Napi több tízezer eurós megtakarítást is hozhat a nagyfeszültségű hálózat hatékonyabb kihasználása

krtk blog Az ELTE Közgazdaság- és Regionális Tudományi Kutatóközpont blogja.

A villamosenergia-kereskedelem lebonyolítása magas fokú koordinációt igényel. Ennek egyik oka, hogy a villamos energia nagy mennyiségben hatékonyan, illetve gazdaságosan a terület technológiai fejlődése ellenére továbbra sem tárolható. A rendszerbe betáplált és az elfogyasztott energia mennyiségének minden időpontban egyensúlyban kell lennie, hogy a fogyasztók által érzékelhető frekvencia (50 Hz), ezáltal a rendszer egésze, és az ellátás stabil maradjon.

Egy másik tényező, ami miatt a koordinációra szükség van az, hogy a fizikai törvényszerűségek miatt a hálózat egy betáplálási és egy vételezési pontja közötti energiaátvitel során a keletkező áram a két pont közötti összes lehetséges, párhuzamos útvonalat egyidejűleg terheli. Azt, hogy a terhelés egésze ezen párhuzamos útvonalak között hogyan oszlik meg, a hálózat topológiája és a hálózati elemek paraméterei határozzák meg. Ha az 1. ábrán bemutatott példát tekintjük, és feltételezzük, hogy mindhárom kapcsolódás ugyanolyan tulajdonságokkal rendelkezik (azaz pl. azonos hosszúságú, azonos felépítésű távvezetékek), valamint azt az tranzakciót vizsgáljuk, melynek keretében 3 egység energiát kívánunk C-ből A-ba juttatni, akkor az áramterhelés az ábrán jelölt módon oszlik meg a hálózati elemek között: A közvetlen C --> A útvonalon 2 rész, a C --> B --> A útvonalon 1 rész terhelés jelenik meg (nagyon leegyszerűsítve: a 2 vezeték soros kapcsolásából összetevődő útvonalnak 2x akkora az ellenállása, így azon feleakkora áram fog folyni, mint a direkt kapcsolaton).

Ezen két okon kívül további tényezőkre, például bizonyos erőművek tehetetlenségére is tekintettel kell lenni az energiaegyensúly tartásához szükséges fel- és leterhelési folyamatok során.

A fenti tényezők miatt a villamosenergia-kereskedelmi tranzakciók jelentős része a koordináció szempontjából szükséges, szabályozott keretek között megkötött előzetes szállítási megállapodások alapján jön létre. Az úgynevezett európai előzőnapi piacokon (day-ahead markets), mint például a 2022-ben közel 800 TWh forgalmat bonyolító NordPool-on, vagy a magyarországi HUPX-en is ilyen, előre meghatározott, mindkét fél számára előnyös megállapodások megkötésére van lehetőség, ahol az értékesítők és vásárlók ajánlatainak kiértékelése (egykörös) aukciós keretek között történik. Az előző napi piacok komplex piactisztító algoritmusai figyelembe veszik a hálózati elemek terhelhetőségét is, s így az aukciók lehetővé teszik a különböző területek közötti energiaszállításokat is, automatikus határkeresztező ajánlatpárosítással (az ún. piac-összekapcsolások révén).

Visszatérve a három területes példánkhoz: Ha feltételezzük, hogy a vezetékek terhelhetősége egyenként legfeljebb 4-4 egység, akkor megállapítható, hogy ha egy adott kereskedelmi periódusban (jelenleg: órában), csak az 1. ábra szerinti bemutatott 3 egységnyi C --> A tranzakció valósul meg, akkor a minden hálózati elem terhelése bőven e szint alatt marad, így ez a tranzakció megengedett. De ha a 3 egységnyi C --> A szállításon kívül még 6 egységnyi kereskedés történik B --> A viszonylatban (2. ábra) – ebből 4 egység folyik a direkt B-A útvonalon, a maradék 2 C ponton keresztül –, akkor az A és B közötti vonal eredő terhelése (4+1=5) már meghaladná a megengedett 4 egységet.

Az összekapcsolt energiapiac üzemeltetőjének fő kérdése megfogalmazható úgy, hogy a maximális haszon érdekében mely tranzakciókat milyen mértékben engedélyezze oly módon, hogy a hálózati infrastruktúrát a megadott terhelhetőségi kereteken belül használja ki. Ahhoz, hogy ezt el tudjuk dönteni, meg kell vizsgálnunk, hogy melyik tranzakció mekkora gazdasági hasznot hoz(na).Tételezzük fel, hogy az energia piaci ára A-ban 10 egység (EUR/MWh), B-ben 7 egység, C-ben pedig 4 egység. Ekkor egységnyi átvitelre vonatkoztatva a C --> A átvitel pontosan kétszer akkora (6) hasznot eredményez, mint a B --> A tranzakció (3). Ebben az esetben a 3 egységnyi C --> A tranzakció teljesen, a B --> A tranzakció pedig a maximális 6 egység helyett csak 4,5 egység mértékben kerül engedélyezésre, így a hálózati elemek terhelése a meghatározott korlát alatt marad (3. ábra), a haszon pedig a megengedett hálózati konfigurációkat tekintve maximális lesz, egészen pontosan 3*(10 - 4) + 4,5*(10 - 7) = 31,5 egység.

Ez az egyszerű példa is érzékelteti, hogy a hasonló, energiapiaci aukciós feladatok megoldása nagyobb hálózatokon, és a lehetséges tranzakciók nagyságrendekkel nagyobb száma mellett messze nem triviális feladat. A megoldáshoz a komplex számítástudományi megközelítések széles eszköztárát kell bevetnie a piacüzemeltetőknek. Az ilyen típusú problémák megoldására az összekapcsolt európai előzőnapi piacokon a gyakorlatban az EUPHEMIA (European Hybrid Energy Market Integration Algorithm) nevű  algoritmust használják.

Eddig csak a hagyományos, energia típusú termékek kereskedelméről és területi határt keresztező szállításáról beszéltünk, de más típusú termékek is indukálhatnak hálózati terhelést, ha a hálózat különböző pontjai közötti kereskedelmük valósul meg. A rendszerszintű teljesítményszabályozási tartalékok, vagy röviden tartalékok, olyan termékek, amelyek energiaszállítási lehetőséget jelentenek egy adott kereskedelmi periódusban, azaz a pénzügyi rendszerekben használt (pl. részvény-) opciókhoz hasonlóan később a vásárló dönthet úgy, hogy aktiválja az opciót, de úgy is, hogy nem.

Ilyen termékeket a rendszerirányítók (Magyarországon a MAVIR) kötelezően vásárolnak, hogy adott esetben a tartalékok élesítésével tartsák egyensúlyban a rendszert az előre nem látott fogyasztási vagy termelési ingadozásokkal szemben. Ezen ingadozások a tervezett és menetrendezett termelési-fogyasztási görbéhez képest vett eltéréseket jelentenek, és eredhetnek pl. termelő- vagy hálózati egységek üzemzavaraiból, de előre nem látott mértékű hirtelen fogyasztás- vagy termelésnövekedésből (így például az időjárásfüggő megújuló források hatására) is. A kínálati oldalon a tartalékok esetében jellemzően a relatíve gyorsan szabályozható energiaforrások jelennek meg, például a földgáz-üzemű erőművek, illetve energiatárolók. A tartalék típusú termékeket jellemzően két ár írja le, az egyik az allokációs ár, a rendelkezésre állásért fizetendő kapacitásdíj, amelyet azért fizet a megrendelő, hogy az opciót fenntartsák számára, a másik pedig az aktivációs ár (itt: a szabályozási energia díja), amit csak az aktiváció tényleges megvalósulása esetén kell kifizetni (ha a vevő élesíteni kívánja az opciót).

A hasonló, opciós jellegű tartaléktermékek ára az energiához hasonlóan eltérhet a hálózat különböző pontjaira csatlakozó ajánlattevők esetén, nyilvánvalóban ezeket is logikus a lehető legolcsóbb forrásokból vásárolni. Itt kezdődik a következő probléma. Míg az energiatranzakciók determinisztikus hálózati áramlásokat eredményeznek, azaz meg lehet határozni, hogy a lehetséges tranzakciók egy adott részhalmazának elfogadása milyen módon terheli az egyes hálózati elemeket, a tartalék típusú termékek csak akkor eredményeznek hálózati áramlást, ha a későbbi időpontban a vásárló az aktivációjukról dönt – ez pedig az allokáció időpontjában még nem ismert.

Visszatérve a példánkra, tegyük fel, hogy a tartalék allokációs ára a B pontban 2 egység, az A pontban pedig 6 egység, és van lehetőség 3 egységnyi szállításra B és A között. Ezt a tranzakciót viszont nem vehetjük egyszerűen hozzá az eddig kiszámolt konfigurációhoz, mivel a tartalékopció esetleges teljes aktivációja esetén ez a lehívás további 2 egységgel terhelné az A-B vonalat, ami már egyébként is a terhelési határon van (valamint további 1-1 egységgel a B-C és A-C vonalakat, melyek közül az utóbbi szintén túlterhelődne – lásd a 4. ábrát, ahol a tartaléktermék aktivációja során megvalósuló betáplálás, fogyasztás illetve áramlási értékeket kék számok jelölik).

Mi ilyenkor a teendő? Lehetséges megoldásként felmerül, hogy a hálózati elemek átviteli kapacitását előzetesen 2 részre osztjuk, a vizsgált mintapélda esetén mondhatjuk például azt, hogy minden vezetéken a teljes 4 egységnyi kapacitásból 3 egységnyi használható energiaszállításra, és 1 egység a tartalék kereskedelmére. Ezen megoldás előnye, hogy ezesetben az energia- és a tartalékpiacok egymástól függetlenül működhetnek, nem szükséges koordinálni (egy közös időpontban, egy eljárásban allokálni) azokat. Ha ezt a megoldást tekintjük, a példánk esetén a B-->A energiatranzakció, valamint a B-->A tartaléktranzakció korlátozásával az 5. ábrán feltüntetett hálózati konfigurációk jönnek létre, attól függően, hogy a tartalékot később aktiválják-e (a bal oldalon a teljes aktivációt tekintjük), vagy sem.

Ebben az esetben az összes haszon egyrészt az energiakereskedelemből (3*(10 - 4) + 3*(10 - 7)), valamint a tartalék-allokációból (1.5*(6 - 2)) származó komponensekből tevődik össze, a végső érték 33 egység. Jegyezzük meg, hogy a hálózati elemek kapacitásait önkényesen osztottuk fel 3-1 arányban, ha máshogy döntünk, az eredő haszon is változik: a felosztás arányának van egy (vagy több) optimális értéke, mely a legnagyobb eredő hasznot eredményezi. Viszont ha az energia- és tartalékpiacokat egymástól függetlenül kívánjuk működtetni, a felosztás arányait előre, még az ajánlatok megismerése előtt meg kell határoznunk, így valószínűtlen, hogy pontosan eltaláljuk a legjobb esetet.

Lássuk most, mit tudunk elérni, az energia- és a tartalékpiacok koordinációjával, közös optimalizációjával. A tartalék allokációs árában a különbség az A és B pontok között (6 - 2 = 4) nagyobb, mint az energia árában (10 - 7 = 3), ezért logikus lépés oly mértékben korlátozni a B és A közötti energiaszállítást, hogy a hálózat kritikus átviteli kapacitásait inkább a tartalék esetleges aktivációja számára tudjuk fenntartani (6. ábra).

Ha ebben az esetben kiszámoljuk az eredő hasznot, az energia-kereskedelem komponense 3*(10 - 4) + 1,5*(10 - 7), míg a tartalékkereskedelemhez tartozó komponens 3*(6 - 2), összesen 34,5 egység. Valós problémák esetén nyilván jelentősen nagyobb számú kombinációval kell számolni, ami a lehetséges hálózati áramlások bizonytalanságát nagymértékben megnöveli. A feladat ez esetben úgy fogalmazható meg, hogy mi az az optimális piaci kimenetel, ami bármilyen lehetséges aktivációs mintázat esetén garantálja, hogy a kiadódó áramlások nem sértik a hálózati elemek terhelhetőségi korlátait. Az eredeti cikkben leírt algoritmus megoldást kínál ezen problémafelvetésre, és realisztikus ajánlati adatokat vizsgálva ad becslést a koordináció segítségével elérhető haszonra egy regionális méretű hálózat (5 csomópont) esetén.

Kiegészítés

Az okfejtés egyszerűbb követhetősége miatt pár fontos dolgot elhallgattunk. Amikor feltételeztük, hogy az energia, illetve a tartalék ára a hálózat egy bizonyos pontjában adott értékű, nem vettük figyelembe azt, hogy a lehetséges tranzakciók ezeket az árakat (természetesen) megváltoztathatják. Ez azt jelenti, hogy ott, ahol az adott termék eredetileg olcsóbb volt, az export miatt kimerülhetnek az alacsony árú források, és egy adott mennyiség exportja után az árak emelkedni fognak, tehát az exportált (importált) mennyiség pontos értéke befolyásolja a végül kialakuló árakat, így a tranzakció eredő hasznát is. Ha elegendő átviteli kapacitás áll rendelkezésre kettő pont között, és az alacsony árú források hozzáférhetősége korlátozott, az árak elegendően nagy tranzakció megvalósulása esetén ki fognak egyenlítődni. Viszont a piactisztító algoritmusnak a lehetséges tranzakciók ezen hatásait is figyelembe kell venni. Ezen kívül nem hangsúlyoztuk ki, hogy pozitív és negatív aktivációs irányú tartalék termékek is léteznek – az előbbieket energiahiány, az utóbbit energiatöbblet esetén aktiválják a rendszerirányítók, és hatásuk a hálózati áramlásokra különböző.

A kutatás az Európai Unió Horizon 2020 program 864274 számú projektjének és a Nemzeti Kutatási, Fejlesztési és Innovációs Hivatal FK 137608 projektjének támogatásával valósult meg.

A cikk a szerzők véleményét tükrözi, amely nem feltétlenül esik egybe a Portfolio szerkesztőségének álláspontjával.

Címlapkép forrása: Shutterstock