článek a obrázky: Mikołaj Bartłomiejczyk
Rekuperace elektrické energie v MHD Asynchronní pohony, motory BLDC, trakční invertory, IGBT tranzistory, rekuperace energie – to jsou hesla, se kterými se můžeme často potkat, když si pročteme propagační materiály výrobců moderních tramvají a trolejbusů. Často se nám tyto prvky jeví jako indikátory hypermoderních technologií, ale ve skutečnosti se stává, že pod některými názvy se skrývá řešení známé inženýrům už dlouhá desetiletí. Tak je tomu také s rekuperací elektrické energie. Ačkoli většina lidí vnímá rekuperaci jako technickou novinku 21. století, ve skutečnosti je to řešení známé už téměř 100 let. Rekuperace elektrické energie při brzdění vozidel se již v období mezi světovými válkami rozšířila ve velké míře na železnici ve Švýcarku a umožňovala ji také velká část trolejbusů, které vznikaly od 30. let 20. století, a to nejen v zemích západní Evropy a v USA. Rekuperací byly vybaveny například ruské trolejbusy sérií JaTB (vyráběné od 30. do 50. let), ale také československé trolejbusy Tatra. V polské Varšavě bylo ve 30. letech využíváno rekuperační brz-
Motor dodává energii, která je převedená na kinetickou energie vozidla -> vozidlo zrychluje
dění u tramvají. V souvislosti s pozdějším útlumem elektrické trakce v MHD, nízkými cenami elektrické energie a technickými problémy způsobenými nevyspělou technologií ovšem začala být na přelomu 50. a 60. let rekuperace z řešení prostředků MHD vypouštěna. Bylo zapotřebí čekat dalšího zhruba čtvrtstoletí, než si inženýři na toto staré řešení vzpomněli a vývoj technologie spojený s růstem cen paliv způsobil opakovaný zájem o toto téma.
Kinetická energie vozidla je odebírána -> vozidlo zpomaluje
v
Rozjezd
Jízda
Nejprve si jednoduše vysvětleme, co vlastně rekuperace je. Pro snazší pochopení se podívejme na obr. č. 1, který ukazuje energetickou bilanci jízdy vozidla. Když se vozidlo rozjíždí, zvětšuje svou rychlost. Tím se zvětšuje kinetická energie vozidla, takže z energetického hlediska je energie vyrobená v motoru převedena v kinetickou energii vozidla, která závisí od hmotnosti (m) a jeho rychlosti (v) podle rovnice E = mv2/2. Jednoduše lze říci, že energie z motoru je akumulována v kinetické energii. Jak vyplývá z uvedeného základního vzorečku, je důležité si povšimnout, že dvakrát větší rychlost znamená čtyřikrát větší kinetickou energii vozidla. Během celého cyklu hraje samozřejmě roli také odpor (vzduchu, tření atp.), při němž se část energie ztrácí, nicméně pro snazší vysvětlení jej v tomto případě zanedbáváme. Nabízí se otázka, co udělat s kinetickou energií, když začne vozidlo brzdit. Spalovací motory nám příliš možností neposkytují. Princip spalovacího motoru, jak říká samotný název, spočívá ve spalování paliva a následné konverzi tepelné energie v mechanickou pomocí termodynamického oběhu. Nicméně druhý termodynamický zákon stanoví, že mechanickou energii nemůžeme konvertovat zpět na chemickou energii (palivo). Kinetická energie při brzdění je proto mařena v brzdách.
Brzdění
t
Ztráty způsobené jízdními odpory apod.
Obr. č. 1: Energetická bilance jízdy vozidla v závislosti na čase a rychlosti. 58
Rekuperace – jak to vlastně funguje?
Jinak je tomu v případě elektrických motorů. Maxwellovy elektrodynamické zákony, na nichž je založen princip elektrického motoru, jsou v čase symetrické, což znamená, že mezi elektrickou energií a mechanikou energií je možná oboustranná konverze. Během rozjezdu se elektrická energie mění na mechanickou a naopak při brzdění se mechanická kinetická energie může měnit na elektrickou a být znovu využita. Tento proces je znám jako rekuperace energie.
Tolik nám říkají fyzikální zákony. Ve skutečnosti je ale rekuperace energie komplikovanější, než se může na první pohled zdát. Hlavním problémem je nutnost kontroly úrovně napětí během brzdění, což působí problémy z důvodu nutnosti souběžného ovládání hodnot proudu motoru, úrovně excitace motorů a napětí, aby nedošlo k výraznému kolísání těchto hodnot. Takže ačkoli rozjezd i rekuperační brzdění jsou opřeny o stejné fyzikální zákony a odehrávají se na identických součástech pohonu, brzdění je vždy náročnější. V praktických podmínkách navíc není možná celková rekuperace energie, neboť se bude vždy část kinetické energie ztrácet v mechanických brzdách. Mikroprocesorové systémy nicméně otevírají široké možnosti a velkou řadu dříve se vyskytujících problémů (např. udržení hodnot proudu, proudové buzení, kontrola proudu motoru atp.) překonávají.
A co s tou energií? Už víme, jak získat zpátky kinetickou energii během brzdění, nabízí se ale otázka, jak ji dále využít. V první řadě se nabízí využití pro netrakční potřeby vozidla, například topení, osvětlení, kompresor atp. Nicméně většinou lze tímto způsobem využít jen malou část rekuperované energie a zbytek se musí vracet do trakční sítě. Jen málokdy ovšem mohou trakční měnírny vrátit rekuperovanou energii do napájecí sítě vysokého napětí, takže je zapotřebí využít energii uvnitř napájecího systému (v trolejové síti) a odebrat ji ostatními vozidly, které se buďto rozjíždějí, nebo už jedou. Krátce řečeno – zatímco jedno vozidlo brzdí a vrací energii do sítě, druhé ji konzumuje. Přesto se často stává, že se v síti, resp. daném napájecím úseku, nenachází žádné další vozidlo, které by bylo schopné tuto energii absorbovat. V tom případě nezbývá, než energii tratit v brzdových odpornících, kterými jsou všechna vozidla vybavena. Jedním z řešení, které se nabízí pro snížení spalování přebytečné energie v odpornících, je instalace zásobníků energie, které by byly schopny uložit ji pro další využití. Nejčastěji jsou takovými zásobníky superkondenzátory, které dokážou v krátkém čase pojmout poměrně velké množství energie. Superkondenzátory lze instalovat jak na vozidlech, tak na měnírnách. Z měníren je možné energii používat buďto pro napájení trolejové sítě, anebo pro zpětný návrat do napájecí sítě vysokého napětí, která přivádí energii do měnírny. V tuzemských podmínkách ovšem energetické podniky nemají o zpětný odkup ušetřené energie zájem, v zahraničí (např. ve Francii nebo Španělsku) se však úspěšně využívá a rekuperace odváděná do sítě vysokého napětí může činit až 30 % z celkové rekuperované energie.
Tabulka č. 1: Přehled měníren v polské Gdyni Měnírna číslo
Název měnírny
Počet napájecích Počet usměrňovacích úseků jednotek
Průměrný počet vozidel v Charakteristika oblasti napájené měnírnou
1
Północna
6
2
14,2
Velká
2
Grabówek
4
2
8,6
Velká
3
Plac Konstytucji
3
1
7,5
Malá
4
Wendy
3
1
10,2
Malá
5
Kielecka
3
2
4,2
Velká
6
Redłowo
3
2
8,7
Velká
7
Sopot I
2
1
1,5
Malá
8
Sopot II
1
1
1,2
Malá
9
Wielkopolska
1
1
2,6
Malá
10
Chwaszczyńska
5
2
11,3
Velká
gie poměrně slabé. Přestože se téma rekuperace řeší už dlouhou dobu, pro některé dopravní podniky v ČR a SR představuje určitý problém, neboť rekuperace zde funguje buďto špatně, nebo dokonce takřka vůbec. Český trakční průmysl byl v minulosti všeobecně synonymem technického pokroku, nicméně dnes se v DP řeší neustále témata, která jsou u našich sousedů už dávno vyřešená. Příčin tohoto počínání můžeme nalézt hned několik. Jednou z hlavních je neustálé zpochybňování významu rekuperace, kdy převládá názor, podle kterého má rekuperace
smysl jen v kopcovitém terénu. Jak si však dokážeme v další části článku, není to ani zdaleka tvrzení pravdivé. Často panují také obavy z poškození součástek trakčního vedení (zejména trolejbusových křižovatek) proudem z rekuperačního brzdění. Tento problém už ale konstruktéři armatur trolejového vedení dávno vyřešili. Atypickým problémem charakteristickým prakticky výhradně pro ČR a SR jsou tyristorové měnírny ČKD Praha z 80. a 90. let. Tyto měnírny se ve své době jevily jako špičkové technické řešení, do něhož byla vkládána velká budoucnost, nicméně realita byla odlišná. Vedle velké poruchovosti se jednalo zejména o omezení rekuperace energie
Kde je problém? Když je rekuperace všeobecně považována za výhodnou, nabízí se otázka, proč jsou někde naměřené výsledky ušetřené ener-
Obr. č. 2: Schematický obrázek ukazující, že čím větší je oblast měnírny, tím větší je šance, že bude možné rekuperovanou energii předat. Modře je znázorněno rekuperující vozidlo, červeně vozidla v rámci jednoho napájecího úseku a zeleně všechna vozidla v oblastech napájených jednou měnírnou. 59
Obr. č. 3: Výsledky rekuperace v jednotlivých oblastech v Gdyni. Modře jsou značeny pracovní dny, červeně soboty a zeleně neděle.
blokováním přelévání energie mezi jednotlivými napájecími úseky, které tyristorová měnírna svou konstrukcí vůbec neumožňuje. V neposlední řadě můžeme zmínit chybějící „tradici“ rekuperace na území České republiky. Českoslovenští technici byli v 70. a 80. letech pionýry v zavádění tyristorové elektroenergetiky, avšak pohlíženo bylo jen na úsporu vozidla při rozjezdu a jízdě, nikoli při brzdění a rekuperaci. Například na svou dobu naprosto špičková elektrická tyristorová výzbroj trolejbusů Škoda 14 Tr nebyla poněkud překvapivě možností rekuperace vybavena. Naopak v sousedním Polsku, v němž elektrotechnický průmysl dlouhá léta zaostával, už během prvních projektových prací na nové elektrické výzbroji v 80. letech bylo s rekuperací počítáno. Výsledkem bylo, že polské trolejbusy Jelcz PR110T, jakkoli je jen těžko možné vnímat je celkově za podařenou konstrukci, byly již v polovině 80. let vybaveny alespoň částečnou rekuperací, kdy část energie putovala do sítě a část byla vždy mařena v odpornících, což ve svém důsledku usnadňovalo ovládání trakčního měniče. Samozřejmě nelze říci, že by všude v České republice a na Slovensku představovala rekuperace problém a v některých městech je dobře využívána, nicméně podrobnější měření a studie nejsou v českých provozech k dispozici, a tak se podíváme v dalších odstavcích na zkušenosti od našich severních sousedů.
Měření efektivnosti rekuperace v Gdyni
Obr. č. 4: Plánek gdyňské trolejbusové sítě, na němž jsou dle intenzity barvy vyobrazeny úseky dle míry rekuperace vozidel. Čím tmavší odstín a tloušťka čáry, tím je rekuperace méně účinná a zapojuje se brzdový odporník. 60
Gdyně je polské město na pobřeží Baltského moře, které je jedním ze tří polských sídel, kde je možné setkat se s trolejbusovou dopravou. Zdejší systém je poměrně rozsáhlý – síť měří okolo 50 kilometrů a dopravce má pro provoz na ni k dispozici 85 vozidel. Gdyňská trolejbusová síť je taky předmětem četných analýz a publikací Ing. Mikołaje BartŁomiejczyka, Ph.D., který kromě práce na gdaňské polytechnice plní také úlohu hlavního energetika v trolejbusovém dopravním podniku v Gdyni. Záměrně přitom hovoříme o trolejbusovém podniku, neboť město prostřednictvím své společnosti PKT Gdynia (Przedsiębiorstwo Komunikacji Trolejbusowej) provozuje pouze trolejbusovou dopravu, zatímco autobusové linky spočívají na bedrech soukromníků. Trolejbusový systém v Gdyni je velmi zajímavý jako předmět vědeckého výzkumu, neboť ačkoli město leží u moře, má jeho část kopcovitý charakter, takže lze provádět měření na různých topografiích tras. Navíc v posledním období prošel rozsáhlou modernizací napájecí systém gdyňských trolejbusů, když došlo k výstavbě 4 nových kontejnerových měníren. Většinu vozového parku (přes 60 %) navíc tvoří vozi-
dla umožňující rekuperaci brzdné energie. Díky tomu můžeme prezentovat základní výsledky provedeného výzkumu.
Zásobník Vozidlo
Trolejbusová síť v Gdyni je napájena z deseti měníren. Pět měníren můžeme všeobecně označit jako tzv. „velké“. Jde o měnírny, které napájejí několik vzájemně izolovaných napájecích úseků. Dalších pět měníren je tzv. „malých“. Jedná se o měnírny, které vyrostly převážně v poslední vlně modernizace systému a napájejí menší oblasti v síti, nicméně většina z nich rovněž napájí více úseků. Konkrétní přehled měníren přináší tabulka č. 1. V tabulce zaujme předposlední sloupec, který uvádí parametr „Průměrný počet vozidel v oblasti napájené měnírnou“. V případě klasických diodových měníren a jednostranného napájení úseků se může energie vznikající při rekuperaci přelévat v rámci jednotlivých napájecích úseků, které dané měnírna pokrývá, nikoli ovšem mezi úseky, které napájí dvě různé měnírny. Z toho vyplývá, že čím větší je oblast měnírny, tím je větší šance na rekuperaci energie mezi vozidly. Schematicky si můžeme tuto situaci ukázat na obrázku č. 2. Na daném obrázku je modrou barvou vyznačeno vozidlo, které právě rekuperuje (brzdí). Vezmeme-li v úvahu menší napájecí oblast měnírny (jeden napájecí úsek), která je na plánku označena červeně, vidíme, že max. počet vozidel, kterým lze předat energii, činí 3 vozy. Když však oblast zvětšíme o všechny napájecí úseky dané oblasti (zelenou barvou), vzrůstá počet potenciálních příjemců energie už na 9 vozů, čili trojnásobně se zvedá pravděpodobnost nalezení odběru pro rekuperující vozidlo. Velmi důležitým faktorem ovlivňujícím rekuperaci je proto struktura systému napájení, což se bohužel často zanedbává.
Výsledky měření Prvním předmětem výzkumu bylo hledání odpovědi na otázku, kolik energie je ve vozidlech gdyňské trolejbusové dopravy rekuperováno. Gdyňské měnírny nejsou vybaveny superkondenzátory ani měniči, takže rekuperace je možná jen mezi brzdícím vozidlem a netrakčním, pomineme-li tedy vlastní netrakční spotřebu vozidla. V takovém případě závisí efektivnost rekuperace hlavně na charakteru napájecí oblasti měnírny. Podstatná část vozidel PKT Gdynia je vybavena měřiči energie a polohy GPS. Na základě toho je možné určit, kolik energie bylo rekuperováno ve vozidlech v jednotlivých napájecích oblastech. Výsledky přináší obr. č. 3, kde jsou hodnoty děleny i podle dní v týdnu. Na základě naměřených výsledků je možné obecně říci, že rekuperace v podmínkách tro-
Ezásobník Breaking vehicle
Erekuperace
Trakční pohon
Enetrakční
Esiť
Netrakční odběry
Druha vozidla
Obr. č. 5: Schematický rozptyl rekuperované energie. lejbusového provozu v Gdyni funguje velmi dobře, a to i přesto, že většina tratí je rovinatých. Ve většině napájecích oblastí se daří rekuperovat až cca 35 % energie. Výrazně slabší hodnoty vykazují jen měnírny čísel 7 a 8, které napájejí krátké úseky s malým provozem (dle tabulky č. 1 jde pouze o 1,5 a 1,2 vozu). V důsledku toho je velmi malá pravděpodobnost, že se v momentě brzdění jednoho vozidla bude v úseku nacházet další, které by bylo schopné tuto energii převzít.
„Je zapotřebí říct, že nejlevnější forma energie je uspořená energie.“ Další část výzkumu se věnovala otázce míst, ve kterých se s rekuperací vyskytovaly problémy. Měřítkem pro tento parametr byla četnost zapojování brzdového odporníku, který se zapíná, jak již víme, ve chvíli, kdy nelze energii použít jinak. Logicky lze tedy odvodit, že čím častěji se brzdový odporník zapíná, tím hůře vůz rekuperuje. Obrázek číslo 4 nám přináší mapu gdyňské trolejbusové sítě, na níž jsou dle intenzity barvy vyobrazeny úseky dle míry rekuperace.
Také tento obrázek potvrzuje, že míra rekuperace v Gdyni je velmi dobrá i přesto, že měnírny nejsou vybaveny stacionárními boxy se superkondenzátory a většina města má rovinatý charakter. V podstatné části sítě k zapojení brzdového odporníku prakticky nedochází (nejsvětlejší a nejužší linky v plánku). Problémy se vyskytují jen na třech malých kontejnerových měnírnách čísel 7, 8 a 9. O měnírnách čísel 7 a 8 byla řeč již výše, oblast měnírny č. 9 se nám oproti tomu objevuje poprvé. Důvodem častého zapojení brzdového odporníku je skutečnost, že měnírna zajišťuje napájení trati v kopcovité části města, takže trolejbusy zde sice často brzdí, ale samotný napájecí úsek nemá dostatečnou délku na to, aby bylo možné takové množství generované energie užít.
Testování superkondzátorového zásobníku v Gdyni Kromě měření v běžném (pravidelném) provozu probíhaly v Gdyni také zkoušky superkondenzátorového zásobníku energie, jenž byl nainstalován dočasně na měnírně číslo 1. Zásobník měl následující parametry: - maximální výkon 300 kW;
80 Netrakční
70
Ostatní vozidla
60
Zásobník 50 40 30 20 10 0
Section I (0,47)
Section II Section III Section IV Section V Section VI Section VII Section VIII Section IX Section X (0,6)
(0,6)
(0,8)
(1,2)
(1,2)
(1,2)
(2)
(2,4)
(3,2)
Obr. č. 6: Poměr rozptylu rekuperované energie v době instalace superkondenzátorového zásobníku v Gdyni. 61
odlišný graf (obr. č. 7) nám pak ukazuje, jaký je rozptyl rekuperované energie mezi superkondenzátorem a ostatními vozidly, a slouží k potvrzení výše uvedeného tvrzení, že čím větší počet vozidel je momentálně v provozu, tím efektivnější se stává využití energie mezi nimi.
Závěr
energie v době instalace superkondenzátorového zásobníku, čili jaké množství energie se spotřebovalo v samotném vozidle (netrakční), kolik pojala ostatní vozidla a kolik zásobník na měnírně.
Nejdůležitějším závěrem výzkumu bylo jednoznačné tvrzení, že rekuperace funguje velmi dobře, a to i v podmínkách rovinatého města. Velmi uspokojivé výsledky přitom dává i samotné rekuperační brzdění bez využití jakýchkoli dalších elementů, jakými jsou například superkondenzátory. Ty lze použít pro zvětšení efektivnosti rekuperace, avšak v mnoha případech je instalace superkondenzátorových zásobníků zbytečná a dopravce by měl jejich případný nákup velmi dobře zvážit na základě konkrétních parametrů svého provozu. Také v Gdyni bylo nakonec rozhodnuto, že bude uvedeno do praxe namísto instalace stacionárních zásobníků dvoustranné napájení (tedy možnost přelévání nadbytečné energie mezi úseky zásobovanými dvěma měnírnami).
Jak je z obrázku zřejmé, v případě velké hustoty provozu (v pravé části grafu) byla většina energie bez problému konzumována ostatními vozidly a zásobník pojímal jen minimum. Přesně naopak tomu bylo v časech s malou hustotou provozu, kdy byla malá pravděpodobnost, že dojde k rekuperaci mezi dvěma vozidly. Nezanedbatelnou složkou ovšem není ani spotřeba samotného vozidla na netrakční obvody, která činí cca 20 % z celkové rekuperované energie. Poněkud
Jak již bylo řečeno, velmi důležitým faktorem je samotná struktura systému napájení. Často lze zvětšit rekuperaci pomoci jednoduchých a levných prostředků, jakými je například propojení napájecích úseků nebo posunutí děličů. Na to se mnohdy zapomíná a hledána jsou neefektivní a drahá řešení. Na závěr je zapotřebí říct, že nejlevnější forma energie je uspořená energie. A právě rekuperace je jednou z cest k dosažení tohoto cíle.
Obr. č. 7: Rozptyl rekuperované energie mezi superkondenzátorem a ostatními vozidly. Čím větší počet vozidel je, tím efektivnější se stává využití energie mezi nimi. - energetická kapacita 0,7 kWh, což odpovídá plnému brzdění dvou trolejbusů; - 4 moduly superkondenzátorů LS Mtron, každý o kapacitě 41 F a jmenovitém napětí 201,6 V. Zásobník byl během zkoušek připojován k jednotlivým napájecím úsekům (z tabulky č. 1 můžeme vyčíst, že jich daná měnírna napájí celkem 6), přičemž byla záměrně blokována možnost rekuperace dalších úseků. Hlavním cílem bylo určit, jak souvisí intenzita provozu s efektivnosti úspory elektrické energie. Schematický rozptyl rekuperované energie přináší obrázek č. 5. Zajímavější je však obrázek číslo 6, který ukazuje, jaký byl poměr rozptylu rekuperované
Rekuperace je dnes běžnou součástí moderních elektrických výzbrojí. Svou významnou roli v úsporách hraje i v rovinatých provozech, jako je např. Gdyně. © Marcin Połom 2012
62
