Zasobnik energii w układach ładowania pojazdów elektrycznych na terenie dużych aglomeracji miejskich Battery Energy Storage for Electric Vehicles Charging System Located in Urban Areas

Pełen tekst

(1)PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ z. 92. Transport. 2013. Marcin Koniak Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu. ZASOBNIK ENERGII W UK ADACH ADOWANIA POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH NA TERENIE DUYCH AGLOMERACJI MIEJSKICH Rkopis dostarczono, listopad 2012. Streszczenie: Przewidywany wzrost udzia u samochodów elektrycznych zarówno do przewozu towarów jak i osób wymaga stworzenia wydajnej i bezpiecznej infrastruktury uk adów ich adowania. Szczególnie istotne jest to w obszarach aglomeracji miejskich, gdzie liczba takich pojazdów bdzie najwiksza. W artykule przedstawiono koncepcje wykorzystania zasobnika energii do adowania samochodów elektrycznych. Zaprezentowano moliwe do zastosowania technologie magazynowania energii. Autor przeanalizowa koncepcje instalacji takich uk adów na parkingach typu Parkuj i Jed, duych obiektów jak centra handlowe i kompleksy biurowe, bazach firm kurierskich i zajezdniach autobusowych. Ze wzgldu na miejsce instalacji przedstawiona zosta a take moliwo wspó pracy z odnawialnymi ród ami energii. Sowa kluczowe: stacje adowania, pojazdy elektryczne, zasobnik. 1. WPROWADZENIE Rynek pojazdów elektrycznych zgodnie z prognozami bdzie si rozwija , osigajc zgodnie z prognozami w 2020 roku wielko 10% udzia u w sprzeday samochodów. Naley wzi pod uwag, e tego typu samochody ze wzgldu na zasig najlepiej nadaj si do poruszania si po miastach. Tam wic bdzie ich najwicej. Odbiorcami takich pojazdów mog sta si ludzie dojedajcy do pracy z terenów podmiejskich, lub z odleg ej czci miasta, firmy kurierskie oraz komunikacja publiczna. Wspóln cecha wszystkich wymienionych grup odbiorców jest fakt, e pojazdy te bd adowane na zbiorczych parkingach. Dla samochodów osobowych bd to parkingi typu Parkuj i Jed, parkingi centrów handlowych lub kompleksów biurowych. W przypadku ciarówek firm kurierskich bd to ich bazy, a dla autobusów zajezdnie i kocowe ptle. Ze wzgldu na czas postoju oraz charakter uytkowania zaparkowanych pojazdów zrónicowany bdzie ich prd adowania, jednak w znakomitej wikszoci wymagane bdzie szybkie uzupe nienie pojemnoci zasobnika. Pociga to za sob znaczne prdy adowania, co przek ada si na zwikszone obcienie sieci elektroenergetycznej. Naley wzi te pod.

(2) 98. Marcin Koniak. uwag moment przy czenia pojazdów do sieci. Autobusy i firmy kurierskie bd potrzebowa y adowania ca ej floty w godzinach nocnych oraz do adowywania w czasie pracy na postojach i w bazach. Jednak ludzie zostawiajcy samochody po dojechaniu do pracy bd je przy cza w godzinach porannych, co zbiegnie si z porannym szczytem zapotrzebowania na energi elektryczn dodatkowo go powikszajc.. 2. KONCEPCJA INTEGRACJI STACJI ADOWANIA Z ZASOBNIKIEM ENERGII By zapobiec przecieniu systemu energetycznego aglomeracji miejskich spowodowanemu adowaniem pojazdów elektrycznych, mona zastosowa nastpujce rozwizania: x modernizacja istniejcej sieci dystrybucyjnej i przesy owej, x budowa nowych elementów sieci, x budowa uk adów generacyjnych blisko miejsc zwikszonego zapotrzebowania, x magazynowanie energii w miejscu zwikszonego zapotrzebowania. Istniejca sie dystrybucyjna i przesy owa jest obecnie modernizowana i rozwijana, jednak takie dzia ania ograniczone s moliwociami technicznymi. Budowa nowych elementów infrastruktury sieciowej poza znacznymi kosztami równie jest ograniczona trudnociami zwizanymi np. z wykupem gruntów pod inwestycje od prywatnych w acicieli. Interesujcym rozwizaniem jest instalacja ma ych jednostek generacyjnych na kocach linii. Taki obiekt odcia lini i pozwala wytwarza energi bezporednio w miejscu jej zapotrzebowania. Odnawialne ród a energii (OZE) mog y by zosta wykorzystane do realizacji opisanych uk adów. Ogniwa s oneczne doskonale nadaj si do instalacji w miejscach takich jak dachy budynków w miastach. Turbiny wiatrowe natomiast ze wzgldu na ha as jaki wytarzaj nie mog by montowane w pobliu terenów zamieszkanych. Mona je zastosowa poza miastem. Obie wymienione technologie niestety maja wspólna cech, s cile zalene od warunków atmosferycznych, które jak wiadomo s trudne do przewidzenia i szybkozmienne. Zastosowanie zasobnika energii w miejscu zwikszonego zapotrzebowania na energi elektryczn jak stacja adowania jest rozwizaniem pozwalajcym na: x zbilansowanie mocy w miejscu przy czenia, x ograniczenie poboru energii w sieci w szczycie zapotrzebowania, x wyrównanie profilu odbioru. Na rysunku 1 pokazano schemat blokowy zintegrowanej stacji adowania samochodów elektrycznych z zasobnikiem energii..

(3) Zasobnik energii w uk adach adowania pojazdów elektrycznych na terenie duych …. 99. Rys. 1. Schemat blokowy stacji adowania z zasobnikiem energii. Moliwe jest take po czenie uk adu zasobnika energii z elektrowniami OZE co pozwala na: x efektywne wykorzystanie energii pochodzenia odnawialnego, x wyeliminowanie wp ywu niestabilnoci generacji na odbiory i sie .. 3. PRZEGLD TECHNOLOGII MAGAZYNOWANIA ENERGII MOLIWYCH DO ZASTOSOWANIA W ROZPATRYWANEJ APLIKACJI Zasobnik energii jest urzdzeniem przechowywujcym energi przez pewien czas, rozpoczynajcy si w momencie jej poboru z sieci elektroenergetycznej, a koczcy zasileniem odbiorcy. Przed wyborem technologii magazynowania naley wzi pod uwag nastpujce parametry: x x x x x x x x x x x. gsto energii i mocy (wolumetryczna i grawimetryczna), czas ycia, moliwo adowania duym prdem, szybko odpowiedzi, wymagania dotyczce adowania, bezpieczestwo, sprawno , czstotliwo serwisowania, atwo okrelenia stanu na adowania i kondycji zasobnika, koszt recyklingu, koszt zasobnika..

(4) 100. Marcin Koniak. Wybór zasobnika energii jest take zwizany z wyborem technologii magazynowania. Tablica nr 1 przedstawia przyk adowe technologie magazynowania przyporzdkowane do trzech form zmagazynowania energii Tablica 1 Zestawienie technologii zasobników energii w zalenoci od tego w jakiej formie energia jest magazynowana elektryczna. mechaniczna. elektrochemiczna. nadprzewodzce cewki. pompowanie wody. baterie kwasowooowiowe. kondensatory. koa zamachowe. baterie wysokotemperaturowe. sprone powietrze. baterie na bazie litu. . . technologie NiCd i NiMH. . . systemy Redox-flow. Powyej przedstawione technologie róni si zasadniczo take pod wzgldem parametrów jakimi si charakteryzuj. Istotne z punktu widzenia tej publikacji cechy zasobników zebrano w tablicy 2. Tablica 2 Wybrane parametry rónych technologii magazynowania energii [1] Zasobnik energii. Energia zmagazynowana. Moc. Czas wejcia do pracy. Czas magazynowania. 3. elektrownia szczytowo-pompowa. ~ 10 MW*h. 10 -10 MW. 2-5 minut. miesice. CAES. ~ 102 MW*h. 102 MW. 12 minut. miesice. koa zamachowe. kW*h. 102 kW. sekundy. godziny. baterie. kW*h do MW*h. kW do MW. milisekundy. miesice. cewki nadprzewodzce. ~ 0,5 kW*h. ~ 1 MW. sekundy. minuty. superkondensatory. ~ 5W*h. milisekundy. minuty. 3. Jak wida ze wzgldu na czas magazynowania oraz moliwoci aplikacji na parkingach w miastach interesujce wydaj si technologie oparte na bateriach elektrochemicznych, masach wirujcych i spronym powietrzu. Wymienione typy zasobników scharakteryzuj, przedstawi ich zalety i wady w odniesieniu do zastosowania ich jako magazyny energii do adowania samochodów elektrycznych..

(5) Zasobnik energii w uk adach adowania pojazdów elektrycznych na terenie duych …. 101. 3.1. BATERIE ELEKTROCHEMICZNE Ze wzgldu na cen najkorzystniejszym wyborem elektrochemicznego zasobnika s baterie kwasowo – o owiowe. Technologia ta jest znana od wielu lat i najpowszechniej wykorzystywana. Niewtpliw zalet tych akumulatorów jest dostpno recyklingu. Wad tej technologii jest niska gsto energii, co przek ada si na konieczno. umieszczania ich w odpowiednio duych pomieszczeniach zdolnych pomieci ca instalacj. Pomieszczenia te powinny by klimatyzowane ze wzgldu na moliwo emisji wodoru przez ogniwa. Istotne jest take by temperatura w jakiej pracuj by a zbliona do 25 Celsjusza poniewa wtedy czas samoroz adowania i prd jakim mona adowa oraz roz adowywa baterie osiga optymalne wartoci. Przy doborze pojemnoci bateryjnego zasobnika naley wzi pod uwag g boko. roz adowania akumulatorów do jakiej bdzie si dopuszcza podczas normalnej pracy. G boko ta mam wp yw na czas ycia ogniw liczony w liczbie cykli pracy, co pokazane jest na rysunku 2. . Rys. 2. Wp yw DOD i iloci cykli na d ugo ycia baterii kwasowo- o owiowej [2]. 3.2. MASA WIRUJCA Ko a zamachowe to urzdzenia za pomoc których mona zmagazynowa energi w ruchu obrotowym. Wraz z rozwojem energoelektroniki i napdów elektrycznych rozpocz si powrót do tego typu uk adów. Na wspólnym wale osadzona jest zarówno maszyna elektryczna jak i wirujca masa. Dziki przekszta tnikom energoelektronicznym moliwa jest regulacja napicia i prdu niezalenie od prdkoci obrotowej wirujcej masy. W zalenoci od wymaga takich jak koszt, pojemno czy ilo zajmowanego miejsca ko a zamachowe mog by wykonane ze stali ze wzgldu na jej wag lub materia u kompozytowego, poniewa moe on si obraca z bardzo du prdkoci bez ryzyka zniszczenia..

(6) 102. Marcin Koniak. Zmagazynowana energia w kole zamachowym zaley od momentu bezw adnoci masy wirujcej i kwadratu jej prdkoci ktowej co wyraa si zalenoci (1). E. 1 2 Iπ 2. (1). Gdzie moment bezw adnoci I zaley od promienia, masy i d ugoci rotora zgodnie z (2). I. r 2 mh 2. (2). Zalet kó zamachowych magazynujcych energi na stacji adowania pojazdów jest ich niski koszt, wystarczajco d ugi czas magazynowania rzdu godzin, ilo cykli pracy liczona w dziesitkach tysicy oraz brak specyficznych wymaga odnocie pomieszczenia w którym s eksploatowane. [3]. 3.3. SPRONE POWIETRZE Technologi która take mog aby by wykorzystana jako zasobnik do adowania samochodów elektrycznych jest magazynowanie energii w postaci spronego powietrza. Naley jednak wzi pod uwag wady jakie w tym przypadku wystpuj, a s to: wysoki koszt takiego systemu przy uwzgldnieniu zapewnienia warunków bezpieczestwa, samoroz adowanie spowodowane utrat energii cieplnej zgromadzonej w czasie adowania, wykorzystywanej do ogrzania powietrza w czasie oddawania energii. Rozwizanie takie jest uzasadnione jedynie, gdy energia magazynowana by aby na krótki czas.. 4. PROPOZYCJE ROZWIZA UK ADÓW ADOWANIA Z ZASOBNIKAMI ENERGII Ze wzgldu na po oenie parkingu i przewidywany czas postoju adowanych na nim pojazdów moemy wyróni nastpujce typy: x po oone w centrach miast np. przy galeriach handlowych czy kompleksach biurowych, czas postoju kilka godzin, x typu „Parkuj i Jed” znajdujce si w pewnej odleg oci od centrum, ale nadal na obszarze miasta, czas postoju oko o 8 godzin, x na obrzeach miast nalece do firm transportowych i komunikacji miejskiej, postój w nocy i podczas za adunków paczek,.

(7) Zasobnik energii w uk adach adowania pojazdów elektrycznych na terenie duych …. 103. x przynalene do budynków mieszkalnych i uytecznoci publicznej rozmieszczone na ca ym obszarze miasta, postój przez noc lub d uej. Jak wida zarówno umiejscowienie parkingów jak i czas postoju pojazdów na nich s bardzo zrónicowane. Z punktu widzenia sieci najwiksze obcienie stanowi parkingi na których moe wystpi pod czenie w jednym czasie duej liczby samochodów wymagajcych szybkiego adowania duym prdem. Takimi obiektami s galerie handlowe oraz parkingi „Parkuj i Jed”. Na tego typu parkingach wydaje si konieczne zamontowanie zasobników energii w celu przeciwdzia ania przecieniu sieci. Taki zasobnik móg by pracowa w reimie adowania raz dziennie, tasz energi z nocy oddawa by w czasie najwikszego na ni zapotrzebowania. Rozwizanie to korzystnie wp yn oby na czas ycia akumulatorów, co przek ada si na mniejsze koszty roz oone w czasie zwizane z koniecznoci wymiany zuytych baterii. Dodatkow zalet proponowanego wykorzystania zasobnika jest moliwo , przy w aciwym jego zwymiarowaniu, obnienia mocy umownej do wartoci redniej. Przekroczenia tej mocy by yby pokrywane z akumulatorów. Na dachach omawianych obiektów moliwe by oby zainstalowanie ogniw s onecznych, co pozwoli oby dodatkowo do adowywa akumulatory w czasie dnia energi s oneczn. Taki system jest obecnie testowany przez Electric Power Research Institute z Knoxville. Wad takiego rozwizania jest obecnie wysoka cena baterii s onecznych oraz ich niska sprawno . W przypadku parkingów na osiedlach mieszkaniowych przewaajca wikszo. samochodów parkuje tam na d uszy czas, dziki czemu moliwe jest adowanie ich mniejszym prdem, co jest bezpieczniejsze zarówno dla samej baterii trakcyjnej jak i systemu elektroenergetycznego. Parkingi floty pojazdów kurierskich znajduj si zazwyczaj przy bazach tych firm. adowanie pojazdów moe odbywa si zarówno w nocy na postoju ma ym prdem jak i w dzie w czasie powrotu samochodów po przesy ki, bd z nimi, wtedy wymagane jest szybkie adowanie duym prdem. W takiej sytuacji prawid owo dobrany zasobnik energii, adowany w nocy móg by zapewni wyrównanie profilu obcienia odkszta conego szybkim adowaniem pojazdów. Obecnie najwydajniejszym ród em energii elektrycznej pochodzenia odnawialnego jest turbina wiatrowa. Jednak ta technologia nie jest pozbawiona wad takich jak ha as podczas pracy, zmienno generacji uzaleniona od warunków atmosferycznych, czy obszar jaki zajmuj wiatraki. Z tych powodów nie jest moliwe ich wykorzystanie w miastach do adowania samochodów elektrycznych. Jednak turbina wiatrowa w po czeniu z uk adem adowania samochodów elektrycznych z zasobnikiem energii mog aby stanowi. ród o zasilania dla stacji umieszczonych w odleg oci kilku kilometrów od granic miasta. Tego typu parkingi w za oeniu by yby przeznaczone dla ludzi dojedajcych do pracy w miecie, a mieszkajcych do 60km od niego. Taka odleg o nie stanowi problemu dla samochodu elektrycznego. Rozwizanie to wymaga oby dodatkowo szybkiego transportu zbiorowego na trasie parking – centrum miasta, jednak pozwoli oby roz adowa ruch w samym miecie. Dodatkow zachta do korzystania w tego typu parkingu mog yby by. nisze koszty energii elektrycznej wykorzystywanej do adowania baterii trakcyjnych..

(8) 104. Marcin Koniak. 5. PODSUMOWANIE W najbliszych latach moe okaza si konieczna instalacja zasobników energii na kocach linii i w miejscach charakteryzujcych si duym poborem energii w zrónicowanych porach dnia. Tego typu odbiorem jest parking ze stacjami adowania pojazdów elektrycznych. Magazyny energii w takich obiektach pozwoli y by odciy sie. zasilajc oraz umoliwi projektowanie przy cza na moc redni, a nie szczytow. Dodatkowo umoliwi y by sprawne i efektywne pozyskiwanie energii do adowania pojazdów z odnawialnych jej róde poprzez magazynowanie jej podczas generacji i oddawanie jej w momencie zapotrzebowania. Idea instalacji tego typu zasobników nie jest niestety pozbawiona wad takich jak koszt akumulatorów, konieczno wykonywania dodatkowych czynnoci serwisowych czy spe nienie wymaga bezpieczestwa ich instalacji. Naley si jednak spodziewa , e w nied ugim czasie rozwinite i wdroone zostan tasze technologie chemicznego magazynowania energii dziki czemu integracja stacji adowania samochodów elektrycznych z zasobnikiem bdzie przystpniejsza cenowo. Podzikowania Autor dzikuje za wsparcie otrzymane w ramach stypendium wspó finansowanego przez Uni Europejsk w ramach Europejskiego Funduszu Spo ecznego, które przyznawane jest przez Centrum Studiów Zaawansowanych Politechniki Warszawskiej w ramach projektu „Program Rozwojowy Politechniki Warszawskiej”. Bibliografia 1. Biczel P., Koniak M.: Dobór zasobnika energii do elektrowni s onecznej. Metoda symulacyjna. „Odnawialne ród a energii”, Wydawnictwo Instytutu Technologii i Eksploatacji Radom 2009. 2. Panasonic: Sealed Lead-Acid Batteries Technical Handbook 2000. 3. Bolund B., Bernhoff H., Leijon M.: Flywheel energy and power storage systems. Renewable and Sustainable Energy Reviews 11 (2007) 235–258.. BATTERY ENERGY STORAGE FOR ELECTRIC VEHICLES CHARGING SYSTEM LOCATED IN URBAN AREAS Summary: The projected increase in the share of electric vehicles for transport, of both goods and people, requires an efficient and secure charging infrastructure. This is especially important in urban areas, where the number of such vehicles will be the greatest. The article presents the concepts of energy storage system used for charging electric cars. The author examined the idea of installing such systems in car parks e.g. Park and Ride, large buildings, such as shopping centers and office complexes, shipping company's facilities and bus depots. The possibility of cooperation with renewable energy sources, which takes into account the location of the equipment, is also presented in the following article. Keywords: charging stations, electric vehicles, energy storage. . .

(9)