Izabela Kuna-Broniowska 1, Marek Kuna-Broniowski 2, Jacek Kapica 3, Piotr Makarski 4 Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie Nowe rozwiązania dla napędów elektrycznych w transporcie wewnętrznym Rozwiązania obecnie stosowane w napędach elektrycznych Zwykle stosowanym rozwiązaniem w transporcie wewnętrznym, są wózki akumulatorowe wyposażone w silniki elektryczne prądu stałego, zasilane przez standardowe akumulatory ołowiowo-kwasowe. Problemy związane ze stosowaniem tego rodzaju napędu mają tutaj inny charakter niż w typowym transporcie daleko-dystansowym. Nie występują ograniczenia stanowiące główną przeszkodę stosowania bezprzewodowych napędów elektrycznych związane z ograniczonym zasięgiem lub też dostępem do sieci zasilającej, natomiast nadal poważnym problemem pozostaje długi czas ładowania baterii akumulatorów trwający wiele godzin. Jest to poważne utrudnienie dla przedsiębiorstw charakteryzujących się dużą sezonowością prac jak np. wspomniane wyżej chłodnie, gdzie regułą jest praca trzy zmianowa w okresie letnim, podczas zbiorów owoców i warzyw. W takim przypadku struktury transportowe oparte wyłącznie o napęd elektryczny wykorzystujący do magazynowania energii tradycyjne akumulatory, są zagrożone rozpadem systemu i to w najbardziej gorącym okresie zbiorów. Jest to istotny czynnik skłaniający do poszukiwania nowych sposobów przechowywania energii elektrycznej w zasobnikach umożliwiających szybką wymianę zasobów energetycznych. Nowe metody ładowania i magazynowania energii elektrycznej Zagadnienie efektywnego przechowywania energii elektrycznej stanowi kluczowy problem w rozwoju napędów elektrycznych, stąd też większość prac badawczych koncentrowała się wokół uzyskania jak największej pojemności różnego rodzaju urządzeń i systemów przechowywania energii [7]. Jednak problem czasu niezbędnego na uzupełnienie energii pobranej z akumulatora nie został rozwiązany w sposób zadowalający. Coraz szersze stosowanie napędów elektrycznych w transporcie powoduje, iż ograniczenia związane z długim czasem ładowania akumulatorów stają się istotnym czynnikiem ograniczającym. Jest to ważny impuls do badań mających na celu uzyskanie rozwiązań technicznych umożliwiających uzupełnianie, w sposób wygodny i nie zabierający wiele czasu, energii elektrycznej pobranej z akumulatorów. Wśród kilku rozwiązań pozwalających na szybkie uzupełnianie zużytej energii, takich jak ogniwa paliwowe czy też tzw. superkondensatory o wielkiej pojemności, najbardziej obiecującymi rozwiązaniami dla usprawnienia logistyki transportu wewnętrznego są napędy elektryczne wykorzystujące akumulatory przepływowe [2], [4]. Rozwiązanie to jest na tyle obiecujące iż stwarza możliwości szerokiego zastosowania również w transporcie rolniczym, pracach polowych a w dalszej przyszłości w transporcie dalekodystansowym. Zasada działania akumulatorów przepływowych W akumulatorach przepływowych przechowywanie energii dokonuje się nie wewnątrz stałych płyt zawierających związki chemiczne absorbujących energię elektryczną poprzez przemiany elektrochemiczne, jak to ma miejsce w tradycyjnych akumulatorach różnych typów, lecz energia elektryczna magazynowana jest w związkach chemicznych rozpuszczonych w płynach stanowiących elektrolit akumulatora [1], [5]. Elektrolit ten jest przechowywany w zbiornikach zewnętrznych, skąd przepompowuje się go do akumulatora, w którym wydziela na elektrodach energię elektryczną w trakcie przemian elektrochemicznych. 1 Dr hab. I. Kuna-Broniowska, Prodziekan, Kierownik Katedry, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Zastosowań Matematyki i Informatyki 2 Profesor M. Kuna-Broniowski, Kierownik Katedry, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Podstaw Techniki 3 Dr J. Kapica, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Podstaw Techniki 4 Dr P. Makarski, adiunkt, Uniwersytet Przyrodniczy w Lublinie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Podstaw Techniki Logistyka 6/2014 184
Jedną z największych zalet akumulatorów przepływowych jest to, że mogą niemal natychmiast zostać naładowanie poprzez prostą wymianę płynnego elektrolitu, na nowy, naładowany w innym systemie. Ponadto jest możliwe tworzenie znacznych zapasów naładowanego elektrolitu w okresach tanich taryf lub z energii pochodzącej ze źródeł odnawialnych. Baterie przepływowe Redox Baterie przepływowe Redox (RFB) stanowią klasę elektrochemicznych urządzeń magazynowania energii. Nazwa "redox" odnosi się do chemicznego procesu redukcji i utleniania, reakcji stosowanych w RFB do przechowywania energii w ciekłych roztworach elektrolitów. Podczas rozładowania elektron jest uwalniany, poprzez reakcję utleniania, z wysokiego potencjału chemicznego po katodowej lub anodowej stronie ogniwa. Elektron ten przemieszcza się następnie przez zewnętrzny obwód obciążenia, aby wykonać użyteczną pracę. Na końcu drogi elektron jest przejmowany poprzez reakcję redukcji przy niższym stanie potencjału chemicznego po katodowej lub anodowej stronie ogniwa. Kierunek prądu i reakcji chemicznych są odwracane podczas ładowania. Całkowita różnica w potencjale między chemicznym stanem elementów aktywnych po obu biegunach ogniwa określona jest przez siłę elektromotoryczną (SEM) generowaną w każdym ogniwie baterii. Napięcie wygenerowane przez RFB jest specyficzne dla tej substancji chemicznej która bierze udział w reakcjach i liczbą ogniw, które są połączone szeregowo. Prąd wygenerowany przez baterię jest określany liczbą atomów lub cząsteczek aktywnych substancji chemicznych, które poddane są reakcji w ogniwach, w funkcji czasu. Moc magazynowanej energii dostarczana przez RFB jest iloczynem całkowitego napięcia i wygenerowanego prądu. Całkowita ilość energii magazynowanej w RFB określona jest przez pełną ilość aktywnych związków chemicznych dostępnych w objętości roztworu elektrolitu znajdującego się w systemie. Dzięki przechowywaniu naładowanego elektrolitu poza systemem elektrochemicznym ogniwa, uzyskuje się rozdzielenie systemów mocy i energii, co jest kluczowym wyróżnikiem akumulatorów przepływowych, w stosunku do innych systemów magazynowania elektrochemicznego. Jak opisano powyżej, energia układu jest przechowywana w objętości elektrolitu, który może być łatwo i ekonomicznie magazynowany w zakresie od pojedynczych kilowatogodzin do dziesiątków megawatogodzin energii elektrycznej, zależnie od pojemności zbiorników z elektrolitem. Całkowita moc systemu jest uzależniona od wielkości stosu złożonego z ogniw elektrochemicznych, natomiast ilość elektrolitu w ogniwach stanowi zwykle kilka procent całości znajdującej się w systemie. Uzyskujemy dzięki temu dwie istotne korzyści niedostępne w klasycznych akumulatorach takich jak ołowiowo-siarkowe, litowo-jonowe, żelazowo-kadmowe itp. [3]. Są to: po pierwsze - możliwość przerwania w dowolnym momencie rozładowania akumulatora podczas awarii, po drugie skalowalność systemu w szerokim zakresie. W akumulatorach klasycznych cała energia zmagazynowana jest w stałych płytach w konsekwencji, jakiekolwiek zwarcie w systemie powoduje to, że cały ładunek znajdujący się w akumulatorze zostanie rozładowany, co jest wysoce szkodliwe - gdyż z jednej strony powoduje całkowitą utratę energii zawartej w systemie, a z drugiej może skutkować uszkodzeniem systemu ( np. termicznym) spowodowanym gwałtownym rozładowaniem. W przypadku akumulatorów przepływowych aktywny udział w procesach elektrochemicznych bierze tylko niewielka część elektrolitu znajdującego się w celach elektrochemicznych. Poprzez zwykłe zatrzymanie pompy wymuszającej przepływ przez ogniwo można zatrzymać proces elektrochemiczny, ograniczając do minimum utratę energii oraz szkodliwe efekty termiczne. Dzięki temu system ten jest bardziej odporny na zakłócenia, trwalszy i bezpieczniejszy. Kolejna korzyścią wynikającą z rozdziału mocy od energii, jest bardzo duża elastyczność i skalowalność całego systemu energetycznego, poprzez zwiększanie ilości lub objętości zbiorników. Pozwala to dostosowywać ilość energii do bieżącego zapotrzebowania, umożliwia również korzystanie z usług zewnętrznych, np. poprzez dostawę naładowanego elektrolitu - analogicznie jak to się dzieje w przypadku paliw płynnych. 185 Logistyka 6/2014
Obecnie w badaniach i w użytkowaniu stosowanych jest kilka typów akumulatorów przepływowych, dlatego zostanie omówione działanie najbardziej zaawansowanego systemu tego typu jakim jest układ wanadowo-wanadowy. Układ wanadowo-wanadowy Pomysł budowy akumulatorów wanadowych zrodził się na Uniwersytecie Nowej Południowej Walii (Australia) ok. roku 1985. Zasada działania akumulatora polega na zmianie stopnia utlenienia metalu, który wiąże się z oddaniem lub pobraniem elektronów. Wanad, który ma pięć stopni utlenienia okazał się pod tym względem szczególnie użyteczny. Akumulator wanadowy składa się z dwóch komór oddzielonych od siebie półprzepuszczalną membraną, wykonaną na przykład z sulfonowanego polistyrenu Elektrodami w tym akumulatorze są dwie metalowe komory wyłożone płytami z grafitu i wypełnione watą grafitową. Do obydwu komór tłoczone są dwa różne wodne roztwory jonów wanadu w kwasie siarkowym, które zawierają wanad o innym stopniu utlenienia. Roztwory tłoczone są do baterii w obiegu zamkniętym z dwóch osobnych zbiorników. W wyniku procesów elektrochemicznych zachodzących w roztworach, na elektrodzie dodatniej pojawia się niedobór, a na ujemnej nadmiar elektronów. Do komór-elektrod, są tłoczone odpowiednio roztwory: V 5 do dodatniej i V 2 do ujemnej. W trakcie rozładowania żółty roztwór V 5 zamienia się w niebieski z V 4, z kolei fioletowy z V 2 przechodzi w zielony z V3. Membrana zabezpiecza przed przechodzeniem jonów wanadu z jednej komory do drugiej, pozwala natomiast na swobodne przenikanie jonów wodorowych. Ogólny przebieg reakcji wygląda następująco (Rys. 1.): elektroda dodatnia membrana elektroda ujemna V 5+ V 4+ V 3+ V 2+ V 3+ + V 5+ 2V 4+ V 2+ + V 4+ 2V 3+ Rys. 1. Schemat przebiegu procesu redukcji i utleniania w komorach akumulatora wanadowego. Źródło: opracowanie własne. Rys. 2. Schemat działania wanadowego akumulatora przepływowego. Źródło: Fraunhofer ISE. Logistyka 6/2014 186
Po rozładowaniu akumulatora można go ponownie naładować lub wymienić roztwory na już naładowane. Typowa wartość SEM takiego ogniwa jest równa E= 1,26V przy 25 0 C ale w rzeczywistości ma wartość E= 1,4V na wskutek korekcji wywołanej czynnikiem Nernst a [8]. ładowanie napięcie ogniwa v napięcie obwodu otwartego generacja straty na elektrodzie straty na membranie straty dyfuzyjne gęstość prądu ogniwa j Rys. 3. Charakterystyka prądowo napięciowa pojedynczego ogniwa. Źródło: opracowano na podstawie [1]. Tabela. 1. Typowe parametry przechowywania energii w wybranych rodzajach akumulatorów. Technologia akumulatora Gęstość energii [Wh/kg] Sprawność energetyczna Cykl życia x10 3 Koszt całkowity, moc zainstalowana [k$/kw] Koszt całkowity, energia [$/kwh] Koszt całkowity, cykl życia [$/MWh/cykl] Zaawansowane ołowiowo-kwasowe 25-50 75-85% 3 4,6 130 150 Litowo-jonowe 100-200 98% 4-8 3-4 600 150-200 Przepływowe -Redox 10-50 85% >>13 3,2 900 <<70 Źródło: [1]. Jak wynika z danych w powyższej tabeli akumulatory przepływowe typu Redox maja parametry energetyczne porównywalne z najlepszymi stosowanymi obecnie akumulatorami kwasowymi, co czyni je atrakcyjną alternatywą dla dotychczas stosowanych pojazdów elektrycznych zasilanych takimi bateriami. Widać również, że ustępują one parametrom akumulatorom litowo-jonowym, które obecnie są głównym magazynem energii w pojazdach o dużym zasięgu. Jednak niezaprzeczalne zalety w postaci szybkiej wymiany ładunku elektrycznego oraz skalowalności mające zasadnicze znaczenie w logistyce, powodują wzrost zainteresowania tego typu akumulatorami i pojawianie się nowych rozwiązań pozwalających skutecznie rywalizować z akumulatorami litowo-jonowymi. 187 Logistyka 6/2014
Wnioski Przepływowe akumulatory typu Redox są dużą szansą dla zastosowań mobilnych. Dotychczas te rozwiązania były przewidziane głównie dla zastosowań stacjonarnych jako wsparcie systemów o dużej niejednorodności zasilania, których typowym przykładem są odnawialne źródła energii. Duże możliwości zastosowania takich akumulatorów są również w rolnictwie, z tego powodu iż rolnictwo do tej pory praktycznie nie stosuje napędów elektrycznych co związane jest m. in. z duża sezonowością prac a również z długotrwałym ładowaniem klasycznych akumulatorów Jest to sytuacja podobna, jak to wspomniano na wstępie, do sytuacji dużych chłodni gdzie występuje podobne spiętrzenie prac w sezonie zbioru. Zaletą omawianych akumulatorów przepływowych jest przede wszystkim to iż umożliwiają one zarówno ładowanie tradycyjne prądem elektrycznym jak tez wymianę elektrolitu. Pozwala to na np. powolne ładowanie tanią energia w miejscu parkowania oraz szybka wymianę elektrolitu, która nie przedłuża czasu przewożenia towaru. Podstawową wadą obecnie stosowanych akumulatorów przepływowych jest wysoka cena elektrolitu wiążąca się m in. ze stosowaniem kosztownych związku wanadu. Dlatego najnowsze prace idą w kierunku zastosowania materiałów organicznych jako źródła magazynowania ładunku elektrycznego [6], [9]. Streszczenie W pracy przedstawiono nowy rodzaj układu zawierający napęd elektryczny, jakim są akumulatory przepływowe zasilające silnik elektryczny. Mogą być zastosowane do transportu wewnętrznego w magazynach żywności, transporcie żywności oraz w pojazdach rolniczych. Napędy elektryczne odgrywają tu rolę dominującą m.in. ze względów ekologicznych, stąd tez poszukiwania nowych rozwiązań technicznych. Abstract NEW DEVELOPMENTS FOR ELECTRIC DRIVES FOR INTERNAL TRANSPORT The paper presents a new type of supplying system for electric drives, which are flow batteries power the electric motor. They can be used for internal transport food storage, food transport and agricultural vehicles. Electric motors play here a dominant role, for among others, environmental reasons, hence it is a cause for research a new technical solutions. Literatura [1]. Alotto P., Guarnieri M., Moro F.: Redox flow batteries for the storage of renewable energy: A review. Renewable and Sustainable Energy Reviews, Nr 29/2014. [2]. Electrical Energy Storage White Paper. IEC. December 2011. [3]. Electricity Energy Storage Technology Options - A White Paper Primer on Applications, Costs, and Benefits. EPRI. December 2010. [4]. Hadjipaschalis I., Poullikkas A., Efthimiou V.: Overview of current and future energy storage technologies for electric power applications. Renewable & Sustainable Energy Reviews, September 2008. [5]. Haisheng C., Thang Ngoc Cong, Wei Yang, Chunqing Tan, Yongliang Li, Yulong Ding: Progress in electrical energy storage system: A critical review. Progress in Natural Science Nr 19/2009. [6]. Jin Wook Lee, Jun Ki Hong, Erik Kjeang: Electrochemical characteristics of vanadium redox reactions on porous carbon electrodes for microfluidic fuel cell applications, Electrochimica Acta, Nr 83/2012. [7]. Paska J.: Generacja rozproszona z wykorzystaniem hybrydowych układów wytwórczych, Energetyka, Nr 6/2013. Logistyka 6/2014 188
[8]. Q. Xu, T.S. Zhao, P.K. Leung: Numerical investigations of flow field designs for vanadium redox flow batteries, Applied Energy, Nr 105/2013. [9]. B. Yang, L. Hoober-Burkhardt, F. Wanga, G. K. Surya Prakash and S. R. Narayanan: An Inexpensive Aqueous Flow Battery for Large-Scale Electrical Energy Storage Based on Water-Soluble Organic Redox Couples, J. Electrochem. Soc. Nr 161/2014. 189 Logistyka 6/2014