Możliwości odzyskiwania energii z otoczenia (energy harvesting)
i inne sposoby zasilania pojazdów elektrycznych
Przykład systemu Smart Grid
Znaczącą grupę magnetycznych materiałów Smart (ang. Smart Magnetic Materials – SMM) stanowią materiały o tzw. gigantycznej magnetostrykcji (ang. Giant Magnetostrictive Materials – GMM). Ich kluczowa rola w wielu obszarach wynika z możliwości przekształcania energii magnetycznej w mechaniczną (działanie typu aktuator) oraz mechanicznej w magnetyczną (działanie typu sensor), o dużym współczynniku sprawności. Umożliwia to zastosowanie w konstrukcjach lotniczych, samochodowych, okrętowych, budowlanych oraz efektywne zastosowania w medycynie, przemyśle wydobywczym, aparaturze akustycznej i wielu innych. GMM mogą być wykorzystane jako aktywne tłumiki, które nie pochłaniają energii (jak materiały magnetoreologiczne), gdyż można za ich pomocą wytworzyć w pętli „kontrdrganie” wygaszające emisję źródła. Materiały te odgrywają również kluczową rolę w zakresie odzysku energii (ang. Energy Harvesting – EH) z drgań [1, 2].
Zobacz także
Redakcja news Jak wygląda procedura odbioru stacji ładowania pojazdów elektrycznych?
PSPA przygotowało raport, który krok po kroku wyjaśnia procedurę odbioru stacji ładowania pojazdów elektrycznych. Opracowanie ma pomóc w przyspieszeniu wdrażania infrastruktury EV w Polsce.
PSPA przygotowało raport, który krok po kroku wyjaśnia procedurę odbioru stacji ładowania pojazdów elektrycznych. Opracowanie ma pomóc w przyspieszeniu wdrażania infrastruktury EV w Polsce.
Redakcja news Mercedes zaczyna seryjną produkcję autobusów eCitaro fuel cell
Elektryczny autobus Mercedes-Benz eCitaro fuel cell przejeżdża około 400 km bez konieczności doładowywania. Jego premiera odbyła się podczas trwającego właśnie Światowego Szczytu Transportu Publicznego...
Elektryczny autobus Mercedes-Benz eCitaro fuel cell przejeżdża około 400 km bez konieczności doładowywania. Jego premiera odbyła się podczas trwającego właśnie Światowego Szczytu Transportu Publicznego w Barcelonie, a już w tym miesiącu rusza seryjna produkcja pojazdu.
Redakcja news Wrocławskie lotnisko ma szybką ładowarkę DC
Podróżowanie samochodem elektrycznym w pobliżu wrocławskiego lotniska będzie teraz jeszcze prostsze. Wszystko dzięki zamontowaniu szybkiej ładowarki (stacja DC o mocy 60 kW), która została właśnie uruchomiona...
Podróżowanie samochodem elektrycznym w pobliżu wrocławskiego lotniska będzie teraz jeszcze prostsze. Wszystko dzięki zamontowaniu szybkiej ładowarki (stacja DC o mocy 60 kW), która została właśnie uruchomiona na terenie portu lotniczego – poinformowała firma Elocity.
W artykule:• Energy Harvesting• Panele słoneczne • Generatory termoelektryczne |
StreszczenieW artykule omówiony został przegląd literatury w zakresie odzyskiwania energii z otoczenia (energy harvesting – EH) i możliwości zastosowania do zasilania pojazdów elektrycznych. Możliwość pozyskania energii przez EH staje się realnym sposobem zwiększenia energii dostępnej w pojazdach i transporcie szynowym. Przekształca się w tym celu energię ruchu (kinetyczną), ciepła, światła, pola elektromagnetycznego i innych źródeł.AbstractPossibilities of the energy recovery from the environment (energy harvesting) and other ways of powering electric vehiclesThe article discusses the review of energy recovery from the environment (energy harvesting – EH) and the possibility of using EH in electric vehicles. The possibility of obtaining energy by EH is becoming a reality to increase the energy available in vehicles and rail transport. The energy of motion (kinetic), heat, light, electromagnetic field and other sources is transformed for this purpose. |
Jednym z nich jest magnetostrykcja (tzw. efekt Joule’a), czyli zjawisko fizyczne, które polega na liniowym i/lub objętościowym deformowaniu się ciała na skutek zmiany jego magnetyzacji. Głównym czynnikiem, wpływającym na zmianę namagnesowania, jest zmiana zewnętrznego pola magnetycznego. Silny wpływ na namagnesowanie ma także temperatura otoczenia oraz naprężenia wewnętrzne występujące w ferromagnetyku. Zjawisko magnetostrykcji charakteryzuje się histerezą magnetomechaniczną. Pod względem aplikacyjnym jej minimalizacja stwarza realne szanse na uzyskanie dużej sprawności przekształcania energii magnetycznej w mechaniczną. Następstwem odkształcania ferromagnetyków jest z kolei odwrotna magnetostrykcja zwana też efektem Villariego [1].
Energy Harvesting
Energy Harvesting jest następstwem postępu w zakresie materiałów i technologii umożliwiających odzysk energii z tzw. tła, czyli ze źródeł znanych, ale dotychczas pomijanych. Powodem tego była mała sprawność przekształcania energii oraz wysoki koszt wytwarzania niezbędnych do tego celu urządzeń (tzw. harvesterów). Kluczowe znaczenie ma też malejące zużycie energii przez mikrosystemy, co powoduje, że źródła energii o mocy mili-, a nawet mikrowatów mają praktyczne znaczenie i umożliwiają wyeliminowanie tradycyjnych układów zasilania z zastosowaniem systemów kablowych czy baterii lub akumulatorów [1, 2].
Możliwość pozyskania energii przez EH staje się realnym sposobem zwiększenia energii dostępnej w pojazdach i transporcie szynowym. Przekształca się w tym celu energię ruchu (kinetyczna), ciepła, światła, pola elektromagnetycznego i innych źródeł. Energię tą można wykorzystać na wiele sposobów w zależności od uzyskanej mocy [1, 2]:
- rzędu miliwatów [mW] lub mniej – do zasilania bezprzewodo-wych czujników i elementów wykonawczych,
- rzędu watów [W] – do samowystarczalnego zasilania wybranych elementów oświetlenia wewnętrznego. W przypadku gromadzenia energii (np. w superkondensatorach) może też służyć do zasilania klimatyzacji i wybranych podzespołów,
- rzędu kilowatów [kW] – do ładowania akumulatorów trakcyjnych lub superkondensatorów (w przypadku pojazdów elektrycznych lub/i hybrydowych), dostarczających z kolei energie do elektrycznych silników trakcyjnych.
Od ponad dekady naukowcy badają [3] metody uzyskiwania energii elektrycznej z pól magnetycznych występujących w otoczeniu za pomocą mechanizmu magneto-mechano-elektrycznego (MME). Mechanizm działania można opisać w następujący sposób: Gdy kompozyt ME jest umieszczony w polu magnetycznym AC, warstwa magnetostrykcyjna w kompozycie reaguje na drgania mechaniczne (sprzężenie magneto-mechaniczne), tym samym oddziaływuje na warstwę piezoelektryczną, co powoduje powstanie napięcia wyjściowego na elektrodach poprzez prosty efekt piezoelektryczny (sprzęgło mechano-elektryczne). Ze względu na istnienie fazy piezoelektrycznej w kompozycie ME, wszelkie drgania mechaniczne oddziałujące na kompozyt bezpośrednio powodują powstanie na wyjściu piezoelektryka napięcia. W związku z tym generator MME może być wykorzystywany do pozyskiwania energii zarówno z pola magnetycznego, jak i wibracji zewnętrznych w tym samym czasie [3]. Schematyczne rozwiązanie dla pól zmiennych występujących wokół kabli energetycznych w metrze zostało przedstawione na rysunku 1.
Rys. 1. Schemat działania przetwornika umożliwiającego odzysk energii z otoczenia [3]
Panele słoneczne
Dobrze opanowaną technologią EH jest pozyskiwanie energii z paneli słonecznych zintegrowanych z dachem samochodu. Firma Webasto, od 1989 roku, wytworzyła ponad 250000 zestawów dla takich producentów samochodów, jak Audi, Volkswagen, Skoda, Seat, Bentley i Maybach. Najnowsze generacje dachów umożliwiają uzyskanie mocy ponad 100 W, przy sprawności ogniw rzędu 17% i służą do zasilania wentylacji, a także do ładowania akumulatorów. Jednocześnie oferuje się stacjonarne układy paneli słonecznych montowanych w garażu/domu do stacjonarnego zasilania akumulatora lub superkondensatora [1, 4]. Szacuje się, że technologia solarna z paneli zintegrowanych z dachem umożliwia pokonanie przez samochód na każde 100 km dodatkowo dystansu 6 – 8 km, obniżając w ten sposób zużycie paliwa.
Generatory termoelektryczne
Generatory termoelektryczne (ang. Thermoelectric Generators – TEGs) wykorzystują efekt Seebecka, by wytworzyć prąd i efekt Peltiera w klimatyzacji [1]. Najwięcej ciepła zawierają spaliny, gdyż dwie trzecie energii ze spalania w pojeździe jest tracona w postaci ciepła odpadowego, z czego 40% w postaci gorących spalin. Dzięki zastosowaniu TEGs można odzyskać efektywnie – w postaci prądu – nawet do 5% energii [1, 5]. Układ TEG wymaga wysokich temperatur i zazwyczaj przystosowany jest do pracy w zakresie 400 – 800°C. Ostatnio badane są tzw. dwustopniowe układy o większej sprawności, które zastosowano po raz pierwszy w samochodach BMW. Generator typu TEG zainstalowany w 2007 roku przez firmę BMW umożliwiał uzyskanie mocy 200 watów, następnie już 600 watów, a obecnie wdrażany jest model, który zapewni moc 1 – 2 kW [1, 5].
Odzysk energii z hamowania
Hamowanie regeneracyjne z wykorzystaniem systemu KERS (ang.: Kinetic Energy Recovery System) umożliwia – w samochodach elektrycznych lub hybrydowych – ładowanie akumulatora lub superkondensatora [1, 6]. Zadebiutował on w sezonie 2009 Formuły 1. Dopuszczono 2 sposoby oddawania zgromadzonej energii: poprzez koło zamachowe lub z super kondensatora. Początkowo KERS był ograniczony do 60 kW, natomiast od 2014 roku jest to 120 kW. Tak też stało się z hamowaniem rekuperacyjnym. Jednym z producentów wykorzystujących odzysk energii jest system i-ELOOP firmy Mazda. Działa on w ten sposób, że w momencie kiedy hamujemy lub samochód toczy się ładowany jest specjalny kondensator. Potem zgromadzona energia jest używana do zasilania wszelkich odbiorników energii w całym samochodzie.
Udane eksperymentalne aplikacje w samochodach Formuły 1 spowodowały, że aktualnie zastosowano w samochodach powszechnego użytku. W lutym 2011 r. Volkswagen zaprezentował nowy dwumiejscowy hybrydowy samochód, tzw. koncepcyjny, w którym oszczędność paliwa z tytułu zastosowania SARS umożliwiała przejechanie dodatkowo do 35 km (na każde 100 km, w porównaniu z wersją bez SARS) [1].
Ładowanie pojazdów i smartGrid
Pojazdy elektryczne zużywają coraz większą ilość energii elektrycznej – co skutkuje większym jej zapotrzebowaniem głównie w okresach szczytów energetycznych (w których występuje maksymalny pobór mocy przez użytkowników końcowych w sieci).
Okresy szczytów energetycznych w przypadku pojazdów elektrycznych są trudne do przewidzenia tak, by zapewnić w sieci odpowiednią ilość energii. Dlatego sieci będą wymagały modernizacji i dodatkowych źródeł wytwarzania i przesyłu energii. Rozwiązaniem może być monitorowanie sieci energetycznej przez układy Inteligentne, gdzie istnieje komunikacja między wszystkimi odbiorcami i wytwórcami rynku energii. Ma to na celu zapewnienie stabilności oraz obniżenie kosztów i zwiększenie efektywności, a także zintegrowanie rozproszonych źródeł energii (odnawialnych i alternatywnych).
Rozwiązaniem dla problemu niedoborów energii w tzw. szczytach energetycznych mogą być rozproszone magazyny energii ładowane poza szczytem energetycznym, które są rozbudowane o układy hybrydowe z odnawialnych źródeł energii (elektrownie wiatrowe, panele fotowoltaiczne, elektrownie wodne ) (rys. 4.).
Rys. 4. Przykładowe rozwiązanie układu hybrydowego [9]
Zaletą takich układów jest stabilizacja sieci, zwłaszcza przy dużych wahaniach, w trakcie szczytów obciążenia, jak również w okresie, gdy zapotrzebowanie w energię jest znacznie niższe i wówczas następuje ładowanie zasobników energii.
W standardowym układzie do magazynów energii podłączone są ładowaki do samochodów EV gdzie można stosować kilka ultra szybkich ładowarek prądu stałego o mocy nawet 200 – 400 kW.
Układy magazynowania energii
W zależności od formy możemy wyróżnić kilka rodzajów systemów magazynowania energii: mechaniczne, elektrochemiczne, elektryczne, cieplne.
Energię można magazynowąć w dużych centrach energetyczncyh jak na przykład budowany przez Teslę wraz z PG&E (Pacific Gas and Electric Company) najwiekszy magazynu energii, który może osiągnąć pojemność nawet 1,1 GWh [10] Energię można również magazynować w małych rozproszonych magazynach energii.
Jako magazyny energii możemy rozpatrywać:
- elektrownie szczytowo-pompowe,
- zasobniki ze sprężonym powietrzem,
- energię kinetyczną, wirujących mas,
- akumulatory chemiczne,
- wodorowe ogniwa paliwowe.
Wirujące koła zamachowe
Mają one możliwości oddawania bardzo dużej mocy w krótkim czasie. Na przykład jednostka gromadząca energię 250 kW przy czasie reakcji poniżej 5 s. Mogą służyć jako źródła rozproszone do dużej chwilowej przeciążalności.
Takie magazyny działają poprzez rozpędzenie cylindrycznego koła zamachowego do prędkości 8 – 16 tys. obr/min i oddają energię napędzając silnik generatora.
Superkondensatory
Najnowszymi elementami magazynowania energii są superkondensatory ktore posiadają dużą pojemność, mogą przyjmować i generować bardzo duże prądy kilka kA oraz charakteryzują się bardzo dużą żywotnością. Pozwala to na współpracę z odnawialnymi źródłami energii. Wśród superkondensatorów wyróżniamy dwa rodzaje ze względu na ich budowę: składane i zwijane. Te pierwsze mają mniejszą gęstość energii niż superkondensatory zwijane, mogą pracować z dużymi prądami przy niskich stratach. Zasada działania superkondensatora opiera się na wykorzystaniu zjawiska podwójnej warstwy elektrycznej (Electric Double Layer), która stanowi obszar na granicy dwóch faz odznaczający się statystycznie nierównomiernym rozmieszczeniem elektronów lub jonów w obu fazach [9–11].
Paliwowe ogniwa wodorowe
Ogniwa paliwowe są urządzeniami generującymi energię elektryczną w wyniku elektrochemicznej reakcji utleniania dostarczanego z zewnątrz paliwa (nie występuje w nich gromadzenie energii). Są ogniwami galwanicznymi, w których paliwo (wodór w stanie czystym lub w mieszaninie) jest dostarczane w sposób ciągły do anody, a utleniacz (tlen w stanie czystym lub mieszaninie – powietrze) doprowadzany jest w sposób ciągły do katody. W procesie wytwarzania energii nie zachodzą zmiany chemicznej natury elektrod oraz wykorzystywanych elektrolitów.
W efekcie elektrochemicznej reakcji wodoru oraz tlenu powstaje energia elektryczna, woda i ciepło. To alternatywny magazyn energii, który jest obecnie w niewielkim stopniu rozpowszechniony, a który ma ogromne możliwości. Począwszy od zrewolucjonizowania przemysłu samochodowego po rozproszone systemy energii elektrycznej [9-11].
Kontenerowe magazyny energii
Interesującym rozwiązaniem może być zastosowanie kontenerowego magazynu energii pokazanego na fotografii 1. do zasilania silników elektrycznych w tzw. pociągach drogowych (zespołach pojazdów drogowych). Tego typu pojazdy będzie można spotkać przy transporcie towarowym w Australii, USA, Kanadzie i Szwecji. W takim przypadku ciągnik może mieć naczepę z kontenerem zawierającym magazyn energii pozwalający na przejazd między punktami ładowania. Tego typu rozwiązania mogą mieć zastosowanie do pojazdów i maszyn stosowanych w kopalniach odkrywkowych. Już dzisiaj dostępne są cieżarówki elektryczne Mitsubishi E-Fuso wyposażone w baterie o pojemności 300 kWh co ma zapewnić zasięg według producenta „do 350 kilometrów”.
Fot. 1. Przykład kontenerowego magazynu energii 1000 kWh
Podsumowanie
Aktualnie zakłada się, iż EH może być efektywnym źródłem „bezkosztowego” (po pominięciu kosztów instalacji) zasilania urządzeń małej mocy (np. urządzenia elektroniczne, układy sensorów itp.). Stąd narastające zainteresowanie aplikacjami cywilnymi i militarnymi. Zakłada się, iż w przyszłości rozległe systemy harvesterów będą również źródłem energii elektrycznej dużej mocy. Szacuje się, iż w roku 2011 rynek harvesterów był wart 700 mln dolarów, a jego wartość w 2021 r. wzrośnie do ponad 4 mld dolarów [1]. Natomiast sektor magazynów energii rozwija się dynamicznie i należy spodziewać się, że w kolejnych latach będzie powiększał swoje możliwe implementacje. Koncepcja rozwiązania i wybór technologii są ściśle powiązane z zapotrzebowaniem na dane rozwiązania. Planowanie inwestycji, ze szczególnym naciskiem na określenie kosztu pełnego cyklu życia infrastruktury oraz uwzględnienie wszystkich aspektów formalnych w fazie projektowania wpływa pozytywnie na projekt, zarówno na etapie budowy, jak i późniejszej bezpiecznej eksploatacji [8].
Literatura
- Kaleta J., „Materiały magnetyczne SMART - Budowa, wytwarzanie, badanie właściwości, zastosowanie”, OW Politechniki Wrocławskiej, Wrocław 2013.
- red. Shashank Priya, Daniel J. Inman, „Energy harvesting technologies”, Springer Science+Business Media, LLC 2009
- Palneedi H., Annapureddy V., Priya S., Ryu J., Review: Status and perspectives of multiferroic magnetoelectric composite materials and applications, Actuators 2016, 5, 9; do-i:10.3390/act5010009.
- Tie S.F., Tan C.W., A review of power and energy management strategies in electric vehicles, 4th IEEE International Conference on Intelligent and Advanced Systems (ICIAS), 1, 2012, s. 412–417.
- Jovovic V. Thermoelectric Waste Heat Recovery Program for Passenger Vehicles, United States: Gentherm LLC, Final Technical Report DE-EE0005387, 2016.
- Tie S.F., Tan C.W., A review of energy sources and energy management system in electric vehicles, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 20, 2013, s. 82–102.
- Materiały firmy Mazda
- Kurpas J. “Projektowanie systemów zintegrowanych z magazynami energii – wybrane aspekty”, Konferencja Bezpieczeństwo w elektryce i energetyce w obliczu wyzwań przemysłu 4.0, Katowice 29.05.2019 r.
- Marek Iwanicki, „Sposoby magazynowania energii elektrycznej” Urządzenia dla energetyki 2/2013
- https://globenergia.pl/tesla-stworzy-magazyn-energii-o-pojemnosci-gigawatogodziny/
- Karol Bednarek, Leszek Kasprzyk „Zasobniki energii w systemach elektrycznych – Charakterystyka problemu” Academic Journals, Electrical engineering, No 69, Poznan University of Technology, Poznań 2012.
