Ha termőfölded van, nemcsak kukoricát, hanem napenergiát is termelhetsz rajta

Magyarország 2050-re karbonsemleges lesz – legalábbis az európai uniós energiastratégiával összhangban ezt a célt tűztük ki magunk elé. Ehhez azonban elkerülhetetlen, hogy a mainál jóval nagyobb mértékben támaszkodjunk megújuló energiaforrásokra, és azon belül a napenergiára.

Bár a magyar lakosság nagy része még mindig egzotikumként tekint a napenergiára, a hazai termelési kapacitás tavaly decemberben elérte a kétezer megawattot, ami megfeleltethető a Paksi Atomerőmű villamos összteljesítményének. Ebből a kétezer megawattból 1361-et az ipari méretű naperőművek tesznek ki.

A fentiekből arra következtethetnénk, hogy a napenergia-termelés csak nagyüzemi léptékben működik – ehhez tud például az ALTEO Csoport is komplex szolgáltatást nyújtani –, de nem így van. Több hazai szolgáltató komplex szolgáltatáscsomagokkal népszerűsíti a technológiát a lakosság körében is. Csak az okozhat nehézséget, hogy a megújuló energiát előállító termelőegységeket becsatornázzuk a meglévő közcélú villamosenergia-hálózatba, de az elosztói engedélyes energiaszolgáltatók támogatásával ezek a problémák is áthidalhatók.

Őstermelő vagy? Miért nem inkább prosumer?

Az időjárásfüggő, decentralizált energiatermelés más felfogást, más szabályozást igényel, mint a korábbi lineáris energiatermelés és -értékesítés – már csak azért is, mert ma már nemcsak fogyasztók (consumer), hanem fogyasztó-termelő ügyfelek (prosumer) is vannak.

Talán kevesen gondolnák, hogy ők is lehetnek prosumerek, pedig így van. A hazai napelemparkok bővítését az is támogathatja, aki mezőgazdasági termőterületet birtokol: nemcsak kukoricát, napsugárzást is lehet aratni. Ebben nemcsak a magyar állami energiastratégia, hanem a nagyvállalatok is támogatást nyújtanak.

Mindehhez – többek között - pontos és részletes előrejelzést kell készíteni arról, hogy az erőművek várhatóan mikor és mennyi villamos energiát fognak termelni. A tervezésben segíthet egy fejlett meteorológiai szolgálat, illetve az olyan szereplőhöz való csatlakozás, ami egyszerre több kisebb erőművet virtuálisan összekapcsolva, egy nagy termelőként optimalizálja és menetrendezi a termelést. A termelésbe a fogyasztók akár lakossági, akár ipari szinten is bevonhatók. Mivel időjárásfüggő termelésről van szó, a rendszerbe illesztés egyik eszköze lehet a meglévő tárolók bővítése, amik legalább olyan gyorsan fejlődnek, mint a naperőművek.

Termelés vagy tárolás? Ideális esetben mindkettő

Alapesetben a villamos energia nagy mennyiségben, „rendszerszinten”, nem tárolható, így közel annyit kell minden pillanatban termelni, amennyi az adott pillanatban a fogyasztás. Az 50 Hz-es hálózati frekvenciát azonos szinten kell tartani, márpedig ez nem könnyű feladat.

Mindenekelőtt tehát azt a két kérdést kell megválaszolnunk a napenergia kapcsán, hogy hol termeljük meg, illetve hol és hogyan tároljuk azt, ha ez a célunk. Az energia tárolása természetesen nem azt jelenti, hogy a nappal termelt energiát eltesszük estére, vagy a nyáron termelt energiát bespájzoljuk télre. Egy rugalmas, intelligens hálózatnak ugyanis a szabályozhatóság a fő eleme, aminek az egyik eszköze az energiatárolók létesítése, de ez csak a piaci szereplők összefogásával valósulhat meg, ezért rendszerben, aggregátumokban kell gondolkodni.

A termelés kérdését egyszerűbb megválaszolni: napelemtáblákat és naperőműveket gyakorlatilag bárhol telepíthetünk, ahol elég magas a napsütéses órák száma, illetve a fizikai megvalósítás és karbantartás is észszerű keretek között marad ahhoz, hogy a beruházás belátható időn belül megtérüljön. A napenergia-termelés annyiban speciális terület, hogy az időjárástól függ.

A napenergia előállítása kevésbé komplex feladat, mint a tárolása. Bár a naperőművek akkumulátoros energiatárolók nélkül is hasznos kiegészítései lehetnek a meglévő villamosenergia-rendszernek, a jól méretezett tárolókapacitásokkal a napsütés időszakok és azok intenzitásának előrejelzése és a tényleges napsütés közötti eltérés válhatna kezelhetővé.

Az energiafogyasztás általában a nyári délutánokon és estéken tetőzik, amikor az emberek hazaérkeznek a munkából. Benyomják a légkondit, vacsorát főznek a villanytűzhelyen, és bekapcsolják a háztartási elektronikákat. Mindez tetemes mennyiségű energiát emészt fel, ha nem tekintjük az ipari méretű energiafelhasználást. Mivel azonban ez az időszak közelít a napnyugta időpontjához, a napenergia épp akkor nem áll a rendelkezésünkre, amikor a legnagyobb szükségünk lenne rá.

Botorság lenne azt gondolni, hogy a naperőművekben termelt, az akkumulátoros energiatárolókban tárolt energia csupán erre a megoldás. A napenergia-tárolás csak akkor működik a bespájzoló kis hangyácska módszerével, ha valahol elszigetelten, hálózat nélkül (off-grid) van erre szükségünk – például egy erdő mélyén lévő vidéki házikó esetében, vagy az emberlakta vidéktől távol lévő kutatóállomások, műszerek, berendezések ellátása esetén. A többi esetben rendszerszinten kell gondolkodni, ahol több elemet mixelhetünk egymással.

Gazdaságilag nem feltétlenül az akkumulátortelepek létesítése a leghatékonyabb megoldás az éjszakai villamosenergia-szükséglet biztosítására: erre vannak már jó pár évszázada erőművi megoldások, és ennél jobbat még nem tudtunk kitalálni. De itt kihasználhatjuk a villamos energia azon tulajdonságát, hogy a hálózatba betáplálva az infrastruktúrán keresztül szállíthatjuk – természetesen veszteséggel –, de nem kell csomagolni, raklapra rakni, kamionba tenni, mint például a téglákat.

Ha rendszerben gondolkodunk, akkor a kiindulópont a fogyasztás. Ehhez szükséges a termelés és a szállítás, illetve a termelés és a fogyasztás egyensúlyát biztosító irányító, amit hivatalosan rendszerirányítónak neveznek.

A tárolt napenergia akkor is biztosíthatja a csúcsidőszakhoz szükséges energiát, ha nem süt a nap, de az akkumulátorok nemcsak ebben segítenek, hanem a napenergia-áramlás hálózati változásainak lekövetésében is. Ezeket a változásokat ugyanis nemcsak a beérkező napfény mennyisége idézi elő, hanem a fotovoltaikus (PV) panelek által felszívott napfény, illetve a nap-hőenergia koncentráló (CSP) eszközök működésbeli különbségei is.

Egyes napenergia-tároló rendszerekben az akkumulátorokat a panelek mellé vagy közelébe telepítik, míg mások önállóan, tárolóegység nélkül üzemelnek, de mindkét konfiguráció hatékonyan integrálhatja a napenergiát ott, ahol a piac ezen rendszerek megtérülését biztosítja.

A napenergia-tárolásnak az alábbi előnyei lehetnek:

• A villamosenergia-terhelés és fogyasztás kiegyenlítése. Tárolás nélkül egyszerre kell fogyasztani és termelni az energiát. Hogy elkerüljük a túl-, vagy alultermelést, a rendszerirányítók szabályoznak egyes termelőegységeket, így biztosítva a hálózat optimális működését. Akadnak felhős vagy kevésbé napsütéses napok is, amikor a beérkező energia mennyisége jóval alacsonyabb az előre jelzettnél. Mivel az energiatárolók tudnak a leggyorsabban, milliszekundumos gyorsasággal reagálni a hálózati terhelés változására (akár a fogyasztás, akár a termelés oldalán), így ezek az elsődleges pillérei a kiegyenlítésnek, a hálózati frekvenciastabilitás biztosításának.
• A napenergia-termelés stabilizálása. (Ez szorosan összefügg az előző ponttal.) A rövid távú tárolással biztosítható, hogy a termelésben bekövetkező gyors változások ne befolyásolják nagy mértékben a naperőmű teljesítményét. Egy kisebb akkumulátor például áthidalhatja az olyan zavarokat, mint egy elhaladó felhő feltűnése, ami rövid zavart okozhat az elektromos áram előállítására számító rendszerirányítónál; így a hálózat működése megbízhatóbbá válik, a termelő az előre megadott, napsütéstől függő termelési előrejelzését büntetés és pótdíjfizetés nélkül tarthatja.
• Az energiatermelés/felhasználás rugalmasságának biztosítása. Itt ne erőművi léptékű naperőművekre gondoljunk, hanem a napelemek által termelt és tárolt energia felhasználására egy esetleges üzemzavar során. Ilyenkor fontos kiegészítő erőforrásai lehetnek kritikus biztonságú infrastruktúráknak, például a kommunikációs rendszereknek. Az energiatárolókkal kombinált napelemek ezenfelül mikrohálózatokhoz és kisebb energiaigényű berendezésekhez, például hordozható tápegységekhez is felhasználhatók. Ide sorolhatóak azok az esetek, amikor hálózat hiányában van szükségünk termelésre és tárolásra. (Példa: vidéki házikó melletti elektromos horgászcsónak használata.)

Energiatárolás? Hogyan és mivel?

Az energiatárolók (általában) képesek megkötni az energiát, és kémiai, termikus vagy mechanikus formában tárolhatják azt. Ilyen kémiai tárolási technológia például a lítium-ion akkumulátor. A tárolás hatékonysága sosem érheti el a 100 százalékot, mivel az energia átalakítása és visszanyerése során valamennyi mindig veszendőbe megy, de végső soron mégis a tárolás teszi lehetővé az energia rugalmas, a keletkezési időponttól és helyétől független felhasználását.

A tárolóeszközök az energia- és teljesítménykapacitásuk szerint is megkülönböztethetők: előbbi jelzi a tárolható energia mennyiségét, az utóbbi pedig az adott időben felszabadítható energiamennyiséget. Az egyes feladatok ellátásához más-más tárolási és teljesítménybeli kapacitás szükséges.

Az energiatárolók teljesítményét az alábbi paraméterrel szokták jelölni:

• Kapacitás és teljesítmény. A kapacitás jelzi, hogy a napelem energiatárolója mennyi energiát képes tárolni; a mértékegységét kilowattórában (kWh) jelölik. Az otthoni napelemes energiatárolók előnye, hogy a kapacitásuk tetszés szerint bővíthető, vagyis akár több akkumulátort is csatlakoztathatunk a rendszerhez. Bár a kapacitás megmutatja az akkumulátor energiatároló teljesítményét, arról nem árulkodik, hogy mennyi energiát képes leadni egy adott pillanatban; ezt az (ugyancsak kilowattban megadott) teljesítményérték jelöli. A nagy kapacitású, de alacsony teljesítményű akkumulátor hosszú ideig biztosíthat kis mennyiségű energiát, míg az alacsony kapacitású, nagy teljesítményű rendszerek akár az egész otthonunkat elláthatják energiával, de csak néhány óráig.
• Kisütöttség mértéke (depth of discharge, DoD). A napelemek akkumulátorainak kémiai összetétele miatt fontos megtartani bizonyos mértékű töltöttséget. Ha az akkumulátor a töltöttsége 100 százalékát hasznosítja, jelentősen lerövidülhet az élettartama. A kisütöttség mértéke jelöli az akkumulátor kihasználtságát. A gyártók többsége meghatároz egy maximális DoD-értéket: ha például egy 10 kilowattórás akkumulátor DoD-értéke 90 százalék, az újratöltés előtt nem szabad 9 kilowattóránál többet használni.
• Az átalakítás hatásfoka (round-trip efficiency). Az átalakítás hatásfoka az energia tárolásának energiaigényét jelöli. Ha például 5 kilowattórányi villamos energiát töltünk az akkumulátorba, amiből 4 kilowattórányi hasznosítható, az akkumulátor átalakítási hatásfoka 80 százalék.

Az energiahatékonyságot nemcsak a napelemek számának növelésével, hanem a napelemgyártásban használt új technológiák is növelhetik. Azt a hiányosságot, hogy a napelemek napos időben a leghatékonyabbak, egy fülöp-szigeteki mérnök, Carvey Ehren Maigue találmánya küszöbölheti ki, aki a szabad szemmel láthatatlan UV-sugárzást is hasznosító napelempanelt fejlesztett.

Az AuREUS nevű fejlesztésében használt foszforeszkáló szerves részecskék elnyelik az UV-sugárzást, látható fénnyé alakítják azt, és a napelemes réteggel energiát állít elő a fényből. A 0,9*0,6 méteres, üveglapra emlékeztető, zöld színű, hajlékony és átlátszó prototípus egy nap alatt két telefon feltöltésére elegendő energiát termelhet, de Maigue szerint a méretnövelésével egy egész épület energiaigénye is fedezhető.

Természetesen itt is érvényes az a tendencia, hogy a nagy volumenben, általánosan elterjedt megoldások az ütőképesek. A fotovoltaikus jelenséget 1839-ben Alexandre Edmond Becquerel francia fizikus demonstrálta először sikeresen, majd a ’60-as években került műholdakra. Innen vezetett még jó pár évtizedes út a háztetőkre és a napelemparkokba.

Napenergia-termelő lennél? Bízd a profikra!

De hogy lehet belőlem napenergia-mogul? – kérdezheted. Jobban jársz, ha nem házilag állsz neki napelemtartó állványokat és akkumulátorokat barkácsolni, hanem megbízol egy erre szakosodott céget.

Az ALTEO például rendelkezik az ehhez szükséges technológiával és szakértelemmel. A vállalat 2017-ben megpályázta a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal ajánlatát, melynek keretében 1,1 milliárd forint támogatást kapott az időjárásfüggő energiaforrások hasznosításának tervezhetőbbé tételére. A vállalat által 2015-ben felvásárolt Sinergy a pályázat keretében létrehozott egy akkumulátoros villamosenergia-tároló architektúrát, amely elősegíti a magyar villamosenergia-rendszer működését, illetve az időjárásfüggő termelők piaci alapú integrációját. A rendszer tesztüzeme 2018-ban kezdődött meg, azóta pedig számos naperőművet létesítettek országszerte:

• Monor. 2018 decemberében adták át az ALTEO monori naperőművét, egy 17072, egyenként 285 wattos teljesítményű, polikristályos napelemekből álló, 4 megawatt névleges teljesítményű létesítményt.
• Nagykőrös. 2019 júliusában kezdte meg a kereskedelmi üzemet a vállalat naperőműparkja, amely 14, egyenként 495 kilowatt névleges teljesítményű naperőműegységből áll. Ennek sajátossága, hogy fix tartószerkezet helyett egytengelyes napkövető rendszert használ, így 15 százalékkal magasabb villamosenergia-termelésre képes, mint a hagyományos naperőművek.
• Balatonberény. A 13,4 hektáros ipari területen felhúzott erőmű névleges teljesítménye 6,2 megawatt; a rendszer a 13 kilométerre lévő keszthelyi alállomáson keresztül csatlakozik a villamos energiahálózathoz
• Domaszék. Az ALTEO 2017 decemberében vásárolta meg a Domaszék 2MW Kft. 2 megawattos, már működő erőművét, ami az első fotovoltaikus egység volt az ALTEO Csoport erőmű-portfóliójában.

A felsorolt négy egység évente összesen 2400-2600 megawattórányi áramot termel, és – a Magyar Energetikai és Közmű-szabályozási Hivatal engedélyével – 25 évig a Kötelező Átvételi Rendszer keretein belül értékesítik a MAVIR-nak.

Bár a KÁT rendszert már felváltotta a METÁR rendszer, a kötelező átvételi rendszer lényege, hogy a megtermelt energiát a magyar állam egy előre meghatározott, a megújulókat támogató átvételi áron vásárolja meg az elkövetkező két és fél évtizedben – így amiatt sem kell aggódnunk, hogy a tervezett napelem-beruházásunk esetleg nem fog megtérülni.

Ha tehát rendelkezünk a napenergia-begyűjtésre alkalmas területtel, az ALTEO biztosítani tudja a szükséges technológiát a telepítéshez, menetrendezéshez, üzemeltetéshez és karbantartásához. Arról nem is beszélve, hogy soha többé nem kell az áramszünet miatt aggódnunk.

(A cikk megjelenését az ALTEO támogatta.)