Mekkora problémát jelent a megújuló forrásokból termelt elektromos energia egyre nagyobb részaránya a villamos rendszerek stabilitása szempontjából?

– A megújuló energiaforrásokon alapuló beépített villamosenergia-termelő kapacitás egyre nagyobb ütemben nő, és ezzel párhuzamosan növekednek az ebből fakadó kihívások is. Eddig ezt a nehézséget még hagyományos eszközökkel is lehetett kezelni: a többi erőmű szabályozásával, valamint a villamosenergia-importtal és -exporttal át lehetett hidalni azokat az időszakokat, amikor az ingadozó, időjárásfüggő teljesítmény miatt a megújuló forrásokból származó energia eltért a villamosenergia-igényektől. Az időjárásfüggő megújuló energiaforrások közül Magyarországon jelenleg a napenergia rendelkezik viszonylag nagy beépített kapacitással. A napelemes energiatermelésnek van egy kiszámítható, éves, illetve napi periodicitású változása, de az előállított teljesítmény ezenfelül kiszámíthatatlanul is ingadozik a felhőzet alakulásának hatására, amit azonban az időjárás más jellemzőihez hasonlóan csak rövid távon és korlátozott pontossággal lehet előre jelezni. Mind a kiszámítható, mind a kiszámíthatatlan ingadozás hatást gyakorol a rendszerstabilitásra, ami nagy kihívás elé állítja a rendszerirányítót.

Ahhoz, hogy a napenergia egyre nagyobb szerephez jusson a jövőben a villamosenergia-rendszerben, ezekkel a problémákkal foglalkozni kell, és a megoldásukhoz immár nem lesznek elegendők a hagyományos módszerek.

A tanulmányukban a probléma kimutatására koncentráltak, vagy megoldást is kínálnak?

– A megoldás a következő lépés lesz, ebben a kutatásban a probléma számszerűsítése volt a fő célunk. A megújuló alapú villamos­energia-termelésről jelenleg csupán néhány évnyi adat áll rendelkezésünkre, viszont múltbeli időjárási adatok több évtizedre visszamenőle­gesen is elérhetők. Ahhoz, hogy ezeket az adatokat hasznosítani tudjuk, fel kellett tárnunk az időjárási adatok és a megújuló alapú villamosenergia-termelés közötti összefüggést. A kapcsolatot egy mesterséges intelligencia (konkrétan mesterséges neurális háló) alapú modell segítségével írtuk le, melyet több évre visszamenő historikus időjárási, illetve nap- és szélenergia-termelési adat­sorok alapján tanítottunk be. A gépi tanulási modellünk segítségével négy évtizedre visszamenőleg is szimulálni tudjuk órás bontásban, hogy tetszőlegesen megválasztott beépített megújuló kapacitás mellett ebben az időszakban az időjárási körülmények milyen megújuló alapú termelést tettek volna lehetővé. A megújuló termeléshez hasonló módszer­tannal a villamos­energia-igények időjárás­függését is figyelembe vettük. A szimuláció segítségével azonosítottuk azokat az időszakokat, amikor az adott (meglévő vagy jövőben tervezett) beépített időjárás­függő megújuló kapacitás nem tudott volna az igények fedezéséhez elegendő teljesítményt előállítani. Ilyenkor más energia­termelő megoldások vagy energia­tárolás bevonására van szükség. Olyan időszakok is vannak, amikor pont fordított a helyzet: a megújulók túl sok energiát termelnének, ha teljes kapacitáson üzemelnének. Ezen könnyebben lehet segíteni, mert a nap- és szél­erőmű­vek teljesítményét egyszerűen lehet a kívánt értékre csökkenteni, de gazdaságo­sabb, ha a többlet­energiát tárolni vagy exportálni tudjuk.

Dunkelflaute

Melyek voltak a tanulmány fő megállapításai? Gyakran előfordult volna a múltban Magyarországon, hogy a megújuló források nem lettek volna képesek elegendő villamos teljesítményt leadni a környezeti feltételek elégtelen volta miatt?

– Azokat az időszakokat, amikor sem a nap-, sem a szélerőművek nem képesek elegendő mennyiségű energiát termelni (mert nem süt a nap és nem fúj a szél), „sötét szélcsendnek”, német szakkifejezéssel Dunkelflautének nevezzük. A Dunkelflaute időszakokat úgy definiáltuk, hogy a szél- és a naperőművek egyszerre a maximális teljesítményük tíz százalékánál kevesebb teljesítményt adnak le. A napelemek napközben jellemzően még borús időben is termelnek bizonyos teljesítményt, ezért a Dunkelflaute periódusok rendszerint a szélcsendes éjszakákon fordulnak elő. Úgy találtuk, hogy Magyarországon gyakoriak a sötét szélcsendes időszakok, összehasonlítva a más országokban végzett hasonló vizsgálatok eredményeivel. Németországban például ritkább a Dunkelflaute, mint nálunk, aminek az ország nagy földrajzi kiterjedése a fő oka, hiszen így szinte mindig vannak az országnak olyan területei, ahol a nap- és szélerőművek valamelyike képes termelni, és Német­ország északi-tengeri partvidékén is viszonylag ritka, hogy éjszaka sehol sem fúj a szél. Tehát fontos, hogy attól, hogy az ország egy részén sötét szélcsend van, máshol még lehetséges lehet a megújuló energiatermelés, ha nagy az ország területe.

Ám Magyarország viszonylag kis ország. Mindez hogyan érvényesül nálunk?

– A Kárpát-medencében sokkal homogénebb az időjárás, emiatt gyakrabban alakul ki az ország jelentős területén sötét szélcsend. A fenti gondolat azonban rámutat a villamos­energia-rendszerek európai szintű össze­kapcsolásának fontosságára, és a villamos­­energia-átviteli kapacitások növelését vetíti elénk a probléma egyik lehetséges meg­oldásaként. Ez egyébként már folyamatban van, és Magyar­ország számára is kedvező lehetőségeket hordoz.

Ha már Németországot említette, az ottani helyzetet sokan afféle megújuló­energia-tesztként figyelik, hiszen lekapcsolták az atomerő­műveket, és nagy hangsúlyt helyeznek a megújulókra. Viszont emiatt, a hírek szerint, az elektromos rendszer stabilitása sem tökéletes. Hogyan kell objektíven értékelni a német helyzetet?

– Németország nagyon korán, a világban elsőként belekezdett az energia­termelés időjárás­függő megújulókra alapozott intenzív átalakításába. Ilyen értelemben a megújulók hasznosítása terén vezető szerepet játszik, ehhez azonban nem mindig társult a hálózat­integrációval kapcsolatos kérdések megfelelően körültekintő megválaszolása. Bizonyos értelemben érthetők ezek a hiányosságok, hiszen ez a kérdéskör rendkívül kiterjedt és összetett. Így sok év távlatából sincs kész megoldás erre a problémára, pedig ez már egyre több országban jelentkezik, folyamatosan gyűlnek a vele kapcsolatos tapasztalatok. A mából vissza­tekintve felvethető a kérdés, hogy megérte-e Német­országnak, hogy így alakították át az energia­termelésüket. Az biztos, hogy a világ számára hasznos volt, hiszen legalább már van egy ország, ahonnan évtizedekre visszanyúló adatok és tapasztalatok állnak a rendelkezé­sünkre a megújulók beépítéséből származó kihívásokról. A német­országi helyzet azért is különleges, mert náluk nagyon összeforrt a megújulók támogatása az atomerő­művek bezárásával, holott e két energia­termelési mód nem zárja ki egymást. Annál is inkább, mert Német­országban az atomerő­művek energia­termelésének kiváltása főként széntüzelésű erőművekkel történt, ami miatt rengeteg szén-dioxid jutott a légkörbe – több, mint amit a megújulók fejlesztésével meg tudtak takarítani.

Kijelenthetjük, hogy az atomerőművek bezárása a megújulók javára hibás megközelítés?

– Ez attól függ, hogy milyen célt tűzünk ki magunk elé.

Ha a klíma­védelmi célokat tartjuk szem előtt, és az elsődleges szempont a szén-dioxid-kibocsátás csökkentése, akkor nem előnyös az atomerőműveket fosszilis erőművekkel kiváltani, hiszen míg utóbbiak sok szén-dioxidot emittálnak, addig az atomerőművek működésük során szinte semennyit,

és az erőművek építését és lebontását, valamint az üzemanyag-ellátást is figyelembe vevő teljes életciklusuk során sem túl sokat. Még az erőmű felépítésének környezeti ki­bocsátá­sai­val együtt is a legkedvezőbb energia­termelési módok között van az atom­energia. Ha tehát az emisszió­csökkentés volt a fő cél, akkor a német intézkedések valóban nem nevezhetők jó döntésnek. Ugyanakkor a környezet­védők az atom­energiát általában a biztonsági kockázatokra hivatkozva nem preferálják. Az atomerő­művek méretezését igen komoly statisztikai számítások alapján végzik, és a nagyon kis valószínűségű eseményekre is felkészülnek már a tervezéskor. Ennek ellenére jól tudjuk, hogy az atom­energia története során mégis előfordultak nagy balesetek, például Csernobilban vagy Fukusimában. Ezek a balesetek erősen hatottak a Német­országban érezhető atomellenes hangulatra. Az atom­energia abban különbözik az összes többi energia­termeléstől, hogy ha minden elő­vigyázatos­ság dacára mégis bekövetkezik a baleset, annak nagyon súlyos következ­ményei lesznek. Ehhez társul a nukleáris hulladék hosszú távú tárolásának szükségessége, amire ugyan vannak elvi koncepciók, de több tízezer évig kell megoldani a tárolást, és nem nehéz szkeptikusnak lenni a tekintetben, hogy a tervezett meg­oldások ilyen beláthatat­lanul hosszú távon is működőképesek maradnak.

Reanalízis

A tanulmányukban mesterséges intelligenciát használtak a múltbéli időjárási helyzetek megújuló energiatermelésre gyakorolt hipotetikus hatásának modellezésére. Mi a lényege ennek a módszernek?

– A mesterséges intelligenciát statisztikai eszközként használtuk: regressziót végeztünk egy mesterséges neurális háló segítségével. Azért volt szükség a gépi tanulásra, mert az alternatívaként megjelenő fizikai alapú megközelítéshez a Magyarországon található összes napelempark és szélturbina pontos tervezési adatára is szükségünk lett volna, ám ilyen adatbázis jelenleg nem létezik. A neuronháló tanításához használt bemeneti adatokat az ország különböző pontjaira vonatkozó időjárási jellemzők, különösen a napsugárzás, a szélsebesség és a környezeti hőmérséklet alkották. Ezek az adatok egy úgynevezett reanalízisből származnak, melynek lényege, hogy a múltbeli időjárási megfigyelési adatokra alapozva olyan numerikus modelleket futtatnak, mint amelyek segítségével a jövőre vonatkozó előrejelzések is készülnek. Így a diszkrét pontokban (a meteorológiai állomásokon) mért értékekből meghatározható az egész térségre vonatkozó időjárás. A mesterséges intelligencia a tanítási fázisban kapcsolatot keresett az ismert időjárás és az elmúlt néhány évből származó megújuló energiatermelési adatok között. Ezután pedig már tetszőleges időjárási idősor alapján készíthettünk szimulált, akár órás felbontású megújuló energiatermelési adatsorokat.

Az 5 százalékos küszöbértékkel rendelkező Dunkelflaute órák valószínűségének hőtérképe az év összes (8760) órájára vonatkozóan, a 42 év – neurális hálóval modellezett – kihasználási tényezője alapján. Az ábrán megjelenik január 1-jétől december 31-éig minden nap (vízszintes tengely) minden órája (függőleges tengely), a színekkel pedig 42 év adatai alapján annak a valószínűsége, hogy az adott órában 5 százalék alatt marad mind a nap-, mind a szélerőművek órás kihasználási tényezője. A 0 valószínűségű állapotokat a fehér szín jelzi, minden fehértől eltérő színű pixel nullánál nagyobb valószínűséget mutat, a jobb oldali színskála szerint.

Milyen trendek várhatók a magyarországi rendszerstabilitásban, a beépített megújuló energiatermelő kapacitás jövőbeli növekedése miatt?

– A tanulmányunkban egészen tág határok között vizsgáltuk a jövőbeli beépített megújuló kapacitás hatását a rendszerstabilitásra. Egészen tízezer megawatt szélenergia-kapacitásig, illetve harmincezer megawatt napenergia-kapacitásig vizsgáltuk, hogy ha ekkora teljesítmény lenne beépítve a hazai villamosenergia-rendszerbe, az milyen hatással járna. Ezek az értékek a napenergia esetében a jelenleg beépített kapacitás tízszeresét jelentik, míg a szélturbináknál ennél is nagyobb növekedést feltételeznek, hiszen abból itthon még viszonylag kevés, mintegy 320 megawatt van. Az eredményeinkből egyértelműen látszik, 

hogy ha a jövőben egyre nagyobb lesz a beépített kapacitás, akkor egyre nagyobb problémát okozhatnak majd azok az időszakok, amikor a megújuló forrásokból nem lehetséges a kellő energiatermelés, hiszen ezek áthidalására a megújuló mellett a hagyományos erőművi kapacitást is fenn kell tartani.

A napenergia esetében a derült napokon napközben igen sok, az igényeken túl megtermelhető villamos energia áll majd rendelkezésünkre, ezért a fő problémát az fogja jelenteni, hogy ezzel az energiatöbblettel tudunk-e valamit kezdeni, vagy kénytelenek leszünk leszabályozni a napelemeket, és emiatt elveszítjük a potenciálisan megtermelhető elektromos energia jelentős részét.

Mit tehetünk majd a megtermelt többletelektromossággal?

– Elméletben akár el is adhatnánk a környező országoknak, csakhogy valószínűleg ezekben az időszakokban ők is hasonló problémával fognak küzdeni, vagyis ott is túltermelés lesz. Emellett fi­gyelembe kell majd venni azt is, hogy a magyarországi igényeket is el kell látni, noha ezek csúcsa rendszerint a naplemente utáni órákban jelentkezik. A sötétben a naperőművek már nem képesek áramot termelni, így a jelenlegi körülmények között az ilyenkor jelentkező kínálathiányt mindenképpen más jellegű erőművek se­gítségével kell kipótolni. Vagyis a megújulók minél nagyobb részaránya, az igények megfelelő kielégítése és a rendszerstabilitási szempontok is azt diktálják, hogy a legjobb megoldás a megtermelt energia eltárolása lenne. Koncepciók már vannak a nagy léptékű energiatárolásra, de az igazság az, hogy jelenleg még nem találtunk rá a minden szempontból kielégítő megoldásra. Hagyományosan a nagy léptékű energiatárolás legjobb módjának a szivattyús-tározós erőművet tartják, amelynek működési elve szerint két, eltérő földrajzi magasságban lévő tavat vagy víztározót csatorna köt össze. Amikor például a naperőmű villamosságot termel, akkor ennek segítségével felszivattyúzzák a vizet a felső víztározóba, és ezáltal eltárolják az energiát a víz helyzeti energiájában. Amikor viszont nincs termelés, de energiaigény jelentkezik, akkor leengedik a vizet az alsó tározóba, és az turbinákat meghajtva villamos energiát állít elő. Nemzetközi szinten már évtizedek óta léteznek ilyen erőművek, ám ehhez megfelelő domborzati adottságok kellenek. Magyarországon nincs igazán olyan hely, ahol ezt meg lehetne oldani. A Dunakanyarban például műszakilag ugyan jó lenne, de minden más szempontból kerülendő az elképzelés. Emellett ugyanakkor nagyon intenzív fejlesztések zajlanak az akkumulátoros, illetve hidrogénalapú energiatárolás terén is, ezek azonban nagy mennyiségű energia tárolására máig sem gazdaságosak. Remélhetően ezek a kutatások is áttörést hoznak előbb-utóbb, és így elérhetővé válik a megfizethető és nagy kapacitású energiatárolás.

Leszabályozás

Ameddig az energiatermelés ilyen léptékben nem válik széles körben elérhetővé, milyen más energiaforrásból lenne a legcélszerűbb fedezni a sötét szélcsendek idején jelent­kező kielégítetlen energiaigényt?

– Az energetikus szakma döntő része egyetért abban, hogy energiamixben kell gondolkodni, tehát minél többféle forrást kell bevonni az energiaellátásba. Vagyis, miközben fejlesztjük a megújulókat, az atomenergiának is érdemes helyet hagyni, hiszen nem szabad csupán elvi okokból elvetni, ha közben lehetséges biztonságos megoldást találni a hosszú távú működtetésére. Ám az atomenergia sem képes önmagában fedezni a magyar energiaigényeket, a Pakson most üzemelő atomreaktorok a csúcsidőszakokban jelentkező teljesítményigénynek csak közel harmadát képesek biztosítani. Ugyanakkor az atomerőművek nagy előnye, hogy stabilan képesek elektromosságot termelni, függetlenül az időjárási helyzettől, nagyon alacsony üvegházgáz-kibocsátás mellett. Ezért tartjuk fontosnak, hogy az atomerőművek továbbra is jelen legyenek a rendszerben. Kérdés, hogy a jövőben hogyan alakul majd az atomerőművek társadalmi elfogadottsága. A Paksi Atomerőmű szerencsére eddig döntően pozitív működési tapasztalattal szolgált, nem voltak vele komoly problémák, és nem történt káros környezeti kibocsátás. Sok múlik majd azon, hogy a Paks 2 projekt lefutása nyomán is megmarad-e a lakosság pozi­tív hozzáállása.

Ha a jövőben a megújulók egyre nagyobb szerephez jutnak, és előáll az a helyzet, hogy már nem kell folyamatosan maximális kapacitáson működtetni az atomerőműveket, lehetőség lesz a napi szintű teljesítményszabályozásukra?

Jelenleg az atomerőművek általában folyamatosan a maximális teljesítményüket adják le. Eddig nem igazán volt indok arra, hogy ezt bármi miatt csökkentsék, hiszen a maximális kapacitás biztosította a villamos energia legolcsóbb termelését.

De valóban, a jövőben a nappali órákban előállhat olyan helyzet, amikor a megújuló termelés költségei az atomenergia ára alá mennek, és így racionális lehet az utóbbi leszabályozása. Az új típusú atomerőművek tervezésekor már számolnak ezzel az eshetőséggel, és így várhatóan egyre nagyobb mértékű teljesítményváltoztatást lehet majd egyszerűen végrehajtani bennük. Az ár mellett ez azért is előnyös lenne, mert így nappal kevesebb nukleáris fűtő­anyag fogyna.

Az energiamixben a megújulók mellett az atomenergiának is érdemes helyet hagyni; szükség van a rugalmas, gyors termelésváltozásra képes erőművi megoldásokra. Az új típusú atomerőművek tervezésekor már számolnak ezzel, így várhatóan egyre nagyobb mértékű teljesítményváltoztatást lehet majd egyszerűen végrehajtani bennük. (Forrás: Paks II. Zrt.)

Sokszor hajlamosak vagyunk a szél- és a napenergiát együtt kezelni „megújuló energiaforrás” néven. Ezek valóban ugyanolyan hatást gyakorolnak a villamosenergia-rendszer stabilitására?

– Vannak közöttük különbségek, például a napenergia elkerülhetetlen napon belüli, illetve évszakos periodicitása. Ezzel viszonylag könnyű tervezni, hiszen előre látható, hogy lesznek éjszakák, illetve rövidebb téli nappalok. Ezzel szemben a szélenergia termelése főként statisztikai értelemben ingadozik szezonálisan: a tavaszi időszak a legszelesebb, akkor a legnagyobb a szélturbinák teljesítménye. A szélenergia esetében nincsenek olyan időszakok, amikor teljesen kizárt a termelés, ám a napenergiához képest összességében kiszámíthatatlanabb a termelése. A két energiaforrás együttes alkalmazása azonban egyaránt csökkentené a kiszámítható és kiszámíthatatlan ingadozást, ami előnyös lenne a rendszer stabilitása szempontjából.

Mire számíthatunk két-három évtizedet alapul véve: hogyan aránylanak majd egymáshoz a magyar energiamix komponensei? Lesznek-e még fosszilis energia­források, mekkora részarányt vívhatnak ki maguknak a megújulók?

– A villamos energetikában jelenleg a „rugalmasság” a legfőbb kulcsszó. Erre a megújulók és az atomenergia is korlátozottan képes, éppen ezért is van egyre nagyobb szükség a rugalmas, gyors termelés­változásra képes erőművi vagy energia­tároló megoldásokra. A megújulók és az atom­energia ma már viszonylag gazdaságosak, és a működésük közben nem bocsátanak ki szén-dioxidot, tehát jó alapjául szolgálnak az energia­tárolásnak, de e két komponens mellé hosszú távon is szükség lesz olyan össze­tevőkre a rend­szer­ben, amelyek képesek biztosítani a szükséges rugalmasságot. Ezek között valószínűleg a jövőben is helyet kapnak a gáz­turbinás erőművek, amelyek már ma is döntően kiegyenlítő szerepet töltenek be a villamos­energia-rendszerben. Emellett remélhetően az energia­tárolás is plusz stabilitást fog kölcsönözni a rendszernek. Az, hogy évtizedek idő­távlatában az egyes komponensek milyen hányadot fedeznek majd az energia­termelésből, azt most még igen nehéz meghatározni, hiszen a műszaki tényezők mellett gazdasági és társadalmi szempontok is erősen hatnak majd erre a jövőben. A legutóbbi publikációnk­ban bemutatott kutatás azonban nagyon jó alapot ad ahhoz, hogy erre a kérdésre műszakilag minél teljesebb, számításokkal és adatokkal megalapozott választ tudjunk adni.•