Bluways reduceert het energiegebruik van een railvoertuig met 40 procent

Maat: px

Weergave met pagina beginnen:

Download "Bluways reduceert het energiegebruik van een railvoertuig met 40 procent"

Sarah de Lange
7 jaren geleden
Aantal bezoeken:

Techniline v3 29-08-2014 Mechatronics Bluways reduceert het energiegebruik van een railvoertuig met 40 procent (2 9-0 8-2 0 1 4 ) Nr.

1 Techniline v Mechatronics Bluways reduceert het energiegebruik van een railvoertuig met 40 procent ( ) Nr. 0 Bluways en het EcoMechatronics-projectteam zijn erin geslaagd een energie-efficiënte aandrijving van een railvoertuig te ontwerpen. Dit dankzij een methodologie die de onderzoekers van Sirris en FMTC ontwikkeld hebben voor het ontwerp van energieopslagsystemen voor aandrijvingen. De optimalisatie van de configuratie van het energieopslagsysteem en de ontwikkeling van een adequate energiebeheerstrategie leidden tot een reductie van het energiegebruik van het voertuig met maar liefst 40 procent. Bluways, een bedrijf dat componenten voor energieopslag ontwikkelt, zocht een manier om verloren remenergie van railvoertuigen, zoals tramstellen, te recupereren door ervoor te zorgen dat rem- en startenergie snel wordt opgeslagen en weer afgegeven aan het netwerk. Een tramnetwerk bestaat meestal uit verschillende secties met een substation. Zo'n substation staat in voor de voeding van een elektrisch railvoertuig. Onderstaande figuur toont de typische opbouw van een substation. In het substation onttrekt een passieve AC/DC-gelijkrichter elektrisch vermogen van het voedende elektriciteitsnet en vormt de wisselspanning om naar een gelijkspanning. Wanneer het railvoertuig versnelt, gebruikt het energie van het net. Wanneer het voertuig echter vertraagt, zullen de elektromotoren van het voertuig overgaan naar generatormode en het voertuig afremmen door zijn kinetische energie om te zetten in elektrische energie. Deze elektrische energie stuurt het voertuig terug naar het substation. De AC/DC-omvormer werkt echter enkel unidirectioneel: hij kan enkel wisselspanning van het voedingsnet omzetten in gelijkspanning en niet andersom. Als gevolg daarvan moet de elektrische remenergie gedissipeerd worden in een remweerstand op het voertuig en gaat dus verloren. Opbouw van de klassieke elektrische voeding van een railvoertuig Indien energieopslag voorzien wordt in dit systeem, kan de remenergie opgeslagen worden en tijdens een volgende versnelling aangewend worden. Dit kan resulteren in een aanzienlijke reductie van de energetische kost. Aangezien het niet wenselijk is de massa van het railvoertuig te verhogen, zal de energieopslag in het substation ingebouwd worden. Onderstaande figuur geeft een schematische voorstelling van een substation met energieopslag. De afbeelding toont elektrische energieopslag met een supercondensator. De uitgevoerde analyse, besproken in het vervolg van het artikel, toont voor deze specifieke toepassing immers aan dat deze vorm van opslag te verkiezen is boven bijvoorbeeld batterijen of vliegwielen.

Opbouw van de elektrische voeding met energieopslag voor een railvoertuig Aanpak Onderzoekers van FMTC en Sirris ontwikkelden een systematische aanpak voor het ontwerpen van energieopslagsystemen,

2 Opbouw van de elektrische voeding met energieopslag voor een railvoertuig Aanpak Onderzoekers van FMTC en Sirris ontwikkelden een systematische aanpak voor het ontwerpen van energieopslagsystemen, die hier toegepast wordt voor het verbeteren van de energie-efficiëntie van een railvoertuig. De volgende figuur toont hiervan een schematische voorstelling: op een iteratieve manier worden de ontwerpstappen doorlopen om tot een optimaal ontwerp van het energieopslagsysteem te komen. Deze ontwerpmethode voorziet waar nodig in het gebruik van modelgebaseerde of experimentele analyses om tot de correcte beslissingen te komen. Hieronder zijn de besluiten van de belangrijkste stappen in het ontwerp van het energieopslagsysteem voor het railvoertuig samengevat. Schematische voorstelling van de ontwerpmethodologie voor energieopslagsystemen 1. Systeemvereisten en haalbaarheid Analyse van een typische rijschema van het railvoertuig leert dat gedurende een piekuur er 215 kwh elektrische energie verbruikt wordt, waarvan slechts 99 kwh nuttig aangewend wordt. De overige 116 kwh komt terug vrij tijdens het remmen, maar wordt dan gedissipeerd in de elektrische remweerstand van het voertuig. Een getailleerde energetische analyse van de gebruikscyclus van het railvoertuig leert dat een opslag van 1,2 kwh volstaat en dat het energieopslagsysteem een piekvermogen van 350 kw dient te kunnen leveren of opnemen. Een ander belangrijk criterium in de selectie is dat het systeem een lange levensduur heeft, aangezien het ca cycli per week zal moeten doorlopen. 2. Technologie en topologie van het energieopslagsysteem Energieopslag kan gebeuren onder diverse vormen. Na preselectie werden volgende mogelijkheden overwogen: Elektrisch in batterijen of supercondensatoren Mechanisch in een vliegwiel of een hydraulische accumulator

3 Magnetisch in supergeleiders (SMES) Chemisch in brandstofcellen Onderstaande figuur toont een classificatie van de meest gebruikte energieopslagmedia naar energieen vermogensdichtheid. Gezien de vereisten van de energieopslag voor het railvoertuig, vormen vliegwielen en lithium-ion gebaseerde supercondensatoren de meest geschikte media. Classificatie van energieopslagmedia naar vermogen- en energiedichtheid Deze laatste technologieën werden in een meer getailleerde model gebaseerde analyse die rekening houdt met de karakteristieken van het railvoertuig, met elkaar vergeleken. Het resultaat van deze vergelijking is weergegeven in de volgende figuur. De figuur leert dat voor deze toepassing elektrische energieopslag in een supercondensatormodule, waarvan de cellen in drie parallelle takken geschikt worden, aanleiding geeft tot de laagste energetische verliezen. Meerdere parallelle takken kunnen de verliezen nog sterker reduceren, maar dit is economisch niet meer verantwoord, aangezien de extra energiebesparing niet meer opweegt tegen de extra investeringskost. Energetische verliezen van diverse energieopslagmedia voor een railvoertuig 3. Energiemanagement Een energieopslagsysteem vereist ook een adequate regeling: op welk moment dient de supercondensator energie op te slaan, wanneer dient ze energie vrij te geven en hoeveel? Bijkomende moeilijkheid is dat het vermogen gevraagd door het railvoertuig niet exact gekend is: het

4 is een stochastische variabele die bijvoorbeeld beïnvloed wordt door o.a. het verkeer. Twee regelstrategieën werden met elkaar vergeleken: een regelgebaseerde (heuristische) en een stochastische regelaar. Deze laatste brengt de stochastische eigenschappen van de vermogensvraag van de tram in rekening. Ten opzichte van de heuristische regelaar veroorzaakt de stochastische regelaar minder oscillaties in de energiestromen en resulteert bovendien in een kleine verbetering van de energie-efficiëntie. Vergelijking tussen regelgebaseerde (boven) en stochastische (onder) controller 4. Evaluatie Nu het ontwerp van het energieopslagsysteem afgerond is en een adequate controlestrategie bepaald is, kunnen een energetische en een economische evaluatie van het systeem gebeuren. De energetische evaluatie toont aan dat het opslagsysteem een reductie van het energiegebruik met 40 procent realiseert. De volgende figuur toont de resultaten van de economische evaluatie. De grijze curve geeft de investerings- en onderhoudskosten: deze zijn gekarakteriseerd door een blokvormig profiel aangezien de supercondensatoren vier maal vervangen worden gedurende de levensduur van de DC-DC omvormer (i.e. 20 jaar). De blauwe curve toont de opbrengst van het systeem die voortvloeit uit het sterk verminderde energiegebruik. Deze figuur toont aan dat de terugverdientijd voor het energieopslagsysteem van het railvoertuig ca. 5 jaar bedraagt. Een industriële partner van FMTC bestudeert de praktische implementatie en verdere commercialisering van de ontwikkeling.

5 Economische evaluatie van energieopslag met behulp van supercondensatoren voor een railvoertuig Resultaten Sirris en FMTC ontwikkelden een methodologie voor het ontwerp van energieopslagsystemen voor aandrijvingen en pasten deze toe om een energie-efficiënte aandrijving van een railvoertuig te ontwerpen. Elektrische energieopslag op basis van supercondensatoren bleek voor deze toepassing de meeste efficiënte oplossing en resulteerde in een reductie van het energieverbruik met 40 procent. Een economische analyse van het ontworpen systeem toonde aan dat zijn terugverdientijd ca. 5 jaar bedraagt. De ontwikkelde ontwerpmethodologie is universeel toepasbaar op eender welk type aandrijflijn, onafhankelijk van zijn vermogen. Bovendien kan de methodologie bijvoorbeeld ook aangewend worden om het geïnstalleerd vermogen van elektrische machines te reduceren door piekbelastingen uit te middelen. Bron Contactpersoon: Sirris, Pieter Beyl Pieter.Beyl@sirris.be Tel Fax Contactpersoon: FMTC, Maarten Witters Maarten.Witters@fmtc.be Contactpersoon: FMTC, Kris Vanvlasselaer Kris.Vanvlasselaer@fmtc.be

Vergelijkbare documenten

http://techniline.sirris.be/wo.wsc/webextra/prg/olarticleprint?vwebsessionid=159...

Page 1 of 6 Techniline v3 27-06-2014 Mechatronics First-time-right ontwerp van complexe mechatronische systemen met modelgebaseerde aanpak (27-06-2014) Nr. 0 Doordat heel wat mechatronische systemen, zoals