Az erőművek névleges, beépített teljesítménye azt mutatja meg, hogy a tervezési körülmények között mekkora teljesítményt képes előállítani az erőmű. Ez az érték határozza meg az erőmű méretét és beruházási költségét, és ez határolja be a működése során kiadható pillanatnyi teljesítményt is. Az erőmű bevételei azonban a megtermelt energiából származnak, illetve azzal arányos a felhasznált tüzelőanyag vagy egyéb segédanyagok mennyisége, így a környezeti kibocsátások is.
A névleges teljesítmény és a termelt energiamennyiség közt a kihasználási tényező teremt kapcsolatot. A kihasználási tényező egy adott időszakban ténylegesen megtermelt, és az elméletileg maximálisan megtermelhető energia hányadosa. Az elméletileg megtermelhető maximális energiát úgy számítjuk, hogy az erőmű névleges teljesítményét megszorozzuk a vizsgált időszak teljes hosszával, tehát azt feltételezzük, hogy az erőmű végig csúcsteljesítményen üzemel. Egy 50%-os kihasználási tényező tehát jelentheti azt is, hogy az erőmű végig a névleges teljesítménye felét állította elő, de azt is, hogy az idő felében csúcsteljesítményen, a másik felében pedig egyáltalán nem üzemelt. A gyakorlatban természetesen mindig ez a két véglet közti állapot fordul elő.
A kihasználási tényezővel analóg mennyiség a csúcskihasználási óraszám, amely az adott időszakban megtermelt összes energia és a névleges teljesítmény hányadosa. A csúcskihasználási óraszám a kihasználási tényező és az időszak teljes hosszának szorzatával egyezik meg, pl. egy 70%-os éves kihasználási tényező 6132 h éves csúcskihasználási óraszámnak felel meg (hiszen egy év 8760 órából áll, és 8760 h * 0,7 = 6132 h). A kihasználási tényezőt és óraszámot leggyakrabban éves időtartamra vonatkoztatjuk, de egyébként tetszőleges hosszúságú időtartamra is értelmezhetőek. A havi csúcskihasználási óraszámok segítségével pl. az éves energiatermelés éven belüli eloszlását vizsgálhatjuk meg.
Hagyományos erőművek esetén a termelt energiamennyiség és így az erőmű kihasználtsága alapvetően üzemeltetési kérdés. A kötelező karbantartásokat leszámítva ezek az erőművek elvi síkon képesek az év legnagyobb részében csúcsteljesítményen működni, így akár 90% feletti kihasználási tényezőt is elérhetnek. A gyakorlatban azonban az energiaigények is változnak, így a hazai erőműparknak is ezt a változást kell lekövetnie: völgyidőszakban kevesebb, míg csúcsidőszakban nagyobb teljesítményt kell előállítani. Az alapigényeket magas kihasználási óraszámú ún. alaperőművek látják el, amelyek jellemzően alacsony üzemeltetési költségű szén- vagy atomerőművek. A ritkábban előforduló csúcsigényeket ezzel szemben kisebb kihasználtságú, olcsóbban megépíthető, de drágábban termelő, jellemzően földgáz tüzelésű csúcserőművek elégítik ki. A hagyományos erőművek esetén is kialakult az, hogy az különféle erőművi technológiákra más-más kihasználási tényező jellemző, ennek azonban főleg piaci okai voltak: az olcsóbban termelő erőművek jobb kihasználtsággal működnek, de nincs műszaki akadálya annak, hogy szükség esetén akár egy gázturbinás erőmű is szinte egész évben üzemeljen.
A teljesítmény (jele: P, mértékegysége: W, watt) az egységi idő alatt termelt/elfogyasztott/átvitt energiát jelenti, tehát egy adott időpillanatban értelmezhető mennyiség. Az energia (jele: E, mértékegysége: J, joule) munkavégző képesség, mely a teljesítmény időbeli összegzésével (integrálásával) számítható, tehát egy adott időtartamra értelmezhető. Az energia másik, az energiaellátás területén egyre általánosabban használt mértékegysége a Wh (wattóra), amely az az energiamennyiség, amit 1 W teljesítménnyel 1 óra alatt termelünk meg vagy fogyasztunk el. A háztartási villamosenergia-elszámolás alapegysége az 1000 Wh-val megegyező 1 kWh (kilowattóra), amelynek ára ma hozzávetőlegesen 38 Ft/kWh.
Állandó teljesítmény esetén az energia egyszerűen a teljesítmény és az idő szorzataként számítható: egy 1200 W-os fűtőszál 1,5 óra alatt 1800 Wh = 1,8 kWh energiát fogyaszt el, vagy pl. a Paksi Atomerőmű egyenletes 2000 MW teljesítmény leadása esetén naponta 48000 MWh = 48 GWh energiát termel meg. Egy napelemes rendszer esetében a leadott teljesítmény folyamatosan változik az időjárási körülmények függvényében, ezért a termelt energia a teljesítmény időfüggvényének ábrázolásakor a görbe alatti terület nagyságával arányos. A napi energiatermelésből kiszámítható, hogy a nappali időszakban (6 és 18 óra között) átlagosan mintegy 1,5 kW teljesítményt adott le a rendszer, míg a napi csúcsteljesítmény ennek duplája volt.
Egy háztartási napelemes rendszer jellemző napi teljesítmény lefutása (kék görbe) és az adott napon megtermelt energia (görbe alatti terület)
A megújuló energiaforrásokon alapuló erőművek esetében azonban alapvetően más a helyzet, mivel itt a megtermelhető energia mennyiségét nem az üzemeltetési stratégia és a piaci árak, hanem az időjárás alakulása határozza meg. A környezeti hatások által megszabott kihasználási tényezőtől lefelé ugyan még az időjárásfüggő megújulók esetén is el lehet térni, ez azonban ma még csak kivételes esetben fordul elő, hiszen a legtöbb megújuló erőmű közel ingyen (nulla változó költséggel) képes termelni, így mindig érdemes a lehető legjobb kihasználtságra törekedni.
A Nemzetközi Megújuló Energia Ügynökség 2017-es adatai alapján megvizsgáltam az egyes megújuló alapú villamosenergia-termelő erőművek jellemző kihasználási tényezőjét [1]. Ehhez kigyűjtöttem az egyes megújulókhoz tartozó beépített erőművi teljesítményt és az éves szinten megtermelt energia mennyiségét, majd a kettő hányadosaként kiszámoltam a csúcskihasználási óraszámot és tényezőt.
Megújuló alapú villamosenergia-termelők világszintű kihasználási tényezője 2017-es év adatai alapján [1]
Az egyes energiaforrásokra jellemző kihasználási tényezőket oszlopdiagramon is ábrázoltam. Csökkenő sorrendben:
- Geotermikus energia: a nagy mélységből feltörő fluidum hőmérséklete az időjárástól függetlenül közel állandó, ami közel állandó magas teljesítmény tesz lehetővé. Az erőmű hatásfokát a környezeti hőmérséklet is befolyásolja, ráadásul az alacsony hőmérséklet a kedvezőbb, így ezek az erőművek télen még több energia termelésére képesek a nyári időszakhoz képest.
- Biomassza: a legtöbb biomassza termelését egy éves ciklikusság jellemzi, azonban a belőle készült tüzelőanyagok tárolhatósága és több különböző alapanyag használatának lehetősége viszonylag magas kihasználást tesz lehetővé.
- Vízenergia: a folyók vízhozamának szezonalitása (szárazabb és nedvesebb időszakok, hóolvadás) miatt a vízerőművek átlagos kihasználási tényezője már 40% alatti, a megújulók között azonban még ez is magasnak számít. Az általános gyakorlat szerint a vízerőművek teljesítményét nem a csúcs, hanem annál alacsonyabb vízhozamra méretezik, ami hozzájárul a magas kihasználtsághoz.
- Szélenergia: a szélturbinák teljesítménye közelítőleg a szélsebesség harmadik hatványával arányos, így alacsonyabb szélsebesség esetén a termelésük jelentősen elmarad a névlegestől, ami alacsony kihasználáshoz vezet.
- Óceánenergia: a kis beépített kapacitás miatt (aminek ráadásul legnagyobb részét két árapály erőmű teszi ki) ez az érték még kevésbé reprezentatív, de az alacsony kihasználás oka feltehetőleg az árapály jelenségből fakadó vízszintváltozás periodikus jellege.
- Napenergia: a legalacsonyabb kihasználási tényezővel rendelkező megújuló, ami több hatás együttes eredménye: a) az év felében (éjszaka) egyáltalán nem termelnek, b) a légkör és a sugárzás beesési szöge miatt a napközbeni változását is egy fokozatos felfutás és csökkenés jellemzi, c) a borús időben jelentősen csökken a teljesítmény, d) a névleges termelés egy irreálisan kedvező állapotra vonatkozik (1000 W/m2 sugárzás és 25 °C cellahőmérséklet, ami a valóságban csak igen ritkán fordul elő).
Nagyon fontos látni azonban, hogy a táblázatban szereplő értékek világszintű átlagot mutatnak, míg konkrét erőművek kihasználtsága nagymértékben eltérhet a földrajzi hely és a lokális körülmények hatására. A természeti erőforrások rendelkezésre állása területenként jelentősen különbözhet, így például egy észak-afrikai napelempark csúcskihasználási óraszáma duplája egy azonos méretű, Észak-Európában létesített parkhoz viszonyítva. A hazai értékek egyébként közel állnak a világátlaghoz, így az itt bemutatott számértékek a gyakorlatban is jól használhatók.
Megújuló alapú villamosenergia-termelők átlagos kihasználási tényezője 2017-ben
Mi is ennek a jelentősége, miért fontos tisztában lennünk mindezzel akkor, ha a megújulókkal akarunk foglalkozni?
A megújuló alapú erőművekről a sajtóban és a szakmai anyagokban is leggyakrabban a beépített teljesítmény jelenik meg mint legfontosabb információ. Gyakorlati szempontból azonban a termelt energia a lényegesebb: ettől függ az erőmű bevétele, ez határozza meg a megtakarított környezeti kibocsátást, valamint a nemzetközi célkitűzésekben előírt megújuló részarányt is energiaára vonatkoztatják. Itt tehát visszatérhetünk a bevezetőben említett példára: egy 10 MW-os geotermikus erőmű éves szinten akár hatszor annyi energiát is megtermelhet, mint egy 10 MW-os napelempark, így léptékében és jelentőségében egy jóval nagyobb beruházásról van szó. A csúcskihasználási óraszámok jellemző értékeinek ismerete nélkül azonban sokkal nehezebben tudjuk felmérni az egyes technológiák közti különbségeket, így könnyen juthatunk hibás következtetésekre, vagy rosszabb esetben téves döntéseket is hozhatunk.
Az alábbi ábrán a beépített teljesítmény és az éves energiatermelés százalékos eloszlását ábrázoltam az egyes megújuló energiaforrások szerinti bontásban. Jól látható például, hogy bár a vízenergia lassan már csak a teljes beépített kapacitás felét teszi ki (az ezredfordulón részaránya még 93% volt), a megtermelt energiának még mindig közel kétharmada onnan származik. Napenergia esetében bár ma már egészen szignifikáns a beépített kapacitás, termelt energia tekintetében még így is csak jóval kisebb részesedéssel bír. A geotermia esetében ugyanakkor fordított a helyzet: bár beépített teljesítményben alig jelenik meg, energiatermelésben már egy csekély, de jól látható részesedést tudhat magáénak. Az óceánenergia alacsony részaránya miatt meg sem jelenik az ábrán.
Egyes megújuló energiaforrások részaránya a világszintű beépített teljesítményen és éves energiatermelésen belül 2017-ben [1]
Végezetül készítettem egy számítást arra vonatkozóan is, hogy a fenti, világátlagra vonatkozó adatokkal számolva mekkora beépített teljesítményre lenne szükség az egyes megújuló technológiákból ahhoz, hogy Magyarország 2018-as teljes évi villamosenergia-felhasználásának megfelelő energiát (azaz 45,4 TWh-t) elő tudjon állítani. Mindez persze csak egy elméleti eszmefuttatás, hiszen az energiaellátás most, és várhatóan a jövőben is egy többféle energiaforrás együttes használatából felépülő, optimális energiamixnek megfelelően áll össze.
Magyarország bruttó villamosenergia-felhasználásának megfelelő energia (45,4 TWh) előállításához szükséges beépített teljesítmény a világátlagnak megfelelő kihasználási tényezőkkel számolva
Látható, hogy például napelemekből mintegy 40 GW beépítésére lenne szükség, ami sokszorosa a jelenlegi 10 GW alatti beépített erőművi teljesítménynek. (Világátlag helyett a Magyarországon jellemző 1200 órás éves csúcskihasználási óraszámmal számolva 37,8 GW összeteljesítményű napelemparkokra lenne szükség.) Mindez a napenergiás áramtermelő egységek jelenlegi nagyszabású elterjedését is segít kontextusába helyezni: a Nemzeti Energia és Klímaterv tervezetében előirányzott 2000-4000 MW-nyi napelemteljesítmény a villamosenergia-rendszer átlagos, kb. 5200 MW-os rendszerterheléséhez képest nagyon soknak tűnik, az ország teljes villamosenergia-ellátásán belül azonban így is várhatóan csak 5-10%-os részarányt fog betölteni.
Hivatkozások
- International Renewable Energy Agency (IRENA): Renewable Energy Capacity and Generation Data, http://resourceirena.irena.org/gateway/dashboard/?topic=4&subTopic=54 (2019. nov. 25.)
