeresztező vezetéket így hazánkban is. A helyzet hasonló ahhoz, mint amikor a kelet-nyugati közlekedési folyosók kapacitását számos új út létesítésével, és nem egy nagy országút létrehozásával lehet megoldani. A hazai határkeresztező kapacitások szűkösségét mutatja az is, hogy a régióban szigetszerűen magas villamos energia árak vannak, amelyek kiegyenlítődése csak az elégséges határkeresztezés megléte esetén várható. 19 Kádár P.: Döntési módszerek az energetikában, Energiagazdálkodás 48. évf. 2007/1 sz. pp 3-8 12

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai A villamos hálózatok deregulációja előtti világban központi tervgazdálkodás szerint folyt a hálózatfejlesztés. Piaci körülmények között nincs tisztázva, hogy kinek a kötelessége a piaci alapú hálózatfejlesztés, mi tartozik a hazai üzembiztonsághoz, mit kell a nemzetközi tranzitok miatt fejleszteni. Jelenleg az MVM csoporthoz tartozó MAVIR koordinálja az ütemes alaphálózati fejlesztést. Meg kell azonban jegyezni, hogy bizonyos irányokban (É D, ill. K DNy) az épülő kapacitások még jó ideig nagyobb terheléssel fognak üzemelni, ugyanis a nemzetközi tranzit igényt még sokáig a határkeresztezés fogja korlátozni, azaz a belső ellátásra és hálózatra mindez inkább csak terheket ró. Elengedhetetlen a határkeresztező kapacitások fejlesztése. 1.4 A hálózat flexibilissé tétele A hazai villamosenergia-rendszer megfelel a biztonságos ellátási követelményeknek. Struktúráját a központi irányítás, központi tervezés és koncentrált termelés jellemzi. A mai kihívások viszont az elosztott termelésről, az időjárásfüggő erőművekről, a finom szabályozásról, az energiatakarékosságról, környezetvédelemről szólnak. A régi filozófiájú hálózat értelem szerint nem mindenben tud ennek megfelelni, tehát elsősorban nem a hálózati eszközök, hanem a hálózat fizikai struktúrájának, az irányítás filozófiájának fejlesztése a feladat. Mindez a hálózatnak az aktuális termelésifogyasztási környezethez való illesztését jelenti, azaz a hálózat flexibilis lesz. Ennek megvalósításakor együtt kell működni a mesterséges intelligencia eszközeinek alkalmazásában az ICT szakemberekkel. A következő fejlesztéseket javasoljuk: korszerű virtuális irányító központok létrehozása intelligens terhelésszabályozás pontos terhelés és termelés előrejelzés korszerű mérőrendszerek automatikus rekonfiguráció fogyasztói tájékoztatás stb. A hazai hálózat fizikai és irányítási struktúráját kell fejleszteni az elkövetkező években. 1.5 A regionális energiatermelés előmozdítása Az energiatermelés jelenleg, mint önálló profitorientált gazdasági tevékenység szerepel. Ennek megfelelően, ha valaki profitábilisan tud termelni, és az engedélyeket megszerzi (értsd legális, de környezeti és társadalmi szempontból nem biztos, hogy optimális), akkor az energiapiac aktív szereplőjévé válhat. Hazánkban több olyan helyi kezdeményezés látott napvilágot, melyekben egy adott régió a területén található nap-, víz-, szél-, biomassza- és földhő energiából termel villamos- és hőenergiát elsősorban saját ellátásra. Ezáltal munkahelyek teremtődnek, a terület természeti képe karban lesz tartva (erdők, mezők, útszélek), a lakók energiatudatossá válnak és nem kevésbé jelenlegi prioritás az is, hogy megújuló energiát 13

VER stratégiai kérdések A villamos energetika és környezeti hatásai termelnek (ezáltal csökken a régió, és az ország energiafüggősége). Ez együttesen társadalmi szinten profitábilis, még akkor is, ha energiaárra vetítve nem a legolcsóbb megoldás. A MIKROVIRKA-projekt hosszú távú célja egy olyan rendszer kiépítése, melyben a megújuló energiaforrások termelői gazdasági társasági formába tömörülve, szabadon kereskedhetnek egy közös mérlegköri elszámolást lehetővé tevő rendszeren az energianeten - keresztül, regionálisan mérlegköröket alkotva a fogyasztókkal, akik ezáltal olcsó és környezetbarát technológiából származó energiához juthatnak. 20 A fenti megoldás mintaértékű, innovatív, amire külföldön is felfigyelhetnek. A regionális energiatermelési kooperáció egy innovatív megoldás. 20 részlet a MIKROVIRKA Egyesület alapszabáláyból 14

VER stratégiai kérdések 2 Ebben a fejezetben ismertetjük a REN, DG, Smart fogalmakat, majd az energiatárolási műszaki lehetőségeket. 2.1 Elosztott és megújuló termelés Mindenekelőtt különbséget kell tennünk az elosztott termelés (Distributed Generation DG) és a megújuló energiaforrások (Renewable Sources REN) között. Elosztott a termelés, ha az energiarendszer méreteihez képest kicsi egységekből áll. Pl. Magyarország kb. 6000 MW-os terheléséhez képest a 2-5 MW kicsinek számít, míg a 50-100 MW felett koncentrált termelésről beszélhetünk. Az elosztott termelés előnye a helyi adottságok jobb kihasználása, a hálózat nagyobb stabilitása, a kisebb szállítási veszteség. Nálunk főként gázmotorok vannak elterjedve. Megújuló az erőforrás, ha a nap által megújított (fény-, hő-, szél-, víz-, biomassza) energiát, vagy el nem fogyó energiát (pl. geotermikus) használ fel. Egyes esetekben a hulladékot is a megújulók közé sorolják. Manapság sokat beszélnek az elosztott ÉS megújuló erőművekről, de ez a táblázatban is csak egy kategória. ELOSZTOTT (DG) KONCENTRÁLT NEM ELOSZTOTT MEGÚJULÓ (REN) Napelemes erőművek Egyedi szélerőművek Mini vízerőművek Kis biomassza erőmű Bősi erőmű Kisköre Mosonmagyaróvári szélpark Pécsi biomassza NEM MEGÚJULÓ, FOSSZILIS, NUKLEÁRIS Gázmotorok Mátrai Erőmű Dunamenti Erőmű Paksi Erőmű Tisza II. Erőmű 3. táblázat: A REN és DG viszonya Egyes vélemények szerint a DG és bizonyos REN források a központosított hagyományos termelési formáknál költségesebbek. Ez igaz a jelenlegi szabályozási környezetben, ennek ellenére a számos előnnyel is rendelkező elosztott termelési filozófia alapján a világon egyre több létesítmény készül. Erre a folyamatra hazánknak is fel kell készülnie. 15

VER stratégiai kérdések 2.2 A Smart hálózat A Smart Grid filozófia létrejöttét két folyamat is indokolta: Az extenzív hálózatépítés során nem jutott (nem jut) elég fizikai erőforrás a meglévő hálózatok teljes cseréjére 30-50 évenként. Ezek üzembiztonsága az öregedéssel rohamosan csökken. Ennek felismerésével egy időben az átmeneti energia szűke és a demokratikus energiatermelési jog terjedésével megjelent az igény a kisléptékű, zömében megújuló energiatermelés (egyben elosztott is) integrálására A Smart Grid fogalomra nem létezik zárt, egyértelmű meghatárolás. Mindemellett több definíciót áttekintve azt mondhatjuk, hogy Smart Gridnek nevezzük azt az intelligens hálózati együttműködést, ahol az ellátás jobb minőségéért és a rendelkezésre álló erőforrások jobb kihasználásáért a korszerű elektronikai, elektromos és ICT technológiát használjuk fel nagy mennyiségben. 2-1. ábra: A hagyományos és ICT 21 technológia találkozása 22 21 Information and Communication Technology 22 EPRI 2005 16

VER stratégiai kérdések Egy Smart Grid definíció a KEMA kutatóintézettől: 23 : 24 Intelligens Jövőbe mutató A szolgáltatónak is át kell hozzá alakulnia A fogyasztó aktívan részt vesz benne Minden termelést magára vesz, nem válogat Új termékek, piac Öngyógyító Kevésbé sérülékeny Fenntartható A digitális technológia átszövi az energiaszállítás minden részletét Lehetőséget teremt az elosztott termelés integrációjára Optimalizálja a hálózatot A hálózat önjavító, megbízható, biztonságosabb, jobb hatásfokú lesz, miközben a fogyasztó is energiatudatossá válik. Mindez hozzájárul a fenntarthatósághoz, környezetvédelemhez A hagyományos és Smart hálózat összehasonlítása: 25 20. századi hálózat 21. századi hálózat Elektromechanikus Digitális Egyirányú kommunikáció Kétirányú kommunikáció Központi termelés Elosztott termelés Sugaras hálózat Hurkolt hálózat Kevés érzékelő Számos érzékelő és monitorozó berendezés vakon működik Önmagát monitorozza Kézi helyreállítás Helyreállítási automatizmusok működnek A hibáknak és kieséseknek ki van Adaptív, szigeteket képezhet szolgáltatva Kézi készülék ellenőrzés Folyamatos távmonitorozás Diszpécseri döntések szakemberek által Döntéstámogató rendszerek segítik a diszpécsereket Az áramlásokat nemigen befolyásolják Aktív áramláskontrol Korlátozott árinformációk Teljes aktuális árinformációk A fogyasztónak kevés a választási Sok fogyasztói lehetőség lehetősége A mai Smart Grid filozófia a fizikailag lehatárolt klasszikus mikrogridekből eredeztethető. Míg az előbbiek önálló energiarendszert alkotnak, bennük a termelésterhelés egyensúlyának biztosításával, addig a virtuális mikrogrid egy nagy hálózatra szuperponált számos termelés és terhelés egy részéből képez csoportot, amelyben az 23 Dr. Robert Wilhite, KEMA consulting: The Smart Grid vision for a Smarter Planet előadás alapján 24 Smarter Grids for California and the Planet - KEMA s Perspective and Observations; CEC Workshop on Defining the Pathway to the California Smart Grid of 2020; Sacramento CA, August 5, 2008 25 The Emerging Smart Grid, Centre for Smart Energy, October 2005 17

VER stratégiai kérdések egyensúlyi és szabályozási feladatokat is megoldják. Ezáltal a nagy hálózat egyensúlya nem függ a virtuális mikrogridbe kapcsolt terhelésektől. Ezt ma Smart Grid jellegű működésnek nevezzük. 26 Jellemzői: Nem izolált/izolálható hálózatrész, a közép- és nagyfeszültségű hálózaton helyezkedik el Saját koordinációs/felügyelő központtal rendelkezik Kellemetlen és kicsi termelőket és fogyasztókat fog össze A saját termelés és fogyasztás egy nagyságrendbe esik Kifelé mérlegköri elszámolással, menetrendadással, míg befelé terhelés- és termelésbefolyásolással működik Középfeszültségű és nagyfeszültségű hálózatot használja Részben független tarifa rendszer A meglévő hálózat SMART jellegű fejlesztésével lehet a berendezéseket jobban kihasználni (a hálózat, illetve az erőművek terhelési tényezője növekedhet) 27, a biztonságot fenntartani 28, a szükséges (koncentrált) erőművi kapacitásokat minimalizálni. 26 A Smart kifejezés csak az utóbb három évben terjedt el. 27 az átlagteljesítmény és a névleges teljesítmény hányadosa, maximum 1. Atomerőműnél a karbantartást leszámítva ez 0,95-1, míg egy csúcserőmű esetén csak 0,2-0,4. 28 A Dynamic Rating segítségével a berendezések tényleges állapotának ismeretében terhelik, pl. a transzformátorok és vezetékek terhelhetőségét nem becsléssel, hanem hőmérséklet mérés alapján állapítják meg. 18

VER stratégiai kérdések 2-2. ábra: Virtuális MikroGRID -> SMART GRID KÖF elosztó hálózat Irodaház Gen Távfűtés Gázmotor Kis fogyasztók Szél 120 kv-os főelosztó hálózat KÖF elosztó hálózat Szolgáltatói PV Kis üzem Gen Szél Elosztóhálózati üzemirányító felé Gázmotor Smartgrid központi vezérlő (koordinálja a termelést, a terhelést, a hőenergia termelést és igényeket Tárolás Fogyasztói PV Irodaház Gen Hő Gázmotor Hő Kis üzem Kommunikáció és vezérlés 19

2.3 A megújuló energiák hálózatba integrálása Számos elosztott, megújuló energiatermelő berendezés kapható piaci forgalomban, számunkra nem az alapberendezések fejlesztése, hanem a részben időjárásfüggő energiatermelés hálózatba integrálása jelenti a legnagyobb kihívást. A következőkben a hazai viszonyokra legjellemzőbb szélenergia-integrálási lehetőségeket említjük, de ezek esetenként érvényesek a többi elosztott erőműre is. 2.3.1 Szélerőművi termelés szabályozása és korlátozása A szélerőművek termelése a meredek karakterisztika szakaszon (5-12 m/s) igen volatilis a kis szélsebesség-változásokra is. Ebben a tartományban igyekeznek a maximális teljesítményt kihozni a gépekből. A vízszintes szakaszon viszont lapátszög állítással csökkenthető a teljesítmény a névleges érték alá is. A korszerű szélerőművek tehát szabályozhatóak. Országos szinten, ahol szélerőműparkok termelnek, a szélerőművek leszabályozása nem az egyedi gépek külön-külön teljesítmény csökkentésével történhet, hanem a néhány tucat gépet számláló parkban üzemelő gépegységek számának arányos csökkentésével, azaz egyes gépek kikapcsolásával. Pl. 20 toronyból 6 kikapcsolása a kimenő teljesítményt közel 30%-al korlátozza. Az eddig alkalmazott erőművi menetrendek mellett is már több száz MW kikapcsolható kapacitás üzemelhet(ett volna). A rendszerirányító számára minimális kockázattal jár, ha kikapcsolható, vagy visszaterhelhető szélerőművi kapacitások kerülnek telepítésre. A szélenergia termelésnek egyes rendszerekben prioritása van, tehát csak átmeneti állapotokban nyúlnak a korlátozás eszközéhez, de műszakilag mindenképpen járható. Ez a gépeket nem rongálja, csak a tulajdonosnak okoz kis mértékű, jól számítható termeléskiesést. Példaként említhetnénk a burgenlandi erőműveket, ahol hálózati túlterhelés miatt az utóbbi 3 évben 3 1,5 óráig korlátozták kb. 50 MW-al, 250 MW-ra a szélenergia befogadását a hálózatba (kb. 16%-al). Veszélyhelyzet esetén a szélerőműpark durva, központi lekapcsolása is lehetséges. 2.3.2 Területi diverzifikáció A szétszórt elhelyezkedésű szélfarmok esetén egyenletesebb a szélerőművek összesített termelése (ami egyúttal azt is jelenti, hogy kisebb a szabályozási tartalék igény is), mintha az összes szélerőmű egy kisebb területen, koncentráltan épülne meg. Ezzel együtt a termelés becsülhetősége is jobb, valamint a nagy szélsebesség miatti kiesés egyidejűségének valószínűsége is kisebb. A fent felsoroltak mind olyan előnyök, melyek a szélenergia rendszerbe integrálását oly módon segítik, hogy csökkentik ennek relatív rendszerszintű költségét a kevésszámú, koncentrált alkalmazáshoz képest. 2.3.3 Lokális irányító-szabályozó központok A hierarchikus villamosenergia-rendszer irányításban a TSO szerepe a teljesítményegyensúly megteremtése, a nagy erőművek szabályozása, a nemzetközi koordináció, stb. Ebből a 20