Superkapacitory a jejich použití jako vyrovnávacího zdroje napětí v lokální energetické síti průmyslu i jinde

4.11.2019 Na začátku listopadu 2019 bylo v mladoboleslavské automobilce ŠKODA AUTO uvedeno do provozu unikátní energetické zařízení: superkapacitorový stabilizátor energetické sítě, zde prezentovaný pod obchodním názvem UGS – Ultracapacitor Grid Stabilizer (viz foto vpravo). Jak název napovídá, jeho smyslem je stabilizovat energetickou síť výroby, tedy vyřešit problém výroby s poklesy a krátkodobými výpadky v zásobování elektřinou. V oboru průmyslové automatizace jde o řešení zcela nové, nicméně superkapacitory se pro podobný účel již nějaký čas uplatňují například v sítích trakčního vedení drážní dopravy.

Superkapacitor jako zásobník energie

Superkapacitor, známý také jako ultrakapacitor či superkondenzátor (ve všech případech jde o synonyma, v českém odborném prostředí nejvíce zdomácněl pojem „superkapacitor“), je fakticky kondenzátor, který se od běžného kondenzátoru odlišuje svou velmi vysokou elektrickou kapacitou. Elektrody superkapacitoru tvoří práškový uhlík, nanesený na hliníkové fólii. Zrna uhlíkového prášku mají plochu až 2000 m² na 1 gram prášku, což umožňuje uchovávat mnohem větší objem elektrostatického náboje, než u „klasického“ kondenzátoru. Superkapacitor tak dosahuje některých parametrů srovnatelných s bateriemi. Na rozdíl od baterie, která využívá elektrochemické reakce, však kondenzátor ukládá energii pomocí statického náboje.

Hlavní výhodou superkapacitorů oproti bateriím je mnohem rychlejší doba nabíjení a mnohem delší životnost. Tam, kde se doba nabíjení baterií měří v minutách, měří se u superkapacitorů ve vteřinách. Zatímco životnost baterií se obvykle měří v tisících nabíjecích cyklů, v případě superkapacitorů jsou to statisíce nabíjecích cyklů. Podle některých odborných zdrojů je počet nabíjecích a vybíjecích cyklů u superkapacitoru prakticky neomezený.

Problémem je měrná hustota energie superkapacitoru, která se pohybuje od 1 Wh/kg do 30 Wh/kg, což je 10 – 50krát méně než mají Li-ion baterie. Další nevýhodou je vybíjecí křivka. Zatímco elektrochemický akumulátor dodává konstantní napětí v oblasti použitelného výkonu, napětí superkapacitoru klesá lineárně a současně snižuje oblast užitného výkonu.

Jiným problémem může být samovybíjení, které je rychlejší než u elektrochemického akumulátoru. Superkapacitor se vybije ze 100 % na 50 % během 30 – 40 dní. Oproti tomu u olověných akumulátorů a baterií na bázi lithia dochází k samovybíjení v rozsahu okolo 5 % za měsíc.

Problém energetiky u robotizované výroby ŠKODA AUTO

V posledních letech přibývá poklesů napětí jak v distribuční síti vysokého napětí 110 kV, tak i v přenosové soustavě 400 kV. Jednou z příčin jsou, podle výrobce, připojované obnovitelné energetické zdroje do sítě nebo například klimatické vlivy. Při nevelkém podílu obnovitelných zdrojů na výrobě elektřiny v ČR (cca 13 %) lze předpokládat, že svůj díl na tomto problému mladoboleslavské Škodovky mají – trochu paradoxně – nestálé obnovitelné zdroje z „mateřského“ Německa v rámci propojených evropských přenosových soustav.

Každopádně následky poklesů jsou pro společnost ŠKODA AUTO zásadní, protože způsobují v její výrobě výpadky řídicích systémů a s ohledem na automatizaci výroby také výpadky robotických linek.

ŠKODA AUTO vybrala jako prioritní pracoviště pro stabilizátor elektrické sítě lakovny v Mladé Boleslavi a v Kvasinách, kde se ztráty ve výrobě z kapacitních důvodů dohánějí nejobtížněji.

Řešení jménem UGS

Výsledkem spolupráce společností ŠKO-ENERGO a Local Energies, člena skupiny E.ON, při řešení těchto poklesů byl návrh unikátního záložního zdroje UGS na bázi superkapacitorů. Toto zařízení je schopné dodat potřebnou energii v případě krátkodobého poklesu napětí a udržet hladinu napětí na nominální hodnotě. Projekt je z hlediska svého využití jako krátkodobého záložního zdroje pro tak velký výkon pohonů a spotřebičů v průmyslovém závodě vůbec prvním v Evropě a je další inovací společnosti ŠKO-ENERGO.

Technické parametry UGS ukazuje tabulka.

Celý systém UGS je zabudován do standardizovaného ISO kontejneru (viz foto níže), což značně usnadňuje jeho přepravu a manipulaci s ním. Kromě vlastních superkapacitorových zásobníků energie (viz foto nahoře vpravo) zde najdeme především sofistikovanou řídicí jednotku, jejíž zásluhou dosahuje UGS požadovaných přínosů, a dále pomocná zařízení, jako je větrání či vnitřní osvětlení kontejneru.

UGS je připojen k rozvodné síti, odkud je podle potřeby dobíjen, tak aby byl neustále v pohotovosti plně nabitý. Jak uvedeno výše, doba samovybíjení vlastních superkapacitorů se počítá řádově ve dnech či desítkách dnů. Vzhledem k vlastní spotřebě souvisejících zařízení (řídicí jednotka, větrání apod.) by ovšem bez průběžného dobíjení z vnějšího zdroje vydržel UGS nabitý cca deset minut.

Původně se zvažovalo několik technologických návrhů, ale právě zařízení UGS bylo vyhodnoceno jako nejlepší řešení z technologického i ekonomického hlediska. Zkušební provoz zařízení v lakovně M17 v Mladé Boleslavi začal v červenci 2018 a potvrdil, že zařízení vykazuje 100% účinnost a spolehlivost.

V prvním čtvrtletí roku 2019 bylo v síti vysokého napětí 22 kV zaznamenáno celkem 5 poklesů napětí, přičemž ani jednou nedošlo na zálohovaných zařízeních lakovny k přerušení výroby. Na základě zkušeností z minulých let a průměrného počtu poklesů napětí v síti se díky inovativním UGS jednotkám sníží roční ztráty výroby o 365 minut v lakovně v Mladé Boleslavi a o 222 minut v lakovně v Kvasinách. Tomu odpovídá odhadovaná úspora více než 740 nalakovaných karosérií, které by jinak byly nevyrobené a musely by být lakované v jiných lakovnách koncernu VW nebo v mimořádných směnách, a to se značnými vícenáklady.

UGS v mladoboleslavském závodě již prošel etapami zkušebního provozu a vykazuje stoprocentní účinnost.

Vlastní přínos UGS je, jak patrno, především finanční. Z hlediska bezprostředního dopadu na životní prostředí není jeho vliv o nic menší ani větší než u jiného elektrického spotřebiče s příslušnými výkonovými parametry. Nicméně lze předpokládat nepřímé celospolečenské přínosy plynoucí z uspořené dopravy karoserií do jiných lakoven koncernu VW v případě přerušení výroby.

Možné využití superkapacitorů jako stacionárních zásobníků v městské drážní dopravě

Využitím superkapacitorů jako stacionárních zásobníků v městské drážní dopravě se zabývala mj. již v roce 2014 studie, na níž se významnou měrou podíleli jako odborní konzultanti provozovatelé tohoto portálu. Jejím smyslem bylo zhodnotit využití superkapacitorů pro efektivní zužitkování rekuperované energie. Rozumí se tím elektrická energie, kterou při brzdění dodává tramvaj, trolejbus či elektrický vlak zpět do trolejové sítě, místo aby se bez užitku přeměnila v odpornících vozidla na teplo.

Studie ukázala, že na trhu existují pro uvedený účel standardizované modulární technologie. Jejich možným přínosem je nejen lepší hospodaření s elektrickou energií při rekuperaci, ale také zmenšení kolísání napětí v trakční síti a omezení přepěťových špiček, což má pozitivní vliv na plynulost provozu i na snížení opotřebení elektrovýzbroje dopravních prostředků a napájecích technologií. Takovýto zásobník lze využít také k posílení poddimenzovaného trakčního úseku bez rozsáhlých investic do napájecí infrastruktury.

Pozitivní zkušenosti s úsporami energie díky stacionárním superkapacitorovým zásobníkům ukazují i praktická uplatnění těchto technologií na sítích tramvají, trolejbusů i „těžkého“ metra. V konkrétních případech se pohybují tyto úspory od jednotek po desítky procent.

Problematickou stránkou uvedených aplikací je jejich ekonomika. Proti investici do zařízení zde totiž stojí především dosažené úspory trakční energie, které zpravidla nevykompenzují pořizovací náklady zařízení. S úsporami energie se nicméně pojí socioekonomické, tedy celospolečenské, přínosy v oblasti životního prostředí. Je tedy dobrý důvod takováto zařízení dotovat z veřejných zdrojů.

Závěr

Superkapacitorové zásobníky energie mohou významnou měrou přispět ke stabilizaci místní energetické sítě a k lepšímu hospodaření s energií. Jejich přínosy, a tím i ekonomika, budou výrazně odlišné podle způsobu uplatnění.

Pokud takovýto zásobník funguje jako stabilizátor dodávky energie pro robotizovanou výrobní linku, jako je tomu v případě UGS, budou jeho hlavním přínosem uspořené náklady ve výrobě nebo ztráty na tržbách. Půjde tedy především o finanční efekty pro průmyslového výrobce. Ekologické, tedy celospolečenské přínosy, pokud k nějakým dojde, budou spíše nepřímé.

Superkapacitorový zásobník jako podpora trakční sítě drážní dopravy by měl na prvním místě spořit elektrickou energii, která by se jinak bez užitku přeměnila na teplo vyzářené do ovzduší. Tomu bude odpovídat jeho finanční i ekologický, a tedy celospolečenský přínos.

V obou případech bude velmi záležet na konkrétním způsobu uplatnění a konkrétním provozním problému, který má být instalací zařízení vyřešen.

Zcela samostatnou kapitolou je pak využití superkapacitorů jako zásobníků energie pro elektrická vozidla, například elektrobusy. Příkladem jsou elektrobusy Chariot Motors a další aplikace, které budou jedním z témat připravované konference Elektrické autobusy pro město VIII organizované provozovateli tohoto portálu.

redakce Smartcityvpraxi.cz

Foto © archiv redakce Smartcityvpraxi.cz

Tabulka © Local Energies

Další informace o UGS zde

Přečtěte si také:

Superkapacitorový elektrobus Chariot testován v Dánsku na letištní lince

20.8.2019 Superkapacitorové elektrobusy izraelsko-bulharského výrobce Chariot Motors, hlavního partnera připravované konference Elektrické autobusy pro město VIII organizované provozovateli tohoto portálu, nejsou české odborné veřejnosti neznámé, kromě jiného i díky jejich úspěšnému provozu v rakouském Grazu. Před dvěma měsíci, tedy v červnu 2019, zahájil jeden tento elektrobus zkušební provoz na letištní lince v dánském městě Aalborg. A jak dosavadní zkušenosti ukazují, k plné spokojenosti všech zúčastněných.

Celý článek zde

Vychází brožura „Příběhy chytrých pomocníků“

18.3.2019 U příležitosti konference „Smart city v praxi IV“ na brněnském veletrhu AMPER 2019 vychází brožura „Příběhy chytrých pomocníků“, určená přednostně (ale nejen) účastníkům této konference. Tato příležitostná publikace našeho portálu Smartcityvpraxi.cz obsahuje patnáct čtivých příběhů o tom, jak moderní technologie v Česku a v cizině pomáhají řešit městům nebo obcím jejich každodenní problémy. Čtenář zde také nalezne rozhovor s Jakubem Slavíkem, konzultantem a odborným redaktorem brožury, o chytrých městech, chytrých pomocnících, partnerství měst a průmyslu i o marketingovém řízení.

Celý článek zde

Aktualizovaná „oficiální“ česká metodika smart cities zveřejněna

27.2.2019 Pod názvem „Metodika Smart Cities“ s podtitulem „Metodika pro přípravu a realizaci konceptu Smart Cities na úrovni měst, obcí a regionů“ byla v únoru 2019 na stránkách Ministerstva pro místní rozvoj ČR publikována aktualizovaná verze původní tzv. oficiální metodiky smart cities z roku 2015. Jako externí odborníci se na této metodice podíleli i provozovatelé našeho portálu – firma Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services.

Celý článek zde

Jak Jak si „srovnat svoje smart noty“: nabízíme interaktivní školení smart city pro města, obce a regiony

Řada českých měst a obcí má v současné době zájem o postavení „smart city“ či „chytré obce“ a k tomuto postavení již často podniká konkrétní kroky. Problém je, že pojem smart city provází v ČR (ostatně i jinde ve světě) řada nedorozumění – od pojímání smart city jako pouhého „digitálního města“ po technické výstřelky typu „chytré“ lavičky. V této situaci se provozovatelé našeho portálu, firma Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services, rozhodli nabídnout městům, obcím a dalším institucím zainteresovaným na rozvoji „smart“ konceptu krátké interaktivní školení pro praktickou realizaci tohoto konceptu v jejich konkrétních podmínkách.

Celý článek zde

Smart city v praxi: první kniha českého autora o konceptu smart city a jeho zavádění v každodenním životě

Chytrým městem, obcí, či regionem, označovaným souhrnně pojmem „smart city“, rozumíme koncept strategického řízení, při němž jsou využívány moderní technologie z oblasti energetiky a služeb, mobility a informatiky pro ovlivňování kvality života ve městě, a následně k dosahování hospodářských a sociálních cílů. Nejde tedy o pouhé „digitální město“ nebo o nepromyšlené pořizování nákladných moderních technologií pro potřebu měst a regionů, jak je tento pojem někdy mylně interpretován. Zhruba stopadesátistránková barevná publikace Smart city v praxi s bohatým obrazovým doprovodem je přednostně určena jako praktická příručka těm, pro něž koncept smart city představuje každodenní práci řídících pracovníků a specialistů při vytváření strategie chytrého města a při jejím naplňování pomocí projektů moderních technologií.

Více o knize zde

Knihu je možné zakoupit v e-shopu vydavatelství Profi Press zde

Cyklus odborných konferencí „Smart city v praxi“, „Efektivní elektromobilita v organizacích“ a „Elektrické autobusy pro město“

Konference „Elektrické autobusy pro město“ se již od svého prvního běhu v říjnu 2013 vyprofilovala jako zcela ojedinělá prezentační a vzdělávací akce i jako místo vzájemné výměny aktuálních zkušeností mezi profesionály z elektrické osobní dopravy. Díky svému zaměření na konkrétní téma, konkrétní prezentující a konkrétní publikum se tato konference stala prostředkem přímé komunikace mezi výrobci elektrobusů a trolejbusů (včetně jejich komponent a infrastruktury) a jejich provozovateli a uživateli. V neposlední řadě zde hrají důležitou roli i zástupci institucí, které rozhodují o financování této dopravy, nebo mají v tomto ohledu aktuální a spolehlivé informace. Konference „Efektivní elektromobilita v organizacích“ je první konferencí svého druhu v ČR, prezentující elektromobily jako dopravní prostředek pro organizace soukromého a veřejného sektoru, ne tedy a priori jako luxusní nebo zábavní předmět pro elektromobilní nadšence a jejich sdružení. Obsah konference je cíleně zaměřen na organizace a správce jejich vozového parku. Konference „Smart city v praxi“ je zaměřena především na ty zástupce měst a obcí a veřejných organizací, kteří se budou rozhodovat o volbě konkrétních řešení od konkrétního dodavatele pro definování a naplňování investičních projektů, jimiž je koncept smart city v daném městě realizován.

Pozvánky na tyto konference a zprávy z těchto a dalších konferencí naleznete v naší rubrice Konference zde

Consulting Services: Naše odborné služby

Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services je konzultační firma v oblasti inovativních technologií pro dopravu a smart city (včetně energetiky a vodíkových technologií), která rovněž provozuje informační portály www.smartcityvpraxi.cz a www.proelektrotechniky.cz a organizuje odborné akce. V rámci našich odborných služeb Vám nabízíme vypracování strategie smart city, spolupráci na vytváření strategických dokumentů, vytváření a realizace projektů pro smart city, další odborné konzultační služby (studie, průzkumy, analýzy), vytváření a realizace dalších projektů s inovativními technologiemi (automatická vozidla, vodíkové technologie, elektromobilita aj.), specializované vzdělávací akce „na klíč“, prezentační a autorské služby (prezentace na konferencích, portálech). Celý článek zde