Itt az energiatárolás forradalmi megoldása

Új karbonsemlegesség irányába mutató kihívások: Az energetikai ellátás reformját jelentő energiatárolás fejlesztése

Az új energiatárolás iparága világviszonylatban átmeneti szakaszban van a KFI, valamint a gyártás és kereskedelmi forgalomba hozatal között.

Az elmúlt években jelentős előrelépés történt a műszaki berendezések kutatás-fejlesztésében, a referencia és teszt szintű alkalmazásokban, a kis-szériás gyártó tevékenységben, az üzleti és üzemeltetési modellek kialakításában, a szakpolitikai elvek, koncepciók kidolgozásában.
Az energiatermelés és tárolás iparága visszavonhatatlanul megjelent, dinamikusan fejlődik, és mindeközben különböző szintű és jellegű problémákkal és kihívásokkal néz szembe a tudományos és gyakorlati alkalmazási szintek között.

Jelentős kihívás előtt áll az energiatárolás iparága a tervezési, szabványalkotási, és jogi szabályozási területeken is, mivel a biztonságos és karbonsemleges energiaellátás igénye a háztartásoktól a középületeken és ipari létesítményeken keresztül a településekig mindenhol jelentkezik.
A karbonsemleges növekedés a gazdaság minden területén az elektromos energiafelhasználás növekedését idézi elő, amely automatikusan maga után vonja a szél, a nap, a geotermikus energiaforrásokból megtermelt elektromos áram tárolásának igényét.

Mindezekhez társul az az igény is, hogy a hálózati elektromos energiaellátás területén a 24 órás, illetve 365 napos áramfelhasználás váljon kiegyensúlyozottá, azaz a vételezési csúcsok és völgyek közti egyensúlyt az energiatároló rendszerek teremtsék meg. Ez csak olyan módon lehetséges, hogy az éjszakai fogyasztási időszakban a megújuló energia betáplálással nem, vagy csak részleges ellátó kapacitással rendelkező energiatárolók váljanak energia vételezővé, a nappali fogyasztási csúcsidőszakban pedig tegyék lehetővé a létesítmények, illetve áramfogyasztók hálózati leválását.

Forrás: Origo

Az olyan megújuló energiaforrások, mint a szélenergia a fotovoltaikus és geotermikus energiák jelentős terhelést okoznak a több évtizeddel ezelőtt kialakított hálózatokra, amely korlátozza a zöldenergia termelés dinamikus tovább fejlődését.

A megújuló energiatermelés jelenleg a megnövekedő energiafelhasználás kielégítésének legfontosabb módja, azonban a megújuló energia nagyarányú hálózatba kapcsolása jelentős hatással van a meglévő villamosenergia-rendszer működésére:

• Hatalmas igénybevétel nehezedik a biztonságos, illetve stabil hálózati működésre. Elsősorban a megújuló energiahálózatokhoz kapcsolódó alacsony „teljesítmény-szabványok” miatt, a korlátozott frekvencia- és feszültségtűrés, valamint a megújuló energiaforrások nagyarányú hálózatba kapcsolása a rendszer túlterheléséhez vezet.

• Rejtett veszélyeket jelent az elektromos rendszer tápoldali stabilitására. A szélenergia és a fotovoltaikus energiatermelés a jellegéből adódóan szakaszos, és külön problémát okoz az energiatermelés csúcsszabályozása. A teljesítmény és a villamos energia idő-tér egyensúlyának kezelése nehézkes, ezen rendszerek csúcsszabályozási kapacitása elégtelen, így számtalan rejtett veszélyt hordoz magában a villamosenergia-termelés stabilitására nézve.

• A megújuló energiaellátás és a fogyasztás között tartós egyensúly hiány van. Világviszonylatban a megújuló energiahálózati csatlakozást támogató átviteli hálózatok tervezése és kiépítése elmaradott, az elektromos hálózat kiépítése és a megújuló energia átviteli igény szinkronizálatlan, a teljesítményt ezáltal nem lehet teljes egészében, zavaroktól mentesen továbbítani a fogyasztói oldalra. Összességében a jelenlegi hálózati struktúra az energiatermelés és az áramfelhasználás egyensúlyának felborulását eredményezi.

A nagy léptékű energiatárolási technológia népszerűsítését korlátozza az energiarendszer tökéletlen piaci mechanizmusa. Az elmúlt években Kínában, az USA-ban energiatárolási technológiák jelentős fejlődésen mentek keresztül. Mindezek mellett az energiatároló rendszerek alkalmazási köre az energia előállításában, átvitelében, elosztásában és felhasználásában is ugrásszerűen megnövekedett. Egyes technológiák, mint például az áramlási akkumulátor technológiák nemzetközi szinten vezető pozícióba kerültek.

Az energiatárolási rendszer összetett technológiai, hálózati, és piaci mechanizmusai miatt továbbra is problémaként jelentkezik az energiatárolási piac tisztázatlan státusza, a tökéletlen és szabályozatlan piaci mechanizmusa, amely megnehezíti az energiatárolás piaci értékének valós tényekre épített modellezését.

Jelenleg még messze vagyunk attól, hogy kialakuljon egy kiforrott, versenyképes árampiaci működési mechanizmus, és nehéz ésszerűen meghatározni a különböző villamos segédszolgáltatások árait, ami megnehezíti az energiatárolás piaci értékének megállapítását.

Vitathatatlan tény, hogy a fentiekben leírt hatások és folyamatok miatt az árampiac jelentős, eddig soha nem látott reform előtt áll.

Az árampiaci tervezés bonyolultságának egyszerűsítése, az árampiaci reform zökkenőmentes lebonyolítása szempontjából célszerű az elkövetkezendő időszakban működési mechanizmusokat és szakpolitikai garanciákat megfogalmazni az elektrokémiai energiatárolási technológia rendszerszintű hasznára és társadalmi értékére.

Az energiatárolási rendszerek bevezetésének további nehézségét jelentik a rendelkezésre álló technológiai megoldások – jelleget-, és mikro-makro szintű felhasználhatóságot érintő különbözőségei. A legmeghatározóbb energiatárolási technológiai megoldások:

• Vanádium flow akkumulátor rendszerek

• Cink alapú flow akkumulátor rendszerek

• A lítium-ion akkumulátor rendszerek

• A nátrium-ion akkumulátor rendszerek

• A sűrített levegős energiatárolási technológia rendszerek

• Egyéb energiatárolási technológiákat jelentő rendszerek, mint például az ólom-szén akkumulátorok, termofizikai energiatárolási technológiák, és a „lendkerekes” energiatárolási technológiák.

Az energiatároló ipar fejlesztése és a megvalósítás elősegítése

Az energiatárolás fejlesztésére számtalan gondolat fogalmazható meg annak érdekében, hogy támogatni lehessen a „kettős széndioxid” célkitűzés, illetve „karbonsemleges növekedés” megvalósítását az energia területén.

• Az önálló szellemi tulajdonjoggal rendelkező energiatárolási technológiák fejlesztésének és alkalmazásának támogatásának növelése.

• Az energiatárolási technológiát támogató és ösztönző politikák kialakításának és javításának felgyorsítása, valamint az energiatárolási technológia gyors fejlődésének elősegítése független szellemi tulajdonjogokkal.

• Tovább kell erősíteni az energiatároló rendszerek fontos szerepét az energiarendszerek rugalmas beállítási képességeinek biztosításában.

• A technológiai integráció alkalmazásának bemutatása, a különböző energiatárolási technológiák alapvető tulajdonságainak tisztázása, amelyek a villamosenergia-rendszer számára az energiatermelés, -átvitel, -elosztás és -felhasználás különböző szakaszaiban képesek közszolgáltatást nyújtani, ésszerű elrendezés a különböző forgatókönyvek aktuális igényeinek kielégítésére, valamint a diverzifikált energiatárolási technológiák bemutatásának és alkalmazásának felgyorsítására.

• Az energiatárolás domináns helyzetének tisztázása a független piacon, a piaci működési mechanizmus fejlesztése, az energiatárolás ésszerű hosszú távú kompenzációs és kompenzációs felügyeleti mechanizmusának kialakítása.

• Az energiatárolási rendszert támogató új energiatermelési oldalnak egyenlő piaci szereplő státuszt kell adni az elektromos kiegészítő szolgáltatásokban való részvételhez.

• Fenntartható, hosszú távú energiatároló iparági piaci működési mechanizmus kialakítása a piaci bizonytalanság csökkentése érdekében.

• Racionális villamosenergia-ár-kompenzációs mechanizmus kialakítása, kombinálva az energiarendszer reformja, hatékony kompenzációs mechanizmusokra vonatkozó szabályok és speciális ipari támogatási politikák létrehozása.

• A diverzifikált befektetési és tranzakciós módszerek ösztönzése, a költségteljesítmény javítása, az energiatároló ipar fenntartható fejlődésének előmozdítása.

A nagyszabású energiatárolási technológia egészséges, minden területre kiterjedő fejlesztése vezethet el minket az energiarendszer teljes átalakításához, korszerűsítéséhez, a karbonsemleges törekvéseink hosszútávon fenntartható eléréséhez.

Egy rövid nemzetközi áttekintés az energiatároló erőművek fejlettségi állapotáról:

Vanádium flow akkumulátor rendszerek: 2020-ban a japán Sumitomo Electric Group és a Hokkaido Electric Power Co., Ltd. szerződést írt alá egy 17 MW/51 MWh teljesítményű, teljesen vanádium áramlású akkumulátoros energiatároló erőmű megépítéséről. A projekt 2022-ben sikeresen lezárult.

2021-ben a kínai dalian állambeli Wafangdian városában megépül a legnagyobb teljesen vanádium áramlási akkumulátorrendszer. A Datang International Zhenhai 10 MW/40 MWh szélerőműpark és a Guodian Tuoshan 10 MW/40 MWh szélerőműpark teljesen vanadium flow akkumulátor energiatároló rendszert kapott. Ezzel megvalósult a világ legnagyobb, 200 MW/800 MWh teljesítményű, teljesen vanádium átfolyású akkumulátoros energiatároló csúcs-erőművének első, 100 MW/400 MWh üteme.

Ezen túlmenően Kínában számos régióban valósulnak meg 100 MW/200-500 MWh-s teljesen vanádium redox áramlási akkumulátor gyártási-felhasználási projektek.

Hubeiben például 1 GW-os, teljesen vanádium redox áramlási energiatároló akkumulátor gyártó bázisa épül, illetve más tartományokban is hasonló fejlesztések folynak a kettős szén-dioxid célkitűzés és az energiabiztonság jegyében.

Cink alapú flow akkumulátor rendszerek:A cink-bróm áramlásos akkumulátorgyártók főként a Redflow Ausztráliában, a ZBB és a Primus Power az Egyesült Államokban, a Lotte Chemical Dél-Koreában, valamint a kínai Anhui Mineng és a Baineng Huitong találhatók. A cink-vas áramlási akkumulátorok fő gyártói az Egyesült Államokban működő ViZn Company és a kínai China Power Construction Group Jiangxi Electric Power Construction Co., Ltd.

A Redflow által elindított kisméretű háztartási fotovoltaikus energiatermelő cink-bróm áramú akkumulátoros energiatároló rendszert 5kW/10 kWh teljesítménnyel sikeresen bevezették Ausztráliában, Új-Zélandon, az Egyesült Államokban és más helyeken.

2022-ben a Dalian Institute of Chemical Physics sikeresen kifejlesztett egy 10 kW/30 kWh-s felhasználóoldali cink-bróm áramlásos akkumulátor rendszert, amely a technológia versenyképességét igazolja.

A lítium-ion akkumulátor rendszerek: A statisztikák szerint a kínai energiatárolási piacon 2021-ben az energiatároló lítium-ion akkumulátorok szállítása eléri a 32 GWh-t, ami 146%-os éves növekedést jelent, meghatározó helyet elfoglalva az energiatárolás piacán.

A karbonsemlegességet előtérbe helyező szakpolitika, az elektromos járműipari, a háztartási és ipari energiatárolást érintő üzleti folyamatok a lítium-ion akkumulátorok árának folyamatos csökkenését eredményezte.

A világon több mint 1000 vállalat foglalkozik a lítium-ion akkumulátoriparral, és a lítium akkumulátor anyagoktól, celláktól, moduloktól a rendszerintegrációig egy teljes ipari lánc alakult ki.

A világ legnagyobb lítium-ion akkumulátoros energiatároló gyártói a japán Panasonic, Mitsubishi, a dél-koreai Samsung SDI, LGChem, az amerikai Tesla, és a kínai Ningde Times New Energy, a BYD, a Lishen, a Yinlong New Energy.

Jelenleg a lítium-ion akkumulátorok energiatárolási alkalmazásai főként a hálózati frekvenciaszabályozást és a hálózat oldali energiatárolást foglalják magukban. Ezen túlmenően, bár a lítium-ion akkumulátorok a legnagyobb piaci részesedéssel rendelkeznek, a nagyszabású alkalmazás során olyan problémák is felmerülnek, mint a biztonság és a megbízhatóság.

Egyes kimutatások szerint több mint 1000 MW lítium-ion akkumulátoros energiatároló és frekvenciaszabályzó erőművet helyeztek üzembe és építenek jelenleg is. Műszaki szempontból elsősorban lítium-vas-foszfát, a lítium-ion, és a hármas lítium-ion akkumulátorok jelentek meg a piacon.

Már 2017 januárjában a Tesla 20 MW kimenő teljesítményű és 80 MWh összkapacitású lítium-ion energiatároló rendszert épített a dél-kaliforniai Edison Mira Roma alállomáson, amely akkor a világ legnagyobb akkumulátoros energiatároló rendszere volt.

Ugyancsak 2017 februárjában az AES egy 30 MW teljesítményű, 120 MWh energiatároló rendszert telepített a San Diego Gas & Electric (SDG&E) számára a kaliforniai Escondidóban, a Samsung lítium-ion akkumulátorait használva. A projekt 30 MW-os lítium-ion energiatároló rendszereit mind a hálózatra kapcsolták és 6 hónapon belül üzembe helyezték.

2021 júliusában az angol-holland Shell bejelentette a 100 MW-os energiatároló erőmű teljes körű üzembe helyezését, amely jelenleg Európa legnagyobb energiatároló erőműve. Az energiatároló erőmű a délnyugat-angliai Wiltshire közelében található. (2x 50 A MW/50 MWh akkumulátoros energiatároló létesítmény lítium-vas-foszfát/terner lítium akkumulátor technológiából áll.)

A kínai State Grid Jiangsu Electric Power Co., Ltd. 2018-től 8 energiatároló erőművet épített fel, amelyek mindegyike lítium-vas-foszfát akkumulátor technológiát használ, a Jiangsu Zhongtian Technology Co., Ltd. összesen 101 MW/202 MWh teljesítménnyel valósított meg lítium-ionos energiatároló rendszert, amely 2020-ban a világ legnagyobb hálózati oldali energiatároló erőműve volt.

A fentiekhez hasonló dinamikus technológiai fejlődés tapasztalható a nátrium-ion akkumulátor rendszerek, a sűrített levegős, az ólom-szén akkumulátoros, a termofizikai és a „lendkerekes” energiatároló rendszerek területén. Ezeket soron következő cikkünkben szeretnénk bemutatni.

Az előttünk álló feladat komplexitása, az ellátási rendszer teljes technológiai, gazdasági és jogi mechanizmusának átalakulása olyan szintű, hogy egy teljesen új, önálló energiatárolási technológiai platformot célszerű létrehozni hazai és külföldi tudományos kutatóintézetek, egyetemek, vállalkozások, energiaszolgáltatók, energiaipari résztvevők, jogalkotó és szabályozó állami szervezetek részvétele mellett.

A feladat komplex összehangolási igényéből fakadóan a klasszikus szervezeti formák, mint például az innovációs klaszterek, kutató-fejlesztő csoportok, vagy esetleg energiatárolásra szakosított innovációs szervezetek vélhetően nem biztosíthatnak elégséges hátteret. A jövőbe vezető út egy új, Ipar 5.0 platformon keresztül vezet, amely alapvetően meghatározza a karbonsemlegesség irányába vezető életünket.

Fórizs Zoltán