Adiabatikus sűrített levegős energiatárolás a szélerőművek hálózati integrálásának elősegítésére

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 9. sz. 2006. p. 44–51.

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

Adiabatikus sűrített levegős energiatárolás a szélerőművek hálózati integrálásának elősegítésére A megújuló energiaforrások EU-irányelvként is előírt fokozott kihasználása a szél energiájának egyre erőteljesebb hasznosítását teszi szükségessé. A hálózat stabilitása az időjárásfüggő betáplálás miatt szükségessé teszi a villamos energia sok MW-os nagyságrendű tárolását. Az adiabatikus sűrített levegős energiatárolás ígéretes alternatíva erre gazdasági, ökológiai és energiapolitikai szempontok alapján egyaránt. Összeállításunk egy, az EU által is támogatott kutatás alapján ismerteti a rendszer felépítését és főbb konstrukciós elveit.

Tárgyszavak: szélerőmű; energiatárolás; sűrített levegő; adiabatikus.

A 25 tagúra bővült EU a maga 460 milliós

megújuló forrásokból kell kielégíteni. Ebben a

lakosságával és 680 MW összesített erőművi

nagyságrendben csak a biomassza és a szél

teljesítményével a világ legnagyobb liberali-

jöhet szóba energiaforrásként.

zált energiapiaca. A VGB, a nagy német erőművek üzemeltetői szövetségének becslése

A szélerőművek integrálása a villamos háló-

szerint 2020-ig 200 MW-nyi erőművi teljesít-

zatba számos problémát vet fel [2], köztük a

ményt kell megépíteni, részben az elavult régi

legjelentősebb a fokozott igény a szabályozási

létesítmények kiváltása céljából. A globális

teljesítményre, illetve a villamos hálózat meg-

környezetvédelmi erőfeszítésekhez csatlakoz-

erősítésének szükségessége. Az összes ilyen

va az EU Bizottsága ugyanakkor előírta, hogy

probléma legfőbb oka a szél szeszélyes mivol-

2020-ig a teljes villamosenergia-igény 20%-át

ta: nem akkor fúj erősen, amikor a villamos 44

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

rendszerben nagyok a teljesítményigények

A CAES-erőművekben a teljesítményigények

(csúcsidőszak), hanem amikor neki tetszik. A

hullámvölgyeiben

hálózatra kötött szélerőművek erős szél esetén

időszakok) a megtermelt fölösleges villamos

betáplálják a villamos energiát – ha kell, ha

energiával motoros kompresszorokat hajtanak

nem. A váltakozó áramú villamos energia át-

meg, amelyek levegőt sűrítenek 50–70 bar

meneti tárolása nagy mennyiségben egyelőre

nyomásra. Az összenyomott levegőt lehűtve,

nem igazán megoldott műszaki feladat. Érde-

erre alkalmas természetes föld alatti üregekben

kes lehetőség erre a sűrített levegős tárolás –

lehet tárolni. Németországban például a gazda-

az itt következő összeállítás ennek megoldási

ságosan már nem művelhető sóbányák üregei

lehetőségeit járja körül. A deregulált villamos-

kiválóak erre a célra. A hálózati teljesítmény-

energia-piacon a gazdaságosságnak kiemelt

igények növekedésekor a sűrített levegőt ki

szerepe van, így a műszaki lehetőségeket

lehet tárolni, és egy rekuperátorban előmele-

egyidejűleg a finanszírozhatóság és a megtérü-

gítve kissé átalakított gázturbina (ebben az

lés szempontjai szerint is értékelni kell.

esetben levegőturbina) meghajtására lehet fel-

(völgy-

és

mélyvölgy-

használni, így energiája a csatolt villamos generátor közvetítésével a hálózatba táplálható

A sűrített levegős energiatárolás alapelve

villamos energiává alakítható vissza. A turbinában a levegő újra kitágul, nyomása a környezeti atmoszférikus nyomásra csökken. A

A sűrített levegős energiatárolás (compressed

levegő szempontjából a folyamat nyitott, a

air energy storage, CAES) első üzemi kísérletei

kilépő levegő a szabadba távozik (1. ábra). Az

gázturbinákkal kombinált, a villamos hálózatra

eddig leírt elemek tulajdonképpen erős rokon-

kapcsolt rendszerek formájában a németországi

ságban vannak a gázturbina alapműködésével

Huntorfban 1978-ben (290 MW) és az USA-

– azzal a különbséggel, hogy a kompresszió és

beli McIntoshban 1991-ben (110 MW) valósul-

a tágulás fázisai időben elválnak. Amint az

tak meg és üzemelnek mind a mai napig. Ezek-

ábra mutatja, a folyamat adiabatikussá tehe-

nek a kezdeti megoldásoknak alkalmas tovább-

tő, és hatásfoka jelentősen növelhető egy hő-

fejlesztése, az adiabatikus sűrített levegős ener-

tároló modul beiktatásával, amely a lehűtés-

giatárolás ígéretes alternatíva a szélerőművek

kor kivont hőt raktározza, a kitároláskor pedig

hálózati integrálására. Ennek az energiatárolási

ezt a hőt lehet a turbina belépő hőmérsékle-

módszernek az is nagy előnye, hogy teljesen

tének eléréséhez szükséges melegítésre fel-

mentes a káros anyagok kibocsátásától.

használni. 45

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

M motor ND kisnyomású kompresszor HD nagynyomású kompresszor AT levegőturbina G generátor

M

ND

levegőkibocsátás

AT

HD

G

hőtároló levegőbeszívás üreg

1. ábra Egyfokozatú adiabatikus sűrített levegős energiatárolású erőmű sémája

A tárolás hatásfoka – amit a kitágulás által

adódik. A nagyobb teljesítményeket ekkora

végzett munka és a kompresszióhoz szüksé-

modulok többszörözésével érdemes megvaló-

ges munka arányával lehet definiálni – hőtáro-

sítani. Két jelentősen eltérő méretű rendszer

ló beiktatásával 70% fölé növelhető, ami ha-

főbb adatait az 1. táblázat mutatja be. A 300

sonló a szivattyús tározós vízerőművek hatás-

MW-os berendezés hálózatra kapcsolt üzem-

fokához. Ez utóbbiak alapelve sok hasonlósá-

módra, a 10 MW-os szigetüzemre, például

got mutat, de ott az energiatárolás a víz hely-

távoli tanyák szélkerékkel megvalósított vil-

zeti energiájának formájában történik, ehhez

lamosítása kiegészítőjeként alkalmazható.

pedig speciális földrajzi adottságok szükségesek, és Európában a megfelelő helyeken már

Gazdasági előnyök

általában kiépültek a létesítmények, ennek a technológiának a növekedési potenciálja minimális.

Az adiabatikus sűrített levegős energiatárolást sok célra lehet felhasználni. A nagyteljesítmé-

A vázolt rendszerkoncepció skálázható, vagyis

nyű változatok fő alkalmazási terepe a terhe-

viszonylag széles teljesítménytartományban

lésmenedzselés, vagyis annak lehetővé tétele,

megvalósítható. A leggazdaságosabb változat

hogy a hagyományos alaperőművek folyama-

250–300 MW-os turbinateljesítmény esetén

tosan jó hatásfokkal, teljes kapacitással üze-

46

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

1. táblázat Egy nagyobb és egy kisebb teljesítményű változat főbb adatai Egyfokozatú, 300 MW

Kétfokozatú, 10 MW

Kapacitás, MWh

1800

120

Teljesítmény MW

300

10

Nyomás, bar

100

15/150

Tömegáram tároláskor, kg/s

220

20

Tömegáram kitároláskor, kg/s

550

20

A hőtároló belépő hőmérséklete tároláskor, oC

620

450/450

20

20

600

210/20

A hőtároló belépő hőmérséklete kitároláskor, oC o

A hőtároló kilépő hőmérséklete kitároláskor, C

melhessenek, miközben a nagy szélerőművek

ségében tehát a szélenergia egyre nagyobb

betáplálása az időjárástól függően, de az igé-

kihasználása ellenére nőhet az ellátás bizton-

nyektől függetlenül tág határok között válto-

sága.

zik. Ez a hatás jelentős, mivel a hagyományos alaperőművek hatásfoka közepes terhelés ese-

A decentralizált módon telepített kisteljesít-

tén kb. 2%-kal gyengébb, mint teljes kiterhe-

ményű rendszereket kis szélkerekek vagy kap-

léskor. Az energiatermelés egyenletessé tétele

csolt hő- és villamos energiát termelő egysé-

lehetővé teheti új erőművek építése esetén a

gek betáplálásának kiegyensúlyozására lehet

blokkteljesítmény csökkentését is. Az erőmű-

használni. Ezeknél a betáplálás a hálózatba a

vek konstrukciója is jelentősen egyszerűsödhet

tárolás nélkül egyes időszakokban műszakilag

a szabályozhatóság igényének elmaradása,

megvalósíthatatlan, illetve gazdaságilag vesz-

illetve annak a tárolóegységre való áthelyezése

teséges lenne.

révén. További költségmegtakarításokhoz vezethet az adiabatikus sűrített levegős energia-

A CAES-technológia sikertényezői, illetve a

tárolás a hálózati csatlakozások költségeinek

piaci potenciál növelésének lehetőségei össze-

csökkentése révén, mivel a csúcsterhelés fede-

foglalva a következők:

zése révén csökkenthető a szükséges maximá-

ƒ a kereslettől független megújuló forrású

lis átviteli teljesítmény is. A csúcsidei energia-

villamosenergia-termelés (főleg a szél- és

termelésen kívül a rugalmas alkalmazhatóság

napenergia) növekedése, és az emiatt

pozitív és negatív szabályozási teljesítmény

fellépő szállítási bizonytalanságok, piaci

előállítására, illetve kiesési tartalék képzésére

ingadozások, hálózati stabilitási problé-

is alkalmassá teszi ezt a megoldást. Összes-

mák, 47

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

ƒ a völgyidőszakok alacsony áramtarifái és a

zott az így nyerhető szabályozási energia.

csúcsidőszakok magas árai, vagyis a villa-

Mindezek alapján a sikertényezők sokkal je-

mos energia árának nagy időbeli szórása,

lentősebbek, mint a fékezők.

ƒ a leállíthatatlan (must run) erőművek, főleg a kapcsolt hő- és villamos energiát termelő

Konstrukciós megoldások

egységek szaporodása lenyomja a völgyidőszakok tarifáit, így növeli az árak időbeli szórását

A téma fontosságát az is jelzi, hogy az EU 5.

ƒ olyan új erőművi technológiák megjelenése,

kutatási keretprogramjának égisze alatt az Eu-

amelyek a mostaniaknál kevésbé szabá-

rópai Bizottság pályázat keretében, AA-CAES

lyozhatóak.

kód alatt finanszírozta a kutatást. Ennek keretében a potenciális felhasználók igényeinek és

A gátló tényezők ezzel szemben:

a piaci körülményeknek a felmérése után a

ƒ alternatív, kedvező költségű tárolási megol-

kutatók kialakították a lehetséges konfiguráci-

dások (főleg a szivattyús tározós vízerőmű-

ókat, és nagyvonalú tervezés során meghatá-

vek) rendelkezésre állása,

rozták azok fő jellemzőit. A következők a

ƒ nemzetközi összekötő távvezetékeken ke-

négy legfontosabb modul közül a három mű-

resztüli áramexport/import a terhelés hul-

szaki jellegű főbb jellegzetességeit ismertetik

lámzásának kiegyenlítésére.

(a tároló üregek a természet ajándékai).

Mint korábban már említettük, a szivattyús

Kompresszorok

tározós vízerőművek terén kevés a bővítési lehetőség. Más energiatárolási lehetőségek (pl.

A kompresszorokkal szemben az alkalmazási

redox-akkumulátorok, nátrium-kén akkumulá-

terület, a méretek és a tároló üregek geológiai

torok) a 100 MW-os nagyságrendben nem

viszonyainak sokfélesége nagyon különböző

állnak belátható időn belül rendelkezésre. Az

követelményeket támaszt. Szerencsére az ipar-

áramexport/import sem jelent igazi megoldást,

ban elterjedt sokféle kompresszor-konstrukció

mivel a szomszédos országokban is egyre na-

segít a változatos követelmények kielégítésé-

gyobb a szélenergia kihasználása, illetve a

ben. Az adiabatikus üzemmód ugyanakkor

közelség miatt hasonlóak az időjárási viszo-

eltérő működésmódot jelent a kompresszorok

nyok, ezért még a megfelelő teljesítményű

számára is. A hagyományos sűrített levegős

távvezetékek megléte esetén is erősen korláto-

eljárásoknál a sűrítés az izoterm jelleget köze48

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

líti többszörös köztes hűtéssel és utóhűtéssel.

ség lesz hőálló egyedi konstrukciók alkalmazá-

Az adiabatikus módszernél ezzel szemben a

sára, ehhez a turbináknál kidolgozott technoló-

magas hőmérséklet jellemző a kompresszor

giák hívhatók segítségül. A megkívánt kis fel-

kilépő oldalán, ez szükséges a sűrítéskor közölt

futási idő ellentmondó követelményeket jelent,

hőenergia hatékony kivonásához és tárolásához.

ezért a tranziens folyamatok gondos termikus és

Minimális köztes hűtés csak a megkívánt nyo-

mechanikus szimulációja szükséges az opti-

más- és hőmérséklet-értékek beállításához illet-

mum megtalálásához.

ve szabályozásához lehet szükséges. A sokféle Hőtároló

létező kompresszor-konstrukció közül a 2. ábra szerinti összeállítás a minden valószínűség szerint leggazdaságosabb. A sűrítést egylépcsős,

A hőtároló fontos építőeleme a rendszernek: ez

de három egymás után kötött gépcsoport végzi

teszi lehetővé, hogy a kompresszió amúgy

el: a kisnyomású szakaszban axiális kompresz-

veszendőbe menő hőjét a kitáguláskor fel le-

szor, a közepes és nagynyomású szakaszban

hessen használni. A hálózati üzemhez javasolt

radiális kompresszor alkalmazását javasolják a

teljesítménykategóriában 2400 MWh-t (nyolc

kutatók. A standard kompresszorok számára

órányi teljes terhelés a villamos hálózaton)

különösen a nagynyomású szakaszban tapasz-

elérő termikus energiatárolási képességre van

talható nagy kilépő hőmérséklet jelent kihívást,

szükség, valamint nagy hőátadási sebesség-

ez nem szokásos általában. Valószínűleg szük-

re és a kilépő hőmérséklet állandóságára. Az

ND axiális kompresszor

MD radiális kompresszor

HD radiális kompresszor

M

M

M

TES

2. ábra Az egyfokozatú adiabatikus sűrített levegős erőmű kompresszorainak elrendezése

49

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

egész rendszer hatásfokát nagymértékben befo-

nagy hőátadó felületeket lehet megvalósítani

lyásolja a hőtárolás hatásfoka. Ezt nemcsak a

kis hőátadási veszteségekkel, kis költségek

külvilág felé elszökő hőveszteség, hanem a

mellett. Az eszköznek viszont nyomás alatt

betöltési és „kisütési” hőmérsékletek különbsé-

kell tudni működni, ami szigorú követelmé-

ge miatti veszteség is meghatározza. Többféle

nyeket támaszt a tartállyal szemben. Az előfe-

hőtároló anyag és konstrukció is szóba jöhet:

szített beton tűnik e célra a legalkalmasabbnak. A felsorolt különféle tárolóközegek viszonylagos olcsóságuk mellett sokféle paramé-

szilárd tárolóanyag:

ter megvalósítását teszik lehetővé.

– természetes kő, – tűzálló kerámiák,

Turbinák

– öntöttvas, – beton;

A turbinák feladata a forró sűrített levegő folyékony tárolóanyag:

energiájának átalakítása mechanikai mozgási

– nitrátsó,

(forgási) energiává, ami a generátorok meghaj-

– kőolaj;

tásához szükséges. A teljesítménytartomány 40% és 100% közé esik. Ebből a tároló üregek

hőátadás a levegőnek:

nagyságától és telítettségétől függően 1:3 ará-

– közvetlen,

nyú tömegáramok adódnak. A teljes tarto-

– közvetett;

mányban megcélzott nagy hatásfok miatt a szokásos turbinaszabályozási módszerek (pl.

konstrukció:

fojtószelep vagy szabályozó fokozat) kedve-

– darabos közeg (szilárd),

zőtlen veszteség-karakterisztikájuk miatt nem

– falszerkezet (szilárd),

jöhetnek szóba. Ezért a kutatási projekt kere-

– két tartályos felépítés (folyékony),

tében kidolgoztak egy újszerű, adaptív belépő

– termoklin (különböző hőmérsékletű ré-

fokozatot, amely állítható vezetőlapátok révén

tegek egy tartályon belül, folyékony).

jó hatásfokot tesz lehetővé széles nyomás- és tömegáram-tartományban. Az átáramló leve-

A részmegoldások sokféle kombinációinak

gőmennyiség nagy ingadozása nagy változá-

alapos végigelemzése alapján a legígéretesebb

sokat okoz a kilépő oldal impulzusnyomatéká-

változatnak a levegővel közvetlen kapcsolat-

ban, ami áramlási zavarokhoz és emiatt a ha-

ban levő szilárd tárolóanyag látszik. Ezzel

tásfok leromlásához vezet. Ennek kivédésére 50

Energiatermelés, -átalakítás, -szállítás és -szolgáltatás

speciális geometriájú adaptív diffuzort dolgoz-

pontok alapján egyaránt. A nem adiabatikus

tak ki. A szabályozási teljesítmény rövid idejű

felépítésű sűrített levegős tárolású erőművek

szolgáltatása igen gyors felfutást igényel: né-

már 25 éve működnek (noha csak kis szám-

hány perc alatt el kell érni álló helyzetből a

ban), ezért a továbbfejlesztett változat viszony-

teljes teljesítményt (ez egy nagyságrenddel

lag kevés fejlesztési ráfordítással kialakítható.

kisebb a hagyományos gőzturbinák felfutási

Az EU kutatástámogatási rendszere által ki-

idejénél). Ennek elérésére kidolgoztak egy új

emelten kezelt technológia alapjait az első

hőbevezetési módszert, amelynek segítségével

kutatási ciklusban lerakták, az ezt követő, más-

álló állapotban is üzemmeleg állapotban tart-

fél évre tervezett követő kutatás a résztvevők

ják a turbinát, így a hirtelen terhelés nem ve-

szerint már elvezethet az első demonstrációs

szélyezteti az élettartamot. A vázolt módosítá-

erőmű megépítéséhez. A vizsgálatok szerint a

sokat az ALSTOM cég kereskedelemben kap-

tárolásra alkalmas geológiai képződmény, va-

ható moduláris turbinarendszerére alapozták.

gyis légmentes (vagy azzá tehető), nyomásálló

A nagy belépő nyomás (200 bar) és hőmérsék-

üreg számos helyen található Európában. A

let (600 oC) ennek elemei számára nem jelen-

tüzelőanyagok és a szén-dioxid-kibocsátási

tenek túlterhelést. A kialakított megoldás nagy

engedélyek árának további várható emelkedése

teljesítménysűrűségével tűnik ki.

a megoldás viszonylagos gazdaságosságát és versenyképességét tovább növeli.

Következtetések és kilátások

Összeállította: Kis Miklós

A megújuló energiaforrások EU-irányelvként Irodalom

is előírt fokozott kihasználása a szél energiájának egyre erőteljesebb kihasználását teszi

[1] Nowi,

szükségessé. A hálózat stabilitása az időjárás-

A.;

Jakiel,

Ch.

stb.:

Adiabate

Druckluftspeicherkraftwerke zur netzverträglichen

függő betáplálás miatt szükségessé teszi a vil-

Windstromintegration.

=

VDI-Berichte

1924,

lamos energia sok MW-os nagyságrendű táro-

Fortschrittliche Energiewandlung und -anwendung,

lását. Az adiabatikus sűrített levegős energiatá-

1924. sz. 2006. máj. p. 369–381.

rolás ígéretes alternatíva erre nagy hatásfoka,

[2] Deutsche Energie-Agentur: Energiewirtschaftliche

károsanyag-kibocsátástól mentes üzeme, a

Planung für die Netzintegration von Windenergie in

tájat alig befolyásoló megvalósíthatósága miatt

Deutschland an Land un Offshore bis zum Jahr

gazdasági, ökológiai és energiapolitikai szem-

2020. = http://www.dena.de.

51