Energiatárolás sűrített levegővel

Az elektromos energia fontosságát az elmúlt évszázad már fényesen bizonyította. Jelen századunk pedig már megköveteli ennek az energiának a biztonságos és környezetkímélő, vagy ’zöld’ szolgáltatását. A rohamosan növekvő, zöldnek tekintett szél-, és napenergia források jelentik a megoldást napjainkban, ám ezek időszakos üzemelése megköveteli az energiatárolást.

Az energiatárolás tehát nemcsak a kihagyásos üzemelés kiegyenlítését szolgálja, hanem megoldja még a csúcsidőben történő hálózati terhelés problémáit is, további más előnyökkel együtt.

A különféle akkumulátorok méretben és költséghatékonyságban távol állnak az erőművi követelményektől. Új technológiák, mint az üzemanyag-cellás megoldások, vagy az áramlási akkumulátorok évekre vannak a közüzemi szintű nagyságrendi követelményektől.

Jelenleg valójában csupán két erőművi szintű lehetőségünk van az energia tárolására: szivattyús-, és sűrített levegős energiatároló (Compressed Air Energy Storage -CAES) . A szivattyúzott víz nagyon helyspecifikus, létesítése nem költséghatékony és létezése környezetterhelő. Nagyon kevés új szivattyús erőmű került forgalomba az elmúlt évtizedekben.

A sűrített levegős energiatároló telepek teljesítményüket és üzemi paramétereiket tekintve igen hasonlatosak a szivattyús tározáshoz. Ennek megfelelően alkalmazási célterületeiket tekintve is nagyon hasonlóak. Magyarország domborzati viszonyait, valamint a befektetés hatásosságát  tekintve elképzelhető̋ jelentős potenciál, de a beruházást  meg kell előznie egy sokoldalú felfedezési-feltárási folyamatnak.

A CAES telepeknél az adott esetben fel nem használt nagy mennyiségű villamos energiával kompresszorokat hajtanak meg, amelyek  természetes vagy mesterséges tárolóüregekben lévő levegő nyomását növelik. A betárolt energia visszahívásakor a nagynyomású levegőt turbinákon átengedve nyerhetjük vissza a villamos energiát. Természetes üregek lehetnek elhagyott só́- vagy egyéb bányák, megfelelő̋ sziklaformázatok, légmentes zárással.

Egy CAES egység névleges teljesítménye 100 megawatt-tól kezdődően akár néhány gigawatt is lehet, ahol a kompresszorok és a turbinák teljesítménye nem függenek egymástól, így igény szerint kialakítható. Az energiaszabályozás piacán való részvételhez 15 percen belüli indítást kell elérni, amire mindkét fent említett típus képes.

A sűrített levegő tárolási módszerei:

a.) Kimerült sóbányák.

Régebben a föld alatti sólerakódási üreget használtak, amelyet észszerűen légmentessé lehet tenni. Az ilyen tároláshoz használt sókupolák, mint elhagyott sóbányák, nem elterjedtek, de legújabban a vízzel való sóeltávolítással nyert nagyméretű mesterséges barlangok kiképzése folyamatban van az Egyesült Államokban. A mesterséges tárolók sokfélék lehetnek a felszín felett és alatt. Jelenleg két sókupolás sűrített levegős energiatároló rendszer működik – az egyik Németországban, a másik Alabamában az alábbiakban ismertetve.

b.) Kimerült szénhidrogénlelőhelyek

Az alábbi ábra ennek a megoldásnak a működési elvét mutatja, ahol az alacsony terhelési időszakú hálózatról vett elektromos energiával a kompresszor motorját tápláljuk, amely levegőt, vagy széndioxidot présel a már kimerült földgáz-, vagy kőolajlelőhelybe. Az itt tárolt nagy nyomású gáz később felhasználható a generátort hajtó turbina működtetésére, amely villamos energiát táplál vissza a hálózatba.

Az így tárolt energia nem jár környezetterheléssel, valamint újrahasznosítja a már kimerült, de még mindig nyomásálló, gyakran igen nagyméretű szénhidrogén lelőhelyeket, amelyek akár nemzetgazdasági szempontból is jelentősek lehetnek.

c.) Szint feletti, vagy alatti tartályok.

d.) Mélyvízi tömlők.

e.) Mélyfekvésű mesterséges barlangok, mint a Willow Rock sűrített levegős energiatároló. A kanadai-torontói székhelyű Hydrostor új módszert fejlesztett ki nagy mennyiségű sűrített levegő tárolására. A cég több ezer méter mély aknákat fúr, majd a föld alá küldött berendezésekkel nagy üregek kiképzése történik, amelyek sűrített levegő tárolására lesznek alkalmasak. A Hydrostor bejelentett egy 25 éves projektet a Central Coast Community Energy (3CE)-vel, hogy egy 200 megawattos, 1600 megawattórás föld alatti sűrített levegős tárolót építsenek. A kaliforniai Kern megyei létesítmény 2028-ban készül el Willow Rock Energy Storage Center  néven. Ez mindössze 100 hektár területet igényel és várható élettartama több, mint 50 év. A bányászok által kialakított barlang 200 méter hosszú és szélességű, valamint 100 méter magas lesz.

Jelenlegi és tervezett létesítmények

2012-ben csak két CAES üzem működött a világon; most már azonban több erőmű is tervezési szakaszban van.

A Huntorf erőmű volt a világ első sűrített levegős tárolós erőműve. Kereskedelmi működését 1978 decemberében kezdte meg. Ma a németországi brémai E.ON Kraftwerke a 290 megawatt CAES erőmű tulajdonosa a németországi Huntorfban. Az ABB volt az üzem fővállalkozója.

Az erőmű fő célja, hogy csökkentse a csúcsidei gondokat, adjon forgó, azonnali energiaforrást és biztosítson VAR, azaz meddő teljesítményforrást.

A sűrített levegőt két sóbarlangban tárolják 640 és 793 méter között a felszín alatt, melyek össztérfogata 323500 köbméter. A barlangok maximális átmérője 61 méter, magassága pedig 152 méter. A barlang légnyomása 43 és 70 bar között van. A kompresszor 5296 köbméter/perc légáramlási sebességével az üzem 12 órát igényel a teljes újra töltéshez. Teljes üzemben a turbina 20391 köbméter/perc levegőt igényel a barlangokból akár 4 órán keresztül. Ezt követően az erőmű, exponenciálisan csökkenő teljesítményszinten nyújt még energiát több mint 10 órán keresztül.

Az 110 MW-os McIntosh erőmű, amely a Power South Electric Cooperative tulajdonában van, a második CAES erőmű a világon, és az első az Egyesült Államokban. A Dresser-Rand tervezte és építette meg a teljes turbó-gépegységet. A teljes üzem (turbógép, épület és földalatti barlang) kevesebb, mint három év alatt épült meg 51 millió dolláros költséggel, és 1991. június 1-én fejezték be. A levegőt három szakaszban sűrítik össze; mindegyiket egy hűtőegység követ. A sűrített levegőt egy sóbarlangban tárolják 547 és 762 méter mélységben… Teljes térfogata 538091 köbméter, így teljes teljesítmény mellett 26 óra energiatermelési idő 7562 köbméter/perc légszükséglettel. A barlang légnyomása normál működés közben 45 és 75 bar között mozog, turbó-expander sorozat alkalmazásával.

A McIntosh és a Huntorf üzemeknél hagyományos egytengelyes konfigurációt használtak. A kompresszorok, a motor/generátor és a tágítók ugyanazon a tengelyen vannak, tengelykapcsolókkal elválasztva. Ez az alacsony beruházási koncepció csak egyetlen motort/generátort igényel, amely támogatja mind a kompressziós, mind az energiatermelési ciklust. A bővítők segítségével indítható a kompresszorsor. A McIntosh üzemben használt fejlett rekuperátor a hőveszteség csökkentésének szükséges eleme.

A First Energy cég Ohioban egy 2700 megawattos CAES erőművet tervez. Ez a korábban Norton CAES erőműként ismert erőmű, a világ legnagyobbja lesz, amint teljesen elkészül. Az első 268 megawattos blokk várhatóan még ebben az évtizedben kezd üzemelni, amely az ohiói Nortonban, egy kimerült mészkőbányán található. A sűrített levegőt 688 méter mélységben tárolják a felszín alatt, amelynek teljes térfogata 10 millió köbméter. A barlang légnyomása 57 és 114 bar között váltakozik majd működés közben.

A houstoni székhelyű Ridge Energy Storage 540 megawattos  CAES-erőművet tervezett a texasi Matagordában, de jelenleg az erőmű építése szünetel. Az üzem a McIntosh erőműben alkalmazott Dresser-Rand elgondolás továbbfejlesztett változatán alapul. A tervezés négy független 135 megawatt teljesítményű erőátviteli egységet igényel, amelyek mindegyike 14 perc alatt érheti el a teljes teljesítményt.

 A CAES megoldás előnyei

1. A termelési létesítmények használatának növelése csúcsidőn kívül (azaz a tároló üzem töltési ciklusa alatt).
2. Felfutási, köztes és csúcsteljesítmény biztosítása a nap folyamán.
3. Tárolja az éjszakai szélenergiát a magasabb árú nappali szállításhoz, mint egy alapterhelésű erőmű.
4. VAR-támogatás biztosítása (pl. a CAES-erőmű szinkron kondenzátor üzemmódban történő meddőteljesítmény ellátásával). A CAES üzem a nap 24 órájában üzemeltethető szinkron kondenzátor üzemmódban, mivel nem igényel levegőt a tárolótartályból.
5. Csúcson kívüli több-piacos értékesítés biztosítása.
6. Gyorsan csökkenő kereslet idején nyelje el a felesleges termelőkapacitást a kompresszorával. Ez az alkalmazás különösen akkor hasznos, ha nukleáris, vízi vagy fosszilis báziskapacitás nagyon alacsony áron elérhető csúcsidőn kívüli időszakban.
7. A CAES erőmű az egyetlen olyan technológia, amely viszonylag alacsony költségek mellett képes jelentős (sok ezer megawatt-órás) energiatárolást biztosítani. Az üzem gyakorlatilag korlátlan rugalmassággal rendelkezik a jelentős terheléskezelés biztosítására közmű-, vagy regionális szinten.
8. A CAES üzemek ’fekete indításra’ képesek. Mind a Huntorf, mind a McIntosh üzem rendelkezik ’black start’ képességgel, amely időnként szükséges. A fekete indítás az erőmű nagy kiesés utáni képessége az energiarendszer egyes részeinek  újraindítására, a rendszer üzemállapotának teljes felépülésére. Ez azt jelenti, hogy a különálló erőműveket egyenként indítják be és fokozatosan újra összekapcsolják egymással, hogy ismét egy együttműködő rendszert alkossanak.
9. A CAES üzemek gyors indítási idővel rendelkeznek. Ha egy CAES üzemet melegforgó-tartalékként üzemeltetnek, néhány percen belül elérheti a maximális kapacitást. A Huntorf és McIntosh üzemekben a hideg körülmények miatti vészindítási idő körülbelül 5 perc. Normál indítási idejük körülbelül 10-12 perc.
10. A CAES üzemek felfutási sebessége a maximális terhelés körülbelül 30%-a percenként.
11. A CAES-üzemek részterhelésen is kiválóak. Hőteljesítményük a maximális terhelés 20%-ánál a maximális terhelésnél jelentkező névleges hőteljesítmény 80%-a. Ez nagyon jó és egyedülálló, mivel az összes többi olaj-, gáz- és szénerőmű 20%-os terhelés mellett rossz hatásfokú, így részterheléssel, normál üzemre gazdaságtalan. A CAES üzemek ezen jellemzője nagyon hasznossá (és hatékonnyá) teszi őket a felfutási, részterhelési és szabályozási feladatokhoz.

Hátrányok

1. A földalatti geológiát valószínűleg kockázatos problémaként érzékelik a közművek, annak ellenére, hogy az olaj- és gáztársaságok több mint 80 éve tárolnak szénhidrogén alapú üzemanyagokat hasonló földalatti tározókban,
2. A helyszín kiválasztása némileg korlátozott, mivel bizonyos geológiai képződmények jelenléte szükséges, és
3. A tágulási folyamatban a kiegészítő fűtés követelménye, amit azonban a geotermikus és passzív napenergiás megoldások minimalizálnak.

 Összefoglaló

1. A CAES üzemek a becsült költségek és ütemterv között építhetők,
2. Az üzemek megerősítették az elvárt nagy hatékonyságot, megbízhatóságot, rendelkezésre állást,
3. Az üzemek versenyképes gazdasággal rendelkeznek,
4. A földalatti tárolóbarlangok jól bevált módszerekkel kialakíthatók,
5. CAES üzemek a kereskedelemben kapható, az elmúlt 50 évben kifejlesztett berendezésekkel építhetők, és
6. A sűrített levegős energiatároló rendszerek kiválóan alkalmasak az olyan időszakos energiaforrások társítására, mint a szél és a nap. Ezenkívül kiegészítik a nagy alapterhelésű atomerőműveket, és hatékony módszert kínálnak hatalmas mennyiségű energia tárolására későbbi fogyasztás céljából.

Szerző: Lestár Ferenc, villamosmérnök

Források:

Lee Layton, PE: Compressed Air Energy Storage

Gál Marcell: Tanulmány

Ha feliratkozik a Műszaki Magazin Hírlevelére, sosem marad le a híreinkről! További friss híreket talál a Műszaki Magazin főoldalán! Csatlakozzon hozzánk a Facebookon is!