Az Energiewende német szemmel

A német Energiewende célja

Az Energiewende (Energiafordulat) egy folyamat, mely a megújuló energia használatot, az energiahatékonyságot és fenntartható fejlődést tartja szem előtt. A végső cél az üvegházhatást okozó gázok és a primerenergia fogyasztás csökkentése.

Mind az Európai Unió, mind Németország kormányának megvannak a céljaik a jövő energiaellátást illetően. Ezen keretekben kell a jövőben a német átviteli hálózat irányítóinak munkálkodniuk.

A német átviteli hálózat irányítás

Németország a többi országhoz hasonlítva különleges ezen a téren, ugyanis a szokásos egy helyett, itt történelmileg négy vállalat alakult ki, ahogyan ez az 1. ábrán is látható. Az Amprion a legnagyobb hálózat rész irányítója a maga 12.000 km-es hosszával a 380/220 kV szinten és mintegy 165 alállomásával.

Központi elhelyezkedésének köszönhetően, az Amprion hálózati rendszere kulcsfontosságú az európai villamosenergia kereskedelemben.

Az Amprion saját hálózata mellett felelős a másik három közötti koordinációért, a villamos energia kereskedelemért, a teljesítmény-frekvencia és a mennyiségi szabályozásért is.
Az előbb bemutatotton túl, az Amprion feladata a saját hálózatának monitorozása (zöld terület a 2. ábrán) és a környező területek (sárga terület) figyelése is, amely jelentősen meghosszabbítja az online számításokat, mint terhelés elosztás vagy az n-1 biztonsági analízis.

Főbb kihívás: Átmenet a villamosenergia-rendszerben

A 2011-es fukushimai nukleáris baleset következtében a német kormány eldöntötte, hogy 2022-re leállítja az összes nukleáris erőművet. Az incidenst követően 8 erőművet azonnal bezártak, melyek több mint 8 000 MW teljesítménnyel rendelkeztek. Ennek egyik következménye, hogy leállt atomerőművek Németország déli részén találhatók, ahol az ipari nagyfogyasztók is. 2022-ig összesen 12 000 MW kapacitás esik ki a bezárások miatt. Délen a következő 5 évben további 4 000 MW-tal lesz kevesebb a nukleáris termelés.

A 3-as ábrán látható a 2013-as éves energiatermelésben a megújulók részaránya a szél, biomassza, fotovoltaikus és a víz között, mely összesen 23%. A biomassza és a vízenergia biztosabb forrás, mint az ingadozó és kevésbé előre jelezhető szél és napenergia.

A nukleáris energia kiesését főként a megújuló energiaforrások fedezték.

A megújulók hálózatbiztonságra gyakorolt hatása

Németországban a szélenergia termelés főként az északi és keleti határmentén található, mert az Északi-tenger miatt itt kedvezőbbek a feltételek (5-ös ábra). Tekintve, hogy az ipari területek délen találhatók, a szélenergia termelés pedig Északon, ezért nagy energiafolyam jelenik meg a hálózaton Észak és Dél között.

A napelemek az ország naposabb déli részén vannak (6-os ábra). A szélturbinákkal szemben, a napelemek a kisfeszültségű szinteken vannak, ami miatt az elosztói és az átviteli hálózat között jön létre nagy energiafolyam, ami változást jelent a korábban megszokott irányhoz képest.

Kína és az USA után Németország a harmadik a világon a beépített szélkapacitást tekintve a maga 36 488 MW1-val. Ha vetünk egy pillantást a 7-es ábrára, látható, hogy 2007 januárban a beépített kapacitás 20 000 MW volt, és a havi termelés pedig 7500 GWh körül alakult, míg idén januárban több mint 34 000 MW beépített kapacitás összesen alig 6000 GWh energiát termelt. Ez azt mutatja, hogy nincs pontos összefüggés a beépített kapacitás és szélenergia hozam között, és a termelést magát is elég nehéz előre megjósolni. A grafikonon látható az éves szélenergia trendje, vagyis télen nagyobb a termelés, mint nyáron.

A napelemek tekintetében Németország átvette a vezető helyet a többi ország előtt a több mint 37 000 MW kapacitással, mely a szélenergia kapacitást is felülmúlja. Nem ez volt a helyzet pár évvel ezelőtt: 2010 és 2012 között a telepítést segítették a kormányzati cserék, majd 2012 után a támogatásokat csökkentették.

Sokkal inkább találunk összefüggés a beépített napelem-kapacitás és az általuk előállított energia között, ahogyan azt a 8-as ábra is mutatja. Természetesen a nyári időszakban több energiát termelnek a napelemek, mint télen.

A 9. ábrán a szél és napenergia kapacitások láthatók az Amprion hálózatában. A grafikonon megfigyelhető a fotovoltaikus beépített teljesítmény nagy ütemű emelkedése szemben a szélenergia teljesítményével.

Megújulók változékony termelése

A megújulók minimum és maximum termelése között elég nagy az eltérés. A legmagasabb napenergia termelés júliusban közel 24 000 MW volt, mely a teljes teljesítmény 72%-a, míg a legalacsonyabb nyilvánvalóan az éjszakai időszak 0%-al. A szél esetében a legmagasabb érték a decemberi 26 000 MW volt, mely körül-belül 78%-os kihasználtságot jelentett. A legalacsonyabb pillanatnyi érték pedig 126 MW volt, ami durván 0,4% a teljes kapacitásnak.

Ha vetünk egy pillantást az utóbbi 3,5 év (2011-2014 első fele) összesített szél- és napenergia termelésre, akkor a legkisebb érték a 148 MW (2013 február), mely 0,5 %-os kihasználtságnak felel meg. A legmagasabb érték pedig 2 hónapra rá mérték áprilisban közel 36 000 MW-os teljesítményt (17 000 MW fotovoltaikus, 19 000 MW szél), mely összesen 56%-os kihasználtságot jelent. Érdekes tény, hogy 2013 előtt soha nem volt ilyen alacsony termelést nem tapasztaltak hiába volt a beépített kapacitás is kisebb. Ebből is látszik, hogy a beépített kapacitás és se a legalacsonyabb se az átlagtermelés között nincs korreláció.

Szél és napsugárzás előrejelzés

A napelemek többnyire az elosztói hálózatra vannak telepítve és a termelésük erősen függ a ráeső napsugárzás intenzitásától. Nagyon szaggatott az hozam a nehezen megjósolható felhőzet és egyéb árnyékoló tárgyak (levelek, hó) miatt. Többé kevésbé esélytelen a pontos előrejelzés.

A szélsebesség sokkal könnyebben megjósolható. Az Amprionnak több külsős cég is végez méréseket, amiket egy megfelelő algoritmus segítségével összeillesztenek. Az eljárás eredménye, hogy 93%-os pontossággal megállapítható a következő napok szélenergia termelése.

A hagyományos erőművek jelenlegi szerepe

A következő 4 ábra (13-16. ábra) a megújulók változékony termelését mutatja. Ahogyan a diagramokon látható, nagy az igény a rugalmas termelési módra, hogy a rendszer biztonsága fenntartható legyen a különböző megújuló részarányok mellett. Annak érdekében, hogy a gyorsan változó szél- és napenergia termelést követni lehessen, a konvencionális erőművek részéről rugalmas, a megújulókat esését gyorsan kiegyenlítő termelésre van szükség.

Egy további lehetőség az igények fedezésére az import/export kereskedelem. Ezzel csak egy kis részét lehet lefedni a szükségletnek, mert korlátozottak a környező átviteli hálózatok keresztező kapacitása. Az egész rendszer kiegyensúlyozásához csak kismértékben tudnak a szivattyús tározós erőművek hozzájárulni, ez is a hagyományos termelés fontosságára mutat.
Összességében a konvencionális energia előállításra bizonyosan szükséges lesz a biztonságos ellátás fenntarthatóságának érdekében.

Terhelési irányok

Időről időre terhelési áramlások alakulnak ki az elosztói és az átviteli hálózat között a kisebb feszültég szintre telepített napelemek miatt. A 15. ábrán egy alacsony megújuló energiatermelés, míg 16-os ábrán egy magas részarány látható. A piros vonal a fotovoltaikus, míg a kék és zöld vonal két transzformátor terhelését mutatja az átviteli és az elosztói hálózaton. A 15-ös ábrán egy normális üzem közbeni áramlás figyelhető meg, az átviteli hálózat felől az kisebb feszültség szintek történik átadás, ahogyan a hálózat tervezve lett.

A 16-os ábrán pedig olyan magas a napenergia részarány, hogy a saját feszültségszinten nem tudja felhasználni az energiát, ezért a többletet az átviteli hálózat felé továbbítja. Ez az irányváltozás mindenkit érint, aki kapcsolatban áll a hálózattal. A tendencia pedig egyre több napelem megjelenése, mely egyre gyakoribb fordított áramlás kialakulását eredményezi.

További kapcsolat van a megújulók és az import/export egyensúly között. Ha alacsony a megújulók részaránya, akkor Németországnak importálnia kell, míg ha magas, a többlet energiákat exportálják a környező országok felé.

A megújuló energiaforrások hatása az energiapiacra és a termikus energiatermelésre

A szél és napenergia termelésnek nagy hatása van a piaci árakra is. A magas termelés a piaci árakat lefelé, akár negatív tartományba tolja (17. ábra). Nagyon fontos, hogy a gyors betáplálás növekedést vagy csökkenést rugalmas hagyományos erőművekkel követni tudják, és az energiaigényt lefedjék. Erre példa a 17. és 18. ábra. A két diagramon az előbb vázolt folyamatok megfigyelhetők, ha nincs elég megújuló energia a rendszerben, akkor a konvencionális termelésből, az energiatározókból, illetve az importból fedezik az igényeket. Ha többlet megújuló energia áll rendelkezésre, akkor exportálnak.

2011 óta jelen van egy tendencia másnapi villamosenergia piaci ára és a megújuló energiatermelés között. A több beépített kapacitás alacsonyabb árat generál. Ennek a negatív oldala, hogy a hagyományos erőművek (különösen a gáztüzelésűek) nem tudják a költségeiket piaci alapon fedezni. Ennek következménye, hogy a hiányoznak az új beruházások, mert nem képesek megtérülni.

Az átviteli és elosztói hálózat együttműködése

A megújulók nagy része az elosztói hálózaton található, ezért ha az átviteli hálózat befolyásolni szeretné a megújulók termelését, előtte egyeztetnie kell az elosztói hálózattal. Általánosságban minél kisebb feszültségi szintre megyünk, annál több érintettel kell egyeztetni. Ezért nagyon fontos a kommunikáció összehangolása mindenkivel.

19. ábra: hálózati hierarchia lebontása, Forrás: Amprion GmbH
A 19. ábra az egyes szinteken jelenlévő termelők számát mutatja a különböző szintek automatizáltságának tekintetében. A magasabb szinteken vannak a nagy erőművek (hőerőművek), de itt a koordinációs és automatizált szint is nagyobb. Alacsonyabb szinteken a termelők száma rohamosan nő a több ezer napelemnek köszönhetően. Ezen a szinten nincs közvetlen ráhatása az elosztói hálózat felügyeletének a termelőre. A teljes rendszerrel járó feladatok és kötelezettségeket mutatja a 20-as ábra, melyet más néven kaszkád rendszernek is neveznek.

Összefoglalás

Az Energiewende legintenzívebb hatása a hálózatra az energia folyamok megváltozása, létrejötte, különösképpen az észak-déli irányú áramlás megjelenése.

Ahogy korábban láthattuk a napelemek Németország déli területein található, amit „nap-gyűjtősínnek”, míg a szélparkok északon találhatóak, amit „szél-gyűjtősínnek” hívnak.
Dél Németországban találhatóak az ipari nagyfogyasztók (zöld területek a 21-es ábrán) and a leállított atomerőművek is. Így e területek energiahiánnyal küzdenek. A változó termelés és az ország két része közti nagy energia folyam következményeképp a hálózatot meg kell erősíteni, hogy továbbra is biztosítsák az energiaellátást. A jövő feladata, hogy az északi és déli „gyűjtősíneket” összekössék például magasfeszültségű egyenáramú vezetékekkel.

Baldauf Ákos és Gáthy Benjámin
az Energetikai Szakkollégium tagjai