Ez itt az on the other hand, a portfolio vélemény rovata.
A napsütéses napokon napközben megjelenő jelentős mértékű energiatermeléshez jellemzően alacsony helyi fogyasztás társul, ami a fizika törvényeinek megfelelően feszültség emelkedéshez vezet.
A hálózat túl magas feszültségszintje nem megengedhető, mivel a háztartási berendezések meghibásodásához vezet.
A jelenlegi hálózati szabványoknak megfelelően a napelem a kritikus feszültségszint (a névleges 230 V-os feszültség 110%-a, azaz 253 V) elérésekor lekapcsol. Mindez a hálózat stabil és biztonságos működése szempontjából kívánatos működés, ugyanakkor a napelem tulajdonosa számára termeléskiesést jelent, és a problémás körzetekben fokozódó intenzitású fogyasztói panaszokhoz vezet.
A feszültségproblémákat egy képzeletbeli hálózat modellezésével az alábbiak szerint illusztrálhatjuk. A jelenlegi hálózati körülmények között egy nagyjából 800 méter hosszú hálózatszakaszon a telepített napelem (PV) kapacitás függvényében előforduló lekapcsolások száma (db/PV/év), illetve azok jellemző hossza (óra/PV/év) az alábbiak szerint alakul. A modellezésnél családi házas lakóövezetet feltételezünk, ennek megfelelően a hálózatszakaszon telkenként, azaz 30 méterenként egyenletesen helyeztünk el napelemeket.
A feszültségproblémák a 800 méteres szakaszon ~25-26 fogyasztót feltételezve, háztartásonként 4-5 kW telepített napelemkapacitásnál jelennek meg.
Hálózati szempontú megoldás: kötelező autonóm inverter szabályozás
A feszültségproblémák kezelésének egyik módja a napelemek invertereinek szabályozóképességére építő megoldás, az ún. Volt-Watt (PU) funkció, amely a helyben mért feszültségtől függően korlátozza a napelem által termelt energiát. A hatályos hálózati (műszaki) szabályok értelmében ma már csak olyan beállítással ellátott HMKE csatlakoztatható a hálózathoz, amelyen az MSZ EN 50549-1 szabvány szerinti PU szabályozási mód be van állítva. Eszerint az inverter a névleges feszültséget 9%-al meghaladó (250V) feszültség esetén autonóm módon, tehát központi vezérlés vagy koordináció nélkül, megkezdi a napelem teljesítményének visszaszabályozását, és a 253 V-os küszöbértéknél teljes mértékben megszünteti a betáplálást.
Ez a cikk elején említett lekapcsolástól annyiban különbözik, hogy hibaüzenet nélkül, koordináltan történik a betáplálás korlátozása.
A fizikai összefüggések következtében a feszültségproblémák előfordulása és gyakorisága az elhelyezkedéstől függ, azok jellemzően a település transzformátorától távolabb eső részén jelentkeznek, míg a közelebbi fogyasztók nem, vagy csak jelentősen kisebb mértékű problémát érzékelnek. Így a fenti hálózati előírásokat követő inverterek a transzformátortól távolabb elhelyezkedő napelemeket szabályozzák majd le, azaz a kötelező leszabályozás hatásai az egyes felhasználókat nem azonosan fogják terhelni.
Ezt illusztrálja az alábbi ábra, amely a transzformátortól való távolság, valamint a háztartásonként telepített napelem kapacitás függvényében jelzi a napelemek leszabályozása miatt elvesztett energiát a korábbi példában is használt ~800 méteres szakaszon.
Alternatív lehetőség: autonóm feszültségszabályozás piaci megoldása
A felhasználói csatlakozási igények kielégítése mellett az uniós és hazai célkitűzéseknek megfelelő megújulóenergia-arány eléréséhez a körzetzárolások feloldása szükséges, az ehhez szükséges műszaki, szabályozási és piaci megoldások kialakításán keresztül.
Az általunk javasolt rugalmassági piaci lehetőség egy autonóm (azaz az előbb tárgyalt megoldáshoz hasonló, a helyi feszültségviszonyok alapján automatizáltan működő) szabályozási megoldás, piaci alapú ellentételezéssel.
Ehhez a Volt-Watt funkciót – a jelenlegi szabályzattól eltérő egységes beállítás helyett – a hálózati elhelyezkedéstől függően állítjuk be. Az ezzel elérhető feszültségszabályozási képesség szolgáltatásként, s nem kötelezően előírt viselkedésként jelenik meg.
Ezen a piacon a keresletet a hálózatot üzemeltető elosztó támasztja, a kínálatot pedig az inverterrel rendelkező eszközök tulajdonosai nyújtják (jelen cikk keretein belül ezt csak a napelemekre szűkítve). A szolgáltatásért az elosztó térítést nyújt, azaz éves díjat fizetne azért, ha a szabályozási funkció egy napelemnél be van kapcsolva. Jelentős kínálat esetén akár meg is versenyeztetheti a rendelkezésre álló ajánlatokat. A kompenzáció számítása a kieső termelés értéke alapján lehetséges, ezzel biztosítva, hogy a napelemes termelő nem szenved el veszteséget, egyben a legkisebb rendszerüzemeltetési költségre való törekvés elvével való konzisztencia is megvalósítható.
Az alábbi ábra illusztrálja a szabályozási képesség elhelyezkedés-függő alakulását. A transzformátort egymást metsző körök, a napelemeket panellogók jelölik, a feszültségviszonyokat a csomópontok és az azokat összekötő szakaszok színezése jelzi, míg a szabályozási képességet a feltüntetett számértékek. A bal oldali példán a napelemek közül egy a transzformátorhoz közel helyezkedik el – ezen a ponton feszültségprobléma nem jelentkezik, ugyanakkor az inverter szabályozási képessége is elhanyagolható, míg a többi, távolabb elhelyezkedő napelem képessége ennek többszöröse. A jobb oldali példán ugyanez az öt napelem meglehetősen egyenetlenül került telepítésre, az egyik ág végén helyezkednek el. Így a kialakuló feszültségprobléma jelentős, de a szabályozási képességek is nagyobbak. Ez a körzet a valóságban egy zárolt körzet lenne.
A leírt szabályozási megoldás mellett a hálózat két pontján a feszültség és napenergia-termelés a következő ábra szerint alakul. A jobb oldali ábrán látható felhasználó feszültsége (transzformátortól vett nagy távolság miatt) déltájban szabályozás nélkül kritikus értéket venne fel (szaggatott vonal). Az autonóm szabályozó ezért helyben csökkenti a teljesítményt, ezzel a feszültséget szabványos tartományban tartja.
A szabályozás hatására a bal oldali (transzformátorhoz közelebbi) felhasználónál is csökken a feszültség. Itt azonban a napelem teljesítménye változatlan.
Autonóm piac jellemzői
A javasolt megoldás előnyei közé tartozik:
- A hálózati elhelyezkedésből fakadó egyenlőtlenségek csillapítása a bekapcsolt Volt-Watt funkcióért járó kompenzáción keresztül. Ezen megközelítéssel az újonnan telepített napelemek mellett a korábban már a hálózatra csatlakoztatott kapacitások is bevonhatóak a szolgáltatásba. Így a korábban telepített eszközök tulajdonosai sem kerülnek hátrányba vagy élveznek előnyöket az új telepítésekhez képest.
- A javasolt megoldás a HMKE-tulajdonosok önkéntes részvételén alapul, de a kieső energia kompenzálásával a napelemtulajdonosok ösztönzöttek a részvételre, mellyel segítik további napelemes termelés hálózati befogadását.
- A napelemtulajdonosok által a hálózat egésze számára nyújtott szolgáltatás értéke számszerűsíthető, megfelelő részvétel mellett hatékony, versenyző környezetet, így rendszerszemléletben a legkisebb költség elvének teljesülését is biztosítja.
A felvázolt piaci megoldást többféle hálózati elrendezést (a telepített napelemek eltérő elosztását) feltételező műszaki modellezésen, és az arra alapuló áramlásszámítást és piaci optimalizációt tartalmazó modellen értékeltük.
Az eredmények alapján levonható fő tanulságok:
- A modellezett hálózaton szabályozás nélkül a zárolási korlátot (amely a jelen cikk értelmezésében 250 V feszültség elérésekor következik be) az áramkörön összesen 90 kW telepített PV kapacitás mellett érjük el. Ebben az esetben a körzet energiafogyasztásának közel 62%-át termelik a napelemek. Ez a határ megfelelő piaci részvétel mellett az autonóm szabályozással 172 kW-ig tolható ki, amely napelemek energiatermelése már meghaladja a háztartások fogyasztását (117%). Tehát a módszerrel jelentősen növelni lehet a beépíthető napelemkapacitást, gyakorlatilag megszüntetve a zárolási korlátot.
- A módszer önmagában ennél jóval magasabb penetrációt is lehetővé tenne, ám ezt korlátozza az EU villamos energia piacáról szóló szabályozása (EU 2019/943 rendelet), miszerint a szabályozással elvesztett energia maximum az éves termelés 5%-a lehet. Ha a feltételt háztartásonként értelmezzük, a helyi energiafogyasztás 88%-át fedező napelemkapacitás telepíthető (130 kW). Ekkor a leszabályozás miatt elvesztett összes energia a körzet termelésének 1%-át se haladja meg.
- A sikeres szabályozáshoz jellemzően csak a napelemek kisebb részénél, mintegy tizedénél szükséges a szabályozást biztosító karakterisztikát bekapcsolni. Ez az arány a szélsőséges esetekben, tehát a napelemek hálózati szempontból kedvezőtlen elosztása vagy alacsony piaci részvétel mellett, nagyjából a napelemek harmadáig emelkedik.
- Bár a cikk a napelemekre fókuszál, a megközelítés valójában kiterjeszthető bármely inverterrel rendelkező eszközre, így a későbbiekben elektromos autótöltéssel és tárolókkal is nyújtható ilyen szolgáltatás. Ennek előnye, hogy ezen eszközöknél még az energiatermelés kiesése is elkerülhető. Bár a szabályozásban való érdemi részvételhez jelen pillanatban még nem áll rendelkezésre elegendő ilyen eszköz, az e-mobilitás és háztartási energiatárolás dinamikus terjedése várhatóan rövid időn belül lehetővé teszi az autonóm szabályozásba való érdemi bevonásukat.
A cikk szerzői:
Dr. Divényi Dániel, egyetemi docens, BME Smart Power Lab, Dr. Závecz Ágnes, kutató, BME Smart Power Lab, Sepsi Csombor, hallgató, BME Smart Power Lab.
Köszönetnyilvánítás:
Dr. Raisz Dávid, laborvezető egyetemi docens, BME Smart Power Lab, Dr. Csatár János, adjunktus, BME Smart Power Lab, Sőrés Péter Márk, tanársegéd, BME Smart Power Lab, Horváth András János, doktorandusz, BME Smart Power Lab, Szolnoki Endre, energetikai szakértő
A címlapkép illusztráció. Címlapkép forrása: Getty Images
