A MEH részére 2010-ben készült „A villamosenergia termelés externális költségei, különös tekintettel a megújuló energiaforrásokra” c. elemz? tanulmány részlete
Hivatkozási referenciaként a következ?t használják:
Peter Kadar:
Power generation portfolio optimisation by externality minimization
Acta electrotechnica et informatica; Faculty of Electrical Engineering and Informatics,
Technical University of Kosice, SK; April-June 2010, vol.10. No.2, 2010, ISSN 1335-8243,
pp5-9
1. Optimalizációs modell
A következ?kben módszert és modellt adunk az er?m?park/mix összeállítására vonatkozóan. A vizsgálatot csak villamos energia termelésre végzetük, de pontos bemeneti adatok és világos cél struktúra esetén az optimalizációt tovább lehet finomítani, illetve h? és közlekedési területre is ki lehet terjeszteni.
Optimalizáció esetén valamely szempont szerint, valamilyen számokkal kifejezhet? értékeket szeretnénk valamilyen határok közé beállítani. Az értékek beállítása egyszer?bb esetben minimum vagy maximum kereséssé fordítható.
Egyszer?bb esetben egy értékre keressük az optimumot (Single Objective Optimisation – SOO), más esetben több értékre együttesen (Multi Objective Optimisation – MOO). Komplex esetekben, mint pl. az energetikai stratégia, tipikusan MOO problémáról van szó.
Szerencsére ma már számos számítógépes, numerikus matematikai eszköz hozzáférhet?, amelyekkel az MOO problémákat szinte gombnyomással meg lehet oldani.1 azt demonstráljuk, hogy a fentebbi fejezetekkel kialakított adatsorokkal is igen hatékonyan lehet jöv?beli alternatívákat vizsgálni. A demonstrációban SOO optimalizációt végzünk a következ? célok szerint:
A demonstráció arra is felhívja a figyelmet, hogy a durva, sematikus, leegyszer?sített SOO szempontok alapján történ? tökéletes matematikai optimumok egymástól igen eltér? szcenáriókat javasolnak. Ezek szerint nem javasolható, hogy a megújuló er?források 13%-os részarányának kés?bbi meghatározásakor kizárólag egy-egy szempont alapján adjanak aránykiosztást („legolcsóbb – legkisebb kibocsátású – legjobb társadalmi hatású”).
Rögzítésre kerültek:
- A meglév? er?m?vi kapacitások, típusonként
- A maximális b?vítés/b?víthet?ség a vizsgált jöv?beli évre
- A megtermelend? éves energiamennyiségek (jelenlegi 40 TWh, illetve 50 TWh 2020-ban.
- A maximális éves kihasználhatóság
- A potenciálisan megtermelhet? éves energia mennyiség
- A beépített MW-onkénti megtermelt éves energia mennyiség
- Az externális költségek nagyságrendje, a megtermelt energiára vonatkoztatva
- A CO2 kibocsátás, a megtermelt energiára vonatkoztatva
- A jelen helyzethez képesti b?vítés
- Beruházási ktg.
- Élettartam
- Beruházási ktg. Egy éves TWh-ra vonatkoztatva (no fuel and maintenance)
- Minimális éves megtermelt mennyiség
- Esetenként a 13 %-os megújuló részarány
1-1. ábra: Egy jöv?beli er?m? kiosztási alternatíva2
Az általunk használt fejlesztési keretek:
1-2. táblázat: Az optimalizációnál használt tájékoztató adatok a hazai er?m?parkról I., 2020
1.1 CO2 minimalizálás
50 TWh energiatermelésnél, az optimalizáció az összes megújuló lehet?ség kifejlesztését, illetve azon túl a nukleáris fejlesztést javasolja. A megújuló részarány ekkor 18%. A teljes CO2 kibocsátás 7, 43 Mt. Leállítaná az összes széner?m?vet.
1.2 CO2 minimalizálás, 13% megújulóval
50 TWh energia termelésnél, az optimalizáció 13%-os megújuló részarány mellett a szél, víz, biogáz és geotermális lehet?ség kifejlesztését javasolja, illetve azon túl a nukleáris fejlesztést. A teljes CO2 kibocsátás 7, 768 Mt. Leállítaná az összes széner?m?vet, nem fejleszt PV-t, biomasszát.
1.3 Externália minimalizálás
13,6 % Megújulót javasol 50 TWh megtermelésében, az össz. externális ktg. ekkor 395 MEUR. A szén alapú termelést leállítja. A CO2 kibocsátás 7,65 Mt.
1.4 Externália minimalizálás
13% megújuló mellett az 50 TWh megtermelésében, az össz. externális ktg. ekkor 401 MEUR. A szén és biomassza alapú tüzelést leállítja. A CO2 kibocsátás 7,8 Mt.
A következ?kben a beruházási ktg. tekintetében végzünk számításokat. Az adatokat a következ? táblázat tartalmazza.
1-3. táblázat: Az optimalizációnál használt tájékoztató adatok a hazai er?m?parkról II., 2020
1.5 Beruházási költségek minimalizálása – jelenlegi helyzet
Bevezetjük az 1 TWh- energia el?állításához szükséges er?m? létrehozásának költségét (teljes. beruházási ktg./teljes élettartam alatt megtermelt energia). Ezzel a különböz? élettartamú er?m?vek összehasonlíthatóak lesznek.
A jelenlegi helyzet reprodukálása, azaz a 40 TWh/év megtermelése a jelenlegi er?m?parkkal, az adott évre vetítve 95,6 MEUR er?m?vet „használ el”.
Mindeközben 13,23 Mt CO2 kibocsátását számítottuk, ami alig 10%-al tér el a 2005-2009-es kibocsátás átlagától – a mi a nagyságrendek helyességét igazolja.
1-4. ábra: A villamosenergia szektorra jutó CO2 kibocsátási értékek3
1.6 Beruházási költségek minimalizálása
A következ? táblázatban 50 TWh-s igényt elégítünk ki a jelenlegi megújuló eszközpark b?vítése nélkül. Ha csak a költségeket nézzük, akkor a fejlesztést kizárólag gázer?m?re vonatkozik. Ennek hozzávet?leges kibocsátása 18,83 MT! Ennek éves „elhasznált költsége” 113 MEUR.
1.7 Beruházási költségek minimalizálása – 13%
A következ? táblázatban 50 TWh-s igényt elégítünk ki a 13 % megújuló eszközzel is. Ha csak a költségeket nézzük, akkor a fennmaradó különbözetet gázer?m?veknek kell adnia. Ennek hozzávet?leges kibocsátása 17,05 MT! Ennek éves „elhasznált költsége” 127,7 MEUR.
1.8 Összefoglaló táblázat
- Az eljárás az irány és nagyságrend kijelölésére megfelel?
- Nem szabad csak egy szempont szerint optimalizálni, mert ezek jelent?sen eltér? fejlesztési irányokat határoznak meg.
- Az er?m?arány kiosztás MOO feladat
- Van egzakt számítási módszer, nem a napi politikának kellene döntéseket hozni
- Viszonylagos érzéketlenség a megtermelt energia mennyiségére vonatkoztatva
- Viszonylagos érzéketlenség az externáliák kis eltérésére
- Nem szabad energetikai monokultúrára berendezkedni
Az adatok indikatív jelleg?ek!
A költségtakarékos megoldásokban az üzemanyagköltségek tetemesek!
Az er?m?, az üzemanyag és az externális költségek összemérhet?ek!
1-5. ábra: Optimalizációs alternatívák
1-6. ábra: Er?m?vek éves összköltsége költségtípusok szerint (létesítés, üzemeltetés [megújuló energia hányad, megtermelt összenergia], externális ktg., [kibocsájtott CO2])
Az ábrán jól látható, hogy társadalmi összköltség tekintetében (létesítés + üzemeltetés + externália) a legkisebb létesítési költség? er?m?vek a legdrágábban (fosszilis).
Megállapítások:
- A komoly CO2 vagy externália minimalizálás kb. azonos költség? és hatású
- A költségtakarékos megoldás még a 13%-os megújuló részaránnyal is óriási kibocsátás (és externália) növekedést von maga után
- A gáz részarányt nem szabadna tovább b?víteni
- Minél több széler?m?vet kell építeni
- A vízer?m? mindig belekerült a mixbe
- A jelenlegi típusú biomassza fejlesztést egyik egyedi optimum sem kívánja
- Mindegyik optimum fejlesztené a nukleáris részt (vigyázat, ez nem jelenti, hogy szabályozható a rendszer, egy tározós er?m? egyértelm?en növeli az externális költségeket!)
Fontos kérdés lehet, hogy egy rendelkezésre álló pénzösszeg elköltésénél milyen hatékonysággal érjük el a kívánt célt. A következ? diagram azt mutatja, hogy 1 millió EUR beruházással hány TWh
- er?m?vi kapacitást
- er?m?vi kapacitást + üzemanyag költséget
- er?m?vi kapacitást+ üzemanyag költséget + externália költséget tudunk fedezni.
Jól látható, hogy a fosszilis technológiák kapacitás létrehozás tekintetében versenyképesek, de hosszútávon a legdrágábbak (er?m?vi kapacitás építés + üzemanyag költség + externália). Itt már versenyképes a megújuló technológiák többsége.
Pontos költségadatokkal ez az optimalizáció valós eredményt tud adni. Javasoljuk a módszer kés?bbi alkalmazását.
A fentiekben ismertetett, az externália témakörhöz kapcsolódó adatokra vonatkozó felhasználási javaslat nem volt feladatunk, ezt mint szakmai vélemény közöltük. Az optimalizációt egy célértékre végeztük. Több célérték esetén is vannak kész numerikus matematikai eljárások, viszont ott igen csak politikai – iparpolitikai kérdés, miként súlyozzuk egymáshoz képest a célértékeket.
2 Elektronikus számítási segédlet
A mellékelt számolótábla célja (számolótábla.xls), hogy egy egyszer?en használható eszközt adjon annak vizsgálatára, hogy különböz? peremfeltételek, és fajlagos értékek változása milyen hatással van különböz? forgatókönyvek (célok) elérésére.
A táblázat 4 el?re programozott forgatókönyvet (célt) tartalmaz a vizsgálatokhoz. Mivel az egyes esetek megoldásához az Excel „Solver” funkcióját használtuk, ezért a számolótábla használatának el?feltétele, hogy a gépen telepítve legyen a „Solver” b?vítmény (Alapértelmezés szerint az Excel telepítésekor ez a b?vítmény nem települ fel automatikusan!).
A számolótábla különböz? szín? cellákat tartalmaz a könnyebb kezelés érdekében. Az egyes színek jelentése a következ?:
A vizsgálatok az alábbi er?m? típusokat kezelik:
A vizsgálat elvégzésének lépései a következ?k:
- Adjuk meg, illetve módosítsuk a kiindulási alapadatokat (sárga szín? cellák)
- Adjuk meg, illetve módosítsuk a kényszer feltételeket (narancs szín? cellák)
- Válasszuk ki a vizsgálni kívánt esetet és töltsük be a Solverbe a megfelel? adatmodellt (lila szín? cellák)
- Futtassuk le a Solvert a kiválasztott adatmodellre
- Olvassuk le az eredményeket (zöld szín? cellák) és a számított értékeket (kék szín? cellák)
A vizsgálat logikai felépítése a következ?:
- Adjuk meg a jelenlegi er?m?park összetételét, valamint a számításokhoz használt egyéb paramétereket.
- Adjuk meg, hogy a jöv?ben az egyes er?m? típusoknál mekkora minimális, illetve maximális beépített teljesítmény b?vüléssel számolunk
- Adjuk meg a minimálisan elvárt éves villamosenergia termelési igényt és az elvárt minimális megújuló részarányt
- Válasszuk ki, hogy az el?re megadott 4 forgatókönyv közül melyik vizsgálatot szeretnénk elvégezni
- A vizsgálat eredményeként megkapjuk, hogy az adott cél eléréséhez az egyes er?m? típusokból a megadott minimum és maximum limiteken belül mekkora additív kapacitás létesítése ajánlott.
A számolótábla által kezelt 4 forgatókönyv a következ?:
A vizsgálatok elvégzésének részletes leírása:
1. Adjuk meg, hogy jelenleg melyik er?m? típusból mennyi üzemel (MW)
2. Adjuk meg ezen er?m? típusok tipikus kihasználtságát (ez alapján számolódik a kihasználási óraszám, illetve az évente megtermelhet? villamosenergia mennyiség a beépített teljesítmény alapján)
3. Adjuk meg ezen er?m? típusok fajlagos externális költségét (c€/kWh)
4. Adjuk meg ezen er?m? típusok fajlagos CO2 kibocsátását (g/kWh)
5. Adjuk meg ezen er?m? típusok átlagos élettartamát (év)
6. Adjuk meg ezen er?m? típusok fajlagos beruházási költségét (millió €/MW)
7. Adjuk meg ezen er?m? típusok fajlagos tüzel?anyag költségét (€/MWh)
8. Adjuk meg, hogy 2020-ig ezen er?m? típusokból minimálisan és maximálisan mekkora additív beépített teljesítmény várható (MW)
9. A kiválasztott esetre vonatkozóan adjuk meg a minimálisan elvárt éves villamosenergia termelési igényt (MWh)
10. A kiválasztott esetre vonatkozóan adjuk meg a minimálisan elvárt megújuló részarányt
11. Töltsük be a kiválasztott esethez tartozó adatmodellt (Eszközök/Solver menüpont, Beállítás gomb, Modell betöltése gomb, az esethez tartozó modell terület kijelölése /1. eset: H23:H29, 2. eset: I23:I29, 3. eset: J23:J29, 4. eset: K23:K29/, majd OK, ismét OK)
12. Futtassuk le az adott vizsgálatot (Solver-ben a Megoldás gombra kattintás)
13. Tekintsük meg az eredményeket az „Optimális additív beépített teljesítmény 2020-ig” oszlopban
14. Tekintsük meg a további számított adatokat.
3 Melléklet 5. – Az optimalizációs modell
A feladatra az Archer Tool TM lineáris programozási shell-jét használtuk. Az egyes értékeket normálni kellett. El?ször az egydimenziós célfüggvényt kellett meghatározni, amit minimalizáltunk. Több célfüggvény közötti összefüggés esetén is lehet?ség van az optimalizálásra, de a célok közötti súlyozás már gazdasági – társadalmi – politikai kérdés.
3-1. ábra: Minimalizálandó célérték
3-2. ábra: Constraint tábla az externális összeg minimalizációja esetén Az egyes paraméterek korlátait, határértékeit, összefüggéseit a constraint táblában lehet megadni. A matematikai megoldás során az egyes változók kapnak úgy értéket, hogy eközben teljesítik a megfogalmazott célfüggvény minimalizálását.
3-3. ábra: A megoldás
3-4. ábra: A termelési arányok
Lábjegyzetek
1 Az optimalizálásra az Archer Tool Linear Programming programcsomagot használtuk
2 Civin Vilmos: Energiapolitika egy állami tulajdonú villamosenergia-ipari társaság szemszögéb?l; Energiagazdálkodási fórum, Kakasd, 2008. június 5.
3 A Magyar Köztársaság 2008-2012 id?szakra szóló Nemzeti Kiosztási Terve; 2007. 01. 17.
