Hybrydyzacja źródeł energii - Zastosowanie falowników Danfoss w napędach hybrydowych

| Energetab 2018

Rosnące globalnie zapotrzebowanie na energię sprawia, że poszukiwane są różne możliwości jej pozyskiwania. Równocześnie szybko następuje zróżnicowanie podstawowych źródeł energii. Przechodzenie z surowców kopalnianych jak węgiel i ropa naftowa, przez wykorzystanie źródeł gazowych i energii jądrowej w kierunku odnawialnych źródeł energii jest powszechnym trendem. Jednak stosowanie odnawialnych źródeł energii - zależnych od pogody, wymaga rozwiązań, które zapewniają niezawodność dostarczania energii zależnie od zapotrzebowania na nią.

Hybrydyzacja źródeł energii - Zastosowanie falowników Danfoss w napędach hybrydowych

Hybrydyzacja to najnowszy trend w technologii przetwarzania, magazynowania i użytkowania energii elektrycznej. Najprostsza definicja to: powiązanie dwu lub więcej źródeł energii we wspólnym jej wytwarzaniu. Najprostszym przykładem jest samochód z napędem hybrydowym, gdzie tradycyjny silnik spalinowy wraz silnikiem elektrycznym stanowią wspólny napęd auta. Korzyści dla użytkownika to: oszczędność w spalaniu, poprawa parametrów auta i zmniejszona emisja zanieczyszczeń.

Rys. 1. Koncepcja hybrydyzacji systemu energetycznego

Hybrydowe rozwiązania zapewniają nam pełną elastyczność: przez magazynowanie energii można wypełnić lukę pomiędzy wytwarzaniem a szczytowym zapotrzebowaniem i przeciążaniem systemu. Stosując najnowsze technologie, będzie możliwe, aby klient końcowy produkował, zużywał, magazynował i także sprzedawał energię.

Hybrydyzacja będzie wzrastać w wielu krajach, w szczególności tych związanych z wytwarzaniem dóbr i portami morskimi. Rozwój hybrydyzacji ułatwi też technologia zwiększonej gęstości energii w nowo wytwarzanych akumulatorach, zmniejszenie kosztów ich produkcji i zmniejszone gabaryty.

Korzyści z rozwiązań hybrydowych:

  • brak przewymiarowania systemu,
  • odroczenie inwestycji w infrastrukturę,
  • wspomaganie lokalnej produkcji energii,
  • zapobieganie niestabilności systemu,
  • wspomaganie włączenia odnawialnych źródeł energii,
  • zwiększenie efektywności energetycznej,
  • zmniejszenie włączeń awaryjnych.

W sytuacji nadprodukcji energii system hybrydowy może magazynować energię. Gdy wzrasta zapotrzebowanie, zasobnik energii może zostać wykorzystany jako dodatkowe źródło energii.

PRAKTYCZNY PRZYKŁAD HYBRYDYZACJI

Rys. 2. Schemat hybrydowego napędu promu pasażerskiego na rzece IJ w Amsterdamie

Bardzo dobrym przykładem hybrydyzacji źródeł energii jest prom pasażerski w Amsterdamie, gdzie firma Danfoss dostarczyła koncepcję i uruchomiła zmodernizowany 250 kW napęd promu. W aplikacji zastosowano falowniki Danfoss Drives z grupy produktowej VACON.

Zastosowanie całkowicie elektrycznego napędu promu nie było możliwe ze względu na krótkie dwuminutowe dokowanie promu, uniemożliwiający odpowiednie doładowanie akumulatorów z przybrzeżnej sieci zasilającej. Przyjęto hybrydowe rozwiązanie napędu elektrycznego z generatorami Diesla i akumulatorami litowo-jonowymi używanymi podczas szczytowego obciążenia napędu.

Użycie baterii akumulatorów pozwoliło na zredukowanie mocy generatorów, gdyż są obciążone praktycznie stałą mocą. Obsługa promu tak jak pasażerowie i mieszkańcy okolic są bardzo zadowoleni z nowego cichszego rozwiązania. W warunkach normalnej pogody dwa generatory pracują na stałym obciążeniu.

Akumulatory są ładowane zarówno podczas postoju promu oraz przy niskich prędkościach promu. Przy przyspieszaniu promu potrzebna zwiększona moc czerpana jest z akumulatorów. W trybie czystej pracy na akumulatorach prom jest w stanie dokonać 10-11 przepraw (około 60 minut). Schemat aplikacyjny rozwiązania opartego na napędach Danfoss Drives pokazano na rysunku 2.

Zastosowano falowniki serii NXP chłodzone cieczą (poz. B i C) na rysunku 2, inwertery NXP DC/DC do zasilania z akumulatorów (poz. D) oraz falowniki MicroGrid do współpracy z siecią zasilającą portu. Zespół akumulatorów 2× 68kWh EST-Floattech wraz z system sterowania pokazano na rysunku 3.

Rys. 3. Uproszczona struktura zasilania hybrydowego statku

Dwa promy z napędem hybrydowym oddano do eksploatacji w marcu 2017. Napędy hybrydowe nowo produkowanych statków pozwalają zredukować zużycie paliwa o 20-30% w porównaniu do tradycyjnego napędu. Napęd taki pozwala na wyłączenie głównego lub włączenie mniejszego silnika Diesla, lub na napęd tylko silnikiem elektrycznym zasilanym z akumulatorów z falownikiem DC/AC.

W przypadku jednostek pomocniczych i holowników napędy główne dużo czasu pracują na biegu jałowym, nie pokonując drogi. W tym przypadku idealnym rozwiązaniem jest zastosowanie układu hybrydowego z akumulatorami używanymi w okresach pracy jałowej bądź manewrów na małych odległościach.

Układ współpracy jednostki pływającej z siecią elektryczną portu stanowi również element systemu hybrydowego i pozwala na konsumpcję "czystszej energii", zamiast wytwarzać ją przez generator z silnikiem Diesla. Firma Danfoss oferuje rozwiązania z falownikami 12-pulsowymi, z aktywnym modułem AFE (Active Front End) oraz systemem DC-DC.Falowniki do współpracy z siecią portu mają odpowiednie oprogramowanie Micro-Grid pozwalające na zwrot energii do sieci zasilającej. W zależności od potrzeb, rozwiązanie układu hybrydowego jest dopasowane do specyfiki konkretnej aplikacji.

W praktyce często istnieje konieczność rozwiązania, gdzie dodatkowe źródło energii jest umieszczone blisko układu napędowego i w przypadku zaniku zasilania sieciowego układ lokalnie dostarczy energię do zasilania napędu. Taki układ przedstawiony na rysunku 4 pozwala na różne konfiguracje, umożliwia rozbudowę oraz wymianę baterii akumulatorów.

Zastosowanie systemu magazynowania i przetwarzania energii pozwala na:

  • wygładzanie szczytów zapotrzebowania energii (optymalizacja przepływu energii pomiędzy siecią zasilającą a lokalnym zasobnikiem energii),
  • przesunięcie poboru energii w czasie do okresu tańszej taryfy i zwrot energii w okresie droższej taryfy,
  • podtrzymanie zasilania krytycznych urządzeń podczas zaniku napięcia sieci.

PROJEKTOWANIE HYBRYDOWEGO SYSTEMU ENERGETYCZNEGO

Rys. 4. Konfiguracja hybrydowego układu zasilania napędu AC ze wspólną szyną DC oraz modułami falownika DC/AC i konwertera DC/DC do baterii akumulatorów

Firma Danfoss/VACON oferuje kompleksowe rozwiązanie począwszy od koncepcji do realizacji systemu u klienta wraz z zapewnionym serwisem. Wszystkie urządzenia systemu (inwertery DC/DC, falowniki, moduły AFE) pochodzą od jednego dostawcy.

Rozwiązanie jest skalowalne i oparte na falownikach z rodziny VACON NXP dla szerokiego zakresu mocy. System może być w łatwy sposób rozbudowany w zależności od zapotrzebowania. Do magazynowania energii można zastosować szeroką gamę ogólnie dostępnych baterii akumulatorów.

W artykule ograniczono się do przykładu hybrydowego napędu statku. Obszar aplikacji, gdzie możliwe jest zastosowanie różnych konfiguracji układu hybrydowego, jest szerszy i obejmuje maszyny górnicze, lokalne elektrownie wiatrowe, wodne i elektrociepłownie. Szczegółowe informacje dotyczące przetwornic częstotliwości Danfoss Drives można znaleźć na stronach internetowych: www.drives.danfoss.pl

Danfoss Poland