Az elektromos autó és az elektromos hálózat

Villamos erőművek

Hálózati szempontból miért okoz problémát az elektromos autók terjedése, ha már az első világháború után Verebéy és Kandó kimutatták, hogy az áruszállítás jövője a villamos vontatás?

A problémát a dolgozatban többször visszatérő kijelentés okozza: A villamos elosztóhálózatba betáplált és onnan elfogyasztott teljesítmény minden időpontban azonos.

A másik kellemetlen tétel a termodinamika. A Pv=nRt egyenlet, amiből az jön ki, hogy bármely hőerőgép hatásfoka erősen függ a melegoldali és hideg oldali nyomástól és hőmérséklettől. Minel nagyobb a nyomás és a hőmérséklet különbsége, annál jobb hatásfok érhető el. Ezt használják ki az Atkinson-Miller ciklust használó motorok.

Az elektromos áramot erőművekben állítjuk elő. Ezeket hagyományosan 4 kategóriába soroljuk

• Alap erőművek
• Menetrend szerinti erőművek
• Csúcserőművek
• Tároló erőművek

A képen egy napi terhelési görbe látható:

Az ábrán látható, hogy a napi maximális terhelés 6 600 MW (6,6 GW) a minimális terhelés 4 400 MW (4,4 GW) A több, mint 2 000 MW (2 GW) az, amit a szabályozással kezelni kell.

 

Alaperőművek

Az alaperőművek tipikusan külső égésű hőerőgépekkel működnek folyamatosan egyenletes teljesítményt (zsinór áram) biztosítanak. Tervezéskor a szabályozhatóságot kis súllyal vették figyelembe. Ezek az erőművek tipikusan csak ki vagy bekapcsolhatóak. A szabályozás célja az egyenletes teljesítmény tartása.

Miért szabályozhatóak nehezen?

Mivel a hőerőgépek hatásfokát alapvetően a bemenő oldali hőmérséklet és nyomás emelésével lehet megemelni. Az anyagszerkezeti jelenségek ennek határt szabnak.

A vas-szén ötvözet (acél) alapú kazánok és csővezetékek falvastagságát a nyomás növeléséhez emelni kell. Az acélokra jellemző, hogy eltérő hőmérsékleten eltérő kristályszerkezeteket vesznek fel (ezt használjuk ki edzéskor). Az átkristályosodás elsősorban a kazánokban jellemző. Az eltérő kristályszerkezetű anyagoknak eltér a térfogatigénye a különböző irányokba, Ha a falvastagság nagy, akkor a melegedés és hűlés folyamata közben a szerkezet különböző pontjaiban eltérő hőmérsékletet, ebből adódóan eltérő kristályszerkezeteket találunk. Az egy szerkezeten belül tapasztalható eltérő hőmérséklet és kristályszerkezet külön is de együtt fokozott feszültségeket kelt. Ezek a feszültségek előbb utóbb mikrorepedésekhez, repedésekhez, majd töréshez vezetnek.

Minél magasabb hőmérsékleten üzemel egy berendezés, illetve a falvastagság minél nagyobb ezek a hatások annál jelentősebbek.

A magasabb hőmérsékleten a nagy méretű szerkezetek hőtágulása is jelentős, amit szerkezeti kialakítással kell kezelni, azonban ezekben a méretekben ez már kihívásokat jelent.

Ezek miatt az alaperőműveket inkább magasabb teljesítményre és hatásfokra tervezik, a szabályozást az üzemszerű működés közben csak minimális mértékben viselik el, alapvetően indításkor, leállításkor és üzemzavar esetén.

Atomreaktorok

Az atomreaktorok – a dolgozat írásakor ezek tipikusan az urán atommag hasadását felhasználó reaktorok, de a leírtak igazak a tórium alapú erőművekre is – teljesítményének szabályozása nehézkes, mivel a reaktortérben több egymással összefüggő, de eltérő időállandójú folyamat zajlik. Ha a reaktort kimozdítják az egyensúlyi (egyensúly közeli) állapotából, akkor az új teljesítményszintre lengésekkel áll be. Nyomott vizes reaktorok esetén ezek a lengések viszonylag lassúak, a víz tömege és tulajdonságai némi stabilitást visznek a rendszerbe.

Az atomreaktorban zajló fontosabb folyamatok:

Az alap folyamat:

Az urán atommagot a megfelelő energiájú protonok elhasítják, ami azonnali energia, valamint néhány újabb neutron felszabadulásával jár. A víz és a reaktor szerkezete a neutronok egy részét elnyeli (itt megint némi hő szabadul fel), egy részér pedig akkora energiára lassítja, hogy képes legyen egy újabb urán atommagot elhasítani. Ez egy statisztikai folyamat, mert a neutronnak uránt kell eltalálni. Az üzemanyag urán-dioxid, a lassítást víz végzi. Ha a megfelelő energiájú neutron oxigént talál el, vagy az urán atommag nincs hasítható állapotban, akkor az a neutron elveszett, épp úgy, mintha a szabályozó rudakban, a szerkezetben vagy reaktormérgekben nyelődött volna el.

Az urán hasadványanyagai általában nem stabilak. Eltérő felezési idővel elbomlanak. Ez mérhetetlenül kis időtől akár évezredekig is tarthat. Ezek a bomlások megint termelnek hőt és neutronokat, valamint az újabb bomlási termékek is eltérő felezési idővel rendelkeznek.

A bomlástermékek egy része képes úgy befogni neutronokat, hogy nem bomlik el (vagy a bomlás során nem bocsájt ki másik neutront). Ezeket hívjuk reaktormérgeknek. Ezek az üzemszerű használat részét képzik. Állandó üzemben annyi reaktorméreg keletkezik, amennyi el is bomlik. A szabályzás tervezésénél a hatásukat figyelembe veszik.

Gyors leszabályozás esetén a neutronok száma hirtelen lezuhan. Kevesebb a hasadékanyag, így a reaktormérgek keletkezése is lassabb, így a reaktormérgek mennyisége elkezd csökkenni, ami a neutronok számát emeli.

Az itt leírtak miatt az atomreaktorok szabályozása nehezebb, mint a szén alapú társaiké.

A jövőben várható, hogy terveznek szabályozható atomreaktorokat, ezek azonban várhatóan jóval kisebb egységteljesítményűek lesznek.

 

Menetrend szerinti erőművek

A menetrend szerinti erőművek valamilyen előre megállapodott menetrend szerint üzemelnek. Ez a menetrend lehet éves (az évszakonkénti terhelési ingadozás kiegyenlítésére) vagy akár órás (a napi fogyasztási ingadozás kiegyenlítésére) is. Ezek az erőművek felépítés szerint lehetnek szabályozhatóak, vagy az alaperőművekhez hasonlóan nehezen szabályozhatóak. Speciális eset a vasúti menetrendhez igazított erőművek esete, amelyek a villamos vontatás igényeit elégítik ki.

Csúcserőművek

Tipikusan gáz vagy olaj üzemű turbinával hajtott erőművek, amelyeknek az üzemállapota általában messze áll az optimálistól, a szabályozás folyamata (amikor a berendezés teljesítményét éppen emelik, vagy csökkentik) különösen rossz hatásfokkal történik. Ezeknek az üzemeltetése a legdrágább.

Mivel a hálózatba betáplált és onnan kivett energia minden időpillanatban azonos, a szolgáltatónak érdeke, hogy a fogyasztás minél egyenletesebb legyen. Erre megoldások a tárolótavas erőművek, ahova alacsony fogyasztás esetén egy turbinával felnyomják a vizet, majd, amikor magas terhelés van ez a turbina generátorként hajtja a hozzá kötött villamos gépet.

A rendszer hatásfoka mind generátor, mind szivattyú üzemmódban 30% körül alakul, ami azt jelenti, hogy a rendszerbe betáplált energiának hozzávetőleg a 10%-a nyerhető vissza.

Ez is hozzájárulhatott, hogy a Prédikálószékre tervezett erőmű nem épült meg.

Fogyasztás oldali szabályozás

A fogyasztás és a terhelés egyensúlyban tartása a fogyasztási oldalon is lehet szabályozni. Ez azt jelenti, hogy egyes nagy fogyasztók előre egyeztetett időpontban emelik vagy csökkentik a fogyasztásukat. A háztartások igényelhetnek „kapcsolt” áramit, amikor a fogyasztót a szolgáltató kapcsolja ki vagy be, a szerződésben rögzített szabályok szerint. Ezekkel a központilag kapcsolt fogyasztókkal a fogyasztási völgyeket lehet kiegyenlíteni.

Ennek egy (Magyarországon nem használt) megoldása, hogy a villamos energia ára valamilyen rövid (például 15 perc) időtartamra van megadva, ha a fogyasztás emelkedik, az árat is emelik, ha a fogyasztás csökken, akkor az energia ára is csökken. Okosotthon megoldásokkal így a háztartások is jelentős megtakarításokat érhetnek el – például úgy, hogy a mosógép éjszaka elindul, amikor az energia olcsó – így, a szolgáltató költségei is mérséklődnek.

 

A probléma

Ahhoz, hogy egy elektromos autót elfogadható idő alatt feltöltsünk, jelentős teljesítményű töltőre van szükség.

Egy számpélda:

Az én lakásom „szokásos” fogyasztása 500W (0,5 KW). Ha a nagyfogyasztókat bekapcsolom, akkor 8000W (8 KW). Szerintem ezt vehetjük kiindulási alapnak, mert még van rengeteg régebbi épület, ahol a fogyasztás ennél is jóval alacsonyabb, illetve, ha van fűtő-hűtő klíma, medence akkor jóval magasabb.

Egy korszerű töltő akár 600 KW-al is töltheti az arra alkalmas járművet. Ez az én háztartásom csúcsfogyasztásának a 75-szöröse. Ha az ilyen teljesítményű töltők elterjednek, akkor a fogyasztás sokkal hektikusabbá válik, hiszen egy ködös karácsony éjszakán kevesen fognak tölteni, míg egy napos nyári napon, amikor az emberek mennek a Balatonra vagy kirándulni egymás után fogják bekapcsolni a 600 KW-os töltőpontokat.

Természetesen van megoldás, azonban még a szándékot sem látom:

Az elektromos autókban jókora akkuk vannak. Megfelelő díjazás esetén (most a hasamra ütök) a 80% és 90% közötti töltéssel az elektromos szolgáltató rendelkezne, szerződéssel az autó tulajdonosával, aki vállalja, hogy az esetek X%-ában az adott időszakban (este 8 és reggel 6 között, vagy 10 és 18 óra között az autóját töltőn tartja).

Ennek több feltétele nem adott:

1. Nincsen szabvány az akku élettartamának mérésére
2. Nincsenek visszatáplálásra alkalmas fali töltők
3. Nincs szabványosítva az autókon a visszatáplálás

Mivel nincs szabvány az akku élettartam mérésére, sem az autós, sem a szolgáltató nem tudja, hogy mennyibe kerül, hogy az autós felajánlja az akku kapacitásának egy részét a szolgáltatónak, ugyan akkor azt sem tudja, hogy mekkora az akku költsége (csak, hogy a benzines mérésnél maradjunk) 100 km-re.

Az elektromos autó önmagában csak a városi szennyezés csökkentésére csodaszer, azonban egy rendszer részeként, esetleg a rövid távú autóbérlés (MOL Limo) támogatásával komoly fejlődést hozhat a közlekedésben.

 

Szólj hozzá!

Ne feledd,a hozzászólásodért te vagy a felelős!