Revista >> Septembrie 2016 [Nr. 187] >> Cercetare & Invatamant superior

ICPE-CA - sisteme de stocare a energiei

Dr. ing. Cristinel Ilie

22 Septembrie 2016

ICPE-CA cercetează modul în care poate fi stocată şi transformată energia cinetică a roţii volante în energie electrică cu maximă eficienţă, obţinându-se uzual randamente de 90-95%.

Stocarea energiei electrice se face cu scopul economisirii ei, pentru o folosire ulterioară. Printre soluțiile posibile pentru sistemele de stocare se numără: sisteme de stocare cu acumulatori electrochimici; sisteme de stocare hidraulice şi pneumatice; sisteme mecanice (stocarea energiei în sisteme inerţiale cu roată volantă); sisteme electromagnetice (stocarea energiei în bobine supraconductoare); supercapacitori; sisteme de stocare a energiei cu hidrogen (pile de combustie); sisteme de stocare a energiei termice.
Alegerea sistemului corespunzător se face în funcţie de capacitatea necesară pentru stocare, perioada minimă de stocare, condiţiile de încărcare şi descărcare, spațiul disponibil și mediul ambiant, tipul de fluctuații compensate, densitatea de energie necesară, durata de viață necesară, numărul minim de cicluri şi parametrii sistemului energetic.

FEES, o alternativă atractivă
Un sistem cu volant, cunoscut în literatura de specialitate ca Flyweeel Energy Storage System - FESS, poate fi considerat o baterie mecanică, fiind utilizat pentru stocarea energiei mecanice și transferul acestei energii către și de la volant, prin intermediul unei mașini electrice.
Dispozitivele care utilizează conceptul de stocare a energiei cinetice datează din cele mai vechi timpuri. Roțile olarilor și roțile de tors sunt primele exemple de sisteme care au utilizat stocarea energiei cinetice acumulată într-o masă în mişcare de rotaţie. Odată cu apariția mașinilor moderne, volantul a devenit un subansamblu obișnuit la motoarele cu abur și la motoarele cu ardere internă, fiind folosit pentru uniformizarea cuplurilor fluctuante produse de mișcarea rectilinie alternativă a pistoanelor acestor maşini.
Deşi sistemele cu volant au o vechime considerabilă, sistemele actuale de stocare a energiei volantului sunt frecvent utilizate în aplicații de înaltă tehnologie.
Acest lucru se datorează descoperirii de noi materiale de înaltă rezistenţă (fibre de sticlă, fibre de carbon, kevlar), care permit turaţii mai mari de 100.000 rpm, introducerea sistemului în carcase vidate şi utilizarea de lagăre magnetice care nu au contact mecanic. Numai prin utilizarea acestor tehnologii de vârf sistemele FESS au putut reprezenta un domeniu în continuă evoluţie cu aplicaţii tot mai diversificate.
FESS poate fi utlizat pentru protecţia reţelelor energetice datorită capacităţii de a asigura un răspuns rapid prin preluarea fluctuaţiilor sarcinilor electrice. Soluţia este aplicabilă atât în reţelele energetice clasice, cât şi pentru managementul infrastructurii ce implică surse de energie regenerabilă, de exemplu solară şi eoliană.

Dacă la început ele erau folosite numai în aplicaţii statice, în ultimile decenii au început să fie folosite şi în aplicaţii mobile. Energia specifică mare pe care FESS o pot stoca, face ca acestea să fie atractive şi în domeniul spaţial, de exemplu pentru sateliţi, cât şi în domeniul auto, în construcţia autovehiculelor hibride.
În comparaţie cu principalul sistem de stocare a energiei, reprezentat de acumulatorii electrochimici, FESS se caracterizează prin:
• putere specifică mai mare (între 5 şi 10 kW/kg la FESS, la acumulatorii electrochimici fiind cu un ordin de mărime mai mică);
• energia specifică acumulată de FESS poate depăşi 200 Wh/kg, valorile uzuale fiind în jur de 100 Wh/kg; acumulatorii cu Pb asigură în mod uzual de la 30 Wh/kg până la peste 100 Wh/kg la acumulatorii Li-Ion;
• costul pe unitatea de energie acumulată cu FESS este de până la 8 ori mai mare decât la acumulatorii cu Pb;
• durata de viaţă a FESS este mult mai mare, factorul de multiplicare faţă de acumulatorii electrochimici fiind tot în jur de 8, compensând astfel dezavantajul legat de costurile specifice ridicate;
• FESS pot suporta un număr practic nelimitat de cicluri de încărcare/descărcare, pe când, la acumulatorii electrochimici, numărul ciclurilor de încărcare/descărcare este limitat, din cauza diminuării performanţelor;
• randamentul FESS moderne este 90...95%, faţă de cel al acumulatorilor electrochimici, care este de 60...80% (acumulatorii cu Pb);
• impactul tehnologiei de realizare şi utilizare a FESS asupra mediului este incomparabil mai mic faţă de execuţia şi utilizarea acumulatorilor electrochimici. Acest aspect trebuie luat în considerare atunci când se analizează costurile aferente celor două sisteme de stocare a energiei;
• FESS pot funcţiona într-o plajă mult mai largă de temperaturi decât sistemele electrochimice.

În raportul International Energy Agency din 2014, Technology Roadmap Energy Storage, unde se fac recomandări (pentru perioada 2014-2030) referitoare la îmbunătăţirea sistemelor de stocare a energiei care funcţionează pe principiul roţii volante, se recomandă reducerea costului energiei produse prin această tehnologie prin creșterea eficienței globale, în special prin reducerea pierderilor prin frecare în sistem.
În raport se arată ca proiectele actuale au costuri ridicate, în special din cauza pierderilor prin frecare, cauzate de frecările din lagărele de ghidare, cât şi de turbulenţele produse de frecarea dintre volantul aflat în mişcare de rotaţie şi mediul de lucru (de regulă aer).

Aportul ICPE-CA
Având în vedere expertiza ICPE-CA în domeniul materialelor magnetice şi al aplicaţiilor acestora în industrie, coroborat cu dezvoltarea pe plan mondial a sistemelor de stocare a energiei pe principiul roţii volante (PJM Project –USA- www.sandia.gov), s-a considerat că institutul nostru îşi poate aduce aportul la dezvoltarea şi îmbunătăţirea performanţelor unor astfel de sisteme, lucru realizat în cadrul contractului nucleu Creşterea eficienţei echipamentelor proceselor tehnologice pentru conversia energetică din resurse regenerabile (cod. PN 09 350201), al cărui obiectiv final a fost realizarea unui model de laborator pentru un sistem de stocare a energiei cinetice pe principiul roţii volante, cu sustentaţie magnetică.
Rezumând datele, tema generală a stocatorului energetic inerţial a urmărit ca, folosind o volantă cu momentul de inerţie J=0,72kg*m2 şi masa m=50kg, să se realizeze un nivel de putere electrică debitată P_d=500W pentru un timp de descărcare minim, t_{d min}= 5 min.

Sub aspectul constructiv s-au impus şi realizat următoarele, conform Fig. 1.
• lăgăruire radial-axială a volantei, cu ax vertical şi preluarea greutăţii prin sustentaţie magnetică (lagăr axial pasiv, cu magneţi permanenţi),
• maşină electrică unică, excitată cu magneţi permanenţi, funcţionând în regim de motor de curent continuu cu comutaţie statică la încărcare şi în regim de generator sincron la descărcare.

Volantul utilizează un sistem de lăgăruire mixt, format din rulmenţi radiali de precizie şi un sistem de sustentaţie magnetică axială, realizat cu magneţi permanenţi tip NdFeB. Dimensiunile magneţilor permanenţi au fost: D = 100 mm, d = 80 mm şi înălţimea h = 8 mm.
În vederea stabilirii performanţelor s-a măsurat cuplul static de pornire. Măsurătorile s-au realizat cu ajutorul unui dispozitiv cu pârghie montat pe axul volantului şi al unui dinamometru cu afişare mecanică tip Riester, forţă maximă 500 gf.
S-au făcut măsurători atât cu lagărul magnetic montat, cât şi fără lagărul magnetic. S-a observat o îmbunătăţire semnificativă a valorilor în cazul folosirii soluţiei constructive cu lagăr magnetic. A rezultat un cuplu de frecare la pornire de 0,1377 Nm pentru cazul în care nu se foloseşte lagăr magnetic, respectiv 0,099 Nm, pentru cazul în care se foloseşte lagăr magnetic, ceea ce înseamnă o îmbunătăţire cu 28%.
Din testarea maşinii electrice în regim de generator, s-a constatat că maşina electrică poate debita o putere utilă maximă de 2,2kW, cu un randament de 95 %, fără să depăşească limitele termice ale clasei de izolaţie F.
Prin aceste cercetări, ICPE-CA a contribuit la îmbunătăţirea eficienţei energetice a sistemelor de stocare a energiei cinetice pe principiul roţii volante, căpătând şi putând oferi expertiză atât în dezvoltarea maşinilor electrice reversibile pentru astfel de sisteme şi a lagărelor cu magneţi permanenţi adaptate acestor aplicaţii, cât şi a sistemelor la cheie.
Pentru viitor, ICPE-CA poate oferi asistenţă tehnică şi consultanţă de specialitate şi poate desfăşura contracte de cercetare, ca punct de plecare pentru iniţiative private în domeniu.