www.e-met.hu GEOTERMIA

2 MAGYAR ENERGETIKA 2012/4

MEGÚJULÓK www.e-met.hu

Jánosi Imre

A szélenergia hasznosításának hazai perspektívái

A szélerőművi villamosenergia-termelés a megújuló forrásokat ki-aknázó technológiákon belül a leggyorsabban növekvő ágazat. A telepített globális kapacitások 2011 júniusában meghaladták a 200 GW-os szintet, ami a teljes villamosenergia-termelés közel 2,5%-át lenne képes előállítani. A vezető ipari országokban 2013-ra újabb 200 GW körüli növekményre számítanak, és a tendencia a kormányok tá-mogatási politikája miatt egyelőre növekvő (nem is beszélve a 2011 márciusában bekövetkezett japán atomkatasztrófa jövőben várható hatásairól). A szélerőművi energiatermelés bővülésének dinamikáját illusztrálja a 2007-re és 2011-re vonatkozó adatsorok összehasonlí-tása az 1. táblázatban.

Dánia kiemelkedő szerepet játszik a fejlesztésekben és a felhasználásban is (21% részarány), de például Navarrra spanyol tartományban az energiaigé-nyek 70%-át szélerőművekkel termelik, közel 1 GW telepített kapacitással (2011-es adat). A névleges összkapacitás tekintetében 2011-ben évben Kína átvette a vezetést az USA, Németország és Spanyolország előtt. Magyarorszá-gon jelenleg kapacitáskorlát vonatkozik a szélerőművekre a villamosenergia-rendszer stabilitásának biztosítása miatt.

A szélenergia-potenciál szempontjából hazánk nem számít kedvező terü-letnek, a szárazföld felett ugyanis a légáramlatok erősen lefékeződnek, nem is beszélve a Kárpát-medencét övező hegyláncok árnyékoló hatásáról. A pontos felméréshez magas mérőtornyok sűrű hálózatának több éves adatai lennének szükségesek, ami gyakorlatilag nem megvalósítható. Ennek hiányában a leg-jobb becsléseket az időjárás regionális előrejelzésére is használt numerikus modellek szolgáltatják, a megfelelő számításokat az Országos Meteorológiai Szolgálat munkatársai elvégezték, illetve folyamatos fejlesztések beépítésével időről-időre elvégzik. Az 1. ábra bal oldali térképe a felszín feletti 75 m-es szinten mutatja az átlagos szélsebesség értékek földrajzi eloszlását. A nem-zetközi tapasztalatok szerint gazdaságos szélenergia hasznosítás legalább 7 m/s körüli átlagértékekkel rendelkező területeken valósítható meg, a térkép

szerint nálunk az ilyen régiók részaránya elhanyagolható (a jelenleg működő turbinák döntő többsége egyébként éppen a könnyen azonosítható „észak-nyugati szélcsatorna” környékére települt).

A szélenergia-hasznosítás fizikai alapjai egyszerűek, és jól ismertnek te-kinthetők. Az áramlás teljesítménysűrűsége (egységnyi felületen és egységnyi idő alatt áthaladó légtömeg mozgási energiája) a szélsebesség harmadik hat-ványával és a levegő sűrűségével arányos, így a meteorológiai paraméterek alapján könnyen meghatározható. Ezen teljesítménysűrűség átlagos értéké-nek földrajzi eloszlását mutatja az 1. ábra jobb oldali térképe. Az összes moz-gási energia nyilvánvalóan nem nyerhető ki (ehhez olyan „turbina” kellene, amely mögött leáll a levegő), az elvi határ az ún. Betz-limit (59,3%). További veszteségek is fellépnek, de a legkorszerűbb erőművek lassan megközelítik az 50%-os hatásfokot (ez a Betz-limit 84%-a).

A szélerőművi energiatermelés legnagyobb problémája, hogy maga az erőforrás rendkívül megbízhatatlan, a szél néha fúj, néha (nálunk többnyire) nem. Az ingadozások rövid időtartamok alatt is rendkívül nagyok lehetnek (turbulencia), és rendkívül nehezen előjelezhetők (erre a pontra még vissza-térünk). A szélsebesség-értékek egy adott helyen erősen ferde gyakoriság-eloszlást mutatnak, egy példa látható a 2. ábra bal oldali grafikonján (3 év turbinatorony-mérései Mosonszolnok közelében). A modern turbinák teljesít-ménygörbéi (elektromos kimenő teljesítmény a szélsebesség függvényében) a maximális értéktől eltekintve nagyon hasonlók ahhoz, mint amit a kék vonal illusztrál ugyanezen a grafikonon. A generátorok meghajtásához szükséges minimális szélsebesség („cut-in” érték) általában 2,5-5 m/s, efölött a kimenő teljesítmény a szélsebesség közel harmadik hatványával nő. 11-13 m/s körül szükséges az aktív turbina-kontroll bekapcsolása, amit a lapátok hajlásszö-gének változtatásával érnek el. Ebben a tartományban a kimenő elektromos teljesítmény egy konstans érték körül (névleges teljesítményplató) ingadozik. Túlságosan erős szélben a lapátokat és a tornyot is kritikus mechanikai terhe-lés érheti, ezért biztonsági okok miatt 25 m/s sebesség körül („cut-out” érték) a turbinákat leállítják. A 2. ábrán látható, hogy az alacsony átlagos szélsebes-ségű helyeken az elektromos teljesítmény nem egyszerűen csak elmarad a névértéktől, hanem a természetes sebességingadozások a teljesítménygörbe nemlineáris szakasza miatt extrém fluktuációkat produkálnak a kimenő olda-lon. Ettől függetlenül is egy szélturbina elektromos teljesítménye folyama-tosan ingadozik a nulla és a névérték között, példaként bemutatjuk a már említett erőmű egyheti kimenő adatsorát a 2. ábra jobb oldali grafikonján.

A szélturbinák hasznosságának is fontos mérőszáma a kapacitásfaktor, ami a hosszú idejű átlagos kimenő teljesítmény és a névleges teljesítmény há-nyadosa. Kivételesen jó széljárású helyeken a kapacitásfaktor meghaladhatja a 40%-ot, 33-35% fölött egy szélturbina igen jó teljesítményűnek számít, ná-lunk a legjobb helyeken és legjobb években sem igen haladta meg a 25%-os szintet egyetlen szélerőmű sem. (Összehasonlításképpen, az alaperőművek szokásos kapacitásfaktora 95-99%.)

A turbinák kimenő oldalán fellépő ingadozások csökkentésének bevált módja több generátor kimenetének integrálása, azaz szélfarmok telepítése. Ez igen jól működik a másodperces, perces időskálákon, de hosszabb interval-

Ország Kapacitás (MW) 2007

Kapacitás (MW) 2011

Dánia 3101 3734

Spanyolország 17 714 20 676

Kína 5912 44 733

Németország 22 277 27 215

India 7845 13 066

Egyesült Királyság 2394 5204

Olaszország 2721 5797

USA 16 904 40 180

Magyarország 127* 330

1. táblázat. 2007., illetve 2011. években üzemelő szélenergia-kapaci-tás egyes országokban és itthon (adatok: US Department of Energy). *2008 év végi adat (Magyar Energia Hivatal).

www.e-met.hu GEOTERMIA

3MAGYAR ENERGETIKA 2012/4

www.e-met.hu MEGÚJULÓK

lumban a szélfarmoknál sem kerülhetők el a szélcsendes időszakok kiesései. Az uralkodó elképzelés szerint azonban ezek a kiesések elvileg minimalizál-hatóak, ha elegendően nagy terület összegzett teljesítményét vesszük alapul („valahol mindig fúj a szél”). A gyakorlatban erre kevés tesztelési lehetőség létezik (pl. még Németország területén is a generátorok kimenetét négy kü-lönálló hálózati integrátor kezeli), ezért egyelőre ennek a feltevésnek az ellen-őrzése is csak modellszámítások segítségével lehetséges.

Magyarország területére vonatkozó eredményeket illusztrál a 3. ábra, ennek alapján az összkép nem túl biztató. A szélmező statisztikai vizsgála-ta egyértelműen arra utal, hogy a térbeli korreláltság igen erős, a karakte-risztikus korrelációs hossz 300-400 km. Ez azt jelenti, hogy csekély annak a valószínűsége, hogy az ország különböző részein alapvetően eltérő szélvi-szonyok uralkodjanak. Ha ilyenek fellépnek (pl. erős hidegfrontok átvonulá-sa esetén), időtartamuk meglehetősen rövid (fél, egy nap). Ezért az ország teljes területéről összegzett szélerőművi teljesítmény is gyakran nulla vagy közel nulla (emlékeztetőül: a generátorok nem termelnek 9-10 km/h szél-sebesség alatt, ilyenkor a lapátkerekek „üresjáratban” forognak), a névleges csúcsteljesítmény megközelítése elhanyagolható valószínűségű (3. ábra, bal oldali grafikon). A 3. ábra jobb oldali grafikonján ábrázolt modellszámítások 44 éves időtartama alatt (1958-2003) az évenként átlagolt kapacitásfaktor 10 és 15% közötti ingadozást mutat. (E rendkívül alacsony érték oka elsősorban az, hogy a becslések egyenletes „turbinasűrűség” feltételezésével készültek, holott nyilvánvaló, hogy az ország nagy részén egyáltalán nem érdemes szél-erőművet telepíteni, lásd 1. ábra.)

A modellszámítások legnagyobb bizonytalansági tényezője a felszín-közeli (10 m-es) szélsebességértékek magassági extrapolációja 80-100 m-es szint-re, ám minthogy a jelenlegi becslések is erőművi toronyméréses kalibráción alapulnak, így a számértékek jelentős korrekciójának szükségessége nem va-lószínű. Egyébként az európai földrész teljes területére elvégzett hasonló mo-dellezés eredményei arra utalnak, hogy még ez a földrajzi kiterjedés sem ele-gendően nagy az ingadozások kiegyenlítéséhez, nyaranta gyakran fordulnak elő globálisan szélcsendes időszakok. (Ez egyébként a meteorológusoknak nem meglepetés, a csendes, nyugodt időjárást okozó anticiklonok kiterjedése könnyen meghaladhatja az európai szárazföld méretét.)

A fentiek figyelembevételével készíthető egy nagyságrendi becslés a Magyarország területén kinyerhető szélenergia nagyságáról. 2011 elején a legkorszerűbb, kiforrott technológiát reprezentáló turbinák névleges telje-sítménye 5 MW, 115-120 m-es lapátkerék-átmérővel (hazánkban a jelenlegi csúcstartó Nagylózs és Sopronkövesd mellett 7 db 3 MW-os erőmű, 90 m-es lapátkerékkel). A mérnöki gyakorlat szerint a szélfarmok optimális turbinasű-rűsége egy toronyhoz a lapátkerék területének 32-38-szorosát igényli, ami 2-3 torony/km2 mellett átlagosan 12,5 MW/km2 névleges teljesítménysűrűsé-get jelent. A modellezett 15%-os aggregált kapacitásfaktor alapján a várható elektromos teljesítménysűrűség kicsit kevesebb, mint 2 MW/km2.

Jelenleg Magyarországon a beépített össz erőművi kapacitás 8800 MW, aminek szélerőművekkel történő leváltásához ezek szerint mintegy 4400-4600 km2 területre lenne szükség a 11 800 turbina felállításánál. Ha az „északnyu-gati szélcsatorna” 21-23%-os kapacitásfaktoraival számolunk, akkor is leg-

1. ábra. Balra: Az átlagos szélsebesség földrajzi eloszlása 75 m-es magasságban (m/s egységekben), 4 év adatai alapján. Jobbra: Az átlagos teljesítménysűrűség földrajzi eloszlása 75 m-es magasságban (W/m2 egységekben). (OMSZ reanalízis finomított térbeli felbontással.)

2. ábra. Balra: Egy Enercon E-40 típusú turbina gondola magasságában (65 m) mért szélsebesség-értékek normált hisztogramja (10 perces átlagok, 3 üzemév adatai), valamint teljesítménygörbéje (kék vonal, jobb oldali skála). Jobbra: Kimenő elektromos teljesítmény egy heti mért idősora (10 perces átlagok, 2004 első hete) ugyanezen turbinánál. Három év kapacitásfaktorai: 20,76%, 22,33%, 20,27%.

www.e-met.hu GEOTERMIA

4 MAGYAR ENERGETIKA 2012/4

MEGÚJULÓK www.e-met.hu

alább 8000 toronyra lenne szükség, ami betakarná a Kisalföld magyarországi területének jó részét. A koncentrált telepítés azonban csak felerősítené a 3. ábra jobb oldalán látható ingadozásokat, ami a nulla és az átlag ötszörösét lefedő tartományon történne, akár egy óránál gyorsabb átmenetekkel.

Mindezek alapján biztonsággal kijelenthető, hogy szélerőművek soha nem nyújthatják az elektromos alapellátás döntő részét, azaz fosszilis és nukleáris energiahordozók kiváltására ez a technológia nem alkalmas, viszont jelentős mértékben járulhat hozzá a hagyományos energiahordozók megtakarításá-hoz. (Megjegyezzük, hogy ez a kijelentés a jelenlegi technikai civilizációs szo-kások fenntartása mellett érvényes. Nem teljesen elképzelhetetlen, hogy a jövőben az emberiség aktivitása kényszerül az energia hozzáférhetőségéhez alkalmazkodni, ami éppen a fordítottja a mai helyzetnek, mikor az aktivitás ritmusa szabja meg az energiafelhasználás intenzitását.) A világon jelenleg szélerőművekkel előállított elektromos energiát szinte teljes egészében a meglévő ellátó-hálózatokba integrálják. Ez nem okoz gondot addig, amíg a részarány elhanyagolható, nagyjából 1% alatt marad (mint nálunk). Nagyobb arányú felhasználása már szükségessé teszi a (nem szélalapú) operatív tarta-lékkapacitások megfelelő növelését és az aktív piaci elosztás megszervezését.

Az időnként már ma is fölös szélenergia hasznosítására vagy tárolására számos javaslatot dolgoztak ki (akkumulátorok töltése, hidrogéntermelés víz-bontással, lendkerekes tárolás, víztározók szivattyús feltöltése stb.). Ezekkel részletesen azért nem foglalkozunk, mert a javasolt megoldások mindegyike vagy kísérleti technológia, vagy csak tervezőasztalokon létezik, tehát haszno-sításáról és gazdaságosságáról nincsenek gyakorlati tapasztalatok.

Még mérsékelt részarány esetén is, a szélenergia hálózati integrálásának alapkérdése az előrejelezhetőség. A felhalmozott tapasztalatok szerint a szél-sebesség egy adott helyen a legnehezebben menetrendezhető légköri változó. Évszakos változékonysága elhanyagolható, a statisztikai módszerek felhasz-nálása rendkívül alacsony hatásfokú. A jelentős szélenergia-felhasználó or-szágokban kivétel nélkül nagy felbontású, regionális meteorológiai előrejelző programokat használnak, amelyeket naponta minimum négyszer futtatnak a mérési adatok folyamatos frissítésével. Kiderült az is, hogy az ilyen rendsze-rek pontosságának javításánál a kulcskérdés nem a számolási kapacitás vagy a modellek további finomítása, hanem a mérőhálózat sűrűségének növelése. Németországban például a tornyok nagy része az előrejelző modellek számára bemenő adatokat szolgáltat, melynek segítségével az elért hibaszint 1 napon belül (3-10 óra) 3% alatti, 24 órára 4,3%, de még 48 órára is 6% alatt ma-rad (ezek a Previento-rendszer jellemzői). A nálunk jelenleg üzemelő tornyok adatai még akkor sem lennének elegendők hasonló pontosság eléréséhez, ha a hivatkozott numerikus modellek valamelyikét használnák ehhez, mert a 172 torony (2011-es adat) csak mintegy 20 eltérő földrajzi helyen került fel-

állításra, nagyon eltérő lefedési sűrűséggel. Igaz, hogy a kapacitásfejlesztés egyfajta pozitív visszacsatolást tartalmaz, azaz minél nagyobb számú torony szolgáltat az előrejelző programok számára bemenő adatot, annál nagyobb az elérhető pontosság.

Összegzésül, a szélenergia felhasználásáról a következő néhány kijelen-tés mindenképpen megfogalmazható.

1. A szélerőművek kiforrott technológiájú, mérnöki csúcsteljesítményt reprezentáló, megbízható eszközök, melyek elterjedtsége világszerte nő.

2. Magyarország szélenergia-potenciál tekintetében gyenge adottságú, ami az erőműtelepítések megtérülési idejét a fejlett piacokon szokásos 8-10 évhez képest jelentősen megnövelheti.

3. A szélerőművi elektromos energiatermelés részarányának jelentő-sebb növelése megkívánja a nem szélalapú, gyorsan kapcsolható operatív tartalékkapacitások megfelelő arányú növelését.

4. A részarány növelésének másik feltétele a menetrendezés ponto-sabbá tétele. Ennek legjobb eszköze a máshol már kidolgozott numerikus időjárási előrejelző programok adaptálása, ami azonban megkívánja a mérő-hálózat sűrűségének növelését is.

5. A fölös szélenergia gazdaságos felhasználásának technológiái kísérleti stádiumban léteznek, ezért az ezekbe történő beruházás egyelőre nagyon magas kockázatú.

6. A jelenlegi ismeretek szerint a szélenergia felhasználása nem válthat ki jelentős hagyományos energiaforrás-mennyiséget, de hasznosan járulhat hozzá a megtakarítások növeléséhez.

A szélenergiával kapcsolatban is hatalmas irodalom áll rendelkezésre, bár a mérnöki kézikönyvek igen hamar elavulnak, ezért szakmai folyóiratokat java-solnánk a friss eredmények követésére:[1] Energies. http://www.mdpi.com/journal/energies EISSN 1996-1073, Published by MDPI Publishing, Basel, Switzerland[2] Journal of Renewable and Sustainable Energy. http://jrse.aip.org /ISSN

1941-7012, American Institute of Physics[3] Renewable Energy. http://www.sciencedirect.com/science/journal/09601481 ISSN 0960-1481, Elsevier[4] Wind Energy. http://onlinelibrary.wiley.com/journal/10.1002/(ISSN)291099-

1824 ISSN 1099-1824, John Wiley & Sons, Ltd.[5] Wind Engineering. http://www.multi-science.co.uk/windeng.htm ISSN 0309-524X, Renewable Energy Research Lab, University of Massachu-

setts[6] Renewable and Sustainable Energy Reviews. http://www.sciencedirect.com/science/journal/13640321 ISSN: 1364-0321, Elsevier

3. ábra. ECMWF ERA-40 szélmezők (44 év, 6 órás időbeli, 1 fokos térbeli felbontás) alapján modellezett energiatermelés statisztikai jellemzői. Balra: Magyarország teljes területére számított, aggregált szélenergia-teljesítmény normált gyakoriság-eloszlása a telepített névleges össz-teljesítmény százalékában kifejezve. Jobbra: Az aggregált teljesítmény ingadozása a 2000-es évben (6 órás átlagok).