V tomto příspěvku se autoři snažili poukázat na problémy, které s využitím použitelných zdrojů elektrické energie pro elektrické pohony vozidel souvisí. Pro posouzení byla vybrána oblast elektromobilů pro osobní přepravu a jako časový horizont rok 2015.
Publikovaný článek byl prezentován na 36. ročníku mezinárodní konference Nekonvenční zdroje elektrické energie, která se uskutečnila 13. 5. až 15. 5. 2015 ve Vyškově. Podrobnosti ke konferenci naleznete na www.nzee.cz.
Elektromobil
Pod pojmem elektromobil si představíme většinou vozidlo poháněné elektrickou energií, které je určené k provozu na silnicích a převážně určené k přepravě osob a drobného nákladu. Pokud se na pohonu vozidla podílí kombinace spalovacího motoru a elektromotoru v několika variantách vzájemné spolupráce, hovoříme o tzv. hybridním systému (paralelní nebo sériový hybrid).
Motory, které jsou v současnosti používány, jsou převážně střídavé synchronní nebo asynchronní motory s řízením otáček a momentu pomocí výkonových frekvenčních měničů. Toto uspořádání zajišťuje při vhodném způsobu řízení možnost plynulé regulace otáček a zajištění dostatečné velikosti momentu v celém rozsahu provozních otáček. Tím lze v podstatě odstranit funkci několikastupňové převodovky, tak jak ji známe z pohonů se spalovacími motory, které nejsou schopny zajistit potřebnou velikost momentu v celém rozsahu otáček. U většiny technických řešení elektromobilu tedy zůstává pouze převod na rozvodovém ústrojí a funkce diferenciálu, pokud je pohon realizován pouze jedním motorem. U vícemotorové varianty je funkce diferenciálu řešena elektronicky a při použití nábojových mnohopólových motorů odpadá i použití rozvodovky, ovšem za cenu stále poměrně drahého motoru s velkou hmotností na náboji kola.
Další významnou komponentou vozidla je řídicí systém, zajišťující optimální jízdní vlastnosti, bezpečnost provozu a komfort cestujících. Napájení řídicího systému zajišťuje obvykle samostatný napájecí okruh nízkého napětí se samostatnou akumulátorovou baterií 12 V v uspořádání, které je obvyklé u automobilů se spalovacími motory. Ze stejného napájecího okruhu jsou napájeny spotřebiče, které bezprostředně nesouvisí s pohonem vozidla, tedy osvětlení, stírače, otvírání oken, klimatizace, audiosystémy, navigace apod. Vzájemná vazba dvou napájecích systémů – zdroje vysokonapěťového stejnosměrného napětí pro pohon vozidla (obvykle dnes s napětím kolem 360 V) a nízkonapěťového s napětím 12 V je u jednotlivých typů vozidel řešena různými způsoby od dvou naprosto izolovaných systémů až po jejich trvalou spolupráci přes napěťové měniče. Problémem je skutečnost, že nízkonapěťový systém musí zajišťovat přinejmenším základní funkce bezpečnosti (osvětlení, brzdový systém, havarijní systémy) i v době, kdy zdroje pro pohony jsou vybité nebo mimo funkci. Tato situace je stejná jako u vozidel se spalovacím motorem mimo funkci.
Koncepce zdrojů energie
Jak již bylo zmíněno v předešlém odstavci, jsou v elektromobilu v podstatě dva napájecí systémy. Palubní síť nízkého napětí a výkonová vysokonapěťová síť pro napájení pohonů vozidla.
Palubní síť je obvyklé koncepce s napětím 12 V, převážně s olověnými akumulátory. Odlišnost je ve způsobu nabíjení akumulátorů. Klasické uspořádání s alternátorem, poháněným poháněcím motorem, je z ekonomických důvodů nevýhodné, v úvahu přichází spolupráce s napájecím systémem pohonů přes napěťové měniče, příp. i s využitím dalších pomocných zdrojů, např. fotovoltaických panelů na vozidle.
Zdrojem pro napájení pohonů je vysokonapěťová akumulátorová baterie, v současnosti převážně s lithiovými články. Ve starších provedeních hybridních elektromobilů (např. Toyota Prius I) byly ještě používány akumulátory typu NiMH, zejména z důvodu havarijní bezpečnosti. Vývojem bezpečných lithiových typů akumulátorů, např. LiFePO4, se podařilo vyřešit jak bezpečnost provozu, tak podstatně prodloužit životnost v počtu nabíjecích cyklů.
Provozní napětí akumulátorové baterie se postupnými optimalizacemi při vývoji elektromobilů z mnoha důvodů zvyšovalo až na dnes běžných zhruba 360 V. Toto napětí je vhodné při využití běžné rozvodné napájecí sítě 3x400 V pro napájení beztransformátorových typů nabíječů, současně umožňuje ve výkonových obvodech použití napájecích kabelů s přijatelným průřezem vodičů a použití motorů, jejichž napětí je běžné v aplikacích pohonů, napájených z rozvodné sítě, a které jsou z hlediska spolehlivosti dostatečně prověřené.
Jako v současnosti optimální řešení typu akumulátorových baterií pro pohony elektromobilů je považováno použití článků LiFePO4 nebo polymerových LiCoO2.
Mírně nižší napětí článků LiFePO4 oproti LiCoO2 a tím potřeba většího počtu článků v baterii, je kompenzována větší životností v počtu nabíjecích cyklů a nižší cenou v porovnání s polymerovými typy LiCoO2. Naopak předností kobalt-oxidových typů je menší zastavěný prostor baterie a možnost jejího kompaktního řešení.
Jedním ze základních problémů koncepce elektromobilů je eliminace ztrátových výkonů všech spotřebičů, které nejsou nezbytné pro provoz vozidla. Při kompaktním řešení akumulátorové baterie vzniká při jejich proudovém zatížení potřeba nuceného chlazení článků ventilátorem, při distribuovaném rozmístění článků lze využít přirozeného chlazení bez potřeby ventilátoru. Tato skutečnost a dále snaha o rozložení značné hmotnosti akumulátorové baterie po půdorysu vozidla, vedly k moderní koncepci použití velkého počtu sérioparalelně zapojených článků malých Ah kapacit, a tudíž malých rozměrů, po ploše roštu karoserie při využití přirozeného chlazení. Vhodnost této koncepce je potvrzena např. úspěchem několika modelů elektromobilů americké firmy Tesla.
Lze tedy konstatovat, že převážná část konstrukčních problémů u elektromobilů byla zvládnuta, což mimo jiné dokládá, že prakticky všichni přední výrobci automobilů představili své koncepce elektromobilů, příp. je v menších sériích uvedly na trh. Potud tedy optimistický pohled na elektromobilitu.
Provozní vlastnosti
V dalším odstavci posoudíme provozní vlastnosti stávajících koncepcí elektromobilů.
Za vynikající, v porovnání s vozidly klasické koncepce se spalovacími motory, je možno označit některé jízdní vlastnosti, zejména dynamiku rozjezdu, okamžitou pohotovost vozidla pro její dosažení a dosažení plného výkonu (není třeba zahřátí motoru), prakticky bezhlučný provoz, nulové exhalace škodlivin do prostředí.
Na druhé straně existuje řada podstatných vlastností, které jsou v porovnání s vozidly se spalovacím motorem nevýhodné.
Dojezd vozidla závisí na kapacitě instalovaných akumulátorů, režimu jízdy, reliéfu terénu a teplotě okolí. To se týká pouze vlastní jízdy. Značný vliv na dojezd ale bude mít spotřeba spotřebičů na palubě vozidla. Některé jsou pro provoz nezbytné, tj. spotřeba řídicího a bezpečnostního systému, povinné osvětlení, varovná světla, stěrače oken. Další jsou spotřebiče, které zajišťují určitý stupeň komfortu vozidla, na nějž je uživatel zvyklý z klasického automobilu. Sem patří např. audiosystémy, navigace, otvírání oken, rozmrazovače skel, vytápění vozidla, klimatizace a řada dalších. Největší zátěží je vytápění v zimním období a klimatizace v létě. V obou případech se jedná o dlouhodobý odběr značného výkonu a tím tyto zátěže mohou významně ovlivnit kapacitu baterií, využitelnou pro pohon vozidla. Z tohoto důvodu bývají řídicí systémy vybaveny funkcí odpojení těchto zátěží při poklesu kapacity akumulátorů pod určitou úroveň pro zajištění dojezdu.
Dalším handicapem elektrického pohonu je teplotní závislost kapacity akumulátorů. V zimním období při nízkých teplotách se dosažitelná kapacita snižuje v důsledku nárůstu vnitřního odporu článků a navíc se zvyšují pasivní odpory vozidla. Pro krátkodobé velké odběry je v těchto případech výhodné použití superkapacitorů (SCAP) v paralelním spojení s baterií. V letním období potom při delším provozu při zvýšených teplotách okolí dochází ke snížení dlouhodobé životnosti článků.
Aktuální dojezd elektromobilů nižší střední třídy při pohotovostní hmotnosti kolem 1 750 kg při instalované kapacitě baterií 25 kWh až 30 kWh a průměrné cestovní rychlosti 80 km/h při normální teplotě a málo členitém terénu nepřesahuje 200 km, praktický dojezd při využití komfortu je 120 až 140 km. Střední třída s kapacitou baterií 50 kWh až 60 kWh a hmotností kolem 2 000 kg bude mít teoreticky dojezd do 300 km až 350 km podle režimu jízdy. Vesměs jde o údaje vozidel s novou sadou akumulátorů při optimálním způsobu nabíjení před jízdou.
Dojezd odpovídajícího vozidla se spalovacím motorem je 700 km až 1 000 km na plnou nádrž a to i při využití komfortu vozidla.
V případě započtení stárnutí akumulátorových baterií lze předpokládat snížení dojezdu o 10 % až 40 %. Zde se nevhodně projevuje vliv stárnutí akumulátorové baterie na její vnitřní odpor. Se vzrůstajícím počtem cyklů roste u baterií LiFePO4 vnitřní odpor a poháněné vozidlo ztrácí schopnosti akcelerace a především pohybu v těžším terénu (kopce), kdy vzrůstají požadavky na dodávanou energii. Zde se jako velmi vhodné jeví baterie na bázi LiCoO2, u kterých není pokles kapacity stárnutím tolik promítnut do poklesu vnitřního odporu baterie. Baterie je tak schopna i při přirozeném snížení kapacity stále dodávat velké proudy, potřebné pro provoz v náročných podmínkách.
Tyto skutečnosti jsou známy a využitelnost současných elektromobilů je z tohoto hlediska podstatně nižší v porovnání s klasickými automobily. Nicméně je zřejmé, že kritickým parametrem pro dojezd vozidla je kapacita a vlastnosti použitých akumulátorů.
Infrastruktura dopravních systémů
Budeme-li vycházet z rozšíření počtu provozovaných elektromobilů, vyvstane otázka jak zajistit jejich provoz, pokud možno v podmínkách analogických s provozem automobilů se spalovacími motory.
Jak bylo výše uvedeno, takový automobil na jedno plné natankování ujede minimálně 700 km a doba doplnění paliva, tj. natankování asi 50 litrů paliva, je přibližně 3 minuty, takže doba blokování výdejního stojanu včetně doby pro zaplacení je zhruba 6 minut, takže teoreticky jeden stojan obslouží až 10 vozidel za hodinu a tankovací stanice střední velikosti s 8 stojany až 80 vozidel.
Elektromobil stávající konstrukce potřebuje k doplnění kapacity akumulátorů na 80 % kapacity asi 30 minut, což odpovídá dojezdu 100 km až 200 km podle kapacity baterií.
Střední hodnotu příkonu, který vozidlo odebírá z tankovacího stojanu, je při kapacitě baterií 26 kWh, tankovací době 0,5 hodiny a účinnosti nabíjení 90 % možné vypočíst:
P1 = 26/(0,5*0,9) = 58 kW. Tedy proud při napětí 400 V by byl 145 A. U vozidla s kapacitou baterií 60 kWh pak analogicky: P2 = 60/(0,5*0,9) = 133 kW a proud při napětí 400 V by byl 333 A. Při současném tankování 8 vozidel (4*26 kWh+4*60 kWh) by byl celkový tankovací výkon stanice P3 = 4*58+4*133 = 764 kW.
Tento výpočet udává potřebný příkon stanice (bez započtení účinnosti usměrňovačů a rozvodů) při teoretické obslužnosti 16 vozidel za hodinu, kdy pro každé vozidlo zajistí dojezd 100 km až 200 km. Pro zajištění stejného dojezdu jako u vozidla se spalovacím motorem by elektromobil musel na trasu 700 km nabíjet 4x až 7x, a potřebný počet tankovacích stojanů by byl několikanásobně větší.
Při uvažování hromadného nasazení elektromobilů by bylo zapotřebí podstatně změnit strukturu energetické sítě k zajištění dostatečného výkonu v poměrně husté síti jednotlivých tankovacích stanic a zajištění výkonu elektrárenských zdrojů.
Z tohoto hlediska je zapotřebí provést rozvahu o možnostech energetiky tyto úkoly splnit. Zřejmě jednou z alternativ, která by při řešení dostatečného výkonu pro jednotlivé tankovací stanice pomohla, by bylo zajištění potřebných příkonů z lokálních elektrárenských zdrojů, v současné struktuře sítí např. z blízkých fotovoltaických elektráren (v denní době), ideálně ve spolupráci s velkokapacitními úložišti elektrické energie (např. Redox akumulátorové stanice) pro noční dobu.
Z uvedených faktů je bohužel patrna častá pesimisticky viděná stránka elektromobility a to je masivní nárůst spotřeby elektřiny pro potřeby elektromobility. Při bližším zkoumání ale docházíme k překvapivému závěru. Započneme s velmi hrubým odhadem, kdy na 100 km je počítáno 20 kWh elektrické energie. Jen v Praze ujedou vozidla přibližně 20 mil km denně (odhad z roku 2012), a tudíž by spotřebovala při plné „elektrifikaci“ 4 GWh elektrické energie za den a 1 460 GWh za rok. Současný odhad roční spotřeby elektrické energie v hlavním městě je 6 400 GWh za rok. Plná elektromobilita by tedy zvedla spotřebu o více než 20 %. To v dlouhodobém hledisku není zásadní problém, problémem bude spíše uspokojení kolísajících velkých odběrů nabíjecích stanic s ohledem na stabilitu lokální distribuční sítě a to jak na venkově, tak ve velkých městech.
Zajímavým řešením tohoto problému je „Battery-swap“ program firmy Tesla Motors. Zde dochází k výměně celé baterie za nabitou. Tento způsob by do budoucna mohl řešit problémy s nárazovým rychlo-nabíjením a také zvyšovat životnost baterií v důsledku možného pomalejšího nabíjení a možnosti včasné diagnostiky závady, jejíž oprava by neznamenala odstavení celého vozidla.
Závěr
Klíčovým problémem při uvažování hromadného rozšíření elektromobility, bohužel kromě nutných investic do infrastruktury dobíjecích stanic a posílení rozvodné soustavy, zůstávají akumulátory dostatečné kapacity při malých rozměrech, nízké hmotnosti, s bezpečným provozem i v havarijních stavech vozidla, vysoké účinnosti a vysokým počtem nabíjecích cyklů. Vzhledem k tomu, že se za posledních 150 let v oblasti elektrochemických akumulátorů přes intenzivní výzkum podařilo zlepšit vlastnosti hromadně vyráběných akumulátorů jen poměrně málo, nelze v tomto směru očekávat dramatický vývoj, který by umožnil energetickým obsahem konkurovat při stejném objemu a hmotnosti ropným derivátům ve formě paliv.
Zmíněné problémy vlastností elektromobilů s elektrochemickými články, problémy s hromadným nasazením výkonných tankovacích stanic a konečně i materiálové problémy při výrobě článků naznačují směry vývoje elektromobility v následujícím období.
- Z čistě technického hlediska nelze v současné době elektromobil považovat za hromadného konkurenta vozidlům se spalovacími motory
- Využití elektromobilů současné konstrukce je vhodné v případech, kdy nepožadujeme dlouhý dojezd, nevadí dlouhá doba nabíjení z domácích zdrojů bez dalších nároků na energetickou síť a vyhovuje dosažitelná životnost akumulátorů pro dobu provozu, která odpovídá morální životnosti vozidla
- Pro speciální účely (vývojové typy vozidel, reprezentační typy vozidel, sportovní vozidla, vojenská speciální vozidla, vozidla pro provoz v nebezpečném prostředí apod.) je vhodné vyvíjet, konstruovat a malosériově vyrábět vozidla s čistě elektrickým pohonem napájeným z akumulátorů
- Pro nesporné výhody elektrického pohonu podporovat další výzkum a vývoj nových typů elektrochemických akumulátorů s využitím nových materiálů a nových technologií struktury elektrod
- Zdokonalit sériové hybridní systémy elektromobilů s možností náhrady spalovacího motoru jiným zdrojem elektrické energie
- Dalším již existujícím systémem, který bude nutno rozvíjet, je on-line komunikace vozidla při výběru vhodné nabíjecí stanice, kdy tento systém má možnost při dostatečně husté síti nabíjecích stanic rozložit jejich zátěž a předcházet dlouhým čekacím dobám na uvolnění kapacity stanice.
Tomáš Cetl, Pavel Hrzina, České vysoké učení technické v Praze, Fakulta elektrotechnická, katedra elektrotechnologie
Poděkování
Tato práce byla podporována prostřednictvím Studentské grantové soutěže ČVUT SGS15/075/OHK3/1T/13
Literatura
[1] Roční zprávy o provozu: Roční zpráva o provozu ES ČR pro rok 2013. ENERGETICKÝ REGULAČNÍ ÚŘAD. Energetický regulační úřad [online]. [cit. 2015-04-20]. Dostupné z: http://www.eru.cz/cs/elektrina/statistika-a-sledovani-kvality/rocni-zpravy-o-provozu
[2] JULIEN, Christian M., MAUGER, Karim ZAGHIB a GROUL. Comparative Issues of Cathode Materials for Li-Ion Batteries. Inorganics open access journal [online]. 2014, č. 2 [cit. 2015-04-20]. DOI: 10.3390/inorganics2020132. Dostupné z: www.mdpi.com/journal/inorganics
[3] Battery Swap Pilot Program. THE TESLA MOTORS TEAM. Tesla Motors [online]. [cit. 2015-04-23]. Dostupné z: http://www.teslamotors.com/blog/battery-swap-pilot-program
[4] Supercharger. THE TESLA MOTORS TEAM. Tesla Motors [online]. [cit. 2015-04-23]. Dostupné z: http://www.teslamotors.com/supercharger
Komentáře
podstatné nepřesnosti
Další z mnoha shrnutí obsahující podstatné nepřesnosti.
Tvrzení, že: "Vzhledem k tomu, že se za posledních 150 let v oblasti elektrochemických akumulátorů přes intenzivní výzkum podařilo zlepšit vlastnosti hromadně vyráběných akumulátorů jen poměrně málo.", je v ostrém kontrastu se zkutečností. První prodejní verze lithiové baterie přišla na trh až v roce 1991 (Sony). Pominu-li úspěšné laboratorní zkoušky tzv. grafenových článků, se zhruba dvojnásobnou kapacitou proti dnešním, vzrostla jen kapacita LiOn baterií z počátečních cca 200 Wh/litr na dnešních cca 550 Wh/l a dosahuje několikanásobku kapacity například NiMh a NiCd článků.
Další, velmi nepřesnou úvahou, je postup odhadu nutnosti navýšení kapacity sítě a nutnost rozvoje infrastruktury. Podle statistik užití několika set tisíc elektromobilů v současném provozu (současní největší výrobci jsou aliance Nissan-Renault, čínský BYD a Tesla) se ukazuje, že 70-85% majitelů dobíjí EV v garáži v nočních hodinách. Při očekávaném navýšení kapacity baterií na dvojnásobek do roku 2017 se dá očekávat, že toto procento spíše vzroste.
A co Vaše podhodnocení?
Pokud se nepletu, cílem zelených mozků je vymýtit všechny "smradláky" a nahradit je elektromobily... Jen v Česku je několik miliónů registrovaných aut. Netroufám si odhadnout kolik jich je v celé Evropě. Proč uvažujete jen mizerných 100 000 elekromobilů? Nastiňte mi, jak si to představujete, až těch elektrowerků bude v provozu několik miliónů? A jak je vůbec chcete dobíjet, když většina aut parkuje na ulicích a nekrytých parkovištích a ne v garáži? A kde třeba pro ten milión garážovaných aut chcete vzít (ekologickou) elektřinu - slunce pro soláry nesvítí a vítr v noci také moc nefouká? Když ten milión aut budete nabíjet v noci výkonem 10 kW (jistič 32A - abyste do baterek dostal 50 kWh energie) tak potřebujete 10 000 MW výkonu - tedy 10 temelínských bloků. Kde tu (noční) elektřinu chcete brát, když atom je nebezpečný, uhelky smrdí a přehrady už víc nevyprodukují?
Včera jsem ráno v 5.00 vyrážel na cestu 150 km tam a 150 zpět. Bylo -10. Topil jsem na plný výkon a stejně nic moc teplo. Jaký bude dojezd, když si budu v elektrowerku přitápět? Nebo v něm mám sedět bez topení?
Ve zkušebním provozu to všechno jakž takž funguje, ale až místo pár set auťáků jich bude jezdit pár miliónů, to bude teprve mela.
Doplnění
Tak mě začalo zajímat kolik energie vlastně je v 1 litru paliva.
1 litr nafty x 0.82 (hustota nafty [kg / l] ) x 42.6 (výhřevnost [MJ / kg]) x 0,278 (převod MJ na kWh) = 9,7 kWh.
Takže v litru nafty je energie 9,7 kWh. Při účinnosti motoru cca 35% (používáme přeci turbo motory) dostanu cca 3,4 kWh na hřídeli motoru z jednoho litru nafty. Obdobně pro benzín:
1 litr benzínu x 0,72 x 43,6 x 0,278 x 0,35 = cca 3 kWh z litru benzínu.
Za 7 minut natankuji 50 litrů nafty (i se zaplacením) a ujedu na to cca 1000 km a to mám v autě vytopeno jak v lázni i při -15 stupních. A to topení je "zadarmo" - využívá odpadní teplo motoru, které bych stejně musel odchladit - tedy mi nesnižuje dojezd.
50 l nafty je cca 170 kWh enerie. Při nabíjení 9 kW (jistič 3x32A) to budete nabíjet cca 21 hodin (účinnost nabíječky a nabíjení cca 90%). Proti 7 minutám v benzínce - 180x déle...
A pak mě taky zajímalo, kolik se spotřebuje paliv denně: v článku (odkaz níže) najdete:
Tedy jen v benzínu je to 5 mil litrů x 3 kWh = 15 GWh. Děleno 24 hod to vychází na 0,625 MW průměrného výkonu. Kdybychom chtěli vyměnit všechny benzíňáky za elekrowerky budeme potřebovat průměrně 625 MW v elektrické soustavě navíc (a to jen v České republice). Nevím, kde je seženeme. Přes den možná se solárů, ale v noci?