Most már értem a napenergiát XXXI. - HMKE energia tárolással

Bevezetés

A mindennapi hírek egyre inkább mind riasztóbb energiaválságokról szólnak, pedig a szerződés nélküli „gratisz” energia adagunk naponta érkezik hozzánk, (megtartó égitestünkről) pontosan 8,3 perc alatt itt van. És csak dől és dől ránk számolatlanul, méretlenül és fizetség nélkül... Miért is vagyunk akkor most energiaválságban? Elherdáljuk az energiát? Vagy talán képtelenek vagyunk befogadni kellő feltételekkel? Egyáltalán tudjuk e pontosan milyen feltételekről is beszélünk? Fel vagyunk készülve a „napkorszakra”? Ha tényleg kell ez az energia akkor miért nem vagyunk képesek jól hasznosítani? Mind-mind megannyi érdekes (húsbavágó!) kérdés és többségükre ma sincs kielégítő válaszunk.

Energia igény

Az energiafelhasználás áthatja mindennapunkat, minden tevékenységünket. 

Nehogy azt gondoljuk, hogy ez csak azóta van így, mióta felfedeztük a villamosságot (mintegy 300-400 éve) és „rágyógyultunk” a villamos energiára, de ez korábban is így volt. Sőt az „idők kezdetén” is így volt, csak akkor kevesebbet (és máson) töprengtünk mikor a barlangban a tűznél melegedtünk. Iskolai ismereteinkből ma már tudjuk, hogy többféle energia létezik, melyek akár egy másik formába átalakulnak (és mi magunk is átalakíthatjuk) de talán a legfontosabba villamos energia. Miért is? Mert:

• viszonylag egyszerűen előállíthatjuk (többféle módszerrel, többféle alapanyagból)
• szinte mindenhol előállítható
• könnyen (egyszerűen) „szállítható”
• könnyen átalakítható (de sajnos "villamos alakban” nem tárolható)
• vezeték nélkül is továbbítható (elektromágneses erőtér)
• a félvezetők és a számítógép feltalálása óta, az emberiség tovább fejlődésének kulcsa a villamosság, elektromosság, elektronika.

(Talán szerényen emlékezzünk meg arról is, hogy minden emberi lény első szívdobbanását egy elektromos impulzus indítja be!).

Egyéni energiaigényünkön túlmenően a kisebb közösségeknek (család, munkahely stb.,) és a társadalmunknak is vannak energia igényeik (közösségi energia). Az energia igények mindíg fajlagosak, specifikusak, alkalmazás-, és helyfüggőek, és folytonosan változnak. (Érdekes megfigyelés, és vizsgálat eredménye, hogy az energia igények azon országokban is egyre nőnek, ahol a lakosság száma erőteljesen csökken!?).

Hatásos és meddő energia - cosinus fi.

A villamosenergia iparban az energia = feszültség*áram*idő tényezők szorzata. Ez igy van az egyenáramú (DC) rendszerekben. A váltakozó áramú rendszerek esetében azonban figyelembe kell venni, hogy az áram és feszültég vektoriális tényezők:

Továbbá, hogy ha az áramvektor és feszültségvektor iránya (cosinus fi) nem azonos akkor az energia „szétesik” egy valós, hatásos energiára és egy meddő energiára. A meddő energia veszteséget okoz, melyet a hálózat helyes működése érdekében kompenzálni kell. 

Energia felhasználási szokásaink

Egy átlagos négytagú család teljesítmény igénye – kW-ban mérve – 2,5 – 4,5 kW között mozog világviszonylatban. (bizonyos fejlődő országokat, és területeket leszámítva...).

• Napi ritmus. Tevékenységeinknek napi ritmusa van. Energia fogyasztásunk is ehhez igazodik. Munkahely, egyéni sajátosságok stb...  A népesség nagy része ugyanazzal a sémával dolgozik, ezért egy tipikus alak formálódik meg az energiafogyasztási görbe napi menetében – a reggeli csúcs. 
• Életmód. Az életmód jellege (a család nagysága, a lakóhely nagysága és épületenergetikai tulajdonságai, az egyéni igények, a lakóhely környezete, klímája, a berendezések száma, ezek használati gyakorisága, mind hatással van a napi/heti/havi/éves energiafogyasztási szokásainkra. Mindezek összességben egy tipikus egyedi energiafogyasztási alakot képviselnek. Ezért az energiaellátási igény mindíg egyedi, de a nagy számosság miatt bizonyos mértékig tipizálható. Az ellátó rendszer berendezéseit e szerint kell megtervezni.
• Fogyasztói igény, Táblázat, napi/heti ritmus. Az egyedi fogyasztói igények felmérését a napi/heti ritmust figyelembe vevő energiafogyasztási táblázattal lehet megvalósítani. A HMKE (háztartási méretű kiserőmű) esetben ennek kisebb jelentősége van mert a hálózattal való kapcsolat biztonságot ad. Sokkal fontosabb – sőt kiemelkedően fontos – a táblázat a sziget üzemű (off grid) esetekben (például elzárt vidéki/hegyvidéki birtokok, magányos, mindentől távoleső lakóhelyek stb., esetében, mert a napi energia használat csak a tárolt vagy pillanatnyi energiahozammal fedezhető.

A HMKE

A HMKE (Háztartási Méretű Kis Erőmű) alkalmazásával megváltozik fogyasztói minőségünk: egyszerre fogyasztók és termelők is vagyunk (vagy-vagy, váltakozó időrendben, max.: 50 kW teljesítmény mértékben). Házunkban megjelennek szokatlanul nagy feszültségek (600, 1000-1500 Vdc), szokatlan berendezések (napelem, oda-vissza tápláló mérőóra, inverter). Kevéssé hihető, de kis rendszerünk képes befolyásolni a hálózat működését, és szomszédaink hasonló „kis” berendezései is hasonlóan működnek. Sok kicsi sokra megy... a hálózat megváltozik.

A HMKE üzemelésének optimális stratégiáját a fogyasztási szokásainkkal tudjuk módosítani. A napenergia mennyiségét a rendszer paraméterei és az időjárás határozza meg.

HMKE akkumulátoros tárolással

A HMKE üzemelésének optimális stratégiája jelentősen megváltoztatható egy megfelelő helyi akkumulátoros rendszer alkalmazásával. 

• A többlet termelés nem terheli a hálózatot
• A tárolt energia a „sötét” időszakokban bármikor felhasználható
• Egy „okos inverterrel” komplex automata vezérlést lehet megvalósítani
• Valós idejű 1 közvetlen fogyasztás (ha süt a nap), 2 akkumulátor töltés (ha nincs fogyasztás), 3 hálózatra visszatáplálás (ha süt a nap és tele az akku), 4 hálózatról vételezés (ha nem süt a nap és üres az akku)

Hely - helyzet

Otthonunkban ötféle lehetőség van arra, hogy a napelemeket elhelyezzük az épületen. Ezek mindegyike más és más napenergia hasznosítási mutatóval rendelkezik az ELHELYEZÉSTŐL függően. A legkedvezőbb a déli 35-55 fokos elrendezés 

Az akkumulátor

Az akkumulátor egység nagysága, kapacitása Ah – amperórában van megadva. A nagyobb akkumulátoros egységek alap „cellákból” állnak. Sokféle akkumulátoros ellátás létezik (autóban, emelőtargonca, kéziszerszámok, ... stb) ezekhez mind másféle felépítésű akkumulátor kell. A napelemes rendszerekben is különleges kialakítású akkumulátorokat KELL használni. Az itt használatos akkumulátorok ún. „lebegő töltésűek” többnyire sohasem feltöltöttek 100% -ig és sosem lemerítettek (ciklikus akku). A lehető legnagyobb lemerítést az alsó kisütési határ adja meg. Ha ez alá merítjük az akkut akkor többet nem lehet feltölteni (mélykisütés). Az akkumulátor a villamosenergia ipar legkevésbé értett eszköze (fekete lova).

Egy akkumulátorból a névleges kapacitás 50%-át lehet csak kivenni (DOD, depth of discharge), ezért az akku rendszerek túlméretezettek. 

Az akkumulátorokat jól szellőzött hűvös helyre kell telepíteni, a legkedvezőbb hőmérséklet 0-30 C között van.

Az akkumulátorok névleges, azaz 100 %-os kapacitás értékét, a gyártók a C10, C20, C100, stb., jelöléssel, azaz 10, 20 vagy 100 órás kisütő áramra adják meg. Például egy 100 Ah-s akkumulátor 10 A-s terheléssel 10 óra alatt éri el a gyár által megadott végső kapocsfeszültséget. Természetesen nagyobb terhelő áram esetén kisebb lesz a kapacitása. pl. a 100 Ah akkumulátor 61,8 A-s terhelőáram esetén 1 órát tud működni, vagyis 61,8 Ah lesz a kapacitása. (Az akkumulátorok és a felépített rendszerek mélyebb ismertetése meghaladja ezen cikk lehetőségeit, ezért ezt egy későbbi alkalommal tesszük meg).

Inverter 

A HMKE rendszerek egyik fő eleme az inverter. 

Kezdetben csak két feladatot látott el, de később az igényeknek megfelelően kiokosították (smart-inverter). Feladata a napelemből származó energia átformálása (DC – to – AC) és fogyasztásra alkalmassá tétele (230 Vac energiaforrás).

A mai inverterek egy csúcskatagóriás képviselője a smart-inverter. Ez nemcsak, hogy több munkapontot is tud kezelni (2-5 vagy több) de megvalósít egy különleges energia logisztikát: az interaktív energia forgalmat.

Az interaktív energia logisztika a valóságban előforduló minden igényt tud kezelni. 

Figyeli a hálózatot, a fogyasztást, és az akkumulátor töltöttségét. Hálózatkimaradás esetében az ellátás az akkumulátorról történik. Ha napenergia termelés van és nincs jelentősebb fogyasztás a felesleges energia az akkumulátorba kerül. A tárolt energia – az ezt követő – csúcs időszakban kerülhet saját felhasználásra, így „tehermentesítve” a hálózatot. „Üres” akkumulátor esetében és napsütés hiányában az ellátás a hálózatról működik.

Fontos tudnivalók!

Ha a hálózat kimarad és az akku rendszer lemerült az inverter lekapcsol. A lekapcsolás után azonban néhány percig (1-10 perc) még feszültség alatt van! 

A hálózat visszaállása után az inverter automatikusan üzemszerű állapotba kapcsol vissza 300 másodperc után. 

Villamosenergia ellátás

A hálózat szerű villamos energiaellátás mintegy 130 - 150 éve létezik.

Ahhoz, hogy az – emberiség számára ma már nélkülözhetetlen - villamos hálózat (angol nyelvterületen Grid) megszülethessen, előbb egy fontos felfedezésnek és találmánynak kellett létrejönnie: és ez a transzformátor. (Ne legyünk álszerények ezt is a magyarok csinálták és adták az emberiségnek..., 1885, Bláthy Ottó, Déri Miksa, Zipernowsky Károly).

Az első hálózat: 

Az első „villamos hálózatnak” is tekinthető létesítmény a Chicago -i világkiállítás (1983) alkalmával valósult meg. Később (1986) s Niagara vízesésből nyert energiát Buffalo városába vezették. (George Westinghouse építette a több mint 25 km hosszú váltakozóáramú AC vezetéket. Ezzel eldőlt a Tesla – Edison féle halálos vita az AC-DC ügyben).

Az első rendszerek drágák voltak, ezért először csak az utcák kivilágítására használták. Léteznek egyenáramú hálózatok is. Lakossági célra a vezetékes ellátás váltakozó áramot jelent 400 Vac feszültségen. A fogyasztóhoz (egyfázisú ellátás esetében) 230-240 Vac feszültségű ellátás jut.

Előállítás

Az elektromos áram országos méretű előállítása erőművekben (gőzturbina – forgórendszer -generátor) történik. Szén, gáz, fa, biomassza, és nukleáris energiaforrások felhasználásával, háromfázisú generátorokkal. A villamos energia az előállítási helyről villamos vezetékhálózaton keresztül kerül a fogyasztókhoz. A szállítás veszteségekkel jár (10-25%).

Az elosztáshoz és a szállításhoz, az előállított energiát magasfeszültségre (120-700 kV) kell transzformálni, mert ekkor kevesebb a veszteség. A felhasználási helyen visszafelé kell transzformálni. Az átalakítások veszteséggel járnak.

Az erőműveket elsősorban az ellátásbiztonságban betöltött szerepük szerint osztályozzuk.

• Base load – alapellátású erőmű, többnyire szénnel (alacsony hatásfok), és szinte megállás nélkül működik. Karbantartása ezért kritikus. Szenes erőművek, atomerőmű, leállításuk kritikus.
• Atomerőmű – a legolcsóbb, és leghatékonyabb forrás. Igen nagy az energiasűrűsége, különleges előállítást és üzemelést igényel. Használata átmenetet (haladék!) képezhet a más típusú (pl. ME) energiaforrásokra való átállásra. (Lásd 2035-2050 energia mixek) 
• Gyorsreagálású – rendszerint gáz (Eeff >50-60%) elégetéssel működik. Rendkívüli események, üzemzavarok esetében használatos. 15 percen belül termelőképes.
• Időszakos – csak időszakosan használatos, pl ünnepek, vagy nyári csúcsok (hűtőgépek!).
• Megújuló források – időszakosan, vagy szakaszosan működő energiaforrások. A források természeti eredetűek, területileg korlátozottak lehetnek. Energiatermelésük folyamata és ideje előrejelzésekkel pontosítható. Nehezen szabályozható, de „ingyenenergia” források. Beillesztésük a meglévő rendszerekbe megoldásra vár – DE IGEN KÍVÁNATOS (lenne).

Kötelező átvételi (KÁT) rendszer: a villamosenergia-törvény (VET) támogatja a kapcsolt hő- és villamosenergia-termelést, valamint a megújuló energiaforrások (szél, biomassza stb.) kihasználását: – kötelező átvenni az így termelt villamos energiát, – a termelők ártámogatást kapnak (változó)ss.

A magyarországi erőművek életkora igen előrehaladott (elaggott), ezért a korábbi – kezdetben sem túl magas - hatásfokuk tovább csökkent. Az ország energia igénye azonban jelentősen növekedik (fejlődés?)

Hálózat topológia típusok

A sugaras hálózatban, hiba vagy karbantartás esetében a fogyasztók, és a mögöttes hálózat ellátatlan marad, ami fogyasztói kieséssel jár. A hurkolt hálózatban a meghibásodás vagy karbantartás a fogyasztókat nem korlátozza. Az elosztás veszteségekkel jár, mégpedig a hosszúsággal arányosan. Minél többet „utazik” az energia annál nagyobb a veszteség.

Szabályozás (HW/SW)

A hálózatokban kezelt villamos energiát szabályozni / kezelni kell. A szabályozás elsősorban a termelő egységek be és kikapcsolásával (leszabályozásával, amennyiben lehetséges) és szoftveresen történik. 

Bizonyos fogyasztókat – a hangfrekvenciás körvezérléssel is ki lehet kapcsolni. (A digitális átállás miatt jelentősége és használata csökkenőben, megszűnőben van.) A szabályozás kulcs paramétere a frekvencia, a termelés és a fogyasztás egyensúlyának megtartás érdekében. 

A HMKE része a villamos elosztó (tegyük hozzá a napenergia szerelmeseinek hőn áhított vágyálmát is azaz: befogadó) hálózatnak.

A kacsa görbe a hálózatkezelők egyik mumusa. Ha az egyes fogyasztók által igényelt energiát, egy adott pillanatban országos szinten összegezzük, akkor nyilvánvalóvá válnak a fogyasztási „kilengések”, amit a termelés nem tud mindíg követni. Bizonyos típusú erőművek nem tudnak ilyen nagy „kilengésekkel” működni, reagálásuk sokkal lassabb. Ezért egy országos „erőmű mix”-et többféle erőműből kell „összerakni”.

Centralizált

A centralizált „energiatermelés” és elosztás modellje történetileg a legrégebbi. Alapvetően arra a koncepcióra épül, hogy az energiaforrások döntő hányadát, nagy, gazdaságosan (jó hatásfokkal) működő forrásokból kell kialakítani és azt egyirányúan – a forrástól a felhasználó felé – elosztani.

Magyarországon jelenleg mintegy 25 „hagyományos fűtőanyaggal” üzemelő erőmű (szén, lignit, olaj, gáz, nukleáris, víz) működik. Többségük elaggott, matuzsálemi (50-70 év) korban van, fenntartásuk jelenleg szükséges, de már nem gazdaságos. A leállítások szinte folyamatosak. Paks II. lép a helyükbe.

Paksi I. Atomerőmű
Dunamenti Erőmű
Bakonyi Erőmű
Oroszlányi Erőmű
Újpesti Erőmű
Csepeli Erőmű
Kelenföldi Erőmű
Kispesti Erőmű
Mátrai Erőmű
Lőrinci gázturbina (csúcserőmű)
Borsodi Hőerőmű
Sajószögedi Erőmű (csúcserőmű)
Tisza II Hőerőmű
Tiszapalkonyai Erőmű
Debreceni Kombinált Ciklusú Erőmű
Dunaújvárosi Erőmű
Pannon Hőerőmű
Litéri gázturbina (csúcserőmű)

Decentralizált – elosztott hálózat

Erre a hálózattípusra többféle elnevezés is ismert. (distributed, on-site generation (OSG), vagy district/decentralized energy, distributed energy resources (DER). 

Az elosztott energiaelőállítási koncepció lényege, hogy ne „utaztassuk” az az energiát nagy távolságokra, hanem helyben állítsuk elő. (legalábbis nagy részét, és amit lehetséges helyi forrásokból). Ennek több előnye is van: helyi (saját) vezénylés alatt áll, helyi munkaerőt foglalkoztat, rugalmasabb beruházás, kevesebb a villamos veszteség, kétirányú energiaforgalom, nem terhel központi erőforrásokat, jobban alkalmazkodik a helyi pillanatnyi igényekhez [energy-on-demand] ...,). Természetesen vannak hátrányai is, de mindíg mérlegelni kell a lehetőségeket. 

A tapasztalat azt mutatja, hogy ilyen (de jól átgondolt!) rendszereknek egyre nagyobb a létjogosultsága, a megújuló energiák előtérbe kerülése és sajátosságai miatt. 

Az egyes országok és tömörülések által készített közép és hosszútávú (2050-2100) energiastratégiák kiemelten foglalkoznak olyan energia-mixek megalkotásával melyben 50% feletti súllyal szerepel a DER és alkotóelemei.

A DER rendszer az alábbi energia átalakító eszközökből (vagy ezek kombinációjából) áll.

• Kombinált hőerőmű (Combined heat power CHP, másképpen „ko-generációs vagy tri-generációs
• Üzemanyag cella (Fuel cells)
• Hybrid energia rendszer (solar hybrid and wind hybrid)
• Mikro kombinált hőerőmű (Micro combined heat and power, MicroCHP)
• Mikroturbinák (Microturbines)
• Napelemes rendszerek (tipikusan HMKE rendszerek, 1-50 kWp)
• Dugattyús motorok (Reciprocating engines, belsőégésű dugattyús forgógépek)
• Kisebb szélgenerátor rendszerek (Small wind power systems, 1-50 kW)
• Stirling gépek (zártciklusú renegeratív hőerőgép, Stirling engines)

Összekapcsolt rendszerek ENTSO

Az energiaintegrációs törekvések célja egyrészt az energiaellátás biztonságának növelése, másrészt az energiapiac működésének biztosítása, mely egyre inkább „real-time” üzemmódban működik.

Az ENTSO, az Európai Villamosenergiarendszer-irányítók Szövetségének (European Network of Transmission System Operators, ENTSO-E) rövidített neve. 

36 országból 46 tag alkotja az ENTSO-E tömörülést. Az összekapcsolt rendszerek nagyobb biztonságot adnak, de egyben növelik az egymástól való függőséget, és szinkronizálási problémákat is felvetnek.

Összefoglalás

A megújuló energiák hálózatba való integrálásának problémája továbbra is fennáll. A jelenlegi hálózati elosztó-szabályozási rendszer (sehol a világon) nincs felkészülve műszakilag a napenergia befogadására (értsd: a napenergia erősen kilengő dinamizmusa kezelhetetlen). A törekvések azonban bizalom és reményt keltőek. A politika (gazdaságpolitika) igyekszik hallgatólagosan haladékot kérni a megoldásra azzal, hogy a szükségszerű és elkerülhetetlen tárolást (csúcsok, völgyek kezelése) a fogyasztó-vevőkre (HMKE) próbálja áthárítani. 

Az államok most (a világon szinte mindenütt) ösztönző támogatást nyújtanak a HMKE (Home system) + otthoni tárolás telepítésére. Ez azonban nem jelenti a probléma megoldását. Várjuk a csodatárolót .....