Çevre kirliliğinin başlıca sebeplerinden biri, motorlu taşıtların fosil yakıtları kullanmalarıdır [1]. Günümüzdeki araçların %95'i petrol kökenli yakıtları kullanmaktadır. Bu neden ile gelecekte petrol rezervleri bitmeye başlayacaktır. Her geçen gün artış gösteren taşıt sayısına bağlı olarak atmosfere salınan zehirli egzoz gazında artış gözlenmektedir [2]. Bu problemlerin giderilmesinde yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanan araçlar veya elektrikli araçlar çözüm olacaktır [3]. 1990'lı yıllarda bütün ülkeler enerjinin tasarrufuna ve çevrenin korunmasına artan ilgiye bağlı olarak elektrikli araçlara olan rağbeti daha da artırmıştır. Elektrikli araçlar yüksek enerji verimli, oldukça sessiz ve sıfır egzoz emisyonu sağlamaktadırlar. Elektrikli araçların ticari olarak kullanımında iki büyük engel vardır.
Bunlar yüksek üretim maliyetleri ve kısa sürüş mesafesidir. Mevcut engeller gelecekte elektrikli araçların enerji kaynağı teknolojisinin gelişmesiyle çözüme ulaşacaktır [4]. Bu sebeplerden dolayı araştırmacılar ve firmalar hibrit araçlar üzerinde çalışmalara yoğunlaşmışlardır. 1990'lardan sonra hibrit araçlarla ilgili çok sayıda çalışma yapılmıştır [5].
Sonuç olarak mevcut imkânlar kullanılarak çoğunlukla bir içten yanmalı motorun bir elektrik motoru ile kombinasyonu sonucu Hibrit elektrikli araçlar ortaya çıkmıştır [6]. Hibrit elektrikli araç teknolojisi ile yakıt tüketimi önemli ölçüde düşmektedir. Buna bağlı olarak emisyonlar da düşmüş olur. Hibrit tasarım elektrikli araçların enerji depolama avantajı kullanıldığında, yakıt tüketen klasik bir aracın gideceği menzil artırılmış olur. Genellikle ultra-kapasitör veya gelişmiş bataryalardan oluşan enerji depolama üniteleri kullanılır [7].
Ancak batarya teknolojisindeki gelişmeler hâlâ istenen seviyede olmaması, Elektrikli Araçların ticarileştirilmesi konusunda karşılaşılan büyük bir problemdir. Bataryaların çalışma sıcaklığı ve enerjinin bataryadan ne kadar hızlı çekildiği batarya seçiminde önemli faktördür. Bir diğer faktör ise kullanım ömrüdür. Bataryalarda 1000 çevrim ömrü yaklaşık 3-4 yıla tekabül etmektedir. Şarj/deşarj olayı bataryaların hem güç hem de enerji yoğunluğunun bir miktar azalmasına neden olmaktadır. Dolayısıyla bataryaların ömürleri azalmaya yakın performansları da önemli ölçüde azalır. Bu nedenle Elektrikli Araçlarla ilgili birçok çalışmada da bataryaya teknolojisi ve buna ek alternatif enerji kaynakları üzerinde durulmaktadır [8].
Elektrikli ve hibrit elektrikli araç uygulamalarında bataryaların yüksek özgül enerji, yüksek özgül güç ve uzun çevrim ömre sahip olması istenmektedir. Özgül güç enerji kaynağının
birim kütlesinin verdiği güç olarak ifade edilir. Özgül enerji yoğunluğu ise enerji kaynağının birim kütlesinde depolanan enerji miktarını göstermektedir [17]. Hibrit elektrikli araçlarda kullanılacak bataryalar, aracın konfigürasyonuna ve araçta kullanılacak enerji yönetim sistemine göre seçilmelidir. Yükün tamamının bataryalar tarafından karşılanacağı durumlarda ise özgül enerjisi yüksek bataryaların kullanılması gerekmektedir. Burada güç üretim sistemi ise aküleri şarj etmek için kullanılmaktadır. Ayrıca geri kazanımlı frenleme sırasında ve düşük hızlarda özgül gücü yüksek bataryalar kullanılarak enerji tasarrufu hedeflenmiş olur [18-20].
Maliyet açısından en uygun kurşun-asit bataryalardır. Ancak bu bataryaların enerji yoğunluğu çok düşük olduğundan, araç menzilini doğrudan etkiler. Yüksek enerji yoğunluğuna sahip lityum piller ve ultra-kapasitörler gibi enerji depolama kaynakları ise yüksek maliyete sahiptirler. Şarj/deşarj derinlikleri hemen hemen aynıdır [21].
Bu çalışmada, bataryalara ek olarak Flywheel enerji depolama sistemi kullanılmaktadır.
Flywheel sayesinde bataryaların şarj/deşarj derinlikleri azaltılacağından daha fazla ömre sahip olacaklardır. Şehir içi kullanılan araçlarda dur kalk döngüsü oldukça fazladır. Buda yakıt tüketimini oldukça artırmaktadır. Çünkü en fazla yakıt tüketimi araç hızlandığında meydana gelmektedir. Eğer normalde harcanan enerji, frenleme sürecinde enerji depo edilebilirse ve seyir sırasında bu enerji kullanılabilirse önemli ölçüde yakıt tasarrufu yapılmış olur.
Fosil enerji kaynaklarının kullanıldığı sistemlerde enerji verimliliğini artırmak yenilenebilir enerji kaynakları ile birlikte hibrit sistemler kullanmak cazip hale gelmiştir. Bu yöntemlerden biriside kinetik enerjiyi depo eden sistemlerdir. Kinetik enerji Flywheel’in dönme kütlesi içinde depolanabilmektedir. Çok basit yapıları sayesinde Flywheel geçmişte birçok uygulamaları vardı ve daha sonraki yıllarda yaratıcı uygulamalara olanak sağlamıştır [24].
Malzemeler, manyetik yatak kontrolü ve güç elektroniğinde ki teknolojik gelişmeler Flywheel’lerin yeniden ortaya çıkmasına olanak sağlamıştır. Tabii ki, bilimsel ve teknik ilerlemeler kendi başına bir teknolojiye olan ilgiyi yenilemek için yeterli değildir. Bu teknolojiye gerçek anlamda ihtiyaç duymalıdır. Flywheel’lerin başarılı bir performans sergiliyor olmaları önemli enerji depolama uygulamaları için ciddi rakiplerdir. Örneğin,
taşıma veya güç kalitesini artırma gibi uzun süreli depolama yollarının az olduğu birçok şarj-deşarj döngüsü içeren yerlerde kimyasal pillerle rekabet edebilirler. Depolanan enerji, tekerleğin hızı, kütlesi ve geometrisi ile belirlenirken, giriş ve çıkış gücü limitleri genelde güç elektroniği tarafından ayarlanır [26].
Flywheel enerji depolama sistemlerinin hızlı şarj / deşarj performansı, çevre dostu olması ve sınırsız sayıda tekrarlanan şarj / deşarj döngüsü gibi özellikleri vardır. Bununla birlikte, sıradan Flywheel sistemleri invertörler ve redresörler gibi yarı iletken güç dönüştürücülerle DC bağlantılı kinetik piller olarak kullanılırlar. Flywheel sistemi ve motor jeneratörü ile önerilen UPS sistemi, elektrik güç sistemlerinin kararlılığını artırabilir. Uzaydaki uyduların ve elektrikli araçların birçok uygulamalarına teknolojik alt yapı sağladığı bilinmektedir.
Ayrıca temassız doğal manyetik yataklar düşük aşınma, yağlamanın olmaması, mekanik bakım azlığı ve çalışma sıcaklığının geniş olmasına olanak sağlar. Bir Flywheel enerji depolama (FESS) sistemi, Flywheel’in hızlanması yoluyla giriş enerjisini dönme kinetik enerjisi olarak depolar. Bu enerji daha sonra güç üretmek için bir jeneratöre iletilmek üzere hazırdır [27-30].
Otomobil, kamyon ve otobüs gibi araçlarda enerji tüketiminin sürekli artışı sonucunda, çevre üzerindeki olumsuz etkisi kamuoyunda endişelere sebebiyet vermiştir. Bu sorun daha çok şehir içi dur kalk döngüsü olan taksiler, otobüsler, çöp toplama kamyonları ve dağıtım araçları için geçerlidir. Bu araçlarda kullanılan yakıtın bilindiği üzere strese neden olmakla birlikte şehir içi hava kirliliğinin de başlıca nedenidir.
Son yıllarda malzeme ve mekanik tasarımlardaki gelişmeler, Flywheel’in günümüz sorunlarına yenilikçi çözüm sağlayacağını göstermiştir. Flywheel’in ana avantajı yüksek özgül bir güce sahip olması ve Flywheel’den bu enerjiyi elde etmenin nispeten kolay olmasıdır. Çok kuvvetli malzemeler kullanarak, hava sürtünme kayıplarını azaltmak için manyetik rulmanlar kullanarak veya vakumda çalıştırarak özgül enerjiyi artırmaya yönelik girişimler yapılmıştır [35].
Flywheel’lerde rotor yüksek zorlayıcı manyetik materyaller ( NeDyFeB ya da AlNiCo ) tarafından enerjilendirilir. Dolayısıyla rotor uyarımı için harici bir güç gerekmez. Bu da en yüksek şarj verimliliğini mümkün kılar. Manyetik materyal genel olarak oldukça kırılgan olduğundan Flywheel’lerde manyetik-yüklemeli kompozitlerde daha yüksek döngüsel hıza
ulaşmak için, epoksi dolguda demir tozu ya da manyetize edilmiş mıknatıs tozu kullanarak bir çözüm getirilmiştir [40-42].
Son teknoloji ürünü Flywheel modelleri, güvenli bir kaza davranışını sağlamak için, sayısız güvenlik testinden geçmektedirler. Kompozit rotorların kaza durumlarında zararsız olduğu gösterilmiştir ve kurşungeçirmez yeleklere benzer teknoloji ile çok hafif vakum odaları geliştirilmiştir [49,50].
Maliyet, bir enerji depolama teknolojisinin bir diğerine göre seçiminde belirleyici faktördür.
Flywheel’ler, bir sistemin ömrü boyunca maliyetinin değerlendirildiğinde, temelde piller ve ultra-kapasitörlerle rekabet etmelidir. Flywheel sistemleri için maliyet: sürücüleri, rotor, rulmanlar, güç elektroniği ve sistem dengesi gibi bir dizi alt sisteme yayılır [59]. Piller toplu olarak üretilip, Flywheel’ler toplu üretilmediğinden, Flywheel ve pil maliyetlerini karşılaştırmak zordur. Bununla birlikte, hammadde maliyetlerinin, büyük hacimli elektrikli makinelerin imalatında, maliyetlerin % 60-70'ini oluşturduğu bilinmektedir [60]. GKN Hybrid Power, standart içten yanmalı bir motorun hammadde maliyetinin yaklaşık 685 USD, düşük güçlü, düşük enerjili bir Flywheel’in (30kW/111Wh) yaklaşık 723 USD (%5 daha fazla) olduğunu açıklanmıştır [49]. Gelişmiş elektro-mekanik Flywheel’ler geleneksel olarak çok pahalı olan parçalar içerir; ancak diğer sektörlerdeki gelişmelere paralel olarak, ana teknolojilerdeki fiyatlar düşmektedir. Uppsala Üniversitesi'nin manyetik rulmanlar için yüksek hassasiyete sahip eddy-akım pozisyon sensörleri, 2009 yılında satın almak için 5000 USD civarına mal olmasına karşın, 2015 yılında benzer performansa sahip bir sistem 60 USD' den daha düşük maliyetlere elde edilmiştir. Güç elektroniği, elektrikli otomobil ve enerji endüstrileri tarafından her yıl maliyetlerini düşürüyor. Gelişmiş kontrol için işlem gücü her yıl daha ucuz olmaktadır [38].
Flywheel teknolojisinin gelişmesi sadece karayolu araçları açısından önemli değildir.
Bunların yanında konteyner vinçleri, liman istifleme taşıyıcıları, iş makinaları, feribotlar, tren istasyonları, şarj istasyonları v.b. yerlerde kullanma imkânı vardır. Burada Flywheel’in tipik şekli olan silindir Flywheel MATLAB / simulink ortamında modellenerek ADVISOR ortamında benzetimi yapılacaktır. Flywheel modellenirken depolanan enerji, kütle yoğunluğu, açısal hız, iç çap, dış çap, uzunluk (v.b.) ‘nin bir fonksiyonu olacaktır. Flywheel daha yüksek bir açısal hız ile çok daha fazla enerji depolayabilir. Fakat yüksek baskı düzeylerinde çalıştığından küçük ve hafif Flywheel tercih edilmelidir [106].
Benzetimde kullanacağımız ADVISOR ise NREL (National Renewable Energy Laboratory) tarafından geliştirilmiş araç benzetim modelidir. Menü ve araçları geliştirilen ADVISOR, hibrit ve elektrikli araç bileşenlerinin sistem üzerinde verimlerini anlamak için pek çok müşteri tarafından kullanılmaya başlanmıştır [107]. ADVISOR araç motorlarının analizi için tasarlanmış ve güç akış bileşenleri üzerinde odaklanılmıştır. Araçların yakıt kullanım çıktıları, egzoz emisyonları, maksimum hızlanma eforlarının benzetiminde ve maksimum eğimde tırmanma hızlarının sürekliliğinde kullanılmıştır. ADVISOR kolay kullanımlı ara yüzü ile çok güçlü analiz fonksiyonları için basit erişim sağlar [108-110].