Energiatárolók Energia Műhely Dr Vajda István egyetemi tanár Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék Supertech Laboratórium vajda.istvan@vet.bme.hu
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
Fő irányok, nemzetközi trendek
Átfogó követelmények, jellemzők
Energiatároló rendszerek alkalmazási ablakai Ragone #1
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
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
Energia fogyasztás Villamos hajtás a meghatározó Segédüzem is jelentős lehet Járműgenerátor nincs Segédüzemre kisfeszültségű segédüzemi akkumulátor
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
Energia-mérleg, 2005 3.0-L Toyota CAMRY Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare
Energia-mérleg javítása hibridizációval Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare
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
Hibrid és tisztán villamos a villamosítás foka Forrás: Don MacKenzie, Automotive Technologies and Fuel Economy Policy, MIT OpenCourseWare
Tüzelőanyag megtakarítás összetett hatásfok mechanizmus révén
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)
Energiatároló fajtái
AKKUMULÁTOROK
Fejlesztési hajtóerők Mindennapi életünk részévé váltak Egyre hatékonyabb akkumulátorokra van szükség Társadalmi elvárások Környezetvédelem Biztonságos és megbízható működés Ár-szempontok
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
Akkumulátor fő mutatók Típus Ólom NiCd NiMH Li-ion vagy polimer Üzemi hőmérséklet -10 55 C -40 50 C -40 50 C -45 85 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 30 45 40 55 50 80 100 250 100 200 180 260 180 250 300 800!!! Forrás: Dr. Vincze Gy-né, Balázs G, Villamos járművek, BME VET
Jellemző kisütési görbék Forrás: Rédey László Személyes közlés
Ragone diagram #2 Forrás: Rédey László Személyes közlés
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.. 600 VDC Charging. 710 VDC Minimum (5% SOC). 525 VDC Battery Bank Energy. 15 kwh (100% SOC) Battery Type Hawker 26Ahr LA (48) Input Voltage.. 280-360VDC Input Current.. 500 ADC nom. Inverter Performance Operating Frequency. 17-20kHz Input Voltage.. 250-400VDC Input Current.. 200-300ADC (2 units) Control. DSP Computer Phase-Array Magnetic Ensemble Size (each assembly). 54 W x 98 L x 0.75 H Weight (each assembly)... 450lb 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, www.ettek.com
SZUPERKAPACITÁSOK
Szuperkapacitás Tulajdonságok Elektrokémiai technológia Kettősréteg kondenzátor C = 500 5600 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
Ragone diagram #3, Akkumulátorok és Szuperkapacitások Forrás: Rédey László Személyes közlés
LENDKEREKES ENERGIATÁROLÓ RENDSZEREK
Lendkerekes energiatároló Pro (előnyök) Nagy teljesítmény sűrűség Hosszú élettartam >150 000 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
Lendkerekes energiatároló gyorsítás Kötöttpályásnál lehet külső energiaforrás (Vég)állomás Szabadpályásnál belső energiaforrás Akkumulátor Fékmunkával
SuperTech lendkerekes energiatároló Forrás: Dr. Kohári Zalán Száz éves a szupravezetés, MTA
Mivel járulhatunk hozzá? Hazai fejlesztési lehetőségek
A jövő? Ez a mi hazai kihívásunk. Pozitív választ lásd alább. A szakterület hazai továbbfejlődése ma is fennáll?
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
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
Illeszkedő témák Frekvenciaváltós hajtások Energiatakarékos motorok, hajtások vizsgálata és fejlesztése. Soft-computing hajtásszabályozások
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
Illeszkedő témák Speciális alkalmazások Elektromágneses lengéscsillapító Gyártási pontosság hatása Reluktancia, hibrid reluktancia és kapcsolt reluktancia motorok és villamos hajtások
Trendekhez illeszkedő témák Különleges (vad ) ötletek Mágneses térrel irányított égés
Trendekhez illeszkedő témák Lendkerekes energiatárolás Szupravezetős csapágyazás Extrém kis veszteségű tárcsa motor/generátor
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
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
A jövő? Van jövő! Ez a mi hazai kihívásunk. Pozitív választ lásd fentebb. A szakma hazai továbbfejlődése ma is fennáll!
A jövő? idő idő
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
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
Köszönöm a figyelmet!
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
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
Ragone diagram #3 villamos autókhoz Forrás: Rédey László Személyes közlés