Energetické úspory v dopravě

Transkript

1 Energetické úspory v dopravě Jan Antoš i Astrakt: Jednou z hlavních možností, jak dosáhnout energetických úspor v dopravě, a s tím spojených úspor finančních, je v současné doě znovu-využití energie získané při rzdění vozidla. Takovýto proces opětovného získání energie nazýváme rekuperace. Nejefektivnější a v současné doě nejrozšířenější způso, jak takto získat energii, je její rekuperace ve formě energie elektrické pomocí elektromotorů. Rozšíření elektromotorů ve vozidlech v provozu je u nás ve větší míře zatím pouze v dopravě železniční, které ude proto věnován tento článek. Klíčová slova: rekuperační rzdění, železnice, simulace Astract: One of the major ways to achieve reduced energy usage in transportation and associated financial enefits is to reuse the energy otained when a vehicle is raked y an electric motor. Such recovery of energy is called recuperation and is only possile in the case of driving the vehicles with an electric propulsion. The most effective and most frequent method to gain energy this way nowadays is its recuperation in form of electric energy with the help of electro-motors. In our country, the extension of electric motors in operation is only in railway transport, which this article will e devoted to. Keywords: regenerative raking, railway, simulation 1. Základní druhy rzdění Pohyující se vozidlo má/získává vždy určité množství kinetické energie. Při rzdění dochází k úytku této mechanické energie a současně k její přeměně na jiné formy energie, nejčastěji na energii tepelnou. Tato mechanická energie tedy může ýt rekuperována a následně znovu použita, čímž dojde ke snížení nároků na přívod zcela nové energie a tím ke snížení celkových finančních nákladů na provoz. Rekuperovat mechanickou energii vozidla, resp. vlaku při jeho rzdění lze poměrně širokou paletou možností. V současné doě je v zásadě nejefektivnější a nejvíce rozšířenou možností přeměna této mechanické energie na energii elektrickou a tu pak znovu využít. V závislosti na průěhu zpomalení vozidla při rzdění rozlišujeme dva základní typy rzdění. Jsou jimi rzdění spádové a rzdění zpomalovací(resp. zastavovací). Oa tyto typy rzdění v tomto článku prozkoumáme z hlediska disponiilní energie, která při nich vzniká, a kterou lze tedy využít k rekuperaci Zpomalovací rzdění Zpomalovací rzdění je rzdění nenulovým zpomalením z určité počáteční do cílové rychlosti. Elektrická energie, která je při zpomalovacím rzdění k dispozici na sěrači vozidla, je dána oecným vztahem: i Ing. Jan Antoš, ČVUT FD, Ústav dopravních prostředků, Horská 3, Praha 2, antosja2@fd.cvut.cz 1

2 V rv rg E 1, M V1 V0 1 (1), ra kde: e... měrná disponiilní rzdné energie vozidla [Wh] E... disponiilní rzdné energie vozidla [Wh] M... celková hmotnost vlaku (lokomotivy a vozů) [t]... součinitel rotujících hmot [-] V 1... rychlost před začátkem rzdění [km/h] V... rychlost na konci rzdění [km/h] v 0 r...měrný vozidlový odpor vlaku [N/kN] r...měrný odpor vlaku ze zrychlení/zpomalení [N/kN] a r...měrný gravitační odpor vlaku [N/kN] g (pozn.: v této simulované situaci se vyskytuje pouze jediný traťový odpor, kterým je r g ) 1.2. Spádové rzdění Spádové rzdění je rzdění s nulovým zpomalením, tedy o konstantní rychlosti, kdy se rzdící vozidlo pohyuje na trati ve spádu a výsledná urychlující síla vozidla, která je využita pro přeměnu na energii elektrickou, je způsoena právě tímto sklonem trati. Elektrická energie, která je při spádovém rzdění k dispozici na sěrači vozidla je dána oecným vztahem: E 3 L 3 M 9,81 s rv 10 2,72510 M L s rv (2), 3,6 kde: E...množství disponiilní rzdné energie [kwh] M...hmotnost celé vlakové soupravy, lokomotivy a vozů [t] s... spád na trati [ ] L...dráha po kterou dochází k rzdění [km] r v... měrný vozidlový odpor vlaku [N/kN] Je uvažováno, že: s [ ] = rg [N/kN]. 2. Energetická simulace daných rzdění Pro simulaci jednotlivých druhů výše zmíněných rzdění yl použit simulační software, který vychází z již verifikované verze programu zvaného Ecalc. Schéma fungování tohoto simulačního softwaru je na orázku 1. 2

3 Or. 1 - Schéma principu fungování simulačního softwaru (zdroj: autor) V následujících dvou vyraných příkladech je vždy jako vstup do simulace použit vlak s lokomotivou řady o hmotnosti 89 t, jejíž měrný vozidlový odpor je dán vztahem: r lok 2 1,05 0,0104 V 0, V (3) Dále pak je jeho součástí zátěž(tj. vozy), jejíž měrný vozidlový odpor je dán vztahem: r zatez 2.1. Příklad - zpomalovací rzdění 2 0,98 0,0104 V 0,00021V (4) V tomto příkladě je zvolen vlak o hmotnosti zátěže 100 t, který rzdí konstantním zpomalením o velikosti a = - 0,1 m/s 2 postupně z počátečních rychlostí (V0 ) 120 km/h, 100 km/h, 80 km/h a 60 km/h vždy do rychlosti 40 km/h. Finanční úspory uvedené v taulce 1 jsou pak pouze orientační, určené pro případ cenové hladiny 4 Kč/kWh. Vzniklá úspora je v tomto případě vyjádřena jako asolutní, tedy pouze prosté celkové úspory v Kč pro jednotlivá rzdění, jelikož závislost produkce rekuperované energie na aktuální rychlosti není lineární a tím i na ostatních zde uvedených veličinách. Proto není možné při tomto zadání rozumně vztáhnout energetické úspory k nějaké třetí nezávislé veličině. 3

4 E [kwh] Ta. 1 Rekuperovaná energie při zpomalovacím rzdění - simulační výpočet (zdroj: autor) Rekuperovaná energie [kwh] Celkové odpovídající úspory [Kč] km/h 19,486 77, km/h 13,800 55, km/h 8,397 33, km/h 3,628 14,5 V následujícím grafu jsou uvedeny výsledky rekuperované energie v tomto příkladě, a navíc jsou zde uvedeny i hodnoty pro jiné hmotnosti zátěže (200 t, 300 t, 400 t) při stejném zadání. Zpomalovací rzdění do V = 40 km/h km/h 100 km/h 80 km/h 60 km/h M (zátěž) [t] Or. 2 Disponiilní rekuperovaná energie pro různé zpomalovací rzdění (zdroj: autor) 2.2. Příklad - spádové rzdění V tomto příkladě je zvolen vlak o hmotnosti zátěže 200 t a 400 t, jedoucí konstantní rychlostí o velikosti 60 km/h neo 120 km/h na traťovém úseku o délce 5 km a spádu 20. Pro udržení konstantní rychlosti musí tento vlak rzdit a vytvoří tak rekuperovanou energii uvedenou v taulce 2. Pro případ cenové hladiny 4 Kč/kWh jsou pak finanční úspory na 1 km takovéhoto rzdění následující: 4

5 E [kwh] Ta. 2 Rekuperovaná energie při spádovém rzdění - simulační výpočet (zdroj: autor) 140 Rekuperovaná energie [kwh] Odpovídající úspory [Kč/km] 120 km/h, 400 t 95,579 76,5 120 km/h, 200 t 56, km/h, 400 t 115,410 92,3 60 km/h, 200 t 68,256 54,6 Spádové rzdění km/h, 400t 120 km/h, 200 t 60 km/h, 400 t 60 km/h, 200 t L [km] Or. 3 Disponiilní rekuperovaná energie pro různá spádová rzdění (zdroj: autor) 3. Závěr Finanční úspory uvedené v těchto modelových příkladech viz taulka 1 a 2 se na první pohled nezdají příliš vysoké. Je to způsoeno tím, že se zde jedná pouze o velice malou část z celkového jízdního cyklu vlaku, tedy pouze o jedno jediné zarzdění. V reálném provozu v závislosti na jeho charakteru dochází k rzdění ovykle častěji, a tím i k vyšším energetickým a s tím spojeným finančním úsporám. V některých specifických provozech, například v provozu metra, mohou takovéto úspory tvořit z celkové spotřeované trakční energie až 30 %, což v případě metra odpovídá až 15 % z celkových energetických nákladů na jeho provoz. Jelikož v systému metra tvoří trakční energie zhrua polovinu jeho celkové provozní energie. I přes tyto výhody zatím ohužel v českém železničním prostředí k rekuperaci energie příliš nedochází a to z technických důvodů, legislativních důvodů a v neposlední řadě také i kvůli malé poptávce ze strany dodavatelů elektrické energie. Jedinou větší výjimkou je trať č. 196 z Českých Budějovic do Lince, a to zejména díky značným sklonovým poměrům na tomto úseku. 5

6 Literatura [1] ANTOŠ J., Efektivita rekuperačního rzdění, teze k DP, ČVUT, Praha, 2018 [2] OPAVA J., Exact Calculations of Traction Energy Quantities, článek k 20. výročí založení FD ČVUT v Praze , Praha, 2013, s ISBN