Superkondenzátory pro kumulaci energie v elektrických trakčních pohonech

Mezi základní měřítka vyspělosti společnosti patří i zpracování energie. Platí to od dob rozdělávání ohně v jeskyních našich předků až po zkrocení štěpení těžkých jader v energetice. A k produkci energie patří i umění jejího skladování – akumulace.

Akumulace energie

Pro uchování energie slouží akumulátor. Jde o technické zařízení, které dokáže opakovaně uložit energii a uvolnit ji pro naše potřeby ve vhodný čas, na vhodném místě, v dostatečné kvalitě i množství.

Možností, jak energii akumulovat, je mnoho. Můžeme je rozdělit podle toho, v jaké formě ji ukládáme – zda ve formě tepelné, mechanické, chemické nebo elektrické. Mezi tepelné akumulátory patří akumulační kamna, bojler, Ruthsův parovodní akumulátor a tepelné solární zásobníky. Přečerpávací, akumulační, přílivové a tlakovzdušné akumulační elektrárny patří mezi představitele mechanické akumulace. To umožňuje i setrvačník (uložení do kinetické energie). Tento princip byl několikrát vyzkoušen např. ve Švýcarsku v tzv. gyrobusech. Nejrozšířenější je chemická akumulace, a to i v elektrických pohonech. Různé typy baterií, které většinou používají lithium, se dnes uplatňují např. v elektromobilech nebo i v akumulátorech formule 1 v systému KERS (kinetic energy recovery system). Akumulátory, ukládající energii ve formě elektrického náboje, jsou akumulátory elektrické. Patří mezi ně kondenzátor, supravodivý indukční akumulátor a superkondenzátor. Superkondenzátor je relativně novým zařízením, který si zaslouží naši zvláštní pozornost.

Co je superkondenzátor?

V čem je superkondenzátor oproti klasickým kondenzátorům výjimečný?

Jeho kapacitu můžeme obecně vypočítat podle vzorce: , kde ε je permitivita izolantu mezi elektrodami, S plocha elektrod a d vzdálenost mezi elektrodami. Ve vývoji kondenzátorů lze pracovat například s povrchem elektrod. Zvolíme porézní materiál tak, aby se při zachování rozměrů zvýšila skutečná plocha elektrod součástky. Pro tento účel se používá aktivní uhlík. Plocha elektrod potom dosahuje až 2 000 m²/g. Výsledné kapacity vedou k řádům až 1 000 F.

Superkondenzátorové baterie

Elektrické parametry akumulátorů závisejí zejména na použitém materiálu elektrod a izolantu, napětí článku ale bývá jen několik voltů, a to je pro užití v pohonech trakčních vozidel málo. Proto se vytvářejí sériově zapojení baterie, což ale snižuje celkovou kapacitu sestavy. V případě superkondenzátorové baterie tak získáváme například jmenovité stejnosměrné napětí 125 V a kapacitu 63 F (obr. 5).

Princip akumulace pro elektrickou trakci

Při elektrickém pohonu např. tramvaje lze pro akumulaci využívat různých režimů jejího pohybu. Pro plynulý rozjezd potřebuje tramvaj nejlépe konstantní silový moment pro otáčení kol a tomu odpovídající odběr proudu ze sítě. Při rychlém pohybu bez brzdění a bez větší akcelerace je odběr proudu nižší. Naopak při brzdění pracují motory v režimu generátoru a vyrábějí elektrickou energii; ta se vrací zpět do sítě, ale to způsobuje lokální změny a kolísání napětí. Tuto energii by bylo možné využít například tím, že by ji tramvaj zužitkovala pro svůj rozjezd. Další variantou by bylo využít elektřinu pro vytápění vozu v zimě. Proto se začalo uvažovat o instalaci vhodného akumulátoru, který by elektrickou energii z brzdění (rekuperovanou akumuloval ve voze tak, aby byla posléze využita, ať už pro rozjezd, běžný pohyb nebo pro vytápění vozu.

Konkrétní schéma zapojení je uvedeno na obr 1. Stejnosměrná soustava je napájena z distribuční sítě přes transformátor a usměrňovač. Prvky R_S a L_S charakterizují vlastnosti vodičů napájení. Za pantografovým připojením vozidla se nachází filtr (L_F a C_F) – dolní propust pro zabránění vstupu parazitních vyšších harmonických ze sítě. Prvky IGBT₁, R₁ a D₁ slouží pro vybíjení kondenzátoru C_F při překročení přípustné hodnoty. Proudový zdroj vpravo na schématu reprezentuje odběr motoru při rozjezdu a rekuperaci energie při brzdění. Pro akumulaci brzdné energie do superkondenzátoru SC je třeba použít stejnosměrný měnič sestavený ze dvou řízených IGBT tranzistorů a tlumivky L₁. Na obr. 2‑4 jsou zobrazeny průběhy křivky charakterizující pohyb tramvaje při uvažované počítačové simulaci. Vůz se urychluje mezi nultou až pátou a mezi třicátou až třicátou pátou sekundou. V těchto časových intervalech je zřejmý odběr motoru až do 450 A, přičemž přibližně polovinu odběru kryje vybíjející se superkondenzátor. Zbytek dodává síť. Naopak přibližně mezi dvanáctou až osmnáctou sekundou a posledních pět sekund tramvaj brzdí. Tehdy probíhá rekuperace a motor coby generátor dodává energii zpět: superkondenzátor se nabíjí.

Přizpůsobení baterií

Systém akumulace pro lokomotivy nebo tramvaje se musí vždy přizpůsobit daným hladinám napájecích soustav. V ČR se běžně pro napájení tramvají používá stejnosměrné napětí 600 V, přechází se na 750 V. Pro napájení lokomotiv se používá střídavé napětí 25 kV při 50 Hz anebo stejnosměrné 3 kV. Pro konkrétní aplikaci se pak musí vypočítat technicky i ekonomicky vhodné jmenovité napětí baterie.

Ekonomie instalace

Provozovatelé veřejných dopravních prostředků investují do akumulačních systémů samozřejmě pro očekávanou finanční úsporu v provozu, spolu s rozumně rychlou návratností. Je zřejmé, že investice do dopravních lokomotiv používaných na dlouhých tratích bude mít návratnost nižší, protože mezi vzdálenými stanicemi se vlak rozjíždí a brzdí méně častěji než například tramvaj mezi blízkými stanicemi ve městě,. Proto se o instalaci akumulačních systémů uvažuje především pro městský provoz.

Dalším zajímavým příkladem využití rekuperované energie je instalace KERS do závodních vozů formule 1. Mezinárodní automobilová federace FIA zadala svým nařízením týmům formule 1 povinnou instalaci akumulačních systémů s předem zadanými parametry. Jednotlivé inženýrské týmy měly vyvinout takovou technologii, která by umožnila nahromadit brzdnou energii a mít ji k dispozici pro zrychlení během jízdy. Mezi používané technologie patří kompozitní setrvačníky – např. u stáje Williams – s elektrickými motory/generátory (podle režimu nabíjení či vybíjení), Li‑iontové baterie u vozů Ferrari nebo superkondenzátory u McLaren. Závody F1 sice nejsou nejlepším příkladem ekologické a optimální ekonomické praxe, nicméně podpora vývoje těchto technologií při závodech i v laboratořích soutěžních týmů vede k rychlejšímu rozvoji i v oblasti akumulace energie v hromadných dopravních prostředcích.

Výhody – nevýhody

Mezi výhody superkodenzátorů patří jejich velká rychlost nabíjení a vybíjení, nízký vnitřní odpor, nízké ztráty při ukládání energie, vysoké nabíjecí a vybíjecí proudy, vysoká životnost (až 1 000 000 cyklů nabíjení a vybíjení).

Nevýhodou jsou vyšší pořizovací náklady, nižší hustota akumulované energie vztažená na 1kg a potřeba stejnosměrného měniče, který zvyšuje náklady a je zdrojem dalších možných poruch.

Zdroje:

[1] Aleš Kaplan: Možnosti využití superkondenzátorů v elektrických pohonech, ZČU FEL, 2009

[2] Streit L.: Systém akumulace energie trakčního vozidla, Plzeň 2008

[3] Vondrášek F.: Výkonová elektronika, svazek III, Plzeň 1998

[4] http://citytransport.info/Electbus.htm