BME OMIKK ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 10. sz. 2006. p. 54 61. Korszerű energetikai berendezések Szünetmentes áramellátás lendkerekes energiatárolással A lendkerék ősidők óta ismert egyszerű megoldás a mechanikai (mozgási) energia tárolására. Ez a megoldás korábban túl bonyolult és drága volt, az alkalmazott teljesítményelektronikai megoldások fejlődésének és tömeges elterjedésének köszönhetően ma már kimaradásmentes áramszolgáltatásra (UPS) az akkumulátortelepek helyett, illetve azok kiegészítésére egyaránt felhasználható. Összeállításunk bemutatja megoldásokat, és pontos számításokkal alátámasztva kimutatja, hogy a lendkerék számos más előnye mellett jóval olcsóbb, teljes életciklusra számított költsége csak kb. 40%-a az akkumulátorénak. Tárgyszavak: lendkerék; UPS; szünetmentes áramellátás; szünetmentes tápegység; akkumulátor. A lendkerék ősidők óta ismert egyszerű megoldás a mechanikai (mozgási) energia tárolására, ami egy tengely körül forgó lendkerék vagy rotor segítségével történik. Az így megőrizhető energia mennyisége arányos a lendkerék tömegével (pontosabban tömegtehetetlenségével, inerciájával) és a fordulatszám négyzetével. A villamos táplálást szolgáltatók alkalmazzák a lendkereket a tápszolgáltatás minőségének megőrzésére is, amikor a mechanikusan összekapcsolt motor és generátor közé iktatják be azt, hogy az inercia növelésével megkíméljék a fogyasztót az esetleges hálózati zavaroktól (1. ábra), növelve az üzemzavarra való reagáláshoz rendelkezésre álló időt. A közvetlenül beiktatott lendkerék előnyei azonban korlátozottak, mivel az általa generált feszültség frekvenciája az energialeadás során lassuló kerék forgásának fordulatszámával arányosan csökken. 54
motor lendkerék generátor 1. ábra Lendkerékkel kiegészített motor-generátor blokk E frekvenciacsökkenés miatt az ábrán látható elrendezésben a lendkerék legfeljebb egy másodpercig szolgáltathat tartalék teljesítményt, ezért a benne tárolt energia csak kismértékben hasznosul. Hogy a lendkerék lehetőségeit jobban ki lehessen aknázni, el kell választani a forgó tömegben tárolt kinetikus energiát az általa védett fogyasztói hálózat jellemzőitől. Erre változtatható sebességű hajtóegység (VSD), egyenirányító és váltóátalakító (inverter) beiktatásával van lehetőség (2. ábra), ilyenkor a lendkerékben tárolt energia mintegy 75%-a hasznosítható. Ez a megoldás korábban túl bonyolult és drága volt, az alkalmazott teljesítményelektronikai megoldások fejlődésének és tömeges elterjedésének köszönhetően ma már kimaradásmentes áramszolgáltatásra (UPS), az akkumulátortelepek helyett, illetve azok kiegészítésére egyaránt felhasználható (3. ábra). Alkalmazási lehetőségek, előnyök Egyenáramú lendkerekes energiatároló potenciálisan bármely, akkumulátorokkal működtetett UPS-rendszerben alkalmazható. Az akkumulátorok rendszerint körülbelül 15 percen át képesek szolgáltatni a névleges terhelésű táplálást. Ez az időszak ugyanis általában elegendő ahhoz, hogy hosszabb áramkimaradás esetén szabályosan leállítsák a védelem alatt álló rendszert. Manapság számos UPS-rendszerben dízelgenerátort alkalmaznak, amely 10 másodperc alatt képes elindulni és elérni a névleges terhelést. Az ilyen rendszerekben ezért az akkumulátorokat kiváltó lendkereket úgy méretezik, hogy 15 másodpercen át legyen képes magára venni a névleges terhelést. Működhet a lendkerék az akkumulátorok kiegészítőjeként is: az áramkimaradások, zavarok időtartama többnyire legfeljebb 5 másodperc, és amenynyiben ezek gyakran fordulnak elő, az ezzel 55
VSD motor lendkerék generátor egyenirányító inverter DC AC AC DC 2. ábra Lendkerékkel és megfelelő elektronikus szabályozó egységgel kiegészített motor-generátor blokk UPS elektronika elektromos hálózat AC DC DC AC kritikus terhelés 480 VDC egyenáramú lendkerekes energiatároló akkumulátortelep 3. ábra UPS rendszer akkumulátorteleppel és/vagy lendkerékkel kapcsolatos gyakori kisütés/újratöltődés ártalmas az akkumulátorok élettartama szempontjából, a lendkerék viszont teljesen érzéketlen a gyakori töltésre/kisütésre. Az akkumulátorokhoz hasonlóan a lendkerék is energiatárolásra, nem pedig energiatakarékosságra szolgál. Készenléti állapotának biztosítása bizonyos súrlódási energiaveszteséggel jár, de felmerül bizonyos veszteség az akkumulátorok gyakori feltöltésénél-kisütésénél is. Összességében azonban e veszteség a lendkerék esetében nem haladja meg a névleges teljesítmény 0,1 1%-át, az akkumulátorok készenléti vesztesége ennek kb. egytizede. A lendkerék számos jellemzőjét tekintve előnyösebb az akkumulátornál: specifikált élettartama jellemzően 20 év, míg az UPS-ekben használt akkumulátoroké csak 3 5 év; az akkumulátorokat szobahőmérsékleten, viszonylag szűk sávon belüli üzemi hőmér- 56
sékleten kell tartani, míg a lendkerekek állják a normális kültéri hőmérsékletet is; a gyakori ciklikus üzemmód nem befolyásolja a lendkerék élettartamát, ami nem mondható el az akkumulátorokról; a lendkerék megbízhatósága 5 10-szerese egyetlen akkumulátortelepének, és közel azonos két párhuzamosan működtetett telepével; a lendkerék kompaktabb, így alapterületre vonatkoztatott helyigénye legfeljebb 10 20%-a az azonos teljesítményt szolgáltató akkumulátorokénak; a lendkerék nem okoz káros kibocsátásokkal kapcsolatos üzembiztonsági problémákat, az akkumulátornál fennáll vegyi anyagok kiszabadulásának veszélye; a lendkerék karbantartása általában ritkább és egyszerűbb, mint az akkumulátoroké. konstrukciót igényel. Míg a kis sebességű lendkerekek általában acélból készülnek, a nagy fordulatszámúak anyaga az ilyenkor keletkező nagyobb feszültségeket is jól tűrő szén, vagy szénből és üvegszál erősítésű műanyagból kialakított kompozit szerkezet. Nagyobb fordulatszám mellett jelentősebb a csapágyakon fellépő súrlódási veszteség és a légellenállás is. E kétféle súrlódási tényező csökkentésére, illetve kiküszöbölésére a gyorsabb lendkerekeknél általában mágneses csapágyazást alkalmaznak, és megfelelő külső burkolat segítségével fenntartott vákuumban helyezik el őket. Mivel a mágneses csapágy esetében a lendkerék tulajdonképpen lebeg, így a hagyományos csapágyaknál fellépő súrlódási veszteség lényegében megszüntethető. A lendkerekek többségénél, beleértve a kisebb fordulatszámúakat is, mindkét csapágytípust együttesen alkalmazzák. Konstrukciós megoldások A számos konstrukciós változatban készülő lendkerekek két fő típusa kis, vagy nagysebességű üzemmódban működik. Alacsonynak a percenként néhány ezres, magasnak pedig a több tízezres fordulatszám tekintendő. Mint már említettük, a fordulatszám megduplázásával a tárolt energia mennyisége egyéb feltételek változatlansága mellett a négyszeresére növelhető, de a nagyobb fordulatszám alapvetően eltérő Ami a lendkerekek beépítését illeti, ez többnyire nagyon egyszerű, mindössze egy beton alapra van szükség a felszereléshez. Minden esetben szükség van megfelelő kábelekre az UPSrendszer belső egyenáramú hálózati csatlakozásának biztosítására, valamint egy egyenáramú lekapcsolóra is a megfelelő szervizelés elvégzéséhez. A lendkerekes rendszer segédberendezései például a vákuumszivattyú működtetéséhez szokásos váltakozó áramú hálózat (az USA-ban 120 V, Európában 220 V) szükséges, de egyes berendezéseknél a lendkerék gyors 57
újrapörgetéséhez ennél nagyobb feszültségre lehet szükség. Ügyelni kell arra, hogy a lendkerék egyenáramú kimenő feszültsége illeszkedjen az UPS-rendszer sínfeszültségéhez. Alkalmazási területek és módozatok Az egyenáramú lendkerekes energiatárolás bármely belső egyenfeszültséggel működő akkumulátoros UPS-rendszerben, akár kiegészítő berendezésként is alkalmazható nem alkalmas tehát az egyszerű, közvetlen csatolású motorgenerátoros megoldáshoz, ahol nincs is csatlakoztatásához megfelelő egyenáramú sín. Miután a lendkerekes energiatároló rendszerek általában megbízhatóbbak az akkumulátoroknál, alkalmazhatóságukat főként költséghatékonysági megfontolások alapján döntik el. Az akkumulátorok beszerzési költsége ugyan alacsonyabb, élettartamuk viszont számottevően rövidebb és nagyobbak karbantartási/üzemeltetési költségeik is. Lendkereket ezért különösen az akkumulátorok számára kedvezőtlen környezetben, például az ellátó hálózatban gyakran előforduló üzemzavarok esetén, vagy magas üzemi hőmérsékletek mellett célszerű alkalmazni. Mivel a lendkerék energiasűrűsége 5-10-szer meghaladja az akkumulátoros telepekét, olyan helyeken is előnyös lehet, ahol az üzemi terület fajlagos költsége magas, és az alapterület más célokra is hasznosítható. Az UPS-rendszerek akkumulátoros háttérberendezései legfeljebb 15 percig, a lendkerekek viszont csak néhány (rendszerint maximum 15) másodpercig tudják szolgáltatni a szükséges elektromos energiát. Miután egymagában a lendkerék az esetek többségében nem képes biztosítani az általa védett rendszer szabályos leállításához szükséges teljesítményt, ilyenkor akkumulátoros teleppel és/vagy fosszilis hajtóanyagú generátorral együtt kell telepíteni. Amennyiben az adott rendszerben nincs a teljes áramkiesést legfeljebb 10 másodpercen belül pótolni képes, fosszilis fűtőanyagú generátor, úgy akkumulátoros egységet mindenképpen alkalmazni kell. Ahol viszont van megbízható dízelgenerátoros biztosítás, az akkumulátoros egység az UPSrendszer egyenáramú gyűjtősínén lendkerékkel helyettesíthető. A feszültségek imént említett összehangolása mellett gondos megfontolást igényel a készenléti üzemmód várható leghosszabb időtartama is, ami függ az adott generátortól és a meglévő UPS-rendszer jellemzőitől is az elektromos kompatibilitás érdekében ezért az ezeket gyártó cégekkel mindenképpen konzultálni kell. Ami a lendkeréknél szükséges karbantartást illeti, ez főként a légszűrők cseréjében és a vákuumszivattyú olajszintjének néhány havonkénti ellenőrzésében ölt testet. A mágneses csapágy karbantartást nem igényel, a mechanikus csapágyakat pedig az adott konstrukciótól 58
függően elég 3 10 évenként cserélni. A vákuumszivattyú cseréje 5 10 éven belül válhat esedékessé. Rendszeres karbantartás mellett az 1 5 év gyártói garanciát is élvező lendkerék névleges 20 éves élettartama meghosszabbítható. A lendkerék alkalmazása szünetmentes tápegységekben egyelőre nem nevezhető tömegesnek. Az USA-ban néhány száz alkalmazás működik, ezek jelentős része a szövetségi kormány hatáskörébe tartozó intézményekben. Ezek többsége katonai, de vannak ilyen rendszerek a külügyminisztérium és a veteránok ügyeivel foglalkozó minisztérium felügyelete alá tartozó létesítményekben is. Költségek A kimaradásmentes áramellátást szolgáló konkrét megoldás elbírálását a következő, a teljes életciklusra kiterjedő költség-összehasonlítás is segítheti. Ennek kapcsán a kutatók egy 250 kw-os, teljes kapacitására 10 másodperc alatt felfutni képes generátorral ellátott UPS-rendszerből indultak ki, amelyben a közbülső időszak áramigényét akkumulátorokkal vagy lendkerékkel fedeznék. A szóban forgó kis fordulatszámú lendkerék élettartama 20 év, a VRLA (valve regulated lead acid, szelepes szabályozású savas ólom-) akkumulátoroké pedig 4 év. Mint már szóba került, az utóbbi nagymértékben függ az akkumulátor üzemi feltételeitől főként a terhelés jellegétől és a környezeti hőmérséklettől. Ebből a szemszögből az itt figyelembe vett 4 év tipikusnak mondható. Feltételezték továbbá, hogy a telep 10 percig helyettesíti az ellátó hálózatot. Az akkumulátor egyes költségelemeit USD/kWperc mértékegységben szokták megadni, vagyis 1kW teljesítmény 1 percig tartó rendelkezésre állásának költségeként. Az akkumulátor költségei Beszerzési ár = 13 USD/kWperc * 250 kw * 10 perc = 32 500 USD Beszerelési költség = 30 USD/kW * 250 kw = 7 500 USD Teljes induló tőkeköltség = 40 000 USD A 4 évenkénti csere beruházási költsége = 40 000 USD Éves karbantartási költség = 2,25 USD/kWperc * 250 kw * 10 perc = 5 625 USD Az üzemi terület éves költsége = 0,22 láb 2 /kw * 250 kw * 10 USD /láb 2 = 550 USD A készenléti áramfogyasztás éves költsége = 250 kw * 8760 óra * 0,01% * 0,063 USD/kWh = 14 USD 59
A lendkerék költségei Beszerzési ár = 200 USD/kW * 250 kw = 50 000 USD Beszerelési költség = 30 USD/kW * 250 kw = 7 500 USD Teljes induló tőkeköltség = 57 500 USD Csapágyak cseréje 5 évenként = 10 USD/kW * 250 kw = 2 500 USD Vákuumszivattyú cseréje 7 évente = 5 USD/kW * 250 kw = 1 250 USD Éves karbantartási költség = 5 USD/kW * 250 kw = 1 250 USD Az üzemi terület éves költsége = 0,08 láb 2 /kw * 250 kw * 10 USD/láb 2 = 200 USD A készenléti áramfogyasztás éves költsége = 250 kw * 8760 óra * 1% * 0,063 USD/kWh = 1 380 USD Az egyes költségelemek különböző időpontokban merülnek fel, ezért a korrekt összevetés a jelenérték-számítás segítségével oldható meg (mivel a pénz értéke függ az időtől, az egyes költségelemeket egy megállapodott, tipikusnak elfogadott kamatlábbal a kezdeti időpontra kell átszámítani, majd összegezni). A szövetségi energetikai projektek esetében hivatalosan előírt kamatlábat alkalmazva, az akkumulátoros megoldás teljes életciklus-költségének jelenértéke 248 129 USD, a lendkeréké viszont csupán 105 572 USD azaz a költségmegtakarítás közel 60%-os. A jövőbeli kilátások A lendkerék legfontosabb, széles körben elismert előnye az akkumulátorokkal szemben a sokkal nagyobb energiasűrűség. Az utóbbi évtizedekben a fejlesztés elsősorban a gépjárműveken és a műholdakon alkalmazható, kis tömegű készülékekre irányult, ahol az energiasűrűség kritikus, a kihasználhatóságot a forgási sebesség fokozásával igyekeztek növelni. Az ilyenkor alkalmazott mágneses csapágyak később elterjedtek a kisebb fordulatszámú UPS berendezésekben is. Az USA-ban jelenleg hat cég gyárt egyenáramú lendkerekes energiatárolókat és ugyanennyien még a fejlesztési szakaszban tartanak. Első, az UPS rendszerek akkumulátorait kiváltani képes termékeik néhány éven belül jelennek meg a piacon. A megoldások jelenlegi spektruma a lassú, nyitott elhelyezésű acél forgórészt és hagyományos csapágyazást alkalmazó rendszerektől a nagysebességű, vákuumban elhelyezett kompozit rotort és mágneses csapágyazást alkalmazó megoldásokig terjed. Természetesen van néhány olyan rendszer is, amely valahová e skála középső tartományá- 60
ba helyezhető. Mivel a technológia az alapelvek évszázados múltja ellenére még nem terjedt el tömegesen, azt csak a jövő fogja megmutatni, melyik irány fog dominálni. Mindenesetre a jelentős előnyök és a teljesítményelektronika fejlődése miatt az alkalmazások számának gyors növekedése prognosztizálható. Összeállította: Dr. Balog Károly Irodalom [1] Brown, D. R.; Chvala, W. D.: Flywheel energy storage. = Energy Engineering, 102. k. 5. sz. 2005. p. 7 26. [2] A lendkerekes energiatárolás internetes portálja. = http://www.upei.ca/~physics/p261/projects/flywheel 1/flywheel1.htm BME OMIKK Innovációk Trendek Prognózisok Havonta a műszaki gazdasági világ újdonságairól, aktualitásairól és jövőjéről mgksz@info.omikk.bme.hu 061/ 45 75 322 61