Szivattyús-tározós erőművek feladata és használata a villamosenergia - rendszerben

Szivattyús-tározós erőművek

Minden ország alapvető érdeke, hogy a növekedést és a fejlődést tűzze ki elsődleges gazdasági céljaként. A folyamatos fejlődés pedig növekvő ipari terhelést és villamosenergia-fogyasztást eredményez. Jelenleg főleg fosszilis energiahordozókat felhasználó erőművek szolgálják ki a villamos energia igényeket, de hosszú távon ez nem tartható fenn, mivel a fosszilis energiahordozó készleteink kimerülhetnek. A klíma változások miatt a CO2 kibocsátás csökkentése is meghatározó energiapolitikai cél lett. A kettős nyomás hatására egyre nagyobb hangsúly kerül a megújuló energia felhasználás részarányának növekedésére. Az alternatív energiaforrások beépítésével a villamosenergia-rendszer merevsége megnő és egyre nagyobb lesz a szabályozási kapacitás igény. Napjainkra a szivattyús-tározós vízerőművek váltak a rendszerirányítás gyorsreagálású, modern flexibilis eszközeivé, amely megoldást nyújthat a szabályozási kapacitásigényekre.
A szivattyús energiatározó (SZET) számos hasznos tulajdonságával segítheti a magyar villamosenergia-hálózatot, például a terheléskiegyenlítésben és a szabályozási feladatokban, különös tekintettel a leszabályozási problémákra. Az éjszakai minimum terhelésnél többlet terhelést generál, amivel megoldást nyújt a leszabályozási problémákra, a nappali csúcsidőszakban pedig a tárolt vízenergia felszabadításával segíti a villamosenergia-igények kiszolgálását. Maximális terhelését közel 1 perc alatt képes leadni és nem szükséges részterhelésben üzemelnie, ezért később a magyar villamosenergia-rendszer meghatározó szabályozó kapacitásává is válhat.
Az erőmű működési elve az, hogy amikor nagyobb a rendszerterhelés, mint például csúcsidőszakban, akkor energiát termel, azzal, hogy a felső víztározóban lévő víztömeget leengedi egy turbinán keresztül, amivel víz helyzeti energiáját alakítja át villamos energiává. Amikor pedig energiatöbblet keletkezne, völgyidőszakokban, akkor pedig a szivattyúk segítségével az alsó rezervoárból a felsőbe juttatja a víztömeget, így növelve a fogyasztást a termelés mértéke mellé.
A SZET áll egy felső (A) és egy alsó (H) víztározóból (más néven: rezervoár), amely lehet természetes vagy mesterséges. Érdemes arra törekedni, hogy minél nagyobb szintkülönbség, és minél kisebb horizontális távolság legyen közöttük. Természetes víztározó esetén beszélhetünk tavakról, tengerszemekről, vagy folyókról, de gazdaságosan létrehozható két mesterséges rezervoárral is. Lehetőség szerint érdemes természetes víztározókat alkalmazni a megvalósításnál, ugyanis ezzel kevésbé befolyásoljuk a környezetünk és nem utolsó sorban csökkentjük a beruházási költséget. A két tározót összekötő csővezetéken (F) keresztül áramlik a mozgatott víztömeg, amely meghajtja a turbinát (C), aminek hatására csúcsidőszakban villamos energiát termel a generátor (D), ami pedig egy transzformátoron (G) keresztül a megfelelő feszültségszinten kikerül a távvezetékekre. Völgyidőszakban, a turbina-generátoregység felelős a szivattyú üzeméért, amivel a felső víztározó újra feltölthető a kellő mennyiségű víztömeggel. A két rezervoárt összekötő vezetékrendszer a legtöbbször több párhuzamos vezetékből áll, amely a teljesítmény leadás növekedési sebessége miatt fontos. Tájvédelmi célok miatt lehetőség van ezeket a csővezetékeket és a gépházat is a felszín alatt megépíteni. A turbina típusa a vízesési magasság és a szükséges leadott teljesítmény függvényében megválasztható. Legtöbb esetben Francis-turbinát (nagyesésű), vagy Kaplan-turbinát (közepes esésű) alkalmaznak, kivételesen nagy szintkülönbségnél pedig Pelton-turbinákat használnak.
1.      ábra: Szivattyús-tározós erőmű felépítése
 
Hazai helyzetkép
A magyar villamosenergia-hálózat szabályozó kapacitási igénye folyamatosan növekszik, és a jelenleg működő erőművek kevésbé alkalmasak termelésük változtatására, mivel alapüzemre, nem pedig rendszerszabályozási funkciókra építették őket, ezzel erőteljesen megemelkedett költségeket okoznak (pl.: folyamatos résztüzelés, elöregedő gépegységek, terhelésváltozásokhoz szükséges többlet-tüzelőanyag), amelyeket a fogyasztóra hárítanak. A magyar villamos hálózat kiválóan tudna hasznosítani egy jól működő szivattyús-tározós energiatározót, mivel szolgáltatásainak piaca van és egyes esetekben más módon nem megvalósítható kapacitást hoz létre.
Jelenleg a rendszerszintű költségekből a szekunder szabályozás biztosítása teszi ki a legnagyobb részt. Ezt a feladatot gázturbinás gyorsindítású erőművek látják el és a kihasználtságuk csak 10-25% közötti. A csökkenő piaci verseny miatt 2010-ről 2011-re 60%-kal nőtt a rendelkezésre állási díj. Példaként megemlítve a szélerőművek szekunder szabályozásának évente 20 milliárd forintba kerül.
A második legnagyobb részt a tercier szabályozás adja, ahol a perces szabályozás határozza meg a költségszintet. A piaci kínálati oldal szűkös, a legtöbb felszabályozásra lekötött kapacitás leszabályozásra nem is képes. A primer szabályozás, csak kis részét teszi a ki a költségeknek és évről évre ugyan annyi a lekötött kapacitás (40 MW).
 
2.      ábra: Szivattyús-tározós erőmű lehetséges funkciói [1]
Az éjszakai minimumok gyakorlatilag kezelhetetlenek, ennek következtében a nagyobb blokkok termelését is vissza kell szabályozni, ami rontja az erőművek hatásfokát és növeli az előállított villamos energia árát. A Villamosenergia-piac Átvitelirendszer-üzemeltetők Európai Hálózata, az ENTSO-E, szerint a magyar rendszerben a ±150 MW szekunder szabályozó kapacitás lenne ideális. A szabályozás egyre nagyobb akadályokba ütközik, egyre nagyobb lesz a távolság az igény és azok teljesítése között. A MAVIR adatai alapján a 2009. január és augusztus közötti időszak 93%-ában nem állt a rendelkezésre elegendő szabályozó kapacitás. [1]
1.      táblázat: TSO által igénybe vett szükséges szabályozó kapacitás [1]
Év
Felszabályozás   (MW)
Leszabályozás   (MW)
2007
522
427
2008
730
445
2009
651
427
2010
579
610
2011 jan-ápr.
582
317
 
A beruházók számára reális célpont a komplex szolgáltatással és rendszer-szabályozó funkcióval rendelkező energiatározó, mivel versenyképes pozíciót biztosít. Létrehozására számos lehetőség van Magyarországon is, és a beruházási költség nem tér el az európai átlagtól. Az országhatáron kívüli elhelyezésnek nincs gazdasági szempontból előnye, mivel határkeresztező villamos energia hálózat bővítése költséges és gyakorlati akadálya is van a szekunder-szabályozás importjának. Továbbá nem lenne érezhető a beruházás munkahelyteremtő képessége.
SZET hazai megvalósításának esélyeit rontja, hogy Magyarország vízenergia-potenciál szempontjából nem kiemelkedő, mivel nincsenek magas hegységeink, kevés a csapadék és a bővizű folyóink is lankás területeken folynak végig. Mindemellett a SZET megvalósításra 5-8 alkalmas hely létezik és ezek közül is kiemelkedő adottságokkal rendelkezők a Dunakanyarban és a Zemplén-hegységben található területek, amelyek lakossági és környezetvédelmi szempontból megkérdőjelezhetők. Felismerve az iménti pontok fontosságát, arra kell törekedni, hogy a SZET egy adott helyen történő megvalósításánál a szakmai és gazdasági érvek legyenek kellően meggyőzőek és bizonyítsák, hogy ez a megoldás össztársadalmi érdek és nem helyettesíthető kevesebb konfliktust kiváltó alternatívával.
 
1.táblázat: SZET telephelyeket meghatározó adatok [2]

Névleges esés
Tározók távolsága
Távolság/esés arány
Teljes terület igénye
Ebből erdő terület
Felső tározó terület
Alsó tározó terület
Sima (Zemplén)
382
2275
5,96
85
85
33
38
Hidegvölgy (Zemplén)
213
1390
6,53
92
92
42
45
Prédikálószék (Dunakanyar)
515
3000
5,83
50
50
35
5
Naszály kőbánya – Duna
355
4823
13,59
108
17
93
5
Naszály nyugati bánya – Duna
362
4823
13,32
47
7
32
5
Paks – Dunakömlőd
79
1158
14,66
590
288
281
288
Sajóivánka – Bükk tető
250
3731
14,92
172
70
60
102
Tokaj Nagykopasz hegy
385
2533
6,58
129
47
47
72
Urak asztala – Visegrád
481
4018
8,35
46
23
31
5
Urak asztala – Csódi hegy
380
3390
8,92
74
23
31
32
Urak asztala – Dunabogdány
474
4491
9,47
137
23
31
90
Visonta külfejtés - Tekeres völgy
334
5200
15,57
115
40
40
65
Visonta külfejtés – Vizes kesző v.
340
6620
19,47
109
34
34
65
Visonta külfejtés – Hosszú völgy
188
3250
17,29
148
72
72
65
Kő hegy – Verőce
230
6549
28,47
65
55
50
5
Kő hegy – Katalin völgy
166
5074
30,57
138
138
50
78
Kő hegy – Aranyos kúti völgy
126
1808
14,35
169
169
50
109
méterben
 
600 MW-nak megfelelő ha
600 MW-nak megfelelő ha
 
Egyes esetekben nemzeti parkokban vagy környezetvédelmi területeken lennének a leghatékonyabban megvalósíthatók a szivattyús-tározós erőművek, ezért a gazdasági szempontok mellett a környezetvédelmi szervek feltételeinek is meg kell felelni.
SWOT analízis
Célja, hogy feltérképezzük a piac, iparág, üzlet, termék vagy szolgáltatás életképességét, illetve meghatározzuk, hogy a stratégia szempontjából mely feladatok a legfontosabbak. A SWOT, egy angol mozaikszó, amely a Strengths (erősségek), Weaknesses (gyengeségek), Opportunities (lehetőségek) és Threats (veszélyek) szavak kezdőbetűiből tevődik össze. Az erősségek és a gyengeségek kiértékelése esetén önvizsgálatról beszélünk, olyan belső tényezőkről, amelyek jól vagy nem jól működnek, de lehet rá befolyásunk, hogy jobban működjön. A lehetőségek és veszélyek kiértékelésénél környezetelemzést végzünk, ahol azokat a külső tényezőket vizsgáljuk, amelyeket nem tudunk befolyásolni. Ez lehet negatív irányú (veszélyek), például korlátok, ami csökkenti a siker esélyét, és kockázatot is jelent. A pozitív irányba pedig a lehetőségek mutatnak, amelyek olyan kedvező adottságokat foglalnak magukba, amelyekre építve nő a siker esélye. Ezzel az elemzéssel jobban rávilágíthatunk a SZET megvalósításának előnyeire és hátrányaira. [3]
2.      táblázat: Részletes SWOT elemzés [4] 
Küldetés, jövőkép
» Rugalmas magyar villamosenergia-hálózat Megújuló energia nagyobb arányú alkalmazása
» Hálózat korszerűsítése, valamint új, modern erőmű létrehozás
» Magyarország leszabályozási problémáinak csökkentése (völgyidőszakban)
» Megújuló energiaforrások nagyobb arányú alkalmazása
» Szivattyús-tározós erőmű létrehozása
Erősségek
Gyengeségek
» Technológiailag fejlett megoldás
» Magas beruházási költség
• Rövid idő alatt is képes leadni a maximális teljesítményét
» Környezetvédelmi és lakossági szempontok sérülhetnek
• Rövid idejű bekapcsolása is gazdaságos
» SZET használatában való tapasztalathiány
» Legnagyobb energiatároló kapacitás
» Nincs hosszú távú effektív hatása a munkahelyteremtésre
» Völgyidőszaki leterhelési problémára releváns megoldás
» Megújuló energiaforrás használata, CO2 kibocsátás elenyésző
 
Lehetőségek
Veszélyek
» Leszabályozási problémák felerősödésével a megvalósítás sürgőssége
» Energiapolitikai célok eltérő irányt mutatnak
» Javuló technológia, csökkenő árak
» Nincs megfelelő lakossági tájékoztatás
» Növekvő tapasztalat a SZET területén, bizonyíték a megbízhatóságra
» Vízenergia hasznosításával kapcsolatos negatív tapasztalatok, negatív lakossági hozzáállás
» Hatástanulmányok számának növekedése a megvalósítás irányában
» Demográfiai hátrányok
Stratégiai állásfoglalás, magatartás: szcenáriók, fókuszok, teendők
» Energiapolitikai tervek befolyásolása a SZET megvalósításának irányába (energialobby)
» További hatástanulmányok és megvalósítási tervek és mérések elvégzése
» Kapcsolatba lépés a megfelelő szándékú befektetőkkel
» Lakosság felvilágosítása, SZET közvéleményének formálása, feljavítása
» Felelős személyek kiválasztása, pályázat kiírása, projektek értékelése
 
SZET nemzetközi sikerei
A villamos energia piac liberalizációjának, a nagyblokkos erőműépítésnek és a megújuló energiák nyomására egyre több országban vált szükségessé a flexibilis üzemű szivattyús-tározós erőmű.
Az Amerikai Egyesült Államok és Kína vezető szerepet tölt be, a szivattyús-tározós erőművek használatának terén, de Európán belül is számos sikertörténet született az elmúlt 100 évben. A legnagyobb SZET az USA Virginia állambeli Bath Countyban található, 3000 MW kapacitással, amit 6 db 500 MW-os Francis-turbinával szolgáltat a hálózatra. [5]
Magyarország számára példaként szolgálhat a csehországi Jeszenik hegység tájvédelmi körzetében felépített Dlouhe Stranet. Ez egy 2x325 MW beépített teljesítményű erőmű, amely kezdetben kiváltotta a közvélemény kritikáját, mára viszont egy internetes felmérés szerint elnyerte a „div Česka“ (jelentése: „Cseh csoda”) címet. Hasonló nagyságú beépített teljesítmény Magyarországon is effektíven tudná segíteni a rendszer stabilitását és a képen jól látható, hogy tökéletesen beleilleszthető a környezetbe. Csehországban, a Dlouhe Strane turisztikailag a környező területek egyik leglátogatottabb helyszíne lett (érdemes megnézni a hivatalos oldalt). [6][7]
 
1.      ábra: Dlouhe Strane SZET integrációja a természetvédelmi környezetbe
 
Összegzés
A szivattyús-tározós erőmű a rendszerszolgáltatások szempontjából versenyképes kapacitást tudna biztosítani, amellyel csökkentheti villamos energia szolgáltatások költségeit és növeli a rendszer biztonságát és fenntarthatóságát.
 
Készítette: Tóth Ádám