Použití zásobníků energie v městské hromadné dopravě

Použití zásobníků energie v městské hromadné dopravě Ing. Jiří Pohl Most, 26. 4. 2012

© Siemens, s.r.o. All rights reserved.

Obsah

1. Energetická náročnost mobility

2. Elektrochemické zásobníky energie

3. Aplikace zásobníků energie v městské hromadné dopravě

Strana 2

26. 4. 2012

Jiří Pohl

Siemens, s.r.o. / Rail Systems




Strana 3

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Mobilita vyžaduje energii po [‰]

Spotřeba energie pro jízdu: A = 1/η . F . L = 1/η . m . g . p0 . L e 1 ⋅ m ⋅ g + ⋅ ρ ⋅ v 2 ⋅ S ⋅ Cx F + FA R e 1 S ⋅ Cx 2 po = R = = + ⋅ ρ ⋅ v2 ⋅ m⋅g m⋅g R 2 m⋅g

měrný jízdní odpor

40

osobní automobil 30 loď bus

železnice

20

magnetická dráha

letadlo (h = 10 km)

valení - silnice

10

valení - železnice

0

Strana 4

100

26. 4. 2012

200

Jiří Pohl

300

v [km/h]

rychlost Siemens, s.r.o. / Rail Systems

Závislost dopravy na kapalných uhlovodíkových palivech 

Současná mobilita lidské společnosti je silně závislá na kapalných uhlovodíkových palivech – na ropě.



Kapalná uhlovodíková paliva zajišťují energii pro 95 % dopravních výkonů a spotřebují k tomu 58 % těžby ropy.

Struktura zdrojů energie pro dopravu:

kapalná uhlovodíková paliva Strana 5

26. 4. 2012

Jiří Pohl

95%


Geologické a ekonomické zákonitosti 

Intenzita těžby ropy má své geologické zákonitosti, nelze ji jednoduše zvýšit, ropa natéká do vrtů svým tempem.



Rovnováhu mezi těžbou a spotřebou ropy udržuje její tržní cena

Intenzita spotřeby [Gb/a]

snížení poptávky spotřeba vysokou cenou

cena

30 těžba

20

zvýšení těžby vysokou cenou

10 0 Strana 6

2000 26. 4. 2012

Jiří Pohl

čas Siemens, s.r.o. / Rail Systems

Fungování trhu 150

 Eskalaci cen ropy zastavila až světová hospodářská krize a s ní související pokles poptávky.  Problém však nebyl vyřešen, jen odsunut. Spotřeba ropy znovu roste a s ní i její cena.

130

87 86

110

85 84

90

těžba, spotřeba (Mb/den)

 Trh reagoval na zhruba 2% deficit mezi spotřebou a těžbou zvýšením ceny ropy na 200%.

88

cena (USD/barel), zásoby (dny)

 V letech 2007 a 2008 byla spotřeba ropy asi o 2% vyšší než těžba, rozdíl byl pokryt poklesem stavu komerčních zásob.

89

83 82

70

81 80

50

79

30

78

cena (USD/b) komerční zásoba (dny) Strana 7

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Přírodní ropa 1 barel (159 litrů) ropy: náklady na těžbu prodejní cena (2012)

10 USD 120 USD

Úhel pohledu na těžbu ropy:

A) očima ekonoma 2000

2012

t

1950

2012

t

1500

2000

B) očima geologa (Hubert, 1955)

C) očima historika

Strana 8

26. 4. 2012

Jiří Pohl

2500

t Siemens, s.r.o. / Rail Systems

Alternativní paliva Bionafta – metylester řepkového oleje        

na 1 ha pole dopadne za rok zhruba 10 000 000 kWh slunečního záření, z 1 ha pole lze ročně sklidit 3,5 t řepky a z ní vyrobit (po odečtení vlastní spotřeby) 800 dm3 bionafty s tepelným obsahem 8 000 kWh – tedy 0,8 kWh/m2, výsledná účinnost je 0,08%, v ČR připadá na jednoho obyvatele spotřeba 7,4 barelů ropy ročně, tedy celkem spotřebuje ČR cca 12 000 000 000 dm3 ropy ročně, k úplné náhradě ropy řepkou by bylo potřeba v ČR pěstovat řepku na ploše 15 000 000 ha, v ČR je k dispozici jen 3 032 000 ha orné půdy, k pěstování řepky je potřeba pětkrát více, řepka pole velmi vysiluje, znovu ji lze téže pole oset až po několika letech, podmínkou současných vysokých výnosů řepky je aplikace fosforečných hnojiv, vyráběných z limitovaných (neobnovitelných) zdrojů surovin, využívání zemědělských plodin k výrobě paliv vede k propojení cen potravin s cenami pohonných hmot, což může mít neblahé sociální dopady. Tudy cesta nevede!

Strana 9

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Náhrada kapalných uhlovodíkových paliv elektřinou 

V České republice se ročně spotřebuje zhruba 5 000 000 000 dm3 kapalných uhlovodíkových paliv o výhřevnosti 10 kWh/dm3.



Při uvažování 35 % účinnosti pohonu spalovacím motorem a 70% účinnosti elektrické trakce lze tato paliva nahradit 25 000 000 000 kWh, tedy 25 TWh elektrické energie.



Ročně je v ČR vyráběno zhruba 90 TWh elektrické energie, náhrada kapalných paliv elektrickou trakcí znamená nárůst spotřeby elektrické energie o 28 % což je hodně, ale není to nereálné.



K výrobě 25 TWh postačují při rovnoměrném odběru tři elektrárny o výkonu 1 000 MW (současný instalovaný výkon elektráren v ČR je zhruba 18 000 MW).



Při orientaci na polozávislou vozbu lze dobu nabíjení zásobníků energie na vozidlech situovat do období nízkého odebíraného výkonu (do energetických sedel) – metoda chytrých sítí.

Přechod na elektrickou trakci je reálnou cestou k zajištění mobility. Strana 10

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrický pohon vozidel je již v současnosti zhruba čtyřikrát levnější než naftový Elektrická vozba (účinnost v rozsahu vstup trakční napájecí stanice – obvod kol ƞ = 70 %), starší vozidlo (bez rekuperace): - na 1 kWh trakční práce je nutno odebrat cca 1 / 0,7 = 1,4 kWh z distribuční sítě Elektrická vozba, moderní vozidlo s rekuperací brzdové energie (úspora 35 %): - na 1 kWh trakční práce je nutno odebrat cca 1,4 . (1 – 0,35) = 0,9 kWh z distribuční sítě Motorová vozba (nafta 10 kWh/litr, účinnost v rozsahu nafta – obvod kol ƞ = 30 %): - na 1 kWh trakční práce je nutno spálit cca 0,33 litru motorové nafty V současné cenové úrovni (2,50 Kč/kWh el. energie, 30 Kč/dm3 nafty bez DPH) je energie pro provoz zastávkových vozidel na naftu zhruba 4 krát dražší, než na elektrickou energii. Příklad - zastávkové vozidlo (20 t, 0,1 kWh/tkm, tedy 20 . 0,1 = 2 kWh/km): - elektrické napájení: E = 0,9 . 2 = 1,8 kWh elektrické energie za 1,8 . 2,5 = 4,5 Kč/km - motorová nafta: B = 0,33 . 2 = 0,67 dm3 motorové nafty za 0,67 . 30 = 20 Kč/km => rozdíl: Δ = 20 Kč/km – 4,5 Kč/km = 15,50 Kč/km Strana 11

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Závislost jednotlivých druhů dopravy na ropě Lodní, letecká a z většiny i silniční doprava jsou z velké části závislé na kapalných uhlovodíkových palivech, tedy na ropě.

lodě

Jen kolejová doprava má vyřešený a hromadně zavedený systém jiného energetického zásobování, a to elektrickou vozbu.

letadla

automobily

kolejová doprava

elektřina ropa

Strana 12

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Fosilní paliva 

Fosilní paliva jsou v podstatě energetickou konzervou.



Ropa vznikala zhruba 200 milionů let biologickou transformací energie slunečního záření a nyní bude zhruba v proběhu dvou století nenávratně spotřebována

2000

- 200 000 000 Strana 13

26. 4. 2012

Jiří Pohl

T (roky)


Prognóza ropných zdrojů (Hubbertova křivka) Kolejová vozidla mají zhruba třikrát delší životnost, než vozidla silniční. ⇒ Nyní vyráběných kolejových vozidel se dotkne drahá nedostatková ropa více, než nyní vyráběných silničních vozidel

Životnost silničního vozidla: 10 let

Životnost kolejového vozidla: 30 let

Zdroj: Association for the study of peak Oil and Gas, 2003

Strana 14

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Mobilita a fosilní paliva 

Prudký rozvoj dopravy od 19. století do současnosti byl umožněn čerpáním energie z fosilních paliv – zpočátku uhlí, později ropy.



Avšak: jak lze udržet mobilitu bez fosilních paliv?

mobilita

spotřeba fosilních paliv

1800

Strana 15

26. 4. 2012

1900

Jiří Pohl

2000

T


Návrat k přírodě Pravěk

… → 1800

- 200 000 000 slunce vytváří zásoby energie

Strana 16

Přítomnost

Minulost

člověk využívá energii slunce (transformovanou přes fotosyntézu)

26. 4. 2012

Jiří Pohl

1800 → 20xx člověk těží zásoby energie

Budoucnost

20xx → … člověk využívá transformovanou energii slunce


Elektrická vozba

Zdroj elektrické energie

Vozidlo

Werner von Siemens 1879

Živnostenská výstava, Berlín 1879 Strana 17

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Ekonomické zákonitosti elektrické vozby Elektrizace trtatí však vyžaduje vynaložit počáteční investiční náklady

náklady

motorová vozba

0

oblast hospodárného provozu el. volby

elektrická vozba

přepravní výkony (t/den, osoby/den)

⇒ málo zatížené tratě se nevyplatí elektrizovat

Strana 18

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrická vozba Typické znaky: Vysoké investiční náklady (drahá infrastruktura) Nízké provozní náklady (levná energie)

 

náklady

hospodárnost roste

celkové náklady

provoz měrné náklady

investice

zatížení Strana 19

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrický pohon (elektrická trakce)  

závislá el. trakce (potřebuje pevná trakční zařízení) vozidlo je prostřednictvím sběrače a trakčního vedení (trolejový drát, přívodní kolejnice) napájeno ze stacionárního zdroje elektrické energie

 

nezávislá el. trakce (nepotřebuje pevná trakční zařízení) vozidlo je napájeno ze zdroje elektrické energie, který je jeho součástí

 

polozávislá el. trakce (občas potřebuje pevná trakční zařízení) vozidlo je napájeno ze zásobníku elektrické energie, který je jeho součástí, ale ten je nutno občas dobít ze stacionárního zdroje elektrické energie

Strana 20

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrická trakce

Závislá el. trakce elektrárna

distribuční síť

trakční vedení měnírna

sběrač

vozidlo

trakční motor Nezávislá el. trakce naftový motor

trakční generátor Polozávislá el. trakce

zásuvka nabíjecí stanice

elektrárna

Strana 21

26. 4. 2012

baterie

Jiří Pohl


Závislá trakce  vysoké fixní náklady (pevná trakční zařízení)  nízké variabilní náklady (levná elektrická energie)

náklady [Kč/os.km] [Kč/tkm]

Nezávislá trakce  nízké fixní náklady  vysoké variabilní náklady (drahá kapalná paliva)

smysluplná oblast elektrizace tratí 0

Oblasti optimálního využití Málo intenzivní provoz => výhodnější (levnější) je nezávislá trakce Hodně intenzivní provoz => výhodnější (levnější) je závislá trakce Strana 22

26. 4. 2012

Jiří Pohl

přepravní tok [osob/h] [tun/h]


Polozávislá trakce (vozidla se zásobníkem el. energie) Vítaná (toužebně očekávaná) náhrada nezávislé trakce - výhody:  nezávislost na uhlovodíkových palivech  provoz bez spalin  nízká hlučnost  možnost rekuperovat brzdnou energii Nevýhody tradičních zásobníků el. energie (akumulátorových baterií - olověných resp. niklokadmiových):  nízká měrná energie (cca 25 kWh/t u akumulátorových baterií versus 4 800 kWh/t u uhlovodíkových paliv)  nízký měrný výkon (cca 50 kW/t u akumulátorových baterií versus 300 kW/t u dráhových spalovacích motorů)  ztráty energie (střední účinnost cca 70%)  omezená životnost (jen 1 000 - 2 000 cyklů)  vysoká cena (5 000 - 10 000 Kč/kWh) => moderní akumulátory s vyšší energií, výkonem a počtem cyklů Strana 23

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Vozidlo se zásobníkem energie

1. Fázenabíjení

Stacionární zdroj elektrické energie

Z

Zásobník energie na vozidle je nabíjen ze stacionárního zařízení

2. Fáze jízda

Stacionární zdroj elektrické energie

Z

Pohon vozidla je napájen ze zásobníku na vozidle

Strana 24

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Energetická bilance polozávislých vozidel Vytvořená trakční práce (At): At = kA . mz . η . (1 – β) kA … měrná energie zásobníku (kWh/t), mz … hmotnost zásobníku energie (t), η … účinnost trakčního pohonu β ... poměrný příkon vedlejší spotřeby (osvětlení, klimatizace, …), Spotřebovaná trakční práce (At): At = p . m . g . L / 3 600 p … měrný trakční odpor (N/kN), m … hmotnost vozidla (t), g … gravitační zrychlení (9,81 m/s2), L … ujetá dráha (dojezd) (km)

Strana 25

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Dojezd (akční rádius) – Kummlerův vztah: L = 3 600 . kA . km . η . (1 – β) / (p . g) kA … měrná energie zásobníku (kWh/t), km … poměrná hmotnost zásobníku energie (km = mz / m), η … účinnost trakčního pohonu β ... poměrný příkon vedlejší spotřeby (osvětlení, klimatizace, …), p … měrný trakční odpor (N/kN), mz … hmotnost zásobníku (t) m … hmotnost vozidla (t), g … gravitační zrychlení (9,81 m/s2). Dojezd polozávislých vozidel je omezený. Vysoké hodnoty dojezdu vyžadují vysokou poměrnou hmotnost zásobníku energie

Strana 26

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční dálkový elektrobus (bez zastávek, stálá rychlost 50 km/h, olověná baterie): L = 3 600 . kA . km . η . (1 – β) / (p . g) = 3 600 . 25 . 0,2 . 0,85 . (1 – 0,2) / (13 . 9,81) = 93 km kA … měrná energie zásobníku ( 25 kWh/t), km … poměrná hmotnost zásobníku energie (km = mz / m = 3 / 15 = 0,2), η … účinnost trakčního pohonu (0,85) β ... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2), p … měrný trakční odpor (8 + 5 = 13 N/kN), g … gravitační zrychlení (9,81 m/s2). Další vlivy:  pokles kapacity baterie při nízkých teplotách,  pokles kapacity baterie silnoproudým vybíjením,  pokles kapacity baterie stárnutím

Strana 27

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční městský elektrobus (zastávky po 1 km, stálá rychlost 50 km/h, olověná baterie): L = 3 600 . kA . km . η . (1 – β) / (p . g) = 3 600 . 25 . 0,2 . 0,85 . (1 – 0,2) / (23 . 9,81) = 53 km kA … měrná energie zásobníku (25 kWh/t), km … poměrná hmotnost zásobníku energie (km = mz / m = 3 / 15 = 0,2), η … účinnost trakčního pohonu (0,85) β ... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2), p … měrný trakční odpor (8 + 5 + 10 = 23 N/kN), g … gravitační zrychlení (9,81 m/s2). => běžně vyráběné autobusy nemají ve své konstrukci rezervu pro umístění náležitě těžkého akumulátoru

Strana 28

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční železniční elektrický vůz (bez zastávek, stálá rychlost 70 km/h, olověná baterie): L = 3 600 . kA . km . η . (1 – β) / (p . g) = 3 600 . 25 . 0,3 . 0,85 . (1 – 0,3) / (6 . 9,81) = 300 km kA … měrná energie zásobníku (25 kWh/t), km … poměrná hmotnost zásobníku energie (km = mz / m = 15 / 50 = 0,3), η … účinnost trakčního pohonu (0,85) β ... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2), p … měrný trakční odpor (1 + 5 = 6 N/kN), g … gravitační zrychlení (9,81 m/s2). Výhody železničních vozidel proti silničním (z hlediska polozávislé vozby):  nižší valivý odpor,  nižší měrný aerodynamický odpor (delší štíhlejší tvar),  možnost instalovat těžší zásobník energie.

Strana 29

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Tradiční pojetí polozávislých vozidel  zásobník energie s nízkou měrnou energií (25 kW/t),  zásobník energie s nízkým měrným výkonem (30 kW/t),  zásobník energie schopný jen pomalého nabíjení (8 hodin),  maření brzdové energie,  nabíjení ze stacionárního zdroje kabelem při stání vozidla,  nabíjení jednou denně,  napájení pohonu jen ze zásobníku energie ( i na elektrizovaných tratích) => hmotnost zásobníku cca 40 % celkové hmotnosti vozidla

Strana 30

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Reference: Akumulátorová posunovací lokomotiva A 219.0 s nabíjením ze sítě 3x400 V, 50 Hz (ČKD, 1993)

B0´ 41 t Baterie

… 360 kW

Napájení

… 40 kW (3x400 V, 50 Hz x 63 A)

Zkušební provoz na řadě nádraží v ČR, ověřovací provoz též u DB (München) a ÖBB (Wien)  prokázaná schopnost nahradit motorovou lokomotivu,  tichý a čistý provoz,  k nabíjení postačují běžné provozní přestávky. Olověná baterie: U = 640 V C = 300 Ah A = C · U = 192 kWh m=8t

Strana 31

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Disponibilita polozávislých vozidel Polozávislá vozidla nelze nepřetržitě používat, je nutno vyhradit čas pro nabíjení zásobníku energie. Doba nabíjení snižuje disponibilitu vozidla: kt = Tp/(Tp+Tn) doba provozu Tp = A / (E . vc) doba nabíjení Tn … A / (ηb . Pn) Po určité době jízdy po tratích bez trakčního vedení musí být vozidlo po potřebnou dobu dobíjeno.

Strana 32

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Nová situace (současnost)  Pokrok v oblasti elektrických pohonů  vysoká účinnost  schopnost rekuperačního brzdění  Novén typy zásobníků energie A) dvouvrstvé kondenzátory (kP ≈ 800 kW/t, N = 1 000 000 cyklů), B) Nové typy elektrochemických akumulátorů (kA ≈ 100 kWh/t, N = 3 000 cyklů) Výhody:  vysoká měrná energie,  vysoký měrný výkon,  vysoká účinnost,  dlouhá životnost,  bezúdržbovost.

Strana 33

26. 4. 2012

Jiří Pohl





Strana 34

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Ukládání elektrické energie v zásobníku elektrické energie Technické prostředky:

1) Tradiční akumulátorové baterie (Pb) Charakteristické vlastnosti:      

nízký krátkodobý výkon (25 kW/t), nízký trvalý výkon (5 kW/t), nízká účinnost (70%), nevelká energie (25 kWh/t), nízká životnost (1 500 cyklů), mnoho článků o nízkém napětí (2V)

A [kWh]

0

p [kW]

Pro srovnání  naftový motor: 300 kW/t,  nafta:12 000 kWht/t, 4 800 kWhm/t

Strana 35

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Ukládání elektrické energie v zásobníku elektrické energie 2) Moderní akumulátorové baterie (příklad: Li-Ion) Charakteristické vlastnosti:      

vyšší krátkodobý výkon (200 kW/t), vyšší trvalý výkon (50 kW/t), vyšší účinnost (85%), vyšší energie (100 kWh/t), nepříliš vysoká životnost (3 000 cyklů), mnoho článků o nízkém napětí (3 V)


Strana 36

26. 4. 2012

Jiří Pohl

A [kWh]

0

p [kW]


Ukládání elektrické energie v zásobníku elektrické energie 3) Kondenzátorové zásobníky (dvouvrstvé vysoce kapacitní kondenzátory) A [kWh]

Charakteristické vlastnosti:     

vysoký výkon (800 kW/t) vysoká účinnost (95%) nízká energie (4 kWh/t) vysoká životnost (1 000 000 cyklů) mnoho do série zapojených článků o nízkém napětí (kolem 3 V)


Strana 37

26. 4. 2012

Jiří Pohl

0

p [kW]


Vysokokapacitní dvouvrstvé kondenzátory (Ultracap) Kapacita kondenzátoru C = εr . ε0 . S / x εr … relativní permitivita ε0 … permitivita vakua 8,85 . 10-12 Vs/Am S … plocha elektrod, x … vzdálenost elektrod Princip dvouvrstvých kondenzátorů:  velká plocha (mikroporézní uhlík, cca 2 000 m2/g,  malá vzdálenost (elektrická dvouvrstva, cca 10-8 m) => kapacita až 4 kF/ kg Problém: pracovní napětí musí být nižší, než disociační napětí (u vody 2 x 0,6 V), u speciálních kapalin (organická rozpouštědla) zhruba 2 až 3 V => sériové řazení, pokles kapacity C´ = C / N

Strana 38

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Vysokokapacitní dvouvrstvé kondenzátory (Ultracap) Vlastnosti:     

velký měrný výkon (běžně kolem 800 kW/t), malá měrná energie (kolem 4 kWh/t), krátký čas nabití a vybití ( T = A / P = 4 kWh / 800 kW = 0,005 h = 18 s, vysoká účinnost (90 %), vysoká životnost (N = 1000 000 cyklů).

⇒ vhodné pro krátkodobý zdroj vysokého výkonu Cena: přibližně 300 000 Kč/kWh Náklady na uschování energie: C = C / N = 300 000 / 1 000 000 = 0,3 Kč/kWh

Strana 39

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie Základní pojmy Akumulátor 

zařízení pro ukládání (akumulaci) energie. Zpravidla se rozumí elektrochemický. Existují ale akumulátory na jiném principu např. mechanický akumulátor (pružinový střádač, hydraulický, setrvačník apod.)

Článek 

samostatný nedělitelný element (může se skládat z paralelně zapojených elektrod v jedné nádobě).

Baterie 

sada článků zapojených obvykle do série.

Článek

Strana 40

26. 4. 2012

Jiří Pohl

Baterie


Elektrochemické akumulátory energie Obecné vlastnosti akumulátorových baterií Napětí baterie Ubat = Ns . Učl Napětí článku závisí:  na vnitřním odporu  na polarizaci při přechodu z nabíjecího do vybíjecího režimu U

Učl = Ui – Ri . I

Nabíjení

Vybíjení I

Strana 41

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie

U

U

Změna napětí podle stavu nabití/vybití

t

t

Napěťová účinnost

U η = stř.vyb U U stř.nab

Strana 42

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie Kapacita baterie

C = ∫ Idt

Cbat = Np ⋅ C čl

Inab

Náboj baterie z baterie vydaný je nižší než náboj do baterie vložený Ƞc = Cv / Cn

tv

tn

Cv

t

Ivyb

Celková účinnost akumulátoru

Cn

A U vyb střtř.v Cv η = η ⋅η = ⋅ = U C U A C nab n střtř.n

Energie uložená v baterii

A = C ⋅U

Strana 43

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie 

Životnost akumulátoru



Počet cyklů úplného nabití a vybití do vzniku příznaků poklesu parametrů akumulátoru (jedná se o smluvní veličinu).



Parametry jsou stanoveny v příslušných normách nebo dohodou.

C

[Ah]

Cjm

Njm N Strana 44

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie Nabíjecí a vybíjecí charakteristika olověného akumulátoru (při konstantním proudu) 2,8

konečné nabíjecí napětí

2,6

U [V]

2,4

2,2

počáteční nabíjecí napětí

plynovací napětí

2,0

1,8

počáteční vybíjecí napětí

1,6

jmenovité napětí střední vybíjecí napětí

konečnéí vybíjecí napětí t [h]

Strana 45

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie Vlastnosti olověného akumulátoru:

C;I

C;I

 Při vybíjení klesá napětí olověného akumulátoru, z čehož lze usuzovat na stav nabití.  Využitelná kapacita olověného akumulátoru závisí na velikosti vybíjecího proudu. Obvykle se udává kapacita pro pětihodinový vybíjecí proud.

Cteor

Cteor Ire

Iteor

Cre

C Iteor I5=0,2C5

Ire

5h 0

Strana 46

0

26. 4. 2012

Jiří Pohl

t Siemens, s.r.o. / Rail Systems


Jmenovitá kapacita [%]

Snížení kapacity článku v závislosti na teplotě

Teplota [°C]

Strana 47

26. 4. 2012

Jiří Pohl



Použitelnost [roky]

Závislost životnosti na teplotě baterie

Teplota [°C]

Strana 48

26. 4. 2012

Jiří Pohl



Hloubka vybití (DOD) %C10]

Počet nabíjecích cyklů v závislosti na hloubce vybíjení

DIN EN 60896-11Cyklovací test: 1500cyklů při 60%DOD

Počet cyklů Strana 49

26. 4. 2012

Jiří Pohl



Součinitel odporu

Součinitel vnitřního odporu v závislosti na hloubce vybití

Vybití C10 [%]

Strana 50

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrochemické akumulátory energie Akumulátorovou baterii lze hodnotit jako:  zdroj energie: měrná energie

kA =

A [ Wh kg ] m

 zdroj výkonu: měrný výkon

P kP = [ W kg ] m Oběma parametry je dána doba vybíjení

T= Strana 51

26. 4. 2012

Jiří Pohl

A [h] P Siemens, s.r.o. / Rail Systems

Parametry zásobníků energie

Typ

kA kP (kWh/t) (kW/t)

T (h)

cS (Kč/kWh)

N

cc/N (Kč/kWh)

olověný

25

25

1

6 000

1 500

4

„pomalé“

moderní

100

200

0,5

12 000

3 000

4

„rychlé“

ULTRACAP

4

300 000

1 000 000

0,3

800 0,005

Cena za uskladnění 1 kWh

Strana 52

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Ekonomika zásobníků energie Energie odebraná ze zásobníku je proti volné elektrické energii dražší vlivem:  ztát energie při nabíjení a vybíjení: A2 = A1 . η,  poplatku na obnovu zásobníku: C/(N . A). Cena elektrické energie ze zásobníku (včetně poplatku za obnovu): c2 = c1 / η + C/ A / N Cena energie čerpané ze zásobníku (při ceně vstupní energie c1 = 2,50 Kč/kWh) typ

η (%)

C/A (Kč/kWh) N (počet cyklů)

c2 (Kč/kWh)

olověný

70

6 000

1 500

3,6 + 4 = 7,6

95

300 000

1 000 000

2,6 + 0,3 = 2,9

85

12 000

3 000

2,8 + 4 = 6,8

akumulártor dvouvrstvý kondenzátor moderní akumulátor Strana 53

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Porovnání cen elektrické energie na vozidle Závislá trakce C = ce / ƞptz = 2,5 / 0,85 = 2,9 Kč/kWh Nezávislá trakce C = cn / (H . Ƞmg) = 30 / (10 . 0,35) = 8,6 Kč/kWh Polozávislá trakce C = ce / (ƞn .ƞz) + Cz/N) = 2,5 /(0,9 . 0,85) + 4 = 3,3 + 4 = 7,3 Kč/KWh Rekuperace (jinak nevyužitá) C = 0 + Cz/N) = 2,5 /(0,9 . 0,9) + 4 = 0 + 4 = 4 Kč/KWh

Strana 54

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Kombinace zásobníků energie V zásadě je možno na vozidle použít dva paralelně spolupracující zásobníky energie: 

„velký pomalý zásobník energie“ pro vytvoření potřebné energie (zajištění dojezdu),



„malý rychlý zásobník výkonu“ pro vytvoření potřebného výkonu (zajištění náležité dynamiky rozjezdu a rekuperačního brzdění, odlehčení velkého zásobníku od špiček výkonu s neblahým vlivem na jeho účinnost a životnost.

napájení

pohon

Z1

Strana 55

26. 4. 2012

Z2

Jiří Pohl





Strana 56

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Oblast použití zásobníků energie 1) stacionární na měnírnách - stabilizují sít (v době přebytku energie ji od vozidel přijímají, v době zvýšeného odběru ji vydávají)

= =

c

2) mobilní na vozidlech - náhrada (doplnění) brzdového odporníku brzdovým kondenzátorem (při brzdění do zastávky energii z trakčního obvodu přijímá, při následujícím rozjezdu ji pohonu vydává k opětovnému použití)

c =

= =

Strana 57

26. 4. 2012

Jiří Pohl

~


Reálné oblasti použití vozidlo

m [t]

vb [km/h]

Ak [kWh]

Lz [km]

Pmax [kW]

Tramvaj

25

50

0,6

0,5

500

Metro

200

80

13

1

5 000

Příměstský vlak

300

120

43

3

4 000

LZ ... vzdálenost zastávek Ak … využitelná kinetická energie

1 A k = .m.v 2 .ηη. 2 Pmax = a.m.v.ξ

Zatím reálné jen u tramvají a) Technické důvody Z důvodu nízké rychlosti je kinetická energie dodaná do zásobníku při jednom brzdění nepříliš velká a zásobníkem zvládnutelná (hmotnost zásobníku je v přijatelné proporci k hmotnosti vozidla): 2 b) Ekonomické důvody Z důvodu malé vzdálenosti zastávek je zásobník během jízdy často využíván: Strana 58

26. 4. 2012

Jiří Pohl

m z m.v ~ ~ v2 2 m k.m

P=

A k A k .v c = T LZ Siemens, s.r.o. / Rail Systems

Hybridní vozidla Jejich pohon je napájen ze dvou zdrojů současně Příklad: diesel / akumulátor F

~

diesel + baterie

=

=

~

~ diesel

0

v

Baterie vyrovnává energetickou bilanci Vozidlo v klidu: dieselagregát nabíjí baterii Vozidlo za jízdy: baterie je vybíjena (pomáhá naftovému motoru) Elektrodynamická brzda: baterie je nabíjena rekuperovanou brzdovou energií

Strana 59

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Pracovní cyklus hybridního pohonu v

+

v(t) G

0

M

t

P

diesel

-

Pm

Pbat = Pg - Pm Pg

+ 0

vybíjení zásobníku energie

t

nabíjení zásobníku energie rekuperační brzda

Strana 60

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Reference: Dieselakumulatorová hybridní posunovací lokomotiva TA 436.0 (ČKD, 1986) B0´ B0´ 64 t Diesel

… 150 kW

Baterie

… 360 kW

Náhrada dieselelektrické lokomotivy o výkonu 600 kW



dlouhodobý provoz v Olomouci



úspora 20% paliva ve srovnání s konvenční dieselelektrickou lokomotivou 600 kW

G

Alkalická baterie: U = 600 V C = 300 Ah A = C · U = 180 kWh m = 12 t

Strana 61

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrobus – oběhový princip (velký pomalý zásobník) Po nabití zásobníku energie na vozidle v nabíjecí stanici využívá vozidlo energii ze zásobníku energie až do jeho vybití. Zásobník je též využíván k rekuperačnímu brzdění. Dojezd: cca 100 km Doba provozu: několik hodin

Příklad: L = 100 km, m = 15 t e = 1,2 kWh/km A = L·e = 100·1,2 = 120 kWh Doba nabíjení: T1 = 2 h

P1 =

A 120 = = 75 kW T1 ⋅ η 2 ⋅ 0,8

A

0

T

Nabíjecí stanice

Nabíjecí stanice

L

100 km

Strana 62

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční městský elektrobus (zastávky po 1 km, stálá rychlost 50 km/h, moderní baterie, rekuperace): L = 3 600 . kA . km . η . (1 – β) / (p . g) = 3 600 . 100 . 0,1 . 0,85 . (1 – 0,2) / (18 . 9,81) = 139 km (tedy zhruba 7 hodin provozu při oběhové rychlosti 20 km/h) kA … měrná energie zásobníku ( 100 kWh/t), km … poměrná hmotnost zásobníku energie (km = mz / m = 1,5 / 15 = 0,1), η … účinnost trakčního pohonu (0,85) β ... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2 – spíš víc: topení, klimatizace), p … měrný trakční odpor (13 + 5 = 18 N/kN). ⇒ čtyřnásobně koncentrovanější zásobník energie (100 kWh/t versus 25 kWh/t) plus též rekuperace brzdové energie výrazně zvýšily dojezd elektrobusu.

Strana 63

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Elektrobus – zastávkový princip (malý rychlý zásobník) Zásobník je dobíjen na každé zastávce (v průběhu výstupu a nástupu cestujících) a je dimenzován pouze na jízdu k následující zastávce. Též je využíván k rekuperačnímu brzdění. Dojezd: cca 1 až 2 km Doba provozu: několik minut

Příklad: Lab = 1 km W = 1,2 kWh/km A = Lab ·W = 1·1,2 = 1,2 kWh T1 = 20 s = 0,0056 h

P1 =

A 1,2 = = 270 kW T1 ⋅ η 0,0056 ⋅ 0,8 rekuperační brzda

A

0

T

L cca 1 km

zastávka A

Strana 64

zastávka B

26. 4. 2012

zastávka C

Jiří Pohl

zastávka D


Siemens e-BRT (electric Bus Rapid Transit)

Strana 65

26. 4. 2012

Jiří Pohl



Strana 66

26. 4. 2012

Jiří Pohl



Strana 67

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Shrnutí Trendy ve společnosti: 

roste cena kapalných uhlovodíkových paliv => je potřebné řešit náhradu ropných paliv elektrickou energií,



mění se formy osídlení měst. V důsledku růstu komfortu bydlení klesá plošná koncentrace obyvatelstva => jsou potřebné i méně kapacitní dopravní systémy.

Kromě dopravních systémů charakteru elektrické dráhy (metro, tramvaj, trolejbus), které jsou z důvodu budování nákladné infrastruktury ekonomicky opodstatněné při náležitě silných přepravních proudech, je vhodné doplnit městskou hromadnou dopravu i o systémy polozávislé elektrické vozby.

Strana 68

26. 4. 2012

Jiří Pohl


Děkuji Vám za Vaši pozornost

© Siemens, s.r.o. All rights reserved.

Použití zásobníků energie v městské hromadné dopravě

Recommend Documents