Energiatárolók. Energia Műhely

Átírás

1 Energiatárolók Energia Műhely Dr Vajda István egyetemi tanár Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék Supertech Laboratórium

2 Tartalom Fő irányok, nemzetközi trendek Átfogó követelmények, jellemzők Az energiatároló fajtái Akkumulátor Szuperkapacitás Lendkerék (lendkerekes energiatároló rendszer) Tüzelőanyag-cella erről nem lesz szó Mit tudunk idehaza hozzátenni? Tároló tulajdonságok és villamos követelmények illesztése Villamos gépek és hajtások Különleges ötletek Kerékagymotoros projekt a Formula Racing Team-en belül Virtuális kutatóközpont

3 Fő irányok, nemzetközi trendek

4 Átfogó követelmények, jellemzők

5 Energiatároló rendszerek alkalmazási ablakai Ragone #1

6 Energiatárolók átfogó összehasonlítása Villamosenergia tárolás módja Előnyei Hátrányai Alkalmaz hatóság egyedi tápellátás ban. Alkalmazható ság villamosenergiarendszerben Szuper kapacitások Hosszú élettartam, jó hatásfok Alacsony energia sűrűség Igen Tervezik, áthidaló jelleggel Lendkerekes (Flywheels) Nagy teljesítmény Alacsony energia sűrűség Igen Ritkán, áthidaló jelleggel Savas ólom akkumulátor Olcsó Alacsony élettartam, mélykisütéskor Igen Ritkán, áthidaló jelleggel Ni-Cd akkumulátor Nagy teljesítmény, jó hatásfok Nincs Igen Tervezik, áthidaló jelleggel Li-ion - akkumulátor Nagy teljesítmény, jó hatásfok Magas ár Igen Tervezik, áthidaló jelleggel NaS Nátrium-Kén akku Nagy teljesítmény, jó hatásfok Jelenleg még magas ár Igen Tervezik erőművi léptékben Szupravezetős mágneses tárolás (SMES) Nagy teljesítmény Magas költség Igen Ritkán, áthidaló jelleggel Forrás: Dr Kohári Z, PhD disszertáció, BME VET

7 Energia-igény, rule-of-thumb, személygépkocsira Össztömeg = 1200 kg Teljesítmény-igény (város) = 13 kw (utazó sebesség esetén) Energiaigény, kwh/100 km Városban = 10 Távolsági v = 50 km/h esetén 6 kwh/100 km v = 100 km/h esetén 13 kwh/100 km

8 Energia fogyasztás Villamos hajtás a meghatározó Segédüzem is jelentős lehet Járműgenerátor nincs Segédüzemre kisfeszültségű segédüzemi akkumulátor

9 Villamos hajtású gépjárművek fő típusai EV = electric vehicle Tisztán villamos Akkumulátoros: BEV = Battery EV Tüzelőanyag-cellás: FCEV = Fuel Cell EV Többszörös energiatárolóval rendelkező EV Batt és SuperCap és Lenkerék és napelem kombináció Belsőégésű és villamos Hibrid: HEV = Hybrid EV Full, middle, mild: villamos teljesítmény/összteljesítmény Külső villamos hálózatról is tölthető hibrid: PHEV = Plug-in HEV

10 Energia-mérleg, L Toyota CAMRY Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare

11 Energia-mérleg javítása hibridizációval Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare

12 Tisztán villamos pro és con Pros (előnyök) Villamos energia Sokféle energia-forrás Potenciálisan kisebb kibocsátás Villamos hajtás Jobb hatásfok Nagyobb nyomaték kis fordulatszámon Kisebb üzemeltetési költség Csökkent karbantartásigény Cons (hátrányok) Akkumulátor Hosszú töltési idő Magasabb ár Kisebb energia-tartalom Korlátozott hatósugár Bizonytalanság a ciklusszám tekintetében Villamos hajtás Eltérő (szokatlan) üzemeltetési és vezetési élmény

13 Hibrid és tisztán villamos a villamosítás foka Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare

14 Tüzelőanyag megtakarítás összetett hatásfok mechanizmus révén

15 Villamos hajtás-típus DC AC egyre ritkábban, gyakorlatilag kiment a divatból Feszültség-inverteres aszinkron Feszültség-inverteres PM szinuszmezős Feszültség inverteres PM négyszögmezős (BLDC), kisebb teljesítményeknél, kerékagyban Kísérletileg SRM (switched reluctance)

16 Energiatároló fajtái

17 AKKUMULÁTOROK

18 Fejlesztési hajtóerők Mindennapi életünk részévé váltak Egyre hatékonyabb akkumulátorokra van szükség Társadalmi elvárások Környezetvédelem Biztonságos és megbízható működés Ár-szempontok

19 Akkumulátor típusok Savas: LA = Lead Acid Legfeljebb segédüzemre Zárt (zselés) Szabályozott szelepes (VRLA = Valve regulated LA) Pb veszélyes anyag NiCd Cd veszélyes hulladék Helyette a hasonló NiMH Li-ion és Li-polimer

20 Akkumulátor fő mutatók Típus Ólom NiCd NiMH Li-ion vagy polimer Üzemi hőmérséklet C C C C Elektrolit Nyugalmi feszültség Fajlagos energia, Wh/kg Fajlagos teljesítmény, W/kg Kénsav vizes oldat Lúg vizes oldat Lúg vizes oldat Szerves elektrolit vagy polimer 2,1 V 1,35 V 1,35 V 3,5 V !!! Forrás: Dr. Vincze Gy-né, Balázs G, Villamos járművek, BME VET

21 Jellemző kisütési görbék Forrás: Rédey László Személyes közlés

22 Ragone diagram #2 Forrás: Rédey László Személyes közlés

23 Induktív töltés 150kW 30 Minibus Energy Transfer System (ETT in Ojai, California) Recharge Power Rating: Peak Power 150kW Long Term Power. 100kW Reverse Power Transfer.. 50kW Battery Bank Voltage Nominal VDC Charging. 710 VDC Minimum (5% SOC). 525 VDC Battery Bank Energy. 15 kwh (100% SOC) Battery Type Hawker 26Ahr LA (48) Input Voltage VDC Input Current ADC nom. Inverter Performance Operating Frequency kHz Input Voltage VDC Input Current ADC (2 units) Control. DSP Computer Phase-Array Magnetic Ensemble Size (each assembly). 54 W x 98 L x 0.75 H Weight (each assembly) lb Airgap (road to pickup). 5 to 9 ; 7 nom. T ECH ET Energy Transport Technologies Page 10 Misalignment limits Horizontal.. ±5 Longitudinal.. ±5 Pitch ±1.5 Yawl. ±1 Energy Transfer Efficiency 81% Recharge from 10% SOC to 80% SOC < 5 minutes Hazai előzmény: VKI Forrás: Farkas László Személyes közlés,

24 SZUPERKAPACITÁSOK

25 Szuperkapacitás Tulajdonságok Elektrokémiai technológia Kettősréteg kondenzátor C = F U = 3 5 V nagyszámú soros Fajlagos energia 5 Wh/kg Fajlagos teljesítmény 2,5 kw/kg Felhasználás Extra nagy csúcsteljesítmény leadás és felvétel Lökésszerű igénybevételek felvétele

26 Ragone diagram #3, Akkumulátorok és Szuperkapacitások Forrás: Rédey László Személyes közlés

27 LENDKEREKES ENERGIATÁROLÓ RENDSZEREK

28 Lendkerekes energiatároló Pro (előnyök) Nagy teljesítmény sűrűség Hosszú élettartam > ciklus, >20 év Nincs kapacitás csökkenés az élettartam során Az élettartama független a kisütések időtartamától A töltöttsége könnyen és pontosan megállapítható Időjárástól független, környezeti hatásokra érzéketlen Alacsony környezeti terhelés Con (hátrányok) Jelentős önkisülés Rendszerszinten alacsony energiasűrűség Bonyolult Két szembeforgó, közös tengelyű lendkerék

29 Lendkerekes energiatároló gyorsítás Kötöttpályásnál lehet külső energiaforrás (Vég)állomás Szabadpályásnál belső energiaforrás Akkumulátor Fékmunkával

30 SuperTech lendkerekes energiatároló Forrás: Dr. Kohári Zalán Száz éves a szupravezetés, MTA

31 Mivel járulhatunk hozzá? Hazai fejlesztési lehetőségek

32 A jövő? Ez a mi hazai kihívásunk. Pozitív választ lásd alább. A szakterület hazai továbbfejlődése ma is fennáll?

33 Akkumulátor képességek és villamos igények illesztése Elektrokémikusok K+F Gyártás Piaci kínálat Villamosmérnökök Alkalmazás Fogyasztó Villamos termékfejlesztő Üzemmódok tipizálása Illesztett egységes tervezési eljárások Fizikai (kémiai) folyamatok beépítésén nyugvó villamos modellek Energia menedzsment Diagnosztika

34 Illeszkedő témák Váltakozóáramú gépek Nagyteljesítményű aszinkron és szinkron motorsor tervezés Nagyfordulatszámú gépek Tárcsamotorok és generátorok Új kihívások Villamos járművek: hibrid és villamos autóbuszok és teherautók Új anyagok Állandó mágneses szinkron gépek + hajtások Szupravezetős eszközök

35 Illeszkedő témák Frekvenciaváltós hajtások Energiatakarékos motorok, hajtások vizsgálata és fejlesztése. Soft-computing hajtásszabályozások

36 Illeszkedő témák Energiahatékonyság Növelt hatásfokú forgógépek tervezése Mesterséges intelligencia módszerek alkalmazása Forgógépek tervezése és diagnosztikája Fuzzy és egyéb AI hajtások Multidiszciplináris optimalizálás Villamos forgógépek tervezése

37 Illeszkedő témák Speciális alkalmazások Elektromágneses lengéscsillapító Gyártási pontosság hatása Reluktancia, hibrid reluktancia és kapcsolt reluktancia motorok és villamos hajtások

38 Trendekhez illeszkedő témák Különleges (vad ) ötletek Mágneses térrel irányított égés

39 Trendekhez illeszkedő témák Lendkerekes energiatárolás Szupravezetős csapágyazás Extrém kis veszteségű tárcsa motor/generátor

40 Kerékagymotoros Projekt Akkumulátoros villamos hajtásrendszer: Akkumulátor modul Közbülső egyenáramú kör Feszültséginverterek Villamos motorok Saját fejlesztésünk: Állandómágneses kerékagymotorok Járművezérlő berendezés Akkumulátor felügyeleti rendszer BME oktatói és hallgatói fejlesztik Forrás: Kohári Z, Balázs G, Nardai G Hub motor racecar project, személyes közlés

41 Kerékagymotorok Állandómágneses szinkron kerékagymotorok Teljesen saját fejlesztés Két hátsó kerékbe szerelik Külső forgórész, vízhűtés 1 motor adatai: (autóban 2db) Folyamatos Rövid idejű Látszólagos teljesítmény 21 kva 57 kva Leadott hatásos teljesítmény 17 kw 42,5 kw Névleges feszültség 270 V 270 V Névleges áram 48 A 120 A Frekvencia 266,7 Hz Teljesítmény tényező 0,79 0,46 Névleges fordulatszám 760/min 440/min Hatásfok 0,96 0,86 Névleges nyomaték 215 Nm 485 Nm Dr. Vajda István: Fejlesztési irányok, energiatárolók Energia műhely, 2012 április 413

42 A jövő? Van jövő! Ez a mi hazai kihívásunk. Pozitív választ lásd fentebb. A szakma hazai továbbfejlődése ma is fennáll!

43 A jövő? idő idő

44 A vezérgondolat Országos "virtuális" oktató-kutató intézet A téma: Nemkonvencionális energiaátalakítás és tárolás Magasszintű oktatás és kutatás Erőforrások összehangolt integrálása Kritikus tömeg Ipar- akadémia kapcsolat erősítése Közös fellépés nagyméretű projektekben

45 Köszönetnyilvánítás Lukács József MTA r. tag Dr Györe Attila Dr Kohári Zalán Dr Kósa János Dr Vincze Gyuláné Prof. Dr. Rédey László Doktorjelöltek Tihanyi Viktor Jagasics Szilárd Balázs Gergely PhD hallgatók Rácz Árpád Jelena Suvorkova Feltörekvő fiatalok File István Gyenge Dénes Kiss Gergely Komlósi István Nagy Norbert Révész Dániel Sepsi Dániel Varga Zsolt Várszegi Kristóf Regály Gyula

46 Köszönöm a figyelmet!

47 BME Formula Racing Team BME FRT fő célja: Belsőégésű motoros és villamos hajtású versenyautók tervezése és építése, amellyekkel részt vesznek a Formula Student versenysorozatban. (A Formula Student egy nemzetközi konstruktőri versenysorozat, melyben egyetemi és főiskolai hallgatókból álló csapatok versenyautó tervezésben és építésben mérik össze tudásukat.) BME FRT tagjai: diákok és oktatók Villamosmérnöki és Informatika Karról Gépészmérnöki Karról Közlekedésmérnöki Karról Fő projektek Belsőégésű motoros versenyautó projekt Villamos hajtású versenyautó projektek: Formula Student Electric projekt ( hagyományos PMSM motorral szerelt autó) Hub Motor projekt (kerékagymotoros PMSM motorral szerelt autó) Forrás: Kohári Z, Balázs G, Nardai G Hub motor racecar project, személyes közlés

48 FRT vonzereje Ipar számára: Elméleti és gyakorlati eredményeink hasznosítása, például: Villamos motor tervezés Villamos autó hajtásrendszer Akkumulátor menedzsment és töltési lehetőségek Megjelenés versenyeken, médiában Hallgatók toborzása és szakmai gyakorlatok Egyetem számára: Hasznos gyakorlati tudás az oktatók számára Laboratóriumi mérések Hasznos ismeretek a hallgatók számára Önálló laboratóriumi munkák, diplomamunkák, TDK dolgozatok Több mint 100 hallgató tevékenykedik az FRT-ben 32 TDK dolgozat, 25 Diplomamunka, 30 Önálló laboratóriumi munka

49 Ragone diagram #3 villamos autókhoz Forrás: Rédey László Személyes közlés