A klímaváltozás megfékezéséhez sok-sok megújuló energia mellett hatalmas kapacitású energiatárolókra is szükség lesz. A hosszabb távú tárolást viszont nem feltétlenül a ma elterjedt lítiumion-akkumulátorok fogják megoldani, hanem a még fejlesztés alatt álló új technológiák.
Az energiatárolókra a nap- és a szélerőművek egyfajta kiegészítő technológiájaként is gondolhatunk, amelyek a pillanatnyi igényeket meghaladó termelés időszakaiban elraktározhatják a többlet villamos energiát azokra az időkre, amikor nem süt a nap, vagy nem fúj a szél. Ezek az időszakok olykor hosszúra is nyúlhatnak, miközben a karbonmentes energiára ekkor is szükség van, sőt gyakran még jobban, mint egyébként. A fosszilis erőművek fénykorában, amikor a klímaváltozás problémája még jóval távolabbinak tűnt, a kibocsátáscsökkentés pedig egyáltalán nem látszott sürgető feladatnak, nagy mennyiségű energia hosszú idejű tárolására nem is igazán volt szükség. A gáz-, a szén-, valamint az atomerőművek az időjárástól nagyjából függetlenül képesek folyamatos és a kereslethez gyorsan igazítható termelésre. Azt a kis energiatárolási igényt, ami esetleg mégis jelentkezett, a szivattyús tározós erőművek, az élet más területein pedig a szárazelemek és az ólom-sav-akkumulátorok nagyjából ki tudták elégíteni.
fotó: canva.com
Élet a gázerőművek után
A kihívás újdonságát az is jelzi, hogy a hosszú időtartamú, hálózati szintű energiatárolás fogalma pontosan még nincs is definiálva. Az egyesült államokbeli Kalifornia állam élen jár az energiaátmenet megoldásában. 2020 októberi ajánlatkérésében – amely a kis napenergia-termelőket összefogó aggregátorainak hosszú távú tárolókapacitására vonatkozik – meghatározták, hogy legalább 50 MW-os, minimum 8 órán át tárolni képes létesítmények felelnek meg ennek a kritériumnak. A jó hír az, hogy a már ma is működő technológiák mellett számos ígéretes megoldás körvonalzódik a horizonton.
A jelenlegi energiarendszerekben többnyire gázerőművek biztosítják azt a rugalmasságot, ami a változó megújulóenergia-termelés és az igények mindenkori kiegyensúlyozásához szükséges. Ehhez a jövőben remélhetőleg az energiatárolás is hozzá fog járulni. A földgáz égetésekor ugyan a szénégetéshez képest kevesebb üvegházhatású gáz (ÜHG) szabadul fel, azonban kitermelése és szállítása során nagy mennyiségű metán kerül a légkörbe. A szén-dioxid-leválasztás és -tárolás (CCUS) technológiája ma még nincs elterjedve széles körben, és kétséges, hogy mennyivel nyújthatja meg a földgáz pályáját. A kibocsátáscsökkentési intézkedések és a szén-dioxid-kvóták drágulása előbb-utóbb véget vetnek a földgáz gazdaságos felhasználásának is. A klímacélok eléréséhez nélkülözhetetlen, hogy a hosszú időtartamú, hálózati szintű energiatároló technológiák lehetőleg minél előbb álljanak készen ennek a funkciónak az ellátására.
Napjaink energiatároló-telepítéseinek főszereplője 99 százalékban a mobiltelefonokban és az elektromos autókban is alkalmazott lítiumion-akkumulátor. A kereskedelmi forgalomban 1991 óta lévő, különböző összetételekben és formákban létező technológia ára a 2010-es 1183 USD/kWh-ról 2020-ra 89 százalékkal, azaz 137 USD/kWh-ra csökkent. Ennek ellenére hálózati léptékű, hosszabb időtartamot áthidaló alkalmazása továbbra is drága. Nagyjából 4 óránál hosszabb tárolásra telepíteni ma még nem éri meg. A folyamatban lévő fejlesztésekkel várhatóan nemcsak a lítiumion-akkumulátor energiasűrűsége (tárolt energia/tömeg) növekszik majd érdemben, hanem az ára is tovább csökken. Kizárólag ez a technológia várhatóan ezzel együtt sem oldja majd meg a problémát.
Energiahordozó betontömbök
A lítiumion-akkumulátorokat időben messze megelőző szivattyús–tározós vízerőművek manapság a leginkább elterjedtek. Megbízható és kedvező árú megoldást kínálnak a hálózati szintű energiatárolásra. Az Egyesült Államokban például ez a technológia az e célra szolgáló kapacitásnak még mindig körülbelül 95 százalékát teszi ki. Az ilyen létesítmények tárolási kapacitása a világ legnagyobb akkumulátoraiét sokszorosan meghaladják. Azonban felépítésük – részben a bonyolult engedélyeztetés miatt – rendkívüli kihívásokkal jár. A létesítmények ökoszisztémára gyakorolt kedvezőtlen hatásait elkerülendő az újabb szivattyús–tározós erőművek elszigetelt tározók kialakításával valósulnak meg. Azonban így is évtizedekig elhúzódó, milliárd dolláros/eurós beruházásokat tesznek szükségessé.
Hasonló elven alapul az összefoglalóan gravitációs energiatárolónak nevezett technológiák működése. Közös bennük, hogy amikor a villamos energia betárolására van szükség, jókora tömegeket mozgatnak felfelé, majd kitároláskor a tömegek leeresztése révén, generátorok közvetítésével alakítják vissza a helyzeti energiát elektromossággá. Így működik például a skót startup Gravitricity 50 tonnás acéltömböt alkalmazó konstrukciója. Ilyenek a kaliforniai Gravity Power és a német New Energy Let’s Go vizes rendszerei, illetve a svájci Energy Vault 35 tonnás betontömbökből 120 méter magas tornyot építő alternatív energiatároló rendszere is. A technológia még éretlen, és kétséges, hogy támogatások nélkül elterjedhet-e, de a környezetvédelem, a tartósság és – a számítások szerint – a költségek szempontjából is vannak előnyei az elektrokémiai tárolókkal, például a lítiumion-akkumulátorokkal szemben.
fotó: businesswire.com
Energiatárolás cseppfolyós levegőben
A brit Highview Power másfél évtizede csiszolja a levegő cseppfolyósításával történő energiatárolásnak a koncepcióját. A kísérleti projektek után már felépítette első nagyobb, 50 MW/250 MWh kapacitású rendszerét is. A társaság a konvencionális – villamosenergia-, illetve olaj- és gázipar számára kifejlesztett – kompressziós berendezéseket alkalmazva sűríti és tárolja tartályokban a cseppfolyósított levegőt. Ezután a sűrített levegőt felszabadítva és egy turbinán áteresztve állít elő (ismét) elektromosságot. Az üzem ezért meglehetősen hasonlít egy cseppfolyósított földgázzal működő terminálra. Az elképzelésben nem csak a cégnél látnak fantáziát: februárban japán befektetők vásárolták be magukat a társaságba.
Míg az előbbi eljárás föld feletti tartályokat használ a sűrített levegő tárolására, addig más projektek megfelelő föld alatti formációkat, geológiai képződményeket, a célra kialakított üregeket vagy elhagyott bányaaknákat vesznek igénybe. A kanadai Hydrostor pontosan ezt teszi annyi különbséggel, hogy az állandó nyomásviszonyokat vízzel tartja fenn. A társaság szerint a technológia a hálózati szintű energiatárolás tekintetében versenyképes az akkumulátorokkal és a gázerőművekkel szemben. Ezt látszik igazolni a cég két üzeme – a kanadai egység által működtetett kereskedelmi és az ausztráliai demonstrációs üzem –, valamint a befektetői érdeklődés is.
Új akkumlátorok a láthatáron
A vanádium (redox) folyadékáramos (flow) akkumulátor ugyancsak ígéretes megoldásnak tűnik a hosszú távú tárolás szempontjából, mindeddig azonban nem sikerült piaci áttörést elérnie. A szóban forgó technológiával foglalkozó vállalatok jó része fizetésképtelen, vagy még mindig az első jelentős kereskedelmi projektjét tervezi. A kutatók ugyanakkor nagy potenciált látnak a technológiában, melynek működési elve a vanádium különböző ionizált formáinak redukcióján és oxidációján alapul. Előnyei közé tartozik, hogy környezetbarát; folyamatos használat mellett is hosszú, 30–50 év élettartamú; töltöttségét rendkívül hosszú ideig megőrizheti; tárolási hatásfoka 70 százalék feletti; gyors reagálású; alacsony karbantartási igényű; rugalmas, ugyanis szélsőséges hőmérsékleti viszonyok között is üzemképes; továbbá tolerálja a túltöltést.
A már az 1970-es évek óta létező redox flow akkumulátorok ugyan tökéletesek nagy mennyiségű megújuló energia tárolására, mindezidáig túlságosan drágák voltak a tömeges piacosításhoz. A német Fraunhofer Intézet fejlesztése a korábbiaknál könnyebb, kisebb és költséghatékonyabb megoldást eredményez, ami közelebb hozhatja az áttörést. A lítiumion-akkumulátorok jelenlegi piacvezető szerepéhez nem fér kétség, de a vanádium folyadékáramos akkumulátor szintén nagy lehetőséget rejt. Különösen az olyan közüzemi projektek esetében, amelyeknél 4 óránál hosszabb tárolásra van igény, és olyan tárolókapacitás szükséges, amelyet egyidejűleg tölteni és kisütni is lehet.
Hidrogénben tárolt energia
A kiszámíthatatlan kereslet és kínálat összehangolására alkalmas innovatív megoldást képvisel az úgynevezett power-to-gas (P2G) technológia is, amely túlmutat az energiatároláson. Az eljárás, amelyhez világszerte óriási remények és ambiciózus célok fűződnek, lényegében a többlet megújuló energiát elektrolízissel hidrogénné alakítja. A hidrogén elraktározható, és később ismét villamos vagy hőenergiává alakítható, felhasználható járművek meghajtására vagy nehézipari folyamatok ellátására is.
Míg a hagyományos energiatárolási technológiák, például az akkumulátorok jól működnek kisebb léptékű alkalmazásokban is, a power-to-gas teljesen új paradigmát képvisel. A skálázható, vagyis változatos léptékben alkalmazható technológia gyakorlatilag korlátlan energiatárolási kapacitást biztosít a tárolt mennyiséget, a tárolás időtartamát és a felhasználás módját illetően egyaránt. Lehetővé teszi ugyanis az energia szezonális tárolását és a gáz-, valamint villamosenergia-rendszer szinte bármely pontján történő felhasználását. Ráadásul az energia szállítására némi átalakítással a meglévő gázhálózat is alkalmas. Széleskörű alkalmazhatóságának kulcsa a gazdaságosan üzemeltethető elektrolizálók kifejlesztése. Mivel az erre irányuló munka a világ számos pontján már folyik, az előrejelezések szerint a technológia a 2020-as, 2030-as években közelebb hozhatja a közös klímacélok elérését.
