A japán földrengés és szökőár után a fukusimai atomerőműben kialakult krízishelyzet miatt megint előtérbe került a megújuló energiaforrásokra való áttérés kérdése. Népszerű összeesküvés-elméletek szerint a nagy olajcégek páncélszekrényében már ott lapul a jövő technológiájának dokumentációja. Ha ez így lenne, akkor a páncéltermek legmélyén az a dosszié heverhet, amelyben a következő kérdésre kapunk választ: miképp tárolhatjuk hatékonyan a megtermelt energiát?
Ebédszállító a szárazelemgyárban
Ahogy a legtöbb múzeum, a Közlekedési Múzeum sem tud minden tárgyat kiállítani, amelyet gyűjteményében őriz, így a látogatóktól általában elzárt raktárak sokszor izgalmasabb régiségeket rejtenek, mint a kiállítótermek. A Közlekedési Múzeum raktárai, stílusosan, a vasúttörténeti park mellett helyezkednek el. A fedett tetejű, de egyébként nyitott csarnokok pedig olyan különlegességeket rejtenek, hogy a régi járművek rajongói közül sokan átcsábulnának a szomszédba a vonatoktól, ha tehetnék. Ha valaki a jelen csodáiként tekint az elektromos autókra, itt láthat például nyolcvanéves villany-teherautót is. A múzeum tervei szerint e régi, mégis „modern” technikai vívmány hamarosan felújítva várja majd a múzeum látogatóit.
A több mint negyven éve a raktárban pihenő Bergmann márkájú villamos hajtású teherautó az 1930-as évek elején készült Németországban. Néhány évvel később hazánkba került, és harminc éven keresztül szolgált az Akkumulátor- és Szárazelemgyár telephelyén.
– Utolsó szolgálati feladataként ebédet hordtak vele a szárazelemgyár dolgozóinak. A hatvanas években azonban már eléggé korosnak számított, és akkoriban már több kis haszongépjármű is megjelent, a vállalat így szerette volna lecserélni – meséli az elektromos autó történetét Hidvégi János muzeológus, a Magyar Műszaki és Közlekedési Múzeum munkatársa, aki Jeszenszky Sándorral együtt dolgozik a teherautó megmentésén. – Amikor vásároltak helyette egy másfél tonnás Zukot, a Bergmannt ingyen átadták a múzeumnak. Sajnos azóta se tudtuk helyreállítani, de most, hogy újra divatba jönnek az villamos hajtású gépkocsik, szeretnénk kiállítani.
Kevéssé közismert, hogy a XIX. század utolsó évtizedeiben az elektromos meghajtású járművek fejlesztése eleinte megelőzte benzines társaikét.
– Akkumulátoros hajók érdekességképpen az 1896-os millenniumi kiállítás idején a Városligeti-tavon is üzemeltek – mondja Jeszenszky Sándor. – Három lóerős elektromotor hajtotta őket, amelyet négy-öt mázsás ólomakkumulátor táplált. A tömegközlekedés kiszolgálására akkumulátoros villamossal, kocsival is kísérleteztek, végül Budapesten az alsó vezetékes villamos jelent meg elsőként.
A XIX. században a benzines autók még nem jelentettek igazi konkurenciát a lovas kocsinak, hiszen büdösek, hangosak voltak, és üzembiztonságuk sem volt megfelelő. Ezzel szemben az akkumulátoros autók minden tekintetben jobbak voltak. Ferdinand Porsche is tervezett egy furcsa, hibrid meghajtású elektromos autót, amelyben a benzinmotor generátort hajtott, és a termelt áram működtette a villanymotorokat. Tulajdonképpen a villanyautók kezdeti sikere indította be a benzinhajtás fejlesztését, hiszen a robbanómotorban érdekelt vállalkozók, mérnökök utolérendő, legyőzendő konkurenst láttak az akkumulátoros kocsikban.
– A benzinmotor még a XX. század elején sem vette át a totális hatalmat az elektromos meghajtású járművektől, hazánkban a Magyar Általános Gépgyárban és a Rábánál is gyártottak villamos hajtású járműveket a negyvenes évekig – mondja Hidvégi János. – Voltak feladatok, amelyekre a villamos autók jobbnak bizonyultak. Könnyebb volt például a szervizelésük, hiszen elektromos berendezéseik ritkábban hibásodtak meg, mint a benzines autók alkatrészei.
Végül mégis a benzin és a dízelolaj győzött, az akkumulátorral szerelt villamos járművek azonban az atomreaktorok megjelenéséig a víz alatt még tartották magukat. A robbanómotorok működését tápláló oxigén hiányában ugyanis csak elektromotorokkal tudták hajtani a tengeralattjárókat.
A Bergmann teherautó akkumulátorai mai szemmel kis kapacitásúak voltak, nem csoda, hogy olyan célokra használták, ahol állandó útvonalon néhány tíz kilométert kellett megtennie naponta. Negyvenkét darab lemezdobozos, 1,5 volt kapocsfeszültségű ólomakkumulátor működtette a központi motort, amely kardántengelyen keresztül hajtotta meg a hátsó kerekeket. Az autó 2,2 tonnás önsúlyából legalább 150-200 kilogrammot tettek ki az akkuk, amelyeket nyolc–tizenkét óráig kellett tölteni. A raksúlya 750 kilogramm volt, és óránként körülbelül negyven kilométert tudott megtenni, ami megfelelt a városi forgalom korabeli tempójának. Minthogy az autó minden eredeti alkatrésze megvan, a közlekedési múzeum szakemberei abban reménykednek, hogy a restaurálás után üzembe is tudják helyezni e villamos teherautót.
Többször is az amerikai nemzetbiztonság legfontosabb technológiai érdekének nevezték a hadsereg kutatásért felelős főtisztjei a nagy mennyiségű villamos energia hatékony tárolásának megoldását. A megújuló energiaforrások egyre szélesebb körű felhasználásától és a nagy hatótávolságú elektromos autók elterjedésétől ugyanis a fosszilis tüzelőanyagoktól való függés csökkenését várják. Az amerikai védelmi minisztérium ezért számos akkumulátorgyártót támogat, akik a ma általánosan elterjedt lítiumion-akkuk hatékonyságának javítását ígérik.
Munka van bőven.
– A villamos energia tárolása mind a mai napig nincs megoldva. Sokféle megoldás létezik, de mindegyiknek vannak előnyei és hátrányai is – mondja Vajda István, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem villamos energetikai tanszékének egyetemi tanára. – Az akkumulátorok energiasűrűsége nagy, tehát kis tömegük képes nagy mennyiségű energiát tárolni, anyagaik azonban igen környezetszennyezők. A környezetbarát technológiák hatásfoka viszont nem mindig kielégítő.
Miért ilyen fontos ez? Azoknak a technológiáknak, amelyekkel a „hagyományos” módon előállított vagy éppen az atomerőművekben megtermelt energiát kiválthatnánk, van egy nagy hiányosságuk: széles körű felhasználásukhoz a jelenleginél sokkal fejlettebb tárolórendszereket igényelnének.
Milyen lehetőségei vannak hát jelenleg a nagy mennyiségű villamos energia tárolásának? Sokan csak a kémiai folyamatok segítségével működő akkumulátorokra gondolnak, amikor áramraktározásról hallanak. Nem csoda, hiszen ezek jelentek meg először.
– Bár a XIX. század közepén Jedlik Ányos is vizsgálta azt a jelenséget, hogy ha egy galvánelembe áramot vezetünk, akkor olyan kémiai változások indulnak el benne, amelyek miatt később áramot tud leadni, az első valóban használható akkumulátort Gaston Planté francia fizikus találta föl 1859-ben. Többféle fémmel is kísérletezett, végül úgy találta, hogy a kénsavba merített ólomlemezek adják a legnagyobb teljesítményt – kezdi az elektromos energia tárolásának történetét Jeszenszky Sándor elektromérnök, az elektrotechnikai múzeum nyugalmazott igazgatója. – A leadott áramerősség tízamperes nagyságrendű volt, így az akkumulátorral kisebb villanymotorokat, ívlámpákat, izzókat lehetett működtetni. A találmány azonban csak két évtizeddel később, az első elektromos járművek megjelenésekor vált igazán jelentőssé.
A telepek fejlődésével méretük csökkent, teljesítményük pedig nőtt. A sima ólomlemezek helyett nagyobb felületű, így intenzívebb kémiai reakcióra képes bordás, rácsos lemezeket építettek be. Schenek István és Farbaky István, a selmecbányai bányászati és erdészeti akadémia tanárai is tökéletesítették az ólomakkumulátorokat, de nem győzték a versenyt a külföldi konkurenciával, így az angol Tudor cég indította be Magyarországon a nagyüzemi akkumulátorgyártást.
Az elektromos hálózat ellátása érdekében megtermelt villamos energia tárolásának igénye sem új. Az 1880-as években még nem léteztek a maiakhoz hasonló erőművek, így egy-egy kerület számára gőzgépekkel hajtott generátorok termelték az áramot. Éjjel azonban ezek nem működhettek, ezért nappal akkumulátorokat töltöttek, éjjel pedig az elraktározott energiát fogyasztották. Hazánkban először 1888-ban kezdődött a közcélú áramszolgáltatás, mikor is egy gőzmalom tulajdonosa az egyébként is pöfögő gőzgépekre dinamót, arra pedig akkumulátort köttetett. Az így termelt villamosságot elvezette a házáig, így lett villanyvilágítása, illetve az odavezető utcán is felszereltetett néhány lámpát.
Visszatérve a jelenbe, valóban léteznek a megawattos nagyságrendű energia tárolására is alkalmas akkuk, például a kén-nátrium vagy az úgynevezett vanádium-redox akkumulátorok (ezeket általában anyagaik és a bennük végbemenő kémiai reakciók alapján nevezik el), korántsem ők jelentik azonban az egyetlen lehetőséget.
A hidrogént, minthogy energiatartalma nagy, sok szakember például alkalmas közvetítő közegnek tartja az energia tárolására. A megújuló energiaforrásokból, például a szélerőművekben termelt elektromosság felhasználásával, oxigénné és vízzé bontjuk el a vizet, vagy a földgázból nyerjük ki a hidrogént. Később, amikor szükség van rá, a hidrogént elégetve vagy más módon hasznosítva visszanyerhetjük az energia egy részét. A gond e rész nagyságával adódik. Vajda István szerint a teljes folyamat hatásfoka meglehetősen alacsony, a befektetett energia hetven százaléka hasznosítatlanul elvész, így kétséges, hogy ez a legjobb módszer.
Egyik legígéretesebb új eszköze az elektromos energia rövid távú tárolásának a szuperkondenzátor. A hagyományos kondenzátorokhoz képest kapacitása ezerszeres is lehet, illetve a hasonló kapacitású szuperkondenzátorok jóval kisebbek a normál kondenzátoroknál. Igazi jelentőségük abban áll, hogy villámgyorsan képesek nagy energiát fölvenni és leadni, így alkalmasak a tankok, tengeralattjárók hatalmas motorjainak gyors elindítására, illetve a hibrid vagy teljesen elektromos meghajtású autók gyorsítására, illetve a fékezésükkor felszabaduló energia felvételére.
Az energiatárolásnak sokszor közvetlen gazdasági haszna is van az erőművek tulajdonosai számára.
– Sok országban a szélerőművekkel termelt energia jelentős mennyiségét, hatvan-hetven százalékát éjjel állítják elő. Ebben az időszakban nagyon olcsó az áram, mindössze hét-nyolc forintot adnak egy kilowattóráért az áramtőzsdén, szemben a délután csúcsidőszakra jellemző harminc forintot is meghaladó árral – mondja Herbert Ferenc, az Óbudai Egyetem Kandó Kálmán Villamosmérnöki Karán működő megújulóenergia-kutató hely vezetője. – Ha a megújuló energiaforrások felhasználásával termelt energia értékesítése is tisztán piaci elvek szerint történne, a szélerőművek beruházói érdekeltek lennének a villamosság tárolásában, hogy azt fél nappal később többszörös árért adhassák el. Technológiailag ez ma már megoldható lenne.
Nem csak visszafordítható kémiai folyamatok segítségével lehet tehát energiát tárolni. A hidrológiai tárolás például a nagy mennyiségű elektromos energia hosszú távú raktározásának egyik leghatékonyabb módja. Az erőműben megtermelt energia segítségével földuzzasztják egy tározó vízszintjét. Amikor szükség van az energiára, megnyitják a zsilipeket, a kiáramló víz pedig generátorokat működtet, amelyek elektromosságot termelnek. Ily módon a pontosan szabályzott feltöltés-leengedés ciklusok segítségével az áramellátás ingadozásai „kisimíthatóvá” válnak.
– Bár a víztározók létesítési költségei tetemesek, a működtetésük viszonylag olcsó. Gazdaságos kialakításukhoz azonban alkalmas geológiai környezet szükséges, és a nagy víztározók építése környezetvédelmi kérdéseket is felvet – mondja Vajda István. – A kisebb területű, úgynevezett mikrotározók létesítése éppen ezért sok szempontból kivitelezhetőbb elképzelésnek tűnik. Az ezek által raktározható energia szerényebb mértékű, egy-egy régió szükségleteit azonban fedezheti.
A nagy víztározók, amelyek jelentős hatást gyakorolhatnak az egész ország áramellátására, hiszen teljesítményük az ezer megawattos nagyságrendet is elérheti, valóban hatalmas kiterjedésűek, területük a Tisza-tóéhoz mérhető. Alföldi viszonyok között a megfelelő teljesítmény fenntartásához nagyobb tározókra van szükség, mint ott, ahol nagyobb a folyók esése. A mikrotározók ezzel szemben a halastavak mérettartományába esnek, építésük így kisebb környezeti beavatkozással járhat, az általuk tárolni képes teljesítmény pedig néhányszor tíz megawatt.
Lehetséges a mozgási energia tárolása is, ennek módját pedig évezredekkel ezelőtt találták föl. Már az újkőkorból származó rokka maradványain is találtak lendkereket, amely tehetetlenségéből fakadóan sokáig képes közelítőleg megőrizni fordulatszámát akkor is, ha az őt forgató erőhatás egyenlőtlen, szakaszos. A Ferihegyi repülőtér egyik kifutópályája mellett működik egy lendkerekes energiatároló. Ebben a nagy tömegű kereket villanymotorral pörgetik föl, majd generátort hajtanak meg mozgási energiájával. Úgy működik, mint egy szünetmentes tápegység, így a kifutópálya fényei áramkimaradás esetén sem alszanak ki. Energia-utánpótlás híján természetesen a lendkerekek is lassulnak, idővel megállnak. Egyszázalékos veszteséggel azonban hosszú időn keresztül üzemben tarthatók, tehát ha száz kilowattóra energiával pörgettük föl a kereket, akkor a fordulatszáma egy kilowattórával fönntartható, és bármikor kinyerhető belőle az eredeti energiamennyiség. Hasonlóan a szuperkondenzátorokhoz, a lendkerekes energiatárolókban raktározott energia is kinyerhető akár a másodperc törtrésze alatt, így még lézerfegyverek táplálására is alkalmas.
Az új generációs lendkerekes energiatároló megoldások fejlesztésében a BME szakemberei a világ élvonalába tartoznak. A mostani rendszerek, bármilyen jól vannak is csapágyazva, súrlódnak a tengelynél, így a raktározott energia egy részét fölemésztik. Előnyös lenne tehát az a lendkerék, amely a tengely fölött lebeg. Az elképzelés korántsem a tudományos fantasztikum világába tartozik. A megoldás kulcsa a szupravezetés jelensége, amikor bizonyos anyagok elektromos ellenállása igen alacsony hőmérsékleten megszűnik, ezzel együtt különleges mágneses tulajdonságokra tesznek szert.
– A hetven-hetvenöt kelvinre (mínusz kétszáz Celsius-fokra – M. Cs.) hűtött ittrium- vagy bizmutalapú kerámiából készült szupravezető tárcsák mágneses terében, néhány milliméter magasan forgó lendkeréknél nem lép fel csapágysúrlódás. Légsúrlódás lehet, amit vákuummal küszöbölhetünk ki. Így az óránkénti energiaveszteség egy nagyságrenddel csökkenthető, és egy ezrelékre tehető – mondja Vajda István. – Felvetődhet, hogy a lendkerék oldalról, a megtámasztással érintkezve is súrlódik, erről azonban nincs szó. A szupravezető mágneses erővonalai ugyanis úgy helyezkednek el, hogy tökéletesen rögzítik a tárcsa fölött a kereket, az nem mozdul el. Úgy kell ezt elképzelni, mintha egy sündisznó tüskéi tartanák a ráesett almát.
Ahogy az ipar más területein is történik, e fejlesztések elterjedése is pénzkérdés.
– A megújuló energia tárolásának ma elérhető hazai lehetőségei, a kén-nátriumos, a vanádium-redox vagy a lendkerekes energiatárolók még drágák, így a tárolt villamos energia ára többszöröse lesz annak, mint amennyiért az osztrákok, a románok vagy a szlovákok tárolják a villamosságot tározós vízi erőműveikben – mondja Herbert Ferenc. – Emiatt még vagy húsz évig nem látok esélyt a paksi atomerőmű kikapcsolására, hiszen az termeli a legolcsóbb hazai villamos energiát.
2011. április 2.
