Aké výzvy prinesie masívne nasadenie elektromobilov
Už nejaký čas mám rozpracovanú hrubú kalkuláciu energetickej bilancie masívneho nasadenia elektromobilov. K jej dokončeniu mi však chýbalo“pár“ impulzov. Na a správny impulz prišiel z blogu na DennikN: „#Bratislava a doprava, ako ďalej? Sú elektromobily a elektrická doprava ozaj až také ekologické? Nie sú.„. Autor správne predpokladá, že skutočne masívna elektromobilita prinesie problémy, ale tie ležia inde ako on predpokladá. Poďme sa na to pozrieť.
Článok je zaradený v kategórii „Junior„. Tá sa venuje témam, ktoré sú koncepty, úvahy s „hrubou“ matematikou, alebo začiatok širšej témy uvedenej „amatérskym“ výpočtom vplyvov a dopadov. V tejto kategórii sa používajú aj laické a nie úplne presné technické pojmy. Širšiu diskusiu, námietky, návrhy a poznatky môžte smerovať do diskusie vo fóre tu: EnergiaWeb.sk/forums/topic/vyzvy-spojene-s-masivnou-elektromobilizaciou (nutná úvodná registrácia).
Čo bude znamenať „masívne nasadenie elektromobilov“
Koncový stav masívneho nasadenia elektromobilov (EV) bude, keď takmer všetky dnes používané automobily budú vymenené za elektromobily. Stav, kedy spaľovacie motory budú v autách skutočne považované za anachronizmus a ich jazda bude vyvolávať väčší záujem a údiv ako v súčasnej dobe jazda na TESLE.
Takáto elektromobilita samozrejme nenastane v priebehu jedného roka, a už vôbec nie v priebehu roka 2017. Jeden z indikátorov, prečo to určite nenastane tento rok je aj „štátna“ podpora slovenskej elektromobilty. Po takmer polročnom behu podpory, cez bývalý recyklačný fond, sa nasadenie elektrických aut na Slovensku síce takmer zdvojnásobilo. K pôvodným cca. 200 pribudlo do minulého piatku 171 aut (zdroj: Zväz automobilového priemyslu). Štát na túto podporu vyčlenil 5 mil. €, čo pri 5 000 € na jeden EV by mohlo znamenať až 1 000 nových. Zatiaľ sme sa nedostali ani na 20 % čerpania.
Koľko máme na Slovensku aut?
Túto otázku pomerne presne odpovedá stránka Ministerstva vnútra SR: minv.sk/?celkovy-pocet-evidovanych-vozidiel-v-sr. Čokoľvek má EVČ (kedysi sme hovorili ŠPZ-tku) je v evidencii polície a teda aj MV SR. K 31. 3. 2017 máme evidovaných 2 977 836 vozidiel. Ale to sú úplne všetky druhy vozidiel. Vrátane špeciálnych druhov, ako napríklad jedného „BICYKLA S POHONNÝM SYSTÉMOM“.
Osobných automobilov 2 145 181. Pre tento článok budem predpokladať, že sa takmer všetky osobné automobily nahradia elektrickými – bude to teda 2 100 000 EV.
Ich nahradenie je samozrejme otázka dlhých rokov až desaťročí. Ja odhadujem, že v rozmedzí 5 až 50 rokov. Na ich výmenu má vplyv obrovské množstvo priamych aj nepriamych faktorov. Ale ako sa budú nahrádzať, a či za EV alebo iné technológie, nie je predmetom tohto článku. Tu predpokladám, že k takej výmene dôjde. A teraz sa pozrieme aké zmeny energetiky to bude musieť priniesť.
Aké výzvy to prinesie keď každé osobné auto bude elektromobil
Jedna z prvých námietok „triezvych“ ľudí, je že sa prudko zvýši spotreba elektriny. Áno spotreba elektriny porastie, ale nebude to prudko a nie je to jediný a najväčší problém (je radšej ako slovo problém používam „výzva“). Aké tie výzvy teda budú:
- Celková spotreba a spotreba elektromobilty.
- Potrebný príkon a súbežnosť nabíjania.
- Množstvo a rozloženie zdrojov elektriny.
- Stav distribučnej sústavy.
- Riadenie tokov elektriny.
Poradie v tomto krátkom zozname nie je podľa významnosti výzvy, skôr podľa toho ako hlboko sú tie problémy/výzvy identifikovateľné.
Celková spotreba a spotreba elektromobilty
Aby sme vedeli odhadnúť koľko elektriny tých 2,1 M EV (2,1 mil. elektromobilov) bude ročne potrebovať elektriny, musíme vedieť koľko je spotreba typického elektromobilu. Na to potrebujeme vedieť spotrebu na 100 km a ročný nájazd – koľko km ročne sa nabehá. Ako sa za čas do úplnej náhrady zmení technológia a zvyky ľudí si netrúfnem odhadnúť a tak budem vychádzať z dnešných poznatkov.
Spotreba EV na 100 km
Aj tu sa musím dopustiť zjednodušení. Budem predpokladať optimálnu jazdu na dlhšie trasy. V tabuľke nižšie sú uvedené a vypočítané približné hodnoty u niekoľkých typov EV:
Typ EV Kapacita batérie[kWh] Dojazd[km] Spotreba [kWh/100 km]
Kia Soul 27 200 13,5 TESLA S P80 80 400 20 TESLA S P100D 100 500 20 Nissan Leaf 30 172 17,4 Tabuľka samozrejme neudáva úplný výčet typov, ani profilov jazdy. Ale záver je taký, že môžme počítať so spotrebou približne 20 kWh/100 km.
Koľko bežný vodič nabehá ročne kilometrov
I v tejto otázke nie je možné dať presnú odpoveď. Nájazd kilometrov sa môže značne líšiť od toho na čo sa auto používa. Videl som TESLU, ktorá urobila 100 000 km za jeden rok. Ale bežný vodič najazdí niekde medzi 15 000 až 30 000 km ročne. Je aj kategória, ktorá „urobí“ cez 50 000 km za rok. Opačný pól sú čisto sviatoční vodiči, ktorí auto pravidelne z garáže vytiahnú na STK (raz za dva roky).
V tomto výpočte sa ustálime na priemernom nájazde za rok na 20 000 km.
Celková ročná spotreba elektrického osobného auta
Z kapitol vyššie je záver, že priemerná spotreba EV je 20 kWh/100 km. Priemerne takéto vozidlo najazdí 20 000 km ročne. Jeho ročná spotreba bude teda 4 000 kWh = 4 MWh. To je spotreba menšia ako bežný rodinný dom.
Pri predchádzajúcom závere, že sa nahradí 2,1 M osobných vozidiel sa dostanem k výpočtu, že pre všetky elektromobily bude potreba 2,1 mil. x 4 MWh. To je teda 8,4 mil MWh, alebo 8 400 GWh a teda 8,4 TWh. Pre nabíjanie elektromobilov bude potreba 8,4 TWh ročne.
Spotreba elektromobilov vs. spotreba celková
Slovensko sa dlhodobo pohybuje so spotrebou elektriny okolo a pod 30 TWh ročne (Zdroj SEPS a.s.). Ročne sa na Slovensku, po predčasnom zavretí jadrovej elektrárne v Jaslovských Bohuniciach (EBO V1), vyrobí okolo 28 TWh (Zdroj SEPS a.s.). Slovensko je tak na prvý pohľad vo výrobe elektriny deficitné. Pravda je taká, že by sme si vedeli aj túto elektrinu vyrobiť, ale je lacnejšie ju doviesť z vonku.
V každom prípade pridaním 8,4 TWh do spotreby sú naše možnosti pokryť túto dodatočnú spotrebu vyčerpané – pri súčasnom stave. Avšak táto výmena potrvá určite viac ako 3 roky. A za tie tri roky bude (hádam) dokončený 3. aj 4. blok jadrovej elektrárne Mochovce (EMO 3 a 4). Tým nám do sústavy pribudne približne 8 TWh vyrobenej elektriny. (Inštalovaný výkon cca. 2 x 500 MW, ročná produkcia nad 8 000 hodín.) Tak sa slovenská produkčná kapacita vyrovná s našou zvýšenou spotrebou nabíjania. Dovtedy kým budeme mať 2,1 M EV bude Slovensko po dokončení EMO 3. a 4. čistý vývozca elektriny, na trhu, kde nie je o ňu moc záujemcov.
Záver k spotrebe elektromobilty
Ako bolo ukázané na hrubých faktoch, tak spotreba elektromobility nie je, a nebude, tým čo by ohrozilo jej rozvoj. Neohrozí to ani naše výrobné možnosti a ani ostatnú spotrebu elektriny.
Potrebný príkon a súbežnosť nabíjania
Ďaleko vážnejším faktom bude okamžitý potrebný výkon na nabíjanie. V kapitole vyššie sme si ukázali akú spotrebu majú (niektoré) elektromobily. Avšak pri nabíjaní je potrebné tieto „vyčerpané kWh vrátiť“ späť do batérie. Automobil vo všeobecnosti má značnú nerovnováhu medzi rýchlym „príjmom“ energie na cestu a jej postupným pomalým míňaním.
Ako dnes nabíjame (tankujeme)
Pri bežnom benzínovom (naftovom) motore už túto nerovnováhu ani nevnímame. Prídeme na benzínku (pumpu, čerpaciu stanicu, …) a do pár minút máme, aj so zaplatením, plnú nádrž. Za pár minút nám natečie 50 až 100 l paliva. Tie potom míňame po stovkách km cesty – 5 až 20 l/100 km podľa štýlu jazdy a druhu auta. A podobné očakávame aj od elektromobilu. Pri spaľovacích motoroch je každá pumpa vlastne superchargerom (ultrarýchlou nabíjačkou).
Ako sa nabíjajú EV
Pri elektromobiloch máme možnosť aj pomalého (domáceho) nabíjania. Tento spôsob pri benzíne (a samozrejme nafte tiež) nepoznáme. Nik z nás nemá doma v garáži čerpaciu stanicu. Ak má palivo v sude v garáži, tak ho neprelieva slamkou.
Rýchlosť nabíjania EV sa môže značne líšiť. Od tej najpomalšej nabíjačky (1 fázová a 16 A) až po TESLA superchargere – 100 a viac kWh. V nasledujúcej tabuľke si ukážeme súčasné rýchlosti nabíjania a k tomu prislúchajúci príkon (potrebný výkon zdroja):
Typ nabíjania dodaná energia
[kWh/h]Nabíjací púd
[A]Nabíjací príkon
[kW]čas nabíjania
Kia Soul [h]čas nabíjania
TESLA P80 [h]1 fáz 16 A 3,68 16 3,68 7,34 21,74 3. fáze 16 A 11,04 3X16 11,04 2,45 7,25 3. fáze 32 A 22,08 3X32 22,08 1,22 3,62 bežná rýchlonabíjačka 108 434,78 100 0,27 0,80 TESLA Supercharger 120 521,74 120 0,23 0,67 Bežný rodinný dom má 3×25 A istenie, teda maximálny príkon 17,25 kW. Domov, ktoré majú „až“ 3×32 A istenie a príkon 22,08 kW je menšina. Ale ani nabíjanie na 3 x 400 V 16 A nie je „zlé“ – Kia Soul sa nabije za menej ako 2,5 hodiny. Na TESLU síce potrebujete „celú noc“, ale pri dome to zasa taký problém nie je. Ako vidno z tabuľky, tak na 3 x 400 V 32 A sa nabije Kia Soul za necelú hodinu a pol. TESLA až za kúsok viac ako 3,5 hodiny. Ale to by v tom čase všetka dostupná elektrina musela tiecť do auta.
Ak by sme aj všetky súčasné autá nahradili elektromobilmi, tak pri rodinnom dome síce budú možno stáť dva EV, ale nabíjať bude treba iba jeden. Zväčša bude druhý už nabitý zo „včera“. Tomu sa hovorí „faktor súčasnosti“.
Pri rodinnom dome si podľa tabuľky v žiadnom prípade nezriadite rýchlonabíjačku. Taký príkon by asi žiaden majiteľ bežného domu nezaplatil. Navyše podľa časov nabíjania to ani nie je účelné.
Ďaleko väčší problém však s nabíjaním budú mať ľudia žijúci v bytovkách. V 12 podlažnom paneláku, so 4 bytmi na poschodí, je to 48 bytov na pomerne obmedzenej ploche. Pri súčasnej penetrácii automobilov to je niekde medzi 30 až 55 automobilov na takýto panelák. Ťažko sa dá očakávať, že z „každého“ bytu bude visieť predlžovačka k vlastnému elektromobilu. Na sídliskách bude systém nabíjania potrebné riešiť inak – spoločne a systémovo.
V čom je problém masívneho nabíjania
Ako vidno z tabuľky vyššie, tak i pri tom najmenšom trojfázovom nabíjaní je potreba aby do elektromobilu „tieklo“ 11 kW. Ak tento výkon vynásobíme počtom 2,1 M EV, tak potrebný výkon pri súčasnom nabíjaní všetkých EV bude 23 100 MW (23,1 GW) aktuálneho príkonu. V súčasnosti ale máme približne „iba“ 8 GW inštalovaného celkového výkonu všetkých zdrojov elektriny. Potrebný výkon „len“ pre nabíjanie by bol takmer 3 väčší ako naše súčasné technické možnosti.
Ako asi bude prebiehať bežné nabíjanie – majiteľ EV ráno sadne do svojho nabitého auta a pôjde do zamestnania. Tam sa so svojím EV pripojí na „nejakú“ nabíjačku. Po práci (15:00 až 19:00) pôjdu „všetci“ domov. Po ceste sa stavia nakúpiť, zobrať deti zo škôlky/školy. Prídu domov a ako rutinnú vec pripoja svoj EV na nabíjačku (povedzme len 3 x 16 A). Ale to znamená, že sa odber zo sústavy v čase po 15:00 až 16:00 začne rapídne zvyšovať. Pravdepodobne to nebude tých 2,1 M EV x 11 kW, ale niekde medzi 0,5 až 1 mil. EV sa začne nabíjať. Stále je to 5,5 GW až 11 GW potrebného okamžitého výkonu elektrární. I len 100 000 súčasne nabíjaných elektromobilov je výkonová špička 1,1 GW (pri „pomalom“ nabíjaní 3 X 16 A).
Záver k potrebnému príkonu na nabíjanie
Najvážnejší problém a súčasne výzva bude zmena v systéme okamžitého dostupného výkonu pre nabíjanie. Už pri 100 000 elektromobilov sa elektrická sústava a zdroje elektriny dostanú do stavu možného lokálneho preťaženia na viacerých miestach. Okrem zásadných zmien v zložení zdrojov bude potrebné riešiť aj dynamické riadenie tokov elektriny, vrátane možných časových blokácií nabíjania – viac k tejto téme v ďalších kapitolách.
Množstvo a rozloženie zdrojov elektriny
Ako už bolo ukázané, tak bilancia spotreby pre nabíjanie nie je problém. Problémom je okamžitá dostupnosť výkonu zo zdrojov a stav elektrizačnej sústavy. Obe veci sú systémovo previazané, ale skúsim ich rozobrať samostatne. Vyššie bolo ukázané, že nabíjanie EV bude problém v dostatku výrobných kapacít. Bežný majiteľ EV príde z práce domov a strčí svoj voz do nabíjačky. Väčšina z nich neprejde viac ako 100 km – skôr menej, okolo 50 km. Zo svojej batérie tak vyčerpajú asi 10 až 20 kWh. Pri nabíjaní na 3 x 16 A do tejto batérie potečie okamžite 11 kW. Za hodinu bude nabitý. To ale pre zdroje elektriny bude znamenať dodať okamžite 11 kW krát státisíce EV.
Okamžitá potreba dodanej elektriny zo zdrojov by bola v rádoch niekoľkých GW. Tie (GW výkonu) však v sústave máme v limitovanom množstve. Dnes je to okolo 8 GW, po dokončení EMO 3 a 4 cez 9 GW inštalovaného výkonu. Ako však dosiahnuť toho, aby elektromobily mali pre seba dosť „zásob“ na okamžité nabíjanie? V podstate sú dva zásadné prístupy: časový manažment – riadenie tokov elektriny alebo lokálne uloženie elektriny dodanej v inom čase. Časovým manažmentom sa budem zaoberať v ďalšom texte. Teraz sa pozriem na lokálne uloženie elektriny dodanej (alebo vyrobenej) v inom čase.
Malá lokálna výroba s akumuláciou
Najpravdepodobnejší scenár riešenia dostupnosti okamžitého výkonu bude čiastočná lokálna produkcia s dostatočne veľkým úložiskom, tak aby sa v čase nabíjania už len „presunula“ lokálne dostupná elektrina do elektromobilu. Časť tejto potrebnej elektriny si majitelia aut vyrobia napr. vo fotovoltike a časť si nakúpia v čase mimo svojej prítomnosti v dome. Väčšina domov bude asi vlastniť batériové systémy s kapacitou „vyjazdenej“ elektriny. Budú to batérie v rozmedzí 10 kWh až 100 kWh. Tie sa nabijú z oboch spomenutých zdrojov – vlastná strešná FVE a elektrina zo sústavy zo zdrojov, ktoré budú mať nadprodukciu. „Večer“ sa proste táto nazhromaždená elektrina „presunie“ zo stacionárnej domovej batérie do elektromobilu.
Samozrejme vždy tu bude otázka ekonomických faktorov. Už dnes je cena 10 kW batérie okolo 10 k€, 2 až 4 kW FVE pre jej nabitie (úplné v lete, z časti v zime) je niekde okolo 2 až 8 k€. Dá sa dosť jednoznačne predpokladať, že vzniknú aj ekonomické modely pre nákup „nadbytočnej“ elektriny. Výrobcovia, distribučné spoločnosti a dodávatelia elektriny budú spolupracovať tak aby sa vyriešili ich problémy a dajú možnosť majiteľom malých úložísk zapájať ich do väčších virtuálnych blokov – elektrární a batérií.
Stav distribučnej sústavy
Súčasné distribučné sústavy sú svojou charakteristikou „jednosmerné“ – od výrobcu k spotrebiteľovi. Sú „analógové“ – málo čo sa presne meria na priebehu – skoro všetko na spotrebe a v intervale, často iba ročne. Sú „hlúpe“ – skoro nič sa nedá diaľkovo ovládať, vypínať a zapínať a už vôbec nie riadiť na priebehu. Sú „statické“ – väčšina z nich je navrhnutá podľa súčtu a sučasnosti MRK (maximálna rezervovaná kapacita – u domov v hodnote vstupného ističa).
Do takejto sústavy vložiť značne dynamický a „požadovačný“ systém ako je masívna elektromobilita proste nejde. Situácia dostala prvý impulz ku zmene – zákonom sa dodala povinnosť inštalovať IMS – inteligentné meracie systémy (tzv. smart metering). Bohužiaľ zatiaľ zostalo len u tohto prvého kroku. A iba 1 z 4 kategórií ma povinnú rozšírenú funkcionalitu = ovládanie toku energie.
Všetky distribučné sústavy tak budú mať množstvo dát zo statisícov odberných miest. Či tieto údaje budú môcť poslúžiť na plánovanie zmien ešte len uvidíme.
Do elektroenergetiky sa vsúva aj ďalší pojem – prosumer. Je to kombinácia dvoch slov: producent (výrobca) a consmuer(spotrebiteľ). Tento koncept je aj súčasťou kapitoly vyššie. Naše distribučné spoločnosti sa mu snažia brániť, a ich dôvody majú logické jadro. To jadro spočíva v prvom odseku tejto kapitoly: „starý“ a „skostnatelý“ systém. Bohužiaľ nie len techniky, ale aj ľudí.
V budúcnosti, kde sú milióny elektromobilov, budú musieť tieto distribučky povolovať a pripájať domy so silnejšou spotrebou (3 x 32 A a viac), alebo pristúpiť na masívne riešenie prosumer filozofie.
Riadenie tokov elektriny
Aby celý systém od decentralizovanej výroby, akumulácie, vyššej a dynamickej spotreby mohol fungovať budú všetky časti reťazca potrebovať spolupracovať. Distribučky (alebo dodávatelia) budú riešiť iné modely spolupráce s odberateľmi. Budú musieť nájsť spôsoby motivácie zákazníkov prosumerov, aby im dali k dispozícii časť svojej výrobnej a uskladňovacej kapacity.
Pojmy ako Smart Grid začnú značne naberať na dôležitosti. Budúca energetická sústava bude mať podobný model ako je dnes internet alebo mobilná sieť. Tak ako nás dnes nezaujíma ako sme „na internete“, tak aj nabíjanie elektromobilov sa bude „nejak“ automatizovať. Dnešné pripojenie elektromobilu mechanicky káblom sa postupe zmení na iné spôsoby. Možno indukčne, možno robotickou prípojkou ako skúšala TESLA. Ale čo bude podstatnejšie, tak tok elektriny do baterky bude pod kontrolou riadiaceho modulu. On, a automatizovane, bude rozhodovať odkiaľ, kedy a koľko do elektromobilu „pustí“ elektriny.
Tak ako dnes vie google navrhovať automatizovane cestu a čas kedy vyraziť na schôdzku, tak v budúcnosti budú tieto systémy integrované. Budú vedieť a predpokladať – naše cesty, naše potreby. A potom aj budú vedieť koľko má majiteľ domu elektriny v stacionárnej domácej batérii. Na základe „Big Data“ bude vedieť, že má síce EV na nabíjačke, ale teraz je v okolí pripojených a nabíjaných množstvo elektromobilov s vyššou prioritou. To budú také, ktoré majú menej elektriny „v sebe“, alebo tie ktoré, na základe modelov správania, budú vyhodnotené ako tie, ktoré sa „za chvíľu“ vydajú na cestu.
Záver (vlastne skôr začiatok)
Ako vidno, tak na masívnu elektrombilizáciu nie sme pripravení. Ani v domácnostiach – časť rodinných domov a všetky bytovky, ani prevádzkovatelia sústav – distribučných a prenosovej. Takže tak ako píšem, nie je táto kapitola záver, ale skôr výzva na začatie prác na skutočných zmenách v systéme. A uspokojiť sa s tým, že sa to tak skoro nestane nie je možné.
Tiež som presvedčený, že nie všetky elektromobily budúcnosti budú „klasické“ auta ako napr. TESLA model S a 3 alebo Kia Soul a Nissan Leaf. Časť budú malé mestské vozítka – také ako predvádzali na Smart Energy Forum Bratislava.
Ďalšia, a možno aj veľká, časť budú zdielané samoriadiace sa autá. V koncepcii ako navrhuje TESLA, na ktorej pracuje UBER, AMAZON, snaží sa začať Microsoft a iní. Tak ako dnes považujeme masívnu elektromobilitu za Sci-Fi alebo dokonca utópiu, tak zdielané vozidlá sa javia ako úchylka od bežného vlastníctva. Čas ukáže.
Zdroj: Aké výzvy prinesie masívne nasadenie elektromobilov – EnergiaWeb.sk