Zaopatrzenie systemów transportowych w energię elektryczną wiąże się z wieloma wyzwaniami technicznymi. Akumulatory od dawna są podstawowym źródłem energii wykorzystywanym do zasilania rozruchu silnika. Dotychczas jedynym dostępnym typem akumulatorów były akumulatory kwasowo-ołowiowe – ostatnie innowacje obejmujące różne kombinacje chemiczne i metody konstrukcyjne znacznie poprawiły gęstość energii i zmniejszyły ich wagę.
Nowoczesne tramwaje i pociągi jeszcze bardziej zwiększyły zapotrzebowanie na energię ze względu na rosnącą różnorodność pokładowych systemów informacyjnych oraz łączności bezprzewodowej. Wraz z przechodzeniem wielu pojazdów szynowych na całkowicie elektryczny układ napędowy, potrzeby związane z energią jeszcze bardziej się zwiększają. Wyzwaniem dla większości technologii akumulatorowych są również warunki pracy jak na przykład uruchamianie silników w niskich temperaturach.
Poniżej omówimy ultrakondensatory, będące realnym i dodatkowym źródłem energii w transporcie.
Różnorodność systemów transportu masowego
Jesteśmy coraz bardziej świadomi zużycia energii oraz tego, w jaki sposób podróżujemy. Podróżujący wciąż szukają alternatywy dla zatłoczonych dróg – dlatego coraz więcej inwestuje się w nowe sieci lekkiej kolei, autobusów i transportu zbiorowego, jak również istniejącą infrastrukturę kolejową.
Wiele dużych miast wprowadziło lub planuje nowe systemy transportu publicznego, które zmniejszają zatłoczenie dróg i redukują zanieczyszczenie powietrza
Projektując energooszczędne, eleganckie i zgrabne pojazdy transportu publicznego, należy zrównoważyć całkowitą masę i nośność elementów trakcyjnych i elementów magazynowania energii.
Wyzwania związane z dostarczaniem energii
Akumulatory to idealne źródło mobilnej energii, jednak w nowoczesnych, wymagających zastosowaniach nie zawsze spełniają one wszystkie potrzeby. Zapewnienie wysokiego obciążenia prądem szczytowym wymaga zastosowania większej ilości akumulatorów niż przy normalnym obciążeniu roboczym, co zwiększa ich wagę i wydłuża czas ładowania. Zestawy akumulatorów są nieporęczne i wymagają długiego czasu ładowania, ogranicza to ich funkcjonalność. Ograniczeniem dla akumulatorów są również temperatury otoczenia, szczególnie w przypadku skrajnie niskich i wysokich temperatur.
W niektórych akumulatorach ze względu na ich wewnętrzną zastępczą rezystancję szeregową (ESR) następuje powolne rozładowywanie. Z kolei ESR jest czynnikiem, który ogranicza maksymalną ilość prądu, jaką mogą one dostarczyć i powoduje ich nagrzewanie się.
Kolejnym ważnym aspektem dotyczącym akumulatorów jest ich żywotność. Podczas ich aktywnej eksploatacji wymagają one również kontroli i rutynowej konserwacji. Zazwyczaj mają określony czas eksploatacji, po którym ich zdolność do pełnego naładowania ulega znacznemu ograniczeniu.
Następnym ważnym parametrem podczas pracy z akumulatorami jest ich ograniczenie do pracy w niskich temperaturach – tracą wówczas swoją pojemność.
Zasięg działania autobusów i tramwajów z napędem elektrycznym zależy od pojemności akumulatora. Można go zwiększyć poprzez tzw. hamowanie rekuperacyjne, które polega na odzyskiwaniu energii z silników napędowych, gdy pojazd zwalnia. W krótkim czasie generowana jest wówczas znaczna ilość energii. Do pełnego wykorzystania tej metody wytwarzania energii potrzebna jest również metoda jej szybkiego magazynowania.
Na rysunku 1 przedstawiono właściwości akumulatorów kwasowo-ołowiowych i litowo-jonowych w porównaniu z ultrakondensatorem.
Dzięki ostatnim innowacjom w technologii kondensatorów opracowano stosunkowo kompaktowe kondensatory o wysokiej pojemności, określane jako superkondensatory i ultrakondensatory. Kondensatory te oferują wyjątkową wydajność w stosunku do swojej wagi – patrz rysunek 1 – i coraz częściej stosowane są w transporcie. Dzięki dużej gęstości energii, szybkiemu ładowaniu i wysokiemu prądowi podczas rozładowywania, ultrakondensatory pozwalają na rozruch silnika, pracę przy obciążeniu szczytowym i regeneracyjne magazynowanie energii.
Ultrakondensatory i ich zastosowanie w systemach transportowych
Superkondensatory i ultrakondensatory to kondensatory o dużej pojemności, o wartościach rzędu dziesiątek i setek faradów. Zakres pojemności ultrakondensatorów sięga z reguły kilku tysięcy faradów. Działają one jak każdy zwykły kondensator elektrolityczny, np. mają zdolność do szybkiego ładowania i rozładowywania. Jednak ze względu na niską rezystancję wewnętrzną i zdolność do magazynowania energii są one bardziej podobne do baterii wielokrotnego ładowania. Z tego właśnie powodu ultrakondensatory szybko stają się opłacalnym nośnikiem energii, który potencjalnie może zastąpić konwencjonalne baterie w niektórych zastosowaniach.
Ultrakondensatory od wyspecjalizowanego dostawcy Supreme Power Solutions (SPSCAP) wykorzystują powłokę z węgla aktywnego i organiczny elektrolit.
Takie rozwiązanie pozwala na uzyskanie niezawodnego kondensatora o dużej pojemności, niskiej rezystancji wewnętrznej i niskim współczynniku upływu. Dzięki porowatej elektrodzie z węgla aktywowanego o dużej powierzchni i separacji ładunku przez cienką warstwę elektrolitu powstaje dwuwarstwowy kondensator elektryczny.
Przykłady zastosowania ultrakondensatorów w transporcie to między innymi:
- Systemy odzyskiwania energii hamowania dla pociągów metra i lekkich tramwajów.
- Integracja z akumulatorami dla zapewnienia wysokiej wydajności.
- Rozruch lokomotyw spalinowych w niskich temperaturach.
- Równoważenie obciążenia dla zespołów napędowych wielu wagonów podczas szybkiego przyspieszania.
Ultrakondensatory mogą zapewnić natychmiastowe obciążenie szczytowe wymagane do rozruchu silnika Diesla, przedłużając żywotność baterii i redukując koszty związane z konserwacją i wymianą akumulatora.
Przykłady ultrakondensatorów od SPSCAP to m.in. seria SCE i SCP – cylindryczne elementy o niskim ESR i wysokim cyklu pracy.
Seria SCE – patrz rysunek 2 – charakteryzuje się pojemnościami w zakresie od 100 F do 800 F, z opcją spawalnych lub gwintowanych końcówek na jednym końcu. Ze względu na niewielkie wymiary, projektanci systemów energetycznych mogą łączyć je w konfiguracje szeregowe i równoległe, tworząc zasilacze awaryjne, które mogą zapewniać natychmiastowe zasilanie.
Jednym z przykładów jest SCE0360C0, ultrakondensator 360 F, 2,7 V, o wymiarach 35 mm × 62 mm i ESR wynoszącym maks. 3,2 miliomów.
Przykładem serii SCP – patrz rys. 3 – jest SCP2000C0, ultrakondensator 2000 F, 2,7 V. Ponieważ końcówki można spawać na obu końcach, a cykl pracy wynosi ponad 1 000 000, nadaje się on do rozwiązań odzyskiwania energii, rozruchu silników lokomotyw i hybrydowych układów napędowych. SCP2000 o rozmiarach 60,8 mm × 108,4 mm i wadze 402 g może pracować w zakresie temperatur od -40 °C do + 65 °C. Maksymalny prąd szczytowy wynosi ponad 2000 A, a maksymalna obciążalność prądem ciągłym przy wzroście temperatury o 40°C wynosi 208 A.
Najnowsze produkty z linii ultrakondensatorów SPSCAP to ultrakondensatory CDCL i CDCM. Wszystkie nowe produkty mają różne wartości pojemności, napięcie robocze 2,85 VDC i kompaktowe wymiary. Na przykład, seria CDCL składa się z pięciu ultrakondensatorów o wartościach 650 F, 1200 F, 1500 F i 3000 F.
W przypadku popularnych zastosowań, takich jak rozruch silnika w niskiej temperaturze, gotowy zmontowany moduł ultrakondensatora zapewnia szybki i łatwy sposób instalacji. Przykładem jest MDLC0300C0, 300 F, 24 V umieszczony w solidnej obudowie IP65 przypominającej baterię. Może on pracować w temperaturze do -40 stopni C i zapewnia maksymalną szczytową moc rozruchową 45 kW.
Ultrakondensatory: kompaktowe rozwiązania w zakresie magazynowania energii o wysokiej gęstości dla transportu
Wraz z rosnącym zróżnicowaniem ekosystemu transportu i mobilności zapotrzebowanie na rozwiązania magazynujące energię o długiej żywotności, szybkim ładowaniu i wysokiej gęstości staje się coraz większe.
Ultrakondensatory szybko stały się opłacalną metodą magazynowania energii do natychmiastowego dostarczania jej do zastosowań związanych z kontrolą trakcji, odzyskiwaniem energii i rozruchem silnika. Mogą one uzupełniać istniejące systemy akumulatorów do zastosowań związanych z obciążeniem szczytowym i równoważeniem wielu obciążeń lub stać się podstawowym źródłem energii dla wielu systemów pokładowych.
