z. 98 Transport 2013
Marcin Koniak
Politechnika Warszawska, Wydzia Transportu
ASPEKTY EKONOMICZNE, TECHNICZNE
I RODOWISKOWE ADOWANIA POJAZDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Rkopis dostarczono, kwiecie 2013
Streszczenie: W niniejszym artykule autor przeanalizowa i scharakteryzowa aspekty ekonomiczne, techniczne i rodowiskowe adownia samochodów elektrycznych. W pierwszej czci dotyczcej ekonomii u ytkowania, autor przedstawi analiz skumulowanego kosztu takiego pojazdu zasilanego elektrycznoci w zestawieniu z benzynowym. Druga cz zostaa powicona aspektom technicznym adowania akumulatorów takim jak rozbudowa infrastruktury adowania, wzrost zapotrzebowania na energi spowodowany dodatkowymi odbiornikami oraz zastosowanie baterii trakcyjnych, jako ukadów poprawiajcych bilans mocy i energii. Trzecia cz porusza tematyk wpywu samochodów elektrycznych na zanieczyszczenie rodowiska, zmniejszenie haasu oraz wpyw zmian temperatury na pakiety bateryjne. Artyku zosta zakoczony krótkim podsumowaniem. Sowa kluczowe: transport samochodowy, pojazdy elektryczne, zasobni energii
1. WPROWADZENIE
Historia pojazdów elektrycznych siga a do pierwszej poowy XIX wieku. Wtedy postay pierwsze prymitywne powozy elektryczne rozwijane a do momentu ich wyparcia przez samochody spalinowe. Stao si tak, poniewa te drugie miay wikszy zasig i wyeliminowane zostay ich najwiksze wady, takie jak przegrzewajcy si silnik oraz konieczno u ycia korby do uruchomienia. Obecnie dziki rozwojowi energoelektroniki i elektrochemii samochody elektryczne maj szans konkurowa z ich spalinowymi odpowiednikami. Dodatkowym impulsem do popularyzacji tej technologii jest ogólnowiatowa debata nad przyczynami ocieplenia klimatu na ziemi. Jedna
z najpopularniejszych na ten temat hipotez mówi o bezporednim wpywie iloci
dwutlenku wgla w atmosferze ziemi na globalne podniesienie temperatury. Informacja ta wykorzystywana jest do promowania pojazdów elektrycznych, jako czystych i przyjaznych rodowisku. Rzeczywisto natomiast nie jest taka czarno – biaa jak jest przedstawione na folderach reklamowych i ta technologia ta ma swoje mocne jak i sabe strony. W tym artykule zwróc uwag, jakie s aspekty adowania pojazdów elektrycznych z punktu widzenia technicznego, rodowiskowego oraz ekonomii u ytkowania.
2. ASPEKTY EKONOMICZNE ADOWANIA POJAZDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Jednym z podstawowych argumentów przytaczanych przez zwolenników samochodów elektrycznych jest koszt przejechania 100 km mniejszy o ponad 3 razy ni samochodem spalinowym. Zale no ta zostaa przedstawiona na rysunku nr 1. Faktem jest, e obecna wysoka cena benzyny skania u ytkowników pojazdów do szukania oszczdnoci w postaci sprawniejszych silników, rozwiza hybrydowych, takich jak wspópracujcy silnik elektryczny i spalinowy lub samochodów zasilanych elektrycznoci. Nale y pamita, ze ponad 50% ceny paliwa to podatki w tym podatek VAT, akcyzowy i opata paliwowa i jest to w przybli eniu 10% wszystkich wpywów do bud etu pastwa. W przypadku energii elektrycznej jedyna danina to VAT. Mo na si wiec spodziewa takiego scenariusza, w którym, gdy samochody elektryczne zaczynaj wypiera spalinowe zostaje nao ony dodatkowy podatek drogowy lub o innej nazwie podwy szajcy cen elektrycznoci, któr adowany jest samochód. Z punktu widzenia technicznego rozliczenie takiej dodatkowej daniny nie stanowioby problemu, poniewa sam ukad zasilania samochodu mógby zlicza pobran energi elektryczn i jej rozliczenie nastpowaoby na przykad przy paceniu rachunku za prd w miejscu zamieszkania. Obecnie takie rozwizanie jest mao prawdopodobne, ze wzgldu na znikomy udzia takich rodków transportu, jednak nale y je tak samo bra pod uwag jak prognozowane spadki cen akumulatorów.
Rys. 1. Wykres kosztów paliwa i energii elektrycznej na przestrzeni 5 lat
Argumentem nie bez znaczenia dla u ytkownika s mniejsze koszty eksploatacyjne pojazdu elektrycznego ni spalinowego. Wynika to z konstrukcji silnika elektrycznego, który jest prostszy i bardziej niezawodny, skada si tak e z mniejszej iloci elementów
mechanicznych najbardziej nara onych na uszkodzenia. Niestety czsto przy liczeniu tych kosztów pomijana jest konieczno wymiany baterii, która przypada po ka dych piciu latach jej u ytkowania. Cena pakietu akumulatorów wynosi okoo 30% wartoci nowego samochodu i ma ogromny wpyw na cakowite zestawienie wydatków ponoszonych w czasie u ytkowania pojazdu elektrycznego.
Powy sze czynniki zostay zestawione w tablicy 1 i 2 dla dwóch samochodów klasy A wybranych sporód modeli marki Peugeot.
Tablica 1 Zestawienie kosztów samochodu elektrycznego Peugeot iON
Marka i nazwa Koszt samochodu [z] Miesiczny koszt utrzymania [z] Czstotliwo wymiany akumulatora trakcyjnego [miesice] Koszt akumulatora [z] Cena energii w z/kWh Zu ycie energii na 100km [kWh] Roczny przebieg [km] Peugeot iON 120000 100 60 40000 0,55 12,5 25000 Tablica 2 Zestawienie kosztów samochodu Peugeot 107
Marka i nazwa Koszt samochodu [z] Miesiczny koszt utrzymania [z] Cena paliwa w z/l Zu ycie paliwa na 100km [l] Roczny przebieg [km] Peugeot 107 40000 165 5,5 4,3 25000
Zestawienie kosztów obu pojazdów zostao przedstawione na rysunku nr 2.
W 2011 roku miaa miejsce promocja sezonowa na rozpatrywany samochód elektryczny. Kosztowa on wtedy 70 tys. z. Zestawienie kosztów dla tego przypadku pokazano poni ej.
Rys. 3. Zestawienie kosztów samochodu elektrycznego i spalinowego dla 10 lat eksploatacji przy uwzgldnieniu promocyjnej ceny samochodu elektrycznego
Jak mo na zauwa y przy znacznym obni eniu ceny pojazdu elektrycznego po piciu latach eksploatacji sumaryczny koszt obu pojazdów jest do siebie zbli ony. Wynika std, e dopóki nie potaniej same samochody elektryczne wraz z pakietami bateryjnymi, bd stanowi dro sz, czyli mniej atrakcyjn alternatyw dla spalinowych odpowiedników.
3. ASPEKTY TECHNICZNE ADOWANIA POJAZDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Zwikszenie udziau samochodów elektrycznych w ruchu wymusi konieczno instalacji ich stacji adowania. Stacje te powinny mie mo liwo realizacji trybów adowania szybkiego i nominalnego prdem dostosowanym do typu akumulatora. W zale noci od rozwoju sieci elektroenergetycznej i jej przystosowania do wspópracy
z pojazdami elektrycznymi mog tak e umo liwia zastosowanie akumulatorów
trakcyjnych, jako lokalnych sieciowych zasobników energii [1]. Rozbudowa infrastruktury adowania samochodów elektrycznych wi e si z koniecznoci modernizacji i w razie koniecznoci budowy nowych pocze sieci dystrybucyjnej. Niezbdne bdzie tak e dostosowanie sieci przesyowej i ukadów generacyjnych do zwikszonego zapotrzebowania. Na rysunku nr 4 pokazano wzrost zapotrzebowania na energi
elektryczn, jaki mia miejsce przez 11 lat od 2002 do 2013 roku dla tego samego dnia roku. Raport przygotowany Agencj Rynku Energii na zamówienie ministerstwa gospodarki zawiera prognoz wzrostu zapotrzebowania na energi elektryczna do roku 2030 o 40% czyli tyle ile elektrownia Kozienice produkuje przez cztery lata.
Rys. 4. Porównanie chwilowych wartoci zapotrzebowania na energi elektryczn dla dnia 13 kwietnia 2002 i 2013 - dane PSE oraz prognoz na 2030 rok
Jak ju wspomniaem rozpatrywane jest zastosowanie pakietów bateryjnych pojazdów elektrycznych, jako lokalnej rezerwy zasilania. Pomys ten ma na celu zmniejszenie szczytu zapotrzebowania na energie widocznego na rys. 4 w godzinach dziewita – jedenasta i okoo dwudziestej. Pojazd adowany w czasie nocy, gdy energia jest tasza, a zapotrzebowanie na ni mniejsze oddawaby j do sieci w okrelonych wy ej porach dnia. Rozwizanie to jest rozpatrywane zarówno dla zbiorczych parkingów typu „Parkuj i Jed ” lub w centrach handlowych jak i dla pojedynczych domów jednorodzinnych. Dodatkowo w tym drugim przypadku akumulator samochodu mógby peni rol róda awaryjnego pozwalajc na bezpieczne wyczenie wa nych urzdze bez utraty danych lub ich uszkodzenia w przypadku przerwy w zasilaniu sieciowym.
Zastosowanie akumulatora trakcyjnego, jako zasobnika jest dobrym rozwizaniem z punktu widzenia sieci ze wzgldu na poprawienie chwilowego bilansu mocy i energii. Rozwizanie to jednak znaczco wpywa na dugo ycia ogniw. Dzieje si tak, poniewa wraz z iloci wykonanych cykli adowania i rozadowania spada dostpna pojemno akumulatora. Trzeba go wic wymienia czciej, gdy si szybciej zu yje, co przekada si na wiksze koszty dla waciciela samochodu.
Nale aby tu tak e wspomnie, e by zastosowa samochody elektryczne, jako zasobniki energii konieczna jest nowoczesna sie elektroenergetyczna umo liwiajca sterowanie zarówno ródami jak i odbiorami. Modernizacja taka jest bardzo kosztowna i ze wzgldu na jej ska dugotrwaa. Mo e, wic zaistnie sytuacja, gdy samochody zamiast pomaga w bilansie energetycznym tylko go pogarszaj poprzez masowe
podczanie do adowania w godzinach porannych (po dojechaniu na parking) i wieczornych (po powrocie do domu). W tej sytuacji rozwizaniem jest zastosowanie zbiorczego zasobnika energii na stacji adowania, który pobieraby energi elektryczn w nocy i oddawa podczas zwikszonego zapotrzebowania spowodowanego adowaniem samochodów. Niestety to rozwizanie równie nie jest bez wad, poniewa straty w zasobniku dodaj si do strat przesyowych i dystrybucyjnych podwy szajc kocow cen energii.
4. ASPEKTY RODOWISKOWE ADOWANIA POJAZDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Kolejnym wartym omówienia aspektem u ytkowania pojazdów elektrycznych jest ich wpyw na rodowisko, ale tak e wpyw rodowiska na same pojazdy. Nale y pamita, e caa energia napdowa zgromadzona jest w akumulatorach, które s do wra liwe na zmiany temperatury. Zmiany te przekadaj si na dostpn pojemno baterii, co natomiast wpywa na dostpny zasig pojazdu. Przykadowe charakterystyki wpywu temperatury na dostpn pojemno akumulatora zebrano w tablicy 3.
Tablica 3 Napi cie rozadowania baterii litowo- jonowej o pojemnoci C5 = 1350mAh, jako funkcja
pojemnoci dla rónych temperatur [2]
Temperatura [°C] Napicie pocztkowe [V] Pojemno kocowa [mAh] 60 4,1 1400 20 4,1 1350 -10 3,9 1200 -20 3,7 850
Jak wida przy wystpujcej w Polsce temperaturze -20 stopni Celsjusza, akumulator traci okoo 30% pojemno, to przekada si na o tyle samo skrócony zasig. Dla -10 stopni dostpne jest okoo 88% nominalnej pojemnoci. Na ywotno baterii wpywa tak e przegrzewanie akumulatorów, poniewa doprowadza do szybszego zu ycia elementów biorcych udzia w reakcjach elektrochemicznych. Optymalna temperatura pracy zestawu bateryjnego zawiera si w granicach 0-20 stopni Celsjusza po powoduje, e takie zestawy musza by w lecie oraz w czasie intensywnej pracy chodzone natomiast w zimie podgrzewane.
Czsto syszanym argumentem popierajcym wprowadzanie samochodów
elektrycznych jest brak emisji spalin w tym CO2. Argument ten jest niestety prawdziwy
tylko czciowo. Niewtpliw zalet u ytkowania na szerok skal takich pojazdów szczególnie w wikszych miastach byby lokalny spadek st enia spalin, co jednak nie oznacz, e zanieczyszcze nie ma wcale.
Obecnie udzia „czystej” energii pochodzcej ze róde odnawialnych, która mogaby su y do adowania samochodów elektrycznych, to okoo 10% caej produkowanej energii. Reszta zapotrzebowania pokrywana jest ze róde konwencjonalnych opalanych wglem kamiennym i brunatnym. Tak wiec by naadowa samochód elektryczny konieczne jest spalenie wgla, co jest procesem powodujcym emisj do rodowiska zwizków siarki, azotu oraz tlenku i dwutlenku wgla. Technologicznie mo liwe jest odsiarczenie spalin ze sprawnoci przeszo 95%, [3], odazotowanie 65% 10. [4]. Nie jest
natomiast wykonywane usuwanie CO2 ze spalin ze wzgldu obni enie sprawnoci i koszty.
To wanie jego emisja jest obecnie najczciej przytaczanym problemem ekologicznym. Aby przeanalizowa wpyw u ytkowania samochodów elektrycznych na ilo
uwalnianego CO2 przeprowadziem poni sz analiz.
Na przejechanie 100 km Peugeot 107 potrzebuje okoo 5l benzyny, czyli spala okoo 50 kWh energii chemicznej. Da nam to 10 kWh energii u ytecznej zakadajc, e sprawno silnika to 0,2.
Do pokonania takiego samego dystansu Peugeot iON potrzebuje okoo 12 kWh. Straty, z jakimi musimy si liczy w samochodzie elektrycznym to straty w akumulatorach rzdu 0,2, przeksztatniku 0,05 oraz silniku 0,2. Po ich uwzgldnieniu otrzymujemy sprawno przetwarzania energii elektrycznej na mechaniczna okoo 0,6, czyli trzykrotnie wy sz ni dla Peugeota z silnikiem spalinowym. By wytworzy tak ilo energii elektrownia musi spali wgiel, w którym zmagazynowana jest energia chemiczna równa 50 kWh. Spowodowane jest to sprawnoci bloku elektrowni na poziomie 35% oraz sum strat
przesytu i dystrybucji. Daje to okoo 16 kg CO2 na 100 km.
W przypadku Peugeota 107 emisja CO2 wynosi okoo 110 g/km, co daje 11 kg na ka de
przejechane 100km czyli 30% mniej ni modelu iON.
Jak wida u ytkowanie samochodu elektrycznego adowanego z sieci elektroenergetycznej, w której gównym ródem s elektrownie opalane wglem powoduje jedynie relokacj zanieczyszcze z miast. Nie powoduje równie ograniczenia emisji zanieczyszcze, a nawet je zwiksza.
Rozwizaniem tego problemu byoby adowanie pojazdów z napdem elektrycznym
z odnawialnych róde energii. Niestety na obszarze zabudowanym ze wzgldów
bezpieczestwa i uci liwoci dla mieszkaców nie jest mo liwe zastosowanie najwydajniejszych róde, jakimi s turbiny wiatrowe. Testowane jest natomiast adowanie takich samochodów energi uzyskan za pomoc paneli fotowoltaicznych. Niestety wadami tego rozwizania jest wysoki koszt oraz niska sprawno.
5. PODSUMOWANIE
W najbli szych latach nale y spodziewa si rozwoju rynku samochodów elektrycznych. Jednak oczekiwania od takich pojazdów s wysokie i by zostay spenione musi nastpi wiele zmian. Podstawowym warunkiem koniecznym do spenienia jest obni enie ceny. Ta natomiast w przeszo 30% skada si z ceny akumulatora, Konieczny jest wiec postp technologiczny powodujcy obni enie tego kosztu przy zachowaniu obecnych parametrów elektrycznych. Kolejnym aspektem wymagajcym zmian jest ródo
energii elektrycznej wykorzystywanej do adowania akumulatorów. W dniu dzisiejszym
w warunkach polskich ilo CO2 jaka powstaje przy produkcji elektrycznoci pozwalajcej
przejecha 100 km jest niestety wiksza ni dla analogicznego dystansu dla samochodu z silnikiem spalinowym. Problemem równie jest maa ilo stacji adowania, natomiast budowanie kolejnych oznacza kosztowne inwestycje w sie dystrybucyjn, przesyow oraz wytwarzanie. Jak wida wprowadzenie na rynek du ej liczby samochodów wi e si z wieloma wyzwaniami stojcymi zarówno przed nauk jak technik.
Bibliografia
1. Yilmaz, M.; Krein, P.: "Review of the Impact of Vehicle-to-Grid Technologies on Distribution Systems and Utility Interfaces," Power Electronics, IEEE Transactions on , vol.PP, no. 99.
2. Antonio Luque, Steven Hegedus, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering. Wyd. 1 ISBN-10: 0471491969 ISBN-13: 978-0471491965.
3. Warych. J.: Odsiarczanie gazów odlotowych w rodowisku zderzajcych si strumieni pyów (ss. 3-6); Ochrona rodowiska nr 1/1997 ISSN 1230-6169.
4. Kuropka J.: Reduction of nitrogen oxides from boiler flue gases. Environment Protection Engineering. 2010, vol. 36, nr 2, s. 111-122.
ECONOMIC, TECHNICAL AND ENVIRONMENTAL ASPECTS OF ELECTRIC VEHICLE CHARGING
Summary: In the article the author analyzed and characterized the economic, technical and environmental aspects of charging of the electric vehicles (EV). In the first part regarding the factors aspect, the author illustrated the total cost of an electric compared to a gasoline powered car. The second part of the paper focused on technical challenges of charging of the EV battery, such as the development of the charging infrastructure, the increase of electricity demand caused by additional load and use of traction battery as devices improving the power and energy balance. The third part deals with the impact of the electric cars on environmental pollution, the decrease of noise and the influence of temperature on the battery packs. The article was concluded with a short summary.