Forró jövő, kevesebb zöldenergia? – A napelemek teljesítménye is megsínyli a klímakrízist

A klímaváltozás komoly hatással van az energiaszektorra: a forróbb nyarak miatt egyre több energiára van szükség hűtéshez – ennek egy részét napenergiából is fedezhetjük. Szabó Péter, Kristóf Erzsébet és Pongrácz Rita, az ELTE Meteorológiai Tanszékének kutatói friss elemzésükben rámutatnak, hogy a klímaváltozás még itt is közbeszólhat.

A nyári napsugárzás mennyisége ugyanis már nem sokat nő a jövőben, ugyanakkor a pesszimista jövőkép szerint az egyre forrósodó nappalok visszafogják a napenergiából kinyerhető áram mennyiségét.

Tisztább levegő, naposabb nyarak: így világosodott ki Kelet-Európa nyári égboltja az ipari szennyezés csökkenésével

A felszínre érkező napenergia erősségét leginkább két tényező határozza meg

• mennyire felhős a nappal és
• mennyire tiszta a légkör.

Magyarországra a legtöbb napenergia júliusban érkezik. Bár ilyenkor a nappalok összességében már kissé rövidebbek, mint júniusban, általában kevesebb a felhő is. Ez alól a közelmúltban kivétel volt az idei (2025) rendkívül napos, meleg és száraz június. Éves átlagban a legtöbb besugárzást pedig a Nagykunságon és a Tisza-Maros közében mérhetjük.

A rendszerváltás után a hazai nehézipar összeomlásával, valamint a levegőminőség védelmében létrejött nemzetközi egyezményekkel összhangban hozott intézkedésekkel jelentősen csökkent a légkörbe kerülő szennyezőanyagok, főként a kén-dioxid mennyisége. Egyre kevesebb aeroszolrészecske került a levegőbe, ami kettős hatással járt: egyrészt a légkör ma már jobban átengedi a napfényt, másrészt mivel csökkent az antropogén eredetű felhőképző magok száma és a légkör relatív nedvessége is, ezért kevesebb a felhő. Ez az ún. világosodás, ami végeredményképpen kissé melegíti a légkör felszínközeli rétegét, de hatása összességében jóval kisebb, mint a szén-dioxid vagy a metán okozta üvegházhatás-erősödésnek és ezáltal a globális felmelegedésnek.

Ha a legutóbbi és az azt megelőző 30 éves éghajlati normálidőszakot (azaz 1965–1994-et és 1995–2024-öt) összehasonlítjuk az ERA5 adatbázis alapján, egyértelműen látszik, hogy nyáron nőtt a nagy besugárzású napok száma, míg a kevésbé naposak aránya csökkent. Ezt valószínűleg mindannyian érezzük is a bőrünkön. Ha a naposabb nyári napokat, azaz a 270 W/m² feletti besugárzást elérő nyári napokat nézzük, manapság átlagosan 29 ilyen napunk van, ami tízzel több, mint a korábbi klímaátlag. Főként Kecskemét, Szekszárd és Szeged térségében nőtt ezen napok száma, ugyanakkor százalékosan épp a korábbi nehézipari központ, az Északi-középhegység térsége világosodott a leginkább.

Forrás: masfelfok.hu

Ha Magyarországon túl, kicsit távolabbra tekintünk, nemzetközi kutatások megállapították, hogy Kelet-Európában figyelhető meg a legerőteljesebb nyári világosodás, illetve hogy az 1990-es években még az emberi eredetű aeroszol-szennyezés csökkentése volt a fő oka a világosodásnak, utána, a 2000-es évektől kezdve viszont már inkább a felhőzet csökkenése okozta a nagyobb besugárzást. Úgy tűnik, jókor kezdtük el a napenergiát komolyan hasznosítani: ma már jóval több energiát tudunk a Napból kinyerni, mint 30 évvel ezelőtt.

Elfogyott a lendület: a nyári napsütés mennyisége alig nő tovább a 21. század végéig

A jövőre nézve két jövőképet vizsgáltunk a legújabb CMIP6 klímamodell-szimulációk eredményei alapján:

• realista jövőkép: a jelentős kibocsátáscsökkentés csak a 2040-es években indul el és az alkalmazkodás is késleltetve kezdődik;
• pesszimista jövőkép: az emberi tevékenységek eddigi üvegházgáz-kibocsátási trendje folytatódik 2100-ig.

Ha elfogadjuk, hogy térségünkben az emberi eredetű aeroszol-kibocsátás csökkentésének a jövőben már nem lesz számottevő sugárzásnövelő szerepe, és a felhőzet csökkenését elsősorban a relatív páratartalom visszaesése okozza, akkor nem meglepő, hogy már csak kis további nyári világosodás várható hazánkban. Az eredmények szerint a naposabb nyári napok száma északon 1-2 nappal, délen legfeljebb 3-5 nappal növekedhet a 21. század végéig, függetlenül a választott jövőképtől. Ennek oka valószínűleg a felhőzet további mérsékelt csökkenése.

Forrás: masfelfok.hu

A forróság visszavág: a jövő nyarain csökkenhet a napenergia hasznosíthatósága

A napenergia-potenciált, azaz a napsütésből kinyerhető áramot három tényező befolyásolja leginkább:

• a besugárzás erőssége,
• a hőmérséklet és
• a szélsebesség.

Mint energiaforrás, a napsugárzás erőssége nyilvánvalóan több energiatermelést tesz lehetővé. Kevésbé magától értetődő a másik két tényező hatása. A tapasztalatok szerint a magasabb hőmérséklet jelentősen csökkenti a napelemek hatásfokát, míg a túlmelegedett napelemet az erősebb szél hűti, így a hatásfokát javítja. Ezen három napi felbontású változó felhasználásával vett napi potenciál részletesebb számítását lásd a módszertani részben.

Azt fentebb láthattuk, hogy a jövőben néhány nappal több naposabb nyári napra számíthatunk hazánkban. A szélviszonyok érdemben nem változnak, ugyanakkor épp ezeken a nyári napokon a hőmérséklet is jóval magasabb lesz, emiatt a potenciál végül is csökkenni fog. Ez a néhány százalékos visszaesés a pesszimista jövőkép szerint erőteljesebb, a realista forgatókönyvben mérsékeltebb. Ha azonban a teljes nyarat nézzük, a realista jövőkép szerint a potenciál az ország nagy részén, különösen a Dunántúlon pozitív irányba változhat, azaz nőhet. Ezzel szemben a pesszimista jövőkép az ország jelentős részére, főként északnyugatra jelentős csökkenést mutat.

Forrás: masfelfok.hu

Összefoglalás, azaz végül is mennyi energiát nyerünk?

Idén júliusban hazánk napelem-kapacitása elérte a 8 GW-ot, amit 2030-ra 12 GW-ra tervezünk növelni. A részletes számításokat a módszertani részben ismertetjük, melyek alapján megbecsültük, hogy hány napnyi paksi atomerőmű által termelt energiát veszítünk vagy nyerünk a klímaváltozás következtében a naposabb nyári napokon, illetve mennyit az összes nyári napra vetítve.

A naposabb nyári napokon az akkor intenzívebben jelentkező hőség miatt mindenképpen veszteségre kell számítanunk: a pesszimista forgatókönyv szerint közel másfél napnyi, a realista szerint fél napnyi paksi termelésnek megfelelő energiával kevesebbet adhatnak a hazai napelemek a hőség eltérő fokozódása miatt.

Az összes nyári napot tekintve azonban már változik a kép: a realista jövőkép szerint akár egy napnyi plusz energiát is nyerhetünk, míg a pesszimista változatban egy napnyi veszteség várható.

Forrás: masfelfok.hu

Mindez jól mutatja, hogy a pesszimista forgatókönyv követése kedvezőtlen. Ekkor ugyanis nemcsak a napenergia mennyisége csökkenne, hanem további negatív hatásokkal is számolnunk kellene:

• az intezívebb hőhullámok csökkenthetik a napelemek élettartamát;
• a zivatarok intenzitásának növekedésével a napelemekben fizikai károk is keletkezhetnek;
• egyre több szaharai porvihar éri el hazánkat, amelyek csökkenthetik a besugárzást, a napelemekre kiülepedő por pedig csökkentheti azok hatásfokát.

Azt sem szabad elfelejtenünk, hogy amennyit nyerhetünk a téli fűtési igény csökkenésével a melegedés hatására, ugyanannyit veszíthetünk a nyári hűtési igény növekedésével. Mindezek mellett az energiaellátás biztonságát tovább rontja, hogy az erőművek hűtéséhez szükséges vízkészletek fokozott terhelése több kockázatot is jelent: a hőterhelés miatt veszélybe kerülhet az élővilág, a melegebb hűtővíz rontja az erőművek hatásfokát, és kritikus időszakban előfordulhat, hogy nem áll rendelkezésre elegendő víz. Ez különösen Paks esetében azzal járhat, hogy csökkenteni kell az erőmű teljesítményét.

A következményeket figyelembe véve tehát a fosszilis energiahordozók használatának globális csökkentése elengedhetetlen. Ennek elérése a következő évtizedek feladata kell legyen.

Rövid tudományos módszertan:

Napenergia-potenciál számítása

A fotovoltaikus napenergia-potenciált (PVpot) a világszerte legelterjedtebb monokristályos szilícium napelemre határoztuk meg, a következő empirikus formula felhasználásával:

ahol PVpot mértékegység nélküli potenciált kifejező mérőszám. Az I a Napból a földfelszínre érkező rövidhullámú sugárzás energia áramsűrűsége [Wm-2], ISTC pedig a napelemet érő sugárzás áramsűrűsége az ún. standard teszt körülmények között, az értéke 1000 Wm‑2. A PR dimenziótlan teljesítményarány a következő formulával határozható meg:

ahol Tcell a napelem tényleges hőmérséklete, míg TSTC a napelem standard teszt körülmények közötti hőmérséklete, az értéke 25 °C. A γ a hőmérsékleti hatékonysági tényező, monokristályos szilícium napelemre vonatkozó értéke 0,005 °C-1.

A Tcell az I besugárzás, a T léghőmérséklet [°C] és a v szélsebesség [ms‑1] függvénye,  a következő formula alapján számítható ki:

ahol monokristályos szilícium napelem cellákra az együtthatók értékei c1 = 3,9 °C, c2 = 0,942, c3 = 0,028 m2°CW-1 és c4 = 1,509 °Csm-1.

Globális klímamodellek és éghajlati jövőképek

A földi éghajlati rendszert és az azt meghatározó fizikai folyamatokat megfelelően csak a globális klímamodellek képesek leírni. A legújabb, ún. CMIP6 klímamodellek közül olyan szimulációkat tekintettünk, amelyek horizontális felbontása elég finom, azaz 50-100 km körüli. Ezek az általunk elemzett új szimulációk a jövőre vonatkozóan, 2015-től indítva 2100-ig kétféle jövőképet vizsgálnak:

1) realista jövőkép (SSP2-4.5): a jelentős globális kibocsátás-csökkentés csak a 2040-es években indul el, és az alkalmazkodás is késleltetve kezdődik;

2) pesszimista jövőkép (SSP5-8.5): az emberi tevékenységekből származó eddigi üvegházgáz-kibocsátási trend folytatódik („business-as-usual”).

A korábbi, ún. RCP-forgatókönyvekhez képest újdonság, hogy az üvegházgáz-kibocsátás, földhasználat-változás és az energiahordozók aránya mellett a számokban kevésbé mérhető társadalmi tényezőket (pl. társadalmi egyenlőtlenségek vagy nemzetközi együttműködés) is igyekeztek figyelembe venni. A szükséges három, napi meteorológiai változóra (átlaghőmérséklet, felszínre érkező bejövő napsugárzás és szélsebesség) elérhető 12 szimulációból a múltra vonatkozó tesztelés során kiválasztottunk egyetlen modellt (CNRM-CM6-1-HR), amely hazánk térségére a megfigyelések napsugárzás-eloszlását a legjobban közelítette.

Megfigyelések, átlag és hibakorrekció

Elemzéseink alapjául nem vehettük figyelembe a legjobb hazai, a HungaroMet által összeállított napsugárzás-adatbázist, hiszen az csak 2001-től áll rendelkezésünkre, mi pedig ennél hosszabb távú trendeket vizsgáltunk, így a műholdas és felszíni méréseken alapuló, a légkör vertikális szerkezetét is figyelembe vevő ún. ERA5 reanalízis adatbázis 25 km-es felbontású eredményeit dolgoztuk fel 1965-től egészen 2024-ig.

Éghajlati skálán egy-egy harmincéves időszak átlagai megadják azt, hogy az időszakon belül bármely évben milyen értékre számíthatunk, míg az átlagos változás ezen időszakok közötti különbséget adja meg. A múltat az 1965-1994 időszak eloszlása reprezentálja, a jelent 1995-2024, a jövőt pedig 2071-2100. A jövőbeli szimulációs eredmények bemutatásakor az ún. relatív delta módszert alkalmaztuk, amely az eloszlások átlagait figyelembe véve végzi a modellhibák javítását. A korrekciós referencia-időszak a megfigyelésekkel közös, legutóbbi 30 éves időszakot tekinti (1995-2024-et). A hibakorrekciót rácspontonként végeztük a modellszimulációk rácsfelbontásán, de csak a 270 W/m² feletti napok számára és a napenergia-potenciálra.

Hány napnyi paksi erőmű által termelt energiát veszítünk/nyerünk évente a jövőben?

ahol PPV​=12 GW (tervezett beépített napenergia-kapacitás 2030-ban); Ndays= 92 nap (nyári napok száma) vagy naposabb nyári napok száma a klímamodell eredményei szerint; Nhours= 24 óra (napi órák száma); CF= 20% (nyári átlagos kapacitásfaktor a 2015-2019 időszak alapján), 24% (naposabb nyári napokon); ΔPVpot= a napenergia-potenciál relatív változása (%) a klímamodell eredményei szerint; EPaks,2024/366 = 16016,6 GWh/366 (Paks 2024-es napi átlagos termelése).

Köszönet illeti a legújabb globális modelleredményekért a CMIP6 konzorcium modellező intézeteinek tagjait, a megfigyeléseken alapuló ERA5 reanalízis elkészítéséért az EU-s ECMWF-et. Az adatok elérhetőségét a nemzetközi ESGF konzorciumnak, illetve az EU-s Copernicus programnak köszönjük. Továbbá köszönjük a konzultációt Selmeczi Pálnak (HungaroMet). A kutatást az ECF támogatta.

Forrás: masfelfok.hu – Szerzők: Szabó Péter, éghajlatkutató, az ELTE Meteorológiai Tanszékének doktorandusza; Kristóf Erzsébet, meteorológus, a földtudományok doktora, az ELTE Meteorológiai Tanszékének tudományos munkatársa; Pongrácz Rita, meteorológus, hidrológus, a földtudományok doktora, az ELTE Meteorológiai Tanszékének adjunktusa.