Megújuló energiaforrások összehasonlítása a villamosenergia jellemzői szerint

Bevezetés

Kiemelten fontos környezetünk védelme, hiszen tapasztalható, hogy a Föld erőforráskészletei kimerülőben vannak. Ennek egyik oka a népesség növekedése és fokozódó energiaigénye. Minél fejlettebb egy társadalom, fajlagosan annál több villamosenergiát használ. A fosszilis tüzelőanyagok hosszú távon elfogynak, ezért meg kell tanulni új energiaforrásokat használni. A megújuló energiaforrások sokak szerint valós alternatívát jelentenek a szükséges energia fedezésére. Ma bárki vásárolhat magának napelemet, napkollektort, szélkereket, sőt, bárki építhet kiserőművet, ha rendelkezik elég erőforrással hozzá, és beszerzi a szükséges engedélyeket. Azonban az éremnek most is két oldala van. Felvetődik a kérdés, hogy mennyire olcsó, mennyire biztonságos a megújuló energiaforrásokból előállított energia. A cikk erre a problémára keres megoldást.
Az előállítható villamos energia jellemzői

1.1            Napelem

A napelemek legnagyobb hátránya, hogy csak napsütés esetén képesek villamosenergia termelésére.
 Megujulo1.png
1.      ábra: A 2013-ban mért napsugárázás mértéke naponta Magyarországon
(http://www.naplopo.hu/tudastar/napsugarzasi-adatok)
 Megujulo2.jpg
2.      ábra: A napsugárzás teljes nap során mértéke az egyes hónapokban Budapesten
(http://www.tankonyvtar.hu/en/tartalom/tkt/zoldsegtermesztok/ch06.html)
A napsugárzás nem egyenletes az év teljes szakaszában. Szélsőséges esetben 2 nap között akár 1000 Wh/m2-es különbség is lehet. Hálózatra tápláló kiserőművek esetén ez megnehezíti a menetrend betartását. Szigetüzemű erőműveknél ez nem jelent akkora problémát, mert ezek fel vannak szerelve energiatároló akkumulátorteleppel. A napsugárzás mértéke 70 és 8000 Wh/m2 közt ingadozhat, az átlagos napi sugárzás értéke 3500 és 4000 Wh/m2 közötti. A nap 4:00 és 20:30 közt nem süt egyetlen hónapban sem. A napsugárzás csúcsértéke 12:00 és 13:00 közt éri el a maximumát. A téli hónapokban 7:00 és 18:00 között működnek csak a napelemek. A kivehető teljesítmény gyorsan változik, a teljesítmény csúcsértéke rövid ideig van jelen.Megujulo3.png
3.      ábra: A napi villamosenergia-fogyasztás 2013. 02. 12-én (kék görbe) és 2013. 07.29-én (piros görbe)
(http://www.mnnsz.hu/a-haztartasi-kiseromuvek-hatasa-az-orszagos-teljesitmenymerlegre/)
A téli és nyári csúcsterhelés időpontja nem ugyanaz. Ez abból adódik, hogy nyáron a légkondicionáló berendezések fogyasztása számottevő. A napelemek maximális termelésének időpontja közvetlenül a nyári csúcsidőszak előtt van, melynek időpontja 13:30 és 14:00 közötti. A napsugárzás teljesítménye ekkorra már 600-620 W/m2-re csökken. A téli és a nyári minimumterhelés ugyanúgy 4:00 körül következik be. A téli terhelés magasabb. A napelemek szempontjából ez nem lényeges, egyik évszakban sem termelnek ebben az időpontban. A téli csúcsidőszak 19:00 és 20:00 között következik be. A napelemekre ekkor sem számíthatunk. 50 kW villamos teljesítmény kinyeréséhez 1000 W/m2 napsugárzás és 15%-os hatásfok esetén 333,33 m2 napelem szükséges. Egy hálózatra tápláló 50 kW-os napelemrendszer telepítésének az ára 22.225.000 Ft + ÁFA. Ez tartalmazza a kiegészítő berendezéseket és a telepítést is. A telepítést végző cég szerint a rendszer várható teljesítménye évi 54.500 kWh. Ha a 16 éves átvételi garancia időtartamát vesszük alapul, akkor egy MWh 25.487 Ft-ba, 310 Ft/EUR árfolyamon 82 EUR-ba kerül. A napelemekre vállalt 30 év garancia időtartamát figyelembe véve egy MWh 13.593 Ft-ba, azaz 43,84 EUR-ba kerül. A szigetüzemű berendezések beszerzési és telepítési költsége 50-75% - al magasabb az energiatároló akkumulátortelep miatt. Az akkumulátorok előírt cseréje miatt a rendszer bekerülési költsége duplája a hálózatra tápláló rendszerének, így egy MWh előállítása is a duplájába kerül. Így a 30 év alatt megtermelt 1635 MWh-val számolva egy MWh előállítása 27.186 Ft-ba, azaz 87,68 EUR-ba kerül. Egy háztartás ellátásához azonban nem kell 50 kW-os rendszer, 10 kW teljesítmény megfelelő. Egy hálózatra tápláló 10 kW-os napelem beszerzési és telepítési költsége 4.572.000 Ft. A várható energiatermelés 9850 kWh/év. A szigetüzemű berendezéssel előállított egy MWh így 30.944 Ft-ba, 99,81 EUR-ba kerül.

1.2            Szélturbina

A szél erőssége 75 m fölött rövid távon állandónak tekinthető. Iránya és erőssége hosszabb távon változik. Ezek a jelenségek a modern meteorológiai berendezésekkel előre számíthatók, de nem eléggé pontosan.
 Megujulo4.png
4.       ábra: A szél erőssége 75 m magasan Magyarországon
(http://www.tankonyvtar.hu/hu/tartalom/tamop425/0021_Energetika/ch04s03.html)
Az ábra mutatja, hogy hazánkban a szélerősség sehol nem megy 7 m/s fölé. Északnyugat-Magyarországon jellemzően 5-7 m/s, az Alföldön 5-5,5 m/s.
Ekkora szélsebességeknél egy névlegesen 3,6 MW-os turbina 0,3-0,8 MW teljesítményt adna le, tehát névleges teljesítményének 8,3-22,2%-át. Egy 6 MW-os szélturbina telepítése 1-1,5 millió EUR-ba kerül. Ha élettartamának 18 éve alatt 189.331 MWh villamos energiát termel, akkor egy MWh előállítása 5,28 és 7,92 EUR, azaz 1636,80-2455,20 Ft közötti pénzbe kerül, ha csak a gyártás és telepítés költségeit nézzük. 

1.3            Biogázmotor

A biogázból előállított villamos energia mennyisége változtatható a leggyorsabban. A biogázmotor indítása, és teljesítményének változtatása egyszerűen megoldható. A termelt gáz minősége nagyban függ az alapanyagokétól, de a minőséget lehet mennyiséggel helyettesíteni. A gáz tárolása megoldható, így a csúcsidőszakokban lehet a legnagyobb mértékű termelést produkálni, és leállás esetén sem vész kárba energia. A motorok üzemanyaga a biomasszából kinyert biometán. A biomasszát jellemzően mezőgazdasági és állattenyésztési szerves hulladékból állítják elő, tehát az üzemanyag másra nem használható fel, sőt, veszélyes hulladéknak minősül. A biogázmotorok villamos- és hőenergiát is előállítanak, ami akár további villamosenergia termelésére is fordítható. Egy 1,5 MW-os biogázerőmű telepítési költsége 1-2 milliárd Ft. A 9,5 MW-os motort üzemeltető létesítmény ára így 10-15 milliárd Ft körüli. A fentebbi számítások alapján 1 MWh termelése így 4053,81-6080,71 Ft-ba, azaz 13,07-19,62 EUR-ba kerül.

1.4            Vízturbina

A duzzasztóművel üzemelő vízerőművek méretükhöz képest nagyon könnyen szabályozhatók és indíthatók. A nagy esésű vizeken épült erőművek szintén. Az erőmű által leadott teljesítmény egyedül az aktuális vízállástól függ, ami szintén nagy pontossággal előre jelezhető az időjárási előzmények ismeretében. Az energia ezért tárolható is az átfolyás szabályozásával. Egy vízlépcső megépítése segítség lehet az árvizek elleni védekezésben, mivel képes lassítani a vízszint emelkedését. Az energia tárolására a hegyi patakokon épített vízerőműveknél is megvan a megoldás. Ha nincs szükség energiára, akkor a vízerőmű által termelt energia segítségével vizet szivattyúznak fel a hegy tetején épített tárolóba. Energiahiány esetén ezt a tárolót megnyitják, így nyerve ki az eltárolt energiát. Az erőmű telepítésének költségére vonatkozóan nincsenek pontos források. A kínai Három-szurdok vízerőmű építésénél 1MW teljesítmény építési költsége 1 millió USD. Ez a mennyiség nem tartalmazza az erőmű építése miatt történt kitelepítések árát, tehát egy kisebb teljesítményű, Európában, európai színvonalú bérekkel fizetett emberek által épített erőműnél ez a szám még magasabb is lehet, becslésként 1 millió EUR/MW. A  svédországi Porjus vízerőmű adataival számolva ekkor a teljes építési költség 440 millió EUR. Ez azt jelenti, hogy 1 MWh 2,28 EUR-ba, azaz 707,76 Ft-ba kerül.
Pontosabb adat a következő: 1986-ban a 160 MW-os nagymarosi vízerőmű megépítésével 5,7 milliárd osztrák schilling, átszámítva 413.820.000 EUR értékben az osztrák Donaukraftwerke AG-t bízták meg. A 160 MW-os erőmű 50 év alatt 70.080.000 MWh energiát termel, egy MWh költsége tehát 5,90 EUR, azaz 1830,54 Ft.
Az erőforrásokat két fő tulajdonságuk alapján érdemes összehasonlítani. Az egyik az ár, a másik az életciklus során bekövetkező környezetkárosítás. Energiatermelés közben ezeknek az erőforrásoknak a használata nem terheli annyira a környezetet, mint a hagyományos, fosszilis energiahordozókból történő villamosenergia-termelés. Viszont előállításuk során jelentős mennyiségű CO, CO2 és egyéb mérgező gázok keletkeznek.
Típus
Teljesítmény (MW)
Élettartam (év)
Hatásfok (%)*
Ár (Ft/MWh)
Napelem
0,050
16 (30)
0-40 (15)
25.487 -30.944
Szélturbina
1-10
18
0-45 (15)
1636,80-2455,20
Biogázmotor
0,1-10 (villamos energia)+0,1-10 (hő)
20
49 (villamos),
96 (teljes)
4053,81-6080,71
Vízturbina
100-1000
50
90-99
707,76-1830,54
*a tágabb intervallumoknál a legjellemzőbb érték zárójelben szerepel
Ár tekintetében a vízerőmű végzett az élen. Ennek fő okai, hogy várható élettartama hosszabb és nagyobb teljesítményű gépekkel üzemel, ami a beépített teljesítményhez képest csökkenti szükséges anyagok mennyiségét.
A napelemek által termelt energia drága, nem tárolható, csak a költségek jelentős növekedése és az élettartam csökkenése árán. Erőművi termelésre emiatt nem alkalmasak. A napelemek egyenáramot termelnek, ezért a hálózatra való csatlakozásuk csak inverteren keresztül lehetséges. Ennek a berendezésnek az ára 600 ezer Ft körüli, garantált élettartama 20 év, ezután cserére szorul. Az inverter egy egyenáramú szaggató, emiatt a feszültség jelalakja erősen felharmonikusokkal terhelt.
A szélerőművek telepítése speciális járműveket és eszközöket igényel, élettartamuk rövid, újra hasznosításuk nem megoldott. Csak olyan vidékre lehet szélerőművet építeni, ahol a szél erőssége magas, és állandó. Ilyen helyek a hegygerincek és tengerek. A villamosenergia szállításáról ekkor gondoskodni kell, mert ezek a vidékek távol esnek a lakott területektől. Az általuk termelt energia ára elfogadható lenne, ha az erőműhöz tartozó alállomás és a távvezetékek építési és fenntartási költségeit nem vizsgálnánk. Viszont a nehezen megközelíthető területekre való telepítés miatt ez jelentősen megemeli az energia árát. A generátorok által termelt villamos energiát nem lehet közvetlenül a hálózatba táplálni, mivel akadhatnak frekvencia- és fázisbeli eltérések. A szélturbinákban használt generátor általában egy kétoldalról táplált aszinkron gép. Az ilyesfajta a hajtásnak az a sajátossága, hogy kimenő feszültségének jelalakját szabályozni az aszinkron gép forgórészéhez kapcsolódó közbülső egyenáramú körös feszültséginverterrel lehet, ezért a generátor kimenő feszültségének jelalakja ugyancsak felharmonikusokkal terhelt.
A biogázerőművek üzemanyagául szolgáló metán biomasszából történő előállítása során hatalmas, az metángáztól 2,75-ször nagyobb tömegű szén-dioxid keletkezik. Erre megoldást jelenthet a földgázzal való üzemeltetés, de ekkor már nem megújuló energiaforrással üzemelne a motor, hanem a Föld készleteit használná föl. A biogázerőmű ideális telepítési helye nem függ az éghajlati viszonyoktól.
Erőművi termelésre a károsanyag-kibocsájtás szempontjából a vízerőmű lenne a legalkalmasabb a megújuló energiaforrások közül. A termelt villamos energia ára is a legkedvezőbb. A költségeket azonban a tájrendezési munkálatok jelentősen megemelhetik. A vízerőművek építésének legnagyobb gátja a politikai környezet. A leghatásosabb ellenérv az erőművek tájromboló hatása. Belátható azonban, hogy ésszerű tervezés és kivitelezés esetén a vízerőművek telepítése nem jár számottevő vagy visszafordíthatatlan környezetkárosítással.
Mind a napelemnél, mind a szélturbinánál megemlítettem, hogy az inverteres hajtás miatt kimenő feszültségük nem szabályos szinusz, hanem felharmonikusokkal terhelt. Ha váltakozó áramú termelésre kívánjuk őket használni, esetleg hálózatra is akarunk táplálni velük, akkor számolnunk kell azzal a kellemetlen hatással, hogy ez a két berendezés negatív hatással lesz a villamosenergia-rendszer stabilitására. Ennek oka a következő: a szinkron járó rendszer stabilitása attól függ, hogy mekkora az energiatermelésben részt vevő gépegységek forgó tömege, perdülete. A hálózati frekvencia adott, értéke 50 Hz. Az ettől való eltérés megengedett értéke 20 mHz mindkét irányban. Aktuális értéke lineárisan függ az erőművi gépegységek pillanatnyi fordulatszámától. A villamosenergia-rendszer üzemének alapvető jellemzője, hogy a termelt és fogyasztott teljesítmény minden pillanatban megegyezik. Ha a fogyasztott teljesítmény növekszik, de az termelő egységeknek nem adunk teljesítménynövelési parancsot, akkor a hálózati frekvencia csökkenni fog, mivel a gépegységek a fellépő energiahiányt a forgó tömegükben tárolt mozgási energiából kénytelenek fedezni. A frekvencia értékének névlegestől túlzott eltérése esetén a szinkron járó rendszer széteshet. A turbinák karakterisztikája olyan, hogy csökkenő fordulatszám esetén a leadott teljesítmény növekszik, tehát egy bizonyos mértékű önszabályozásra képes a villamosenergia-rendszer. Ez viszont csupán arra elég, hogy a névleges 50 Hz-es frekvenciától való eltérést minimalizálja, fő szempont, hogy gyorsan és automatikusan reagáljon. A névleges frekvenciára való visszatérítést már a villamosenergia-rendszer operátorai vezénylik.
3 Összefoglalás
Az előző fejezet végén található kitekintésre azért volt szükség, hogy belássuk, hogy a termelt és fogyasztott teljesítmények pillanatnyi egyensúlyára a hálózati frekvencia értékének névlegestől való eltéréséből lehet következtetni. Ez a megállapítás azonban csak az olyan termelő egységekre érvényes, ahol a kimenő feszültség fázisát egyedül a generátor forgórészének a fázisa határozza meg. Ilyen a gáz- és gőzturbinák valamint a vízerőművek által hajtott szinkron gép. A napelemek nem alkalmasak erre a szerepre, mivel nincs forgó tömegük. A szélerőművek igaz, hogy forognak, de a bennük alkalmazott frekvenciaváltók vagy inverteres hajtások miatt a generátor feszültségének fázisa nem függ a generátor tengelyének fázisától. Ráadásul ezen egységek által termelt villamos energia nem tárolható, nehezen becsülhető és szabályozható. Az 1. táblázatban látható, hogy a napelem, a szélerőmű és a biogázmotor is elmarad mind hatásfok, mind élettartam, mind az energiaelőállítás költsége terén a vízerőműtől. A vízerőmű viszont könnyen szabályozható, gyorsan indítható, ezért szabályozóerőműnek is megfelel. Szivattyús tározó alkalmazása esetén az energia tárolása megoldott. Mindez azt bizonyítja, hogy ésszerű tervezés és kivitelezés mellett a megújuló energiaforrásokkal üzemelő egységek közül egyedül a vízerőmű alkalmas arra, hogy nagyobb mennyiségű villamos energia termelésére használjuk. 
Bányászati és Kohászati Lapok 2012/5: A biogáz és szintézisgáz energetikai hasznosítása
Bársony István, Gyulai József, Lábadi Zoltán: Napelemek
Dr. Német Béla: A szilárd biomassza formák átalakítása biogázzá (2011)
Göőz Lajos, Kovács Tamás: Vízenergia
Ekés Dániel: Üzemlátogatás a GE Hungary Kft. veresegyházi turbinagyárába (2013)
Zhaoqiang Zhang, Robert Nilssen, Arne Nysveen, Anyuan Chen, Alexey Matveev: High-power generators for offshore wind turbines (2013)
Dr. Aszódi Attila: Az alternatív energiaforrások összehasonlítása a nukleáris erőművekkel (2005)
Dr. Tóth Péter, Dr. Bulla Miklós, Dr. Nagy Géza: Energetika (2011)
Kovács István: Tönkretették a magyar szélenergia ipart? (2013)