- PDF Free Download

Transcriptie

1 Page 1 of 6 Techniline v Mechatronics FMTC en Sirris onderzoeken potentieel voor lokale energieopslag bij machines ( ) Nr. 0 Machines met dynamische en cyclische bewegingen vertonen een sterk dynamisch energieverbruik, met enerzijds tijdelijke nood aan piekvermogens, en anderzijds een overschot aan energie als gevolg. Nieuwe technologische ontwikkelingen laten toe om deze energie lokaal op te slaan en snel weer vrij te geven. Nood aan dynamisch vermogensbeheer Machinebouwers worden dagelijks geconfronteerd met meerdere uitdagingen op het vlak van het vermogensbeheer in hun machines: Powerdips kunnen een nefaste invloed hebben op de performantie en veiligheid van machines. Vooral machinebouwers die naar het buitenland exporteren, worden hier sterk mee geconfronteerd. In sommige landen zitten er veel powerdips op het net, met machinestilstanden en/of uitval in productie tot gevolg. Bij machines met magnetisch gelagerde assen moeten er speciale maatregelen (bijv. UPS) genomen worden om de machine veilig te laten stoppen op het moment dat de stroom uitvalt. Voor innoverende machinebouwers worden mechatronische aandrijvingen stilaan state of the art. We denken aan: het vervangen van klassieke (hydraulische en/of pneumatische) aandrijvingen door elektrische alternatieven het vervangen van een centrale, met één motor aangedreven as met verschillende nokken (mechanische overbrenging en synchronisatie) door individuele motoren met elektronische synchronisatie het vervangen van klassieke (mechanische) lagers door magnetische lagers (voor turbomachines) het vervangen van een roterende motor met transmissie door lineaire motoren De doorgedreven toepassing van deze mechatronische concepten leidt tot een stijging van de benodigde (elektrische) vermogensstroom in de machine. Voor fabrikanten is het opportuun om hun machines te optimaliseren op het vlak van (elektrisch) energie- en vermogensbeheer, al dan niet in combinatie met energieregeneratie (zoals van de remenergie). Aandrijflijnen zijn belangrijke energieverbruikers, en hebben bijgevolg een hoog potentieel voor energieoptimalisatie. De trend naar elektrificatie van de machines verhoogt uiteraard het aandeel van de elektrische energie in de machine. De mogelijkheid om deze energie op te slaan en voor andere toepassingen aan te wenden zou een uitkomst bieden bij kortstondige energietekorten. Zelfs voor hoofdzakelijk niet-elektrisch aangedreven machines, zoals hydraulisch aangedreven machines zoals kranen, vorkliften en landbouwmachines kan een lokale (hybride) energiebuffer aanleiding geven tot aanzienlijke verbeteringen. State of the art in lokale energieopslag Dankzij recente ontwikkelingen bestaat de mogelijkheid om energie (kortstondig) lokaal op te slaan en dan weer snel vrij te geven. Binnen het collectieve onderzoek ' Energieopslag voor machines bestuderen FMTC en Sirris de stand van zaken en het potentieel voor toepassingen in machines: supercondensatoren (supercapacitators) vliegwielen batterijen

2 Page 2 of 6 hydraulische energieopslag pneumatische energieopslag supergeleidende magnetische energieopslag. We belichten de voornaamste ontwikkelingen voor machinebouwers: Supercondensatoren Traditionele condensatoren slaan energie op wanneer een elektrische spanning wordt aangebracht tussen de elektroden. Bij supercondensatoren (zoals Electric Double Layer Capacitors of EDLC's) ontstaat een gelijkaardig fysisch fenomeen, maar de afstand tussen de positieve en negatieve ladingen situeert zich op het nanoniveau. In tegenstelling tot conventionele condensatoren die slechts een relatief beperkte energiedichtheid hebben, hebben supercondensatoren een bijzonder hoge opslagcapaciteit die keer groter is dan een elektrolytische condensator met hoge capaciteit. In vergelijking met batterijen of brandstofcellen hebben supercapaciteiten voorlopig nog steeds een lagere energiedensiteit. (Bron: NREL, JSR micro) Voordelen hoge vermogensdichtheid (tot ca. 5 kw/kg) (en dus op korte tijd een hoog piekvermogen) een lange levensduur of groot aantal ontlaadcycli (tot cycli) vergeleken met commercieel verkrijgbare herlaadbare batterijen, met minimale degradatie als gevolg van te grote ontlading hoge round-trip-efficiency (85-95 procent) lage interne weerstand temperatuursinvloeden zijn klein: het temperatuursbereik voor de werking is C. de hoeveelheid opgeslagen energie (State of Charge) - bij supercondensatoren is dit de spanning - kan gemakkelijk worden gemeten lage onderhoudskost en lagere prijs per kw dan Li-Ion of NiMH-batterijen Nadelen zeer lage energiedichtheid (5-10 Wh/kg) en hoge prijs/wh spanning per cel is beperkt tot 2-3 V Toepassing Supercondensatoren zijn geschikt voor toepassingen die een hoog vermogen en snelle laadcycli vereisen. Momenteel vinden ze hun toepassing in spoorvoertuigen, hybride voertuigen, zoals bussen en personenwagens. In de machinebouw zullen vooral machines in aanmerking komen met hoogdynamische bewegingen of voor veiligheidstoepassingen, waarbij onmiddellijk piekvermogens moeten kunnen geleverd worden bij uitval van elektriciteit.

3 Page 3 of 6 Verschillende types van supercondensatoren zijn ondertussen in ontwikkeling, waarvan nanobuisjes de meest belovende lijken (cf. Techniline 12/02/ Energie opslaan in veren van nanobuizen ). Eén type (EDLC) is ondertussen commercieel beschikbaar. De toekomst van supercondensatoren (bron: A. Burke) Vliegwielen Vliegwielen zijn als mechanische batterijen: inertie ligt aan de basis van deze opslagmethode, waarbij (elektrische) energie wordt omgezet in de kinetische energie van een roterend wiel. Deze oude techniek kreeg een boost door recente ontwikkelingen in de Formule 1. Er bestaan twee types: vliegwielen met lage snelheid, een mature technologie, en met hoge snelheid, een recente ontwikkeling, die momenteel nog niet op de markt is. Hogesnelheidsvliegwielen halen snelheden tot tpm en hebben dus een veel hogere energiedensiteit dan traditionele lagesnelheidsvliegwielen. Deze hoge snelheden zijn enkel mogelijk door het toepassen van nieuwe materialen die hogere spanningen kunnen opvangen (zoals vezelversterkte composieten), en door het toepassen van magnetische lagers (die minder wrijving genereren waardoor de warmteontwikkeling binnen de perken blijft). Veiligheid is een bijkomende uitdaging bij deze nieuwe technologie. De specifieke energie van een hogesnelheidswiel is typisch een factor 20 groter dan deze van een lagesnelheidsvliegwiel. Vliegwiel Lage snelheid Hoge snelheid Rotatiesnelheid < (tpm) Materiaal rotor Staal Vezelversterkt composietmateriaal Lager Conventioneel Magnetisch Omgeving Lucht Vacuüm Voordelen lagesnelheidsvliegwielen hebben een lange levensduur (orde van > 20 jaar) niet (of gering) beïnvloed door het aantal cycli, mate van ontlading, omgevingstemperatuur vrij hoge round-trip-efficiency onderhoudsvriendelijk hoeveelheid opgeslagen energie (State of Charge) kan makkelijk worden gemeten (rotatiesnelheid) Nadelen hoge aankoopkosten (omdat hogesnelheidsvliegwielen nog niet commercieel beschikbaar

4 Page 4 of 6 zijn) verliezen bij stilstand gyroscopisch effect (in sommige toepassingen kunnen er hierdoor bijkomende uitdagingen ontstaan) Toepassing Vliegwielen kunnen mechanisch of elektromechanisch aangedreven worden. Van mechanisch aangedreven hogesnelheidsvliegwielen zijn er prototypes beschikbaar (bron: ). De elektromechanische varianten zijn momenteel nog in ontwikkeling. Er bestaat een toepassing in de automotive: een KERS-systeem (Kinetic Energy Recovery System) slaat de remenergie van een F1-wagen op, die dan bij het optrekken kan gebruikt worden om een extra boost te geven. Een voordeel tegenover de mechanische variant is dat het gemakkelijker is om het vacuüm in stand te houden door het wegvallen van de binnenkomende as. In Groot-Brittannië is een project gestart dat hoge snelheidsvliegwielen wil commercialiseren tegen een lage prijs (doelstelling: 1000). Toekomstige ontwikkelingen zullen potentieel bieden voor integratie in machines. Batterijen Vliegwiel met hoge snelheid (Bron: Williams Hybrid Power) Van de verschillende types batterijen blijken uit onderzoek enkele interessant voor de machinebouw. Algemeen genomen hebben batterijen een hogere energieopslag en een tragere zelfontlading in vergelijking met supercondensatoren en vliegwielen. Daartegenover staan een kortere levensduur (beïnvloed door mate van ontlading en temperatuur), een kleiner temperatuurbereik, complexere State of Charge, meer onderhoud (afhankelijk van het type batterij) en een lagere vermogensdichtheid eveneens afhankelijk van het type). (Bron: Erasmus University College Brussels en VUB) Huidig onderzoek Lithium gebaseerde batterijen In de toekomst zullen lithium gebaseerde batterijen het meest gebruikt worden. Li-ionbatterijen braken al door op de automarkt voor bepaalde types van milde hybride wagens.

5 Page 5 of 6 Een probleem met deze batterijen, met oog op gebruik in machines, is hun warmtegevoeligheid, waardoor hun temperatuur beperkt moet blijven. Dit terwijl de temperatuur in het hart van een machine kan oplopen tot meer dan 80 C en door de hoge omgevingstemperatuur zal thermisch management nodig zijn. Loodbatterijen Onderzoek gebeurt naar loodbatterijen als goedkopere variant voor toepassingen die een minder hoge energiedichtheid vragen. Hydraulisch opslagsysteem Via een hydraulische accumulator kan energie opgeslagen worden, die ontstaan is ten gevolge van druk die op een vloeistof in het systeem wordt uitgeoefend. Deze energie kan worden opgeslagen via hydrostatische druk in een drukvat (waarbij zuigers of balgen het meest worden gebruikt, via mechanische spanning in een veer of via zwaartekracht in een gewicht). Hydraulische opslag van energie is geschikt voor toepassingen met hoge vermogens met weinig energie. Het vermogen en de energiedichtheid van hydraulische energieopslagsystemen zijn van dezelfde grootte-orde als deze van supercondensatoren. De systemen hebben een lange levensduur. Nadelen van deze systemen zijn hun lage energiedichtheid, verliezen bij stilstand, kans op lekken en de omvang van de accumulator. Net zoals vliegwielen zijn ze minder geschikt om langdurig energie op te slaan. (Klik om te vergroten) Toekomst Als de energie lokaal opgeslagen is in machines, moet deze ook gecontroleerd geregenereerd kunnen worden. Integratie van de componenten in machines met globale optimale controle en energie-efficiënte aandrijflijnen vormt tot op vandaag nog een uitdaging op zich. Bronnen Collectief onderzoek ' Energieopslag voor machines The Cell versus the System: Standardization challenges for Electricity storage devices, P. Van den Bossche, J. Van Mierlo (VUB) Verwant artikel Techniline Energieopwekkende draaideur benut supercondensatoren Metalen Oppervlaktevoorbereiding

6 Page 6 of 6 Lasertechnologie Nanomaterialen Keramische materialen Microbewerking Nieuwe technieken Giettechnologie Mechatronics Plaatbewerking Textiel Productieautomatisering Energievoorziening Composieten en hybriden Andere Oppervlaktetechnologie Energieopslag Kunststofverwerking Intelligente Materialen Energie-efficiëntie Verspaning Verbindingstechnologie Thermisch lassen en solderen Kunststoffen Meettechniek & Kwaliteit VERWANTE ARTIKELS Bayesiaanse netwerkentechnologie leidt tot slimme diagnose Succesvol ontwerpen dankzij statisch bepaald construeren Contactpersoon : FMTC, Stijn Goossens Stijn.Goossens@fmtc.be Tel. +32 (0) Contactpersoon : Sirris, Anje Van Vlierberghe anje.vanvlierberghe@sirris.be Tel. +32 (0) Fax +32 (0)