A napenergia hasznosításáról

(PE-Energia Akadémia 234)
Az ENSZ-klímacsúcs (2019. szept. 23-28.) előtt és alatt meglódultak a megújuló villamosenergia-termeléssel kapcsolatos víziók. A német szövetségi kormány 19 órás ülés után közzé tette, hogy 2030-ig a szén-dioxid csökkentésére tett korábbi 40 %-os vállalását 55 %-ra emeli. Igaz, hogy az utóbbi években egyáltalán nem sikerült csökkenteniük a szén-dioxid kibocsátást, hát e blamázst kompenzálni kellett egy olyan vállalással, amelynek teljesítését szerintem ők sem vehetik komolyan. De hát hol lesznek már ők 2030-ban. Addigra az egész, illúziókra épített klímapolitika megbukik.

Természetesen mi, már, mint Magyarország sem maradhatott ki a klímalázból. Sorra naperőműveket és akkumulátoros energiatárolókat avatunk. Hurrá! A jövőben a villamos energia igényeket alapvetően atomenergiából és napenergiából kívánjuk fedezni. Mármint ők.

Áder János köztársasági elnök úr, aki a klímavédelem elkötelezettje, a klímacsúcs előtt kijelentette, és a klímacsúcson felszólalásában megerősítette, hogy 2030-ig Magyarország villamosenergia-termelése 90 %-ot meghaladóan szén-dioxid mentes lesz. Tízszeresére növeljük a napelem-kapacitást (7000 MW-ra) és megszűnik a szénalapú energiatermelés.

Hát hogyan is néz ki az a fránya naperőművi áramtermelés az alábbi ábra alapján.

Németország 2019 szeptemberi naperőművi áramtermelése

A felső függvény a naperőművek összes teljesítményének a változását szemlélteti („napáram tüskék”). Nappal termelnek a nap sugárzási intenzitásának megfelelően, ill. a felhősödéstől függően, éjszaka pedig pihennek. A beépített teljesítőképességük (kapacitásuk) a felső piros vonallal jelzetten, és az alsó táblázat szerint elérte már a 48 652 MW, azaz a 48,652 Gigawatt (GW) értéket. Összevetésül: a németországi éves teljesítmény csúcsigény 75-80 GW körül mozog. A naperőművi maximális teljesítmány a hónap során (szept. 22) néhány percre csupán 23,389 GW (48,2 %), a nappali minimális teljesítmény 7,5 GW (szept. 09. – hiszen az igazi minimum éjszakánként 0 GW). Az átlagos teljesítmény mindössze 4,966 GW, azaz  10,2%, ami az áramtermelésben rendkívül alacsony kihaszálásnak számít. Ezt igazoja a táblázat legalsó sorában olvasható teljes havi energiatermelés  adata (3576 GWh) is. De hasonlóan árulkodik a jobboldali táblázat azon adata, mely szerint a hónap során a naperőművek a kapacitásuk 40 %-a felett mindösszesen csak 26,25 órát (3,6%) üzemeltek. Mint erőműves szakember az ilyen műszaki mutatókkal rendelkező létesítményeket csak a definíció alapján fogadom el erőműnek, mert olyan „lőreerőművek” (kérdezem a borászokat: a lőre is bor?). A fogyasztók számára igazán hátrányos a helyzet, mert a naperőművek támogatása növeli a lakóssági áramárat, de hát ők ezt nem tudják. A naperőművek önmagukban nem piacképesek. Ugyanis majd ki építse meg a szükséges naperőművi kapacitásokat és az energiatárolókat, hogy a fogyasztókat minden időben el lehessen majd látni, akkor is, ha nem süt igazán a nap. Ugyanis az hangzott el, hogy a  2030 után alapvetően atom- és naperőművekkel fogjuk megtermelni a villamos energiát.

Megalapozottan feltételezhetjük, hogy az atomerőművünk továbbra is az un. alaperőművi funkciót fogja ellátni, amint ma is. Ha reálisan számolunk, az új atomerőművi blokkok (2×1200 MW) késésével, akkor 2030 után hosszabb távon eltekinthetünk a jelenlegi blokkok és az új blokkok párhuzamos üzemétől. Az előzetes számításhoz feltételezzük, hogy az áramigény harmadát az atomerőmű fedezi, tehát kétharmadát a naperőműveknek kell ellátni, ill. egy részét importáljuk. Számítsunk 25 %-os importhányaddal, tehát a naperőművekre marad 42 %. Most az ország éves villamosenergia-igénye 45,5 terawattóra (TWh), azaz 45 500 gigawattóra (GWh). 2030-ra, évi 1,5%-os növekedéssel kereken 50 TWh igény adódik. Tehát a naperőművektől elvárás, hogy évi 21 TWh villamos energiát termeljenek. Kérdés, hogy ehhez mekkora naperőművi teljesítőképességre, ill. mekkora energiatárolási kapacitásra lesz majd szükség.

Mielőtt ezekre a kérdésekre válaszokat keresünk, tisztáznunk kell, hogy milyen stratégiát akarunk követni. Egy megbízhatóan termelő erőműrendszerben (normál üzemben) szükség van az említett alaperőművekre, amelyek zsinor üzemben stabilan ellátják a fogyasztói igények változási tartománya alatti áramigényeket. Ezek tehát nagy kihasználással üzemelnek. Üzemvitelük szerint megkülönböztetjük a menetrendtartó erőműveket, amelyek napról-napra egy  (hosszú évekre támaszkodó tapasztalatok alapján) előre szerkesztett menetrendet követve igazodnak a fogyasztói igények változásához. De nem a menetrend a lényeg, hanem az, hogy ezek rugalmasan képesek követni a terhelés változását, a villamos hálózati rendszer stabilitásának, a mindenkori energiaegyensúly fenntartása érdekében. Olyan rendszerekben, amilyen ma pl. a német villamosenergia-rendszer, ezekre az erőművekre új feladat is hárúl, nevezetesen a nagymértékben kiépített szél- és naperőművek igen gyakori és jelentős teljesítmény-ingadozásainak a kompenzálása. E feladatot Németországban a barnaszén, de elsősorbana  kőszén tüzelésű, és kisebb mértékben az igazán rugalmas olaj- és gáztüzelésű erőművek látják el. De mi látja el majd e kényes feladatot egy olyan rendszerben, amelyben csupán egy atomerőmű és egy sereg kisebb-nagyobb naperőmű üzemel?

Ezek ismerete után visszatérhetünk a felvetett problémához. Tehát két alaplehetőségünk van: vagy beépítjük a rugalmas menetrendtartó erőműveket (valószínüleg korszerű kombináltciklusú gázerőművek jöhetnek szóba), vagy kellő nagyságú energiatárolókat létesítünk, és azokból látjuk el az atomerőmű termelése feletti hiányzó energiát (amikor éppen nem, vagy gyengén süt a nap).

Ha a becsült (2030 évi) 21 TWh = 21 000 GWh naperőművi telmelést osztjuk a 8760 évi óraszámmal, megkapjuk az éves naperőművi átlagos teljesítményigényt: 2,4 GW = 2400 MW. Ha  a fenti ábrán szereplő németországi viszonyokkal számolunk, ahol az átlagos teljesítmény 10,2 %, akkor hozzávetőlegesen a számolt átlagos teljesítmény tízszeresére, azaz 24 000 MW naperőművi teljesítőképességre lesz szükség (tartalékokkal nem számolva). Persze egyáltalán nem biztos, hogy ilyen teljesítőképesség mellett termelődik-e annyi, a fogyasztói igényt meghaladó többlett energia, amennyi a tároláshoz szükséges. Németországban, ahol a napeerőművek mellett még jelentősebb a szélerőművek és a bioerőművek kiépítettsége, a számítások szerint a jelenlegi nap+szélerőművi kapacitás (107 GW) minimum hétszeresének a létesítésére van szükség, hogy a tároláshoz szükséges energia csupán megújuló forrásokból megtermelhető legyen.

Tételezzük fel, hogy a klímavédelmi elképzeléseknek megfelelően csak az atomerőművel és döntően naperőművekkel látnánk el a fogyasztókat, és a mindenkor hiányzó energiát energiatárolókból fedezzük (azzal a korábban említett feltételezéssel, hogy az éves igények harmadát (33 %-át) az atomerőmű, és 25 %-ot az import fedezi). Kérdés, hogy ekkor mekkora (GWh-ban mért) tároló kapacitást kell létesíteni. Plusz az is kérdés lehet, hogy az energiatárolóknak legalább mekkora maximális kitárolási teljesítménnyel (MW) kell a csúcsigény idején  a fogyasztók rendelkezésére állni.

Becsüljük meg első lépésben a szükséges tárolási kapacitást. Az energetikai szakértők körében elfogadott konszenzus, hogy legalább kéthetes olyan időjárási viszonyok figyelembevételével kell a tárolókapacitást tervezni, amikor a felhősödés olyan mértékű, hogy a naperőművek termelése gyakorlatilag nulla. Annak elég nagy a valószínűsége, hogy egy ilyen kéthetes időszak éppen a téli időszakra esik, amikor a fogyasztói igény a legnagyobb. Ezért (2030-ra előrevetítve) 7000 MW teljesítmény igénnyel számolhatunk. Levonva az atomerőmű teljesítményét és az átlagos import teljesítményt, a naperőműveknek e két héten belűl 2600 MW átlagos teljesítménnyel kellene rendelkezésre állni. 336 órával számolva (2 hét) a naperőművek által termelendő energia mennyisége: 873 600 MWh = 873,6 GWh, amit viszont a tárolt energiából kell fedezni. Tehát a biztonságos energia ellátáshoz ekkora tárolási kapacitással rendelkező tárolósereget kell létesíteni.

Például az ELMŰ-ÉDÁSZ által létesített akkumulátoros energiatároló (Soroksári alállomás) 6 MWh kapacitással rendelkezik, amelynek samsung gyártású cellái két konténerben nyertek elhelyezést. Egy (50 tonna súlyú) konténer tárolási kapacitása tehát 3 MWh. Nem ok nélkül írtunk tárolósereget, hiszen a számított 873 600 MWh tárolásához 291 200 konténert kellene felállítani. Vajon reális elképzelés ez? Nem említettük, hogy a kontéreneken kívül a tároló állomáshoz még 8 konverter (egyen/váltóáramú átalakító) és két transzformátor is tartozik. A állomás beruhátási költsége 1,5 milliárd forint volt.

Az említett ELMŰ energiatároló maximálisan leadható teljesítménye 8 MW. Az eddig legnagyobb akkumulátoros tárolót (Dél-Ausztráliában a 2015-16 évi rendszerösszeomlás folyamányaként) a TESLA építette 129 MWh tárolási kapacitással, amelynek a maximálisan leadható teljesítménye 100 MW.

Ha a tervezés tárgyát képező kritikus héten 8000 MW-os csúcsterheléssel számolunk, akkor a naperőműveknek várhatóan 3600 MW-os csúcsteljesítmény leadására kell képesnek lennie, amit a fenti példák adatai alapján a 873 600 MWh kapacitású tárolósereg könnyedén teljesíteni képes. Tehát külön ezt nem kell vizsgálni.

Az ELMŰ-ÉMÁSZ akkus energiatároló (2 konténer, 6 MWh, 8 MW, 22 000 cella, 8 konverter, 2 trafó, 1,5 Mrd Ft.)

Röviden összefoglalva a tanulságot: az ismertetett kétforrású (atom, nap) villamosenergia-ellátási elképzelés biztosan nem fog megvalósulni, ilyen nagyszámú akkumulátortelep megépítése gazdaságtalan és irreális. Még akkor is, ha a támogatásokkal ravaszul  a lakósságra hárítják át az erőműberuházás és a tárolólétesítés feladatát azzal, hogy a háztulajdonosok térjenek át önálló energiaellátásra, és építsenek minél több napelemtáblát a házaik tetőiére.

A szélsőséges dekarbonizációnak egyébként sincsen jövője, minthogy a „90 %-os szén-dioxid mentesség” értelmetlen célkítűzés. Már sokszor leírtuk: a szén-dioxid nem környzetszennyező, nem okozhat felmelegedést, hanem minden élet kialakulásának feltétele. Ahogy az előző cikkünk egyikében hivatkoztunk: „A fotószintézis áldás”, amihez a légkör szén-dioxidjára van szükség. „A szén-dioxid életelixir.”

A TESLA akkus energiatároló telepének látképe (Dél-Ausztrália, 129 MWh, 100 MW, 56    millió $)

Még befejezésül megemlítjük a másik szóbajöhető, és technológiailag megvalósítható energiatárolási mód, a Power-to-Gas tecnológia alkalmazását, amely azonban még drágább megoldás. Meg kell ugyanis építeni az említett, a szükséges többlettermeléssel rendelkező naperőművi kapacitást, a vízbontó állomásokat, meg kell oldani a keletkező hidrogén tárolását, metánná történő átalakítása esetén a gázátalakító „gázgyárakat”, és végűl azokat a gázerőműveket, amelyek a tárolt energiát visszaalakítják villamos energiává. Ennek a sorozatos energiaátalakításnak az eredő hatásfoka 33 %-ra tehető. Mindezek alapján reálisan ez sem járható út.

Marad a lényegesen egyszerűbb és olcsóbb megoldás: mindjárt földgáztüzelésű rugalmas menetrendtartó erőműveket építeni. De hát ma még jó üzlet jelentős EU-s támogatással villamos energiatárolókat létesíteni. Mennyivel jobb területei lennének ennek a támogatásnak! Nem is olyan régen gázmotoros kis erőművi egységeket építettek a kapcsolt energiatermelés támogatására, ma valószínüleg már csak egy-kettő üzemel.

2019. 10. 13. – az önkörmányzati választás napján
Dr. Petz Ernő
energetikus, címzetes egyetemi tanár