Mobilne instalacje zasobników energii elektrycznej w transporcie miejskim

Transkrypt

1 KRAWCZYK Grzegorz 1 Mobilne instalacje zasobników energii elektrycznej w transporcie miejskim WSTĘP W transporcie miejskim podejmowane są ustawicznie działania mające na celu racjonalizację i ograniczanie energochłonności procesów transportowych. Realizowane są one m.in. poprzez modernizację napędów posiadanego taboru, zakup energooszczędnych jednostek oraz poprzez stosowanie zasobników, jako magazynów energii elektrycznej umożliwiających akumulowanie energii pochodzącej z hamowania odzyskowego w przypadku braku receptywności sieci trakcyjnej. Ponadto zastosowanie pokładowych zasobników energii umożliwia przejazd pojazdu bez korzystania z sieci trakcyjnej do najbliższego przystanku czy też na opuszczenie skrzyżowania podczas awarii zasilania. Specyfika ruchu pojazdów transportu miejskiego a w szczególności tramwajów, czyli szybkie przyśpieszanie i częste hamowanie powoduje znaczne wahania napięcia i prądu, co z kolei wpływa na dużą zmienność poboru mocy z podstacji. Zastosowanie pokładowych systemów akumulacji energii elektrycznej pozwoli na pewne ograniczenie tych wahań, a w konsekwencji na stabilniejszy pobór mocy z podstacji. Natomiast wyposażenie trolejbusów w zasobniki dodatkowo wpływa na zmniejszenie ich zużycia paliwa poprzez wspomaganie jednostki spalinowej, a to z kolei pozytywnie wpływa na środowisko. 1. MOBILNE INSTALACJE ZASOBNIKÓW ENERGII Rekuperowanie energii elektrycznej polega na odzyskiwaniu energii w pojazdach z napędem elektrycznym lub hybrydowym poprzez wykorzystanie silników elektrycznych, jako generatora prądu elektrycznego. Energia kinetyczna pojazdu będącego w ruchu zostaje zamieniana na energię elektryczną w trakcie hamowania odzyskowego. Zwrot energii elektrycznej do sieci trakcyjnej odbywa się wówczas, gdy na danym odcinku zasilania w tym samym czasie znajduje się inny pociąg, który pobiera energię z sieci trakcyjnej (rys. 1). Rys. 1. Zwrot energii do sieci trakcyjnej podczas hamowania odzyskowego Jeżeli sieć trakcyjna nie będzie w stanie przyjąć energii pochodzącej od hamującego pojazdu, wówczas energia elektryczna zostanie zamieniona na energię cieplną na rezystorach hamowania. Ponadto przekazywanie energii poprzez sieć trakcyjną wiąże się ze stratami przesyłowymi. W celu ograniczenia tych strat i efektywnego wykorzystania energii rekuperacji stosuje się zasobniki energii, które umieszczane są w pojeździe. Takie rozwiązanie przedstawione na rysunku 2 pozwala na akumulację energii podczas hamowania odzyskowego i następnie na wykorzystanie jej podczas 1 dr inż. Grzegorz Krawczyk Uniwersytet Technologiczno Humanistyczny im. Kazimierza Pułaskiego w Radomiu, Wydział Transportu i Elektrotechniki, Instytut Systemów Transportowych i Elektrotechniki, Zakład Elektrotechniki i Energetyki, g.krawczyk@uthrad.pl 3290

2 kolejnej fazy rozruchu minimalizując straty energii związane z jej magazynowaniem, oraz w pewnym stopniu ograniczając wartości szczytowe poboru mocy z podstacji trakcyjnej. Rys. 2. Idea zastosowania pokładowego zasobnika energii 1.1. Praktyczne zastosowania pokładowych zasobników energii elektrycznej w transporcie miejskim W Niemczech od 2007 r. do chwili obecnej wykorzystywanych jest 19 tramwajów wyposażonych w superkondensatorowy system magazynowania energii (osiem jest wykorzystywanych w Heidelbergu, a jedenaście w Mannheim i Ludwigshafen). Pojazdy te zużywają o 30 % mniej energii niż tramwaje nie wyposażone w pokładowy układ do akumulacji energii [1, 2, 3]. Również od siedmiu lat w Nicei eksploatowany jest tramwaj Citadis wyposażony w pokładowy zasobnik bateryjny (NiMH) kursujący na odcinkach: Jean Medecin - Massena o długości linii 440 m i Jean Jaures - Garibaldi o długości linii 470 m [2]. Natomiast w Polsce pierwszym testowanym tramwajem wyposażonym w baterię akumulatorów niklowo-kadmowych na trasie Bemowo-Młociny w Warszawie (październik 2005 r.) był tramwaj 116 N. Kolejne testy tego tramwaju przeprowadzono po zastąpieniu baterii akumulatorów elektrochemicznych baterią superkondensatorów o pojemności 10 F i napięciu 750 V [4]. W Kownie na Litwie w 2010 r. oddany został do eksploatacji trolejbus (Skoda 14TR) z zasobnikiem superkondensatorowym o pojemności 21 F i maksymalnym napięciu 350 V [5]. Pierwszymi w Polsce trolejbusami wyposażonymi w układ magazynowania energii były dwa Solarisy Trollino 12M użytkowane od 2009 r. w Gdyni. Wyposażone zostały w baterie niklowokadmowe (o pojemności 80 Ah i znamionowym napięciu 201,6 V i masie 800 kg) i przekształtnik dopasowywujący napięcie. Pojemność baterii pozwala na przejechanie kilku kilometrów (od 2 7 km) bez zasilania z sieci trakcyjnej. Obecnie w Gdyni eksploatowanych jest 41 trolejbusów wyposażonych w baterie niklowo-kadmowe stosowane głównie jako napęd pomocniczy w sytuacjach awaryjnych. Również w Tychach eksploatowanych jest 15 trolejbusów Solaris Trollino 12MB z bateriami niklowo-kadmowymi, a w Lublinie eksploatowanych jest 5 tramwajów z bateriami litowopolimerowymi umożliwiającymi pokonanie odległości 5 km bez konieczności zasilania z sieci trakcyjnej [6]. Natomiast w 2011 r. w Hiszpanii zaprezentowano prototyp tramwaju zasilanego przez dwa ogniwa paliwowe o mocy 12 kw. Tramwaj ten osiągał prędkość do 20 km/h i był w stanie przewieźć 30 pasażerów. Dodatkowo wyposażony był w superkondensatorowy układ do magazynowania energii pochodzącej z hamowania rekuperacyjnego [2]. Wrocławskie MPK podpisało umowę na przeprowadzenie testowej przebudowy układu napędowego jednego z tramwajów, w celu uzyskania możliwości odzyskiwania energii podczas hamowania rekuperacyjnego i magazynowania jej w zasobniku superkondensatorowym [7]. Natomiast w 2015 r. do Warszawy zostanie dostarczonych 30 nowych tramwajów typu 134 N Jazz wyposażonych w pokładowy zasobnik energii [8]. 2. MAGAZYNY ENERGII ELEKTRYCZNEJ STOSOWANE W TRANSPORCIE MIEJSKIM Zasobniki stosowane w pojeździe trakcyjnym powinny charakteryzować się dużą wartością: gęstości masowej energii (pozwalającą na uzyskanie małej masy baterii zasobników i duży zasięg) 3291

3 oraz mocy (związanej z możliwością szybkiego dostarczania energii, czyli możliwościami ładowania i rozładowywania prądami o dużych wartościach), a także gęstości objętościowej energii (wpływającą na redukcję miejsca w pojeździe). Również ważnymi parametrami branymi pod uwagę podczas wyboru zasobnika powinna być możliwość uzyskania jak największej liczby cykli ładowania i rozładowywania, wysoka sprawność i dostępna cena. Do grupy zasobników najczęściej stosowanych w transporcie miejskim można zaliczyć: akumulatory elektrochemiczne, mechaniczne i superkondensatory. Akumulatory elektrochemiczne są najstarszą i powszechnie wykorzystywaną formą gromadzenia energii elektrycznej. Zasadnicze cechy akumulatorów elektrochemicznych to: znaczna żywotność, duża pojemność oraz duży prąd wyładowania i niskie straty przy pracy jałowej. Trwałość baterii jest określana, jako liczba cykli ładowania i rozładowywania baterii, które można wykonać przed spadkiem znamionowej pojemności. Typowy czas trwałości baterii to 500 do 1200 cykli [9]. Alternatywą do elektrochemicznego gromadzenia energii jest zamiana energii elektrycznej na energię kinetyczną i magazynowanie jej w wirującym bezwładniku. W przeciwieństwie do akumulatorów elektrochemicznych, koła zamachowe nie są wrażliwe na temperaturę, a ich sprawność, czyli stosunek energii zwracanej do dostarczanej, wynosi do 90%, w porównaniu z 75% wydajnością baterii [10]. Podstawowymi komponentami kinetycznego akumulatora energii (rys. 3) są: wał, na którym osadzony jest wirnik maszyny elektrycznej (pracujący w reżimie pracy silnikowej podczas ładowania oraz jako generator energii elektrycznej w trakcie rozładowywania), koło zamachowe, łożyska, obudowa próżniowa. Rys. 3. Mechaniczny akumulator energii Głównymi problemami związanymi z właściwym doborem mechanicznego zasobnika energii są: minimalizacja ciężaru zarówno obudowy jak i urządzeń pomocniczych zasobnika, dobór zakresu zmian prędkości kątowej koła zamachowego, a także modelowanie najbardziej korzystnych charakterystyk obciążenia zasobnika inercyjnego z punktu widzenia jego sprawności energetycznej przy współpracy z urządzeniami zespołu napędowego i innymi źródłami energii [11]. Superkondensator jest urządzeniem akumulującym energię, łączącym w sobie cechy zarówno baterii, jak i tradycyjnego kondensatora, a więc dużą gęstość energii i szybką reakcję na zmiany obciążenia. Składa się z dwóch elektrycznie oddzielonych elektrod (rys. 4), zbudowanych z węgla 2 aktywnego (o powierzchni do 2000 m na gram) i nasączonych elektrolitem [12]. Wartość ładunku elektrycznego, którą można zgromadzić na tej powierzchni zależna jest od jej wielkości. Elektrody superkondensatora oddzielone są od siebie cienką porowatą membraną uniemożliwiającą bezpośrednie zwarcie obu elektrod. 3292

4 Rys. 4. Budowa superkondensatora W stosunku do tradycyjnego kondensatora, kondensatory dwuwarstwowe mogą gromadzić około 100 razy więcej energii. Ze względu na małe napięcie znamionowe pojedynczego superkondensatora (2,5V 2,8V) dla zastosowań przemysłowych są one łączone w gałęzie szeregowo-równoległe. Coraz częściej zasobniki te wykorzystywane są zamiast baterii, ze względu na możliwość szybkiego ładowania, dużą trwałość (przy rozładowywaniu do 50 % około 10 lat) oraz szeroki zakres temperatury pracy (od -40 C do nawet 85 C) [13]. W porównaniu z różnymi zasobnikami charakteryzują się wysoką sprawnością (powyżej 90%) i znacznymi mocami szczytowymi. Podstawową wadą kondensatorów dwuwarstwowych jest ich niska energia właściwa, która zawiera się w przedziale 5-10 Wh/kg. W ostatnim czasie pojawiła się koncepcja wykorzystywania grafenu do produkcji elektrod superkondensatora (m.in. zespół naukowców z Południowej Korei opracował superkondensator wykonany z grafenu o teoretycznej pojemności wynoszącej 550 F/g) [14]. Dzięki temu rozwiązaniu superkondensatory są w stanie zakumulować porównywalną wartość energii, jak baterie litowo-jonowe wykorzystywane w pojazdach elektrycznych. 3. OSZACOWANIE PARAMAETRÓW BATERII SUPERKONDENSATOROWYCH W celu uzyskania odpowiedniej konfiguracji połączeń szeregowo równoległych pojedynczych superkondensatorów i wyznaczenia parametrów zastępczych baterii superkondensatorów, które możnaby zastosować w pojazdach komunikacji miejskiej, wykorzystano aplikację opracowaną w środowisku Matlab (rys. 5). Rys. 5. Algorytm działania programu wyznaczającego parametry baterii zasobników 3293

5 Jako dane wejściowe programu przyjęto: wymaganą przez użytkownika pojemność energetyczną zasobnika i wartość napięcia, na które ma zostać zwymiarowana bateria oraz dane katalogowe pojedynczego superkondensatora o pojemności 3000 F i napięciu 2,8 V [15] takie jak: znamionowa pojemność i napięcie pojedynczego urządzenia magazynującego oraz jego wymiary (długość, szerokość, wysokość) i masa. Wybrane parametry zastępcze zasobnika uzyskane w wyniku działania powyższej aplikacji zaprezentowano w tabeli 1. Tab. 1. Wybrane parametry zastępcze zasobników Parametry zastępcze zasobników U = 602 V E = 1,41 kwh LSUC 3000F/2,8V-P U = 750 V E = 1,75 kwh LSUC 3000F/2,8V-P Pojemność wypadkowa zasobnika F 27,91 22,39 Rezystancja Rs zasobnika 37,21 29,85 Rezystancja Rr zasobnika Liczba superkondensatorów połączonych szeregowo szt Liczba gałęzi równoległych superkondensatorów szt. 2 2 Liczba superkondensatorów wchodzących w skład zasobnika szt Masa zasobnika kg Przybliżony koszt zakupu superkondensatorów zł Zawarte w tabeli wartości dotyczące masy zasobnika i kosztu zakupu superkondensatorów odnoszą się do samych superkondensatorów bez uwzględnienia osprzętu dodatkowego (obudowy, układów wyrównujących napięcie, zacisków łączeniowych itp.) oraz przekształtnika Teoretycznie, pobranie z zasobnika maksymalnej, zgromadzonej w nim energii oznaczałoby, że napięcie na jego zaciskach musiałoby zmaleć od wartości maksymalnej do zera, co w praktyce jest niemożliwe. W przypadku superkondensatora producenci zalecają, aby napięcie na zaciskach superkondensatora nie spadało poniżej 50% wartości jego napięcia nominalnego. W praktyce oznacza to, że można wykorzystać do 75 % zakumulowanej w superkondensatorze energii, co bezpośrednio wynika z wzoru: Przy zastosowaniu przekształtnika obniżająco-podwyższającego napięcie istnieje możliwość rozładowania zasobnika poniżej 50 % wartości jego napięcia nominalnego (jednak w ten sposób powiększa się masa układu, a przez to całego pojazdu). WNIOSKI Zastosowanie zasobników w pojazdach komunikacji miejskiej pozwala na ogólne zmniejszenie zużycia energii i spadków napięcia w sieci trakcyjnej, dzięki czemu możliwe jest zasilanie większej liczby pojazdów bez konieczności przebudowy układu zasilania. Ponadto wpływa na redukcję wartości maksymalnych mocy pobieranej z podstacji trakcyjnych. W celu efektywniejszego wykorzystania energii pochodzącej z hamowania rekuperacyjnego można zaplanować naprzemienne kursowanie pojazdów wyposażonych w zasobnik pokładowy i jednostek nie wyposażonych w taki układ akumulacji. Mobilne zastosowania zasobników w porównaniu ze stacjonarnymi zastosowaniami zasobników (instalowanych w podstacjach trakcyjnych lub ich pobliżu) mają tę zaletę, że pracują przy wyższej wydajności ze względu na brak strat w linii zasilającej. Wadą tego zastosowania jest konieczność (1) 3294

6 zapewnienia odpowiedniego miejsca w pojeździe i wzrost masy pojazdu wpływający na kilku procentowe zwiększenie zużycia energii [16,17], a to z kolei wpływa na ogólne zmniejszenie efektywności energetycznej. Superkondensatory ze względu na swoje parametry i intensywny rozwój nanotechnologii wpływający na systematyczne obniżanie się ceny jednostkowej tych urządzeń sprawiają, że zasobniki te są najczęściej stosowane w praktycznych instalacjach mobilnych. Jeszcze lepsze wyniki uzyskiwane są poprzez zastosowanie dwóch typów zasobników razem (np. baterii elektrochemicznych z superkondensatorami). Łączy się wówczas zalety superkondensatora, czyli możliwości szybkiego ładowania i rozładowywania oraz dużą trwałość wraz z możliwością magazynowania przez baterie elektrochemiczne dużych wartości energii na jednostkę masy baterii, co jest istotne w przypadku pokonywania pewnych dystansów bez zasilania z sieci trakcyjnej podczas sytuacji awaryjnych. Streszczenie Zasobniki energii elektrycznej w transporcie miejskim stosuje się w celu efektywnego wykorzystywania energii elektrycznej odzyskiwanej w trakcie hamowania rekuperacyjnego oraz jako dodatkowe źródło energii w sytuacjach awarii zasilania. W artykule dokonano przeglądu praktycznych zastosowań mobilnych układów akumulacji energii w transporcie miejskim i porównania podstawowych typów zasobników energii elektrycznej stosowanych w tych instalacjach. Ponadto oszacowano parametry zastępcze pokładowego systemu akumulowania energii: o napięciu 602 V i pojemności energetycznej 1,41 kwh oraz o napięciu 750 V i pojemności energetycznej 1,75 kwh powstałych z odpowiedniej konfiguracji połączeń pojedynczych superkondensatorów (2,8 V i pojemności 3000 F). Mobile installations of energy storage devices in urban transport Abstract Energy storage devices in urban transport is used to make effective utilize the energy recovered during braking recuperation, and as an additional source of energy in cases of power failure. The article reviews the practical applications of mobile energy storage systems in urban transport and comparison of basic types of electric energy storage devices used in these installations. In addition, equivalent parameters were estimated on-board energy storage system: a voltage of 602 V and a energy capacity of 1.41 kwh, and also a voltage of 750 V and a energy capacity of 1.75 kwh generated from the appropriate configuration of the connections of individual supercapacitors (2.8 V and a capacity of 3000 F). BIBLIOGRAFIA 1. Internet, 2. Internet, 3. Ball F.: Supercapacitors take charge in Germany. MRS Bulletin 37/2012, Energy Quarterly. 4. Giziński Z., Gąsiewski M., Giziński P., Żuławnik M.: Zasobnikowe układy zasilania w pojazdach trakcyjnych. Pojazdy Szynowe 3/ Internet, 6. Internet, 7. Internet, 8. Internet, 9. Internet, Internet, Krawczyk G.: Ocena efektywności zastosowania zasobników w systemie zasilania linii metra. Rozprawa doktorska. Politechnika Radomska Czerwiński A.: Akumulatory, baterie, ogniwa. WKŁ, Warszawa Krawczyk G.: Zasobniki energii elektrycznej w transporcie szynowym. Autobusy. Technika, Eksploatacja, Systemy Transportowe 3/2013, strony Internet,

7 15. Katalog DACPOL Podzespoły do Energoelektroniki, Elektrotechniki, Elektroniki, Automatyki, Pneumatyki wydanie Barrero, R.; Tackoen, X.; Van Mierlo, J.; Analysis and configuration of supercapacitor based energy storage system on-board light rail vehicles; Power Electronics and Motion Control Conference, Sept Page(s): Gonzalez-Gil A., Palacin R., Batty P.: Sustainable urban rail systems: Strategies and technologies for optimal management of regenerative braking energy. Energy Conversion and Management 75 (2013)