Pojazdy elektryczne (część 1) - przyszłość transportu i energetyki?
Fot. 1. Pojazd elektryczny Jenatzy’ego, 1899 r. Był to pierwszy pojazd, który przekroczył prędkość 100 km/h.
Źródło: Wikipedia.org.pl
Celem artykułu jest przybliżenie tematyki dotyczącej pojazdów elektrycznych i ich roli w kształtowaniu przyszłych struktur energetycznych, która to tematyka w naszym kraju wydaje się niewystarczająco rozpowszechniana. W pierwszej części
artykułu opisane zostały zagadnienia podstawowe, natomiast w kolejnych częściach skupiono się na kwestiach możliwej współpracy pojazdów elektrycznych z siecią elektroenergetyczną oraz rozwojem związanych z tym usług energetycznych.
Zobacz także
inż. Paweł Tymosiak, dr inż. Marcin Andrzej Sulkowski Stacje ładowania źródeł energii pojazdów elektrycznych
Pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej popularne – dzieje się tak za sprawą mniejszych kosztów ich bieżącej eksploatacji, w porównaniu do samochodów z silnikami spalinowymi. W obecnie używanych w...
Pojazdy elektryczne stają się coraz bardziej popularne – dzieje się tak za sprawą mniejszych kosztów ich bieżącej eksploatacji, w porównaniu do samochodów z silnikami spalinowymi. W obecnie używanych w pojazdach źródłach energii wymagane jest ich częste ładowanie ze względu na niewielki zasięg tych pojazdów.
SONEL S.A. Ładowarki aut elektrycznych – jak wpływają na parametry jakości energii elektrycznej?
Dynamiczny rozwój elektromobilności wymusza błyskawiczną rozbudowę infrastruktury ładowania, co staje się jednym z największych wyzwań dla współczesnych systemów elektroenergetycznych. Instalacja stacji...
Dynamiczny rozwój elektromobilności wymusza błyskawiczną rozbudowę infrastruktury ładowania, co staje się jednym z największych wyzwań dla współczesnych systemów elektroenergetycznych. Instalacja stacji ładowania EV – odbiorników o znacznej mocy i nieliniowej charakterystyce – to proces znacznie bardziej złożony niż podłączenie standardowych urządzeń. Niesie on ze sobą ryzyko degradacji parametrów jakości zasilania (JEE), m.in. poprzez generację wyższych harmonicznych, asymetrię obciążeń oraz uciążliwe...
news We Francji elektromobilność przestaje być opcją tylko dla zamożnych
Rekordowy udział samochodów elektrycznych w rejestracjach nowych pojazdów, państwowy program leasingu społecznego i duży wybór przystępnych cenowo modeli sprawiają, że we Francji elektromobilność przestaje...
Rekordowy udział samochodów elektrycznych w rejestracjach nowych pojazdów, państwowy program leasingu społecznego i duży wybór przystępnych cenowo modeli sprawiają, że we Francji elektromobilność przestaje być opcją tylko dla osób zamożnych – twierdzi portal Elektromobilni.pl.
Historia pojazdów o napędzie elektrycznym jest praktycznie tak samo długa jak historia motoryzacji (fot. 1. - zobacz: zdjęcie główne i fot. 2.).
Pierwsze konstrukcje samochodów elektrycznych, wykorzystujące m.in. ogniwo Volty, pojawiły się przed 1830 r. (A. Jedlik, S. Stratingh, Ch. Becker oraz T. Davenport). Dopiero masowa produkcja zakładów Forda spowodowała rozpowszechnienie się pojazdów spalinowych.
Ok. 1917 r. konstrukcję i produkcję samochodów elektrycznych próbował wskrzesić Ch. P. Steinmetz [8].
Szacuje się, że w 2015 roku sprzedanych zostało na świecie ok. 600 tys. samochodów elektrycznych.
W Europie w 2014 roku zarejestrowano łącznie 65,9 tys. samochodów elektrycznych, podczas gdy w 2013 roku – 40,7 tys., zaś w 2015 r. tylko do 1 listopada zarejestrowanych zostało już 76 tys.
Fot. 2. Pierwszy pojazd hybrydowy Lohner-Porsche Mixte Hybrid, 1900 r. Źródło: http://press.porsche.com/news/release.php?id=642
Największy rynek takich pojazdów w Europie jest w Norwegii, Francji, Niemczech i Wielkiej Brytanii. Łącznie w 2015 roku dokonano w tych krajach blisko 75% europejskich rejestracji samochodów elektrycznych. Prognozę rozwoju rynku samochodów elektrycznych przedstawia rys. 1.
Rys. 1. Przewidywana wielkość sprzedaży samochodów elektrycznych w rejonach świata. Źródło: http://evobsession.com/category/research/sales/
Ideą samochodów elektrycznych (electric vehicles, EV) jest zastąpienie spalinowej jednostki napędowej – silnikiem elektrycznym, a zbiornika z paliwem – baterią akumulatorów. Auta elektryczne mogą więc być traktowane z punktu widzenia elektroenergetyki, jako mobilne jednostki, magazynujące energię i dzięki interfejsowi V2G (vehicle to grid), realizować usługi (tzw. systemowe lub pomocnicze) na rzecz operatora sieci, odgrywając znaczącą rolę w funkcjonowaniu inteligentnego systemu elektroenergetycznego.
W obszarze zainteresowania elektroenergetyki są:
- samochody napędzane tylko elektrycznie (EV) – lider sprzedaży Renault i Nissan;
- hybrydowe z możliwością ładowania poprzez sieć elektroenergetyczną (PHEV, plug-in hybrid electric vehicle) – lider sprzedaży Toyota.
W literaturze światowej spotyka się też określenia komprymujące obie kategorie, mianowicie:
- BEV (batery electric vehicle) lub PEV (plug-in electric vehicle).
Cechą wspólną PEV jest obecność układu ładowania zamieniającego dostarczany z sieci prąd oraz napięcie z przemiennego (AC) na stałe (DC) o parametrach wymaganych przez ładowaną baterię. - MEV (more electrical vehicle) obejmujące zarówno PEV, jak i PHEV.
- REEV (range extended electric vehicle) lub EREV (extended range electric vehicle), jako odmiana PHEV, posiadające dodatkową jednostkę (APU) z generatorem, służącym do ładowania baterii oraz FCHV (fuel cell hydrogen vehicle) z ogniwami paliwowymi.
W rozumieniu IEEE, pojazdy elektryczne, ładowane z sieci (plug in) to pojazdy mające układ do wielokrotnego ładowania baterii z zewnętrznego źródła do przynajmniej 4 kWh i zdolne do pokonania przynajmniej kilkunastu kilometrów na zasilaniu elektrycznym (bateryjnym).
W kolejnych częściach artykułu używane będzie skrótowe określenie „PEV” jako oznaczenie pojazdów ładowanych z sieci elektrycznej (w trybie plug-in), a więc zarówno typowych „elektrycznych”, jak i hybrydowych PHEV.
Zainteresowanie pojazdami elektrycznymi – znaczenie sektora transportu
Szacuje się, że sektor transportu w Unii Europejskiej ma największy udział w zużyciu energii (ponad 31%), wyprzedzając zużycie przez odbiory komunalno-bytowe (ok. 27%), sektor przemysłu (ok. 25%) i usług (ok. 14%) (rys. 2.).
W Polsce obserwuje się wyraźne zwiększenie zużycia energii w transporcie drogowym (rys. 3.), cały transport również odpowiada za najwyższą (po sektorze energetycznym) emisję gazów cieplarnianych (rys. 4.).
Rys. 2. Zużycie energii końcowej wg sektorów w Unii Europejskiej (UE-28). Źródło: Eurostat. Energy, transport and environment indicators, 2015 edition
W Polsce, według danych ACEA (Stowarzyszenie Europejskich Producentów Samochodów) na 1000 mieszkańców przypada 599 aut osobowych. Współczesna zachodnioeuropejska średnia mocy samochodów dostępnych na rynku, wg Polk Marketing Systems, wynosi 85 kW. Oznacza to, że moc wszystkich pojazdów samochodowych w Polsce jest rzędu 2000 GW. Tymczasem moc zainstalowana w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym to około 38 GW.
Szacuje się, że do 2020 roku co 10. samochód będzie elektryczny.
Rys. 3. Zużycie energii przez sektor transportu drogowego i kolejowego w Polsce w tys. ton ropy [7]
Rys. 4. Podział emisji gazów cieplarnianych względem sektorów w Polsce w 2012 r. [7]
Obecnie, bateria pojazdu gromadzi średnio ok. 20 kWh, więc w trybie wolnego, 10-godzinnego ładowania pojedynczy pojazd to obciążenie ok. 2 kW. Zatem, w Polsce w 2020 roku ładowanie pojazdów z sieci będzie się wiązało z chwilowym obciążeniem dla systemu rzędu 1,7 GW (przy założonym współczynniku jednoczesności 0,5), więc będzie to ok. 4,5% wszystkich krajowych konsumentów energii elektrycznej [11].
Współczesny samochód elektryczny zużywa 120–240 Wh/km (przyjmuje się, że średnio ok. 150 Wh/km), średni przebieg roczny to ok. 20 000 km. Zatem, statystycznie PEV zużyje rocznie ok. 3 MWh energii elektrycznej [10], [1], a więc niemal tyle, ile może zużyć 2-osobowe gospodarstwo domowe (wg GUS, średnia arytmetyczna zużycia rocznego energii elektrycznej przez gospodarstwo domowe w Polsce w 2012 roku wyniosła 2,226 MWh).
Na tej podstawie, można oszacować, że gdyby wszystkie użytkowane w Polsce auta osobowe były PEV, to rocznie zużywałyby ok. 68 300 GWh.
Dla porównania, w 2014 r. w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym wyprodukowano wg PTPiREE 158 947 GWh energii elektrycznej. Oznaczałoby to konieczność zwiększenia w Polsce wytwarzania energii elektrycznej o 43%.
Tak znaczący wzrost może zostać pokryty przez energetykę niekonwencjonalną.
Z jednej strony, źródła odnawialne cechują się niestabilnością produkcji, z drugiej, w pojazdach typu PEV pobór energii z zewnętrznych źródeł nie jest jednoczesny w czasie z jej zużyciem, więc energia jest w nich magazynowana. Zatem, włączenie pojazdów typu PEV do systemu elektroenergetycznego jako jego elementów, może działać stabilizująco na system.
Inteligentnie zarządzane PEV mogą odrywać znaczącą rolę w bilansowaniu energii elektrycznej.
Zalety pojazdów elektrycznych
Szacunki, wskazujące na wysoką sprawność wykorzystania energii zawartej w paliwie dla samochodów z silnikiem elektrycznym na poziomie 90% (dla samochodów z silnikiem spalinowym jest ona rzędu 35%) są dość przeszacowane. Jednakże, dokładniej wyznaczana efektywność energetyczna od wydobycia surowca do wykorzystania energii w czasie jazdy („Well to Wheel”) i tak wskazuje na wyraźną przewagę PEV (ok. 60%, a dla samochodów z silnikiem spalinowym jest poniżej 30%) [5].
Niewątpliwie PEV cechują lepsze właściwości napędowe w porównaniu ze spalinowymi.
Silnik spalinowy uzyskuje największy moment w wąskim zakresie obrotów (konieczność zmiany przełożenia skrzyni biegów). Tymczasem, dzięki elementom przekształtnikowym możliwe jest osiągnięcie pełnego momentu obrotowego przy całym zakresie prędkości silnika elektrycznego, który też wytwarza praktycznie maksymalny moment obrotowy już przy rozruchu (minimalnej prędkości obrotowej).
Zatem, w pojazdach typu PEV niepotrzebne jest sprzęgło. Ponadto, przy tej samej mocy silnika (elektrycznego w porównaniu ze spalinowym) pojazd elektryczny uzyskuje lepsze przyspieszenie.
Napęd elektryczny umożliwia regulację prędkości w sposób płynny do wartości znamionowej z pełnym momentem (I strefa regulacji), powyżej prędkości znamionowej (II strefa regulacji) punkt pracy silnika ograniczony jest hiperbolą, wynikającą z konieczności ograniczonej mocy silnika (rys. 5a. i rys. 5b.).
Rys. 5. Charakterystyki mechaniczne: pojazd spalinowy (a), elektryczny (b). Na podstawie [4]
Do innych zalet eksploatacyjnych PEV należy zaliczyć mi.in.: cichą pracę silnika; minimalny pobór energii podczas postoju (predestynowane do jazdy miejskiej); mniej części ruchomych, brak konieczności wymiany oleju (i jego utylizacji).
W kwestii kosztów eksploatacji, to często prezentowane szacunki podają jako koszty paliwa na pokonanie 100 km dla pojazdu spalinowego na poziomie ok. 40 zł, podczas gdy dla PEV ok. 4 zł. Oczywiście, do ceny energii elektrycznej należy doliczyć koszty eksploatacji baterii, tj. konieczność jej wymiany co 2–3 tys. cykli ładowania (lub 150–200 tys. km –„cykl życia baterii”), co i tak daje średni koszt przejazdu 100 km na poziomie 20 zł [7], [5].
Należy przy tej okazji wspomnieć o bezpieczeństwie ekonomicznym, związanym z faktem, iż zmiany cen energii elektrycznej bywają bardziej przewidywalne niż zmiany cen ropy.
W kwestii związanej z ekologią, spotykane są dwa stwierdzenia, uznające mianowicie, że:
- jeżeli źródłem energii elektrycznej jest energetyka konwencjonalna (nie 100% OZE) to wpływ pojazdów elektrycznych na środowisko jest podobny do spalinowych [5];
- w przypadku dostarczenia do pojazdu elektrycznego energii wytworzonej w elektrowniach węglowych, poziom emisji CO2 jest 2-krotnie niższy niż w przypadku pojazdu spalinowego (zdaniem Kanadyjskiego Stowarzyszenia EVAC).
Światowy trend, propagujący uniezależnienie się od paliw kopalnych i rozwój energetyki odnawialnej, przechyla zainteresowanie producentów w kierunku rozwiązań PEV.
Wady pojazdów elektrycznych
Współczesne modele samochodów elektrycznych mają również pewne niedogodności, które w toku rozwoju inżynierii elektrycznej powinny zostać ograniczone. Należy do nich zaliczyć:
- mały zasięg pojazdów (100–150 km), uzależniony m.in. od ukształtowania terenu, stylu jazdy, prędkości (znaczący wpływ oporów aerodynamicznych powyżej 60 km/h); dotychczasowy rekord zasięgu to 501 km (Tesla Roadster w Australii);
- wpływ warunków atmosferycznych na pojemność baterii (przy –20oC pojemność spada o 50%);
- wysoką cenę pojazdów (nowe technologie i koszt pakietu bateryjnego), ponadto obserwowany szybszy spadek wartości modelów PEV niż pojazdów spalinowych;
- nowe problemy dotyczące bezpieczeństwa drogowego: brak hałasu (niebezpieczeństwo potrąceń i kolizji), możliwość porażenia prądem podczas wypadku – zagrożenie dla służb ratowniczych (akumulator ma ok. 400 V);
- małą szybkość ładowania.
- Cenę pojazdu można ograniczyć za pomocą instrumentów finansowych (np. leasing pakietów bateryjnych). W USA powstał wymóg prawny, aby system zasilania powodował obniżenie się napięcia zasilania pojazdu poniżej 60 V w ciągu 5 s od wypadku. Opracowywane są standardy dotyczące efektywnego i szybkiego ładowania.
Budowa pojazdów elektrycznych
Układ elektryczny PEV składa się przede wszystkim z układu ładowarki, baterii, silnika elektrycznego oraz układu zarządzania (m.in. baterią – Battery Management System, BMS) (rys. 6.)
Rys. 6. Podstawowe elementy układu elektrycznego PEV; rys. S. Bielecki
Silnik elektryczny
Napędzające pojazd silniki elektryczne producenci umieszczają [14]:
- centralnie (1 silnik), np. Fiat 500e, Nissan LEAF, Honda FIT-EV, Kia Naimo, Mercedes B, Mercedes Sprinter E-Cell, Volkswagen e-up, Smart Fourjoy, Smart ed, Toyota iQ-EV, Toyota RAV4-EV, Renault Zoe, Renault Twizy, Renault Fluence ZE, Citroen C-Zero, Citroen Berlingo Electric, Peugeot iOn Peugeot Partner Electric, Mini E, Skoda Octavia Green ELine, Romet 4e, Volvo C30 BEV, Ford Connect EV, Ford Focus Electric, BYD e6-Eco, Rolls Royce Phanton 103 EX, Infiniti LE Concept;
- wmontowując w piasty kół, razem:
- 2 silniki, np. Mitsubishi i-MiEV, Audi A2, Chevrolet Spark EV, e-Wolf Alpha 1 SRF;
- 4 silniki, np. Mercedes SLS Coupe Electric, Mercedes W212, Saab 9-3 ZE.
Najczęściej spotykane rozwiązania to 1 silnik lub 2 w piastach kół tylnych.
Stosowane są zarówno silniki prądu stałego (DC) – komutatorowe ze wzbudzeniem elektromagnetycznym lub z magnesami trwałymi, jak i przemiennego (AC) – synchroniczne i asynchroniczne.
Silniki DC spotykane są w tańszych samochodach osobowych, wózkach magazynowych i przeładunkowych. Silniki te mają prostszy układ sterowania i osprzęt. Regulacja momentu jest możliwa przez zmianę rezystancji w obwodzie twornika, impulsową regulację napięcia na zaciskach (sterownik czoperowy), zmianę napięcia zasilania i częściowe odwzbudzenie.
Silniki DC w standardowych rozwiązaniach zasilane były bezpośrednio z baterii, nowocześniejsze mają sterujące układy przetwarzania napięcia.
Silniki AC cechują się wyższą sprawnością, większą mocą (przy podobnych gabarytach co silniki DC) i lepszą dynamiką napędu. Wymagają jednak stosowania złożonych falownikowych sterowników mocy (źródłem energii jest bateria akumulatorów DC). Obecnie najczęściej stosowanymi w modelach PEV są silniki synchroniczne z magnesami trwałymi (sprawność do 95%), rzadziej spotyka się wielofazowe (w tym 5-fazowe) asynchroniczne klatkowe.
Jako element wykonawczy, ogniwem pośredniczącym między silnikiem a baterią jest sterownik (przetwornik) mocy: DC/DC, DC/AC, AC/DC. Może on sterować przepływem energii w obydwu kierunkach z jednoczesnym uwzględnieniem warunków napięciowo-prądowych. Ponadto, może pełnić funkcję przełącznika kierunku prędkości obrotowej maszyny podczas jej pracy silnikowej oraz przełącznika, zmieniającego układ połączeń silników lub sekcji baterii akumulatorów.
Koncerny samochodowe produkujące modele PEV zazwyczaj zamawiają silniki w firmach przemysłu elektrotechnicznego (np. Siemens, Brus, Sew).
Rozwiązania techniczne elektrycznych jednostek napędowych przystosowane są do odzysku energii podczas hamowania, (możliwość do 30% odzyskiwania energii [14]). Hamowanie odzyskowe uaktywnia się przy lekkim naciskaniu hamulca, a nawet podczas zmniejszania nacisku na pedał gazu [15].
Bateria
Ciężką baterię zazwyczaj umieszcza się jak najniżej pokładu (chodzi o obniżenie środka ciężkości). W zależności od modelu PEV [14]:
- pojemność pakietu bateryjnego wynosi od kilku kWh (np. 6,1 kWh – Renault Twizzy, 7 kWh – Electric RaceAbout, 7,1 kWh – Audi A2) do kilkudziesięciu kWh (np. 41,5 kWh – Chevrolet Spark, 54 kWh – Skoda Octavia Green ELine, 56 kWh – Mercedes W212, 60 kWh – Mercedes SLS Coupe Electric),
- napięcie baterii od 133 V (Electric RaceAbort) i 240 V (Toyota RAV4-EV) do 520 V (Chevrolet Spark EV).
Obecnie dostępne są akumulatory kwasowo-ołowiowe, zasadowe niklowo-kadmowe (Ni-Cd), zasadowe niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH), litowo-jonowe, litowo-żelazowo-fosforowe (LFP), litowo-polimerowe, litowo-tytanowe, potasowo-jonowe. Do gromadzenia energii uzyskanej w wyniku hamowania odzyskowego mają być stosowane superkondensatory.
Literatura:
- Andriukaitis D., Bagdanavicius N., Jokuzis V., Kilius S.: Investigation of Prospects for Electric Vehicle Development in Lithuania. Przegląd Elektrotechniczny 1/2014, s.101-104
- Bielecki S.: "Prosument - nowa struktura instalacji elektroenergetycznych" Elektro.Info nr 10(128) 2014r., s.48-53
- Biernat K., Nita K., Wójtowicz S.: Architektura mikrosieci do inteligentnego ładowania pojazdów elektrycznych. Prace Instytutu Elektrotechniki, zeszyt 260, 2012 r., s.171-183
- Guziński J., Adamowicz M., Kamiński J.: Infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych. Układy ładowania i współpraca z siecią elektroenergetyczną. Automatyka-Elektryka-Zakłócenia vol.5 nr 1(15)2014. s.71-84
- Z energetyką przyjazną środowisku za pan brat – samochód elektryczny. Instytut na rzecz ekorozwoju, Krajowa Agencja Poszanowania Energii. Warszawa 2011
- Miśkiewicz M.: Mobilne magazyny energii w Krajowym Systemie Elektroenergetycznym – model rynku energii. Online: http://www.cire.pl/pokaz-pdf-%252Fpliki%252F2%252Fmobilnemagazynyenergii.pdf
- Murawski J., Szczepański E.: Perspektywy dla rozwoju elektromobilności w Polsce. Logistyka 4/2014, s.2249-2258
- Muszyńska M.: Charles Proteus Steinmetz. Elektro.info 6/2013
- Mikrosieci niskiego napięcia. Praca zbiorowa pod red. M. Parola. OWPW 2013
- Portużak R.: Opportunities of electric vehicles as a part of smart solutions. Przegląd Elektrotechniczny 11/2013, s.35-38
- Skibowski M.: Ładowanie pojazdów elektrycznych. INPE Nr 186 (2013), s.21-28
- Sun B., Dragicevic T., Savaghebi M., Vasquez C., Guerrero J.: Reactive Power Support of Electrical Vehicle Charging Station Upgraded with Flywheel Energy Storage System. PowerTechPowerTech, 2015 IEEE Eindhoven, IEEE Press. 10.1109/PTC.2015.7232719
- Tymosiak P. Sulkowski M.: Stacje ładowania źródeł energii pojazdów elektrycznych. Elektro.info 6/2013 (115), s.48-51
- Wasiak I., Błaszczyk P., Wojciecjowska K.: Tendencje rozwoju aut elektrycznych w Unii Europejskiej. Logistyka 3/2014, s.6591-6597
- Wardak P.: Zebranie i porównanie danych technicznych produkowanych pojazdów elektrycznych. Praca przejściowa inżynierska. Wydział Mechaniczny Energetyki i Lotnictwa Politechnika Warszawska, 2015
![Rys. 3. Zużycie energii przez sektor transportu drogowego i kolejowego w Polsce w tys. ton ropy [7]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/pojazdy-elektryczne-rys3.jpg)
![Rys. 4. Podział emisji gazów cieplarnianych względem sektorów w Polsce w 2012 r. [7]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/pojazdy-elektryczne-rys4.jpg)
![Rys. 5a. Charakterystyki mechaniczne: pojazd spalinowy. Na podstawie [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/pojazdy-elektryczne-rys5a.jpg)
![Rys. 5b. Charakterystyki mechaniczne: pojazd elektryczny. Na podstawie [4]](https://www.elektro.info.pl/media/cache/typical_view/data/201905/pojazdy-elektryczne-rys5b.jpg)
