Klímaváltozás és akkumulátor technológia

Akkumulátoripar - Magyarország

2021. szeptember 30-án rendezték meg Magyarországon a Hungarian Battery Day-t, aminek célja a hazai és európai akkumulátoripari piaci kapcsolatok erősítése, amivel hazánk 2030-ig az európai akkumulátoripari értéklánc egyik központjává válhat.

Ez a szándék összhangban áll a magyar kormányzati stratégiájával is, aminek sarkalatos pontját az Innovációs és Technológiai Minisztérium által 2020-ban kidolgozott akkumulátoripari fejlesztési stratégia adta. Magyar szemmel sem mindegy tehát milyen irányt vesz az akkumulátor-technológia fejlődése, hiszen két szektorban is kulcsszerepe van a karbonmentesség elérésében. Nélkülözhetetlen az energiaipar dekarbonizálásában, hiszen az ipari akkumulátorokkal válik majd lehetővé az időjárásfüggő megújuló áramtermelés teljesen zöld kiegyensúlyozása, és nélkülözhetetlen a közlekedés kizöldítésében is az e-mobilitás elterjedésén keresztül.

Akkumulátor jövő

Az MIT (Massachusetts Institute of Technology) Technology Review 2021. elején egy tízpontból álló listát tett közzé, amiben az idei év legfontosabb és a jövőre nézve legígéretesebb tudományos felfedezéseit sorolta fel. Ezek között szerepel az m-RNS alapú koronavírus elleni vakcina és a GPT-3 generatív nyelvi modell (AI) mellett a lítium-fém akkumulátor is, ami fontos szerepet játszhat az elektromos gépjárművek széleskörű elterjedésében és ár-érték arányának javításában az elkövetkezendő években. A globális és regionális klímavédelmi egyezmények folyamatosan visszatérő passzusai között szerepel a közlekedés karbonsemlegessé tétele. Ezekben kulcsszerep jut az alternatív energiatermelési és tárolási rendszerek megjelenésének, ami megoldást kínálhat az időszakosan rendelkezésre álló energiahordozók (pl.: nap- és szélenergia) hasznosításakor felmerülő tárolókapacitási problémákra, másrészt az elektromos meghajtású gépjárművek hatótávolságának növelésére.

Akkumulátor történelem

Az emberiség létszámának növekedése és a technológiai igények fejlődése kéz a kézben hozzájárult az energiahasznosításon alapuló gépek, gépjárművek, villamos hálózatok, erőművek széleskörű elterjedéséhez. Az energia tárolására irányuló első kísérletek egészen az első ipari forradalomig nyúlnak vissza, amikor átfogó társadalmi, gazdasági és technológiai változás rázta meg Nagy-Britanniából kiindulva egész Európát, majd Észak-Amerika egyes régióit. A mezőgazdaság és az ipar rohamos fejlődésével kapu nyílt az egyes országok határain átívelő gazdasági-kereskedelmi kapcsolatok kialakítására. A tömegtermelés főbb hajtóereje a közlekedés fejlődése volt, ami magával hozta a fosszilis tüzelőanyagok elégetése által működtetett gőzhajtású vasutak, hajók megjelenését. Az is igaz azonban, hogy a fosszilis energiahordozók használata nagy előrelépés volt a fatüzelésen alapuló időszakhoz képest, hiszen a fosszilis tüzelőanyagok használata tulajdonképpen megmentette a megmaradt erdőállományt a végleges kipusztulástól.

Akkumulátor típusai

Az akkumulátor az energia-tárolási rendszerek egyik legismertebb fajtája, kitűnő energiaátalakítási tulajdonsággal bír, aminek köszönhetően a kimeneti (output) energiájuk meghaladja a 90%-ot, a bemeneti (input) energia mennyiségéhez képest, különösen magasabb áramsűrűség esetén. Alkalmazása sokrétű, széles mérettartományban megtalálhatók az órákban használt gombelemektől kezdve a megawattos teljesítményű üzemi felhasználásig.

Az akkumulátorokat a benne található elektrolit halmazállapota és/vagy kémhatása szerint 5 fő kategóriára oszthatjuk: savas- (pl.: ólom-savas); lúgos- (pl.: nikkel-kadmium, nikkel-metál-hidrid (NIMH)); lítium-ion; nátrium-kén; fém-levegő és folyadékáramos akkumulátorok. A savas ólomakkumulátorokról általánosságban elmondható, hogy kisebb energia- és teljesítménysűrűséggel rendelkeznek más akkumulátorokhoz képest, így legnagyobb előnyükként kedvező beruházási költségüket szokták kiemelni, amivel az újratölthető konstrukciók között az egyik legolcsóbb akkumulátortípusnak tekinthető. Globális elterjedésükhöz hozzájárulhatott továbbá az is, hogy anyaguk szinte teljesen (90% felett) újrahasznosítható, illetve nagyfokú biztonság jellemzi működésüket.

Zöld akkumulátor

Az újratölthető akkumulátorok szerepe jelentősen nőtt a fogyasztói elektronikai eszközök (pl.: okostelefon, laptop és kompakt videokamera) széleskörű elterjedésével. Az ideális akkumulátorok jellemző sajátosságai a hosszú élettartam, kis méret, nagy energiasűrűség, műszaki biztonság és környezeti kompatibilitás. Ezen követelmények egyidejű kielégítése céljából nikkel-metál-hidrid (Ni-MH) akkumulátorokat, másnéven zöld akkumulátorokat fejlesztettek, melyek nem tartalmaznak az ólomhoz és a kadmiumhoz hasonló nehézfémeket, viszont bekerülési költségük közel tízszerese a konvencionális savas ólomakkumulátorokénak.

Lítium és kobalt helyettesítése

Számos fejlett ország és az EU is komoly célokat tűzött ki (Fit for 55 javaslat) a fosszilis üzemanyag-meghajtású gépjárművek számának csökkentése irányába, ami az elektromos gépjárművekben jelenleg még nagyobb mennyiségben megtalálható lítium és kobalt iránti kereslet gyors növekedését eredményezheti, ami alternatív akkumulátor alapanyag híján komoly áremelkedést hozhat a jelenlegi korlátozott készletek miatt a jövőben. Így kutatások zajlanak a lítium és a kobalt helyettesítésére és ezzel az úgynevezett jövőgenerációs energiatároló eszközök felfedezésére, de a Hungarian Battery Day keretein belül elhangzott hazánk lítiumban gazdag geotermikus lelőhelyeinek hasznosítása is, ami elősegítheti a hazai autóipar gyorsabb elektrifikációját. A lítium releváns alternatívája lehet a nátrium, ami egy olcsó, a környezetben nagy mennyiségben előforduló alkáli fém, amit kedvező anyagszerkezeti tulajdonságai miatt a lítiumhoz hasonló elektrokémiai tulajdonságok jellemeznek. A nátrium-kén akkumulátorok hátránya viszont az igen magas (300-350 C°-os) üzemi hőmérséklet, ami nemcsak a kapacitásváltozást befolyásolja az akkumulátoroknál, hanem különböző biztonsági kérdéseket is felvet.

Folyadékáramos akkumulátor

A redox folyadékáramos akkumulátorok szél- és naperőművek teljesítményingadozásának kisimítására kiválóan alkalmasak, valamint éjszakai áramszolgáltatás biztosítására megújuló energiaforrásokból. Továbbá, az elosztóhálózatok feszültség- és frekvenciastabilitását könnyedén lehet ezzel biztosítani, így a fogyasztók részére minőségi energiaszolgáltatást tesz lehetővé. Ez az energiatároló rendszer alkalmas arra, hogy szigetüzemű szél- és napcellás egységeknél folyamatos energiaszolgáltatást biztosítson. Ugyanakkor, olyan alkalmazási területeket is találunk, mint az antennatelepek vagy légvédelmi radarrendszerek energiaforrásai.

Fém-levegő akkumulátor

Végezetül a folyékony fém-levegő akkumulátorok olyan energiatárolási konstrukciók, melyek a hagyományos akkumulátorokhoz képest nagyobb biztonsági fokuk és kisebb károsanyag kibocsátásuk miatt napjainkban is számos kutatás középpontját képezik. Ezek elektronikai fogyasztóktól kezdve a stacioner (állandó telephelyű) erőművekig környezetbarát alternatívát tudnak nyújtani a korábban már említett energiatárolás kérdésére nagy energia-és teljesítménysűrűségük miatt. Így nem túlzás azt állítani, hogy az elkövetkező években jelentős technológiai fejlődés várható a fém-levegő akkumulátorok elméleti és gyakorlati területén, ami forradalmasíthatja az eddigi energiatárolásról alkotott képünket.

Azonban az akkumulátoros villanyenergia tárolás piacéretté válását célzó kutatások nem csak az e-mobilitás elterjesztésében jutottak kulcs-szerephez. A megújuló energia, különösen az időjárásfüggő nap- és szélenergia rendszerintegrációja sem képzelhető el a gazdaságos, ipari méretű akkumulátorok kifejlesztése nélkül. Ipari akkumulátorok híján a fosszilis energiahordozókra – különösen a földgázra – még sokáig szükség lehet, és ez bizony rizikót jelenthet a karbonsemlegesség felé vezető úton.

(Fotó: sustainable-bus.com)