ForrásMásfél fokÍrta: Pieczka Ildikó – Meteorológus, a földtudományok doktora (PhD), az ELTE TTK Meteorológiai Tanszékének adjunktusa, a Másfél fok egyik állandó szerzője.

A megújuló energiaforrások beépített kapacitásának növekedése világszerte megfigyelhető, ez pedig azok jelentős részének időjárásfüggése miatt kihívásokat rejt magában. A fosszilis vagy nukleáris alaperőművek mellett kiállók legfőbb érve az, hogy ez a függőség veszélyezteti az energiabiztonságot. Nemzetközi és hazai példák azt mutatják, hogy a megújuló energiák hibrid, egymást kiegészítő használata segíthet stabilizálni az energiatermelést, lehetővé téve ezzel az átmenetet egy tisztább energetikai rendszer felé. Ez nagyfokú tér- és időbeli tervezést, technológiai fejlesztést és beruházást, valamint mentalitásbeli változást vár tőlünk, azonban alkalmazásuk nagyban hozzájárulna ahhoz, hogy a Párizsi Megállapodásnak megfelelően bőven 2 Celsius-fok alatt tartsuk a globális felmelegedést a század végéig.

A megújuló energiaforrások (nagy részének) jellemző tulajdonsága az időjárástól való függés, hiszen (a geotermikus energia kivételével) végső soron mindegyik visszavezethető a Napból érkező sugárzásra, amely az időben nem állandó, de jellemző napi és éves menete van. Noha alaperőműnek emiatt többnyire nem alkalmasak, ez nem feltétlenül probléma. Fontos ugyanis az is, hogy átgondoljuk energiatermelési módszereinket, és úgy alakítsuk át jelenlegi energiarendszerünket, hogy az alkalmassá váljon az időben változó energiamennyiség befogadására. A kérdésre léteznek megoldási stratégiák, melyekről korábban már írtunk. Ebben a cikkben az egyes termelő egységek egymás kiegyensúlyozására, kiegészítésére való képességét mutatjuk be néhány példán keresztül, a meteorológiai jellemzők figyelembevétele alapján.

Amikor két vagy több energiaforrás együttesen működik, kiegészítve egymás energiatermelését, javítva teljesítőképességüket, azt energetikai komplementaritásnak nevezzük. Szükség lehet tér-, valamint időbeli kiegészítésre, melyhez ötvözhetjük a különböző energiaforrások használatát, vagy létrehozhatunk nagyobb régiókat összekötő hálózatokat. Az elmúlt évtizedben a Föld összes kontinensének számos régiójára születtek tanulmányok a témakörben (a teljesség igénye nélkül pár példa PortugáliábólMexikóból és Kínából).

Mivel az elmúlt években a nap- és szélenergia gyors felfutásának lehettünk tanúi, és a két változó számos régióban egymással ellentétes napi- és éves menettel rendelkezik (vagyis nyáron több a nap és kevesebb a szél, télen pedig pont fordítva), ezért az elemzések jelentős része erre a két elemre készült.

Nap- és szélenergia két jó barát…

Egy Németországra és Európára fókuszáló kutatás azt vizsgálta, milyen hatást gyakorol az energiatermelés megbízhatóságára az időjárás változékonysága. A sugárzási és széladatokat az összehasonlíthatóság érdekében átkonvertálták  kapacitásfaktorrá,  és ennek felhasználásával elemezték a nap- és szélenergia termelésének évszakos menetét, valamint az alacsony energiatermeléssel járó meteorológiai események gyakoriságát, hosszát és térbeli kiterjedését.

Azt találták, hogy mindkét vizsgált régióban jól kiegészítheti egymást a szél- és a napenergia, egymással ellentétes éven belüli menetüknek köszönhetően. Az alacsony energiatermelésű időszakok előfordulási gyakorisága kisebb, hossza pedig rövidebb egy olyan rendszerben, ahol mindkét energiaforrás jelen van, ahhoz képest, amelyik csak az egyiket alkalmazza. Ez magasabb ellátásbiztonságot eredményez és kevesebb kiegészítő intézkedést tesz szükségessé (pl. elegendő kisebb tárolókapacitás kiépítése is).

A nap- és szélenergia kapacitásfaktorának jellemző éven belüli menete Európában. Forrás: Kaspar et al., 2019

Tényleges termelési adatokon alapuló hazai vizsgálatok is alátámasztják ezeket az előnyöket. A téli időszakban a szélenergia, nyáron a napenergia mutat kedvezőbb értékeket, vagyis a két technológia jól kiegészítheti egymást egy megújuló energiára alapuló decentralizált villamosenergia-rendszerben a mi régiónkban is.

A napelemek és szélturbinák kapacitásfaktora (%) Magyarországon a napi termelési adatok alapján, havi bontásban, 2015–2019 között. Forrás: Energiaklub

…de nem mindig és mindenhol. A tervezés fontossága

Annak érdekében, hogy az erőforrásokat optimálisan használjuk fel, és ne veszélyeztessük az energiarendszer működését, miközben növeljük a megújuló energiaforrások rendszerbe integrálását, fontos megérteni nemcsak az egyes energiaforrások külön-külön számított potenciálját, hanem azt is, hogy köztük (illetve az egyes régiók között) milyen összefüggések állnak fenn az egyes időskálákon.

A nap- és szélenergia előbb bemutatott pozitív összefüggései nem ugyanígy érvényesülnek minden régióban. Míg az Olaszországra vagy Svédországra végzett vizsgálatok azt találták, hogy a szél- és a napenergia elérhetősége ellentétesen mozog minden időskálán az órástól az évesig, így egymást jól kiegészíthetik, ugyanez az eltérő topográfiai és időjárási viszonyok miatt nem mondható el Kína egészére. Ez azért is fontos szempont, mert a kínai kormány a tervek szerint további hatalmas szél- és napenergia-beruházásokat akar megvalósítani. Egyes régióiban a két energiaforrás menete ellentétes (köztük negatív a korreláció), másokban egymással szinkronban mozog.

Míg a part menti területeken minden időskálán negatív korreláció tapasztalható a szél- és a napenergia egyazon helyre számított menete között, addig néhány belső területen a korreláció pozitív, a komplex domborzati és időjárási viszonyok következtében. Egymástól távoli, különböző helyszínekre telepítve a szél- és naperőműveket, a kiegyenlítő hatás fokozható lenne, ehhez azonban nagy távolságú távvezetékekre is szükség lenne. Megvizsgálták azt is, milyen hatása lenne a csak nap- vagy csak szélerőművekre alapozott termelésnek, és azt találták, hogy általában a termelés ingadozásai csökkenthetők, ha mindkét energiaforrást alkalmazzák (akár azonos, akár egymástól különböző helyszíneken). Az elemzés szerint tehát Kínában a legtöbb esetben a legelőnyösebb módszer a szél- és naperőművek kombinálása ugyanazon a helyen. Egy ilyen párosítás jelentősen növelheti az áramellátás megbízhatóságát.

Még olyan, elsőre talán meghökkentőnek tűnő tanulmányt is találhatunk, amely az Egyesült Királyságban számottevő napenergia-kapacitás beépítésével küszöbölné ki a szárazföldi szélerőművek energiatermelésében jelenlévő éves változékonyságot. Ennek érdekében becslésük szerint a napenergia és szárazföldi szélerőművek egymáshoz viszonyított arányát akár 30:70-re is fel lehetne tornázni.

Éljünk a regionális adottságokkal

De nem csak ez a két energiaforrás elemezhető: vizsgálták a víz- és naperőművek, víz- és szélerőművek, víz-, nap- és szélerőművek együttes alkalmazásában rejlő lehetőségeket is (a részleteket l. itt), a lényeg a regionális adottságok és lehetőségek figyelembevétele.

Nyugat-Afrikában a nap-, szél- és vízenergia potenciálját a monszun határozza meg, a felhőzet, a szél vagy épp a csapadék szezonalitásán keresztül. Jelenleg a megújulók közül a régióban főképp a vízenergiát hasznosítják, sok országban ez a fő áramforrás. Azonban a múltbeli energiakrízisek már megmutatták, hogy nem célszerű egyetlen forrásra támaszkodniuk: a túlzott vízenergia-függőség (főleg az éghajlatváltozás hatására változóban lévő csapadékmintázatok mellett) veszélyeztetheti az energiabiztonságot. Éppen ezért a megbízható áramellátás biztosítása érdekében érdemes ezen energiaforrások valamely keverékét kiépíteniük és felhasználniuk a jövőben.

Ha csak a napenergiára támaszkodnának, annak erős időbeli ingadozása, napi menete okozna problémákat. Ugyan a szélenergia potenciálja önmagában nem annyira jelentős Nyugat-Afrikában, de a napenergiával együtt alkalmazva kiegészíthetné azt, az eltérő napi menet miatt. A kutatás egyik fő megállapítása az volt, hogy

a hibrid rendszerek kiépítésének mérlegelését már a megújuló energiaforrások értékelésének kezdetétől célszerű megfontolni,

nem pedig azután, hogy az egyes energiaforrások potenciálját egyesével megvizsgáltuk. Ugyanis lehetnek olyan régiók (mint amilyeneket kutatásuk során beazonosítottak), ahol önmagában nem érdemes pl. a szélenergia alkalmazása, hibrid rendszer részeként mégis hozzájárulhat a rendszer stabilitásához, és egyéb (pl. tárolás kiépítési) költségek csökkentéséhez, ily módon pedig a rendszer optimalizálásához.

Fontos hozzátennünk, hogy önmagában a felhasznált megújuló energiaforrások számának növelése nem old meg minden, az alkalmazásuk során felmerülő problémát, de ha ezt is az energiarendszer egy pillérének tekintjük, a több lábon állás segíthet egy robusztusabb rendszer kialakításában, és a többi stratégiai elem költségének csökkentésében.