Elektromobilita – budoucnost již začala

 

 

Rezervy fosilních forem energie jsou omezeny. Podle současného stavu budou využitelné již jen několik desetiletí (odborníci hovoří v případě ropy maximálně o čtyřiceti rocích za předpokladu, že bude její vyčerpávání pokračovat současným tempem). I když technika benzínových a naftových motorů směřuje ke stále úspornějším a čistším modelům, stejně zatěžují naše životní prostředí miliony tun oxidu uhličitého (CO₂) – viz tab. Tyto emise však přispívají ke změně klimatu, která existenčně ohrožuje naši planetu. Dalším rizikovým aspektem je např. prudký hospodářský rozvoj zemí středního a dálného východu v čele s Čínou, který způsobí během několika málo let dramatické zvýšení celkového počtu vozidel po celém světě. Podle prognóz Mezinárodního měnového fondu (IMF – International Monetary Fund) bude mít Čína v roce 2030 více aut v silničním provozu než USA. Tyto skutečnosti jsou pro současnou civilizaci velice alarmující, a proto se týmy odborníků a vědců z celého světa snaží najít nové koncepce mobility, které by nezamořovaly naše životní prostředí emisemi způsobujícími změny klimatu, nevyčerpávaly by zásoby fosilních paliv, odpovídaly by designově a technicky 21. století a využívaly by v maximální míře obnovitelné zdroje energie.

 

Inženýři a technici pracují již roky na alternativních koncepcích pohonů: palivové články, hybridní pohony ve všech možných variantách i čistě elektrické pohony jsou předmětem mezinárodního výzkumu (viz také text v rámečku na str. 7).

 

U hybridního pohonu existují v současné době na trhu různé koncepce. Tak jsou např. kombinovány elektropohony s konvenčními spalovacími motory, které mohou pracovat buď ve střídavém režimu, nebo paralelně. Jde především o tyto koncepce:

Verze s prodlužovačem dojezdu je vhodná např. pro pendlery (osoby dojíždějící každodenně za prací), pro které je dojezd vozidla 100 km v režimu elektropohonu zcela dostačující, aby se dostali do zaměstnání a zpět a přitom si ještě cestou třeba nakoupili. Při delších trasách, nebo je-li akumulátor již slabý, se přejde na režim spalovacího motoru. V tomto režimu spalovací motor pohání generátor (dynamo), jenž dobíjí akumulátor. Tak lze prodloužit dojezd tohoto vozidla, který je omezen pouze zásobou paliva.

 

Tyto hybridní pohony budou na trhu poptávány do té doby, než se technika akumulátorů a elektromotorů dostane na úroveň, která zajistí jednak delší dojezd, než umožňuje současná technika, jednak neomezenou mobilitu moderními koncepcemi rychlonabíjení a/nebo standardizovanými rychlými výměnami akumulátorů.

 

Největší šance na úspěch prosadit se mají koncepce založené na elektrických pohonech. Tyto koncepce spolu s obnovitelnými zdroji energie by měly i v budoucnu zajišťovat mobilitu lidí 21. století. Jednotná připojovací technika umožní bezproblémové dobíjení akumulátoru všude, kde jsou pozemní komunikace, čímž bude zaručena i přeshraniční, resp. mezinárodní mobilita.

 

V politických grémiích EU, USA i v Asii byly nastaveny základní směry vývoje v oblasti elektrovozidel. Mezinárodní politika se shoduje v tom, že elektropohon ve spojení s obnovitelnými zdroji energie představuje optimální a ekologické řešení mobility. Na mnoha místech světa již existují pilotní projekty výrobců automobilů a dodavatelů elektrické energie, ve kterých jsou testovány různé koncepce s ohledem na jejich vhodnost pro každodenní používání.

 

Konečným cílem snah vývoje v automobilovém průmyslu je čistě elektrické vozidlo. Jeho akceptovatelnost na trhu závisí však na jeho schopnosti zajišťovat běžnou každodenní potřebu mobility.

 

Při provozu vynikají elektrovozidla některými vlastnostmi, které okamžitě přesvědčí o své výhodnosti – jsou tichá, bez škodlivých emisí a vyvíjejí plný krouticí moment již při stojícím vozidle. Jejich nevýhodami jsou však (zatím) malý akční rádius a doba potřebná pro natankování proudu, tedy dlouhý nabíjecí proces. Na obou těchto problémech se intenzivně pracuje a již nyní existují různá slibná řešení. Jedním z nich by mohla být výměna akumulátoru. Bude-li docházet v akumulátoru energie, akumulátor se prostě vymění v některé k tomuto účelu uzpůsobené akumulátorové stanici. Problémem této varianty je nejednotnost konstrukcí, velikostí a připojovacích parametrů. Jejich rozsah by musel být omezen na základní minimální počet, neboť je logicky zcela nemožné mít na skladě dostatečnou zásobu nabitých specifických akumulátorů pro každý jednotlivý typ elektrovozidla.

 

 

Čelní výrobci automobilů a dodavatelé elektrické energie proto upřednostňují celoplošnou síť nabíjecích stanic, které by poskytovaly různé druhy nabíjení. Jednou z možností jsou rychlonabíjecí stanice, kde by elektrovozidla natankovala proud v relativně krátké době. Běžným případem by však bylo tzv. standardní nabíjení. U tohoto typu nabíjení by elektrovozidla z důvodu delšího nabíjecího procesu tankovala proud všude tam, kde by delší dobu parkovala – tedy např. v garáži, na parkovištích nákupních středisek, na firemních parkovištích atd. Všude na těchto a dalších vhodných místech lze totiž elektrovozidlo připojit k nabíjecí stanici, takže akumulátor by byl stále dostatečně nabit.

 

Pro standardní nabíjení lze použít výkony od 3,7 do 22 kW. To odpovídá – nezávisle na kapacitě akumulátoru a na činiteli plnění akumulátoru – době nabíjení přibližně 1 až 8 h. Kdo např. jede ráno svým elektrovozidlem do práce, může ho odstavit na firemním parkovišti, kde ho připojí na nabíjecí stanici. Tak má za normálních okolností dostatek času a může dobíjet akumulátor menším nabíjecím výkonem. Ten, kdo např. jede do města nakupovat a má pouze hodinu nebo dvě na to, aby si dobil své elektrovozidlo, může naopak zvolit větší nabíjecí výkon.

 

Předpokladem pro pohodlné nabíjení akumulátoru elektrovozidla je vedle existence odpovídající infrastruktury také jednotný systém nabíjecích konektorů. Jen tak se bude moci elektromobil prosadit ve velkém měřítku jako osobní dopravní prostředek budoucnosti. Německá firma Mennekes podala v roce 2008 návrh normy u IEC (International Electrotechnical Commission, Mezinárodní elektrotechnická komise). Tento návrh byl na jaře 2009 přijat jako základ pro dohodu největších evropských dodavatelů elektrické energie a výrobců automobilů o zásadních bodech týkajících se nabíjecích konektorů elektromobilů.

 

Mezinárodní normalizace konektorových systémů v IEC 61851 (idt ČSN EN 61851 Systém nabíjení elektrických vozidel vodivým propojením) je nutným předpokladem pro elektromobilitu bez hranic.

 

Zmíněný návrh normy splňuje přitom tyto požadavky:

Požadavky na celý systém – nabíjecí infrastrukturu – jsou komplexní. Proto je třeba pohlížet na infrastrukturu pro elektromobily ze všech zorných úhlů. Jen tak bude možné najít ucelené řešení, které bude vyhovovat požadavkům dodavatelů elektrické energie, provozovatelům i spotřebitelům. K tomuto komplexu patří jednak komponenty, jako jsou např. zásuvky, nabíjecí kabely či vozidlové konektory, jednak kompletní nabíjecí stanice pro různé oblasti použití, a to jak v podnikatelské či veřejné sféře, tak v soukromém sektoru (obr. 3).

 

V budoucnu by se měl tankovat proud všude tam, kde se elektrovozidlo odstavuje k parkování. Proto bude třeba, aby mohl nabíjecí proces probíhat bez dozoru. Z tohoto předpokladu vycházejí speciální požadavky především na bezpečnost.

 

Při nabíjení bez dozoru musí být konektory:

Mechanické blokování zajistí, že nedojde během nabíjení k rozpojení konektorového spoje. Toto blokování se aktivuje automaticky při spuštění nabíjení a je uvolněno teprve tehdy, ukončí-li sám uživatel nabíjecí proces. Elektrické blokování tak vždy zajišťuje beznapěťový stav zásuvky do okamžiku, než je mezi nabíjecí stanicí a elektrovozidlem vytvořeno vodivé spojení. Tímto způsobem se u těchto konektorů jednak vyloučí nebezpečí úrazu elektrickým proudem, jednak nebude docházet k připojování a odpojování elektrovozidla při zatížení.

 

U nabíjecích stanic je pamatováno také na pasivní bezpečnost. Obecně musí nabíjecí stanice splňovat tyto minimální požadavky s ohledem na pasivní bezpečnost:

Kromě toho musejí být nabíjecí stanice konstruovány tak, aby mohly být levně a rychle instalovány a udržovány. Stanice by měly mít integrován systém samočinného interního sledování a systém pro předávání hlášení o poruchách na servisní centrálu. Příslušná rozhraní nabíjecích stanic by měla umožňovat při použití vhodného softwaru automatický výpočet odebraného výkonu. Tyto nabíjecí stanice by měly rovněž podporovat také budoucí komerční modely s různými tarify, které by se odvíjely od individuálních zákaznických smluv, doby a druhu odebraného proudu, popř. i od jiných parametrů.

 

Nabíjecí stanice pro standardní nabíjení umožňují použít nabíjecí proudy od 16 A při jednofázovém nabíjení do 32 A při třífázovém nabíjení, což představuje disponibilní nabíjecí výkony v rozsahu 3,7 až 22 kW. Z tohoto rozsahu vyplývají také různě dlouhé nabíjecí doby. Pro uživatelsky pohodlné zacházení s tímto systémem by měl být umožněn přenos všech nabíjecích výkonů přes stejný (jednotný) konektor. Komunikace mezi nabíjecí stanicí a elektrovozidlem je řešena přídavnými kontakty, které jsou integrovány v nabíjecím zásuvném zařízení – v nabíjecích konektorech.

 

Kromě toho by měly být přes nabíjecí konektory možné transfery elektrické energie do rozvodné sítě a zpět pro optimální možnost využití obnovitelných zdrojů energie. Konektory nabíjecích stanic by měly proto být vybaveny kontakty chráněnými proti dotyku, a umožňovat tak napájení elektrickou energií jak z rozvodné sítě do elektrovozidla, tak také z akumulátoru vozidla do sítě (pro tento duplexní transfer energie se tradiční konektorové nebo propojovací systémy nehodí, neboť nemají zpravidla kontakty chráněné proti dotyku).

Dodavatelé elektrické energie chtějí řízení zatížení provozovat v souladu s poptávkou, aby mohly být efektivně využívány energetické zdroje (obr. 4). Takovýto přístup však vyžaduje mezi elektrovozidlem a nabíjecí stanicí, jakož i mezi nabíjecí stanicí a dodavatelem elektrické energie komunikaci, která by umožnila nepřetržité sledování zatížení sítě. Přitom by mohlo být každé nabíjecí místo (v závislosti na použitém softwaru) centrálně kontrolováno a řízeno. Snímání elektroměru v jakémkoliv okamžiku umožní optimalizaci diagramu zatížení cíleným připojování a odpojováním jednotlivých nabíjecích míst.

 

Lepším řešením, než je statické řízení zatížení prostým připojováním a odpojováním nabíjecích stanic, je dynamické řízení zatížení, které dokáže respektovat stav nabití, a dokonce i stupeň nabití požadovaný spotřebitelem. Tak bude možné v době většího zatížení sítě dodat do elektromobilu pouze tolik energie, kolik jí bude v dohledné době skutečně třeba.

 

Z pohledu spotřebitele je třeba, aby byly nabíjecí stanice k dispozici všude tam, kde budou elektrovozidla parkovat. Tyto stanice musejí být obsluhovatelné bezpečně a intuitivně, a to jak z hlediska vlastního tankování proudu, tak z hlediska identifikace uživatele a zúčtovací rutiny na základě smlouvy s dodavatelem elektrické energie. Nabíjecí proces by měl jít jednoduše a snadno spustit a akumulátor by měl být po návratu uživatele např. z pracoviště, z nákupu nebo z návštěvy opět plně nabit nebo být alespoň natolik dobit, aby umožnil dojezd k příštímu cíli cesty.

 

Ve veřejné sféře se pravděpodobně budou o instalaci a provoz nabíjecích stanic starat dodavatelé elektrické energie a provozovatelé sítí, neboť infrastruktura sítě a nabídka nabíjení musejí být vzájemně sladěny. V této oblasti již nyní nabízí německá firma Mennekes řešení pro parkovací místa a parkovací garáže v podobě integrovaných nabíjecích stojanů nebo satelitních řešení se samostatně stojícími stojany a nabíjecími stanicemi pro montáž na stěnu (obr. 5).

 

U těchto nabíjecích stanic se všechny komponenty nacházejí v jednom stojanu – od kabelu domovní připojovací skříně, přes komunikační rozhraní až k nabíjecí zásuvce. Každý nabíjecí stojan má dvě nabíjecí místa, takže u jednoho stojanu lze nabíjet současně dvě elektrovozidla. U každého nabíjecího místa jsou k dispozici alternativně dvě zásuvky. Jedna nabíjecí zásuvka odpovídá módu 3 normy IEC 61851 a druhá je provedena buď jako Schuko-zásuvka (z něm. Schutzkontakt – ochranný kontakt), nebo jako jednofázová CEE-zásuvka.

 

Nabíjecí zásuvka podle módu 3 umožňuje nabíjecí výkony od 3,7 do 22 kW. Je přes ni možná také komunikace mezi nabíjecím stojanem a elektrovozidlem, a to prostřednictvím přídavného kontaktu, který je integrován v zásuvném zařízení.

Schuko-zásuvka (nebo alternativně CEE-zásuvka) umožňuje nabíjení v módu 1 bez komunikace s nabíjecí stanicí. Tento typ bude využíván např. pro nabíjení jednostopých elektrovozidel – např. elektroskútrů.

 

Po autorizaci zákazníka prostřednictvím karty nebo čipu integrovaném v nabíjecí vidlici, uvolní radiofrekvenční čtečka kódů, která bude umístěna na každém nabíjecím místě, přístup k nabíjecí zásuvce. Není-li autorizace potvrzena, zůstane přístup k nabíjecí zásuvce zablokován. Všechny nabíjecí zásuvky Mennekes lze obsluhovat jednou rukou. Po úspěšné autorizaci se při zasouvání nabíjecí vidlice automaticky otevře ochranné víčko nabíjecí zásuvky. Stejně tak se toto víčko automaticky uzavře po vytažení nabíjecí vidlice elektrovozidla ze zásuvky. Integrované barevné diody LED ukazují aktuální stav a slouží současně jako osvětlení. Pokyny pro obsluhu a informace o disponibilní energii jsou podávány prostřednictvím vestavěného displeje.

 

U těchto řešení se nacházejí síťová přípojka, společný inteligentní elektroměr (smartmetr) a řadič pro komunikaci s dodavatelem elektrické energie, popř. s provozovatelem sítě v centrálním stojanu. Tyto nabíjecí stanice představují řešení v podobě samostatně stojících nabíjecích stojanů nebo nabíjecích stanic pro montáž na stěnu. Technika nabíjecích míst je stejná jako u integrovaných nabíjecích stojanů, takže autorizace, zobrazení nabíjecích informací atd. probíhají opět přímo na nabíjecích stojanech, popř. na stěnových nabíjecích stanicích.

 

V těchto satelitech se nachází také komunikační rozhraní k elektrovozidlu, k bezpečnostním zařízením a k inteligentnímu elektroměru. Podle nabíjecího výkonu je možné z centrály obsluhovat až dvanáct nabíjecích míst

 

Také pro soukromou oblast nabízí firma Mennekes řešení v podobě domovních nabíječů (home charger – obr. 6). Typickým místem jejich použití jsou garáže v krytých garážovacích plochách nebo v obytných domech. Tyto nabíječe umožňují nabíjení podle módu 3 normy IEC 61851, tj. 16 A jednofázově a 32 A třífázově.

 

Nabíjecí kabel je připojen napevno k nabíjecí stanici, takže kabel elektrovozidla může zůstat při nabíjení ve vozidle. Do budoucna bude možné spojení na automatizační systémy budovy (jako např. KNX) pro řízení a kontrolu nabíjení přímo z obytné části.

 

 

Jistě to bude trvat ještě nějakou dobu, než se elektricky hnaná vozidla stanou na silnicích zcela běžným jevem. Pilotní projekty jsou již v běhu v mnoha regionech světa. Evropští výrobci automobilů plánují v dohledné době nabízet sériově vyrobené elektromobily. Někteří hovoří o reálném vytvoření hromadného trhu s elektromobily již okolo roku 2017. Co však ještě chybí, jsou výkonné akumulátory za ceny, díky kterým by elektrovozidlo bylo vůči konvenčním vozidlům konkurenceschopným také po nákladové stránce. S tímto problémem jde ruku v ruce jak vývoj výkonné nabíjecí techniky, tak i vybudování celoplošné nabíjecí infrastruktury, aby mohla elektrovozidla tankovat v budoucnu proud všude tam, kde parkují (obr. 7).

 

Dohodou čelních evropských výrobců automobilů a dodavatelů elektrické energie na jednotném standardu pro nabíjecí zásuvná zařízení byl učiněn podstatný krok, který nepochybně umožní realizovat elektromobilitu na území celé Evropy.

[1] Časopis de, 8/2010, vydavatelství Hüthig & Pflaum Verlag GmbH München.

[2] Soukromý archiv Danuše Sousedíková.

[3] http://www.mennekes.de

[4] http://www.smiles-world.de

[5] http://www.walter-werke.de

 

 

Již v roce 1927 si nechal vsetínský elektrotechnik, vynálezce a továrník Josef Sousedík patentovat elektrický automobil s hybridním pohonem (jeho vynález byl kromě v Československu patentován ještě ve 23 zemích světa). Toto hybridní vozidlo s elektrickým pojezdem a spalovacím motorem bylo postaveno na podvozku vozu Tatra 57 (viz obr.). Elektromobil měl šest rychlostí pro jízdu vpřed i vzad a integrovánu ekonomicky a ekologiky seřízenou elektrocentrálu. Rychlost jízdy se regulovala malou páčkou umístěnou na volantu. Všechna čtyři kola byla osazena speciálními tzv. nábojovými hnacími elektromotory podle Sousedíkovy vlastní patentové konstrukce. Elektromotory byly napájeny z akumulátorové baterie nebo z generátoru – dynama. Dynamo, které zajišťovalo nabíjení akumulátoru, bylo poháněno menším spalovacím motorem se vzduchovým chlazením, který mohl mít až třetinový výkon v porovnání s čistě mechanickým přenosem. Ve městě využíval tento hybridní elektromobil elektrický pohon napájený z akumulátoru, tj. bez spalovacího motoru. Mimo město nebo při slabnoucím akumulátoru, byl spuštěn spalovací motor, který poháněl dynamo; toto pak převzalo napájení trakčních elektromotorů a dobíjení akumulátoru. Spalovací motory se v té době startovaly pouze mechanicky roztáčením klikou. Josef Sousedík vyřešil spouštění spalovacího motoru elektricky dynamem napájeným z akumulátoru. Sousedíkovy nábojové elektromotory měly sériovou trakční charakteristikou jak v motorovém, tak i v generátorickém režimu. Sloužily tedy také pro tzv. bezpečnou rekuperaci elektrické energie (rovněž podle vlastního patentu Josef Sousedíka z roku 1927) např. při jízdě ze svahu nebo při brzdění (elektrickém) a dojezdu, čímž se šetřilo opotřebování mechanických součástí a zvyšovala se hospodárnost provozu. Bezztrátová regulace chodu elektromotorů byla řešena sério-paralelním přepínáním a napájením z různého počtu článků akumulátorové baterie. Malý spalovací motor byl v činnosti pouze částečně, čímž vznikala velká úspora pohonných hmot (na přání zákazníka to mohly být benzín, nafta, dehet, benzol apod.). Elektrický akční rádius Sousedíkova elektromobilu byl asi 60 km při rychlosti 70 až 80 km/h, hybridní dojezd vozidla byl však téměř neomezený. Elektromobil byl nezávislý na tankování proudu (nepotřeboval nabíjecí stanici), doplňovalo se pouze palivo pro spalovací motor. Jeho provozní náklady byly poloviční v porovnání s dosavadními automobily stejné třídy. Hybridní elektromobil měl velkou stabilitu díky níže položenému těžišti. Speciální konstrukce pohonu všech kol Sousedíkovými speciálními elektromotory, které byly spřaženy elektricky a měly stejný záběrný i brzdný moment, umožňovala stoprocentní využití adheze hybridního elektromobilu. Vozidlo tak mělo výjimečnou stoupavost, umožňovalo jízdu bez řetězů po náledí nebo ve sněhu. Na hybridním elektromobilu pracoval Josef Sousedík asi dva roky a měl v plánu podniknout koncem roku 1931 propagační jízdu ze Vsetína, přes Prahu do Anglie, a představovat svůj vynález v jednotlivých městěch na celé trase. Josef Sousedík chtěl tyto hybridní elektromobily vyrábět sériově a plánoval i lidovou verzi za bezkonkurenční cenu, aby si ho mohl dovolit i běžný občan. Na rozdíl od ciziny však v tehdejším Československu zájem o tento Sousedíkův vynález nebyl, a tak k sériové výrobě Sousedíkova elektromobilu nedošlo. Josef Sousedík však ještě mnoho let využíval tohoto vozu pro svou vlastní potřebu např. pro dojíždění do továrny a po nejbližším okolí.

 

 

 

Německá spolková vláda počítá s tím, že bude na německých silnicích jezdit do roku 2020 přibližně jeden milion elektrovozidel, která budou využívat vhodnou nabíjecí infrastrukturu. Těmto potřebám vyhovuje EnWiEtec se svou elektrověží E-Tower (viz obr.). Jde o modulárně konstruovanou proudovou nabíjecí stanici až pro čtyři elektrovozidla. Díky modulární koncepci lze snadno podle potřeb zákazníků realizovat různé způsoby zúčtování za odebraný proud.

 

 

Provoz elektromobilů ve velmi omezeném rozsahu již funguje delší dobu. Tak např. německá firma Smiles nabízí elektromobily téměř dvacet let. Za tu dobu jich prodala přes 6 000. Jejich elektrovozidla mají na svém kontě již 150 mil. elektricky ujetých kilometrů. Jejich základní nabízený model s názvem CityEl (viz obr.) je jednosedadlové elektrovozidlo s dojezdem 120 km. Je určeno především pro pendlery, kteří dojíždí denně za prací. Tato elektrovozidla nepotřebují veřejnou infrastrukturu, ale stačí jim pouze běžná zásuvka 230 V.

 

 

Ing. Josef Košťál absolvoval v roce 1995 dálkové studium na FEL ČVUT v Praze, obor ekonomika a řízení elektrotechniky a energetiky. Po ukončení vysoké školy se jako OSVČ věnoval více než sedm let odborným překladům z německého a anglického jazyka. Od roku 2004 pracuje jako odborný redaktor v časopisu Elektro.