Bíróné Dr. Kircsi Andrea Dr. Tar Károly Lázár István ... · KÖRNYEZETTUDATOS...

KÖRNYEZETTUDATOS ENERGIATERMELÉS FÖLDH , SZÉLENERGIA, NAPENERGIA, VÍZENERGIA

160

Bíróné Dr. Kircsi Andrea1�Dr. Tar Károly2�Lázár István3

Módszer a szélenergia potenciál meghatározására a Hernád-völgy példáján

Abstract The Department of Meteorology at University of Debrecen started a research project (OTKA K 75794) in 2009 in Hernád-valley in order to examine climatic and socio-economic conditions with the aim, that we establish what kind of potential are at disposal of the area concerned to wind, solar energy and to utilization of biomass. We measure expedition-like the characteristics of the airflows on 2 altitude levels in a measurement tower, which set up in the northern part of the valley, in border of city of Hidasnémeti. In this study we demonstrate, how can we make a detailed wind site assessment and that the topographic feature how influences the spatial distribution of the wind speed based on WINDSIM model.

1. Bevezetés

Az elmúlt években az id járásfügg megújuló energiaforrások közül a szélenergia vitathatatlanul fontos szerepl jévé vált a világ energiaszerkezetének. A szélenergia hasznosítás fejl dése, a széler m vek telepítésének üteme az ezredforduló óta szinte töretlennek látszik a világban. A szektor fejl désére tett el rejelzések gyakorlatilag mindig alulbecsülték a tényleges széler m kapacitásb vülést. 2010 végére az összesített széler m kapacitás meghaladja a 194 GW-ot (GWEC 2011), melyb l mintegy 84 GW Európában üzemel (EWEA 2011). Egy átlagosan szeles évben ez az er m vi kapacitás 181 TWh villamos energia termelésére képes, mely a 2009. évi európai bruttó energiafelhasználás 5.3%-át jelenti. Világszerte az éghajlatváltozás elleni küzdelem részeként a 2020, 2050 id távra vonatkozó energetikai stratégiai tervekben a szélenergia arányának további növelése fogalmazódik meg.

A Debreceni Egyetem Meteorológiai Tanszéke 2009 óta egy komplex, klimatológiai és társadalmi�gazdasági szempontokat figyelembe vev kutatási program keretében vizsgálja a Hernád-völgyben az id járásfügg megújuló energiaforrások (szélenergia, napenergia, biomassza) területi potenciáljait. A kutatás egyik célkit zése, hogy el segítsük ebben a gazdaságilag elmaradott térségben a megújuló energiaforrások használatát úgy, hogy mindez ne okozzon visszafordíthatatlan károkat a terület gazdag természeti, tájképi értékeiben.

A szélenergia hasznosítás sikere attól függ, hogy mennyire ismerjük a beruházás megkezdése el tt a rendelkezésre álló szélenergia-potenciált akár ipari, akár háztartási méret alkalmazásokról van szó. Ellenkez esetben nagyon nagy kockázatot vállalunk, hogy a kezdetben nagy beruházás-igény szélenergia projektek ténylegesen üzletileg tényleg kedvez eredménnyel fognak-e járni. A szélenergia projektek megtérülése jobban függ a telephelyen kinyerhet szélenergia potenciál rendelkezésre állásától, mint az alkalmazott kötelez átvételi árak jöv beli lehetséges változásától. A szélenergia különösen érzékeny a telephely földrajzi helyzetére, a környez domborzati elemek, akadályok elhelyezkedésére, a felszín érdességére és más egyéb tulajdonságaira (BAILEY ET AL. 1997). A szélsebesség térbeli szerkezetének megismeréséhez ismernünk kell ezeket a tényez ket. Az a célunk, hogy bemutassuk, hogy a

1 Bíróné Dr. Kircsi Andrea Debreceni Egyetem, Meteorológiai Tanszék, Debrecen E-mail: [email protected] 2 Dr. Tar Károly Nyíregyházi F iskola, Turizmus és Földrajztudományi Intézet, Nyíregyháza E-mail: [email protected] 3 Lázár István Debreceni Egyetem, Meteorológiai Tanszék, Debrecen E-mail: [email protected]

Create PDF files without this message by purchasing novaPDF printer (http://www.novapdf.com)

http://www.novapdf.com



161

Hernád-völgyben kijelölt mintaterületünk 3D domborzatmodellje miként befolyásolja az 50-110 m magasság között a szélpotenciál területi képét.

2. Anyag és módszer

Felhasznált klimatológiai adatbázis Mintaterületünk a Kárpát-medence tájbeosztása szerint (HAJDÚ-MOHAROS J. HEVESI A.

1997) a Sajó-Hernád-medence középtájon belül található Alsó-Hernád-völgy kistáj magyarországi szakaszán található (1. ábra). A Hernád-folyó völgye hazánkban északkelet-délnyugati irányban fut a Cserehát és az Eperjes-Tokaji-hegység vonulatai között természetes kapcsolatot építve az Északnyugati-Kárpátok és az Alföld között. Földrajzi helyzete, domborzati adottságai alapján feltételezzük, hogy természetes útvonalat ad a Keleti-Beszkidek irányából érkez légtömegeknek, és részt vesz a hegységi és síkvidéki területek között zajló helyi légcserében (PÉCZELY 1976).

1. ábra. A kutatás mintaterületének földrajzi helyzete A szélklimatológiai kutatás céljára a Hernád-völgy északi részén felállításra került egy

20 m magas mér torony, melyen szélirány és szélsebesség mér ket helyeztünk el 2 magassági szintben (10 m és 20 m). A szélirányjelz a mér oszlop 10 m magasságban gy jtött adatokat. Az állomás Hidasnémetit l nyugatra, a település határától kb. 500 m-re található egy kisebb dombon. Földrajzi koordinátái: É.sz. 48°30�, K.h. 21° 13� tengerszintfeletti magassága 173 m.

A felméréshez a 2010. április 23. és 2011. szeptember 11. közötti 17 hónapos id szakban 10 m és 20 m magasságban mért 10 percre átlagolt szélsebesség és szélirány adatokat használtuk. A id szak adatlefedése 92%-os volt, rövidebb adathiány 2010 júniusában, míg hosszabb ideig 2010/2011 téli hónapjaiban volt. 2010. december és 2011. február között a hideg téli id járás akadályozta a szenzorok biztos m ködését.





162

Alkalmazott szélmodell Egy területen rendelkezésre álló szélpotenciál jellemz ir l információt alapvet en

tapasztalati úton, egy adott pontban a szélsebesség mérésével gy jthetünk. Ha ezt a mérést egy magassági szintben végezzük, akkor nem vagy csak nagy hibával kalkulálhatjuk a várható energiatermelést szélenergia konverterünk számára. Szélsebesség adatainkat célszer en vertikálisan a majdani er m tengelymagasságára kell átszámítanunk, de egy mérési pont adatait horizontálisan, területi extrapolációnak is alá kell vetnünk, hogy a lehet legalkalmasabb helyszínt megtaláljuk (BAILEY ET AL. 1997). Korábbi vizsgálatainkban (KIRCSI A. 2004) már összehasonlítottuk, milyen elvek mentén lehet a szélsebesség adatok területi extrapolációját elvégezni. A szilárd felszín felett áramló leveg sebességét számos er hatás mellett a küls és bels súrlódás, a domborzat, a felszín érdessége és felszíni mesterséges akadályok együttesen befolyásolják. Ha a domborzat hatása elhanyagolható, akkor az érdesség változást figyelembevev bels határréteg modellek jelentenek jó megoldást (pl. WAsP modell). Komplex domborzatú helyszínek esetén azonban a turbulencia szempontjából dinamikus megközelítés lehet alkalmasabb.

A Hernád-völgyi szélpotenciál felméréséhez a norvég VECTOR AS által fejlesztett CFD (Computational Fluid Dynamic) analízisen alapuló szélfarm tervez eszközt, a WindSim 5.0 verzióját alkalmaztuk. A programcsomag alapját a PHOENICS program adja, amely egy 3D Reynolds átlagolású Navier-Stokes egyenlet megoldó alkalmazás (CASTRO ET AL. 2003; LOPEZ ET AL. 2007). A tömeg-, momentum- és energiacserét leíró nem-lineáris mozgásegyenleteket a program iterációval közelíti.

A moduláris felépítés modell több lépcs ben jut el a domborzat által befolyásolt átlagos szélsebesség térbeli eloszláshoz, amely végeredményben meghatározza a kiválasztott szélenergia hasznosító berendezés várható energiatermelését (2. ábra).

2. ábra. A WindSim programcsomag felépítése A program a digitális terepmodell figyelembevételével szélirányszektorokra számítja a

domborzat révén keletkez helyi gyorsulásokat és más turbulencia paramétereket. Az adott koordinátaponton végzett szélmérések figyelembevételével ezt követ en szélirányszektorokra el állítja a számított szélmez t, melyb l a szélirány gyakoriság alapján súlyozott átlagot készít, mely egy adott magassági szinten rendelkezésre álló szélenergia potenciál térképet adja eredményül. A modell alkalmas a széler m típusától függ várható éves energiatermelés becslésére, és a kapott eredmények 3D megjelenítésére. Gyakorlati cél a modell alkalmazásához, hogy tervezett széler m park egyes turbinái a potenciál szempontjából optimális helyre kerüljenek.

A WindSim modell futtatásának kiinduló pontja egy digitális terepmodell. Kutatásunk els szakaszában SRTM (Shuttle Radar Topography Mission) adatbázisból származtatott terepmodellt használtunk (3a. ábra), melyet az NGA (National Geospatial-Intelligence Agency) és a NASA által irányított nemzetközi konzorcium készített 2000 februárjában





163

(FARR, T. G. ET AL. 2007). Az SRTM adatbázisban a magassági adatok domborzat mellett tartalmazzák az épületek, erd k és más érdességi elemeket. Emiatt a WindSim modell futtatásához térben homogén érdességi magasságot adtunk, és más formában nem vettük figyelembe a felszínborítás érdességnövel hatását. Az SRTM felbontása kb 90 m x 90 m.

A domborzat hatása kulcsfontosságú a CFD analízisben, így 1:50 000 méretarányú topográfiai térképek digitalizálásával el állítottunk egy részletesebb felbontású domborzatmodellt (3b. ábra). A szintvonalakból generált terepmodell legf bb jellegzetessége, hogy az érdességnövel környezetei elemek, pl. a 30 m magas erd területek, nem jelennek meg 3D terepmodellként. A részletesebb domborzat mellett a területhasználati típusokon alapuló édességtérkép el állítása pontosíthatja a jöv ben modellezett eredményeinket.

a) b)

3. ábra. A szél területi modellezéséhez használt domborzatmodellek a) SRTM b)1:50 000 topográfiai térkép alapján készített domborzatmodell

3. Eredmények A Hidasnémeti közelében 2010 áprilisa és 2011 szeptembere közötti több mint 17 hónapos

mérési periódus alatt gy jtött széladatok alapján az alábbi megállapításokat tehetjük. A 10 m magasságban mért átlagos szélsebesség 3,12 m/s, míg 20 m-en 3.39 m/s. A mérési periódus alatt a legnagyobb szélsebesség meghaladta a 15 és 19 m/s-ot. Az 50 m magasságban az átlagos energiatartalma a szélnek kb. 50 W/m2. A Hernád-völgy országhatárhoz közel es részén az északias és a vele ellentétes délies szélirányok a leggyakoribbak (4. ábra). A nyugati irány a Cserehát, míg a keleti a Tokaj-Eperjesi-hegység vonulatai miatt kisebb gyakoriságúak. A 30° szélesség szélirány szektorok esetén a legnagyobb szélsebesség az északkeleties és dél-délnyugatias irányokhoz tartoznak a völgy futásának megfelel en. Az uralkodó szélirány egyértelm en az északi, így a Kassa fel l fújó szél általában a legnagyobb energiatartalmú.





164

4. ábra. Szélirányok gyakorisága és a szélirányszektorokhoz tartozó szélsebesség eloszlás Hidasnémetin 20 m magasságban

A két magasságban végzett szélmérések miatt meg tudtuk határozni a hatványkitev s

formulában az kitev értékét, mely átlagosan 0.122-nek adódott. A szélsebesség profilból számított érdességi magasság 0.003 m. A szélsebesség napi járása síkvidéki jelleget mutat, azaz a nappali órákban, jellemz en 14-15 óra környékén mértünk átlagosan magasabb szélsebességet. Mindkét magasságban mért szélsebesség eloszlást Weibull eloszlással tudtuk közelíteni.

A korábban bemutatott terepmodellek felhasználásával a WindSim segítségével 50, 60, 70, 80, 90, 100, 110 m magasságra készítettünk áttekint széltérképet. Az 50 m széltérkép (5. ábra) és a 100 m magasságra készített széltérkép (6. ábra) alapján megállapíthatjuk, hogy északnyugati, északi irányú szelek esetén a Cserehát nem jelent jelent s akadályt, a modellezett szélsebesség déli irányba haladva fokozatosan csökken a folyóvölgyben. A nagyobb szélsebesség értékek a Zempléni-hegység magasabb hegyvonulataihoz kapcsolódnak, Vilmány és Hejce térségében.

5. ábra. A szélsebesség modellezett térbeli eloszlása Hidasnémetin 50 m magasságban a) SRTM digitális dombozatmodell, b) 1:50 000 topográfiai térkép alapján készített

domborzatmodell





165

A rendelkezésre álló szélpotenciál kihasználására azonban valójában inkább csak a Hernád �völgy keleti, Cserehát fel li oldalán van ténylegesen esély. Belátható, hogy mind 50 m, mind 100 m magasságban már a terület legnagyobb részén van gazdaságosan kihasználható szélenergia potenciál, azaz területi átlagban legalább 5 m/s feletti széler sség.

6. ábra. A szélsebesség modellezett térbeli eloszlása Hidasnémetin 100 m magasságban a) SRTM digitális dombozatmodell, b) 1:50 000 topográfiai térkép alapján készített domborzatmodell

4. Következtetések A WindSim modell alkalmas az eredeti kutatási cél végrehajtásához. Az alkalmazott

digitális terepmodellek láthatóan befolyásolták a modellezett szélpotenciál térbeli képét, azonban a különbségek várakozásaink alatt maradtak. Az általunk vizsgált SRTM és az 1:50 000 méretarányú 3D modell közül ez utóbb alkalmazásával kaptunk magasabb szélsebesség értékeket.

Köszönetnyilvánítás A szerz k köszönettel tartoznak az OTKA K 75794 számú kutatási pályázat támogatásáért.

Irodalom

CASTRO, F. A. PALMA, J. M. L. M. LOPES, A. S. (2003) Simulation of the Askervein Flow. Part 1: Reynolds averaged Navier-Stokes equations (k-epsilon turbulence model). Boundary-Layer Meteorology 107 (3): pp. 501-530.

EWEA (2011) Wind in Power. 2010 European statistics. (Ed.) Wilkers, J. Moccia, J. The European Wind Energy Association, Brussels 11 p.

FARR, T. G. ROSEN, P. A. CARO, E. CRIPPEN, R. DUREN, R, HENSLEY, S. KOBRICK, M. PALLER, M. RODRIGUEZ, E. ROTH, L. SEAL, D. SHAFFER, S. SHIMADA, J. UMLAND, J. WERNER, M. OSKIN, M. BURBANK, D. ALSDORF, D. (2007) The Shuttle Radar Topography Mission. Reviews of Geophysics 45 (2): art. no.-RG2004.. ISSN: 8755-1209 DOI: 10.1029/2005RG000183

GWEC (2011) Global Wind Report. Annual Market Update 2010. The Global Wind Energy Council, 72 p.





166

HAJDÚ-MOHAROS J. HEVESI A. (1997) A Kárpát � Pannon térség tájtagolódása. In: Magyarország földje. Kitekintéssel a Kárpát-medence egészére. (szerk.) Karátson D. 555 p. Magyar Könyvklub, Budapest pp. 294-306.

KIRCSI A. (2004) Szélsebesség adatok területi extrapolációja � lehet ségek és nehézségek. In: A megújuló energiák kutatása és hasznosítása az Észak-Alföldi régióban 2003. November 24. Debrecen (szerk.) Kircsi A. Baros Z. Magyar Szélenergia Társaság kiadványai No.2., pp. 71-78.

LOPES, A. S PALMA, J. M. L. M. CASTRO, F. A. (2007) Simulation of the Askervein Flow. Part 2: Large-eddy simulations. Boundary-Layer Meteorology 125 (1): 85-108. DOI: 10.1007/s10546-007-9195-4

PÉCZELY GY. (1979) Éghajlattan. Tankönyvkiadó, Budapest BAILEY, B. H. MCDONALD, S. L. BERNADETT, D. W. MARKUS, M. J. ELSHOLZ, K. V. (1997) Wind Resource

Assessment Handbook. NREL Subcontract No. TAT-5-15283-01 79 p.




Bíróné Dr. Kircsi Andrea Dr. Tar Károly Lázár István ... · KÖRNYEZETTUDATOS...

Documents

Transcript of Bíróné Dr. Kircsi Andrea Dr. Tar Károly Lázár István ... · KÖRNYEZETTUDATOS...