A SZÉL- ÉS NAPENERGIA HASZNOSÍTÁSÁNAK KLIMATIKUS ADOTTSÁGAI AZ ALFÖLDÖN Tóth Tamás Debreceni Egyetem Meteorológiai Tanszék 4010 Debrecen, Pf. 13; E-mail: tomassch@freemail.hu Bevezetés Az energiatermelés alapjául napjainkban főként a fosszilis energiahordozók szolgálnak, melyek kimerülése belátható időn belül bekövetkezik. Az ebből származó hiány pótlásának egyik, a szükségleteket részben fedező megoldása a megújuló energiaforrások szélesebb körű felhasználása lehet. Ezen energiaforrások felhasználása már hazánkban is elkezdődött. Az Alföld természetföldrajzi helyzetéből adódóan jelentős és gazdaságosan kihasználható nap- és szélpotenciál feltételezhető. A vizsgálatok ezért a napsütéses órák számának, valamint a szél irányának és sebességének idő és térbeli változására terjedtek ki (Csákberényi-Nagy és Tóth, 2003). A napenergia alkalmazásának lehetőségei Az Alföld több mérőállomásáról (Baja, Békéscsaba, Budapest, Cegléd, Debrecen, Kecskemét, Kisvárda, Nyíregyháza, Orosháza, Paks, Szarvas, Szeged, Szolnok) származó adatok alapján, a beérkezett energia mennyiségének, valamint annak tér- és időbeli eloszlásának vizsgálatára került sor. Az így kapott eredmények révén behatárolhatók azok a területek, ahol a legkedvezőbbek a feltételek a napenergia felhasználására. A felszínre érkező napsugarak hajlásszöge a Föld mozgásfolyamatai következtében erősen változik, ebből kifolyólag a Napból származó energiamennyiség is jelentős különbségeket mutat az év folyamán egy adott területen. A vizsgált állomások esetében elmondható, hogy 1988 és 2001 között az átlagosan beérkezett energia mennyisége júliusban (682,1 MJ) kilencszerese a decemberi (74,1 MJ)értéknek (1. ábra). 800 700 600 500 400 300 200 100 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1. ábra Beérkezett energiamennyiség egy év folyamán havi értékekre lebontva MJ-ban. MSZET kiadványai No 2. 65
Az alföldi mérőállomásokon mért napsütéses órák száma délnyugat felől északkelet felé folyamatosan csökken: az 1953 és 2001 közötti évek átlaga alapján a napsütéses órák évenkénti száma Baján 2069, míg Kisvárdán 1845. Az energiaforrások alkalmazhatóságát alapvetően meghatározzák a rendelkezésre álló készletek változásai. Ezért érdemes megnézni, hogy egy hosszabb intervallumon belül az egyes években a napsütéses órák száma egymáshoz képest hogyan alakul, és milyen tendenciát mutat. Ennek vizsgálata 1916 és 2001 közötti adatok alapján történt, Nyíregyháza esetében (2. ábra). Nyíregyháza 2400 2300 2200 2100 2000 1900 1800 1700 1600 1 5 9 13 17 21 25 29 33 37 41 45 49 53 57 61 65 69 73 77 81 85 2. ábra A napsütés órák számának alakulása 1916-2001 között Az adott időszak során, az egymást követő években a napsütéses órák száma és ezzel együtt a beérkezett energiamennyisége is jelentős változásokat mutat egy adott területen. 1968-ig egyenletes, lassú emelkedés volt megfigyelhető, majd ezt követően évi 350 órával alacsonyabb szinten stabilizálódott a napsütéses órák száma. Ettől kezdve fokozatos emelkedés volt tapasztalható, ennek intenzitása az utolsó öt évben lelassult, ezt követően megállt, sőt az Alföld egyes területein ismét csökkeni kezdett. A legmagasabb értékek a Dél-alföldön, Békéscsabára jellemzők átlagosan 2042 óra, a legalacsonyabbak pedig az Alföld északkeleti térségére, ahol Nyíregyháza esetében ez 1944 óra. A napsütéses órák számának, illetve a beérkezett energiamennyiségnek az egyes hónapok közötti, valamint az éves átlagoktól való eltéréseit vizsgálva az 1953 és 2001 közötti adatokat összesítve, majd az egyes évszakok hónapjait átlagolva kimutatható, hogy tavasszal a napsütéses órák száma Baja felől Szolnok felé folyamatosan növekszik. A nyár folyamán az Alföld jelentős részén meglehetősen homogén a napsütéses órák számának eloszlása, majd az őszi hónapokban újra Baja térsége jellemezhető a legmagasabb értékekkel. A napenergia gyakorlati alkalmazása csak abban az esetben gazdaságos, ha viszonylag egyenletesen és folyamatosan áll rendelkezésre. A pontos információ érdekében szükséges ismernünk az éves összesítések és a hónapos adatok mellett a naponta rendelkezésre álló energiamennyiséget is. Mivel az év bármely hónapjának napján előfordulhat, hogy a napsütéses órák száma 0, ezért csak olyan berendezések alkalmazása indokolt az Alföldön, amelyek a szórt sugárzást is képesek hasznosítani. Annak a valószínűsége, hogy a nyári hónapokra ez jellemző legyen, meglehetősen kicsi, ugyanis MSZET kiadványai No 2. 66
ilyenkor a legtöbb a napsütéses órák száma és a területi eloszlása is ekkor a legegyenletesebb. A szél energetikai célú hasznosításának alapjai A szél időben és térben rendkívül változékony energiaforrás, így mennyisége nehezen meghatározható. Pontos adatok hiányában, a rendelkezésre álló szélenergia mennyiségét különféle módszerek (spekulatív becslések, statisztikai becslések, modell-becslések) segítségével lehet közelítően megadni (Tar, 2001). A kutatások kiterjedtek a szél irányának és erősségének éves és hónapos változásainak vizsgálatára az Alföld mérőállomásain (Baja, Budapest, Debrecen, Nyíregyháza, Szeged, Szolnok). Emellett a 10 m/s-os szélgyakoriság vizsgálata is megtörtént (Baja, Békéscsaba, Budapest, Debrecen, Kecskemét, Nyíregyháza, Orosháza, Paks, Szarvas, Szeged, Szolnok) mérőállomásokról származó adatok alapján. A kapott eredményekből átfogó kép adható az alföldi szélenergia-felhasználás lehetőségeiről. A szélirányok és szélerősségek évi alakulásának vizsgálata során az 1978 és 1987 közötti időszakból származó adatok kerültek feldolgozásra. A szélirányok és gyakoriságuk vizsgálatának eredményei jórészt megegyeznek Keveiné (2001), Dobosi és Felméry (1971), Justyák (1998) és Péczely (1998) által leírtakkal. A Tiszántúlon az északkeleti áramlások, az Alföld többi részén az északnyugati áramlások az uralkodóak (3. ábra). A legnagyobb szélirány gyakoriság mértéke 15 % körül alakul. Kecskemét, Szolnok felől az Alföld peremei felé növekszik, Szeged és Nyíregyháza térségében már a 20 % fölötti értéket is eléri. A második leggyakoribb szélirány, amely Justyák és Tar (1994) módszere alapján jellemző széliránynak tekinthető, általában keleties. Ezek mértéke 15 % körül mozog. Az adatok azt mutatják, hogy csak Szeged és Nyíregyháza térségében mutatkozik az uralkodó széliránnyal nagyjából megegyező irányú jellemző szélirány, a többi állomáson az uralkodóval közel ellentétes irányú. 3. ábra Az uralkodó és a jellemző szélirányok az Alföldön MSZET kiadványai No 2. 67
A szélsebesség, Szolnok térségében 2 m/s alatti, míg Szeged és Nyíregyháza körzetében 3 m/s fölötti évi átlaggal jellemezhető. A legnagyobb átlagos szélsebességek vizsgálata kapcsán elmondható, hogy a legnagyobb szélsebesség értékek az uralkodó szélirányokkal esnek egybe. Ami az egymást követő éveket illeti, a szélirányok gyakoriságának egymáshoz viszonyított értékei statikusnak mondhatók, a szélsebességek azonban változékonyak. A rendelkezésre álló szélenergia mennyiségének időbeli és térbeli alakulásának vizsgálatára az Alföld hat meteorológiai állomásának (Baja, Budapest, Debrecen, Nyíregyháza, Szeged, Szolnok) 1978 és 1984 közötti adatai alapján került sor. Ennek eredményeit az éves szélirányeloszláshoz viszonyítva, négy hónap (január, április, július, október) átlagos szélirányváltozásaira megadva megállapítható, hogy az éves átlaghoz viszonyított szélirányeloszlás gyakoriságát tekintve januárban az Alföld területén nincs jelentős változás. Az egyes területeken az uralkodó szélirányok további kis mértékű erősödése tapasztalható. Áprilisban az Alföld egész területén az északias szélirányok felerősödése a jellemző. Az éves átlaghoz viszonyított szélirányeloszlás gyakoriságát illetően júliusban az Alföld területén eltérések mutatkoznak az eddigi irányoktól, ugyanis minden mérőállomáson a nyugati szélirány gyakoriságának jelentős növekedése figyelhető meg. Októberben a jellemző szélirányok gyakorisága nő meg számottevően. Ezek általában a délies, dél-keleties, illetve a Tiszántúlon a dél-nyugatias szelek. Ezen kívül a kutatás kiterjedt arra is, hogy a kiválasztott hónapok átlagos szélsebessége milyen mértékben tér el az éves átlagos szélsebesség értékeitől. A januári átlagos szélsebesség az évi átlaghoz viszonyítva nem mutat jelentős eltéréseket. Minden vizsgált település mérőállomásán az évi átlagos szélsebességhez viszonyítva ±0,2 m/sos az eltérés. Áprilisban az évi átlagos szélsebességhez és a januári értékekhez viszonyítva eltérés mutatkozik, melynek mértéke a januárihoz képest általában + 0,2 m/s. A szélsebesség csökkenése a nyári hónapokban éri el maximumát. Az évi átlagos szélsebességhez viszonyítva júliusban 0,2 és 0,7 m/s közötti csökkenés mutatható ki. Októberben az átlagos szélsebesség kis mértékű erősödése figyelhető meg. Ennek nagysága azonban még mindig az évi átlagos szélsebesség értéke alatt marad 0,2 0,5 m/s-mal. A rendelkezésre álló szélenergia-készletek gyakorlati alkalmazásának lehetőségei szempontjából meghatározó a szélirányok gyakorisága és sebessége. A szélgenerátorok telepítésének egyik feltétele az, hogy átlagosan 5 6 m/s-nál nagyobb legyen a szél sebessége (Tóth et al., 2001). Ezen okból kifolyólag a 10 m/s-os szél gyakorisága is a vizsgálat tárgyát képezte. A szélenergia-potenciál gyakorlati kiaknázhatóságának vizsgálatakor összeadásra került az egyes meteorológiai állomások azon napjainak száma, amelyek esetében a szél sebessége meghaladta a 10 m/s-ot. A vonatkozó adatok az Alföld mérőállomásairól (Baja, Békéscsaba, Budapest, Debrecen, Kecskemét, Nyíregyháza, Orosháza, Paks, Szarvas, Szeged, Szolnok) az 1988 és 2001 közötti időszakról származnak. Az Alföld középső részén, Szolnok térségében található a legkevesebb olyan nap (102,3), ahol a szélsebesség eléri a 10 m/s-ot, míg az Alföld peremei felé haladva ezen napok száma folyamatosan nő. Debrecenben már 148,6 nap, Nyíregyházán pedig még ennél is több (151,2). Az egy éven belüli adatokat vizsgálva megállapítható, hogy a 10 m/s-os szélsebességgel rendelkező napok száma az átlagos szélsebesség változásaihoz hasonlóan tavasszal mutatja a legnagyobb értékeket. MSZET kiadványai No 2. 68
Az éghajlati elemek kapcsolata Mivel a napsütéses órák számának, a hőmérsékletnek, a csapadéknak, és a szélcsendes időszakok gyakoriságának megváltozása hosszútávon hatást gyakorol a szél- és napenergia felhasználásának lehetőségeire, ezért sor került a fenti elemek egymáshoz való viszonyának és időbeli változásának elemzésére. A napsütéses órák száma és a hőmérséklet változásait 1916 és 2001 között, az egyes éveket és ötéves átlagokat vizsgáltuk. Mindkét esetben találtunk összefüggést a napsütéses órák száma és a hőmérséklet változásai között. A napsütéses órák számának emelkedésével párhuzamosan a hőmérsékleti értékek is nőnek. A napsütéses órák számának és a csapadék egymáshoz való viszonyának a vizsgálata során arra az eredményre jutottunk, hogy a napsütéses órák számának emelkedésével párhuzamosan a csapadék mennyisége folyamatosan csökken. A napsütéses órák számának és a szélcsend gyakoriság változásainak vizsgálata során mindkét esetben kimutathatók laza összefüggések, ugyanis az előbbi emelkedésével párhuzamosan a szélgyakoriság csökken. Az éghajlati elemek változásának lehetséges okaiként említhetjük meg a globális klímaváltozást, a vulkánkitöréseket, a napintenzitás változását és a tengerjárások éghajlatra gyakorolt hatását. Összegzés Az ország napsütéses órákban és így a beérkezett energia mennyiségében leggazdagabb területe az Alföld. A napenergia felhasználására kedvező lehetőségek nyílnak az egész területen. A legideálisabb területek az Alföld középső és déli részén találhatók, Szolnok, Baja, Szeged, Orosháza környezetében. A szél energiájának kihasználása érdekében az Alföldön, az átlagos szélsebesség adatai alapján elmondható, hogy az egész területen jó hatásfokkal üzemeltethetők a lassújárású szélkerekek. A 10 m/s szélsebességű napok száma Szeged és Nyíregyháza térségében a legmagasabb. Ezeken a helyeken kedvező lehetőségek nyílnának a szél energetikai célokra történő felhasználására. Felhasznált irodalom Csákberényi-Nagy, G. és Tóth, T., 2003: A megújuló energiaforrások alkalmazásainak lehetőségei az Alföldön (napenergia, szélenergia). Kézirat OTDK-dolgozat, DE Meteorológiai Tanszék. Dobosi, Z. és Felméry, L., 1994: Klimatológia. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest 500p. Justyák, J. és Tar, K.., 1994: Debrecen éghajlata. Kossuth Egyetemi Kiadó, Debrecen. 91-96. Justyák, J., 1998: Magyarország éghajlata. Kossuth Egyetemi Kiadó, Debrecen. 118p. Keveiné, B. I., 2001: A szélenergia potenciál és a farmergazdaságok vízszükséglete közötti kapcsolat a Dél-Alföldön. In: A légköri erőforrások alkalmazásának meteorológiai alapjai. Meteorológiai Tudományos Napok 2001 szerk.: Mika, J. OMSZ, Budapest pp. 139-147. Péczely, Gy,, 1998: Éghajlattan. Nemzeti Tankönyvkiadó, Budapest. 73-264. Tar, K., 1991: Magyarország szélklímájának komplex statisztikai elemzése. Az Országos Meteorológiai Szolgálat kisebb kiadványai 67, 124. Tóth, L., Horváth, G., Tóth, G. és Stelczer, B., 2001: A kulcsi 600 kw teljesítményű szélerőmű project. In: A légköri erőforrások alkalmazásának meteorológiai alapjai. Meteorológiai Tudományos Napok 2001 szerk.: Mika, J. OMSZ, Budapest pp. 159-167. MSZET kiadványai No 2. 69