Energiatárolás napelemes rendszerben: miért kell, és mi mindenre jó?

Röviden: a napelem csak akkor termel, amikor süt a Nap. Ahol a napelem az egyetlen áramforrás, ott a terhelés ellátásához többnyire tárolás kell. A tárolónak azonban más szerepei is lehetnek.

Miért kell tárolás?

A napelemes rendszer alapvető tulajdonsága, hogy csak napfényben termel áramot. Azoknál a rendszereknél, ahol a napelem az egyetlen termelő, általában tárolás szükséges, mert a napfény és a terhelés pontos egybeesése csak kevés rendszertípusnál fordul elő, például egy hűtőventilátor működtetésénél. Hibrid vagy hálózatra kapcsolt rendszereknél, ahol az akkumulátor nem eleve szükséges, hasznos lehet a terhelés illesztésére vagy a teljesítmény kondicionálására.

Önálló (szigetüzemű) rendszerben a tárolás nemcsak az éjszakai terhelés ellátásához kell, hanem ahhoz is, hogy a terhelés felhős időben is működjön. Hány napnyi tárolás szükséges, az az adott hely időjárási mintázatától függ: a felhősebb helyeken több kell. A nagy tárolóval rendelkező rendszereknél a tároló az alacsony napsugárzású időszakok, például a tél ellen is puffert ad. Általánosságban minél nagyobb a tárolás, annál kevésbé érzékeny a rendszer az alacsony besugárzású időszakokra, és annál megbízhatóbb az áramellátás.

Mi tárolhat még?

Az akkumulátor a leggyakoribb tároló, de a forrás szerint más megoldások is használhatók. Kis, rövid idejű tárolásra lendkerék vagy kondenzátor, egyedi célú napelemes rendszerekben, például vízszivattyúzásnál vagy hűtésnél víz vagy jég is szolgálhat tárolóként. Egy példa: a vízszivattyúzó rendszerekben az akkumulátoros tárolás nagyban csökkenthető vagy elhagyható, ha a felesleges vizet szivattyúzzák és víztartályban tárolják a felhős időszakra.

Hálózatra kapcsolt rendszer: csúcseltolás

A hálózatra kapcsolt rendszereknél a tárolás általában nem szükséges: napsütésben a napelem látja el a terhelést, éjjel és felhős időben a hálózat. Ilyen rendszerekbe is lehet azonban tárolót építeni, de nem a megbízhatóság növelésére, mint az önálló rendszerekben, hanem a napelemes áram értékének növelésére.

A forrás példája: sok áramszolgáltató terhelésében a nyári délutáni légkondicionálás növeli az összterhelést, és ezeknek a csúcsoknak a kiszolgálása lényegesen drágább. Mivel a napelem teljesítménye jellemzően nyáron a legnagyobb, a napelem termelése jól illeszthető a csúcsterheléshez, ha az energiát néhány órára eltárolják. A tárolásnak ezt a felhasználását csúcseltolásnak (peak shifting) nevezik.

Az akkumulátor további szerepei

A forrás szerint az akkumulátor a tároláson kívül más funkciókat is betölthet:

• Indítóáram: az akkumulátor nagyobb áramot tud adni a terhelésnek, mint amit a napelem önmagában. Ez különösen hasznos, ha a terhelés indításkor nagy áramot vesz fel, például sok motornál.
• Teljesítmény-kondicionálás: az akkumulátor kiegyenlítőként működhet. Két gyakori eset a közvetlenül csatolt rendszerek (például vízszivattyúzás) és a szünetmentes tápegységek.
• Terheléshez illesztés: egy-két napelemből álló kis rendszereknél az akkumulátor a terhelés illesztő elemeként dolgozik.

A napelemes rendszerekben használt akkumulátornak hosszú élettartamúnak és kis karbantartási igényűnek kell lennie, mivel az akkumulátor gyakran a rendszer teljes költségének jelentős hányada. A forrás szerint általában a más célra gyártott akkumulátorok nem alkalmasak jól napelemes használatra.

A víz elektrolízise és a gázfejlődés

Az olyan akkumulátoroknál, amelyek elektrolitja vizet tartalmaz (például az ólomsavasnál), töltéskor számolni kell a víz elektrolízisével. A szabványos potenciálok szerint a reakció feszültsége 1,23 V, de az aktiválási túlfeszültség nagy, ezért a reakció csak 2,2 V körüli feszültségnél indul meg jelentős mértékben. Nagy töltési sebességnél a töltési feszültség meghaladhatja ezt, ilyenkor két reakció zajlik egyszerre: az akkumulátor töltése és a víz elektrolízise. Ezt hívják gázfejlődésnek.

A gázfejlődés vízveszteséget okoz, és a hidrogén rosszul szellőztetett helyen biztonsági kockázat, vagy túlnyomást okozhat az akkumulátorházban. Mindkettő mérsékelhető, ha megakadályozzák a gázok, főleg a hidrogén távozását: az ilyen akkumulátorokat zárt vagy rekombinációs akkumulátoroknak nevezik.

Mit érdemes megjegyezni?

A tárolás értéke a rendszer típusától függ: önálló rendszerben az ellátás megbízhatóságát adja, hálózatra kapcsolt rendszerben az áram időbeli eltolását. Az akkumulátor jellemzőit az akkumulátor kapacitásáról és az élettartamról és karbantartásról szóló cikkben írtuk le, az ólomsavas típusról az ólomsavas akkumulátorról szóló írásban. Az alapokat a Mi az erkélynapelem, és hogyan működik? cikk tartalmazza.

Lásd még: Egy példa a gyakorlatból: a németországi háztartási rendszerek és akkumulátorok adatai külön cikkben szerepelnek (megnyitás).