Mobilne zasobnik energii

Czy wyobrażasz sobie świat bez energii? Na pewno nie! Wstajesz rano i bez zastanowienia grzejesz wodę na herbatę. A co by się stało gdyby, elektrownia przestała działać? Czy to możliwe?

Nie istnieje branża, która mogłaby funkcjonować bez energii elektrycznej. Jak zabezpieczyć się przed brakiem energii z sieci? Różnego rodzaju pojazdy przemieszczają się przecież bez potrzeby „zasilania z przewodu”. Tak, to zasobniki energii elektrycznej pozwalają na elastyczne wykorzystywanie i transport energii w dowolne miejsce. To one mogą zapewnić ciągłość pracy maszyn w razie jakichkolwiek awarii. Jaka jest ich podstawowa funkcjonalność - zapewnienie stałych dostaw napięcia. To jeden ze sposobów na bezpieczeństwo energetyczne. Ja o tym wiem, a czy Ty zdajesz sobie z tego sprawę? Spróbujmy razem iść dalej i przybliżyć pewne pojęcia.

Historia motoryzacji

Na pytanie: co było pierwsze – silnik spalinowy czy elektryczny, większość z Was zapewne odpowie – oczywiście, że spalinowy. Otóż nie! Mówi się, że pionierem wynalazczości samochodów z silnikiem spalinowym w obecnym kształcie był Carl Benz. To on w roku 1885 stworzył swój pojazd spalinowy i rozpoczął erę biegnącą do dziś. Czy pojazd elektryczny powstał wcześniej? Oczywiście, że tak. W zależności od źródeł przyjmuje się rok 1836 lub 1842 jako zaczątek tego, co widzimy teraz – epoki, w której pojazd zasilany jest silnikiem elektrycznym z zasobnika energetycznego.

Czy wiesz, że 4 na 10 pojazdów w XIX wieku to pojazdy elektryczne? Czy wiesz, że już wtedy osiągały one prędkości bliskie 100km/h? Oczywiście, ze względu na koszty nastąpiła późniejsza ekspansja napędów spalinowych, a jak to wygląda dziś? Dążymy do podejścia zrównoważonego, ekologicznego, a zatem: sprawność żarówki starego typu (z włóknem wolframowym) to około 5%. Co to oznacza? Jedynie 5% energii ze 100% przeznaczone jest na zasadniczą jej funkcjonalność – generowanie światła. Pozostałe 95% jest bezpowrotnie tracone w postaci energii cieplnej (żarówka się nagrzewa).

Jak to jest w przypadku samochodów – zacznijmy naszą analizę od tych z silnikami spalinowymi – te napędzane benzyną mają sprawność rzędu 40%. Silniki diesla mają sprawność rzędu 50%. Czy to dużo? Wyobraźcie sobie, że z każdej nalanej szklanki herbaty połowa Wam się wylewa. Z każdej wypłaty otrzymujecie jedynie połowę. Co można zatem zrobić, aby było lepiej? Napęd elektryczny – tak to on staje się tu główną gwiazdą, a jego aż 90% sprawność pozwala patrzeć w przyszłość ze spokojem. Zastosowanie takiego napędu oznacza, że jedynie 10% energii jest bezpowrotnie tracone i nie może być wykorzystane to celu jakim jest przemieszczanie. Zwróćcie zatem uwagę, że czysto teoretycznie na tej samej porcji energii silnik elektryczny zawiezie nas 2 razy dalej. To oczywiście przyszłość, ale tą przyszłość możemy już dzisiaj dotknąć, zobaczyć i spróbować. Nie odbywa się to bez problemów, ale o tym napiszę w dalszej części tego artykułu.

Zasobnik energii

Obecnie do przechowywania energii wykorzystuje się wiele różnych rodzajów zasobników energii. Część może być powiązana z systemami umożliwiającymi generowanie energii ze źródeł odnawialnych takich, jak energia słoneczna czy wiatrowa. Niestety zarówno jedna, jak i druga występuje czasowo (nie ciągle) i uniemożliwia stałe zasilanie systemów. Niezbędne są zatem systemy, który umożliwią ciągłe gromadzenie energii, a następnie dostarczenie jej do urządzenia wtedy, kiedy występuje taka potrzeba.

Wśród typów zasobników energii należy wymienić:

  • kinetyczne zasobniki energii (FES – ang. Flywheel Energy Storage);
  • nadprzewodzące zasobniki energii (SMES – ang. Superconducting Magnetic Energy Storage);
  • ogniwa paliwowe (FC – ang. Fuel Cells); akumulatory i superkondensatory i inne.

Kinetyczne zasobniki energii przetwarzają energię elektryczna na mechaniczną i gromadzą ją w „masie wirującego koła zamachowego”. Energia w nadprzewodzących zasobnikach energii magazynowana jest w polu magnetycznym, wytwarzanym przez prąd stały. Ogniwa paliwowe to elektrochemiczne magazyny energii działające w wyniku reakcji chemicznej wodoru z tlenem. Produktem ubocznym jego działania jest woda. Akumulatory są obecnie jednymi z najczęściej stosowanych zasobników energii. Energia zmagazynowana w ich objętości jest w postaci chemicznej. Superkondensatory to urządzenia do przechowywania energii w polu elektrycznym – są to po prostu kondensatory o bardzo dużych pojemnościach.

Porównanie akumulatorów i superkondensatorów

Z wymienionych wyżej zasobników najczęściej stosowane w pojazdach są oczywiście akumulatory. W akumulatorze energia przechowywane jest w „elektrolicie”. Pozwala to w stosunkowo małej objętości pomieścić relatywnie dużą objętość energii. Mówimy, że gęstość energii, czyli ilość energii przechowywana w jednostce masy jest rzędu 100Wh/kg. To właśnie ta wielkość oznacza dokładnie, ile możemy zmieścić energii w akumulatorze.

Drugim ważnym parametrem jest gęstość mocy – dla akumulatora rzędu 100W/kg. O czym mówi ta jednostka? To możliwość dostarczenia energii w jednostce czasu. Im ona większa, tym szybciej zasobnik można rozładować i oczywiście naładować. Czy można osiągnąć więcej? Oczywiście, że tak. Superkondensator choć jeszcze na obecną chwilę nie ma lepszych parametrów w kategorii gęstości energii od akumulatora, już dziś może pochwalić się 100 razy większą gęstością mocy. Co to oznacza? Stosując go w pojazdach, możemy go traktować jako ogromny magazyn energii, który w trakcie hamowania łatwo napełnić, a w czasie braku zasilania z innego źródła, jest doskonałym rezerwuarem energetycznym. To właśnie w stronę zastosowania superkondensatorów będą szły prace naukowców. To one mogą być następcami akumulatorów.