«Умные» cети для электромобилей

14.03.14 | Рубрика: Технологии. Просмотры: 1 052

Современная система электроснабжения устроена достаточно просто: на одной стороне располагается производитель электроэнергии, который обеспечивает ее доставку, а на другой находится потребитель, который оплачивает используемую мощность. За счет преобразования структуры энергетики в будущем появятся новые технологии, которые позволят потребителям продавать электроэнергию, получая за это компенсацию от ее производителей. Это станет реально благодаря развитию «умных» сетей (Smart Grids), а главным элементом данной технологии окажется электромобиль, так как его мощный аккумулятор можно использовать в различных целях.

Одной из таких идей является применение автомобильных аккумуляторов в качестве накопительных буферов для всей электросети, которые позволят сглаживать нестабильность работы генераторов электричества, неизбежно проявляющуюся при получении энергии экологически чистыми методами. Ведь в отличие от продукта атомных электростанций получаемая из возобновляемых источников энергия не всегда может вырабатываться в нужном объеме и в тот момент, когда это нужно потребителям. Энергия от ветряных генераторов поступает по высоковольтным линиям электропередач, а затем распределяется между потребителями. Если расходуемая мощность окажется выше подаваемой в электрическую сеть, электромобиль будет делиться накопленной энергией, а когда поступлений достаточно для покрытия всех потребностей домашнего хозяйства, аккумулятор автомобиля будет заряжаться. Таким образом, электромобиль мог бы работать не только как буферный накопитель, но и в качестве регулятора пиковых нагрузок.

Это возможно благодаря тому, что такое транспортное средство, находящееся в гараже или на парковке, будет способно в течение малого промежутка времени отдавать накопленную электроэнергию. Для этого оно может подключаться к специальной розетке либо использовать беспроводную систему индуктивной подзарядки. Заинтересованность автовладельцев в подобной технологии должна поддерживаться материальными стимулами: от поставщиков энергии они будут получать соответствующее вознаграждение за предоставленное электричество. «В идеале это позволит компенсировать стоимость аккумулятора в течение его срока службы, равного примерно семи годам», — говорит профессор доктор Гернот Шпигельберг, руководитель группы разработки электромобилей компании Siemens. Для правильного согласования подпитки и потребления электроэнергии служит технология под названием Smart Grid. Она представляет собой сеть электроснабжения, которая дополнена IT-функциями, позволяющими управлять процессами энергопотребления и контролировать их.

Разумеется, электромобиль можно использовать не только в общей электросети. Мощные аккумуляторы являются великолепными источниками энергии для собственного дома. Например, в течение дня они могут заряжаться от фотогальванической энергетической установки, расположенной на крыше здания, а ночью — питать домашние электроприборы. «Энергии, накопленной аккумуляторами одного автомобиля, достаточно для обеспечения жилого дома на четверых человек», — утверждает доктор Шпигельберг. То, каким образом может функционировать домашняя мини-электростанция, демонстрируют проекты энергоэффективных домов, уже распространенных сегодня в европейских странах. В среднем системы энергообеспечения такого дома способны произвести больше энергии, чем потребляют его жильцы. Ключевым элементом подобных проектов тоже является электромобиль.

Каким же образом объединить дом и транспортное средство в «умную» сеть? Сколько циклов выдержит аккумулятор при непрерывных зарядке и разрядке? И самое главное — останется ли у автомобиля достаточно энергии, чтобы в любой момент можно было сесть за руль и поехать по своим делам? Ведь если перед этим, например, включался водонагреватель, то аккумулятор окажется попросту разряженным. У доктора Шпигельберг есть простое решение для таких случаев: «Вы можете запрограммировать автомобиль таким образом, чтобы его батарея никогда не разряжалась более чем на 60%. Оставшиеся 40% энергии будут использоваться для совершения поездок». Это могло бы стать лишь первым шагом на пути к «интеллектуальному сотрудничеству» дома и машины. Уже сегодня электромобили теоретически способны в автоматическом режиме изучать привычки своего владельца и осуществлять подзарядку к нужному моменту, так как в большинстве случаев транспортное средство используется для поездок примерно в одно и то же время по одним и тем же маршрутам. Вдобавок ко всему можно загружать данные из личного календаря в управляющий компьютер автомобиля. Тогда тот будет точно знать, когда и как далеко предстоит поехать, и своевременно дозарядит аккумулятор. Если же пользователь захочет выбрать другой, более протяженный маршрут, он сможет сообщить об этом своему автомобилю с помощью смартфона, воспользовавшись специальным приложением. В этом случае контроллер аккумулятора спланирует зарядку таким образом, чтобы запас энергии соответствовал дальности предстоящей поездки. Интеграция автомобиля в «умную» сеть предполагает постоянную работу аккумулятора. Современный электромобиль с максимальной дальностью поездки 150 км проезжает за день в среднем около 50 км.

Следовательно, полный цикл зарядки батареи будет происходить один раз в три дня. Две трети емкости аккумулятора в этом стандартном варианте использования автомобиля не задействованы, поэтому вполне могут применяться в сети Smart Grid в качестве источника энергии.

Оптимальное использование аккумуляторов

Говоря о будущем электромобилей, нельзя останавливаться лишь на проблемах их интеграции в «умные» сети. Электрокары сами по себе открывают совершенно новые возможности и вызывают к жизни новые концепции. Проблемами их реализации занимаются европейские ученые, работающие над проектом EO Smart Connecting Car.

Обычная схема в виде двигателя и трансмиссии со сцеплением электромобилю не нужна — вместо всего этого можно использовать устанавливаемые прямо в колеса электромоторы. Благодаря такому решению автомобиль будет способен, например, поворачивать колеса на 90° и парковаться с минимальным расстоянием между соседними машинами, чтобы использовать любые свободные места. В рамках проекта EO Smart Connecting Car автомобиль оснащается многочисленными датчиками и сенсорами, среди которых видеокамеры, лазерные и акустические датчики измерения дистанции, а также системы геопозиционирования на базе GPS. При этом решающую роль будет играть согласованность принятия решения по результатам обработки всей поступающей информации. Первый концепт-кар уже существует, и сегодня строится его вторая версия. Впоследствии электромобиль будет иметь модульную конструкцию, что означает возможность интеграции дополнительных кабин, чтобы легко «масштабировать» средство передвижения нового поколения в соответствии с потребностями пользователя. Кроме того, можно создать систему коммуникации между машинами, чтобы они могли обмениваться энергией. Это позволило бы электромобилю, который передвигается лишь на короткие расстояния, делиться ресурсами с тем, которому предстоит проехать несколько сотен километров.
Как увеличить емкость аккумулятора для электромобиля

Концепции и идеи новых проектов базируются на том, что электрокары рано или поздно выйдут на массовый рынок. До настоящего времени самым главным препятствием для реализации этой мечты были недостатки самого главного компонента — аккумулятора. Имеющиеся сегодня электромобили хотя и способны проехать 150 км, этого явно недостаточно, так как слишком велики опасения водителя, что поездка будет прервана внезапно севшим аккумулятором. Вот почему ведущие исследователи сегодня работают над более гибкими видами элементов питания.

Так, подход ученых из лондонского исследовательского института Imperial College заключается в том, чтобы превратить даже элементы кузова в аккумуляторы электроэнергии. «Автомобиль будущего, благодаря нашим композитным материалам, будет получать энергию из крыши, капота, дверей», — поясняет идею координатор проекта доктор Эмиль Гринхол.

Новая технология позволяет создавать легкие и маленькие автомобили для города, так как при использовании таких миникаров для коротких поездок можно избавиться от обычных аккумуляторов. Основой данного исследовательского проекта служат суперконденсаторы, которые, в отличие от стандартных, имеют более высокую емкость и могут за короткое время (например, при разгоне автомобиля) отдавать больше энергии, чем обычные аккумуляторные батареи. Материалом для электродов служит углеродное волокно (карбон), в качестве электролита используется полимерный гель, и все это изолируется стекловолокном. Преимущество подобного решения в том, что аккумулятор обладает теми же свойствами, что и обычный карбон, поэтому он может использоваться для изготовления деталей кузова.

Совершенно иной подход демонстрируют ученые из Фраунгоферовского института химических технологий (ICT), работающие над батареями типа redox flow. Эта технология позволяет моментально заряжать аккумуляторы любой емкости. Как известно, обычные элементы питания не позволяют этого делать: если попытаться зарядить аккумулятор большой емкости за короткий промежуток времени, то зарядному устройству потребуется очень много энергии. Кроме того, и сам аккумулятор (если не использовать систему охлаждения) очень сильно разогреется. Элемент питания, созданный по технологии redox flow, является своего рода гибридом между топливными элементами и обычным аккумулятором. Электромобиль с подобным источником энергии можно зарядить в течение пяти-десяти минут, при этом плотность энергии будет лишь не намного меньше, чем у литий-ионного аккумулятора.

Секрет ускоренной перезарядки заключается в том, что в такой батарее используется жидкий электролит, для которого предусмотрено две емкости. Насос закачивает электролит в ячейку преобразователя (см. рис), в которой ионный обмен между двумя жидкостями происходит через мембрану. Когда электролиты исчерпывают свой потенциал, можно просто откачать из аккумулятора использованную жидкость и залить туда предварительно заряженную. При этом не будет никаких отходов, так как на зарядной станции принятый от автомобиля электролит будет восстановлен.

Источник: Chip.UA