Setrvačníková baterie

Český inovátor Jan Plomer pracuje na vývoji setrvačníkové baterie pro krátkodobou akumulaci elektrické energie. Za svůj projekt získal ocenění v soutěži E.ON Energy Globe v kategorii Nápad. Hlavním přínosem  je úspora nákladů a energie. Například je možné u hybridních a elektrických vozidel při brzdění krátkodobě akumulovat kinetickou energii, kterou je možné poté opět využít na rozjezd. Setrvačník sníží spotřebu energie, resp. u hybridních vozidel i paliva, a tím se sníží i emise. Výhodou akumulace energie pomocí setrvačníku je také to, že zařízení nevyužívá žádné chemické látky jako běžné baterie.

Setrvačníková baterie by se dále mohla uplatnit například v energetice, kde by mohla vykrývat mikrovýpadky elektřiny u koncových uživatelů. „Obecně může elektromechanický akumulátor najít uplatnění tam, kde se vyžadují velké počty vybíjecích cyklů a vysoký měrný výkon, a zároveň nevadí nízká energetická hustota,“ říká Jan Plomer. Od partnera soutěže  Hello bank by Cetelem, získal na svůj projekt finanční odměnu ve výši 300 tisíc korun. „Díky technické i finanční podpoře od společnosti E.ON předpokládám realizaci druhého prototypu baterie pro stacionární využití v energetice a jeho testování během roku 2018,“ říká Jan Plomer.

Vynálezce

Během doktorského studia na Dopravní fakultě ČVUT se Jan Plomer zabýval hybridními pohony a akumulací energie v setrvačnících. Pracoval ve společnostech Mercedes-Benz Engineering, Škoda Auto nebo v ZF Getriebe GmBH na vývoji automatické převodovky ZF 8HP. Před několika lety získal mezinárodní patent na nový typ hybridního pohonu, který využívá několikastupňovou planetovou převodovku, 2 elektromotory a spalovací motor. Postupně získal dostatek teoretických znalostí a velmi dobrý přehled o vývojových projektech setrvačníkových baterií ve světě.  V říjnu 2016 se s nynějším kolegou Ing. Martinem Šolcem dohodl, že společně zkusí nějakou setrvačníkovou baterii postavit. Založil firmu PLOMER Engineering s.r.o. a do projektu dále zapojuje i studenty v rámci diplomových a bakalářských prací na Dopravní fakultě ČVUT. Dále spolupracují  s pražskou firmou Advanced Engineering a  využívají mimo jiné i software solid Thinking Inspire pro optimální návrh mechanických dílů dle zatížení během provozu atd.

Výhody setrvačníkové baterie

Při akumulaci energie je důležité nejdříve rozlišit tu část energie, kterou je potřeba akumulovat dlouhodobě od té, kterou stačí akumulovat krátkodobě. Dále je důležitým parametrem počet vybíjecích cyklů během životnosti akumulátoru (pro konec životnosti Li-Ion akumulátoru se obvykle považuje 80 % původní kapacity), vliv klimatických podmínek, citlivost na působení vibrací, vnějších sil apod. Požadované celkové parametry je možné dosáhnout vhodnou sestavou několika malých setrvačníkových baterií. To je výhodné i pro bezpečnost -  v případě destrukce jedné setrvačníkové baterie v ní není uloženo tolik energie. Rizikem těchto baterií je jednak vysokootáčkový rotor, který musí být odpovídajícím způsobem pevnostně dimenzován vč. jeho uložení, a pak tzv. gyroskopický moment. Právě tento gyroskopický moment je možné v sestavě několika menších setrvačníkových baterií eliminovat. Setrvačníková baterie, kterou mimochodem využívaly už v polovině 20. století tzv. gyrobusy, by právě mohla najít uplatnění tam, kde se očekávají velké počty vybíjecích cyklů, vysoký měrný výkon a kde nevadí nízká energetická hustota. Od setrvačníkové baterie nelze očekávat, že by zajistila dostatečné množství energie pro pohon vozidla na delší vzdálenost. Její hlavní funkcí by měla být stabilizace spotřeby energie ve vozidle, která je při nerovnoměrném pohybu proměnlivá. Špičková zatížení, zejména při akceleraci, by pokryla energie akumulovaná v setrvačníku a při nízkém zatížení by se naopak energie do setrvačníku akumulovala. Odhaduje se, že by úspora energie při nerovnoměrném pohybu mohla být 20-30 %. Na rozdíl od Li-Ion baterií má setrvačníková baterie další výhody. Výrazně nižší výrobní náklady, provozní spolehlivost i při nízkých teplotách a životnost srovnatelnou s celkovou životností automobilu.

Další vývoj a plány

Postavený je první prototyp a optimalizuje se konstrukce druhé vývojové varianty v 3D softwaru, která se už bude více blížit k tomu, co by mohlo být uplatnitelné na trhu. Rotor nové verze bude mít vyšší měrný moment setrvačnosti vůči vlastní hmotnosti, a bude pevnostně optimalizovaný pro vyšší maximální otáčky. U elektromobilů by kromě krátkodobé akumulace rekuperované energie ve městech mohla setrvačníková baterie najít uplatnění i při stabilizaci toku energie a omezení proudových špiček u trakčních akumulátorů, které jsou určené pro dlouhodobou akumulaci energie. Možnosti uplatnění setrvačníkových baterií jsou nejen v dopravě. Je to všude, kde je výhodné krátkodobě (v řádu desítek vteřin až několika minut) akumulovat energii. Mohou to být třeba i tzv. chytré domácnosti, záložní krátkodobý zdroj energie, stabilizace napětí elektrické sítě apod.

Setrvačník je vlastně stará myšlenka

Princip je velmi jednoduchý a je známý již několik tisíc let. Při vysokých otáčkách je setrvačník zásobníkem velkého množství kinetické energie, která je takto uložena a zabrzděním setrvačníku znovu využita. Množství uložené energie je úměrné hmotnosti a úhlové rychlosti rotujícího kola okolo osy procházející těžištěm. Jednoduchým příkladem je třeba hrnčířský kruh. U parních strojů pomáhal akumulovanou kinetickou energií překonávat mrtvé body klikového mechanismu. V současnosti je nedílnou součástí každého spalovacího motoru, kde vyrovnává nerovnoměrný chod. Při nabíjení funguje vlastně jako elektromotor a při vybíjení opačně - jako generátor. Velké setrvačníky jsou dnes obvyklým zdrojem energie pro experimentální tokamaky (zařízení pro jadernou fúzi).

Zahraniční pokusy

Auto se setrvačníkovou baterií testovalo Porsche v roce 2010 v závodech Formule 1 Le Mans pod zkratkou KERS (Kinetic Energy Recovery Systém). V minulosti využili v praxi setrvačník např. ve Švýcarsku, Belgii, Kongu, Švédsku a Číně v tzv. gyrobusech. Autobus městské dopravy se na každé zastávce připojil k napájecímu stožáru a proud ze sítě během výstupu a nástupu cestujících urychlil setrvačník tak, že akumuloval dostatečné množství energie k ujetí několika kilometrů k další zastávce s nabíječkou. Setrvačník jako jediný akumulátor energie se neosvědčil, hlavním problémem byl krátký dojezd (cca 2 km). Kromě toho byla velkým problémem jeho vysoká hmotnost, vysoký mechanický i aerodynamický odpor, vysoký gyroskopický moment ovlivňující jízdní vlastnosti atd. Mnoho těchto nedostatků už ale umí modernější technologie odstranit. Proto se dnes někteří konstruktéři k myšlence využití kinetické energie setrvačníku vracejí. Např. v r. 2004 vznikl autobus APTS Phileas, který kombinuje spalovací motor, elektromotor a setrvačník 300 kW/4 kWh. Setrvačník akumuluje energii z brzdění. Ta postačí k dojezdu přibližně 3 km, což znamená úsporu paliva nejméně 10 %.

Zdroje:

http://plomer-engineering.cz

http://www.popularmechanics.com/cars/hybrid-electric/a6266/porsche-911-gt3r-hybrid-flywheel/

http://www.hybrid.cz/cesky-start-vyviji-cenove-dostupnou-setrvacnikovou-baterii