Energiaellts s gazdlkods Energiatrols Dr Hartmann Blint hartmann

Energiaellátás és gazdálkodás Energiatárolás Dr. Hartmann Bálint hartmann. balint@vet. bme. hu Budapest University of Technology and Economics Faculty of Electrical Engineering and Informatics Department of Electric Power Engineering Power Systems and Environment Group

Energiatárolási technológiák Energiafajta Megjelenése Helyzeti Magasság Kinetikus Tér Sebesség Nyomás Hő Melegedés Kémiai Elektron töltés Elektromos Elektron töltés Dielektromos Potenciál Gravitációs potenciál [g] [v/2] Nyomás [p] Hőmérséklet [T] Kémiai potenciál [G] Feszültség [U] Elektromos térerősség [E] Mágneses Elektron spin Mágneses térerősség [H] Elektromágneses Mozgó töltés Önindukciós feszültség Gyenge kölcsönhatás Erős kölcsönhatás Sugárzási 2021. 05. 18. Mennyiség Tárolható? Tömeg [m] Igen Duzzasztómű Tömeg [m] Térfogat [V] Igen Lendkerék, lövedék Sűrített gáz közeg Entrópia [S] Igen Melegvíz Igen Akkumulátor Igen Kondenzátor Nem Polarizáció Nem Mágnesezés Igen Mágneses tekercs Anyagmennyiség [n] Elektromos töltés Dielektromos polarizáció [P] Mágneses dipólusnyomaték [M] Elektromos áram [A] Példa a tárolásra Tömegváltozás Tömeg [m] Nem Világító festék Tömegváltozás Foton Tömeg [m] Nem Nukleáris reaktor, csillag 2

Hőenergia-tárolás Érzékelhető hő Folyadék Szilárd Termokémai tárolás Látens hő Szilárd-szilárd Szilárd-folyékony Folyékony-gáz Szorpciós tárolás Abszorpció 2021. 05. 18. Kémiai tárolás Adszorpció 3

Hőenergia-tárolás Hőmérséklettartomány Energiasűrűség Érzékelhető hő Felső határ: 110 °C (víztárolás) 50 °C (fold alatti tárolás) 400 °C (beton) Alacsony 0, 2 vízre Látens hő Kémiai hő 20 -40 °C (paraffinok) 30 -80 °C (sóhidrátok) 20 -200 °C Közepes 0, 3 -0, 5 Élettartam Hosszú Sok esetben korlátozott a felhasznált anyagok miatt Fejlettség Kereskedelmi forgalomban hozzáférhető Bizonyos hőmérséklettartományokban és közegek esetén kereskedelmi forgalomban hozzáférhető Előnyök Alacsony költségek Megbízhatóság Hozzáférhető anyagok Egyszerű alkalmazhatóság Közepes energiasűrűség Kis térfogatú közegek Kis távolságú szállítás is lehetséges Hátrányok Jelentős hőveszteség a tárolás során (szigeteléstől függően) Nagy térfogatú közegek Alacsony hővezetés Korrozív anyagok Jelentős hőveszteség a tárolás során (szigeteléstől függően) 2021. 05. 18. Magas 0, 5 -3 A reagensek degradációjától, és a mellékreakcióktól függ Pilot projektek Magas energiasűrűség Alacsony hőveszteségek Hosszú tárolási idő Hosszú távolságú szállítás is lehetséges Kompakt méret Magas költségek Összetett technológia 4

Villamosenergia-tárolás 2021. 05. 18. 5

A mindennapi tárolás • Olaj-, gáztartály • Fáskamra • Hőtárolós kályha, bojler Rendelkezésre állás a • Számítógépes memória megfelelő időben • Irattartó • Parkoló • Bevásárlókocsi • Pohár • Szálloda • Pénztárca 2021. 05. 18. 6

A villamosenergia-tárolás • A villamosenergia-tárolás lehetővé teszi, hogy akkor álljon rendelkezésünkre villamos energia, amikor arra szükségünk van, ahogy a villamos hálózat is lehetővé teszi, hogy ott álljon rendelkezésre villamos energia, ahol arra szükségünk van. • Tekinthető egyaránt fontos szempontnak? • A hálózatba épített energiatárolók kapacitásának és a villamos csúcsterhelésnek az aránya • 2, 5% Egyesült Államok • 10% Európa • 15% Japán 2021. 05. 18. 7

Tanulmányok az energiatárolás feladatainak meghatározására • EPRI Comparison of Storage Technologies for Distributed Resource Applications (2003) • EPRI-DOE Handbook of Energy Storage for Transmission and Distribution Applications (2003) • EPRI-DOE Handbook Supplement of Energy Storage for Grid Connected Wind Generation Applications (2004) • Electricity Advisory Committee – Bottling Electricity (2008) • EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) 2021. 05. 18. 8

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) • Bulk Energy Services • Ancillary Services • Transmission Infrastructure Services • Distribution Infrastructure Services • Customer Energy Management Services • Stacked Services • Szempontok • Storage System Size Range • Target Discharge Duration Range • Minimum Cycle/Year 2021. 05. 18. 9

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Bulk Energy Services • Electric Energy Time-shift (Arbitrage) • Storage System Size Range: 1 -500 MW • Target Discharge Duration Range: <1 hour • Minimum Cycle/Year: >250 2021. 05. 18. 10

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Bulk Energy Services • Electric Supply Capacity • Storage System Size Range: 1 -500 MW • Target Discharge Duration Range: 2 -6 hour • Minimum Cycle/Year: 5 -100 2021. 05. 18. 11

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Ancillary Services • Regulation • Storage System Size Range: 10 -40 MW • Target Discharge Duration Range: 15 -60 minutes • Minimum Cycle/Year: 250 -10000 2021. 05. 18. 12

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Ancillary Services • Spinning, Non-spinning and Supplemental Reserves • Storage System Size Range: 10 -100 MW • Target Discharge Duration Range: 15 -60 minutes • Minimum Cycle/Year: 20 -50 2021. 05. 18. 13

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Ancillary Services • Voltage Support • Storage System Size Range: 1 -10 MW (Mvar) • Target Discharge Duration Range: N/A • Minimum Cycle/Year: N/A 2021. 05. 18. 14

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Ancillary Services • Black Start • Storage System Size Range: 5 -50 MW • Target Discharge Duration Range: 15 -60 minutes • Minimum Cycle/Year: 10 -20 2021. 05. 18. 15

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Ancillary Services • Load Following/Ramping Support for Renewables • Storage System Size Range: 1 -100 MW • Target Discharge Duration Range: 15 -60 minutes • Minimum Cycle/Year: N/A • Frequency Response 2021. 05. 18. 16

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Transmission Infrastructure Services • Transmission Upgrade Deferral • Storage System Size Range: 10 -100 MW • Target Discharge Duration Range: 2 -8 hours • Minimum Cycle/Year: 10 -50 2021. 05. 18. 17

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Transmission Infrastructure Services • Transmission Congestion Relief • Storage System Size Range: 1 -100 MW • Target Discharge Duration Range: 1 -4 hours • Minimum Cycle/Year: 50 -100 2021. 05. 18. 18

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Transmission Infrastructure Services • Transmission Stability Damping • Sub-synchronous Resonance Damping • Storage System Size Range: 1 -100 MW • Target Discharge Duration Range: 5 seconds – 2 hours • Minimum Cycle/Year: 20 -100 2021. 05. 18. 19

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Distribution Infrastructure Services • Distribution Upgrade Deferral and Voltage Support • Storage System Size Range: 5 k. W - 10 MW • Target Discharge Duration Range: 1 -4 hours • Minimum Cycle/Year: 50 -100 2021. 05. 18. 20

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Customer Energy Management Services • Power Quality • Storage System Size Range: 10 k. W - 10 MW • Target Discharge Duration Range: 10 seconds – 15 minutes • Minimum Cycle/Year: 10 -200 2021. 05. 18. 21

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Customer Energy Management Services • Power Reliability • Retail Energy Time-Shift • Storage System Size Range: 1 k. W - 1 MW • Target Discharge Duration Range: 1 -6 hours • Minimum Cycle/Year: 50 -250 2021. 05. 18. 22

EPRI-DOE Electricity Storage Handbook (2013) – Customer Energy Management Services • Demand Charge Management • Storage System Size Range: 50 k. W - 10 MW • Target Discharge Duration Range: 1 -4 hours • Minimum Cycle/Year: 50 -500 2021. 05. 18. 23

Az energiatárolás feladata 2021. 05. 18. Forrás: WGSI – Equinox Blueprint: Energy 2030 24

Energiatárolási technológiák 2021. 05. 18. 25

Energiatárolási technológiák • Fő paraméterek • Névleges teljesítmény • Kisütési idő • Ciklikus hatásfok • Élettartam • Önkisülés • Költségek Forrás: IEEE Power & Energy Magazine – Look Before You Leap 2021. 05. 18. 26

Szivattyús-tározós erőmű 2021. 05. 18. 27

Szivattyús-tározós erőmű • Előnyei • Nagy kapacitás • Hosszú élettartam • Alacsony költségek • Kb. 75%-os hatásfok • Hátrányai • Helyszín követelményei • Legnagyobb egységek • Kannagawa Hydropower Plant, Japán, 2820 MW • Bath County Pumped Storage Station, Egyesült Államok, 2772 MW • Guangdong Pumped Storage Power Station, Kína, 2400 MW • Huizhou Pumped Storage Power Station, Kína, 2400 MW 2021. 05. 18. 28

Szivattyús-tározós erőmű 2021. 05. 18. 29

Szivattyús-tározós erőmű 2021. 05. 18. 30

Sűrített levegős tározós erőmű (CAES) 2021. 05. 18. 31

Sűrített levegős tározós erőmű (CAES) • Előnyei • Nagy kapacitás • Alacsony tárolási veszteségek • Kb. 70%-os hatásfok • Hátrányai • Helyszín követelményei • Gázturbina is kell hozzá • Korai egységek • Huntorf, Németország, 290 MW, 1978 • Mc. Intosh, Egyesült Államok, 110 MW, 1991 2021. 05. 18. 32

Sűrített levegős tározós erőmű (CAES) 2021. 05. 18. 33

Sűrített levegős tározós erőmű (CAES) 2021. 05. 18. 34

Lendkerék 2021. 05. 18. 35

Lendkerék • Előnyei • Nagy teljesítmény • Kis helyigény • Kb. 85 -90%-os hatásfok • Hátrányai • Viszonylag alacsony energiasűrűség • Megfelelő szerkezeti anyagok kiválasztása • Magas költségek 2021. 05. 18. 36

Lendkerék 2021. 05. 18. 37

Elektromos kettősréteg kondenzátor • Előnyei • Hosszú élettartam • Kiemelkedő hatásfok (>95%) • Nagy teljesítmény • Hátrányai • Alacsony fajlagos energia • Viszonylag magas önkisülés 2021. 05. 18. 38

Elektromos kettősréteg kondenzátor 2021. 05. 18. 39

Szupravezetős mágneses energiatárolás 2021. 05. 18. 40

Szupravezetős mágneses energiatárolás • Előnyei • Nagyon rövid reakcióidő • Nagy teljesítmény • Gyakorlatilag korlátlan élettartam • Kiemelkedő hatásfok (>95%) • Hátrányai • Folyamatos hűtést igényel • Alacsony kapacitás 2021. 05. 18. 41

Akkumulátorok • Energetikai alkalmazásokban gyakran használt típusok • Savas ólom (L/A) • Nikkel-kadmium (Ni-Cd) • Nikkel-fémhidrid (Ni-MH) • Lítium ion (Li-ion) • Nátrium-kén (Na-S) • Egyéb alkalmazásokban használt típusok • Nikkel-vas (Ni-Fe) • Nikkel-hidrogén (Ni-H 2) • Nikkel-cink (Ni-Zn) • Vékonyfilmes lítium • Lítium polimer (Li polymer) • Stb. 2021. 05. 18. 42

Akkumulátorok fajlagos energiája 2021. 05. 18. 43

Akkumulátorok fajlagos energiája és teljesítménye 2021. 05. 18. Forrás: California’s Air Resources Board 44

Folyékony elektrolit akkumulátorok 2021. 05. 18. 45

Folyékony elektrolit akkumulátorok • Előnyei • Nagy ciklikus élettartam • A teljesítmény és a kapacitás egymástól függetlenül határozható meg • Gyors reakcióidő • Hátrányai • Jellemzően mozgó alkatrészekkel rendelkeznek • Magas ár • Sikeres típusok • Vanádium-redox (VRB) • Poliszulfid-bromid (PSB) • Cink-bromin (Zn. Br) 2021. 05. 18. 46

Energiatárolási technológiák 2021. 05. 18. Forrás: WGSI – Equinox Blueprint: Energy 2030 47

2021. 05. 18. 48

Energiatárolók napjainkban 2021. 05. 18. Forrás: EPRI – Electric Energy Storage Technology Options, 2010 49

Költségek 2021. 05. 18. 50

Költségelemek • Beruházási költségek • Akkumulátor (vagy más technológia) • Beépítés, helyszíni költségek • Teljesítményelektronika • Hálózati csatlakozás • BOP (Balance of Plant) • Nehezen becsülhető költségek (technológia fejlettsége) • 0 -15% • Üzemeltetési és karbantartási költségek • Fix költségek • Változó költségek • Üzem közbeni pótlások költsége 2021. 05. 18. 51

Költségelemek 100% 90% 4% 8% 90% 80% 11% 80% 70% 17% 60% 4% 6% 8% 70% 80% 11% 70% 40% 30% 56% 20% 42% Szivattyús-tározós erőmű Alagutak 24% 50% 30% 45% 20% 10% 0% 17% 40% 30% 20% 10% 7% 60% 19% 50% 4% 6% 90% 10% 60% 50% 10% 0% Sűrített levegős energiatárolás 0% Nátrium-kén akkumulátor Bizonytalanság Építkezés Aknák és csövek Kisnyomású expander Akkumulátor Projekt menedzsment Kompresszor Teljesítményelektronika Infrastruktúra Tároló kialakítása Telepítés Mechanikai berendezések Nagynyomású expander Helyszíni munkálatok Villamos berendezések Beüzemelési költségek Alállomás Hőcserélő Akkumulátor tokozás 2021. 05. 18. 52

Költségelemek Fajlagos költség C/k. W Fajlagos költség Beruházási költség (C/k. W+C/k. Wh*E)*P Teljes beruházási költség C/k. Wh Fix üzemeltetési és karbantartási költség Fix C Változó üzemeltetési és karbantartási költség Változó C Éves üzemeltetési és karbantartási költség (Fix C)*P+(Változó C)*E Ciklikus hatásfok Pótlási költség C/k. W/év Ciklikus élettartam 2021. 05. 18. Teljes üzemeltetési költség Éves pótlási költség ha ciklusszám > élettartam 53

Beruházási költségek ($/k. W) Forrás: EPRI – Energy Storage System Costs 2021. 05. 18. 54

Beruházási költségek ($/k. Wh) Forrás: EPRI – Energy Storage System Costs 2021. 05. 18. 55

Fajlagos költségek 2021. 05. 18. Forrás: WGSI – Equinox Blueprint: Energy 2030 56

Technológiai fejlettség 2021. 05. 18. 57

A jövő? 2021. 05. 18. 58

Az energiaszektorban várható befektetések nagysága, 2012 -2035 ($2011 Mrd) 60% 2021. 05. 18. Forrás: IEA – World Energy Outlook 2012 57% 43% 59

A világ „smart” energetikai beruházásai, 2012 Forrás: Pike Research 2021. 05. 18. 60

A legfontosabb feladatok • Új technológia és új szolgáltatás, vagy illeszkednie kell a jelenlegi vagyonkezelési rendszerbe? • Kinek képezi a tulajdonát? Termelői, átviteli, elosztói (fogyasztói) eszköz, vagy ezek valamilyen kombinációja? • Valóban szükségünk van rá? • Rendszerintegráció vizsgálata, teljesítmények/kapacitások meghatározása • Költséghatékony beruházás? • A hasznos elemek legnagyobb részét még nem tudja árazni a piac • A meglévő piacok nem adnak reális képet • Mi legyen az elsődleges feladat a portfólión belül? 2021. 05. 18. 61