Energiatárolás: energia, amikor szükség van rá

A fejlődés nagyon dinamikus, de az alapproblémát még mindig feszegetjük; vagyis azt, hogy a megtermelt villamos áramra nem mindig ott és akkor van szükség, ahol előállítjuk. Az áramot tehát hatékonyan tárolnunk kell, és nem zseblámpa elem méretekben…

Természetes, hogy otthonunkban és környezetünkben minden időpillanatban rendelkezésünkre áll az energia. Lehetővé vált a villamos áram széleskörű felhasználása, több mint egy évszázada létrehozták az energiaátvitel és elosztás mai rendszerének alapját. A váltakozó áramú villamosenergia-termelés nehézsége, hogy nem raktározható, és alapvetően a mindenkori fogyasztói igények határozzák meg az erőművekben termelt mennyiséget. Az azonnal fel nem használt, de megtermelt villamos energia tárolási lehetősége nélkül az átviteli és elosztói hálózatirányítóknak folyamatosan azzal a kihívással kell szembesülniük, hogy a fogyasztók igényeinek pontosan megfelelő mennyiségű energiát tudjanak előállítani minden pillanatban.

Napjainkban megnőtt a jelentősége a megújuló energiaforrásokból származó energiatermelésnek. Azonban a megújulókból származó energia a hagyományos energiatermeléssel szemben kevésbé kiszámítható, kevésbé tervezhető, még akkor is, ha ma a meteorológiai előrejelzések már sokkal pontosabbak és tervezhetőbbé teszik a termelhető mennyiségre vonatkozó becslést. A megtermelt mennyiség rendszerbe integrálásának a kérdése előtérbe helyezte az energiatárolás lehetőségeinek elterjesztését.

A megújuló energiaforrásokból való termelés nem feltétlenül esik egybe a csúcsfogyasztással, például adott helyen a szél éjszaka fúj erősebben, ekkor a rendszerirányító vagy leállítja a turbinákat vagy a fosszilis alaperőműveket terheli vissza, amelyek folyamatos terhelésre alkalmasak, és nem ciklikusságra. Sajnos az örvendetesen terjedő napenergia, szélenergia, és bizonyos szintig a vízenergia kapcsán is kevés szó esik arról, hogy ezek az energiák nem abban az ütemezésben, időzítésben keletkeznek, amelyben a felhasználási igény keletkezik. Vita van arról – még a szakemberek között is –, hogy az atomenergia mennyire környezetbarát, de arról nincs vita, hogy ez az energiaforrásunk a legkevésbé sem rugalmas, teljesen alkalmatlan arra, hogy a természeti energiák szélsőséges ingadozását kiegyenlítse. Egy atomerőművet nem lehet este 6-kor bekapcsolni, és reggel kikapcsolni. A szénerőműveket lehet, de azok pedig rendkívül környezetkárosítóak, visszafordíthatatlan ökológiai katasztrófához vezetnek. Ennél kevésbé „kártékonyak” a földgáz erőművek, ráadásul ezek nagyon rugalmasak, de a légköri CO2 növekedéséhez bizony alaposan hozzájárulnak.

Ezekre a problémákra lehet megoldás az energiatárolás, melynek során a villamos energiát átalakítják valamilyen más energiaformává, majd a felhasználáskor újra visszaalakítják villamos energiává. Az akkumulátorok esetében is erről van szó, itt kémiai folyamatok alakítják a villamos energiát át- és vissza. Ezen a téren a legnagyobb a fejlődés. Míg korábban csak gépkocsi akku méretekben gondolkoztunk, ma már hatalmas akkuparkokban, és sok száz MWh kapacitásokban, sőt olyan fejlesztések is vannak, melyek a gombamódon szaporodó elektromos autók akkumulátorait foglalják országos rendszerekbe, és veszik igénybe azok holtidejében a tárolókapacitásukat.

A savas ólomakkumulátorok teljesítménye már eléri a 10 MWh-t, a nikkel-kadmium akkumulátorok pedig a 40 MWh-s teljesítmény mellett már magas élettartamúak is. Egyre nagyobb teret hódít a Lítium-ion akkumulátor, amely a hagyományos ólomakkumulátorhoz képest több mint 20-szoros energiasűrűségre (KWh/kg) képes.

Az átalakításnak azonban vannak más módjai is, mint a kémiai átalakítás (akkumulátor), a többletenergia tárolására és a kieső időszakokban az áram visszapótlására különféle technológiák vannak már mai is. A kapacitás-jellegű alkalmazások órákig vagy napokig folyamatosan működő tárolási rendszereket jelentenek. A teljesítmény-jellegű alkalmazások esetében a kisütés általában csak másodpercekig vagy percekig tart, de a feltöltés is rövid idejű.

Az energia tárolása lehet rövidtávú, ekkor használhatunk kondenzátort, lendkerekes energiatárolót. A hosszú távú energiatárolás történhet például sűrített vagy cseppfolyós levegős technikával. A sűrített levegős energiatárolásnál a felesleges energia segítségével levegőt nyomnak földalatti tárolókba, ez lehet akár sóbányák barlangja, majd amikor újra szükség van az energiára a sűrített levegő meghajt egy generátort, ami újra villamos energiát állít elő. A cseppfolyós levegős technológia alkalmazásakor a rendszerben lévő plusz energiát felhasználva a levegőt le lehet hűteni -196 °C-ra, ekkor 700 liter levegőből 1 liter cseppfolyós levegő keletkezik, amelyet szigetelt tárolóedényekben eltárolnak. Nagy előnye, hogy a tartályokban tárolt energia felhasználása térben sem kötött, vagyis szállítható, bárhol és bármeddig felhasználható. Amikor szükség van az energiára, a cseppfolyós levegőt fel kell hevíteni gáz halmazállapotúvá, vagyis addig, míg újra 700 literesre nem nő a térfogata. Ezzel a térfogat-növekedéssel lehet a turbinákat meghajtani, és elektromos áramot termelni.

Szivattyús energiatározónál az éppen felesleges villanyárammal vizet pumpálnak fel a hegy tetejére, vagy magas víztárolóba, majd felhasználáskor vízturbinával újra árammá alakítják vissza a gravitációs energiát. Az ilyen erőművek 70-85%-os hatékonysággal tudják megőrizni az energiát, így a jelenlegi energiatárolási technológiák közül a szivattyús tározás költséghatékonynak nevezhető.

A hosszútávú tárolás egy másik megoldási formája az úgynevezett „power-to-gas”. Ebben az esetben a megújuló energiaforrásból származó villamos energiát elektrolízissel hidrogénné vagy szintetikus földgázzá alakítják át. Ennek előnyei, hogy a hidrogén és a földgáz is jól tárolható, közvetlenül felhasználható vagy becsatlakoztatható a földgáz-hálózatba.

Gravitációs tárolás

Svájcban 2018-ban megépítették egy betonerőmű kísérleti modelljét. Működése azon alapszik, hogy ha valamit felemelünk, azzal energiát tárolunk, ha leejtjük, azzal energiát nyerünk. A beton sűrű anyaga miatt több energiát képes tárolni, mint egy azonos térfogatú víztározó. A modell egy 120 méter magas, motorokkal ellátott hatkarú daruból és a köré helyezett, a karoknál jóval mélyebben fekvő, egymásra helyezett betonhengerekből áll. Ezek egyenként 35 tonnát nyomnak. Többletenergia esetén a daru felemeli a tömböket, ha pedig áramra van szükség, akkor egy szoftver segítségével visszaengedik őket a földre, miközben a motor generátorként energiát termel. Hatékonyságban az akkumulátoros tárolókhoz hasonlítható. A betonerőmű a tömbök emeléséhez elhasznált energiához képest körülbelül 85 százalékban képes visszanyerni az energiát.

Hazai megoldások

Magyarországon is igény jelentkezik a rugalmas energiatároló megoldásokra. Hazánkban jelenleg három energiatárolási projekt van folyamatban az E.On, az Elmű és az Alteo beruházásai. Ezek tulajdonképpen nagy kapacitású akkumulátor parkok, 4-10 MWh névleges tárolókapacitással.

Bazalt tároló

Egy dán kutatási projekt feltevése szerint a bazalt lehet a csodafegyver az energia tárolásban. Elképzelésük szerint nagy teljesítmény hosszú ideig tartó leadására is használható a hő elraktározására alkalmas, szinte mindenhol megtalálható, olcsó vulkanikus kőzet. A hőcserét lényegében a borsó méretűre zúzott bazaltra bízzák. A konzorcium egy demo-projekttel akarja bizonyítani, hogy működőképes az az elképzelésük, miszerint: ha a földkéreg egyik legelterjedtebb anyagát, aprított formában, nagy, szigetelt acéltartályokba töltik, és ebbe vezetik be a fölös megújuló energiát, akkor az lényegében egy energiatárolóként működik, melyből később, jó hatékonysággal vissza is tudják nyerni a betöltött villamos energiát.

Szilárdtest akku autóba

Az elektromos autók legdrágább, legtöbbet említett alkatrésze az akkumulátor, ezért ezek olcsóbbá tételére, könnyítésére és kapacitásuk növelésére hatalmas erőfeszítések zajlanak. Kutatók számos anyaggal kísérleteznek, és ezek között kulcsszerephez jut a szilícium. A kutatások szerint a forradalmi szilárdtest-akkumulátorok technológiája már ebben az évtizedben meghatározó lesz az autó­iparban. A szilárdtest technológia legfőbb előnyei autókban alkalmazva, hogy az akkuk nem tartalmaznak gyúlékony, szerves vegyületeket, illetve akkor is működőképesek maradnak, ha egy-egy cella megsérül. Alternatív anyagok felhasználásával kiküszöbölhető a grafit használata anódként, így jelentősen növelhető az energiasűrűség – 350 wattóra is kihozható lesz egy kilogrammnyi cellából az elektromos autókban. Az új technológia által tömeg- és térfogatcsökkenés is várható, a töltési idők jelentősen rövidülnek, a hatótáv pedig nő, miközben sokkal egyszerűbbé válik az akkumulátor hőszabályozása.

Vas-levegő akkumulátor

Az Egyesült Államokban kifejlesztettek egy „vas-levegő” akkumulátort, amely napokig képes tárolni a szél- vagy naperőművekből származó villamos energiát, és lassan táplálja azt be a hálózatba. A fejlesztés költséghatékony, sokáig tárolja a megtermelt energiát és nagy hatékonysággal tudja azt leadni. Mivel környezetbarát anyagokból áll, egy csapásra megoldhatja a zöldenergia legnagyobb problémáját. A működés alapelve a visszafordítható rozsdásodás: kisülés közben az akkumulátor oxigént vesz fel a levegőből, és a vas rozsdává alakul. Majd a töltés közben az elektromos áram alkalmazása a rozsdát visszaalakítja vassá, az akkumulátor pedig oxigént bocsát ki.

Grafén, a csodaanyag

Ausztrál kutatók olyan gyorsabban töltődő, fenntarthatóbb akkumulátor prototípusokat fejlesztenek, amelyeknek az élettartama háromszorosa a jelenlegi lítium-ionos akkumulátorokénak. Elkészítettek egy olyan alumínium-ion akkumulátort, amelyet grafén elektródokkal párosítottak, melynek kiváló az elektromos vezetőképessége is – a réznél is jobb. A grafén lényegében a szénhez hasonló, azonban szerkezete révén képes különlegesen erőteljes kötéseket kialakítani az atomok között. A vizsgálatok azt mutatják, hogy a grafén-alumínium-ion akkumulátorok életciklusának tartama akár háromszorosa is lehet a jelenleg elterjedt lítium-ionos akkumulátorokénak.

Otthoni energiatárolás Németországban

2019-ben is tovább nőtt a kereslet az otthoni energiatárolók iránt Németországban. A tavalyi évben országszerte 65 000 akkumulátorral társított hibrid napelemes rendszert telepítettek a 3 és 10 kW közötti kategóriában, ami 44%-os növekedés az előző évhez képest, az otthoni energiatárolók száma így év végére elérte a 206 ezret. Ennél is meglepőbb, hogy ez a tavalyi évben telepített fotovoltaikus kiserőművek 84%-a, vagyis Németországban mára már az otthoni energiatárolás választása vált a főszabállyá, a tároló nélküli napelemes rendszer pedig a kivétellé. Népszerűségüket a magas energiaáraknak, a csökkenő telepítési költségeknek és az elektromos autózás terjedésének köszönhetik.