Lendkerekes energiatárolás szupravezetős csapággyal

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

2. Röviden a technológiáról: mozgó (forgó) alkatrészben tárolja az energiát Lendkerekes energiatárolás 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

3. 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)

4. 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!

5. 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 ultracapacitorson the bases of cost and fuel economy as the energy storagesystem in a fuel cell based hybrid electric vehicle, Journal of Power Sources 196 (2011) 1163–1170

6. 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

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

8. 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

9. Szupravezetős csapágyazás Axiális fluxusú:

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

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

12. 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

13. Lendkerekes energiatárolás Dynastore:

14. 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)

15. Lendkerekes energiatárolás Boeing:

16. Lendkerekes energiatárolás Boeing 3kW/5kWh SFES teljesítmény adatok: MStrasik, 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)

17. 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

18. Lendkerekes energiatárolás ATZ/MM:

19. 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:

20. 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)

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

22. 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

23. 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

24. Szupravezetős csapágy dinamikus szimulációja Levegőn végzett kifutási mérés és dinamikus szimulációja

25. Lendkerekes energiatároló mérése vákuumban Vákuumban végzett kifutási mérés és szimulációja

26. 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!

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

28. Lendkerekes energiatároló mérése vákuumban Vákuumban végzett kifutási mérés és szimulációja

29. Mérési eredmények 350 W 350 W 3500 W 3500 W 0,066 % 0,049 % 0,529 % 0,358 %

30. Köszönöm megtisztelő figyelmüket!