E-mobilnost – izzivi polnilne infrastrukture

Revija logo rutronik - E-mobilnost - izzivi polnilne infrastruktureNapredek e-mobilnosti in širitev polnilne infrastrukture sta odvisna od različnih dejavnikov. Za trajnostni koncept je pomembno razumeti sisteme in njihove soodvisnosti, kot so koncepti polnjenja, doseg, financiranje, pridobivanje virov ter recikliranje baterij.

Ne glede na to, ali gre za povsem baterijsko vozilo ali hibridno rešitev, je koncept polnjenja električnega avtomobila v grobem vedno enak. Upravljanje polnjenja prevzame vgrajeni polnilnik (angl. On Board Charger – OBC). Samo polnjenje deluje po sistemu »priključi in uporabljaj« – kabel priključimo v vtičnico, nato pa polnjenje deluje skladno s časi polnjenja, ki jih je predpisal proizvajalec, kapaciteto baterije ter polnilno močjo polnilnika. Za zagotovitev optimalnega polnjenja in preprečevanje napak poteka komunikacija med baterijo ter polnilnikom. Vozilo pri tem sporoči svoje potrebe pri polnjenju, polnilnica (za način 2 ali 3) pa sporoči svojo zmogljivost. Ta komunikacija omogoča zelo vsestransko uporabo, združljivi morajo biti le vtiči.

Culetto Albert Rutronik 172x300 - E-mobilnost - izzivi polnilne infrastrukturePrimer trajanja polnjenja
BMW i3 ima neto kapaciteto 37,9 kWh in vgrajeni polnilnik (OBC) z močjo največ 11 kW. To bi moralo zadostovati za polnjenj baterije v 3,5 ure. To potrjuje proizvajalčeva informacija, da je 80-odstotna kapaciteta pri polni moči polnilnice (način 3) dosežena po 3,12 ure. Če poteka polnjenje iz navadne vtičnice z zaščitnim kontaktom (način 2), traja to po podatkih proizvajalca približno 15 ur (37,9 kWh/15 h = 2,5 kW). To je največ, kar lahko pričakujemo iz navadne vtičnice. Enosmerno (DC) polnjenje traja približno 42 minut (50 kW).

Polnilni priključki in načini
Kljub težnji k standardizaciji polnilnih priključkov so se uveljavili različni sistemi, odvisno od države izvora avtomobila. Do leta 2015 so večino električnih avtomobilov na svetu izdelovali na Japonskem, zato je ostal uveljavljen tamkajšnji standard CHAdeMO. Evropejci so vztrajali pri lastnem standardu (tip 2), ki pa ga niso uspeli povsem uveljaviti, tudi v ZDA in na Kitajskem ne. Zaradi tega uporabljajo proizvajalci avtomobilov po vsem svetu trenutno štiri različne priključke.

Ena polnilnica lahko ponuja več različnih načinov polnjenja. Splošno varnost zagotavlja skladnost z regionalnimi standardi za varnost električnih inštalacij (VDE). Ločimo med štirimi scenariji polnjenja:

  • – Način 1: Nekrmiljeno polnjenje brez komunikacije, brez diferenčne zaščitne naprave (nevarnost) in polnilnikom v vozilu (OBC); največji tok polnjenja: 16 A/11 kW pri 1-/3-faznih priključkih
  • – Način 2: Nekrmiljeno polnjenje, zaščitna naprava/pilotna funkcija v kablu (naprava za nadzor in zaščito v kablu, angl. In Cable Control and Protection Device – IC-CPD), polnilnik v vozilu (OBC); največji tok polnjenja: 32 A/22 kW pri 1-/3-faznih priključkih
  • – Način 3: Krmiljeno izmenično polnjenje na tipsko preizkušenih polnilnicah, zaščitna naprava/pilotna funkcija v polnilnici, polnilnik v vozilu (OBC); največji tok polnjenja: 63 A/44 kW pri 1-/3-faznih priključkih
    – Način 4: Krmiljeno enosmerno polnjenje na tipsko preizkušenih polnilnicah (angl. Electric Vehicle Supply Equipment
  • – EVSE), nadzorna in zaščitna naprava/pilotna funkcija v EVSE, polnilnik v vozilu (OBC) se pri polnjenju ne uporablja.

Doseg
Zelo razvpita tema je doseg. Trenutno lahko znaša od 100 do skoraj 1000 km, odvisen pa je tudi od tega, ali gre za povsem baterijsko vozilo ali hibridno rešitev. Pomembne so tudi zelo različne potrebe uporabnikov. Povprečna vožnja na delo v Nemčiji je dolga 16,9 km (v določenih regijah tudi do 30 km). Pri vsakodnevnem polnjenju to omogoča vsako vozilo. Zaplete se pri daljših vožnjah, na primer na dopust. Tukaj pridejo v igro hitre polnilnice. Z njimi je mogoče na primer vozilo BMW i3 napolniti v približno 42 minutah s polnilnico z močjo 50 kW.

Zdaj so na voljo tudi polnilnice z močjo do 200 kW, ki bi lahko čas polnjenja skrajšale na slabih deset minut (do 80 % napolnjenosti). Če se dodatno hladi še polnilni vtič (500–850 A), je lahko polnjenje skoraj tako hitro kot dolivanje bencina.

Državne spodbude
295 24 1 300x203 - E-mobilnost - izzivi polnilne infrastruktureRazvoj elektromobilnosti je v veliki meri odvisen od financiranja. Nemški vladni paket spodbud ob epidemiji covida-19 naredi nakup električnega avtomobila še bolj zanimiv. Neto zgornja meja za subvencionirana vozila se je dvignila na 40.000 EUR, državna subvencija za povsem električni avtomobil pa se je podvojila na 6000 EUR. Temu lahko prištejemo še 3-odstotni prihranek pri DDV pri računih, izdanih do konca leta 2020, in okoljsko subvencijo za proizvajalca (približno 3000 EUR). Zvezna in državne vlade so v paketu spodbud predvidele tudi sredstva za naložbe v infrastrukturo.

Strah pred preobremenitvijo omrežja je doslej mnogim brez potrebe preprečeval nakup lastne polnilnice. Dejstvo je namreč, da so običajne enodružinske hiše priključene na kable z varovalko najmanj 63 A. Za primerjavo: Največji porabnik električne energije v gospodinjstvu je električni štedilnik z varovalko 16 A. Tudi pri drugih velikih porabnikih, kot je električni bojler (približno 16 ali 25 A), je še vedno dovolj kapacitete za polnilnico.

Poleg tega si dobavitelji električne energije prizadevajo infrastrukturo okrepiti. Omrežje transformatorskih postaj želijo zgostiti in povečati njegovo učinkovitost, pri tem pa pravočasno načrtovati polnilne postaje. V takšne koncepte so vključene tudi velike garaže; prihodnji koncepti ulične razsvetljave predvidevajo javne polnilnice, vgrajene v ulične svetilke.

Litij kot omejen vir
Pridobivanje litija, ki je trenutno bistvenega pomena za proizvodnjo baterijskih celic za električne avtomobile, ima negativen vpliv na okolje. Največja nahajališča na svetu so v Boliviji, Argentini in Čilu, vsako vsebuje približno devet milijonov ton. V Evropi so največja nahajališča na Portugalskem s 100.000 in Avstriji s 50.000 tonami. Statistika pravi, da trenutno za izdelavo baterij porabimo približno 37,4 % vsega litija.

Pri pridobivanju slanico z litijem črpajo na površino v glavnem s slano podtalnico in jo nato posušijo z različnimi koraki izhlapevanja. Voda se nato ne vrača, kar povzroča padec ravni podtalnice na račun ljudi, narave in infrastrukture v prizadetih regijah. Številke se sicer razlikujejo, vseeno pa lahko z njimi dobimo vtis o velikostnem razredu: V čilskem rudniku Salar de Atacama naj bi za proizvodnjo litija vsak dan porabili 21 milijonov litrov vode. Spreminja se tudi količina pridobljenega materiala, po najnovejših podatkih gre za 23 ton čistega litija na dan. To pomeni porabo 900.000 litrov vode na tono litija. Ker proizvodnja litijevih baterij zahteva tako velike vložke, je treba s tem virom ravnati skrbno.

Recikliranje baterij
To pomeni, da je pomembna tema recikliranje baterij v sekundarne surovine. Poleg približno 10 do 20 kg litija (baterija avtomobila srednjega razreda) se v avtomobilskih baterijah uporabljajo še številne druge surovine, med drugim mangan, kobalt, nikelj in grafit ter tekoči elektrolit.

Trenutno sta na voljo dva postopka reciklaže: Prvi izkorišča različna tališča materialov in deluje s taljenjem, drugi pa vključuje drobljenje delov, ki jih nato raztopimo s kemikalijami. Pred obema se opravi mehansko ločevanje povezovalnih elementov, zaščitne elektronike, izolacijskih materialov in embalažnih umetnih mas. Prednost drobljenja je, da ga lahko opravimo na kraju samem, tako da baterije, ki šteje za nevaren tovor, ni treba prevažati (ali vsaj ne tako daleč). Vendar pa se recikliranje splača šele, če je mogoče predelati večje količine.

Za porabo surovin je pomembna tudi življenjska doba baterije. V električnih avtomobilih velja za odsluženo, ko njena kapaciteta pade na 80 %. To pa ni realno, saj lahko dobi še drugo in tretje življenje. Po preverjanju baterije in preureditvi posameznih celic se lahko začne njeno drugo življenje kot zalogovnik energije, ki lahko shranjuje viške sončne, vetrne in vodne energije, napetostne konice elektrodistributerjev ali druge viške energije. Druga možnost so mobilni hranilniki energije za parkirne hiše in še marsikaj. Tu starih 80 % na novo opredelimo kot novih 100 % kapacitete pri enakih karakteristikah. Velikost in teža sta tu drugotnega pomena.

Vendar pa trgi in tovarne za recikliranje ter sekundarno rabo še niso zreli. Kljub temu je pomembno upoštevati dejavnike, kot so pridobivanje in uporaba virov ter vračanje zemlje v prvotno stanje, in razumeti njihovo ozadje. Vsak se lahko sam odloči, kako želi biti v prihodnje mobilen.

Avtor: Albert Culetto, tehnična podpora pri podjetju Rutronik

2021/295