Terugwinningstechnologieën voor remenergie zijn recentelijk een nieuwe markt geworden voor de openbare vervoersector en de industrie heeft geïnvesteerd in onderzoek en ontwikkeling in dit veld. Verschillende technologieën concurreren met elkaar voor dezelfde sector, zonder dat er duidelijk een toonaangevende technologie is. Elke technologie heeft voor- en nadelen, afhankelijk van elk geval.

De partners van het T2K-project hebben grondig onderzoek gedaan naar terugwinningstechnologieën voor remenergie. Drie van de T2K-partners hebben gelijktijdig systemen in hun net geïmplementeerd. Deze gezamenlijke benadering is uniek in de wereld en heeft hen heel wat expertise opgeleverd in dit veld. Het blijkt dat het investeren van personeel en financiële middelen in dit concept de moeite waard is, aangezien hiermee de energie-efficiëntie van stedelijke spoornetten aanzienlijk verbeterd kan worden.

Concept

Spoorvoertuigen worden aangedreven door elektrische motors die gevoed worden door onderstations die langs de sporen geplaatst worden. De elektriciteit wordt via een bovenleiding door de stroomafnemer doorgegeven in geval van een tram, en door een derde rail langs het spoor in geval van een metro. De modernste spoorvoertuigen kunnen elektrisch remmen met regeneratieve remtechnieken. In dat geval kan de elektrische motor als generator werken en de kinetische energie van het voertuig terugwinnen en omzetten in elektriciteit.

 

Afb. 34 – Concept van regeneratief remmen op een spoornet

 

In deze voertuigen kan een klein deel van deze kinetische energie hergebruikt worden om uitrustingen van voertuigen (verwarmings- en koelapparatuur, displays, enz.) aan te drijven. De resterende energie kan teruggestuurd worden naar het net en dus alleen teruggewonnen worden wanneer een voertuig in de buurt geaccelereerd wordt. In dit geval maakt het accelererende voertuig gebruik van deze energieoverdracht. Indien dat niet het geval is stijgt de netspanning door de extra energie en moet deze extra energie aan remweerstanden afgegeven worden. Dit principe wordt geïllustreerd in de bovenstaande afbeelding.

Deze energieoverdracht tussen voertuigen is afhankelijk van parameters zoals de verkeersdichtheid, afstanden tussen stations of hellingen. In een metronet bedragen deze overdrachten gewoonlijk 20-30% van het totale verbruik.

In veel situaties kan de energie niet teruggewonnen worden op het net omdat er geen voertuig accelereert op het moment dat een ander voertuig remt. Om deze energieverliezen te vermijden en het algemene energieverbruik te verlagen, zijn talrijke toepassingen ontwikkeld.

Toepassingen

De terugwinningstoepassingen van remenergie kunnen ingedeeld worden in drie groepen:

• Mobiele opslagtoepassingen
• Vaste opslagtoepassingen
• Vaste ‘back to the grid’-toepassingen”

Mobiele opslagtoepassingen

Afb. 35 – Concept van een mobiel energieterugwinningssysteem op een voertuig


 

Mobiele opslagtoepassingen bestaan uit boordsystemen voor energieopslag (ESS), die zich gewoonlijk op het dak van het voertuig bevinden. Elk systeem werkt zelfstandig. Wanneer de teruggewonnen energie niet gebruikt kan worden door een ander voertuig in de buurt, wordt de energie direct naar het opslagsysteem in het voertuig gestuurd. De opgeslagen energie wordt dan gebruikt om het voertuig aan te drijven wanneer het accelereert of om energie aan de uitrustingen te leveren (verwarming, koeling, verlichting, enz.).

Vaste opslagtoepassingen

Afb. 36 – Concept van een vast energieterugwinningssysteem langs de sporen


 

Vaste opslagtoepassingen (langs de kant van de weg) bestaan uit één of meerdere energieopslagsystemen langs de sporen. Ze kunnen de energie van een remmend voertuig terugwinnen en een accelererend voertuig aandrijven.

Vaste ‘back to the grid’-toepassingen

Afb. 37 – Concept van een terugvoedend ontderstation (inverter) dat de teruggewonnen elektriciteit naar het net terugstuurt


 

Het belangrijkste verschil met de vorige toepassingen is dat ‘back to the grid’-toepassingen de teruggewonnen energie niet opslaan. In plaats daarvan sturen ze deze naar het hoofdelektriciteitsnet voor gebruik door andere klanten of om deze aan energieleveranciers te verkopen.

Vergelijking tussen toepassingen

Tab. 8 – Vergelijking van terugwinningstoepassingen van remenergie voor stedelijke spoorvoertuigen

	Mobiele opslagsystemen	Vaste opslagsystemen	Terugvoedende onderstations
Bovenleiding- of derderailverliezen worden verminderd.	x
Hoge efficiëntie door lagere transformatie- en opslagverliezen.			x
Teruggewonnen remenergie kan voor om het even welke uitrusting (verlichting, roltrappen enz.) worden gebruikt.			x
Voertuigen kunnen op korte stukken zonder bovenleidingen/derde rail rijden.	x
De systemen kunnen worden geïnstalleerd zonder dat de voertuigen hoeven te worden gewijzigd.		x	x
Minder strenge veiligheidseisen aangezien niet aan boord van het voertuig.		x	x
De opwarming van tunnels en stations kan worden vermeden door de door de remweerstanden geproduceerde warmte te verminderen.	x	x	x
Mogelijkheid tot voltagestabilisatie en piekbewaking.	x	x

 

Elke toepassing heeft voor- en nadelen. Deze staan samengevat in de bovenstaande tabel.

Technologieën

De voorheen beschreven toepassingen zijn gebaseerd op verschillende technologieën:

• Een accu slaat energie op door een elektrochemische reactie. Accu’s zijn verkrijgbaar in veel verschillende formaten en stroomsterktes.
• Een ultracondensator is een elektronisch opslagmedium waar energie in wordt opgeslagen als een concentratie van elektronen op het oppervlak van een materiaal. Er vinden geen chemische reacties plaats. Ze overbruggen de kloof tussen conventionele condensators en accu’s en kunnen minimaal 10 keer meer stroom leveren dan de meeste accu’s van hetzelfde formaat.
• Een vliegwiel is een roterend wiel dat rond een as draait en gebruikt wordt voor het mechanisch opslaan van energie in de vorm van kinetische energie. Het vliegwiel accelereert een rotor tot een bijzonder hoge snelheid en de energie wordt in het systeem opgeslagen als rotatie-energie. Vliegwielen kunnen gebruikt worden om hoge pieken te produceren.
• In de meeste traditionele onderstations kan de energie slechts in één richting stromen. Een terugvoedend onderstation maakt gebruik van een omvormer waarmee de energie in beide richtingen kan stromen. In tegenstelling tot bij de opslagtechnologieën die hierboven beschreven staan, wordt de teruggewonnen remenergie niet opgeslagen, maar teruggestuurd naar het elektriciteitsnet.

De verschillende opslagtechnologieën werken op verschillende wijze wat betreft vermogen en energiedichtheid. Ultracondensators hebben een relatief lage energiedichtheid, maar een hoge stroomdichtheid (snelle elektrische respons), terwijl accu’s een hoge energiedichtheid hebben, maar een lage stroomdichtheid (trage elektrische respons). Vliegwielen hebben ook een relatief hoge stroomdichtheid.

Implementatie

Zowel mobiele als vaste systemen zijn gericht op het verminderen van het algemene verbruik van metro- en lightrailnetten. Er is nog maar een beperkt aantal systemen geïmplementeerd in de openbare vervoersector wereldwijd. De meeste systemen bevinden zich nog in prototypefase, waardoor het moeilijk is voor operatoren in de vervoersector om investeringsbeslissingen te nemen, door het gebrek aan ervaring en feedback en onzekerheid over de terugverdientijd en levenscyclus. De kosten zullen mogelijk afnemen naarmate de markt uitbreidt, naar aanleiding van technologische verbeteringen en een daling in materiaalkosten.

Fig. 38 – Vergelijking van opslagtechnologieën

Heel het Ticket to Kyoto-project lang hebben de partners aangetoond dat het niet gemakkelijk is om technologieën te vergelijken, waarschijnlijke prestaties te beoordelen en de optimale technologische oplossing te bepalen. Het vinden van de meest geschikte technologie en het kiezen van de juiste implementatie vereisen een holistische benadering, waarbij veel parameters in overweging genomen moeten worden.

Eén kernelement bij het onderzoeken van terugwinningstechnologieën voor remenergie zijn simulaties. Een uitgebreide analyse van het net en een duidelijke evaluatie van mogelijke voordelen worden geadviseerd. De meeste leveranciers zullen hun diensten en ervaring in dit veld aanbieden. Zij kunnen de resultaten echter beïnvloeden omdat ze hun eigen apparaten willen verkopen, die mogelijk niet altijd optimaal zijn. Andere bedrijven zijn ook bezig met het ontwikkelen van simulatietools voor dit doeleinde. Deze zullen mogelijk tot een neutraler oordeel leiden.

Factoren

Een operator die wilt investeren in een terugwinningssysteem voor remenergie moet ten minste rekening houden met de volgende factoren, aangezien ze direct invloed hebben op de energiebesparingen en de manier waarop systemen geïmplementeerd kunnen worden.