Použití zásobníků energie v městské hromadné dopravě

Obsah 1. Energetická náročnost mobility 2. Elektrochemické zásobníky energie 3. Aplikace zásobníků energie v městské hromadné dopravě Strana 2 26. 4. 2012 Jiří Pohl

1. Energetická náročnost mobility 2. Elektrochemické zásobníky energie 3. Aplikace zásobníků energie v městské hromadné dopravě Strana 3 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Mobilita vyžaduje energii p o [ ] Spotřeba energie pro jízdu: A = 1/η. F. L = 1/η. m. g. p 0. L měrný jízdní odpor 40 30 20 loď p o e 1 2 m g + ρ v S C F F x R + A R 2 e 1 = = = + ρ v m g m g R 2 osobní automobil bus 2 železnice S Cx m g magnetická dráha 10 valení - silnice letadlo (h = 10 km) valení - železnice 0 100 200 300 v [km/h] rychlost Strana 4 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Závislost dopravy na kapalných uhlovodíkových palivech Současná mobilita lidské společnosti je silně závislá na kapalných uhlovodíkových palivech na ropě. Kapalná uhlovodíková paliva zajišťují energii pro 95 % dopravních výkonů a spotřebují k tomu 58 % těžby ropy. Struktura zdrojů energie pro dopravu: kapalná uhlovodíková paliva 95% Strana 5 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Geologické a ekonomické zákonitosti Intenzita těžby ropy má své geologické zákonitosti, nelze ji jednoduše zvýšit, ropa natéká do vrtů svým tempem. Rovnováhu mezi těžbou a spotřebou ropy udržuje její tržní cena Intenzita spotřeby [Gb/a] snížení poptávky vysokou cenou spotřeba cena 30 20 10 0 těžba zvýšení těžby vysokou cenou 2000 čas Strana 6 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Fungování trhu 150 89 V letech 2007 a 2008 byla spotřeba ropy asi o 2% vyšší než těžba, rozdíl byl pokryt poklesem stavu komerčních zásob. Trh reagoval na zhruba 2% deficit mezi spotřebou a těžbou zvýšením ceny ropy na 200%. Eskalaci cen ropy zastavila až světová hospodářská krize a s ní související pokles poptávky. Problém však nebyl vyřešen, jen odsunut. Spotřeba ropy znovu roste a s ní i její cena. cena (USD/barel), zásoby (dny) 130 110 90 70 50 30 cena (USD/b) komerční zásoba (dny) 88 87 86 85 84 těžba, spotřeba (Mb/den) 83 82 81 80 79 78 Strana 7 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Přírodní ropa 1 barel (159 litrů) ropy: náklady na těžbu prodejní cena (2012) 10 USD 120 USD Úhel pohledu na těžbu ropy: A) očima ekonoma B) očima geologa (Hubert, 1955) C) očima historika 2000 2012 1950 2012 1500 2000 2500 t t t Strana 8 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Alternativní paliva Bionafta metylester řepkového oleje na 1 ha pole dopadne za rok zhruba 10 000 000 kwh slunečního záření, z 1 ha pole lze ročně sklidit 3,5 t řepky a z ní vyrobit (po odečtení vlastní spotřeby) 800 dm 3 bionafty s tepelným obsahem 8 000 kwh tedy 0,8 kwh/m 2, výsledná účinnost je 0,08%, v ČR připadá na jednoho obyvatele spotřeba 7,4 barelů ropy ročně, tedy celkem spotřebuje ČR cca 12 000 000 000 dm 3 ropy ročně, k úplné náhradě ropy řepkou by bylo potřeba v ČR pěstovat řepku na ploše 15 000 000 ha, v ČR je k dispozici jen 3 032 000 ha orné půdy, k pěstování řepky je potřeba pětkrát více, řepka pole velmi vysiluje, znovu ji lze téže pole oset až po několika letech, podmínkou současných vysokých výnosů řepky je aplikace fosforečných hnojiv, vyráběných z limitovaných (neobnovitelných) zdrojů surovin, využívání zemědělských plodin k výrobě paliv vede k propojení cen potravin s cenami pohonných hmot, což může mít neblahé sociální dopady. Tudy cesta nevede! Strana 9 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Náhrada kapalných uhlovodíkových paliv elektřinou V České republice se ročně spotřebuje zhruba 5 000 000 000 dm 3 kapalných uhlovodíkových paliv o výhřevnosti 10 kwh/dm 3. Při uvažování 35 % účinnosti pohonu spalovacím motorem a 70% účinnosti elektrické trakce lze tato paliva nahradit 25 000 000 000 kwh, tedy 25 TWh elektrické energie. Ročně je v ČR vyráběno zhruba 90 TWh elektrické energie, náhrada kapalných paliv elektrickou trakcí znamená nárůst spotřeby elektrické energie o 28 % což je hodně, ale není to nereálné. K výrobě 25 TWh postačují při rovnoměrném odběru tři elektrárny o výkonu 1 000 MW (současný instalovaný výkon elektráren v ČR je zhruba 18 000 MW). Při orientaci na polozávislou vozbu lze dobu nabíjení zásobníků energie na vozidlech situovat do období nízkého odebíraného výkonu (do energetických sedel) metoda chytrých sítí. Přechod na elektrickou trakci je reálnou cestou k zajištění mobility. Strana 10 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrický pohon vozidel je již v současnosti zhruba čtyřikrát levnější než naftový Elektrická vozba (účinnost v rozsahu vstup trakční napájecí stanice obvod kol ƞ = 70 %), starší vozidlo (bez rekuperace): - na 1 kwh trakční práce je nutno odebrat cca 1 / 0,7 = 1,4 kwh z distribuční sítě Elektrická vozba, moderní vozidlo s rekuperací brzdové energie (úspora 35 %): - na 1 kwh trakční práce je nutno odebrat cca 1,4. (1 0,35) = 0,9 kwh z distribuční sítě Motorová vozba (nafta 10 kwh/litr, účinnost v rozsahu nafta obvod kol ƞ = 30 %): - na 1 kwh trakční práce je nutno spálit cca 0,33 litru motorové nafty V současné cenové úrovni (2,50 Kč/kWh el. energie, 30 Kč/dm 3 nafty bez DPH) je energie pro provoz zastávkových vozidel na naftu zhruba 4 krát dražší, než na elektrickou energii. Příklad - zastávkové vozidlo (20 t, 0,1 kwh/tkm, tedy 20. 0,1 = 2 kwh/km): - elektrické napájení: E = 0,9. 2 = 1,8 kwh elektrické energie za 1,8. 2,5 = 4,5 Kč/km - motorová nafta: B = 0,33. 2 = 0,67 dm 3 motorové nafty za 0,67. 30 = 20 Kč/km => rozdíl: Δ = 20 Kč/km 4,5 Kč/km = 15,50 Kč/km Strana 11 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Závislost jednotlivých druhů dopravy na ropě Lodní, letecká a z většiny i silniční doprava jsou z velké části závislé na kapalných uhlovodíkových palivech, tedy na ropě. lodě Jen kolejová doprava má vyřešený a hromadně zavedený systém jiného energetického zásobování, a to elektrickou vozbu. letadla automobily kolejová doprava ropa elektřina Strana 12 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Fosilní paliva Fosilní paliva jsou v podstatě energetickou konzervou. Ropa vznikala zhruba 200 milionů let biologickou transformací energie slunečního záření a nyní bude zhruba v proběhu dvou století nenávratně spotřebována 2000-200 000 000 T (roky) Strana 13 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Prognóza ropných zdrojů (Hubbertova křivka) Kolejová vozidla mají zhruba třikrát delší životnost, než vozidla silniční. Nyní vyráběných kolejových vozidel se dotkne drahá nedostatková ropa více, než nyní vyráběných silničních vozidel Životnost silničního vozidla: 10 let Životnost kolejového vozidla: 30 let Zdroj: Association for the study of peak Oil and Gas, 2003 Strana 14 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Mobilita a fosilní paliva Prudký rozvoj dopravy od 19. století do současnosti byl umožněn čerpáním energie z fosilních paliv zpočátku uhlí, později ropy. Avšak: jak lze udržet mobilitu bez fosilních paliv? mobilita spotřeba fosilních paliv 1800 1900 2000 T Strana 15 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Návrat k přírodě Pravěk Minulost Přítomnost Budoucnost - 200 000 000 1800 1800 20xx 20xx slunce vytváří zásoby energie člověk využívá energii slunce (transformovanou přes fotosyntézu) člověk těží zásoby energie člověk využívá transformovanou energii slunce Strana 16 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrická vozba Zdroj elektrické energie Vozidlo Werner von Siemens 1879 Živnostenská výstava, Berlín 1879 Strana 17 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Ekonomické zákonitosti elektrické vozby Elektrizace trtatí však vyžaduje vynaložit počáteční investiční náklady náklady motorová vozba elektrická vozba 0 oblast hospodárného provozu el. volby přepravní výkony (t/den, osoby/den) málo zatížené tratě se nevyplatí elektrizovat Strana 18 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrická vozba Typické znaky: Vysoké investiční náklady (drahá infrastruktura) Nízké provozní náklady (levná energie) hospodárnost roste náklady celkové náklady provoz investice měrné náklady zatížení Strana 19 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrický pohon (elektrická trakce) závislá el. trakce (potřebuje pevná trakční zařízení) vozidlo je prostřednictvím sběrače a trakčního vedení (trolejový drát, přívodní kolejnice) napájeno ze stacionárního zdroje elektrické energie nezávislá el. trakce (nepotřebuje pevná trakční zařízení) vozidlo je napájeno ze zdroje elektrické energie, který je jeho součástí polozávislá el. trakce (občas potřebuje pevná trakční zařízení) vozidlo je napájeno ze zásobníku elektrické energie, který je jeho součástí, ale ten je nutno občas dobít ze stacionárního zdroje elektrické energie Strana 20 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrická trakce Závislá el. trakce elektrárna distribuční síť měnírna trakční vedení sběrač vozidlo Nezávislá el. trakce trakční motor naftový motor trakční generátor Polozávislá el. trakce elektrárna nabíjecí stanice zásuvka baterie Strana 21 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Závislá trakce vysoké fixní náklady (pevná trakční zařízení) nízké variabilní náklady (levná elektrická energie) náklady [Kč/os.km] [Kč/tkm] Nezávislá trakce nízké fixní náklady vysoké variabilní náklady (drahá kapalná paliva) 0 Oblasti optimálního využití Málo intenzivní provoz => výhodnější (levnější) je nezávislá trakce Hodně intenzivní provoz => výhodnější (levnější) je závislá trakce smysluplná oblast elektrizace tratí přepravní tok [osob/h] [tun/h] Strana 22 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Polozávislá trakce (vozidla se zásobníkem el. energie) Vítaná (toužebně očekávaná) náhrada nezávislé trakce - výhody: nezávislost na uhlovodíkových palivech provoz bez spalin nízká hlučnost možnost rekuperovat brzdnou energii Nevýhody tradičních zásobníků el. energie (akumulátorových baterií - olověných resp. niklokadmiových): nízká měrná energie (cca 25 kwh/t u akumulátorových baterií versus 4 800 kwh/t u uhlovodíkových paliv) nízký měrný výkon (cca 50 kw/t u akumulátorových baterií versus 300 kw/t u dráhových spalovacích motorů) ztráty energie (střední účinnost cca 70%) omezená životnost (jen 1 000-2 000 cyklů) vysoká cena (5 000-10 000 Kč/kWh) => moderní akumulátory s vyšší energií, výkonem a počtem cyklů Strana 23 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Vozidlo se zásobníkem energie 1. Fázenabíjení Stacionární zdroj elektrické energie Z Zásobník energie na vozidle je nabíjen ze stacionárního zařízení 2. Fáze - jízda Stacionární zdroj elektrické energie Z Pohon vozidla je napájen ze zásobníku na vozidle Strana 24 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Energetická bilance polozávislých vozidel Vytvořená trakční práce (A t ): A t = k A. m z. η. (1 β) k A měrná energie zásobníku (kwh/t), m z hmotnost zásobníku energie (t), η účinnost trakčního pohonu β... poměrný příkon vedlejší spotřeby (osvětlení, klimatizace, ), Spotřebovaná trakční práce (A t ): A t = p. m. g. L / 3 600 p měrný trakční odpor (N/kN), m hmotnost vozidla (t), g gravitační zrychlení (9,81 m/s 2 ), L ujetá dráha (dojezd) (km) Strana 25 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Dojezd (akční rádius) Kummlerův vztah: L = 3 600. k A. k m. η. (1 β) / (p. g) k A měrná energie zásobníku (kwh/t), k m poměrná hmotnost zásobníku energie (k m = m z / m), η účinnost trakčního pohonu β... poměrný příkon vedlejší spotřeby (osvětlení, klimatizace, ), p měrný trakční odpor (N/kN), m z hmotnost zásobníku (t) m hmotnost vozidla (t), g gravitační zrychlení (9,81 m/s 2 ). Dojezd polozávislých vozidel je omezený. Vysoké hodnoty dojezdu vyžadují vysokou poměrnou hmotnost zásobníku energie Strana 26 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční dálkový elektrobus (bez zastávek, stálá rychlost 50 km/h, olověná baterie): L = 3 600. k A. k m. η. (1 β) / (p. g) = 3 600. 25. 0,2. 0,85. (1 0,2) / (13. 9,81) = 93 km k A měrná energie zásobníku ( 25 kwh/t), k m poměrná hmotnost zásobníku energie (k m = m z / m = 3 / 15 = 0,2), η účinnost trakčního pohonu (0,85) β... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2), p měrný trakční odpor (8 + 5 = 13 N/kN), g gravitační zrychlení (9,81 m/s 2 ). Další vlivy: pokles kapacity baterie při nízkých teplotách, pokles kapacity baterie silnoproudým vybíjením, pokles kapacity baterie stárnutím Strana 27 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční městský elektrobus (zastávky po 1 km, stálá rychlost 50 km/h, olověná baterie): L = 3 600. k A. k m. η. (1 β) / (p. g) = 3 600. 25. 0,2. 0,85. (1 0,2) / (23. 9,81) = 53 km k A měrná energie zásobníku (25 kwh/t), k m poměrná hmotnost zásobníku energie (k m = m z / m = 3 / 15 = 0,2), η účinnost trakčního pohonu (0,85) β... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2), p měrný trakční odpor (8 + 5 + 10 = 23 N/kN), g gravitační zrychlení (9,81 m/s 2 ). => běžně vyráběné autobusy nemají ve své konstrukci rezervu pro umístění náležitě těžkého akumulátoru Strana 28 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční železniční elektrický vůz (bez zastávek, stálá rychlost 70 km/h, olověná baterie): L = 3 600. k A. k m. η. (1 β) / (p. g) = 3 600. 25. 0,3. 0,85. (1 0,3) / (6. 9,81) = 300 km k A měrná energie zásobníku (25 kwh/t), k m poměrná hmotnost zásobníku energie (k m = m z / m = 15 / 50 = 0,3), η účinnost trakčního pohonu (0,85) β... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2), p měrný trakční odpor (1 + 5 = 6 N/kN), g gravitační zrychlení (9,81 m/s 2 ). Výhody železničních vozidel proti silničním (z hlediska polozávislé vozby): nižší valivý odpor, nižší měrný aerodynamický odpor (delší štíhlejší tvar), možnost instalovat těžší zásobník energie. Strana 29 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Tradiční pojetí polozávislých vozidel zásobník energie s nízkou měrnou energií (25 kw/t), zásobník energie s nízkým měrným výkonem (30 kw/t), zásobník energie schopný jen pomalého nabíjení (8 hodin), maření brzdové energie, nabíjení ze stacionárního zdroje kabelem při stání vozidla, nabíjení jednou denně, napájení pohonu jen ze zásobníku energie ( i na elektrizovaných tratích) => hmotnost zásobníku cca 40 % celkové hmotnosti vozidla Strana 30 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Reference: Akumulátorová posunovací lokomotiva A 219.0 s nabíjením ze sítě 3x400 V, 50 Hz (ČKD, 1993) B 0 41 t Baterie 360 kw Napájení 40 kw (3x400 V, 50 Hz x 63 A) Zkušební provoz na řadě nádraží v ČR, ověřovací provoz též u DB (München) a ÖBB (Wien) prokázaná schopnost nahradit motorovou lokomotivu, tichý a čistý provoz, k nabíjení postačují běžné provozní přestávky. Olověná baterie: U = 640 V C = 300 Ah A = C U = 192 kwh m = 8 t Strana 31 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Disponibilita polozávislých vozidel Polozávislá vozidla nelze nepřetržitě používat, je nutno vyhradit čas pro nabíjení zásobníku energie. Doba nabíjení snižuje disponibilitu vozidla: k t = T p /(T p +T n ) doba provozu T p = A / (E. v c ) doba nabíjení T n A / (η b. P n ) Po určité době jízdy po tratích bez trakčního vedení musí být vozidlo po potřebnou dobu dobíjeno. Strana 32 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Nová situace (současnost) Pokrok v oblasti elektrických pohonů vysoká účinnost schopnost rekuperačního brzdění Novén typy zásobníků energie A) dvouvrstvé kondenzátory (k P 800 kw/t, N = 1 000 000 cyklů), B) Nové typy elektrochemických akumulátorů (k A 100 kwh/t, N = 3 000 cyklů) Výhody: vysoká měrná energie, vysoký měrný výkon, vysoká účinnost, dlouhá životnost, bezúdržbovost. Strana 33 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Ukládání elektrické energie v zásobníku elektrické energie Technické prostředky: 1) Tradiční akumulátorové baterie (Pb) Charakteristické vlastnosti: nízký krátkodobý výkon (25 kw/t), nízký trvalý výkon (5 kw/t), nízká účinnost (70%), nevelká energie (25 kwh/t), nízká životnost (1 500 cyklů), mnoho článků o nízkém napětí (2V) Pro srovnání naftový motor: 300 kw/t, nafta:12 000 kwh t /t, 4 800 kwh m /t A [kwh] 0 p [kw] Strana 35 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Ukládání elektrické energie v zásobníku elektrické energie 2) Moderní akumulátorové baterie (příklad: Li-Ion) Charakteristické vlastnosti: vyšší krátkodobý výkon (200 kw/t), vyšší trvalý výkon (50 kw/t), vyšší účinnost (85%), vyšší energie (100 kwh/t), nepříliš vysoká životnost (3 000 cyklů), mnoho článků o nízkém napětí (3 V) Pro srovnání naftový motor: 300 kw/t, nafta:12 000 kwh t /t, 4 800 kwh m /t A [kwh] 0 p [kw] Strana 36 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Ukládání elektrické energie v zásobníku elektrické energie 3) Kondenzátorové zásobníky (dvouvrstvé vysoce kapacitní kondenzátory) Charakteristické vlastnosti: vysoký výkon (800 kw/t) vysoká účinnost (95%) nízká energie (4 kwh/t) vysoká životnost (1 000 000 cyklů) mnoho do série zapojených článků o nízkém napětí (kolem 3 V) Pro srovnání naftový motor: 300 kw/t, nafta:12 000 kwh t /t, 4 800 kwh m /t A [kwh] 0 p [kw] Strana 37 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Vysokokapacitní dvouvrstvé kondenzátory (Ultracap) Kapacita kondenzátoru C = ε r. ε 0. S / x ε r relativní permitivita ε 0 permitivita vakua 8,85. 10-12 Vs/Am S plocha elektrod, x vzdálenost elektrod Princip dvouvrstvých kondenzátorů: velká plocha (mikroporézní uhlík, cca 2 000 m 2 /g, malá vzdálenost (elektrická dvouvrstva, cca 10-8 m) => kapacita až 4 kf/ kg Problém: pracovní napětí musí být nižší, než disociační napětí (u vody 2 x 0,6 V), u speciálních kapalin (organická rozpouštědla) zhruba 2 až 3 V => sériové řazení, pokles kapacity C = C / N Strana 38 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Vysokokapacitní dvouvrstvé kondenzátory (Ultracap) Vlastnosti: velký měrný výkon (běžně kolem 800 kw/t), malá měrná energie (kolem 4 kwh/t), krátký čas nabití a vybití ( T = A / P = 4 kwh / 800 kw = 0,005 h = 18 s, vysoká účinnost (90 %), vysoká životnost (N = 1000 000 cyklů). vhodné pro krátkodobý zdroj vysokého výkonu Cena: přibližně 300 000 Kč/kWh Náklady na uschování energie: C = C / N = 300 000 / 1 000 000 = 0,3 Kč/kWh Strana 39 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Základní pojmy Akumulátor zařízení pro ukládání (akumulaci) energie. Zpravidla se rozumí elektrochemický. Existují ale akumulátory na jiném principu např. mechanický akumulátor (pružinový střádač, hydraulický, setrvačník apod.) Článek samostatný nedělitelný element (může se skládat z paralelně zapojených elektrod v jedné nádobě). Baterie sada článků zapojených obvykle do série. Článek Baterie Strana 40 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Obecné vlastnosti akumulátorových baterií Napětí baterie U bat = N s. U čl Napětí článku závisí: na vnitřním odporu na polarizaci při přechodu z nabíjecího do vybíjecího režimu U čl = U i R i. I U Nabíjení Vybíjení I Strana 41 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Změna napětí podle stavu nabití/vybití U U t t Napěťová účinnost U η = stř. vyb U U stř. nab Strana 42 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Kapacita baterie C = Idt C bat = N p C čl Náboj baterie z baterie vydaný je nižší než náboj do baterie vložený Ƞ c = C v / C n I nab C n t v Celková účinnost akumulátoru t n C v t U střtř.v C η = η η = v = U C U C střtř.n n A vyb A nab I vyb Energie uložená v baterii A = C U Strana 43 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Životnost akumulátoru Počet cyklů úplného nabití a vybití do vzniku příznaků poklesu parametrů akumulátoru (jedná se o smluvní veličinu). Parametry jsou stanoveny v příslušných normách nebo dohodou. C jm C [Ah] N jm Strana 44 26. 4. 2012 Jiří Pohl N

Elektrochemické akumulátory energie Nabíjecí a vybíjecí charakteristika olověného akumulátoru (při konstantním proudu) 2,8 2,6 konečné nabíjecí napětí 2,4 U [V] 2,2 počáteční nabíjecí napětí plynovací napětí 2,0 1,8 1,6 počáteční vybíjecí napětí střední vybíjecí napětí konečnéí vybíjecí napětí jmenovité napětí t [h] Strana 45 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Vlastnosti olověného akumulátoru: Při vybíjení klesá napětí olověného akumulátoru, z čehož lze usuzovat na stav nabití. Využitelná kapacita olověného akumulátoru závisí na velikosti vybíjecího proudu. Obvykle se udává kapacita pro pětihodinový vybíjecí proud. C;I C teor C;I C teor I re I teor C re I teor C 0 I 5 =0,2C 5 I re 0 5h t Strana 46 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Snížení kapacity článku v závislosti na teplotě Jmenovitá kapacita [%] Teplota [ C] Strana 47 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Závislost životnosti na teplotě baterie Použitelnost [roky] Teplota [ C] Strana 48 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Počet nabíjecích cyklů v závislosti na hloubce vybíjení Hloubka vybití (DOD) %C 10 ] DIN EN 60896-11Cyklovací test: 1500cyklů při 60%DOD Počet cyklů Strana 49 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Součinitel vnitřního odporu v závislosti na hloubce vybití Součinitel odporu Vybití C 10 [%] Strana 50 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrochemické akumulátory energie Akumulátorovou baterii lze hodnotit jako: zdroj energie: měrná energie k A = A m [ Wh kg] zdroj výkonu: měrný výkon k P = P m [ W kg] Oběma parametry je dána doba vybíjení T = A P [h] Strana 51 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Parametry zásobníků energie Typ k A (kwh/t) k P (kw/t) T (h) c S (Kč/kWh) N c c /N (Kč/kWh) olověný 25 25 1 6 000 1 500 4 pomalé moderní 100 200 0,5 12 000 3 000 4 rychlé ULTRACAP 4 800 0,005 300 000 1 000 000 0,3 Cena za uskladnění 1 kwh Strana 52 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Ekonomika zásobníků energie Energie odebraná ze zásobníku je proti volné elektrické energii dražší vlivem: ztát energie při nabíjení a vybíjení: A 2 = A 1. η, poplatku na obnovu zásobníku: C/(N. A). Cena elektrické energie ze zásobníku (včetně poplatku za obnovu): c 2 = c 1 / η + C/ A / N Cena energie čerpané ze zásobníku (při ceně vstupní energie c 1 = 2,50 Kč/kWh) typ η (%) C/A (Kč/kWh) N (počet cyklů) c 2 (Kč/kWh) olověný akumulártor dvouvrstvý kondenzátor moderní akumulátor 70 6 000 1 500 3,6 + 4 = 7,6 95 300 000 1 000 000 2,6 + 0,3 = 2,9 85 12 000 3 000 2,8 + 4 = 6,8 Strana 53 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Porovnání cen elektrické energie na vozidle Závislá trakce C = c e / ƞ ptz = 2,5 / 0,85 = 2,9 Kč/kWh Nezávislá trakce C = c n / (H. Ƞ m g) = 30 / (10. 0,35) = 8,6 Kč/kWh Polozávislá trakce C = c e / (ƞ n.ƞ z ) + C z /N) = 2,5 /(0,9. 0,85) + 4 = 3,3 + 4 = 7,3 Kč/KWh Rekuperace (jinak nevyužitá) C = 0 + C z /N) = 2,5 /(0,9. 0,9) + 4 = 0 + 4 = 4 Kč/KWh Strana 54 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Kombinace zásobníků energie V zásadě je možno na vozidle použít dva paralelně spolupracující zásobníky energie: velký pomalý zásobník energie pro vytvoření potřebné energie (zajištění dojezdu), malý rychlý zásobník výkonu pro vytvoření potřebného výkonu (zajištění náležité dynamiky rozjezdu a rekuperačního brzdění, odlehčení velkého zásobníku od špiček výkonu s neblahým vlivem na jeho účinnost a životnost. napájení pohon Z1 Z2 Strana 55 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Oblast použití zásobníků energie 1) stacionární na měnírnách - stabilizují sít (v době přebytku energie ji od vozidel přijímají, v době zvýšeného odběru ji vydávají) = = c 2) mobilní na vozidlech - náhrada (doplnění) brzdového odporníku brzdovým kondenzátorem (při brzdění do zastávky energii z trakčního obvodu přijímá, při následujícím rozjezdu ji pohonu vydává k opětovnému použití) = = c = ~ Strana 57 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Reálné oblasti použití vozidlo m [t] v b [km/h] A k [kwh] L z [km] P max [kw] Tramvaj 25 50 0,6 0,5 500 Metro 200 80 13 1 5 000 Příměstský vlak 300 120 43 3 4 000 L Z... vzdálenost zastávek A k využitelná kinetická energie A P k 1 2 =.m.v.ηη. 2 = a.m.v.ξ Zatím reálné jen u tramvají max a) Technické důvody Z důvodu nízké rychlosti je kinetická energie dodaná do zásobníku při jednom brzdění nepříliš velká a zásobníkem zvládnutelná (hmotnost zásobníku je v přijatelné proporci k hmotnosti vozidla): 2 mz m.v 2 ~ ~ v 2 b) Ekonomické důvody m k.m Z důvodu malé vzdálenosti zastávek je Ak Ak.vc zásobník během jízdy často využíván: P = = T Strana 58 26. 4. 2012 Jiří Pohl L Z

Hybridní vozidla Jejich pohon je napájen ze dvou zdrojů současně Příklad: diesel / akumulátor F ~ = = ~ ~ diesel diesel + baterie 0 v Baterie vyrovnává energetickou bilanci Vozidlo v klidu: dieselagregát nabíjí baterii Vozidlo za jízdy: baterie je vybíjena (pomáhá naftovému motoru) Elektrodynamická brzda: baterie je nabíjena rekuperovanou brzdovou energií Strana 59 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Pracovní cyklus hybridního pohonu v v(t) + - G M 0 t P - diesel P m P bat = P g - P m P g + 0 vybíjení zásobníku energie t nabíjení zásobníku energie rekuperační brzda Strana 60 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Reference: Dieselakumulatorová hybridní posunovací lokomotiva TA 436.0 (ČKD, 1986) B 0 B 0 64 t Diesel Baterie 150 kw 360 kw Náhrada dieselelektrické lokomotivy o výkonu 600 kw G dlouhodobý provoz v Olomouci úspora 20% paliva ve srovnání s konvenční dieselelektrickou lokomotivou 600 kw Alkalická baterie: U = 600 V C = 300 Ah A = C U = 180 kwh m = 12 t Strana 61 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrobus oběhový princip (velký pomalý zásobník) Po nabití zásobníku energie na vozidle v nabíjecí stanici využívá vozidlo energii ze zásobníku energie až do jeho vybití. Zásobník je též využíván k rekuperačnímu brzdění. Dojezd: cca 100 km Doba provozu: několik hodin Příklad: L = 100 km, m = 15 t e = 1,2 kwh/km A = L e = 100 1,2 = 120 kwh Doba nabíjení: T 1 = 2 h A P = = T η 120 2 0,8 1 = 1 75 kw A 0 T Nabíjecí stanice Nabíjecí stanice L 100 km Strana 62 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Teoretický akční rádius (dojezd) polozávislých vozidel Příklad tradiční městský elektrobus (zastávky po 1 km, stálá rychlost 50 km/h, moderní baterie, rekuperace): L = 3 600. k A. k m. η. (1 β) / (p. g) = 3 600. 100. 0,1. 0,85. (1 0,2) / (18. 9,81) = 139 km (tedy zhruba 7 hodin provozu při oběhové rychlosti 20 km/h) k A měrná energie zásobníku ( 100 kwh/t), k m poměrná hmotnost zásobníku energie (k m = m z / m = 1,5 / 15 = 0,1), η účinnost trakčního pohonu (0,85) β... poměrný příkon vedlejší spotřeby (0,2 spíš víc: topení, klimatizace), p měrný trakční odpor (13 + 5 = 18 N/kN). čtyřnásobně koncentrovanější zásobník energie (100 kwh/t versus 25 kwh/t) plus též rekuperace brzdové energie výrazně zvýšily dojezd elektrobusu. Strana 63 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Elektrobus zastávkový princip (malý rychlý zásobník) Zásobník je dobíjen na každé zastávce (v průběhu výstupu a nástupu cestujících) a je dimenzován pouze na jízdu k následující zastávce. Též je využíván k rekuperačnímu brzdění. Dojezd: cca 1 až 2 km Doba provozu: několik minut Příklad: L ab = 1 km W = 1,2 kwh/km A = L ab W = 1 1,2 = 1,2 kwh T 1 = 20 s = 0,0056 h P A T η 1,2 0,0056 0,8 1 = = = 1 270 kw A rekuperační brzda 0 T L cca 1 km zastávka A zastávka B zastávka C zastávka D Strana 64 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Siemens e-brt (electric Bus Rapid Transit) Strana 65 26. 4. 2012 Jiří Pohl

Shrnutí Trendy ve společnosti: roste cena kapalných uhlovodíkových paliv => je potřebné řešit náhradu ropných paliv elektrickou energií, mění se formy osídlení měst. V důsledku růstu komfortu bydlení klesá plošná koncentrace obyvatelstva => jsou potřebné i méně kapacitní dopravní systémy. Kromě dopravních systémů charakteru elektrické dráhy (metro, tramvaj, trolejbus), které jsou z důvodu budování nákladné infrastruktury ekonomicky opodstatněné při náležitě silných přepravních proudech, je vhodné doplnit městskou hromadnou dopravu i o systémy polozávislé elektrické vozby. Strana 68 26. 4. 2012 Jiří Pohl