Energiatárolók
A szektorok összehangolásának kulcsa
A Nemzetközi Energiaügynökség (IEA) üzenete egyértelmű: „hatékony villamosenergia-tárolás nélkül nincs energetikai átalakulás”. Ebben egyetért a világ összes kutatójával. De milyen szerepet játszanak egyáltalán az energiatároló rendszerek a CO2-semleges társadalom felé vezető átalakulásban?
A nemzetközi éghajlati célok elérése érdekében az IEA „Innovációk az akkumulátorok és a villamosenergia-tárolás területén” című, az Európai Szabadalmi Hivatallal közösen készített tanulmánya szerint 2040-re legalább 10 000 gigawattóra globális tárolókapacitást kell hasznosíthatóvá tenni. Ez az energiamennyiség a jelenleg rendelkezésre álló kapacitás mintegy 50-szeresének felel meg. Az IEA tanulmánya különösen az akkumulátoros rendszerek és a Power-to-X eljárások elterjedésében lát potenciált.
Az éghajlatváltozás és a népességnövekedés sürgető kérdést vet fel a világ számára: hogyan lehet megállítani az üvegházhatású gázok okozta globális felmelegedést – miközben világszerte egyre több ember törekszik a jólétre és a fejlődésre? Vagy másképpen fogalmazva: hogyan engedhetjük meg magunknak az energiafogyasztás növekedését és védhetjük meg mégis az éghajlatot? Műszaki szempontból mindkét kérdésre csak egyetlen válasz létezik: az All Electric Society jövőképe.
A power-to-X folyamatok alapja a hidrogén előállítása. Közvetlenül energiahordozóként, de e-üzemanyagok, szintézisgázok vagy vegyi anyagok nyersanyagaként is felhasználható.
Az összes Power-to-X eljárás közös jellemzője, hogy elektrolízis útján állítanak elő hidrogént. Az elektrolízis maga is a Power-to-X fogalomkörébe tartozik: az elektromosságot tetszőleges X energiahordozóvá – ebben az esetben tiszta hidrogénné – alakítják át. Azok a folyamatok azonban, amelyek ezt a hidrogént továbbra is nyersanyagként használják fel az e-üzemanyagok (E-fuel), szintézisgázok és vegyi anyagok előállításához, szintén ezt a címkét viselik.
Az energiatároló rendszerek jellemző felépítése
Az energiatároló rendszer különböző összetevők együttes kombinációja, amelyek mind hozzájárulnak a teljes rendszer működéséhez.
Vegyünk például egy galvanikus akkumulátorokon alapuló elektromos energiatároló rendszert: függetlenül attól, hogy nagy vagy kis háztartási tárolóegységről van szó – a felépítés általában moduláris. Az alapelemek az akkumulátorcellák, amelyek – az áram és a feszültség növelése érdekében történő – párhuzamos és sorba kapcsolásával csomagokat hoznak létre. Ha nagyobb számú cellát integrálnak egy házba, akkor azt tárolómodulnak nevezik. A cellák töltését és kisütését a kiegyensúlyozó modul vezérli és felügyeli. A cellákat vagy a cellacsoportokat azonos töltöttségi vagy kisütöttségi szinten tartja, így nem következik be idő előtti öregedés, illetve az egyes cellák túltöltése vagy mélykisülése. A töltő/kisülő áram pozitív és negatív csatlakozása mellett számos csatlakozóval rendelkezik az egyes cellacsoportokhoz. Ezenkívül az akkumulátormodul állapotára vonatkozó összes információ digitális adatinterfészen keresztül érhető el. Az adat- és tápcsatlakozások a kiegyensúlyozó modul nyomtatott áramköri lapjáról a modulházba vezetnek. A nagy teljesítményű csatlakozásokhoz gyakran csavaros csatlakozókat használnak, míg az adatcsatlakozót általában dugaszolhatóra tervezik. Az akkumulátormodulban lévő érzékelőknek is vannak nyomtatott áramköri csatlakozásai, amelyek a különböző pontokon figyelik a hőmérsékletet, illetve mérik a feszültséget és az áramot.
Az új és továbbfejlesztett tárolórendszerekkel kapcsolatos kutatások élénk ütemben folynak. Szinte minden egyes alkatrészüket rendszeresen optimalizálási tesztnek vetik alá: az akkumulátorcellák kémiáját, a félvezetőket. Ebben a szakcikkben a tárolórendszerek elektromos csatlakozástechnikáját vesszük górcső alá. A megbízható és alacsony veszteségű kapcsolatok ugyanis jelentős biztonsági és hatékonysági többletet jelentenek. Az energiatároló rendszerek olyanok, mint bármely más elektronikus rendszer: az üzemzavarok elkerülésének és a maximális hatékonyságnak alapvető feltétele a készülékkialakítás. Ez a csatlakozástechnika áramterhelhetőség és átütési szilárdság szempontjából történő méretezésével kezdődik, majd a környezeti követelmények és a védettségi fokozatok figyelembevételével folytatódik. Az, hogy az elektromos csatlakozásokban korróziós hatások léphetnek fel, ha azok rendszeresen vagy tartósan nedvességnek vannak kitéve, csak egy példa a helytelenül megtervezett csatlakozástechnikára. Erre az IP-védettségű dugaszolható csatlakozók nyújtanak megfelelő megoldást.
Az akkumulátormodulok külső tápcsatlakozóit vizsgálva, még egy helyesen megtervezett és megfelelően beszerelt csatlakozó is modulonként több mint 100 kWh hőveszteséget okoz a teljes üzemi élettartam alatt. Ezek az átmeneti ellenállás növekedésével lineárisan nőnek. Egy konkrét számítási példa: egy 5 kWh kapacitású modul 48 V feszültséggel, 50 A átlagos árammal és 5000 töltési és kisütési ciklussal a fenti feltételek mellett kb. 100 kWh energiát veszít. A hibás nagy teljesítményű csatlakozások miatt harmincszorosára megnövekedett átmeneti ellenállással még nem keletkezik kár, csak egy még mindig ártalmatlan hőfejlődés. Az energiaveszteség azonban egy háromtagú háztartás teljes éves energiaigényének összegére, azaz körülbelül 3000 kWh nagyságrendűre nő. Rendszerszinten a modulok nagy száma még nagyobb veszteségeket és így még jelentősebb gazdasági károkat eredményez. A kiváló minőségű csatlakozókba történő kezdeti befektetés gyorsan megtérül. A széles körben használt csavaros csatlakozás alternatívája a dugaszolható csatlakozás fordított polaritás elleni védelemmel, nagy átütési szilárdsággal, érintésvédelemmel és reteszeléssel. Ezenkívül a gyűjtősíneken teljesen újonnan tervezett érintkezési rendszer található. Mindkét megoldás minimálisra csökkenti a hatékonyságveszteséget, maximális biztonság és kényelem mellett.
Nem szabad ugyanakkor figyelmen kívül hagyni az energiatároló rendszer összes többi elektromos csatlakozását sem. Automatizálhatósági okokból például vonzó lehet, ha a kiegyensúlyozó modul nyomtatott áramköri lapján lévő érzékelő forrasztott csatlakozóját egy könnyen használható rugós csatlakozóval helyettesítik. Az akkumulátorcsomagok összeszerelésekor az érzékelőket az automatizált folyamat során lehet beállítani, a két érzékelővezetéket pedig a modul összeszerelésekor kézzel és szerszámok nélkül lehet csatlakoztatni. A jobb hozzáférhetőség miatt jelentős idő- és ezáltal költségelőnyre lehet számítani. Ez végső soron nagyobb hatékonyságot is jelent, valamint a tárolórendszeren belüli zavarmentes adatátvitelt. A megfelelő csatlakozástechnika kiválasztása itt is döntő fontosságú. Az alkalmazásspecifikus anyagokból készült, kiváló minőségű alkatrészek maximális biztonságot nyújtanak, és lehetővé teszik a teljes rendszer hatékonyságának elérését és fenntartását.
Az energiatároló rendszerek megbízhatósága és hatékonysága szempontjából kulcsfontosságú az elektromos csatlakozástechnika kialakítása, minősége és helyes alkalmazása. A kiváló minőségű csatlakozástechnika nem csak a működés közbeni biztonságot garantálja. Biztonságos, kényelmes és időtakarékos telepítést és karbantartást tesz lehetővé. A kezdetben olcsónak tűnő kompromisszum túl gyakran vezet rendszerkiesésekhez és magas üzemeltetési költségekhez. Ezért az energiatároló rendszer elektromos csatlakozástechnikájának tervezése során minden szinten érdemes a hozzáértő gyártókra támaszkodni, és megbízni az ő szakértelmükben. Az All Electric Society víziója ugyanis csak a minden szempontból megbízható rendszerekkel és azok összetevőivel válhat valóra.
PHOENIX CONTACT Kft.
H-1124 Budapest, Csörsz utca 49-51.
Tel.: (+36) 1 555 1000
E-mail:
