A svédeket különösen szoros kapcsolat fűzi a lítiumhoz, hiszen két svéd kémikus, Johan August Arfwedson és Jöns Jacob Berzelius izolálta 1817-ben, a Stockholm környéki sziget­világban található Utö bányából kitermelt ércből. Bár nevét a görög kő (lithos) szó után kapta, valójában a legkönnyebb szilárd elem, ennek is köszönhető, hogy a belőle készített akkumulátorok viszonylag könnyűek (persze azért ebben, vagyis az energia­sűrűség terén még van hova fejlődni, ahogy azt látni fogjuk).
A lítium előszeretettel adja le a külső elektronját, ezáltal egy­szeresen pozitív töltésű lítium­ionná alakul. Ezt a tulajdonságát használta ki az 1970-es években Stanley Whittingham (az egyik idei díjazott), aki megalkotta az első működő­képes lítiumos akkumulátort). Néhány évvel később John Goodenough megduplázta az akkumulátor kapacitá­sát, ezzel létre­hozta az első, a gyakorlatban is hasznosít­ható lítiumos tölthető elemet. Ezt tetőzte be 1985-ben Josino Akira (mindhárman Nobel-díjat kaptak), aki kikü­szö­bölte a rendszerből az elemi jódot, és immár tisztán jód­ionokkal üzemelt az akkumulátor.

Akkumulátort fejlesztő olajcég

A fejlesztés hatása belát­hatatlan. Általában bele sem gondolunk, hogy hány eszközünk működése lehetetle­nülne el, ha nem lenne képes villamos energiát tárolni. Nem lennének mobil­telefonok (vagy legalábbis lítiumion-­akkumulátor nélkül sokkal nehezebbek és kisebb kapacitásúak lennének), nem létezhet­nének nagy kapacitású akkumulátor­ral szerelt laptopok, elektromos autók, nem tudnánk tárolni a megújuló energia­források (például a szél- és naperő­művek) által megtermelt energiát. Kijelent­hető, hogy energia­tárolók (például akkumulá­torok) nélkül teljesen remény­telen lenne a fosszilis energia­hordozók részarányának mérséklése az energia­termelésünkben.

A lítiumos akkumulátor kifejlesz­tése nem volt egyszerű. A kezdeti konstrukciók gyakran lettek zárlatosak, és olyan sokszor ütött ki tűz a laborban, hogy a tűzoltók már azzal fenye­getőztek, hogy a kutatókkal fizettetik meg azokat a speciális vegyi anyagokat, amelyeket a lítium­tüzek oltásakor használnak. Whittingham az 1970-es években az Exxon olaj­cégnél dolgozott, és ők finanszí­rozták a később elektromos autókba is beépít­hető akkuk fejlesztését. Tették ezt azért, mert a hetvenes évek olaj­válságaiból tanulva elkezdtek felkészülni az olaj­mentes jövőre.
A nyolcvanas évek elején az olaj ára – a későbbi történések fényében sajnálatosan – esni kezdett, az Exxon bevételei is csökkentek, és bezárták az akkumulátor­fejlesztő részlegüket. A lítiumion-­akkumulátor fejlesztése nem állt meg, de lelassult. Mára azonban bizonyította a benne rejlő lehetősé­geket, és meghatá­rozta az ener­gia­tárolást érintő fejlesztések egyik fő irányát.
„A lítiumion-akkumulátor valóban forduló­pontot jelentett az energia­tárolásban, hiszen még jelenleg is ez az az akkumulátor­típus, amely megfelelő energia­sűrűséget képes biztosítani ilyen kis méretben is. Ez az akkumulátor tette lehetővé a nagy kapacitású elektromos járművek elterjedését is – mondja Ladányi József, a Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszékének docense. – Ma már kétség­telen, hogy ez az akkumulátor olyan innováció volt, amely jelentős elmozdulást jelentett az elektro­kémiai energia­tárolás területén.”

A jövő a vanádiumé?

Mindez nem jelenti azt, hogy a lítiumion-­akkumulá­torok az elkép­zel­hető legjobb (vagyis leghatéko­nyabb, legolcsóbb és legkörnye­zet­kímélőbb) elektro­kémiai energia­tároló megoldások lennének. Számos irányban folynak a kutatások, amelyek más anyagok, más technológiák alkalmazásával igyekeznek meghaladni a mai lítium­ion-­akkumuláto­rok képességeit, bár jelenleg még nem került kereskedelmi forgalomba egyetlen olyan akku sem, amely alap­vetően előnyö­sebb lenne a lítium­ionos megoldásnál. Ennek elle­nére sok hír szól arról, hogy az akkumulá­torok gyártásá­hoz használt anyagok kitermelése meglehető­sen környezet­szennyező, illetve a lítium­technológia kapacitása sokáig már nem növelhető – paradigmaváltás nélkül. Ez valószínűleg új anyagok alkalmazá­-sát teszi szükségessé a jövőben.
Ladányi József szerint ez az új anyag talán a vanádium lesz. Ma még ugyan drágább a vanádiu­mos akkumulátor, mint a lítiumos, de nem szabad elfeledkeznünk arról, hogy tíz évvel ezelőtt még az utóbbi is lényegesen drágább volt a mai árszintnél. Hatalmas kiterjedésű vanádium­mezők ismertek, ezért jó ideig nem lehet gond a szükséges alap­anyag pótlása, és a vanádium kiválóan ötvöz­hető az acéllal. Nem ok nélkül alkalmazza a vanádiumot most is elő­szere­tettel az autóipar. Ha vanádiu­mot ötvöznek az autók karosszériájába, azzal erősebbé és könnyebbé tehetik a szerkezetet.
„A lítiumos akkumulátor­technoló­giában manapság már a határokat feszegetjük. Ez azt jelenti, hogy hamarosan már csak az akkumulá­torok méretének növelésével lehet növelni a kapacitást, vagyis az akkumulátor­ban tárolható energia mennyi­ségét. Minden fejlesztés végső célja a technológiai elvi maximum elérése. Az más kérdés, hogy a maximum mennyiben érhető el a jelenlegi technológiai és tudományos lehetősé­gek, illetve a gazdaságos­sági körülmények közepette” – magyarázza a docens.
A jelenlegi technológiát használó lítiumionos akkuk energia­sűrűsége már nemigen növelhető. A világban rengeteg kutató­csoport dolgozik ezért azon, hogy új technológiák felfedezé­sével egyszerre növeljék az akkuk kapacitását és csök­kentsék a méretét. Ez az elektromos autók tényleges hatalomátvétele szempontjából alapvető jelentőségű lépés lenne. Napjainkban a Tesla Model S típusa a kereske­delmi forgalom­ban kapható legnagyobb energia­kapacitású elektromos jármű, amelynek átlagos ható­távolsága maximum 600 kilométer. Ez már össze­mérhető a benzines vagy dízeles kocsikéval, de kiemelkedő­nek azért nem nevezhető.

Ugyanakkor – az akkuk viszonylagos könnyűsége ellenére – még most is az energia­tároló egységek foglalják el az elektro­mos autók tömegének jelentős részét. A Tesla Model S nagyjából 2000 kilo­grammos össz­súlyának több mint a negyedét az akku teszi ki. A legtöbb elektromos autóban az akku jószerével a teljes alvázat elfoglalja, erre építik rá a karosszériát. Ebből fakadóan a mai tervezésű autókban gyakorlatilag lehetetlen cserélni az akkumulátort (anélkül, hogy apró darabokra szednénk a kocsit). Ez igen nagy probléma, merthogy kizárja az akku­mulátor­cserés energia­fel­töl­tés lehetőségét.

Átkozott töltési idő

Az elektromos autók további hátránya a fosszilis üzem­anyagot égető társaikhoz képest az, hogy a töltésük nemcsak néhány percig tart – ahogy azt a benzinkutaknál megszokhattuk –, hanem néhány óráig. Még a gyorstöltő állomásokon is hosszadal­mas procedúrát jelent, ha teli kívánjuk tölteni az akkut, az otthoni hálózaton pedig egy egész éjszakán át tart (és a Tesla a legjobb akkuval rendelkező típus, a többi márka töltése ennél jóval lassabb lehet).
„A töltés sebessége nemcsak az akkumulátor energia­sűrű­sé­gé­től függ (bár az elektro­kémiai átalakulás sebessége is jelentősen hat rá), hanem sokkal jobban korlátozza azt az otthoni villamos hálózat rendelkezésre álló teljesítménye. Ma Magyarországon azért sem cserélhetnénk hirtelen a gépkocsi­park felét elektromos meghajtású járművekre, mert nem bírná el ezt a hatalmas energia­felvételt a villamos­energia-­hálózat – figyelmeztet Ladányi József. – A háztartási fogyasztók villamos hálózatát egyszerűen nem arra tervezték, hogy autó­gyorstöltő­ket üzemeltes­senek róluk. Mindehhez meg kellene erősíteni a teljes villamos hálózatot. A helyzetet tovább nehezíti, hogy ez a jelentős áram­felvétel nem elosztva, egyenletesen jelentkezne a nap folyamán, hanem sztochaszti­kusan, kiszámítha­tatlanul.”
Nem is az esti, lassú töltések jelentik a fő problémát, mert arra fel lehet készülni. Nagyobb kihívás, amikor olyan helyzet van (például esik az eső, és az emberek inkább mennek autóval), ami miatt egyszerre többen használják az autójukat, és nap­közben akarják mind­annyian tölteni őket a városok csomó­pontjaiban.

Kevesen tudják, de az elektromos járműveknek már volt egy fénykoruk, az előző század­fordulón (mielőtt kiszorították volna őket a szélvész gyorsasággal fejlődő olaj­alapú motorok). Egy londoni busz­társaság például elektromos buszokat használt, amelyek időről időre begurultak a garázsba, ahol a szerelők néhány csavar elforgatásával pár perc alatt kicserélték az akkumuláto­raikat, és már mehettek is vissza a forgalomba. Mindenkiben, aki ismeri a ceruzaelemet, felmerülhet, hogy miért nem használunk cserélhető akkus autókat. Nos, az ötlet egyszerűbben hangzik annál, mint amennyire megvalósítható.
„Természetes, hogy az akku­csere egyike a hosszas töltési idő kiküszöbölé­sére adható ötleteknek. De ez további kérdéseket is felvet. Vajon kié ilyenkor az akkumulá­tor? Ha minden­kinek van sajátja, azt miért adná oda másoknak? Ha viszont központi, bérel­hető akkumuláto­rokkal szerelnék az autókat, ahogy a gázpalac­kokat is cseréli az ember, akár működő­képes is lehetne ez a megoldás. Azt is figyelembe kell venni, hogy ezek egyen­áramú akkumulá­torok, így a biztonsá­gosság is fontos szempont kell, hogy legyen. Az ötlet azonban nem kivitelezhe­tetlen, csakhogy jelenleg semmiféle keretrend­szer nem áll rendelkezésre hozzá.”
Vagyis jelenleg sem a gazdasági, sem a jogi, sem a logisztikai, sem a technikai feltételek nem adottak egy akkumulátor­cserélő szolgáltatás beindításá­hoz. Pedig nyilvánvalóan ez a módszer közelítené meg legjobban a belső égésű motorokat használó járművek üzemanyag-­utántöltési idejét.

Ha nem fúj a szél

A megújuló energia­források­ból származó energia volatili­tása, azaz változékony­sága (hiszen nem mindig fúj a szél, és nem mindig süt a nap) kezelendő probléma a megújulók egyre nagyobb részaránya miatt. Minden idő­pillanatban ugyanannyi energiát kell termelni, mint amennyire igényt tartanak a fogyasztók. Amennyiben energia­többlet jelentkezik a hálózaton, vagy az erőmű­veket kell vissza­szabályozni, vagy a többlet­energiát kellene tá­rolni. Előbbi a megújuló energia­források esetén ma még kevésbé meg­old­ható. Mit lehet tenni? A megoldást a minél hatéko­nyabb energia­tárolás jelenti.
Magyarországon a szélerő­művek legnagyobb beépíthető kapacitása 300 megawatt. Ennek maximalizá­lá­sára éppen azért van szükség, hogy a villamos­energia-­rendszer irányítója kezelni tudja az adott esetben hirtelen jelentkező teljesítmény­kiesést vagy -többletet a szél változásából adódóan. Jóllehet az időjárás-előre­jel­zések egyre pontosabbak – és furcsa módon az áram­termelés és a meteorológia mind szorosabb kapcsolatba kerül, ahogy fokozatosan mégis egyre nagyobb teret nyernek a megújuló energia­források –, az időjárás azonban mindig is kiszámít­hatatlan marad. Márpedig az energia­ellátásban semmit sem szeretnek kevésbé, mint a kiszámít­hatatlan­ságot.
Ám az sem előnyös, ha szélcsend miatt nagy teljesítmény esik ki a rendszerből, hiszen a hiányt a piacról kell eseti jelleggel meg­vásá­rolni – ami nem olcsó. Vagyis biztosítani kell a folyamatos energia-utánpótlást. Adja magát az ötlet, hogy amikor túlzott mennyiségű villamos energia termelődik, akkor elraktá­rozzuk a felesleget, majd amikor hiány van, vissza­tápláljuk a rendszerbe. De vajon melyik energia­tárolási módszer erre a legalkalma­sabb?
„A szélerőművek vagy a napener­giát hasznosító erő­művek, ház­tartási méretű kiserő­művek megjelené­sével és elterjedésé­vel el­kerül­he­tetlen lesz hosszabb távon, hogy energia­tárolók létesüljenek – mondja Ladányi József. – A háztartási léptékben megtermelt energiát az elektro­kémiai akkumulá­torok raktároz­hatják el, nagy léptékben pedig a szivattyús-­tározós erő­művek jelenthetik a megoldást.”

A Tesla – az elektromos autók területén kifejlesztett akku­technoló­giát hasznosítva – otthoni használatra is kínál falra szerelhető akkumulátorokat. Ezeket folyamatosan töltik a napelemek, és áramszünet esetén amolyan szünetmentes tápként is funkcionálhatnak. A hálózati szolgáltatás kimaradása esetén – cég ígérete szerint – akár egy hétig is elláthatják energiával a lakást, ha folyamatosan töltődnek a napelemekből.
Ezek azonban igen költségesek, ezért aztán nem valószínű, hogy a közel­jövőben elterjed­het­nének Magyar­országon. Sokkal reálisabbnak tűnik a nagy léptékű nap- és szélerőművek, valamint a hozzájuk kapcsolódó szivattyús víz­tározók építése. Ladányi József szerint Ausztriában nem azért üzemel több szélturbina, mert ott többet fúj a szél, hanem azért, mert nekik több szivattyús-­tározós erőmű­vük van (nálunk egy sincs). Magyar­országon több potenciális helyszín is lenne szivattyús-­tározós erőmű építésére, ám ezek többsége nemzeti parkban, környezet­védelmi területen fekszik, így társadal­milag és környezet­védelmi szempontok miatt kevésbé támogatott a megépítésük.
E cikk szerzője járt olyan osztrák-­alpokbeli vízi erőmű bemutató­termében, amelyhez két, jelentősen különböző tenger­szint feletti magas­ságba épített víztározó kapcsolódott. A víztározó­kat csövek kötötték össze. A vízerő­műben megtermelt áram segítségével fel­szivattyúzták a vizet a felső tározóba – ezzel gyakorlatilag helyzeti energiát tároltak el benne. Amikor nyaranta csökken az erőmű­vet tápláló folyó vízhozama, a kieső energia­termelést a felső tározóból kiengedett víz mozgási energiájával pótolják.
Ladányi József véleménye szerint nagyon hiányzik a magyar­országi meg­újuló energia­források hasznosít­hatóságá­hoz a sza­bá­lyoz­ható­ság. Márpedig a szabályoz­ható­ság energia­tárolási meg­oldáso­kat feltételez. Az előre­jelzések szerint a jövőben három nagy energia­tároló irány­vonal válik dominánssá. Az egyik a szivattyús-­tározós erőmű, a másik továbbra is az akkumulá­tor (vagyis az elektro­kémiai energia­tárolás) lesz, bár a technoló­giájuk jelentősen különböz­het a ma ismert megoldásoktól.

A tiszta elektrolízis

A harmadik irány­­vonalról eddig még nem esett szó. Ennek alapja a hidrogén vagy a különféle szinteti­kus gázok. Vagyis a meg­termelt villamos energia segítségé­vel hidrogént vagy szintetikus gázokat állítanak elő (például elektroliti­kus vízbontás­sal vagy más elektro­kémiai reakció segítségé­vel). Így már nagy energia­tartalmú anyag jön létre, amelyet jóval könnyebb tárolni, mint a – szó szoros és átvitt értelmében is – megfogha­tatlan áramot. Később, amikor szükség lesz az energiára, egészen egyszerűen el lehet ezeket a gázokat égetni, és vissza­nyerni a betárolt energiát.
Az energia vissza­nyerése történhet közvet­lenül is (vagyis például a gáz elégeté­sével nyerünk hőt), de vissza is alakíthatjuk árammá, például energia­cellákon keresztül. A hidrogén energia­hordozóként való hasznosítá­sának különös előnye, hogy égésekor nem szén-­dioxid keletkezik, hanem víz, amely nem növeli az üvegház­hatást. Az áram segítségével előállít­ható szintetikus gázok rövid szénláncú szénhidrogének lennének, amelyeket be lehetne táplálni a földgáz­hálózatba, és onnan a hagyományos módon hasznosítani.

Gyakran felmerül a nagy léptékű villamos­energia-­tárolás egyik alternatívája­ként a lendkerekes energia­tárolás is, amikor hatalmas és nehéz kerekeket hajtanak meg, amelyek tehetetlen­ségük miatt nem képesek azonnal megállni, amint az őket hajtó energia­forrás elapad (gondoljunk csak a lend­kerekes kisautókra). Az ilyen óriási és végeláthatat­lanul pörgő kerekek elmélet­ben alkalmasak lehetnek arra, hogy a megforgatá­sukra használt energia jelentős részét ezután egy dinamót hajtva vissza­alakítsák elektromos­sággá. Ladányi József úgy véli, hogy biztonsági megfonto­lásból nem feltétlenül jelentenek ideális megoldást, mert éppen biztonsági szempontok miatt csak bunker­szerű építmé­nyekben valósít­hatók meg.
Jóllehet az akkumuláto­rokra hajlamosak vagyunk úgy gondolni, mint kis méretű – legfeljebb jármű­veket ellátó – eszközökre. Csakhogy ez nem lesz feltétlenül így a jövőben. Már hazánkban is működik három kísérleti jellegű projekt, amelyek­ben néhány tíz mega­wattos kapacitású energia­tárolás folyik – mégpedig elektro­kémiai megoldással. Tehát igenis lehet nagyobb léptékben üze­melő akkumuláto­rokat is készíteni.
„A megújuló energia­termelésünk sem centralizált, hanem el­osz­tott – mind földrajzi értelemben, mind a villamos­energia-­rend­szerhez való kapcsoló­dási pontjait illetően. Ha a háztartási méretű, illetve kis­erőmű­vek mellé is telepítenénk lítiumion-­akku­mu­lá­toro­kat, akkor az egész országra vetítve jelentős mértékű energia­tároló kapacitást kapnánk összesen – vélekedik Ladányi József. – Nem lesz centralizált a villamos­energia-­termelé­sünk a jövő­ben sem, egy-két nagy erő­művet leszámítva. Egyértel­műen látszik, hogy az elosztott villamos­energia-­termelés már itt van, és csak tovább fog terjedni. Például a Magyar Villamos Művek több mint száz nap­erő­művet épít jelenleg. A meg­újulók hektikus termelése mellé energia­tároló kapacitásra van szükség.”

Jelenleg Magyarországon nincs előírva, hogy a háztartási méretű kiserő­művekhez kötelezően be kell építeni tároló­kapacitást is. Németországban viszont minden második nap­elemes kiserő­mű mellé a fogyasztó energia­tároló egységet is telepít. Ezzel a fogyasztó nemcsak a villamos­ energia árát minimalizálja – hiszen akkor tudja felhasználni a megtermelt és betárolt energiát, amikor a legelőnyösebb neki –, de így a villamos hálózat túlzott igénybe­vétele, végső soron a szolgáltatói hálózat­fejlesztési ráfordítá­sok is csökkenthetők.•