ENERGETYKA, RYNEK ENERGII - CIRE.pl - energetyka zaczyna dzień od CIRE
Właścicielem portalu jest ARE S.A.
ARE S.A.

SZUKAJ:



PANEL LOGOWANIA

X
Portal CIRE.PL wykorzystuje mechanizm plików cookies. Jeśli nie chcesz, aby nasz serwer zapisywał na Twoim urządzeniu pliki cookies, zablokuj ich stosowanie w swojej przeglądarce. Szczegóły.


SPONSORZY
ASSECO
PGNiG
ENEA

Polska Spółka Gazownictwa
CMS

PGE
CEZ Polska
ENERGA





MATERIAŁY PROBLEMOWE

Przełamać bariery elektromobilności
25.06.2020r. 05:23

Maciej Humięcki ("Energia i Recykling" - 5/2020)
Porównanie rzeczywistej liczby jeżdżących obecnie po polskich drogach aut o napędzie elektrycznym (ok. 8 tys.) z liczbą zakładaną kilka lat temu w krajowej polityce rozwoju infrastruktury paliw alternatywnych (ok. 32 tys.) może prowadzić do wniosku, że polska elektromobilność rodzi się w bólach. Tymczasem auta bateryjne oferują najszerszy zakres pozytywnych zmian, jakie może przynieść elektromobilność. Dlatego pokonanie barier ich upowszechnienia może okazać się kluczowe dla rozwoju całej elektromobilności.

Według danych z października 2019 r., po polskich drogach poruszało się 7884 samochodów elektrycznych typu BEV (które do napędu wykorzystują wyłącznie energię elektryczną zmagazynowaną w bateriach) oraz PHEV (czyli pojazdów hybrydowych typu plug-in z dwoma rodzajami zasilania). Tymczasem, według rządowej polityki rozwoju infrastruktury paliw alternatywnych, miało ich być w sumie już ponad 32 tys.

Do najważniejszych barier rozwoju elektromobilności zaliczyć możemy obecnie wysoki koszt zakupu samochodów wyposażonych w baterie, mniejszy zasięg z jednego ładowania w stosunku do pojazdów spalinowych oraz brak łatwo dostępnej i efektywnej infrastruktury ładowania. Przez efektywną infrastrukturę rozumiemy nie tylko taką, która daje możliwość szybkiego ładowania dużej liczby pojazdów elektrycznych czy pozwalającą na większy udział lokalnych źródeł energii w jej zasilaniu, ale także spełniającą wymóg oszczędnego gospodarowania przestrzenią miejską. Ta ostatnia kwestia ściśle związana jest z dostępnością infrastruktury, ponieważ jest ona determinowana z jednej strony możliwościami dostarczenia przez sieć energetyczną wystarczającej ilości energii elektrycznej o parametrach zapewniających szybkie ładowanie, zaś z drugiej konfliktami przestrzennymi powstającymi przy jej rozbudowie, szczególnie w zurbanizowanym środowisku.

Za powstawanie barier w rozwoju elektromobilności w największym stopniu odpowiadają więc baterie oraz systemy ich ładowania. Obecnie trwają zaawansowane prace nad poprawą parametrów użytkowych baterii, które mają doprowadzić do zwiększenia zasięgu samochodów. Dąży się również do zmniejszenia ich cen.

Ładowanie przewodowe czy bezprzewodowe?

Najbardziej rozpowszechniony obecnie system ładowania to system przewodowy (plug-in). Ładowanie może odbywać się prądem przemiennym z małymi lub średnimi mocami - tu czas naładowania baterii o mocy 33 kW (np. montowanej w elektrycznym modelu BMW i3) wynosi ok. 11 godzin (moc ładowania 3,8 kW). Ładowanie prądem stałym, z mocą rzędu 50-100 kW, umożliwia skrócenie tego procesu w przypadku tego samego modelu BMW do ok. 35 minut (od 0 do 85%). Nawet ładowanie szybkimi ładowarkami wymaga więc w dalszym ciągu wielokrotnie dłuższego czasu niż napełnienie baku porównywalnego auta spalinowego. Na dodatek otrzymujemy w zamian mniejszy zasięg jazdy.

Zakładając zastąpienie większości aut spalinowych pojazdami elektrycznymi oraz biorąc pod uwagę długość czasu ładowania i potrzebę zajęcia odpowiedniej do wielkości pojazdów powierzchni parkowania, można stwierdzić, że systemy o małej lub średniej mocy spowodowałyby w przestrzeni zurbanizowanej zajęcie olbrzymich terenów pod niezbędną infrastrukturę. Może to prowadzić do dysfunkcji miast oraz problemów w organizacji ruchu, szczególnie w szczytach zapotrzebowania na energię. Losowy charakter ładowania baterii w dużej liczbie punktów prowadzić może do powstawania niebezpiecznych szczytowych obciążeń sieci, skutkujących poważnymi awariami. Wiele pracujących na raz ładowarek może również powodować problemy z zachowaniem odpowiednich parametrów przesyłanej energii. Chociaż istnieją techniczne sposoby rozwiązywania takich problemów, to ich koszt może być znaczny, co również stanowi utrudnienie dla rozwoju infrastruktury ładowania.

Szybkie ładowarki wymagają dużych inwestycji w celu doprowadzenia energii elektrycznej, gwarantującej dużą moc w punktach ładowania. Istniejąca infrastruktura komunalna, ochrona zabytków czy problemy własnościowe gruntów mogą bardzo utrudnić lub nawet uniemożliwić realizację inwestycji w sieć elektroenergetyczną. Na dodatek szybkie ładowanie powoduje szybsze zużycie baterii, zaś jego efektywność energetyczna jest mniejsza niż ładowania wolnego. Z tych powodów pojawiające się ostatnio bardzo szybkie ładowarki, o mocach powyżej 100 kW, mimo znacznego skrócenia czasu ładowania nie wydają się, póki co, rozwiązaniem optymalnym.

Współpraca OZE z systemami ładowania przewodowego, polegająca np. na ich podłączeniu w miejscach lokalizacji punktów ładowania lub wykorzystaniu baterii jako potencjalnych magazynów energii elektrycznej wyprodukowanej z OZE, wymaga wdrożenia technologii V2G. Technologia ta, zastosowana w punktach ładowania przewodowego, pozwolić ma na stworzenie dużego potencjału magazynowania energii, zdolnego do realizacji usług regulacyjnych na rzecz systemu elektroenergetycznego. Duże rozproszenie, niepewność lokalizacji pojazdów bateryjnych w połączeniu z losowym charakterem zapotrzebowania na energię może to jednak bardzo utrudnić. Z tych też powodów potencjał magazynowania energii dużej liczby ładujących się przewodowo aut będzie najlepiej wykorzystany do bilansowania energii pochodzącej z lokalnych źródeł OZE o relatywnie niewielkiej mocy. Przychody z usług regulacyjnych przy niewielkich pojemnościach baterii i przy ich nieuchronnym zużywaniu się w wyniku częstego ładowania i rozładowywania mogą być niewystarczające, zniechęcając właścicieli aut bateryjnych do ich wykonywania. Całość bardzo rozproszonej sieci pracującej w układzie G2V/V2G będzie też bardzo kosztowna.

Ładowanie bezprzewodowe tworzy te same problemy, na dodatek zaś cechuje się mniejszą efektywnością energetyczną, a co za tym idzie - dłuższym czasem ładowania. Korzyści wynikające z większej wygody stosowania tego typu ładowania nie tworzą tutaj wystarczającej przewagi nad ładowaniem przewodowym. Większe korzyści mogłoby przynieść ładowanie bezprzewodowe w trakcie jazdy, brak jednak na razie dojrzałych rozwiązań tego typu.

Battery swap, czyli system wymiany baterii

Jeszcze inną technologią ładowania pojazdów elektrycznych jest wymiana baterii, czyli battery swap (BS). Polega ona na wymianie w pojeździe elektrycznym rozładowanej baterii na akumulator już wcześniej naładowany. Wbrew pozorom technologia ta ma długą historię, związaną z pierwszymi krokami elektromobilności na początku XX w. Choć ma ona różne - raczej prototypowe - implementacje, to jednak wciąż stanowi futurystyczną, ale też możliwą do realizacji wersję masowej elektromobilności.

Podmiotami uczestniczącymi w systemie BS byliby: sieciowy dostawca energii elektrycznej, właściciele pojazdów bateryjnych oraz operator systemu wymiany baterii. Ten ostatni zarządzałby systemem i jednocześnie był właścicielem baterii do wymiany. System BS obejmowałby stacje wyposażone w automaty służące do wymiany w pojeździe rozładowanej baterii na uprzednio naładowaną. Stacje te mogłyby posiadać urządzenia ładujące baterie oraz magazyn baterii rozładowanych, ładujących się lub już naładowanych i oczekujących na klienta. Urządzenia stacji powinny w tym przypadku umożliwiać dwukierunkowy przepływ energii elektrycznej pomiędzy stacją a systemem elektroenergetycznym, a także podłączenie odnawialnych źródeł energii. Jednocześnie występować mogą stacje wyposażone jedynie w sam automat ładujący oraz magazyn składowania, do którego na bieżąco dowożone są baterie. Stacja wymiany mogłaby mieć też charakter mobilny - w tym przypadku ładowanie baterii odbywałoby się w innym miejscu. Opcjonalnym elementem stacji mogłyby być OZE, produkujące energię elektryczną. Mowa tu o turbinach wiatrowych czy instalacjach fotowoltaicznych.

Stacjami sieci BS zarządzałby system teleinformatyczny, odpowiedzialny za zagwarantowanie odpowiedniej do potrzeb liczby baterii na każdej stacji oraz realizację harmonogramu wymiany baterii wraz z prognozowaniem przyszłych wymian. System taki może też sterować dwukierunkowym przepływem energii pomiędzy siecią stacji BS, OZE i siecią elektroenergetyczną. W ten sposób energia elektryczna z sieci lub OZE może trafić do ładujących się baterii, zaś jej nadwyżki mogą z powrotem wrócić do sieci. Pozwoliłoby to na świadczenie przez operatora usług regulacyjnych dla sieci elektroenergetycznej.

W tym celu system musi umożliwiać komunikację pomiędzy podmiotem zarządzającym wymianą baterii a klientami oraz pomiędzy operatorem systemu a sieciowym dostawcą energii elektrycznej. Przesyłane w systemie dane powinny umożliwić wyspecyfikowanie odpowiedniego dla danego pojazdu typu baterii oraz zagwarantować ilość energii elektrycznej odpowiednią do zapotrzebowania ładujących się baterii. System ma także zapewnić optymalizację kosztów ładowania przez wykorzystanie nocnych taryf, pozyskanie energii z OZE czy dodatkowe zyski wynikające z usług regulacyjnych dla systemu elektroenergetycznego. Powinien on monitorować zużycie baterii, co pozwoli na racjonalne określenie kosztów wynajęcia baterii czy podjęcie decyzji o jej wycofaniu z sieci BS. System musi zagwarantować pobieranie opłat za wynajęcie baterii, a także umożliwić reagowanie na sytuacje awaryjne czy nieuczciwe działania klientów.

Standaryzacja źródeł energii i zarządzania

Baterie w pojazdach elektrycznych w systemie BS również muszą spełniać pewne warunki. Ich konstrukcja powinna umożliwiać szybką i automatyczną wymianę. W przypadku obsługiwania przez system aut różnych typów i producentów warunek ten w praktyce determinuje standaryzację baterii pod względem wymiarów, sposobów połączeń elektrycznych, a także systemów ich chłodzenia czy ogrzewania. Taka standaryzacja mogłaby funkcjonować w obrębie poszczególnych klas aut: osobowych, ciężarowych i pojazdów innego przeznaczenia.

Ciekawe rozwiązanie tego problemu podają autorzy pracy "Autonomous Battery Swapping System and Methodologies of Electric Vehicles". Opierając się na wynikach badań, które wykazały, że przeciętny konsument auta elektrycznego pokonuje jednorazowo ok. 40 mil (64 km), proponują oni nową architekturę rozmieszczenia baterii w pojeździe. Ma on być wyposażony w niestandardową baterię integralnie związaną z autem, zapewniającą zasięg pokrywający zwykłe dzienne zapotrzebowanie użytkownika (tzw. pakiet startowy), oraz miejsce na szybki montaż wymiennej, standaryzowanej baterii. Pakiet startowy ma być ładowany w domach, za pomocą wolnych ładowarek i z wykorzystaniem tańszej taryfy nocnej. Gdy zaistnieje potrzeba pokonywania dłuższych tras, dołącza się baterię standaryzowaną lub podłącza się większą liczbę takich dodatkowych źródeł energii.

Battery Management System (BMS), czyli system zarządzania bateriami, musi mieć możliwość komunikacji nie tylko z jednostką sterującą pojazdu (VCU), ale także z systemem nadzorującym sieć BS. BMS, oprócz standardowego nadzorowania stanu wszystkich cel pakietu akumulatorów, musi mieć możliwość zapamiętywania informacji o właścicielu baterii oraz danych dotyczących jej wynajęcia. Przesyłanie z BMS do systemu zarządzania siecią wymiany baterii odpowiednich danych pozwoliłoby nie tylko na zapewnienie dostępności odpowiedniej baterii, ale także na wybór najekonomiczniejszej trasy przejazdu czy optymalizację opłat.

Pojazdy bateryjne muszą być przystosowane do wymiany akumulatorów. Dotyczy to nie tylko odpowiedniej konstrukcji pojazdu, a więc zapewnienia miejsc montażu wymiennych baterii, ale także ustandaryzowanych złączy dla systemów chłodzenia i ogrzewania oraz obecności odpowiednich interfejsów umożliwiających stałą łączność z siecią BS. Łączność pomiędzy pojazdami bateryjnymi, siecią wymiany i samymi bateriami mogłaby się odbywać za pośrednictwem telefonii komórkowej oraz IoT.

Korzyści przemawiają za

Porównanie systemu wymiany baterii z systemem przewodowego ładowania pojazdów elektrycznych jest trudne. Wynika to z niewielu prób implementacji takiego systemu do realnego świata. Propozycja jest jednak kusząca, również z powodu licznych przewag nad systemami ładowania przewodowego czy bezprzewodowego. Przede wszystkim system BS byłby szybszy niż najdoskonalsze obecnie systemy ładowania i jednocześnie umożliwiałby większy zasięg jazdy. W porównaniu ze stacjami ładowania mógłby dać znaczące oszczędności powierzchni, a także kosztów jej wynajęcia. Efekt ten może być pogłębiony przez rozdzielenie stacji wymiany od miejsca ładowania baterii (dowóz naładowanych baterii, mobilne stacje wymiany). Takie rozdzielenie stacji wymiany od infrastruktury ładowania pozwala także na ich lokowanie w miejscach korzystniejszych z punktu widzenia właścicieli pojazdów bateryjnych. Z kolei lokalizacja infrastruktury ładowania i magazynowania baterii mogłaby być korzystniejsza dla sieci elektroenergetycznych. W rezultacie unikamy wielu konfliktów przestrzennych przy realizacji inwestycji.

Bardziej przemyślana i efektywniejsza gospodarka wieloma bateriami w oparciu o stacje ich wymiany lepiej poradziłaby sobie z pojawiającymi się szczytami ładowania. To z kolei ograniczyłoby możliwość wystąpienia zakłóceń w organizacji ruchu. Magazyny baterii wraz z infrastrukturą ładowania pozwalającą na dwustronny przepływ energii elektrycznej tworzą naturalne banki energii. Ich duży potencjał pojemności zgromadzony w jednym miejscu, wsparty teleinformatycznym systemem zarządzania umożliwiającym koordynację ładowania z wypełnianiem funkcji regulacyjnych, może być efektywniej wykorzystany niż w przypadku dużej liczby punktów ładowania przewodowego. Może przynosić odpowiednio większe zyski operatorowi systemu. Duże banki energii na stacjach wymiany pozwoliłyby na przyłączenie do sieci elektroenergetycznej OZE o większych mocach. W końcu zwolennicy technologii BS uważają, że jedną z najważniejszych zalet byłoby obniżenie ceny samochodów elektrycznych - auta kupowane byłyby bez baterii, co wywołałoby efekt kuli śniegowej w rozwoju elektromobilności, spowodowany przełamaniem jednej z najistotniejszych barier w jej rozwoju - wysokiej ceny pojazdów EV.

Trudne próby wdrożenia systemu

Zalety systemu BS są bardzo zachęcające. Dlaczego więc nie jest on powszechnie stosowany? Przeciwnicy tej technologii wskazują na kilka trudnych do rozwiązania problemów. Jednym z nich jest potrzeba standaryzacji baterii, szczególnie w zakresie systemów chłodzenia i ogrzewania, ale też wymiarów czy pojemności. Problematyczna może być standaryzacja konstrukcji samych pojazdów, umożliwiająca niekomplikowaną wymianę baterii. W końcu nie bez znaczenia są wysokie koszty stworzenia systemu.

Pierwsze próby wdrożenia w praktyce systemu BS skończyły się niepowodzeniem. W 2014 r. technologię tę próbowała wprowadzić Tesla. Wówczas najbardziej prawdopodobnymi przyczynami porażki przedsięwzięcia było ograniczenie wymienialności baterii do jednego typu auta oraz duża konkurencja ze strony darmowych ładowarek. Dużo poważniej wyglądała próba firmy Better Place, która starała się wdrożyć system w Izraelu i Danii w latach 2008-2009. Pomimo wielkiego rozmachu tego przedsięwzięcia, którego sfinansowanie kosztowało niemal miliard dolarów, nie osiągnięto zakładanego przyrostu liczby aut elektrycznych (w samym Izraelu miało to być 100 tys. szt. do 2010 r.). W rezultacie w 2013 r. firma zbankrutowała.

Jak do tej pory, udane implementacje sytemu wymiany baterii dotyczą nie aut osobowych, ale innych pojazdów zasilanych bateriami. Przykładem mogą być skutery tajwańskiej firmy Gogoro, funkcjonujące w Indiach, czy flota elektrycznych autobusów należąca do XJ Group Corporation - operatora publicznej sieci transportowej w Qingdao w Chinach. Obiecująco wyglądają też próby implementacji sytemu w firmach taksówkowych, czego przykładem jest start-up Power Swap działający w Szwecji. Chce on opracować robota wymieniającego baterie w samochodach elektrycznych. W tym celu podpisał list intencyjny z Taxi Stockholm, największą korporacją taksówkową w Szwecji.

Na obecnym etapie rozwoju elektromobilności trudno jednak oczekiwać szybkich i skutecznych działań standaryzacyjnych, które umożliwiłyby wdrażanie i rozwój technologii BS w przypadku osobowych aut bateryjnych. Główną tego przyczyną jest panująca wśród światowych koncernów samochodowych konkurencja pod względem jak największych zasięgów pojazdów. Oferowanie tanich aut dla przeciętnego Kowalskiego jest, póki co, spychane na dalszy plan. Udane wdrożenia systemu dotyczą więc raczej małych pojazdów bateryjnych, takich jak skutery czy hulajnogi, oraz pojazdów flotowych - autobusów, taksówek itp. W ich przypadku takie zalety jak szybka wymiana baterii przy ograniczonym zasięgu systemu czy możliwość wykorzystania pojazdów jednej marki bez wymogu standaryzacji zapewniają możliwe do realizacji modele biznesowe.

Swoistym języczkiem u wagi przy wyborze systemu ładowania mogłoby być postrzeganie tej technologii w kategoriach GOZ-u. Niezbędna standaryzacja baterii wymiennych ułatwiłaby opracowanie wydajniejszych technologii ich recyklingu. Tworzące się na stacjach banki energii, poprzez planową gospodarkę wieloma bateriami, dawałyby lepsze i ograniczające utratę pojemności możliwości ładowania w stosunku do punktów dużej mocy. To pozwoliłoby na przedłużenie żywotności baterii. Magazyny przy stacjach wymiany mogłyby z kolei gromadzić zużyte baterie, przeznaczone do recyklingu. Sieć stacji wymiany tworzyłaby więc ramy organizacyjne systemu przetwarzania, a sam recykling mógłby stać się dodatkową usługą, poprawiającą bilans kosztów i zysków właścicieli stacji wymiany.

Zapisy polskiej ustawy o elektromobilności i paliwach alternatywnych nakazują zastępowanie w administracji publicznej oraz we flotach komunalnych aut spalinowych modelami zeroemisyjnymi. Daje to duże możliwości wdrożenia systemu BS jako podstawy zasilania takich pojazdów. Jego najważniejsza zaleta, a więc wymiana rozładowanej baterii na w pełni załadowaną w czasie porównywalnym z zatankowaniem paliwa w aucie spalinowym, może mieć znaczenie decydujące np. w przypadku karetek pogotowia czy pojazdów zabezpieczenia technicznego pracujących w usługach komunalnych. Także komunikacja publiczna w miastach ze strefami zeroemisyjnymi mogłaby korzystać z autobusów z tego typu. Optymalnym rozwiązaniem wydawałoby się w tych przypadkach połączenie ładowania przewodowego z możliwością wymiany baterii. Jak bowiem wykazały symulacje, system wymiany baterii zwiększa efektywność wykorzystania autobusów oraz zmniejsza zużycie energii elektrycznej niezbędnej do ich ładowania. Jednocześnie, aby myśleć o masowej elektromobilności, niezbędna jest oferta tanich pojazdów bateryjnych, a to właśnie systemy BS umożliwiają producentom znaczną redukcję cen.

Dodaj nowy Komentarze ( 3 )

WIĘCEJ NA TEN TEMAT W SERWISACH TEMATYCZNYCH

KOMENTARZE ( 3 )


Autor: darlen 25.06.2020r. 07:59
Każde darmowe pieniądze powodują wzrost cen ponad rzeczywistą wartość dobra, póki co nie jesteśmy producentem... pełna treść komentarza
ODPOWIEDZ ZGŁOŚ DO MODERACJI

Autor: Socyal 25.06.2020r. 11:12
Też jestem zwolennikiem aby przełamać bariery ale jest jedno ograniczenie dopóki państwo nie sięga do mojej kieszeni.... pełna treść komentarza
ODPOWIEDZ ZGŁOŚ DO MODERACJI

Autor: antymonopol 25.06.2020r. 13:53
Niech bogaci nabywcy aut na węgiel sami płacą za ich kupno a nie zmuszają biednych do ich dopłacania.
ODPOWIEDZ ZGŁOŚ DO MODERACJI
Dodaj nowy Komentarze ( 3 )

DODAJ KOMENTARZ
Redakcja portalu CIRE informuje, że publikowane komentarze są prywatnymi opiniami użytkowników portalu CIRE. Redakcja portalu CIRE nie ponosi odpowiedzialności za ich treść.

Przesłanie komentarza oznacza akceptację Regulaminu umieszczania komentarzy do informacji i materiałów publikowanych w portalu CIRE.PL
Ewentualne opóźnienie w pojawianiu się wpisanych komentarzy wynika z technicznych uwarunkowań funkcjonowania portalu. szczegóły...

Podpis:


Poinformuj mnie o nowych komentarzach w tym temacie


PARTNERZY
PGNiG TERMIKA
systemy informatyczne
Clyde Bergemann Polska
PAK SERWIS Sp. z o.o.
ALMiG
GAZ STORAGE POLAND
GAZ-SYSTEM S.A.
Veolia
PKN Orlen SA
TGE
Savangard
Tauron
DISE
BiznesAlert
Obserwatorium Rynku Paliw Alternatywnych ORPA.PL
Energy Market Observer
Gazterm
Innsoft



cire
©2002-2020
mobilne cire
IT BCE