Kaip veikia elektromobilis

elektromobiliaiElektromobilių infrastruktūra

Elektromobilis – transporto priemonė, kurioje energija mechaniniam judesiui atlikti tiekiama tik iš elektros energijos kaupiklio (2011 m. gegužės 12 d. Lietuvos Respublikos atsinaujinančių išteklių energetikos įstatymas Nr. XI-1375, Žin., 2011, Nr. 62-2936)

Tikrieji elektromobiliai

Tikrieji elektromobiliai (Battery Electric Vehicle, BEV) – transporto priemonė kurioje veikia tik elektrinis variklis ir baterijos yra pakankamai talpios palyginus su hibridiniais automobiliais. Vidutiniškai su elektromobiliais galima nuvažiuoti apie 130 km. Išskirtiniais atvejais elektromobilių baterija būna daug talpesnė ir nuvažiuojamas atstumas tampa didesnis (Tesla Roadster nuvažiuoja beveik 400 km vienu krovimu), bet tai lemia daug didesnę elektromobilio kainą. Baterijas galima pakrauti tiesiai iš elektros tinklo (230 V ~3.7 kW), tačiau esant gana talpiom baterijoms, toks pakrovimo būdas užtrunka apie 8 valandas (vidutinė baterijos talpa yra 22 kWh). Egzistuoja tobulesni pakrovimo būdai, vadinami greitu krovimu, kur naudojama didesnė įtampa ir galimai srovė, taip leidžiant išgauti didesnę krovimo galią. Tačiau tokios pakrovimo stotelės reikalauja specialios infrastruktūros. Populiaresni elektromobiliai – Nissan Leaf, Mitsubishi iMiev, Tesla Roadster, Renault ZOE ir kt. Šiuo metu egzistuojančių elektromobilių sąrašas yra nemažas ir čia galima išvysti įvairių įmonių bandančių įsilieti į šią rinką.

Hibridinė transporto priemonė – transporto priemonė, kurioje energija mechaniniam judesiui atlikti tiekiama iš dviejų ar daugiau transporto priemonėje esančių sukauptos energijos šaltinių: sunaudojamų degalų ir elektros energijos kaupiklio (baterijos, kondensatoriaus)(2011 m. gegužės 12 d. Lietuvos Respublikos atsinaujinančių išteklių energetikos įstatymas Nr.XI-1375, Žin., 2011, Nr. 62-2936).

Hibrinių automobilių technologijos

kas yra elektomobilis

 

Hibridai (Hybrid Electric Vehicle, HEV) – hibridiniai automobiliai yra transporto priemonės kuriose veikia daugiau nei vienas variklis. Gan greitai populiarėjantys pasaulyje hibridiniai elektromobiliai neturėtų būti priskirti prie tikrųjų elektromobilių, kaip teigia daugelis ekspertų. Čia elektrinis variklis padeda vidaus degimo varikliui veikti ekonomiškiau. Priklausomai nuo pasirinkto važiavimo režimo automobilis važiuoja varomas vidaus degimo ir/arba elektrinio variklio. Elektrinis variklis yra palaikomas nedidelės pakraunamos baterijos – važiuojant EV (vien elektra) režimu nuvažiuojamas atstumas yra apie 4 km (Toyota Prius 3 kartos). Tačiau pačios baterijos yra pakraunamos regeneracinio stabdymo principu – automobiliui stabdant judėjimo kinetinė energija yra paverčiama elektros energija ir taip baterijos yra įkraunamos. Vien elektriniu varikliu nuvažiuojamas atstumas yra labai menkas, tačiau važiuojant mieste, kai vairavimo metu yra pakankamai dažnai stabdoma, baterija yra pakraunama greitai. Buvo paskaičiuota, kad vien elektriniu varikliu yra nuvažiuojama apie 30-40% vienos dienos įveikiamo atstumo mieste (Toyota duomenimis). Hibridiniai automobiliai pagerina kuro ekonomiją bei sumažina į atmosferą išmetų teršalų kiekį – pavyzdžiui Toyota Prius išmeta apie 150 g/km CO2.

Kištukiniai hibridai (Plug-in Hybrid Electric Vehicle, PHEV) – tai transporto priemonė su vidaus degimo varikliu bei papildomu elektros varikliu, kuriam energija yra tiekiama iš pakraunamų baterijų. Pagrindinis skirtumas nuo įprasto hibridinio automobilio yra tas, kad kištukinis hibridas turi talpesnę bateriją ir ji gali būti pakrauta iš elektros tinklo. Šiuo atveju, važiuojant vien elektriniu varikliu jau gali būti įveiktas 20-100 km atstumas ir daugiau, priklausomai nuo baterijos talpos (Toyota Prius Plug-in – 26 km). Pagal tarptautinius IEEE standartus, automobilis gali būti priskirtas PHEV, jei nuvažiuojamas atstumas vien elektra yra bent 16 km. Toks automobilis leidžia mieste važiuoti vien elektra neteršiant aplinkos, o norint įveikti didesnius atstumus panaudojamas vidaus degimo variklis.

Yra keli hibridinių automobilių veikimo būdai:

  • Lygiagretus – hibridas yra aprūpintas elektriniu varikliu bei vidaus degimo varikliu. Šiuo atveju automobilis gali būti varomas tiek elektriniu tiek vidaus degimo varikliu vienu metu. Toks veikimo būdas leidžia ypač pagerinti degalų sąnaudų ekonomiją. Tokio tipo hibridai yra Honda Insight, Civic, Accord ir kt.
  • Nuoseklus – šio hibrido važiavimas paremtas vien elektriniu varikliu. Tai reiškia, kad hibridas varomas vien elektra, o elektrinis variklis energiją gauna iš įkrautų baterijų. Jei baterijos išsenka, panaudojamas vidaus degimo variklis sukti generatoriui, kuris tiekia srovę į elektrinį variklį. Tokiu būdu hibrido nuvažiuojamas atstumas padidėja ženkliai. Šie hibridai dažnai yra vadinami prailgintos kelionės hibridai (Extended Range Electric Vehicle – E-REV arba REV). Tokio tipo hibridai yra Opel Ampera, Fisker Karma, Renault Kangoo Elect’Road ir kt.
  • Nuoseklus-lygiagretus (mišrus) – šio tipo hibridai gali veikti tiek paraleliniu ir nuosekliu režimu. Daugelis Ford, Lexus, Nissan hibridų, taip pat Toyota Prius Plug-in hybrid, veikia nuosekliu-paraleliniu režimu. KIštukiniai hibridai ypač sumažina degalų sąnaudas bei į atmosferą išmeta ypač mažaiteršalų, palyginimui – Toyota Prius Plug-in į aplinką išmeta vidutiniškai 49 g/km CO2.

elektromobiliai

 

Elektromibilių krovimo stotelės ir standartai

ikrovimo stoteles

 

Elektromobilio pakrovimui reikalinga elektros energija, kurią galima gauti tiesiogiai iš elektros tinklo. Laikas, reikalingas pilnai pakrauti elektromobilio bateriją, priklauso nuo perduodamos elektros galios, o tai aprašo skirtingi krovimo standartai. Įvairios pasaulio šalys dabar išbando įvairius standartus ir ieško optimaliausio varianto elektromobilių pakrovimui. Europos Komisija šiuo metu bando surinkti reikiamą informaciją ir atlikti studiją bendram krovimo standarto patvirtinimui Europos Sąjungoje. Šiuo metu standartizuoti keturi skirtingi pakrovimo metodai (angl. mode).

Mode 1 Mode 2 Mode 3 Mode 4
Įprastas elektros lizdas tiekiantis 230V įtampą. Laikas per kurį būtų pakrauta 24 kWh baterija – 7-8h. Šis metodas nereikalauja jokios papildomos infrastruktūros. Įprastas 230 V įtampos elektros lizdas su papildoma apsauga nuo elektrinio šoko. Toks krovimo tipas reikalauja didesnių investicijų dėl papildomų apsaugos priemonių. Greito krovimo metodas, dažnai su specialiu elektros kištuku bei papildoma apsauga. Šis metodas leidžia naudoti didesnės galios krovimą (11 kW arba 22 kW), taip sutrumpindamas krovimo laiką iki 1-2 h (skaičiuojant 24kWh baterijai). Tiesioginės srovės (DC) krovimo metodas leidžiantis pasiekti 50 kW galią ir taip sutrumpinantis krovimo laiką iki mažiau nei 30 min (naudojant 24kWh bateriją).

Atitinkamiems pakrovimo standartams yra pritaikomi skirtingi kištukai, kurie yra keturių skirtingų tipų. Pakrovimo standartams, kuriuose naudojama didesnė įtampa ir perduodama didesnė galia, yra pritaikomi kištukai su papildoma apsauga. Taip pat įvairūs elektromobilių modeliai palaiko skirtingo tipo kištukus. Šiuo metu Lietuvoje dauguma pakrovimo stotelių naudoja Mode 3 Type 2.

Bevielis krovimas

Iš įprastinių elektromobilio krovimo būdų galima išskirti bevielį arba indukcinį krovimą. Tokiu būdu elektros energija į bateriją yra perduodama bevieliu būdu, pasinaudojant magnetinės indukcijos principu. Toks krovimo būdas nereikalauja jokių kištukų ar jungiklių – tiesiog reikia pasistatyti elektromobilį tiesiai virš krovimo įrenginio, tam dažniausiai automobilyje yra integruota sistema leidžianti pastatyti tiksliai reikiamoje vietoje. Tarp energijos šaltinio ir gavėjo turi būti pakankamai mažas atstumas – apie 15-20 cm, taip pasiekiamas apie 90% energijos perdavimo efektyvumas. Šiuolaikinės bevielės perdavimo sistemos gali perduoti 3 – 50 kW galios. Pagrindinė problema yra kad tokios sistemos kol kas yra brangios, be to tik keli elektromobilių modeliai palaiko indukcinį pakrovimo būdą.

pakrauti elektromobili beveilis

 

Būdų, kaip efektyviai krauti elektromobilius ateityje, yra daug. Viena iš įdomesnių futuristinių idėjų yra įdiegti bevielio krovimo modulius keliuose, tarkim pirmoje eismo juostoje. Tokiu būdu, norint pakrauti elektromobilio bateriją, reiktų persirikiuoti į pirmą eismo juostą – krovimas vyktų tiesiog važiuojant. Visas kelio ruožas galėtų būti aprūpintas bevielio elektros energijos perdavimo siųstuvais ir dėl to nekiltų problemų norint pasikrauti elektromobilį keliaujant didesnius atstumus. Energija į šiuos modulius galėtų būti tiekiama iš netoliese pastatytų saulės elementų arba vėjo jegainių. Gaminama energija būtų kaupiama baterijose ir, kai reikalinga, perduodama į siųstuvus.

Elektromobilio baterijos

Baterijos yra įtaisai kuriuose cheminė energija yra paverčiama elektros energija. Baterijas naudoja dauguma šiuolaikinių prietaisų – mobilieji telefonai, nešiojamieji kompiuteriai, fotoaparatai ir kt. Baterijos yra naudojamos ir elektromobiliuose, kur jos palaiko energijos tiekimą elektriniam varikliui.

Egzistuoja dviejų tipų baterijos – vienkartinės ir pakraunamos. Šiuo atveju pakraunamos baterijos yra daug pranašesnės, nes gali būti naudojamos kelis kartus, tai yra iškraunamos ir vėl pakraunamos naujam naudojimui. Tokio tipo baterijų gali būti įvairių rūšių, kurios skiriasi sudėtimi ir svarbiausias parametrais – specifine energija (Wh/kg), celių įtampa, pakrovimo ciklų skaičiumi. Tarp populiariausių baterijų yra švininės (angl. lead-acid), nikelio-kadmio (angl. nickel-cadmium) bei ličio jonų (angl. lithium-ion) baterijos. Kiekvienam elektros varikliui reikalinga atitinkama įtampa, kuri gaunama nuosekliai sujungus baterijos celes (jeigu reikia 120 V įtampos varikliui, o kiekviena celė turi po 5 V, reikia sujungti 120/5 = 24 celes).

Pakrauta baterija ne visada suteiks vienodą energijos kiekį, tai labai stipriai priklauso įvairių aplinkos veiksnių. Išsikrovimo laikas priklausys nuo iškrovos srovės, aplinkos temperatūros ir kt. Per aukšta iškrovos srovė sutrumpina baterijos gyvavimo laiką, taip pat ir per aukšta ar per žema aplinkos temperatūra, be to baterijai yra „nesveika“ būti pilnai iškrautai. Ličio jonų baterijos gyvavimo laikotarpį galima prailginti baterijos pilnai neįkraunant – tai reiškia, kad tokiu būdu tą pačią bateriją galima būtų naudoti ilgiau, tačiau vienu pakrovimu nuvažiuojamas atstumas elektromobiliu sumažėtų (dėl nepilnai pakrautos baterijos).

Elektromobilių baterijoms pasikrauti gali būti įrengtos specialios krovimo stotelės arba tai galima daryti tiesiogiai iš elektros tinklo. Kaip rodo neseniai atlikti tyrimai, dauguma elektromobilių naudotojų savo transporto priemonės pasikrauna naktį. Taip daryti yra patogu, nes grįžus į namus elektromobilį galima palikti krautis per naktį ir ryte jis būna su pilnai pakrauta baterija. Nereikalinga jokia papildoma infrastruktūra – krautis galima iš įprasto elektros lizdo. Tai taip pat aktualu ir elektros energijos tinklams, nes papildomas naudojimas naktį padeda išlyginti elektros energijos paklausos kreivę. Be to daugumoje šalių, šiuo atveju ir Lietuvoje, yra naudojamas dviejų laiko zonų elektros energijos tarifas – naktį krauti bateriją yra pigiau.

Baterijos žiemą

Sumažėjusi lauko temperatūra gali paveikti elektromobilio nuvažiuojamą atstumą dėl sumažėjusios baterijos talpos. Kai lauko temperatūra nukrenta iki -20 oC, elektros baterijos gyvavimo laikas gali sumažėti. Taip pat dėl žemos temperatūros gali sulėtėti cheminiai procesai, kurie lemtų mažesnį įveikiamą atstumą su pilnai pakrauta baterija. Papildomai, dažnai elektros energija yra naudojama salonui šildyti šaltuoju metų laiku. Tačiau apie tai elektromobilių gamintojai yra pagalvoję – šiuo metu egzistuojančios pakrovimo sistemos yra gana išmanios ir leidžia nustatyti kada vartotojas norėtų, kad jų elektromobilis būtų paruoštas važiavimui. Tai reiškia, kad, kol elektromobilis vis dar yra įjungtas į elektros tinklą, pakrovimo sistema pasirūpins, kad salonas būtų pašildytas prieš važiavimą. Kiti modeliai turi alternatyvą salono šildymui – vietoj šilto oro generavimo, šildomas yra vairas bei keleivių sėdynės, tai leidžia sutaupyti iki 90% baterijų energijos palyginus su įprastu salono šildymu. Nemažai elektromobilių testų buvo atlikta Suomijoje ir Kanadoje – kur žiemos būna ypač šaltos, tačiau didesnių bėdų nei apie 30% sumažėjęs nuvažiuojamas atstumas nebuvo. Be to, žiemą problemų atsiranda ir vidaus degimo variklių automobiliams.

Elektromobilis – elektros energijos šaltinis

Šiuo metu Nissan koncernas bendradarbiaudamas su Nichicon korporacija kuria namų pakrovimo  sistemą (LEAF to Home) Japonijoje, kuri ne tik galėtų pakrauti elektromobilio bateriją, bet ir panaudoti baterijos energiją privataus namo reikmėms. Šių bendrovių bendradarbiavimo tikslas yra pasiekti paprastesnius ir efektyvesnius elektromobilių pakrovimo bei energijos kaupimo procesus.

Pagrindinis „LEAF to Home“ projekto tikslas yra sukurti išmanią elektromobilių pakrovimo stotelę/elektrinę. Tokia namų stotelė gali pakrauti 24 kWh ličio-jonų talpos bateriją per 4 valandas, kas yra du kartus greičiau nei įprastas elektros lizdas. Ši stotelė veiktų taip pat kaip ir elektrinė, kai elektromobilis būtų prijungtas. Nichicon paskaičiavo, kad elektromobilio baterijos energijos užtektų dviem dienoms japoniško namo elektros poreikiams patenkinti. Tokia namų elektros sistema ne tik paspartins elektromobilio krovimą, bet leis išlaikyti elektros poreikio balansą. Sistema nustatys elektros energijos poreikio vidurkį skirtingu paros metu ir tokiu būdu galės tiekti elektrą iš baterijos, kai poreikis yra padidėjęs, bei vėl pasikrauti, kai poreikis sumažėjęs. Ši stotelė turi CHAdeMO pakrovimo standartą, kuris yra palaikomas įvairių elektromobilių modelių. Tokia sistema užimtų ne daugiau vietos nei įprastas kondicionierius ir šiuo metu Japonijoje kainuoja beveik $8000, įskaičius stotelės kainą, įrengimą, mokesčius bei Japonijos valdžios subsidiją žaliosioms technologijoms.Šis projektas įrodo, kad elektromobiliai gali prisidėti prie efektyvaus energijos vartojimo. Be to, tai prisideda prie išmanios pakrovimo infrastruktūros plėtojimo.

Panašią V2H (Vehicle to Home) sistemą turi Toyota Prius kištukinis hibridas, kuris turi specialų konverterį, verčiantį baterijos elektros energiją į AC srovę naudojamą namuose. Reikiamas elektros energijos kiekis yra kontroliuojamas per komunikacijos sistemą, jungiančią automobilį, namą bei pakrovimo stotelę. Su pilnai pakrauta baterija ir pilnu degalų baku Prius galėtų aprūpintį vidutinį japonišką namą 10 kWh energijos keturioms dienoms. Tai įmanoma naudojant Prius kaip elektros generatorių, kai varikliai veikia nuosekliu režimu. Šios sistemos Japonijoje ypač pagelbėja privačių namų savininkams, kur elektros energija šiuo metu yra brangi, be to yra galimi elektros energijos tiekimo sutrikimai.
Peršasi išvada, kad elektromobiliai padėtų elektros tinklui reguliuoti elektros dažnio stabilumą, palaikant elektros energijos poreikio ir paklausos balansą. Jei iš tikrųjų elektromobilių būtų pakankamai daug ir jų baterijų energijos užtektų patenkinti gyventojų poreikiui esant didžiausiai elektros paklausai, tada būtų įmanoma atsisakyti papildomų elektrinių, reikalingų palaikyti dabartinių elektros energijos poreikių pikus.

Elektromobilių dalijimosi projektai

Automobilių dalijimosi sistemos (car sharing) vis labiau populiarėja pasaulyje. Tai yra automobilių nuomos modelis, kuriame vartotojai gali išsinuomoti transporto priemonę trumpam laikui, dažnai 1 ar 2 valandoms. Tai tampa tam tikru automobilių dalijimosi ritualu mieste. Keletas valstybių, bendradarbiaudamos su tokio tipo įmonėmis, pradėjo skatinti elektromobilius bei kištukinius hibridus, siūlydamos išsinuomoti elektrines/hibridines transporto priemones didžiuosiuose miestuose.

Paryžiuje 2011 metų pabaigoje įdiegta automobilių dalinimosi sistema susilaukė didelio pasisekimo. Autolib programa buvo pradėta 2011 gruodžio mėnesį, kai 250 elektromobilių buvo paleista į gatves bei įrengtos specialios pakrovimo stotelės įvairiose miesto vietose. Šie automobiliai buvo įdiegti sekant sėkminga dviračių dalijimosi sistema Velib.

Elektromobilių dalinimosi sistema sulaukė tikrai didelio susidomėjimo ir dabar, 2012 liepos mėnesio duomenimis, Paryžiuje važinėja 1782 Bluecars elektromobilių ir bei yra 37000 registruotų naudotojų, iš kurių 13000 pasirašę metines naudojimosi sutartis. Mieste yra apie 1120 parkavimo ir krovimosi stotelių vietų. Dėl tokio didelio skaičiaus naudotojų greitu metu planuojama papildyti elektromobilių arsenalą iki 3000 vienetų.

Autolib naudoja Bollere Bluecars elektromobilius, kurie buvo suprojektuoti Pininfarina dizainerių. Automobilis aprūpintas 30kWh ličio-polimerų (LMP) baterija, leidžiančia nuvažiuoti 250 km, važiuojant mieste, ir pasiekti 130 km/h greitį. Elektromobilį varo 50 kW variklis ir jis įsibėgėja iki 60km/h per 6.3 sekundės. Elektromobilio nuomos kaina vyrauja nuo 4 iki 8 € pusvalandžiui, priklausomai nuo to koks elektromobilio nuomos planas yra pasirinktas. Taip pat yra numatyta kaina autoįvykio atveju – baudos prasideda nuo 150 € ir prasižengus ne pirmą kartą tenka mokėti daugiau.

Nuo 2009 vasario mėnesio San Francisko mieste buvo pradėtas pilotinis projektas kištukiniams hibridiniams automobiliams (PHEV) skatinti. Šiuo projektu užsiėmė Zipcar – įmonė teikianti dalijimosi automobiliais paslaugas. Šiam projektui buvo panaudoti Toyota Prius perdaryti į pakraunamus kištukinius hibridus, kurių nuvažiuojamas atstumas vien elektra vienu krovimu yra apie 48-64 km. Pagrindinis tikslas buvo sudominti miesto gyventojus su galimybe naudotis patogia, ekologiška ir ypač ekonomiška transporto priemone. Pasisekus šiai naujovei Toyota Motor korporacija 2011 pristatė serijinius Toyota Prius Plug-in hibridus San Franciskui bei kitiems miestams – Bostonui ir Portlandui. Vidutinė kištukinio hibrido nuomos kaina valandai yra 7$. Po tokios sekmės Zipcar pristatė naujuosius Vauxhall Ampera Plug-in hibridus Didžiosios Britanijos rinkai. Nuo 2012 gegužės šiuos hibridus galima išsinuomoti Londone, Bristolyje, Kembridže ir Oksforde.

Panašiai sekmingi elektromobilių dalijimosi sistemos yra įdiegtos ir Ispanijoje, Bilbao mieste – čia siūloma išsinuomoti Peugeot iOn elektromobilius. Amsterdame Car2Go nuomoja Smart ED elektromobilius.

Šaltinis: http://sumin.lrv.lt