KURZUS: Különleges ellátási rendszerek

MODUL: A villamos energia ellátás vizsgálata a vezeték-logisztikai elvek szerint

4. lecke: A tárolás lehetőségei a villamos energia rendszerben

| Cél: A lecke célja, hogy a hallgató megismerje a villamos energia ellátó rendszerben rendelkezésre álló tárolási lehetőségeket, valamint a jövőben várhatóan nagyobb mértékű raktározás hatását az ellátó rendszer működésére
Követelmények: Ön akkor sajátította el megfelelően a tananyagot, ha képes:
felsorolni a villamos energia tároló létesítmények típusait megfogalmazni a tároló infrastruktúrák fontosságának szerepét a villamos energia ellátás rendszerében bemutatni a villamos energia ellátás jövőbeli kihívásait az alternatív tárolási technológiák elterjedése tekintetében
Időszükséglet: A tananyag elsajátításához körülbelül 60 percre lesz szüksége.
Kulcsfogalmak: Szivattyús tározó, akkumulátoros tározó, VRB tározó, hidrogén-technológia, V2G
Keressen példákat az interneten a szomszédos országok villamos energia tárolási adottságairól! Jegyzetfüzetében indokolja, mi okozhatja a hazai rendszerhez képest tapasztalható különbségeket!
A tárolási lehetőségek, és ebből adódóan a logisztikai rendszermodell tekintetében is elmondhatjuk, hogy a villamos energia ellátás rendszere technikai áttörés előtt áll -egyidejűleg van jelen az igény a fenntartható, a jelenleginél rugalmasabban szabályozható rendszer-elemekre, és állnak rendelkezésre széles skálán (piacérett) megoldások.
A nemzetközi gyakorlatban készült vizsgálatok szerint az alkalmas tározó típus és nagyság komplex szempontrendszer alapján határozható meg (Tóth és mts, 2011): (1) Teljesítmény és tárolási kapacitás, reagálási idő, az élettartam alatti ciklusszám, ciklushatásfok. (2) Beruházási költségek, üzemeltetési és karbantartási költségek, a kiadott villamos energiára vetített egységköltség. (3) Műszaki kiforrottság, megbízhatóság, feladatfüggő alkalmazhatóság, a rendszer szabályozásában való részvétel. (4) Területigény, környezeti hatások. (5) Megvalósítási időtartam és élettartam, maradványérték. (6) Műszaki, gazdasági és környezeti kockázati tényezők.
A villamos energia tárolásában elérhető megoldások a raktározás három jellegzetes funkcióját valósítják meg (Ibrahim et al, 2009):
(1) Erőforrás áthidalás (TRN: Transfer) - A raktározott energia, mint közvetítő energia alkalmazása, vagyis az olcsón termelő források által előállított energia-többlet betárolása a völgyidőszakban, és visszatermelése a csúcsidőszakban, helyettesítve a drága primer energiát, a magas költséggel termelő erőművi kapacitásokat. A megoldás előnye, hogy lehetőséget ad a nehezen előre jelezhető megújuló források energiájának integrálására. Ez az energia adhat lehetőséget a hirtelen letörések kezelésére, végső esetben a rendszermentésre, újraindításra.
(2) Infrastrukturális megtakarítások (ISS: Infrastructure savings) - Az energiarendszerben a hálózat szerepe, hogy kapcsolatot biztosítson számos centralizált termelőegység és a decentralizált fogyasztás között. Az igények változása a közvetítő, szállító hálózat túlméretezését eredményezi, raktározás nélkül ugyanis minden hálózati elemet a relatíve rövid csúcsidőszakra kell méretezni, nem az átlagos napi fogyasztásra. A raktározás alkalmazásával a jelenlegi hálózat az igények folyamatos növekedése mellett is még hosszú ideig használható marad, a készletezés nagymértékben hozzájárul a jelenlegi kiépítettség hatékonyabb használatához.
(3) Szabályozási tartalék (KIN: Kinetic advantage) - A raktározásnak ez a funkciója az azonnali igény-válasz biztosításában testesül meg, ennek következtében rugalmasságot ad a rendszernek az aktuális terhelésen. A hálózati stabilitási problémák forrása lehet az ideiglenes termelés-kiesés, ami bizonyos mértékig előre jelezhető, de problémát okozhat hirtelen hiba akár a termelésben, akár a szállításban-elosztásban.
A villamos energia raktározásának funkciói
5.4.A Ábra
A készletezési rendszer elemzésében általánosan használt jellemzők a készletállapot (adott időpont készlete), készletellátottság szintje (tervezett és valós készlet aránya), keresleti intenzitás (időegységre jutó kereslet), kereslet kiegészítés szintje (ténylegesen felmerült és kielégített kereslet aránya).
A váltakozó áramú villamos energia tárolására több évtizede használt megoldás a szivattyús-tározós vízi erőművek alkalmazása. A megoldás lényege, hogy a "mélyvölgyben", az alacsony fogyasztású éjszakai időszakban az alsó víztározóból a szivattyúkkal a felső víztározóba pumpálják a vizet. Ez rendkívül előnyös, hiszen ezzel a megoldással jelentős kiegyenlítő éjszakai fogyasztás generálható, tehát az energia rendszerben a szabályozással a napi legalacsonyabb és legmagasabb terhelés (és termelés) között kisebb tartomány átfogását kell biztosítani. A nyilvánvaló előny természetesen az, hogy a raktározott villamos energiát lehetséges a későbbiekben, akár a pillanatnyi teljesítmény-hiány kiszabályozásában, akár a napi legmagasabb terhelés időszakában igénybe venni. A felső víztározóból leengedett víz egy turbinát forgatva villamos energiát termel, miközben helyzeti energiája mozgási energiává alakul. Ebben a klasszikus esetben tehát a villamos energiát helyzeti energia formájában tároljuk. Nem szabad azonban elfeledkeznünk a folyamattól elválaszthatatlan veszteségekről, ennek mértéke általában 20-30% körüli értékre becsülhető (Tóth és mts, 2011). A nemzetközi gyakorlatban a piac értékítélete alapján a szivattyús energiatározók váltak a rendszerirányítás gyorsreagálású, flexibilis eszközeivé. A szivattyús energiatározók felterhelési ideje 10 és 20 másodperc közötti, egyes esetekben 6 másodperc - bár vannak gyorsabb reagálású tárolási megoldások (például a VRB technológia), a fenti feladatok teljesítéséhez ez a reagálási idő maximálisan megfelelő. A világszerte üzemelő szivattyús energiatározók száma eléri a kb. 350-et és a legnagyobb erőművek teljesítménye a 2500-2800 MW-ot. A teljesítménynagyság miatt az ilyen erőművek jellemzően az országos nagyfeszültségű (400-220 kV) hálózatra csatlakoznak. Az élettartam és a ciklushatásfok (kb. 70%) szempontjából ugyancsak a szivattyús energiatározó emelhető ki (bár egy-két akkumulátor alkalmazás hatásfoka ezt meghaladja, azok megengedhető terhelési ciklusainak száma mindössze töredéke a szivattyús energiatározónál megengedettnek). A rendszer szabályozásában való aktív részvétel esetén az évenkénti üzemmód váltások száma elérheti, vagy meghaladhatja az akkumulátorok teljes élettartama alatt megengedett ciklusszámot. Ezzel szemben a rendszer-szolgáltatásokat biztosító szivattyús energiatározók évenkénti üzemmód váltásainak száma eléri a 40 000-et, ami az teljes élettartam alatt milliós nagyságú. Élettartama a technológia berendezések vonatkozásában 40-50 év, az építményeké több.
A villamos energia tárolásával megvalósítható szabályozási funkciók (ENPOL)
5.4.B Ábra
A VRB folyadék akkumulátor egy elektrokémiai energia-tároló rendszer. Olyan folyadék-akkumulátor, melynek elve a vanádium különböző ionizált formáinak redukcióján és oxidációján alapul (ebben a reverzibilis tüzelőanyag-cellában keresztszennyeződés sem lép fel, elektrolitja nem használódik el, maradványértéke magas). Mivel az önkisülése alacsony, az elektromos energiát a VRB rendszerben folyékony formában végtelenül lehet tárolni. Hatásfoka nagyobb berendezésekben 70% feletti. A VRB rendszer azonnali energia-visszanyerést tesz lehetővé, válaszideje a ms-os nagyságrendbe esik, mindeközben töltése is rendkívül gyors (a kisütésével megegyezik). További előnye, hogy környezeti hőmérsékleten működik, elviseli a mélykisülést, valamint karbantartási igénye is alacsony. 5 kW-tól több tíz MW nagyságrendben ajánlható, különösen az ingadozó teljesítményt nyújtó megújuló energiaforrások hasznosításánál. A VRB rendszer bármilyen forrásból termelt villamos energia tárolására és szükség szerinti gyors visszaadására alkalmas. Célszerűen a fogyasztóhoz közel telepítendő. Azonos teljesítmény és tárolási kapacitás esetén a legkisebb területet a VRB rendszer igényli: zárt épületben elhelyezhető, gyorsan üzembe helyezhető, környezeti hőfokon üzemeltethető. Alkalmazásának kockázata alacsony, a rendszer környezetbarát.
A teljesítmény elektronika (inverterek) és az akkumulátor technika fejlődésével az egyenárammá alakítás és a nagy léptékben, kémiai formában való tárolás is egyre inkább elképzelhetővé válik a jövőben. A villamos energia tárolásának ezt a módját nem hagyhatjuk figyelmen kívül, a tudományos és technikai teljesítmények vonatkozásában elég csak a mobiltelefon-akkumulátorok terén az elmúlt évtizedben végbement rendkívüli fejlődésre gondolnunk. A helyhez kötött alkalmazásokban a nemzetközi gyakorlat szerint a különböző akkumulátor típusok alkalmazása nem haladta meg a néhány MW nagyságrendet, ezek a létesítmények az elosztó hálózat egyes pontjaiban válhatnak helyi minőségi paraméterek biztosítására alkalmas eszközzé.
A V2G (Vehicle-to-Grid) eljárás célja az elektromos hajtású járműpark és a villamos energia termelés szinergikus, egymást kölcsönösen kiegészítve megvalósítható együttműködése. Mind a tisztán elektromos, mind a villamos hibrid gépjárművek - megfelelő csatlakozási pontok létesítésével - parkolási idejük alatt csatlakoztathatók a villamos energia ellátás hálózatára, ahonnan villamos energiát tölthetnek le, és igény esetén azt képesek a hálózatra vissza is tölteni. A V2G módszer kitűnően alkalmazható a terhelési csúcsok kiegyenlítésére, helyi minőségi szabályozási feladatokra, különösen, ha figyelembe vesszük, hogy például az USA személygépjármű-állományának járművei élettartamuk 90%-ában parkolnak. Szerencsés módon a villamos energia hálózat kisfeszültségű csatlakozási pontjai külön infrastruktúra létrehozása nélkül is könnyen elérhetők. A folyamatos fejlesztés legfőbb feladata a megfelelő töltőfejek és teljesítmény-elektronikai eszközök, valamint a szükséges informatikai háttér és rendszer-szabályozási gyakorlat kialakítása. Az USA valamennyi (kb. 230 millió db) személyautójának és kisteherautójának (3,5t furgonok) tisztán elektromos vagy hibrid elektromos üzemben működése az államok összes erőművében beépített villamos energia termelő kapacitás hússzorosát testesítené meg (Rydzewski, 2009). A V2G flotta akkumulátorainak fejlődése - hosszabb élettartamú járműakkumulátorok megjelenése, az egységek ökológiai lábnyomának csökkenése - garantálhatják az eljárás terjedését. A fogyasztókat ma még elriasztja az ilyen járművek magas ára, de megfontolandó a megfelelő támogatási rendszer bevezetése, hiszen ezek a járművek nagymértékben csökkenthetik a városi légszennyezést, hozzájárulva az élhetőbb nagyvárosi környezet fenntartásához. (Sovacool, Hirsh, 2009). Az akkumulátor-fejlesztők és forgalmazók olyan konstrukciókban is gondolkodnak, amelyekben a felhasználók bérlik a jármű-akkumulátorokat, valamint a villamos energia rendszer szabályozásában betöltött szerepüktől függően anyagilag is érdekeltté tehetők a szinergikus együttműködésben.
A kapacitív és induktív megoldások elsősorban a hibrid hajtású közúti járművekben jelentek meg. A szuperkapacitások esetében a tárolás nem kémiai reakcióval valósul meg, a villamos energia átvitele során a kondenzátorok felületei között felépül, feltöltődik, illetve kisül az elektromos tér, a jelenség magas hatásfokát a tisztán villamos fizikai jelenségek biztosítják (nincs köztes energia-állapot fázis, mint például a kémiai akkumulátorok esetében). Hasonló jelenség az induktív töltés, ott a villamos tekercs tárolja a keletkező mágneses tér által átvitt induktív energiát - alkalmazása ma még ritka (a szupravezető tekercsek kínálhatnak majd igazán versenyképes alternatívát, de ennek beérése még várat magára). A szuperkapacitások térfogat- és tömegegységre vetítve relatív nagy mennyiségű energiát képesek tárolni (energia-sűrűsége 5Wh/kg mértéktől akár 15Wh/kg-ig), de nagyon magas egység-költséggel. További előny a gyors feltöltés és gyors kisülés lehetősége (rövid távú energia-tárolásra ez az eljárás kitűnően alkalmas), ráadásul a teljesítmény az időben egyenletesen vehető ki a rendszerből, nem tapasztalható a hagyományos elektrokémiai akkumulátoroknál megfigyelhető jelenség, hogy nagy sebességű energia-kisütésnél a kivehető energia mennyisége szignifikánsan lecsökken. A rendszernek jellemzője még a 800-2000 W/kg teljesítmény sűrűség (vagyis az egységnyi tömegből kivehető teljesítmény). Az energia tárolásában hátrányuk az önkisülés (self-discharge) magas rátája - bár az energiatárolás hatásfoka 95% (a bevitt energia 95%-a kinyerhető a kapacitás-telepből), az 5%-os napi önkisülés arra ösztönöz, hogy a betárolt energiát gyorsan tápláljuk vissza a felhasználáshoz. A szuperkapacitásokkal sorosan és/vagy párhuzamosan kapcsolva a speciális igények szerint relatíve nagy tárolókapacitásokat is létre tudnak hozni, a rendszer tartóssága 8-10 év, szintén figyelemre méltó paraméter.
A szupravezető technikák alkalmazása is ígéretes. Bár a szupravezető anyag ellenállása elhanyagolhatóan csekély, így adott határokon belül, a szupravezető állapot fennállásáig a villamos energia szállítás vesztesége elhanyagolhatóan alacsony, a speciális feltételek (például a hűtés) biztosítása ma még bonyolult és drága. A ma is üzemelő szupravezetős lebegtetésű lendkerekes alkalmazásokban (SMES) az energiatárolás forgási energia formájában történik. A tárolt energia üzemszünet esetén gyorsan visszanyerhető (motor-generátor üzem), a tárolás alacsony veszteséggel történik. Az energiatároló szupravezető tekercs közvetlen villamos energia formájában tárolásra ad lehetőséget.
A jövő egyik legígéretesebb másodlagos (szekunder) energiahordozója a villamos energia mellett várhatóan a hidrogén lesz (Tóth és mts, 2011). A hidrogénnek, mint energiahordozónak elsősorban a környezetvédelmi előnyei a meghatározóak, mert karbon-mentes energia ellátást ígér. Közép és hosszú távon egyre inkább kialakul a mesterséges cseppfolyós energiahordozókra, a villamos energiára és a - főleg a megújuló energiák bázisára alapozott - hidrogénre támaszkodó energia ellátó-rendszer.
A szélerőművek növekvő részaránya miatt a rendszerirányításában egyre nagyobb mértékben figyelembe kell venni a szélerőműves villamos energia termelés időjárásfüggését. A hidrogén környezetvédelmi szempontból ideális tárolási lehetőséget jelenthet: (1) optimális szélsebességi értékeknél - 14-16 m/s jelentkező maximális villamos energia termelés esetén - ha azt az országos villamos energia ellátó rendszer nem tudja fogadni - a villamos energiával, víz elektrolízissel hidrogén állítható elő, mely tárolható; (2) kis szélsebességek esetén a tárolt hidrogénből a villamos energia ellátórendszer terhelési menetrend igénye szerint lehet ismét villamos energiává alakítani.
Bár a fajlagos szén -dioxid kibocsátásban a hidrogén előnyei vitathatatlanok, de a teljes ellátási hatásláncot vizsgálva elterjedésének gazdasági feltételei várhatóan csak 2030-2040 körül lesznek teljesíthetők. A hidrogén a Földön vegyületeiben hatalmas mennyiségben fordul elő. Elő lehet állítani fosszilis tüzelőanyagokból - például földgázból - reformálás segítségével, vízbontással megújuló, és egyéb nem fosszilis alapú energiahordozókkal előállított villamos energiával. Kutatják a még korszerűbb radiokémiai és plazmakémiai eljárásokat, a bakteriológiai módszereket, a mesterséges fotoszintézis felhasználás lehetőségét.
A hidrogén-technológia felhasználásához fejleszteni kell, illetve meg kell oldani a tárolás és szállítás kérdéseit. Ma még a nagy nyomáson történő gáztárolás vagy a cseppfolyósított hidrogén tárolás és szállítás a legelterjedtebb, de fejlesztik a fémhidrátokkal való tárolási és szállítási technológiákat is.
A hidrogén nagyon sok területen használható. A hidrogén, mint üzemanyag felhasználásával a tüzelőanyag cellákban villamos energia állítható elő, melyet elsősorban járművek üzemeltetésére érdemes felhasználni. A tüzelőanyag-cellák legnagyobb előnye, hogy könnyűek és nem tartalmaznak mozgó alkatrészt. Mivel nincs bennük mozgó alkatrész, és működésük során nem történik klasszikus értelemben vett égés, megbízhatóságuk nagyon magas. A kutatások aktuális fázisában a hidrogén-infrastruktúra kiépítése és a tüzelőanyag elemek fejlesztése van napirenden. A hidrogén technológia piac érettségének előrehaladásával, feltehetően 2020 után a hidrogén jelentős szerepet kaphat a közlekedési energiafelhasználásban. A világban sok helyen terveznek ugyan nagyteljesítményű tárolókat, de a viszonylag kis hatásfok miatt újbóli villamosenergia-termelésre ez jelenleg nem tekinthető gazdaságos megoldásnak.
A villamos energia rendszer egyensúlya, a megújuló energia-forrásoknak nagyobb mértékű integrálása szempontjából leginkább a többféle tárolási rendszer kombinációja adhatja a legjobb rendszer-szabályozási megoldást. Szivattyús tározók létesítése tekintetében a magyarországi lehetőségek műszaki adottságai nem maradnak el más európai országok lehetőségeitől és a létesítési lehetőségek költségszintje nem tér el számottevően a nemzetközi és az európai gyakorlat költségszintjétől. Hosszú és esetleg középtávon az elektrokémiai energiatárolás is gazdaságos lehet (a nagyságrend tekintetében a VRB rendszer is több száz MWh energiát tud tárolni). Különösen, ha az több feladatot is ellát párhuzamosan, és ha annak elosztott (beágyazott) jellegéből fakadó előnyeit is figyelembe vesszük. A V2G technológia fejlődésétől és elterjedésétől függően új rendszerirányítási feladatok, és ezzel összefüggő szerencsés tartalék-lehetőségek jelenhetnek meg a hazai energiarendszerben. A hidrogén esetében villamos energia szolgáltatási célokra a nagynyomású palackos és tartályos megoldás jöhet szóba, ami kWh-s nagyságrendet jelenthet, de természetesen a palackok vagy a tartályok darabszámának növelésével ez megsokszorozható.

| Önellenőrző kérdések
1. Válassza ki az alábbi listából, hogy melyik meghatározás igaz a raktározás, mint szabályozási tartalékot biztosító erőforrás szerepére!
| A raktározásnak ez a funkciója az azonnali igény-válasz biztosításában testesül meg, ennek következtében rugalmasságot ad a rendszernek az aktuális terhelésen.
| A raktározásnak ez a funkciója a raktározott energia, mint közvetítő energia alkalmazása, vagyis az olcsón termelő források által előállított energia-többlet betárolása a völgyidőszakban, és visszatermelése a csúcsidőszakban, helyettesítve a drága primer energiát, a magas költséggel termelő erőművi kapacitásokat.
| A raktározásnak ez a funkciója arra világít rá, hogy a számos centralizált termelőegység és a decentralizált fogyasztás között egyensúlyt teremtő szállító hálózat túlméretezése csökkenthető. Raktározás nélkül ugyanis minden hálózati elemet a relatíve rövid csúcsidőszakra kell méretezni, nem az átlagos napi fogyasztásra. A raktározás alkalmazásával a jelenlegi hálózat az igények folyamatos növekedése mellett is még hosszú ideig használható marad, a készletezés nagymértékben hozzájárul a jelenlegi kiépítettség hatékonyabb használatához.
2. Válassza ki az igaz állítást! A modern szivattyús tározós erőművek hatásfoka:
| Eléri a 70% értéket
| Nem éri el az 50% értéket
| Meghaladja a 90% értéket
3. Válassza ki az igaz állítást! A hidrogén-technológiákban használt tüzelőanyag-cellák legnagyobb előnye napjainkban az, hogy:
| könnyűek és nem tartalmaznak mozgó alkatrészt
| minden más jelenlegi technológiánál kedvezőbb a hatásfokuk
| az élettartamuk az összes jelenlegi technológiával összevetve lényegesen hosszabb