Tel: +36 70 60 80 289 www.microwatt.hu e mail: info@microwatt.hu M i c r o V E R rendszer ismertető 2013 július Készítette: Csizmadia Zoltán ügyvezető
Bevezető, a probléma megfogalmazása A jelenlegi ismereteink alapján elmondható, hogy a kis méretű, autonóm energia ellátó rendszerek területén jelentős áttörést nem sikerült elérni, annak ellenére, hogy a megújuló energiák ezek közül elsősorban a nap és szélenergia hasznosítása erősen térnyerő helyzetbe kerültek, globális szinten kezd egyre erőteljesebben előtérbe kerülni a megújuló energiaforrásokra épülő jövőnk arculata, a megújuló energiák hasznosítása bekerült a világ gazdasági vérkeringésének folyamatába és térnyerésük megállíthatatlan. A megújuló energiák hasznosításával azonban szembekerültünk az azok által hordozott problémakörökkel is, amiknek a folyamatos kezelésének igénye lehet a magyarázat arra, hogy a meglévő hálózati elosztórendszerek működőképességének fenntartása mellett egy kissé megfeledkeztünk a villannyal el nem látott, alapvetően kis teljesítmény igényű, autonóm rendszerek megújuló energiaforrások alkalmazásával történő villamos energiával történő ellátásának megoldásáról. Az autonóm rendszerek előtt a megújuló energiaforrásokhoz történő hozzáférés lehetősége igen kecsegtető perspektívát nyitott meg, lehetővé tette a felhasználás helyén történő energiatermelést. Ennek ellenére a tömeges elterjedésük nem történt meg, aminek abban látjuk az okát, hogy a megújuló energiák hasznosításának kulcsa, a megtermelt energia eltárolásának kérdése az előállítás fizikai lehetőségével nem oldódott meg. Az autonóm rendszerekre szoruló tanyák, majorok esetében értelemszerűen nem jöhet számításba a nagyobb számok törvényein alapuló összefüggések eredményeinek hasznosítása, a termelés és felhasználás időbeni és/vagy mennyiségi asszimmetriáját a felhasználónak egymagának kell megoldania! A feladat egyszerűnek tűnik, ám a gyakorlati megvalósítás során olyan összefüggések kerülnek előtérbe, amelyek a végeredményt negatív irányba determinálják. Ezek között a legfontosabb összefüggésláncolat a következőképpen írható le: a villamos energiát gyakorlatilag csakis akkumulátorokban tudjuk tárolni a tároláshoz túlméretezett termelői kapacitások szükségesek a megújulók termelési időszakaszai közötti áthidalási idő és az eszközök kapacitás növelésének anyagi terhei nincsenek egymással egyenes arányban, egy viszonylag rövid (néhány órányi egy napos) áthidalási időn túli tárolókapacitás kiépítése már vállalhatatlan beruházási és fenntartási költségekkel terheli a rendszert az anyagi szempontokon túl a legkomolyabb probléma abban rejlik, hogy a kapacitások növelésével sem biztosítható a folyamatos és időjárásfüggetlen energiaellátás, ugyanis maga az energia előállítása időjárástól függő folyamat, így minden körülmények között gondoskodni kell a megújuló energiaforrások esetleges kiesésének pótlásáról, ami további műszaki gazdasági problémakör megjelenését hordozza A megújuló energiák hasznosítására épülő, kisméretű autonóm energiarendszerek felé ugyanazok a követelmények fogalmazhatók meg, mint az országos VER el szemben támasztottak: A villamos energia minden időpontban és az ismert teljesítménnyel álljon rendelkezésére a felhasználónak!! A kisméretű, autonóm rendszerek ennek a feltétlenek nem tudnak megfelelni, ugyanis a termelői oldalon kizárólag vagy szinte kizárólagos megújuló energiaforrásokra támaszkodnak, amelyek termelése időjárásfüggő, így az energiaellátással szemben megfogalmazott igény egyetlen összetevőjét sem képes kielégíteni, kivéve azokat a ritka pillanatokat (rövid időszakokat) amikor a megtermelt energia mennyisége a fogyasztói igényekkel egybeesik.
A probléma megoldása A felvázolt probléma önmaga eszközeivel és a saját problémakörében rendelkezésésre álló megoldásokkal nem kezelhető. A megoldás megfogalmazásához szükséges annak újrafogalmazása és újraértelmezése is, aminek eredményeképpen le tudjuk írni egy működőképes, a VER el szemben támasztott követelményeknek megfelelő, autonóm rendszer felépítését. Az országos VER az erőművek által megtermelt villamos energiát juttatja el a fogyasztókhoz, fontos szereplője a rendszerirányító, aki gondoskodik arról, hogy az elosztóhálózatba mindig annyi energia bevitele történjen meg, mint amennyit a fogyasztók abból kivesznek. aktívan irányítja a VER energiaforgalmát, gondoskodik a rendelkezésére álló erőművi kapacitások időben történő be és kikapcsolásáról szükség esetén korlátozásokat vezet be a fogyasztó és a termelői oldalon kezeli a VER szükséghelyzeteit A VER is tartalmazhat megújuló energiaforrásokat hasznosító erőműveket, ám ezek egy bizonyos szint alatt nem veszélyeztetik az alapfeladat ellátását (annak ellátásbiztonsági kockázatát növelik) ugyanis a VER sok fogyasztóval rendelkezik, mindig talál a megújulókra (is) vevőt. A nagy mennyiségű megújuló energiatermelői kapacitás esetén tározó (SZET) építése szükséges, a megújuló energiatermelés hasznosításának kulcsa annak tárolása és a tárolóból történő visszaalakítása. Észre kell venni, hogy jelenleg egyetlen VER sem épül kizárólagosan megújuló energiaforrásokat hasznosító erőművekre, a jelenlegi műszaki lehetőségeinket tekintve ennek realitása sincsen. Azt is észre kell venni és kimondani, hogy a VER a működése során vegyesen alkalmaz megújuló és fosszilis energiaforrásokra épülő erőműveket, és sikerrel alkalmazza a megújulók tárolásának lehetőségét is, ám sehol nem képes kizárólag megújulókat alkalmazni! Az autonóm energiarendszerekre ugyanezek a megállapítások érvényesek, amennyiben a végeredmény tekintetében a VER el azonosak a követelmények, akkor a működési feltételeket szintén biztosítani kell, természetesen a saját méreteiben, ám a rendszer szerkezetében és működési mechanizmusában nem lehet eltérés! Amennyiben valamelyik összetevő hiányzik, vagy nem megfelelő paraméterekkel kerül a rendszerbe, akkor kitűzött cél elérése többé kevésbé csorbulni fog! Olyan kis teljesítményű, autonóm energiaellátó rendszerre van tehát szükség, amelyik összetevői megfeleltethetők egy VER összetevőivel, ekkor van esély arra, hogy a fogyasztó részére valóban hálózati villamos energia ellátással azonos szintű szolgáltatást nyújtson! A MicroVER rendszer leírásának megértéséhez szükséges a NATI rendszer ismerete, legalább a fő funkciói tekintetében. Néhány szóban: alkalmazásával lehetővé válik a nap (és szél )energia hasznosítása közüzemi hálózat/akkumulátorok nélkül képes a kimenetére kötött fogyasztókat alternatívában a bemeneteire adott (és egymástól különböző) forrásokból ellátni (áram)szünet és tranziensmentes átkapcsolással képes fogyasztói csoportokat egymástól megkülönböztetni és az ellátás/működtetés tekintetében ezeket széjjjelválasztani, külső eszközt indítani és azt leállítani
A MicroVER rendszer A MicroVER rendszer egyes elemei megfeleltethetők a VER alapelemeinek. Ezek sorban a következők: V E R MicroVER Megjegyzés Fosszilis erőmű D aggregátor áramtermelő üzemben Fosszilis erőmű kapcsolt termeléssel D aggregátor kapcsoltan termelő módban Hideg tartalék D aggregátor kikapcsolt állapotban Forgótartalék D aggregátor terheletlen, forgó üzemben Naperőmű Napelemek teljes körű megfeleltetés Szélerőmű Szélgép teljes körű megfeleltetés SZET tározó akkumulátorok csak funkcióban feleltethető meg rendszerirányító NATI teljes körű megfeleltetés elosztóhálózat NATI teljes körű megfeleltetés A MicroVER működési állapotai 1. Standard állapota a napelemekről történő energiaellátás. Ekkor a napelemekről (szélgépről) érkező energia mennyisége eléri/meghaladja a fogyasztók által igényelt villamos energia mennyiségét és azok kiszolgálását a NATI ezekből oldja meg. Az akkumulátorok feszültsége magas, töltöttségük maximális, a D aggregátor kikapcsolt állapotban van. A rövid idejű (a hűtőszekrények, televíziók, számítógép monitorai...indításakor fellépő) és magas teljesítmény igényeket az akkumulátorok kiszolgálják. 2. Forgótartalékos üzemállapot Ekkor a napelemek teljesítménye tartósan csökkenő tendenciát mutat, ám nem szűnik meg az energiaforrás. Szükségessé válik a D aggregátor elindítása, ugyanis a napelemek teljesítményének további csökkenése már aggregátorra történő átállást követel meg, amihez forgásban lévő gépre van szükség. Ebben a fázisban a NATI intenzív irányítást végez, a bejövő megújuló energia, a felhasznált energia és az akkumulátorok kapacitásának függvényében dönti el, hogy a fogyasztók melyik energiaforrásból kapjanak ellátást. Ugyanez az üzemi helyzet áll fenn akkor is, amikor az erőművi üzemelésből áll át a rendszer a megújulók növekvő intenzitású termelése folytán. 3. Erőművi üzemelés Ekkor a megújuló energiák nem állnak rendelkezésre, a fogyasztók kiszolgálása kizárólag a D aggregátor által termelt villamos energiát használják fel, ilyenkor van lehetőség kapcsolt energiatermelés kihasználására, a keletkező hőenergia hasznosítására. Az állapotok közötti átállások felügyelete és irányítása a NATI feladata, amennyiben a beépített eszközök megfelelően karbantartott, üzemképes állapotban vannak, akkor a rendszer teljesen automatikusan alkalmazkodik a külső körülmények változásaihoz! A rendszerleírás rövidített tartalmú, a MicroVER működésének hátterét nyújtó összefüggések könnyebb megértéséhez mellékelek két értékelő táblázatot is, amelyek ennek a leírásnak a részei.
NATI rendszer fogalmai Fogalommagyarázat: Akkuk csereideje (év) = Az akkumulátorokra jellemző átlagos élettartam 3 5 év, ezután cserélni kell őket Akkumulátorok száma (x 100Ah) = Az akkumulátorok 12/14 V os egyenfeszültségű kémiai tárolók, a kapacitásukra jellemző érték az Amperóra (Ah). A NATI rendszer alapigénye 2 x 80 100 Ah kapacitás. A kapacitás bővítésével az egyes akkumulátorok terhelése csökken, az átkapcsolások közötti idők megnőnek, a vészüzemi teljesítmény és áthidalási idő növekszik, ugyanakkora a gazdaságosság erősen romlik. Alapdíj (Ft/hó) = Az energiaszolgáltatónak a fogyasztásunktól függetlenül fizetendő havidíj Energiadíj (Ft/kWh) = Az energiaszolgáltatónak a fogyasztásunktól függően fizetendő díj Kihasználtsági faktor (%) = A megtermelt, vagy megtermelhető összes villamos energiának az a része, amelyet ténylegesen hasznosítunk, vagy hasznosíthatunk. A különbözetet vagy a hasznosítás során elveszítjük, vagy meg sem termeljük. Megtermelt vill. energia (kwh/év) = Az az energiamennyiség, amelyre statisztikai adatok alapján Magyarországon a teljesítményével jellemzett napelemekből számíthatunk. Képlete: A teljesítmény értéke watt ban x 1.1 = A várható éves hozam száma kilowattórában (kwh) Tehát 1000 w napelem teljesítmény várható éves hozama 1100 kwh Tervezett élettartam (év) = A napelemes rendszerek hosszú élettartamúak, jellemző érték a 25 30 év N A T I rendszer = Olyan intelligens átkapcsolóállomás, amely képes a kimenetére kötött fogyasztókat alternatívában a bemeneteire adott (és egymástól különböző) forrásokból ellátni (áram)szünet és tranziensmentes átkapcsolással D aggregátor fogalmai Becsült napi üzemóra = Az az egy évre vonatkoztatott, napi átlagos időtartam, amely során az aggregátor működik Egy üzemóra költsége (Ft/ü.óra) = Egy üzemórára jutó üzemanyag költség. Alapvetően a motorikus hatásfok és a terhelés függvénye Hasznosított hőenergia = A ténylegesen hasznosított hőenergia százalékos mértéke a teljes bevitt energiamennyiség viszonylatában. Hőhasznosítás mértéke = A hőhatásfok tényleges kihasználtsági mutatója, az az érték százalékban, amely megmutatja, hogy a keletkezett hőenergia mekkora hányadát hasznosítjuk. Hőhatásfok = Az aggregátor egységnyi idő alatti üzemelése során keletkező hőenergia és az egységnyi idő alatt bevitt üzemanyag energiatartalmának százalékban kifejezett aránya. A diesel motorok esetében a hőhatásfok jellemző értéke: 35 45% Karbantartási költség (Ft/ü.óra) = Az aggregátor teljesítmény független költségei : ide tartoznak az olajcsere, a szűrők cseréje, a karbantartás és a felújítás költségei is. Gyári előírások és adatok alapján számítható, egy üzemórára vonatkozó költségtényező. Motorikus hatásfok = Az aggregátor motorjának főtengelyére szerelt generátor kapcsain mérhető villamos teljesítmény és az egységnyi idő alatt bevitt üzemanyag energiatartalmának százalékban kifejezett aránya. A diesel motorok esetében a motorikus hatásfok jellemző értéke: 35 45% Motor üzemi vill. teljesítménye (kw) = Azt az értéket jelenti, amellyel általában és jellemzően az aggregátort villamos fogyasztókkal terheljük. Összhatásfok = Az aggregátor motorikus és hőhatásfokának együttese A diesel motorok esetében az összhatásfok jellemző értéke: 75 95% Tervezett élettartam (üzemóra) = a felújítások nélkül elérhető üzemórák száma, általában gyári adat.