Aspekty ekonomiczne, techniczne i środowiskowe ładowania

Aspekty ekonomiczne, techniczne i środowiskowe ładowania

PRACE NAUKOWE POLITECHNIKI WARSZAWSKIEJ
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 uytkowania, 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 uycia 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 uytkowania.
272
Marcin Koniak
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. Zaleno ta zostaa przedstawiona na rysunku nr 1. Faktem jest, e obecna
wysoka cena benzyny skania uytkowników pojazdów do szukania oszczdnoci
w postaci sprawniejszych silników, rozwiza hybrydowych, takich jak wspópracujcy
silnik elektryczny i spalinowy lub samochodów zasilanych elektrycznoci. Naley
pamita, ze ponad 50% ceny paliwa to podatki w tym podatek VAT, akcyzowy i opata
paliwowa i jest to w przyblieniu 10% wszystkich wpywów do budetu pastwa.
W przypadku energii elektrycznej jedyna danina to VAT. Mona si wiec spodziewa
takiego scenariusza, w którym, gdy samochody elektryczne zaczynaj wypiera spalinowe
zostaje naoony dodatkowy podatek drogowy lub o innej nazwie podwyszajcy 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 naley 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 uytkownika s mniejsze koszty eksploatacyjne
pojazdu elektrycznego ni spalinowego. Wynika to z konstrukcji silnika elektrycznego,
który jest prostszy i bardziej niezawodny, skada si take z mniejszej iloci elementów
Aspekty ekonomiczne, techniczne i rodowiskowe adowania pojazdów elektrycznych
273
mechanicznych najbardziej naraonych na uszkodzenia. Niestety czsto przy liczeniu tych
kosztów pomijana jest konieczno wymiany baterii, która przypada po kadych piciu
latach jej uytkowania. Cena pakietu akumulatorów wynosi okoo 30% wartoci nowego
samochodu i ma ogromny wpyw na cakowite zestawienie wydatków ponoszonych
w czasie uytkowania pojazdu elektrycznego.
Powysze 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
Zuycie
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
Zuycie
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.
Rys. 2. Zestawienie kosztów samochodu elektrycznego i spalinowego dla 10 lat eksploatacji
274
Marcin Koniak
W 2011 roku miaa miejsce promocja sezonowa na rozpatrywany samochód
elektryczny. Kosztowa on wtedy 70 tys. z. Zestawienie kosztów dla tego przypadku
pokazano poniej.
Rys. 3. Zestawienie kosztów samochodu elektrycznego i spalinowego dla 10 lat eksploatacji przy
uwzgldnieniu promocyjnej ceny samochodu elektrycznego
Jak mona zauway przy znacznym obnieniu ceny pojazdu elektrycznego po piciu
latach eksploatacji sumaryczny koszt obu pojazdów jest do siebie zbliony. Wynika std,
e dopóki nie potaniej same samochody elektryczne wraz z pakietami bateryjnymi, bd
stanowi drosz, 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 moliwo realizacji trybów
adowania szybkiego i nominalnego prdem dostosowanym do typu akumulatora.
W zalenoci od rozwoju sieci elektroenergetycznej i jej przystosowania do wspópracy
z pojazdami elektrycznymi mog take umoliwia zastosowanie akumulatorów
trakcyjnych, jako lokalnych sieciowych zasobników energii [1]. Rozbudowa infrastruktury
adowania samochodów elektrycznych wie si z koniecznoci modernizacji i w razie
koniecznoci budowy nowych pocze sieci dystrybucyjnej. Niezbdne bdzie take
dostosowanie sieci przesyowej i ukadów generacyjnych do zwikszonego
zapotrzebowania. Na rysunku nr 4 pokazano wzrost zapotrzebowania na energi
Aspekty ekonomiczne, techniczne i rodowiskowe adowania pojazdów elektrycznych
275
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 wyej 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 wanych 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 zuyje, co przekada
si na wiksze koszty dla waciciela samochodu.
Naleaby tu take wspomnie, e by zastosowa samochody elektryczne, jako
zasobniki energii konieczna jest nowoczesna sie elektroenergetyczna umoliwiajca
sterowanie zarówno ródami jak i odbiorami. Modernizacja taka jest bardzo kosztowna
i ze wzgldu na jej ska dugotrwaa. Moe, wic zaistnie sytuacja, gdy samochody
zamiast pomaga w bilansie energetycznym tylko go pogarszaj poprzez masowe
276
Marcin Koniak
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 podwyszajc kocow cen
energii.
4. ASPEKTY RODOWISKOWE ADOWANIA POJAZDÓW
ELEKTRYCZNYCH
Kolejnym wartym omówienia aspektem uytkowania pojazdów elektrycznych jest ich
wpyw na rodowisko, ale take wpyw rodowiska na same pojazdy. Naley pamita, e
caa energia napdowa zgromadzona jest w akumulatorach, które s do wraliwe 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
Napicie rozadowania baterii litowo- jonowej o pojemnoci C5 = 1350mAh, jako funkcja
pojemnoci dla rónych temperatur [2]
Temperatura
[°C]
60
20
-10
-20
Napicie pocztkowe
[V]
4,1
4,1
3,9
3,7
Pojemno kocowa
[mAh]
1400
1350
1200
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 take przegrzewanie akumulatorów, poniewa doprowadza do szybszego zuycia
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 uytkowania na szerok skal takich pojazdów
szczególnie w wikszych miastach byby lokalny spadek stenia spalin, co jednak nie
oznacz, e zanieczyszcze nie ma wcale.
Aspekty ekonomiczne, techniczne i rodowiskowe adowania pojazdów elektrycznych
277
Obecnie udzia „czystej” energii pochodzcej ze róde odnawialnych, która mogaby
suy 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 moliwe jest
odsiarczenie spalin ze sprawnoci przeszo 95%, [3], odazotowanie 65% 10. [4]. Nie jest
natomiast wykonywane usuwanie CO2 ze spalin ze wzgldu obnienie sprawnoci i koszty.
To wanie jego emisja jest obecnie najczciej przytaczanym problemem ekologicznym.
Aby przeanalizowa wpyw uytkowania samochodów elektrycznych na ilo
uwalnianego CO2 przeprowadziem ponisz analiz.
Na przejechanie 100 km Peugeot 107 potrzebuje okoo 5l benzyny, czyli spala okoo
50 kWh energii chemicznej. Da nam to 10 kWh energii uytecznej 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 wysz 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 kade
przejechane 100km czyli 30% mniej ni modelu iON.
Jak wida uytkowanie 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 uciliwoci dla mieszkaców nie jest moliwe 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 najbliszych latach naley 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
obnienie ceny. Ta natomiast w przeszo 30% skada si z ceny akumulatora, Konieczny
jest wiec postp technologiczny powodujcy obnienie tego kosztu przy zachowaniu
obecnych parametrów elektrycznych. Kolejnym aspektem wymagajcym zmian jest ródo
278
Marcin Koniak
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 duej liczby samochodów wie 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.
Keywords: charging stations, electric vehicles, energy storage