Gyakran felmerül egy egyszerű kérdés: éjjel rendelkezésre áll-e a napenergiával megtermelt áram? Túlegyszerűsítve úgy is szokták ezt kérdezni, hogy éjszaka süt-e a nap, de ez félreértésekre adhat okot, így járjuk körbe ennél alaposabban a témát. Ennek során többek között szó esik napelemekről, akkumulátorokról, a Tesláról és még a baracklekvárról is.

A napelemek szerencsére Magyarországon is egyre inkább terjednek. A beruházók energetikai cégek mellett kisebb vállalatok, intézmények (óvodák, iskolák), sőt magánemberek. Az egyéni felhasználók a napelemeket célszerűen a háztetőre telepítik. De mennyi napelem kell egy átlagos háztartás ellátásához? Ennek kiszámítása nem ördöngösség. A napelemek telepítését előkészítő mérnökök a háztartás által egy év alatt elfogyasztott villamos energiát veszik alapul, és a helyi adottságok alapján a napelemekre becsült kihasználtsági tényező segítségével könnyen számítható a szükséges napelemtáblák összes névleges teljesítőképessége.

Napelemes rendszer a háztetőre telepítve (A kép forrása: Wikipédia)

Optimális esetben ez a napelem annyi villamos energiát állít elő egy év alatt, mint amennyit a háztartás elhasznál. Jelenti-e ez azt, hogy ez a bizonyos háztartás ettől önellátó lesz?

NEM!!! Nagyon nem jelenti ezt!

Miért? Erről szól a jelen poszt.

A marketing szövegek sokszor ezt sugallják, ezt sulykolják a zöld szervezetek és ebbe a tévképzetbe manőverezik magukat a tulajdonosok is. A tévedés abban rejlik, hogy – ahogy azt már ezen a blogon is számtalanszor kifejtettem – a villamos energia NEM TÁROLHATÓ a villamosenergia-rendszer léptékében (szivattyús tározós vízerőművek hazánkban nincsenek, és ahol vannak, ott is a teljes villamosenergia-rendszer méretéhez képest limitált ezek kapacitása).

Persze, persze, mondhatja a kedves olvasó, de a jövő itt van velünk, számos gyártó dob piacra otthoni használatra tervezett akkumulátorokat, amikkel a nappal (napelemekkel) megtermelt villamos energiát eltárolhatjuk, így az éjszakai fogyasztást ebből könnyedén fedezhetjük. Ez is egy jó marketingszöveg, de a valóság nem ennyire egyszerű. Bár ezek az akkumulátorok segítenek (széles körű elterjedésük esetén segítenének) a nappali áramtermelés éjszakai felhasználásában, úgy tűnik, túl sok napelem tulajdonos nem siet megrendelni a sok millió forintos akkumulátorokat. Az akkumulátorok beruházási és karbantartási költségei nagyon jelentős többletköltséget adnának hozzá ugyanis az eltárolt villamos energia termelési költségéhez, ami egyszerűen nem kifizetődő, különösen akkor nem, ha a közcélú villamosenergia-hálózat és -rendszer a „tárolás”-t (valójában a rendszeregyensúly fenntartását) "ingyen", pontosabban a többi felhasználó pénzén megoldja.

De van még egy fontos tényező, amit szeretnek az emberek figyelmen kívül hagyni. Ez pedig a napelemek szezonális teljesítőképesség-ingadozása. Amíg egyszerűnek tűnik a nappal megtermelt „napenergiát” eltárolni éjszakai használatra, úgy érezhetően fogósabb kérdés a nyáron megtermelt napenergiát „elrakni télire”, vagyis akkumulátorokban tárolni azt, a téli igények fedezésére gondolva.

Miért ekkora probléma ez? Nézzük meg egy tipikus napelem, például a már egyszer hivatkozott ráckeresztúri 3,2 kW névleges teljesítményű napelem által havonta termelt villamos energia mennyiségét!

A 3,2 kW-os ráckeresztúri napelemek által havonta megtermelt energia mennyisége
(Forrás: saját számítások a fenti linken elérhető adatok alapján)

A nyári és a téli termelés közötti (január és július közötti) hatszoros (!!) különbséget nem lehet nem észrevenni.

Tehát ha nagy léptékben kívánjuk társadalmunk áramellátását fotovoltaikus termelésre alapozni, akkor a folyamatos villamosenergia-ellátás biztosításához a nyáron megtermelt extra villamos energiát hónapokon keresztül tárolni kellene, hogy télen is fedezni tudja a szükségleteinket. Ehhez, mint már korábban is leírtam, akkumulátorokra vagy más energiatárolókra van szükség. (Ez lehet sűrített levegős vagy forgó tömeges energiatároló, de egyéb megoldási lehetőségek is forognak az irodalomban, az egyes technológiák érettségi foka nagyon eltérő, általában a prototípus építéséig jutottak el.) Jelen bejegyzésben maradjunk az akkumulátoroknál.

A legfontosabb kérdés, hogy mennyi akkumulátorról beszélünk?

Ebben az esetben az éves fogyasztást egy körülbelül 3,5 kW-os csúcsteljesítményű fotovoltaikus napelemes rendszer képes biztosítani, ugyanis a napelemek éves kihasználtsága Magyarországon nagyjából 11-12% (a nagy mennyiségben PV-ket telepítő Németországban átlagosan 10% alatti), és akkor még nem számoltunk az évek során bekövetkező hatásfok-csökkenéssel sem. A megtermelt villamos energia mennyisége viszonylag könnyen számítható: ha 11,5%-os kapacitás kihasználási tényezőt feltételezünk, akkor a 3,5 kW névleges teljesítményű napelem az év 8760 órája alatt

3,5 kW * 8760 h * 11,5% = 3526 kWh

villamos energiát állít elő. Önmagában a napelem nem elegendő a háztartás villamosenergia-ellátásához, ehhez a megtermelt áramot átalakító berendezésre, inverterre is szükség van. Ez karbantartást, bizonyos időszakonként cserét igényel, és belső veszteségei miatt a rendszer hatásfokát is rontja, de ezeket a jellemzőket az egyszerűsítés kedvéért most hagyjuk figyelmen kívül.

Tehát a napelem nyáron többet, télen kevesebbet termel, mint amennyire az adott háztartásnak szüksége van. Nézzünk meg egy naptári évet! Ahhoz, hogy egész évben önellátóak legyünk a 3,5 kW-os napelemünk által termelt villamos energiával, január 1-én egy „félig töltött” akkumulátor-parkkal kell indítanunk az évet, hogy egészen addig el tudjuk látni villamos energiával a berendezéseinket, amíg a napi termelés ismét több lesz, mint amennyit naponta elfogyasztunk. (Ilyenkor kezdődik a raktározás a téli hónapokra.)

Mit mutatnak a számítások? Az alábbi ábra jól szemlélteti a feltételezett házi rendszer üzemvitelét.

A feltételezett házi akkumulátorpark éves töltési-kisütési görbéje (Forrás: saját számítások)

A diagramot valós (2014-es), negyedórás német napelem termelési adatok és átlagos háztartási villamosenergia-fogyasztási görbék felhasználásával készítettem el, veszteségmentes tárolást (!) feltételezve. (A német napelem-parkok dimenziótalanított termelési görbéi jól használhatók, hiszen negyedórás felbontásban állnak rendelkezésre az interneten, valamint az egyes önálló napelemre jellemző termelési ingadozások ki vannak küszöbölve a nagyobb rendszerben.)

A termelési adatokat ezután a ráckeresztúri telephelyre vonatkozóan vizsgáltam abból a szempontból, hogy az itt jellemző 11,5%-os kihasználtság mellett adódott termelést (de az időbeli eloszlásra továbbra is a német adatok alapján) hasonlítottam össze a háztartás adott negyedórás felbontású fogyasztási eloszlásával.

Az ábrát szemlélve a következő következtetések vonhatók le:

• Ha az adott háztartást az év folyamán kizárólag a napelemünk által termelt, akkumulátorokban tárolható villamos energiával szeretnénk ellátni, akkor körülbelül 320 kWh akkumulátorba betárolt energiával kellene indítani az évet január 1-én.
• Ebben az esetben az akkumulátorok március első hete környékére már teljesen kiürülnének, de „szerencsére” pont eddigre kezd a napelemünk napi szinten többet termelni, mint amennyit mi akkor éppen naponta elfogyasztunk.
• Ezt követően a "tücsök és a hangya" mesében hallottakat követve egész nyáron elraktározzuk a termelésünk és a fogyasztásunk közötti többletet, töltjük az akkumulátorokat, így szeptember közepére elérjük az akkumulátorok maximális töltöttségét. Ez esetünkben több mint 850 kWh betárolt energiát jelent.
• Szeptember közepétől kezdve az akkumulátorok eleinte lassan, majd egyre gyorsabban merülnek, így december végére a már említett, kb. 320 kWh villamos energia marad az akkukban, amivel a következő év márciusig el tudjuk látni magunkat. (Ha azonos időjárású éveket feltételezünk.)
• Fontos hangsúlyozni, hogy ha tényleg ilyen rendszert építenénk, akkor megfelelő konzervativizmussal a valóságban a példában szereplőnél nagyobb kapacitást építenénk be, hogy a termelési és fogyasztási ingadozásokat figyelembe véve kellő biztonsággal legyen minden körülmények között villamos energia a háztartásban, és nem engednénk meg egyik családtagunknak sem, hogy olyan új fogyasztót vásároljon, ami növeli a háztartás éves fogyasztását. Az egyszerűség kedvéért most itt a tárolási veszteségekkel és tartalékokkal sem számoltunk.

Mekkora akkumulátor-park kellene ezen mutatvány végrehajtásához?

Nos, minden szempontból NAGY!

Érdemes ott kezdeni, hogy egy hagyományos autó akkumulátorának tárolókapacitása általában 0,6 kWh. (12V és 45-55 Ah a jellemző paraméterek, ezek szorzásával kapjuk a tárolókapacitást Wh mértékegységben.) Ennek ára nagyjából 15.000 Ft, súlya kb. 13 kg. Elemi műveletekkel gyorsan kiszámolható, hogy a 850 kWh villamos energia tárolásához körülbelül 1400 db autó akkumulátor kellene, ennek költsége körülbelül 21 millió forint lenne. Az 1400 autó akkumulátor tömege összesen több, mint 18 tonna. Elképesztő számok, nem? A környezetterhelésről ne is beszéljünk, ahogy arról sem, hogy ezek az akkumulátorok mennyi időt bírnának ki, mielőtt újakat kellene venni helyettük.

Persze az autóakkumulátorok használatának feltételezése nem kifejezetten életszerű, hiszen ezeket az eszközöket egyáltalán nem ilyen üzemre tervezték. Ma már létezik az autó akkumulátornál „igényesebb”, direkt háztartási felhasználásra tervezett házi akkumulátor is, ezek közül az egyik leghíresebb a TESLA cég által bemutatott Powerwall.

Powerwall akkumulátorok (a képen 3 db) a TESLA sajtótájékoztatóján (A kép forrása: geeky-gadgets.com)

A Powerwall típust eredetileg két méretben tervezte forgalmazni a gyártó: a napi fogyasztás-ingadozások kiegyenlítésére szánt 7 kWh-s, illetve a nagyobb időtávok ingadozásainak áthidalására tervezett 10 kWh-s típus, illetve mindkét típust tetszőleges számban összekapcsolva, akkumulátor-rendszerként. Később a 10 kWh kapacitású termék lekerült a palettáról (feltehetően nem volt versenyképes a piacon), míg a 7 kWh-s rendszer kapacitását 6,4 kWh-ra módosították, azonos áron.

Bár ez az akkumulátor viszonylag kis helyen elfér (egy darab méretei: 86 cm széles, 130 cm magas, 18 cm mély; térfogata 0,2 m³), 135 db-ot nehezen helyezne el bárki a garázsában. Egy másik elgondolkodtató szám: egy darab 6,4 kWh kapacitású akkumulátor nettó tömege 97 kg, így otthonunk ellátására több mint 13 tonna akkumulátort tartanánk otthon. A fenti számok ugyan érdekesek, de a legnagyobb gond a képzeletbeli önellátó háztartás tulajdonosa számára az akkumulátortelep ára lenne. 280 Ft-os dollár árfolyammal számolva ugyanis

(darabja 3000$, szerelés, inverterek, csatlakozók nélkül).

Az akkumulátorok élettartama 5000 ciklus a gyártó szerint, és 10 év garanciát vállal rá, vagyis az akkumulátor-rendszert körülbelül 10-14 évente le kell cserélni, vagyis ennyi időnként a fenti beruházási költség újra felmerül…

A fenti gondolatmenet alapján mindenki levonhatja a következtetést, hogy önellátóak vagyunk-e, amikor napelemet szerelünk a tetőre. Valójában nyáron, napsütötte időben, napközben termelünk napenergiát, este/éjszaka/hajnalban/felhős időben és télen a víz-, atom-, és a fosszilis erőművek által megtermelt energiát fogyasztjuk a hálózatról. A kiegyenlítés költségeit pedig a többi felhasználó fizeti.

A kérdéskört egyébként a TESLA is ambivalensen kezeli, egymásnak ellentmondó mondatokkal vezeti félre a tájékozatlan vásárlót:

„Combine solar panels and one or more Powerwall home batteries to power your home independently from the utility grid. A net zero energy rating means that your home produces as much energy as it consumes, but is still connected to the utility grid for periods of high demand.” (Forrás)

Magyarul a 2. mondatban a TESLA-nál is elismerik, hogy a villamosenergia-hálózatra továbbra is csatlakozni kell, az első mondatban mégis azt sugallják, hogy „egy vagy több Powerwall házi akkumulátorral” független lehetsz a hálózattól. Hát, a 135 db akkumulátor belefér az „egy vagy több” kategóriába, de azért ezen a ponton nem fejtették fel a valóság minden szálát. :-)

Smart-rendszereket alkalmazva a napon belüli fogyasztás eloszlását ugyan jelentősen befolyásolhatjuk (pl. akkor üzemeljen a mosógép és a klíma, ha éppen sokat termel a napelem), de a szezonális ingadozás kiegyenlítése ennél sokkal nagyobb feladat. Elvégre senkitől nem várható el, hogy csak nyáron mosson, vasaljon, tévézzen, süssön, és dolgozzon a számítógépén. És ilyenkor az ipari fogyasztók villamosenergia-igényéről és annak módosítási lehetőségeinek korlátairól még egy szót sem szóltunk.

A megújulóenergia-alapú villamosenergia-termelés képes arra, hogy a hagyományos energiatermelők tüzelőanyagából megtakarítson, de önmagában nem képes kiváltani a hagyományos áramtermelőket, ha a villamosenergia-rendszer egészét vizsgáljuk, nem csak kitüntetett időszakokat. Könnyű arra hivatkozni, hogy a kiegyenlítést majd megoldja az országos rendszer, vagy éppen más országok villamosenergia-rendszere, mint ahogy elég érdekes módon próbálkoznak ezt a problémát eltussolni a dánok, a németek, vagy a Wuppertal Intézet és az Energiaklub tanulmánya, de a rendszer működtetéséhez sok erőműre, berendezésre, és szaktudásra van szükség.

Mivel a jelenlegi villamosenergia-rendszerben nem áll rendelkezésre elegendő mennyiségű ipari méretű tárolókapacitás, ezért például napelemek indokolatlanul nagy mennyiségű rendszerbe integrálása igen nagy terhet ró a rendszert energiával stabilan ellátó konvencionális erőművekre.

Mindennek megvan a maga helye, még akkor is, ha a zöld marketing nem ezt mondja. Én egyébként nyaranta eltárolom a napenergiát, és felhasználom télen: lekvárt főzök, ami igen jól esik ilyenkor, őszi időben vagy télvíz idején. A megfelelő feldolgozás után a lekvárosüvegben a sárgabarack, a meggy, a cseresznye, az eper vagy éppen az őszibarack kiválóan eláll hónapokig, sőt évekig is. A villamos energiát azonban sajnos nem tudjuk a befőttes üvegekbe töltve eltárolni.

A napenergia tárolásának ősi módja - saját, házi készítésű lekvárok (saját fotó)