Érdekességek a napfogyatkozás villamosenergia-rendszerre gyakorolt hatásáról

A közelmúltban, 2015. 03. 20-án a világ számos országát érintő természeti jelenség, a napfogyatkozás hatásaival kellett szembenézniük nemcsak a lakosságnak, hanem a rendszerirányítóknak is. Részleges napfogyatkozás Izlandon, a kontinentális Európában, Afrikában és Ázsiában, míg teljes napfogyatkozás a Feröer-szigeteken (Atlanti-óceán északi részén) és Svalbardon (Jeges-tenger területén található szigetcsoport) volt. A jelenséggel kapcsolatban számos kérdés merülhet fel: vajon milyen intézkedéseket kellett tenniük a kontinentális európai rendszerirányítóknak, illetve hogyan készültek fel a jelenségre? Milyen instrukciókat adtak a lakosságnak? Milyen hatása volt a napfogyatkozásnak a kontinentális európai villamosenergia-rendszerre? Mit tapasztalhattunk hazánkban? Mi várható az elkövetkezendő években? Ezekre a kérdésekre ad választ cikkem.

Előzetes tanulmányok, előrejelzések, felkészülés a napfogyatkozásra

Ahhoz, hogy a napfogyatkozás ne okozzon a villamosenergia-rendszerben nagy problémát, fontos a megfelelő felkészültség a hálózatot üzemeltető szervek részéről. Több, nagyszámú napelem telepekkel rendelkező országban is felkészültek egy esetleges üzemzavar kialakulására. Különösen nagy jelentősége volt ennek Németországban, ahol a napelem telepek beépített teljesítménye eléri a 39 GW-ot. Bár hazánkban a napfogyatkozás kisebb hatással volt a villamosenergia-szolgáltatásra, a MAVIR ZRt., mint az ENTSO-E (European Network of Transmission System Operators for Electricity) tagja, szintén részt vett az előkészületekben.
2015-ben a kontinentális Európában telepített fotovillamos (PV) kapacitás elérte a 90 GW-ot. Az előzetes feltételezések a 2015. 03. 20-ai napfogyatkozásra több mint 30 GW kiesést jeleztek előre „clear sky”, azaz felhőmentes nap esetén. Mivel a PV teljesítmény megközelítőleg négyszer olyan gyorsan csökken napfogyatkozáskor, mint naplementekor, ezért tartalék kapacitásoknak is rendelkezésre kellett állnia. Emiatt a tavalyi napfogyatkozás kihívást jelentett a szabályozható kapacitások szempontjából: azok elérhetősége, a szabályozási idő és a tartalékok földrajzi elhelyezkedése döntően befolyásolta az üzemvitel sikerességét. Ráadásul a jelenség miatt bekapcsolt erőműveknek gyorsabban kellett terhelésüket csökkenteniük, mint napfelkeltekor, hiszen a napfogyatkozás végén a PV teljesítmény gyorsan nőtt. Fontos kiemelni azt a tényt is, hogy míg az 1999-es teljes napfogyatkozáskor 0,5%-ot sem tett ki a napelemek által termelt villamos energia részesedése Európában, addig 2015-ben ez az érték már meghaladta a 10,5%-ot.
Különös figyelmet kellet fordítani azokra az országokra, ahol csak részleges napfogyatkozás volt, de a Napot jelentős mértékben takarta el a Hold, és ahol a napelem telepek száma számottevő. A kutatások nagy része emiatt Németországra irányult, ahol 76%-os takarás volt tapasztalható. Ugyanakkor azt is számításba kellett venni, hogy a besugárzás a földrajzi helyzettől is függ, azaz ahol az elsötétedés kisebb mértékű, de a napsugárzás jelentős, ott a napfogyatkozás hatása szintén szignifikáns. Ez jellemezte Olaszországot, ahol 59%-os elsötétedés volt.
Magyarországon a telepített napelemes rendszerek száma európai viszonylatban még nem jelentős, a becsült beépített PV teljesítmény a napfogyatkozás napján 55 MW volt, illetve az 58%-os elsötétülés sem számottevő.
A napfogyatkozás hatását a kontinentális Európa villamosenergia-rendszerére az 1. ábra szemlélteti:
Napfogy1.png
1. ábra: Összehasonlító diagram: a 2015. 03. 20-ai várható PV teljesítmény clear sky esetben napfogyatkozással és napfogyatkozás nélkül
(Forrás:
ENTSO-E: Solar Eclipse 2015-Impact Analysis- Report prepared by Regional Group Continental Europe and Synchronous Area Great Britain, 2015. 02. 19.)
A napfogyatkozás idejére becsült teljesítménygörbét a „clear sky” görbével összehasonlító diagram a két eset különbségét is ábrázolja. Ez alapján a 34 GW-os különbséget a napfogyatkozás során 10:41-re (CET) éri el a PV betáplálás. Az előzetes ismeretek alapján körülbelül egy óra alatt 20 GW-ra csökken le a termelés, és a napfogyatkozás maximális hatása után közel 40 GW-os emelkedést vártak. A kiszámolt termelési gradiens értékek 2-4-szer nagyobbak, mint egy átlagos márciusi napon.
A tanulmány szerint a várt villamosenergia-kereslet egy normál naphoz képest máshogy alakul, a napfogyatkozás miatt a szokásostól eltérő emberi viselkedés döntően befolyásolja a fogyasztást. Ez annak köszönhető, hogy az emberek többsége a természeti jelenséget fogja figyelni a napfogyatkozás időtartama alatt. Az 1999-es napfogyatkozáshoz képest kisebb mértékű keresletváltozást jeleztek előre.
A kontinentális Európa nem minden országában okoz egy napfogyatkozás jelentős mértékű változást a PV teljesítményben, de mivel az ENTSO-E egy szinkronjáró rendszer, a frekvencia értékére közel ugyanolyan hatással van. Amelyik ország kevésbé érintett, ott az átviteli rendszer üzemeltetőknek fel kell készülniük arra az esetre, hogy tartalékforrásaikkal támogassák a többi ország villamosenergia-rendszerét. A legfőbb kihívást a napfogyatkozáskor az jelentette, hogy megfelelően szabályozzák a tartalékok kihasználását, annak érdekében, hogy valós időben fenntarthassák a teljesítményegyensúlyt anélkül, hogy a hálózatot túlterhelnék. Az ENTSO-E több javaslatot is tett a szükséges lépések kapcsán az átviteli rendszerek üzemeltetői számára, illetve kontinentális európai szinten is. A legfontosabbak a következőek voltak: pontos előrejelzést kell készíteni a PV termelésről, mert a tanulmány csak tiszta égbolt esetén fellépő hatásokról szólt. Ezen kívül minden rendszerirányítónak informálnia kell a mérlegkör-felelőst (Balance Responsible Parties), és ellenőrizniük kell, hogy elkészültek-e a megfelelő mérésekkel annak érdekében, hogy követni tudják a március 20-ai PV teljesítmény alakulását. A teljesítményegyensúly érdekében folyamatosan figyelni kell a rendszerüzemeltetőknek a teljesítménygradiens értékeket, és meg kell vizsgálniuk a szabályozási lehetőségek kérdését (szivattyús-tározós erőművek használata, napelemek termelésének koordinált leállítása, újraindítása). Ezen kívül minden rendszerirányítónak gondoskodnia kell gyorsan mozgósítható tartalékkapacitásról és meg kell becsülnie a szükséges tartalék mennyiségét. Emellett fel kell készíteni az irányító személyzetet erre a speciális eseményre. A fogyasztásra szintén hatással lehet a napfogyatkozás. Mivel ennek a hatásnak a globális vizsgálata rendkívül nehéz, minden rendszerirányítónak javasolták a villamos energia iránti igény mértékének becslését. Szükség esetén a rendszerirányítóknak fel kell állítaniuk egy rendkívüli irányítást a napfogyatkozás napjára, ami magába fogalja a folyamatos telefonkapcsolatot, annak érdekében, hogy koordinálják a PV előrejelzéseket, a frekvenciaszabályozást, a tartalék csereforgalmát és az áramlásokat. A problémamentes 1999-es napfogyatkozás után az ENTSO-E biztosnak vélte, hogy Európa meg tud birkózni a 2015-ös napfogyatkozással is.
Miért nem lehet ideiglenesen kikapcsolni a PV termelést?
Sokakban felmerülhetne az a kérdés, hogy Németországban egy napra kikapcsolva a PV termelést nem kéne számolni a napfogyatkozás villamosenergia-rendszerre gyakorolt hatásával. Azonban a hálózat üzemeltetőinek meg van kötve a kezük: nem tudnak minden napelem telepet egyszerűen kikapcsolni a rendszerből. Legkevésbé lehet azokat a kis teljesítményűeket, amik 30 kW alattiak – ezek az összteljesítmény 1/3-át teszik ki – ehhez nincs hozzáférésük. Ezáltal bizonytalan az, hogy hány napelem telepet érnének el, és tudnának kikapcsolni. További problémát jelent az információ hiánya – a kisebb naperőművek esetében hiányoznak az aktuális termelési adatok, illetve a nagyobb rendszerek teljesítményét is kevésbé tudják követni. A hálózati üzemeltetők csak átlagos termelési adatokat ismernek, negyedórás felbontással, azonban a gyors ingadozások követéséhez ez túl ritkának bizonyulhat.
A lakosság tájékoztatása
A német villamosenergia-rendszer üzemeltetői felszólították lakosságot arra, hogy mindenki tartson magánál zseblámpát és elemes rádiót, az esetleges áramkimaradás miatt. Ezen kívül figyelmeztettek mindenkit, hogy ne használják a felvonókat a napfogyatkozás ideje alatt, mert rendszeringadozás esetén nem működnének.
Napfogy2.png
2. ábra: PV termelés Németországban, 2015.03.20-án

(Forrás: TransnetBW-Presseinformation: Sonnenfinsternis: TransnetBW hat „Stresstest” bestanden, 2015. 03. 20.)
Ahogy a 2. ábrán is látható, a PV termelés a napfogyatkozás kezdetén 13 GW körül volt. A legkisebb teljesítményérték 6 GW volt, majd a napfogyatkozás végén, amikor a napsugárzás is erősebb volt, mint kezdetben, 19 GW-os teljesítményt mértek. A termelés tehát 75 perc alatt 13 GW-ot növekedett.
A napfogyatkozás alatt a szabályozási tartalékokra is szükség volt, mint például a szivattyús tározós erőművekre. A jelenség időtartamának közepén közel 3 GW szabályozási tartalékra volt szükség a teljesítmény kiegyenlítésére. A frekvenciát a napfogyatkozás ideje alatt 49,97 Hz és 50,05 Hz között tudták tartani.
Olaszország Németországgal ellentétben arra a döntésre jutott, hogy a 100 kW feletti napelem telepeket kikapcsolja a rendszerből. Bár a napfogyatkozás időtartama körülbelül két óra, a nagy beépített teljesítménnyel rendelkező PV rendszereket 24 órára kellett kikapcsolni. Az olasz Villamos energia- és Gázipari Hatóság (AEEG) első alkalommal hozott ilyen jellegű döntést.
A napfogyatkozás napján mért, 8:00-tól 12:00-ig tartó, kontinentális Európa villamosenergia-rendszerére vonatkozó frekvenciaértékeket megvizsgálva a frekvenciaminőség a vizsgált időtartam alatt megfelelő volt. A maximális frekvencia-eltérés abszolút értéke 48 mHz volt.
Az időjárás a napfogyatkozás alatt a kontinentális Európa nyugati részén felhősebb volt, mint amilyen időt az előzetes tanulmányok feltételeztek, emiatt pedig a napfogyatkozás kisebb mértékben befolyásolta a villamosenergia-rendszert, mint amit a szakemberek becsültek. Németországban és Olaszországban az időjárás tiszta volt, ezáltal a jelenség hatása is erős volt.
Egy tanulmány szerint a jövőben normál időjárási körülmények közt tapasztalt gradiens a 2015-ös napfogyatkozás gradiensével közel azonos mértékű lesz. Ez a fotovoltaikus kapacitások folyamatos növekedésének, és a PV rendszerek költségeinek további csökkenésének köszönhető. A prognózis azért jelent kihívást számos országban, mert a PV teljesítmény gyorsabb változásához az erőműveknek alkalmazkodniuk kell. A 3. ábra azt szemlélteti, hogy a maximális órás gradiens értéke milyen mértékben változik egy átlagos, napos délelőttön, ha 60 GW-nál több beépített PV kapacitásunk van.
Napfogy3.png
3. ábra: A jövőben várható gradiensnövekedés
(Forrás:
Dr.-Ing. Karsten Burges, Roman Sikora: Operating Power Systems with High PV Generation During a Solar Eclipse–Challenges and Operational Measures, ECOFYS, 2014. 11. 10.)
A 2015. március 20-aihoz hasonló napfogyatkozás lesz 2021-ben és 2026-ban. Addigra az európai napelem-panelek száma várhatóan meg fog háromszorozódni. A SolarPower Europe kutatásai alapján 2021-ben a PV kapacitás 170 GW-ot fog kitenni, 2026-ban pedig eléri a 250 GW-ot.
Az ENTSO-E és a SolarPower Europe 5 fontos terület fejlesztését tartja szükségesnek a biztonságos európai hálózat fenntartásához a következő napfogyatkozások alatt. Ezek a következők: frissített piaci- és rendszerszabályok, megerősített regionális együttműködés, aktív fogyasztói társadalom, új rendszerszolgáltatások bevezetése különös tekintettel a PV termelésre, valamint fokozott TSO/DSO (Transmission System Operator/Distribution System Operator) együttműködés.
Mivel a háztartási fogyasztók igénye jelenti a villamosenergia-felhasználás 30-40%-át, a fogyasztók számára adott lehetőség, miszerint csökkenthetik a fogyasztásukat bizonyos csúcsidőszakokban, – és pénzt takaríthatnak meg – hozzájárul a rendszer rugalmasságának fenntartásához. A rendszerirányítók számára ez egy költséghatékony módot jelentene a rendszer egyensúlyának fenntartása érdekében, továbbá optimalizálná az infrastruktúra és a beruházások kihasználását a hálózaton.
A jelenség hazánkban bekövetkezett hatása részletesebben
A jelenség hazánkban bekövetkezett hatását egy konkrét példán keresztül is bemutatom. Munkám során az ELMŰ-ÉMÁSZ Társaságcsoporttól kapott adatok alapján a fóti Élhető Jövő Parkban található két naperőmű termelését vizsgáltam meg. Az egyik napelemes rendszer 15,6 kW-os, a másik naperőmű 22 kW-os névleges teljesítménnyel rendelkezik. Az elemzések során megfigyeltem a direkt és a szórt sugárzás alakulását, valamint a két naperőmű teljesítményének változását. A részleges napfogyatkozás hatására tapasztalható teljesítményváltozás nem ugyanolyan mértékű, mint egy felhős nap esetén. Az elemzés a napfogyatkozás alatt mért értékeket egy hasonló időszakban fellépő, nagymértékű teljesítménycsökkenéssel bíró, márciusi felhős nappal való összehasonlításra is kiterjed.
A gradiensértékeket megvizsgálva a napfogyatkozás csökkenő és növekvő szakaszában elmondható, hogy a teljesítmény csökkenése és növekedése közel azonos időtartam alatt zajlott le mindkét naperőmű esetében. A növekvő szakaszban azonban gyorsabb volt a változás. Ennek oka, hogy a folyamat befejeztével a Nap már magasabb pontján volt a pályájának, így nagyobbak voltak a mért besugárzási értékek.
Napfogy4.png
4. ábra: A 15,6 kW névleges teljesítményű naperőmű teljesítménye 2015. 03. 20-án
A felhős nappal való összehasonlítás elvégzéséhez a megfelelő nap kiválasztása rendkívül fontos volt, több szempontot is figyelembe kellett venni. Az év és hónap kiválasztásához szem előtt kellett tartani azt, hogy a napelemek termelése évszakfüggő, illetve a klímaváltozás évről évre kismértékben változó éghajlatot eredményez, ezért egy azonos évi, márciusi felhős napot kerestem. További szempont volt, hogy a nap hasonló szakaszában változzon a teljesítmény, mint a napfogyatkozás esetében. Ezek alapján a 2015. március 29-ei nap volt a megfelelő az elemzésekhez.
Az összehasonlítás során kiderült, hogy a teljesítmény változása a felhős napon sokkal nagyobb és rövidebb idejű volt, mint a napfogyatkozáskor.
Napfogy5.png
5. ábra: A 15,6 kW névleges teljesítményű naperőmű teljesítménye 2015. 03. 29-én
A napsugárzás méréséhez használt mennyiségek közé tartozik a globális sugárzás. A globális sugárzásnak két komponense van, a szórt (diffúz) és direkt sugárzás. A sugárzási mérőszámok lehetővé teszik annak elemzését, hogy a besugárzás milyen hatással van a napelemes rendszerek által hálózatba táplált teljesítményre. A szórt sugárzás a részleges napfogyatkozáskor sokkal kisebb értékű volt, mint a felhős napon. A maximuma a napfogyatkozáskor 59 W/m2 volt, míg a felhős napon 192 W/m2 volt, ami 3,25-szörös eltérést jelent. A nagyobb szórt sugárzás a napsugárzás felhők miatti szóródásával és elnyelődésével magyarázható. Továbbá a részleges napfogyatkozás nagy hatással van a szórt sugárzásra (teljes napfogyatkozás esetén a globális sugárzás gyakorlatilag nullára csökkenne).
 Napfogy6.png
 Napfogy7.png
  6. ábra: Szórt sugárzás 2015. 03. 20-án
  7. ábra: Szórt sugárzás 2015. 03. 29-én
 
A direkt sugárzást is megvizsgálva azt a megfigyelést tettem, hogy a felhős napon néhány perccel később változik teljesítmény a direkt sugárzás változásának hatására, míg a részleges napfogyatkozáskor kisebb volt a késleltetés. A késleltetés számszerűsítésére a teljesítmény- és sugárzási értékek minimumát vizsgáltam. A direkt sugárázás minimuma és a 15,6 kW-os naperőmű teljesítményminimuma közti késleltetés a napfogyatkozáskor 1 perc 50 s volt, a felhős napon pedig 5 perc 50 s. A 22 kW-os naperőműnél kisebb volt az eltérés a két minimum között: a napfogyatkozáskor 1 perces, míg a felhős napon 1 perc 50 s-os késleltetés volt.
Konklúzió
Az ENTSO-E tagországainak együttműködése révén a 2015. 03. 20-ai napfogyatkozás hatásait rendkívül jól kezelték a rendszerirányítók. Az esemény lehetőséget adott arra, hogy tapasztalatokat gyűjtsenek a szakemberek a jövőre nézve. A megszerzett tudás nemcsak a rendszerirányítók, hanem a többi villamosenergia-piaci résztvevő számára is hasznosnak bizonyul. A következő napfogyatkozásokra való felkészülést a tapasztalatok és a levont következtetések nagyban megkönnyítik.
A jövőben a napelemek számának növekedése miatt a PV termelés nyomon követése és vizsgálata fontos követelmény lesz a villamosenergia-rendszer stabilitásának érdekében. Ehhez az adatok megfelelő gyűjtésére, továbbítására, tárolására és feldolgozására van szükség. A két naperőmű vizsgálata lehetőséget adott arra, hogy a napfogyatkozás napelemekre gyakorolt hatását közelebbről, konkrétabban megfigyelhessem.
A kutatásommal szerettem volna felhívni a figyelmet a naperőművek ma még extrém, a jövőben normál körülmények között fellépő viselkedésére egy aktuális, sokak által tapasztalt természeti esemény hatásainak bemutatásával.
Felhasznált irodalom és további olvasnivaló:
ENTSO-E: Solar Eclipse 2015-Impact Analysis- Report prepared by Regional Group Continental Europe and Synchronous Area Great Britain, 2015. 02. 19.
MAVIR sajtóközlemény: Pénteken napfogyatkozás, a MAVIR már felkészült, 2015. 03. 16.
Nils-Viktor Sorge: Sonnenfinsternis macht Energiewirtschaft nervös; „Wir nähern uns dem Worst Case”, manager magazin, 2015. 03. 18.
TransnetBW-Presseinformation: Sonnenfinsternis: TransnetBW hat „Stresstest” bestanden, 2015. 03. 20.
Michael Fuhs, Sandra Enkhardt:  Italy to switch off PV plants over 100 kW during solar eclipse, pv magazine, 2015. 03. 17.
Solar eclipse March 2015: The successful stress test of Europe’s power grid- more ahead, Policy Brief, SolarPower Europe, ENTSO-E, 2015. 07. 15.
Dr.-Ing. Karsten Burges, Roman Sikora: Operating Power Systems with High PV Generation During a Solar Eclipse–Challenges and Operational Measures, ECOFYS, 2014. 11. 10.