ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012

Transkrypt

1 ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW 1(87)/2012 Wojciech KORZYBSKI 1, Henryk RODE 2 WYBRANE SPOSOBY PRODUKCJI I MAGAZYNOWANIA ENERGII ELEKTRYCZNEJ 1. Wstęp Podstawowym źródłem energii na naszej planecie jest Słońce. Jego promieniowanie docierać do nas będzie prawdopodobnie przez kolejne setki milionów lat. Można więc traktować je jako niewyczerpalne źródło energii. Energia słoneczna może być bezpośrednio zamieniana na ciepło w wodnych lub powietrznych kolektorach słonecznych lub na prąd elektryczny w ogniwach fotowoltaicznych. Można ją zagospodarować także w sposób pośredni wykorzystując jako energię biomasy (energia materii organicznej), wody czy wiatru. Atrakcyjność tych sposobów pozyskiwania energii bierze się z ich największych zalet: praktycznie braku zanieczyszczeń naturalnego środowiska oraz pełna odnawialność. W czasie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych pojawia się problem jej efektywnego wykorzystania. Intensywność promieniowania słonecznego jest zmienna w czasie, wiatr wieje z różną prędkością, trudną do przewidzenia. Także zapotrzebowanie na energię nie zawsze jest takie samo. Zmienia się ono tak w ciągu doby jak i sezonowo w ciągu roku. Najczęściej wtedy, gdy potrzeba jej w dużej ilości to możliwości jej wytworzenia są minimalne lub żadne. Aby zlikwidować skutki tej niedogodności nieodzowne jest inteligentne magazynowanie energii dostosowane do sposobu jej pozyskiwania i potrzeb odbiorcy [1]. 2. Sposoby magazynowania energii Energia może być magazynowana w różnych formach. Podziału metod (sposobów) magazynowanie energii można dokonać według następujących kryteriów [2]: Podział za względu na zastosowaną konwersję nośników energii: - magazynowanie bezpośrednie obejmuje akumulowanie produktu finalnego, względnie energia jest magazynowana w źródle z procesem bezpośredniej przemiany, np. w elektrochemicznym źródle energii, - magazynowanie pośrednie obejmuje akumulowanie nośnika energii, z którego na drodze przemian w układzie magazynującym uzyskujemy energię. Podział ze względu na krotność cykli ładowania: - magazynowanie jednorazowe akumulowanie energii tylko w jednym cyklu ładowania (ogniwa galwaniczne pierwotne), - magazynowanie cykliczne magazynowanie z wielokrotnym ładowaniem, liczba cykli może być od kilku do kilkuset tysięcy. Podział pod względem czasookresu magazynowania (przedział czasu pomiędzy fazą ładowanie, a fazą poboru do użytkowania): 1 dr inż. Wojciech Korzybski, Politechnika Warszawska, Instytut Inżynierii Mechanicznej w Płocku 2 dr inż. Henryk Rode, Politechnika Warszawska, Instytut Inżynierii Mechanicznej w Płocku 145

2 - magazynowanie krótkookresowe obejmuje magazynowanie chwilowe w zakresie sekund do kilku minut, okresowe minutowe od kilku do 60 minut oraz okresowe dzienne od 1 do 24 godzin, - magazynowanie średniookresowe obejmuje magazynowanie od 1 do 30 dni, - magazynowanie długookresowe obejmuje magazynowanie sezonowe od 1 do 6 miesięcy oraz długie od pół roku do kilku lat. Ze względu na rodzaj stosowanych technologii magazynowania można wyróżnić następujące typy akumulatorów energii [2]: Akumulatory mechaniczne - mogą służyć do pośredniego magazynowania energii: - układy hydropompowni, - akumulatory sprężonego powietrza, - akumulatory energii kinetyczne, Elektrochemiczne źródła prądu można je zaliczyć do grupy bezpośredniego magazynowania (z konwersją bezpośrednią) energii elektrycznej: - ogniwa galwaniczne pierwotne (jednorazowego użytku), - ogniwa galwaniczne wtórne, potocznie nazywane akumulatorami, - ogniwa galwaniczne paliwowe, Akumulatory elektryczne należą do bezpośredniego magazynowania energii elektrycznej w postaci niezmienionej: - układy cewki nadprzewodzącej, - kondensatory elektryczne, - sieć systemu elektroenergetycznego, Układy cieplno-chemiczne w skład wchodzą urządzenia wykorzystywane do wielostopniowych przemian na energię elektryczną: - zbiorniki ciepła, - wytwornice pary słonecznej elektrowni cieplnej, - układ elektrolizera wody, - zbiorniki paliw gazowych i ciekłych. Każdy, dobry układ magazynujący energię powinien charakteryzować się następującymi cechami [2]: - dużą gęstością energii, - wysoka pojemnością właściwą, - łatwością ładowania i rozładowania, - dużą liczbą cykli ładowań i rozładowań, - wysoka wydajnością energetyczną cykli, - możliwością prostej konwersji energii na inną postać i wysoką ich sprawność, - wymaganą temperaturą, w jakiej dany układ magazynujący energię może funkcjonować, - wymaganym czasem magazynowania oraz czasem przekazania energii użytkownikowi, - powinien także uzyskiwać efektowność ekonomiczną i nie stwarzać zagrożenia dla środowiska naturalnego. Potrzeba magazynowania energii elektrycznej wynika głównie z następujących powodów [2]: - różnorodności form wytwarzania energii elektrycznej, - konieczności zachowania równowagi między wytworzoną energią elektryczną a jej zużyciem, - zmiennością zapotrzebowania w czasie, - okresowością dostarczania energii ze źródeł niekonwencjonalnych, 146

3 - różnorodności form energii zapotrzebowanej przez odbiorców i braku dostępu do innych źródeł energii, - wymaganej wysokiej sprawności przetwarzania energii, - konieczności ochrony środowiska naturalnego, - względów ekonomicznych. 3. Magazynowanie energii elektrycznej w pojazdach mechanicznych Rosnące zapotrzebowanie pojazdu mechanicznego na moc elektryczną, zarówno do zespołu napędowego w pojeździe hybrydowym czy elektrycznym, jak i do zasilania rosnącej liczby pozostałych urządzeń elektrycznych, wymusza konieczność poszukiwania trwałych, lekkich, wysokopojemnych i tanich systemów pokładowej produkcji i magazynowania energii elektrycznej łatwych do zastosowania na szeroka skalę w każdym pojeździe. Do najciekawszych i mających realną szanse upowszechnienia należą: wodorowe ogniwa paliwowe, akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (Ni-MH), akumulatory litowo-jonowe (Li-ion), akumulatory cynkowo powietrzne (Zn-air), superkondensatory i mechaniczne baterie Wodorowe ogniwa paliwowe Ogniwa paliwowe (ogniwa wodorowe) są urządzeniami elektrochemicznymi stanowiącymi przełom w dziedzinie źródeł energii. Pozwalają one na uzyskanie energii elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji chemicznej. Ogniwa charakteryzują się dużą czystością, sprawnością i gęstością energetyczną [5]. Zasada funkcjonowania ogniw wodorowych zostały odkryte już w pierwszej połowie XIX wieku. Jednak dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku znalazły zastosowanie w ramach programu kosmicznego NASA. Dalszy rozwój technologicznych to początek XXI wieku, kiedy to ogniwa wodorowe znajdują zastosowanie komercyjne. Ogniwa wodorowe wytwarzają prąd elektryczny i ciepło w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Produktem ubocznym jest woda. Zbudowane są z dwóch elektrod: anody i katody (Rys.1), które odseparowane są poprzez elektrolit płynny lub stały umożliwiający przepływ kationów, lecz będący barierą dla elektronów. Reakcja chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem nieprzepuszczalnego elektrolitu (membrany). W wyniku elektrochemicznej reakcji wodoru z tlenem powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Paliwo wodór w stanie czystym lub w mieszaninie z innymi gazami jest doprowadzany w sposób ciągły do anody, a utleniacz tlen w stanie czystym lub częściej mieszaninie (powietrza) podawany w sposób ciągły do katody [5]. Do zalet ogniw paliwowych można zaliczyć wysoką jakość dostarczanej energii odpornej na zakłócenia, wysoką sprawność dochodzącą w procesie kogeneracji produkcji energii elektrycznej i ciepła do 80%, możliwość stosowania różnych rodzajów paliw bogatych w wodór, ochronę środowiska poprzez generowania 25 razy mniej zanieczyszczeń niż konwencjonalne metody oraz skalowalność. Pojedyncze ogniwa można łączyć w celu uzyskania pożądanego poziomu generowanej mocy., Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody pozyskiwania wodoru. Metody te to pozyskiwanie wodoru przez [3]: - wykorzystanie elektrolizy wody, 147

4 - zamianę energii słonecznej w ogniwach słonecznych na prąd elektryczny, który przepływając przez powłoki wykonane z rodu, molibdenu, wolframu czy związków porfirynowych (zbliżone budowa do chlorofilu) rozkłada wodę ale nie elektrolitycznie lecz katalitycznie, - zamianę energii słonecznej na ciepło (do 4000 K) w piecach słonecznych z lustrami parabolicznymi i wykorzystanie uzyskanego ciepła do termicznego rozkładu wody (termoliza wody C), - metodę Hotelly, polegająca na gorącej elektrolizie pary wodnej w temperaturze C, - wykorzystanie bakterii do beztlenowego rozkładu biomasy, - fotoredukcyjny rozkład wody enzymem hydrogenazą, występującą m. in. w glonie zielonej algi. Rys. 1. Zasada funkcjonowania wodorowego ogniwa paliwowego [5] Zalety ogniw paliwowych jako źródła napędu pojazdów mechanicznych (wysoka sprawność, brak wibracji i hałasu, brak procesu spalania) jeszcze niedawno wydawały się tak wielkie, że pojawienie się seryjnych pojazdów wykorzystujących tę technikę było kwestią kilku lat. Niestety, trudności z opanowaniem techniki produkcji, transportu i magazynowania wodoru, a przede wszystkim stworzenia sprawnej sieci dystrybucji tego gazu do klienta odsuwają datę masowego wykorzystania ogniw wodorowego ogniw paliwowych na przyszłe dekady [4] Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (Ni-MH) zbudowany jest z katody, którą stanowi płytka niklowa oraz anody stanowiącej stop niklu, manganu, magnezu, kobaltu i aluminium, osadzonych w zasadowym elektrolicie. Podczas ładowania wydzielający się wodór reaguje z metalami stopu anody tworząc wodorek metalu, który rozpada się podczas rozładowywania. Akumulator nie zawiera toksycznych związków kadmu i posiada jedną z największych gęstości energii (360MJ/m 3 ) [6]. Konstrukcja akumulatora wymaga absolutnej szczelności, porowatej elektrody oraz wysokiego ciśnienia. Posiada podobną siłę elektromotoryczną do akumulatorów niklowo- 148

5 kadmowych, co sprawia, że można je stosować zamiennie. Akumulatory Ni-MH wymagają procesu formowania i mają niewielki efekt pamięci oraz leniwej baterii, co wymaga całkowitego rozładowania baterii ogniw przed powtórnym naładowaniem. Są niezawodne ale stosunkowo drogie. Każdy zastosowany w pojeździe akumulator wymaga ok. 6 kg niklu oraz kobaltu, którego światowa produkcja w ciągu roku wynosi jedynie 50 tys. ton. To mocno ogranicza masowe zastosowanie tego akumulatora. Oprócz tego patenty na wydajne akumulatory pryzmatyczne Ni-MH należą do koncernu paliwowego Chevron, który nie jest zainteresowaniu rozwojem tej technologii [4] Akumulatory litowo-jonowe Akumulator litowo-jonowy zbudowany jest z elektrody wykonanej z porowatego węgla oraz drugiej z tlenków metali [7]. Rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Pozwala na skumulowanie dwa razy więcej energii niż w akumulatorze NiMH o tym samym ciężarze i wielkości. Efekt pamięci oraz leniwej baterii nie występuje. Akumulatory litowo-jonowe z racji niskiej masy, dużej trwałości, odporności na wielokrotne ładowanie, szybkie ładowanie (80% pojemności w 30 minut) są obecnie najchętniej stosowane w pojazdach elektrycznych oraz hybrydowych. Posiadają jednak pewne wady. Wymagają specjalnych układów chłodzenia gdyż rozgrzewają się podczas ładowania. Zwarcie akumulatora może spowodować zapłon. W wysokich temperaturach mogą nawet wybuchnąć. Ładowanie musi odbywać się dwufazowo. Masowe zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych może napotkać na duże kłopoty. Lit jest pierwiastkiem rozpowszechnionym na Ziemi, lecz w minimalnych stężeniach. Złóż opłacalnych do wydobycia jest niewiele i dodatkowo w państwach o niedemokratycznych rządach [4] Akumulatory cynkowo-powietrzne W ogniwach cynkowo-powietrznych cynkowe paliwo, które jednocześnie jest anodą, utlenia się na skutek kontaktu z bogatym w tlen elektrolitem [4]. Drugą elektrodą, katodą, jest najczęściej węglowa membrana, która przepuszcza powietrze, ale uniemożliwia wypłynięcie elektrolitu (Rys.2). Ogniwa te trudne są do sklasyfikowania. W prostszej wersji mogą być źródłami prądu (bateriami), w których ładunek paliwa nie podlega wymianie (Rys.3). Bateria taka w kontakcie z powietrzem zużywa się, oddając energię elektryczną, a potem jest wymieniana na nową. Zdecydowanie ciekawsze są technologie wykorzystujące ogniwa cynkowo-powietrzne jako ogniwa paliwowe, w których metalowa elektroda podlega ciągłej wymianie (jest to tzw. fizyczne ładowanie baterii), co technicznie może okazać się znacznie prostsze niż realizacja zasilania wodorowego ogniwa paliwowego. Opanowanie technologii fizycznego ładowania otworzyłoby drogę do wykorzystania ogniw cynkowo-powietrznych jako źródła prądu dla motoryzacji [8]. Ogniwa te mogą pełnić rolę akumulatorów, które można ładować w klasyczny sposób. Zaletami ogniw cynkowo-powietrznych są: brak emisji, długowieczność, stabilne warunki pracy. Paliwo jest tanie, ogólnodostępne, łatwe do transportu i przechowywania, można poddawać je dowolną ilość razy powtórnemu przerobowi, nie zanieczyszcza środowiska. Wady to mała liczba cykli ładowania (w przypadku pojazdów ok. 500) i trudności z kontrolowaniem przebiegu reakcji - raz uruchomione ogniwo jest kłopotliwe do zatrzymania. Szwajcarska firma Rewolt twierdzi, iż rozwiązała problemy z niską efektywnością ładowania, a jej ogniwo (Rys.4) nadaje się do wszelkich zastosowań i jest lepsze od typowych akumulatorów litowo-jonowych [9]. 149

6 Rys. 2. Zasada działania cynkowo-powietrznego ogniwa paliwowego [4] Rys. 3. Jednorazowe ogniwo cynkowo-powietrzne [9] Cynk jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym metalem w skorupie ziemskiej. Jest tani i łatwo dostępny. Na wytworzenie kwh w ogniwie potrzeba 1,3 kg cynku. Według szacunków naukowców z Power Air Corporation cena za kwh wyniesie do 100 dolarów, gdy w przypadku akumulatora litowo-jonowego to 350 dolarów [4]. Konstruktorzy pracują nad opracowaniem najlepszej formuły elektrolitu i zasilania ogniw w cynk. Jedni próbują pasty z elektrolitem, inni granulek, jeszcze inni wymiany całych płyt. Badane są nowe sposoby produkcji cynku o jak najbardziej porowatej strukturze, aby zapewnić dużą powierzchnię reakcji z tlenem. 150

7 Rys. 4. Ogniwo cynkowo-powietrzne wielokrotnego użycia Rewolt 1 - powietrzna elektroda 2-elektrolit 3 - elektroda cynkowa [9] Porównując podstawowe parametry pracy ogniwa cynkowo-powietrznego (Zn-air) z parametrami ogniwa litowo-jonowego (Li-ion) (na podstawie danych firmy Re-Volt) można stwierdzić, że ogniwo Zn-air ma dwukrotnie większą gęstość energii przypadającą na jednostkę objętości jak i masy, niższą cenę uzyskania jednej watogodziny, podobną trwałość, moc ogniwa oraz temperaturę pracy, mniejszą zdolność do szybkiego ładowania i zdecydowanie mniejszą liczbę cykli pracy [9] Superkondensatory Zasada funkcjonowania superkondensatora, opartego na podwójnej warstwie elektrolitu, jest znana od ponad stu lat [10]. Pomimo że superkondensator jest urządzeniem elektrochemicznym, w jego mechanizmie magazynowania energii elektrycznej nie biorą udziału żadne reakcje chemiczne. Mechanizm ten jest w wysokim stopniu odwracalny i pozwala ładować i rozładowywać superkondensator setki tysięcy razy. Najnowsze superkondensatory nominalnie wytrzymują milion cykli ładowania. Superkondensator składa się z dwóch nie reaktywnych porowatych elektrod z elektrolitem, pomiędzy które jest przyłożone napięcie (Rys.5). Do dodatniej płyty przyciąga ono jony ujemne, a do ujemnej jony dodatnie. Powstają w ten sposób dwie warstwy oddzielonych od siebie ładunków, jedna w płycie dodatniej, a druga w ujemnej. Pojemność jest proporcjonalna do powierzchni elektrod, a odwrotnie proporcjonalna do odległości pomiędzy nimi. Porowate płyty superkondensatora są wykonane z węgla, a ich powierzchnia dochodzi do 3000m²/g, znacznie przewyższając powierzchnię kondensatora konwencjonalnego. Odległość oddzielającą ładunki wyznacza rozmiar znajdujących się w elektrolicie jonów, przyciągniętych przez elektrodę. Nie przekracza ona kilku nanometrów i jest znacznie mniejsza od osiągalnej przy użyciu konwencjonalnych materiałów dielektrycznych. Z łączenia ogromnej powierzchni z niezwykle małą odległością otrzymuje się olbrzymią pojemność nawet tysięcy faradów w objętości szklanki. Superkondensatory mają niewielkie rozmiary, mogą magazynować 151

8 znacznie więcej energii niż kondensatory konwencjonalne i uwalniać ją ze znacznie większą mocą niż akumulatory. Rys. 5. Budowa superkondensatora [10] W zastosowaniu w pojazdach mechanicznych superkondensator jest, w odróżnieniu od akumulatora, podzespołem o wielkiej gęstości mocy. Nie magazynuje on tak wielkiej energii jak akumulator elektrochemiczny, lecz jest zdolny do bardzo szybkiego akumulowania i uwalniania tej energii. Samochodowe systemy elektryczne wymagają zwykle bardzo wysokiego stosunku mocy chwilowej do mocy średniej. Superkondensatory konkurują w tym względzie z różnego rodzaju akumulatorami, jak kwasowe ołowiowe (Pb), niklowo-metalowo-wodorkowymi (NiMH), czy litowo jonowe (Li-ion). Pod względem stosunku mocy do energii i liczby cykli pracy, superkondensator znacznie przewyższa wszystkie akumulatory elektrochemiczne. Czas kilku sekund, przez który superkondensator może podtrzymywać zasilanie dopasowane do obciążenia jest nieduży w porównaniu do akumulatorów, w których liczy się on od kilku minut do kilku godzin. Można więc przedstawić akumulatory jako komponenty zasobne w energię, a superkondensatory zasobne w moc. Zintegrowanie superkondensatorów z innymi podzespołami energetycznymi np. akumulatorami ołowiowymi o dużej pojemności umożliwia stworzenie lekkiego, taniego systemu o dużej energii, wielkiej wydajności prądowej, wysokiej sprawności, stabilnym cyklu i doskonałych właściwościach w niskiej temperaturze. W aplikacjach, w których jest wymagana bardzo szybka reakcja na zapotrzebowanie, jak w układach zapłonowych i wtrysku paliwa w silnikach spalinowych, wraz z superkondenasatorami należy używać szybkich kondensatorów z folii polimerowej lub ceramicznych. W zastosowaniach dużej mocy, jak rozruch zimnego silnika, elektryczne wspomaganie układu kierowniczego, hamowanie, wspomaganie systemu zawieszenia, czy audio, wystarcza sam superkondensator, który może dostarczać mocy 1 do 3kW. Przy większych mocach, jak w układach napędowych, zalecane jest użycie superkondensatorów wespół z akumulatorami. Superkondensatory mogą służyć do oszczędzania energii w pojazdach, pozwalając wyłączać silnik po zatrzymaniu samochodu i błyskawicznie go następnie uruchamiać zaledwie dotknięciem pedału. Pozwalają także hamować regeneracyjnie, odbierając do przechowania energię hamowania, co znacznie zwiększa sprawność energetyczną pojazdu i redukuje zanieczyszczanie powietrza. Superkondensatory doskonale nadają się do zastosowań, wymagających krótkich impulsów dużej mocy, przedzielanych dłuższymi okresami małej mocy. Często używa 152

9 się dwóch napędów optymalnie zespolonych z punktu widzenia mocy i energii. Takim modelem jest magazynowanie mocy, w którym superkondensator jest dobierany do maksymalnej mocy szczytowej, a podstawowe źródło energii do maksymalnej mocy ciągłej. Źródłem tym może być silnik spalinowy, akumulatory o dużej pojemności, lub ogniwa paliwowe. Przy optymalnym wykorzystaniu obu składników superkondensator ma dostarczać różnicę mocy szczytowej i mocy ciągłej. Superkondensatory w zastosowaniach w pojazdach charakteryzują się wysoką żywotnością (do miliona cykli). Są długowieczne (czas ich technicznego życia przekracza czas życia pojazdu), bezobsługowe, dobrze znoszą niskie temperatury (do - 40 o C), mają wysoką sprawność (84-95%), szybko magazynują i oddają energię. Mogą impulsowo wspomagać zasilania z mocą do dziesięciu razy większą niż akumulatory. Ułatwiają tworzenie rozproszonych systemów zasilania. Z uwagi na ich małą dostępność i wysoki koszt superkondensatory nie były dotychczas masowo używane w przemyśle motoryzacyjnym. Dzięki ich coraz szerszemu zastosowaniu w elektronice i przemyśle ich dostępność wzrasta [10] Mechaniczne baterie Mechaniczna bateria wykorzystuje w swojej budowie ideę koła zamachowego czyli koła na osi, które przechowuje i stale oddaje energię [11]. Urządzenie jest jedną z najstarszych znanych ludzkości technologii koła garncarskiego stosowanej już sześć tysięcy lat temu. Dziś pracuje pod maską każdego samochodu. Prowadzone badania pokazują, że prawdziwy potencjał koła zamachowego nie został wykorzystany. Kiedy pewną masę rozpędzi się do bardzo dużych prędkości, staje się ona ogromny zasobnikiem energii kinetycznej, która może być przechowywana lub pobierana do woli. W rezultacie powstaje mechaniczna bateria. Możliwości takiego urządzenia są równie niezwykłe jak jego unikalna konstrukcja. Pozwala ono na osiągnięcie gęstości energii 3-4 razy wyższej niż w tradycyjnym akumulatorze kwasowo-ołowiowym, gromadząc około watogodzin na kilogram masy. W przeciwieństwie do akumulatora, koło zamachowe może błyskawicznie gromadzić i oddawać energię bez uszkodzeń, dzięki czemu osiąga pełną pojemność w ciągu kilku minut zamiast godzin i dostarcza do stu razy więcej energii niż konwencjonalny akumulator. Nie reaguje ujemnie na działanie wysokich temperatur, może się poszczycić sprawnością 85-95%, a jego żywotność mierzona jest w dziesięcioleciach a nie latach. Magazynowanie energii w zasobniku w formie koła zamachowego może znaleźć zastosowanie w systemach energetycznych jako rozwiązania w aplikacjach zasilania awaryjnego, ze względu na jego długą żywotność i niski koszt eksploatacji. Przedsiębiorstwa energetyczne mogą używać tego rozwiązania do wyrównywania obciążeń w celu utrzymania ciągłości dostaw energii elektrycznej w okresach szczytowych, lub magazynowania nadwyżek energii w okresach niskiego zapotrzebowania w celu późniejszego oddania jej do sieci. W eksperymentach laboratoryjnych wymagających ogromnych ilości energii elektrycznej stosuje się czasem zasilane przez układ koła zamachowego, które może być stopniowo ładowane na przestrzeni czasu, zamiast budowania ogromnego przyłącza do sieci energetycznej. NASA przeznacza znaczne środki na rozwój systemów koła zamachowego, które ich zdaniem może całkowicie zastąpić akumulatory w zastosowaniach kosmicznych. Oprócz znacznej przewagi gęstości energii i żywotności, koła zamachowe mają unikalne zdolności do przechowywania energii a w sprzęcie kosmicznym mieszczą się w jednym prostym opakowaniu. Gdy na pokładzie satelity dwa sprzężone koła zamachowe będą 153

10 poruszały się w przeciwnych kierunkach z równą prędkością, satelita będzie nieruchomy, kiedy energia z jednego koła zostanie oddana, satelita zacznie się obracać. Wielkość zgromadzonej w obracającym się kole zamachowym energii zależy od jego masy i prędkości obrotowej do kwadratu. Stosuje się więc materiały wytrzymałe na rozrywanie (np. włókna węglowe) starając się zwiększyć maksymalnie prędkość wirowania. Tradycyjne łożyska zastąpiono łożyskami magnetycznymi, zapewniając unoszenie koła w obrębie obudowy w próżni w prawie beztarciowym środowisku. Koło zamachowe w takim systemie w warunkach eksperymentalnych może poruszać się przez kilka miesięcy nie tracąc energii, a niektóre wirowały przez okres do dwóch lat bez zewnętrznego pobudzania. Takie koła mogą przechowywać energię przez czas nieokreślony tracąc tylko minimalny ładunek wynikający ze swej sprawności. Dzięki tym udoskonaleniom wydaje się, że możliwy staje się powrót do budowy pojazdu z napędem od koła zamachowego. Liczne przeszkody hamujące rozwój praktycznych zastosowań koła zamachowego w pojazdach pozostają do dziś. Ważną rolę odgrywają łożyska magnetyczne, które nie spełniają jeszcze zadań wymaganych przez poruszające się pojazdy. Eksploatacja wirującego koła zamachowego w laboratorium lub w stanie nieważkości to jedno, wirowanie w przemieszczających się szybko pojazdach, skręcających i hamujących, to całkowicie inny problem. Łożyska muszą na bieżąco dostosowywać się do przeciążeń i sił wytwarzanych podczas zwykłej jazdy w celu zapobieżenia strat energii i uszkodzeń od zetknięcia się koła zamachowego z obudową. Nawet w idealnych warunkach łożyska magnetyczne nie są bez wad. Są niestabilne i wrażliwe na prądy elektryczne przypadkowo przepływające w systemie. Inny unikalny problem z kołem zamachowym to efekt żyroskopowy. Powoduje utrudnienie przy zmianie kierunku jazdy. Wreszcie przedmiotem nieustannej troski jest bezpieczeństwo. Nie udało się zlikwidować potencjalnie śmiertelnego zagrożenia wirującego koła na ścianki jego obudowy. Materiały i technologia dla bezpiecznej obudowy nie zostały jeszcze opracowane. Wszystkie te problemy są jednak do pokonania. Technologia łożysk magnetycznych ma wielkie możliwości rozwoju i redukcji kosztów: Największe korzyści może dać zastosowanie magnesów stałych wykonanych z materiałów nadprzewodzących, co wyeliminuje starty energii i poprawi niezawodność sprzętu. Efekt żyroskopowy może być wyeliminowany przez zamontowanie obudowy koła zamachowego na przegubie lub połączenie kilku kół w układzie przeciwsobnym [11]. 4. Podsumowanie Rosnąca świadomość konieczności ochrony środowiska oraz oszczędnego gospodarowania energią powoduje, że powoli kończy się era pojazdów mechanicznych napędzanych silnikami spalinowymi. Jednak mimo wielu lat rozwoju, wydaje się, że praktyczne zastosowanie samochodów elektrycznych jest jeszcze odległe, czego powodem są w dużej mierze ograniczenia obecnie stosowanych sposobów pokładowej produkcji i magazynowania energii elektrycznej. Na podstawie przedstawionych przykładów można stwierdzić, że w niedalekiej przyszłości powstaną hybrydowe systemy magazynowania energii elektrycznej w pojeździe łączące zalety poszczególnych urządzeń a pozbawione ich wad. 154

11 Literatura [1] Szlachta J.: Niekonwencjonalne źródła energii, Wyd. AR, Wrocław [2[ Siwek A.J.: Metody magazynowania energii elektrycznej i jej możliwości zastosowań w procesach konwersji odnawialnych źródeł energii, Wyd. AGH, Kraków [3] Lewandowski W.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, WNT, Warszawa [4] Przybylski R.: Gra o biliony dolarów, Auto technika motoryzacyjna 11/2009, s [5] Ogniwa paliwowe (fuel cells), {Dostępny: [6] Inside the Nickel Metal Hydride Battery, {Dostępny: [7] Akumulatory, {Dostępny: [8] Akumulatory cynkowo-powietrzne kolejna obiecująca technologia, {Dostępny: [9] ZFAB: Revolutionizing the EV market, {Dostępny: [10] Superkondensatory w samochodzie, {Dostępny: superkondensatory-w-samochodzie [11] The mechanical battery, {Dostępny: Streszczenie W artykule przedstawiono nowe sposoby produkcji i akumulacji energii. Wymieniono sposoby magazynowania energii według zastosowanej konwersji nośników energii, krotność cykli ładowania, czasookresu magazynowania. Przedstawiono podział akumulatorów energii według rodzajów stosowanych technologii magazynowania. Podano cechy, którymi powinien charakteryzować się dobry układ magazynujący energię oraz powody, dla których konieczne jest magazynowanie energii. Przedstawiono urządzenia do pokładowej produkcji i magazynowania energii elektrycznej w pojazdach mechanicznych. Przybliżono budowę, zasady funkcjonowania, zalety i wady wodorowych ogniw paliwowych, akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych (Ni- MH) i litowo-jonowych (Li-ion). Scharakteryzowano nowe ogniwa cynkowo-powietrzne (Zn-air) przedstawione przez firmę Revolt. Przedstawiono możliwości zastosowania superkondensatorów jako urządzeń wchodzących w skład hybrydowych systemów magazynowania energii elektrycznej w samochodzie oraz perspektywy wykorzystania mechanicznych baterii na bazie koła zamachowego jako akumulatorów energii kinetycznej w pojeździe mechanicznym. Słowa kluczowe: magazynowanie energii, akumulatory, ogniwa paliwowe, superkondensatory, koło zamachowe SELECTED METHODS OF PRODUCTION AND STORAGE OF ELECTRIC ENERGY Summary The article presents new methods of producing and accumulating energy. The methods of electric energy storage are named according to applied energy carriers conversion, loading cycle multiplicity and time of storage. The article also shows a 155

12 division of energy batteries according to different types of storage technologies. The article puts forward features which should characterize a good electric energy storage configuration as well as gives reasons why energy storage is necessary. There are also discussed different devices for production and storage of electric energy in motor vehicles. The article presents information concerning construction, functioning, pros and cons of hydrogen fuel cells, nickel metal hydride (Ni-MH) and lithium-ion (Li-Ion). There is also a description of new air-zinc batteries (Zn-air) presented by Revolt company. Not only are there capabilities of usage of supercapacitors as devices in hybrid systems of electric energy storage in motor vehicles presented, but also perspectives of usage of batteries created on the basis of flywheel used as batteries for kinetic energy in motor vehicles. Keywords: storage of energy,batteries, fuel cells, supercapacitors, flywheel 156