A múlt hét óta attól hangos a világ technológiai híreivel foglalkozó nemzetközi és hazai sajtó, hogy a Samsung először felfüggesztette a Galaxy Note 7 mobilkészülékek eladását, hogy a túlhevülő, kigyulladó vagy éppen felrobbanó akkumulátorokat kicserélje, majd más gyártású akkumulátorokkal újrakezdte az értékesítést, ám problémák jelentkeztek a cserekészülékekkel is, így végül a teljes Galaxy Note 7 gyártást befejezték és visszahívnak minden ilyen készüléket. Egyes légitársaságok a készüléket teljesen kitiltják a repülőgépek fedélzetéről, a Lufthansa például tegnap (2016.10.18-án) döntött így. A történetnek energetikai vonatkozásai is vannak, így érdemes azt kicsit közelebbről megvizsgálni.

Idén augusztusban dobta piacra a Samsung új csúcskészülékét, a Galaxy Note7-et. A cég honlapján közzétett hivatalos nyilatkozatában beszámolt arról, hogy szeptember 1-ig 35 olyan esetről értesültek, hogy az eladott mobiltelefonok akkumulátora túlmelegedett, esetenként felrobbant. A Samsung vizsgálja az ügyet, a probléma az akkumulátorokat gyártó egyik cég gyártásfolyamatában jelentkezett. A Samsung számára ez az akkumulátor-probléma a Galaxy Note7 készülék gyártásának beszüntetéséhez, ezáltal jelentős árbevétel csökkenéshez és piaci presztízsveszteséghez vezetett.

Elektronikus eszközeink fokozatos mobilizációjával növekvő igény jelentkezik a villamos energia egyre kisebb térfogatban történő tárolására, vagyis a villamosenergia-tárolásra alkalmas eszközök energia-, illetve teljesítménysűrűségének növekedését, illetve méretük csökkentését célzó fejlesztésekre. Emellett a fogyasztó igényli azt is, hogy készülékének akkumulátora a lehető leggyorsabban feltöltődjön, ami újabb és újabb kihívást jelent a fejlesztők számára, hiszen a csökkenő méret nagyobb kapacitás és nagyobb töltési áramerősség igényével találkozik. Ez növeli az áramerősséget, a hőfelszabadulást, és sebezhetőbbé teszi az eszközöket meghibásodásokkal, pl. rövidzárlatokkal szemben. Márpedig a mobiltelefon akkukban használt lítium tűzveszélyes, a probléma olyan léptékű, hogy idén tavasszal az ENSZ alatt működő ICAO civil repülésbiztonsági szervezet új ajánlásában megtiltotta nagy darabszámú lítium akkumulátort tartalmazó csomagok utasszállító repülőgépeken történő szállítását. A jelentések szerint eddig három teherszállító repülőgép és személyzetének elvesztéséhez vezetett a lítium akkuk felrobbanása vagy tüze. A kihívás tehát komoly.

Mivel a mindennapi életben a fogyasztó legtöbbet a mobiltelefon akkumulátorával találkozik, érdemes megnézni, mire elegendő az abban rejlő energia. Kiszámolhatjuk, hogy egy átlagosnak tekinthető 3000 mAh kapacitású mobiltelefon akkumulátorban, melynek feszültsége mondjuk 5 V körüli, mennyi energia tárolható. Ehhez csupán össze kell szorozni a megadott értékeket: 3 Ah x 5 V = 15 Wh, vagyis 0,015 kWh. De mire is elegendő ennyi energia? Egy átlagos 2000 W-os hajszárítót, porszívót, vagy vízforralót ennyi energiával 15 Wh / 2000 W x 60 perc, azaz kevesebb, mint fél percig tudnánk működtetni. Ha maradunk a vízforraló példájánál, akkor ez alatt a fél perc alatt kevesebb, mint 1,6 dl vizet tudnánk felforralni. Ebből is látható, hogy a tipikus háztartási eszközeink által elfogyasztott energia mennyisége jóval nagyobb, mint amennyit egy mobiletelefon akkuban tárolni tudunk, így nem véletlenül nem akkumulátorokról működtetjük őket.

Ráadásul a lakossági felhasználás mellett a villamosenergia-rendszer egészét tekintve is egyre nagyobb szükség lenne a villamosenergia-tárolásra alkalmas technológiák iránt. Ahogy korábbi bejegyzéseimben is hangsúlyoztam, az időjárásfüggő megújulók részarányának növelése a villamosenergia-termelésben is akkor tud valóban optimálisan hozzájárulni a szén-dioxid-kibocsátás csökkentését célzó klímapolitikai célok eléréséhez, amennyiben ipari léptékben rendelkezésünkre állnának nagy kapacitású, "tiszta" villamosenergia-tároló rendszerek. (Arról, hogy a villamosenergia-tárolás milyen keretek között tekinthető ténylegesen tisztának, már értekeztem.) A villamosenergia-tárolás jelenlegi fejlettségi szintjén nem érhető el olyan technológia, amely tulajdonságait tekintve lehetővé tenné a villamosenergia-rendszerben történő univerzális, széleskörű és nagyléptékű felhasználását.

A villamosenergia-tárolási technológiákat rendszerint aszerint csoportosítjuk, hogy az energiát milyen formában képesek tárolni (részletesebb technológiai ismertetőt a poszt végén közöltem).

A különböző villamosenergia tárolási technológiák egy lehetséges csoportosítása

Az egyes villamosenergia-tárolási technológiák felhasználásuk szempontjából fontos tulajdonsága méretük, illetve energia- és teljesítménysűrűségük. Adott mennyiségű energia tárolására alkalmas eszközök, létesítmények esetében minél nagyobb a teljesítmény-, illetve energiasűrűség, annál kisebb méret érhető el mind a térfogat, mind a tömeg tekintetében. A lakossági felhasználás szempontjából elengedhetetlen a kis méret, míg a villamosenergia-rendszer szempontjából a méretnek (térfogat) elhanyagolható szerepe van.

A különböző energiatároló technológiák elhelyezkedése az energiasűrűség-teljesítménysűrűség térben (Forrás: Applied Energy)

A különböző tárolási technológiákat energia- és teljesítménysűrűség szerint összehasonlítva látható, hogy az akkumulátorok többsége, illetve a szupravezető mágneses tárolás (SZMT) esetében az elérhető energia- és teljesítmény-sűrűség korlátozott, míg a kondenzátorok, szuperkondenzátorok esetében az elérhető teljesítménysűrűség ugyan magas, de a hozzá tartozó energiasűrűség alacsony. Utóbbiakat gyors válaszidejük miatt többnyire hálózati frekvenciaszabályozási célokra alkalmazzák, jelentős szivárgási áramuk miatt azonban hosszútávú energiatárolásra alkalmatlanok, a töltést csak néhány órán át képesek megőrizni.

Szivattyús-tározós (SZET) és a sűrített levegős energiatároló erőművek (az angol névből CAES) esetében a teljesítmény- és az energiasűrűség is alacsony. E tárolási technológiákat hálózati tartaléktartási- és csúcsigény kielégítési célokra használják, jelentős helyigénye miatt a lakossági szférában nem alkalmazhatóak, ellentétben a Li-ion akkumulátorokkal, melyek magasabb teljesítmény- és energiasűrűségük miatt alkalmasak a közlekedési szektorban, illetve a hordozható eszközökben történő felhasználásra egyaránt.

A következő ábráról leolvasható, hogy ezek a tároló-technológiák milyen időtávban képesek működni, amiből a villamosenergia-rendszerben potenciálisan betölthető szerepük is következik. A szuperkondenzátorok, lendkerekek és szupravezető mágneses tárolók kisütési ideje 1 óra alatti, az akkumulátorok többsége, és a kisméretű sűrített levegős tárolók kisütése 10 óra alatti, míg a SZET-ek, nagyméretű CAES-ek, illetve VRB akkumulátorok többsége 10 óra feletti kisütési idővel rendelkezik. A másodperces-perces kisütési idejű tároló-technológiák a villamosenergia-rendszer primer szabályozásában játszhat(ná)nak szerepet, vagyis a hálózat frekvenciájának egyensúlyban tartásában segíthetnek, de a villamosenergia-rendszer szempontjából érdeminek számító energiamennyiséget nem képesek tárolni.

A napon belüli energiafogyasztás-ingadozások kiegyenlítésére olyan technológiák alkalmazhatók, melyek az energiát órákon keresztül képesek betárolni (˝túltermelés˝ esetén), majd forráshiányos időszakokban ezt órákon keresztül kiadni magukból. A méret azonban megszabja a felhasználás területét: a VRB akkumulátorok jellemzően a 10-1000 kW teljesítménytartományban üzemeltethetők hosszabb ideig, ami inkább a lakossági-kisipari szektorban való alkalmazhatóságot vetíti előre.

Hosszú ideig és nagy beépített kapacitással jelenleg a (egyedüli kiforrott technológiaként) szivattyús-tározós vízerőművek képesek működni. Fejlesztések folynak a sűrített levegős energiatározókkal kapcsolatban is, ezek azonban jellemzően nem érik el a szivattyús-tározós erőművek teljesítmény-szintjét.

Az egyes tárolótípusok energia- és teljesítménytartományai (Forrás: Applied Energy)

Érdemes a hatásfok szempontjából is elemezni az egyes tároló-technológiákat, mely szempontjából a legkevésbé hatékony a sűrített levegős energiatárolás 50%-ot alig meghaladó hatásfokával. A sűrítés során keletkező hő hasznosítására, vagyis a hatásfok javítására létezik az ún. adiabatikus sűrített levegős energiatároló koncepció is, amely azonban egyelőre fejlesztés alatt van. Ugyancsak alacsony, 60% körüli hatásfokkal jellemezhetőek a kémiai villamosenergia-tárolási technológiák. A legmagasabb, akár 95%-ot is meghaladó hatásfokkal a lendkerekek, a szuperkondenzátorok és a Li-ion akkumulátorok rendelkeznek.

A tárolótechnológiák szerepe a villamosenergia-rendszerben kisütési idejük és kapacitásuk alapján (Forrás: Energy Storage Technology Roadmap)

Fontos következtetést vonhatunk le a fenti ábrából is, amely az egyes villamosenergia-rendszer szereplők (termelők, rendszerirányítók és fogyasztók) szempontjából releváns tárolási teljesítménytartományokban ábrázolja a különböző funkciók betöltésére szolgáló, illetve azokhoz igényelt tárolókkal szembeni teljesítmény- és kisütési idő tartományokat illető elvárásokat. Ahhoz, hogy szezonális tárolásra legyünk képesek, olyan tároló-technológiára van szükség, amelynek kapacitása jelentős, kisütési ideje pedig hetes-hónapos nagyságrendű. Ennek a felhasználási kategóriának az alsó határmezsgyéjén mozognak a sűrített levegős és a szivattyús tározós erőművek, más villamosenergia-tárolási technológiák azonban ezt a kategóriát meg sem közelítik.

A költségigény szempontjából is érdemes megvizsgálni egyes technológiákat, hiszen a tárolós projektek megvalósítása végső soron attól fog függeni, hogy van-e rá igény beruházói és fogyasztói oldalon. Az alábbi táblázat az egyes technológiák esetében (tervezett és megvalósított projektek alapján) becsült befektetési tőkeigényt, karbantartási költségigényt, a tervezett üzemidőt és a maximális kisütési ciklusszámot tartalmazza (az adatok forrása: Applied Energy és Technology Roadmap – Energy Storage).

  A különböző tárolótechnológiák befektetési- és működési tőkeigénye, üzemideje és jellemző kisütési ciklusszáma

Látható, hogy a nem villamosenergia-termelési céllal létesíteni kívánt, tárolási célú technológiák beruházási költsége a villamosenergia-termelési céllal épített erőművek beruházási költségének nagyságrendjébe esik, ami egyik jelentős oka annak, hogy ezen technológiák széleskörű elterjedése várat magára. Érdemes egy pillantást vetni a beruházási költségen kívül egy másik fontos paraméterre is, ami a technológiák kisütési ciklusszáma. Az akkumulátorok ezen a téren jelenleg kifejezetten rosszul állnak, ami az amúgy sem alacsony beruházási költségű telepek gyakori újratelepítését tenné szükségessé. A tárolási technológiák egy része jelenleg is fejlesztés alatt áll, egyes típusokból még csak prototípus épült.

Az egyes energiatárolási technológiák jelenlegi fejlettségi szintjei, a hozzájuk tartozó becsült beruházási költségszintekkel
(Forrás: Technology Roadmap – Energy Storage)

Összességében azt lehet mondani, hogy az ipari méretű, a villamosenergia-rendszer számára hasznosítható hetes, hónapos, vagy adott esetben szezonális, évszakokon átívelő áramtárolásra alkalmas technológia nincs a piacon. A villamosenergia-rendszerben a legnagyobb tárolókapacitások szivattyús tározós vízerőművekben vannak, melyek a napi menetrend tartásában tudnak részt venni, órás-napos nagyságrendű kisütési idővel. Látjuk azt is, hogy a kézi eszközökben és az elektromos autókban jelenleg a lítium-ion akkumulátoros technológia az uralkodó, de a teljesítménysűrűség növelése biztonsági problémákat vetett fel.

Azoknak pedig, akik mélyebben érdeklődnek az egyes villamosenergia-tárolási technológiák működési elve, illetve felhasználási területeik iránt, alább egy kicsit részletesebb áttekintés

Elektrokémiai villamosenergia-tárolási technológiák

A hétköznapi használatban leginkább elterjedt energiatárolásra alkalmas eszközök a különböző savas- (vagy ólom-), lúgos-, lítium-ion, illetve nátrium-kén (NaS) akkumulátorok, melyek a töltés során bevitt villamos energiát elektrolízis során kémiai energiává alakítják, és akként tárolják, lehetővé téve, hogy a bevitt villamos energia csaknem egésze a kisütés során újra villamos energia formájában legyen kinyerhető. Savas- vagy ólom akkumulátorokat főként gépjárművek indítóakkumulátoraként alkalmazzák, az elektromos meghajtású gépjárművek többségében (Nissan Leaf; Tesla Model S, Model X; BMW i3) lítium-ion akkumulátort alkalmaznak. Elektrokémiai villamosenergia-tárolás villamosenergia-rendszer szintű alkalmazására vannak kísérletek.

NaS technológiát alkalmazó kísérleti akkumulátorpark Japánban (Futamara) (Forrás: DOE Global Energy Storage Database)

Kémiai villamosenergia-tárolási technológiák

A kémiai villamosenergia-tárolási technológiák esetében a tárolni kívánt villamos energia felhasználásával hidrogént állítanak elő elektrolízis segítségével. Két technológia létezik aszerint, hogy az elektrolízist követően nyert hidrogént hidrogén-molekula, vagy egy további kémiai reakció beiktatása révén nyert szintetikus gáz formájában tárolják-e.

Elektromos és mágneses villamosenergia-tárolási technológiák

Elektromos és mágneses villamosenergia-tárolás során statikus elektromos-, illetve mágneses tereket használnak a villamos-energia direkt tárolására. A szuperkondenzátorok a hagyományos kondenzátorokhoz hasonlóan kondenzátorlemezek között, elektromos töltés formájában tárolják a villamos-energiát. A szupravezető mágneses villamosenergia-tárolás (Superconducting Magnetic Energy Storage – SMES, SZMT) során a villamos energiát egy AC/DC konverter közbeiktatását követően egyenáramként nagyon alacsony hőmérsékletű, magas indukciójú tekercsen átvezetve, mágneses mező generálása révén tárolják. Amikor villamos energiára van szükség, a tekercsből konverteren keresztül az áram visszanyerhető.

Mechanikus villamosenergia-tárolás                                              

Mechanikus villamos-energia tárolás során a tárolni kívánt villamos-energiát mozgási vagy potenciális energiává alakítva tárolják. Ilyen elven működnek a lendkerekes rendszerek, a szivattyús tározós erőművek (Pumped Storage Hydropower – PSH, vagy SZET), illetve a sűrített levegős energiatárolók (Compressed Air Energy Storage - CAES).

A lendkerék, vagyis lendítőkerék egy forgó tárcsa, melynek motorral történő gyorsításával növekvő mennyiségű energiát tudunk tárolni. A motor fékként történő alkalmazás révén lassítással a lendkerék energiát ad le, villamosenergia-termelésre alkalmas.

A Beacon Power a new yorki Stephentownban egy 20 MW-os, 200 lendkerékkel ellátott hálózati frekvenciaszabályozó létesítményt üzemeltet. Lendkerekeket azonban vasúti közlekedési hálózatokban is használnak hálózati feszültségtartási célokra, többek között Tokióban, New Yorkban, Londonban és Lyonban.

A Beacon Power vállalat lendkerekes frekvenciaszabályzó létesítménye Stephentownban (Forrás: beaconpower.com)

Szivattyús-tározós erőművek (SZET-ek) esetében völgyidőszakok során, olcsó árammal vizet szivattyúznak fel egy alacsonyabban fekvő víztározóból egy magasabban fekvő víztározóba a generátort motorként, a turbinákat szivattyúként használva. Villamosenergia-fogyasztási csúcsidőszakban pedig a magasabban fekvő tárolóból az alacsonyabban fekvő tárolóba engedik a vizet a turbinákat meghajtva, villamos energiát termelve, azt magasabb áron értékesítve. (Az európai SZET-ek a piaci körülmények miatt ma már nem feltétlenül a fenti üzleti modell szerint működnek, sokszor inkább a rendszerszabályozás számára értékesítik szolgáltatásaikat.) A tárolható energia mennyisége a két víztározó közötti magasságkülönbségtől és a víztározók térfogatától függ. 2014-ben a SZET-ek beépített kapacitása a világon körülbelül 140 GW, amely a teljes energiatárolási kapacitás több mint 99%-át teszi ki. Kapacitásuk az 1 MW-tól 3 GW-osig terjed, a speciális topológiai igényei miatt azonban akárhol nem létesíthetőek.

Szlovákiában a Fekete-Vágon 1981 óta üzemeltetnek egy közel 740 MW-os szivattyús tározós erőművet. Japánban az Okinawa erőmű tengervizes szivattyús tározós erőmű 30 MW-os teljesítménnyel 1999 óta üzemel. A világ jelenlegi legnagyobb szivattyús-tározós erőműve az Egyesült Államokbeli, 3 GW-os Bath County erőmű, ahol a két tározó közötti magasságkülönbség 380 m, a felső tározó kapacitása kb. 44 millió m³, míg az alsóé valamivel több, mint 34 millió m³.

A fekete-vági szivattyús-tározós vízerőmű (Forrás: seas.sk)

A SZET-ek (és tulajdonképpen minden további villamosenergia-tárolási projekt) versenyképességét, megtérülését  tovább komplikálja, hogy a napenergia alapú áramtermelés csúcsa napközben a déli órákban jelentkezik, amikor a SZET-ek egyik hagyományos kisütési időszaka volna. Ezzel a napi kettőről (egyszerűen fogalmazva) napi egyre (az esti csúcsra) korlátozódna kisütésük, ami radikálisan rontja a megtérülésüket. A SZET-tulajdonosok több esetben e kihívásra válaszul kezdtek el a szabályozási piacon való részvételben aktív szerepet vállalni.

A SZET-ek mellett egyetlen jelenleg rendelkezésre álló technológia képes még 100 MW feletti teljesítményt szolgáltatni, ezek a sűrített levegős energiatároló rendszerek (CAES). Hasonlóan a SZET-ekhez a völgyidőszakok olcsó áramát használják fel levegő sűrítésére, melyet gáztartályokban vagy földalatti természetes víztározókban, kimerült gázmezőkben, korábbi só- vagy kőbányákból visszamaradt üregekben tárolnak. A jelenleg üzemelő CAES-ek a levegő sűrítése során keletkező hőt nem használják fel, az veszteségként az atmoszférának adódik át. Áramot valamilyen hőforrás segítségével felmelegített sűrített levegővel meghajtott turbina és generátor termel, csúcserőműként, tartalék erőműként működnek többek között Németországban, illetve az Egyesült Államokban. Hasonló elven működnek a folyékony levegőn, illetve folyékony nitrogénen alapuló energiatároló rendszerek, melyek az adott anyag sűrítése helyett folyadék halmazállapotúvá alakításához használják fel a tárolni kívánt villamos-energiát. Ezen rendszerek telepítése során a megfelelő telephely kiválasztása a SZET-ekhez hasonlóan gondot jelent, jelentős befolyása van a beruházás tőkeigényére.

Termikus villamosenergia-tárolási technológiák

A termikus villamosenergia-tárolás egyik lehetséges módja az ún. hőszivattyús villamosenergia-tárolás (Pumped Heat Electricity Storage - PHES). A tárolni kívánt villamos energia segítségével hőszivattyút hajtanak meg, mely a hideg tartályból a meleg tartályba valamilyen hűtőközeg segítségével hőt szállít, majd amikor villamos energiát szeretnénk kinyerni, akkor a hőszivattyú hőerőgépként üzemel, és a hőenergiát mechanikai energiává alakítja, mellyel generátort hajtanak meg. A jelenleg is fejlesztés alatt álló technológia tervezett teljesítménytartománya 2-5 MW körüli, a speciális hűtőközeg-igénye (hasonló anyagok, mint amiket a hűtőgépekben is alkalmaznak) miatt azonban nem tekinthető környezetbarátnak.

A hőszivattyús technológián kívül természetesen meg kell említenünk a hagyományos villanybojlereket, melyek elsődleges célja ugyan a forró víz készítése, a villamosenergia-rendszer szempontjából azonban fel- és leterhelhető kapacitásoknak is felfoghatóak, illetve lehetővé teszik a villamosenergia-fogyasztás átütemezését. Ismertek ipari méretű forróvíztárolók is, ezek azonban az eltárolt villamos energiát általában nem villanyként, hanem hőként adják vissza, így a fent ismertetett villamosenergia-tároló technológiákhoz hasonlóan, ámde korlátozottabb szolgáltatásokkal képesek részt venni a villamosenergia-rendszer szabályozásában.