Podstawowe wymagania dla stacji ładowania pojazdów elektrycznych
Basic requirements for electric vehicles charging stations
Typowy wykres dobowego poboru mocy w sieci elektroenergetycznej
Strategia na rzecz odpowiedzialnego rozwoju zakłada rozwój sektora elektromobilności. Zgodnie z założeniami do 2025 r. po polskich drogach ma jeździć 1 mln pojazdów elektrycznych. Impulsem do rozwoju elektromobilności w Polsce jest przyjęty przez rząd plan rozwoju elektromobilności, który na lata 2019–2020 przewiduje budowę infrastruktury zasilania pojazdów elektrycznych w wybranych aglomeracjach miejskich.
Zobacz także
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.
Pojazdy elektryczne (część 1) - przyszłość transportu i energetyki?
W pierwszej części artykułu opisane zostały zagadnienia podstawowe, natomiast w kolejnych częściach skupiono się na kwestiach możliwej współpracy pojazdów elektrycznych z siecią elektroenergetyczną oraz...
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.
Pojazdy elektryczne (część 2) - przyszłość transportu i energetyki?
Celem artykułu jest przybliżenie tematyki dotyczącej pojazdów elektrycznych i ich roli w kształtowaniu przyszłych struktur energetycznych, gdyż problematyka z tym związana w krajowej literaturze wydaje...
Celem artykułu jest przybliżenie tematyki dotyczącej pojazdów elektrycznych i ich roli w kształtowaniu przyszłych struktur energetycznych, gdyż problematyka z tym związana w krajowej literaturze wydaje się być niewystarczająco rozpowszechniana. W pierwszej części artykułu opisane zostały zagadnienia podstawowe związane z budową pojazdów elektrycznych, natomiast w niniejszej części skupiono się na zagadnieniu ich ładowania.
W artykule:• Wymagania prawne• Projekt rozporządzenia • Rozwiązania stacji ac i dc • Perspektywy rozwoju |
Wymagania prawne
Zgodnie z art. 17 ust. 1 ustawy z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych [1] szczegółowe wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa eksploatacji, a także zakres dokumentacji dołączanej do wniosku o przeprowadzenie badań stacji ładowania oraz punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego zostaną określone w rozporządzeniu ministra właściwego do spraw energii. Zgodnie z informacjami na stronie internetowej Urzędu Dozoru Technicznego (UDT) rozpoczęcie przyjmowania wniosków o opinie, o których mowa w art. 15 ustawy, oraz wniosków o przeprowadzenie badania, o których mowa w art. 16 ustawy nastąpi po wejściu w życie rozporządzenia wykonawczego, które zostanie obwieszone na podstawie delegacji zawartej w art. 17 ustawy [1].
Jednocześnie należy pamiętać, że zgodnie z art. 74 ustawy podmioty, które rozpoczęły eksploatację lub budowę stacji ładowania oraz punktów ładowania wchodzących w skład infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego przed dniem wejścia w życie rozporządzenia, w celu rozpoczęcia lub ich dalszej eksploatacji będą zobowiązane w terminie 12 miesięcy od dnia wejścia w życie rozporządzenia dostosować stacje ładowania do wymagań określonych w ustawie oraz w tym rozporządzeniu, a także złożyć do UDT wniosek o przeprowadzenie badania zezwalającego na rozpoczęcie lub ich dalszą eksploatację.
W dyrektywie Parlamentu Europejskiego i Rady 2014/94/UE z dnia 22 października 2014 r. w sprawie rozwoju infrastruktury paliw alternatywnych przewidziano zarówno rozwój strategii dotyczącej zrównoważonych paliw alternatywnych, jak również rozwój odpowiedniej infrastruktury. Wymagania dyrektywy wdrożono do prawa polskiego ustawą z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych. Zgodnie z tą ustawą Urząd Dozoru Technicznego zobowiązany jest do opiniowania w zakresie zgodności dokumentacji technicznej projektowanych stacji z wymaganiami technicznymi oraz do przeprowadzania badań technicznych stacji i punktów ładowania, przed oddaniem ich do eksploatacji oraz po naprawach i modernizacji [2].
Podmiot odpowiedzialny za budowę, zarządzanie, bezpieczeństwo funkcjonowania, eksploatację, konserwację i remonty ogólnodostępnej stacji ładowania:
1. zapewnia, aby:
a) w ogólnodostępnej stacji ładowania prowadził działalność co najmniej jeden dostawca usługi ładowania,
b) ogólnodostępna stacja ładowania spełniała wymagania techniczne i eksploatacyjne określone w szczególności w Polskich Normach, zapewniające ich bezpieczne użytkowanie, w tym bezpieczeństwo pożarowe, bezpieczne funkcjonowanie sieci elektroenergetycznych oraz dostęp do stacji ładowania dla osób niepełnosprawnych.
2. zapewnia przeprowadzenie przez Urząd Dozoru Technicznego badań stacji ładowania;
3. zapewnia bezpieczną eksploatację ogólnodostępnej stacji ładowania;
4. wyposaża:
a) ogólnodostępną stację ładowania w oprogramowanie pozwalające na:
-
- podłączenie i ładowanie pojazdu elektrycznego i pojazdu hybrydowego;
- przekazywanie danych do Ewidencji Infrastruktury Paliw Alternatywnych o dostępności punktu ładowania i cenie za usługę ładowania,
b) każdy punkt ładowania zainstalowany w ogólnodostępnej stacji ładowania, którą zarządza, w systemie pomiarowym umożliwiający pomiar zużycia energii elektrycznej i przekazywanie danych pomiarowych z tego systemu do systemu zarządzania stacji ładowania w czasie zbliżonym do rzeczywistego;
5. zawiera umowę o świadczenie usług dystrybucji energii elektrycznej, o której mowa w art. 5 ust. 2 pkt 2 ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne, na potrzeby funkcjonowania stacji ładowania oraz świadczenia usług ładowania – jeżeli stacja ładowania jest przyłączona do sieci dystrybucyjnej w rozumieniu ustawy z dnia 10 kwietnia 1997 r. – Prawo energetyczne;
6. przekazuje operatorowi systemu dystrybucyjnego elektroenergetycznego, dostawcy usług ładowania i sprzedawcy energii elektrycznej, który zawarł umowę sprzedaży energii elektrycznej z dostawcą usług ładowania prowadzącym działalność na tej stacji, dane dotyczące ilości zużytej energii elektrycznej odrębnie na świadczenie usług ładowania oraz na potrzeby funkcjonowania stacji ładowania;
7. zawiera umowę sprzedaży energii elektrycznej na potrzeby funkcjonowania stacji ładowania;
8. udostępnia ogólnodostępnej stacji ładowania informacje dotyczące zasad korzystania z tej stacji oraz instrukcję jej obsługi;
9. zapewnia dostawcom usług ładowania, na zasadach równoprawnego traktowania, dostęp do ogólnodostępnej stacji ładowania;
10. uzgadnia z organem zarządzającym ruchem na drogach liczbę możliwych do wyznaczenia stanowisk postojowych przy ogólnodostępnych stacjach ładowania w przypadkach, o których mowa w art. 12b ust. 1 ustawy z 21 marca 1985 r. o drogach publicznych.
Projekt rozporządzenia
W związku z ustawą [1] Ministerstwo Energii przygotowało projekt rozporządzenia w sprawie wymagań technicznych dla stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego [4]. Według Europejskiego Obserwatorium Paliw Alternatywnych w Polsce działa obecnie 306 punktów ładowania pojazdów elektrycznych [3]. Podkreślić należy, że rynek pojazdów elektrycznych w Polsce jest w początkowej fazie rozwoju. Aktualnie w Polsce brak jest przepisów dedykowanych stacjom ładowania i punktom ładowania stanowiącym element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego. Obecnie nie ma w prawodawstwie polskim szczegółowych przepisów dotyczących bezpieczeństwa eksploatacji, naprawy lub modernizacji stacji ładowania czy też punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego.
Projekt rozporządzenia [4] jest aktem wykonawczym do ustawy z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych. Zawiera on szczegółowe wymagania techniczne dotyczące bezpieczeństwa eksploatacji, napraw i modernizacji stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego. Opisuje wymagania techniczne, jakie muszą spełniać ogólnodostępne stacje ładowania i punkty ładowania stanowiące element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego w zakresie dotyczącym ochrony przed uszkodzeniami mechanicznymi oraz przeciwporażeniowej poprzez zastosowanie wyłączników nadprądowych i różnicowoprądowych, oraz wyłączników głównych. Wskazuje zakres informacji znajdujących się na tabliczce znamionowej oraz gniazd wyjściowych lub złączy pojazdowych typu 2 i Combo2. Przywołuje rodzaje badań, jakim podlegają stacje ładowania i punkty ładowania stanowiące element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego oraz sposób i terminy przeprowadzania tych badań przez Urząd Dozoru Technicznego.
Rozwiązania stacji ac i dc
W zależności od sposobu przesyłania energii oraz ładowania prądem stałym lub przemiennym możemy w transporcie publicznym wyróżnić stacje ładowania za pomocą złącza wtykowego, połączenie pantografowego 2 i 4 przewodowego oraz ładowania w ruchu. Układ ładowania ze złączem wtykowym jest zbliżony do systemów ładowania elektrycznych osobowych samochodów i polega na dostarczaniu energii elektrycznej za pomocą przewodu zakończonego wtyczką. Możliwe jest zasilanie prądem stałym bądź przemiennym. Obecnie stosowane rozwiązania umożliwiają ładowanie prądem o wartości 60–100 A, co odpowiada mocy ładowarki do 60 kW, Testowane są systemy wtykowe o większej mocy, nawet do 500 kW, jednak nie są one rozpowszechnione [5].
Ładowarka może być zabudowana w pojeździe lub być rozwiązaniem stacjonarnym. W pierwszym przypadku zasilanie odbywa się energią prądu przemiennego (3f~400 V ac), co ułatwia budowę infrastruktury oraz zwiększa elastyczność ładowania. Wadą tego rozwiązania jest wzrost masy pojazdu. W drugim przypadku przewodem dostarczana jest prąd stały. Umożliwia to zmniejszenie masy pojazdu, zwiększa się natomiast koszt infrastruktury [5]. W systemie czteroprzewodowym ładowanie odbywa się za pomocą napięcia stałego o wartości 600–900 V. Pojazd jest połączony ze stacją ładowania za pomocą pantografowego odbieraka zawierającego 4 złącza (przewody-bieguny): przewód dodatni ładowania, przewód ujemny ładowania, przewód ochronny (uziemienie) oraz przewód kontroli uziemienia.
Przewód ochronny służy do zapewnienia ochrony przeciwporażeniowej na wypadek ewentualnego uszkodzenia izolacji instalacji elektrycznej. Ze względu na wymogi bezpieczeństwa, konieczne jest zapewnienie niezawodnego połączenia karoserii pojazdu z przewodem uziemiającym. Wiąże się to z koniecznością kontroli styku łączącego przewód ochronny, W tym celu stosuje się dodatkowy przewód kontroli ciągłości uziemienia. Stacja ładowania wyposażona jest w przetwornicę ładowania. Moc ładowarki przeważnie mieści się w zakresie 150–350 kW. Jednak w celu zwiększenia efektywności wykorzystania autobusów elektrycznych, coraz powszechniej stosowane są instalacje większej mocy – 400–450 kW, a poza Polską, dochodzące nawet do 600 kW. Pantograf może być częścią pojazdu lub częścią stacji ładowania. Systemy te wymagają jednak precyzyjnego zatrzymania pojazdu w punkcie ładowania. Istnieją także rozwiązania pozwalające na podłączanie i odłączanie systemu w ruchu, a także na zatrzymanie pojazdu z większym zakresem tolerancji [5].
Natomiast w systemie dwuprzewodowym ładowanie odbywa się napięciem stałym o wartości 600–900 V. Pojazd jest połączony ze stacją ładowania za pomocą pantografowego odbieraka zawierającego 2 bieguny: przewód dodatni ładowania i ujemny ładowania. Jest to system ładowania autobusów elektrycznych wykorzystywany głównie w przypadku istnienia tramwajowej lub trolejbusowej sieci trakcyjnej. Kluczowe w tym systemie ładowania jest zapewnienie bezpieczeństwa i ochrony przeciwporażeniowej. Standardowe autobusy elektryczne posiadają instalację elektryczną wykonaną z pojedyncz izolacją. W dwuprzewodowym systemie zasilania nadwozie pojazdu nie jest uziemione. Nie jest dopuszczalne podłączenie do sieci nieuziemionego pojazdu elektrycznego wyposażonego w pojedynczą izolację, dlatego konieczne jest wykonanie instalacji elektrycznej pojazdu w podwójnej izolacji (analogicznie jak w przypadku trolejbusów) bądź zastosowanie przetwornicy separacyjnej w pojeździe. Masa takiej przetwornicy wynosi 200–600 kg, co zwiększa masę autobusu i jego cenę. Możliwa jest instalacja przetwornicy separacyjnej w formie stacjonarnej. Moc ładowania w systemie dwuprzewodowym ograniczona jest maksymalnym prądem odbieraka pantografowego, który obecnie umożliwia przepływ prądu o wartości 200–300 A, co odpowiada mocy 150–200 kW [5].
System ładowania dynamicznego stanowi połączenie ładowania dwuprzewodowego z komunikacją trolejbusową. W tym systemie część trasy pokryta jest trolejbusową siecią trakcyjną, która umożliwia ładowanie baterii trakcyjnych podczas ruchu. Pozostałą część trasy, na której nie ma linii jezdnej, autobus pokonuje z wykorzystaniem zasilania bateryjnego. Pozwala to na ładowanie pojazdu bez konieczności wyłączania go z ruchu, co zwiększa elastyczność i funkcjonalność systemu. Ponadto, pokrycie fragmentu trasy siecią trakcyjną zmniejsza dystans jazdy bateryjnej, co z kolei pozwala zmniejszyć pojemność akumulatorów trakcyjnych. Z jednej strony budowa sieci trakcyjnej wiąże się z dużymi nakładami finansowymi, dlatego z ekonomicznego punktu widzenia wskazane jest ograniczenie długości takiego odcinka [5]. Z drugiej strony, odcinek pokryty siecią trakcyjną musi być wystarczająco długi, aby umożliwić ładowanie baterii trakcyjnych. Obecnie wystarczające jest pokrycie 30–40% długości trasy siecią trakcyjną, jednak w przyszłości wartość ta może być ograniczona do 25%.
Perspektywa rozwoju
Zgodnie z informacjami Instytutu Badań Rynku Motoryzacji SAMAR liczba samochodów osobowych zarejestrowanych w Polsce przekracza 17 mln sztuk. Według przewidywań w roku 2020 co 10 samochód będzie pojazdem elektrycznym (EV – Electric Vehicle) [6]. Ponieważ pojemność baterii samochodów elektrycznych wynosi obecnie średnio ok. 30 kWh, to w trybie ładowania 10-godzinnego pojazd EV stanowi dla SEE obciążenie 3 kW. Przy 1,7 mln pojazdów i przyjętym współczynniku jednoczesności ładowania (0,5) będzie stanowić obciążenie dla SEE o mocy 2,55 GW. W Polsce, według stanu z października 2010, sumaryczna moc zainstalowana w elektrowniach wynosi 35,9 GW. Łatwo wywnioskować, że odbiorniki w formie ładowarek samochodowych stanowić będą wtedy ok. 4,5% wszystkich konsumentów energii elektrycznej – jest to znacząca grupa.
Należałoby zatem zadbać o odpowiednie sterowanie procesem dystrybucji mocy, tak aby osiągnąć maksimum korzyści już na etapie wdrażania technologii z nią związanych. Czynnikiem sprzyjającym poborowi energii, a co za tym idzie ładowaniu pojazdów, w okresach zmniejszonego zapotrzebowania na energię elektryczną jest istotne zróżnicowanie taryf energii. Warto rozważać scenariusze, że przy zastosowaniu układów inteligentnych ładowania pojazdów elektrycznych, wybierane będą automatycznie momenty pracy układu ładującego, aby zapewnić minimalizację kosztów energii: minimalizację nadmiaru mocy w dobowym cyklu jej zapotrzebowania. Rysunek 1. przedstawia wykres typowego dobowego zapotrzebowania na energię elektryczną. Wypełnienie czasu zmniejszonego zapotrzebowania na energię sprawiłoby, że wzrosłaby opłacalność produkcji energii elektrycznej [6]. Interesujące są również koncepcje integracji układów szybkiego ładowania pojazdów elektrycznych z infrastrukturą oświetleniową.
Literatura
- Ustawa z dnia 11 stycznia 2018 r. o elektromobilności i paliwach alternatywnych (Dz U z 2018 r. poz. 317, 1356).
- www.udt.gov.pl/elektromobilnosc
- www.prawodrogowe.pl
- Projekt Rozporządzenia w sprawie wymagań technicznych dla stacji ładowania i punktów ładowania stanowiących element infrastruktury ładowania drogowego transportu publicznego z dnia 26.06.2018 r.
- Oprac. pod red. B. Szumskiej, Ł. Witkowskiego, Elektromobilność w transporcie publicznym – praktyczne aspekty wdrażania, Polski Fundusz Rozwoju, Warszawa 2018 r.
- M. Skibowski, Ładowanie pojazdów elektrycznych, INPE nr 186 z 2015 r.
- H. Gładyś, R. Matla, Praca elektrowni w systemie elektroenergetycznym. Wrocław–Warszawa, WNT 1999.
