Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal 27 July 2004 Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal Száz éves a szupravezetés Az MTA Műszaki Tudományok Osztályának tudományos ülése Dr. Kohári Zalán, adjunktus Budapest Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Villamos Energetika Tanszék Supertech Laboratórium Kohári Zalán, PhD: Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal 100 éves a szupravezetés, MTA MTO, 2011. nov. 10.

Lendkerekes energiatárolás Röviden a technológiáról: mozgó (forgó) alkatrészben tárolja az energiát Tárolt energia: Előnyök: Nagy teljesítmény sűrűséggel rendelkezik Hosszú élettartam (>150 000 ciklus, >20 év) Nincs kapacitás csökkenés az élettartam során Az élettartama független a kisütések időtartamától A töltöttsége könnyen és pontosan megállapítható Időjárástól független, környezeti hatásokra érzéketlen Alacsony környezeti terhelést jelent Hátrányok: Jelentős önkisülés Rendszerszinten alacsony energiasűrűség Bonyolult

Lendkerekes energiatárolás A korszerű, szupravezetős csapágyazású lendkerekes energiatárolók nagyon komplex műszaki eszközök. Tervezésük sok mérnöki terület együttes és mélyreható ismeretét igényli. Főbb területek: szilárdságtan (lendkerék tervezése) rotor dinamika (dinamikus mozgások és veszteségek) vákuumtechnika (légsúrlódás csökkentésére) alacsony hőmérsékletű technika (-180 ˚C alatti hőmérsékletek előállítása és fenntartása) szupravezetők fizikája (lebegtetőerők, csillapítás meghatározása) villamos gépek tervezése (energia‑átalakító) villamos hajtások tervezése (hálózati kapcsolat, motor és generátor üzem) áramlástan (légsúrlódási veszteségek folytonos közegben és szabad molekulafolyamban)

Lendkerekes energiatárolás Alkalmazási területek: Rövid idejű energiatárolás Dinamikus UPS (Jellemzően 10-60 s) Primer szabályozás (legalább 15 perc) Menetrend tartás (szél- és naperőművek) Energiamenedzsment (órák, fejlesztés alatt) Meddőteljesítmény kompenzáció (minimális tárolt energia szükséges) Terhelés kiegyenlítés (maximális teljesítmény helyett elegendő átlagteljesítményt lekötni) Visszatáplált fékenergia tárolása vasúti vontatásban Egyes tudósok a gyűrű alakú részecskegyorsítókat is lendkeréknek tekintik Nagy ciklusszám igény esetén (pl. primer szabályozás, űreszközök energiaellátása) nincs jobban megfelelő energiatárolási mód!

Lendkerekes energiatárolás Alkalmazási területek: Hibrid rendszerek A lendkerék a nagyobb frekvenciás változásokat egyenlíti ki (>10 mHz) A másodlagos energiatároló a tárolt energia nagy mennyiségéről gondoskodik (pl. akkumulátor, szivattyús tározó) Az energiarendszerben az erőművek gradiense növelhető lendkerekes rendszerrel történő kiegészítéssel (Beacon Power Smart FW rendszer <4s alatt 100 % teljesítményre fut fel) Elsősorban az energiarendszerben alkalmazhatók előnyösen, de Hibrid járművekben is reális alternatívaként tartják számon CVT-vel ultrakapacitások vagy akkumulátorok helyett főüzemi energiatárolóként (NEDC, ACDC alapján)* *Reed T. Doucette, Malcolm D. McCulloch: A comparison of high-speed flywheels, batteries, and ultracapacitors on the bases of cost and fuel economy as the energy storage system in a fuel cell based hybrid electric vehicle, Journal of Power Sources 196 (2011) 1163–1170

Lendkerekes energiatárolás Kereskedelmi forgalomban kapható legnagyobb, sorozat-gyártott rendszer (mágneses+hagyományos csapágy): Beacon Smart 25 FW : 25 kWh/100 kW 15 perc névleges kisütési idő Élettartam >125 000 ciklus, 20 év Szénszál és üvegszálkeverékből készített forgórész 75-90 % energia hatásfok 16 000/perc névleges fordulatszám 10-3 mbar vákuum 4 tonna forgó tömeg 20 MW frekvenciaszabályozó üzem (Stephentown, NY, USA) 2011 július Beacon Power Corporation

Lendkerekes energiatárolás 20 MW frekvenciaszabályozó üzem (Stephentown, NY, USA) 2011 július Beacon Power Corporation

Szupravezetős csapágyazás Röviden a technológiáról: Mágneses erőhatások hozzák létre a lebegtetőerőt A fluxus „állandóság” miatt jön létre stabil lebegés (ideális vezető fluxusa állandó) Előnyök: Rendkívül alacsony veszteségek (0,1 %/óra, 10-6 ekvivalens súrlódási együttható) Hátrányok: Rendkívül alacsony üzemi hőmérséklet (<=77K) Kis csillapítás (rezgésekre hajlamos) Kis erősűrűség (10-15 N/cm2) Kiforratlan technológia

Szupravezetős csapágyazás Axiális fluxusú:

Szupravezetős csapágyazás Radiális fluxusú: Szupravezetők rézbe ágyazva (állórész) Kontrapoláris állandómágnes gyűrűk ferromágneses szendvicsben (forgórész)

Szupravezetős csapágyazás Radiális fluxusú: Szupravezetők rézbe ágyazva (állórész) Kontrapoláris állandómágnes gyűrűk ferromágneses szendvicsben (forgórész)

Lendkerekes energiatárolás Legjelentősebb fejlesztési eredmények szupravezetős csapággyal: Dynastore 2 MW/10 kWh (18 s) Kapcsolt reluktancia motor/generátor 12 000/perc névleges fordulatszám 554 kg forgórész tömeg, 1,28 m külső átmérő 55-65 K közötti üzemi szupravezető hőmérséklet

Lendkerekes energiatárolás Dynastore:

Lendkerekes energiatárolás Legjelentősebb fejlesztési eredmények szupravezetős csapággyal: Boeing 5 kWh/3 kW (6000 s) Állandómágneses motor/generátor 22 550/perc névleges fordulatszám 132 kg forgórész tömeg 360 W hűtőgép felvett teljesítmény 18 W hűtőteljesítmény (77 K)

Lendkerekes energiatárolás Boeing:

Lendkerekes energiatárolás Boeing 3kW/5kWh SFES teljesítmény adatok: M Strasik, J R Hull, et al.: An overview of Boeing flywheel energy storage systems with high-temperature superconducting bearings, Supercond. Sci. Technol. 23 (2010) 034021 (5pp)

Lendkerekes energiatárolás Legjelentősebb fejlesztési eredmények szupravezetős csapággyal: ATZ/Magnet Motor 5 kWh/250 kW (72 s) Állandómágneses motor/generátor 70 K üzemi szupravezető hőmérséklet 1,8 kW hűtőgép teljesítmény felvétel 40 W hűtőteljesítmény 70 K-en (GM) 600 kg forgórész 2000 kg forgórész fejlesztés alatt

Lendkerekes energiatárolás ATZ/MM:

Kutatási eredmények a BME VET-en Szupravezetős csapágyak mérése és szimulációja: Veszteségek meghatározása kifutási mérések alapján Dinamikus szimuláció a viselkedés ellenőrzésére Analitikus és végeselemes modellek alapján méretezés és ellenőrző számítások Hengerszimmetrikus szupravezetős csapágy fluxusképe:

Veszteségek számítása Veszteségforrások: hiszterézis veszteség ~ω örvényáramú veszteség ~ω2 a mágneses szimmetriatengely keringésétől független inhomogenitások a mágneses szimmetriatengely keringésétől függő az állórész és forgórész mágneses szimmetriatengelyeinek távolságával (h) arányosan növekednek, azaz a szupravezetőre és a benne lévő fluxusszálakra ható erővel arányosak Légsúrlódási veszteségek Lamináris, turbulens (folytonos közeg) Szabad molekulafolyam (nagyvákuum)

Kifutási mérések vákuumban és levegőn Kifutási mérés eredménye levegőn: Kifutás levegőben

Dinamikus jelenségek vizsgálata Egyszerű elrendezésekre (h<<D) a 3 változós modell (Laval modell) alapján a dinamika leírható: Kis elmozdulások esetén a stabilizáló erő lineárisan nő

Szupravezetős csapágy dinamikus szimulációja Levegőn végzett kifutási mérés és szimulációja A mágneses szimmetriatengely mozgása a kritikus fordulatszám felett és alatt, 0,1 mm excentricitás esetén

Szupravezetős csapágy dinamikus szimulációja Levegőn végzett kifutási mérés és dinamikus szimulációja

Lendkerekes energiatároló mérése vákuumban Vákuumban végzett kifutási mérés és szimulációja

Teljesen tanszéki fejlesztésű kompakt energiatároló 50 kJ/3,5 kW (14 s) Állandómágneses motor/generátor Vasmentes állórész Axiális fluxusú csapágy 12 kg forgó tömeg 15 000/perc névleges fordulatszám A VILLAMOS GÉP MAGA A LENDKERÉK!

Teljesen tanszéki fejlesztésű kompakt energiatároló Kéttárcsás, állandómágneses forgórész Vasmentes, koncentrikus, nem átlapolt tekercsekkel készített állórész

Lendkerekes energiatároló mérése vákuumban Vákuumban végzett kifutási mérés és szimulációja

Mérési eredmények 350 W 350 W 3500 W 3500 W Fordulatszám [1/min] 1 500 15 000 Nyomás [mbar] 0.1 0.001 Légsúrlódási veszteség [W] 0.06 6.045 0.060 Örvényáramú veszteség [W] 0.12 12.02 Hiszterézis veszteség [W] 0.046 0.462 Összes veszteség [W] 0.23 0.17 18.53 12.54 0,066 % 0,049 % 0,529 % 0,358 %

Köszönöm megtisztelő figyelmüket!