Barion Pixel

Villanyszerelők Lapja

Megújulók

Villamosenergia-tárolás

2009/6. lapszám | Herbert Ferenc Markó Gabriella |  7940 |

Figylem! Ez a cikk 13 éve frissült utoljára. A benne szereplő információk mára aktualitásukat veszíthették, valamint a tartalom helyenként hiányos lehet (képek, táblázatok stb.).

A nyitott magyar árampiac új lehetőségeket teremt a termelők és fogyasztók számára, hogy kölcsönös gazdasági érdekeik alapján együttműködjenek. Megfelelő törvényi szabályozással a megújuló energiák termelői érdekeltté tehetők abban, hogy az általuk nem a fogyasztási csúcsidőben termelt villamos energiát rövid időre tárolják, majd azt a csúcsidőben értékesítsék. Ez különösen vonatkozik a nagy teljesítményű szélgenerátorok üzemeltetőire, hiszen a szélgenerátorok jelentős részben éjszakai völgyidőszakban termelnek. A villamos energia tárolási lehetőségek egyben az áramszolgáltatók számára lehetőséget teremtenek a villamosenergia-szolgáltatás jellemzőinek javítására.

Meg kell szoknunk, hogy évente új technológiák jelennek meg és ezeket be kell fogadnunk, esetenként alkalmaznunk kell. Ilyen új technológia a villamosenergia-tárolás is. Ennek lehetőségeiről, főbb módjairól beszélt lapunknak Herbert Ferenc, a Budapesti Műszaki Főiskola Kandó Kálmán Villamosmérnöki Főiskolai Kar Megújuló Energiaforrás Kutatóhely vezetője.

A váltakozó áramú villamosenergia-rendszer stabilitását a megtermelt és fogyasztott villamosenergia-mennyiség minden pillanatban fennálló egyensúlya adja. A rendszer-stabilitás legegyszerűbben a névleges frekvencia – nálunk az 50 Hz – pontosságával jellemezhető.

A villamosenergia-tárolás hozzájárul a fogyasztók

  • leggazdaságosabb,
  • környezetbarát,
  • megbízható,
  • jó minőségű

villamosenergia-ellátásához.

Talán néhány év múlva azt is lehetővé válik, hogy átgondolt tarifapolitikával mind a szolgáltatók, mind a fogyasztók hozzájáruljanak a fenti célok eléréséhez.

A hazai villamosenergia-rendszer csak akkor tud jelentős mennyiségű megújuló villamos energiát befogadni, ha megoldja a villamosenergia-tárolás kérdését. Ez történhet gazdaságosan, nagyméretű szivattyús tározós erőművek segítségével, vagy éppen történhet az áramtőzsdének megfelelő villamos energia átvételi ár kialakításával is. Ebben az esetben a termelőknek érdekük az, hogy gondoskodjanak a megtermelt villamos energia tárolásáról a számukra kedvező értékesítési időszak kivárásáig. Ezért részletesen vizsgáljuk a jelenleg elérhető tárolási módokat.

      Alkalmazhatóság
Villamosenergia tárolás módja Előnyei Hátrányai tápellátásban 1. energetikai célra
Szuper kapacitások Hosszú élettartam, jó hatásfok Alacsony energia sűrűség Igen Esetleg
Lendkerekes (Fly wheels) Nagy teljesítmény Alacsony energia sűrűség Igen Ritkán
Savas ólom akkumulátor Olcsó Alacsony élettartam, mélykisütéskor Igen Ritkán
Ni-Cd – akkumulátor Nagy teljesítmény, jó hatásfok Nincs Igen Esetleg
Li-ion – akkumulátor Nagy teljesítmény, jó hatásfok Magas ár Igen Ritkán
NaS Nátrium-Kén akku Nagy teljesítmény, jó hatásfok Jelenleg még magas ár Igen Igen
Folyadék -REDOX akkumulátorok/TAC Nagy teljesítmény, jó hatásfok Alacsony energia sűrűség Esetleg Igen
VRB, PSB, ZnBr Sűrített levegős Nagy teljesítmény, alacsony költség Megfelelő geológiai helyszínt igényel Nem Igen
Szivattyús tárolás Nagy teljesítmény, alacsony költség Megfelelő geológiai helyszínt igényel Nem Igen

Lítium-ion és szuperkondenzátor

A Lítium-ion akkumulátor és a szuperkondenzátor párosításának szép példája lehet járműipari alkalmazásuk. Elektromos meghajtású motor a beépített Lítium akkumulátorok és szuperkondenzátorok segítségével kevesebb, mint 8 másodperc alatt gyorsul 100 km/órára. Természetesen fékezési energiáját eltárolja. Hasonló elektronikával épült meg a 2010-ben piacra kerülő Chevrolet Volt elektromos autó. A jármű az amerikai fogyasztók napi átlagos 100 mérföldes használatát vette figyelembe és mind a házi garázsban, mind a munkahelyi parkolóban néhány óra alatt feltölthető.

Elektromos meghajtású motor a beépített Lítium akkumulátorok és szuperkondenzátorok segítségével kevesebb, mint 8 másodperc alatt gyorsul 100 km/órára.

Ha a vízszintes tengelyen az idő dimenziót órákban adjuk meg, akkor beszélünk igazán villamosenergia-tárolásról, pl. egy szivattyús tározós erőmű tekintetében, amelynél 6-8 órán keresztül töltjük fel a víztározót. Az eltárolt energiát szintén néhány óra alatt tudjuk visszatáplálni a villamosenergia-hálózatba. Amennyiben a betározási és kivételezési folyamat gyors, pl. néhány perc időtartamú, akkor szünetmentes tápegységről beszélünk. Ha a folyamat néhány másodperc alatt lezajlik, akkor inkább villamos hálózat javító eszközökről van szó.

Szuperkondenzátorok

A villamosenergia-tárolás egyik lehetőségét a szuperkondenzátorok biztosítják. Gyors terjedésük feltételeit a járműipari alkalmazások, elsősorban a hibridhajtások teremtették meg. Hagyományos akkumulátorokkal alkalmazva a jármű gyorsításakor igen nagy áramokat képesek szolgáltatni, míg fékezéskor a fékezési energiát villamos energia formájában gyorsan eltárolják. A szuperkondenzátorok mérése során megismerhető ezen eszközök speciális tulajdonságai és alkalmazási lehetőségei a távvezetékek energiaátviteli képességeinek növelésétől a trolibuszok városi mozgási autonómiáján keresztül a hibridhajtású személygépjárművekben történő alkalmazásáig.

470 μF-os (microFarad), 250 V-os hagyományos elektrolit kondenzátor, amelyet megszoktunk minden tápegységben vagy szokványos frekvencia átalakítóban. Ez a kondenzátor,  14,6 Wsec (Wattsecundum) energiát tud eltárolni. A jobb oldalon lévő kis szuperkondenzátor viszont 2,3 V-os és 50 Farados, ami azt jelenti, hogy a benne tárolható energia 132 Wsec vagy Joule. Ez közel tízszerese a nála sokkal nagyobb másik kondenzátorban tárolható energiának.

Az egyik első szuperkondenzátort a Maxwell cég hozta kereskedelmi forgalomba. Alkalmazásba került trolibuszoknál, hibridautóknál.

Főbb jellemzői a következők:

  • 2600 Farad kapacitás,
  • 2,7 V névleges feszültség,
  • több mint 1 millió töltés és kisütés.

Alkalmazás:

  • hibrid autók, trolibuszok,
  • hálózati feszültség jellemzőinek javítása.
  • Méretek: hossz: 138 mm, átmérő: 57 mm, súly: 470 gr.

Lendkerekes villamos energia tároló (Flywheel)

A lendkerekes tároló önmagában egy mágnesen lebegő, csapágyon magas, 20-40 000 fordulat/perc fordulatszámon megpörgetett tömeget jelent, amely a bevitt energiát a névleges kapacitása 1%-val képes a vákuumozott légüres térben forgásban tartani. Ami annyit tesz, hogy egy 100 kW-os teljesítményre képes lendkerekes energiatároló 1%-kal, tehát 1 kW energiával üzemkészen tartható.

A lendkerekes energiatárolók időrendi fejlődése

A lendkerekes villamosenergia-tárolók fejlődését jól szemlélteti az 5. ábra, hiszen bemutatja, hogy 2000-ben 1 kW-os teljesítménnyel kerültek forgalomba, amibe 2 kWó-t lehetett tárolni. Ez elsősorban a távközlési iparban a szünetmentes tápegységek kiváltására alkalmazták. 2007-ben már 20 MW nagyságú tárolókat állítottak üzembe, ami azt jelenti, hogy 7 év alatt gyakorlatilag húszezerszeresére nőtt az ilyen jellegű villamosenergia-tárolás.

A másik fejlesztő az amerikai hadászati légierő rakéta elhárító programja, amely Boing 747-es repülőgépekre szerelt, nagy teljesítményű lézerfegyverek táplálásra használja. A repülőgép motorjaira szerelt generátorok néhány perc alatt felpörgetik a lendkerekes energiatárolót, így biztosítva a következő „lézerlövéshez” a szükséges energiamennyiséget a lézerfegyver számára, mely alkalmas a támadó ballisztikus rakéták átégetésére, megsemmisítésére.

Intelligens épület villamosenergia-vázlata

Korszerű savas ólomakkumulátor és előnyei

Ha egy hagyományos akkumulátorban egyesítjük a szuperkondenzátorok és az ólom akkumulátorok jellemzőit, egy olyan egységet kapunk, amelyben a szuperkondenzátorok gyors energia kivétele és eltárolása egyesül a hosszú idejű energiatárolásra alkalmas ólom akkumulátorok előnyeivel.

Ni-Cd akkumulátor telep Fairbanks Alaszka

A legnagyobb nikkel-cadmium jellegű akkumulátor telep jelenleg a világon az alaszkai Fairbanks városában található. Különleges helyzetben van a város, egy darab, kétrendszerű 220 kV vezetéken csatlakozik a kanadai villamosenergia-hálózathoz, s hogyha ezzel a vezetékkel bármi történik a téli időszakban, akkor feltétlenül kell 10-15 perc, mire el tudják indítani dízel generátoraikat. Ez a nikkel-cadmium akkumulátor telep 40 MW teljesítményt tud szolgáltatni 15 percen keresztül a város dízelgépeinek feléledéséig.

Kén-nátrium cella

A kén-nátrium cellák egy új irányzatát jelentik a villamosenergia-tárolásnak. Ezek még nem fognak beköltözni a mobil telefonjainkba vagy a hordozható számítógépeinkbe, hiszen működésükhöz az kell, hogy a nátrium megolvadjon, így az üzemi hőmérséklet 100-150 °C fok körül adódik. Viszont kiválóan alkalmasak arra, hogy pl. szélgenerátorok üres, kerek, vas tartóoszlopait belülről „megrakják” vele és akkor a szélgenerátorok által az éjszakai mélyvölgyi, tehát villamosenergiai tőzsde szempontjából alacsony értékű, villamos energiát a nappali csúcsidőre el tudják tárolni és az energiát a csúcsidőben tudják a hálózatba visszatáplálni. Ez az ilyen rendszerek üzemeltetői számára igen jelentős hasznot tud generálni (7. ábra).

Megvalósult 8 MW csúcsteljesítményű NAS tároló

A kén-nátrium akkumulátor nem csupán cellában, hanem telep formájában is megtalálható. Az egyik ilyen kén-natrium akkumulátortelep 8 MW névleges teljesítménnyel 57 MWó villamos energiát tud eltárolni a Hitachi Autómotorgyárnak a szükségenergia-forrásaként.

4500, 90%-os mélykisütési ciklusra méretezett kén-nátrium akkumulátor telep várható élettartama 15 év és 76%-os hatásfokkal dolgozik.

kén-nátrium cella vázlata

Tározós vízi erőművek

A világban a legelterjedtebb villamosenergia-tárolási módok a tározós vízi erőművek. Előnyüket a rendkívül alacsony üzemeltetési költség biztosítja. Létesítésükhöz viszont csak megfelelő geológiai viszonyok szükségesek, vagyis egy olyan hegység, ahol két megfelelően kialakított, jelentős szintkülönbséggel elhelyezkedő tározó tavat lehet biztosítani ahhoz, hogy közte nagy mennyiségű vizet tudjunk mozgatni csővezetéken keresztül. A csővezetékbe iktatott motor turbinák és generátorok, illetve szivattyúk és motorok biztosítják a rendszer működését. A működési elv pedig az, hogy éjszaka, amikor a villamosenergia-rendszerekben általában olcsó a villamos energia és termelési felesleg található, akkor ezzel az energiával felnyomjuk a vizet a felső tározó tóba és csúcsidőben, amikor a villamos energia ára magas és villamos energia hiány van a rendszerben, akkor pedig a lezúduló víz energiájával villamos energiát táplálunk vissza a hálózatba. (Turlough tározós erőmű)

Beruházási költség és a tárolt villamos energia ára A táblázatból látható, hogy 1 cent alatti a tározási költséget kWó-ként kizárólag tározós vízi erőműveknél lehet elérni. A fentiekben tárgyalt valamennyi egyéb villamos energia tárolási mód ára 10 Eurócent/kWó – vagy akörül – mozog.

Az egyenáramú gyűjtősín egyre fokozottabb szerephez jut az épületekben, kiegészítve az információ technikai lehetőségekkel. Egy-egy vállalat, telep önálló energiapolitikát alakíthat ki. Ha ugyanis egy irodaépület úgy vételez villamos energiát, hogy folyamatosan, nem minden pillanatra lekötött mennyiségre tart igényt, hanem alkupozícióban van az áramszolgáltatóval szemben, akkor az áramszolgáltatónak lehetősége van arra, hogy pl. egy irodaépületnek vagy egy üzemcsarnoknak 5-15 percre korlátozza pl. a légkondicionálását. Hiszen az épületben észrevehetetlen, ha a légkondicionáló 80%-helyett csak 30%-on jár negyedórán keresztül. Ugyanakkor a megtakarított villamos energiával az áramszolgáltató gazdálkodni tud. Tehát egy eredményes villamosenergia-tárolást és -felhasználást is szabályozható, úgynevezett intelligens rendszer jön létre. Az egyenáramú sínnek ott van nagy szerepe, hogy a legtöbb megújuló energiaforrás, pl. a tüzelőanyag-cella, a napelem-rendszerek egyenáramú sínre tudnak dolgozni, és ezért fontos, hogy az egyenáramú sínen biztosíthatók legyenek a különböző energiatároló-egységek is. Ezek lehetnek lendkerekes tárolók, kén-nátrium akkumulátorok vagy bármely más, az előzőekben említett villamosenergia-tárolási módszer.

A fejlődés törvényszerűsége, a technológiai csúcsdöntés és a gazdasági érdekek szükségszerűen mindenkor újat mutatnak fel. Az iparban, a villamosenergia-iparban talán még inkább kötelező a haladás. Ez pedig a megújuló energiák, a tüzelőanyag-cellák, a villamosenergia-tárolás felé tereli a figyelmet és az alkotást.