PODCAST Selvbygget hjemmebatteri minimerer elregningen

 

Stigende energipriser har sat gang i hittepåsomheden hos ingeniører og elektrikere rundt omkring i private værksteder. Tidligere her i Transformator mødte vi Rasmus fra Nørresundby, som gemte strøm fra sine solceller i sin elbil. Og så var vi ude hos ingeniøren, der var klar med en prototype på genbrugstanke med vand, der varmes op om natten og bruges om dagen. Alt sammen med dokumenterede besparelser på elregningen.

Vi ved fra de tidligere episoder, at det giver god faglig debat her på sitet, når vi på den måde møder gode, dygtige ingeniører, der jager løsninger på tidens energikrise. Masser af gode spørgsmål dukker op i debattråden, som vi ikke fik samlet nok op på. Men det vil vi nu.

I denne uges episode skal du møde Mads Aarup, der er civilingeniør, talsperson for Forenede danske elbilister og arbejder til dagligt med energifællesskaber og intelligent opladning af elbiler. Han har fået fat i en stribe brugte battericeller, som han er ved at koble sammen til et hjemmebatteri. Inden vinteren er omme skal det forsyne seks lejligheder i hans opgang med strøm, indkøbt når den er billigst.

Lyt med og kom med dine spørgsmål, kommentarer eller ideer til Mads Aarup herunder i debattråden. Hvem må arbejde med elbilbatterier? Hvilken type batterier er mest velegnet? Er der noget særligt, man skal være opmærksom på ved inverteren? Fortsæt selv - Mads læser med, vi besvarer efter bedste evne og samler gerne op i en artikel næste uge, hvis der er nok at tage fat i.

På den måde kan vi alle være med til at skubbe på batteriteknologien. For en dag bliver der masser af elbilbatterier, der kan og skal genbruges. Der er jo 60-70 procent tilbage i dem. Så er det godt at være klar med gode, tilgængelige og praktiske løsninger.

Links

Battericellerne skrues solid sammen med maskinskruer og skal sættes sammen under pres. Illustration: Henrik Heide
Mads Aarup tester spændingen i den enkelte celle. Illustration: Henrik Heide

Fik du hørt: PODCAST James Webb tager snapshots fra universets begyndelse

Du kan finde flere episoder af podcasten HER

sortSortér kommentarer
  • Ældste først
  • Nyeste først
  • Bedste først

...bedre at genbruge batterierne til produktion af nye batterier ?

Stationære batterier behøver strengt taget ikke være lithium (vægten betyder ikke noget) og genbrug af bilbatterier mindsker behovet for nyt lithium som skal udvindes - hvis det selvf. er miljømæssigt forsvarligt at genbruge..

  • 9
  • 0

Genbrugsmantraet hedder jo: Reduce, Reuse, Recycle. I den rækkefølge. Jeg tænker at det er bedre at bruge batterierne fuldt ud og SÅ sende dem til genbrug. Allerbedst var det hvis de kunne bruges i en elbil igen, men det bliver nok svært at få igennem.

  • 10
  • 0

Tænker der skal en del battery management systemer til at sikre at alle de serie-koblede batterier hverken bliver over eller under-ladet! Og overopladning er jo ikke ufarligt med den type batterikemi...

  • 5
  • 0

Som en af de mange med et gammel solcelleanlæg gør de nuvære priser på strøm og tariffer jo at man overvejer at udvide anlægget og evt også tilføje et batteri,

Men kan i hjælpe med en kilde til lovligheden af at "rode" med 48V DC selv ? - og hvor går grænsen ?

Hvilken hybrid-inverter er der valgt til projektet ?

  • 8
  • 0

Kunne være interessant om en sådan sag også berørte de sikkerhedsmæssige aspekter omkring batterier i boliger etc https://ing.dk/artikel/kronik-vi-mangler-k... .

Enig. Selv om der anvendes LiFePO4 batterier, som er langt mere stabile end de kobolt-baserede NMC og NCA batterier, der anvendes i de fleste elbiler, har der alligevel ifølge en batteriekspert på E22 messen i Odense været mindst 5 villabrande i Tyskland som følge af LiFePO4 husstandsbatterier! Løsningen kommer forhåbentligt i 2023 i form at Na-ion (salt) batterier, som i de nyeste versioner har sammenlignelige egenskaber med LiFePO4, men ikke er brændbare og samtidig er langt mere miljøvenlige i både produktion, genanvendelse og bortskaffelse. Jeg venter ialtfald spændt.

Det blev dels berørt ift spændingsniveau,

Med hensyn til spændingsniveauet er der en voldsom lysbuerisiko med deraf følgende brandrisiko ved alle DC systemer over 20 V, som kan generere store strømme. F.eks. vil man ved de her anvendte 48 V ifølge bl.a. Stokes og Oppenlander let kunne danne lysbuer på over 20 mm længde, så det er urealistisk at beskytte sig mod lysbuerisikoen ved en simpel krybeafstand. Man må derfor holde de 48 V i konverterrummet og kan ikke sikkert trække dem ud til f.eks. LED-belysning, køle/frys, vinduesåbnere, infotainment, alarmsystemer, adgangskontrol og andre ting, som ellers med fordel kunne drives fra et supplerende lavvoltnet i fremtidens hus, så man kunne sparer en masse AC-DC konvertere.

Men kan i hjælpe med en kilde til lovligheden af at "rode" med 48V DC selv ? - og hvor går grænsen ?

Det er meget enkelt. Al fast installation skal udføres af en autoriseret elektriker - uanset spændingsniveauet!. 48 V og måske op til flere tusinde A fra batteripoler er heller ikke for amatører!

Der er også hele problemstillingen omkring "grid - antiislanding". For at kunne garantere, at elnettet kan gøres spændingsfrit ved service, må ingen anlæg generere el til nettet, hvis nettet ikke i forvejen er spændingsførende. Det går godt p.t., fordi belastningen er meget større end den private produktion; men hvis det ikke er tilfældet i fremtiden, skal det nok blive problematisk.

Hvordan vil man iøvrigt i dette projekt koble i ø-drift uden en kortvarig afbrydelse af egen elforsyning ved enhver omkobling? Man nævner jo i podcasten, at man kun vil tappe fra batteriet, hvis direkte el er dyrere, så jeg formoder, at man kobler om og ikke kører som UPS, hvor al elforsyning til alle 6 lejligheder altid føres ind på batteriet via en AC-DC konverter og så konverteres tilbage til AC igen til et lokalt elnet.

Af disse årsager satser jeg selv på 20 Vdc i ren ø-drift fra batteri og solceller til at drive de vigtigste laveffektenheder, som de ovenfor nævnte (LED-belysning etc.), og jeg vil så lade 230 V nettet klare komfuret, støvsugeren og andre højeffektenheder. Et sådant system kan laves for en brøkdel af prisen for en stor AC-løsning og har langt større virkningsgrad ved lave belastninger - se http://max-i.org/green-smart-house-solutio... . Som det ganske rigtigt nævnes i podcasten, vil prisen på el udjævnes over døgnet, efterhånden som flere kan tappe el på billige tidspunkter incl. elbiler og ikke mindst PtX anlæg, og så bliver det nok svært at få økonomi i et system, der blot flytter belastningen til lidt billigere perioder uden at tilføre yderligere faciliteter.

  • 12
  • 8

Tænker der skal en del battery management systemer til at sikre at alle de serie-koblede batterier hverken bliver over eller under-ladet!

Ja - ikke mindst hvis cellerne er forskellige eller bare forskellig slidt! Det er ikke helt uproblematisk at sætte et husstandsbatteri sammen af mere eller mindre udtjente celler. Mange producenter foreskriver oven i købet, at cellerne i et Li- (eller Na-) husstandsbatteri skal være fra samme lot, da de i modsætning til blybatterier og Fe-Ni ikke har nogen selvbalancering.

Det kan måske blive nødvendigt at basere BMS-systemet på transformatorer og switch-mode teknik eller på et udjævningsbatteri, som skiftes fra celle til celle, og ikke bare de "sædvanlige" MOSFET's med seriemodstande, som bliver varme ved ubalance.

  • 4
  • 2

BMS er et non-issue

Det er mere det med at skaffe en shunt-trip og få cellerne individuelt sikret. TEsting, og udligning af kapacitetsforskelle, overvågning af opståede ublancer osv. er der ret mange der dyrker. Der er også Danske grupper.

Ti BMS: Der er ret mange DIY løsninger, og ganske udemærkede Kinesiske produkter så som Daly, Battrium m.fl.

https://secondlifestorage.com/index.php

  • 6
  • 2

Tak for de mange gode kommentarer allerede. Jeg har ikke nået at åbne podcasten endnu, men må høre den på vej hjem fra arbejde.

Ja, det er netop LFP (Lithium Jern Fosfat) der er valgt pga sikkerheden. Alt kan brænde, men i det mindste nærer LFP ikke sin egen brand, som de koboltbaserede batterikemier gør. Jeg tør ikke have (store) hjemmelavede Li-batterier indenfor.

Ja, Carsten, enig alt over ca 20 Volt kan lave lysbuer og selv ved 3,2 Volt cellespænding kan et par celler og en tabt skruenøgle forårsage gnister og smeltet værktøj. Det er ikke kun Volt , men bestemt også Ampere, der er farlige.

Vi har en del erfaring med batterier (100 Volt Audi A2, 144 Volt elfly, op til 84 Volt elcykler osv) og har både regler, procedurer, briller, handsker og isoleret værktøj. Vi passer både på hinanden og TEC (Teknisk Skole), som er venlige at huse os.

Jeg har bestilt en 12kW tre-faset DEYE inverter i Samkøb 6 på Strømitag.dk. Den er omtrent dobbelt så kraftig, som jeg selv har brug for, men tilstrækkelig til at trække resten af opgangen på i alt seks lejligheder med ret høj dækning, hvis de vil være med en dag.

Batteriet bliver på ca 10 kWh (godt 50 Volt 200 Ah) og er mere end rigeligt til de 18 timers batteridrift i døgnet og ca 2000 kWh forbrug om året uden at skulle hverken stresses eller dybdeaflades.

Hvis hele opgangen skal med, så bygger vi sikkert et til batteri. Vi får langt bedre økonomi ved at dele et 20 kWh system mellem 6 lejligheder end ved at have et 10 kWh system hver!

Jeg har valgt en JK-BMS model B2A20S20P med Bluetooth og RS485 kommunikation til noget HomeAssistant. Den har 2 Amp active balancing og klarer op til 200 Amp LiFePO4 baterier fra 8s til 20s.

  • 23
  • 0

Tænker der skal en del battery management systemer til at sikre at alle de serie-koblede batterier hverken bliver over eller under-ladet!

Man kan få BMS med aktiv balancer i alskens størrelser og afskygninger.

Nolge kan du endda selv ændre maks lade niveau pr celle.

Så i stedet for altid at have 3,6 - 4,2 volt som min/maks (andre tal for LFP)

Kan du f.eks sætte det til 3,7-4,1 volt og på den måde beskytte batterierne, ved ikke at komme ud i yderpunkterne.

Dette vil jeg anbefale ved brugte batterier.

Også at ingen celler benyttes før de har været udsat for en test med mindst 2 fulde cycles, bliver en celle varm/lunken i den test skal den kasseres.

C-rate(lade/aflade styrke) til testen bør være lidt højere end det miljø cellen skal benyttes i.

  • 4
  • 0

Mads, du er helt sikker godt på vej!

Vedr. batteri-brande og farlighed, så er der nogle ret gode "hårdrejsende" video på YT:

FM-Global har lavet flere video af forskellige ESS-type og der er meget tydelig forskel på hvor meget det futter af imellem LiFePO4 og alm li-ion https://youtube.com/watch?v=uLzPSN8iagk&si...

Men der er også andre -søg ESS Fire :-)

https://www.youtube.com/watch?v=mn9irm8djdM

Husk at lovgivningen skal overholdes, der er ihvertfald en Dansk person som fik El-Selskabet og Politiet på besøg og blev bedt om at pille alt ned. Der var ret strikse regler for mængden af batterier i privaten.....

  • 4
  • 0

Husk at lovgivningen skal overholdes, der er ihvertfald en Dansk person som fik El-Selskabet og Politiet på besøg og blev bedt om at pille alt ned. Der var ret strikse regler for mængden af batterier i privaten.....

DEt skal lige siges at hans anlæg ikke var anmeldt, brugte en kineser Gridtied Solcelle-inverter sat til CV, og så havde han bygget sin egen boost/Step-down-trin fra batteri til PV-spændning på inverteren. Hooked sig på målerne mht. strømforbrug, og lukket sløjfen så det gik i nul.

Det havde kostet få tusinde basse-øre med genbrug af celler, og vist nok brugte solcellepaneler - ret fikst hvis du spørger mig :-)

Myndighederne var ikke imponeret, jeg syntes han fortjente en medalje 😂😂😂

  • 12
  • 5

A: Hvad skal man forvente at er tabet ved op og afldning er på LFP batterierer i %

B: Er der en grundtab i inverteren og hvor meget ? Eller det kun når den omformer spændingen ?

C: Hvor meget støjer inverteren ? Er der også lavfrekvent støj?

D: Er der nogen der har prøvet bruge en Tesla model 3 med LFP batterier til "V2G" via bilens lavspændingsdel. I den sammenhæng er der også lige "detalje" med farestier på bilen.

Set i et større perspektiv ser jeg gerne at det bliver et lovkrav at elbiler skal have V2G funktion. Lige om lidt er der milionere af elbiler i Europa = kunne blive verdens største multi Mega Pack anlæg.

Pft!

  • 3
  • 1

Er der en programør nørd til stede ?

Jeg synes det kunne være intresant hvis der var et regneark program eller app der kunne udregne forentingstiden på en Power wall ud fra den enkeltes forbrugsmønster.

Vil en direkte token info kunne bruges til sådan en regneark beregner ?

Jeg har app'ne Watt og Elspot priser hvor jeg via token tilladelse, både kan se elpris og forbrugs historik . Fra de informationer tænker jeg at man både historisk elforbrug mønster og / eller ved andre fremtidige forudsætninger kunne beregne forrentingstiden på en Power Wall til x kr.

Der er nok flere detaljer der skal tages højde for eks energitab og ?

Jeg tænker også at et sådan regneark beregner (eller app) vil kunne medvirke til en mere faktabaseret diskution om el lagring. Hvilke forudsætninger skal der til for at en Power Wall eller V2G bliver en fornuftig tiltag.

  • 5
  • 0

Hvis der er penge i genanvendelse af elbilsbatterier, og de allerede er eftertragtet nu, kommer elbilsproducenterne ik selv til at genandvende deres batterier? Det er vel billigere for dem end at skulle til at producere nye celler, nu hvor råstofferne er gravet op, og cellerne har en genandvendelsesprocent på omkring 95%?

  • 2
  • 0

A: Hvad skal man forvente at er tabet ved op og afldning er på LFP batterierer i %

It depends.

Der var en tysk brancheundersøgelse, som pegede på 20-25% for 10 år siden, men som samtidg sagde at nye Invertere HV-batterier havde sænket dette markant og at vi nu nærmede os 10-15%.

Det var nævnt helt simple design-forbedringer fra dioder, som bliver aktive med mosfet i boosteren, til brug af komponenter som SiC/GaN, og selvsagt har DC-spændnignen meget at sige.

Der er også konkurrencer i inverter-design hvor de var nede i en rubriks-terning størrelse for 10kW PV-inverter med alle komponenter.

Som altid kan jeg ikke finde disse artikler igen.... Sorry.....

  • 4
  • 0

Det er utroligt, at tallet for samlet round trip-tab er så svært at finde. Det burde være en af de allervigtigste oplysninger, hvis man skal regne på økonomien i en batteriløsning til tidsforskydning af elforbruget.

De gange, jeg har spurgt ind til det, har jeg som regel fået at vide, at inverteren er X % effektiv. Som om det er hele tabet. Men der må jo være mindst 4 tab:

  • Tab i ladeelektronikken
  • Tab i batteriet under opladning.
  • Tab i batteriet under afladning.
  • Tab i inverteren.
  • 8
  • 0

Hele dette cirkus er jo kun interessant økonomisk set, hvis elprisen varierer tilstrækkelig meget. Det har den godt nok gjort i over et år på grund af gasprisens forhøjelse, men bliver det ved?

Det har endnu ikke ført til at vindmøller/solceller installerer batterier for at forskyde produktionen til mere givtige perioder.

  • 5
  • 6

Fuldstændigt korrekt, Svend.

Især hvis elafgiften kommer tilbage i samme form som før, vil det være meget svært at holde økonomi i en hjemmeløsning. Man betaler jo også elafgift af den andel, man smider væk som tab, og det kan være nok til at udhule økonomien, hvis prisvariationerne i øre/kWh er for små.

  • 7
  • 0

Det er utroligt, at tallet for samlet round trip-tab er så svært at finde.

Min erfaring, efter at have arbejdet med LFP-celler i 10 år, er at cyklustabet generelt ligger på ~3% for nye celler, ~4% for brugte celler, ~5% for udtjente celler, såfremt cellerne opereres ved stuetemperatur og ved lave C-rater.

Det er svært at sætte tal på, fordi tabet både ligger i:

1) C-rate

2) Celletemperaturen

3) SOC-området, der opereres i

4) Den samlede cyklustid (da cellerne selvaflader liniært med tid)

Vi kan anse #4 som negligibel, hvis cyklustiden ikke er uger eller måneder, og #2 afviger ikke væsentligt fra rumtemperaturen, når der opereres ved lave C-værdier (< 0,5C) som må formodes for et husstandsbatteri.

Hvis man er så heldig at have pålidelige data for cellerne, så kan man aflæse cyklus-tabet som arealet mellem lade- og afladespænding relativt til arealet under hvilespænding.

Her er testdata fra 4 år gamle (langt fra udtjente) Winston LFP-celler:

https://us.v-cdn.net/6024911/uploads/edito...

(Hvilespændingen er den imaginære kurve, der ligger ca midt mellem de stiplede og de fuldt optrukne linjer)

Eksempel: hvis vi cykler cellen fra 80% => 40% => 80% ved 0,05C, kan vi på øjemål se at spædingsgabet i det SOC-område er ca 75 mV og hvilespændingen er ca 3320 mV i snit, så ladetabet er 75/3320 = 2,25%

Hvis vi cykler fra 40% => 10% => 40%, er tabet ca 3,3% og mellem 100% => 95% => 100%, hvor passiv balancering foregår, er vi nærmere 5-10%, og helt op til 30%, hvis der opereres ved 0,5C, så det samlede tab afhænger også af hvor ofte cellerne balanceres og opereres tæt på 100%.

Over hele kapaciten (100% => 0% => 100%) er tabet fra denne celle altså 3~5% afhængig af C-rate, såfremt der opereres ved den temperatur, grafen refererer til (sandsynligt 20 °C).

Når vi taler om celler, som har udtjent deres levetid som EV-celler, dvs har mindre end 80% af den originale kapacitet tilbage, skal man forvente større indre modstand, så skal man kende det faktiske cyklustab, er man nødt til at teste cellerne påny.

  • 11
  • 0

Der planlægges højhastigheds-batteritog mellem Silkeborg og Århus.

Hvor mange kg batteri per passager og hvor meget bliver eltabet ved ladning hvis der lades et kvarter hver time (om dagen hvor strøm er dyrest).

Effekten må være over de ca 12kW IC3 toget bruger ved fuldt skrald.

Hver rejse skal foregå på lidt under en halvtime og kræver defor 6kWh som mindst vejer 60 kg batteri. Batteritoget bliver derved ihvertfald 1,6 gange så tungt og skal derfor bruge 10kWh per passager per rejse ved skinnerne.

Kan det hænges sammen?

  • 1
  • 16

@Niels Abildgaard

Effekten må være over de ca 12kW IC3 toget bruger ved fuldt skrald.

Mener du pr passager eller misforstår jeg dig mon helt?

IC3 har svjv 4stk 400hk diesel-motorer svarende til ca 1200kW.

  • 6
  • 0

Effekten må være over de ca 12kW IC3 toget bruger ved fuldt skrald.

Mener du pr passager eller misforstår jeg dig mon helt?

IC3 har svjv 4stk 400hk diesel-motorer svarende til ca 1200kW

Tak for spørgsmålet som korrigerede mit huskeri.

Lad os antage at IC3 kan køre 145passagerer(totalvægt 97plus 15 plus 3 tons) de planlagte ca 40 km på 26 minutter med et stop undervejs (Ingen ståpladser?) og har 1200kW effekt og bruger full power to tredjedele af tiden det er i bevægelse dvs 16 minutter dvs 300kWh per 40km rejse for 115tons tog eller ca 2kWh per plads der vægter 800 kg og har adgang til ca 10kW. Altså 800 kg tog med krav på 10kW og forbrug på 2kWh per rejse uden batteri?

  • 1
  • 9

Christian Nobel #23:

Der er ikke noget argument om et tab over 100%.

Der er derimod et 4 måneders varsel på prisstigninger på nettariffen, hvilket betyder, at netselskaberne vil være ret meget bagud med deres omkostningsdækning, når der sker pludselige prisstigninger på spotprisen.

Når man er bagud med en korrektion, kan det være nødvendigt med en overkorrektion for at få den akkumulerede fejl til at gå i 0.

  • 5
  • 2

Tak for spørgsmålet som korrigerede mit huskeri.

Selv tak 👍

Fuld effekt 2/3 af tiden, lyder lidt højt med kun ét stop på en 26min lang rejse. Men det kommer vel meget an på cruise-/marchfarten.

IC3 kan opnå en accelleration omkring 1.0m/s^2 ifølge internettet, og topfarten er omkring 180km/t eller 50 m/s.

Jeg er ikke i nærheden af en lommeregner eller computer, og har desværre ikke intuition uden et par udregnede eksempler (acceleration, friktion, vindmodstand vs effekt forbrugt).

Jeg bed mærke i følgende tal, dengang man diskuterede timemodel i togene (2007-2010?):

Aalborg-København IC har en gennemsnitsfart lige over 100 km/t.

Odense-Høje Taastrup (uden stop) er den hurtigste strækning i Danmark med en snitfart på knap 140 km/t.

Måske skal tallene tages med et gran salt qua deres alder.

  • 4
  • 1

Hvad vejer 2Kwh batteri ?.

Og så skal der jo også fratrækkes vægten af at det fossil relaterede.

Mervægten er ganske lidt, og bremse energi afsættes ikke længere som varme, men regenereres til batterierne.

For regneeksemplet her er det interesant at vægtbestemme et batteri der kan levere 10 kW,lade/aflade 2.5/2kWh ca 12 gange i døgnet et års tid.Der er 4 minutter til at lade en cyclus Alle kan byde,men prøv nu at holde en urban tone.

  • 0
  • 6

Det er utroligt, at tallet for samlet round trip-tab er så svært at finde.

Min erfaring, efter at have arbejdet med LFP-celler i 10 år, er at cyklustabet generelt ligger på ~3% for nye celler, ~4% for brugte celler, ~5% for udtjente celler, såfremt cellerne opereres ved stuetemperatur og ved lave C-rater.

Tak, Søren, for grundig gennemgang af tab ved op- og afladning. Men vi mangler AC/DC og DC/AC. Jeg fandt en oversigt fra TI https://www.teknologisk.dk/optimal-udnytte...

, og heri står

Batteripakken har en høj cyklus effektivitet både ved stor og lille belastning (97 %) Langt den største del af systemtabene finder altså sted i AC/DC- og DC/AC-konverteringen – altså i inverter. ... Den overordnede konklusioner er, at den samlede cyklus-effektivitet ligger på 73 - 80 %...

  • 3
  • 0

For regneeksemplet her er det interesant at vægtbestemme et batteri der kan levere 10 kW,lade/aflade 2.5/2kWh ca 12 gange i døgnet et års tid.Der er 4 minutter til at lade en cyclus Alle kan byde,men prøv nu at holde en urban tone.

Niels det er nu nok lidt nemmere at tage udgangspunkt i et elektrisk tog. IR4 forbruger ifølge DSB 0,03 kWh per pladskilometer. Vægten af batterier synes ikke særlig relevant da energien kommer igen ved regenerativ bremsning.

  • 12
  • 0

Der planlægges højhastigheds-batteritog mellem Silkeborg og Århus.

Hvor mange kg batteri per passager og hvor meget bliver eltabet ved ladning hvis der lades et kvarter hver time (om dagen hvor strøm er dyrest).

Jeg formoder at det er dette prospekt, du hentyder til: https://www.ft.dk/samling/20161/almdel/tru...

... hvoraf det fremgår:

  • Ny linjeføring via Galten, total distance = 44,7 km
  • Topfart 160 km/t
  • Rejsetid 23 minutter = 116,6 km/t i gennemsnit
  • Største hældning: 3,5% (36,3 => 37,7 km efter Århus, lige før Sverbæk)
  • Højder (iflg. Google Earth): Århus: 9 m, Låsby: 100 m, Silkeborg: 30 m

Basics:

1) Et tog skal bruge energi til at overvinde luftmodstand, friktion i hjul, lejer og gear, samt ændring i kinetisk og potentiel energi (acceleration og højdeforskel).

2) For batteritog gælder at energiforbruget til decelleration og negativ højdeforskel svarer til -0.8 x energiforbruget til acceleration og positiv højdeforskel.

Toget:

Vi antager at toget vægt- og passagermæssigt svarer til et IR4, men med en vindmodstandskvotient, der svarer til Tesla Semi.

  • Masse: 133 t
  • Motoreffekt: 4 x 420 kW = 1680 kW
  • Kapacitet: 233 sæder x 100 kg inkl. bagage = 23,3 t = 17,5% af massen.
  • Akseltryk: 13,3 t (59% af tilladt akseltryk på danske baner)
  • Frontareal: 11,5 m2
  • Formfaktor [Cd]: 0,6
  • Rullemodstand [Crr]: 0,00035 https://en.wikipedia.org/wiki/Rolling_resi...

Vha formlerne på Engineering ToolBox ved 1,2 kg/m3 lufttæthed og 116,6 km/t på flad strækning, kommer vi dermed frem til:

Fuldt lastet:

  • Luftmodstand: 4343 N
  • Rullemodstand: 458 N
  • Total: 4799,7 N
  • = 1479 Wh/km
  • x 44,7 km = 59,6 kWh + 3% invertertab + 8% motortab + 3% gear- og lejetab
  • = 68,3 kWh

Uden passagerer:

  • Luftmodstand: 4343 N
  • Rullemodstand: 412 N
  • Total: 4755.0 N
  • = 1454 Wh/km
  • x 44,7 km = 59,0 kWh + 3% invertertab + 8% motortab + 3% gear- og lejetab
  • = 67,6 kWh

Bemærk; ~90% af togets modstand er upåvirket af vægt. Modstanden varierer derfor kun 1% fra 0 til 233 passagerer .... så længe strækningen er flad.

Men:

1) For at toget kan forcere de 1,4 km med 3,5% stigning ved 160 km/h topfart, kræves 2413 kW.

Så det kræver enten kraftigere banemotorer end IR4 eller at man blot udnytter de 1680 kW og accepterer at toget taber lidt fart op af bakken, som genvindes efter bakken - hvilket forekommer mest fornuftigt, da det også slider mindst på batteriet.

2) Da toget først skal løftes fra 91 m fra Århus Station til toppen af Svejbæk-bakken, og derefter "sænkes" 70 m fra Svejbækbakken til Silkeborg station, skal der først bruges 88,9 kWh, for at komme til Svejbæk-bakken, hvorefter der regenereres 9,4 kWh fra Svejbæk-bakken til Silkeborg.

For at kunne starte med 80% SOC i Århus og passere toppen med mindst 20% SOC, kræves altså en kapacitet på 88,9 / 0,6 = 148,2 kWh.

Toget vil dermed ankomme til Silkeborg med (148 x 0,2) + 9,4 = 39,0 kWh (26,3% SOC) på batteriet.

Den modsatte vej, skal skal toget først bruge 41,3 kWh for at komme de første 8,9 km over Svejbæk-bakken og derefter 24,2 kWh for at rulle de resterende 35,8 km ned til Århus.

For at ankomme med 20% SOC i Århus, skal der altså oplades (148 x 0,2) + 41,3 + 24,2 - 39,0 = 56 kWh (39,4%) i Silkeborg, hvorefter der skal oplades 60% x 148 = 88,8 kWh i Århus, inden næste round-trip.

Så hvis energiforbruget og ladeeffekten er den begrænsende faktor, så er opgaven særdeles triviel, da vi taler om noget, der svarer til 2 Teslabatterier og en 250 kW Supercharger (som lader via 100 m køreledning i stedet for ladekabel) i hver ende af strækningen, hvormed der kan lades på hhv 10 og 20 minutter i Silkeborg og Århus.

Men det er ikke den begrænsende faktor, fordi:

For at toget kan forcere de 1,4 km med 3,5% stigning ved 160 km/h topfart, kræves 2413 kW.

IR4 har dog kun 1680 kW, så enten kræves kraftigere banemotorer, eller også skal man acceptere at toget taber lidt fart op af bakken, som genvindes efter bakken.

Hvis vi anslår [1] at toget når at tabe 20% fart på de 40 sekunder, det tager at forcere stigningen, så koster det 8 sekunder på rejsetiden, og det er jo nok derfor IR4 kun har 1680 kW.

[1] (uden at regne på acceleration, er 1,4 km formentlig ikke længere end at toget bare ruller over bakken ved ren inerti med under 1 minuts tidstab, uden at øge motoreffekten - men vi tager de 1680 kW med for udfordringens skyld, for også at løse opgaven for mere udfordrende strækninger)

Med 148 kWh skal batteriet altså kunne aflades med 11,3 C ved 20% SOC, uden at ramme minimum cellespænding (Vmin).

(Hvis vi rammer Vmin på vej op ad bakken, så lukker BMS batteriet ned og toget triller ned ad bakken i den gale retning, hvis ikke det har inerti nok til at passere bakketoppen!)

Hvis vi igen kigger på lade-afladekurven for 4 år gamle LFP-celler, kan vi se at der ved 20% SOC er ~450 mV fra Voc til Vmin og at 0,2 C er nok til at generere et spændingsfald på 100 mV ... hvilket da også er årsaget til at LFP-celler typisk er rated til max 3-5 C, afhængig af hvor mange sekunder det belastes.

.... så det kan vi ikke!

Det er således hverken energiforbruget eller ladeeffekten, der er den begrænsende faktor, men derimod batteriets effekttæthed.

Så hvis vi regner med 3 C, skal batteriet altså minimum være 557 kWh .... hvormed vi til gengæld er langt over 20% SOC når vi når Svejbæk, og roligt kan udnytte de 3 C i 40 sekunder, uden hverken at mishandle batteriet eller nærme os Vmin.

Hvis vi dertil lægger 25% degraderingsmargin, har vi løst opgaven med 700 kWh batteri.

Vi kan dermed nøjes med at cykle batteriet mellem 40-70% SOC, hvor det er allermest robust, og vi kan oplade de 88,8 kWh på kun 8 minutter ved kun 1 C, nærmest uden at slide på batteriet, hvilket blot kræver 700 kW på køreledningen ved stationen i Århus.

Faktisk har vi nu dimensioneret et batteritog, som kan køre over 400 km på en 60% opladning (!!!), blot for at kunne forcere stigningen ved Sverbæk - uden dog på nogen måde at være overflødigt, da det giver en række indlysende fordele i.f.a. levetid og vedligehold, for en ret beskeden investering, selv ift en strækning på kun 44,7 km.

700 kWh LFP leveres i dag med 200 Wh/kg på celleniveau, og jeg har personligt formået at designe pakker på 140 Wh/kg med aluindkapsling, brandhæmmende isolering, termisk styring og BMS med disse celler, så batteriet (som kan fordeles på 4 moduler, 1 pr banemotor), kommer i alt til at veje 5000 kg.

Lad os sige 6 tons inkl. kabelføring og invertere (eller) ladere (jeg kan ikke huske om danske køreledninger leverer AC eller DC).

Systemet øger således togets vægt med ca 4%, og udnytter således stadig kun ~63% af det tilladte akseltryk, og øger kun den samlede køremodstand med 0,4%.

Modulerne kan monteres i undervognen, eksempelvis der hvor der sidder dieseltanke på et IC3-tog, hvilket minimerer risikoen ved brand og gasudvikling, og koster dermed ikke passager-kapacitet.

Som jeg har slået fast i tidligere indlæg på ing.dk, helt tilbage fra 2009 (bl.a. her og her), og som ovenstående vel også giver indtryk af, så er det i virkeligheden langt mere trivielt at elektrificere tog end biler med batterier.

Når vi ikke har gjort for længst, så fornemmer jeg at det er fordi vi har en baneindustri, som meget længe har set ~20 løsthængende stats-milliarder for sig til immunisering og kørelednings-projekter, og derfor er blev ramt af akut mental blokering, hver gang de hørte om elektrificering til under 1/10 af budgettet vha batterier.

Jeg har personligt været klædt på til at løse opgaven i mere end 10 år, men der er næppe brug for mig, da batteritog med passende spec-sheets som forventet i mellemtiden er blevet hyldevarer, sådan som vi kan se at store katamaranfærger også er ved at blive.

  • 10
  • 0

Claudia Jürgensen, de milliarder vil de kunne trække ud, uanset om de laver flad tarif eller en tarif, der varierer hen over døgnet, og uanset om deres omkostninger er steget eller ej.

Pas på ikke at blande tingene sammen, så du tror, at der er årsagssammenhænge, hvor disse ikke eksisterer.

  • 2
  • 3

Tak, Søren, for grundig gennemgang af tab ved op- og afladning. Men vi mangler AC/DC og DC/AC.

Jeg opfattede Allan Olesen's efterspørgsel som alene vedrørende batteriet, da tab i elektronik (lader og inverter) som regel er veldefineret i de pågældende datablade.

De gange, jeg har spurgt ind til det, har jeg som regel fået at vide, at inverteren er X % effektiv. Som om det er hele tabet. Men der må jo være mindst 4 tab:

Selve batteritabet er langt mere diffust, og afhænger som beskrevet af både batteriets State of Health, belastning, kapacitetsudnyttelse, SOC-range, temperatur, bla, bla, bla ...

Faktisk skal der også medregnes et forbrug til BMS, termisk styring (køle/varmekreds), tab i kabler, busbars, sikringer, relæer m.v., og når det hele er lagt sammen, kommer vi let op på 12-15% tab + tab i drivlinjen.

  • 4
  • 0

Christian Nobel, Energinet har fået afslag på ansøgningen om at hæve deres tariffer. Ellers ville Energinets tariffer også været steget.

(Jeg mener at huske, at Energinet ved samme lejlighed havde søgt om at få lov at indføre differentierede tariffer hen over døgnet, men jeg er ikke sikker. Under alle omstændigheder har Energinet nok en mindre forskel mellem spidslast og gennemsnitslast, da de jo dækker samtlige kunder fra samme transmissionsnet, så tidsforskydningen mellem bolig og erhverv hjælper med at dele lasten ud over en længere periode.)

Se i øvrigt mit svar til Claudia Jürgensen.

  • 4
  • 2

Søren Lund, mit indlæg drejede sig egentlig mest om, at det ikke burde være tilladt at sælge batterilagerløsninger med lader og inverter uden at opgive den samlede round trip-virkningsgrad for det anlæg, man sælger.

  • 0
  • 0

Lad os antage at IC3 kan køre 145passagerer(totalvægt 97plus 15 plus 3 tons) de planlagte ca 40 km på 26 minutter med et stop undervejs (Ingen ståpladser?) og har 1200kW effekt og bruger full power to tredjedele af tiden det er i bevægelse ...

Et IC3-tog bruger absolut ikke full power 2/3 af tiden. Det bruger snarere 20% power i 70% af tiden, 50% power i 10% (acceleration) af tiden, 100% power i 5% af tiden (bakkeforceringer) og 0% power i 15% af tiden (bakkenedkørsler og decellerationer).

.... eller ca 2kWh per plads der vægter 800 kg og har adgang til ca 10kW. Altså 800 kg tog med krav på 10kW og forbrug på 2kWh per rejse uden batteri?

2 kWh/sæde, beregnet på rent energibehov for den pågældende strækning, er stærkt overdrevet.

I beregningen i #40, kommer jeg frem til 79,5 kWh den ene vej og 65,5 kWh den anden vej (fordi Silkeborg ligger 21 m højere end Århus) inklusiv bakkeforceringer = hhv 0,34 kWh/sæde og 0,28 kWh/sæde.

Til gengæld er det ikke helt ved siden af, når der regnes på effekttæthed vs effektbehov til at forcere en 3,5% stigning, som er specificeret på side 14 i prospektet: https://www.ft.dk/samling/20161/almdel/tru...

På den pågældende stigning, som kun er 1,4 km lang, klarer toget sig nok over på ren inerti, med under 1 minuts tidstab, uden at øge effekten fra de 20% march-effekt, men da IR4 er dimensioneret med 1680 kW, er det formentlig for at kunne forcere lange stigninger uden for meget hastighedstab, så det bør batteriet kunne understøtte.

Dermed kommer jeg frem til 557 kWh = 2,39 kWh/sæde - som også skal være tilstede når batteriet er degraderet 80%, hvormed det endelige resultat er 700 kWh = 3 kWh/sæde.

Toget inkl. 233 passagerer med bagage, bliver dermed 4,3% tungere, udnytter 63% af det tilladte akseltryk, og bruger 0,4% mere energi, og have en batterirækkevidde på 182 km på 60% af batteriets kapacitet.

Trivielt!

  • 8
  • 0

Jeg formoder at det er dette prospekt, du hentyder til: https://www.ft.dk/samling/20161/almdel/tru...

.

Tak for spændende læsning i projektet . 160kmt og en bakke der falder 3.5%. Spændende.

Din luftmodstandsberegning er helt i skoven (en størrelsesorden omtrent),men gratis undervisning hører ikke til i en tråd om hjemmeværn med gamle ,brugte batterier. Jeg trækker mig og undskylder hvis jeg har forstyrret den gode stemning.

Jeg har gemt den linkede projektbeskrivelse

  • 1
  • 14

På den pågældende stigning, som kun er 1,4 km lang, klarer toget sig nok over på ren inerti, med under 1 minuts tidstab, uden at øge effekten fra de 20% march-effekt, men da IR4 er dimensioneret med 1680 kW, er det formentlig for at kunne forcere lange stigninger uden for meget hastighedstab, så det bør batteriet kunne understøtte.

Ved nærmere eftertanke, er der næppe stigninger i Danmark, der er meget længere og stejlere end Stenbæk-bakken, så årsagen til at danske tog har 5 gange så meget effekt som march-effekten, er naturligvis toget skal kunne forcere stigningen uden kinetisk energi i bagagen.

Skulle toget af en eller anden grund komme til at holde stille i Svejbæk, hvor stigningen begynder, skal det kunne accelerere op ad den 3,5% stigning efter Svejbæk.

1680 kW er nok til at accellerere op til 116 km/t på 3,5% stigning med både 233 passagerer og 6 tons batterier ombord, og toget vil længe være forbi toppen, inden det når 116 km/t, så det kan det fint klare.

  • 10
  • 0

Søren Lund, mit indlæg drejede sig egentlig mest om, at det ikke burde være tilladt at sælge batterilagerløsninger med lader og inverter uden at opgive den samlede round trip-virkningsgrad for det anlæg, man sælger.

Fint nok, men det kan man jo så ikke opgive på anden vis end den jeg illustrerede, med mindre lagerløsningen er specificeret til at op- og aflade efter en ganske bestemt profil og tidsfaktor.

Det bliver også vanskeligt at sige noget præcist om virkningsgraden, sidst i levetiden, med mindre man holder sig til celler, der har været på markedet i mindst 10 år, da der er hele 3 ældningsfaktorer i spil, som er nærmest umulige at simulere ved accellererede levetidstests.

  • 7
  • 0

@Niels Abildgaard

Din luftmodstandsberegning er helt i skoven (en størrelsesorden omtrent)

Søren nævner eksplicit sin antagelse omkring en Tesla semi, så det synes jeg ikke du kan anklage ham.

Jeg finder tal på nettet som 8kN luftmodstand for et tre-vogns togsæt ved 120km/t og 12kN ved 160km/t. Lyder det helt i skoven?

Det er knap det dobbelte af hvad der regnedes med, men flytter det på konklusionen?

Hvilken luftmodstand ville du finde rimelig for regneøvelsens skyld Niels?

  • 9
  • 0

Din luftmodstandsberegning er helt i skoven (en størrelsesorden omtrent),men gratis undervisning hører ikke til i en tråd om hjemmeværn med gamle ,brugte batterier. Jeg trækker mig og undskylder hvis jeg har forstyrret den gode stemning.

Ja, det var s'gu en flov tilbagetrækning, efter du selv bragte emnet om batteritog til Silkeborg på banen!

Mage til patetisk undskyldning for at du ikke kunne påpege hvor min beregning er "helt hen i skoven", har jeg da sjældent hørt!

Jeg har brugt samme model og formler til et utal af beregninger gennem mere end 10 år, og de har vist sig indenfor skiven hver eneste gang, så den står jeg inde for.

Lad os for engangs skyld se hvad DU kan diske op med, udover den sædvanlige nej-hat og sure mavefornemmelser ?!

  • 12
  • 0

Jeg finder tal på nettet som 8kN luftmodstand for et tre-vogns togsæt ved 120km/t og 12kN ved 160km/t. Lyder det helt i skoven?

Det svarer til en luftmodstandskoefficient på lige omkring 1,0 hvilket nok passer meget godt med et IC3-tog.

De japanske Shinkansen-tog ligger helt nede på 0,23 hvormed luftmodstanden ved 116,6 km/t kun ville være 1,7 kN.

Til Silkeborgbanen, forestiller jeg mig noget midt imellem IC3 og Shinkansen, så jeg holder fast i at 0,6 ikke er helt i skoven.

Skulle man finde på at konvertere et IR4 med Cd 1,0, så betyder det bare at det bruger 20% af batteriets kapacitet i stedet for 12,6%, på at køre fra Århus til Silkeborg.

Til gengæld kan det så kun køre 120 km på 60% opladning på længere strækninger, og ikke 182 km.

Passagerkapacitet, hastigheder, accelerationer og forceringseffekter, vil være det samme.

  • 12
  • 0

@Søren Lund: Tak for dit store arbejde med at dele din viden. Så blev man lige lidt klogere på endnu et emne.

Men nøj hvor må det være frustrerende at have brugt flere timer på et godt og gennemarbejdet indlæg og så blev mødt af den primære modtager, som endda specifikt havde efterspurgt udregningen med et "Du har lavet en fejl, jeg gider ikke fortælle hvad og i øvrigt trænger du til noget undervisning."

NA vil bare have ret og når det viser sig at han ikke har, bakker han ud på den mest taberagtige facon.

I sandhed en pauver debattør, som kun har følgende succeskriterie for sin egen deltagelse:

jeg har forstyrret

Igen tak til Søren (og flere andre) som bidrager med kæmpe mængder af viden. Det er derfor jeg læser med herinde. At der er så meget støj er superærgerligt. Men ind imellem, så er en dårlig debattør trods alt katalysator for et godt opfølgende indlæg.

  • 12
  • 0

Mage til patetisk undskyldning for at du ikke kunne påpege hvor min beregning er "helt hen i skoven", har jeg da sjældent hørt!

Det er til gengæld ikke så svært at påpege fejl i Niels Abildgaards beregninger i tidligere indlæg. Står Niels Abildgaard mon ved at han selv trænger til noget undervisning?

Jeg tænker at formålet med hans beregninger var at vise at tog med batterier er problematiske med et højt energiforbrug. Ud fra Sørens beregninger så kan man få et væsentligt lavere energiforbrug i forhold til IR4. Dette fordi andre faktorer som aerodynamik betyder væsentligt mere end vægten af batterierne.

  • 11
  • 0

@Søren Lund: Tak for dit store arbejde med at dele din viden. Så blev man lige lidt klogere på endnu et emne.

Men nøj hvor må det være frustrerende at have brugt flere timer på et godt og gennemarbejdet indlæg og så blev mødt af den primære modtager, som endda specifikt havde efterspurgt udregningen med et "Du har lavet en fejl, jeg gider ikke fortælle hvad og i øvrigt trænger du til noget undervisning."

Du tager helt fejl. Når jeg skriver, her i spalterne, så er det ikke Niels Abildgaard, jeg skriver for, men derimod alle de, der læser med, og tydeligvis sætter pris på det. Niels Abildgaard spillede bare bolden, og opførte helt som forventet.

Så endnu engang; tak for støtten! 😊

  • 10
  • 0

Jeg tænker at formålet med hans beregninger var at vise at tog med batterier er problematiske med et højt energiforbrug. Ud fra Sørens beregninger så kan man få et væsentligt lavere energiforbrug i forhold til IR4. Dette fordi andre faktorer som aerodynamik betyder væsentligt mere end vægten af batterierne.

Formålet er at latterliggøre ethvert tiltag for at komme af med fossile brændsler, hvis det ikke involverer atomkraft.

Tilgangen er her, såvel som i den anden tråd: "Fortæl mig hvor mange tons batterier der skal bruges, så skal jeg fortælle dig hvor mange 'betalende' passagerer der må blive på perronen".

Han stille spørgsmålet første gang i #22, og kom frem til at der skulle bruges 100 kg batteri pr passager for at komme fra Århus til Silkeborg 😂.

Da passagerer med bagage typisk regnes som 100 kg, må konlusionen jo blive at alle passagererne skal skiftes ud med batterier.

  • 9
  • 0

@Søren Lund

Det svarer til en luftmodstandskoefficient på lige omkring 1,0 hvilket nok passer meget godt med et IC3-tog.

De japanske Shinkansen-tog ligger helt nede på 0,23 hvormed luftmodstanden ved 116,6 km/t kun ville være 1,7 kN.

Til Silkeborgbanen, forestiller jeg mig noget midt imellem IC3 og Shinkansen, så jeg holder fast i at 0,6 ikke er helt i skoven.

Skulle man finde på at konvertere et IR4 med Cd 1,0, så betyder det bare at det bruger 20% af batteriets kapacitet i stedet for 12,6%, på at køre fra Århus til Silkeborg.

Tak for at levere en herlig udregning i #40! 🤩

Jeg gir tilbage med et amatøragtigt Fermi-estimat. Ikke fordi jeg bilder mig ind, at du har brug for, at nogen "regner dig efter", du ved bestemt hvad du laver 👍

Du brugte formfaktor [Cd] 0.6 vs 1.0 for IR4 dvs. 60% lavere vindmodstand.

Svjd vokser vindmodstand lineært med Cd. Det flugter med at jeg fandt knap dobbelt så høje tal online.

Du beregner energiforbrug: 68.3 kWh fuldt lastet for 44.7 km flad strækning med 233 passagerer -> 68.3 / (233 x 44.7) = 0.0066 kWh / pladskilometer.

Baldur skriver i #34

IR4 forbruger ifølge DSB 0,03 kWh per pladskilometer

(næppe på flad strækning, nærmere alle strækninger)

IR4 reelle forbrug er dermed 0.03 / 0.0066 = 4.57x højere end dit beregnede. I mente, at du regnede med 60% vindmodstand bliver det en faktor 4.57 x 0.6 = ~2.7x i forskel.

Det er bestemt indenfor træskolængder når man tænker på antagelserne (flad strækning, kun 3% invertertab + 8% motortab + 3% gear- og lejetab), og virker dermed utrolig plausibelt for mig.

Med mindre jeg regner forkert (korriger gerne), har Niels Abildgaard næppe ret i at du er en størrelsesorden forkert på vindmodstanden.

  • 1
  • 0

@Baldur Norddahl

DSBs tal inkluderer nok en masse, inklusiv mange stop og tomgang. Herunder også strøm brugt til varme og lys om natten når toget bliver rengjort.

Helt enig.

God pointe mht. varme. Hvis dét er med i regnskabet, ryger der meget på dén konto også.

Sørens udregning var på flad strækning og kun kørslen, med udgangspunkit i (antager jeg?) mere moderne og effektiv drivlinie etc. end IR4 kører med osv.

Jeg er yderligere bestyrket: Det kan bestemt ikke være en størrelsesorden forkert.

  • 4
  • 0

@Morten Jensen:

Baldur skriver i #34

IR4 forbruger ifølge DSB 0,03 kWh per pladskilometer

(næppe på flad strækning, nærmere alle strækninger)

IR4 reelle forbrug er dermed 0.03 / 0.0066 = 4.57x højere end dit beregnede. I mente, at du regnede med 60% vindmodstand bliver det en faktor 4.57 x 0.6 = ~2.7x i forskel.

Endnu engang tak for de pæne ord!

Jeg ved ikke hvor Baldur har de 0,03 kWh/sæde-km fra. Måske DSB's miljørapporter. Det efterlader mange spørgsmål:

  • Er det målt før eller efter kørestrømsanlæg og pantrograf?
  • Er det specifikt for IR4 eller generelt for eltog (inkl. e-loks med passagervogne)
  • Omfatter det lokal-tog (som iøvrigt inkluderer IR4) med mange stop?
  • Inkluderer det kabinelyd og -varme, kaffeautomater, rengøringsmaskiner osv (både under kørsel og udenfor køreplan, når toget rengøres)?

Bemærk i øvrigt; iflg. vores togekspert, Ole Kofoed, regenererer IR4 kun ~1/4 af bremseenergien.

Om det er fordi det er en udfordring at invertere og indføde større effekt til køreledningen, ved jeg ikke, men et batteritog skulle jo gerne regenerere op til 2 C (svarende til fuld motoreffekt) under indbremsning til stationerne, og kun bruge luftbremse under 10 km/t samt når der er brug for ekstraordinær bremsekraft.

Inspireret af debatten, fandt jeg Teknologisk Institut's analyse af Energiforbrug for tog og fly.

Bemærk; på side 20 skriver de "CD = 1,0 er almindeligt for tog", præcis som jeg regnede mig frem til i #52, så det tyder på at TI bruger den samme matematikbog som jeg.

På side 35, Tabel 10, fremgår følgende forbrug for et elektrisk IC/Regionaltog:

Køremodstand (0.045) 12.6 Wh/sæde-km Bremseenergi (0.005) 1.5 Wh/sæde-km Drivlinjeydelse (0.05) 14.0 Wh/sæde-km Regenerering (0.008) 2.1 Wh/sæde-km Forbrug (0.065) 18.0 Wh/sæde-km

... baseret på et Øresundstog på 150 ton, 227 sæder (meget lig IR4) og gennemsnitsfart på 113,5 km/h baseret på hastighedsprofilen i Figur 28 til højre.

Her regenereres godt halvdelen af bremseenergien, hvilket er bedre end IR4, men stadig betydeligt ringere end et batteritog.

TI regner med kun 69,8% virkningsgrad, men specificerer ikke tabene udover bremsetab, men det siger måske noget om tab i kørestrømsanlægget.

Der er forøvrigt en diskrepans ift tabellen, da jeg på basis af profilen får:

  • Gennemsnitshastighed: 124,2 km/h
  • Ækvivalent hastighed: 128,2 km/h
  • Effektiv hastighed m. 12,4% stop: 108,7 km/h

TI kommer frem til ækv. hastighed; 129,6 km/h ud fra profilen, så gennemsnitshastigheden kan ikke være 113,5 km/h. Trækker de derimod 12,4% stop fra ækv. hastighed, så får man præcis 113,5 km/h, så det kunne tænkes at være fejlen.

Når jeg plotter disse data ind i min model, og deler profilen op i de 4 afsnit og kører modellen, får jeg følgende:

  • 1.9 km Acceleration, 0 => 135 km/h, gns. 92.4 km/t: 1.40498 kWh/km = 2.7 kWh
  • 13.3 km Cruising, 135 => 135 km/h, gns. 135.0 km/t: 2.84 kWh/km = 37.8 kWh
  • 4 km Coasting, 135 => 99 km/h, gns. 116.6 km/t: 2.15 kWh/km = 8.6 kWh
  • 0.8 km Decelleration, 99 => 0 km/h, gns. 59.1 km/t: 0.66 kWh/km = 0.5 kWh

.

  • Samlet distance: 20 km
  • Samlet gennemsnitshastighed: 124.2 km/h
  • Samlet modstandsenergi: 49.6 kWh
  • Samlet gennemsnit: 2.48 kWh/km = 10.9 Wh/sæde-km

Altså 13,5% lavere end TI's model, hvilket ikke er helt indenfor skiven.

Diskrepansen ligger i at jeg har anvendt en forkert rullemodstands-koefficient.

De formler jeg har fra www.enineeringtoolbox.com bruges normalt til at beregne rullemodstand for luftgummihjul, hvor dæktryk indgår i ligningen. I den tilhørende tabel er dog også angivet "railroad steel wheels on steel rails" med Crr = 0.001 - 0.002 - men da jeg ikke anede hvordan jeg skulle angive "dæktrykket" for et jernbanehjul, konsulterede jeg Wikipedia og anvendte Crr = 0,00035 for "Pure rolling resistance" Railroad steel wheel on steel rail".

Resultatet giver en rullemodstand på 515 N, hvilket i så fald skulle betyde at jeg kan skubbe et Øresundstog med 1 arm - og det kan jeg sq nok ikke ;-)

To linjer længere nede angives "Railroad steel wheel on steel rail. Passenger rail car" med spændet Crr = 0,001 - 0,0024 og konstanten b = 0,5 mm, som delt med hjulradius giver trædefladens længde og dermed stålfladernes deformation som funktion af togets masse.

Da hjuldiameteren på IC3 (og dets derivater) er Ø860 mm, er den korrekte koefficient altså:

Crr = 0,5 / (860/2) = 0.00116

... hvilket giver en rullemodstand på 1711 N, som betyder at en meget stærk mand kan trække et 150 ton tungt tog, hvis han bruger begge arme og ben: https://www.youtube.com/watch?v=hP00VmKx_No

Resultat med ny rullemodstands-koefficient:

  • 1.9 km Acceleration, 0 => 135 km/h, gns. 92.4 km/t: 1.73721 kWh/km = 3.3 kWh
  • 13.3 km Cruising, 135 => 135 km/h, gns. 135.0 km/t: 3.17 kWh/km = 42.2 kWh
  • 4 km Coasting, 135 => 99 km/h, gns. 116.6 km/t: 2.49 kWh/km = 9.9 kWh
  • 0.8 km Decelleration, 99 => 0 km/h, gns. 59.1 km/t: 0.99 kWh/km = 0.8 kWh

.

  • Samlet distance: 20 km
  • Samlet gennemsnitshastighed: 124.2 km/h
  • Samlet modstandsenergi: 56.2 kWh
  • Samlet gennemsnit: 2.81 kWh/km = 12.4 Wh/sæde-km

Altså kun 1,6% fra TI's model, så min model kan ikke er helt hen i skoven.

Så jeg kører modellen igen med samme tog- og strækningsdata som anvendt i #40, blot med opdateret rullemodstands-koefficient. Virkningensgraden er her 87%:

  • 35.8 km Århus => Sverbæk: gns. 116.6 km/t: 2.90 kWh/km = 103.9 kWh
  • 8.9 km Sverbæk => Silkeborg: gns. 116.6 km/t: -0.76 kWh/km = -6.7 kWh
  • 8.9 km Silkeborg => Sverbæk: gns. 116.6 km/t: 5.14 kWh/km = 44.7 kWh
  • 35.8 km Sverbæk => Århus: gns. 116.6 km/t: 1.03 kWh/km = 37.0 kWh

.

  • Samlet distance 44.7 km
  • Samlet gennemsnitshastighed 116.6 km/h
  • Samlet drivlinjeforbrug 89.5 kWh
  • Samlet gennemsnit 2.00 kWh/km = 8.6 Wh/sæde-km

Da der er tale om en over dobbelt så lang strækning som i TI's beregning, bliver forskellen mellem gennemsnitshastighed og ækvivalent hastighed så lille at resultatet er indenfor skiven, selvom jeg ikke regner på hastighedsprofilen.

Det er stadig forceringen over Sverbæk-bakken, som kræver alle 1480 kW motoreffekt, der bestemmer batterikapaciteten, så den har ikke ændret sig,

Hvis vi sætter gennemsnitshastigheden til 130 km/h, som svarer til at forlænge TI's hastighedsprofil med 24,7 km længere cruising distance, så bliver rejsetiden 2,4 minutter kortere, og forbruget stiger til 9,7 Wh/sæde-km, og ændrer stadig ikke på kravet til batterikapacitet.

Ændrer vi luftmodstands-koefficienten til Cd = 1,0 , svarende til at putte batterier i et IR4, så stiger forbruget til 12,5 og 14,3 Wh/sæde-km ved hhv 116,6 og 130 km/h i snit, så formfaktoren har væsentlig betydning for forbruget og rækkevidden, men ikke for batterikapaciteten.

  • 3
  • 0

Jeg ved ikke hvor Baldur har de 0,03 kWh/sæde-km fra. Måske DSB's miljørapporter. Det efterlader mange spørgsmål:

Det er fra DSBs miljørapport fra 2015 hvor de opgiver 0,12 MJ per pladskilometer. Energiforbruget er opgivet per togtype så det er for IR4 specifikt. Da det er en miljørapport, forventer jeg at de inkludere alt energi der kan henføres til togtypen, inklusiv varme og transmissionstab. Det omfatter alle km der er kørt med togtypen i 2015 uanset om det er som lokaltog eller regionaltog.

  • 2
  • 0

Det er fra DSBs miljørapport fra 2015 hvor de opgiver 0,12 MJ per pladskilometer.

Tak for hint. Jeg søgte ellers i disse rapporter, men energiforbruget er åbenbart ikke oplyst fra og med 2018.

Der er en besynderligvarians i tallene fra år til år, der er svær at blive klog på:

Pr. pladskilometer:

  • IR4 2015: 0,13 MJ (36,1 Wh)
  • IR4 2016: 0,09 MJ (25,0 Wh)
  • IR4 2017: 0,08 MJ (22,2 Wh)

Til sammenligning estimerer Teknologisk Institut 18,0 Wh for kørsel med kun 69,8% virkningsgrad - altså det halve af hvad de samme tog brugte i 2015.

Så store variationer, kan vel næsten kun skyldes at kabinerne holdes varme via kørestrømsanlægget, døgnet rundt, måske kombineret med at der har været kørt færre km pr tog i 2015 vs 2017.

Det er selvfølgelig også relevant at medregne varmeforbrug for et batteritog, men kun for den tid, det ikke er i kontakt med køreledningen, og når det alligevel kræver batteri til 3-4 gange relevant rækkevidde, alene for at kunne klare accelerationer på 3.5% stigninger, så burde det jo piece of cake at forsyne varmeanlægget under kørsel.

  • 2
  • 0
Bidrag med din viden – log ind og deltag i debatten