ELEKTRİKL KLİ OTOMOBİLLERDE ENERJİ DEPOLAMA SİSTEMLERİNDEKİ GELİŞ İŞMELER
Enerji depolama sistemleri; elektrokimyasal ( bataryalar) hidrojen elektromekanik (volanlar) ultrakapasitör yakıt t pilleri
Tablo 1. Alternatif Yakıtl tlı Yolcu Taşı şıtlarının performansının n Karşı şılaştırılması Taşı şıtt Yakıt Tipi Benzin Menzil(km) 320 Max.. HızH (km/h) >100 Yük kapasitesi(kg) 500-1000 Elektrik Metanol 100-200 (Bataryaya bağlı) 300-400 80-150 >100 500-800 500-1000 Etanol 350-450 >100 500-1000 CNG 150-200 >100 400-900 LPG 450-500 500 >100 500-1000
Tablo 2. ET içini in batarya enerji depolama sistemleri Batarya Lityum/mono- sulfat Çinko/ inko/bromin Nikel/çinko inko Nikel/demir Nikel/metal hibrid *Sodyum/sülf lfür Wh/kg 60-200 70-100 60-100 50-90 50-90 70-200 Wh/l 120-300 50-75 120-300 100-150 150 150-300 100-150 150 W/kg 50-70 30-50 80-120 80-120 100-140 140 100-140 140 Çevrim Ömrü 150-200 200-350 100-150 150 500-1100 80-500 300-900 Kurşun un asit 30-60 30-60 20-80 300-500
Kurşun un Asitli Batarya Kurşun un asitli batarya,, en iyi bilinendir. Bakım m gerektirmez, elektrolit tabaka malzemesinde veya jelde depolanır. Yeni tiplerde, testlerdeki bipolar hücreler kullanılır. Bu batarya ağıa ğır, fakat ucuzdur. İyi bir batarya yönetimy sistemi ile yaşam amı güvenlidir.
Nikel-Kadmiyum Batarya Nikel-kadmiyum kadmiyum batarya,, yükseky güçg yoğunlu unluğunauna ve yükseky yaşam am periyoduna sahiptir. Üretimde tamamen izolasyonlu hücreler ile gaz tekrar birleştirilir. Bu batarya, Avrupa elektrikli taşı şıtlar pazarında en donanıml mlı bataryadır. r.
Nikel-Metal Hibrid Batarya Nikel-metal metal-hibrid bataryalarda, depolanmasına na müsaadem edilen hidrojen kadmiyumun (Cd( Cd) ) yerine negatif elektrot içinin kullanılabilir. labilir. Enerji yoğunlu unluğuu ve güçg yoğunlu unluğu NiCd batarya ile karşı şılaştırıldığında artar.
Çinko-Bromin Batarya Çinko-bromin batarya,, bir redoks tip bataryadır, r, sıvıs elektrolit ve eriyebilir aktif malzeme kullanılır. Birleştirme bağlant lantılarında, bipolar hücreler kullanılır. Brom karışı ışımm pompalandığı ığında, hücreninh bir tarafının n içindeni inden geçirildi irildiğindeinde çinko-broma gelir. Birleştirmede, iki elektrolit depolanır r ve polietilenden borularla getirilir, sistem yükseky esneklik verir. Redoks tip bataryalar, sabit enerji depolama sistemleri içini in oldukça a kazançlıdır.
Sodyum-Sülf lfürr Batarya Sodyum-sülf lfürr batarya,, sıvıs elektrolit ile bataryadan esasen farklıdır. r. Sodyum- iyon, iletken seramikle ayrılır, r, sıvıs reaksiyonlar sodyum ve sülfs lfürdür. r. Çalışma sıcakls caklığı,, 300 oc den fazladır.
Sodyum-Nikel Klorit Batarya Sodyum-nikel klorit batarya hücreleri, NaS hücrelere benzer. İkinci elektrolit olarak beta seramik vardır. r. Batarya, elektrikli taşı şıtlar içini in çok iyi uygulanabilirlik gösterir. ZEBRA batarya olarak bilinmektedir.
En İlerlemiş Batarya En ilerlemiş batarya, lityum-iyon iyon bataryadır. r. KüçüK üçükk portatif hücreler, h elektronik marketlerde şimdiye kadar kabul ettirilmiştir. tir. Elektrikli taşı şıtlar içini in bataryalar, gelişim im altındad ndadır.
Çinko-Hava Batarya Çinko-hava veya aleminyum hava gibi metal hava bataryalarının n gelişimleri imleri 60 lar larınn ortalarında başlam lamıştı.. Birkaç yıldır İsrail Jerusalem deki Elektrik Yakıt t Ltd. Şirketi ve Almanya Karlsruhe deki Enstitü, yeni çinko-hava bataryalarını geliştirdi. Çinko hava bataryalar içini in gelişmeler İtalya EDISON Şirketinde hala devam etmektedir.
Tablo 3. Elektrikli taşı şıtt içini in gerekli parametreler Güç yoğunlu unluğu u (W/l)250-600 Ömür r (yıl)5 l)5-10 Ömür r (devir)600-1000 Azami fiyat (dolar/kwh kwh)100-150150 Yeniden şarj zamanı (saat)3-6
Tablo 5. Saf hidrojen ve benzin içini in spesifik enerji ve enerji yoğunlu unluğu Magnezyum Hibrid Magnezyum-Nikel Hibrid Vanadyum-Hibrid Demir-Titanyum Hibrid Lantan-Be Beş Nikel Hibrid Sıvı Hidrojen Gaz hidrojen Benzin Wh/kg (spesifik enerji) 2758 1245 815 689 539 39,400 39,400 12,880 Wh/l (enerji yoğunlu unluğu) u) 3978 3191 3751 3782 3506 2758 365 9688
HİDROJEN Günümüzdeki depolama metotları içindeinde hidrojen, endüstriyel kullanım m içini in güvenlig ve uygundur, fakat hareketli taşı şıtlar içini in kabul edilemez durumdadır. r. Hidrojenin depolama sistemi olarak kullanılmas lması ve ticari hale gelmesi içini in gelişmelerin devam etmesi gerekmektedir.
Hidrojen Depolama Otomotiv uygulamalarında, ağıa ğırlıkk kritik bir faktörd rdürr ve elektrik bataryası ile karşı şılaştırıldığında hidrojen oldukça rekabet edebilici bir durumdadır. r. Hidrojenin dezavantajı yakıt t olarak, hidrojenin var olan dağı ğıtımm içini in gerekli alt yapı tesislerinden kaynaklanmaktadır. Ülkelerde hidrojen istasyonları kurulması ile bu dezavantaj ortadan kaldırılabilir. labilir.
Hidrojen depolama Hidrojen, sıkışs ıştırılmış gaz olarak depolanabilir (CHG).Düşük k fiyat, hafiflik avantajı vardır. r. Sıvı hidrojen formunda kriyojenik tanklarda depolanabilir. YüksekY spesifik enerji ve hızlh zlı yeniden dolum kapasitesi sağlar. Metal hibrid formdan vanadyum ve magnezyum olarak bazı metallerle tepki göstererekg depolanabilir.
VOLANLAR Volanın şekli önemlidir. Aynı sürede, malzemenin gerilmesinin bir yolu tasarımd mdır. Volan diski optimize edildiğinde inde daha fazla enerji depolanabilir. Daha eski tip volanlarda, bütünb n talimatlar malzemenin yapımına eşittir. e Bununla birlikte, bazı malzemeler, daha yükseky gerilme mukavemetine sahiptir: karbon fiberler, cam fiberler, Kevlar fiberleri, v.b.
Volanlar Volanın n spesifik enerji yoğunlu unluğu u (Wh( Wh/kg) gerilme/spesifik yoğunlu unluğu çekme gerilme gerilimi oranı ile orantılıdır. r. Malzemeler tablo 6 da6 gösterilmektedir. g
Tablo 6. ET volanlarda kullan Tablo 6. ET volanlarda kullanılan malzemeler lan malzemeler 76,2 76,2 762 762 714,300 714,300 1,400 1,400 1000 1000 Kevlar Kevlar 19,6 19,6 196 196 184,200 184,200 1,900 1,900 350 350 S-cam cam 14 14 140 140 131,600 131,600 1,900 1,900 250 250 E-cam cam 57,5 57,5 515 515 483,100 483,100 1,550 1,550 750 750 Karbon Karbon Pratik Pratik Enerji Enerji yo yoğunlu unluğu Wh Wh/kg /kg Teorik Teorik Enerji Enerji Yo Yoğunlu unluğu Wh Wh/kg /kg Oran Oran Gergi Gergi mukave mukavemeti meti/ Yo Yoğunluk unluk Nm Nm/kg /kg Spesifik Spesifik yo yoğunluk unluk kg/m3 kg/m3 Tasar Tasarım Gergi Gergi mukave mukavemeti meti N/m2 N/m2
Volanlı sistemlerde, meydana gelebilecek beklenmeyen durumlar: Vakum azalması: Volan ve içi depoda havanın n sıcakls caklığı artacaktır; r; volanın n hızı, h, hızlh zlı bir şekilde azalacaktır. Aşırı hız: Volanın çapı büyütüldüğünde, içi depoya sürtebilir. SürtS rtünme sonucu, volanın n yavaşlamas lamasına neden olacaktır. Volanın n sıcakls caklığı ve sürts rtünme artacak, fakat fiziksel zarar oluşturmayacakt turmayacaktır. r. Sürtünme zararı: Volan veya vakum kayıplar plarının sonucu olarak, sürts rtünme ile sonuçlanacakt lanacaktır. Depolanan enerji, volanın n mekanik parçalanmas alanmasındanda dağı ğıtılacaktır, fakat içi depoda tutulacaktır.
Volanların n Avantajı Volanlarda enerji yoğunlu unluğu, u, var olan bataryalardan daha yüksektiry ve ilave avantaj olarak güçg çıkarma oranı yüksektir. Pratik olarak ömrü limitsizdir.
Ultrakapasitörler rler Ultrakapasitör teknolojisi, çift tabaka temelli olarak 100 yılıny üzerinde anlaşı şılmış olmasına rağmen, ticari uygulamalar içini in yaklaşı şıkk 10 yıly içinin olağan anüstü bir başar arı göstermektedir. Konvansiyonel kapasitörler gibi ultrakapasitörler rler de iki tane plaka olarak adlandırılan iletkenle, bunları ayıran ve dielektrik olarak isimlendirilen yalıtkandan oluşurlar. urlar.
Ultrakapasiteler Ultrakapasitörler rler,, konvansiyonel kapasitörlerden rlerden, son derece daha yükseky miktarda enerji depolayabilirler. Ultrakapasitörler rler,, günümüzdekig pazarda mevcuttur, düşükd k veya yükseky enerjide serbest bırakb rakılan enerji, kapasite sınırlars rları 2,700 farad a a kadardır. r. Onlar aynı zamanda bataryalar gibi kullanılabilirler. labilirler. Bununla birlikte, ultrakapasitörler ler, bataryadan daha fazla güç, 10-20 kez daha fazla verebilirler.
Tablo 7.Enerji depolama sistemlerinin fiyat karşı şılaştırmaları Parametreler Volanlar Bataryalar Kapasitörler Verim % 90 % 75 % 90 Enerji Tesis masrafı($/ ($/kwh) Güç tesis masrafı($/ ($/kw) Çalışma fiyatı ($/kw kw/yıl) Değişken (sent/kwh kwh) 100-800 220 7,5 0,4 200 300 1,55 0,5 3600 $/MJ 300 % 5 (tesis masrafının) n) 0
Yakıt t Pilleri Yakıt t pillerinin gelişimi, imi, geçen en yüzyy zyıla kadar gider. Temel yakıt t olarak, hidrojene ihtiyaç duyar. Yakıt t pilleri elektrokimyasal reaksiyonun değişme enerjisini, elektrik enerjisine dönüştürürd Avantajlı özellikleri, elektrik enerjisinden yakıtın dönüşümü önemlidir, çalışma sessiz, sıfırs r veya çok düşükd k emisyon, atık ısı toplanabilir, hızlh zlı yeniden dolum, yakıt t esnekliği, i, dayanıkl klı ve güvenilirdir.
Tablo 9. Yakıt t pillerinin tipik karakteristikleri FAYP Fosforik asit yakıt pili AYP Alkalin yakıt t pili EKYP Ergimiş karbonat yakıt t pili KOYP Katı oksit yakıt t pili KPYP Katı polimer yakıt t pili DMYP Direkt metanol yakıt pili Çalışma sıcaklığı (oc) 150-210 60-100 600-700 900-1000 50-100 50-100 Güç yoğunlu unluğu (W/cm3) 0.2-0.25 0.25 0.2-0.3 0.3 0.1-0.2 0.2 0.24-0.3 0.3 0.35-0.6 0.6 0.04-0.23 0.23 Tasarlan mış yaşam am (kh) 40 10 40 40 40 10 Tasarlam ış fiyat (US$/kW kw) 1000 200 1000 1500 200 200
Ergimiş yakıt t pili ve katı oksit yakıt pili çok yükseky çalışma sıcakls caklığında sağlan lanır, ET içini in uygulaması pratik olarak zordur.yakıt t pili üzerindeki son gelişmeler ve araştırmalar, rmalar, ET içini in katı polimer yalıt t pili (PEM yakıt t pili) üzerinde odaklanmış ıştır. Bu konsept ET içinin çok çekicidir.
Tablo 8. Teorik Enerji Kapsamında Belirgin Yakıtlar Basınçlı hidrojen gaz Sıvı hidrojen Magnezyum hibrid Vanadyum hibrid Metanol Petrol Spesifik enerji (Wh/kg) 33600 33600 2400 700 5700 12400 Enerji Yoğunlu unluğu(wh 600 2400 2100 4500 4500 9100 wh/l)
Otomotiv uygulamarında nda,, elektrikli taşı şıtlardaki gereksinmeler yüksek ani güçg ve yükseky güçg yoğunlu unluğu, u, başlama ve tırmanmat içini in düşükd k hızlardah yükseky moment, çok geniş hızz aralığı içinin sabit-moment ve sabit-güç bölgeleri, hızlı moment cevabı, geniş hızz ve moment menzillerinde yükseky verim, faydalı frenleme içini in yükseky verim, yüksek güvenilirlikg ve sağlaml lamlıkk içini in değişik ik taşı şıt çalışma koşullar ulları, makul fiyat.
Tablo 10. Farklı motor tiplerinin karşı şılaştırması Motor boyut Kütle ASM asenkron motor 0 PM Daimi mıknatm knatıslı motor + SRM Anahtarlı relüktans motor 0 DCM Doğru akım motoru - SYM Senkron motor 0 Yüksek hızh + + + - - Verim 0 + 0-0 Kontrol edilebilirlik + + - + 0 Güç aletleri sayısı Dayanklılık/ Bakım 0 + 0 0 + + + - 0 - Kontrpl edici (boyut, kütle) k 0 0 0 + 0 TOPLAM +++ ++++ +++ +++
Farklı motor tipleri İyi bir karşı şılaştırma yapmak içini in sadece maksimum verimler karşı şılaştırılmamalıdır. Tablo 10, elektrikli taşı şıtlar içini in cer motorları olarak süreklis mıknatm knatıslı motor içini in avantajları göstermektedir. Gerçekte, ekte, sürekli mıknatm knatıslı motor performansının n makul pek çok yararlı özellikleri vardır. r. Fakat üretim fiyatı dikkate alınd ndığında, mıknatm knatıslarınn yükseky fiyatı ve motorun daha karmaşı şıkk yapısı hesaba katılmal lmalıdır. Bu fiyat çok yükseky olduğu u için, i in, Dünya çapında sonuç,, belki de asenkron motorun avantajlı olmasıdır.
Tablo 11. Elektrikli taşı şıt motorlarının n uygulamaları Elektrikli Taşı şıtt Modelleri Fiat Panda Elettra Mazda Bongo Conceptör G-Van Suzuki Senior Tricycle Fiat Secicento Elettra Ford Think City GM EV1 Honda EV Plus Nissan Altra Toyota RAV4 Chloride Lucas Elektrikli taşı şıtt motorları Seri dc motor Şönt dc motor Ayrı uyarılm lmış dc motor Sürekli mıknatm knatıslı dc motor Asenkron motor Asenkron motor Asenkron motor Sürekli mıknatm knatıslı motor Sürekli mıknatm knatıslı motor Sürekli mıknatm knatıslı motor Anahtarlı relüktans motor
SONUÇLAR Elektrikli taşı şıtlar içini in kullanılan lan enerji depolama sistemlerinde volanlar ve kapasitörler % 90 verimle en iyi sonuçlar ları vermektedir. Bataryalar ise % 70 - % 85 verim göstermektedirler.
Sonuçlar Yakıt t pillerinin verimleri % 60- % 70 seviyesindedir. Enerji üretiminde hiçbir döner parçan anınn kullanılmamas lmaması,, tamamen sessiz çalışma sağlamaktad lamaktadır. Gelecekte yakıt t pilleri, elektrikli taşı şıtlarda ana enerji kaynağı olarak, yaygın n olarak kullanılacakt lacaktır.
Sonuçlar Hidrojenin verimi % 50 - % 60 olmasına rağmen teknolojinin hızlah ilerlemesi ile birlikte bu konuda da hızlh zlı bir gelişme beklenmektedir. Ancak yakıt t pilli araçlar ların yaygınla nlaşması içinin mevcut dağı ğıtımm ve bakım m sistemlerinde köklk klü değişikler ikler gerekecektir. Uzun vadede iyi bir seçenek enek olabilir.