Premset: az innovatív középfeszültségű kapcsolóberendezés

Átírás

1 A magyar elektrotechnikai egyesület hivatalos lapja Alapítva: 1908 JOUrNAL OF THE HUNGARIAN ELECTROTECHNICAL ASSOCIATION FOUNDed: 1908 Premset: az innovatív középfeszültségű kapcsolóberendezés Kiemelt téma: Energiatárolás A modern energiatárolásról a megújulók és a mikrohálózatok terjedésének tükrében Hálózati akkumulátoros energiatárolás Helyi működtetés Zárlatjelzés Mérés Távműködtetés Védelem Az energiatárolás általános kérdései Vezeték nélküli kapcsolat Megújuló energiatermelő rendszerek elosztó hálózatra való visszatáplálásának szabályozása és eszközei Energiatárolás válogatás külföldi szaksajtókból Kiemelkedő hatékonyság a megosztott intelligencián alapuló rugalmas felépítéssel. Innováció: Az állam és a cégek felelőssége Beszámoló a 60. Jubileumi Vándorgyűlés, Konferencia és Kiállításról, 2. rész Regisztráljon a oldalon, és megnyerheti a kisorsolásra kerülő USB-kulcsok egyikét. Kód: 40737p Búcsú Kerényi A. Ödöntől 106. évfolyam 2013/11

2 2nd International Exhibition for Renewable Energies Szünetmentes áramellátás Tanácsadás, TCO számítás Tervezés Megvalósítás Karbantartás szerviz Valódi moduláris UPS kialakítás, Nagy rendelkezésre állás Nagyélettartamú zárt és nyitott akkumulátortelepek 1Aó Aó Korszerű moduláris 48V DC és 220V DC töltőberendezések IT központok komplex áramellátása Egyedi UPS berendezések Vészvilágítás 300VA-8MVA INTERPOWER KFT. Blue Energy az élheto jövoért Interpower Kft 1026 Budapest Branyiszkó út 22. tel: fax: office@interpower.hu Az építőipar szakmai csúcstalálkozója itt van április 2-6. programod van Construma_Elektrotechnika_210x145_v2.indd 1 14/11/13 12:59

3 Tartalomjegyzék 2013/11 CONTENTS 11/2013 Felelős kiadó: Haddad Richárd Főszerkesztő: Tóth Péterné Szerkesztőbizottság elnöke: Dr. Bencze János Tagok: Dr. Benkó Balázs, Dr. Berta István, Béres József, Günthner Attila, Haddad Richárd, Hatvani György, Dr. Horváth Tibor, Dr. Jeszenszky Sándor, Dr. Madarász György, Orlay Imre, Schachinger Tamás, Dr. Vajk István, Dr. Varjú György, Vinkovits András Szerkesztőségi titkár: Szeli Viktória Témafelelősök: Automatizálás és számítástechnika: Farkas András Energetika: Hárfás Zsolt Hírek, Lapszemle: Dr. Bencze János Oktatás: Dr. Szandtner Károly Szabványosítás: Somorjai Lajos Szakmai jog: Arató Csaba Technikatörténet: Dr. Antal Ildikó Világítástechnika: Némethné Dr. Vidovszky Ágnes Villamos energia: Horváth Zoltán Villamos fogyasztóberendezések: Dési Albert Villamos gépek: Jakabfalvy Gyula Tudósítók: Arany László, Horváth Zoltán, Kovács Gábor, Lieli György Korrektor: Tóth-Berta Anikó Grafika: Kőszegi Zsolt Nyomda: Innovariant Nyomdaipari Kft. Szeged Szerkesztőség és kiadó: 1075, Budapest, Madách Imre u. 5. III. e. Telephely: 1075, Budapest, Madách Imre u. 5. III. e. Telefon: Telefax: Honlap: Kiadja és terjeszti: Magyar Elektrotechnikai Egyesület Adóigazgatási szám: Előfizethető: A Magyar Elektrotechnikai Egyesületnél Előfizetési díj egész évre: Ft + ÁFA Kéziratokat nem őrzünk meg, és nem küldünk vissza. A szerkesztőség a hirdetések, és a PR-cikkek tartalmáért felelősséget nem vállal. Index: HUISSN: Hirdetőink / Advertisers ELMŰ-ÉMÁSZ INTERPOWER KFT. MetalCom Zrt. schneider electric WAGO Hungária KFT. Tóth Péterné: Főszerkesztői beköszöntő... 4 ENERGETIKA Tófalvi Zsolt: A modern energiatárolásról a megújulók és a mikrohálózatok terjedésének tükrében... 5 Dr. Hartmann Bálint: Hálózati akkumulátoros energiatárolás Dr.Kárpáti Attila Mosonyi Károly Vörös Miklós: Az energiatárolás általános kérdései Szabó Ervin: Megújuló energiatermelő rendszerek elosztó hálózatra való visszatáplálásának szabályozása és eszközei SZEMLE Dr. Kiss László Iván: Energiatárolás válogatás külföldi szaksajtókból INNOVÁCIÓ Mészáros Csaba Dr. Szepessy Zsolt: Innováció: Az állam és a cégek felelőssége SZAKMAI ELŐÍRÁSOK Kosák Gábor: III. negyedévében közzétett, az elektrotechnika területeit érintő magyar nemzeti szabványok BIZTONSÁGTECHNIKA Dr. Novothny Ferenc Kádár Aba Arató Csaba: Az Érintésvédelmi Munkabizottság ülése HÍREK Sasvári Gergely: A fóti Élhető Jövő Park bemutatása Mayer György: Középpontban az energiatudatosság Jenei Rita: Kirándulás a föld alatt Hárfás Zsolt: Startra kész a Roszatom EGYESÜLETI ÉLET Dr. Bencze János: Beszámoló a 60. Jubileumi Vándorgyűlés, Konferencia és Kiállításról, 2. rész Kiss József: A hazai 750 kv-os energiaátvitel 35 éve Arany László: Hirek Szegedről Némethné Vidovszky Ágnes dr.: Kutatók éjszakája Rejtő János: Koszorúzás, megemlékezés Verebélÿ László szobránál Dunaújvárosban NEKROLÓG Búcsú Kerényi A. Ödöntől FELADVÁNY Éva Tóth: Greetings from the Editor-in-Chief ENERGETIC Zsolt Tófalvi: About advanced energy storage systems in the light of spreading renewable and micro grids Dr. Bálint Hartmann: Battery energy storage on the mains Dr. Attila Kárpáti Károly Mosonyi Miklós Vörös: General questions about energy storage Ervin Szabó: Feed-in management and its devices of the renewable energy on the distribution network REVIEW Dr. László Iván Kiss: Energy storage Selection from foreign technical press reviews INNOVATION Csaba Mészáros Dr. Zsolt Szepessy: Innovation: Public and private responsibility PROFESSIONAL REGULATIONS Gábor Kosák: The list of Hungarian National Standards in the field of electrical engineering announced in the third quarter of 2013 SAFETY OF ELECTRICITY Dr. Ferenc Novothny Aba Kádár - Csaba Arató: Meeting of the Committee on Protection against Electric Shock - held on NEWS Gergely Sasvári: Presentation of the Livable Future Park in Fót György Mayer: Focus on the energy consciousness Rita Jenei: Excursion under the ground Zsolt Hárfás: Rosatom is waiting for the starting SOCIETY ACTIVITIES Dr. János Bencze: Report on the 60th Jubilee Plenary Meeting, Conference and Exhibition, Part.2. József Kiss: 35 years old the 750 kv transmission line in Hungary László Arany: News from Szeged Dr. Vidoszky Ágnes, Némethné: Night of Researchers 2013 János Rejtő: Wreathing and commemoration at the statue of László Verebélÿ in Dunaújváros OBITUARY Farewell from A. Ödön Kerényi PUZZLE

4 KEDVES OLVASÓ! Egy főszerkesztőt mindig különös érzés keríti hatalmába, amikor végigtekint az eltelt évben megjelent lapszámokon élve ennek az időszaknak a hangulatával az olyan, mint amikor a gazda számba veszi az éves munkájának eredményét azt, hogy az elvetett magok mekkora termést hoztak, a gondozott fákon, mennyi gyümölcs termett. Mi más lehet a vágya egy főszerkesztőnek, ha nem az, hogy egy sikeres évet zárjon! A siker ugyanis egyenlő a kitűzött célok elérésével, és azzal, hogy tevékenységét sikerült összhangba hozni az általa és a szerkesztőbizottság által megfogalmazott elképzelésekkel is. Kiemelt főszerkesztői feladat a lap tartalmi összeállításához a szakmát érintő eseményekről tájékozódni és hitelesen tájékoztatni. Úgy gondolom, hogy ez átszőtte az idei év számait is.. Sok szakmai rendezvény meghívásainak is igyekeztem eleget tenni, azokról hitelesen tájékoztatni, hiszen olvasóink az ország különböző területeiről várják híreinket. Igazolja ezt a számos pozitív visszajelzés is, melyek közül egy rövid levélrészletet megosztok Önökkel: Tisztelt Főszerkesztő Asszony, kedves Éva! Már régóta készülök írni, mert nagyon fontosnak tartom a lapot és nagyra értékelem a munkáját! Régóta olvasom az Elektrotechnikát, amelyre elsődleges szakmai hírforrásként tekintek, amely mindig pontosan, hitelesen és naprakészen tájékoztat az energetikai iparral kapcsolatos hazai és nemzetközi hírekről. Kiváló szerzőgárdájának és szerkesztőbizottságának köszönhetően az olvasó pontos képet kap a nemzetközi trendekről. A Magyar Elektrotechnikai Egyesület és a társegyesületek programjairól adott előzetes tájékoztatás, majd az azokról készült beszámolók lehetővé teszik, hogy pontosan képben legyek a szakma minden fontos történéséről. Különösen hasznosnak tartom, hogy a tehetséges fiatalok is rendszeresen szót kapnak a lap hasábjain Elismerésként könyvelhettük el azt is, hogy szeptemberben a Parlamentben ismételten adhattunk át egy Különdíjat, mint a leghitelesebb szakmai folyóirat. A kezdetek kezdetén elhatároztam, hogy a lap beköszöntőjét nem én írom meg mindig eltérően a főszerkesztői szokásoktól hanem olyan személyeket kérek fel, akiknek az üzenete fontos, hogy eljusson az olvasókhoz és a tagsághoz. Nem volt ez másként ban sem a tisztségviselő-választás kapcsán. A tisztújítás meghatározó esemény az egyesület életében. Az a tisztségviselő, akinek a szabályzat alapján lejárt a mandátuma, általában szívesen foglalja össze munkájának eredményét és ad tanácsot a tisztségben őt követőknek. Akik bizalmat kaptak és átveszik a stafétabotot, azok kitűzött céljaikat fogalmazzák meg. Munkájuktól függ egyesületünk jövője. Ez egy olyan önként vállalt felelősség, amelyet az elkötelezettség mozgat, és nem jár érte fizetség. Az idei Elektrotechnika beköszöntőiben ezek a kollégák adták át üzeneteiket és így a MEE tagság és az Olvasók is megismerhették Őket. Végezetül, jó szívvel ajánlom Olvasóinknak e lapszám megjelent cikkeket. Ezúttal kiemelt témát is választottunk: az energiatárolást, mivel a megújuló energiák felhasználásával kapcsolatban gyakran szó esik annak a szükségességéről. Ezzel az összeállítással próbálunk betekintést adni a jelenlegi és a jövőbeli lehetőségekről is. E lapszámban pedig rendhagyó módon új sorozatot is indítottunk, innováció témában. Mennyire fontos az a jövőt illetően, erről olvashatnak majd ezekben a cikkekben. Nem utolsósorban említem az éves nagy rendezvényünkről, a 60. vándorgyűlés előadásaiból készült beszámolót is. A decemberi lapszámtól pedig indul Kimpián Aladár újabb nagyon izgalmas és színes sorozata, Brazilia és India villamos energetikai helyzetéről és iparáról. Tóth Péterné főszerkesztő A Magyar Elektrotechnikai Egyesület kiemelt támogatói:

5 Energetika Bevezetés Tófalvi Zsolt A modern energiatárolásról a megújulók és a mikrohálózatok terjedésének tükrében A fosszilis energiaforrások tartalékainak folyamatos csökkenésével és árainak növekedésével, valamint az emberiség okozta környezeti terhelés fokozatos visszaszorításának igényével hamarosan elkerülhetetlen lesz a paradigmaváltás az energiatermelésben ( Energiewende ). A fúziós és egyéb áttörésre váró technológiákra még jó ideig nem számíthatunk, így egyelőre legjobb megoldásként a megújuló energiaforrásokból eredő termelésre való átállás a legvalószínűbb. Ez viszont újabb, az egész rendszert érintő problémákat von maga után, melynek egyik legígéretesebb megoldási lehetősége a modern energiatárolás alkalmazása. With constantly diminishing fossil fuel reserves and their rising prices, and the necessity of gradual reduction of human-induced environmental strains, a paradigm shift in energy generation will be all but inevitable in near future ( Energiewende ). As we cannot count on nuclear fusion or other potentially breakthrough technologies for quite some time, for now switching to generation from renewable energy sources seems most probable. In turn, this brings along new challenges, which will have a great impact on the entire system one of the most promising responses to this challenge is advanced energy storage. Az emberi tevékenység okozta komplex klíma- és környezeti problémarendszert felismerve nagy erőfeszítéseket tesznek a környezetet kímélő új technológiák és berendezések kifejlesztésére, a meglévők korszerűsítésére és ezek használatának elterjesztésére. Az új technológiák elterjedése új gondokat, gondolatokat, majd megoldásokat eredményez. Esetünkben pl. a villamosenergia-termelés és -fogyasztás rohamos változását, annak kihívásait, valamint lehetséges jelenlegi és jövőbeni alakítását, s ennek egy fő aspektusának, a gazdaságos és rugalmas villamos energiatárolás kérdésének megoldását. Manapság még nemzetközileg is csekély az villamos hálózatra termelt energia tárolási kapacitása Magyarországon ez kvázi zéró. Négy kiemelt terület követeli meg a villamosenergia-tárolás hazai vizsgálatát, majd terjesztését a közeli jövőben: Rendszerszabályozás (termelés egyensúlyozása a pillanatnyi fogyasztási igények szerint) Megújuló főként szél- és nap- energiák ingadozó termelésének kisimítása Energiaminőség (igen szűk frekvencia- és feszültségi tartományok) biztosítása Katasztrófahelyzetek által okozott egyre gyakoribb, hosszú idejű áramkimaradások A megújuló energiaforrásokat integráló új villamosenergiatermelési szerkezet tervezésekor nem szabad megfeledkezni azok hatásairól a rendszerszabályozásra. A hagyományos erőművek, generátorok forgó tömegei a rövid idejű változásokat jól tudják kompenzálni. A megújulók legtöbbjénél hiányzik ez az inercia, pótlásáról a primer frekvenciaszabályozás új eszközeivel kell gondoskodni. Területi áthelyződés is észrevehető, mivel jellemzően nem a meglévő nagy erőművek közelében létesülnek a megújulók. Itt fontos megjegyezni, hogy az új kiegyenlítő energia lehetőségek közvetlenül a megújulók és a csúcsterheléseket okozó fogyasztók szomszédságába telepíthetők (elosztott módon). Szintén növekszik a gyorsabb és nagyobb teljesítményű szekunder szabályozási tartalékok iránti igény, pl. az időjárástól függő megújulók hirtelen, nem előrelátható és nagyobb mértékű ingadozásokat okoznak. A növekvő szabályozási szükségletek mellett a hagyományos kiegyenlítő erőművek hatásfoka jelentősen csökken (pl. részterhelés miatt), amely kapcsán viszont az egységnyi termelésre jutó károsanyag-kibocsátásuk szintén megugrik. Ennek hatására ugyancsak magasabbak lesznek a karbantartási és javítási szükségleteik és költségeik, valamint az erőművek élettartamának csökkenésével a fajlagos, élettartamra vetített beruházási, ill. a villamosenergia-költségek (per kwh) is az égbe szökhetnek. Itt meggondolandó, hogy a térségünkre jellemző régebbi erőművek hatásfoka már eleve alacsony és a mai viszonylatban szükséges terheléskövető üzemmódra nem is igazán alkalmasak. A megújulókból történő villamosenergia-termelés arányának növekedése mellett a rendelkezésre álló szabályzó kapacitások elégtelenek lesznek és mindehhez jön még, hogy korukból adódóan a ma termelő hőerőművek jó része belátható időn belül kivonásra kerül. A változó keretfeltételeket az erőműpark felújításakor súlyozottan figyelembe kell venni, mivel az ilyen jellegű beruházások hosszú távon meghatározzák a lehetőségeket. Mindezek következményeként az energiatárolás szükségszerűen fokozott szerepet fog kapni a rendszerszabályozásban. Most nézzük ennek lehetőségeit és alkalmazási területeit. Villamosenergia-tárolási rendszerek rövid bemutatása Mára már kb. 20 különböző rendszerirányítói, végfelhasználói és/vagy megújulóenergia-alkalmazást ismerünk tárolási lehetőségként. Ezeket jellegük szerint két fő csoportba oszthatjuk: kapacitás- ill. teljesítmény jellegű alkalmazások. A kapacitás jellegűeken órákig-napokig folyamatosan működő tárolási rendszereket értünk, melyeknek feltöltési ideje is hasonlóan hosszú, ill. töltés-kisütési ciklusa tipikusan több óra/ nap. Ezzel szemben a teljesítmény jellegű alkalmazásoknál a kisütés jellemzően csak másodpercekig vagy percekig tart és a feltöltés is hasonlóan rövid idejű, így naponta sokszor (akár több százszor) lejátszódhat a ciklus. A legtöbb energiatárolási technológia adottságainál fogva alkalmasabb egyik vagy másik jellegű alkalmazásra, igen kevés technológia tud mindkettőnek megfelelni. A kapacitás jellegű alkalmazások közé soroljuk a csúcslevágást, a terheléselosztást a hálózati fejlesztés halasztását, megújulókból való termelés későbbi felhasználását, stb. A teljesítmény jellegűekhez tartozik pl. a feszültség- és frekvenciaszabályozás (áramminőség, akár ultratiszta"), vagy a megújulók ingadozó termelésének jelenidejű kiegyenesítése. A megújulóenergia-termelés fokozatos bővítésével kapcsolatos problémák megoldásához szükséges energiatárolásnál különböző energiaformákat, ill. tárolási módozatokat vehetünk figyelembe (a magyarországi viszonyokra és alkalmazhatóságra tekintettel itt emelkedő fontossági sorrendben): Hőtárolás (olvasztott só, gőz, jég) Villamos (szuperkapacitás, mágneses szupravezetők) 5 Elektrotechnika 2013/11

6 Other PSH = egyéb SzET Thermal Energy Storage = hőenergia-tárolás Underwater Liquid Breathing CAES = vízalatti cseppfolyós lélegző komprimált levegős tárolás (CAES) Metal-Air Battery = fém-levegő akkumulátor Hydrogen and Fuel Cells = Hidrogén és tüzelőanyag-cellák Adiabatic CAES = Adiabatikus (hőcserementes) CAES Seawater PSH = Tengeri SzET Flywheel highspeed = nagysebességű lendkerék Supec capacitor = szuperkapacitások Zinc-Bromine RFB = Cink-bróm redox folyadékáramos akkumulátor (RFA) SMES = Szupravezető mágneses energiatároló Conventional Land PSH = hagyományos szárazföldi SzET Conventional CAES = hagyományos CAES Vanadium RFB = Vanádium RFA Sodium-Sulphur Battery = Nátrium-szulfidos akkumulátor Li-ion = ua. Lead acid battery = ólomsavas akkumulátor NiCd = ua. Flywheel lowspeed = kissebességű lendkerék Mechanikus (sűrített levegő, lendkerék, rugós) Kémiai (hidrogén) Helyzeti energia (vízenergia több formája, pl. SzET) Elektrokémiai Hagyományos akkumulátorok (Pb, NiCd, NiMH) 1. ábra Technológiák érettségi szintje Forrás: ENEA Modern belsőtárolású akkumulátorok (Li-ion, NaS) Modern külsőtárolású, folyadékáramos akkumulátorok (Pl. VRB, ZnBr) Jelen cikk terjedelmi korlátai miatt csak a bevezetésében említett négy kiemelt alkalmazási területen egyre szükségesebb, hazai körülmények között célszerűnek tartott tárolási technológiát mutatjuk be, ezeket is viszonylag tömören. A választást az alábbi ábrák adataival indokoljuk (az ábrán jelölve): fontos, hogy adott technológia megfelelő érettségi szinten legyen, gyerekbetegségei ne éles alkalmazás során derüljenek ki. (1. ábra) szintén fontos, hogy a technológia alkalmas legyen mind teljesítményben, mind kapacitásban a szükségletek ellátására. (2. ábra) alábbi összehasonlító ábrán pirossal jelöltük a prohibitív paramétereket (mind műszaki, mind gazdaságossági alapon), ill. sárgával a korlátozó tényezőket. (3. ábra) Szivattyús energiatárolás (SzET): alábbi ábra szerint völgyidőszakban a felesleg" erőművi árammal az alsó tározó vízmennyisége a felső tározóba szivatytyúzható, majd csúcsidőszakban turbinákon keresztül visszanyerhető. A szivattyús tározók eredetileg elsődleges mindennapi csúcslevágási" feladata az elmúlt két évtizedben szemlátomást a frekvenciaszabályozás azaz a szekunder szabályozás rendelkezésre állása felé tolódott el. Energy range = kapacitástartomány Power range = teljesítmény tartomány Reaction time = reakcióidő Efficiency = hatásfok Lifetime = élettartam CAPEX power = teljesítményre vetített fajlagos bekerülési érték CAPEX energy = kapacitásra vetített fajlagos bekerülési érték 2. ábra Összehasonlítás névleges teljesítménytartomány, kapacitás és alkalmazási terület alapján Főcím = Elektromos energiatárolási technológiák y tengely címe = max. kisütési idő x tengely címe = teljesítmény tartomány seconds/minutes/hours = másodpercek/percek/órák Energy management = ua., ill. energiakereskedelem Spinning reserve and grid stability = forgótartalék és hálózati stabilitás Power quality and backup power = áramminőség és szünetmentes áramforrás Forrás: ESA 3. ábra Összevetés különböző fontos és számszerűsíthető ismérvek alapján Forrás: ESA Elektrotechnika 2013/11 6

7 Energetika A CAES telepeknél a tárolandó villamos energiával kompresszorokat hajtanak meg, hogy azok természetes vagy mesterséges tárolóüregekben a levegő nyomását megnöveljék. A tárolt energia kisütésekor a nagynyomású levegőt turbinákon átengedve nyerik vissza a villamos áramot. Természetes üregek lehetnek elhagyott só- vagy egyéb bányák, megfelelő sziklaformázatok, de figyelni kell arra, hogy a komprimált levegő ne illanhassék el különböző réseken. 4. ábra SzET működési elve Forrás: MAVIR 5. ábra CAES telep működési elve Forrás: ClimateTech A SzET-nál 70-80%-os teljes ciklushatásfok érhető el, míg álló helyzetből mérettől függően néhány percet vesz igénybe a teljes teljesítményre futás. A szivattyús tárolók nagyon érett és bizonyított technológiát képviselnek, viszont hazánk domborzati és politikai adottságai miatt építése már több évtizede húzódó vita témája. Ennek megfelelően az optimista szakemberek sem teszik kiépíthetőségét 2030 elé. A sűrített levegős (CAES) energiatároló telepek teljesítményüket és üzemi paramétereit tekintve igen hasonlatosak a szivattyús tározáshoz. Ennek megfelelően alkalmazási célterületeiket tekintve is nagyon hasonlóak. 6. ábra Li-ion cella kialakítása és akkumodulok Forrás: IEC Magyarország geológiai formázatainak ismeretében kijelenthetjük, hogy elképzelhető jelentős potenciál mindkét fenti tekintetben (főleg, ha a SzET-et földalatti üregekkel oldják meg), de egy bizonyos beruházást így is meg kell előznie egy igen drága engedélyezési-felfedezési-feltárási folyamatnak. Alternatívaként a jövőben a földgázfüggőség remélhető csökkenésével a meglévő gáztározóinkat is lehetne energiatárolási célokra hasznosítani. Bár itt a két nagyméretű (min. több száz MW) tárolási lehetőséget is taglaltuk mivel hosszú távon a központi-elosztott tárolási aránynak ugyanúgy egészséges szinten kell maradnia, mint a termelés tekintetében, ezekre a négy terület közül kettőben (energiaminőség, katasztrófahelyzetek), ill. a közeljövőben nem számíthatunk. Minderre megoldást jelenthetnek alábbi elosztott tárolási technológiák. A Li-ion technológia a hordozható alkalmazásoknál (pl. laptop, mobiltelefon) néhány év alatt a legjelentősebbé nőtte ki magát. Kitűnő tulajdonságuk a nagyon magas gravimetrikus energiasűrűség (Wh/kg), ami ebben a piaci szegmensben jelenleg döntő versenyelőnyt jelent. A rohamos fejlődés ellenére ma még mindig relatív magas árai, ill. egyes biztonsággal kapcsolatos kérdések akadályozzák a telepített és közlekedési alkalmazásuk széles körű bevezetését, mindazonáltal már ezt is küszöbönállónak mondhatjuk, mivel Gas tight seal = gázálló tömítés TCB = hőkompressziós kötés Insulator = szigetelő Sodium = nátrium Safety tube = biztonsági cső Sulfur electrode = kén elektróda Sulfur housing = kén burkolat (korrózióvédő réteggel) Cell = cellák Thermal enclosure = termikus burkolat 7. ábra NaS cella design és 50 kw-os telep Forrás: IEC 7 Elektrotechnika 2013/11

8 8. ábra Redox folyadékakkumulátorok működése Forrás: Gildemeister egyre több autógyártó új modelljét már Li-ion-os akkumulátorral hirdeti. Jelenleg már kb ciklusszámnál jár e technológia, valamint további előnye a magas hatásfoka (>90%). Bár a hálózati méretű energiatárolásra is van már kísérleti telep (pl. Kínában), e célra ma még viszonylag költséges a megoldás alacsony ciklusszáma és korlátozott hasznos töltésszint-tartománya miatt, de egyes esetekben (pl. primer szabályozásra) már versenyképes lehet. Magas hőmérsékletű akkumulátorok (NaS, NaNiCl): a NaS és NaNiCl ( Zebra ) 9. ábra Teljes modularitás Forrás: Verno Energia Kft. akkumulátorok elektrolitja szilárd aktív tömegben van jelen, amely többnyire ionvezető kerámiákban testesül meg. A kielégítő ionvezető képesség kialakításához és az elektrolit folyékonnyá változtatásához igen magas üzemi hőmérséklet ( C) szükséges. Az akkumulátorok napi használata mellett a megfelelően méretezett szigeteléssel az akkumulátorok hőmérséklete fenntartható csak a reakcióhő által. Emiatt e technológiák elsősorban azon alkalmazásoknál javasolhatók, ahol mindennapi használatra van szükség. Alapvetően mindkét technológia alacsony költségű és hosszú élettartamú, viszont magas üzemhőmérsékletük felvet biztonsági kérdéseket. A Redox-folyadékáramos akkumulátorokban az aktív anyag folyékony elektrolitban oldott ásványokból áll. Az elektrolitot külső tartályban tárolják és igény szerint szivatytyúkkal vezetik a központi árammodulba, ahol töltésre vagy kisütésre kerül sor. A központi árammodul tipikusan egy katalizátorral ellátott membrán és a tüzelőanyag-cellához nagyon hasonlóan működik (ld. 8. ábra). A tartály mérete határozza meg a tárolható energiakapacitást, a központi egység pedig az akkumulátor teljesítményét. E technológiánál mindkét elektródhoz külön elektrolit tartály tartozik, mivel a töltésnél és kisütésnél a benne oldott ásvány ionos állapota megváltozik. 10. ábra Mikrohálózat sémája (piros = központi /hálózati/ ellátás; zöld = helyi /elosztott, megújuló/ termelés; kék = fogyasztók) Alapvetően e tárolási megoldás kiválóan megfelel az ipari, hálózati alkalmazások elvárásainak, mivel mind a központi egységet, mind a tartályokat igény szerint lehet bővíteni (ld. 9. ábra). Általánosságban elmondható, hogy e technológiáknak 75% körüli rendszerhatásfoka van. A redox folyadékáramos akkumulátorok jelenlegi éllovasa a VRFB (Vanadium Redox Flow Battery) rendszer, mivel /a/ akár több százezer mini- és/vagy mélyciklusra képes a névleges teljesítménye 100%-ában (sőt, rövid ideig akár 40-50%-os túlterhelést is elbír), /b/ alacsony üzemhőmérséklete és alapanyagai miatt nagyon biztonságos és környezetbarát, /c/ az elektrolit önkisülése gyakorlatilag zéró, /d/ karbantartási és üzemköltsége rendkívül alacsony, /e/ nem léphet fel keresztszennyeződés, mivel mindkét oldalon ugyanaz az elektrolit (csak más ionos formában) és végül, de nem utolsósorban /f/ a több mint 20 éves életciklus végén maradványértéke az eredeti beruházás kb. 40%-a. Forrás: S&C Electric Co. Elektrotechnika 2013/11 8

9 Energetika 3. Microgrid (mikrohálózati) rendszerek és energiatárolás Mikrohálózat klasszikus meghatározása: olyan elosztott villamosenergia-források, fogyasztók és tárolási mechanizmusok helyi csoportja, amely a hálózattal szinkronban és szigetüzemben is képes működni. Az okos-hálózatok (melynek egyik első lépése az okos-mérők bevezetése) után világszerte terjedő okos mikrohálózatok rendszereiben a fő hálózatról leválaszthatóan a termelés és fogyasztás sokrétű kombinációja figyelhető meg. Ezek általában távol eső szigetüzemek, vagy speciális kialakításuk folytán fel-/lekapcsolódás jellemzi ezeket gazdaságossági vagy áramminőségi indokokból. Az áramkereskedés és az árak jelen idejű változása azt eredményezheti az okos mikrohálózatoknál, hogy csúcsidejű áraknál (ill. ahol a hálózati ár eléri a számított helyi termelési árat) a rendszer szigetüzemre vált, vagy a korábban betárolt energiát kezdi visszatáplálni magas áron, ha a rendszer rendelkezik többlettel. Az okos mikrohálózat talán legnagyobb értéke mégis a teljes megbízhatóság egy amúgy kevésbé stabil hálózati ponton. Különösen egészségi, biztonsági, gazdasági szempontból kritikus fogyasztóknál fontos, hogy semmilyen rendkívüli helyzet ne veszélyeztesse működését egy pillanatra sem, nemhogy órákra, napokra. Példaként említhetjük a kórházakat (éppen folyó műtétek), katonai/rendőrségi központokat (rendszerösszeomlás), szerverközpontokat (adatveszteség). Az ilyen mikrohálózatok esetében a modern, elosztott energiatároló alkalmazásoknak a következő sokszor felbecsülhetetlen értékekük, hasznuk van: konstans energiaminőség (legszigorúbb feszültség- és frekvenciatartomány) biztosítása, szünetmentes áramforrás (ms-os bekapcsolás), megújuló termelés ingadozásának és napi szezonalitásának kiegyenlítése, elosztása s ennek kapcsán elterjedésük elősegítése támogatás nélkül is, szigetüzem esetén termelés és fogyasztás folyamatos (és okos) egyensúlyban tartása, már meglévő dízel generátorok gazdaságosságának és károsanyag-kibocsátásának drasztikus javítása (részterhelésen ezek sokkal kisebb hatásfokkal és jóval nagyobb fajlagos emisszióval működnek), végül, de nem utolsósorban profitot is hozhat, amennyiben a megtermelt többlet (adott esetben támogatott áras megújuló) termelést vissza tudja táplálni a hálózatra, vagy az igen drága hálózati infrastruktúra-fejlesztést tudjuk megelőzni ezzel. Úgy gondoljuk, hogy kiöregedő és igen alacsony hatásfokú fosszilis erőműveink szükségszerű kiváltásakor érdemes lesz legalábbis bizonyos arányban támogatni az ilyen okos mikrohálózatok, valamint az átviteli/elosztó rendszeri és megújulókhoz kapcsolt energiatárolás terjedését, ezzel is csökkentve riasztó mértékben növekvő energiaimport-szaldónkat a nemzeti ellátásbiztonságunk érdekében. Tófalvi Zsolt közgazdász zstof@hotmail.com

10 1. BEVEZETÉS Dr. Hartmann Bálint Hálózati akkumulátoros energiatárolás Merre tart a világ? A MEE Energetikai Informatikai Szakosztály, az Óbudai Egyetem MEE Szervezete és az EnerSys Hungária Kft április 11-én szakmai napot tartott az Óbudai Egyetemen, Az akkumulátoros hálózati energiatárolás jelene és jövője címmel. A rendezvény célja volt, hogy az érdeklődőknek áttekintést adjon napjaink egyik formálódó élvonalbeli technológiájáról. A cikk célja, hogy a rendezvényen elhangzott előadás tartalmát, azt valamelyest kibővítve, az Elektrotechnika hasábjain is megossza a szakmabeliekkel. The Energy Informatics Section of MEE, the Óbuda University Section of MEE and EnerSys Hungária Kft. have jointly organized a workshop on 11th April, 2013, entitled Present and future situation of battery grid energy storage. The goal of the event was to give a perspective on one of the forming, cutting-edge technologies of today. Present article aims to share the main thoughts of one of the presentations, through the pages of Elektrotechnika. A hálózati energiatárolás azon fogalmak, technológiák közé tartozik, melyet még az energetikai, elektrotechnikai területen dolgozók is sok esetben távolságtartással kezelnek. Ennek több oka is van; a villamosenergia-rendszerek felépítésének és üzemeltetésének hagyományos, több mint egy évszázad alatt kialakult rendszerében ritkán játszott főszerepet az energia tárolása. Kivételt jelent ez alól a nagyságrendekkel kisebb kapacitással ugyan, de régóta jelenlévő tartalékellátás, mely főleg a védelmekkel és az automatikákkal szemben megkövetelt magas üzembiztonság miatt került a rendszerbe. Természetesen annak ellenére, hogy kevés gyakorlati alkalmazásról adhatunk számot, az energiatárolás szükségességét már igen korán felismerték, hiszen a tárolás mechanizmusa korántsem idegen az emberiségtől. A természetben lejátszódó folyamatok egy részében az energia különböző megjelenési formái közötti átalakulást valamilyen köztes, mediátor állapot kíséri, mely lehetővé teszi ennek az energiának a tárolását, ily módon időben elválasztva egymástól az előállítást és a felhasználást. Ez a tulajdonság fontos szerepet játszik az általunk megismert természeti világ működésében is, hiszen számos olyan jelenséget ismerünk, mely például az időjárástól, vagy az évszakok változásától függ. Az energia tárolását lehetővé tevő mediátor állapot megléte nélkül a végbemenő fizikai folyamatokat egyidejűleg lejátszódó sokaságnak észlelnénk. Ezt, a természet által nyújtott lehetőséget használta ki az emberiség saját mindenkori energiaigényeinek kielégítésére is, még jóval az előtt, hogy a villamosság fogalmát megismerte volna. A tűzifa raktározása, a folyók vizének duzzasztása, vagy később a szén tárolása biztosította, hogy az energiaforrások átmeneti szűkössége esetén is teljesüljenek az ellátás feltételei. Ezt, a több évszázad alatt kialakult képet nagyban megváltoztatta a villamos energia mint energiahordozó megjelenése, majd fokozatos térnyerése. A napjainkban üzemelő váltakozó áramú villamosenergiarendszerek üzemét alapvetően határozza meg az, hogy a villamos energia váltakozó áram formájában nem tárolható, így a rendelkezésre állás megteremtésére és fenntartására más módot kellett keresni. A legelterjedtebb megoldást az erőművi tartalékok rendszerbe állítása jelentette világszerte, azonban ezen tartalékok mennyiségét tekintve már közel sem egységes a kép. Ha az egyes országok, régiók által tartalékként tartott teljesítmény és a rendszerterhelés maximumának arányából egy mérőszámot képezünk, meglepő eredményeket kapunk. Míg Japánban és Európában ez az arány eléri a 15 illetve 10%-ot, addig az Egyesült Államokban alig 2,5%! Az eltérés a mindennapi energiaszolgáltatás során is érezteti hatását, hiszen az Egyesült Államokban napjainkban is viszonylag rendszeresen fordulnak elő jelentős fogyasztói kiesésekkel járó üzemzavarok. Aligha lehet véletlen ezek alapján, hogy az energetikai témájú kutatások között is kiemelt szerepet kap az országban az energiatárolás kérdése. Ennek fontosságát jól mutatja, hogy a DOE ESR (Department of Energy, Energy Storage Research) program filozófiája szerint az energiatárolás feladata a megfelelő időben rendelkezésre álló energia biztosítása, hasonlóan ahhoz, ahogy a hálózat feladata a megfelelő helyen rendelkezésre álló energia biztosítása. Az ESR program az elmúlt tíz év számos területen bizonyult úttörőnek, legyen szó akár elméleti, akár gyakorlati kihívásokról. A kezdeti kutatások célja az volt, hogy azonosítsák azokat a villamosenergiarendszerben jelentkező feladatokat, melyek elvégzésére az energiatárolás várhatóan megoldást jelenthet, valamint mérjék fel, hogy a különböző technológiák milyen előnyökkel és hátrányokkal bírnak. A folyamat eredményeként a DOE és az EPRI (Electric Power Research Institute) számos tanulmányt publikált a 2000-es évek során [1-4], melyek a mai napig kiindulási alapot jelentenek a területtel foglalkozó szakemberek számára. 2. HÁLÓZATI ENERGIATÁROLÁS 2.1 Hagyományos, és új energiatárolási technológiák Az energiatárolási technológiák jellemzésére szolgáló műszaki paraméterek köre igen széles. Ide sorolható többek között az egység névleges teljesítménye és kapacitása, maximális töltési-kisütési teljesítménye, töltési és kisütési hatásfoka, önkisülésének nagysága, ciklikus és naptári élettartama. Ráadásul ezen paraméterek mindegyike viszonylag széles tartományon belül változhat: elég csak arra gondolnunk, hogy a hagyományos tárolási technológiák jelképét jelentő szivattyús-tározós erőművek több ezer MW-os teljesítménye vagy évtizedeken átívelő élettartama milyen nehezen hasonlítható össze a lendkerékkel, az elektromos kettősréteg kondenzátorokkal, vagy éppen az akkumulátoros technológiákkal. Ennek a színes palettának az eredménye, hogy bár szinte minden technológiához tudunk illeszkedő alkalmazási területet keresni, tökéletes, minden feladatra alkalmas megoldásról nem beszélhetünk. Ennek oka abban keresendő, hogy amikor a villamosenergia-rendszerben üzemelő energiatárolók lehetséges feladatait szeretnénk számba venni, egymástól lényegesen eltérő alkalmazásokkal találkozhatunk, melyek számos esetben egymással szöges ellentétben álló követelményeket támasztanak az energiatárolókkal szemben. A követelmények egy lehetséges, bár igen egyszerű csoportosítása végezhető el az alapján, hogy a feladat elsősorban teljesítmény, Elektrotechnika 2013/11 1 0

11 Energetika vagy kapacitás jellegű, ahogy azt az 1. ábra is mutatja. Az előbbieknél prioritást élvez a rendelkezésre álló teljesítmény nagysága, azonban nem feltétlenül van szükség hosszú ideig tartó töltésekre és kisütésekre. Az utóbbiaknál ezzel szemben kisebb teljesítménnyel is megelégszünk, de számítunk arra, hogy ezt a teljesítményt huzamosabb ideig képes lesz fenntartani az egység. Természetesen találkozhatunk olyan feladatokkal is, amikor mind a nagy teljesítmény, mind a nagy kapacitás elengedhetetlen a megfelelő üzemhez ezek a feladatok képezik a harmadik nagy csoportot. megelőzve minden vetélytársat, ahogy az a 3. ábrán is látható. Ezt a dominanciát fogják várhatóan megváltoztatni azok az új, egyre alacsonyabb költségekkel gyártható energiatárolási technológiák, melyek képesek lesznek kiszolgálni a hálózati energiatárolókkal szemben támasztott igényeket. Világszerte telepített tároló kapacitás (villamos energia) Szivattyús-tározós erőmű Sűrített levegős energiatározás Nátrium-kén akkumulátor Savas ólom akkumulátor Nikkel-kadmium akkumulátor Lendkerekek a beépített tározókapacitás több, mint 99%-a Lítium-ion akkumulátor Redox áramlásos akkumulátor Kisütési idő (óra) 1. ábra Energiatárolási feladatok lehetséges csoportosítása teljesítmény és kapacitás szerint [5] Névleges teljesítmény (MW) 2. ábra Energiatárolási technológiák csoportosítása teljesítmény és kapacitás szerint [6] CAES sűrített levegős energiatározás, EDLC elektromos kettősréteg kondenzátor, FW lendkerék, L/A savas ólom akkumulátor, Li-ion lítium-ion akkumulátor, Na-S nátrium-kén akkumulátor, Ni-Cd nikkel-kadmium akkumulátor, Ni-MH nikkel-fémhidrid akkumulátor, PSH szivattyús-tározós erőmű, VR vanádium-redox áramlásos akkumulátor, Zn-Br cink-bromin áramlásos akkumulátor Ehhez hasonló módon elvégezhetjük a napjainkban használt technológiák csoportosítását is, azok jellemző névleges teljesítménye és kapacitása alapján, mely rávilágít arra, hogy az egyes energiatárolási feladatok jól behatárolják az arra alkalmazható technológiák körét is. Elkülöníthetőek azok az technológiák, melyek elsősorban nagy teljesítményt igénylő feladatokhoz alkalmasak (lendkerék, elektromos kettősréteg kondenzátorok, szupravezetős energiatárolás), azok, melyek inkább nagy kapacitást tudnak nyújtani (szivattyús-tározós erőmű, sűrített levegős tározás), illetve azok, melyek mindkettőre alkalmasak (akkumulátorok, folyékony elektrolitos akkumulátorok). Ezt a fajta csoportosítást szemlélteti a 2. ábra is. Ezen technológiák közül, amennyiben a világszerte beépített teljesítményt nézzük, jelenleg a szivatytyús tározás vezeti a mezőnyt; a világ teljes tárolási teljesítményének 99%-át (127 GW) adva, messze 3. ábra A világon beépített energiatárolók összteljesítményének technológia szerinti megoszlása [7] 2.2 A hálózati energiatárolás feladatai A hálózati energiatárolás által a jövőben ellátandó feladatok jellegére jól utal a tömör, mégis kifejező angol terminológia (grid energy storage): a jellemzően az elosztó hálózati szintre telepített, decentralizáltan elhelyezkedő egységek a korábban már azonosított, rendszerszintű, és az átviteli hálózathoz kapcsolódó feladatok mellett elsősorban lokális jellegű, az elosztó hálózat üzemeltetése során felmerülő kihívásokra adhatnak választ. A megújuló energiaforrások integrációjának támogatása, a feszültség- és frekvenciaszabályozásban való részvétel, bizonyos bővítések elhalasztása, a jelenlegi rendszerszintű szolgáltatások egy részének helyettesítése vagy éppen a kiegyenlítő energiapiacon való részvétel mind olyan potenciális alkalmazási terület, mely a DSO-k és a TSO-k részéről egyaránt érdeklődésre tarthat számot. Várhatóan a rendszerbe beépítésre kerülő energiatárolók üzemeltetése úgy kerül kialakításra, hogy adott egység több célra is alkalmazható legyen, például energiamenedzsment mellett a nagy teljesítményt igénylő feszültségminőségi feladatokba is bevonható legyen. Ez a fajta üzemeltetés megkívánja, hogy olyan technológiát használjunk, mely egyaránt képes nagy teljesítmény leadására és nagy kapacitás biztosítására, mely viszonylag rugalmasan méretezhető, melynek hatásfoka magas, már sorozatgyártásra érett. Ezen követelményeket napjainkban az akkumulátorok, és a folyékony elektrolitos akkumulátorok elégítik ki legjobban. Részben működési elvük, részben moduláris felépítésük miatt széles tartományban tudjuk megválasztani névleges teljesítményüket és kapacitásukat, így a néhány kw/kwh-s egységektől akár néhányszor 10 MW/MWh-s egységekig minden méretre találunk példát nemzetközi szinten. Ezen egységek gyakran egymástól is jelentősen különböznek, hiszen akkumulátorok esetén az elektródák, illetve az elektrolit anyagának függvényében számtalan típus került kifejlesztésre. Tömegre, illetve térfogatra vonatkoztatott energiasűrűségük alapján az egyes technológiákról jellemzően az is megállapítható, hogy stacioner vagy mobil alkalmazásokhoz fognak-e inkább illeszkedni. (Egy ilyen csoportosítás látható a 4. ábrán, hideg színekkel jelölve a már napjainkban is sorozatban gyártott, meleg színekkel jelölve a fejlesztés alatt álló típusokat.) 11 Elektrotechnika 2013/11

12 Az évek során gyűjtött üzemeltetési tapasztalatok bizonyos típusokat kiszorítottak a versenyből, így várhatóan a villamosenergia-rendszerbe integrálva nem fogunk találkozni nikkel-vas, nikkel-cink vagy éppen lítium-polimer akkumulátorokkal. Az eddigiek alapján jól teljesítő típusok közé sorolhatjuk a savas ólom, a nikkel-kadmium, a nikkel-fémhidrid, a lítium-ion, a nátrium-kén és a különböző folyékony elektrolitos technológiákat. Kutatások természetesen folyamatosan zajlanak, így időről időre felbukkannak újabb, jó potenciállal kecsegtető típusok, mint például a cink-levegő vagy lítiumlevegő akkumulátorok. Mivel az előzőekben felsorolt technológiák között nincsenek jelentős különbségek a műszaki paraméterek tekintetében, az egyes típusok elterjedését illetve magának a hálózati energiatárolás koncepciójának életképességét nagyban befolyásolni fogják a beruházási és üzemeltetési költségek. Elmondhatjuk, hogy bár e téren is impozáns fejlődés tapasztalható, az akkumulátoros energiatárolás napjainkban még drága megoldásnak számít. A teljesítményre illetve a 4. ábra Sorozatban gyártott és fejlesztés alatt álló akkumulátortípusok energiasűrűsége kapacitásra vonatkoztatott beruházási költségek Smaller kisebb térfogatú, Lighter kisebb tömegű, Lead-Acid savas ólom akkumulátor, $/kw, illetve $/kwh Ni-Cd nikkel-kadmium akkumu- tartományban mozognak, Ni-MH látor, nikkel-fémhidrid akkumulátor, AA Alkaline AA alkáli elem, Li-ion lítium-ion akkumulátor, Li-polymer lítium polimer akkumulátor, Li-metal lítium-fém akkumulátor, Li-P lítium-foszfát akkumulátor, Zn/Air cink-levegő akkumulátor, Al/Air alumínium-levegő akkumulátor, Li/Air lítium-levegő akkumulátor, Established technologies sorozatgyártott technológiák, Emerging technologies fejlesztés alatt álló technológiák 3. MERRE TART A VILÁG? mely még mindig többszöröse a szivattyús-tározós erőművek költségének. A helyzet komplexitását tovább növeli, hogy a viszonylag kevés eddigi beruházás miatt nagy a költségek bizonytalansága, mely elérheti akár a beruházás értékének akár 10-15%-át is. Ennek ellenére az akkumulátoros technológiák térnyerése biztosnak tekinthető, hiszen egyre több ország és szolgáltató telepít ilyen tárolót. Amennyiben a világ energiatárolási teljesítményének nagy részét kitevő szivattyús tározást nem számítjuk, két igazán nagy piacot jelentő országot kapunk. A jelenleg beépített kapacitás 42%-a ugyanis Japánban, míg 35%-a az Egyesült Államokban található. Európa és Kína 4-4%-ot mondhat magának, míg a fennmaradó részen a világ többi országa osztozik. 3.1 Japán Japán hagyományosan nagy figyelmet fordított arra, hogy villamosenergia-rendszere megfelelő energiatárolási képességgel rendelkezzen. Ennek eredménye, hogy az ország teljes erőművi parkjának 10%-át napjainkban is szivattyús tározós erőművek teszik ki. Az 1980-as évek elején azonban szembesülniük kellett azzal a problémával, hogy a további létesítmények megépítésére alkalmas helyszínek száma radikális lecsökkent. Ennek hatására döntöttek úgy, hogy kutatásokat indítanak más, geológiai formációkhoz nem kötött tárolási technológiák kifejlesztésére. A program, melynek vezetését a TEPCO vállalta magára, 2002-re jutott el az áttörésig, ekkor került piacra a nátrium-kén akkumulátor technológia. Jelenleg az országban körülbelül 100, világszerte 250 helyszínen üzemelnek ilyen akkumulátorok, melyek összteljesítménye eléri a 316 MW-ot. A japán szakemberek főleg a megújuló energiaforrások rendszerintegrációjának támogatására használják saját egységeiket, melyek közül a legjelentősebb egy 34 MW teljesítményű és 245 MWh kapacitású tároló, mely egy 51 MW-os szélfarm támogatására került telepítésre. Az országban további jelentős fejlesztések várhatók a közeljövőben, a fukusimai baleset folyományaként ugyanis a japán kormány több, mint 200 millió dollárnak megfelelő összeget különített el egy hároméves, lítium-ion akkumulátorok fejlesztését célzó program számára. 3.2 Egyesült Államok Ahogy az a cikk korábbi részeiből már kiderülhetett, az Egyesült Államok élen jár az akkumulátoros energiatárolással kapcsolatos kutatás-fejlesztési munkák és a telepítés terén. A DOE egy, már korábban is működő részlegét pozícionálta újra 1991-ben úgy, hogy a hálózati akkumulátoros energiatárolást tette központi kutatási témájává, ebből fejlődött ki a mai ESR program, mely az akkumulátorok mellett a lendkerekekre, az elektromos kettősréteg kapacitásokra és a sűrített levegős tározásra is fókuszál. Munkájuk eredményeként jelenleg 41 telepített egységgel rendelkeznek (ebből 29 akkumulátoros), melyek egy része már a pilot fázison is túljutott. Találhatunk köztük szélenergia integrálását elősegítő alkalmazást (36 MW/24 MWh, savas ólom), tartalékot szolgáltató eszközt (1 MW/8 MWh, vanádium-redox) és a feszültségminőségi mutatók javítására tervezett egységet (25 kw/50 kwh, lítium-ion) egyaránt. A DOE mellett természetesen számos céget is találunk, akik valamilyen formában részt vesznek a munkákban, legyen szó kutatás-fejlesztésről, telepítésről, vagy üzemeltetésről. 3.3 Kína Ha kizárólag a jelenlegi állapotokat nézzük, Kína, 4%-os részesedésével nem komoly szereplő az energiatárolás piacán. Mindez azonban gyökeresen meg fog változni még az évtized végéig. A 2012-es évben Kína már világelső volt mind az újonnan üzembe helyezett (hagyományos és megújuló) erőművi kapacitások, mind a termelt energia tekintetében, ez pedig előrevetíti, hogy hamarosan jelentős energiatárolási kapacitás beépítésére nyílik majd lehetőség. Egy 2012-ben megjelent tanulmány [8] szerint 2016-ig az energiatárolási megoldások piaca Kínában évente átlagosan 92%-kal fog nőni, 2016-ra elérve a 482 millió dolláros forgalmat. A beépítésre kerülő technológiák közül a lítium-ion és a savas ólom akkumulátorok fogják a többséget adni, egyenként is több 100 MW-os teljesítménnyel. A kínai piacban rejlő potenciált természetesen más országok is felismerték, így számos esetben találkozhatunk nyugati befektetők közreműködésével, mint például annál 2012-ben átadott lítium-ion akkumulátoros egységnél, mely 20 MW/95 MWh-s adataival világelsőnek számít. Elektrotechnika 2013/11 1 2

13 Energetika A kínai beruházásokat érdemben egyetlen dolog hátráltathatja: a villamosenergia-piac még nincs felkészítve az energiatárolók által nyújtott lehetőségek megfelelő beárazására, azonban ez egy viszonylag könnyen leküzdhető akadály. 4. MIT HOZHAT A JÖVŐ? Ahogy az az élenjáró országok rövid bemutatásából is látszik, igen nagy potenciál rejlik a hálózati energiatárolásban. A lehetőségeknél talán csak a megválaszolásra váró kérdések számra nagyobb. Új technológiát és szolgáltatást kell látnunk benne, vagy a jelenlegi vagyonkezelési rendszerbe illeszthető entitást? Ki lesz a tulajdonosa az energiatároló egységeknek? Termelői, átviteli, elosztói, fogyasztói eszköz lesz vagy esetleg ezek valamilyen kombinációja? Melyek azok a feladatok a rendszerben, amelyek megoldására már érdemes használnunk az új technológiát, és melyek azok, amelyek ellátása a jelenlegi eszközökkel költséghatékonyabb? A sor hosszan folytatható lenne Ennek a bizonytalanságnak az oka elsősorban abban keresendő, hogy az energiatárolás új, a mindennapi üzemeltetés során mindeddig nem használt technológia. Számos esetben hiányzik az üzemeltetési tapasztalat, illetve a megfelelő szemlélet is ezen eszközöknek a villamosenergia-rendszerben történő elhelyezéséhez, lehetséges szerepük megértéséhez. Amennyiben az energetika különböző területein dolgozó szakemberek ezekkel a kihívásokkal meg tudnak birkózni márpedig ez csak idő kérdése, a hálózati energiatárolás egyike lesz azon újdonságoknak, melyek meghatározzák majd a jövő villamosenergia-rendszeréről alkotott képet. Joggal bízhatunk abban is, hogy Magyarország sem fog lemaradni ezen a téren. Startra kész a Roszatom Hazánkban a paksi atomerőmű tervezett bővítésénél a Roszatom maximálisra növelné a magyar beszállítói hányadot hangsúlyozta Leoš Tomíček, a Roszatom orosz állami atomenergetikai konszern nemzetközi szervezete, a Rusatom Overseas ügyvezető alelnöke október 8-án a brnói nemzetközi gépipari kiállítás Orosz Üzleti Fórumán rendezett Atomex atomenergetikai beszállítói fórum szünetében újságírói kérdésekre válaszolva. Az alelnök hangsúlyozta, hogy jelenleg 30-35%-ra becsülik a potenciális beszállítói hányadot, de a Roszatom a lehetséges maximális értékre törekszik, ehhez azonban feltétlenül szükséges tárgyalásokat folytatni a beszállítók tulajdonosaival, hiszen a részvétel befektetéseket kíván meg tőlük a szigorú műszaki és személyi feltételek megteremtése érdekében. Hiszen az a cég, aki beléphet erre a zárt globális világpiacra az a következő évet biztosíthatja be magának gazdasági alapon. Kirill Komarov, a Roszatom nemzetközi fejlesztési és üzleti részlegének vezérigazgató-helyettese az Atomexen elmondta, a Roszatom várja a paksi atomerőmű tervezett bővítésére vonatkozó tendert. Bízik benne, hogy a magyar kormány a közeljövőben megteszi az érdemi lépéseket a kiírás érdekében, ugyanakkor megérti, hogy egy ilyen hatalmas beruházás esetén az alapos előkészítés hoszszú időt vesz igénybe. A Roszatom vezérigazgató-helyettese hangsúlyozta, hogy az atomenergetikai ipar egy globális üzlet, így a versenytársakat nagyon jól ismerik. A nukleáris piacon a szóba jöhető versenytársak közül a francia Areva és az amerikai-japán Westinghouse céget emelte ki, BN-800 típusú gyorsneutronos reaktor makettje A közelmúlt fejleményeinek ismeretében egyre valószínűbbnek tűnik, hogy a hosszú évtizedek óta megvalósításra váró, ám arra a társadalmi elfogadottság hiánya miatt alig esélyes magyarországi szivattyús-tározós megoldás helyett a MAVIR is új megoldásban gondolkodik. Ahogy azonban az a rendezvényen is elhangzott, ezen a területen is célszerű a fokozatosság betartása, mind a technológiaválasztás, mind a méretezés során. Bízzunk benne, hogy az első üzembe helyezett egységekre sem kell sokat várni, és a tapasztalatok felhasználásával további szakmai párbeszéd indulhat meg a témában. Irodalomjegyzék [1] EPRI: Comparison of Storage Technologies for Distributed Resource Applications, Palo Alto, CA, Washington D.C., 2003, [2] EPRI-DOE: Handbook of Energy Storage for Transmission and Distribution Applications, Palo Alto, CA and the U.S. Department of Energy, Washington D.C., 2003, [3] EPRI-DOE: Handbook of Energy Storage for Grid Connected Wind Generation Applications, Palo Alto, CA, Washington D.C., 2004, [4] EPRI: Electric Energy Storage Technology Options, Palo Alto, CA, 2010, [5] D. Manz, et al: Look Before You Leap, IEEE Power & Energy Magazine, vol. 10., 2012 [6] Electricity Storage Association, 2012 [7] EPRI: Electricity Energy Storage Technology Options, Palo Alto, CA, 2010, [8] GTM Research: China Grid-Scale Energy Storage: Technologies&Markets, , 2012 Dr. Hartmann Bálint egyetemi adjunktus BME Villamos Energetika Tanszék Villamos Művek és Környezet Csoport MEE-tag hartmann.balint@vet.bme.hu A Roszatom jelene és jövőképe a globális atomerőművi piacon hiszen általában ez a három cég vesz részt világszerte a tendereken. Hazánkra vonatkozóan azt is kiemelte, hogy az atomenergia területén hosszú, közös múltra tekinthetnek vissza, hiszen a paksi atomerőmű is orosz technológiával épült és jelenleg orosz üzemanyaggal működik. Komorov, a Roszatom által kínált 3+ generációs atomerőművi blokkok építési költségével kapcsolatban elmondta, hogy a paksi bővítéssel kapcsolatban addig nem tudtak pontos árat mondani, amíg nem tudják, hogy pontosan milyen követelményeknek kell majd megfelelni. Minden egyes atomerőmű építés egyedi, hiszen pl. nagyon sok függ a földrajzi helyzettől, a hűtési módtól, valamint a speciális követelményektől is. Ugyanakkor a Roszatom rugalmas és nyitott, így többféle finanszírozási lehetőséget tud ajánlani az adott állam, vagy a tenderkiírás feltételeinek megfelelően. Hárfás Zsolt, MEE-tag 13 Elektrotechnika 2013/11

14 Dr. Kárpáti Attila, Mosonyi Károly, Vörös Miklós Az energiatárolás általános kérdései A cikkben a szünetmentes áramellátó rendszerekben alkalmazott energiatárolókkal foglalkozunk. Az első cikkben összefoglaljuk a lehetséges megoldásokat, majd a következő két cikkben a jelenleg általánosan alkalmazott ólomakkumulátorok felépítését, üzemviteli tulajdonságait ismertetjük. The paper deals with the energy storage units used in the UPS systems. In the first part is given a short summary of the possible solutions. Later, in the next two articles, we show the construction, the workings mode and operational parameters of the presently generally used lead acid batteries ábra Mechanikus, kémiai és elektrokémia energiatárolók fajlagos teljesítménye és energiaürüsége 1. Bevezetés A klasszikus szünetmentes áramellátó rendszerekben, továbbiakban UPS, általában kétféle energiatárolót, rövidebb és hosszabb áthidalási idejűt alkalmaznak. A rövidebb idejű energiatárolók a hálózat kiesésekor gyakorlatilag tranziensmentes, < 10 msec áttérést tesznek lehetővé, de a működési idejük korlátozott, általában perc. Az itt alkalmazott energiatárolók általában (elektrokémiai tárolók) akkumulátorok. Emellett előfordulnak mechanikus, (lendkerekes) energiatárolók is. A lendkerekes megoldás jelenlegi legmodernebb változatában [1] a motort, a generátort és a lendkereket összevonják. A mechanikus tárolók működési ideje sokkal rövidebb, sec, ezért a hosszú idejű tárolók (pl. dízelgenerátorok) indítási sebességére szigorúbb követelményeket írnak elő. Az elektro-mechanikus energiatárolók nagy teljesítménylökés leadására képesek, [2], környezetszennyezésük csekély. A hosszú időtartamú energiaellátást biztosító, lassúbb felfutású, ~ x 10 sec egységek általában dízel- vagy gázturbinás generátorok, az energiatároló anyag olaj, (kémiai energiatárolás). Hosszabb távon elképzelhető, hogy mozgóalkatrészek nélküli átalakítók váltják fel a dízel-/gázturbinás generátorokat, (tüzelőanyag-cellás megoldás, (az energiatároló közeg oxigén és hidrogén), ill. a redox akkumulátor, (az energiatároló közeg kétféle iontartalmú folyadék)). A tartalék energiát hordozó közeget mindkét esetben külön tartályokban lehet tárolni. Az egyenfeszültséget szolgáltató átalakító mindkét esetben viszonylag kicsi. Újabban terjednek a középfeszültségű hálózaton közvetlenül alkalmazott hálózatpótló és hálózatstabilizáló egységek, amelyek már MW-os tartományban működnek és igen nagy teljesítményű és nagy energiatartalmú akkumulátortelepeket alkalmaznak. A különféle tárolók fajlagos energiatároló képességét és fajlagos teljesítményét jól szemléltetik az ún. Ragonediagramok. Az 1.1. ábrából megállapíthatóan a lendkerekes megoldás fajlagos energiatároló képessége viszonylag kicsi, a leadott fajlagos teljesítménye viszont a legnagyobb. Az 1.2. ábrán [3] látható diagram akkumulátoros és kondenzátoros energiatárolókat hasonlít össze. A következőkben az elektrokémiai energiatárolók összefoglaló ismertetésével foglalkozunk ábra Kapacitív és elektrokémiai energiatárolók fajlagos teljesítménye és energiaürüsége 2. Az elektrokémiai energiatárolók, összefoglalás Belső és külső energiatárolós megoldásokat különböztetünk meg. A belső energiatárolós megoldások az akkumulátorok (az energiatároló közeg és az átalakító egyetlen edényben helyezkedik el), amelyeknél alacsony (ólom, NiCd, NiMH) és nagy (NaNiCl, NaS) hőmérsékletű megoldások léteznek. A külső tárolós megoldásoknál az energiatároló közeg az átalakítón kívül található. Két fő típusa az elektrolizátor/ tüzelőanyagcella, (PEM, Alkalin, Hochtemp) és az iontartalmú energiatároló folyadékokat alkalmazó Redox-Flow, (Vanadium, Fe/Cr) megoldás. A belső tárolós megoldásoknál a felhasznált anyagok szerint 4 főcsoportot különböztethetünk meg, ezek: ólom, nikkel, lítium és nátrium alapú technológiák. Általános jellemzőik: Ólombázisú technológiák Ólomkatód, ólom-dioxid-anód, az elektrolit higított kénsav. Nikkelbázisú technológiák Nikkelhidroxid alapú katód, valamilyen fémanóddal (Cd, Fe, Zn), vagy hidrogént tároló anóddal (NiH 2, NiMeH) párosítva. Lítiumbázisú technológiák Lítiumfémoxid katód (LiCoO 2, LiMO 2, stb.), szénanód, az elektrolit szerves karbonátokban oldott lítiumsó (pl.lipf 6 ). Nátriumbázisú technológiák NaS: anód (grafitszövet) folyékony kén, katód, olvadt nátrium, elektrolit, BASE (Beta-alumina szilárd elektrolit membrán, Na + Al 2 O 3 ) NaNiCl 2 : anód, olvadt nátrium; katód, NiCl 2 /Ni; elektrolit, BASE; szekunder elektrolit, NaAlCl 4 A 2.1.a,b,c táblázatban a gyakorlatban is alkalmazott legfontosabb megoldások jellemzőit foglaltuk össze. A táblázat az Al-air telep (rendkívül magas fajlagos energiatartalma miatt szerepeltetjük) és az alkáli elem kivételével újratölthető megoldásokat tartalmaz. Elektrotechnika 2013/11 1 4

15 Energetika 2.1.a. táblázat Típus Ucella Energ.s. Energ.s. Teljesítm. Haték. Rel.ár Alkalm. V Wh/kg Wh/liter W/kg % Wh/$ Sav.ólom 2, Kö, N VRLA 2, Kö, N Ni-vas 1, ,5-7,3 Kö, N Ni-Cd 1, K,Kö,N NiH 2 1, K NiMH 1, ,4-2,8 K Ni-Zn 1, > ,3 K, Kö Li-ion 3, ,8-5 K, Kö Li-Polimer 3, ,8-5 K LiFePO 4 3,2-3, ,7-1,6 K Li-kén 1,7-2, K N. Titanát 2, ,5-1 K V redox 1,15-1, N NaS Kö, N NaNiCl 2, ,33 Kö, N Alkáli ** 1, ,7 Al-air** 1,2 1300* Kö * az elméleti érték 6000/8000 Wh/kg ** telep Alkalmazások: K kicsi, (W); Kö közepes, (kw); N nagy (MW) 2.1.b. táblázat Típus Önkisül. Ciklus,% DOD Élettartam Imax, kis %/hó, o C Sav.ólom, JA , gépjárműben; 20, telepítve VRLA, JA ,60% 6-15 Ni-vas, JA Gyak.n.befolyásol Ni-Cad, JA <10C NiH ; 40000, 40% 15+, űrtechnika NiMH, JA (5-20),25, 1. nap (0,5-4),25/nap LSD NiMH (15-30),20/év Eneloop Ni-cink, JA Li-ion, JA 8,21;15,40;31, , Az energiatárolók működésének rövid ismertetése, [8], [9], [10], [11] Néhány elektrokémiai alapfogalom: Interkaláció: molekulák, ionok, esetleg atomok beépítése év 10 év/20 o C 8 o C/felezési idő <3C 2-3 <2C Li-Polim <2C LiFePO Li-kén C/5 2C N. Titan V redox, P 20 1>10000, , telepítve NaS, P gy.n,+ f* 6000/4500,80%- 20e3,20%,2500,100% 15 NaNiCl, P 2000/80%, ~3000 >15, 8 Alkáli ** <0, <5 Al-air,telep korlátozott gy.n,+ f* - elektrokémiai önkisülése gyakorlatilag nincs, de a fűtés beszámításával az önkisülése nagy JA jelenleg alkalmazott legfontosabb megoldások P - perspektivikus megoldások kémiai vegyületekbe úgy, hogy azok szerkezete lényegesen nem változik deinterkaláció Oxidáció: elektronleadás, az elektront leadó elem oxidálódik, (redukálószer) Redukció: elektronfelvétel, az elektront felvevő elem redukálódik, (oxidálószer) Redox pár: az elektrokémiában ugyanazon elem redukált és oxidált formájának együttese. Az ismert redoxpárok: titán-, vas-, króm-, vanádium-, cérium-, cink-, bróm- és kénvegyületek. Savas ólomakkumulátor 100 éves múlt, rendkívül elterjedt, az alkalmazási területe széles. A szükéges nyersanyag olcsó és bőségesen áll rendelkezésre. Az ólomakkumulátor 100%-ban újrafeldolgozható, anyagának 97%-a alkalmazható új akkumulátor gyártásakor. A gyártási folyamat kipróbált, gazdaságos és megbízható. Működésével külön fejezeten foglalkozunk. Nikkel-vas akkumulátor Kis energiasűrűségű, rendkívül hosszú élettartamú akkumulátor. Hőmérséklet-tűrése is igen nagy. Átalakulások a kisütési-töltésikisütési ciklusban: Katód: Ni(OH) 2 NiOOH Ni(OH) 2 Anód: Fe(OH) 2 Fe Fe(OH) 2 Az áramot a keletkező elektronok vezetik. Nikkel-kadmium akkumulátor Átalakulások a kisütési-töltésikisütési ciklusban: Katód: Cd Cd(OH) 2 Cd Anód: NiO(OH) Ni(OH) 2 NiO(OH) 2NiO(OH) + 2H 2 O + Cd Cd(OH) 2 + Ni(OH) 2 Az áramot a keletkező elektronok vezetik. Élettartama nagy, karbantartási igénye kicsi. Nagy teljesítményekre alkalmas. Alkalmazása az EUban a kadmium mérgező hatása miatt tilos. NiH 2 akkumulátor Kivételesen nagy élettartamú a nagynyomású hidrogént alkalmazó NiH 2 akkumulátor, amelyet űrhajózási célokra fejlesztettek ki. NiMH akkumulátor A NiCd akkumulátor helyettesítése, a kadmium helyét speciális hidrogénmegkötő fémötvözet veszi át, ami töltéskor megköti az elektrolit hidrogénjét, kisütéskor pedig leadja. Ni-cink akkumulátor A töltési/kisütési folyamat: töltés, kisütés 15 Elektrotechnika 2013/11

16 2.1.c. táblázat Típus Anód Katód Elektrolit o C Megjegyzés Sav.ólom PbO 2 / P b SO 4 Pb/ P b SO 4 H 2 SO 4 VRLA PbO 2 / P b SO 4 Pb/ P b SO 4 H 2 SO 4-40, 55 Ni-Vas Fe/Fe(OH) 2 NiO(OH)/Ni(OH) 2 KOH, 20% -40, 45 Robuszt. Ni-Cad Ni(OH) 2 /NiO(OH) Cd(OH) 2 /Cd KOH, 20% -20, 45 NiH 2 Ni kat.+g.d.e* KOH, 26% H gáz alk NiMH NiO(OH) Ti 2 Ni+TiNi+x KOH >0 Ni-Zn Ni(OH) 2 /NiO(OH) Zn(OH) 2 / Zn Li-ion Carbon, grafit Fémoxidok** Lítiumsó, szerves oldószerben*** -30, 50 T tölt. = 1h! Li-Polim Carbon, grafit Fémoxidok** Polimer LiFePO 4 Carbon, grafit LFP, Li,Fe foszft Li-kén Lítium Szén, nanofibr/kén N. Titan. V redox Grafitfilz Grafitfilz Oldott sók* IV NaS Kén, grafit.sz. Na, olv. Na + Al 2 O 3 * V NaNiCl Na NiCl 2 /Ni NaAlCL Alkáli* VI MnO 2 Zn KOH < -20 Al-air, telep Al/ Al(OH) 3 C+Ni+(Co kataliz.) Vízalapú Oxigén Anód-katód anyagmegadás: feltöltve/kisütve kat.+g.d.e* - katalizáló és gázdiffúziós elemek Fémoxidok** - lithium cobalt oxide (LiCoO 2 ), nagy energiasűrűség, de biztonsági problémák, lithium iron phosphate (LFP), lithium manganese oxide (LMO, LiMn 2 O 4 ), lithium nickel manganese cobalt oxide (NMC, LiNiO 2 ), kisebb energiasűrűség, nagyobb élettartam Lítiumsó szerves oldószerben*** - Litiumsókat (LiPF 6, LiAsF 6, LiBF 4, LiClO 4, LiCF 3 SO 3 ) tartalmazó szerves oldószer (ethylen carbonate, dimethyl carbonate, diethyl carbonate). Oldott sók* IV - Oldószerben oldott sók, az oldószer: szerves vagy szervetlen savak; Az alkalmazható redoxpárok: titán, vas, króm, vanádium, cérium, cink, bróm, kén Na-Al 2 O 3 * V - BASE Alkáli* VI KOH NiO(OH) Redox - nem tölthető - kálium-hidroxid, kálilúg - nikkel oxidhidroxid - (red = redukció), (ox = oxidáció) Anód: 2NiO(OH)+ 2H 2 O + 2e - 2Ni(OH) 2 + 2OH - Katód: Zn + 2OH - Zn(OH) 2 + 2e - Li-ion akkumulátor [3]: Mindkét elektróda alkalmas lítiumionok felvételére (interkaláció) és kibocsátására (deinterkaláció). Kisütéskor a negatív elektródából (grafit) kivont pozitív lítiumion a pozitív elektródába (lítiumtartalmú vegyület) épül be. Töltéskor a folyamat megfordul. Töltéskor: Anód: LiCoO 2 Li 1-n CoC 2 + nli + + ne - ; Katód: nli + + ne - + C Li n C Kisütéskor: Anód: Li 1-n CoC 2 + nli + + ne - LiCoO 2 ; Katód: Li n C nli + + ne - + C Az áramot a külső körben az elektronok, az akkumulátoron belül pedig a pozitív ionok vezetik. Felhasználás: kis méretei miatt az egyik leginkább használt akkumulátor a hordozható és mobilelektronikában, (pl. laptop, mobiltelefon), de már közepes teljesítményű egységeket is építenek. Lítium-polimer (LiPoly) akkumulátorok Az anódot és a katódot speciális polimer (ionvezető, folyékony elektrolitként viselkedő szárazfolyadék), választja el. Folyékony elektrolitot csak nagyon kis mennyiségben tartalmaz. V redox akkumulátor Két energiatároló elektrolitot alkalmaznak, amelyek a reagáló anyagokat oldószerben feloldva, két különálló tartályban tárolják. Az energiaátalakító cella anódja és katódja között katalizátoros membrán (mikroporózus szeparátor) található, amely lehetővé teszi az ioncserét és meggátolja az elektrolitok keveredését. A két elektrolit a membrán különböző oldalain folyik. A félcellákat határoló elektródákon megy végbe a kémiai reakció, (oxidáció=elektronleadás, ill. redukció=elektronfelvétel). Az elektródák anyaga grafitfilc. Az elektrolitokban alkalmazott redoxpár vanádium. Töltéskor, ill. kisütéskor a sóoldatban lévő ionok vegyértéke/töltésszáma változik. Az energiatartalmat a tartályok mérete, a teljesítményt a cella határozza meg. Fajlagos energiatartalma kicsi, élettartama nagy, nagy energiatároló berendezések telepítésére alkalmas. NaS akkumulátor Folyékony elektódákat és szilárd elektrolitot tartalmazó akkumulátor. A katód olvadt nátrium, az anód folyékony kénnel átitatott grafitszövet, az elektrolit, BASE (Beta-alumina szilárd elektrolit membrán, Na + Al 2 O 3 ), szelektív Na-ion vezető, az elektronok számára szigetelő. A magas, > 270 o C hőmérséklet biztosítja az ionok megfelelő mozgékonyságát. A töltés folyamán katódoldalon Na oxidálódik, 2Na = 2Na + +2e - ; Az Na + ionok az elektroliton, (szeparátor) keresztül az anódhoz mozognak, az elektronok pedig a külső körben, (terhelés) adják a töltőáramot. Az anód oldalon a beérkező elektronok és Na + ionok és az S atomok ( 2Na + + 4S+ 2e - = Na 2 S 4 ) nátrium-poliszulfidot hoznak létre. Kisütéskor a folyamat fordított. NaNiCl akkumulátor Olvadt Na anódú és szilárd NiCl 2 /Ni katódú, szilárd elektrolitú, (BASE, szeparátor); és folyékony szekunder elektrolitú (NaAlCl 4 ) akkumulátor. A szeparátor a Na anód és a szekunder elektrolit elválasztására szolgál. Az elektrokémiai reakció egyenlete: NiCl 2 +2Na Ni+2NaCl, töltés, kisütés. A felszabaduló elektronok a külső körben vezetik az áramot, a belső áram vezetést a Na-ionok biztosítják. Al-levegő telep Rendkívül magas fajlagos energiatartalmú elem, (nem újratölthető). Az elektrokémiai reakció egyenletei: Anód (oxidáció): Al + 3OH - Al(OH 3 ) + 3e - Katód (redukció): O 2 + 2H 2 O + 4e - 4OH - A teljes reakció: 4Al + 3O 2 + 6H 2 O 4Al(OH) 3 A levegő oxigénjét használja, (a katód reaktív szénréteg, áramvezető nikkelráccsal, kobaltkatalizátorral, és porózus, víztaszító filmmel, (PTFE) az elektrolit szivárgásának megakadályozására) Elektrotechnika 2013/11 1 6

17 Energetika táblázat Hely P, MW W, MWh Akkum.tip. Cél Metlakatla, Annette Island, Alaszka 1 1,4 VRLA Hálózatstabilizálás Vernon*, Kalifornia 5 3,5 VRLA,1996 Hálózatpótló, h.stb. Edison, Dél-Kalifornia Hálózatstabilizálás Puerto Rico VRLA,1995 Hálózatstabilizálás Tsunashima, TEPCO** 6 48 NaS, 1996 Hálózatstabilizálás Futamata, J.Wind Devel* III.. 34 NaS, 2008 Szél.gen. puffer Japán 6 60 Redox-Flow Szél.gen. puffer Alaszka 40 4,67/6,5 NiCd Hálózatpótló Megjegyzés Vernon* TEPCO** J.Wind Devel* III NGK BESS - vegyipari berendezés, (Lead Recycling center in Vernon), évi 2-3 kiesés - Tokyo Electric Power Co. - Japan Wind Development - NGK Insulators Ltd. - Battery Energy Storage System (a jelenlegi teljesítménytartomány: 0,5 40 MW, 0,5 4 óra tárolási idővel Meglévő telepítések: Németország, Japán, Thaiföld, USA, USA/Puerto Rico Tervezett telepítések: Ausztrália, Európa, Dél-Korea, Malajzia, Dél-Amerika, USA Az alkalmazott technológiák: Savas ólomakkumulátor, NiCd; NaS, Vanadium Redox-Flow A perspektivikus technológiák: Zn-Bromid. Nikkel: A bőrön keresztül közvetlen érintkezéssel, porának belégzésével vagy a táplálékkal juthat a szervezetbe. Károsítja a belső elválasztású mirigyeket, az immunrendszert, bőrön és nyálkahártyán irritációt okoz. Porai belélegezve karcinogén hatásúak. Cink: Vegyületei mérgező hatása változó. A cinkoxid gőzök légzőszervi panaszokat, a vízben oldódó és nagymenynyiségben a szervezetbe kerülő cinksók hányást, hasmenést okozhatnak. Lítium: A szervezetbe kerülve idegrendszeri elváltozásokat okozhat (fáradtság, remegés, mozgászavarok és izomrángások). Az elektrolitként felhasznált savak és lúgok: A környezetbe jutva a talajvíz ph-értékének megváltoztatásával okoznak környezeti károsodást. A bőrrel vagy a nyálkahártyával érintkezve marási sérüléseket okoznak Nagyobb teljesítményű, telepített megoldások Az igazán nagy teljesítményű alkalmazások a hálózati energiaellátást támogató akkumulátortelepek. Ezeket egyrészt az alternatív energiaforrások szabálytalanul ingadozó energiatermelésének kiegyenlítésére, másrészt a közép/nagyfeszültségű váltakozó áramú táphálózat szünetmentessé tételére alkalmazzák. Érdekes példa erre a NaS akkumulátorok alkalmazása Japánban (hálózatiterhelés-kiegyenlítés, Tokyo Electric Power Company, Tsunashima, 6 MW, 48 MWh), ill. nagyteljesí-ményű hálózatpótló NiCd akkumulátortelep alkalmazása Alaszkában (40 MW, 7 min-ig, 26 MW, 15 min-ig). Az utóbbi választás oka, hogy -20 C 40 C hőmérséklet-tartományban is jól használható, jóllehet az ólomakkumulátorokhoz képest a költség 2-3-szoros. (Alaszkában a NF hálózat sugaras, az akkumulátortelep és a csatlakozó átalakító feladata a helyi, tartalékerőmű beindításához szükséges idő áthidalása.) A táblázat néhány alkalmazást mutat, annak jellemző paramétereivel együtt Az elemekben és akkumulátorokban felhasznált anyagok káros hatása a környezetre és az emberi egészségre A higany és vegyületei: Az élő szervezet számára erősen mérgező hatásúak. A higany a bőrön keresztül felszívódva vagy gőzeinek belégzésével kerülhet az emberi szervezetbe. Akut mérgezés esetén nyelőcső- és gyomorkárosodás lép fel. Krónikus esetben idegrendszeri tüneteket, vesekárosodást okoz. A higanyvegyületek a táplálékláncon keresztül jutnak az emberi szervezetbe és egyes szervek részleges bénulását, járászavart, látótérkiesést, nagyothallást okozhatnak. Kadmium: A táplálékláncon keresztül vagy porának belégzésével kerülhet a szervezetbe. Erős enzimméreg. Belélegezve tüdőödémát, krónikus esetben csontelváltozást okoz, amely végső esetben halálos kimenetelű lehet. Ólom: Pora és különböző vegyületei belélegezve vagy a táplálékkal juthatnak a szervezetbe. A szervezetben felhalmozódott ólom a vörösvérsejtek elroncsolódását, gyomorbetegséget, izombénulást, ízületi fájdalmakat és májbántalmakat okozhat. Irodalomjegyzék [1] Kárpáti A., Vörös M., Novák M.: Mechanikus energiatárolós szünetmentes áramellátó rendszer, Elektrotechnika 2011/ old. [2] Genta, G.: Kinetic energy storage. Theory and practice of advanced flywheel system. Butterworth & Co. (Publishers) Ltd [3] VDE Verband der Elektrotechnik Elektronik Informationstechnik e.v.: Energiespeicher in Stromversorgungssystemen mit hohem Anteil erneuerbarer Energieträger. Bedeutung, Stand der Technik, Handlungsbedarf. Dezember [8] Exide (GNB Industrial Power): Li-Ion Motive Overview Document [9] Pacific Northwest N.L.: Intermediate Temperature Planar Na-Metal Halide Batteries, 2012 [10] EUROBAT: Battery Technologies [11] battery&oldid= Dr. Kárpáti Attila c. egyetemi tanár Budapest Műszaki Egyetem MEE-tag karpati@aut.bme.hu Mosonyi Károly Interpower Kft. MEE-tag office@interpower.hu Vörös Miklós Interpower Kft. MEE-tag office@interpower.hu 17 Elektrotechnika 2013/11

18 Szemle Energiatárolás válogatás külföldi szaksajtókból Akkumulátoros tárolókkal nyert első tapasztalatok A cikk az ábrán levő akkumulátor típusokat elemzi, azok jellemzőit táblázatban foglalja össze. Végül két nagyobb kisés középfeszültségű hálózatra is kiterjedő hatású- teleppel nyert tapasztalatokat foglalja össze a szerző. Az egyik telepet Svájcban Dietikonban létesítették. Ez 1 MW kapacitású, Li-Ion cellákból áll. Az EKZ rövidítésű áramszolgáltató hálózatán van. A másik, 0,75 MW kapacitású telep szintén Li-Ion cellákból épül fel, Olaszországban az Enel Distribuzione hálózatához csatlakozik. A tapasztalatok szerint ezek a Li-Ion cellás akkumulátoros tárolók beváltak, jelentősen járulnak hozzá az elosztó hálózatok stabilitásának növeléséhez és terhelésük csökkentéséhez. A Li-Ion akkuk különböző anyagokból állnak, ami változtatja a tulajdonságaikat. A nagyobb ciklusszám az ólom-akkunál rövidebb élettartammal jár. Energiatárolós technológiák főbb jellemzői A tömörítvényeket készítette: dr. Kiss László Iván Gravimetrikus energiasűrűség (kwh / 1000 kg) Volumetrikus energiasűrűség (kwh / m³) Különböző tárolási technológiák összehasonlítása egység Li-Ion NaS NiCd Ól.savas Sup.kap. Lendkerék Fajlagos energia Wh/kg Energiasűrűség Wh/l Fajlagos teljesítmény W/kg >6000 >6000 Töltés-kisütés hatékonyság % Öntöltés %/hó Ciklus tartósság cikl.szám > Élettartam év A szuperkapacitásnál és a lendkeréknél a fajlagos teljesítmény 1-10 s-os impulzusokra korlátozódik. A töltés-kisülés hatékonyságnál az áram-feszültségváltók hatékonysága nincs figyelembe véve. A NiCd és az ólom-savas akkuk élettartama évente csak kevés ciklusra vonatkozik. Az adatok telep-modulokra, nem cellákra vonatkoznak. Forrás: Erste Erfahrungen mit Batteriespeicher Bulletin 3. Mai 5 /2013., S Tézisek az energiafordulat megvalósításához Az energiafordulatot egyrészt szükségessé teszi a hagyományos energiaforrások fokozatos kimerülése, másrészt a környezetvédelem. Az utóbbiban a villamos energiának döntő szerepe van a megújuló energiaforrások hasznosítása révén. A tanulmányértékű cikk szerzője az energiafordulat sikere érdekében 16 tézist állított fel, melyek között a villamos energia decentralizált tárolókban történő növekvő mértékű tárolásának jövőjét is elemzi. Ahol a szivattyús-tározós tárolás jelenleg már megoldott, ott az a megújuló forrásokon alapuló termelés kiegyenlítésére is hasznosítható. De a sporadikus tárolási igény miatt az automatizálást itt is fejleszteni kell. A növekvő és nem csak éjszakai tárolási igény és az elosztottan telepített új erőművek miatt az új energiatárolókat a végfelhasználók közelében kell telepíteni és létesítésüket kedvezményes tarifákkal kell elősegíteni. A cikk szerzője a szükséges nagymennyiségű szezonális energia esetében a potenciális energia formájában történő tárolás mellett még nem látja elegendően gazdaságosnak a kémiai energia (pl. hidrogén) formájában történő tárolást, sem a villamos, sem a hőenergia esetében. Forrás: Thesen zur Verwirklichung der Energiewende Bulletin 8. Febr. 2. / 2013 S Európában is megkezdődik a nagykapacitású hálózati energiatárolás Az S&C Electric Europe, a Samsung SDI és a Younicos szerződést kötött Európa eddig legnagyobb, ún. intelligens hálózati tárolójának a UK Power Networks egyik alállomásában történő megvalósítására. A tárolóval a hagyományos hőerőműves hálózatbővítéshez képest 6 millió font lesz megtakarítható. A tárolós projekt ugyanis a frekvenciaszabályozásban és a fogyasztói terhelésszabályozásban is részt vesz. A teljesen automatizált, 6 MW / 10 MWh okos hálózati tároló -nak (SNS) nevezett, akkumulátortelepet tartalmazó projektet a Leighton Buzzard alállomáson hozzák létre. Ez +majd hozzájárul az Egyesült Királyság szén-dioxid-csökkentési tervének teljesítéséhez is. Az SNS projektnek az is a célja, hogy innováció révén a tárolás hatékonyabb és gazdaságosabb formáját bebizonyítsa. Az egyéb villamos tárolási projektektől eltérően a hatása az elosztó hálózaton is túlnyúlik. Késlelteti transzformátorok, kábelek és szabad vezetékek beruházását. Forrás: Transmission & Distribution World, Sept ,p.18. Elektrotechnika 2013/11 1 8

19 Energiatároló rendszerek szabványos méretű kiépítése A megújulóenergia-forrást hasznosító termelőegységek közül különösen a napelemekhez és szélturbinákhoz energiatárolás is szükséges az időjárástól nagymértékben függő teljesítményük miatt. Ez az igény az akkumulátoroknál az utóbbi időben jelentős fejlődést hozott, például egyre jobban terjednek a Li-ion típusú tárolók. Nemcsak az egyes termelőegységeknél, hanem elosztó hálózati alállomáson vagy szélfarmokon is használják a nagymennyiségű akkumulátoregységből álló telepeket. Viszont az akkumulátoroknak a méretcsökkenése nem jelentős, ezért a nagyobb teljesítményű telepek helyigénye igen nagy lenne. Kompakt, de az időszakos felügyeletet is biztosító megoldás szükséges. A Li-ion akkumulátorok integrációjának 19 (inch v. zoll) moduláris technológiával történő megvalósítását a Rittal GmbH &Co. KG-nél, Hernbornban megoldották. Ugyanis a neves akkumulátorgyártók ilyen méretű fiókokban elhelyezhető egységeket gyártanak és ugyancsak elterjedt a 19 beépítési rendszer az IT- és váltó egyenáramú átalakítókat gyártóknál. A síneken elhelyezett egységekhez keretek esetén elől-hátul, szekrények esetében elhelyezett egységekhez elölről lehet hozzáférni. Az egységek adat-, ill. teljesítményösszekapcsolása a hátsó falon oldható meg. A 2000x600x600 mm-es T8 szabványszekrényben a 19 Li-ion akkumulátorokból kb. 25 kwh teljesítmény építhető ki. Több szekrényből 20 vagy 40 láb méretű konténerek állíthatók össze. A Rittal cég a szükséges klimatizáló, áramátalakító egységeket is szabványos méretű keretekbe építve tudja szállítani. Forrás: Standardverpackung für Energie-Speichersysteme, etz lektromechanische Komponenten S4 / 2012 Az energiafordulat sikeréhez megfelelő teljesítményű energiatárolás szükséges Az energiafordulathoz szükséges a megújuló energiaforrások nagymértékű hasznosítása. Németországban a villamos- energia termelésnek már közel 25 %-a megújuló forrású. Az időjárás- függés miatt viszont jelentős energiatárolás szükséges. A termelésekor felesleges energia tárolására és későbbi felhasználására használható rendszer része a Polymer- Elektrolyt- Membran (PEM) Elektrolyseure (Elektrolizáló), melyet a GP Joule GmbH-nak (Reussenköge) a H-Tec System GmbH (Lübeck) leányvállalata fejlesztett ki. A PEM Elektrolyseur a villamos energiát %-os hatásfokkal alakítja át tárolható hidrogénre és az elektrolízis során keletkező hőre. A mellékelt ábrán 4. látható, hogy nemcsak a hidrogén, hanem az elektrolízis során keletkező hő segíti a villamos-energia előállítását, épületet és biomassza berendezést fűthet. A biomasszából származó hidrogén is termel energiát. A leírt rendszerben a villamos-energia 40 %-a visszavezethető a hálózatba. Jelenleg 18 kw-os PEM Elektrolyseure kapható, ami most még csak ipari felhasználásra gazdaságos. Forrás: Das Gelingen der Energiewende erfordert leistungsfähige Stromspeicher smart energy Sonderausgabe der etz elektrotechnik &automation S3 2013, S Hálózat 2. Energiafelesleg 3. Épület 4. Megújuló energia 5. Évelő növényi nyersanyag 6. Hidrogén termelése 7. Hideg tartalék 8. PEM Elektrolizáló 9. Hidrogén tárolók 10. Robbanóanyag motor 11. Blokkerőmű 12. Szakaszosan működő biogáz berendezés 13. Magyarázat : Zöld villamos-energia, Hidrogén, Hőenergia, Biogáz, Biomassza Szakaszos energiahiány pótlására szolgáló PEM Elektrolyseur, biogáz berendezés, blokkerőmű 19 Elektrotechnika 2013/11

20 Szabó Ervin Megújuló energiatermelő rendszerek elosztó hálózatra való visszatáplálásának szabályozása és eszközei A megújuló energiák elosztó hálózatba történő viszszatáplálása az időjárás változékonysága miatt komoly nehézséget okoz a rendszerirányítóknak. Az energiatárolási technológiák gyors ütemű fejlődése ellenére sem megoldott még, hogy a termelt többletenergia tárolásra kerüljön. A hálózati egyensúly biztosítására Németországban a termelés szabályozása történik. Ennek a szabályozásnak az eszközeit mutatja be a cikk. bevezetni a Németországban már régebben elterjedt technológiát, a hosszúhullámú rádiós körvezérlést (RKV). A rendszer eredendően ugyanazon célokat szolgálja, mint a HFKV, de lényegesen rugalmasabb, több célra használható. Magyarországon a lakihegyi adó sugározza a vezérlési utasításokat 135,5 khz-es frekvencián, emellett pontosidő-táviratokat is kiad 11 másodpercenként, amely általánosan más időszinkronizációs célokra is használható. Németországban két adó üzemel, Burgban (139 khz) és Mainflingenben (129,1 khz) 200 Bd-os egyirányú kommunikációt biztosítva km-es vételi körzeten belül. (1. ábra) Feed-in of the renewable energy into the distribution network causes serious difficulties for the system operators due to weather variability. Despite the rapid development of the energy storage technologies the storage of the produced surplus energy has not been resolved yet. In Germany the production is controlled in order to ensure the balance of power grid. The article introduces these control devices. A megújuló energiák közül a szél- és napenergia termelésének az elosztó hálózatba történő visszatáplálása komoly nehézséget okoz a rendszerirányítók számára, mivel a termelés teljes mértékben ki van szolgáltatva az időjárás változékonyságának. A háztartási méretű kiserőművek tömeges terjedésével olyan beavatkozási lehetőségre van szükség, amellyel gyorsan, néhány másodperc alatt a területileg és mennyiségileg elosztott termelést korlátozni lehet. Az okos mérés funkcióit tekintve alkalmas lehetne erre, hiszen mind a visszatáplálás mérésére, mind a ki-, bekapcsolásra távolból is lehetőség van, viszont a kommunikációs metódusa miatt a gyors, tömeges elérést nem biztosítja. A háztartási méretű kiserőművek nagy darabszáma és elosztott elhelyezkedése miatti problémát a hosszúhullámú rádiós körvezérlés (RKV) oldja meg, míg a nagyobb teljesítményű, de kisebb darabszámú erőmű felügyeletére és távvezérlésére az iparágban szokásos, nagyfeszültségű és középfeszültségű transzformátor-alállomásokban alkalmazott, kétirányú kommunikációval rendelkező RTU (Remote Terminal Unit) kistestvéreit használják. A körvezérlések áttekintése Világszerte elterjedten, így Magyarországon is használják a Hangfrekvenciás Körvezérlő (HFKV) rendszereket, amelyek zömében a hőtárolós, vezérelt áramú fogyasztók ki-, bekapcsolására szolgál, ezenkívül a közvilágítás kapcsolására használják a szolgáltatók. A középfeszültségű alállomáson elhelyezett HFKV-adó és a fogyasztóknál elhelyezett HFKVvevő között a vezérlési kommunikáció az elosztó hálózat vezetékeire szuperponálódott hangfrekvenciás jellel történik. A hőtárolós berendezések vezérlése elsősorban a szolgáltató terhelésmenedzsment feladatinak megoldását szolgálják, azaz fogyasztási csúcsidőszakok levágására és a völgyidőszakok feltöltésére alkalmasak. Ezért a szabályozhatóságért a fogyasztó a lényegesen olcsóbb tarifát kapja cserébe környékén az E.ON magyarországi áramszolgáltatói elkezdték 1. ábra Körvezérlést sugárzó adók Az adók üzemeltetését és a táviratok kisugárzását mindhárom adó esetében a német EFR Gmbh és leányvállalata végzi (forrás: A rendszer rugalmasságát az adja a HFKV-hoz képest, hogy a lefedettségi területen belül a vezetéki topológiától függetlenül lehet a vevőkészülékeket több dimenzió szerint csoportokba szervezni, akár egyedi címmel 2-3 másodpercen belül elérni. A rendszerirányítóknak az EFR-terminálok használatával közvetlen lehetőségük van a kívánt táviratok, kívánt időben történő kisugárzására. Ezek a tulajdonságokból következően a rendszer alkalmas nagytömegű megújulóenergia-termelő egységek hálózatra visszatáplálásának szabályozására, korlátozására. Kommunikációs protokollok A különböző gyártók kétfajta, szabványosított egyirányú adatátviteli protokollt használnak a 200 Bd-os hosszúhullámú kommunikációs csatornán. Az egyik a DIN Typ A, vagy népszerűbb nevén Versacom, a másik a DIN Typ B, vagy népszerűbb nevén Semagyr Top. Mindkettő a HFKV-rendszerekben alkalmazott protokollokból jött létre. A Semagyr Top a Landys&Gyr gyártói protokolljából nőtte ki magát DIN szabvánnyá. Alapjai még a bájtszervezésű világ előtt, az analóg áramkörökön megvalósított pulzus alapú HFKV-kommunikációra készültek, aminek jellemezőit az RKVra átfogalmazott szabvány is megtartotta, azaz az információs egységek nem bájthatárra esnek, hanem eshet a fele az egyik, másik fele a másik bájtba. Ezzel együtt is egy nagyon jól használható, sok lehetőséget és rugalmasságot adó protokoll. Címzési rendszere elsődlegesen a vevőkészülékeket, azok csoportjait célozza. Adatátviteli parancsai pedig nem közvetlenül a relék ki-, bekapcsolását kezdeményezik, hanem kisebb Elektrotechnika 2013/11 2 0