Milyen megújulók? Milyen hálózat? Milyen illesztés? – avagy miért örüljünk annak nagyon, hogy az akkumulátorok ára várhatóan a felére csökken?

Miért nem csak megújuló energiaforrásokból termelünk villamos energiát? Miért borzadnak el ettől a kilátástól a szakemberek? De most tényleg, mi a baj a megújuló energiával? Röviden: a megújulók hálózatba illesztése. Ebben a posztban ezt a témát fogjuk körbejárni, és azt, hogy a bajra mi lehet a gyógyír.

Egy korábbi írásomban arra szerettem volna felhívni a figyelmet, hogy tudatosítanunk kell magunkban a problémát:
1. a mindennapi kényelmünkhöz – illetve a cikk írásának időpontjában biztonságunkhoz, alapvető szükségleteink biztonságos kielégítéséhez – őrületesen sok energiára van szükségünk,
2. amíg a Föld lélekszáma nő, illetve a(z energia)szegények aránya csökken (és nyilván ezt kívánjuk), ez a probléma csak súlyosbodni fog. (Gyorsan vessünk egy pillantást a Nemzetközi Energiaügynökség 2019-es World Energy Outlook című kiadványában a külön Afrikának szentelt fejezetre.)

Ennek természetes folytatásaként most azzal fogok foglalkozni, hogy ha már ilyen sok energiára van szükség, milyen problémákkal szembesülünk, ha oly módon akarjuk csökkenteni a szén-dioxid-kibocsátásunkat, hogy megújuló energiaforrásokat használunk. És hogy ne szomorodjunk el túlságosan, bemutatok a megoldások közül is néhányat (és így jutunk el oda, minek lehet örülni, vagy inkább miben lehet reménykedni).

I. Alapozás – milyen megújulók, milyen hálózat, milyen illesztés?

Egy korábbi cikkünk foglalkozott azzal, melyek a (legfőbb) megújuló energiaforrásaink, most építsünk ezekre az alapokra. Megújuló energiaforrások a nap, szél, víz (folyók, ár-apály, szivattyús tározás), geotermikus hő, és ide szokták sorolni a biomasszát is.

Ezek az energiaforrások azonban alapvetően különböznek egymástól számunkra lényeges szempontok alapján. Ezek a változékonyság (a geotermikus hőenergia például nem változik, szemben az ár-apállyal és a széllel), az előreláthatóság (az ár-apály ciklusok változása előre látható, szemben a napsütéses órákkal és a széllel), illetve a reagálási képesség (azaz, hogy a rendszerbe táplált energia mennyiségét milyen gyorsan lehet kívülről beavatkozva csökkenteni vagy növelni).

Az energiatermelés szempontjából meghatározó, hogy egy energiatermelő egység működése előrelátható-e, azaz, hogy az energiaforrás időjárásfüggő-e (azaz változékony, kevésbé előrelátható és akaratlagosan kevésbé manipulálható) vagy sem (itt van ezekről egy jó kis összehasonlítás).

A jelenleg legérettebb megújuló energiatermelései technológiák, azaz a nap- és szélenergia, időjárásfüggők. Rendben, de miért fontos ez?

A villamos hálózat, vagyis a hálózatra történő csatlakozás miatt. De hogy pontosan megértsük, miért, megint hátrafelé kell tennünk egy lépést ebben a megértéshez vezető lassú keringőben.

A legfőbb elsődleges energiaforrásaink a szén, kőolaj, földgáz, az atomenergia, a víz-, szél- és napenergia valamint a biomassza. Rendben, de melyiket milyen formában tudjuk felhasználni (azaz számunkra hasznos munkavégzésre bírni), esetleg tárolni? Míg a fosszilis energiaforrások (szén, földgáz, olaj) közvetlenül számunkra hasznos munkára tudjuk bírni, addig a többi energiaforrást ehhez először át kell alakítani valami mássá, (hőenergiává, mozgási energiává, vagy) például elektromos energiává, vagyis árammá.

Első fontos felismerésünk tehát az, hogy az (emberi időléptékkel nézve) megújuló energiából elsősorban villamos energiát tudunk előállítani. A villamos energia felhasználási helyekre történő eljuttatásának két közismert módja van, az egyik a (jellemzően kisebb teljesítményű) berendezésekbe épített valamilyen elem vagy akkumulátor, a másik pedig a villamos hálózati csatlakozás.

Azonban a villamos energiát, más energiahordozóktól eltérően, jelenleg még nem tudjuk nagy mennyiségben, hosszú időn keresztül gazdaságosan tárolni, és a legtöbb fogyasztó (szakmai nyelven: felhasználó) nem rendelkezik saját termelő kapacitásokkal, így marad a fogyasztók hálózatról történő ellátása. Ugyanerre a hálózatra csatlakoznak a termelők is. A megújulók esetében a ma zajló, nagy arányú, szisztematikus hálózatra csatlakoztatást hívják hálózatba illesztésnek.

A villamos energia hálózat egyik legfontosabb működési sajátossága, hogy a feszültségnek és frekvenciának egy bizonyos szűk sávon belül állandónak kell lennie. Ebből következik viszont az, hogy ha zavartalanul és biztonságosan szeretnénk használni ezt a hálózatot, akkor, mint egy népmesében a legkisebb fiúnak a királylány keze és a fele királyság megszerzéséért, folyamatosan őrködnünk kell afelett, hogy a betáplált energia mennyisége minden pillanatban megegyezzen a rendszerből kivett, azaz a fogyasztók által felhasznált energia mennyiségével. Ezt a próbatételt hívják kiegyensúlyozásnak.

HOPPÁ. Amint a mesékben, úgy a Földön is most kezdődnek csak a bonyodalmak. Egy durva asszociációs lépéssel idézzük fel, hogy egy átlagos magyar fogyasztó évente 33 kg ételt dob ki feleslegesen, azaz még a saját háztartásunk élelmiszer mérlegét sem tudjuk egyensúlyban tartani.

Most képzeljük el ezt a kiegyensúlyozósdit sok millió háztartásnyi nagyságrendben… Jó, ezen most egy kicsit elgondolkodtunk, elég komoly számítási és tervezési munka állhat a mögött, hogy a villamos hálózat nap, mint nap fennakadásoktól mentesen működjön. Nehéz dolguk lehet a villamosenergia rendszerirányítóknak (ez itthon a MAVIR Zrt.). 

Ezt az egyensúlyt minden időtávon biztosítani kell, minden percben, órában, és annyira előre, amennyire csak tervezni észszerűen lehetséges (vö. tervezett és nem tervezett erőművi leállások, kánikula, nyári és téli csúcsfogyasztási napok és így tovább).

Második fontos felismerésünk tehát egy parafrázisba sűrítve: a villamos hálózat működtetéséhez három dolog kell: tervezés, tervezés, tervezés (esetleg: menetrendek, menetrendek, menetrendek). Viszont máshonnan meg úgy tudjuk, hogy „Plans are useless, but planning is indispensable”, vagyis a tervek haszontalanok, de a tervezés nélkülözhetetlen…

Van tehát egy meglehetősen összetett rendszerünk, és valaki egyszer csak beront és azt mondja: Gyerekek, holnaptól teljesen máshogy kell csinálni mindent, különben mindmeghalunk!

II. Ahol a gondok elkezdődnek

És akkor kapcsoljuk össze a fenti jelenet után kialakuló érzéseinket azzal a gondolattal, hogy a megújulók egy része időjárásfüggő. Illetve realisztikusabban: az érett, és mindenhol telepíthető megújuló technológiák időjárásfüggők.

Ezt követően idézzük fel, mit gondolunk az időjárás-előrejelzésekről. Gondolom, most már kezd mindenki számára világossá válni, hogy amikor egy laikus szemrebbenés nélkül hirdeti, hogy „Telepítsünk több megújulót MOST!”, miért kezd mind a műszaki, mind a gazdasági szakembereknek rángatózni a bal alsó szemhéjuk (valójában a jogászok is elég rossz idegállapotba tudnak kerülni néha), és válaszolják feszülten szabadkozva, hogy: „Sajnos ez nem ilyen egyszerű”.

Azért, mert az időjárásfüggő megújulók hálózatba illesztése számos rövid és hosszú távú kihívással állítja szembe őket.

Ezek közül a két legfontosabb „problémacsomag” a következő:

1.Technológiai és gazdasági kihívások:

Mikor a megújulók nem jókor (tipikusan este) vagy földrajzilag nem jó helyen (azaz a kereslettől messze) termelnek villamos energiát, azzal olyan hálózatterhelést idézhetnek elő, amelyet az elosztó vagy rendszerirányító nem lát(hat)ott előre, vagy az adott időtávon nem tud kezelni. Ezzel különböző rendellenességeket (úgy mint különböző nem szándékolt áramlások, feszültségváltozás, feszültségingadozás, feszültségaszimmetria, a rendszerelemek túlterhelődése ésatöbbi) okozhatnak.

Ily módon egyrészt a rendszer hatékonysága, másrészt rugalmassága, végső soron pedig az ellátásbiztonság csökken. És ezek mindegyike rengeteg pénzbe kerül. Íme egy példa az utóbbira, nevezetesen a hurokáramlásoké:

2. Szabályozási és piacszerkezeti kihívások:

Mivel a szél- és naperőművek termelési határköltsége majdnem nulla, ezért amikor ezek az erőművek termelnek, az általuk előállított áram a legolcsóbb. A jelenlegi termelési igénybevételi (idegen szóval merit order) rendszerben a rendszerirányító az alacsony ár miatt ezt fogja megvásárolni.

Ez viszont azt eredményezi, hogy a rendszerszintű szabályozásra alkalmas, gyorsan reagálni képes gáztüzelésű erőművektől ezekben az időszakokban kevesebb villamos energiát vásárolnak, azaz félő, hogy az alacsony kihasználtság miatt ezek az erőművek VAGY veszteségesek lesznek és bezárják őket, illetve nem épül elegendő számban ilyen erőmű, VAGY a kiegyensúlyozási energia, illetve a rendszerszintű (tartalékokra vonatkozó) szolgáltatások ára jóval magasabb lesz, illetve az árakban gyakoribbak és magasabbak lesznek a kiugrások.

A következő kérdésfelvetés a REKK 2019-es árampiacról szóló kiadványából való:

1. „Magyarországon jelenleg kiemelkedően magas a nettó import aránya, a 2013- 2017-es évek átlagában 32%-os. Európában csak Litvániában, Luxemburgban, Albániában és Horvátországban magasabb ez az érték.
2. A magas nettó import-arányhoz azonban igen erős hálózati összeköttetés is társul: a teljes hazai beépített erőművi kapacitás 55%-ával egyenlő az importkapacitások mértéke. Ennél csak Horvátországban (80%), Luxemburgban (58%), illetve Szlovéniában (75%) találhatunk magasabb értéket az Unióban.
3. A hazai beépített erőművi kapacitások 2015 és 2018 között az órák 21,5%-ában fizikailag sem voltak képesek a hazai fogyasztást kielégíteni alacsony rendelkezésre állásuk miatt, azaz importra szorultunk.
4. Elemzésünk központi fókusza annak vizsgálata, hogy milyen jövőképpel bírhat a hazai nagykereskedelmi piac, 2030-as távlatban jelent-e ellátásbiztonsági kockázatot a jelenleg üzemelő erőművek esetleges bezárása.”

Ezek a kihívások egymástól nem elválaszthatók, és ha nem is feltétlenül egyszerre kell őket „megoldani”, az egyes területek kezelésekor folyamatosan figyelemmel kell lenni a probléma-mátrix többi elemére is.

Aki szeretne egy kicsit jobban elmélyedni ezekben, azoknak további olvasmányként a hurokáramlásokkal (a gonosz angol neve: loop flows, itt és itt lehet róla bővebben olvasni), illetve a kapacitásmechanizmusokkal (itt a külföldi kulcsszó a CMR, és itt és itt találhatók érdekes források) történő ismerkedést ajánlom. (Az álmatlan éjszakákért nem vállalok felelősséget!)

Hogy is volt ezzel a mindmeghalással…?

III. A megoldások

Csak ismételni tudom magam: Ne essünk pánikba!
Egyrészt a meghalás előtt a főgonosz még úgyis tart egy 15 perces monológot, mikor is majd jól megmenekülünk, másrészt szerencsére vannak olyan boldog helyek a Földön, ahol már kiderült, hogy a megújulók hálózatba illesztése nem tudományos fantasztikum, egy ország teljes energiaszükségletét mégiscsak lehetséges megújuló energiaforrásokból fedezni. Ebből a listából lehet mazsolázni, kire szeretnénk hasonlítani, illetve kihez vagyunk ténylegesen hasonlóak a természeti és egyéb adottságaink alapján.

A viccet félretéve, manapság (ellentétben akár az 5-10 évvel ezelőtti szakmai és közbeszéddel) szerencsére már nem az a kérdés, hogy fizikailag lehetséges-e egy ország energiaszükségletét (majdnem) teljes mértékben megújuló forrásokból biztosítani, hanem az, hogy ezt mennyi idő alatt lehet elérni, mennyi pénzbe fog kerülni, illetve, hogy ez az adott körülmények között észszerű-e.

Ezen a ponton fontos megállnunk egy újabb kitérőre (mentális kávészünet), mivel egy vallomással tartozom. Mielőtt rátérünk a lényegre, szeretném elmondani, miért írom ezt a cikket. Kettős cél fakad ugyanis ugyanarról a tőről: mivel elképesztően lelkesít a villamos energia rendszer összetettsége, ezért egyfelől szeretném az emberek figyelmét felhívni erre a szemet gyönyörködtetően és fejfájdítóan bonyolult műszaki-gazdasági-társadalmi jelenségre, ami a villamos energia.

Emellett vizsgálódásaink során egy ennél sokkal tágabb perspektíva is kínálja magát befogadásra, és én nem mulasztanám el a lehetőséget, hogy ezt szájbarágósan ki is hangsúlyozzam:

a villamos energiáról való gondolkodás alázatra tanít.

Arra, hogy milyen kicsik és jelentéktelen vagyunk, hatalmas rendszerek apró részei, hogy a mindennapi életünket közvetlenül érintő kérdések milyen bonyolultak, és hogy vannak ügyek, amik természetükből adódóan rákényszerítenek minket arra, hogy kutassunk, hogy tanuljunk, hogy több nézőpontból vizsgáljuk őket, melyek közül egyik sem helyesebb a másiknál, viszont útközben értékválasztásra is késztetnek: nekünk mi a fontos.

A célom tehát felszínes és szórakoztató ismeretterjesztés, és ezzel párhuzamosan önvizsgálatra hívás. Ehhez próbálom igazítani az ismeretterjesztés látószögét is: elég mélyre nézni, hogy rabul ejtsen a látvány, de még ne legyen tériszonyunk.

Az alábbi összefoglaló éppen ezért egy amolyan felszínes tartalomjegyzék, vagy még inkább „érdekességek kezdőknek” összefoglaló, amely nyomán a kíváncsi olvasó továbbindulhat.

Az alábbiakban tehát azon lehetőségek közül fogok néhányat bemutatni (a bekerülési költség szerint növekvő sorrendben), amelyekkel a megújulók hálózatba illesztésekor felmerülő kihívások nagy része leküzdhető.

Ezek közös jellemzője, hogy növelik a villamos rendszer rugalmasságát, azaz azt a képességét, hogy akár előrelátható, akár váratlan esemény hatására megváltoztassa a villamos energia termelés vagy fogyasztás mértékét. Az időjárásfüggő megújulók termeléséhez kapcsolódó bizonytalanság, illetve a változékony termelés sértheti a villamos energia rendszer stabilitását, és ennek legjobb ellenszere (azon túl persze, hogy az összes megújulót kivágjuk a kukába) a rendszer rugalmasságának növelése.

A rugalmasságnövelő beavatkozások főbb csoportjai a következők:

1. Üzemirányítás

Mivel a rendszer eleve arra van tervezve, hogy kisebb-nagyobb keresleti fluktuációt kezelni tudjon, ezért az üzemirányítási gyakorlatok megváltoztatása a legköltséghatékonyabb módszer arra, hogy növeljük egy villamos energia rendszer rugalmasságát. A rendszer méretétől, a villamosenergia piac szerkezetétől és egyéb jellemzőitől függ, hogy a konkrét esetben melyek a legmegfelelőbb intézkedések, de üzemirányítás alatt ilyesmikre kell gondolni:

• fejlettebb nap- és szélenergia előrejelzések
• a villamos energiarendszer működésének gyorsítása óránkéntiról óra alatti teherelosztási időszakokra
• az igénybevételi rendszer újraszabályozása, azaz mikor kitől, milyen elvek alapján vesz villanyt a rendszerüzemeltető
• rugalmassági tartalék bevezetése a rendszerszintű szolgáltatások beszerzése során, pl. a termelőknek a gyors felterhelés (azaz a gyors bekapcsolás, termelésnövelés) alapján nyújtott kompenzációval

Ugyanakkor ezek az intézkedések bár alacsonyabb beruházási költséggel járnak, mint a sorban később következők, de közülük több felveti a jelenlegi intézményi, jogszabályi rendszer megváltoztatásának szükségességét. Mivel az európai országok villamos energia piacai egymással szorosan összekapcsolódnak, és rengeteg nemzetközi, így például uniós szabály vonatkozik rájuk, ezért ezen intézkedések egy részét csak hosszadalmas jogi előkészítés után lehetne elkezdeni alkalmazni.

2. Rugalmas termelés

A különböző termelési technológiák más és más módon képesek részt venni a rendszer rugalmasságának növelésében és ennek költségei változóak, de erre valamilyen módon mindegyik alkalmas.

A hagyományos erőművek modernizálásával növelhető ezek rugalmassága, valamint meghosszabbítható élettartamuk, és így tovább tudnak rugalmassági szolgáltatásokat nyújtani. Még az időjárásfüggő megújulók is alkalmasak lehetnek a rendszer rugalmasságának növelésére, ha bizonyos időpontokban megbízhatóan termelnek .

Itt tehát a már meglévő erőműpark termelésének időpontját, mennyiségét, és a termelés pontos szabályait kell újragondolni. Szükségesek lesznek új szabályzatok, új szerződések. Az Energiaklub csinált egy infografikát arról, hogyan is nézhetne ki egy rugalmas termelési rendszer a jelenlegihez képest.

3. Fogyasztóoldali válasz (Demand-side Response vagy DR)
Science-fiction!

Emlékszünk még az éjjeli áram-nappali áram közti különbségre (annak, aki nem)? Na, ez valami nagyon hasonló, csak keverjük bele az okoseszközöket, és máris látjuk magunk előtt a jövő háztartását: egy helyet, ahol okosmérők és erre dedikált szoftverek nézegetik, hogy melyik nagyfogyasztó (hűtő, sütő, hűtés-fűtés rendszer, autó) vagy termelő (napelem vagy napkollektor, geotermikus hő) okos egység keresletét vagy kínálatát milyen áron lehetne kielégíteni, illetve mennyiért lehetne eladni a hálózatra, esetleg jobban megéri-e a házi tárolóban őrizgetni. Egy mini energiatőzsde-alkusz a nappalinkban! Képzeljük el például, hogy telepakoljuk a mosógépünket, és az okoseszközeink pont akkor indítják el a mosást, amikor az áramhoz az adott napon belül a legolcsóbban lehet hozzájutni.

Higgadtabban fogalmazva a DR egy olyan rendszer, amelyben bizonyos (leginkább gazdasági) ösztönzőkkel ráveszünk lakossági, kereskedelmi vagy ipari fogyasztókat arra, hogy megváltoztassák energiafogyasztási mintázatukat, szokásaikat, hogy a terhelésük (egy része) felett a rendszerirányító rendelkezzék.

Képzeljünk el egy kisvárosnyi ilyen lakást és máris felsejlik előttünk, hogy ebben bizony egészen komoly kiegyensúlyozási potenciál van. Vagy mondjuk – egy közelebbi jövőbe nézve – képzeljük el, hogy egy ipari park, vagy az összes magyarországi autógyár részt vesz egy ilyen rendszerben. Ez a módszer segíthet például a csúcsterhelés időpontját akár eltolni, vagy a terhelés egy részét más időpontra áttenni, ami nagyban csökkentheti a kiegyensúlyozási energia felhasználását.

4. Hálózatfejlesztés

Ahogy az a fenti, hurokáramlásos példából is látszik, a megújulók oly módon is tudják csökkenteni a rendszer hatékonyságát, stabilitását, és így az ellátásbiztonságot, hogy „rossz helyen” termelnek, azaz a kereslettől messze, és miközben tengeri szélerőművektől eljut a villamos energia a szárazföld belsejében lévő gyárakhoz, a messziről utaztatott villamos energia foglalja a vezetékek kapacitásait (amelyeket eredetileg nem erre terveztek!), és ezáltal szűkületet okoz.

A szűkületek és externáliáik megértéséhez nyugodtan gondoljunk egy forgalmi dugóra: ha az egész körút be van állva, nemcsak hogy az autósok nem tudnak sem a körúton, de még a környező utcákban és az egérutakon közlekedni, hanem például a dugó miatt nem haladnak a BKV-s járművek, nem tudnak átkelni a zebrán a gyalogosok és így tovább. Ez a probléma viszonylag könnyen orvosolható új vezetékek építésével, viszont vezetéket építeni (főleg országhatáron átnyúlót) nagyon hosszú és nagyon költséges.

5. Tárolás (itt egy remek, ám mégis fogyasztható hosszúságú összefoglaló az egyes technológiákról, amiben még a villamos autók hasznosításának lehetőségei benne sincsenek! Azokról itt lehet olvasni bővebben.)

A vezetéképítésénél már csak a tárolás drágább, cserébe a különböző tárolási technológiák nagyjából az összes megújulókkal kapcsolatos műszaki kihívásra kínálnak valamilyen megoldást: a segítségükkel például az időjárásfüggő megújulók is hasonlóan rugalmasan tudnak viselkedni, mint a konvencionális erőművek, illetve az átviteli rendszerirányító az elosztó hálózat-szintű tárolási megoldásokkal növelni tudja a rendszer rugalmasságát.

Bizonyos megoldások a rugalmassági és stabilitási szolgáltatásokon túl gazdasági hasznot is tudnak termelni (lásd az osztrák szivattyús-tározós vízerőművek példáján keresztül az energia arbitrázst).

A jó hír pedig az, hogy egyre több pénz áramlik a tárolási technológiákkal kapcsolatos kutatásba, és így a tárolás költsége elkezd csökkenni, amitől nagyobb lesz a kereslet a különböző tároló rendszerekre, ami miatt még több pénz áramlik a kutatásba és így tovább, egy pozitív visszacsatolási körforgásban. És ha már a körforgásnál tartunk, végre elérkeztünk a cikk címében foglalt kérdéshez: miért örüljünk?

Azért örülhetünk, mert – leegyszerűsítve – eddig a tárolás megoldatlansága volt az elsődleges akadálya annak, hogy az időjárásfüggő megújulók elterjedjenek, és a címben hivatkozott tanulmány szerint 2030-ra a jelenlegi ár kevesebb, mint felére csökken az akkumulátoros tárolás költsége.

Persze a tárolás sem old meg mindent, és a villamos energia tárolás költséghatékony megoldása sem a kanyarban van még, hanem inkább az alagút végén – de legalább már látszik! Pici öröm, de legalább a miénk. Addig is – amíg beérnek a tárolási technológiák – fejlesszük ki és tartsuk meg a karantén alatti fogyasztáscsökkentő és tudatosságnövelő gyakorlatainkat, mert nagy szükség lesz rájuk! Még akkor is, ha már holnap lendkerekek potyognak az égből! Vigyázzatok magatokra, és ha tudtok, a jövőre is!

dr. Krajcs Judit | jogász és anyuka, a gyerekekkel való önfeledt játszadozás időszaka előtt egyik fő szak- és érdeklődési területe az energiajog, szűkebben a villamos energia szabályozása