Történelmi lehetőség: így érhető el a 100% megújuló energia Tony Seba szerint

Cikksorozatunk első részében bemutattuk, hogy a Carbontracker The sky’s the limit című tanulmánya szerint mennyi megújuló energiát lenne képes termelni a világ, míg a második részben arra kerestük a választ, hogy mennyire versenyképes a megújuló energia, és mekkora lenne a területigénye.

A Carbontracker számításai alapján kijelenthetjük: nincs elvi akadálya annak, hogy a világ nap- és szélenergiával elégítse ki energiaéhségét. A mindent eldöntő kérdés azonban az, hogy az időjárásfüggő technológiák képesek-e megbízható módon, a mindenkori aktuális igényeknek megfelelő mennyiségű villamos energiát biztosítani, méghozzá megfizethető módon?

Mi a manapság leginkább elterjedt álláspont erről a kérdésről? Most tekintsünk el az olyan szélsőséges nézetektől, amelyek szerint csak atomenergiával lehet tiszta energiát termelni, és minden más megoldás puszta fantazmagória. Helyette inkább a szakmai körökben leginkább elterjedt evidenciákat szedjük pontokba:

  • A megújulókon alapuló termelőket úgy érdemes méretezni, hogy az éves termelésük ne haladja meg az éves áramfogyasztást.
  • A túltermelés egy probléma, amit kezelni kell, de  a legjobb eleve elkerülni.
  • A nyári túltermelést szezonális energiatárolás révén át kell vinni a téli hónapokra.
  • Ez azonban elképesztően drága megoldás lenne a belátható időn belül elérhető technológiákkal.
  • Ezért ahogyan egyre több időjárásfüggő technológiát integrálunk a hálózatba, exponenciálisan nehezedik a feladatunk.
  • A fentiek miatt az időjárásfüggő megújuló energia csak a fogyasztásunk 60-80-90%-át képes fedezni, ezt is csak állami támogatások segítségével (a százalékos érték a nyilatkozó optimizmusát tükrözi).
  • Az ezt meghaladó részt máshogyan kell előállítani, például vízenergiával, bioenergiával, atomenergiával, vagy földgázzal.
  • Alapelv: a legolcsóbb energia az el nem fogyasztott energia, ezért törekedni kell az energiatakarékosságra. Ha kevesebb áramot fogyasztunk, kevesebb fosszilis energiahordozót égetünk el.

A legtöbb diskurzus, amely a megújuló energia jövőjéről szól, a fenti téziseket tekinti alapvetésnek. Nem így Tony Seba, és kollégái, a RethinkX csapata, akik egy a megszokottól teljesen eltérő architektúrájú hálózatban gondolkodnak. A tavaly megjelent tanulmányuk a „Rethinking Energy 2020-2030 – 100% Solar, Wind, and Batteries is Just the Beginning” egy olyan villamosenergia-rendszer modelljét vázolja fel, ami csupán napenergiából, szélenergiából és akkumulátorokból épül fel, és azt vizsgálja, hogy ez fizikailag és pénzügyileg magvalósítható lenne-e. A tanulmányban bemutatott modell neve SWB, ami a nap, szél, akku szavak angol megfelelőinek rövidítése, ezért a cikkünkben mi is így fogunk hivatkozni rá.

Miben tér el az új architektúra a régitől?

  • Bátran túlméretezik a termelői kapacitásokat.
  • Ezáltal meglepően alacsony lesz a tárolási igény.
  • A szükségszerűen megjelenő túltermelés „nem bug, hanem feature”, azaz nem elkerülendő problémaként, hanem kiaknázható lehetőségként tekintenek rá.
  • Ebből fakadóan az áramfelhasználás növelése egyenesen kívánatos, mert hozzájárul a fosszilis energia visszaszorulásához.

Tanulmányukban három régió hálózatának működését modellezték le: Kaliforniáét, Texasét és New Englandét. Ez a választás nem véletlenszerű, mivel a három régió eltérő adottságokkal rendelkezik: míg Kalifornia napos, Texas napsütésben és szélenergiában is bővelkedik, addig New England mindkettőben szegényebb.

Fizikailag lehetséges?

A modellezés során egyik oldalról az adott területek órás fogyasztási adatait használták fel inputként, a másik oldalról pedig a naperőművek és a szélerőművek valós, mért termelési adatait. Az adatokat a helyi hálózatirányítók adatpublikációiból nyerték, az adatgyűjtés 2017 július 1-től 2019 június 30-ig folyt.

Ezeket a mért adatokat felhasználva folytatták le a modellezést, oly módon, hogy a hipotetikus  napenergiás és szélenergiás termelőkapacitásokat gigawattról gigawattra változtatták, és megnézték, hogy adott kombináció mellett mekkora méretű tárolóra volna szükség ahhoz, hogy a 2 éves időszak alatt folyamatos legyen az energiaellátás – kizárólag nap- és szélenergiából. Ennek eredményeként több ezer lehetséges kombinációt kaptak, amelyek mindegyike működőképes lenne. Túlméretezés nélkül irdatlan méretű tárolókapacitásra lenne szükség, de ahogyan a termelőkapacitásokat egyre jobban túlméretezték, úgy egyre kevesebb akkumulátorra volt szükség a hálózat egyensúlyban tartásához.

A modell, azért hogy minél egyszerűbb maradjon, szándékoltan nem vesz figyelembe exportot és importot, más típusú megújulókat, háztetőkre szerelt kiserőműveket, keresletoldali szabályozási eszközöket, vagy az elektromos autókat. Ugyanígy nem számoltak technológiai áttörésekkel sem.

Pénzügyileg megtérülő?

Amíg a mainstream elemzők a megújulók árának lassú csökkenését várják, addig a RethinkX úgy gondolja, hogy Wright törvényének köszönhetően a korábban megfigyelt ártrendek a jövőben is folytatódni fognak.

Megállapításuk szerint az Egyesült Államokban a napenergia ára évi átlag 16,1%-kal, a szélenergia ára 6,2%-kal, míg az akkumulátorok ára 19,2%-kal csökkent az előző évtizedben. A RethinkX a következő évtizedre ennél valamivel konzervatívabb számokat használt a modelljében: a napenergia évi 12%-os, a szélenergia évi 5,5%-os, az akkumulátorok esetében pedig évi 15%-os költségcsökkenéssel számoltak. A nap- és a szélenergia 2020-ra már így is a valaha volt legolcsóbb energiaforrása lett az országnak, de a várakozásaik szerint a napenergia további 72%-kal, a szélenergia 43%-kal, az energiatárolás pedig 80%-kal lesz olcsóbb a 2030-as évek elejére. 

Ezek alapján minden lehetséges kombinációhoz hozzárendeltek egy „árcédulát”, és azt találták, hogy a túlméretezés, és a bekerülési költség közötti kapcsolat nem lineáris, hanem egy U-alakú görbével írható le, és így az U-görbe alján lévő kombináció tekinthető a leginkább költséghatékonynak. Mivel az egyes régiók földrajzi adottságai eltérőek, ezért mindenhol kicsit más kombináció bizonyult optimálisnak.

Forrás: RethinkX

Kalifornia esetében 3,8-szoros túlméretezés 37 órára elegendő tárolókapacitással társítva bizonyult a legköltséghatékonyabb SWB rendszernek. A túlméretezés mértéke ebben a kontextusban a régió legmagasabb hálózati terhelésének, valamint a nap- és szélerőművek névleges kapacitásának egymáshoz való arányát jelzi, míg a tárolókapacitás időtartama az átlagos hálózati terhelés nagyságában van kifejezve (vagyis ha éves szinten az átlagos hálózati terhelés 10 GW, a tárolókapacitás pedig 100 GWh, akkor azt 10 órásnak tekintjük). Texas esetében a 4,9-szeres túlméretezés és 49 órás tárolókapacitás, míg New England esetében a 3,8-szoros túlméretezés és 89 órás tárolókapacitás lett a költségek szempontjából az ideális választás. A több hétre, vagy hónapra szóló szezonális energiatárolás tehát szükségtelen.

Hogy a termelőkapacitásokon belül milyen arányt képviseljen a nap- és a szélenergia, azt a költségeiknek az egymáshoz való viszonya, illetve a szükséges akkumulátorok mennyisége határozza meg. Mivel a napenergia ára esik gyorsabban, ezért az idő előrehaladtával mindhárom régióban a napenergia válik hangsúlyosabbá a termelési portfólión belül. Az optimális rendszer paramétereit az alábbi táblázat tartalmazza:

A nagyobb képért klikk a fotóra. Forrás: rethinkX

A termelőkapacitások túlméretezése természetesen azzal jár, hogy jelentős mértékű túltermelés keletkezik, amit Tony Seba egy nehezen lefordítható nyelvi játékkal „super power”-nek, magyarul többletenergiának nevezett el. Mértéke Texasban a legnagyobb, ott a fogyasztás dupláját teszi ki, mígy New Englandben „csak” az 50%-át. Ezt a többletenergiát vagy egyáltalán nem használjuk fel, vagy olyan új üzleti modelleket találunk ki, amelyek képesek azt részben vagy egészben hasznosítani. Az emberiség eddigi történetét ismerve aligha valószínű, hogy ne tudnánk mit kezdeni, egy az ölünkbe hulló, közel zéró határköltségű (üzemanyagköltség nélküli) energiával.

Mire használhatjuk ezt a többletenergiát? Például elektrifikálhatjuk vele a közlekedést, a fűtést, az ipart, esetleg tengervizet sótalaníthatunk, hulladékot dolgozhatunk fel, szenet köthetünk meg, vagy gyárthatunk vele fehérjét. Kaliforniában és Texasban az év napjainak 93%-ában állt rendelkezésre többletenergia, míg New Englandben a napok 64%-ában. Nem áll tehát folyamatosan rendelkezésre úgy, mint a fosszilis energia, de ahhoz azért elég gyakori, hogy működőképes üzleti modelleket lehessen rá alapozni.

Vegyünk példának egy biomassza fermentáló üzemet (lásd: lenti cikk). Az alapanyaguk a hidrogén, a legnagyobb költségelemük pedig várhatóan az energia lesz majd, ezért valószínűleg csak akkor fejlesztenek hidrogént, amikor van olcsó többletenergia. Az is valószínűsíthető, hogy ilyenkor tartalékolnak valamennyi hidrogént a szűkösebb napokra, így a működésük folyamatos maradhat.

De mennyibe fog kerülni az áram egy SWB rendszerben? A beruházás jövőbeli költsége a már fentebb ismertetett módon lett kalkulálva, ehhez hozzáadták az üzemeltetéshez kapcsolódó kiadásokat (például a napenergia esetében évi 5 dollár/kWp), így adott a rendszer teljes költsége, amelynek élettartamát 20 évben határozták meg. Ebből már kiszámolható, hogy egy felhasznált kWh-ára mekkora költség esik, ami természetesen függ attól is, hogy a többletenergia mekkora részét használjuk fel. A legrosszabb esetben, ha egyáltalán nem hasznosítjuk a többletenergiát, akkor is csupán 6,1 centre jön ki egy kWh New Englandban. A legkedvezőbb eset pedig az, ha Kaliforniában az összes megtermelt energiát felhasználjuk, mert így 1 kWh csak 1,5 centbe kerül.

Az SWB rendszernek van egy olyan kellemes tulajdonsága is, hogy már 20%-os addicionális tőkebefektetés is megtöbbszörözi az elérhető többletenergia mennyiségét, amit ha felhasználunk, még kedvezőbb lesz az energia fajlagos költsége.

Forrás: RethinkX

 

Mi az alapvető különbség a jelenlegi hálózat és az SWB között?

A fosszilis energián alapuló rendszerben, ha nő az energiafelhasználás, akkor megnő a kereslet az energiahordozók iránt, ami felhajtja az áram árát. Az SWB rendszerben azonban az energiafelhasználás növekedése ezzel ellentétes hatást vált ki, és csökkenti az áram előállításának fajlagos költségét. Ami egy nagyon radikális és kontraintuitív következtetéshez vezet: ha meg akarunk szabadulni a fosszilis energiától, akkor sutba kell dobni az energiafogyasztás minimalizálásának elvét, és inkább a rendszer nyújtotta keretek között maximalizálnunk kell a fogyasztásunkat.

Félreértés ne essék, ez nem azt jelenti, hogy akkor ne szigeteljük le a házunkat, mert az energiafelhasználásnak hatékonynak kell lennie. De a zéró határköltségű többletenergiának köszönhetően olyan problémákat oldhatunk meg, amelyekkel a fosszilis energia által uralt világban nehezen tudunk mit kezdeni. Fokváros partjait két óceán is mossa, mégis sokszor nincs elég ivóvizük, mert a sótalanítás energiaigényes, ezért drága és környezetszennyező eljárás. A megújulós kapacitások túlméretezése, és a túltermelés sótalanításra való felhasználása segíthetne megoldani a vízellátás problémáját. Ez persze azzal járna, hogy a város áramfogyasztása nőni fog – és mégis egy win-win szituáció lehetne mindenki számára. Felhasználási módokat Magyarország esetében is könnyű találni: ilyen például a biomassza fermentáció, vagy a hulladék újrahasznosítás, hogy csak kettőt említsek.

Hogy mennyire reális mindez? Ahogyan a mondás tartja: minden modell rossz, de néhány közülük hasznos. A RethinkX modellje nyilvánvalóan nem fog szó szerint megvalósulni, hiszen a világ ennél sokkal komplexebb, de Wright törvényének köszönhetően a megújulók egyre olcsóbbak, az ebből eredő gazdasági törvényszerűségek pedig jó eséllyel a tanulmányban felvázolt irányba fogják fordítani a világ villamosenergia-rendszereinek jövőbeli fejlődését.

Elektromos autót használsz?

dr. Papp László (Sol Invictus)

Technológiai elemző, és a Villanyautosok.hu csapatának megújuló energiákkal, energiatárolással, illetve piaci trendekkel foglalkozó szakértője. Célja, hogy minél többek számára tegye egyértelművé, hogy a fenntartható jövő gazdaságilag is a legracionálisabb választás.