Sűrített levegő tárolása villamosenergia-termelés céljából: a megújuló energia jövője

Ma a kutatók innovatív megoldásokat keresnek a megújuló energiaforrások egyik legnagyobb kihívásának, a hatékony energiatárolásnak a leküzdésére. A legígéretesebb javaslatok közé tartozik a sűrített levegő tárolása villamos energia előállítására (CAES), egy olyan technológia, amely egyfajta óriási akkumulátorként működhet a megújuló források, például a szél és a nap által termelt felesleges energia tárolására.

Ez a fajta energiatárolás a sűrített levegőt használja a felesleges energia tárolásának elsődleges eszközeként, későbbi felhasználásra a csúcsigény idején, vagy amikor a megújulók nem termelnek villamos energiát. E koncepció szerint nagy mennyiségű levegő sűríthető össze és tárolható földalatti üregekben vagy tartályokban, majd kiengedhető, és szükség esetén elektromos áram előállítására használható fel.

A RICAS 2020 projekt

elnevezésű európai projekt RICH 2020 felhasználásának feltárását célozza lezárt földalatti barlangok sűrített levegő tárolására, kihasználva a világ különböző részein meglévő infrastruktúrát, például felhagyott bányákat vagy természetes üregeket. A projekt mögött álló tudósok szerint ezek a barlangok tökéletes környezetet kínálnak nagy mennyiségű nagynyomású levegő tárolására.

A RICAS 2020 fő gondolata, hogy kihasználjuk azokat a pillanatokat, amikor a megújuló energia meghaladja a keresletet. Például, amikor a nap- vagy szélenergia-termelés csúcspontja van, amely egyébként kárba vész. Ezekben az energiatöbblet pillanataiban a felesleges energia hozzászokik levegőt összenyomni és tárold a lezárt barlangokban. Ezután, amikor a rendszernek villamos energiát kell termelnie, a sűrített levegőt felszabadítják, és egy turbinán keresztül áramot termelnek.

A megújuló energiákban való tárolás problémája

A megújuló energiaforrások terén az egyik legfontosabb megoldandó kihívás, hogy a hagyományos energiaforrásokkal ellentétben ezek előállítása szakaszos. A szél nem mindig fúj és nem mindig süt a nap, vagyis van, amikor nem termelnek elegendő megújuló energiát a kereslet kielégítésére.

Ez a probléma a napelemes fotovoltaikában részben megoldódott az akkumulátorok fejlődésének köszönhetően, de a szélenergia tárolása egyértelmű megoldás nélkül továbbra is kihívást jelent. Itt van a sűrített levegő tárolása, amely alternatívát kínál a szélenergia tárolására, ha nincs azonnali áramigény.

Ez a fajta technológia rendelkezik a növekvő jelentősége a globális energiapiacon, mivel az energiatárolás iránti globális kereslet várhatóan jelentősen megnő, ahogy a hálózatok több megújuló energiát kívánnak integrálni. A hatékony és méretezhető tárolási megoldások iránti igény csak nőtt, így a projektek hasonlóvá válnak RICH 2020 jelentős figyelmet kaptak.

A szivattyús víztárolás hatékonysága

A mai napig a szivattyús víztározó volt az egyik legszélesebb körben alkalmazott megoldás a nagyméretű energiatárolásra. Ez a rendszer úgy működik, hogy alacsony szükségletű órákban vizet pumpál egy alacsonyabb tározóból egy magasabbba, majd a vizet turbinákon keresztül engedi át, amikor a kereslet csúcsa van.

Ennek a rendszernek az egyik fő hátránya az csak hegyvidéki vidékeken valósítható meg, amely korlátozza alkalmazását azokban az országokban, amelyek földrajzi elhelyezkedésük miatt nem használhatják a vízi tárolót. Ez a helyzet sok olyan ország esetében, ahol nincsenek meg a szükséges domborzati feltételek, ami nem történik meg a levegőtároló rendszerrel.

A sűrített levegő rendszer működése

A sűrített levegős tároló (CAES) viszonylag egyszerűen működik. Alacsony energiaigényű időszakokban a levegő összenyomódik és tárolódik földalatti barlangok o túlnyomásos tartályok. Amikor villamos energiát kell termelni, a tárolt levegőt felszabadítják, és turbinákon keresztül kitágulják elektromos energiát termelve.

Ez a rendszer koncepciójában hasonlít valami olyan hétköznapi dologhoz, mint a bicikli pumpa. Amikor levegőt pumpálnak a gumiabroncsba, a nyomás megnő, és amikor felszabadul, a sűrített levegőben tárolt energia mozgási energiává alakul át, és előre hajtja a kerékpárt.

Energiatárolás esetén a megújuló forrásokból származó többlet villamos energiát levegő sűrítésére használják, amelyet a föld alatt tárolnak. Amikor erre az energiára ismét szükség van, a levegőt egy gázturbinán keresztül szabadítják fel, hogy elektromosságot termeljenek. A tömörítési folyamat során nagy mennyiségű hő keletkezik, ami olyan hatékonysági problémákat vet fel, amelyek kutatás tárgyát képezték.

Hatékonysági problémák a jelenlegi rendszerekben

Jelenleg a legnagyobb sűrített levegő tároló rendszerek az Egyesült Államokban és Németországban találhatók. Ezek a rendszerek használnak földalatti sóképződmények hatalmas mennyiségű levegő nyomás alatti tárolására. Van azonban egy jelentős hátrányuk: sok energiát veszítenek hő formájában a levegő összenyomása során.

A probléma az, hogy ezek a rendszerek nincsenek felszerelve hatékony technológiákkal a kompressziós folyamat során keletkező hő megőrzésére. Ez a tárolt potenciális energia jelentős részének elvesztéséhez vezet, ami csökkenti a rendszer általános hatékonyságát.

Megoldások a hatékonyság növelésére a RICAS 2020 révén

A RICAS 2020 projekt innovatív megoldást javasolt a sűrített levegős tárolórendszerek hatékonyságának javítására. A kulcs benne van tárolja a tömörítés során keletkező hőt az energiaveszteségek csökkentésére.

Az innováció abból áll, hogy a forró sűrített levegőt a különálló barlang, tele zúzott sziklával. A kőzetek elnyelik a préselés során keletkező hőt és megtartják azt. Amikor sűrített levegőt használnak elektromos áram előállítására, az először ismét áthalad a sziklákon, lehetővé téve ezt hő visszanyerése és növeli a rendszer hatékonyságát.

Ezzel a fejlesztéssel a RICAS 2020 mérnökei úgy becsülik, hogy a tárolórendszerek teljes hatékonyságát akár akár 70-80%, jelentős előrelépés a jelenlegi rendszerekhez képest, amelyek csak a 45-55% hatékonyságának.

Egyéb CAES tárolórendszerek

Számos típusú CAES-rendszer létezik, amelyek főként abban különböznek egymástól, hogy hogyan kezelik a légsűrítés során keletkező hőt:

• adiabatikus CAES: Ez a fajta rendszer tárolja a levegő sűrítése során keletkező hőt, és később azt használja fel a levegő felmelegítésére, amikor az a turbinában kitágul. Ez jelentősen növeli a rendszer hatékonyságát.
• diabatikus CAES: A hő tárolása helyett a diabatikus rendszer hulladéktermékként elvezeti azt. Amikor levegőt kell kiengedni, azt külső forrással (pl. földgáz) kell felmelegíteni, ami csökkenti a hatékonyságot.
• CAES izoterm: Elméletileg ez a leghatékonyabb rendszer, mivel a levegő tömörítése és tágulása is állandó hőmérsékleten történik. A teljesen hatékony izoterm rendszer megvalósításának technológiája azonban még nincs kidolgozva.

Tárolási kapacitások és valós tokok

Jelenleg két nagy sűrített levegős energiatároló üzem működik kereskedelmi forgalomban:

• Huntorf, Németország: Ez volt az első olyan üzem, amely kereskedelmi méretekben alkalmazta a CAES technológiát. Kapacitása van 321 MW és hatékonynak bizonyult a szélenergia-termelés változékonyságának kezelésében.
• McIntosh, Egyesült Államok: 1991 óta üzemel, kapacitása 110 MW. Rekuperátorral előmelegíti a sűrített levegőt a tágulás előtt, a földgázt pedig kiegészítő energiaforrásként használja a hatékonyság javítása érdekében.

Mindkét üzem földgázt igényel a sűrített levegő expanziója során szükséges hő előállításához. Bár energia szempontjából fenntarthatóak, a kutatás továbbra is olyan alternatívákat talál, amelyek nem függnek a fosszilis tüzelőanyagoktól.

CAES potenciál a jövőben

Mivel az országok a megújuló energia nagyobb elterjedésére törekszenek, a sűrített levegős energiatárolás kulcsszerepet játszhat. A RICAS 2020 által javasolt innovációkkal a CAES életképes és hatékony megoldássá válhat nagy mennyiségű energia alacsony költséggel történő tárolására.

A földalatti barlangok használata, a hővisszatartás nagyobb hatékonysága és a meglévő technológiák új alkalmazásokhoz való felhasználásának lehetősége a sűrített levegő tárolását a következő években nagy lehetőségeket rejtő technológiává teszi. A fenntarthatóság és az energiahatékonyság javítása megváltoztathatja az energiagazdálkodást a jövőben.

Ennek a technológiának a folyamatos fejlődésével hamarosan olyan előrelépéseket láthatunk, amelyek legyőzik a megújuló energiatárolás jelenlegi kihívásait, ezáltal biztosítva a stabil és fenntartható energiaellátást a következő generációk számára.