Energiatárolás

Az elektro-kémiai akkumulátorok, azaz az akkumulátorok lehetővé teszik az energia könnyen visszanyerhető formában történő tárolását. Az akkumulátorok előnye a magas energiasűrűség paraméter értéke. Az energiasűrűség az egységnyi tárolt elektromos energia mennyisége, amely térfogati vagy tömegbeli formában is megadható. Az akkumulátorok használatának hátránya az önkisülés, az akkumulátor kopása, amely a paraméterek változásában nyilvánul meg – az úgynevezett akkumulátor öregedése, a hosszú töltési idő, a hőmérséklet hatása az akkumulátorra, valamint bizonyos műszaki megoldások esetén a rövid élettartam.

Az energiatárolókban alkalmazott megoldások esetén kétféle akkumulátort használnak: ólom-savas és lítium-ion akkumulátorokat.

Az energiatárolók típusai

Ólom-savas akkumulátorok körülbelül 70%-os hatásfokot érnek el. Jellemzőjük az alacsony ár, az egyszerű töltőrendszer, valamint a rövid ideig tartó nagyáramú terhelhetőség. Ezért használják őket szünetmentes tápegységekben (UPS). Jelentős hátrányuk a rövid élettartam (körülbelül 1000 töltés-lemerítés ciklus) és felépítésük. Az ólom-savas akkumulátor elektrolitja folyékony állapotban van, ami szivárgáshoz vezethet, ezért az elektrolit utánpótlása szükséges. Ennek a problémának a kiküszöbölésére az ólom-savas akkumulátorokat karbantartásmentes változatban készítik:

• SLA – Sealed Lead Acid – zárt ólom-savas
• VRLA – Valve Regulated Lead – Acid – szelepvezérelt ólom-savas akkumulátorok

Két technológiában gyártják őket:

• Géles akkumulátorok, amelyekben a kénsav vizes oldata szilíciummal keverve gél állagúvá válik, és ez az elegy tölti be az elektrolit szerepét. Ennek a megoldásnak az a hátránya, hogy korlátozza a nagy árammal történő kisütést, ezért kevésbé használják nagy teljesítményű rendszerekben.
• AGM akkumulátorok (Absorbed Glass Mat), amelyekben az elektrolitot egy porózus üvegszálas szeparátor köti meg.

Lítium-ion akkumulátorok (Li-ion) körülbelül 94%-os hatásfokot érnek el. Ezek az elemek a legkönnyebbek közé tartoznak, ezért használják őket elektronikai eszközökben. Az évek során elkezdték alkalmazni őket elektromos járművekben is. Az elektromos járművekben használt akkumulátorok tartósabbak (az akkumulátorok élettartama több évtized, ami töltés-lemerítés ciklusokban akár 1800 ciklust is jelenthet), mint elektronikai megfelelőik, és hűtő- és fűtőrendszerekkel vannak felszerelve. Ezek az elemek gyorsan tölthetők 0-ról 80%-ra 15-30 perc alatt anélkül, hogy ez jelentősen befolyásolná élettartamukat. Az elektromobilitás terén elért eredmények miatt a lítium-ion akkumulátorokat álló energiatárolóként használják megújuló energiaforrások telepítésekor, amelyek jellemzően szabálytalan és instabil működésűek.

Nikkel-metál-hidrid akkumulátorok (NiMH) akár 92%-os hatásfokot is elérnek, élettartamuk pedig akár 2000 töltés-lemerítés ciklus is lehet. Ezeknek az elemeknek legfontosabb előnye, hogy nem tartalmaznak toxikus kadmiumot. Jellemzőjük a magas energiasűrűség, kapacitás és csökkent memóriahatás. Hátrányuk, hogy nem képesek nagy áram leadására. A NiMH akkumulátorok hajlamosak az önkisülésre, azonban a gyártók egyre fejlettebb technológiát alkalmaznak, aminek köszönhetően az önkisülés mértéke csökken.

Induktív teljesítménykompenzáció energiatároló rendszerekkel

A szünetmentes tápegységeket (UPS) fontos fogyasztók áramellátására használják hálózati feszültségkimaradás esetén, illetve érzékeny elemek védelmére a hálózati zavaroktól.

Az UPS rendszerekben kondenzátorokat alkalmaznak, amelyek miatt a hálózatról nem csak aktív, hanem kapacitív meddő teljesítményt is felvesznek. Emellett az újabb konstrukciókban teljesítménytényező korrekciós (PFC) áramköröket alkalmaznak, amelyek csökkentik a magasabb harmonikusokat és ezáltal a meddő teljesítmény felvételét. Ez növeli a cosφ teljesítménytényezőt teljes terhelés mellett. Egy másik megoldás a fázistoló alkalmazása a bemeneti áramkörben, amely a kapacitív meddő teljesítményt nullára csökkenti.

Hogyan épül fel egy elektromos energiatároló?

Az energiatároló rendszer esetében a következő fő komponensek különíthetők el:

• kétirányú inverter – DC/AC és AC/DC átalakító,
• akkumulátortartály – kémiai akkumulátorokból álló egység,
• akkumulátor kezelő (BMS),
• programozható vezérlő – az algoritmusok irányítására szolgál,
• felügyeleti és vizualizációs rendszer (GUI – Graphic User Interface) – amely lehetővé teszi a felhasználó számára a telepítés felügyeletét és irányítását,
• segédelemek, amelyek biztosítják a hálózatra való csatlakozást – például mérőrendszer vagy elkülönítő transzformátor.

Különösen érdemes megvizsgálni a kétirányú invertert. Ez egy DC/AC és AC/DC átalakító, amelynek feladata az akkumulátor töltési és kisütési folyamatának szabályozása, valamint az energiaáramlás irányítása az elektromos hálózat és az energiatároló között. Az inverternek megfelelő feszültségparamétereket kell biztosítania, illetve túlterhelés esetén csúcsáramot kell leadnia. Az eszköznek képesnek kell lennie a hálózattal szinkronizált működésre, illetve áramszünet esetén az energiatároló üzemeltetésére. Az inverternek „vigyáznia” kell az akkumulátorra, azaz a megfelelő töltési karakterisztikák szerint kell töltenie, meg kell akadályoznia a túltöltést, védenie kell a túlmelegedéstől, és meg kell előznie a termikus futást. Az inverternek kommunikálnia kell az akkumulátor felügyeleti rendszerével (BMS), valamint biztosítania kell a rendszer galvanikus leválasztását például kimeneti transzformátor alkalmazásával.

Fotovoltaika – energiatárolók, amelyek növelik a megtérülést

Az a megoldás, amely növeli a napelemes rendszerek megtérülését, az energiatárolók alkalmazása. A fotovoltaika ilyen eszközökkel felszerelve a többletként termelt áramot nem a hálózatba táplálja vissza, hanem akkumulátorokban, például nikkel-metál-hidrid (Ni-MH) vagy egyre gyakrabban lítium-ion (Li-ion) akkumulátorokban tárolja. Ennek köszönhetően az energia bármikor felhasználható, elkerülve a prosumer elszámolási szabályok kellemetlenségeit. Az energiatároló a fotovoltaikus rendszerrel felszerelt épületet függetlenné teszi a hálózati ellátástól. Az áram használata így ténylegesen ingyenessé válik.

Milyen követelményeket támaszt a fotovoltaika? – energiatároló napelemes rendszerekhez

A PV-rendszerekhez kiválasztott akkumulátoroknak meg kell felelniük a fotovoltaika specifikus követelményeinek. A DACPOL kínálatában lévő energiatárolók elsősorban kapacitásuk alapján vannak kiválasztva. A kapacitásnak igazodnia kell a rendszer összteljesítményéhez. Általánosan elfogadott, hogy 1 W kWp rendszerhez 1–1,5 kWh kapacitás szükséges.

A második fontos paraméter a teljesítmény, amely azt határozza meg, hogy hány eszközt képes egyszerre táplálni az energiatároló. A fotovoltaikus rendszereket a ház energiaigénye alapján választják ki, és az akkumulátorok esetében is így kell eljárni. Ezáltal az akkumulátor nem csak az OZE rendszerből származó energia tárolására használható, hanem vészhelyzeti táplálásra is.

Nem kevésbé fontos a hatékonyság és az akkumulátorok teljesítménye. A DACPOL háztartási energiatárolóiban a következő akkumulátorokat szerelik be:

• lítium-ion akkumulátorok, amelyek a legmagasabb hatásfokot kínálják,
• nikkel-metál-hidrid akkumulátorok, amelyek valamivel alacsonyabb hatásfokkal rendelkeznek.

Ezekkel az akkumulátorokkal felszerelt energiatárolók hatékony és megbízható működést biztosítanak a fotovoltaikus rendszerek, valamint az általuk táplált eszközök számára.

Ólom-savas akkumulátorokkal szerelt energiatárolók és fotovoltaika

Ólom-savas akkumulátorokkal szerelt energiatárolók nem ajánlottak fotovoltaikus rendszerekkel együtt használni. Alacsony élettartamuk miatt, amely a töltés ciklusokkal szembeni alacsony ellenállásukból fakad, nem megfelelőek erre a célra. Emellett magas hőmérsékleten gyorsan vesztik kapacitásukat, és viszonylag nagy méretük miatt nagy teljesítményű energiatárolók sok helyet foglalnak el.