A szél- és a napenergia szuper, de van két nagy probléma

A világ energiagazdálkodásának van egy jól ismert alapproblémája. A globális energiaigény, elsősorban az áramigény erőteljesen növekszik. Ennek több oka van. Egyrészt még valamelyest nő a világ népessége, de elsősorban gazdagodik. Életünk védelmében csökkenteni kell a károsanyag-kibocsátást, vannak is jó programok az energiatakarékosságra, de azért azt is érezzük, hogy elég hiteltelenül cseng az, hogy „kedves indiaiak, ti már ne egyetek annyi húst, ne vegyetek jégszekrényt, csak oda menjetek, ahová eljuttok biciklivel, autót már ne használjatok, mert mi, gazdag nyugatiak már tönkretettük ugyan a bolygót, de továbbra is használni akarjuk a jégszekrényt, és persze az autóinkat is”.

Ráadásul az áramigény növekedésének sokszor éppen a környezetünk védelme is a hajtóereje. Szén, olaj, gáz helyett jöjjön a fűtés-korszerűsítés, az elektromos autó, a modernebb ipar!

Energiát, de miből?

Energia tehát kell, csak jó lenne kibocsátásmentes áramtermeléssel kiszolgálni az igényeket. Az energia azonban elég necces ügy. Nem, fázni nem akarunk, ha Brüsszelben van dolgunk, inkább repülővel indulnánk el, mint rollerrel, és ugye azt senki nem gondolja, hogy megszabhatjuk a lakosságnak, hogy ne este hatkor, hanem csak hajnali 2 után tölthesse fel a mobilját. Ezt a részét értjük, áramot kell előállítani, de az olykor elég nehéz.

• Szén? Erre csak a klímaváltozás tagadói mondanak igent.
• Gáz? Az olcsó orosz gázzal sem volt olcsó, most aztán ki akar a gázra hagyatkozni?
• Atom? Micsoda biztonsági kockázat, ráadásul már megint az oroszok.
• Víz? Tönkre akarod tenni a természetet, nem tanultál Bős–Nagymarosból?
• Nap? De már ma sem bírja a vezetékrendszer.
• Szél? Azt mondta a főnök, hogy Magyarországnak nem jók az adottságai, és amúgy is szegény madarakat akarod kinyírni?

Eltérő problémák

Nem folytatjuk! Azért fogadjuk el, hogy a megújuló energia mégiscsak szükséges, és két ország, az Egyesült Államok és Magyarország példáján, illetve két tanulmány, az amerikai Oil and Gas 360 és Aszódi Attila, a BME egyetemi tanárának és munkatársainak itt elérhető kutatása alapján foglalkozunk egy-egy nehézséggel.

Az Egyesült Államokban a vezetékek, vagyis a villamosenergia-hálózat gyenge minősége, Magyarországon a túlzott megújulóarányt gátló időjárási körülmények okoznak különleges problémát.

Éppen ezért az amerikai tanulmány elsősorban a vezetékek gigantikus beruházási összeget igénylő cseréjére, a magyar kutatás a nap, a szél és a nukleáris termelést összehangoló, mesterségesintelligencia-alapú megoldásra fókuszál.

A magyar helyzet és a Dunkelflaute

Aszódi Attila és csapata abból indult ki, hogy Magyarország elkötelezett a megújulóenergia-források villamosenergia-termelésen belüli részarányának növelése mellett. Ez az irány aligha változott az aktuális „szolárbefogadási” zavarok ellenére sem. Magyarország esetében minden növekedési tényező adott (elektrifikáció a közlekedésben, a fűtésben, az iparban), de nálunk emellett ott van a sok beérkező akkumulátorgyár révén ismert növekvő igény is.

A tiszta, de az időjárástól erősen függő nap- és szélerőművek európai elterjedése azonban jelentős nehézségek elé állítja a villamosenergia-rendszert, hiszen ezek termelése egy napon belül, de az év során is jelentősen változik, és nem illeszkedik a villamosenergia-igény időbeli változásához.

Ezen kívül előfordulhatnak olyan állapotok is, amikor sem a nap-, sem a szélerőművek nem képesek termelni, vagy nagyon alacsony az általuk a rendszerbe betáplált energiamennyiség. Dunkelflaute, azaz magyarul sötétszélcsend, ez a neve annak a jelenségnek, amikor sem a nap nem süt, sem a szél nem fúj, vagy legalábbis sokkal kisebb a betáplálásuk, mint ezen erőművek névleges kapacitása.

A Dunkelflaute nagy feladat elé állítja a műszaki szakembereket, ezért rendkívül fontos a jövőbeli villamosenergia-rendszerek tervezése szempontjából, hogy minél jobban megértsük, mikor és milyen gyakorisággal jönnek létre ilyen helyzetek. Szintén fontos kérdés, hogy a nap- és szélenergia fejlesztésével milyen mértékig lehet a villamosenergia-rendszert karbonsemleges villamos energiával ellátni, és hogyan tudnak egy ilyen rendszerben az időjárásfüggő megújuló forrásokkal az atomerőművek együttműködni, közösen milyen karbonsemleges részarányt tudnak megvalósítani.

Egy gépi tanulásos modell

A kutatók a gépi tanulási módszereket, ezen belül is a mesterséges neurális hálózatokat hívták segítségül a legújabb tanulmányukban, amelyet a neves Applied Energy című szaklap legújabb kiadása ismertetett „Probabilistic modeling of future electricity systems with high renewable energy penetration using machine learning” címmel.

A cikk egy olyan módszert mutat be, amely szerint Magyarország esetére 3 év meteorológiai és megújuló erőművi termelési, valamint 6 év villamosenergia-felhasználási adatai alapján a szakemberek betanítottak egy mesterséges neurális hálózatokon alapuló modellt. Ez a gépi tanulási modell feltérképezi a légköri reanalízisből származó időjárási adatok, a fotovoltaikus nap- és szélenergia-termelés, valamint a villamosenergia-felhasználás közötti kapcsolatokat.

A betanított mesterségesidegháló-modellt ezek után a kutatók arra használták fel, hogy 42 évre (1980–2021) visszamenőleg szintetikus óránkénti megújulóenergia-termelési és -fogyasztási profilokat hozzanak létre, amelyek azt közelítik, hogy mi történne egy jövőbeli évben egy jövőbeli feltételezett villamosenergia-rendszerben, ha az időjárási körülmények úgy alakulnának, mint ahogy az történt az elmúlt 42 évben.

A feldolgozás

A cikkben bemutatott módszertan által lehetővé tett valószínűségi modellezésnek két gyakorlati alkalmazása van: vizsgálható a Dunkelflaute-események gyakorisága, illetve előrejelezhető a jövőbeli villamosenergia-igények kiszolgálhatósága, valamint a villamosenergia-rendszerben együttműködő egyes erőműtípusok kihasználhatósága.

Az év összes (8760) órájára vonatkozóan megállapítható, hogy mennyire sanszos a sötétszélcsend, vagyis az, hogy az adott órában 5 százalék alatt marad mind a naperőművek, mind a szélerőművek kihasználtsága.

A tanulmány fő megállapításai a következők:

• A Dunkelflaute-események gyakoribbak Magyarországon, mint a szakirodalomban vizsgált további országokban (Belgium, Németország).
• A legtöbb Dunkelflaute-esemény csak néhány órán át tart, de éves szinten hosszabb, akár 19 órás eseményekre is lehet számítani.
• A megújulóenergia-termelés 2030-ban a mostani kapacitásokat jelentősen meghaladó, például 15 ezer MW-os naperőművi és 3 ezer MW-os szélerőművi kapacitások esetén is csak 42 százalékot tudna képviselni a hazai éves villamosenergia-igényen belül, így a hazai ellátáshoz jelentős további karbonsemleges kapacitásokra, elsősorban atomerőművekre van szükség.
• A közvetlen megújulóenergia-termelés Magyarországon még a nagyon magas, 30 ezer MW-os napenergia- és 10 ezer MW-os szélenergia-kapacitás mellett is csak az éves fogyasztás 60 százalékát lenne képes fedezni 2030-ban.
• Az új naperőművek közvetlenül hasznosítható villamosenergia-termelése 5-6 ezer MW beépített kapacitás felett jelentősen csökkenni kezd. Ennél a beépített napenergia-kapacitásnál – ami már akár 1-2 éven belül elérhető Magyarországon – a kormányzatnak és a villamosenergia-rendszer gazdaságos és biztonságos működtetéséért felelős szakcégeknek nagyon megfontolt döntéseket érdemes hozniuk annak érdekében, hogy a létrejövő villamosenergia-rendszer fenntartható módon ki tudja szolgálni a fogyasztói igényeket.

Az amerikai helyzet

Az Egyesült Államokban az áramot szállító távvezeték-hálózat kifejezetten régi, és nem úgy alakították ki, hogy megfeleljen a tiszta energiaforrások, például a szél- és a napenergia igényeinek. Ez tényleg egy olyan aspektus, amelyben Európa az Egyesült Államok előtt jár. A nagy, összekapcsolt európai hálózat érdemben jobb minőségű, mint a sokszor szigetszerű részekből álló, elavult amerikai, ennek a következménye az egyre több tengerentúli áramszünet.

Az Egyesült Államokban a villamosenergia-termelés a szén-dioxid-kibocsátás 32 százalékáért felel, elsősorban a fosszilis anyagok, például olaj, szén és földgáz elégetése révén. Ezeket az üzemanyagokat oda szállítják, és ott égetik el, ahol elektromos áramra van szükség. A károsanyagkibocsátás-mentes energiaforrások, mint például a nap és a szél azonban olyan helyeken állíthatók elő bőségesen, ahol süt a nap, vagy fúj a szél, és ez nem feltétlenül van közel az otthonokhoz és a vállalatokhoz.

Szélsőséges időjárás

Az Egyesült Államok elektromos hálózatának nagy része az 1960-as és 1970-es években épült, a hálózat 70 százaléka több mint 25 éves. Az ottani Energiainformációs Hivatal adatai szerint 2021-ben a 2013–2016-os évek átlagához képest dupla annyi áramszünetet szenvedtek el az amerikaiak átlagosan. Az ok elsősorban a szélsőséges időjárás volt, olyan eseményekre gondolhatunk, mint a hóviharok (a texasi fagy), a hurrikánok (az Ida Louisianában) és az erdőtüzek (a Dixie Kaliforniában). Mögöttük egy ördögi kör sejlett fel, az energiarendszer képtelen elviselni a részben éppen az energiatermelés által is előidézett éghajlatváltozást.

Ahhoz, hogy a hálózatban ne nőjön, hanem csökkenjen a „lefagyások”, az ellátási kiesések száma, az American Electric Power hálózatos cég szerint a következő 10 évben a távvezetékek 30 százalékát ki kell cserélni.

Nincs más út

Az ugyanakkor valóban öröm, hogy a tiszta energiaforrások, mint a szél és a nap nem bocsátanak ki üvegházhatást okozó gázokat, a megtermelt energiát viszont valahogyan tényleg el kellene hozni onnan, ahol a szél és a nap a legerősebb, oda, ahol a villanyt ténylegesen felhasználják.

A fizikai folyamatok miatt a szélből kinyerhető energia a szélsebesség köbével arányos, tehát egy ugyanolyan szélerőmű kétszer akkora szélsebesség esetén kettő a köbön, vagyis nyolcszor annyi energiát termel. Megdöbbentő adat, de igaz, az Egyesült Államokban a legjobb szélerőművek nyolcszor termelékenyebbek, mint a legrosszabbak, míg a napenergiánál Amerikában csak kétszeres a szélsőségek között a termelékenységi különbség, vagyis a nappal közelebb lehet jönni a lakott területekhez, de a széllel – gazdaságosan – nem igazán.

Régebben az Egyesült Államokban az atom tűnt az áthidaló megoldásnak. Volt olyan terv, hogy Kaliforniában nagyjából 100 mérföldenként (160 kilométer) kell egy atomerőművet építeni, mert az Egyesült Államokban évente 7 százalékkal nő majd az áramigény.

Aztán a hetvenes évek olajsokkjai „segítettek”, az Egyesült Államok drámaian csökkentette saját energiaigényét, a kereslet növekedése lényegében évi 1-2 százalékra esett vissza. Így már nem kellett olyan sok erőmű, mint azt a 60-as években gondolták, de így a hálózatfejlesztések is elmaradtak.

Most azonban megint úgy kalkulálnak a kutatók, hogy a villamos energia iránti kereslet gyorsan növekedni fog, ahogy a globális felmelegedésre és az éghajlatváltozás hatásainak mérséklésére irányuló erőfeszítések fokozódnak. A REPEAT (Rapid Energy Policy Evaluation and Analysis Toolkit) elemzése szerint 2030-ban az amerikai villamosenergia-kereslet 14-19 százalékkal lesz magasabb a tavalyi szintnél, a Jenkins 2035-re 27-39 százalékos igénynövekedést prognosztizált.

Az Oil and Gas 360 cikkének zárszava szerint az Egyesült Államokban a megoldás csakis az lehet, ha a hálózat képes lesz alkalmazkodni a folyamatosan növekvő villamosenergia-igényhez az elektromos járművek terjedése, a hőszivattyúk, ipari villamosítás és a hidrogénelektrolízis miatt. Ez csak a legjobb szél- és naperőforrások kinyerésével lehetséges, amihez a mostaninál sokkal jobb hálózat kell, ráadásul olyan, amelyben integráltabb, jobb az egyes régiók közötti hálózati kapcsolatok rugalmassága. Nem lesz könnyű, nem lesz olcsó, de nincs más út.

Ahogy a fenti magyar és amerikai példa is mutatja, az átalakuló villamosenergia-termelés számos műszaki, közgazdasági és jogi-szabályozási kérdést tartogat, amelyek megoldása sok gondolkodást, megfontolt döntéseket és jelentős beruházásokat igényel szerte a világban.