Műbetont emelgető óriásdaruk jelenthetik a zöldenergia-tárolás jövőjét

Támogasd a tudomány népszerűsítését, segítsd a munkánkat!

Amikor megújuló energiáról van szó, az ember általában napelemek végeláthatatlan sorát vagy óriási szélfarmokat lát maga előtt, pedig a villamosenergia-rendszer kiszámítható működéséhez az elektromos áramot termelő erőművek mellett az energia tárolására is alkalmas létesítmények ugyanolyan fontosak. Az erőművek ugyanis megállás nélkül termelik az áramot, amire azonban éjszaka jelentősen kisebb a kereslet, míg a nappali-esti csúcsidőszakokban jóval több áramra van szükség.

Bár a napi.hu tavaly szeptemberben megrendezett energiapiaci fórumának résztvevői is egyhangúlag az energiatárolást szavazták meg mint a villamosenergia-hálózatra váró legnagyobb kihívást, az is elhangzott, hogy „amíg az akkumulátortelepek nem lesznek elég nagy kapacitásúak, maradnak a gázerőművek, mert jelenleg ezek a hálózati szinten és méretben is megfelelő méretű, rugalmasan reagáló hálózati elemek.” Vagyis Magyarországon egyelőre nincs kilátásban olyan megoldás, amellyel környezetbarát módon lehetne a többletenergia tárolását, illetve az áram visszapótlását elvégezni.

Erre a létező technológiák közül a Tesla által is népszerűsített akkumulátoros energiatárolás mellett a szivattyús-tárolós erőművek jelentenék a legnagyobb esélyt. Az ilyen típusú vízerőművek lényege, hogy két különböző szintmagasságú víztározó között mozgatják a vizet: termeléskor a magasabban fekvő tározóból engedik le a vizet egy turbinán keresztül, majd amikor kisebb az áramigény, visszaszivattyúzzák. Egy 2012-es tanulmány szerint ez Magyarországon nem ideális megoldás, „mivel nincsenek magas hegységeink, kevés a csapadék és a bővizű folyóink is lankás területeken folynak végig,” a néhány alkalmasnak tűnő területen pedig „lakossági és környezetvédelmi szempontból megkérdőjelezhető” az ilyen erőművek kialakítása.

Szivattyús-tározós erőmű felső víztározója a németországi Markersbach-banFotó: JAN WOITAS/dpa Picture-Alliance via AFP

Akkor mégis mit tehetnek az olyan országok, ahol a természeti adottságok miatt képtelenség szivattyús-tárolós erőműveket létesíteni, amelyek egyébként globálisan a villamosenergia-hálózatot kiszolgáló energiatárolók 95 százalékáért felelnek? Például víz helyett valami mással használja ki a gravitációs energiatárolásban rejlő lehetőségeket – mondjuk, betonnal.

Műbetonnal és mesterséges intelligenciával a zöld áram felé

A gravitációs energiatárolás elve végtelenül egyszerű: ha egy test magasabb helyre kerül, azzal nő a potenciális (helyzeti) energiája, vagyis energiatárolásra alkalmas, míg a test leeresztésével a tárolt energia villamos energiává alakítható. Ennek alapján működnek a szivattyús-tározós erőművek, ahol a test a víz, és ugyanezt igyekeznek kihasználni azok a jobb híján gravitációs energiatároló rendszereknek nevezett létesítmények, amelyek nagy tömegű testek (beton vagy vegyes összetételű nehéz blokkok) emelésére és ejtésére alapozzák működésüket.

A 2017-ben alapított svájci startup, az Energy Vault (EV) „betonerőművét” három éve már bemutattuk, de azóta sok minden történt az akkor még csak egy prototípust bemutató cég életében: 2019-ben 110 millió dollárral szállt be a technológiába a japán SoftBank Vision Fund nevű alapja, egy évvel később felépült a cég első hálózatra kötött toronyrendszere a svájci Ticinóban (5MW / 35MWh kapacitással), még ugyanabban az évben a technológiai úttörők közé választotta a Világgazdasági Fórum, végül idén júniusban a világ egyik legnagyobb energetikai vállalata, a szaúdi Aramco is befektetett az Energy Vaultba.

Az Energy Vault toronyrendszere a svájci TicinóbanFotó: Energy Vault

Az EV jelenleg is működő rendszere egy 110 méteres daruból áll, amelynek hat karja egy mesterséges intelligenciát használó szoftver segítségével a lehető leghatékonyabb módon pakolja egymásra az egyenként 35 tonnás tömböket, amelyek két koncentrikus körben helyezkednek el a daru körül – a belső körből emel a rendszer, majd a külső körben helyezi el a blokkokat, miközben a daru motorja generátorként alakítja villamos energiává a mozgási energiát.

A speciális autonóm irányítórendszernek azért van nagy szerepe, mert az egyenletes teljesítmény érdekében a tömböket folyamatosan mozgatni kell, így az algoritmusnak el kell találnia, hogy melyik blokkot milyen gyorsan kell éppen emelnie, és melyiket leengednie más sebességgel. Ehhez ráadásul figyelembe kell vennie olyan külső és belső tényezőket, mint a széllökések vagy a daru természetes kilengése a blokkok különböző irányú mozgatásából adódóan.

Robert Piconi, a cég vezérigazgatója szerint a technológia legfőbb vonzóereje az lehet, hogy ma már környezetbarátabb módon megvalósítható, mint az kémiai reakcióra épülő, nehezen újrahasznosítható akkumulátoros technológiák. Bár az EV is betonnal kezdte a kísérletezést, ami a cement előállítása révén az üvegházhatású gázok globális kibocsátásának 8 százalékáért felel, azóta sikerült olyan anyagokkal helyettesíteni, amiket nettó zéró kibocsátásúnak tartanak. A blokkok részben helyi anyagokból (talaj, homok, építési törmelék) készülnek, amiket a mexikói cementóriás, a Cemex tavaly bemutatott műbetonjához kevernek.

A ticinói daru hat karjaFotó: Energy Vault

A cégvezető szerint az EV másik nagy előnye az, hogy jóval alacsonyabb a működési költsége az akkumulátoros tárolókénál. Számításaik szerint nagyjából feleannyiba kerül fenntartani egy gravitációs energiatárolót, mint egy ugyanakkora tárolási kapacitású akkumulátortelepet, mivel az utóbbi esetében folyamatosan cserélni kell az elhasználódott cellákat, amelyek újrahasznosítása egyelőre meglehetősen költséges, ráadásul az akkumulátorok felgyorsult terjedése ellenére a lítiumion-újrahasznosítási ipar kialakulása még várat magára. Míg az akkumulátorok élettartamának maximumát 20 évben szokás meghatározni, az EV rendszere a számítások szerint 30 évig is működhet karbantartás nélkül, és ez idő alatt még a kapacitásából sem veszít, az aksikkal ellentétben.

Az ivóvízhiány elkerülésében is fontos szerepe lehet

Ugyan az Aramco befektetésének összegét nem hozták nyilvánosságra, az Energy Vault a közleményben elárulta, a kapott összeget már a legújabb technológiája, az EVx nevű rendszer kiépítésére fordítja, a 2021-es év második felében. A kísérleti prototípus és az első hálózatra kötött bemutató toronyrendszer után ez lesz a cég harmadik létesítménye, amely „lehetővé teszi a megújuló energiaforrások időszakos termeléséből származó energia tárolását gigawattórás léptékben, gazdaságos és fenntartható módon, hogy igény szerint azonnal felhasználható áramot biztosítson.”

A dubaji Mohammed bin Rásid Ál Maktúm naperőmű 1 gigawattos kapacitását 2030-ig 5 gigawattosra tervezik növelni, emellé épülne az Energy Vault 1 gigawattórás EVx tárolókomplexumaForrás: Energy Vault

Az EVx moduláris felépítésének köszönhetően a 10 MWh kapacitású egységekből akár egy több gigawattórás komplexummá is növelhető, ráadásul az egységeknek otthont adó épület (Resiliency Center) ugyanolyan anyagokból épül majd, mint az energiatároló blokkok. Az EVx hatékonysága a hivatalos adatok szerint minimum 85 százalékos, tehát a megtermelt energia 85 százalékát képes visszanyerni – ez a Tesla Powerwall esetében kezdetben 92 százalék (de a kapacitása idővel csökken), míg a szivattyús-tározós erőműveknél 80 százalék körüli.

Az alternatíváknál zöldebb és földrajzi kötöttségek nélkül is elérhető energiatárolási módszer így a lakossági áramszolgáltatás mellett akár olyan iparágaknak is jól jöhet, ahol fontos a folyamatos energiaellátás. Ide tartoznak például az ivóvízhiány elkerülésében kulcsfontosságú sótalanító üzemek, amelyeknek célja, hogy az emberi fogyasztásra nagy mennyiségben, rendszeresen alkalmatlan sós vízből ipari mértékben állítsanak elő ivóvizet, és amelyekkel szemben a legtöbbet hangoztatott kritika, hogy gigantikus mennyiségű áramot fogyasztanak, megállás nélkül.

Az EVx egy másik koncepciójaForrás: Energy Vault

Kína szivattyúz, az USA kísérletezik

A világ két legnagyobb áramfogyasztó országa Kína és az Egyesült Államok (így ketten a teljes globális fogyasztás közel felét teszik ki), de amíg Kína őrült tempóban építi a szivattyús-tározós erőműveket, úgy tűnik, az USA eggyel kísérletezőbb pályát választott. „Szükségünk lesz kémiai, gravitációs, elektrokémiai, és ki tudja még milyen típusú tárolókra. Ha tényleg meg akarjuk valósítani a dekarbonizálást, akkor mindent be kell vetnünk” – mondta idén márciusban az amerikai energiaügyi minisztérium energiatárolás-kutatásait felügyelő igazgatója, Imre Gyuk.

Gyuk, aki 1987 óta áll a minisztérium szolgálatában, elmondta: sürgősen szüksége van az országnak a villamosenergia-hálózatot támogató, hosszabb távú energiatárolásra képes létesítményekre, mivel a hálózatban egyre nagyobb arányban jelen lévő megújuló energiaforrások csak szakaszos termelést tudnak biztosítani. Felhívta a figyelmet a lítiumion-akkumulátorok kapacitását meghaladó alternatív akkumulátorok fejlesztésének fontosságára, valamint kiemelte a cementalapú gravitációs, a sűrített levegős és a vasúti energiatárolók szerepét – utóbbi alatt homokkal vagy kaviccsal töltött vagonokat kell érteni, amik a hegyre felfelé menet tárolják az energiát, lefelé pedig termelik.

Az Advanced Rail Energy Storage terveForrás: ARES

Az ideális hosszú távú energiatárolási mód megtalálása érdekében az energiaügyi minisztérium márciusban azt is bejelentette, hogy 75 millió dolláros költségvetéssel új kutatás-fejlesztési intézetet hoz létre a Washington állambeli Richlandben található telephelyén. A tervek szerint 2025-re felépülő, Grid Storage Launchpad névre hallgató központ 30 különálló kutatóintézetet foglal majd magába.

Az USA új energiaügyi minisztere, Jennifer Granholm hangsúlyozta: „Az új hálózati technológiák bevetésével még több megújuló energiaforrást tudunk bevonni a rendszerbe, támogatni tudjuk az egyre gyarapodó elektromos járműveket, kiszámíthatóbbá és rugalmasabbá tehetjük az áramszolgáltatást, és bebiztosíthatjuk a tiszta energiára alapozott jövőnket.”

A Qubit szerkesztősége azért dolgozik, hogy a magyar nyilvánosság hiteles, alapos és közérthető tudományos ismeretekhez jusson. Tesszük ezt politikamentesen, közszolgálati hevülettel, száznál több kutató és tudós bevonásával. Égető kérdések, dermesztő válságok és zavaros álhírek sűrűjében igyekszünk tartani a fáklyát immár havi bő hétszázezer olvasónknak. Cikkeink ingyen olvashatók, de nem ingyen készülnek. Segítsd a munkánkat!

Kapcsolódó cikkek a Qubiten: