article in PDF format - Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów

ZESZYTY NAUKOWE INSTYTUTU POJAZDÓW
1(87)/2012
Wojciech KORZYBSKI1, Henryk RODE2
WYBRANE SPOSOBY PRODUKCJI I MAGAZYNOWANIA ENERGII
ELEKTRYCZNEJ
1. Wstęp
Podstawowym źródłem energii na naszej planecie jest Słońce. Jego promieniowanie
docierać do nas będzie prawdopodobnie przez kolejne setki milionów lat. Można więc
traktować je jako niewyczerpalne źródło energii. Energia słoneczna może być
bezpośrednio zamieniana na ciepło w wodnych lub powietrznych kolektorach
słonecznych lub na prąd elektryczny w ogniwach fotowoltaicznych. Można ją
zagospodarować także w sposób pośredni wykorzystując jako energię biomasy (energia
materii organicznej), wody czy wiatru. Atrakcyjność tych sposobów pozyskiwania
energii bierze się z ich największych zalet: praktycznie braku zanieczyszczeń
naturalnego środowiska oraz pełna odnawialność.
W czasie pozyskiwania energii ze źródeł odnawialnych pojawia się problem jej
efektywnego wykorzystania. Intensywność promieniowania słonecznego jest zmienna w
czasie, wiatr wieje z różną prędkością, trudną do przewidzenia. Także zapotrzebowanie
na energię nie zawsze jest takie samo. Zmienia się ono tak w ciągu doby jak i sezonowo
w ciągu roku. Najczęściej wtedy, gdy potrzeba jej w dużej ilości to możliwości jej
wytworzenia są minimalne lub żadne. Aby zlikwidować skutki tej niedogodności
nieodzowne jest inteligentne magazynowanie energii dostosowane do sposobu jej
pozyskiwania i potrzeb odbiorcy [1].
2. Sposoby magazynowania energii
Energia może być magazynowana w różnych formach. Podziału metod (sposobów)
magazynowanie energii można dokonać według następujących kryteriów [2]:
 Podział za względu na zastosowaną konwersję nośników energii:
- magazynowanie bezpośrednie – obejmuje akumulowanie produktu finalnego,
względnie energia jest magazynowana w źródle z procesem bezpośredniej
przemiany, np. w elektrochemicznym źródle energii,
- magazynowanie pośrednie – obejmuje akumulowanie nośnika energii, z którego
na drodze przemian w układzie magazynującym uzyskujemy energię.
 Podział ze względu na krotność cykli ładowania:
- magazynowanie jednorazowe – akumulowanie energii tylko w jednym cyklu
ładowania (ogniwa galwaniczne pierwotne),
- magazynowanie cykliczne – magazynowanie z wielokrotnym ładowaniem,
liczba cykli może być od kilku do kilkuset tysięcy.
 Podział pod względem czasookresu magazynowania (przedział czasu pomiędzy
fazą ładowanie, a fazą poboru do użytkowania):
1
2
dr inż. Wojciech Korzybski, Politechnika Warszawska, Instytut Inżynierii Mechanicznej w Płocku
dr inż. Henryk Rode, Politechnika Warszawska, Instytut Inżynierii Mechanicznej w Płocku
145
- magazynowanie krótkookresowe – obejmuje magazynowanie chwilowe w
zakresie sekund do kilku minut, okresowe minutowe od kilku do 60 minut oraz
okresowe dzienne od 1 do 24 godzin,
- magazynowanie średniookresowe – obejmuje magazynowanie od 1 do 30 dni,
- magazynowanie długookresowe – obejmuje magazynowanie sezonowe od 1 do
6 miesięcy oraz długie od pół roku do kilku lat.
Ze względu na rodzaj stosowanych technologii magazynowania można wyróżnić
następujące typy akumulatorów energii [2]:
 Akumulatory mechaniczne - mogą służyć do pośredniego magazynowania energii:
- układy hydropompowni,
- akumulatory sprężonego powietrza,
- akumulatory energii kinetyczne,
 Elektrochemiczne źródła prądu – można je zaliczyć do grupy bezpośredniego
magazynowania (z konwersją bezpośrednią) energii elektrycznej:
- ogniwa galwaniczne pierwotne (jednorazowego użytku),
- ogniwa galwaniczne wtórne, potocznie nazywane akumulatorami,
- ogniwa galwaniczne paliwowe,
 Akumulatory elektryczne – należą do bezpośredniego magazynowania energii
elektrycznej w postaci niezmienionej:
- układy cewki nadprzewodzącej,
- kondensatory elektryczne,
- sieć systemu elektroenergetycznego,
 Układy cieplno-chemiczne – w skład wchodzą urządzenia wykorzystywane do
wielostopniowych przemian na energię elektryczną:
- zbiorniki ciepła,
- wytwornice pary słonecznej elektrowni cieplnej,
- układ elektrolizera wody,
- zbiorniki paliw gazowych i ciekłych.
Każdy, dobry układ magazynujący energię powinien charakteryzować się
następującymi cechami [2]:
- dużą gęstością energii,
- wysoka pojemnością właściwą,
- łatwością ładowania i rozładowania,
- dużą liczbą cykli ładowań i rozładowań,
- wysoka wydajnością energetyczną cykli,
- możliwością prostej konwersji energii na inną postać i wysoką ich sprawność,
- wymaganą temperaturą, w jakiej dany układ magazynujący energię może
funkcjonować,
- wymaganym czasem magazynowania oraz czasem przekazania energii
użytkownikowi,
- powinien także uzyskiwać efektowność ekonomiczną i nie stwarzać zagrożenia
dla środowiska naturalnego.
Potrzeba magazynowania energii elektrycznej wynika głównie z następujących
powodów [2]:
- różnorodności form wytwarzania energii elektrycznej,
- konieczności zachowania równowagi między wytworzoną energią elektryczną a
jej zużyciem,
- zmiennością zapotrzebowania w czasie,
- okresowością dostarczania energii ze źródeł niekonwencjonalnych,
146
- różnorodności form energii zapotrzebowanej przez odbiorców i braku dostępu
do innych źródeł energii,
- wymaganej wysokiej sprawności przetwarzania energii,
- konieczności ochrony środowiska naturalnego,
- względów ekonomicznych.
3. Magazynowanie energii elektrycznej w pojazdach mechanicznych
Rosnące zapotrzebowanie pojazdu mechanicznego na moc elektryczną, zarówno do
zespołu napędowego w pojeździe hybrydowym czy elektrycznym, jak i do zasilania
rosnącej liczby pozostałych urządzeń elektrycznych, wymusza konieczność
poszukiwania trwałych, lekkich, wysokopojemnych i tanich systemów pokładowej
produkcji i magazynowania energii elektrycznej łatwych do zastosowania na szeroka
skalę w każdym pojeździe.
Do najciekawszych i mających realną szanse upowszechnienia należą: wodorowe
ogniwa paliwowe, akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe (Ni-MH), akumulatory
litowo-jonowe (Li-ion), akumulatory cynkowo powietrzne (Zn-air), superkondensatory i
mechaniczne baterie.
3.1. Wodorowe ogniwa paliwowe
Ogniwa paliwowe (ogniwa wodorowe) są urządzeniami elektrochemicznymi
stanowiącymi przełom w dziedzinie źródeł energii. Pozwalają one na uzyskanie energii
elektrycznej i ciepła bezpośrednio z zachodzącej w nich reakcji chemicznej. Ogniwa
charakteryzują się dużą czystością, sprawnością i gęstością energetyczną [5].
Zasada funkcjonowania ogniw wodorowych zostały odkryte już w pierwszej
połowie XIX wieku. Jednak dopiero w latach sześćdziesiątych XX wieku znalazły
zastosowanie w ramach programu kosmicznego NASA. Dalszy rozwój
technologicznych to początek XXI wieku, kiedy to ogniwa wodorowe znajdują
zastosowanie komercyjne.
Ogniwa wodorowe wytwarzają prąd elektryczny i ciepło w wyniku reakcji
chemicznej wodoru z tlenem. Produktem ubocznym jest woda. Zbudowane są z dwóch
elektrod: anody i katody (Rys.1), które odseparowane są poprzez elektrolit płynny lub
stały umożliwiający przepływ kationów, lecz będący barierą dla elektronów. Reakcja
chemiczna zachodząca w ogniwie polega na rozbiciu wodoru na proton i elektron na
anodzie, a następnie na połączeniu substratów reakcji na katodzie. Procesom
elektrochemicznym towarzyszy przepływ elektronu od anody do katody z pominięciem
nieprzepuszczalnego elektrolitu (membrany). W wyniku elektrochemicznej reakcji
wodoru z tlenem powstaje prąd elektryczny, woda i ciepło. Paliwo – wodór w stanie
czystym lub w mieszaninie z innymi gazami – jest doprowadzany w sposób ciągły do
anody, a utleniacz – tlen w stanie czystym lub częściej mieszaninie (powietrza) –
podawany w sposób ciągły do katody [5].
Do zalet ogniw paliwowych można zaliczyć wysoką jakość dostarczanej energii
odpornej na zakłócenia, wysoką sprawność dochodzącą w procesie kogeneracji
produkcji energii elektrycznej i ciepła do 80%, możliwość stosowania różnych rodzajów
paliw bogatych w wodór, ochronę środowiska poprzez generowania 25 razy mniej
zanieczyszczeń niż konwencjonalne metody oraz skalowalność. Pojedyncze ogniwa
można łączyć w celu uzyskania pożądanego poziomu generowanej mocy. ,
Wpływ ogniw paliwowych na środowisko zależy w dużej mierze od metody
pozyskiwania wodoru. Metody te to pozyskiwanie wodoru przez [3]:
- wykorzystanie elektrolizy wody,
147
- zamianę energii słonecznej w ogniwach słonecznych na prąd elektryczny, który
przepływając przez powłoki wykonane z rodu, molibdenu, wolframu czy
związków porfirynowych (zbliżone budowa do chlorofilu) rozkłada wodę ale
nie elektrolitycznie lecz katalitycznie,
- zamianę energii słonecznej na ciepło (do 4000 K) w piecach słonecznych z
lustrami parabolicznymi i wykorzystanie uzyskanego ciepła do termicznego
rozkładu wody (termoliza wody 25000C),
- metodę Hotelly, polegająca na gorącej elektrolizie pary wodnej w temperaturze
9000C,
- wykorzystanie bakterii do beztlenowego rozkładu biomasy,
- fotoredukcyjny rozkład wody enzymem hydrogenazą, występującą m. in. w
glonie zielonej algi.
Rys. 1. Zasada funkcjonowania wodorowego ogniwa paliwowego [5]
Zalety ogniw paliwowych jako źródła napędu pojazdów mechanicznych (wysoka
sprawność, brak wibracji i hałasu, brak procesu spalania) jeszcze niedawno wydawały
się tak wielkie, że pojawienie się seryjnych pojazdów wykorzystujących tę technikę było
kwestią kilku lat. Niestety, trudności z opanowaniem techniki produkcji, transportu i
magazynowania wodoru, a przede wszystkim stworzenia sprawnej sieci dystrybucji tego
gazu do klienta odsuwają datę masowego wykorzystania ogniw wodorowego ogniw
paliwowych na przyszłe dekady [4].
3.2. Akumulatory niklowo-metalowo-wodorkowe
Akumulator niklowo-metalowo-wodorkowy (Ni-MH) zbudowany jest z katody,
którą stanowi płytka niklowa oraz anody stanowiącej stop niklu, manganu, magnezu,
kobaltu i aluminium, osadzonych w zasadowym elektrolicie. Podczas ładowania
wydzielający się wodór reaguje z metalami stopu anody tworząc wodorek metalu, który
rozpada się podczas rozładowywania. Akumulator nie zawiera toksycznych związków
kadmu i posiada jedną z największych gęstości energii (360MJ/m3) [6]. Konstrukcja
akumulatora wymaga absolutnej szczelności, porowatej elektrody oraz wysokiego
ciśnienia. Posiada podobną siłę elektromotoryczną do akumulatorów niklowo148
kadmowych, co sprawia, że można je stosować zamiennie. Akumulatory Ni-MH
wymagają procesu formowania i mają niewielki efekt pamięci oraz leniwej baterii, co
wymaga całkowitego rozładowania baterii ogniw przed powtórnym naładowaniem. Są
niezawodne ale stosunkowo drogie. Każdy zastosowany w pojeździe akumulator
wymaga ok. 6 kg niklu oraz kobaltu, którego światowa produkcja w ciągu roku wynosi
jedynie 50 tys. ton. To mocno ogranicza masowe zastosowanie tego akumulatora.
Oprócz tego patenty na wydajne akumulatory pryzmatyczne Ni-MH należą do koncernu
paliwowego Chevron, który nie jest zainteresowaniu rozwojem tej technologii [4].
3.3. Akumulatory litowo-jonowe
Akumulator litowo-jonowy zbudowany jest z elektrody wykonanej z porowatego
węgla oraz drugiej z tlenków metali [7]. Rolę elektrolitu pełnią złożone chemicznie sole
litowe rozpuszczone w mieszaninie organicznych rozpuszczalników. Pozwala na
skumulowanie dwa razy więcej energii niż w akumulatorze NiMH o tym samym
ciężarze i wielkości. Efekt pamięci oraz leniwej baterii nie występuje. Akumulatory
litowo-jonowe z racji niskiej masy, dużej trwałości, odporności na wielokrotne
ładowanie, szybkie ładowanie (80% pojemności w 30 minut) są obecnie najchętniej
stosowane w pojazdach elektrycznych oraz hybrydowych. Posiadają jednak pewne wady.
Wymagają specjalnych układów chłodzenia gdyż rozgrzewają się podczas ładowania.
Zwarcie akumulatora może spowodować zapłon. W wysokich temperaturach mogą
nawet wybuchnąć. Ładowanie musi odbywać się dwufazowo.
Masowe zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych może napotkać na duże
kłopoty. Lit jest pierwiastkiem rozpowszechnionym na Ziemi, lecz w minimalnych
stężeniach. Złóż opłacalnych do wydobycia jest niewiele i dodatkowo w państwach o
niedemokratycznych rządach [4].
3.4. Akumulatory cynkowo-powietrzne
W ogniwach cynkowo-powietrznych cynkowe paliwo, które jednocześnie jest anodą,
utlenia się na skutek kontaktu z bogatym w tlen elektrolitem [4]. Drugą elektrodą, katodą,
jest najczęściej węglowa membrana, która przepuszcza powietrze, ale uniemożliwia wypłynięcie elektrolitu (Rys.2). Ogniwa te trudne są do sklasyfikowania. W prostszej
wersji mogą być źródłami prądu (bateriami), w których ładunek paliwa nie podlega wymianie (Rys.3). Bateria taka w kontakcie z powietrzem zużywa się, oddając energię
elektryczną, a potem jest wymieniana na nową. Zdecydowanie ciekawsze są technologie
wykorzystujące ogniwa cynkowo-powietrzne jako ogniwa paliwowe, w których
metalowa elektroda podlega ciągłej wymianie (jest to tzw. fizyczne ładowanie baterii),
co technicznie może okazać się znacznie prostsze niż realizacja zasilania wodorowego
ogniwa paliwowego. Opanowanie technologii fizycznego ładowania otworzyłoby drogę
do wykorzystania ogniw cynkowo-powietrznych jako źródła prądu dla motoryzacji [8].
Ogniwa te mogą pełnić rolę akumulatorów, które można ładować w klasyczny sposób.
Zaletami ogniw cynkowo-powietrznych są: brak emisji, długowieczność, stabilne
warunki pracy. Paliwo jest tanie, ogólnodostępne, łatwe do transportu i przechowywania,
można poddawać je dowolną ilość razy powtórnemu przerobowi, nie zanieczyszcza
środowiska. Wady to mała liczba cykli ładowania (w przypadku pojazdów ok. 500) i
trudności z kontrolowaniem przebiegu reakcji - raz uruchomione ogniwo jest kłopotliwe
do zatrzymania.
Szwajcarska firma Rewolt twierdzi, iż rozwiązała problemy z niską
efektywnością ładowania, a jej ogniwo (Rys.4) nadaje się do wszelkich zastosowań i jest
lepsze od typowych akumulatorów litowo-jonowych [9].
149
Rys. 2. Zasada działania cynkowo-powietrznego ogniwa paliwowego [4]
Rys. 3. Jednorazowe ogniwo cynkowo-powietrzne [9]
Cynk jest czwartym najbardziej rozpowszechnionym metalem w skorupie ziemskiej.
Jest tani i łatwo dostępny. Na wytworzenie kWh w ogniwie potrzeba 1,3 kg cynku.
Według szacunków naukowców z Power Air Corporation cena za kWh wyniesie do 100
dolarów, gdy w przypadku akumulatora litowo-jonowego to 350 dolarów [4].
Konstruktorzy pracują nad opracowaniem najlepszej formuły elektrolitu i zasilania
ogniw w cynk. Jedni próbują pasty z elektrolitem, inni granulek, jeszcze inni wymiany
całych płyt. Badane są nowe sposoby produkcji cynku o jak najbardziej porowatej strukturze, aby zapewnić dużą powierzchnię reakcji z tlenem.
150
Rys. 4. Ogniwo cynkowo-powietrzne wielokrotnego użycia Rewolt 1 - powietrzna
elektroda 2-elektrolit 3 - elektroda cynkowa [9]
Porównując podstawowe parametry pracy ogniwa cynkowo-powietrznego (Zn-air) z
parametrami ogniwa litowo-jonowego (Li-ion) (na podstawie danych firmy Re-Volt)
można stwierdzić, że ogniwo Zn-air ma dwukrotnie większą gęstość energii
przypadającą na jednostkę objętości jak i masy, niższą cenę uzyskania jednej
watogodziny, podobną trwałość, moc ogniwa oraz temperaturę pracy, mniejszą zdolność
do szybkiego ładowania i zdecydowanie mniejszą liczbę cykli pracy [9].
3.5. Superkondensatory
Zasada funkcjonowania superkondensatora, opartego na podwójnej warstwie
elektrolitu, jest znana od ponad stu lat [10]. Pomimo że superkondensator jest
urządzeniem elektrochemicznym, w jego mechanizmie magazynowania energii
elektrycznej nie biorą udziału żadne reakcje chemiczne. Mechanizm ten jest w wysokim
stopniu odwracalny i pozwala ładować i rozładowywać superkondensator setki tysięcy
razy. Najnowsze superkondensatory nominalnie wytrzymują milion cykli ładowania.
Superkondensator składa się z dwóch nie reaktywnych porowatych elektrod z
elektrolitem, pomiędzy które jest przyłożone napięcie (Rys.5). Do dodatniej płyty
przyciąga ono jony ujemne, a do ujemnej jony dodatnie. Powstają w ten sposób dwie
warstwy oddzielonych od siebie ładunków, jedna w płycie dodatniej, a druga w ujemnej.
Pojemność jest proporcjonalna do powierzchni elektrod, a odwrotnie proporcjonalna do
odległości pomiędzy nimi. Porowate płyty superkondensatora są wykonane z węgla, a
ich powierzchnia dochodzi do 3000m²/g, znacznie przewyższając powierzchnię
kondensatora konwencjonalnego. Odległość oddzielającą ładunki wyznacza rozmiar
znajdujących się w elektrolicie jonów, przyciągniętych przez elektrodę. Nie przekracza
ona kilku nanometrów i jest znacznie mniejsza od osiągalnej przy użyciu
konwencjonalnych materiałów dielektrycznych. Z łączenia ogromnej powierzchni z
niezwykle małą odległością otrzymuje się olbrzymią pojemność nawet tysięcy faradów
w objętości szklanki. Superkondensatory mają niewielkie rozmiary, mogą magazynować
151
znacznie więcej energii niż kondensatory konwencjonalne i uwalniać ją ze znacznie
większą mocą niż akumulatory.
Rys. 5. Budowa superkondensatora [10]
W zastosowaniu w pojazdach mechanicznych superkondensator jest, w odróżnieniu
od akumulatora, podzespołem o wielkiej gęstości mocy. Nie magazynuje on tak wielkiej
energii jak akumulator elektrochemiczny, lecz jest zdolny do bardzo szybkiego
akumulowania i uwalniania tej energii. Samochodowe systemy elektryczne wymagają
zwykle bardzo wysokiego stosunku mocy chwilowej do mocy średniej.
Superkondensatory konkurują w tym względzie z różnego rodzaju akumulatorami, jak
kwasowe ołowiowe (Pb), niklowo-metalowo-wodorkowymi (NiMH), czy litowo jonowe
(Li-ion). Pod względem stosunku mocy do energii i liczby cykli pracy, superkondensator
znacznie przewyższa wszystkie akumulatory elektrochemiczne. Czas kilku sekund, przez
który superkondensator może podtrzymywać zasilanie dopasowane do obciążenia jest
nieduży w porównaniu do akumulatorów, w których liczy się on od kilku minut do kilku
godzin. Można więc przedstawić akumulatory jako komponenty zasobne w energię, a
superkondensatory zasobne w moc.
Zintegrowanie superkondensatorów z innymi podzespołami energetycznymi np.
akumulatorami ołowiowymi o dużej pojemności umożliwia stworzenie lekkiego, taniego
systemu o dużej energii, wielkiej wydajności prądowej, wysokiej sprawności, stabilnym
cyklu i doskonałych właściwościach w niskiej temperaturze. W aplikacjach, w których
jest wymagana bardzo szybka reakcja na zapotrzebowanie, jak w układach zapłonowych
i wtrysku paliwa w silnikach spalinowych, wraz z superkondenasatorami należy używać
szybkich kondensatorów z folii polimerowej lub ceramicznych. W zastosowaniach dużej
mocy, jak rozruch zimnego silnika, elektryczne wspomaganie układu kierowniczego,
hamowanie, wspomaganie systemu zawieszenia, czy audio, wystarcza sam
superkondensator, który może dostarczać mocy 1 do 3kW. Przy większych mocach, jak
w układach napędowych, zalecane jest użycie superkondensatorów wespół z
akumulatorami. Superkondensatory mogą służyć do oszczędzania energii w pojazdach,
pozwalając wyłączać silnik po zatrzymaniu samochodu i błyskawicznie go następnie
uruchamiać zaledwie „dotknięciem” pedału. Pozwalają także hamować regeneracyjnie,
odbierając do przechowania energię hamowania, co znacznie zwiększa sprawność
energetyczną pojazdu i redukuje zanieczyszczanie powietrza.
Superkondensatory doskonale nadają się do zastosowań, wymagających krótkich
impulsów dużej mocy, przedzielanych dłuższymi okresami małej mocy. Często używa
152
się dwóch napędów optymalnie zespolonych z punktu widzenia mocy i energii. Takim
modelem jest „magazynowanie mocy”, w którym superkondensator jest dobierany do
maksymalnej mocy szczytowej, a podstawowe źródło energii do maksymalnej mocy
ciągłej. Źródłem tym może być silnik spalinowy, akumulatory o dużej pojemności, lub
ogniwa paliwowe. Przy optymalnym wykorzystaniu obu składników superkondensator
ma dostarczać różnicę mocy szczytowej i mocy ciągłej.
Superkondensatory w zastosowaniach w pojazdach charakteryzują się wysoką
żywotnością (do miliona cykli). Są długowieczne (czas ich technicznego życia
przekracza czas życia pojazdu), bezobsługowe, dobrze znoszą niskie temperatury (do 40oC), mają wysoką sprawność (84-95%), szybko magazynują i oddają energię. Mogą
impulsowo wspomagać zasilania z mocą do dziesięciu razy większą niż akumulatory.
Ułatwiają tworzenie rozproszonych systemów zasilania. Z uwagi na ich małą dostępność
i wysoki koszt superkondensatory nie były dotychczas masowo używane w przemyśle
motoryzacyjnym. Dzięki ich coraz szerszemu zastosowaniu w elektronice i przemyśle
ich dostępność wzrasta [10].
3.6. Mechaniczne baterie
Mechaniczna bateria wykorzystuje w swojej budowie ideę koła zamachowego czyli
koła na osi, które przechowuje i stale oddaje energię [11]. Urządzenie jest jedną z
najstarszych znanych ludzkości technologii koła garncarskiego stosowanej już sześć
tysięcy lat temu. Dziś pracuje pod maską każdego samochodu. Prowadzone badania
pokazują, że prawdziwy potencjał koła zamachowego nie został wykorzystany. Kiedy
pewną masę rozpędzi się do bardzo dużych prędkości, staje się ona ogromny
zasobnikiem energii kinetycznej, która może być przechowywana lub pobierana do woli.
W rezultacie powstaje mechaniczna bateria. Możliwości takiego urządzenia są równie
niezwykłe jak jego unikalna konstrukcja. Pozwala ono na osiągnięcie gęstości energii 3 4 razy wyższej niż w tradycyjnym akumulatorze kwasowo-ołowiowym, gromadząc
około 100-130 watogodzin na kilogram masy. W przeciwieństwie do akumulatora, koło
zamachowe może błyskawicznie gromadzić i oddawać energię bez uszkodzeń, dzięki
czemu osiąga pełną pojemność w ciągu kilku minut zamiast godzin i dostarcza do stu
razy więcej energii niż konwencjonalny akumulator. Nie reaguje ujemnie na działanie
wysokich temperatur, może się poszczycić sprawnością 85-95%, a jego żywotność
mierzona jest w dziesięcioleciach a nie latach.
Magazynowanie energii w zasobniku w formie koła zamachowego może znaleźć
zastosowanie w systemach energetycznych jako rozwiązania w aplikacjach zasilania
awaryjnego, ze względu na jego długą żywotność i niski koszt eksploatacji.
Przedsiębiorstwa energetyczne mogą używać tego rozwiązania do wyrównywania
obciążeń w celu utrzymania ciągłości dostaw energii elektrycznej w okresach
szczytowych, lub magazynowania nadwyżek energii w okresach niskiego
zapotrzebowania w celu późniejszego oddania jej do sieci. W eksperymentach
laboratoryjnych wymagających ogromnych ilości energii elektrycznej stosuje się czasem
zasilane przez układ koła zamachowego, które może być stopniowo ładowane na
przestrzeni czasu, zamiast budowania ogromnego przyłącza do sieci energetycznej.
NASA przeznacza znaczne środki na rozwój systemów koła zamachowego, które ich
zdaniem może całkowicie zastąpić akumulatory w zastosowaniach kosmicznych. Oprócz
znacznej przewagi gęstości energii i żywotności, koła zamachowe mają unikalne
zdolności do przechowywania energii a w sprzęcie kosmicznym mieszczą się w jednym
prostym opakowaniu. Gdy na pokładzie satelity dwa sprzężone koła zamachowe będą
153
poruszały się w przeciwnych kierunkach z równą prędkością, satelita będzie
nieruchomy, kiedy energia z jednego koła zostanie oddana, satelita zacznie się obracać.
Wielkość zgromadzonej w obracającym się kole zamachowym energii zależy od
jego masy i prędkości obrotowej do kwadratu. Stosuje się więc materiały wytrzymałe na
rozrywanie (np. włókna węglowe) starając się zwiększyć maksymalnie prędkość
wirowania. Tradycyjne łożyska zastąpiono łożyskami magnetycznymi, zapewniając
unoszenie koła w obrębie obudowy w próżni w prawie beztarciowym środowisku. Koło
zamachowe w takim systemie w warunkach eksperymentalnych może poruszać się przez
kilka miesięcy nie tracąc energii, a niektóre wirowały przez okres do dwóch lat bez
zewnętrznego pobudzania. Takie koła mogą przechowywać energię przez czas
nieokreślony tracąc tylko minimalny ładunek wynikający ze swej sprawności. Dzięki
tym udoskonaleniom wydaje się, że możliwy staje się powrót do budowy pojazdu z
napędem od koła zamachowego.
Liczne przeszkody hamujące rozwój praktycznych zastosowań koła zamachowego
w pojazdach pozostają do dziś. Ważną rolę odgrywają łożyska magnetyczne, które nie
spełniają jeszcze zadań wymaganych przez poruszające się pojazdy. Eksploatacja
wirującego koła zamachowego w laboratorium lub w stanie nieważkości to jedno,
wirowanie w przemieszczających się szybko pojazdach, skręcających i hamujących, to
całkowicie inny problem. Łożyska muszą na bieżąco dostosowywać się do przeciążeń i
sił wytwarzanych podczas zwykłej jazdy w celu zapobieżenia strat energii i uszkodzeń
od zetknięcia się koła zamachowego z obudową. Nawet w idealnych warunkach łożyska
magnetyczne nie są bez wad. Są niestabilne i wrażliwe na prądy elektryczne
przypadkowo przepływające w systemie. Inny unikalny problem z kołem zamachowym
to efekt żyroskopowy. Powoduje utrudnienie przy zmianie kierunku jazdy. Wreszcie
przedmiotem nieustannej troski jest bezpieczeństwo. Nie udało się zlikwidować
potencjalnie śmiertelnego zagrożenia wirującego koła na ścianki jego obudowy.
Materiały i technologia dla bezpiecznej obudowy nie zostały jeszcze opracowane.
Wszystkie te problemy są jednak do pokonania. Technologia łożysk magnetycznych ma
wielkie możliwości rozwoju i redukcji kosztów: Największe korzyści może dać
zastosowanie magnesów stałych wykonanych z materiałów nadprzewodzących, co
wyeliminuje starty energii i poprawi niezawodność sprzętu. Efekt żyroskopowy może
być wyeliminowany przez zamontowanie obudowy koła zamachowego na przegubie lub
połączenie kilku kół w układzie przeciwsobnym [11].
4. Podsumowanie
Rosnąca świadomość konieczności ochrony środowiska oraz oszczędnego
gospodarowania energią powoduje, że powoli kończy się era pojazdów mechanicznych
napędzanych silnikami spalinowymi. Jednak mimo wielu lat rozwoju, wydaje się, że
praktyczne zastosowanie samochodów elektrycznych jest jeszcze odległe, czego
powodem są w dużej mierze ograniczenia obecnie stosowanych sposobów pokładowej
produkcji i magazynowania energii elektrycznej. Na podstawie przedstawionych
przykładów można stwierdzić, że w niedalekiej przyszłości powstaną hybrydowe
systemy magazynowania energii elektrycznej w pojeździe łączące zalety poszczególnych
urządzeń a pozbawione ich wad.
154
Literatura
[1]
Szlachta J.: Niekonwencjonalne źródła energii, Wyd. AR, Wrocław 1999.
[2[
Siwek A.J.: Metody magazynowania energii elektrycznej i jej możliwości
zastosowań w procesach konwersji odnawialnych źródeł energii, Wyd. AGH,
Kraków 2000.
[3]
Lewandowski W.: Proekologiczne źródła energii odnawialnej, WNT, Warszawa
2002.
[4]
Przybylski R.: Gra o biliony dolarów, Auto technika motoryzacyjna 11/2009,
s.18-21.
[5]
Ogniwa paliwowe (fuel cells), {Dostępny: http://www.ogniwa-paliwowe.com/
[6]
Inside the Nickel Metal Hydride Battery, {Dostępny:
http://www.cobasys.com/pdf/tutorial/inside_nimh_battery_technology.pdf
[7]
Akumulatory, {Dostępny: http://www.samochodyelektryczne.org/
[8]
Akumulatory cynkowo-powietrzne kolejna obiecująca technologia, {Dostępny:
http://www.solaris18.blogspot.com
[9]
ZFAB: Revolutionizing the EV market, {Dostępny:
http://www.revolttechnology.com/
[10] Superkondensatory w samochodzie, {Dostępny: http://elektronikab2b.pl/1459superkondensatory-w-samochodzie
[11] The mechanical battery, {Dostępny: http://www.damninteresting.com/themechanical-battery
Streszczenie
W artykule przedstawiono nowe sposoby produkcji i akumulacji energii.
Wymieniono sposoby magazynowania energii według zastosowanej konwersji nośników
energii, krotność cykli ładowania, czasookresu magazynowania. Przedstawiono podział
akumulatorów energii według rodzajów stosowanych technologii magazynowania.
Podano cechy, którymi powinien charakteryzować się dobry układ magazynujący
energię oraz powody, dla których konieczne jest magazynowanie energii. Przedstawiono
urządzenia do pokładowej produkcji i magazynowania energii elektrycznej w pojazdach
mechanicznych. Przybliżono budowę, zasady funkcjonowania, zalety i wady
wodorowych ogniw paliwowych, akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych (NiMH) i litowo-jonowych (Li-ion). Scharakteryzowano nowe ogniwa cynkowo-powietrzne
(Zn-air) przedstawione przez firmę Revolt. Przedstawiono możliwości zastosowania
superkondensatorów jako urządzeń wchodzących w skład hybrydowych systemów
magazynowania energii elektrycznej w samochodzie oraz perspektywy wykorzystania
mechanicznych baterii na bazie koła zamachowego jako akumulatorów energii
kinetycznej w pojeździe mechanicznym.
Słowa kluczowe: magazynowanie
superkondensatory, koło zamachowe
energii,
akumulatory,
ogniwa
paliwowe,
SELECTED METHODS OF PRODUCTION AND STORAGE OF ELECTRIC
ENERGY
Summary
The article presents new methods of producing and accumulating energy. The
methods of electric energy storage are named according to applied energy carriers
conversion, loading cycle multiplicity and time of storage. The article also shows a
155
division of energy batteries according to different types of storage technologies. The
article puts forward features which should characterize a good electric energy storage
configuration as well as gives reasons why energy storage is necessary. There are also
discussed different devices for production and storage of electric energy in motor
vehicles. The article presents information concerning construction, functioning, pros and
cons of hydrogen fuel cells, nickel metal hydride (Ni-MH) and lithium-ion (Li-Ion).
There is also a description of new air-zinc batteries (Zn-air) presented by Revolt
company. Not only are there capabilities of usage of supercapacitors as devices in hybrid
systems of electric energy storage in motor vehicles presented, but also perspectives of
usage of batteries created on the basis of flywheel used as batteries for kinetic energy in
motor vehicles.
Keywords: storage of energy,batteries, fuel cells, supercapacitors, flywheel
156