20-06-2018 15:08:40

Svævende magneter skal kickstarte de elektriske tog

Et svævende magnetisk svinghjul skal efter planen reducere spidsbelastninger af elnettet, når togdriften i Danmark elektrificeres fuldt ud. Svinghjul og styringssystemer udvikles af DTU Energi, DTU Elektro, Banedanmark og firmaet WattsUp Power A/S.
26. mar. 2017 Af Kasper Haagen Skovse, DTU

Et elektrisk tog der holder stille, har samme udfordring som biler og supertankere: det kræver store mængder energi at få et stationært objekt i bevægelse, mens energibehovet falder, når bevægelsen først er i gang. Elektriske tog har yderligere den udfordring, at mens biler og supertankere medbringer eget brændstof, belaster de elektriske tog elnettet med en kortvarig, men kraftig belastning under opstarten.

”Det er dårligt både for den enkelte transformerstation og for det overordnede elnet, når der er en voldsom, men ret kortvarig spidsbelastning, og problemet vil blive signifikant større som følge af den planlagte omfattende elektrificering af det danske jernbanenet”, siger lektor ved DTU Energi, Rasmus Bjørk.

Kraftigt overdimensionerede

Banedanmarks nuværende transformerstationer, som konverterer strømmen fra 132 kilovolt vekselstrøm til 25 kilovolt jævnstrøm, er kraftigt overdimensionerede for at levere den nødvendig effekt til eltogenes opstart. Og Banedanmark kan imødese store ekstraudgifter til transformerstationer når de nuværende 1756 km køreledningsanlæg i Danmark udvides med yderligere 1362 km som følge af elektrificeringen af det danske tognet.

Et samarbejde mellem DTU Energi, DTU Elektro, Banedanmark og WattsUp Power A/S skal med støtte fra Det Energiteknologiske Udviklings- og Demonstrationsprogram (EUDP) forsøge at udvikle et energilagringssystem baseret på et magnetisk svinghjul, som er designet og produceret af det danske firma. Dette svinghjulssystem vil kontinuerligt belaste elnettet med en jævn, men lille belastning, og samtidig være i stand til at levere en høj effekt til det elektriske tognet når der er behov for det, så et startende elektrisk tog kan få en hjælpende hånd.

Energilagring ved hjælp af svinghjul virker ved at accelerere en rotor (svinghjulet) til en meget høj hastighed og opretholde energien i systemet som rotationsenergi. For når først hjulet roterer, skal der kun tilføjes minimale mængder energi for at holde hjulet i rotation, indtil energien skal bruges. En del af energien ville normalt gå tabt gennem friktion med omgivelserne, men friktionen kan minimeres ved at holde svinghjulet svævende i et magnetfelt i vakuum, så al energien i systemet forbliver tilgængelig for de elektriske tog.

Svinghjulsteknologien skal bevare energien i systemet

Svinghjulsystemer fungerer som et slags mekanisk batteri der bygger på princippet om bevarelse af energi: tilførsel af energi til systemet resulterer i en stigning i hastigheden af svinghjulet, eller rotoren, til høj fart, hvorefter energien fastholdes som roterende, kinetisk energi. Når energi omvendt trækkes ud af systemet, reduceres svinghjulets rotationshastighed. WattsUp Powers har udviklet et svinghjul der kan rotere med mere end 10.000 omdrejninger i minuttet og som kan lagre 10-100 kWh.

”WattsUp Power har allerede et magnetisk svinghjul som fungerer til brug i mindre systemer, eksempelvis private husholdninger. Men transformerstationer ligger lige op ad banelegemet, og et svævende svinghjul er ret følsomt overfor vibrationerne fra tunge toge, når de kører forbi. Og derudover virker elektronikken på svinghjulet ikke i øjeblikket sammen med det el-nettet til tog”, siger Rasmus Bjørk.

Magnetisk leje uden vibrationer

Der er derfor behov for nytænkning. DTU Energi har i årevis forsket i magnetiske materialer og design af magnetfelter til brug i magnetisk køling. Læs om forskning i magnetokaloriske materialer på DTU Energi. Denne unikke ekspertise i magnetiske systemer vil forskerne fra DTU Energi bruge til at designe et magnetisk leje, der formår at holder svinghjulet fra WattsUp Power svævende trods vibrationer fra tung trafik. Samtidig vil DTU Elektro optimere styringselektronikken der vil tillade svinghjulet hurtigt at kunne levere den ønskede strøm. Et optimeret magnetiske leje ventes også at forøge levetiden på svinghjulet til mere end 20 år i transformermiljøet. Når det optimerede svinghjul er designet, vil det blive testet i lille skala og derefter på en elektrisk togtransformerstation nær Kolding.

”Vi vil med baggrund i en analyse af testresultaterne evaluere teknologiens egnethed, om den kan løse spidsbelastningsproblemet på elnettet, og om den er økonomisk fornuftig og dermed værd at integrere i 2026-planerne for elektrificeringen af det danske jernbanenet”, fortæller Rasmus Bjørk.

Det magnetiske svinghjul vil på længere sigt også kunne anvendes til at begrænse fluktuationer i den producerede effekt fra andre vedvarende energikilder, fx vindenergi.

Artiklen er oprindelig udgivet hos DTU.


Deltag i debatten

luk
close