A cikk kitér az energiatárolási technológia történetére, a villamosenergia-rendszerben betöltött szerepükre, a bemutatott beruházás műszaki megoldására, valamint elemzi az eltérő architektúrák üzemeltetési tapasztalatait. Egy váltakozó áramú villamosenergia-rendszerben a termelésnek a pillanatnyi fogyasztói igényhez kell alkalmazkodnia, a kereslet (igény) és kínálat (források) egyensúlyát (1. ábra) folyamatosan biztosítani kell. A rendszer üzemében a fogyasztásé a meghatározó szerep, és a termelésnek követnie kell a mindenkori fogyasztói igényeket, ehhez az erőművek teljesítményét állandóan szabályozni kell. A megújulóenergiaforrás-alapú erőművek térhódításával egyre nagyobb igény jelentkezik a szabályozható kapacitásokra.

Az ALTEO Szabályozási Központjának folyamatos fejlesztése is ezt a célt szolgálja, amely fejlesztés egyik módja az akkumulátoros villamosenergia-tárolók létesítése.
Az akkumulátoros tárolás nagy előnye a gyors reakcióidő, a magas szabályozhatóság „álló helyzetből” képes másodpercek alatt elérni a kívánt teljesítményszintet – megfelelő töltöttségi szint mellett –, akár több termelésre, akár több fogyasztásra van szükség.

Az akkumulátoros tárolás elterjedése

Potenciális jelentőségük ellenére egészen a legutóbbi évekig a hálózati méretű akkumulátoros tárolók szerepe marginális volt az energiaszektorban. Az első, demonstrációs célú akkumulátoros tároló 2012-ben lépett üzembe 5 MW teljesítménnyel és 1,25 MWh tárolási kapacitással, és bár a technológia rohamos ütemben kezdett terjedni, az International Energy Agency (a továbbiakban: „IEA”) – adatai alapján még 2020-ig is csak körülbelül 10 GW kapacitás létesült világszerte összesen.

Ezzel szemben 2020-ban már a világon összesen körülbelül 9500 GW villamosenergia-tároló kapacitás működött (ennek 90%-a szivattyús tározó volt). Az akkumulátoros energiatárolás tehát nem tekint hosszú múltra, jövőképe viszont annál fényesebb; szintén az IEA becslése alapján a tárolók összesített teljesítménye már 2030-ra megközelítheti az 1000 GW-ot. 

Az akkumulátoros tárolás tömeges elterjedésének legfőbb gátja kezdetben műszaki jellegű volt. Nem létezett olyan technológiai megoldás, amely egyszerre tette volna lehetővé az alacsony tárolási és energiaátalakítási veszteséget, az elfogadható hosszúságú hasznos élettartamot és a biztonságos működtetést, ráadásul mindezt alacsony beruházási költség mellett. Az áttörést a lítiumion-akkumulátorok jelentették.

A lítiumionos akkumulátorok története az 1970-es években kezdődött, a gyakorlati alkalmazhatóságuk megteremtésére viszont még éveket kellett várni. Az 1990-es években és a 2000-es évek elején a lítiumion-akkumulátorok gyártási költségei csökkentek, miközben megbízhatóságuk, teljesítményük és energiasűrűségük nőtt. Ez lehetővé tette, hogy egyre szélesebb körben elterjedjenek a fogyasztói elektronikai termékekben, és fokozatosan elkezdjék kiszorítani az egyéb (például nikkel-dadmium vagy nikkel-metál-hibrid) akkumulátoros megoldásokat.

A lítiumakkumulátoros tárolás forradalma viszont nem ebben a szektorban, hanem az elektromos közlekedés területén kezdődött. A 2000-es évektől kezdődően olyan fejlődésen ment keresztül a technológia, amely minden előzetes várakozást felülmúlt. A gyártástechnológia fejlődése, az energiasűrűség növekedése, a töltés gyorsulása és legfőképpen pedig a költségek csökkenése teremtette meg a lehetőséget a széles körű alkalmazásukra.

„Second life” projektek

A lítiumion-akkumulátorok teljes életútjának környezetterhelése ma még nem teljesen feltárt, illetve kezelt problémakör, és az újrahasznosíthatóságuk is megoldandó kihívást jelent. Ezért alapvető fontosságú ezen rendszerek hasznos élettartamának maximalizálása. Ebben az egyes alkalmazási területek eltérő igényei nemcsak kihívást, hanem lehetőséget is jelenthetnek.

Az elektromos autókban használt akkumulátorok a villamosenergia-szektorban még alkalmazhatók lehetnek abban az esetben, ha a járművek a közúti használatból már kikerülnek (esetleg teljesen más, az akkumulátor állapotától független esemény miatt). Ezek a „second life” projektek az elektromos közlekedés tömegessé válásával a jövőben egyre nagyobb jelentőséget kaphatnak.

Különleges, akkumulátoros villamosenergia-tároló Kazincbarcikán

2021. év végén került átadásra a Kazincbarcikai Fűtőerőmű területén kialakított, 5 MW/5 MWh kapacitású akkumulátoros villamosenergia-tároló, amelynek alapvetően két fő feladata van a rendszerszintű szolgáltatásban: 

• primer szabályozási („FCR” azaz Frequency Containment Reserve) szolgáltatást nyújthat a  villamosenergia-rendszer számára,
• illetve részt vehet a rendszer szekunder szabályozásában („aFRR”, azaz automatic Frequency  Restoration Reserve).

A kazincbarcikai akkumulátoros energiatároló architektúrája eltér a jelenleg működő sztenderd megoldásoktól. A beruházás európai szinten is egyedülálló egyediségét az adja, hogy a villamosenergia-rendszer energiatárolási feladataira fejlesztett akkumulátorok (úgynevezett teljesítményakkumulátor) mellett elektromos autókhoz gyártott akkumulátorok is beépítésre kerültek.

A kazincbarcikai beruházás a szükséges előkészítési és tervezési munkákkal 2021. március végén indult és 2021 októberében állt üzembe, illetve szerzett MAVIR-akkreditációt rendszerszintű szolgáltatásra. Az energiatároló rendszer (2. ábra) egy 0,62 MW teljesítményű autóipari akkumulátorokból és egy 4,37 MW teljesítményű, teljesítményakkumulátorokból épített egységből áll.

A két rendszerfelépítés

• Autóipari akkumulátoros (FENECON) energiatároló egység: a rendszer 1db 10 konténerből épül fel, 8 darab REFUstore 88k típusú, 88 kVA névleges teljesítményű invertert tartalmaz, melyhez vonalanként 84,4 kWh beépített akkumulátorkapacitás tartozik (vonalanként 2-2 db BMW SE09 [i3] akkumulátor). A tárolóegység maximális AC-oldali teljesítménye töltéskor 664 kW, kisütéskor 620 kW.
• Teljesítményakkumulátoros (ALFEN) energiatároló egység: a rendszer 12 db CATL EnerOne akkumulátoros rackszekrényt tartalmaz, a szekrények egységkapacitása 372,7 kWh, a teljes névleges akkumulátorkapacitás így 4473 kWh. A rendszer további része egy WSTECH APS5000-ES-4-690-5 típusú, 5000 kVA (4*1250 kVA) névleges teljesítményű inverteregység. A tároló maximális AC-oldali teljesítménye töltéskor 4 578kW, kisütéskor 4370 kW.

Az akkumulátoros architektúra kialakításának az az indoka, hogy a különböző típusú és életkorú akkumulátorok egy villamosenergia-tároló architektúrán belül történő alkalmazása tapasztalati úton biztosít információt arról, hogy más területeken már megfelelő teljesítményre nem képes, de még releváns kapacitással rendelkező akkumulátorok további hasznosítása a villamosenergia-rendszerben milyen feltételek mentén lehetséges.

Üzemeltetési tapasztalatok

A megvalósult beruházás 2021 óta tartó üzemeltetési időszakában, a gyártók által előírt rendszeres és időszakos karbantartási munkálatok szigorú betartása és elvégzése mellett, továbbá a rendszer folyamatos monitorozásával tapasztalataink egyértelműen pozitívak. A teljes rendszer rendelkezésre állása éves szinten a gyártók által garantált 97 százalékos szint fölött van. Érdekesség, hogy várakozásainktól eltérően ez a szám az autóipari akkumulátoros berendezéscsoport esetében kicsit magasabb is, mint a teljesítményakkumulátoroknál, átlagosan ~1 százalékkal, a ~2,5 éves üzemidő alatt.

SOC (state of charge) – az akkumulátor töltöttségi szintjét százalékosan megadó mérőszám jellemzően mindkét rendszertípus esetében (autó- és teljesítményakkumulátorok) 40–60 százalék között mozgott, ezen kívüli tartományban az autókhoz gyártott akkumulátorok idejük ~9 százalékában, a teljesítményakkumulátorok ~6 százalékában tartózkodtak. Ez a profil egyébként jól reprezentálja az FCR-szabályozásban való részvétel tipikus igénybevételét, erre számítottunk tervezéskor is, erre alkalmas rendszert építettünk.

Cellahőmérsékletek szempontjából jobban eltér egymástól a két akkumulátortípus:

• Az autókhoz gyártott akkumulátortípusok esetében nyáron (kritikusabb időszak) a 26-32 °C-os átlagok mellett nagyobb terhelések esetén regisztráltunk 34-39 °C-os  cellahőmérsékleteket.
• A nagy teljesítményű, energiatárolóra optimalizált akkumulátorok esetében nyáron a 18-25 °C- os átlagok mellett nagyobb terhelések esetén sem regisztráltunk 34 °C-os cellahőmérsékletnél  magasabbat.

A cellahőmérsékletek eltérő alakulásának alapvető oka, hogy a nagy teljesítményű rendszer esetében egy precíziósabb folyadékhűtést/-fűtést alkalmaz a gyártó, hogy a cellákat 18-23 °C-os hőmérséklet-tartományban tartsa, ami a legideálisabbnak tekinthető az ilyen típusú akkumulátorok esetében, míg az autókhoz gyártott akkumulátorokat egy egyszerűbb klímaberendezés léghűtéses módszerrel hűti.
A fenti paraméterek, úgymint a használat módja és a cellahőmérsékletek, komolyan befolyásolják az akkumulátorok egy másik fontos mutatószámának alakulását, ez pedig a SOH (state of health) – az akkumulátor kapacitásának állapota a gyártáskori kapacitáshoz képest százalékosan megadva:

• Ez a mérőszám az autókhoz gyártott akkumulátortípusok esetében a cellák több mint 94 százalékánál 97 százalék felett áll jelenleg.
• A nagy teljesítményű energiatárolóra optimalizált akkumulátorok esetében a cellák kevesebb mint 29 százaléka tudta tartani a 97 százalékot, ez itt inkább 96-97 százalék közötti érték.

Ezek a mutatók – vagyis az első esetben ~2,5-3 százalék, a második esetben ~3-4 százalék tárolókapacitás-romlás – a fent részletezett használat mellett ~2,5 év után adódnak, és a gyártói garantált értékeken belüliek.

Az eddigi tapasztalatok tehát inkább bátorítanak bennünket az autókhoz gyártott akkumulátorok energetikai célú újrahasznosítására, legalábbis egy nagyobb rendszer kiépítése esetén részben lehet létjogosultságuk. Egy újabb fontos gyakorlati tapasztalat ez számunkra a fenntarthatóság- és újrahasznosítás-irányú törekvéseink kapcsán, illetve nagy figyelemmel fejlesztjük és finomhangoljuk tovább a rendszerben rejlő még kiaknázatlan adottságokat.

Források:
1 Forrás: MAVIR
2 Forrás: https://energystorageforum.com/energy-storage-technologies/history-grid-scale-energy-storage
3 Forrás: IEA - https://www.iea.org/energy-system/electricity/grid-scale-storage
 4 Forrás: IEA - https://www.iea.org/energy-system/electricity/grid-scale-storage
5 Forrás: IEA – https://www.iea.org/energy-system/electricity/grid-scale-storage

Hivatkozások: 
Energy storage forum – https://energystorageforum.com/energy-storage-technologies/history-grid-scale-energy-storage
IEA – https://www.iea.org/energy-system/electricity/grid-scale-storage
 

Cikkünk eredetileg a GyártásTrend magazin június - júliusi lapszámában jelent meg, amely ezen a linken olvasható.