Az energiatárolás elve és gyakorlati megvalósítási példák Energy E.PR, Margitsziget, Balogh Ernő, energetikai szakértő

Tartalom 1.Bevezetés 2.Az elosztott energiatermelésről 3.A MAVIR megrendelésére készült tanulmány (2008. június) rövid ismertetése 4.Tizenhat féle tároló rendszer felsorolása 5.Gazdaságossági kérdések, beruházói szempontok 6.Összefoglalás, javaslatok

A villamos energia a mai előállítási és felhasználási formájában nem tárolható. Rendelkezésre állása viszont – különösen a mai modern technikai eszközök használata miatt is – létszükséglet. Az ellátásbiztonság a legfontosabb kérdés. A villamos energiát előállító és azt a fogyasztókhoz eljuttató berendezések, hálózatok meghibásodási lehetősége miatt nagyon sok helyen kell szükségáramforrásokról és ún. szünetmentes ellátásról gondoskodni. (Feketeindítás lehetősége.) Végül, de nem utolsó sorban a fentiek mellett, hogy a megújuló energiából termelő berendezések (szél, nap) időszakos jellege különösen fontossá tette az energiatárolás modern, hatékony és gazdaságos megoldásainak fejlesztését. Bevezetés

Mivel a villamos energia nem tárolható, azt át kell alakítani másfajta, tárolható energiahordozóvá. Ilyenek lehetnek: –mechanikai (pl. lendkerekes) –helyzeti (pl. szivattyús energiatározók) –különféle kémiai – elektrolitokba történő betöltés és kisütés – sokféle akkumulátor –gázfejlesztés és gázban történő tárolás (pl. hidrogén) –gáznemű anyagok (pl. levegő) komprimálása és földalatti tárolókban történő tárolása

A világon az energiafogyasztás – különösen a nagy fejlődő országokban, Kína, India területén – gyorsan és nagy mértékben nő. Ezen belül is jelentős a villamos energia iránti kereslet növekedése. Az energiafogyasztás nagy részét jelenleg még a fosszilis energiaforrások fedezik, de ezek elérhető mennyisége már a közeljövőben csökken, áruk pedig állandóan nő. Hosszabb távon pedig a megújulók szerepe fog jelentősen növekedni. Mint ahogyan az általában is igaz, az új technológiák elterjedése új és új gondokat, problémákat vet fel. Esetünkben pl. a gazdaságos és rugalmas elektromos rendszerszabályozás és az energiatárolás kérdésének megoldását. Ezt a témát vizsgáljuk a jelen előadásban.

A világ primérenergia igénye [Forrás IRES II 2007 november]

Példa a világ primerenergia-előjelzésére

Az elosztott energiatermelésről A téma világméretű fontosságát jelzi az is, hogy egy nonprofit világszervezet alakult már ben az elosztott energiatermelés terjedésének elősegítésére. Ennek a szervezetnek (angol rövidítése WADE : World Alliance For Decentralized Energy) ma már több mint 300 tagja van, közöttük pl. a Cogen Europe, a német Siemens, a tüzelőanyagcella-gyártók, stb. Az elosztott energia fejlesztés terjedése több fontos, állami szabályozási kérdést vet fel.

A „virtuális” erőműben a különböző forrásokból termelt villamos energiát használják fel. A legkisebb költség elérése érdekében optimalizálni kell a termelést, a tárolást, valamint a rendszerből történő vétel és eladás lehetőségét, továbbá a helyi fogyasztási igényeket. Ezt a 0,4 kV-os és kV-os helyi hálózat figyelembevételével egy Helyi Irányító Központnak (HIK) kell elvégeznie. A HIK jogi és informatikai kapcsolatban van a rendszerirányítást végző MAVIR-al.

1. Bevezetés 2. A tanulmány elkészítésének indokoltsága 3. Az elosztott energiatermelés ellátás-biztonsági és rendszerszabályozási előnyei, esetleges hátrányai 3.1. Miért kell ezzel a témával kiemelten foglalkozni ebben a tanulmányban is? 3.2. Nemzetközi kitekintés 3.3. A központosított és az elosztott energiatermelés jellemzői A központosított energiatermelők Az elosztott energiatermelők A jelen tanulmány szempontjából fontos elosztott energiatermelési módok 3.4. Az elosztott energiatermelés ellátás-biztonsági és rendszerszabályozási előnyei, hátrányai 4. Az ismert energiatároló rendszerek felsorolása 5. A fontosabb - nagyobb teljesítményű - rendszerek rövid bemutatása: 5/A Szivattyús energia-tározás 5/B Hidrogénfejlesztés/ tározás 5/C VRB (Vanadium Redox Battery) rendszer A MAVIR megrendelésére készült tanulmány (2008. június) rövid ismertetése

6. A 3 rendszer részletes bemutatása koncentrálva azon tényezőkre, melyek gazdaságosságukat (beruházási és üzemeltetési költség), környezetvédelmi hatásaikat, központi szabályozhatóságukat befolyásolják 6/A. Szivattyús energia-tározás 6/A.1. A szivattyús energia-tározás működési elve 6/A.2. A szivattyús energia-tározó építésének indokoltsága 6/A.3. Telepítési követelményrendszer 6/A.4. Környezetvédelmi szempontok 6/A.5. Műszaki adatok 6/A.6. Költségadatok 6/A.7. A szivattyús energiatározós erőművek részvétele a villamos energia rendszer szabályozásában 6/B. Hidrogénfejlesztés/ tárolás 6/B.1. A hidrogén fizikai, kémiai jellemzői 6/B.2. Hidrogén az energiagazdálkodásban 6/B.3. Hidrogén előállítása 6/B.4. A hidrogén szállítása és tárolási szabályai 6/B.5. A hidrogén biztonságtechnikája 6/B.6. A hidrogén mélyvölgyi előállítása és csúcsidőben villamos energia termelésre történő felhasználása 6/C. VRB (Vanadium Redox Battery) rendszer 7. A 3 rendszer összehasonlító értékelése 8. Összefoglalás és javaslatok a magyar villamosenergia-rendszerben történő alkalmazásokra

Tizenhat féle tároló rendszer felsorolása SZET Nagynyomású levegőtározás Savas ólomakkumulátor Nátrium-Kén akkumulátor Nikkel-Kadmium akkumulátor Redox folyadék akkumulátor

A villamos energia tárolási spektruma

1. Hőtárolás A hő és villamos energia szoros kapcsolatán túl, sok ipari- vegyi folyamatnál melléktermékként keletkezik hő, amelyet nem mindig lehet a keletkezés időpontjában felhasználni, ezért tárolásáról célszerű gondoskodni. Ezen túlmenően számos területe van és lehet a hőenergia tárolásának pl. a napkollektorok esetében. Műszaki megoldásai - nagyrészt - közismertek, jelentőségük az energiaárak növekedésével egyre fontosabb. Megjegyezzük, hogy a hőtárolás új műszaki megoldásai és az ismeretek bővítése és korszerűsítése tekintetében is komoly kutató-fejlesztő munka folyik. Az e téma iránt érdeklődők figyelmébe ajánljuk a november közötti IRES II (International Renewable Energy Storage) konferenciájának több előadását. Az utóbbi időben többféle új hőtároló közeg alkalmazását vizsgálják és javasolják.

2. Mechanikai-lendkerekes energiatárolás Elve és gyakorlata régen ismert, de olyan érdekes új modern megoldásai is vannak, amelyek gazdaságosan járulhatnak hozzá a környezetvédelemhez is, elsősorban a közlekedési és szállítási ágazatban. A mai alkalmazási lehetőségek csúcsigények kielégítéseire; - közúti, vasúti és tengeri közlekedési és szállítási eszközökben - telepített szükségáramforrásoknál - daruk és más emelőgépeknél.

3. Szuperkapacitások

4. Savas ólomakkumulátorok

5. NiCd akkumulátorok

6. NaS akkumulátorok A bemutatott ábra az ilyen akkumulátorok felépítését és az elektrokémiai reakciót mutatja. Ebből a típusból már több száz kW-os egységeket is építettek, sőt Japánban egy szélerőmű parkhoz 17x2=34MWs telepet terveznek, amely ez év tavaszán kerül üzembe. Ezek az akkumulátorok 350 ºC –on működnek, hatásfokuk %- os, alapterület igényük viszonylag kicsi. Élettartamukat 3000 ciklusra becsülik.

7. Lítium-ion akkumulátorok

8. Nátrium-klorid-nikkel akkumulátorok Nátrium-klorid és nikkel magas hőmérsékletű (270 ºC) akkumulátor. Nagy energiasűrűséget tud biztosítani, de drága.

9. Fém-levegő akkumulátorok A legkompaktabbak és potenciálisan a legkevésbé költségesek valamint környezetvédelmileg is elfogadhatóak ezek az akkumulátorok, állítja a gyártó. A legnagyobb hátrányuk viszont az, hogy az elektromos újratöltésük nagyon nehéz és jelenleg még nem gazdaságos.

10. Cink-bróm akkumulátorok

11. Plurion folyadék akkumulátorok Cerium-cink metan-kénes savban. Ez az akkumulátor fejlesztés alatt áll. A 2002 óta végzett kísérletek alapján az alábbi adatok teljesülését várják Wh/liter energiasűrűség W/m2 teljesítménysűrűség - 2,4 V cellafeszültség, de ez változhat a töltés és kisütés alatt Töltésnél az oldatban lévő cinkionok negatív félcella elektródára rakódnak és a Zn2+ állapotból ZnO redukálódnak. Kisütésnél a folyamat megfordul és a lerakódott ZnO feloldódik a metánkénes savban. A pozitív félcella a cerium-metán-kénes sav elektrolitot használja. Töltésnél a metán-kénes-savban lévő cerium ionok a Ze3+ állapotból oxidálódnak Ze4+ állapotba. Kisütésnél a folyamat fordított lesz és a Ze4+ visszaalakul Ze3+ állapotba. A kétféle elektrolit keresztszennyeződése előfordulhat és ez komoly hátrányt jelenthet.

12. Regenesys-Poliszulfid-bróm akkumulátorok

Az ábrán is láthatóan ez is egy megfordítható elektrokémiai reakción alapuló folyadékakkumulátor. A teljesítmény [W] és a tárolható energia [Wh] egymástól függetlenül meghatározható. A cellafeszültség 1,5 V, a nettó hatásfok 75 %. Az akkumulátor szobahőmérsékleten működik. A laboratóumi kísérletek igazolták a fenti eredményt. Angliában több kW nagyságrendű telepet építettek, de 2007 év folyamán üzemeltetési gondok jelentkleztek, valószínűleg a kétféle elektrolit keresztszennyeződése miatt.

13. Sűrített levegős energiatárolás

14. A szivattyús energiatározás A szivattyús energiatározás (SZET) kérdése hazánkban is állandóan napirenden van, megvalósítására részletes tervek és költségszámítás is rendelkezésre áll. Ezen túlmenően a világon ebből a típusból épült meg a legtöbb létesítmény.

15. A hidrogéntározás A hidrogéntározás megvalósítására is készült egy részletes elemzés februárjában, amelynek adatait konkrét ajánlatokkal is alátámasztották. Ez egy relatíve új technológia és nagyon terjed, ezért is célszerű vele részletesen foglalkozni.

16. VRB A VRB rendszer pedig egy nagyon ígéretes új megoldás, amely a pár kW-os teljesítménytől és a több kWórás tárolási kapacitástól a több 10 MW és több száz MWórás tartományban is figyelembe vehető. Jó hatásfokkal, nagy ciklusszámmal és hosszú élettartammal rendelkezik.

Gazdaságossági kérdések, beruházói szempontok

A három rendszer összehasonlító értékelése: 1.Alkalmazható teljesítmény nagyság kW és MW. 2.Kiépíthető tározási kapacitás kW és MW. 3.Rendszer-hatásfok vezetéktől vezetékig. 4.Reagálási idő és teljesítmény felvételi sebesség. 5.Egy vagy több teljesítmény és tárolási kapacitáshoz tartozó terület igény (az esetleges védőtávolságokkal együtt). 6.A döntéstől számított megvalósítási időtartam engedélyezéssel együtt. 7.Környezetvédelmi hatások az építés és külön az üzemeltetés alatt. 8.Üzemeltetési rizikó tényezők. 9.Beruházási költségek. 10.Üzemeltetési és karbantartási költségek. 11.Várható élettartam. 12.Maradványérték az élettartam –bontás – végén. 13.Feladatfüggő alkalmazhatóság. 14.Az országos rendszer szabályozásba történő beilleszethetőség.

Összefoglalás és javaslatok a magyar villamosenergia-rendszerben történő alkalmazásokra 1.Nagy mértékben nő az elosztott energiatermelés részaránya. A megújuló energiaforrásokat felhasználó beruházásokat célszerű jobban támogatni. 2.A fosszilis energiahordozók hosszabb távon nem tudják kielégíteni az egyre növekvő fogyasztói igényeket és már rövid távon is olyan mértékű árnövekedéssel kell számolni, amely széleskörű problémákat vet fel. A megújulók gazdaságossága emiatt is növekszik. 3.Az előző pontban írtak miatt is, de más tényezők hatására is jelentősen növekszik a megújuló energiák alkalmazásának darabszáma és teljesítménye. Ezek közül is nagy jelentősége van már ma is, a szél és napenergia alkalmazásának.

4.A villamosenergia-rendszerek szabályozhatósága új energiatárolási lehetőségeket igényel, még az olyan országokban is ahol a természetadta lehetőségek következtében van használható vízenergia. 5.A téma fontosságát mutatja, hogy világszervezete van az energiatárolásban érdekeltszervezeteknek. ESA (Energy Storage Association). Továbbá az is, hogy az IRES (International Renewable Energy Storage) második (2007 november) konferenciáján a legtöbb előadás ezzel a témával foglalkozott. 6.Mivel a közelmúltban a Szivattyús Energia Tározás témájában több értékes hazai tanulmány is készült - sőt most is folyamatban van „Megvalósíthatósági Tanulmányok” készítése - ezért ezt a témát részletesen mi nem dolgoztuk fel, de felhasználtuk adataikat.

7.A VRB (Vanádium Redox Battery) rendszer részletesebb bemutatását pedig azért tartottuk fontosnak, mert szintén új és nagyon ígéretes technológia sok szempontból. 8.Itt említjük, hogy a beruházói tőke igen nagy mértékben növekedett ezen a területen az elmúlt időszakban (a jóhírű Winslow Management adatai szerint) ben 35 millió dollár ban 145 millió dollár A megújuló energiaszektorban 200 magánvállalkozó és 60 közintézmény volt jelen tőkével az energiatározási területen. 9.Az RWE és az EoN Nyugat-Európában nagy figyelmet fordít a megújuló energiák hasznosítására és az ezekhez kapcsolandó energiatárolási rendszerekre. Célszerű lenne, ha hasonló tevékenységet Magyarországon is kifejtenének.

Javaslataink 1.A MAVIR szempontjából minden egyes HIK egy-egy önálló szabályozási egység, informatikai és adatátviteli kapcsolattal. Gazdasági és szervezési megfontolásokból célszerű egy teljesítmény határ fölötti szabályozási tartománnyal rendelkező elosztott termelést bevonni a rendszer szabályozásába. 2.A szél és napelemes beruházókat minden lehetséges eszközzel (jogszabályok, előnyös pénzügyi feltételek stb.) támogatni kell, hogy saját beruházásként is építsenek be tároló kapacitásokat, saját termelésük változásainak kiegyenlítésére és az ellátásbiztonság fokozására. 3.A hálózati-területi Szolgáltatók saját érdekükben is létesítsenek különösen körzetük érzékeny pontjain villamosenergia-tározó berendezéseket, mert ezekkel növelhetik az ellátás biztonságát és a szolgáltatásuk minőségét. 4.Egyetértünk Stróbl Alajos úrral, aki még a múlt évben javasolta, hogy a Mosonmagyaróvár térségében megépített, összeségében mintegy 50 MW szélerőmű-teljesítőképességhez fel kellene szerelni egy 5 MW-os (5 MW x 10 órás) VRB-tárolót.

5.Amennyiben a VRB megoldás megvalósításra alkalmasnak fogadható el, azt javasoljuk, hogy az ország ebből a szempontból súlyponti területeire 15 telephelyen építsünk meg egy-egy 40 MW- os és 6 óra tárolási kapacitással rendelkező rendszert, amely 3 év alatt elkészülhet. Ekkora és ilyen kapacitású rendszert, valamint a környező országokból is jelentkezett igényeket figyelembe véve logikusan felvethető egy ilyen berendezéseket gyártó üzem Magyarországra telepítésének gondolata. (Vanádiumot már találtunk az országban.) Meg vagyunk győződve arról, hogy egy ilyen korszerű üzem beruházása hatásosabb lehetne, mint például más nem túl környezetbarát megoldások. 6.A VRB rendszernek múlt év novembere óta hivatalos képviselete van Magyarországon és Szlovákiában. Ezalatt a rövid idő alatt Magyarországról több mint tíz komoly ajánlatkérést kapott a cég a pár kW-os egységtől a több MW nagyságrendű berendezésekig. Az ajánlatkérések mögött több esetben arab, japán, német és amerikai befektetők állnak. Az energiatároló berendezések konkrét megrendeléséhez a hazai hatóságoktól várják az engedélyezést. Mielőbbi tapasztalatok megszerzése érdekében a jelen tanulmányban szereplő helyi irányító központok létesítésének előírásával fel kell gyorsítani az engedélyek kiadását.

7.Az energiatárolás témakörét olyan horderejűnek tartjuk, hogy a döntéshozók, az illetékes engedélyező szervek és az elosztó hálózatok üzemeletetőinek bevonásával egy kerekasztalkonferencia megtartását javasoljuk a teendő intézkedések megvitatására. 8.Megfelelő előkészítés után egy médiakampány megtartása is megfontolás tárgya lehet.

Köszönöm a figyelmet!