Szünetmentes áramellátás lendkerekes energiatárolással

Korszerű energetikai berendezések

BME OMIKK

ENERGIAELLÁTÁS, ENERGIATAKARÉKOSSÁG VILÁGSZERTE 45. k. 10. sz. 2006. p. 54–61.

Korszerű energetikai berendezések

Szünetmentes áramellátás lendkerekes energiatárolással A lendkerék ősidők óta ismert egyszerű megoldás a mechanikai (mozgási) energia tárolására. Ez a megoldás korábban túl bonyolult és drága volt, az alkalmazott teljesítményelektronikai megoldások fejlődésének és tömeges elterjedésének köszönhetően ma már kimaradásmentes áramszolgáltatásra (UPS) az akkumulátortelepek helyett, illetve azok kiegészítésére egyaránt felhasználható. Összeállításunk bemutatja megoldásokat, és pontos számításokkal alátámasztva kimutatja, hogy a lendkerék számos más előnye mellett jóval olcsóbb, teljes életciklusra számított költsége csak kb. 40%-a az akkumulátorénak.

Tárgyszavak: lendkerék; UPS; szünetmentes áramellátás; szünetmentes tápegység; akkumulátor.

A lendkerék ősidők óta ismert egyszerű megol-

megőrzésére is, amikor a mechanikusan össze-

dás a mechanikai (mozgási) energia tárolására,

kapcsolt motor és generátor közé iktatják be

ami egy tengely körül forgó lendkerék vagy

azt, hogy az inercia növelésével megkíméljék a

rotor segítségével történik. Az így megőrizhető

fogyasztót az esetleges hálózati zavaroktól (1.

energia mennyisége arányos a lendkerék töme-

ábra), növelve az üzemzavarra való reagálás-

gével

hoz rendelkezésre álló időt. A közvetlenül be-

(pontosabban

tömegtehetetlenségével,

iktatott lendkerék előnyei azonban korlátozot-

inerciájával) és a fordulatszám négyzetével.

tak, mivel az általa generált feszültség frekvenA villamos táplálást szolgáltatók alkalmazzák a

ciája az energialeadás során lassuló kerék for-

lendkereket a tápszolgáltatás minőségének

gásának fordulatszámával arányosan csökken. 54

Korszerű energetikai berendezések

motor

lendkerék

generátor

1. ábra Lendkerékkel kiegészített motor-generátor blokk

Alkalmazási lehetőségek, előnyök

E frekvenciacsökkenés miatt az ábrán látható elrendezésben a lendkerék legfeljebb egy másodpercig szolgáltathat tartalék teljesítményt,

Egyenáramú lendkerekes energiatároló poten-

ezért a benne tárolt energia csak kismértékben

ciálisan bármely, akkumulátorokkal működte-

hasznosul.

tett UPS-rendszerben alkalmazható. Az akkumulátorok rendszerint körülbelül 15 percen át

Hogy a lendkerék lehetőségeit jobban ki lehes-

képesek szolgáltatni a névleges terhelésű táp-

sen aknázni, el kell választani a forgó tömeg-

lálást. Ez az időszak ugyanis általában elegen-

ben tárolt kinetikus energiát az általa védett

dő ahhoz, hogy hosszabb áramkimaradás ese-

fogyasztói hálózat jellemzőitől. Erre változtat-

tén szabályosan leállítsák a védelem alatt álló

ható sebességű hajtóegység (VSD), egyenirá-

rendszert. Manapság számos UPS-rendszerben

nyító és váltóátalakító (inverter) beiktatásával

dízelgenerátort alkalmaznak, amely 10 másod-

van lehetőség (2. ábra), ilyenkor a lendkerék-

perc alatt képes elindulni és elérni a névleges

ben tárolt energia mintegy 75%-a hasznosítha-

terhelést. Az ilyen rendszerekben ezért az ak-

tó. Ez a megoldás korábban túl bonyolult és

kumulátorokat kiváltó lendkereket úgy mére-

drága volt, az alkalmazott teljesítményelektro-

tezik, hogy 15 másodpercen át legyen képes

nikai megoldások fejlődésének és tömeges

magára venni a névleges terhelést. Működhet a

elterjedésének köszönhetően ma már kimara-

lendkerék az akkumulátorok kiegészítőjeként

dásmentes áramszolgáltatásra (UPS), az ak-

is: az áramkimaradások, zavarok időtartama

kumulátortelepek helyett, illetve azok kiegé-

többnyire legfeljebb 5 másodperc, és ameny-

szítésére egyaránt felhasználható (3. ábra).

nyiben ezek gyakran fordulnak elő, az ezzel

55

Korszerű energetikai berendezések

VSD

motor

lendkerék

generátor

egyenirányító

inverter

AC

DC DC

AC

2. ábra Lendkerékkel és megfelelő elektronikus szabályozó egységgel kiegészített motor-generátor blokk UPS elektronika DC

AC

∼

∼

elektromos hálózat

DC

AC

kritikus terhelés

480 VDC

egyenáramú lendkerekes energiatároló akkumulátortelep

3. ábra UPS rendszer akkumulátorteleppel és/vagy lendkerékkel

kapcsolatos gyakori kisütés/újratöltődés ártal-

Összességében azonban e veszteség a lendke-

mas az akkumulátorok élettartama szempont-

rék esetében nem haladja meg a névleges telje-

jából, a lendkerék viszont teljesen érzéketlen a

sítmény 0,1–1%-át, az akkumulátorok készen-

gyakori töltésre/kisütésre.

léti vesztesége ennek kb. egytizede. A lendkerék számos jellemzőjét tekintve előnyösebb az

Az akkumulátorokhoz hasonlóan a lendkerék

akkumulátornál:

is energiatárolásra, nem pedig energiatakaré-

• specifikált élettartama jellemzően 20 év,

kosságra szolgál. Készenléti állapotának bizto-

míg az UPS-ekben használt akkumulátoro-

sítása bizonyos súrlódási energiaveszteséggel

ké csak 3–5 év;

jár, de felmerül bizonyos veszteség az akku-

• az akkumulátorokat szobahőmérsékleten,

mulátorok gyakori feltöltésénél-kisütésénél is.

viszonylag szűk sávon belüli üzemi hőmér56

Korszerű energetikai berendezések

sékleten kell tartani, míg a lendkerekek áll-

konstrukciót igényel. Míg a kis sebességű lend-

ják a normális kültéri hőmérsékletet is;

kerekek általában acélból készülnek, a nagy

• a gyakori ciklikus üzemmód nem befolyá-

fordulatszámúak anyaga az ilyenkor keletkező

solja a lendkerék élettartamát, ami nem

nagyobb feszültségeket is jól tűrő szén, vagy

mondható el az akkumulátorokról;

szénből és üvegszál erősítésű műanyagból ki-

• a lendkerék megbízhatósága 5–10-szerese

alakított kompozit szerkezet. Nagyobb fordulat-

egyetlen akkumulátortelepének, és közel

szám mellett jelentősebb a csapágyakon fellépő

azonos két párhuzamosan működtetett tele-

súrlódási veszteség és a légellenállás is. E két-

pével;

féle súrlódási tényező csökkentésére, illetve

• a lendkerék kompaktabb, így alapterületre

kiküszöbölésére a gyorsabb lendkerekeknél

vonatkoztatott helyigénye legfeljebb 10–

általában mágneses csapágyazást alkalmaznak,

20%-a az azonos teljesítményt szolgáltató

és megfelelő külső burkolat segítségével fenn-

akkumulátorokénak;

tartott vákuumban helyezik el őket. Mivel a

• a lendkerék nem okoz káros kibocsátások-

mágneses csapágy esetében a lendkerék tulaj-

kal kapcsolatos üzembiztonsági problémá-

donképpen lebeg, így a hagyományos csap-

kat, az akkumulátornál fennáll vegyi anya-

ágyaknál fellépő súrlódási veszteség lényegé-

gok kiszabadulásának veszélye;

ben megszüntethető. A lendkerekek többségé-

• a lendkerék karbantartása általában ritkább

nél, beleértve a kisebb fordulatszámúakat is,

és egyszerűbb, mint az akkumulátoroké.

mindkét csapágytípust együttesen alkalmazzák. Ami a lendkerekek beépítését illeti, ez többnyi-

Konstrukciós megoldások

re nagyon egyszerű, mindössze egy beton alapra van szükség a felszereléshez. Minden eset-

A számos konstrukciós változatban készülő

ben szükség van megfelelő kábelekre az UPS-

lendkerekek két fő típusa kis, vagy nagysebes-

rendszer belső egyenáramú hálózati csatlakozá-

ségű üzemmódban működik. Alacsonynak a

sának biztosítására, valamint egy egyenáramú

percenként néhány ezres, magasnak pedig a

lekapcsolóra is – a megfelelő szervizelés elvég-

több tízezres fordulatszám tekintendő. Mint már

zéséhez. A lendkerekes rendszer segédberende-

említettük, a fordulatszám megduplázásával a

zései – például a vákuumszivattyú – működte-

tárolt energia mennyisége egyéb feltételek vál-

téséhez szokásos váltakozó áramú hálózat (az

tozatlansága mellett a négyszeresére növelhető,

USA-ban 120 V, Európában 220 V) szükséges,

de a nagyobb fordulatszám alapvetően eltérő

de egyes berendezéseknél a lendkerék gyors 57

Korszerű energetikai berendezések

újrapörgetéséhez ennél nagyobb feszültségre

Az UPS-rendszerek akkumulátoros háttérbe-

lehet szükség. Ügyelni kell arra, hogy a lendke-

rendezései legfeljebb 15 percig, a lendkerekek

rék egyenáramú kimenő feszültsége illeszked-

viszont csak néhány (rendszerint maximum

jen az UPS-rendszer sínfeszültségéhez.

15) másodpercig tudják szolgáltatni a szükséges elektromos energiát. Miután egymagában a lendkerék az esetek többségében nem képes

Alkalmazási területek és módozatok

biztosítani az általa védett rendszer szabályos leállításához szükséges teljesítményt, ilyenkor

Az egyenáramú lendkerekes energiatárolás

akkumulátoros teleppel és/vagy fosszilis hajtó-

bármely belső egyenfeszültséggel működő ak-

anyagú generátorral együtt kell telepíteni.

kumulátoros UPS-rendszerben, akár kiegészítő

Amennyiben az adott rendszerben nincs a tel-

berendezésként is alkalmazható – nem alkalmas

jes áramkiesést legfeljebb 10 másodpercen

tehát az egyszerű, közvetlen csatolású motor-

belül pótolni képes, fosszilis fűtőanyagú gene-

generátoros megoldáshoz, ahol nincs is csatla-

rátor, úgy akkumulátoros egységet minden-

koztatásához megfelelő egyenáramú sín. Miu-

képpen alkalmazni kell.

tán a lendkerekes energiatároló rendszerek általában megbízhatóbbak az akkumulátoroknál,

Ahol viszont van megbízható dízelgenerátoros

alkalmazhatóságukat főként költséghatékony-

biztosítás, az akkumulátoros egység az UPS-

sági megfontolások alapján döntik el. Az ak-

rendszer egyenáramú gyűjtősínén lendkerékkel

kumulátorok beszerzési költsége ugyan alacso-

helyettesíthető. A feszültségek imént említett

nyabb, élettartamuk viszont számottevően rövi-

összehangolása mellett gondos megfontolást igé-

debb és nagyobbak karbantartási/üzemeltetési

nyel a készenléti üzemmód várható leghosszabb

költségeik is. Lendkereket ezért különösen az

időtartama is, ami függ az adott generátortól és

akkumulátorok számára kedvezőtlen környe-

a meglévő UPS-rendszer jellemzőitől is – az

zetben, például az ellátó hálózatban gyakran

elektromos kompatibilitás érdekében ezért az

előforduló üzemzavarok esetén, vagy magas

ezeket gyártó cégekkel mindenképpen konzul-

üzemi hőmérsékletek mellett célszerű alkal-

tálni kell. Ami a lendkeréknél szükséges karban-

mazni. Mivel a lendkerék energiasűrűsége 5-

tartást illeti, ez főként a légszűrők cseréjében és

10-szer meghaladja az akkumulátoros telepekét,

a vákuumszivattyú olajszintjének néhány ha-

olyan helyeken is előnyös lehet, ahol az üzemi

vonkénti ellenőrzésében ölt testet. A mágneses

terület fajlagos költsége magas, és az alapterület

csapágy karbantartást nem igényel, a mechani-

más célokra is hasznosítható.

kus csapágyakat pedig az adott konstrukciótól 58

Korszerű energetikai berendezések

függően elég 3–10 évenként cserélni. A vá-

teljes életciklusra kiterjedő költség-össze-

kuumszivattyú cseréje 5–10 éven belül válhat

hasonlítás is segítheti. Ennek kapcsán a kuta-

esedékessé. Rendszeres karbantartás mellett az

tók egy 250 kW-os, teljes kapacitására 10 má-

1–5 év gyártói garanciát is élvező lendkerék név-

sodperc alatt felfutni képes generátorral ellá-

leges 20 éves élettartama meghosszabbítható.

tott UPS-rendszerből indultak ki, amelyben a közbülső időszak áramigényét akkumulátorok-

A lendkerék alkalmazása szünetmentes táp-

kal vagy lendkerékkel fedeznék. A szóban for-

egységekben egyelőre nem nevezhető töme-

gó kis fordulatszámú lendkerék élettartama 20

gesnek. Az USA-ban néhány száz alkalmazás

év, a VRLA (valve regulated lead acid, szelepes

működik, ezek jelentős része a szövetségi

szabályozású savas ólom-) akkumulátoroké

kormány hatáskörébe tartozó intézményekben.

pedig 4 év. Mint már szóba került, az utóbbi

Ezek többsége katonai, de vannak ilyen rend-

nagymértékben függ az akkumulátor üzemi

szerek a külügyminisztérium és a veteránok

feltételeitől – főként a terhelés jellegétől és a

ügyeivel foglalkozó minisztérium felügyelete

környezeti hőmérséklettől. Ebből a szemszög-

alá tartozó létesítményekben is.

ből az itt figyelembe vett 4 év tipikusnak mondható. Feltételezték továbbá, hogy a telep 10 percig helyettesíti az ellátó hálózatot. Az

Költségek

akkumulátor egyes költségelemeit USD/kWperc mértékegységben szokták megadni, vagyis

A

kimaradásmentes

áramellátást

1kW teljesítmény 1 percig tartó rendelkezésre

szolgáló

állásának költségeként.

konkrét megoldás elbírálását a következő, a Az akkumulátor költségei

Beszerzési ár = 13 USD/kWperc * 250 kW * 10 perc = Beszerelési költség = 30 USD/kW * 250 kW =

32 500 USD 7 500 USD

Teljes induló tőkeköltség =

40 000 USD

A 4 évenkénti csere beruházási költsége =

40 000 USD

Éves karbantartási költség = 2,25 USD/kWperc * 250 kW * 10 perc = Az üzemi terület éves költsége = 0,22 láb2/kW * 250 kW * 10 USD /láb2 =

5 625 USD 550 USD

A készenléti áramfogyasztás éves költsége = 250 kW * 8760 óra * 0,01% * 0,063 USD/kWh = 59

14 USD

Korszerű energetikai berendezések

A lendkerék költségei Beszerzési ár = 200 USD/kW * 250 kW =

50 000 USD

Beszerelési költség = 30 USD/kW * 250 kW =

7 500 USD

Teljes induló tőkeköltség =

57 500 USD

Csapágyak cseréje 5 évenként = 10 USD/kW * 250 kW =

2 500 USD

Vákuumszivattyú cseréje 7 évente = 5 USD/kW * 250 kW =

1 250 USD

Éves karbantartási költség = 5 USD/kW * 250 kW =

1 250 USD

Az üzemi terület éves költsége = 0,08 láb2/kW * 250 kW * 10 USD/láb2 =

200 USD

A készenléti áramfogyasztás éves költsége = 250 kW * 8760 óra * 1% * 0,063 USD/kWh =

1 380 USD

Az egyes költségelemek különböző időpon-

zedekben a fejlesztés elsősorban a gépjárműve-

tokban merülnek fel, ezért a korrekt összevetés

ken és a műholdakon alkalmazható, kis tömegű

a jelenérték-számítás segítségével oldható meg

készülékekre irányult, ahol az energiasűrűség

(mivel a pénz értéke függ az időtől, az egyes

kritikus, a kihasználhatóságot a forgási sebes-

költségelemeket egy megállapodott, tipikusnak

ség fokozásával igyekeztek növelni. Az ilyen-

elfogadott kamatlábbal a kezdeti időpontra kell

kor alkalmazott mágneses csapágyak később

átszámítani, majd összegezni). A szövetségi

elterjedtek a kisebb fordulatszámú UPS beren-

energetikai projektek esetében hivatalosan

dezésekben is. Az USA-ban jelenleg hat cég

előírt kamatlábat alkalmazva, az akkumuláto-

gyárt egyenáramú lendkerekes energiatárolókat

ros megoldás teljes életciklus-költségének je-

és ugyanennyien még a fejlesztési szakaszban

lenértéke 248 129 USD, a lendkeréké viszont

tartanak. Első, az UPS rendszerek akkumuláto-

csupán 105 572 USD – azaz a költségmegtaka-

rait kiváltani képes termékeik néhány éven be-

rítás közel 60%-os.

lül jelennek meg a piacon. A megoldások jelenlegi spektruma a lassú, nyitott elhelyezésű acél forgórészt és hagyományos csapágyazást al-

A jövőbeli kilátások

kalmazó rendszerektől a nagysebességű, vákuumban elhelyezett kompozit rotort és mágne-

A lendkerék legfontosabb, széles körben elis-

ses csapágyazást alkalmazó megoldásokig ter-

mert előnye az akkumulátorokkal szemben a

jed. Természetesen van néhány olyan rendszer

sokkal nagyobb energiasűrűség. Az utóbbi évti-

is, amely valahová e skála középső tartományá60

Korszerű energetikai berendezések

Irodalom

ba helyezhető. Mivel a technológia – az alapelvek évszázados múltja ellenére – még nem terjedt el tömegesen, azt csak a jövő fogja meg-

[1] Brown, D. R.; Chvala, W. D.: Flywheel energy

mutatni, melyik irány fog dominálni. Minden-

storage. = Energy Engineering, 102. k. 5. sz. 2005. p. 7–26.

esetre a jelentős előnyök és a teljesítményelektronika fejlődése miatt az alkalmazások számá-

[2] A lendkerekes energiatárolás internetes portálja. =

nak gyors növekedése prognosztizálható.

http://www.upei.ca/~physics/p261/projects/flywheel

Összeállította: Dr. Balog Károly

1/flywheel1.htm

BME OMIKK

Innovációk – Trendek – Prognózisok Havonta a műszaki–gazdasági világ újdonságairól, aktualitásairól és jövőjéről [email protected] ▪ 061/ 45 75 322

61