Miért nem válik a CAES az energiatermelés gazdasági és szabályozási vezetőjévé?

A komprimált levegős energiatároló (CAES) rendszerek jelenleg harmadik helyen állnak a nettó jelenérték (NPV) szempontjából, bár szorosan követik a hagyományos gázturbinás egyszerű ciklusú megoldásokat. Magasabb tüzelőanyagárak esetén a CAES versenyképesebbé válik, mégis nem tudja felülmúlni a kombinált ciklusú gázturbinás (GTCC) rendszereket. Csak akkor kerül előnybe, ha a CO2-kibocsátás büntetésének csökkenését, a szélenergia korlátozásának elkerülését, a megújuló energiák után járó jóváírásokat, a rendszer alapterhelési egységeinek profitját és a karbantartási költségek megtakarítását is figyelembe vesszük. Ezek azonban olyan hasznok, amelyeket a CAES létesítmény tulajdonosa, különösen ha nem rendelkezik más termelő egységekkel, például szélfarmokkal, jelenleg nem tud közvetlenül hasznosítani.

Az egyik alapvető nehézség a szabályozók részéről fakad: a CAES létesítmények besorolása nem illeszkedik egyértelműen a hagyományos kategóriákba, mint a hálózati elosztás, a távvezeték vagy a termelés. Korábban a nagy vízerőmű alapú tárolóegységeket olyan, vertikálisan integrált, befektetői tulajdonú vállalatok finanszírozták, melyek a vertikális integráció miatt képesek voltak a költségeket és hasznokat egy egységként kezelni. A liberalizáció és a verseny bevezetése után a különböző szereplők – független termelők, rendszerirányítók, hálózati társaságok – széttagolták ezt a struktúrát, megnehezítve a CAES projektek gazdasági megvalósítását.

Az ISO-k (független rendszerirányító szervezetek) hasznosíthatnák a CAES létesítményeket, de ehhez szükség lenne megfelelő kiegészítő szolgáltatási tarifákra, pontos tervezési modellekre, amelyek ezeket a tarifákat kezelni tudják, és arra is, hogy a CAES tulajdonos motivált legyen, hiszen a haszon a piac egészében oszlik meg. Nagyobb, államilag támogatott megújuló energia-projektek esetén a CAES rendszerek integrációja könnyebben kivitelezhető. A legvalószínűbb helyzet egy CAES létesítmény létrejöttére olyan szereplőnél van, aki nagy szélfarmot is tulajdonol, vagy bonyolult, kétoldalú megállapodásokat köt más piaci szereplőkkel.

A tárolókamra mérete, nyomása és hőmérséklete kulcsfontosságú a CAES működésében. Az ideális működéshez a kamra nyomásának közel kellene állnia a turbinabevezető nyomásához, ám ez a gyakorlatban nem megvalósítható a rendszer veszteségei és a tárolókapacitás korlátai miatt. Ezért kompromisszumként egy optimális nyomástartományt választanak ki, amely minimalizálja a beruházási és üzemeltetési költségeket. A sódóm alatti barlangok mélysége szabja meg a maximális tárolható nyomást, ami általában 70 bar körül van, és ezek az értékek különböznek az üzemeltetési ciklus különböző fázisaiban, mivel a légnyomás változása nem adiabatikus folyamat, és jelentős hőcsere történik a barlangfalakkal.

A CAES berendezések legkritikusabb elemei a turbomotorok, azaz a kompresszor- és expander-sorok. Az első két működő CAES erőmű tapasztalatai határozzák meg az ipari szabványokat. A maximális tárolási nyomás körülbelül 70-80 bar, az expanderek pedig nem képesek ennél magasabb nyomást kezelni. Ugyanakkor a legújabb fejlesztések, például a texasi APEX projekt, jóval magasabb tárolási nyomásokat céloznak (130-195 bar), ezt egy úgynevezett „nagynyomású” expander bevezetésével érik el, amely csökkenti a levegő nyomását a meglévő technológiák szintjére, miközben többletenergiát termel.

Az ilyen magas nyomású tömörítés csak többfokozatú, hűtött kompresszorokkal valósítható meg, amelyek tengelyirányú és radiális elemeket kombinálnak. A turbomotorok tervezésekor fontos az aerodinamikai optimalizálás, például a magas nyomású kompresszorok kisebb légcsatornái és nagyobb fordulatszáma (akár 7,622 ford/perc) biztosítják a hatékony működést. A McIntosh erőműben használt megoldás a sebességnövelő fogaskerékházat alkalmazza az alacsony és magas nyomású kompresszorok között. Míg a kompresszorok elérhető, bevált technológiákra épülnek, az expander és a tüzelőberendezések fejlesztése alapos kísérletezést igényelt, különösen az 1970-es és 80-as években, amikor a CAES első két nagyobb létesítményét tervezték. Akkoriban a gázturbinák nyomásviszonya 11-12:1 körül mozgott, ami a CAES expander bemenő nyomásának 40 bar feletti értékét jelenti, tehát összetett műszaki kihívást jelentett.

Fontos megérteni, hogy minden fosszilis tüzelőanyagú energiatermelő technológia valójában egyfajta tárolótechnológia is, ám a tárolási időskála különbözik: az olaj, szén vagy földgáz esetén ez több ezer év, míg a CAES rendszernél csak néhány óra vagy nap. Ez a különbség meghatározza az energiagazdálkodási stratégiák és szabályozási mechanizmusok szükségességét. A CAES hatékony integrációjához nem elég a műszaki fejlesztés, a piac és a szabályozás összhangja nélkülözhetetlen.

A jelenlegi piaci és szabályozási keretek között a CAES önállóan, más megújuló erőforrások támogatása nélkül nehezen realizálható üzleti modell. Ezért az energetikai rendszerek fejlődésében a CAES csak komplex portfóliók, illetve összehangolt termelési és tárolási rendszerek részeként válhat igazán versenyképessé és fenntarthatóvá. Az infrastruktúra beruházásainál a szabályozók és piaci szereplők közötti együttműködés, valamint az új tarifarendszerek kialakítása kulcsfontosságú lesz a technológia széles körű elterjedéséhez.

Milyen tényezők határozzák meg a RICE és az aeroderivatív gázturbinák hatékonyságát és környezeti teljesítményét?

A dugattyús belső égésű motorok (RICE) és az aeroderivatív gázturbinák összehasonlítása számos szempontból árnyalt képet mutat, különösen a hatékonyság, a működési rugalmasság és a károsanyag-kibocsátás területén. A RICE alapvetően a dugattyús konstrukciójából adódóan kevésbé érzékeny a külső környezeti feltételekre, mint például a magas hőmérséklet vagy a tengerszint feletti magasság, hiszen a fizikai térfogat korlátozza a beszívott levegő mennyiségét. Ez az állandó térfogatú égési ciklusból fakadó előny lehetővé teszi, hogy a RICE-k egyszerű ciklusban akár 48%-os nettó alsó fűtőérték szerinti hatásfokot érjenek el, amelyet az eredeti berendezésgyártók (OEM-ek) is gyakran hangoztatnak. Ugyanakkor ezzel együtt jár egy jelentős megkötés: az engedélyezett ±5%-os tüzelőanyag-fogyasztási eltérés, amely a tényleges üzemi körülmények között akár 2,5 százalékponttal is csökkentheti a hatásfokot, mérve a generátor terminálján.

A nagy egyszerű ciklusú hatékonyság azonban alacsony kombinált ciklusú hatékonysággal párosul, ami nem hiba, hanem a motor termodinamikai ciklusának közvetlen következménye. A dugattyús motoroknál az égés állandó térfogaton megy végbe, amely magas effektív ciklusnyomás-arányt eredményez, viszont ez alacsony kipufogógáz-hőmérsékletet és exergiát jelent, így kevés lehetőség marad a további energiahasznosításra, például gőzturbinán keresztül. Hasonló problémát mutatnak az aeroderivatív gázturbinák is a magas ciklusnyomás-arány miatt, bár ezek 41-43%-os egyszerű ciklusú hatásfokkal kombinált ciklusban könnyedén meghaladják az 50%-os nettó alsó fűtőérték szerinti hatékonyságot. Ezzel szemben a több RICE egységet alkalmazó kombinált ciklus hatékonysága 47-48% nettó LHV körül alakul.

A károsanyag-kibocsátás terén az összehasonlítás különösen nehéz, mivel az aeroderivatív gázturbinák DLE (Dry Low Emission) égőkkel 15 ppmvd NOx és CO kibocsátást is elérhetnek 15-35%-os terhelés mellett. Ez azonban nem csupán a technológia kérdése, hanem a különböző környezetvédelmi előírások és mérési szabványok következménye is. A gázturbinák esetében a száraz, térfogati alapon mért emissziós értékek USA-ban általában 15% oxigéntartalom mellett vannak megadva, míg a RICE esetében ezek az értékek lényegesen magasabbak: például NOx kibocsátásban a gázturbinák háromszor alacsonyabb értéket mutatnak a hasonló méretű RICE-ekhez képest. Továbbá a RICE jelentős mértékben bocsát ki nem tökéletesen elégett szénhidrogéneket (VOC-k) és részecskéket (PM10), amelyeket a gázturbinák szinte nem termelnek.

Az emissziós szabályozások terén is eltérés mutatkozik: míg a RICE-re jellemzően enyhébb NOx-kibocsátási határértékeket szabnak meg, addig egyes területeken, például Kaliforniában, a gázturbinák esetében egyjegyű ppmvd értékű NOx-kibocsátást írnak elő. Ez a különbség indokolja, hogy a közepes fordulatszámú, gáztüzelésű RICE-ek esetenként jelentősen magasabb károsanyag-kibocsátást produkálnak a gázturbinákhoz képest. Az aeroderivatív gépek emellett képesek alacsony terhelési szinteken is tartani a kibocsátási előírásokat, ami a RICE esetében nem bizonyított.

A több egységből álló rendszerek működési rugalmassága is eltérő. A kisebb méretű gázturbinák hatékonyabb üzemet tesznek lehetővé alacsonyabb terheléseken azáltal, hogy egyes egységeket ki- és bekapcsolva az üzem össz-hatásfoka jobban követi a terhelést. Ezzel szemben a RICE üzemeltetése alacsony terhelésen magas emisszióval és jelentős, előmelegítést, előkenést igénylő, parasztikus (önfogyasztó) energiaveszteséggel jár, amely a gyors újraindítás előkészítését szolgálja, de növeli az üzemeltetési költségeket. A gázturbinák ezzel ellentétben hidegállapotból is 5-10 perc alatt újraindíthatók, jelentős előkészületek nélkül, ami a dinamikus hálózati igényekhez való gyors alkalmazkodást teszi lehetővé.

Fontos megérteni, hogy az egyes erőműtechnológiák termodinamikai jellemzői, környezeti hatásai és szabályozási feltételei együttesen alakítják ki az adott technológia teljesítményét és alkalmasságát. A RICE és a gázturbinák közötti választás nem csupán a hatékonyság vagy a károsanyag-kibocsátás szempontjából történik, hanem figyelembe kell venni az üzemeltetési rugalmasságot, a karbantartási igényeket, a helyi környezetvédelmi előírásokat, valamint a gazdasági feltételeket is. Mindezek alapján az optimális rendszertervezés összetett mérlegelést igényel, ahol a technikai paraméterek mellett a szabályozói környezet és az üzemeltetési tapasztalatok is kiemelt szerepet kapnak.