2019. november: jegyzet, biofizika, fizika, biokémia, portré, egyetem, disszemináció, tudomány, genomika, orvostudomány, anyagtudomány, ipar 4.0, it, biológia, energiagazdálkodás, atomenergia, innováció, hulladékgazdálkodás, ipari automatizálás, közlekedés, környezetvédelem, szakképzés, kiállítás/konferencia, okostechnológia, megújuló energia, zöldkörnyezet, fenntarthatóság, egészségipar, mesterséges intelligencia

Az energia­tárolás alap­vető feltétel

A Svéd Királyi Akadémia Nobel-bizottsága úgy döntött, hogy idén a lítiumion-­akkumulátor kifejleszté­séért adja a kémiai Nobel-­díjat. Ez az akkumulátor­típus valóban forradalmi változást hozott az elektromos energia tárolásában, és lehetővé tette nemcsak az elektromos járművek elterjedését, de az idő­szakosan rendelkezésre álló energia­források is a segítsé­gével verseny­képesebben hasznosíthatók. Az energi­atárolás előtt azonban még nagy kihívások állnak.


A svédeket különösen szoros kapcsolat fűzi a lítiumhoz, hiszen két svéd kémikus, Johan August Arfwedson és Jöns Jacob Berzelius izolálta 1817-ben, a Stockholm környéki sziget­világban található Utö bányából kitermelt ércből. Bár nevét a görög kő (lithos) szó után kapta, valójában a legkönnyebb szilárd elem, ennek is köszönhető, hogy a belőle készített akkumulátorok viszonylag könnyűek (persze azért ebben, vagyis az energia­sűrűség terén még van hova fejlődni, ahogy azt látni fogjuk).
A lítium előszeretettel adja le a külső elektronját, ezáltal egy­szeresen pozitív töltésű lítium­ionná alakul. Ezt a tulajdonságát használta ki az 1970-es években Stanley Whittingham (az egyik idei díjazott), aki megalkotta az első működő­képes lítiumos akkumulátort). Néhány évvel később John Goodenough megduplázta az akkumulátor kapacitá­sát, ezzel létre­hozta az első, a gyakorlatban is hasznosít­ható lítiumos tölthető elemet. Ezt tetőzte be 1985-ben Josino Akira (mindhárman Nobel-díjat kaptak), aki kikü­szö­bölte a rendszerből az elemi jódot, és immár tisztán jód­ionokkal üzemelt az akkumulátor.

Akkumulátort fejlesztő olajcég

A fejlesztés hatása belát­hatatlan. Általában bele sem gondolunk, hogy hány eszközünk működése lehetetle­nülne el, ha nem lenne képes villamos energiát tárolni. Nem lennének mobil­telefonok (vagy legalábbis lítiumion-­akkumulátor nélkül sokkal nehezebbek és kisebb kapacitásúak lennének), nem létezhet­nének nagy kapacitású akkumulátor­ral szerelt laptopok, elektromos autók, nem tudnánk tárolni a megújuló energia­források (például a szél- és naperő­művek) által megtermelt energiát. Kijelent­hető, hogy energia­tárolók (például akkumulá­torok) nélkül teljesen remény­telen lenne a fosszilis energia­hordozók részarányának mérséklése az energia­termelésünkben.

Ha nem lennénk képesek tá­rol­ni a villamos energiát, nem létezhetnének nagy kapacitású akkumulátorral szerelt mobiltelefonok, laptopok, elektromos autók, nem tudnánk tárolni a megújuló energiaforrások által megtermelt energiát.

A lítiumos akkumulátor kifejlesz­tése nem volt egyszerű. A kezdeti konstrukciók gyakran lettek zárlatosak, és olyan sokszor ütött ki tűz a laborban, hogy a tűzoltók már azzal fenye­getőztek, hogy a kutatókkal fizettetik meg azokat a speciális vegyi anyagokat, amelyeket a lítium­tüzek oltásakor használnak. Whittingham az 1970-es években az Exxon olaj­cégnél dolgozott, és ők finanszí­rozták a később elektromos autókba is beépít­hető akkuk fejlesztését. Tették ezt azért, mert a hetvenes évek olaj­válságaiból tanulva elkezdtek felkészülni az olaj­mentes jövőre.
A nyolcvanas évek elején az olaj ára – a későbbi történések fényében sajnálatosan – esni kezdett, az Exxon bevételei is csökkentek, és bezárták az akkumulátor­fejlesztő részlegüket. A lítiumion-­akkumulátor fejlesztése nem állt meg, de lelassult. Mára azonban bizonyította a benne rejlő lehetősé­geket, és meghatá­rozta az ener­gia­tárolást érintő fejlesztések egyik fő irányát.
„A lítiumion-akkumulátor valóban forduló­pontot jelentett az energia­tárolásban, hiszen még jelenleg is ez az az akkumulátor­típus, amely megfelelő energia­sűrűséget képes biztosítani ilyen kis méretben is. Ez az akkumulátor tette lehetővé a nagy kapacitású elektromos járművek elterjedését is – mondja Ladányi József, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszékének docense. – Ma már kétség­telen, hogy ez az akkumulátor olyan innováció volt, amely jelentős elmozdulást jelentett az elektro­kémiai energia­tárolás területén.”

A jövő a vanádiumé?

Mindez nem jelenti azt, hogy a lítiumion-­akkumulá­torok az elkép­zel­hető legjobb (vagyis leghatéko­nyabb, legolcsóbb és legkörnye­zet­kímélőbb) elektro­kémiai energia­tároló megoldások lennének. Számos irányban folynak a kutatások, amelyek más anyagok, más technológiák alkalmazásával igyekeznek meghaladni a mai lítium­ion-­akkumuláto­rok képességeit, bár jelenleg még nem került kereskedelmi forgalomba egyetlen olyan akku sem, amely alap­vetően előnyö­sebb lenne a lítium­ionos megoldásnál. Ennek elle­nére sok hír szól arról, hogy az akkumulá­torok gyártásá­hoz használt anyagok kitermelése meglehető­sen környezet­szennyező, illetve a lítium­technológia kapacitása sokáig már nem növelhető – paradigmaváltás nélkül. Ez valószínűleg új anyagok alkalmazá­-sát teszi szükségessé a jövőben.
Ladányi József szerint ez az új anyag talán a vanádium lesz. Ma még ugyan drágább a vanádiu­mos akkumulátor, mint a lítiumos, de nem szabad elfeledkeznünk arról, hogy tíz évvel ezelőtt még az utóbbi is lényegesen drágább volt a mai árszintnél. Hatalmas kiterjedésű vanádium­mezők ismertek, ezért jó ideig nem lehet gond a szükséges alap­anyag pótlása, és a vanádium kiválóan ötvöz­hető az acéllal. Nem ok nélkül alkalmazza a vanádiumot most is elő­szere­tettel az autóipar. Ha vanádiu­mot ötvöznek az autók karosszériájába, azzal erősebbé és könnyebbé tehetik a szerkezetet.
„A lítiumos akkumulátor­technoló­giában manapság már a határokat feszegetjük. Ez azt jelenti, hogy hamarosan már csak az akkumulá­torok méretének növelésével lehet növelni a kapacitást, vagyis az akkumulátor­ban tárolható energia mennyi­ségét. Minden fejlesztés végső célja a technológiai elvi maximum elérése. Az más kérdés, hogy a maximum mennyiben érhető el a jelenlegi technológiai és tudományos lehetősé­gek, illetve a gazdaságos­sági körülmények közepette” – magyarázza a docens.
A jelenlegi technológiát használó lítiumionos akkuk energia­sűrűsége már nemigen növelhető. A világban rengeteg kutató­csoport dolgozik ezért azon, hogy új technológiák felfedezé­sével egyszerre növeljék az akkuk kapacitását és csök­kentsék a méretét. Ez az elektromos autók tényleges hatalomátvétele szempontjából alapvető jelentőségű lépés lenne. Napjainkban a Tesla Model S típusa a kereske­delmi forgalom­ban kapható legnagyobb energia­kapacitású elektromos jármű, amelynek átlagos ható­távolsága maximum 600 kilométer. Ez már össze­mérhető a benzines vagy dízeles kocsikéval, de kiemelkedő­nek azért nem nevezhető.

Az akkumulátorok méretének csökkentése, ugyanakkor kapacitásának növelése az elektromos autók szempontjából igen fontos lépés lenne, hiszen ma még az energiatároló egységek foglalják el az elektromos autók tömegének jelentős részét.

Ugyanakkor – az akkuk viszonylagos könnyűsége ellenére – még most is az energia­tároló egységek foglalják el az elektro­mos autók tömegének jelentős részét. A Tesla Model S nagyjából 2000 kilo­grammos össz­súlyának több mint a negyedét az akku teszi ki. A legtöbb elektromos autóban az akku jószerével a teljes alvázat elfoglalja, erre építik rá a karosszériát. Ebből fakadóan a mai tervezésű autókban gyakorlatilag lehetetlen cserélni az akkumulátort (anélkül, hogy apró darabokra szednénk a kocsit). Ez igen nagy probléma, merthogy kizárja az akku­mulátor­cserés energia­fel­töl­tés lehetőségét.

Átkozott töltési idő

Az elektromos autók további hátránya a fosszilis üzem­anyagot égető társaikhoz képest az, hogy a töltésük nemcsak néhány percig tart – ahogy azt a benzinkutaknál megszokhattuk –, hanem néhány óráig. Még a gyorstöltő állomásokon is hosszadal­mas procedúrát jelent, ha teli kívánjuk tölteni az akkut, az otthoni hálózaton pedig egy egész éjszakán át tart (és a Tesla a legjobb akkuval rendelkező típus, a többi márka töltése ennél jóval lassabb lehet).
„A töltés sebessége nemcsak az akkumulátor energia­sűrű­sé­gé­től függ (bár az elektro­kémiai átalakulás sebessége is jelentősen hat rá), hanem sokkal jobban korlátozza azt az otthoni villamos hálózat rendelkezésre álló teljesítménye. Ma Magyarországon azért sem cserélhetnénk hirtelen a gépkocsi­park felét elektromos meghajtású járművekre, mert nem bírná el ezt a hatalmas energia­felvételt a villamos­energia-­hálózat – figyelmeztet Ladányi József. – A háztartási fogyasztók villamos hálózatát egyszerűen nem arra tervezték, hogy autó­gyorstöltő­ket üzemeltes­senek róluk. Mindehhez meg kellene erősíteni a teljes villamos hálózatot. A helyzetet tovább nehezíti, hogy ez a jelentős áram­felvétel nem elosztva, egyenletesen jelentkezne a nap folyamán, hanem sztochaszti­kusan, kiszámítha­tatlanul.”
Nem is az esti, lassú töltések jelentik a fő problémát, mert arra fel lehet készülni. Nagyobb kihívás, amikor olyan helyzet van (például esik az eső, és az emberek inkább mennek autóval), ami miatt egyszerre többen használják az autójukat, és nap­közben akarják mind­annyian tölteni őket a városok csomó­pontjaiban.

Kevesen tudják, de az elektromos járműveknek már volt egy fénykoruk, az előző század­fordulón (mielőtt kiszorították volna őket a szélvész gyorsasággal fejlődő olaj­alapú motorok). Egy londoni busz­társaság például elektromos buszokat használt, amelyek időről időre begurultak a garázsba, ahol a szerelők néhány csavar elforgatásával pár perc alatt kicserélték az akkumuláto­raikat, és már mehettek is vissza a forgalomba. Mindenkiben, aki ismeri a ceruzaelemet, felmerülhet, hogy miért nem használunk cserélhető akkus autókat. Nos, az ötlet egyszerűbben hangzik annál, mint amennyire megvalósítható.
„Természetes, hogy az akku­csere egyike a hosszas töltési idő kiküszöbölé­sére adható ötleteknek. De ez további kérdéseket is felvet. Vajon kié ilyenkor az akkumulá­tor? Ha minden­kinek van sajátja, azt miért adná oda másoknak? Ha viszont központi, bérel­hető akkumuláto­rokkal szerelnék az autókat, ahogy a gázpalac­kokat is cseréli az ember, akár működő­képes is lehetne ez a megoldás. Azt is figyelembe kell venni, hogy ezek egyen­áramú akkumulá­torok, így a biztonsá­gosság is fontos szempont kell, hogy legyen. Az ötlet azonban nem kivitelezhe­tetlen, csakhogy jelenleg semmiféle keretrend­szer nem áll rendelkezésre hozzá.”
Vagyis jelenleg sem a gazdasági, sem a jogi, sem a logisztikai, sem a technikai feltételek nem adottak egy akkumulátor­cserélő szolgáltatás beindításá­hoz. Pedig nyilvánvalóan ez a módszer közelítené meg legjobban a belső égésű motorokat használó járművek üzemanyag-­utántöltési idejét.

Ha nem fúj a szél

A megújuló energia­források­ból származó energia volatili­tása, azaz változékony­sága (hiszen nem mindig fúj a szél, és nem mindig süt a nap) kezelendő probléma a megújulók egyre nagyobb részaránya miatt. Minden idő­pillanatban ugyanannyi energiát kell termelni, mint amennyire igényt tartanak a fogyasztók. Amennyiben energia­többlet jelentkezik a hálózaton, vagy az erőmű­veket kell vissza­szabályozni, vagy a többlet­energiát kellene tá­rolni. Előbbi a megújuló energia­források esetén ma még kevésbé meg­old­ható. Mit lehet tenni? A megoldást a minél hatéko­nyabb energia­tárolás jelenti.
Magyarországon a szélerő­művek legnagyobb beépíthető kapacitása 300 megawatt. Ennek maximalizá­lá­sára éppen azért van szükség, hogy a villamos­energia-­rendszer irányítója kezelni tudja az adott esetben hirtelen jelentkező teljesítmény­kiesést vagy -többletet a szél változásából adódóan. Jóllehet az időjárás-előre­jel­zések egyre pontosabbak – és furcsa módon az áram­termelés és a meteorológia mind szorosabb kapcsolatba kerül, ahogy fokozatosan mégis egyre nagyobb teret nyernek a megújuló energia­források –, az időjárás azonban mindig is kiszámít­hatatlan marad. Márpedig az energia­ellátásban semmit sem szeretnek kevésbé, mint a kiszámít­hatatlan­ságot.
Ám az sem előnyös, ha szélcsend miatt nagy teljesítmény esik ki a rendszerből, hiszen a hiányt a piacról kell eseti jelleggel meg­vásá­rolni – ami nem olcsó. Vagyis biztosítani kell a folyamatos energia-utánpótlást. Adja magát az ötlet, hogy amikor túlzott mennyiségű villamos energia termelődik, akkor elraktá­rozzuk a felesleget, majd amikor hiány van, vissza­tápláljuk a rendszerbe. De vajon melyik energia­tárolási módszer erre a legalkalma­sabb?
„A szélerőművek vagy a napener­giát hasznosító erő­művek, ház­tartási méretű kiserő­művek megjelené­sével és elterjedésé­vel el­kerül­he­tetlen lesz hosszabb távon, hogy energia­tárolók létesüljenek – mondja Ladányi József. – A háztartási léptékben megtermelt energiát az elektro­kémiai akkumulá­torok raktároz­hatják el, nagy léptékben pedig a szivattyús-­tározós erő­művek jelenthetik a megoldást.”

A szélerőművek vagy a napenergiát hasznosító erőművek, háztartási méretű kiserőművek megjelenésével és elterjedésével elkerülhetetlen lesz hosszabb távon, hogy energiatárolók létesüljenek. A háztartási léptékben így megtermelt energiát az elektro­kémiai akkumulátorok raktározhatják el, nagy léptékben pedig a szivattyús-tározós erőművek jelenthetik a megoldást.

A Tesla – az elektromos autók területén kifejlesztett akku­technoló­giát hasznosítva – otthoni használatra is kínál falra szerelhető akkumulátorokat. Ezeket folyamatosan töltik a napelemek, és áramszünet esetén amolyan szünetmentes tápként is funkcionálhatnak. A hálózati szolgáltatás kimaradása esetén – cég ígérete szerint – akár egy hétig is elláthatják energiával a lakást, ha folyamatosan töltődnek a napelemekből.
Ezek azonban igen költségesek, ezért aztán nem valószínű, hogy a közel­jövőben elterjed­het­nének Magyar­országon. Sokkal reálisabbnak tűnik a nagy léptékű nap- és szélerőművek, valamint a hozzájuk kapcsolódó szivattyús víz­tározók építése. Ladányi József szerint Ausztriában nem azért üzemel több szélturbina, mert ott többet fúj a szél, hanem azért, mert nekik több szivattyús-­tározós erőmű­vük van (nálunk egy sincs). Magyar­országon több potenciális helyszín is lenne szivattyús-­tározós erőmű építésére, ám ezek többsége nemzeti parkban, környezet­védelmi területen fekszik, így társadal­milag és környezet­védelmi szempontok miatt kevésbé támogatott a megépítésük.
E cikk szerzője járt olyan osztrák-­alpokbeli vízi erőmű bemutató­termében, amelyhez két, jelentősen különböző tenger­szint feletti magas­ságba épített víztározó kapcsolódott. A víztározó­kat csövek kötötték össze. A vízerő­műben megtermelt áram segítségével fel­szivattyúzták a vizet a felső tározóba – ezzel gyakorlatilag helyzeti energiát tároltak el benne. Amikor nyaranta csökken az erőmű­vet tápláló folyó vízhozama, a kieső energia­termelést a felső tározóból kiengedett víz mozgási energiájával pótolják.
Ladányi József véleménye szerint nagyon hiányzik a magyar­országi meg­újuló energia­források hasznosít­hatóságá­hoz a sza­bá­lyoz­ható­ság. Márpedig a szabályoz­ható­ság energia­tárolási meg­oldáso­kat feltételez. Az előre­jelzések szerint a jövőben három nagy energia­tároló irány­vonal válik dominánssá. Az egyik a szivattyús-­tározós erőmű, a másik továbbra is az akkumulá­tor (vagyis az elektro­kémiai energia­tárolás) lesz, bár a technoló­giájuk jelentősen különböz­het a ma ismert megoldásoktól.

A tiszta elektrolízis

A harmadik irány­­vonalról eddig még nem esett szó. Ennek alapja a hidrogén vagy a különféle szinteti­kus gázok. Vagyis a meg­termelt villamos energia segítségé­vel hidrogént vagy szintetikus gázokat állítanak elő (például elektroliti­kus vízbontás­sal vagy más elektro­kémiai reakció segítségé­vel). Így már nagy energia­tartalmú anyag jön létre, amelyet jóval könnyebb tárolni, mint a – szó szoros és átvitt értelmében is – megfogha­tatlan áramot. Később, amikor szükség lesz az energiára, egészen egyszerűen el lehet ezeket a gázokat égetni, és vissza­nyerni a betárolt energiát.
Az energia vissza­nyerése történhet közvet­lenül is (vagyis például a gáz elégeté­sével nyerünk hőt), de vissza is alakíthatjuk árammá, például energia­cellákon keresztül. A hidrogén energia­hordozóként való hasznosítá­sának különös előnye, hogy égésekor nem szén-­dioxid keletkezik, hanem víz, amely nem növeli az üvegház­hatást. Az áram segítségével előállít­ható szintetikus gázok rövid szénláncú szénhidrogének lennének, amelyeket be lehetne táplálni a földgáz­hálózatba, és onnan a hagyományos módon hasznosítani.

Az energiatárolás egyik módja, hogy a megtermelt villamos energia segítségével hidrogént vagy szintetikus gázokat állítanak elő, az energia visszanyerése történhet a gáz elégetésével, de vissza is alakíthatjuk árammá, például energiacellákon keresztül. A hidrogén elégetésének előnye, hogy égésekor nem szén-dioxid keletkezik, hanem víz, amely nem növeli az üvegházhatást.

Gyakran felmerül a nagy léptékű villamos­energia-­tárolás egyik alternatívája­ként a lendkerekes energia­tárolás is, amikor hatalmas és nehéz kerekeket hajtanak meg, amelyek tehetetlen­ségük miatt nem képesek azonnal megállni, amint az őket hajtó energia­forrás elapad (gondoljunk csak a lend­kerekes kisautókra). Az ilyen óriási és végeláthatat­lanul pörgő kerekek elmélet­ben alkalmasak lehetnek arra, hogy a megforgatá­sukra használt energia jelentős részét ezután egy dinamót hajtva vissza­alakítsák elektromos­sággá. Ladányi József úgy véli, hogy biztonsági megfonto­lásból nem feltétlenül jelentenek ideális megoldást, mert éppen biztonsági szempontok miatt csak bunker­szerű építmé­nyekben valósít­hatók meg.
Jóllehet az akkumuláto­rokra hajlamosak vagyunk úgy gondolni, mint kis méretű – legfeljebb jármű­veket ellátó – eszközökre. Csakhogy ez nem lesz feltétlenül így a jövőben. Már hazánkban is működik három kísérleti jellegű projekt, amelyek­ben néhány tíz mega­wattos kapacitású energia­tárolás folyik – mégpedig elektro­kémiai megoldással. Tehát igenis lehet nagyobb léptékben üze­melő akkumuláto­rokat is készíteni.
„A megújuló energia­termelésünk sem centralizált, hanem el­osz­tott – mind földrajzi értelemben, mind a villamos­energia-­rend­szerhez való kapcsoló­dási pontjait illetően. Ha a háztartási méretű, illetve kis­erőmű­vek mellé is telepítenénk lítiumion-­akku­mu­lá­toro­kat, akkor az egész országra vetítve jelentős mértékű energia­tároló kapacitást kapnánk összesen – vélekedik Ladányi József. – Nem lesz centralizált a villamos­energia-­termelé­sünk a jövő­ben sem, egy-két nagy erő­művet leszámítva. Egyértel­műen látszik, hogy az elosztott villamos­energia-­termelés már itt van, és csak tovább fog terjedni. Például a Magyar Villamos Művek több mint száz nap­erő­művet épít jelenleg. A meg­újulók hektikus termelése mellé energia­tároló kapacitásra van szükség.”

Ha a felhasználó napelemes kiserőműve mellé energiatároló egységet is telepít, nemcsak a villamosenergia árát minimalizálja – hiszen akkor tudja felhasználni a megtermelt és betárolt energiát, amikor a legelőnyösebb neki –, de a villamos hálózat túlzott igénybevétele, végső soron a szolgáltatói hálózatfejlesztési ráfordítások is csökkenthetők.

Jelenleg Magyarországon nincs előírva, hogy a háztartási méretű kiserő­művekhez kötelezően be kell építeni tároló­kapacitást is. Németországban viszont minden második nap­elemes kiserő­mű mellé a fogyasztó energia­tároló egységet is telepít. Ezzel a fogyasztó nemcsak a villamos­ energia árát minimalizálja – hiszen akkor tudja felhasználni a megtermelt és betárolt energiát, amikor a legelőnyösebb neki –, de így a villamos hálózat túlzott igénybe­vétele, végső soron a szolgáltatói hálózat­fejlesztési ráfordítá­sok is csökkenthetők.•

 
2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

2019. október – Közlekedésfejlesztési különszám

Hírlevél feliratkozás

Innotéka