Transcriptie

1 Page 1 of 5 Techniline v Mechatronics Elektrische energieopslag en -recuperatie bij machines via condensatoren ( ) Nr. 0 Lokale, elektrische energieopslag en recuperatie hebben heel wat voordelen voor de machinebouw. In een tweedelige reeks gaan we dieper in op de mogelijkheden en toepassingen. Dit eerste deel belicht het gebruik van condensatoren, in vergelijking met batterijen. In een tweeledig artikel over lokale energieopslag bij machines belichten we de interessantste mogelijkheden voor elektrische energieopslag. Dit eerste deel neemt de componenten voor energieopslag onder de loep. In een volgend artikel gaan we dieper in op de praktische inzetbaarheid ervan. Op vraag van enkele machinebouwers bestuderen FMTC en Sirris, in samenwerking met VUB, de mogelijkheden van lokale energieopslag en -recuperatie bij machines. Een eerste overzicht gaven we al in het artikel ' FMTC en Sirris onderzoeken potentieel voor lokale energieopslag bij machines '. Lokale energieopslag is immers om tal van redenen interessant: recuperatie van remenergie (energie-efficiëntie) afvlakken van vermogenspieken (load levelling), waardoor een minder fluctuerende vraag vanuit het net of een stroomgenerator. De netaansluiting of de verbrandingsmotor van de generator kunnen kleiner gedimensioneerd worden ( downsizing ), en de motor kan bovendien steeds in een gunstig werkingspunt draaien. (lagere investeringskost, energie-efficiëntie) De tijdens dalmomenten opgeslagen energie kan een boost geven, waardoor een gewone machine toch Fomule 1-prestaties kan leveren. (hogere productiviteit) opvangen van kortstondige storingen en powerdips in het net (vooral voor machines in ontwikkelingslanden). Hierdoor kan schade aan de machine of productieverlies voorkomen worden. (robuustheid en kwaliteit) in geval van nood, bijvoorbeeld bij stroomuitval, is een hoeveelheid energie aanwezig om de machine veilig tot stilstand te brengen en om monitoring of stand-by functies actief te houden. (veiligheid) Vooral het potentieel voor energie-efficiëntie is een belangrijke reden om energieopslag toe te passen, wegens de steeds toenemende energieprijzen en de strengere eisen op het gebied van milieu-impact. Energiebesparing is ook de eenvoudigste manier om de ROI van energieopslag te berekenen. Vooral hoog dynamische machines, met sterk fluctuerende vermogens zoals bij reciproque bewegingen of vele starts en stops, hebben interessante mogelijkheden voor energieopslag. Omdat deze machines meestal met elektromotoren worden aangedreven, is elektrische energieopslag in batterijen of capaciteiten het meest evident. Elektrische energieopslag: batterijen versus capaciteiten (condensatoren) Traditionele batterijen hebben een veel lagere vermogensdensiteit dan capaciteiten, werken binnen een nauwere temperatuursrange (de prestaties zijn bovendien veel lager bij lage temperaturen) en hebben een veel kortere levensduur (aantal laad-/ontlaadcycli, weliswaar sterk afhankelijk van de ontlading of DOD, depth of discharge). Bovendien is het moeilijker (wegens onnauwkeurig) om de ladingstoestand (SOC, state of charge) van batterijen te meten en op basis hiervan intelligentie in te bouwen. Batterijen hebben in vergelijking met condensatoren een hoge energiedichtheid en een tragere zelfontlading.

2 Page 2 of 5 De nadelen van batterijen zijn voor dynamische cycli nefast. Daarom behandelen we verder in dit artikel enkel energieopslag in capaciteiten. De zogeheten supercaps of ultracaps en de elektrolytische capaciteiten zijn voor het ruime spectrum aan machinebouwtoepassingen met dynamische cycli eigenlijk de enige praktisch bruikbare energieopslagmiddelen. Voor de machinebouw bieden elektrolytische capaciteiten een goedkope oplossing voor beperkte energieopslag en garanderen een lange levensduur. De opslagcapaciteit van supercaps ligt een of twee ordes hoger, maar de maximale spanning op celniveau is laag. Vergeleken met batterijen hebben supercaps een hoge vermogensdichtheid (> 5 kw/kg). Ze kunnen dus op korte tijd veel energie leveren. De nadelen van supercaps ten opzichte van batterijen, namelijk een lagere energiedichtheid en grotere zelfontlading (ze kunnen op twee weken tijd een vierde van hun opgeslagen energie verliezen), zijn voor veel machinetoepassingen en vooral dan de sterk dynamische machines van ondergeschikt belang. Onderstaande tabel vergelijkt in een overzicht supercapaciteiten en batterijen van verschillende types, alsook lithium-ion capacitors (LIC, verder hierover meer). (Klik om te vergroten) Vergelijking eigenschappen capaciteiten versus batterijen Opbouw en werking De eenvoudigste voorstelling van een capaciteit bestaat uit twee elektroden met oppervlakte A, gescheiden door een isolerende laag van dikte d, waarop twee gelijke, maar tegengestelde ladingen geplaatst worden onder invloed van de aanwezige spanning U (of door stroomregeling). De capaciteit C bedraagt: C = ε r ε 0 A/d (uitgedrukt in Farad, F). Onderstaande figuur toont schematisch wat dit betekent voor de klassieke (elektrostatische) capaciteit en voor de hoger genoemde types:

3 Page 3 of 5 Principe en hoofdkarakteristieken van de verschillende types capaciteit (Bron: Wikipedia) Bij elektrolytische capaciteiten werkt een metaaloxidelaag op de elektrode (meestal aluminium, zeldzame uitvoeringen in tantalium) als diëlektricum met een dikte op micronschaal. Supercapaciteiten, meestal kortweg supercaps of ultracaps genoemd, zijn van het EDLC-type (Electric Double Layer Capacitor). De elektroden zijn bekleed met een laag actief koolstofpoeder, waarop de geladen ionen uit de elektrolyt worden aangetrokken. Er zijn dan ook twee lagen elektrolyt: een met positieve ionen, een andere met negatieve. Door de structuur van het koolstof wordt het actieve oppervlak vergroot. De dikte van de lagen met tegengestelde lading moet op nanoschaal gezien worden. Wereldwijd wordt verder onderzoek gedaan om de prestaties van dergelijke capaciteiten nog te verhogen. Daarbij wordt veel aandacht besteed aan het gebruik van verschillende nanostructuren van koolstof, namelijk koolstofaerogels, grafeen of koolstofnanobuisjes. Ook het gebruik van andere materialen waardoor chemische (reversiebele) reacties optreden, wordt bestudeerd. De E van EDLC staat wel voor electrochemical, maar de termen worden vaak door elkaar gebruikt. Bij systemen waarin zowel elektrische ladingen worden opgeslagen, als chemische reacties optreden, spreekt men over hybride of pseudo -capaciteiten, een kruising tussen batterij en capaciteit. De lithium-ion capacitor (LIC) is een voorbeeld van een commercieel beschikbare pseudocapaciteit. De energiedichtheid ligt een stuk hoger dan bij supercaps en de levensduur van volledige laad/ontlaadcycli is veel hoger dan die van batterijen. Lithium-Ion Capacitor (LIC) van JSR-Micro Levensduur en thermisch management

4 Page 4 of 5 De levensduur in bovenstaande tabel is indicatief en hangt van veel factoren af. Voor batterijen is dat vooral het ontladingsniveau (DOD), de grootte van de piekstromen en de temperatuur. Bij capaciteiten moet men vooral opletten voor te hoge spanningen en moet men ook de temperatuur binnen de perken houden. Daarom is het noodzakelijk om een thermische analyse te maken en, indien nodig, de stromen (en dus de vermogens) per capaciteit te beperken. Het gedissipeerd vermogen, en dus de opwarming, is namelijk volgens de wet van Ohm evenredig met R ESR *I 2, waarbij R ESR (meestal gewoon ESR genoteerd) staat voor equivalente seriële weerstand van de capaciteit. R ESR is frequentie- en temperatuursafhankelijk. Met name bij elektrolytische capaciteiten wordt R ESR exponentieel groter bij lage frequenties (zie onderstaand voorbeeld). Voorbeeld ESR van elektrolytische capaciteit Datasheets geven slechts waarden voor frequenties boven 50 Hz (in het beste geval boven 20 Hz). Machines hebben meestal tragere cycli (zelden >10 Hz). Door de curven in datasheets te extrapoleren kan men schattingen maken. Voor supercapaciteiten wordt een waarde van ESR bij DCwerking gegeven. Ze zijn dan ook beter geschikt voor tragere cycli (seconden tot minuten), met grotere vermogens en energieën. Balanceren van condensatoren De eigenschappen (C-waarde, ESR) binnen een set zogenaamd identieke condensatoren kunnen binnen ruime grenzen variëren (typisch ca. 10 procent bij aankoop) en veranderen ook in de tijd. Bij gebruik van supercapaciteiten moet men om tot een werkbare spanning te komen meerdere capaciteiten in serie schakelen (soms tot honderden). De performantie van het geheel is zo sterk als de zwakste schakel. Indien men geen balancering van de onderlinge cellen aanbrengt, dreigt de zwakste schakel sneller beschadigd te worden door grotere spanningsvariaties (wegens lage C-waarde) en snellere oververhitting (te hoge ESR). Door balanceren gaat men op basis van de gemeten spanning per capaciteit de stroom zodanig regelen dat de spanning over elke cel van het pakket identiek blijft. Verschillende technieken bestaan om cellen onderling te balanceren. Dit kan zowel een actieve als een passieve methode zijn. Toepassingen In een volgend artikel geven we een voorbeeld van een goedkope passieve oplossing voor energierecuperatie en gaan we dieper in op de mogelijkheden van actief gecontroleerde

5 Page 5 of 5 energiestromen bij energieopslag ( energiemanagement ) door gebruik te maken van gestuurde vermogenelektronica. Bron Collectief onderzoek 'Energieopslag voor machines' Dit artikel kwam tot stand met de steun van het IWT. Contactpersoon: Sirris, Stephan Masselis stephan.masselis@sirris.be Tel Fax Contactpersoon: FMTC, Stijn Goossens stijn.goossens@fmtc.be Tel