Energiatároló rendszerek napjainkban

Mai hétköznapjainkat már el sem tudnánk képzelni elektromos áram nélkül. Villamos energia szükséges a háztartási berendezéseinkhez, a számítógépeinkhez, de szinte bármely egyéb eszközünkhöz. A villamos energia egyik alaptulajdonsága, hogy az áram termelésének és fogyasztásának mindig egyensúlyban kell lennie, mennyiségi és minőségi tulajdonságait szem előtt tartva. A villamos energiaigényben ami állandónak tekinthető a folyamatos ingadozás. Mikor nagy a fogyasztási igény, azt csúcsidőszaknak nevezzük, míg este kevesebb, azt völgyidőszaknak. Ezen ingadozások kisimításának egyik lehetséges és gyakran alkalmazott megoldási módja az energiatárolás, melyek főbb rendszereit az alábbiakban szedtük csokorba.

Tovább olvasom >>

A szakma kétféle energiatárolási megoldást tart számon.  Az egyik az elektromos energiatároló rendszerek, a másik a hő energiát tároló rendszerek. A tárolókat az alapján csoportosítják, hogy az általuk kiadott energia milyen formában áll rendelkezésünk, azaz elektromos áramot generálnak, vagy hő formájában bocsájtják rendelkezésünkre. Jelenlegi tanulmányunkban csak az elektromos energiatárolókat vesszük sorra, a termikus energiatárolókkal nem foglalkozunk.

1. ábra: Tárolók fejlettségi szintjük és tőkeigényük szerint

Elektromos áram tárolására jelenleg a következő megoldások léteznek:

2. ábra Energiatárolási alternatívák a kisütési idő és a szükséges kapacitás függvényében

Forrás: EIA 2016[3]

Mechanikus energiatárolók

Szivattyús energiatározó – SZET

A szivattyús energiatároló a víz potenciális energiáját használja fel. Ennek feltétele a következő. A telepítéshez szükséges két nagy kiterjedésű, erre a célra létrehozott tároló tó, melyeket szintkülönbség választ el, például egy hegyen (felső tározó) és a lábánál (alsó tározó) kialakított víztározó. Mikor az energiafelhasználás alacsony, ez főként este jellemző, ekkor az alsó tározóból egy vízpumpa segítségével, melyet motor hajt meg a közeget a felső tározóba juttatjuk. Így az éjjeli, az alaperőművek által „feleslegesen” előállított áramot felhasználjuk. Napközben, mikor energiafelhasználási csúcsok vannak, akkor a felső tározóból leeresztjük a felhalmozott vizet, mely egy turbinán keresztül az alsó tározóba jut. A leáramló víztömeg a turbinát mozgásba hozza, melyet egy generátorhoz kötnek, így elektromos áramot állít elő. Ezzel a megoldással képesek vagyunk az energia csúcsigényeket kielégíteni.

Manapság a tárolt energia túlnyomó részét, majdnem 99%-át ebben az energiatorozási megoldásban valósítják meg.  Ennek oka, hogy nagy mennyiségű energia tárolására alkalmas, illetve ez már egy kiforrott technológia. Világszerte nagyjából 140 000 MW (IEA analysis and EPRI, 2010) beépített kapacitás van jelenleg, mely körülbelül 65 – 85%-os hatásfokkal képesek működni (Aneke, Wang, 2016). Magyarországon nem elterjedt ez a fajta megoldás, és nem is látszik, hogy nagy jövő előtt állna, ugyanis hazánkban nincsenek erre a célra alkalmas geológiai feltételek.

2. ábra: Szivattyús villamos energiatárolás

Lendkerekes energiatárolás

A lendkerék kinetikus energiát használja fel, melyet forgó tömegben tárol. A felépítése a következő. Egy alacsony nyomású tároló hengerben található a lendkerék agy, nagysebességű mágneses motor generátor.

Töltési állapotban a berendezés által felhasznált villamos áram segítségével felpörgetik a lendkereket. Ekkor motor üzemmódban működik a rendszer. Kisütéskor a forgó tömeg mozgási energiáját felhasználva a generátor áramot állít elő. Ebben az esetben generátor üzemmódban dolgozik.

Kedvező tulajdonsága, hogy magas élettartama mellett viszonylag alacsony karbantartási költsége van és jó hatásfokú ~90%-os energiakinyerésre alkalmas. Hátrányként kell mindenképpen megjegyezni a magas önkisütési szintjét, mely elérheti az napi 3 – 24%-ot is. (Aneke, Wang, 2016). Az eddigi teljes beépített teljesítmény ~25 MW (IEA analysis and EPRI, 2010).

3. ábra: Lendkerekes energiatárolás felépítése

Gravitációs energiatárolás

A gravitációs energiatárolás a SZET működési elvét kívánja felhasználni és megoldásként javasolni azokon a helyeken, ahol a másikhoz szükséges geológiai feltételek nem adottak. Erre a megoldásra több féle változat is létezik, de többségük még csak koncepció tervek, tényleges megvalósításuk még nem igazán létezik (Aneke, Wang, 2016).

4. ábra: Energiatároló vonat gravitáció elvén

Sűrített levegős energiatároló – CAES

Ez a megoldás gyakorlatilag egy csúcserőműnek felel meg. Amikor az energia igény alacsony, akkor egy kompresszor segítségével a levegőt sűrítjük, és egy tározóba juttatjuk. Ez lehet egy föld feletti tartály, vagy földalatti természetes tároló – mint pl. barlang vagy kimerített földgáz mező – vagy mesterséges tárolótartály. Kisütéskor az elraktározott sűrített levegőt a tározóból kiáramoltatjuk, felhevítjük és egy turbinán keresztül expandáltatjuk, mely munkavégzése következtében a vele egy tengelyen lévő generátort megforgatja, így elektromos áramot állít elő.

A sűrített levegős energiatárolás hatásfokát 70% környékére teszik, illetve várható élettartama nagyjából 40 év. Jelenlegi beépített teljesítmény a világban nagyjából 440 MW (IEA analysis and EPRI, 2010).

5. ábra: Sűrített levegő energiatárolás sémája

Folyadék dugattyús energiatárolás

A folyadék dugattyús energiatárolás elmélete a következő.  A rendszer tárolótartályokból áll, melyben gáz és cseppfolyós halmazállapotú munkaközeg van. Általában nitrogént alkalmaznak erre a célra.  Ezután egy négyállású segédszelep található, mely egy tágulási tartállyal és egy motor/szivattyúval van összekötve. Ezután egy lendkerék található, illetve egy motor/generátor egység. Feltöltési szakaszban elektromos áram hajtja meg a szivattyút, ami folyékony munkaközeget juttat a tartályokba, ezáltal az ott lévő gázt összenyomja, melyben az energiát tároljuk. Kisütéskor a komprimált gázt expandáljuk, ami a folyadékot kiszorítja a tartályból így meghajtja a motort, ami a generátorral van egy tengelyen összekötve. A generátor ennek hatására elektromos áramot állít elő, melyet a hálózatra csatlakoztatva a fogyasztók felhasználnak (Hadjipaschalis et al., 2016).

Ez még egy viszonylag új energiatárolási megoldás, ami még fejlesztési szakaszban áll, a piacon még nem jelent meg. Ezzel a rendszerrel kapcsolatban azok a várakozások, hogy képes legyen helyettesíteni bizonyos esetekben az ólomsavas akkumulátorokat. Ezt arra alapozzák, hogy szinte korlátlan számú ciklusra képes, alacsony üzemeltetési költsége van, a tárolási kapacitása független az „életkorától” és szinte nincsen önkisülési szintje. Hátrányként meg kell említeni mindenképpen, hogy fennáll a veszélye a szivárgásnak a csövek illesztésénél, alacsonyabb a hatásfoka egy modern ólomsavas akkumulátorhoz képest, és az energiasűrűsége is alacsonyabb (Aneke, Wang, 2016).

Kémiai

Azokat az energiatárolókat, melyek az energiát valamiféle kémiailag kötött formában tartalmazzák, kémiai energiatárolóknak nevezzük.

Hidrogén

Hidrogén előállítása vízből elektrolízis segítségével lehet. A szükséges elektromosságot a völgyidőszakban vételezzük, és a vizet alkotóelemeire, hidrogénre és oxigénre bontjuk. A keletkező hidrogént eltároljuk. Ezt megvalósíthatjuk sűrített vagy folyékony gáz formájában is. Kisütési fázisban vagy üzemanyagcellában való felhasználás vagy közvetlen elégetés következtében elektromos áramot állítunk elő. A hidrogén előnye a magas energiasűrűség, jó tárolhatósági megoldásai és szállíthatósága. Hátrányként kell megjegyezni, hogy magas veszteséggel jár az előállítás, és tárolása alatt is további veszteségek lépnek fel. Továbbá mindenképpen megemlítendő, hogy a hidrogén tűz- és robbanás veszélyes! Igen gyúlékony anyag, így nem megfelelő tárolása, kezelése esetén magas hőmérséklet mellett nagy, szinte láthatatlan lánggal ég. Folyékony hidrogén esetén fennáll a fagyveszély.

6. ábra: Vízbontás elvén működő energiatároló

Elektrokémiai

Szuperkapacitás

A szuper-, vagy ultrakapacitás egy dupla rétegű kondenzátor, mely sokkal nagyobb kapacitást képes tárolni a normál, azonos méretű kondenzátorokhoz képest, nagyjából 1.000 szeresét. Ennek köszönhető, hogy nagyobb energiasűrűséggel is rendelkezik, de még mindig messze elmarad a Li-ion akkumulátorokhoz képest. Ez a tárolási forma a közelmúltban nagy fejlődésnek indult. A szuperkapacitás két soros kondenzátor, melyet a rá kötött feszültség feltölt. Hatásfoka igen magas, elérheti akár a 95%-ot is, illetve 8 – 10 éves élettartammal rendelkezik (Ibrahim. Perron, 2008). Ott érdemes alkalmazni, ahol rövid időre nagy mennyiségű energiát kell tárolni. Hátránya, hogy nagyon magas önkisütési szinttel rendelkezik, teljes töltöttsége akár egy nap alatt elveszhet, illetve nagy a beruházási költsége is.

7. ábra: Szuperkapacitás

Akkumulátor

Az egyik legrégebbi, és manapság a legelterjedtebb energiatárolási megoldás az akkumulátor. Nagyon sok helyen használjuk, pl. mobiltelefonokban, laptopokban, gépjárművekben.

Maga a rendszer akkumulátorcellákból épül fel. Ebben két elektród található, pozitív a katód, negatív az anód, melyek elektrolitba vannak süllyesztve. Töltés esetén feszültségforrást kapcsolunk rá, ekkor az akkumulátoron áram folyik át, töltőáram alakul ki. Ezután a két elektród között villamos feszültség van. Kisütéskor töltésszétválasztó folyamat játszódik le, miközben az elektródák anyaga megváltozik, így elektromos áramot tudunk belőle kinyerni. Kisütéskor az elektronok az anód felől a katód irányában áramlanak. Ezen akkumulátorcellák soros vagy párhuzamos kapcsolásaiból alakítják ki a kívánt feszültségű akkumulátorokat (Divya, Østergaard, 2008)

Másik akkumulátor típus az úgynevezett folyadékáramos akkumulátor. Ennek felépítése a következő. Két féle kémiai anyagot oldanak vízben, melyeket általában a cellatömbben egy membrán választ el egymástól. Üzemeltetéséhez keringtető szivattyúk kellenek, melyek az elektrolitokat a cellatömbön pumpálja keresztül, ahol elektromos áram keletkezik a kémiai reakciók során. Legnagyobb előnye, hogy azonnal újratölthető a rendszer, ha az elektrolitokat kicseréljük.

8. ábra: Szünetmentes tápegységként használt akkumulátor

Szupravezető mágneses energiatárolás

Szupravezető mágneses energiatárolás esetén egy szupravezetésre alkalmas anyagból készült tekercset lehűtenek. Ekkor ez az anyag elveszti ellenállását. Ekkor egyenárammal indukáljuk a tekercset. Töltési ciklusban az áramerősség nő, kisütés esetén viszont csökken. Az egyen- és váltakozó áramot midig át kell alakítani a töltési/kisütési fázisnak megfelelően.

Ott érdemes alkalmazni, ahol folyamatos és nagyszámú a töltési, kisütési igény. Gyors beavatkozási idővel rendelkezik. Nagy hátránya az üzemeltetés, az anyagok hűtése meglehetősen drága (Ibrahim. Perron, 2008).

Kriogén energiatárolás

Folyékony levegő

Ez a megoldás még fejlesztési fázisban van. Lényege, hogy keresleti völgyidőszakban elektromos áram segítségével levegőt komprimálunk, majd cseppfolyósítunk. Ezt a közeget egy tartályban tároljuk a kisütési időszakig. Ekkor a folyékony levegőt magas nyomásra emeljük, majd elgőzölgetjük. Ekkor a közeg lehűl, ezért hőbevitellel környezeti hőmérsékletűre fűtjük. Ekkor magas nyomású gőzt kapunk, amit egy turbinában expandáltatunk, ami meghajtja a generátort így elektromos áramot állítunk elő. Magas várható élettartammal rendelkeznek, mely meghaladhatja a 30 évet.

Lipcsei Gábor energetikus mérnök

2016. december