8   oldal
 
XI. Az energiapiac kilengéseinek kezelése

1. Az energiapiac kilengéseinek kezelése

Az energiapiacon felhasznált energiafajták közül az elosztás szempontjából meghatározó a villamosenergia Ha az energiát termelő erőműveket csoportosítjuk, akkor ez a kijelentés bizonyítható. Az erőműveket rendszerüzemeltetési szempontból csoportosíthatjuk kooperáló és nem kooperáló erőművekre. A nem kooperáló erőművel sziget-szerű üzemvitele egy meghatározható felhasználási csoportot szolgál ki, ez lehet hő és áramtermelés vagy a kettő kapcsolt formája.

Csoportosíthatjuk úgyis, mint üzemi vagy közcélú erőművek. Az üzemi erőműveknél jellemző, hogy az energiatermelést az üzemmenet határozza meg elsődleges célként. Csak akkor termelnek energiát, ha a gyártás azt igényli. Ez nem zárja ki azt a lehetőséget, hogy –időszakosan- eladják a termelt energiát. A közcélú erőművek az energiát a közcélú hálózatra termelik, nincs fogyasztói célcsoportjuk. Következtetésként levonhatjuk azt, hogy az energiapiac kilengéseinek kezelése a villamosenergia ellátó rendszerre hárul, és elsősorban a közcélú erőművekre.

Mi okozza az energiapiac kilengéseinek a legnagyobb gondot?

  • A közcélú erőműveket-amelyek meglehetősen drága üzeműek-üzemkészen kell tartani
     
  • A kontrollálatlan energiafogyasztás
     
  • Időjárásfüggő terhelésváltozás

Ezeket a problémákat kezelni kell a villamos elosztási rendszernek. Ez lehet úgy, hogy a közcélú erőműveket a terheléselosztásban más-más feladatokkal látunk el, másrészt lehet energiatárolással.

A közcélú erőművek csoportosítása feladataik szerint lehet:

  • alaperőmű,
     
  • menetrendtartó és
     
  • csúcserőmű.

Az alaperőmű közel állandó teljesítményen üzemel, folyamatosan. Ez általában meghaladja az évi 5500 órát. Alaperőműnek olyan alkalmas, amely korszerű és olcsó üzemeltetési költségű (például a Paksi Atomerőmű). Ezek nem alkalmasak a fogyasztói igények változásait követni, mert szabályozásuk igen költséges.

A menetrendtartó erőművek, mint már a neve is mutatja arra hivatottak, hogy kövessék a villamosenergia igény változásait. Viszonylag rugalmasak és adottságaiktól függően széles határok között tudnak alkalmazkodni az igényekhez. Ezek gazdaságossága alatta marad az alaperőművekének. Ilyeneket nem építünk – a régebbi erőműveink válnak menetrendtartóvá (pl. Tiszai, Dunamenti erőművek).

Csúcserőműveket csak a csúcsfogyasztás időszakában üzemeltetjük. Ezek üzemóra ideje 1500-200 óra/év értéket ritkán haladja meg. Ezek az erőmű típusok azok, amelyek alkalmasak az energiapiac kilengéseinek kezelésére. Ezek építésénél fontos szempont az alacsony beruházási költség, másodlagos az olcsó üzemanyag és a hatásfok, általában gázturbinás erőművek.

Vannak még tartalékerőművek, amelyek max. 100-200 órát üzemelnek különleges helyzetekben. Az energiatermelési rendszerek az energiapiac kilengéseit bizonyos határok között képesek kezelni. Kézenfekvő megoldásnak tűnik az energiatárolás.

A villamos energiatárolás eszközeinek a fejlődése volt a legkedvezőtlenebb a villamosenergia felhasználás fejlődése során. Közvetlen formában igen korlátozottan lehet tárolni. A tárolás nagy mennyiségben úgy történik, hogy a villamosenergia-termelő képességet "raktározzuk". Ezek általában mágneses, helyzeti, mozgási, kémiai energiára váltva tárolnak.

Természetesen a villamosenergia-piac kilengései lehetnek néhány napos, órás, vagy percesek, ezért az energiatárolással megoldott fogyasztási csúcs kezelését is ennek megfelelően kell megoldani.

Tekintsünk át néhány lehetséges villamosenergia tárolási módot (11/1. táblázat).


Villamos energia tárolás módja
Előnyei
Hátrányai
Alkalmazhatóság egyedi tápellátásban
Alkalmazhatóság villamosenergia rendszerben
Szuper kapacitások
Hosszú élettartam, jó hatásfok
Alacsony energia sűrűség
Igen
Tervezik, áthidaló jeleggel
Lendkerekes (Flyweels)
Nagy teljesítmény
Alacsony energia sűrűség
Igen
Ritkán, áthidaló jelleggel
Savas ólom akkumulátor
Olcsó
Alacsony élettartam, mélykisütéskor
Igen
Ritkán, áthidaló jelleggel
Ni-Cd – akkumulátor
Nagy teljesítmény, jó hatásfok
Nincs
Igen
Tervezik, áthidaló jelleggel
Li-ion – akkumulátor
Nagy teljesítmény, jó hatásfok
Magas ár
Igen
Tervezik, áthidaló jelleggel
NaS Nátrium-Kén akku
Nagy teljesítmény, jó hatásfok
Jelenleg még magas ár
Igen
Tervezik erőművi léptékkel
Folyadék – REDOX akkumulátorok VRB, PSB, ZnBr
Nagy teljesítmény, jó hatásfok
Alacsony energia sűrűség
Esetleg
Tervezik erőművi léptékkel
Sűrített levegős tárolás
Nagy teljesítmény, alacsony költség
Megfelelő geológiai helyszínt igényel
Nem
Tervezik erőművi léptékben
Szupravezetős mágneses tárolás (SMES)
Nagy teljesítmény
Magas költség
Igen
Ritkán, áthidaló jelleggel
Szivattyús tárolás
Nagy teljesítmény, alacsony költség
Megfelelő geológiai helyszínt igényel
Nem
Gyakran alkalmazott, erőművi léptékben

11/1. táblázat: Energiatárolók összehasonlítása néhány szempont alapján

A táblázatból is látható, hogy energetikai célú energiatárolásra gyakorlatilag csak a szivattyú energiatárolás (SZET) alkalmas. A többi megoldásnak elméleti lehetősége van meg és további fejlesztéssel tehető alkalmassá erőművi nagyságrendű alkalmazásra.

A SZET működése arra épül, hogy az éjszakai "mélyvölgy" villamos energiáját, kapacitástöbbletét arra használják, hogy egy alvó tóból a vizet egy felső tárolóba pumpálják - olcsó energiával, majd csúcsidőben amikor villamosenergia kapacitáshiány lép fel, akkor a víz a helyzeti energiáját felhasználva egy turbinán keresztül visszaeresztjük az alsó tóba és áramot termelünk. A technológia a vízerőművek szokásos technológiája. Általában a nagy szintkülönbségeknél Pelton turbinát használnak. Gyakoribb a kisebb eséseknél gazdaságosabban alkalmazható Kaplan turbina. Vannak már olyan reverzibilis megoldások is, amelyben a motoros-szivattyú átkapcsolható turbina-generátoros üzemmódra is. A már megépített SZET-ek 100-1000 MW töltési teljesítményre épültek. A hatásfokuk az ilyen nagyságrendű SZET-eknek 65-75% körül mozog, mert "kisütési" üzemmódban akár 3000 MW teljesítményre is képesek. (pl. Szlovákiai Fekete – Vág folyóra telepített). További előnyük, hogy rendkívül gyorsan, néhány perc alatt indíthatóak, ami a csúcsterhelések időszakában nélkülözhetetlen tulajdonság.

Hazánkban az un. "mikro.SZET"-ek kialakítása is környezetvédelmi problémákat, társadalmi ellenállást vált ki. Pedig 5-10 MW –os mikroSZET a meglévő természetes tavak kihasználásával, minimális környezet átalakítással kihasználható lehetne. Ennek ellenére Magyarországon még a törvényi szabályozás sem ismeri el létjogosultságát. Más országban összekapcsolják az időjárásfüggő szélerőművekkel is, amely további integrált szabályozást tesz lehetővé.




Szélerőmű

A szélerőművek rendszerbe kapcsolása-működési idejének befolyásolhatatlansága miatt - egyébként is nagy kihívás. Sok esetben termel akkor energiát, amikor nem szükséges. Erre lehet jó megoldás az energia tárolása. A SZET mellett a hidrogén, mint energiatároló előállítása látszik magától értetődő megoldásnak. A hidrogén közvetlenül alkalmazható üzemanyagként robbanómotorokban, de tüzelőanyag cella révén képes visszaalakulni villamosenergiává, igaz relatíve rossz hatásfokkal, de még mindig hasznosabb, mint leállítani a szélerőművet (11/1. ábra)

Az animáció a szélerőmű által termelt energiával előállított hidrogén gyártási folyamatát szemlélteti. Magyarázatok megjelenítéséhez mozgassa az egérmutatót az ábrán látható berendezésekre!

 ANIMÁCIÓ

Vannak a villamosenergia-tárolásnak energetikai szempontból nem jelentős megoldásai, amelyek lokális, kismennyiségű energia tárolásával helyi problémákat oldhatunk meg. Ilyen a hőtárolás, amely akkor fontos, ha a hőszolgáltatás a hőtermelés üzemszünetében – rövid ideig –sem szakadhat meg. Ezek a hőtároló bufferek kevéssé konform műszaki megoldások. Ismert technológia a lendkerekes energiatárolás. Ezek általában 10-20 sec. ideig képesek – méretükből függően – akár MW nagyságrendű energiát leadni. Az energiát nagy perdületű forgórendszerben tárolják és gyorsuló szinkronmotor – lassuló szinkron generátor technológiával mágneses úton adják-veszik. Sajnos a veszteségei más megoldásokhoz viszonyítva is jelentősek. Hagyományos csapágyazás mellett a vesztesége 1% óra. Az akkumulátorok energiatárolási vesztesége pedig 1% / nap érték alatt marad. Ennek ellenére nagy csúcsidejű berendezéseknél (daru, emelőgép stb.) van létjogosultsága. (Hosszú élettartamú, egyszerűen kezelhető környezetei hatása nincs stb.)

Az energiatárolásban a legnagyobb fejlődés a hagyományos akkumulátorok területén tapasztalható. Már a savas ólomakkumulátorok is elértik a 10 MWh-s teljesítményt, a nikkel-kadmium akkumulátorok pedig a magas élettartamuk mellett képes 40 MWh-s teljesítmény is. Alkalmaznak magas hőmérsékleten üzemelő akkumulátorokat is. A nátrium-kén (NAS) akkumulátor 350 ºC, nátriumklorid-nikkel akkumulátor 270 ºC üzemi hőmérsékletű, nagy energia sűrűségű energiatárolók. Egyik nagyobb teret hódít a Lítium-ion akkumulátor, amely a hagyományos ólomakkumulátorhoz képest több mint 20-szoros energiasűrűsége is (KWh/kg) képest. Az akkumulátoros energiatárolásnál használt anyagok rendkívül környezetszennyezők, ezért kezelésük nagyfokú óvatosságot igényel.




Energiatároló technológiák

Az elektrokémia rendszerű energiatárolók közül a legkorszerűbb fejlesztésűnek tekinthető a VRB-ESS rendszer (Vanádium Redox Battery Energy Storage System).




Vanadium Redox Battery Energy Storage System



VRB-ESS rendszer

Anélkül, hogy részleteiben tárgyalnánk itt a működését – ennek a fejezetnek a célja az energiagazdálkodás áttekintése – lényege, hogy egy központi elemként működő PEM (Proton Exehange Membrane) típusú üzemanyagcellán keresztül – amely mindkét irányban működik – elektrolitot áramoltatunk.




PEM üzemanyagcella

Az elektrolitban, kénsavban oldott vanádium tárolja a betöltött energiát. Az üzemanyag - cella az egyik áramlási irányban oxidál, a másikban redukál. A betöltött energia így visszanyerhető. Már több helyen üzemel a világon néhány MW-os berendezés.

Előnyei között a legfontosabb:

  • az elektrolit élettartama gyakorlatilag végtelen (a szivattyúkat 5-7 évenként, a membránt kb.  15 000 ciklus után szokták cserélni, ez az átlagos akkumulátorok ciklusának 5-szöröse.
     
  • a töltési-kisülési fázis váltása egy pillanat alatt történhet (mikrosec. nagyságrend)
     
  • a fajlagos beruházási költsége 400 €/kWh körül alakul.

Az energiatárolási módszerek közül megemlítendő a sűrített levegős energiatárolás, amely komprimált levegő expanzióján keresztül nyer vissza energiát, többnyire földalatti természetes üreg, valamint a szuperkapacitású kondenzátorok is alkalmasak energiatárolása. Kis teljesítmények jellemzik, mindkettőt bár az Egyesült Államokban már működik 110 MW-os energiateljesítményű sűrített levegős tározó, Magyarországon várhatóan egyiknek sem lesz energetikai jelentősége.




Copyright ©  Dr Balla László,  2014

A tananyag kifejlesztése a TÁMOP 4.1.2.A/1-11/1-2011-0059 pályázat keretében valósult meg.