Mi fog történni 2038. július 24-e szombatján a magyar energetikában? Mely feltételek mellett célszerű Magyarországon a 2030-as évek második felében a paksi atomerőmű által termelt villamos árammal vízbontással hidrogént előállítani? Balogh Ádám, a bécsi székhelyű Energy Community nemzetközi szervezet energia-infrastruktúra szakértője a Green Policy Center felkérésére készített írásában többek között ezen kérdésekre keresi a választ.
Miért az elmúlt néhány évben jelent meg a hidrogén ”hype”, ami gyakorlatilag felváltotta az (eddig) be nem teljesedett szén-dioxid-leválasztás, hasznosítás és -tárolás (CCUS) témáját? Továbbá miért főként Nyugat- és Észak-Európában?
Sok egyéb ok mellett azért, mert ezen országok közül egyre nagyobb számban képesek a villamosenergia termelésük folyamatosan növekvő hányadát megújuló energiaforrásokkal előállítani, és ami fontosabb, időjárásfüggő megújulókkal fedezni. Az időjárásfüggő megújulók bizonyos aránya[1] felett pedig a rendszeregyensúly fenntartásához, illetve a termelésük lekapcsolásának elkerüléséhez (curtailment) új megoldásokra van szükség[2], mely lehetséges megoldások közül a vízbontáson alapuló (elektrolízis) hidrogéntermelés egy jó opció lehet. Azonban fontos szem előtt tartani, hogy a cél nem a hidrogéngazdaság maga, hanem egy klímasemleges gazdaság kialakítása, ahol a hidrogén egy eszköz ennek eléréséhez.
Hogy jön a képbe a Paksi Atomerőmű és főként miért éppen 2038. július 24-én szombaton?
A Nemzeti Energiastratégia[3] célként határozza meg a “nukleáris termelőkapacitások szinten tartását”, illetve azt, hogy a beépített fotovoltaikus kapacitások 2040-re közelítsék meg a 12.000 MW-ot. A fotovoltaikus termelés időjárásfüggő megújuló energiaforrás, a nukleáris kapacitás pedig úgy hasznosítható a leghatékonyabban, legbiztonságosabban és legolcsóbban, ha folyamatosan a névleges kapacitása közelében, ”zsinórban” termel áramot.
Paks II kétszer 1260 MW-os blokkjainak üzembeállására hivatalos határidő ugyan nincs, viszont a villamos rendszerirányító legfrissebb, a hosszútávú rendszertervezést megalapozó szcenárióelemzésében[4] azzal a feltételezéssel él, hogy a két blokk 2029-ben, és 2030-ban léphet termelésbe. A négy meglévő paksi blokk reaktorai az üzemidőhosszabbítás alapján[5] 2032 és 2037 között érik el 50 éves üzemidejüket, és ekkor kerülhetnek ki a rendszerből.
Tehát 2038. július 24-e napos szombatján jó eséllyel legalább 12.000 MW[6] kevéssé szabályozható nukleáris, illetve elsőbbségi alapon átveendő kapacitás (PV) lesz termelésben a magyar rendszerben. 13 óra körül a rendszerterhelés a jelenlegi feltevések alapján kb. 5.500-6.000 MW körül lehet[7]. A rendszerben lévő többi, akár megújuló energia kapacitást még nem is említettük. De mit kezdjünk a fennmaradó 6.000-6.500 MW termeléssel? Hogyan biztosítsa a magyar rendszer a ”le-irányú”, vagyis a termelés gyors visszafogására vagy a fogyasztás gyors felfuttatására irányuló rugalmasságot?
Például exportálhatjuk, és az Ausztriában található kapruni szivattyús-tározós erőműben[8] ”eltárolhatjuk” az áramot akár az önkényesen kiválasztott 2038. július 28. hétfő estig, amikor is a jelenleg rendelkezésre álló információk alapján, egy meleg, nyári munkanapon az esti csúcsban (PV termelés nélkül) a terhelés akár 8.400 MW-9.400 MW körül is lehet[9]. Ha ezt magyar energiakereskedő teszi meg, a profit itthon marad. Persze Ausztriában az átviteli rendszer kapacitásaiért és a szivattyús-tározós erőmű használatáért a magyar kereskedő az osztrák rendszerirányítónak[10], és az erőmű tulajdonosának fizet.
Ellenkező esetben lekapcsolhatunk több ezer megawattnyi naperőművet a hazai rendszerről, ami pazarlás lenne. Továbbá részben visszaterhelhetjük az új paksi blokkokat, amelyek erre elvileg képesek lesznek[11] ugyan, de ez méretüknél fogva a problémát sem oldaná meg, és korántsem ideális megoldás.
A 2030-as évek második felére (remélhetőleg már korábban is) várhatóan a villamos áram fogyasztók széles körének (beleértve a lakosságot is) teszik majd lehetővé a szabályozási és technológiai megoldások, hogy a fenti túlkínálat miatt kialakuló kedvező áramárat kihasználják.
Ezt más-más fogyasztók más-más módokon tehetik meg. A termelését átütemezve növelheti villamos áram felvételét egy üzem, ha erre a gyártási technológia, az automatizálás foka, a logisztikai megoldásai rövid távon lehetőséget nyújtanak. Az is elképzelhető, hogy feltölti az ipari méretű akkumulátorait egy üzem vagy egy villamosenergia kereskedő cég. Akár a lakossági fogyasztó is reagálhat; a telefonapplikációban előre beállított áramárat lefelé átlépve a mosógép automatikusan beindíthatja a mosást (limitáras megbízás)[12], vagy ekkor töltheti fel a rendszer a háztartási akkumulátort vagy a villanyautót. A fenti megoldások összefoglaló néven a kereslet-oldali intézkedések (demand-side measures/management) vagy az okos fogyasztás (smart consumption) körébe esnek.
Van azonban még egy lehetőségünk: elektrolizáló[13] berendezésekkel, vízbontással hidrogént állíthatunk elő, ezzel növelve a rendszer le-irányú rugalmasságát, az elektrolizálók összkapacitásától függően akár több száz MW-al, részben felhasználva a fent bemutatott 6.500 MW többlet teljesítményt.
A vízbontással előállított hidrogén önköltsége a jelenleg használt földgáz-gőz reformálás (steam methane reforming – SMR) önköltségének többszöröse[14][15]. Viszont az SMR technológia rendkívül karbon-intenzív, így a technológiai fejlődés, a méretgazdaságosság és a szén-dioxid kvóta árának emelkedése 2030 utánra versenyképessé teheti az elektrolizáló technológiát[16][17][18]). A hidrogén önköltségi ára azonban nagyon érzékeny a felhasznált villamos áram árára. Így a gyakorlatilag nulla határköltségű megújuló termelés, vagy a Paks II Zrt. saját elektrolizáló projektje esetén, az önköltségen figyelembe vett áramköltség versenyképessé teheti a hidrogén előállítást.
A vízbontás során veszteség keletkezik[19], főleg, ha a hidrogént energiatárolásra szánjuk és vissza kívánjuk alakítani elektromos árammá[20][21], ezzel is hozzájárulva a napi fogyasztási csúcs- és völgyidőszakok kiszabályozásához. Az árammá visszaalakítást megtehetjük üzemanyagcellákkal; vagy a földgázhálózatba keverve, esetleg dedikált hidrogén vezetéken eljuttatva, gázturbinás erőműben is.
A hidrogén felhasználása[22] a 2030-as évekre rendkívül szerteágazóvá válhat[23] az energetikában[24], az iparban (hő- és alapanyag), a közlekedésben vagy a lakossági-kereskedelmi hűtés-fűtésben egyaránt, így az atomerőműhöz kapcsolódóan termelt hidrogén növelheti a jövőbeni hazai ellátásbiztonságot, csökkentheti az import igényt, és hozzájárulhat a karbonsemleges hidrogén hazai előállításához.
Ezek mind olyan szempontok, amelyek pozitív externáliaként a rendszer rugalmasságának növelése (kiegyenlítő energia megtakarítás), a hidrogén (és az oxigén[25]) értékesítése mellett javíthatják a projekt társadalmi-gazdasági megtérülését.
Továbbá az is rendkívül fontos, hogy az Európai Uniós Zöld Taxonómia[26] végül hogyan ítéli meg a nukleáris alapú áramtermelést a fenntarthatóság és a ”ne okozz jelentős kárt” alapelv (do no significant harm) szempontjából, illetve milyen életciklus-kibocsátási határértéket (life-cycle emission threshold) rendel a fenntartható hidrogéntermelés mellé.[27] Bár a Bizottság bemutatta a vonatkozó jogszabályokat, a nukleáris energia fenntarthatóságának eldöntését nyárra halasztották. A magyar kormány álláspontja másik hat uniós, atomerőművet üzemeltető, vagy azt tervező tagállammal egyetemben az, hogy a nukleáris energia nemcsak elismerendő mint karbon-semleges technológia, de támogatandó is.[28] Amennyiben kedvező lesz az elbírálás, és az atomerőmű által megtermelt villamosenergiával előállított hidrogén is karbonsemleges hidrogénnek minősül, akár európai uniós támogatások, vagy olcsóbb finanszírozás is elérhetővé válhat a nemzetközi pénzügyi intézményektől, mint az Európai Beruházási Bank (EIB) vagy az Európai Újjáépítési és Fejlesztési Bank (EBRD) elektrolizáló projekt megvalósítására. A hidrogén felhasználásának körét a jövőben alapvetően fogja befolyásolni a szén-dioxid kvóta ára és az, hogy mely szektorokra fog kiterjedni annak alkalmazása.
Összességében egyik fenti lehetőség
sem jelent százszázalékos megoldást 6.500 MW többlet teljesítmény
kiszabályozására, így várhatóan különböző technológiai megoldások dinamikus
portfóliója fogja biztosítani a magyar villamos rendszer egyensúlyát 2038.
július 24-e délutánján, viszont a fentiek alapján ebben a mixben a hidrogénnek
is szerepet kellene játszania közvetlen és járulékos előnyei miatt.
A szerző közgazdász (Szegedi Tudományegyetem, Bécsi Közgazdaságtudományi Egyetem) és a bécsi székhelyű Energy Community nemzetközi szervezetnél energia-infrastruktúra szakértő
[1] https://www.iea.org/reports/introduction-to-system-integration-of-renewables
[2] Villamosenergia-tárolási technológiák mint az akkumulátor, vagy akár a villanyautók, továbbá okos kereslet-oldali intézkedések (demand-side measures), ”termelő-fogyasztók” (prosumer), a termelés decentralizációjának trendenje a prosumerek megjelenésével, adatelemzésből és digitalizációból következő új rendszerszabályozási megoldások és fogyasztói magatartások, egyre szorosabban működő európai villamos áram piac, stb.
[3] https://www.enhat.mekh.hu/s/nemzeti_energiastrategia_2030.zip
[4] MAVIR – A magyar VER természetviselkedései 2020, 1. táblázat – https://www.mavir.hu/documents/10258/15454/HFT2020_A+magyar+VER+term%C3%A9szetviselked%C3%A9sei_kivonatolt.pdf/f9867df0-3c7e-a991-b02b-59412398b4ce?t=1612963620252
[5] http://www.atomeromu.hu/hu/rolunk/technika/Plusz20Ev/Lapok/default.aspx
[6] 9.500 MW PV és 2.520 MW atomerőmű
[7] MAVIR – A magyar VER természetviselkedései 2020, 10. Ábra. –
[8] https://www.verbund.com/de-at/ueber-verbund/kraftwerke/unsere-kraftwerke/kaprun-oberstufe-limberg-2
[9] MAVIR – A magyar VER természetviselkedései 2020, 10-11. Ábra
[10] Osztrák villamos rendszerirányító – https://www.apg.at/en/
[11] A 3+ generációs VVER-1200-as blokkok elvben képesek terheléskövető üzemmódban is üzemelni – Paks II Zrt. Az Új Atomerőművi Blokkok Létesítési Engedélyezése – Közérthető Összefoglaló – https://www.paks2.hu/documents/20124/157426/K%C3%B6z%C3%A9rthet%C5%91+%C3%B6sszefoglal%C3%B3.pdf/cd2233fa-fd01-34eb-16ae-5c3a185c1d55
[12] 10.000 mosógép kb. (1-2 kw/ mosógép) = 10-20 MW teljesítményt vesz fel adott időpillanatban; http://www.energiakozossegek.hu/sites/default/files/tippek_berendezesek_%C3%A1tl_fogy.pdf
10.000 hálózatról, nem otthoni napelemről, normál otthoni töltéssel vételező villanyautó kb. (3,7 kW/auto) = 37 MW teljesítményt vesz fel adott időpillanatban.
https://villanyautosok.hu/2019/01/07/mennyire-gyors-a-villanyautok-toltese/
[13] https://www.researchgate.net/figure/The-three-types-of-electrolysers-a-Acidic-PEM-Polymer-Electrolyte-Membrane-b_fig3_320669694
[14] 0,916-1,42 EUR/kgH2 SMR vs 3,1-4,00 EUR/kgH2 alkaline elektrolizálóval (AE), míg 4,2-4,8 EUR/kgH2 proton-elektron membrán (PEM) elektrolizálóval
1 EUR = 1,2 USD
[15] ESMAP – World Bank Group – Green Hydrogen in Developing Countries Table.3.3 WEC 2018 (Large Scale) és Table 3.4 (ESMAP 2020 lowest price és base case) https://openknowledge.worldbank.org/bitstream/handle/10986/34398/Green-Hydrogen-in-Developing-Countries.pdf?sequence=1&isAllowed=y
[16] 3,0/3,5 EUR/kgH2; akár 1,66 EUR/kgH2
[17] UNECE Draft Report for production and use of hydrogen in Ukraine Table 3. – http://unece.org/sites/default/files/2021-03/Hydrogen%20Roadmap%20Draft%20Report_ENG%20March%202021.pdf
[18] ESMAP – World Bank Group – Green Hydrogen in Developing Countries
[19]Villamos áram->hidrogén átalakítás elektrolízissel, technológiától függően jelenleg 61-78% hatékonyságú; 2030-ra 80-82% elérhető
UNECE Draft Report for production and use of hydrogen in Ukraine
[20] Hidrogén->villamos áram átalakítása üzemanyagcellával, technológiától és alkalmazástól függően 45-65% hatékonyságú; hőhasznosítással együtt technológiától függően elérhető a 70-90% is
ESMAP – World Bank Group – Green Hydrogen in Developing Countries –
[21] Fentiek alapján a kombinált villamos-villamos átalakítás hatásfoka (round-trip efficiency) technológiától és alkalmazástól függően kb. 27%-70%
[22] https://masfelfok.hu/2020/07/23/hidrogen-zold-energia-europai-unio-klimavaltozas/
[23] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/TXT/?uri=CELEX:52020DC0301
[24] https://eur-lex.europa.eu/legal-content/EN/ALL/?uri=COM:2020:299:FIN
[25] Acélgyártáshoz szükséges, így akár a Dunaújvárosi Vasműnek is értékesíthető, ha még a 2030-as években is termelni fog. https://hu.wikipedia.org/wiki/Ac%C3%A9lgy%C3%A1rt%C3%A1s
[26] https://ec.europa.eu/info/business-economy-euro/banking-and-finance/sustainable-finance/eu-taxonomy-sustainable-activities_en
[27] https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/eu-taxonomy-shutting-the-door-to-grid-powered-hydrogen-critics-say/
[28] https://www.euractiv.com/section/energy-environment/news/macron-orban-urge-eu-to-actively-support-nuclear-power/
