Villamosenergia-tárolási technológiák

Villamosenergia-tárolási technológiák

Az energiatárolás napjaink egyik kulcskérdésévé nőtte ki magát, hiszen minden felhasználó minél kisebb, de annál nagyobb kapacitású, helyhez nem kötött eszközt szeretne használni, amely a legtöbb esetben elektromos energiával működik; fontos tényező emellett a gyors és hatékony feltöltések lehetősége, valamint a minél magasabb kisütési ciklusszám elérése.
 
A mobil, kisteljesítményű és –fogyasztású eszközöktől elszakadva az elektromos meghajtású autók térnyerése nem hagyható figyelmen kívül, még messzebbre tekintve pedig azonnal megfigyelhető a kiterjedt villamosenergia-hálózatokban az energiafogyasztás folyamatos, periodikusnak mondható változása. Éjszaka alacsonyabb a villamosenergia-fogyasztás, mint nappal; éves szinten, télen a rendszerterhelés magasabb a mérsékelt égövben megnövekedett világításra és fűtésre használt energiamennyiség miatt; nyáron valamivel alacsonyabb a fogyasztói igény, bár ez a különbség a klímaberendezések elterjedése miatt egyre csökken, ahogyan a napi fogyasztási csúcs idejének eltolódása is alkalmazásuknak köszönhetően.
 
A felmerülő fogyasztói igények bizonyos határok között az erőművek fel- és leterhelésével szolgálhatók ki, bár bizonyos erőművek (széntüzelésű hőerőművek) teljesítménye csak lassan változtatható, indításuk és leállításuk akár 6-8 órás folyamat is lehet, ami a rendszer szempontjából igen hosszú idő.
 
Az időjárásfüggő energiaforrásokból (jellemzően a nap- és szélenergiából) termelt villamos energia mennyiségét tekintve nem beszélhetünk megfelelően tervezhető termelésről, hiszen a jelentkező szélmennyiségnek és a napos órák számának sincs teljes biztossággal beváló becslési módszere. Az ilyen jellegű, egy irányba szabályozható szél- és naperőművek által bizonytalanul termelt energiából adódó nehezítésekkel is szembe kell nézni. Jelenleg, ha a szél- és naperőművek energiája eltér a becsült menetrendtől, akkor a kiesést vagy többletet azonnal, hagyományos erőművekkel kell kiszabályozni.
Világszerte a gyakran és előre nem láthatóan változó villamosenergia-fogyasztás (vagy éppen -termelés) okozta kihívásokkal való szembenézés egy módja energiatárolásra alkalmas berendezések telepítése. A következőkben a teljesség igénye nélkül kerül bemutatásra néhány energiatároló berendezés.
 
Tárolási módszerek
 
 
A szivattyús energiatározó vízerőművek tulajdonképpen a víz mechanikai energiájának tárolására szolgálnak. Csúcsfogyasztási időszakban energiatermelésre használják, úgy, hogy két különböző szintmagasságú víztározó között a magasabban fekvőből az alacsonyabban fekvőbe engedik át a vizet egy vízturbinán keresztül. Völgyidőszakban, vagyis alacsony fogyasztás idején a vizet visszaszivattyúzzák a felső víztározóba a generátort villanymotorként, a turbinát pedig szivattyúként használva. Az így felépített rendszer energiamérlege önmagában természetesen veszteséges, haszon abból származik, hogy csúcsüzemben a hálózatnak eladott villamos energia ára többszöröse a csúcsidőn kívüli, mélyvölgyben szivattyúzásra használt energia árának. Az egész villamosenergia-rendszer összhatásfoka szempontjából pedig kedvező, hogy a fosszilis tüzelőanyagot elégető alaperőművek és az atomerőművek jó hatásfokkal, közel állandó terheléssel üzemelhetnek (load-leveling).
 
A szivattyús energiatározókat csoportosíthatjuk felszíni és földalatti alkalmazásuk szerint ugyanazon működési elv alapján, valamint megkülönböztethető nyílt és zárt hurkú erőművek is az alapján, hogy használ-e az adott erőmű természetes vizet. Adott esetben tengervíz felhasználásával is készülhet szivattyús energiatároló, viszont a felmerülő többlet építési- és fenntartási költségek jóval magasabbak.
A szivattyús energiatárolás kereskedelmi alapon való működésének kezdete óta folyamatosan egyre nagyobb mértékben épülnek változó teljesítményű tárolók (egészen 3000 MW-os nagyságrendig) világszerte.
Villamosenergia tárolás.jpg 
1. ábra: PHS (Pumped Hydro Storage) működési elve
 
1.2 Lendkerekes energiatárolás
 
A lendkerék (flywheel), ami lendítőkerékként is ismert, gyakorlatilag egy forgó tárcsa, mely mechanikai energia tárolására alkalmas. A berendezésben tárolt energia a tömegével egyenesen, szögsebességével pedig négyzetesen arányos, ezért általában nagy szakítószilárdságú, könnyű anyagból célszerű készíteni. A korszerű lendkerék csapágyazása mágneses felfüggesztéssel van megoldva, valamint a minél jobb súrlódási tényező elérése érdekében általában légritka, vagy vákuumos teret igyekeznek létrehozni a tokozáson belül. A nagyobb lendkerekek fordulatszáma a 20000/perctől akár az 50000/percet is elérheti vákuumos közegben. Az energiatárolók között is előnyeként említendő a kitűnő ciklusstabilitás, a viszonylag hosszú élettartam alacsony fenntartási költségekkel, és a környezetvédelmi szempontból ártalmatlan anyag használata. Az energiatároló rendszerszinten való felhasználási lehetőségei között említésre méltó, hogy gyors felfutással rövid ideig nagy teljesítményt képes nyújtani, megfelelő időzítéssel a rövid idejű ingadozások kiegyenlítésére használható.
 
2. ábra: Lendkerekes tároló berendezések, biztonsági okokból a föld alá helyezve. Csak a vezérlés látszik.
 
 
A sűrített levegős (sűrített gáz) tárolási technológiát a 19. század óta használják különböző ipari és mobil alkalmazásokra egyaránt. Elérhetősége miatt a levegő a tárolási közeg, amit villamos energia használatával összenyomnak és egy földalatti tárolóban, vagy egy föld feletti csövekből és tározókból alkotott rendszerben tárolhatnak. Egy módosított gázturbinában szükség esetén elégethető a tárolt levegő, természetes gáz hozzáadásával. A földalatti tározók jellemzően barlangok, víztartó rétegek (földalatti kiürült víztározók) vagy elhagyott bányákban kapnak helyet.
 
Alapvetően két fajtájú sűrített levegős tárolásról beszélhetünk: diabatikus és adiabatikus fajtákról. Diabatikus esetben a levegő összenyomása során keletkező hőmennyiség elvész a hűtéssel és nem tárolódik, ezért a levegő tágulása előtt fel kell melegíteni a levegőt. Ez a hatásfok csökkenésével jár, ami eleve kevesebb, mint 50%. Az adiabatikus tárolási mód használatánál a felszabaduló hőmennyiséget is tárolni kell. A sűrített levegős egy bevált tárolási módszer a gyakorlatban (habár az adiabatikus tározó létrehozása nehézkes, ezért többnyire csak a kisebb hatásfokú, diabatikus módszer áll rendelkezésre), mindenképp előnye, hogy megbízható és többnyire nagy kapacitású. Hátránya viszont, hogy alacsony hatásfokkal működik és földrajzilag korlátozott a telepíthetősége.
 
3. ábra: Földalatti sűrített levegős energiatároló
 
 
 
Ez az akkumulátortípus 1890-es évekbeli kereskedelmi célra történő kifejlesztése óta a legismertebb és legtöbbet használt típus a világon (1859-ben alkotta meg Gaston Planté francia fizikus). Viszonylag alacsony a tömegegységre vonatkoztatott energia aránya, viszont előnye, hogy jó az egy tömegegységre vonatkozó teljesítmény aránya, alacsony az üzemeltetési költsége és igen nagy gyártási tapasztalat van mögötte. Ólomsavas akkumulátorok mobilis és stacioner helyzetű felhasználási területeken egyaránt felfedezhetők: jellemzően energiaellátási vésztartalék, különálló rendszer egy naperőművel, akkumulátortelep a szélerőmű kimenetén lévő teljesítményingadozások csökkentésére és természetesen járművek indítóakkumulátoraként is ismert. Természetesen, mint legolcsóbb alkalmazást, ezt a technológiát is fejleszteni próbálták, ennek eredménye többek között a stacioner ólomsavas akkumulátor és a szelepvezérelt ólomsavas akkumulátor is (AGM – üvegszálas erősítésű papír az elválasztó közeg a két elektród között).
 
4. ábra: Szelepvezérelt felitatott üvegszálas akkumulátor (Absorbed Glass Mat)

1.4.2 Ni-MH (Nickel-metal-hydride) akkumulátor

Az ólomsavas akkumulátorok viszonylag rövid élettartamuk miatt elveszítik az alacsony előállítási költségükből adódó előnyüket az újabb fejlesztésű akkumulátorokkal szemben, amelyek egyik fajtája a pozitív elektródaként nikkelt használó akkumulátor. Maga a fejlesztés egy svéd találmány, Waldemar Jungner fedezte fel 1899-ben (Thomas Edison is rájött a működésre és 1902-ben nikkel-vas akkumulátorként szabadalmaztatta az Egyesült Államokban, de nem ismerte Jungner eredményeit). Az ólomsavas verzióhoz képest gyorsabban tölthető, kisebb a hőmérsékletfüggése, hosszabb életű és jobban viseli a mélykisütést. A pozitív elektróda nikkel-hidroxid, a negatív pedig kadmium, vagy valamilyen hidrogén-megkötő ötvözet. Az elrendezése ún. jelly-roll elrendezés (amely abban áll, hogy a leterített anódra ráterítjük a szeparátort és végül a katódot, majd felcsavarjuk), amivel a belső ellenállás csökkenhet és így a kinyerhető áram maximuma nagyobb lehet. A kadmiumos változathoz képest a metál-hidrid negatív elektróddal rendelkezők kapacitása akár háromszoros is lehet.
Technikai szempontból a nikkeles akkumulátorok elég sikeresek, képesek akár -20…-40°C hőmérsékleten is üzemelni; elektromos autókban is, de nagy akkumulátortelepeken is használnak nikkeles akkumulátorokat, amelyek az ólomsavassal közel azonos fokon üzemelnek.
 
5. ábra: NiCd akkumulátor szerkezeti felépítése (jelly-roll elrendezés)

1.4.3 Lítium-ion akkumulátoros technológia

Ez az akkumulátortípus körülbelül az ezredforduló óta a legfontosabb tárolási technológia a mobilalkalmazások terén, hiszen a mobiltelefonok, notebook-ok, elektromos meghajtású autók és biciklik szinte mindegyike használ lítiumos akkumulátort.
Az egészen magas, akár 4 V névleges cellafeszültség lehetővé teszi, hogy egy adott feszültség eléréséhez szükséges cellák száma (a hozzájuk tartozó elektronikával együtt) kevesebb legyen: egy lítium cella helyettesíthet akár három, egyenként 1.2 V névleges feszültséggel bíró Ni-MH cellát is. Előnye a lítium-ion akkumulátornak, hogy viszonylag jó az egységnyi súlyra vetített energiasűrűsége és a tömegtermelésnek köszönhetően várható az árának a csökkenése. A lítium-ionos akkumulátorok hatásfoka is elég jónak mondható és szinte bármilyen kisütési idő elérhető vele attól függően, milyen anyagokat használunk elektródaként. Bár a mobilalkalmazások piacán domináns szerepe van, a nagyméretű (hálózati) energiatároló fejlesztése terén még vannak hiányosságai. Térnyerése előtt legnagyobb akadály mégis az ára, ami a különleges tokozás és a belső túltöltés elleni védelem kialakítása miatt nagyon magas. Emiatt a valóságban egyelőre az ólomsavas akkumulátorok vetélytársa, elsősorban a rövid kisütési idejű alkalmazások terén.
A biztonság egy nagyon fontos tényező a technológia fejlesztésében. Elsősorban az elemi lítium és a melléktermékek képződésének megakadályozása lényeges, de fontos többek között az is, hogy a fém-oxid elektródák hőmérsékletfüggése milyen (ugyanis a hőmérséklet emelkedésére szétbomolhatnak). A lítium-ion akkumulátor negatív elektródja általában grafit, katódja valamilyen fém-oxid, az elektrolit pedig valamilyen lítium-só oldat. A lítium-ionok az elektródában kisütés során a katódhoz, feltöltés során az anódhoz vándorolnak, és abba beépülnek; minél inkább elhasználódott az akkumulátor, az ionok annál kevésbé képesek vándorolni. A melegedés elkerülése érdekében túltöltést és túlságos kisütést megfigyelő berendezéseket alkalmaznak az akkumulátorhoz. Általában egy feszültségmérő berendezéssel is felszerelik az akkumulátort, hogy a cellák feszültségei közötti eltéréseket megelőzzék.
 
6. ábra: Hasáb alakú lítium-ion cella jellemző felépítése[i]

1.4.4 Nátrium-kén (NaS) akkumulátor

A nátrium-kén akkumulátorok folyékony nátriumból (olvadék, a tároló negatív elektródája) és folyékony kénből (olvadék, pozitív elektróda), valamint az őket elválasztó magas alumíniumtartalmú kerámia elektrolitból épülnek fel. Az elektroliton csak a pozitív töltésű nátriumionok juthatnak át, ezek kisütés során a kénnel alkotnak többatomos molekulát, így áramot hozva létre, töltés során pedig ennek a folyamatnak a fordítottja játszódik le, tehát újra szétbomlik egymástól a kén és a nátriumionok. Maga a folyamat, így az akkumulátor is, 300°C és 350°C közötti hőmérsékleten működik, ekkor az elektródák olvadt állapotban tarthatók. A jellemző ciklusszámuk (ciklusélettartam) megközelítőleg 4500, kisütési idejük kb. 6.5 óra átlagosan. Elég gyorsan reagálnak (akár ms nagyságrend) és viszonylag jó a hatásfokuk (75%). Viszont a hőmérséklet fenntartásához szükséges hőt a saját tárolt energiájából állítja elő, ami teljesítményveszteséggel járhat (napi használat során a működési hőmérséklet csak a reakcióhőből fedezhető – megfelelő szigetelés alkalmazásával). A napi ciklusú feladatok végrehajtására mindazonáltal alkalmas eszköz lehet, viszont a teljesítmény növekedésével az árak is ugrásszerűen megnőnek.
 
7. ábra: NaS cella felépítése

1.4.5 Áramlásos akkumulátor (Flow Battery, Vanadium Redox Flow Battery)

Az áramlásos akkumulátor funkcionális különbsége az eddig felsorolt akkumulátortípusokhoz képest, hogy a folyadék halmazállapotban lévő elektródák már az elektrolit szerepét is megkapják (anolythe és catholyte angol terminológiával). A folyékony elektrolitokat egymástól elkülönített tartályokban tárolják, kisütés és töltés során pedig a folyadékot átáramoltatják az elektrokémiai reaktor közegen, ahol a redukciós és oxidációs folyamatok lezajlása közben töltésáramlás jön létre. Mivel az elektrolitok külön tartályokban vannak, az akkumulátor teljesítményét a cellák tervezése, az energiáját pedig a tartályok mérete határozza meg, amelyekben a tárolt elektrolitot könnyen ki lehet cserélni. A redox (redukciós/oxidációs) áramlásos akkumulátorban a két folyékony oldatban fémionokat – aktív anyagok – pumpálunk át az akkumulátor cella ellenkező oldalára; töltés és kisütés közben nincs fázisváltozás, a fémionok végig oldott folyékony állapotban maradnak. Kisütés közben az elektródákat „táplálja” az aktív oldott anyag, amikor pedig elektromos energiává alakult a kémiai energia, az anyagot visszavezetjük a tartályba. Elméletileg így az akkumulátor újratölthető, ha a kisütött folyadékot már feltöltött folyadék bepumpálásával helyettesítjük a cellákban. Mivel a VRFB ugyanolyan fémet használ a pozitív és negatív elektródjaként (vanádium), a fémionok áthaladása a membránon csak energiaveszteséget jelent, míg a többi redox akkumulátorban (Fe-Ti, Fe-Cr) ez akár visszafordíthatatlan kapacitásveszteséget és az elektrolitok minőségének romlását is eredményezheti.
 
8. ábra: Vanádium redox áramlásos akkumulátor működése

1.4.6 Hidrogénes energiatárolás (elektrolízissel)

A tipikus hidrogénes energiatároló egy elektrolízist végző berendezésből (ami a vizet összetevőire bontja: hidrogén és oxigén), egy hidrogén tartályból (nyomás alatt tartott tartályból) és egy üzemanyagcellából áll (ahol a két gáz halmazállapotú elem keveredésekor keletkező hőenergia átalakítható elektromos energiává – az elektrolízis inverz reakciója, ekkor víz keletkezik). A bontás után az üzemanyagcellát egy gázturbinához, gázmotorhoz, vagy kombinált ciklusú gáz- és gőzturbinához csatolják, így állítható elő villamos teljesítmény. Az oxigén tárolása szükségtelen, mert az a levegőből kinyerhető, a hidrogén ipari méretekben való tárolásának elhelyezése és halmazállapota viszont egyelőre megoldandó feladat a fejlesztők körében.
Egy másik megközelítése a hidrogénes energiatárolásnak, ha szén-dioxidot adunk a hidrogénhez (így metán keletkezik), ezzel képessé téve azt a központi gázrendszerre való csatlakozásra.


 
9. ábra: H2 energiatárolás működése

1.5 Elektromos energiatárolás

1.5.1 Szuperkapacitás (Double Layer Capacitor)

A szuperkapacitás, mely ultrakapacitásként is ismert, rengeteg előnnyel bír a hagyományos kondenzátorokkal és az eddig bemutatott akkumulátorokkal szemben. Felépítése gyakorlatilag megegyezik a hagyományos kondenzátoréval, viszont a klasszikus dielektrikum helyett itt egy kettősréteg található meg, ami miatt a teljesítmény- és energiasűrűsége sokszorosa lehet a hagyományos kondenzátorokénak. A kettősréteg egy nagyon vékony térrész (10-9m nagyságrend), amely megfelelően nagy fegyverzet-felülettel kombinálva nagy kapacitásértéket ad. A szuperkondenzátor teljesítménysűrűsége viszonylag nagy, energiasűrűsége viszont nem éri el egy akkumulátor szintjét, mivel csak rövid idejű beavatkozásokra képes – a rendkívül alacsony belső ellenállás miatt viszont rövid töltési és kisütési idővel rendelkezik. A magas önkisülési ráta, bekerülési költség és alacsony energiasűrűség következtében viszont nem éri meg alkalmazásuk az energia hosszabb időtartamra való tárolását tekintve (csak rövid ideig gazdaságosak). Népszerűsége növekszik, viszont önálló alkalmazásukra ritka a példa, inkább valamilyen akkumulátorral együtt láthatók.

1.5.2 Szupravezetős tekercsben történő energiatárolás (SMES)

Az energia tárolása az egyenáram által létrehozott mágneses térben valósul meg, ahol a tekercs szupravezetőből készül (Superconducting Magnetic Energy Storage). Ennek köszönhetően ohmos ellenállása és vesztesége nagyon alacsony, hatásfoka pedig igen jó (>95%). Előnyként említendő mindenképpen, hogy nincs benne mozgó alkatrész, tehát karbantartási költsége minimális. Hátránya viszont, hogy a normál hőmérsékletű szupravezetők kifejlesztéséig a szupravezetős tekercs hűtési igénye igen nagy, maga a rendszer megbízhatósága nagyban függ ettől. Ez a technológia (hasonlóan a DLC-hez) is egyelőre kutatási szempontból jelent kihívást, alkalmazása nem annyira elterjedt, mint az akkumulátoroké. A villamosenergia-hálózatot tekintve használható a feszültségminőség javítására, mivel a tekercsben tárolt energia nagyon gyorsan hálózatra adható annak minimális töltési és kisülési ideje miatt. Az energia gyakorlatilag határozatlan ideig tárolható a rendszerben, egyedül a hűtés energiaigénye határolhatja azt be. Fejlesztése során, amennyiben például a teljesítményt szeretnénk növelni, akkor számítanunk kell a tekercs hosszúságának növekedésére is, de számos más tényező van, amelyek miatt további technológiai javításra kell számolni az eszköz széleskörű piacra lépése előtt.
Felhasznált irodalom

Dr. Stróbl Alajos, A villamos energia tárolásának szükségessége és megoldásai prezentáció, 2010, Esztergom
Ridge Energy Storage & Grid Services L.P: http://www.ridgeenergystorage.com