Plan Rozwoju Elektromobilności, podpisany przez Ministerstwo Energii we wrześniu 2016 r., zakłada, że do 2025 r. po polskich drogach jeździć będzie milion samochodów elektrycznych. Jednym z podstawowych pytań, które się nasuwa, jest to o sposób i możliwość ?tankowania? tego typu pojazdów.

Ograniczony zasięg oraz czas potrzebny do ich naładowania jest decydującą kwestią, czy konsument zdecyduje się na zakup pojazdu elektrycznego. W ostatnich latach liczba stacji typu plug-in znacząco wzrosła. Obecnie w całej Europie dostępnych jest ponad 92 tys. publicznych miejsc ładowania.

Jak ?tankować? pojazdy elektryczne?

Istnieją trzy sposoby ładowania pojazdu elektrycznego:
– ładowanie wtyczkowe, tzw. plug-in,
– wymiana zestawu baterii,
– ładowanie bezprzewodowe.

W tym artykule uwaga będzie skupiona tylko na pierwszym z nich, jako najpowszechniejszym.

Ładowanie wtyczkowe jest wykorzystywane przez znaczną większość obecnych BEV (ang. battery electric vehicle) i PHEV (ang. plug-in hybrid electric vehicle) w Europie. Pojazdy są fizycznie połączone z punktem ładowania za pomocą kabla i wtyczki. Stacje ładowania powinny być dostępne przy miejscach parkingowych w domu i w pracy, przy centrach handlowych, urzędach, parkach, ośrodkach rekreacyjnych i innych miejscach, z których korzystają kierowcy.

Istnieje możliwość skorzystania z czterech trybów ładowania. Tryby różnią się kombinacją poziomów mocy dostarczanych przez stację ładującą (wyrażoną w kW), rodzajami prądu elektrycznego (prąd zmienny ? AC lub stały ? DC) oraz rodzajami wtyczek. Ponieważ sieci elektryczne dostarczają prąd przemienny, a do ładowania akumulatora potrzebny jest prąd stały, energia elektryczna dostarczana przez sieć do elektrycznego pojazdu musi najpierw zostać przetworzona. Konwersja może odbywać się za pomocą wbudowanego konwertera AC/DC wewnątrz pojazdu elektrycznego lub konwertera zintegrowanego z samym punktem ładowania. W związku z tym ładowanie AC jest czasami określane jako ?ładowanie na pokładzie?. Punkty ładowania prądu stałego wyposażone są w zintegrowane konwertery, dzięki czemu stacja ładująca sama przekształca prąd przemienny z sieci na prąd stały dla pojazdu elektrycznego.

Poziom mocy ładowania zależy od napięcia i maksymalnego prądu zasilania. Określa, jak szybko można naładować baterię:

  • tryb 1 (wolne ładowanie): umożliwia ładowanie pojazdu za pomocą gniazd o mocy około 4 kW. Jest powszechnie stosowany w budynkach domowych lub biurowych,
  • tryb 2 (wolne lub półszybkie ładowanie): wykorzystuje gniazdo nie dedykowane, ale za pomocą specjalnego kabla ładowania, dostarczonego przez producenta samochodu. Urządzenie zabezpieczające wbudowane w kabel chroni instalacje elektryczne,
  • tryb 3 (wolne, półszybkie lub szybkie ładowanie): używa specjalnego gniazda wtykowego i dedykowanego obwodu, aby umożliwić ładowanie przy wyższych poziomach mocy. Ładowanie może odbywać się za pośrednictwem skrzynki naściennej. Wykorzystuje dedykowane urządzenie do ładowania w celu zagwarantowania bezpiecznej pracy i zapewnia prąd przemienny, trójfazowy,
  • tryb 4 (szybkie ładowanie): określany jako ?ładowanie poza pokładem?. Wykorzystuje ładowarki zewnętrzne (np. CHAdeMO), przesyłające do pojazdu prąd stały. Szybkie ładowarki CHAdeMO mają moc wyjściową do 50 kW i są zasilane z instalacji trójfazowej, dzięki czemu równomiernie obciążają wszystkie fazy. Wadą szybkiego ładowania jest to, że podczas transferu więcej energii jest tracone, tzn. wydajność jest mniejsza. Ponadto szybkie ładowanie może zmniejszyć żywotność baterii.

Dalszy rozwój ładowarek

Czas ceniony bywał nieraz na wagę złota, a współcześnie jego wartość rynkowa zdaje się ciągle rosnąć. Krótko mówiąc, przeciętnemu Europejczykowi coraz bardziej się spieszy. Jest to istotna informacja, kiedy zastanawiamy się, jak potoczą się losy infrastruktury ładowania. Możemy pomylić się w kwestii stosowanych w niedalekiej przyszłości technologii, przepisów prawnych czy normalizacji stacji ładowania, ale jednego możemy być pewni: ludzie będą chcieli ?tankować? swoje elektryczne samochody coraz szybciej. Czas ładowania już teraz staje się jednym z najbardziej newralgicznych punktów rozwoju elektromobilności. Krótszy czas ładowania wymaga jednak dostarczenia tej samej energii w krótszym czasie. To oznacza większą moc prądu, która musi pojawić się w nowych ładowarkach.

Należy wziąć też pod uwagę fakt, że z roku na rok będzie zwiększał się zasięg pojazdów elektrycznych. Większy zasięg wymaga większej energii zgromadzonej w akumulatorach. Bardziej pojemny akumulator, oczywiście, ładuje się dłużej, a jeśli nie chcemy na to pozwolić, musimy ładować samochód jeszcze szybciej, czyli stosować jeszcze większą moc.

Kolejnym problemem jest czas oczekiwania w kolejce przy stacji ładowania. Jeśli będą w niej trzy samochody, z których każdy będzie potrzebował 20 minut na ładowanie, pozostaje nam czekać godzinę. Rozwiązaniem jest wprowadzenie jednoczesności ładowania z jednej ładowarki. Ale chcąc w tym samym czasie ładować kilka samochodów, potrzebujemy wielokrotnie większej mocy ładowania.

Być może więc już niedługo znane powiedzenie ?czas to pieniądz? zamienimy na ?moc to pieniądz?. Dotychczasowe szybkie ładowarki o mocy 50 kW niedługo będą wypierane przez te ultraszybkie, o mocy 100, 200 i 300 kW. Zdaje się jednak, że jest to tylko rozgrzewka przed prawdziwym wyścigiem w kierunku zwiększania mocy ładowania. Zastanówmy się teraz, jak tym wymogom będą mogły sprostać innowacyjne metody pozyskiwania energii elektrycznej?

Panele fotowoltaiczne

Pojazdy elektryczne mogą znacznie ograniczyć niekorzystne skutki dla środowiska naturalnego w odniesieniu do tradycyjnych pojazdów, o ile energia elektryczna pochodzi ze źródeł odnawialnych. Największym źródłem energii odnawialnej, a jednocześnie źródłem najtańszym i najbardziej dostępnym dla nas, jest słońce. Co więcej, jest to najbardziej ?czysta? energia. Możemy ją pozyskać bez emisji zanieczyszczeń.

Produkcja energii elektrycznej ze słońca jest najprężniej rozwijającą się gałęzią odnawialnych źródeł energii. Rozwój tej technologii umożliwia wykorzystywanie energii słonecznej w skali makro i mikro przez indywidualnych odbiorców. I właśnie to jest istotne z punktu widzenia rozwoju elektromobilności, bo kto nie skusiłby się na darmowe ładowanie samochodu we własnym garażu?

Do generowania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego wykorzystywane są ogniwa fotowoltaiczne zbudowane z półprzewodników. W zależności od tego, z jakiego materiału zbudowane jest ogniwo, rozróżnić można trzy generacje modułów fotowoltaicznych. Do pierwszej zaliczane są ogniwa krzemowe, druga generacja to moduły cienkowarstwowe (ich sprawność jest niższa, ale też koszty produkcji mniejsze), a trzecia to ogniwa oparte na nanotechnologii, gdzie właściwości materiałów zmieniane są na poziomie pojedynczych atomów i cząsteczek.

Ilość energii dostarczanej przez słońce (w W/m2) w różnych warunkach jest następująca:

– czyste niebo ? 1000,

– lekkie zachmurzenie ? 600,

– słońce za białą warstwą chmur ? 300,

– okres zimowy ? 100.

Jak widać, wadą energii ze słońca jest jej nierównomierna podaż w okresie zarówno rocznym, jak i dobowym. Najwięcej energii słońce dostarcza nam latem. W naszej strefie klimatycznej aż 80% tej energii przypada na okres wiosenno-letni. Co więcej, pojazdy elektryczne w większości przypadków ładowane są w godzinach nocnych. Nie jest to jednak sytuacja patowa, istnieje bowiem kilka możliwości rozwiązania tego problemu.

Po pierwsze, możemy magazynować energię słoneczną w oddzielnych akumulatorach. Innym rozwiązaniem może być sprzedaż energii wytworzonej w ciągu dnia do sieci energetycznej, a następnie ładowanie samochodu z sieci w nocy. Eliminuje to konieczność korzystania z dodatkowych akumulatorów prądu, ale uzależnia celowość proponowanego rozwiązania od oferty handlowej danej sieci energetycznej. Trzecią możliwością poradzenia sobie z omawianym problemem jest zaopatrzenie się w dwa komplety akumulatorów samochodowych, ładowanie ich w ciągu dnia, a po naładowaniu wymiana akumulatorów w samochodzie. Rozwiązanie to wydaje się całkiem dobre, ale w praktyce nie jest proste.

Elektrownie wiatrowe

Ogólny kierunek rozwoju energetyki w Polsce nie zakłada powszechnego stosowania wielkich elektrowni wiatrowych. Nowe przepisy prawne sprzyjają jednak małym inwestycjom, funkcjonującym nieraz w obrębie pojedynczego gospodarstwa domowego. Trzeba przy tym zwrócić uwagę, że małe elektrownie wiatrowe mają podstawową wadę ? generują prądy o małej mocy, co jest sprzeczne z podstawowymi założeniami rozwoju ładowarek samochodowych.

Rozwiązaniem problemu jest akumulacja energii elektrycznej przed jej przekazaniem do baterii w pojeździe. Turbina wiatrowa może wówczas pracować przez wiele godzin w ciągu dnia, a energia elektryczna będzie magazynowana. Natomiast przesył prądu do samochodu może odbywać się w krótkim czasie, przy wykorzystaniu odpowiednio dużej mocy. Energię w takim systemie ładowania można gromadzić albo we własnych akumulatorach, albo traktując sieć energetyczną jak magazyn energii (co gwarantuje nowa ustawa prokonsumencka).

Żeby sprostać tym zadaniom, trzeba też liczyć się ze specyficzną konstrukcją turbin wiatrowych. Małe inwestycje uniemożliwiają stawianie turbin na wysokich kolumnach, gdzie energii wiatrowej jest najwięcej. Turbina ? nie dość, że sama w sobie mniejsza ? będzie usytuowana stosunkowo nisko (na przykład na dachu domu jednorodzinnego), gdzie prędkości wiatru są zdecydowanie mniejsze.

Z tego powodu coraz częściej spotykane są turbiny o pionowej osi obrotu, których budowę można zoptymalizować do małych prędkości wiatru. Szczególnie obiecującym rozwiązaniem wydaje się stosowanie tego typu turbin połączonych z kierownicami wiatru, stanowiącymi jednocześnie rodzaj dyfuzora. Wówczas prędkość przepływu powietrza rośnie, zanim dotrze do łopat turbiny. W efekcie nawet przy małych prędkościach wiatru w otoczeniu wewnątrz turbiny prędkość przepływu powietrza jest duża. Pozwala to na generowanie prądu nawet przy stosunkowo lekkim wietrze. Minusem takiego rozwiązania są duże straty energii podczas silniejszego wiatru.

Kierownice wiatru zajmują więcej miejsca niż sama turbina. W przypadku małych, przydomowych systemów wytwarzania prądu nie jest to duży problem, ponieważ turbina umieszczana jest na ziemi lub na budynku, a więc nie trzeba konstrukcji kierownic wynosić wysoko nad ziemię. Ponadto kierownice nie są elementem ruchomym (nie obracają się wraz z turbiną), więc można je wygodnie usytuować wokół turbiny. Wydaje się, że takie rozwiązanie ma duży potencjał rozwojowy w kwestii innowacyjnych metod pozyskiwania energii do ładowania samochodów elektrycznych.

Podsumowanie

Niewątpliwie kluczem do upowszechnienia pojazdów elektrycznych jest zwiększenie ich zasięgu oraz przyspieszenie procesu ładowania. Koncerny pracują nad nowymi ogniwami, które będą miały pojemność wystarczającą do przejechania dystansów zbliżonych do zasięgu pojazdów spalinowych ?na jednym baku?. Ale nawet taki akumulator musi szybko się naładować. Obecnie jedyną metodą przyspieszenia ładowania akumulatorów jest zwiększanie mocy stacji ładowania. To z kolei nie sprzyja stosowaniu rozwiązań najbardziej ekologicznych, czyli korzystaniu z energii wiatru lub słońca. Rewolucją byłoby zapewnienie stałego lub częstego doładowywania akumulatorów w trakcie jazdy lub rutynowych postojów. Tak się dzieje w przypadku ładowania indukcyjnego autobusów na przystankach autobusowych (rozwiązania takie testowane są w kilku krajach). Rozważa się też budowanie w przyszłości infrastruktury drogowej z wbudowanymi urządzeniami ładowania indukcyjnego.

Tomasz Szczepański, Anna Skarbek-Żabkin, Piotr Matuszewski