Energiaellts s gazdlkods A 2 Az energiatermels s

Energiaellátás és gazdálkodás – A 2. Az energiatermelés és –ellátás és gazdaságtana

Fajlagos álandó költségek Állandó költségek (éves): Fajlagos állandó költség: Termelt energia:

Fajlagos költségek Fajlagos állandó költség:

Fajlagos állandó költségek – tartalékok Üzemi tartalékok (rÜT) �Feladatok: váratlan hiányok (kiesések) kompenzálása kereskedelmi mérleg helyreállítás gazdaságos üzemvitel korlátozások megelőzése �Típusok: primer szekunder tercier

Tartalékok vs korlátozás Korlátozás és tartaléktartás költsége C PÜT, opt PÜT

Kiesés okozta károk € 2002/k. Wh 0 Vegy- és olajipar Elektronika Fémipar Nemfémek és ásványok Autógyártás Élelmiszeripar Bányászat Textilipar Gumi- és müanyagipar Egyéb gazd. ágazatok 5 10 15

Tartalékok Primer szabályozási tartalék cél: frekvenciacsökkenés megakadályozása, rendszer stabilizálása eszköz: forgó gép, ún. meleg tartalék – szolidaritási elv idő: másodperces nagyság: E/ESZZ=0, 013 Pp, SZZ=~5000 MW

Tartalékok Szekunder szabályozási tartalék cél: frekvencia visszaállítása előírt értékre eszköz: forgó gép, ún. meleg tartalék vagy gyorsan indítható szek. tart. gép – „saját” gép idő: perces-tízperces nagyság: a=10 MW; b=150 MW PVER, max=~7500 MW

Tartalékok Tercier szabályozási tartalék cél: gazdaságos munkapont visszaállítás, szekunder szabályozás újra elérhetővé tétel eszköz: terheléselosztás ( külön témakör) idő: tízperces-órás nagyság: nincs előírt érték

Szabályozási tartalékok Szabályozások működési időtartamai

Szabályozás – tartalékok Szinkronidő szabályozás cél: frekvencia előírt értéken tartás (50 Hz) eszköz: frekvencia alapjel () beállítás módszer: szinkronidő (frekvencia alapján) és UTC (egyezményes koordinált világidő) különbsége alapján: ▪ 20 s: elfogadható ▪ 30 s: normál üzem ▪ 60 s: kiterjedt hálózati zavarok UTC: nem rövidítés csak betűjel angolul: coordinated universal time franciául: temps universel coordonné

Üzemi tartalékok – megvalósítás �Nem maximális teljesítményen üzemelő hőerőművi egységek felterhelése. �Gyorsan indítható berendezések: speciális gázturbinák, vízerőművi egységek (tározós és átfolyós rendszerű). �Lekapcsolható nagyfogyasztó(k). �Vásárolt (import) szekunder tartalék.

Tartalékok – karbantartás Karbantartási tartalék (r. TMK) Nagysága: éves karbantartási terv szerint Világszínvonal ISO 9001 TQM Teljeskörű Hatékony Karbantartás (Total Productive TPM Maintenance) Megbízhatóság alapú karbantartás ERŐMŰVEK Állapotfüggő karbantartás Tervszerű megelőző karbantartás Üzemzavarelhárítás 1950 1960 1970 1980 1990

Egyéb tényezők �Változó hiány (νVH, csak becsülni lehet) környezeti feltételek változása (időjárás) hőszolgáltatás �Önfogyasztás (ε, erősen technológiafüggő) vízerőmű, szélerőmű: ~0% gázturbina: 1. . 3% gőzerőmű: 4. . 5% szén, biomassza, hulladék: 8. . 15. . 20% geotermális: 45. . 55%

Változó költségek Üzemidőtől való függés Cv k e űv őm ók r t r e s ta c d ú n cs re t e n me űv m ő r e alap üzemidő, h cv ek 8760

Fajlagos (átlagos) költségek c=C/E A fajlagos (átlagos) költség üzemidő függése érdekeltség a jobb kihasználásban ha τcs növekszik, akkor cf csökken cf cv üzemidő, h 8760

Szűrőgörbe (Screening Curve) az éves csúcskihasználási óraszám (τcs) függvényében az egységnyi (PBT) teljesítőképességre vonatkoztatott összes (éves) költség Meghatározása:

Szűrőgörbe cp=C/PBT Szűrőgörbe ábrázolása g ég = s k e red ltsé ö k ó áltoz v me fix költségrész 0 0 kihasználási óraszám, τcs , h/a kapacitás kihasználási tényező, CF 8760 1

Szűrőgörbe gáz tur bin a cp=C/PBT Jellemző szűrőgörbék 0 0 sú lu ik tl c á in b m ko mű atomerő őz g z+ gá icsi) k ( ű rőm e n é z s gy) a n ( őmű r e n é sz kihasználási óraszám, τcs , h/a kapacitás kihasználási tényező, CF 8760 1

Szűrőgörbe cp=C/PBT Alkalmazás: előzetes rendszerszintű becslésre („technológiamix”) P τ

Erőforrások optimális allokációja Gazdaságos terheléselosztás üzemelő létesítmények között

Terheléselosztás Feladatok és célok 1. igények kielégítése 2. korlátok betartása 3. cél elérése

Terheléselosztás Matematikai módszerek – operációkutatás Részecske raj algoritmus Genetikus algoritmusok Lágy számítási módszerek Evolúciós programozás Evolúciós algoritmusok Evolúciós startégiák Dinamikus programozás Elágazás és korlátozás Visszalépéses technika Tabu keresés Sztochasztikus módszerek Optimálási eljárások Kimerítő keresésen alapuló Hangya kolónia Szimulált hűtés Sztohasztikus hegymászó Gradiens alapú Indirekt Direkt Newton Fibonachi

Terheléselosztás Alapvetések Üzemvitel csak a változó költséget módosíthatja. Cél: villamosenergia-igény kielégítése minimális (változó) költség mellett Évi (évi átlagos) változó költség: Pillanatnyi változó költség:

Terheléselosztás Klasszikus módszer – két blokk esetére Célfüggvény: a két blokk összes változó költségének minimuma Feltétel: az igényeket ki kell elégíteni Szélsőérték megkeresése: mert a feltételi egyenletből:

Terheléselosztás Differenciális növekmény költség Rövid távú határköltség mennyi többletköltséget okoz 1 k. Wh (1 GJ) többlet villamos energia megtermelése vezessük be a fajlagos hőfogyasztás (q) fogalmát: ezzel:

Terheléselosztás Növekmény hőfogyasztás

Terheléselosztás Növekmény hőfogyasztás és növekmény költség optimális terhelés

Terheléselosztás Jellegzetes erőművi jelleggörbék – CH tüzelésű gőzerőmű 640 3, 5 600 3, 4 560 3, 3 520 3, 2 480 3, 1 440 3 400 2, 9 360 2, 8 320 2, 7 280 2, 6 240 2, 5 200 2, 4 160 2, 3 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 190 200 210 220 Load, MW AFF MFF q Marginal fuel factor; qΔ Average fuel factor (fuel consumption), MW Gas (oil) fired steam power plant

Terheléselosztás Jellegzetes erőművi jelleggörbék – széntüzelésű gőzerőmű 4 600 3, 75 550 3, 5 500 3, 25 450 3 400 2, 75 350 2, 5 300 2, 25 250 2 Average fuel factor (fuel consumption), MW 650 100 125 150 175 Load, MW AFF MFF 200 q 225 Marginal fuel factor, q Δ Coal fired steam power plant

Terheléselosztás Jellegzetes erőművi jelleggörbék – gáz/gőz kimbiciklus 350 2, 8 325 2, 6 300 2, 4 275 2, 2 250 2 225 1, 8 200 1, 6 175 60, 0 85, 0 110, 0 Load, MW AFF MFF q 135, 0 1, 4 160, 0 Marginal fuel factor; qΔ Average fuel factor (fuel consumption), MW CCGT power plant

Terheléselosztás Feltételes szélsőérték-keresés Lagrange-multiplikátorral Célfüggvény: Feltételi egyenlet: Módosított célfüggvény:

Terheléselosztás Feltételes szélsőérték-keresés Lagrange-multiplikátorral Megoldás

Terheléselosztás Grafikus módszer

Terheléselosztás Korszerű lágy számítási módszerek - Evolúciós algoritmus ▪ kiterjedt keresési tér, ▪ nemlineáris egyenletek ▪ kiterjedt korlátozó feltételek

Terheléselosztás Genetikus algoritmus

Terheléselosztás További lágy számítási módszerek: Differenciál evolúciós algoritmus - (differential evolution, DE) Továbbfejlesztett diff. evolúciós alg. - (improved differential evolution, IDE) Tabu kereső (tabu search, TS) - Többszörös tabu kereső (multiple tabu search, MTS) Részecske raj optimálás (particle swarm optimization, PSO) Lényeg: (meta)herurisztika

Korszerű erőforrásallokációs eljárások Tabu, és többszörös tabu keresés Differenciál evolúciós eljárások

Tabu keresés Legjobbnak számít, ha E(xnb)>E(xb), xb a globálisan eddigi legjobb, ekkor xb =xnb lesz legjobb szomszéd egyed, xnb a legrosszabb a TL-re kerül egyed, x keresési tér legrosszabb szomszéd egyed TL

Differenciál evolúciós algoritmus �Kifejezetten terheléselosztáshoz kifejlesztett (ELD, Economic Load Dispatch, gazdaságos terheléselosztás) �Robosztus (konvergens) �Mindig megtalálja a globálisan optimális megoldást �Relatíve lassú

Differenciál evolúciós algoritmus 1. lépés: Kezdeti populáció

Differenciál evolúciós algoritmus 2. lépés: Differencia-vektor létrehozás

Differenciál evolúciós algoritmus 3. lépés: Új vektor (egyed) létrehozása 0<F<1: skálázó faktor (véletlenszám) ui: az új populáció egyedei Kiértékelés minden u-ra Kilépési feltétel ellenőrzése

Differenciál evolúciós algoritmus �Előnyök: egyszerű és kompakt struktúra, kevés kontrol paraméter, magas konvergálási valószínűség a populációs optimalizálások esetén, nagyon robosztus felépítés, Differenciál evolúciós algoritmus alkalmazási tapasztalat a gépészet, vegyipar, kommunikáció és biológia területén, nem ragad meg a lokális optimumban más keresési algoritmusokhoz képest. �Hátrányok: a kiválasztás során az algoritmus nem valós számokat használ, hanem vektorokat a többi számítási módszerhez képest lassabb, de sokkal biztosabb.

Korszerű terheléselosztás Tabu kereső és diff. evolúciós hibrid eljárás �N termelő egység �egységenként Pmin, Pmax, (d. P/dt)min és (d. P/dt)max �dinamikusan változó felbontás: ΔP, azaz F �keresési tér nagysága: [(Pmax -Pmin)/ ΔP]N �tabu lista: (d. P/dt)min és (d. P/dt)max alapján �célfüggvény: Cvar MIN! �korlát: PF=ΣNPi

Externális költségek Az energiatermelés külső (környezeti) költségei

Alapfogalmak Közjavak A környezeti problémák egy része a közjavak létével hozható összefüggésbe. Közjavak jellemzői: – Fogyasztásuk oszthatatlan – Mindenki számára hozzáférhető – Hasznukból senki sem zárható ki

Alapfogalmak Közjavak problémái: Mivel a közjavak hasznából senki sem zárható ki, ezért a piac nem képes biztosítani a hatékony kereslet létrejöttét, vagyis nagy a nem hatékony felhasználás veszélye.

Alapfogalmak Piac: Ahol a kereslet és a kínálat találkozik. Piac jellemzői: – Kompetitív, azaz versengő magatartásra épül. – Valamennyi résztvevő teljes mértékben tájékozott a piaci feltételekről. – Valamennyi vagyoni érték magántulajdonban van anélkül, hogy sértenék a kompetitív jelleget.

Alapfogalmak Külső költségek (külső gazdasági hatás): Pénzügyileg önálló egység (vállalkozás) közvetlenül befolyásolja egy másik pénzügyileg önálló egység (vállalkozó v. fogyasztó) helyzetét anélkül, hogy a piacon kerülnének kapcsolatba. Alfred Marshall Külső költségek hatásai: Pozitív, negatív, érintheti a fogyasztót vagy a termelőt. Alfred Marshall (1842 -1924), angol közgazdász

Alapfogalmak Externáliák: Gazdaságon kívül rekedt hatások. Externáliák jellemzői: – Tevékenység valamely harmadik személy jóléti függvényét módosítja – Jóléti függvény módosítása nem kényszeríti a harmadik felet az anyagi kártérítésre, vagy nem élhet követeléssel. – Harmadik fél részére előidézett hatás létrehozása nem tudatos. Méhész kaptár a gyümölcsösben (beporzás, rovarirtó).

Alapfogalmak Reverzibilis externália W - hulladék mennyisége a -hulladékasszimilációs ráta Ha W túllépi amax-ot, akkor amax hanyatlani kezd, mert a fölött már képtelen megbirkózni a szennyezéssel, de adott időszak után a visszatér amax-ba W amax amin t

Alapfogalmak Irreverzibilis externália Ha W túllépi amax-ot, akkor amax hanyatlani kezd. Amennyiben az asszimilációs működés károsodik, akkor maga amax is károsodik W amax amin amax, új=amin, régi t

Alapfogalmak Környezetszennyezés: Amennyiben a hulladék mennyisége meghaladja azt a mennyiséget, amit a környezet ártalmatlanítani képes, környezetszennyezésről beszélünk. Típusai: – szétoszló (flow típusú); – felhalmozódó (stock típusú)

Alapfogalmak Környezetszennyezés folyamata Gazdasági aktivitás Káros emisszió kijut a környezetbe Szennyezés egy része elnyelődik ártalmatlan formában Nem abszorbeált emisszió Felhalmozódó szennyezés Szennyezés lebontása okozta kár Szennyező készlet okozta kár Szennyezési kár Szétoszló szennyeződés okozta kár

Alapfogalmak Flow (szétoszló) típusú szennyezés Károsítás mértéke az emissziótól függ és csak egyszeri, a következő szennyezés nem adódik hozzá az előzőhöz, mert az feloszlik. (Zajszennyezés) Hígulási, kémiai, biológiai folyamatok révén szétoszlik és a jövőre vonatkozóan elveszti környezete károsító természetét. Reverzibilis, negatív externália.

Alapfogalmak Stock (felhalmozódó) típusú szennyezés Stabil, maradéktalanul felhalmozódó szennyezés, ahol a koncentráció folyamatosan nő. (nehézfémek) Lassan, de mégis lebomló szennyezések. (műanyaghulladékok, radioaktív izotópok)

Externáliák kezelése Externális hatások figyelmen kívül hagyásának következményei Szennyezést okozó tevékenység túlzott lesz túltermelés a piacra. Semmi sem ösztönzi a szennyezés csökkenésére rossz hatásfok Szennyezést okozó szolgáltatás ára túl alacsony túlzott kereslet a piacon Szennyezés környezetbe juttatása olcsó gazdasági értelemben gátolja az újrahasznosítást

Externáliák kezelése Optimális környezetszennyezés • Amennyiben a környezetszennyezés nő, a komfortérzet csökken, így a társadalmi jólét is csökken. • A neoklasszikus gazdaságtan szerint nem a környezetszennyezés megszüntetése a cél, hanem annak gazdaságilag optimális szinten való tartása. • Az externáliának létezik egy optimális nagysága, amely társadalmi méretekben maximálja a hasznok és költségek különbségét.

Externáliák kezelése Optimális környezetszennyezés Szabad versenyt feltételezve A kínálat összevont magánköltsége lényegesen alacsonyabb, mint a társadalmi költsége. Vagyis: Pm<P* Ár, költség e ég lts Ke ö ik res l et t a l á lm a d sa r tá e ltség ö k gán n P* Q*<Q Kí lat Kíná Pm ma m Q* Qm Termelés

Externáliák kezelése Optimális környezetszennyezés MCA: szennyezés csökkentés hatkts, MSB: társadalmi határhaszon MPB: egyéni határhaszon EC: külső határköltség M: marginal C: cost A: abatement S: social P: personal B: benefit

Externáliák kezelése Arthur C. Pigou (1877 -1959) Cambridge University tanára, a Jóléti gazdaságtan c. munkájában (1920) levezette, hogy szükséges a szennyezés megadóztatása. Ronald H. Coase (1910 - ): Társadalmi költségek c. munkájában (1960) Pigou munkájához képest tesz komoly előrelépéseket. Közgazdasági Nobel-díj: 1991.

Externáliák kezelése A Pigou-féle adó (Pigouvian tax) Alapelv: „szennyező fizet” • egységesen kivetett adó, egy külső, nem piaci szereplő által szennyező termelés egységére t* nagyságú adót vetnek ki, ami arra ösztönöz, hogy Qm-ről Q*-ra csökkenjen a termelés. Externális határköltségek (MEC) Károsult költsége Költségek, hasznok • Egyéni tiszta határhaszon (MNPB) Szennyező haszna t* Q* Qm Gazdasági aktivitás Termelő egységes adóval csökkentett határhaszna

Externáliák kezelése A Pigou-féle adó: Hogyan? ár, határköltség MSC A társadalmi költségek fedezete az adó. MPC+t MPC ár adóbevétel kibocsátás adóztatott eredeti

Externáliák kezelése A Pigou-féle adó: Problémák Fizessen a szennyező, vagy védekezzen az áldozat? A szennyezés megadóztatásával befolyó pénzek szétosztásának problémája. hatásterület A beszedett adóra szükség van, az externáliák társadalmilag elfogadott szinten való tartásához, azonban ezt a megelőzésre, nem pedig a károsultaknak való visszaosztásra kell fordítani. megelőzés ↔ kártalanítás

Externáliák kezelése: Coase-tétel Alapelv: Nincs szükség állami beavatkozásra, adók kivetésére, mivel a tulajdonosi köröktől függetlenül alku útján elérhető az externáliák társadalmi optimuma. Példa: Folyó mellett fafeldolgozó Gombaölővel történő impregnálással folyó szennyezése Externális határköltségek (MEC) Károsult költsége Költségek, hasznok Egyéni tiszta határhaszon (MNPB) Szennyező haszna a h b c Folyó egy tóba ömlik, így a parti szálloda vonzereje csökken. 0 d Tulajdonjog a károsultnál i szennyező elbukott profitja g Q* f Qm Tulajdonjog a szennyezőnél Gazdasági aktivitás

Externáliák kezelése: Coase-tétel Hibái: A modell nagyon távol áll a valós világtól. – az alku sohasem kétszereplős – sokszor nehéz megmondani, hogy kik a károsultak és kik a szennyezők – a kármeghatározáshoz nem mindig elégségesek az információk Az alku költségei meghaladhatják az alku hasznát A felek ritkán hajlandók alkura, inkább megpróbálják áthárítani az alku megoldását a társadalomra.

Externáliák kezelése: Megvalósítás Pigou-féle adó: termék- és eljárási díjak Kibocsátási (környezetterhelési) díjak: ösztönző és forrásteremtő eszközként egyaránt alkalmazható. Ezeket a díjakat a szennyezőanyag levegőbe, vízbe vagy talajba történő juttatása vagy zajáratlom miatt szabják ki, a szennyezőanyagok minősége és mennyisége alapján. Felhasználói (szolgáltatási) díjak: a díjjal szemben ténylegesen nyújtott szolgáltatás áll. (pl. szennyvíztisztítás, hulladékszállítás, -ártalmatlantás)

Externáliák kezelése: Megvalósítás Pigou-féle adó: termék- és eljárási díjak Eljárási díjak: illeték jellegűek, mert bizonyos hatósági tevékenységek adminisztrációs költségeinek fedezését szolgálják. Megkülönböztetünk engedélyezési és ellenőrzési, illetve regisztrálási díjat. Termékdíjak vagy adók: olyan termék árába épülnek be, amelyek életciklusuk valamelyik szakaszában (termelési, fogyasztási és hulladékfázis) szennyezik a környezetet. Pl. üzemanyagok, kenőanyagok, akkumulátorok, csomagolóeszközök stb.

Externáliák kezelése: Megvalósítás Pigou-féle adó: termék- és eljárási díjak Betéti díjak (letétvisszatérítés): a díj összegét, vagy annak egy részét a befizető visszakapja, ha a díjköteles terméket használat után meghatározott módon visszaadja (pl. üvegbetét. ).

Externális költségek: Energetika Költségfeltárás célkitűzései: Technológiák összehasonlítása, a verseny előmozdítása Valamennyi költség feltárása A „legkisebb társadalmi költség” elvének érvényesítése A környezeti erőforrásokkal való gazdálkodás segítése A környezet védelmének előmozdítása

Externális költségek: Energetika Értékelési módszerek – áttekintés Módszerek Forrás oldali Környezetközpontú Károsodás elvű „fentről-lefelé” Egyszerűsített Életciklus alapú „lentről-felfelé” fent: környezeti elemek (amik károsodnak) lent: szennyezőforrások (amik károsodást okoznak)

Externális költségek: Energetika Károsodás elvű megközelítések

Externális költségek: Energetika Életciklus alapú megközelítések

Externális költségek: Energetika Hatáslánc-módszer (Impact Pathway Approach, IPA) Forrás modell a kibocsátás leírására Terjedési modell

Externális költségek: Energetika Dózis-hatás (kár) modell a környezeti károk leírására Kár-költség modell a környezeti károk pénzértékben való kifejezésére

Externális költségek: Energetika A dózis-hatás (dose-response) függvény logisztikus lineáris probit

Externális költségek: Energetika Optimális környezetterhelés

Externális költségek: Energetika Fajlagos külső költségek