Get Adobe Flash player

Fülöp Zoltán
okl. villamosmérnök
EnerSys Hungária Kft.

A cikk összegzi a napelemes és szélerőműves áramellátó rendszerek akkumulátoraival szembeni elvárásokat és információkat szolgáltat a lehetséges és gyakorlatban alkalmazható megoldásokról.

The article summarizes the battery requirements of the solar and wind generators, and informs about the possible and practically available solutions.

 

Előszó

Életünk csaknem minden területét behálózzák a villamos árammal működő berendezések, eszközök, legyenek azok személyes használati tárgyak (kommunikációs eszközök, szórakoztató elektronikai berendezéseink stb.), háztartási eszközök (mosógép, konyhai készülékek stb.), közterületek villamos berendezései (közvilágítási hálózat, reklámhirdetések, információs táblák stb.), közlekedési járművek (metró, villamos, troli stb.) és számos egyéb eszköz, berendezés.

A XX. század végére, a XXI. század elejére csaknem mindenhol (a fejlett világban) elérhető a vezetékes villamos hálózat. Azért csaknem, mert van olyan terület, amit „nem éri meg”, amit nem lehet vagy egyszerűen nem akarnak ilyen módon ellátni. De legtöbbször ezeken a területeken is szükség van az elektromos energiára, mivel annyira hozzászoktunk már a jelenlétéhez, hogy nincs más kényelmes alternatív megoldásunk illetve eszközünk.

A villamos áram egyik jellegzetességéből fakadóan a megtermelt villamos energiát vagy el kell használni, vagy el kell tárolni (akkumulálni), hogy az a későbbiekben felhasználható legyen. Jelen írásom azt kívánja megmutatni, hogy a hálózattól független, szigetüzemű kiserőművek esetén melyek a kémiai alapú energiatárolás szempontjai.
Szigetüzemű energiatermelés

A szigetüzemű energia ellátás egyik legelterjedtebb formája az aggregátoros villamos energia termelés. Előnye, hogy folyamatos energiaellátást képes biztosítani szünet nélkül, ha az üzemanyag rendelkezésre áll. Ennek az óriási előnynek, a későbbiekben látható egyéb megoldásokkal szemben ugyanakkor rengeteg hátránya van. Mivel e megtermelt energia termelése és elhasználása sok esetben nem esik egy időbe, ezért sok üresjárat, felesleges működés történik, aminek eredményeképpen szükségtelenül megnő a termelés költsége. Környezetvédelmi szempontból ezek a berendezések hangosak, zajosak illetve feleslegesen szennyezik különféle gázokkal a környezetet sok esetben ott, ahol ez a legkevésbé sem lenne célszerű – pl. tájvédelmi körzetek stb. A villamos hálózattól távoli helyek messze esnek a közlekedési útvonalaktól is, így azok üzemanyag ellátása illetve a helyszínen üzemanyag tárolása csak körülményesen oldható meg. Az aggregátorok másik jellemzője, hogy rendszeres karbantartást igényelnek, ami tovább nehezíti üzemeltetésüket. Kézenfekvő megoldást kínál, ha a rendszert kiegészítik akkumulátoros tároló egységgel (akkumulátor, akkumulátor töltő, esetleg inverter), mert így jelentősen csökkenthetőek a felesleges üzemek, az abból fakadó üzemanyag fogyasztás, növelhető a karbantartási intervallum és végül, de nem utolsó sorban a környezet terhelése. Az ilyen rendszereket nevezzük hibrid alkalmazásoknak.

A XX. század végén a napelemek tömeges megjelenésével párhuzamosan egyre több napelemes hibrid kiserőmű terjedt el. Ennek az energia termelési forrásnak a legnagyobb előnye az aggregátoros rendszerrel szemben, hogy csaknem teljesen zöld energiát használ (azért csaknem, mert magának a napelemnek az előállítása energiaigényes és nem éppen környezetbarát technológiát használ). Magának a termelésnek semmilyen a környezetre káros hatása nincs, az energia forrása gyakorlatilag – emberi léptékkel – kimeríthetetlen. Óriási előnye még, hogy gyakorlatilag nem igényel karbantartást és nem kell az energiahordozóval foglalkozni. Sajnos, mint minden jó megoldásnak, ennek is van árny oldala. A nap, mint energiaforrás csak időszakosan áll rendelkezésre (nappal) és akkor sem mindig felhőtlenül, sőt a téli hónapokban ez a rendelkezésre állás még korlátozottabb – a rövidebb nappalok miatt, illetve ha a hó betakarja a napelem felületét. Az elsődleges problémát, hogy az energiaforrás időszakos jellegű, csak valamilyen energiatároló (akkumulátor) segítségével lehet áthidalni.

Egy másik zöld energiát hasznosító erőmű a szélgenerátoros erőmű. Mivel a szél energiáját hasznosítja, így káros hatása nincs a természetre, leszámítva a szélgenerátor forgó lapátjának a madarakat veszélyeztető mozgását. A napelemes rendszerrel szemben előnye, hogy az energia forrása nem napszakhoz kötött, nem befolyásolja borult idő, a téli időjárás. Hátránya, hogy szeszélyes, sokszor kiszámíthatatlanul áll rendelkezésre. Ezért alkalmazása csak „szeles helyeken” célszerű. Karbantartása alig jelent több gondot, mint a napelemes rendszereké. A kiszámíthatatlanságából fakadóan ez a rendszer is csak energiatárolóval együtt képes folyamatos energiaellátást biztosítani.

Jelenleg még gyerekcipőben járó, még sok fejlesztést igénylő kiserőműves technológia lehet az üzemanyagcella alkalmazása. A technológia a zöld energiákat hasznosító vízbontáson, majd a keletkezett gázok (H2 és O2) újból vízzé történő átalakításán alapul. A technológia kihívása elsődlegesen a hidrogén tárolása illetve a villamos energiatermelő elem hatásfokában, hatékonyságában van. Az energia akkumulációja a villamos úton bontott gázok tárolásával történik ebben az esetben. Jelenleg ezek a rendszerek elsősorban a bekerülési költségük és élettartamuk miatt még nem terjedtek el. Ettől függetlenül az üzemanyag cellák esetében is szükség van „hagyományos” energiatárolóra, akkumulátorra, de nem a megtermelt energia tárolása, hanem a biztonságos üzemvitel fenntartásához.

A fenti szigetüzemű rendszerek közös tulajdonsága, hogy a folyamatos és hatékony energiaellátás biztosítása érdekében akkumulátoros alátámasztást igényelnek. A megtermelt energia időszakossága és felhasználás időbelisége, igénye sok esetben nem esik egybe, így általános elvként kijelenthető, hogy „töltsd az akkumulátort, amikor az energia rendelkezésre áll és használd, amikor szükség van rá”. Ez az akkumulátor felé mindenképpen ciklikus igénybevételt jelent, ami azt jelenti, hogy rendszeresen töltjük és kisütjük, szemben a pufferüzemű alkalmazásokkal.
Energiatárolási elvárások

A szigetüzem az energiatárolókkal szemben különféle igényeket támaszt, de figyelembe kell venni az energiatárolók sajátosságait is. Az igénybevételnek leginkább megfelelő energiatárolási megoldást, akkumulátor típust kell választani. Meg kell határozni, hogy az energiaforrás sajátosságai és a felhasználás körülményei milyen ciklikus üzemvitelt tesznek lehetővé (mi lesz a napi, heti, éves ciklusok száma), a ciklikus üzem mellett elképzelhető-e puffer üzem és ha igen milyen időintervallumban. A ciklikus terhelésnek mekkora lesz az átlagos kisütési mélysége (DOD), hosszútávon kialakulhat-e rész töltöttségi állapot (PSOC). Az átlagos terhelések mellett mekkora terhelési csúcsokat kell lefedni. Fontos szempont, hogy meghatározzuk, hogy mennyi ideig kell a rendszernek energiával ellátni a fogyasztókat – mekkora legyen az áthidalási idő –, mindenféle töltés nélkül (amikor az energiaforrás nem áll rendelkezésre vagy csak erősen korlátozottan). Ehhez pontosan ismerni kell a fogyasztók energiaigényét, működtetési sajátosságait.

A hibrid rendszerek esetén az egyik legfontosabb szempont, hogy a rendszer energiamérlege pozitív legyen adott időszakban, az időszak hosszának meghatározása esetén mindenképp az áthidalási időt meghaladó időtávot kell választani. Negatív mérleg esetén a rendszer nem fog tudni folyamatosan működni, hiszen több energia fogy el, mint ami termelődik, a rendszer kiürül. Erősen pozitív esetben túlméreteztük a rendszerünket, feleslegesen többet költöttünk rá. Az energiamérlegben fontos szempont, hogy milyen a rendszer visszatöltődési képessége, mit visel el károsodás nélkül az energiatároló, mit képes az energiatermelő egység leadni az energiatárolónak.
Az energiatároló jellegzetessége befolyásolja a töltés-kisütést: milyen töltési karakterisztikával tölthető, mennyire befolyásolja a jelleggörbét egyéb környezeti hatás, pl. a tároló hőmérséklete, kell-e korlátozni a töltőáram értékét stb.; a kisütésre vonatkozóan is vannak, lehetnek korlátok, hiszen a kisütés mélysége, mértéke sok esetben nem tetszőleges.

A hibrid rendszerek, mint azt említettem, sok esetben távol esnek forgalmas útvonalaktól, ami megnehezíti a rendszer karbantartását. Ezért csak olyan energiatárolók jöhetnek szóba, amelyek a szigetüzemű berendezés egyéb egységeinek karbantartási intervallumával szinkronban vannak. Akkumulátorok esetén ezért csaknem kizárólag karbantartás mentes akkumulátor jöhet szóba – ez a szakmában azt jelenti, hogy rendszeres vízutántöltést és egyéb speciális napi, heti, havi ellenőrzést nem igényel. A karbantartási igény csökkentésével jelentős kiadások takaríthatók meg.

A szigetüzemű rendszerek elhelyezése során tekintetbe kell venni a helyi sajátosságokat: kültéri, beltéri elhelyezés; várható környezeti hőmérséklettartomány; rendszer megközelíthetősége. A szempontok nagyban befolyásolják, hogy milyen tárolót célszerű kiválasztani.

Végül, de nem utolsó sorban az elvárások szintéziseként az energiatároló elvárt élettartama egyezzen meg a rendszer élettartamával. Ez egyben előfeltétele a problémamentes üzemeltetésnek.
Az akkumulátorok meghatározó kémiai technológiái

A szigetüzemű rendszerek energiatárolásában egyeduralkodó technológia a savas-ólom és a lúgos NiCd, de az utóbbi időben egyre nagyobb teret követelő technológia a Li-ion akkumulátor.

A legelterjedtebb technológia a savas-ólom akkumulátor, a szigetüzemű rendszerek 90-95%-a ilyen akkumulátorokkal van ellátva. A kivitelt többféleképpen csoportosítják: az elektrolit „állapota” illetve ezzel összefüggésben lévő zártsága; az akkumulátorban használt rácsólom ötvözete, összetétele; esetleg a pozitív elektróda gyártástechnológiája vagy a szeparátor fajtája szerint; a karbantartás igénye és végül, de nem utolsó sorban az elvárt élettartama szerint. A fenti osztályok nem egy esetben kizáró okai egymásnak, míg más esetben egymást kiegészítő jellemzők.

Talán a legfontosabb, a köznyelvben leggyakoribb csoportosítás a zárt illetve nyitott akkumulátor kategória, ami az akkumulátor celláinak belsejéhez való hozzáférést jellemzi. A zárt (VRLA akkumulátor) itt azt jelenti, hogy a cella belsejét egy úgynevezett szelep zárja el, ami alapvetően a cellában a töltés során keletkező gázok kiengedését biztosítja, ha az egy meghatározott nyomást meghalad (a légköri nyomásnál nagyobb értéket), ez biztosítja, hogy kívülről nem juthat idegen gáz a cella belsejébe. Kijelenthető, hogy a nyitott akkumulátorok folyadék elektrolitúak, míg a zárt akkumulátorok vagy zselések – GEL, vagy filcesek – AGM. Ez utóbbi a cellán belüli higított kénsav „tárolását, tárolóját” jelenti.

Másik elterjedt kategória a lemezkialakítás csoportosítása, e szerint (a teljesség igénye nélkül) a kent lemezes, páncélelektródás, nagyfelületű vagy más néven Groe, Plante illetve a rúdelektródás akkumulátor. Ezen akkumulátorok elektródáinak mindegyike gyakorlatilag ólomöntéses technológiával készül, ami megköveteli, hogy a „puha” ólmot ötvözzék, hogy megfelelő szilárdságot kapjunk. Így létezik kalcium és/vagy ón ötvözetű valamint antimonos ötvözetű akkumulátor. Az utóbbi időben terjed az un. színólom technológia. TPPL (thin plate pure lead), amely során a lemezek kialakítása nem öntéses, hanem hengerléses és „kivágásos” technológiával készül. Az eredmény nagyobb energiasűrűség, jobb dinamikus tulajdonságok, hosszabb élettartam, rövidebb töltési idő. A TPPL technológia csak VRLA és AGM technológiával alkalmazható.

Egy másik, elsősorban szélsőséges üzemeltetési körülmények között alkalmazott kémiai technológia a lúgos NiCd akkumulátor. A szélsőséges alkalmazás a 40°C feletti és –10°C alatti illetve az extrém nagyáramú, teljesítményű és rövid idejű alkalmazás. Ezért ez a technológia elsősorban a hideg égövi vagy mediterrán, trópusi területeken terjedt el. Az ipari alkalmazásokban elsősorban a nyitott rendszerek dominálnak, azon belül is a táskás (pocket plate) szerkezetű NiCd. Létezik még a “sinter plate”, FNC technológia, amely jobb energiasűrűsége miatt keresett. Zárt rendszerű akkumulátorban a PBE (plastic bounded electrodes) terjedt el.

A feltörekvő és teret követelő Li-ion technológia elterjedését a relatív magas ár korlátozza, de ott ahol a kirívóan extrém körülmények megkövetelik – kis méret és tömegigény, nagy energiasűrűség, extrém rövid idejű csúcsterhelések és töltési kívánalom, szélsőséges üzemeltetési hőmérséklet – már létjogosultságot nyert. Elterjedt az un. NCA, litium-cobalt-nickel-oxide, litium-mangán-oxide, melynek 3,6V a névleges cellafeszültsége, illetve a 3,2V-os litium-iron-phosphate vegyületű litium akkumulátor. Ezek mindegyike csak zárt kivitelben létezik. Biztonsági szempontok miatt ezek az akkumulátorok csak felügyeleti eszközzel (BMS) kerülnek forgalomba.
Akkumulátorok jellemzése

A különféle technológiájú akkumulátorok más és más műszaki jellemzőkkel bírnak. Ezeket a tulajdonságokat villamos, mechanikai, töltés-kisütési, karbantartás igény illetve élettartam elvárások szerint csoportosítjuk.

A villamos paraméterek között kell megemlíteni az akkumulátor névleges feszültségét, az ahhoz szorosan kapcsolódó üzemi feszültség tartományt, az akkumulátor névleges kapacitását – a valóságos mutatott kapacitás terhelés és kisütési idő függő – a telep belső ellenállását és végül, de nem utolsó sorban az akkumulátor zárlati áramát. Idekapcsolható, de attól mégis elkülönítve kell kezelni a töltési-kisütési karakterisztikát és a megengedett üzemeltetési hőmérséklet tartományt (1. ábra).

 

ener1

  1. ábra

A kisütés során az alkalmazott terhelés függvényében változik az akkumulátor kapacitása. Névleges terheléshez képest erősebb kisütés kisebb, gyengébb kisütés nagyobb kapacitást mutat, ráadásul ezt az akkumulátor hőmérséklete is befolyásolja. Itt kell megemlíteni, hogy a terhelés mértékétől függ a kisütési végfeszültség értéke, ami a savas-ólom illetve a Li-ion akkumulátorok esetében kritikus, előbbi esetben a gyakori mélykisütés a telep kapacitásának csökkenését okozza és végül tönkremenetelét, utóbbi esetében biztonsági kockázatokat rejt magában a mélykisütés. Hideg akkumulátor rosszabbul teljesít, általánosan kijelenthető, hogy -10°C- +25°C között a savas-ólom akkumulátor 1%-ot veszít fokonként a kapacitásából (2. ábra).

 

ener2

2. ábra

 

A töltési karakterisztika áram illetve feszültség korlátja szabja meg, hogy milyen gyorsan lehet egy akkumulátort feltölteni. Minél magasabbak ezek az érékek annál gyorsabb a töltődés. A gyorstöltés egyik korlátja az akkumulátor technológiájából fakadó belső ellenállás, mivel gyorstöltés esetén a belső veszteség az akkumulátor hőmérsékletét töltésenként akár több, mint 10°-kal is emelheti, így ciklikus, napi töltés-kisütés alkalmazásával gyorsan elérhető a megengedett felső hőmérséklet korlát, ami felett egyáltalán nem megengedett a működés. A zárlati áram érékét is befolyásolja a telep belső ellenállása, értékét teljesen feltöltött állapotra és általában 20°C-on adják meg.

A hőmérséklet az akkumulátor minden villamos paraméterét befolyásolja, ezért törekedni kell az optimális érték tartására. A magasabb hőmérséklet csökkenti az akkumulátor élettartamát belső korróziós jelenségek katalizálásával, illetve savas és lúgos akkumulátorok esetén növeli a vízbontást, szeleppel zárt akkumulátorok esetén elősegíti a gyorsabb kiszáradást. Az alacsonyabb hőmérséklet csökkenti az akkumulátor teljesítőképességét. Mindkét irányú hőmérséklet eltérés esetén kompenzálni kell a töltési karakterisztika töltési feszültség értékét az optimálisabb, a hosszabb élettartamot biztosító, kíméletesebb töltés érdekében. Kompenzálás nélkül a hideg akkumulátor nem fog feltöltődni, a meleg akkumulátor még melegebb lesz. A két eset egyformán káros, főleg a savas akkumulátorok esetén. A különféle gyártmánykatalógusok megadják, hogy a felsorolt fizikai paramétereket hogyan befolyásolja a hőmérséklet, illetve hogyan kell változtatni a töltési karakterisztikát.

Mechanikai tulajdonság az alkalmazott edény mérete, az akkumulátor tömege, elektromos kivezetők kialakítása – felső kivezetéses, „front” kivezetéses kialakítás; csavaros, menetes stb. – az edény anyaga – tűzálló stb. – pedig a különféle előírások miatt fontos. Savas és lúgos akkumulátorok esetén szempont a gázelvezetés kialakítása.

Karbantartás igény szempontjából megkülönböztetünk karbantartás mentes (zárt akkumulátor) és karbantartás szegény (szellőződugóval zárt, nyitott) akkumulátorokat. Minden olyan akkumulátor, amely zárt, nem igényel vízutántöltést, sőt nem lehet azokba üzemszerűen pótolni az elfogyasztott, elbontott vizet. A nyitott telepek a katalóguslapban megadott időközönként (heti, havi, éves) rendszeres vízutántöltést igényelnek. A víz csak desztillált vagy ioncserélt víz lehet, és vezetőképessége kisebb kell, hogy legyen, mint 30mS.

Az élettartam elvárás során két féle kategóriát kell megkülönböztetnünk: időtartam és ciklusszám szerintit. Ez utóbbinak elsődleges szerepe van a szigetüzemű áramellátásban, mivel mint azt már korábban említettem, rendszeresen ki kell sütni és feltölteni az akkumulátort. A ciklikus alkalmazás során a ciklusok száma függ az akkumulátor kisütésének mélységétől (3. ábra).

 

ener3

3. ábra

Méretezés

Az alábbi méretezés egy lehetséges szigetüzemű, tisztán napelemes energiaforrással rendelkező kiserőmű akkumulátorának kiválasztását mutatja be. A kiinduló adatok a következők.

A kiserőművel szemben támasztott átlagos teljesítmény igény 290W (Pátl), csúcsterhelés 1450W (Pcsúcs) 10 perc. Minimálisan elvárt áthidalási idő 24h (táth) átlagos terhelés esetén. Környezeti hőmérséklet 10-50°C. Maximális töltési idő 8 óra (tT) 80%-os kisütésről (80% DOD). Az akkumulátort közös szekrénybe kell elhelyezni több más elektromos eszközzel együtt. A DC áramkör megengedett legnagyobb feszültsége 30V, legkisebb 21V.

A megadott paraméterek alapján csak zárt VRLA akkumulátor jöhet szóba – közös szekrényben elhelyezés és a 8 órán belüli feltöltés miatt. A zárt akkumulátorokon belül lehet savas-ólom, Pb-TPPL vagy Li-ion. A számítást a Pb-TPPL VRLA, AGM technológiájú akkumulátorra végezzük el.

Az akkumulátor kiválasztása a szükséges kapacitás meghatározása alapján:
Energiaszükséglet (E24):
E24= Pátl x táth = 290W x 24h = 6,96 kWh

Az átlagos kisütési feszültség 24 óránál nagyobb illetve 36 óránál kisebb kisütés esetén 80% DOD mellett 23,8V (1,98V/cella).
E24= Uátl x C24č C24= E24 / Uátl = 294Ah

Tekintettel arra, hogy ezt 10°C-os akkumulátor hőmérséklet esetén is biztosítani kell – mint legkedvezőtlenebb eset -, illetve a katalógus 100%-os kapacitás értéket ad meg, ezért ezt átszámítjuk 20°C-ra (1,02-es korrekció) és névleges C10 kapacitás értékre (0,8-es korrekció) – ezeket az adatok az akkumulátor adatlapja tartalmazza:
C10 = C24 / 1,02 / 360 = 375 Ah

Ez megfelel 2db párhuzamosan kapcsolt 2db soros kötésű SBS190F típusú zárt, filcben felitatott, szeleppel zárt akkumulátornak. A fenti számítást alátámasztó számítógépes méretezés diagramját a 4. ábra mutatja.

 

ener4

4. ábra

 

Amennyiben a 24 órás áthidalást követően lenne szükség a tíz perces 1450W teljesítmény leadására, az akkumulátor arra is képes lenne, lásd 5. ábra.

 

ener5

5. ábra

 

Az SBS 190F tip. akkumulátor megengedi, hogy gyors töltéssel 2,4V/cella feszültség mellett, akár 0,5C10 áramkorláttal lehessen tölteni. A nyolc órás töltéshez elégséges 0,2 C10 áramkorlátot tartani. Az energiaforrásnak, napelemnek fedeznie kell a fogyasztói igényt (EF) és a visszatöltés energiaigényét (EV). Ennek megfelelően:

E= EF + EV = 290W + 12 x 2,4V x 72A = 2364W

Ha eltekintünk attól az esettől, hogy a napelemet tartósan hó takarja be, akkor már csak azt kell meghatároznunk, hogy a kiszámított teljesítményt mekkora fényintenzitás mellett (teljesen napos, félig napos, csak szórt fény) legyen képes a rendszer előállítani. Félig napos méretezést alkalmazva nem okoz gondot, ha teljes besugárzás történik, mert legfeljebb még gyorsabban töltődik az akkumulátor a feszültség korlát eléréséig. 2400W teljesítményhez 10-12 napelem alkalmazására van szükség.

A gyorstöltési feszültség értékét -0,004 V/°C értékkel kell kompenzálni, amennyiben a hőmérséklet eltér a 20°C-tól (beállított gyorstöltési feszültség 2,4V/cella.) Ezért célszerű valamilyen feszültség stabilizátort és/vagy DC/DC konverter iktatni a rendszerbe, ami hőmérséklet vezérelt módon tudja tölteni az akkumulátort.

A téli hónapokban az akkumulátorok várhatón átlagosan 50-60%-os kisütést fognak elszenvedni és többször kialakulhat egy-két hetes intervallumban részleges töltöttségi állapot is. A nyári hónapokban éppen az ellenkezőjét fogjuk tapasztalni, inkább csak 30%-os kisütések lesznek. Így várhatóan a telep ciklikus élettartam szempontjából 3000 ciklust fog tudni teljesíteni, ami kb. 8 évnek felel meg. Ezt csak az ronthatja, ha az akkumulátor huzamosabb ideg lesz kitéve 30°C-ot meghaladó üzemi hőmérsékletnek.

Az akkumulátor mélykisütés védelmét 1,8-1,85V/cella értéken célszerű meghúzni, mert így jelentősen megnövelhető az élettartam.

A telep kialakítása kifejezetten támogatja a szekrényben történő elhelyezést, mert a végkivezetések előlaphoz közel kerültek elhelyezésre. Összeszerelésük így front terminálosan történik, ami megkönnyíti a rendszeres ellenőrzések elvégzését is. A kialakítás maximális helykihasználást tesz lehetővé.