A mai energiahálózatok egyre inkább a napelemek és tárolók kombinált rendszere felé fordulnak, ahol a napelemek vagy lítiumionos akkumulátorokkal, vagy folyadékos akkumulátor-rendszerekkel dolgoznak együtt. Az alapötlet egyszerű: a nappal termelt felesleges energiát tárolni, hogy azt este, amikor a kereslet csúcsot ér, vagy amikor a hálózat problémába ütközik, felhasználhassák. Mivel a megújulók már több régióban is a termelés 20 százalékát adják, az áramszolgáltatók egyre kevésbé tekintik ezeket az akkumulátorrendszereket kiegészítő luxuscikkeknek. Ehelyett elkezdték ezeket a hálózat infrastruktúrájának alapvető részeként kezelni, olyan részeként, amelyet már a kezdetektől fogva tervezni kell, nem pedig később utólagosan kell beépíteni.
A tárolók telepítése a napelemparkok közelében sokkal rugalmasabbá teszi azokat mint energiaprodukciós forrásokat. Nézzük például Arizonában a 250 megawattos naperőművet. Az esti csúcsidőszakban, amikor mindenki bekapcsolja a lámpáit és háztartási készülékeit, az erőmű beépített akkumulátor-rendszere 100 megawattot biztosított négy órán keresztül a 400 megawattóra kapacitásából. Ez megakadályozta, hogy az öreg gáztüzelésű csúcskészülékek csak néhány extra órára beinduljanak. Az ilyen rendszerek csökkentik a hosszú távú távvezetékek iránti igényt, és ténylegesen újra lehet indítani a hálózatot jelentős megszakítások után. A NREL legutóbbi tanulmányai szerint az energiaszolgáltatók körülbelül 40 százalékos megtakarítást érnek el azokon a bonyolult frekvenciacorrigációkon, amelyek szükségesek az egyensúly fenntartásához, ha a tárolókat a napelemes telepítésekhez kapcsolják.
Nézve az egész képet, világosan látható, hogy jelentősen nőtt a nagy méretű napelemes telepekhez Amerikában csatlakozó energiatároló kapacitás mértéke. A Market.us adatai szerint a tavaly kidolgozott terv szerint a 2023-tól 2024-ig tervezett napelemes projektek háromnegyede tartalmaz majd valamilyen akkumulátoros rendszert. De mit jelent ez valójában? Nos, országunkban jelenleg körülbelül 20,7 gigawatt akkumulátor kapacitás működik, ami elég lenne ahhoz, hogy négy órás áramszünet esetén körülbelül 15 millió háztartásban fennálljon az áramellátás. Több olyan állam is, amelyek meghatározták a tiszta energia előállításának céljait, elkezdték előírni, hogy az új napelemes farmokhoz tartozzon beépített tárolási megoldás is. Ez a szabályozási kényszer lehetőségeket teremt azoknak a vállalkozásoknak, amelyek felújításokkal foglalkoznak. Szakértők szerint egyedül ez az előírás akár évi tizenkét milliárd dollár értékű felújítást is generálhat a következő évtized közepére, amelyek során a meglévő rendszerekhez biztosított akkumulátoros háttértartalékot építenek be.
A nagykapacitású napelemes projektek jelenleg elsősorban lítiumion-akkumulátorokra támaszkodnak, mivel ezek körülbelül 90%-os körhatékonyságot kínálnak, és az áruk az utóbbi időben jelentősen csökkent, 2023-as adatok szerint körülbelül 89 USD/kWh-re. Ezek az akkumulátorok kiválóan működnek, ha néhány órára elegendő teljesítményre van szükségünk, általában 4 és 8 óra közötti tárolási időtartamra. Ugyanakkor új technológiák is megjelentek a piacon, például vas-levegő és cink-bromid folyadékáramlásos akkumulátorok, amelyek látszólag jobban alkalmazhatók olyan helyzetekben, amikor a tárolt energiát sokkal hosszabb ideig, akár 12 órától egészen 100 óránál hosszabb ideig kell rendelkezésre bocsátani. A kutatók előrelépést értek el a katódanyagok terén is, a lítiumionos akkumulátorok energia-sűrűsége már meghaladja a 300 Wh/kg értéket, ami azt jelenti, hogy a vállalatok kisebb méretű akkumulátorrendszereket tudnak telepíteni anélkül, hogy a napelemparkjaik kapacitásából lemondanának.
A szilárdtest-akkumulátorok komoly előrelépést érnek el a termális futási problémák ellen köszönhetően a keramikus elektrolitoknak, amelyek 500 Wh/kg feletti energiasűrűséget is elérhetnek. Ez a teljesítmény kiváló jelöltté teszi őket nagy méretű napelemes tároló megoldásokhoz, ahol a hely számít. Eközben a nátriumionos technológia az utóbbi időben jelentősen felzárkózott, olyan képességeket kínálva, mint az első generációs lítiumakkumulátorok, de körülbelül 40 százalékkal olcsóbban gyárthatók. Ezekben a nátriumcellákban használt anyagok beszerzése is sokkal egyszerűbb, mint a ritkaföldfémeké, és egyre népszerűbbé váltak olyan vegyületek, mint például a prússiai kék analógok a gyártási körökben. Mindkét innováció tökéletesen illeszkedik ahhoz, amit számos ország tervez az energiahálózatairól az elkövetkező egy-két évtizedben. A kormányok többsége körülbelül 95 százalékos megújuló energia integrációt tűzött ki célul 2035-re, és ezek az új akkumulátoros megoldások segítenek egyszerre két jelentős probléma kezelésében: a hagyományos kémiai megoldásokból fakadó biztonsági kockázatok és a tömeggyártáshoz szükséges nyersanyaghiány egyre növekvő problémája.
A napenergia-akkumulátoros rendszerek elterjedése napjainkban gyorsan növekszik, azonban jelentős problémákba ütköznek a hálózathoz való csatlakozás során. Az NREL 2023-as adatai szerint a megújuló energiájú projektek körülbelül 40 százaléka csatlakozási sorok miatt késik. A meglévő hálózatot eredetileg egyirányú áramellátásra tervezték, így nehezen kezeli a szomszédságokban szétszórt kis napelemes és tárolós rendszerek visszatáplálását. Ez azt jelenti, hogy a szolgáltatóknak jelentős beruházásokat kell eszközölniük a transzformátorállomások fejlesztésére, csupán az üzem megbízhatóságának fenntartásához. Egy másik gond az inverterek összeférhetetlensége. A régebbi berendezések egyszerűen nem képesek megfelelően szabályozni a feszültséget a folyamatos töltési és kisütési ciklusok során, amelyek jellemzőek az akkumulátorok működése során.
A hőkezelés megfelelő kialakítása rendkívül kritikus jelentőségű a nagy teljesítményű akkumulátor-tárolórendszerek esetében. Ha a hőmérsékletet nem kontrollálják megfelelően, az akár 30%-kal is lerövidítheti ezeknek az akkumulátoroknak az élettartamát a cseréig, a DNV 2022-es kutatása szerint. A mai ipari szabályozások túlnyomó része tartalék hűtőrendszerek és korszerű tűzoltó technológiák alkalmazását írják elő, amelyek képesek megállítani a veszélyes túlmelegedési helyzeteket mindössze nyolc másodperc alatt. A költség szempontjából a hőkezelés körülbelül 18%-át teszi ki annak az összköltségnek, amely egy BESS rendszer telepítésekor felmerül. Egy például 100 MW-os létesítmény esetében ez általában körülbelül 1,2 millió dolláros költségnövekedést jelent. Ez elég jelentős összeg, de szükséges, figyelembe véve, mennyire érzékenyek ezek a rendszerek a hőmérsékleti problémákra.
Míg a lítium-ion akkumulátorok a napelemes tárolási projektek 92%-ánál dominálnak (Wood Mackenzie, 2024), a fejlesztők egy kritikus kompromisszummal néznek szembe:
Egy 2024-es Lazard tanulmány bebizonyította, hogy a telepített akkumulátorbankok 20%-os túlméretezése a rendszer élettartamának 30%-os meghosszabbítása révén növeli a projekt megtérülési rátáját, annak ellenére, hogy a kezdeti költségek magasabbak
A kormányzati politikai döntések valós hatással vannak arra, hogy milyen gyorsan és milyen mértékben telepítenek napenergia-akkumulátorokat az országban. Az Egyesült Államokban körülbelül tizenöt állam már előírta az energiatároló rendszerek használatát minden 50 megawattot meghaladó új naperőmű esetében. Ugyanakkor létezik ez a dolog, amit FERC 841. számú rendeletnek neveznek, és amely folyamatosan megváltoztatja, hogy a villamosenergia-ellátó vállalatok hogyan kapnak díjazást a nagykereskedelmi piacon. Az SEIA szerint, ha egyszerűsíteni tudnánk az összes ilyen engedélyezési és papírmunka-követelményt, akkor 2026-ra körülbelül 15 gigawatt teljesítménnyel rendelkező napenergia- és tárolóprojekt valósulhatna meg. Ez főként azon alapulna, hogy mindenki egyetértené az alapvető biztonsági szabályokkal és a hálózat különböző részeinek összekapcsolásával.
Vegyük példaként a kaliforniai Moss Landing telepítését, amely bemutatja, mi történik, amikor napelemek és akkumulátorok együtt dolgoznak a hálózati problémák kezelésére azokon a rendkívül csúcsidőszakokon. A létesítményhez körülbelül 1,6 gigawattórányi tárolókapacitás tartozik, amely napelemekhez van kapcsolva, így az áramot körülbelül 300 ezer háztartás számára tudná biztosítani négy órán keresztül, éppen akkor, amikor az emberek leginkább szükségük van rá az esti órákban. Ami ezt különösen érdekessé teszi, az az, hogy az év során a rendszer éves szinten majdnem 28 millió dolláros bírságokat takarított meg az áramhálózat-üzemeltetőknek a frekvenciaszabályozó képessége miatt. Ez különösen lenyűgöző, figyelembe véve, hogy tavaly nyáron a vadon történő áramszállító hálózat részleges megszakadásakor is majdnem 98 százalékos hatékonysággal működött tovább.
A legnagyobb napelemes akkumulátor-rendszer Floridában, amely hatalmas 900 MWh kapacitással rendelkezik, körülbelül 40%-kal csökkentette a fosszilis üzemanyagú csúcskészülék-üzemeltetést hurrikánszezon alatt néhány igazán okos elosztási algoritmusnak köszönhetően. Ami ezt a rendszert annyira hatékonyá teszi, az egy közeli 75 MW-os naperőmű integrálása. Az akkumulátorok a délben termelt felesleges napenergia tárolásával képesek az áramot a napi 7 és 9 óra közötti csúcsidőszakban kiengedni. Ez az okos megközelítés évente körülbelül 3,2 millió dollár megtakarítást eredményez csupán a torlódási költségek csökkenésével. A valódi varázslat akkor következik be, amikor azokon a viharos napokon a hálózat extra támogatásra szorul, de a hagyományos energiaforrások sérültek lehetnek, vagy egyszerűen túl drága lenne teljes terheléssel üzemeltetni őket.
Egy nemrég 300 MW/450 MWh teljesítményű Tesla Megapack rendszer kiépítése rávilágított arra, hogy a napelemes akkumulátorok milyen hatékonyan tudnak lépni, amikor a hálózat extra támogatásra szorul. 2023-ban, egy nagyobb szenes erőmű váratlan leállása után ezek az akkumulátorok mindössze 140 milliszekundum alatt működésre készen álltak – ez körülbelül 60-szor gyorsabb, mint amit a hagyományos hőerőművek képesekek elérni. Ennek a gyors reakciónak köszönhetően körülbelül 650 ezer háztartás folyamatos áramellátása volt biztosított egy potenciálisan súlyos áramszünet helyett. Ami még figyelemre méltóbb, az az, hogy a rendszer fenntartotta a lenyűgöző 92%-os hatásfokot, annak ellenére, hogy a nap során folyamatosan részlegesen használták. Ez a valós körülmények közötti teljesítmény erős bizonyítékként szolgál arra, hogy a különböző energiahordozók kombinálása jól működik együtt, és ezáltal egyszerűbbé válik a megújuló energiahordozók meglévő energiahálózatba történő integrálása megbízhatóság áldozata nélkül.
A napjainkban használatos napelemes akkumulátorrendszerek egyre okosabbá válnak az olyan mesterséges intelligenciának köszönhetően, amely segít kezelni a töltésüket és kisütésüket, valamint az elektromos hálózattal való kapcsolatukat. Az okos szoftverek figyelembe veszik például az időjárást, az áram árának napi ingadozását, valamint a jelenlegi energiafogyasztási mintákat. A Startus Insights 2025-ös jelentése szerint ezek az okos rendszerek akár 12 és 18% közötti megtérülési javulást eredményezhetnek a működtetők számára a régi, rögzített rendszerekhez képest. Nagy létesítményekben, ahol több akkumulátor blokk van, a gépi tanulás automatikusan mozgatja az energiát különböző akkumulátorbankok és inverterek között. Ez segít megvédeni az akkumulátorokat a túl gyors kopástól, és fenntartja a feszültségkülönbségeket körülbelül 2% alatt, ami különösen fontos a kevésbé stabil vagy robusztus hálózatok támogatásánál.
A nap-szél-akkumulátor hibridrendszerek jelenleg az új megújuló energia-telepítések 34%-át adják, lehetővé téve a 24 órás tiszta energiaellátást a következőkön keresztül:
Legutóbbi tanulmányok kiemelik, hogy a hibrid erőművek 92% kihasználtságot érnek el szemben a 78%-kal önálló naperőművek esetén, és az egy helyen elhelyezett tároló integrációja enyhíti az időszakos termelési hiányok 83%-át.
EN