Most már értem a napenergiát VI. - Energiatároló eszközök és rendszerek

Energiatároló eszközök és rendszerek

Cikkünkben elsősorban a napelemes rendszerekben alkalmazott tárolókkal foglalkozunk.

Az energia tárolására többféle eszközt ismerünk. Alapvetően meg kell különböztetnünk az eszközöket aszerint, hogy milyen és mennyi energiát tárolunk.

A napenergia hasznosítás egy újabb igen gyorsan fejlődő ágazata a hálózatra táplálás. Bizonyos műszaki vizsgálatok azt mutatják, hogy ennek hatékonyságát úgy tudjuk maximálisan kihasználni, ha nagyméretű tárolórendszerekkel egészítjük ki. (völgyfeltöltés - csúcskisimítás)

Forgó rendszerű tároló

Ezekben a tárolókban mechanikai mozgási energiát tárolunk forgó, szupermágneses[1] lebegtetésű, vákuumban zárt rendszerekben. 

Pneumatikus tárolók

Nagy nyomás alatti tartályokban levegőt vagy más összenyomható gázt (H, oxigén, Nitrogén, stb) tárolunk. Egyik leghatékonyabb tárolás, vesztesége alig van, ezért hosszú idejű tárolásra is alkalmas.

 

Kémiai tárolás

A villamosenergia-tárolók többsége kémiai alapú tárolással működik. 

Bizonyos folyadékokba (gélekbe) különféle fémeket merítünk és az így kialakuló kontaktpotenciálok, illetve reverzibilis elektrokémiai reakciók segítségével rövid idejű 10-40 napos tárolásokat tudunk megvalósítani.

Szivattyús víztározó rendszer

A víz energiatárolási feladatokra is alkalmas. Tavak, tárolók energiát tárolhatnak helyzeti energia formájában, melyet később turbinákkal visszanyerhetünk. A feltöltést nap-, vagy szélenergiával is végezhetjük.

A villamosenergia tárolása

A villamosenergia tárolására különféle eszközök állnak a rendelkezésünkre. Hogy jobban eligazodhassunk a tároló eszközök között, érdemes különféle szempontok alapján rendszerezést végezni.

Az egyik ilyen szempont lehet a tárolandó energia mennyisége, a másik szempont lehet a megkívánt tárolási idő. További szempontok lehetnek a tárolandó villamosenergia beviteli és kivételi sebessége.

Jelenleg nem állnak rendelkezésünkre olyan eszközök, amelyben a villamosenergiát változatlan formában tudjuk hatékonyan, nagy mennyiségben és hosszú ideig tárolni. A legtöbb jelenlegi eszköz ezért nem közvetlenül villamos formában tárolja az energiát, hanem átalakítás után, más formában kerül tárolásra. Mind az energia tárolása, mind ennek kivételezése energiaátalakításokkal jár, melyek veszteséget okoznak.

A kondenzátor jelenleg az egyetlen olyan eszköz melyben a villamosenergiát eredeti villamos formában lehet tárolni rövidebb ideig. Hátránya, hogy nem lehetséges nagyobb mennyiségeket tárolni és a tárolási idő is eléggé korlátozott.

A jelenleg az egyik legjobban elterjedt tárolóeszköz az akkumulátor. Az akkumulátorban az energiát kémiai formában tároljuk. A kereskedelemben a leggyakrabban használt változat az ólomsavas akkumulátor. Az akkumulátorban megfelelő formában kialakított kénsavas desztillált vízzel feltöltött zárt tartályban lévő ólomlemezek vannak.

Léteznek más akkumulátorok is. (lúgos akkumulátor, zárt zselés…., stb.,). A kisebb kézi eszközeinkben is van akkumulátor (mobiltelefon, fényképező, video kamera, fúrógépek, stb…,), melyek tölthetők. Ehhez saját töltő készülék van. (az itt alkalmazott akkumulátorok más szerkezetűek - NiCd, Líthium alapúak, -  mint nagyipari megfelelőik), ezekre más töltési szabályok vonatkoznak.

Az akkumulátor

A szigetüzemű napelemes rendszerek „szíve”, motorja az energiát tároló egység, az akkumulátor. Az „agyközpont” pedig az inverter.

Az akkumulátor, a villamos ipar egyik legkevésbé értett eszköze. 

Az elektromos/elektronikai iparág „sötét lova”. Az akkumulátorral kapcsolatos ismereteink többsége tapasztalati úton származik. Az akkumulátor a villamosenergiát kémiai reakciók segítségével tárolja és adja le. Nagy energiájú, pillanatszerű töltésbevitel és töltésleadás nem lehetséges. Igen sokfajta akkumulátor létezik, jelenleg csak a napelemipar számára használatos akkumulátorokkal fogunk foglalkozni. 

Két nagy csoportot érdemes elkülöníteni:

• Az informatikai (kisáramú) alkalmazások, és az
• erőátviteli célú (nagyáramú) alkalmazások (indító akkumulátor, elektromos motorok energiaforrásai, stb.,)

Az akkumulátor legfontosabb jellemzői: 

• tárolókapacitás
• feltölthetőség (ciklusszám)
• töltésmegőrzési képesség (önkisülés)
• Töltési és kisütési áramok
• Kisütési mélység (DOD, depth of discharge)
• Feszültség

Az akkumulátor típusok általános áttekintése 

A napelemes rendszerekkel megtermelt energia tárolásának egyik módja az elektromos energia közvetlen tárolása, amelyet akkumulátorokkal tudunk megoldani.(A szakmai zsargon sok esetben csak akkuként nevezi, mi is fogjuk használni ezt az elnevezést.) 

Azonban ezen a területen sok félreértés kering a felhasználók, és leendő felhasználók között, ezért első lépésként tisztáznunk kell, hogy mely akkumulátorok a legalkalmasabbak a napelemes rendszerekhez. Az akkumulátor terület áttekintése nem teljeskörű, a könyv témájához kapcsolódó területre fókuszál.

Az üzletekben, interneten fellelhető akkumulátorok választékában találkozhatunk lúgos, savas, líthium (Li-ion vagy LiFePO4, nikkel-metálhidrid, NiMeH) és egyéb rendszerű (vanádium redox, vizes) akkumulátorokkal. 

Napjainkban a legelterjedtebben alkalmazott típus az ólomsavas akkumulátor. Ezeket két fő csoportra tudjuk bontani: folyadék elektrolitú nyitott és kötött elektrolitú zárt rendszerűre. A nevük egyben utal a felépítésükre, a nyitott akkumulátoroknál lehetőségünk van beavatkozni az akkumulátor kémiai folyamataiba (pl. párolgás utáni víz feltöltés, savsűrűség beállítás), ez némi szaktudást, előkészítést és odafigyelést igényel. A zárt rendszerű akkumulátorokat szokás gondozásmentesnek is nevezni - ami csak részben igaz – és ennél a kivitelnél nem tudunk a belső folyamatokhoz hozzáférni. Ennek megfelelően a zárt kivitelű akkumulátorok kényesebbek a külső üzemeltetési körülményekre. Gondolunk itt pl. az optimális hőmérséklettartományra, melynek fontos szerepe van a leghosszabb élettartam elérésének érdekében.

A solar akkumulátor 

Sok cég úgy hirdeti termékeit, hogy solar-akkumulátorként ajánlja az akkumulátorokat. 
Ha egy akkumulátort „marketing okokból átneveznek” az még nem lesz solar akkumulátor. 

Az úgynevezett „solar akkumulátorok nagyon hasonlítanak a „hagyományos” akkumulátorokra, de valójában némely paraméterben eltérnek. Az eddig megszokott esetekben az akkumulátort akkor „szoktuk feltölteni” amikor már kimerült. A napelemes (és szél) rendszerek viszont akkor töltik az akkumulátort, amikor az energia rendelkezésre áll. Így az esetek többségében – és a jól méretezett rendszerekben szinte mindig - még ki sem merült az akkumulátor, a töltés máris beindul.  Közben párhuzamosan akár fogyasztás is lehet. 

Ezért az üzemidő jelentős hányadában az akkumulátor szinte sosem éri el a teljes feltöltöttség állapotát, és soha sincs teljesen kisütve. Az ilyen típusú töltéseket úgynevezett „lebegő töltésnek” is nevezzük, mert az akkumulátort nem kisütött állapotban töltjük, hanem „amikor annak ideje van”. A hagyományos akkumulátorok elektróda rendszerét ezért kissé át kellett alakítani a „lebegő töltés” kívánalmainak megfelelően, ezért a szolár-akkumulátor egy módosított elektródarendszerű, a megújuló energiákhoz átdolgozott változat.

Nyitott és zárt akkumulátorok két legelterjedtebb változata a pozitív és negatív elektródák formája alapján különböztethető meg. Így vannak síklemezes (szokták kent lemezesnek is nevezni) vagy hengeres lemezes (ezeket tubulárnak nevezik, tube = angolul csövet jelent) változatok. A lemezek anyaga ólom vagy ólomötvözet.

A zárt síklemezes akkumulátorokat tovább tudjuk bontani és itt van a legnagyobb félreértés a felhasználók között. A felitatott rendszerű (AGM) és zselés (GEL) akkumulátorokat nagyon nehéz megkülönböztetni, illetve külsőre csak a feliratra, illetve a megbízható gyártó / forgalmazó szavára lehet hagyatkozni. Belsejükben a nagy különbség a két elektróda közötti szeparátorban van. Az AGM akkumulátorok (Absorbed Glass Material) elválasztójának anyaga üvegszál alapú, mely magába szívja a savat és így szilárdul meg. A GEL akkumulátorok esetében egy szilikát–sav vegyület önmagában kristályosodik az elektródák között. 

Az AGM akkumulátorokból készülhet általános felhasználásra (pl.: biztonságtechnikai rendszerekhez), szünetmentes tápegységekhez úgynevezett „high-rate”  (csúcsminőségű) akkumulátorok, mobil ciklikus berendezésekhez (kerekesszék, elektromos roller) és természetesen ciklikus szolár rendszerekhez is.

El is érkeztünk ahhoz a ponthoz, hogy a fenti kavalkádból vajon melyik akkumulátor, vagy akkumulátorok jók a mi szolár rendszerünkhöz?

Ezek egyértelműen a ciklikus akkumulátorok. Mielőtt továbbhaladunk az akkumulátor kiválasztásához, tekintsük át röviden a jelöléseket, melyek segíthetnek eligazodni az akkumulátorok között.

Akkumulátor jelölések

Az akkumulátort villamos szempontból a feszültség (nyitott kapocsfeszültség, Voc) és a kapacitás (tárolható energia mennyiség, Ah) jellemzi.

A kereskedelemben kapható nagy akkumulátorok többsége 12 V-os. 

Ha az akkumulátoron pl. azt a jelzést látjuk, hogy 12 V 100 Ah, ez a következőt jelenti: az akkumulátor 12 voltos eszközök üzemeltetésére alkalmas és 100 Ah kapacitással rendelkezik. 

Tehát például 1A áramot lenne képes szolgáltatni 100 órán keresztül, vagy 2A áramot 50 órán át, stb. A kivehető legnagyobb pillanatnyi teljesítményt az adott akkumulátor típusa és felépítése jelenti. 

Robbanómotorok indítása (autó, hajó, stb.,) hirtelen rövid ideig nagy áramot igényel, míg például az elektromos autók, gépek üzemelése kisebb, de folyamatos terhelést jelent. Az erre a célra alkalmas célakkumulátorok ennek az igénynek megfelelően vannak kialakítva (magas indító áram), és ezért a kívánt feladathoz jól kell megválasztani az akkumulátort.

 Az akkumulátor névleges teljesítményét a két szám szorzata adja = 1200 Wh. Ez azt jelenti, hogy ideális állapotban 1200 Wh energiát lenne képes leadni. Ez sajnos a valóságban nincs így, mert az akkumulátorok nem meríthetők le teljesen. Ha ez megtörténik, akkor az akkumulátor többnyire tönkremegy, többet nem lehet feltölteni[3]. A gyakorlat szerint 25-30% értékig (ritkábban 50%-ig) lehet kivenni az energiát biztonságosan (a ciklusszám csökkenése nélkül). 

Solar akkumulátor

A napelemipar (hasonlóan a többi megújuló energia alkalmazáshoz) különleges akkumulátorokat igényel. 

Ennek az az oka, hogy a szigetüzemű (vagy egyéb, de akkumulátort is tartalmazó) rendszerek esetében a leggyakoribb eset az, hogy az akkumulátor soha nincs teljesen feltöltve, sem lemerítve. 

Ha kisüt a nap (fúj a szél), azonnal megindul a töltés, ha abbamarad az energiapótlás, azonnal kisütés várható (fogyasztjuk az energiát). Azt mondjuk, hogy az akkumulátor töltöttségi szintje „lebegő állapotban” van.

A solar akkumulátorok külön a „csepptöltés” követelményei szerint kialakított akkumulátorok, melyek elektróda-rendszere és felépítése arra optimalizált, hogy a legtöbb energiát legyen képes tárolni ilyen körülmények mellett. Valamivel drágábbak a hagyományos akkumulátoroknál, de célirányosan hatékonyabbak.

Melyik a legjobb?

Az akkumulátor-rendszerek

Ha több energiára van szükségünk (mint a napi lehetséges rendszerre gyűjtés), akkor sorosan, illetve párhuzamosan kötött csoportokat, akkumulátortelepeket kell kialakítani.

A soros illetve párhuzamos kötések lényege, hogy csak azonos (nagymértékben hasonló) elemeket javasolt összekapcsolni, különben a „leggyengébb láncszem” eleve alapján a rendszer összteljesítménye leromlik.

• Például válasszunk nagyobb kapacitású akkumulátort (pl 12 V 100 Ah helyett egy 12 V 200 Ah akkumulátor dupla energiatárolási lehetőséget teremt.) Ne feledjük azonban, hogy ugyanazon töltőrendszerrel töltve ez dupla ideig töltődik fel! (feszültségben esetleg 96 V-ig érdemes felmenni!)
• Komolyabb rendszerek esetében ennél sokkal több energiára lehet igény. Ekkor több akkumulátort alkalmazunk és ezeket sorosan vagy párhuzamosan (vegyesen) összekötjük. 
• Több akkumulátorból álló rendszer kiépítése egyedi szakértelmet és gyakorlatot igényel. Javasoljuk, hogy ilyen rendszerek kiépítését bízza szakemberre. 
• Ha önmagunk, kellő ismertek nélkül kíséreljük meg ezeket kialakítani, nagyobb veszélyt vállalunk magunkra, mint ami szükséges lenne. Élet- és vagyonbiztonsági szempontok miatt ne tegyük ki magunkat és környezetünket felesleges kockázatnak.
• Ha akkumulátortelepet építünk, vásároljunk egymás utáni sorszámmal ellátott egységeket.

Az akkumulátor feltöltése napenergia segítségével

A legjobban ismert savas ólom akkumulátorok (pl. autó akkumulátor) feltöltését többféle módon megoldhatjuk. Ha hálózati feszültség (230-240 V 50 Hz) rendelkezésre áll akkor egy megfelelő töltőkészülékkel (boltban kaphatók) feltölthetjük. Ezután már csak az energia kivétel történik. A töltők szabályozással rendelkeznek és ezért a túltöltés veszélye nem áll fenn. „Házi készítésű töltők” esetében ez nem mindig van így. Nem megfelelő töltő tönkreteheti az akkumulátort. 

Tanyán vagy távoli helyen ahol nincs kiépítve vezetékes hálózat ez nem megoldható, az akkumulátort el kell szállítani a töltő helyre. Ez fáradságos, költséges munka. 

Napelemek (vagy szélgenerátor) segítségével megoldható a töltés. Ehhez pontosan erre a feladatra méretezett (napelemről vagy szélről működő) és kialakított töltőket[4] javasolt csak használni. A töltés rendszerint folyamatos és közben energiát is kivehetünk a rendszerből. Ez alapvetően más típusú töltést jelent a valóságban, az akkumulátor szinte sosincs teljesen töltve, viszont nincs lemerítve sem. Ezt a fajta töltési módot csepptöltésnek, az akkumulátor állapotát pedig „lebegő töltésnek” nevezzük.

Az energia kivétele (kisütés)

Az akkumulátor egyenáramot szolgáltat, ezt mindig tartsuk szem előtt. A tárolt energiát közvetlenül is kivehetjük az akkumulátorból. Ekkor azonban ügyelnünk kell a mélykisütésre, mert akkor az akku tönkremegy. Ezért javasolt, hogy az energiát egy szabályozón keresztül vegyük ki még akkor is, ha csak egyenáramú eszközöket alkalmazunk.

A szigetüzemű rendszerek esetében, többnyire egy elektromos átalakító, „inverter” segítségével működtetjük eszközeinket. Az inverter bemenete az akkumulátorra csatlakozik, kimenete szolgáltatja a kívánt feszültséget és áramot (háztartási esetben a 230-240 VAC 50 Hz feszültséget). 

Önkisülés

Ha az akkumulátort sokáig nem használjuk (értsd nem töltjük!), az energia sajnos nem marad meg benne, hanem egy lassú folyamattal, „önkisüléssel” eltávozik. Ezt úgy lehet megakadályozni, hogy ún. automata töltéssel mindig folyamatosan töltjük az igényeknek megfelelően.

Karbantartás, ápolás:

A zárt zselés akkumulátorok (VRLA) nem igényelnek karbantartást. Az akkumulátor környezetét tartsuk tisztán, ne helyezzünk rá semmilyen idegen tárgyat vagy anyagot, főleg fémeket vagy drótot, mely rövidzárt okozhat.

Az elektromos/villamos autók (EV járművek) töltése

A közlekedés forradalmi, korszakváltó fejlődés előtt áll. 

A robbanómotoros járműveket hamarosan (várhatóan 5-10 éven belül) felváltják az elektromos meghajtású eszközök. 

A tisztán elektromos meghajtású autók fejlesztésében a kecskeméti főiskola (GAMF) csapata neves világversenyeken (szerény anyagi lehetőségei ellenére) világraszóló eredményeket ért el (2015-2016). 

Az első magyar napelemes autó – mely teljesen saját tervezés, Ausztráliában és Dél-Afrikában is kimagasló eredményeket ért el. Munkájukat és az elért sikereket az EuroSolar magyar tagozata, 2015-ben Napenergia díjjal ismerte el[5]!

(Az elektromos járművekkel, illetve EV autók töltésével egy későbbi cikkben foglalkozunk.)

Mi az, ami TILOS?

• Soha ne zárjuk rövidre az akkumulátor kivezetéseit, ez veszélyes lehet az emberre, állatra és tüzet okozhat.

• Ne engedjünk gyerekeket az akkumulátor-rendszer közelébe.

• Tartsuk távol az állatokat az akkumulátortól.

• Használt akkumulátort ne dobjunk ki kertbe, kútba, vízbe vagy szemétbe, mert mérgezést okoz! Vigyük a gyűjtő megsemmisítő helyre. Minden önkormányzat köteles ilyen helyet kijelölni és fenntartani.

Az akkumulátor állapotának ellenőrzése:

A legtöbb akkumulátortöltő visszajelzést ad az akkumulátor, illetve a töltés állapotáról (töltés, üres, stb…). Használjuk és figyeljük ezeket a jelzéseket. Az akkumulátor töltöttségének (DOD) legkorrektebb ellenőrzése csak savsűrűség méréssel lehetséges. Minden más módszer tájékoztató jellegű mérést ad. Ez a gyakorlati élet széles területén elegendő, a mindennapi élethez.

Ha esetleg ellenőrizni akarjuk a rendszerünket, akkor használjunk egy kézi feszültségmérő műszert. 

 Hasznos tanácsok:

• Az akkumulátor egyszerűnek látszó eszköz, mely azonban többféle veszélyt is rejt!
• Alaposan győződjünk meg arról, hogy milyen akkumulátort veszünk.
• Ha nagyobb akkumulátortelepet építünk, vásároljunk egymás utáni sorszámmal ellátott akkumulátorokat.
• Szerelésnél legyen kéznél a nyomatékkulcs!
• Élet- és vagyonbiztonsági szempontok miatt ne tegyük ki magunkat és környezetünket felesleges kockázatnak. Ezek valós veszélyek.
• Gondozzuk, kényeztessük akkumulátorunkat – meghálálják!
• Soha ne zárjuk rövidre az akkumulátor kivezetéseit, ez veszélyes lehet az emberre, állatra és tüzet okozhat.
• A DC rövidzár (villamos ív) nagyon nehezen oltható.
• Ne engedjünk gyerekeket az akkumulátor rendszer közelébe.
• Tartsuk távol az állatokat az akkumulátortól.
• Az akkumulátor töltöttségét a legnagyobb pontossággal, savűrűség méréssel lehet ellenőrizni. Közelítő (tájékoztató) céllal feszültségmérés is alkalmazható.

[1] NdFeB, NIB or Neo magnet,  https://en.wikipedia.org/wiki/Neodymium_magnet
[2] Tubular: csőszerű kialakítás
[3] Különleges akkumulátorok képesek a teljes rövidzárt is elviselni (carbon lemezes akku)
[4] Battery charger controller 
[5] Ezzel Véghely Tamás, mint a csapat tagja, és napenergia szak-tanácsadója 4.ik Euro-Solar díját vehette át.