Jak to jest naprawdę z samochodami elektrycznymi

Założenia Rządu III RP w sprawie „elektromobilności”

Premier Mateusz Morawiecki zapowiedział buńczucznie, że plan elektromobilności ma rozwiązać wiele wyzwań stojących przed polską gospodarką, takich jak wymogi klimatyczne UE i unijny plan dekarbonizacji, czyli zmniejszenia emisji CO₂.

„Transport odpowiada za blisko połowę całej emisji CO₂, w związku z tym my chcemy tę połowę właśnie bardzo mocno zaatakować” – zaproponował narodowi premier Mateusz Morawiecki. I tak w czerwcu 2016 zakreślono śmiały plan: „Za 10 lat w Polsce ma być 1 mln samochodów na prąd a elektryfikacja motoryzacji będzie kołem zamachowym naszej gospodarki” – zapowiedzieli wicepremier Mateusz Morawiecki i minister energii Krzysztof Tchórzewski. 10-letni plan został ujęty w Strategii na rzecz Odpowiedzialnego Rozwoju, opracowanej pod kierunkiem premiera Mateusza Morawieckiego a więc niewątpliwie jest to sprawa wagi państwowej.

Skąd się zatem wzięło, te obiecane, milion aut elektrycznych? Jacy eksperci dokonali ministrowi takich kalkulacji? Żadni. Z tego, co wiem, ministrowi Tchórzewskiemu się tak po prostu powiedziało, bo nie bardzo wiedział, o czym mówi. Doszedł zapewne do wniosku, że milion to okrągła liczba i dobrze zabrzmi w propagandzie. Nie za mała, żeby nie było za mało ambitnie, i nie za duża, skoro każdego roku przybywa w Polsce ponad milion aut spalinowych. Trochę to dziwne, bo należy wiedzieć, że w 1974 ukończył studia na Wydziale Elektrycznym Politechniki Warszawskiej. Kolejny wiceminister energii (dr nauk ekonomicznych) Michał Kurtyka ocenił, że jeśli w A.D. 2025 będzie w Polsce 1 mln samochodów elektrycznych, stworzy to dodatkowe zapotrzebowanie na 2 TWh energii rocznie, zapewniając elektrowniom 2 mld zł przychodów czyli 1 zł za kWh (obecnie jest to 20 – 30 groszy więc też wygląda dziwnie).

Dokonajmy wstępnie prostego obliczenia, którego wynik zostanie przywołany i omówiony w dalszej części opracowania:

2 TWh energii rocznie = 2 000 000 MWh/ 365 dni = 5479,5 MWh co odpowiada mocy ciągłej 228 MW (dwieście dwadzieścia osiem MW).

Takiej to dodatkowej mocy potrzeba w systemie elektroenergetycznym wg wiceministra energii Michała Kurtyka, żeby móc naładować eksploatacyjnie ten milion samochodów. W kWh wypada po 5,5 kWh na jeden samochód w ciągu każdej doby a więc jedno ładowanie na tydzień – 10 dni. To ważne dane.

Szydło wyszło z worka, przy okazji publikacji dokumentu pod nazwą Strategia Zrównoważonego Rozwoju Transportu do 2030 roku. A w nim zapisano zupełnie co innego niż obiecał premier a mianowicie 600 tysięcy samochodów elektrycznych i hybrydowych. Nastąpiła więc niewielka korekta, taka prawie o połowę – str. 62 SRT2030. Pod koniec 2017 roku w Polsce dostępne były 522 punkty ładowania aut elektrycznych zaś Ministerstwo energii zakłada, że w ciągu dwóch lat – do 2020 roku – powstanie w Polsce ok. 6,5 tys. takich punktów – pisze politykainsight.pl. Ma to nastąpić dzięki zaangażowaniu takich firm jak m.in. PKN Orlen, Lotos, GDDKiA, PGE, Tauron, Innogy. Premier Morawiecki obiecuje na ten cel 3-4 mld euro. Na COP24 mówił, że „na rozwój elektromobilności i czystego transportu Polska tylko bezpośrednio przeznaczy w najbliższych 10 latach około 3-4 mld euro i te kwoty powiększamy w najbliższych naszych budżetach”. Tyle tytułem wstępu.

Samochód elektryczny i jego „ładowanie”

I tak podważając za mądrością pana premiera Mateusza Morawieckiego spółka Orlen na podstawie info Orlenu informuje, że: – „Do końca pierwszego kwartału 2019 roku Koncern odda do użytku co najmniej 20 stacji szybkiego ładowania, o mocy 50 i 100 kW, zlokalizowanych na stacjach ORLEN w miastach i przy trasach tranzytowych”.

Przełóżmy to na język zrozumiały dla laika. Weźmy trzy konkretne przykłady najnowszych samochodów elektrycznych: BMW i3, Nissan Leaf i Skoda Citigo e iV gdzie to ich dane techniczne baterii oraz parametry ładowania są następujące:

Przykład 1: BMW i3
Pojemność baterii akumulatorów = 27 kWh (80% baterii – 21,6 kWh)
Zasięg realny około 200 km
Cena za 1 kWh = 0,53 zł
Czas ładowania (0-80%) = Pojemność baterii akumulatorów w kWh / Moc stacji w kW
Czas ładowania = 21,6 kWh / 50 kW (moc stacji 50 kW) = 26 min
Czas ładowania = 21,6 kWh / 7,4 kW (moc stacji 7,4 kW) = 175 min ≈ 3 h
Czas ładowania = 21,6 kWh / 2,3 kW (ładowarka 230 V, 10 A) = 590 min ≈ 10 h
Obliczamy z powyższych danych:
Koszt przejechania 100 km = 13,5 kWh * 0,53 zł/kWh = 7,16 zł
Koszt przejechania 100 km (GreenWay) = 13,5 kWh * 2,29 zł/kWh = 30,9 zł

Przykład 2: Nissan Leaf
Pojemność baterii akumulatorów = 30 kWh (80% baterii – 24 kWh)
Zasięg realny około 210 km
Cena za 1 kWh = 0,53 zł
Czas ładowania (0-80%) = Pojemność baterii akumulatorów w kWh / Moc stacji w kW
Czas ładowania = 24 kWh / 50 kW (moc stacji 50 kW) = 29 min
Czas ładowania = 24 kWh / 6,6 kW (moc stacji min. 7,4 kW) = 215 min ≈ 3,5 h
Czas ładowania = 24 kWh / 2,3 kW (ładowarka 230 V, 10 A) = 625 min ≈ 10,5 h
Obliczamy z powyższych danych:
Koszt przejechania 100 km = 15 kWh * 0,53 zł/kWh = 7,04 zł/100 km
Koszt przejechania 100 km (GreenWay) = 15 kWh * 2,29 zł/kWh = 34,35 zł/100 km

Przykład 3: Skoda Citigo e iV
Pojemność baterii akumulatorów = 36,8 kWh (80% baterii – 29,4 kWh)
Zasięg realny około 260 km
Cena za 1 kWh = 0,53 zł
Czas ładowania (0-80%) = Pojemność baterii akumulatorów w kWh / Moc stacji w kW
Czas ładowania = 29,4 kWh / 40 kW (moc stacji 40 kW) = 44 min
Czas ładowania = 29,4 kWh / 6,6 kW (moc stacji min. 7,4 kW) = 267 min ≈ 4,45 h
Czas ładowania = 29,4 kWh / 2,3 kW (ładowarka 230 V, 10 A) = 767 min ≈ 12,8 h
Obliczamy z powyższych danych:
Koszt przejechania 100 km = 11,3 kWh * 0,53 zł/kWh = 6,0 zł/100 km
Koszt przejechania 100 km (GreenWay) = 11,3 kWh * 2,29 zł/kWh = 25,9 zł/100 km

Uwaga: GreenWay umożliwia również ładowanie osobom niezarejestrowanym (firma nazywa to „ładowaniem jednorazowym”), ale stawka w takich przypadkach jest jeszcze wyższa i wynosi 2,29 zł za 1 kWh przy ładowaniu prądem stałym oraz 1,49 zł za kWh przy ładowaniu prądem przemiennym. Opłaty za czas pozostają niezmienne: 0,40 zł powyżej 45 minut (DC) lub 180 minut (AC). W Orlenie będzie zapewne podobnie.

Co wynika z tych danych? Ano to, że takie autka możesz sobie naładować w domu ze „zwykłego gniazdka” ale w czasie od 10 do 12,8 godzin (2,3 kW /ładowarka jednofazowa 230 V, 10 A). W przypadku ORLEN-owskich stacji szybkiego ładowania (jak i wszystkich innych stacji szybkiego ładowania a więc dużej mocy), o mocy 50 i 100 kW potrzebny jest NOWY fragment systemu elektroenergetycznego a w nim zazwyczaj:

– lina zasilająca napowietrzna na prowincji lub kablowa w mieście 15 kV (koszt zależny od długości i możliwości jej podłączenia do systemu);

– rozdzielnia średniego napięcia SN 15 kV, transformator 400 – 1000 kVA (przy 6 – 8 samochodach ładowanych jednocześnie);

– rozdzielnia niskiego napięcia NN 0,4 kV;

– stacja prostownikowa;

– i wykwalifikowany personel na trzy zmiany do obsługi ładowania tychże samochodów (panienka nie podłączy wtyku energetycznego o mocy 100 kW w sposób prawidłowy i pewny).

Stacja transformatorowa SN 15/0.4 kV z rozdzielniami SN i NN to koszt około 300 000 – 400 000 zł. Koszt linii zasilającej napowietrznej/kablowej w zależności od długości może być równy i setki tysięcy/miliony zł. Zakładając ładowanie z jednej stacji 4 samochodów 2x na dobę i 4 aut 1x na dobę należałoby zbudować 125 000 stacji (1 000 000 aut / 8 na jedną stację). Koszt 125 000 stacji to 37, 3 – 50 mld. zł. Koszt linii zasilających to zapewne drugie tyle, jak nie więcej! Łączny koszt budowy 125 000 stacji to przynajmniej 100 000 000 000 zł (sto miliardów zł). Są to wartości szacunkowe, ale zapewne bliskie prawdy tym bardziej, że samochód w dłuższej trasie musiałby być ładowany kilka razy – z Warszawy do Szczecina 6 razy.

I o tych miliardowych! kosztach nikt z rządzących nawet się nie zająknął, mamiąc hasłem pijarowym o szybkim ładowaniu w 30 minut. Po to żeby móc ładować samochód w ½ h trzeba zainwestować w wysokowydajne ładowarki dużej mocy 100 MILIARDÓW! Tego premier Mateusz Morawiecki i jego ministrowie nie powiedzą, bo jak widać ani on ani nikt z jego otoczenia się na tym nie zna. Bajdurzą tylko sloganami „w pół godziny za 15 zł”. A to nieprawda. Jest to w pewnym sensie sedno „mądrości” wybitnego ekonomisty, premiera Mateusza Morawieckiego jak i jego – równie wybitnej w sprawach gospodarczych – sponsorki PiS, utrzymującej się z dotacji i stanowisk w administracji, bankach i spółkach skarbu państwa. Należy zadać sobie pytanie w jaki sposób pojawi się zysk z naładowania kilku/kilkunastu samochodów dziennie po 60 – 70 zł sztuka ze stacji energetycznej której koszt z linią 15 kV to np. 1 200 000 zł? W tym wypadku to przewidywany czas amortyzacji jest równy nieskończoność, zważywszy na konieczne konserwacje, naprawy i ewentualne remonty a po 10 latach wymiana części infrastruktury jak chociażby ładowarki. Jaśniej już? Szerzej o kosztach w dalszej części.

Tak nawiasem, gdyby od lat ’90 przeznaczono tylko mały ułamek tego co rozkradają, defraudują i marnują “politycy” na badania w polskich uczelniach nad nowymi źródłami energii elektrycznej to dzisiaj zapewne mielibyśmy patenty i prawdziwe samochody elektryczne o zasięgu przynajmniej 800 – 1500 km i wielką produkcję na cały świat. Jednak na razie mamy tylko propagandowy – i to nieudolny bełkot – nieustannie głoszony przez „polityków” oraz ich pudła medialne rezonansowe.

Samochód elektryczny widziany od strony systemu elektroenergetycznego

Oto ciąg dalszy mądrości PiS i pana premiera Mateusza Morawieckiego (i do tego jeszcze straszno-śmieszniejszy).

Weźmy kilka (6) przykładowych, typowych Raportów – z okresu 6 miesięcy – spółki Polskie Sieci Elektroenergetyczne S.A., ul. Warszawska 165 05-520 Konstancin-Jeziorna, który podaje do ogólnej wiadomości chwilowe, całościowe dane z polskiego systemu elektroenergetycznego.

I tak w sześciu przykładowych dniach mamy pobrane następujące dane:

 
Dla podanych powyżej przykładowo dwóch pierwszych samochodów elektrycznych BMW i3 i Nissan Leaf (są bardzo podobne) o parametrach poboru mocy przy ładowaniu:

– czas ładowania = 21,6 kWh / 50 kW (moc stacji 50 kW) = 26 min

– czas ładowania = 21,6 kWh / 7,4 kW (moc stacji 7,4 kW) = 175 min ≈ 3 h

– czas ładowania = 21,6 kWh / 2,3 kW (ładowarka 230 V, 10 A) = 590 min ≈ 10 h

Odpowiedni pobór mocy ze źródła zasilania w dniu 29-08-2019 kiedy to generacja = 21 345 [MW]) przy jednoczesnym ładowaniu 1 mln aut wynosi odpowiednio:

– 50 000 [MW] – przy rzeczywistej generacji = 21 345 [MW] + 1 659 [MW] (import!) co daje zapotrzebowanie 73 018 [MW]!

– 7 400 [MW] – przy rzeczywistej generacji = 21 345 [MW] + 1 659 [MW] (import!) co daje zapotrzebowanie 30 418 [MW]!

– 2 300 [MW] – przy rzeczywistej generacji = 21 345 [MW] + 1 659 [MW] (import!) co daje zapotrzebowanie 25 318 [MW]!

I teraz bardzo proszę, niech ktokolwiek odpowie na proste pytanie: Skąd wziąć dwuipółkrotnie większą moc – na szybki ładowanie 1 000 000 samochodów elektrycznych – niż posiada cały system elektroenergetyczny w Polsce! System 21 345 [MW] – zapotrzebowanie 73 018 [MW]!

Gdyby temu milionowi kierowców w skrajnym przypadku przyszło do głowy naładować samochody w tej samej godzinie w dniu 29-08-2019 gdy generacja była równa 21 345 [MW] + zaś import 1 659 [MW] to faktyczne zapotrzebowanie wyniosłoby 21 345 [MW] + 1 659 [MW] + 50 000 [MW] = 73 018 [MW]. Stanowi to 342% mocy całego systemu! To że taki skrajny przypadek jest bardzo, ale to bardzo mało prawdopodobny, nie ma żadnego znaczenia. Ja wskazują istniejący, realny PROBLEM mogący rzeczywiście wystąpić!

W tym skrajnym przypadku szybkiego, jednoczesnego ładowania miliona samochodów (1/2 h) wymagane jest wybudowanie 12 (dwunastu) nowych elektrowni wielkości Bełchatowa (łączna moc maksymalna Elektrowni Bełchatów wynosi 5 472 MW)! Pomyślał o tym ktoś z rządzących III RP?

Przeliczając 12x Bełchatów na bardziej realne źródła energii w postaci elektrowni jądrowych, których koszt zapewne przekroczyłby 750 mld zł – nie licząc łapówek i marnotrawstwa – jako, że szacunkowy koszt pierwszej planowanej budowy elektrowni jądrowej wyceniono na ok. 15 mld zł za 1000 MW. Źródło: http://wgospodarce.pl/informacje/49637-koszt-budowy-elektrowni-atomowej-to-40-70-mld-zl

Co więcej to nawet ładowanie w ciągu 3 godzin miliona aut (zapotrzebowanie 7 400 [MW]) wymaga wybudowania 2 (dwóch!) nowych elektrowni wielkości Bełchatowa! lub dwóch potężnych elektrowni atomowych jak np. Fukushima I (Fukushima Daiichi) z sześcioma reaktorami BWR o łącznej mocy 4 700 [MW] – koszt 141 mld zł. (Pamiętajmy wcześniejsze szacunki odnośnie wysokowydajnych ładowarek dużej mocy około 100 mld zł – razem to już 241 mld zł).

Nie poruszyłem jeszcze kwestii zmienności zapotrzebowania mocy Krajowego Systemu Elektroenergetycznego (KSE) a trzeba wiedzieć, że np. o 1:00 w nocy jest to tylko 13 000 [MW] zaś a o dziewiątej rano, w dzień jest już 22 000 [MW]. Może ktoś powiedzieć, że wystarczy ładować w nocy. Jest to możliwe, ale znowu nie jest to cała prawda, bo nie znamy krzywej dobowej rozkładu obciążeń ładowania, bo takową odczytuje się jedynie z natury. Wszystko rozbija się więc o tę „krzywą dobowego rozkładu obciążeń ładowania aut” której jak na razie nie ma, bo jest za mało aut elektrycznych żeby miało ona swoje odbicie w obciążeniu systemu elektroenergetycznego a tylko ona jest odbiciem faktycznych potrzeb i upodobań kierowców elektryków co do momentu ładowania a więc piku jednoczesności ładowania. Z życia można wnioskować, że będzie występowała jednak pewna stadność zachowań co do ładowania o tej samej porze (np. wieczorem, po powrocie z pracy), co oczywiści zostanie zauważone dopiero przy zaistnieniu wielkiej ilości aut elektrycznych. Na razie nikt o tym nie myśli, bo faktycznie na razie nie ma takiego problemu.

W świetle powyższego jest kompletnie niezrozumiałe jak premier średniego państwa w Europie, pan Mateusz Morawiecki i dr nauk ekonomicznych) Michał Kurtyka oraz minister energii mgr inż. elektryk Krzysztof Tchórzewski tak dali się podpuścić swoim pozbawionym jakichkolwiek kompetencji doradcom. Za co ci wszyscy ludzie biorą pieniądze można zapytać?

Ile faktycznie kosztuje „naładowanie” auta elektrycznego

W przypadku Nissana Leaf możemy ładować auto – nie przegrzewając akumulatorów – maksymalnie mocą 50 kW zaś w „trybie domowym” odpowiednio mocą 2,3 kW (ładowarka 230 V, zabezpieczenie 10 A czyli standardowe domowe gniazdo jednofazowe).

W przypadku „trybu domowego” korzystamy z przyłącza do domowej sieci energetycznej i należy po prostu doliczyć do rachunku liczbę kilowatogodzin pobraną przez akumulatory auta poprzez wewnętrzną ładowarkę/prostownik Leafa. Średnia cena prądu dla taryfy G11 – tej najczęściej wykorzystywanej przez gospodarstwa domowe – wynosi obecnie 0,55 zł za 1 kWh. Skoro zatem akumulatory Leafa mają pojemność 30 kWh, oznacza to, że „zatankowanie” energią G11 tego pojazdu kosztuje około 18,15 zł (30 kWh x 0,55 zł/kWh x 1,1 współczynnik sprawności).

Gdy zaokrąglimy koszt samej przesłanej energii do 20 zł, wychodzi około 10 zł za 100 km (przyjmując najbardziej realny zasięg 200 km w jeździe mieszanej, bez silenia się na jakąś „eko-jazdę” i bez ogrzewania/klimatyzacji). Całkiem mało, prawda? W przeliczeniu na aktualne ceny oleju napędowego lub benzyny, za taką kwotę kupilibyśmy ok. 2 litry paliwa/100 km. Spalinowym ekwiwalentem Leafa na dwóch litrach daleko byśmy nie zajechali, ale powyższe wyliczenie dotyczy ładowania auta ze zwykłego elektrycznego gniazdka 230V/10A dla taryfy G11. Nie jest to bardzo drogie, przynajmniej dopóki ceny energii nie wzrosną (a wzrosną i rosnąć będą co głoszą ci sami ludzie), ale powolne bo trwa ok. 10 godzin. Jesteśmy więc niewolnikiem „tankowania”.

Chcąc auto naładować trochę szybciej mamy dwa wyjścia, albo skorzystać z szybkich ładowarek, albo zainstalować w domu specjalną ładowarkę WallBox. Nissan ma w swojej ofercie tego typu urządzenie, kosztuje ono około 4500 zł, w cenie mamy montaż (ale bez kosztu ewentualnego doprowadzenia zasilania do punktu ładowania), sprawdzenie instalacji (zasilanie jednofazowe 230 V, ale natężenie pobieranego prądu 32 A) i krótkie przeszkolenie. Moc dostarczana przez tę ładowarkę to około 7 kW co skraca czas pełnego naładowania akumulatorów Nissana Leafa do sześciu godzin. Dla osób, które mają własny dom i poważnie myślą o elektromobilności, taki zestaw to „must have”, bo zapewnia pełne naładowanie np. w nocy (warto też pomyśleć o podwójnej taryfie za energię, czyli tańszej energii w nocy, co dodatkowo obniży koszt „domowego” ładowania). Nietrudno jednak zauważyć, że Wallbox również kosztuje. I choć za energię dalej płacimy wg domowej taryfy G11, to w takiej sytuacji trzeba doliczyć koszt amortyzacji ładowarki oraz jej konserwację raz w roku.

Zupełnie inaczej wygląda sytuacja w przypadku szybkich, 50 [kW] ładowarek. Największą ich siecią w Polsce dysponuje firma GreenWay. Firma stale rozbudowuje swoją sieć, o czym zresztą świadczy pojawienie się ładowarki właśnie na trasie na wschód Polski, ale też nie robi tego charytatywnie. Stawki za ładowanie są zależne od kilku czynników, m.in. tego czy jesteśmy zarejestrowanym klientem sieci GreenWay, bądź tego jakim prądem ładowaliśmy auto. I tak, dla zarejestrowanych klientów GreenWay ładujących auto prądem stałym (najszybsze ładowanie) stawka za 1 kWh energii wynosi już nie 0,55 zł za 1 kWh ale cztery razy drożej bo 1,89 zł (dla niezarejestrowanych 2,29 zł/kWh). Do tego należy doliczyć jeszcze 0,40 zł za każdą minutę po przekroczeniu 45 minut czasu ładowania. W przypadku ładowania prądem zmiennym (cały czas mowa o zarejestrowanych klientach) stawka za 1 kWh wynosi 1,19 zł, a dodatkową opłatę za każdą minutę w kwocie 0,40 zł zaczynamy ponosić od 180 minuty ładowania. Zatem koszt naładowania przez godzinę baterii Nissana Leaf do 80-85% pojemności kosztuje 48,19 zł za samo ładowanie + 6 zł za 15 minut czasu powyżej 45 minut. Tyle kosztuje naładowanie auta, by przejechać nim ok. 200-210 km. I znowu w przeliczeniu na aktualne ceny oleju napędowego lub benzyny (4,83 zł/l), za taką kwotę kupilibyśmy już ok. 4,75 litrów paliwa/100 km a więc tyle ile obecnie zużywają samochody spalinowe (przy których nie czeka się godzinami na „zatankowanie”).

GreenWay umożliwia również ładowanie osobom niezarejestrowanym (firma nazywa to „ładowaniem jednorazowym”), ale stawka w takich przypadkach jest jeszcze wyższa i wynosi 2,29 zł za 1 kWh przy ładowaniu prądem stałym oraz 1,49 zł za kWh przy ładowaniu prądem zmiennym. Opłaty za czas pozostają niezmienne: 0,40 zł powyżej 45 minut (DC) lub 180 minut (AC). W takim przypadku naładowanie naszego Leafa przez godzinę (30 kWh) kosztowałoby już 58,39 zł a więc 20% drożej niż w poprzednim przypadku. Za taką kwotę kupilibyśmy już ok. 5,76 litrów paliwa/100 km.

Porównajmy. Auto spalinowe z nowoczesnym silnikiem segmentu C na 100 kilometrowej trasie spalają obecnie 3,8 – 4,3 litrów paliwa. Koszt takiej ilości paliwa, w cenie 4,83 zł/litr wynosi 18,35 – 20,77 zł. Przeliczając na 210 km zasięg Nissan Leaf mamy odpowiednio 38,54 – 43,61 zł. W porównaniu do benzyniaka „elektryk” wychodzi znacznie drożej bo 58,39 zł. Pamiętajmy, że auto spalinowe o porównywalnym komforcie i osiągach będzie też o połowę tańsze w zakupie od pojazdu elektrycznego, w którym to właśnie akumulatory stanowią gros kosztu produkcji. Co więcej, to już widać wpływ starzenia się baterii w Leafach z 30 kWh akumulatorami, gdzie po 2 latach eksploatacji tracą one nawet 20% pierwotnej pojemności! a cena nowej baterii zaczyna się od 26 tys. złotych. Jako wieloletni specjalista od konserwacji i nadzoru baterii (kwasowo-ołowiowych) w dużych (30 – 300 kW) zasilaczach UPS mogę stwierdzić, że nigdy nie „pada” cała bateria tylko po roku/dwóch uszkadza się 1 do 3 akumulatory na 100 szt. Wiem to z kilkunastoletniego serwisowania takich baterii. Różnica jest taka, że w wolno stojących zestawach do UPS-ów można wymienić te uszkodzone akumulatory bez żadnego problemu. W samochodzie jest to fizycznie niemożliwe więc samochodowi ubywa mocy i zasięgu z kolejnymi latami. Należy domniemywać, że do 10 lat eksploatacji żaden nie dociągnie nigdy żaden samochód nawet z 50% pojemnością! A tego nikt ze sprzedawców nie powie potencjalnemu użytkownikowi, jest to tajemnicą poliszynela wiadomą wąskiej grupie elektryków.

Podsumowując opisane warunki graniczne w eksploatacji 1 000 000 (miliona) aut elektrycznych to 12 nowych elektrowni typu Bełchatów. Warunki jednoczesnego ładowania nie tyle “nigdy nie wystąpią” tylko takowe wystąpienie jest bardzo, bardzo mało prawdopodobne. Są to warunki graniczne czyli brzegowe! Sądzę jednak, że przytoczone dane doskonale obrazują na co musi być przygotowana infrastruktura energetyczna Polski aby sprostać zadaniu postawionemu przez pana Mateusza Morawieckiego i ministra energii Krzysztofa Tchórzewskiego w postaci miliona samochodów elektrycznych.

Pokazałem też, że komercyjne ładowanie elektryka na stacjach/po drodze “u kogoś”, na szybko, jest cenowo porównywalne z zatankowaniem benzyną czy olejem nowoczesnego spaliniaka a nawet trochę droższe. Zważywszy, że ceny energii elektrycznej ciągle rosną a zużycie paliwa w kolejnych generacjach samochodów spalinowych maleje to raczej nie rysuje się przyszłość kosztowo-cenowa dla elektromobilności.

Klimatyzacja auta elektrycznego

Najkrócej mówiąc – koszmar! Dlatego nikt o tym się nawet nie zająknie. Nie napisano nigdzie o wielkim minusie aut elektrycznych jakim jest klimatyzacja. Klimatyzacja/ogrzewanie auta elektrycznego to koszmar który w trakcie jazdy nie tylko znacznie skraca zasięg ale przy wolnej, długodystansowej jeździe to może być nawet redukcja zasięgu fabrycznego o połowę, co czyni ten samochód nieprzydatnym w czasie zimy. Np. w Nissanie Leaf instrukcja obsługi na rynek amerykański ostrzega, że „by uchronić baterię litowo-jonową od uszkodzenia, nie należy wystawiać jej na ekstremalne temperatury przez dłuższy czas. W szczególności nie parkować w temperaturze poniżej −25°C przez dłużej niż siedem dni.” Przez ten czas chroni ją podgrzewacz (zasilany z baterii auta!), który uruchamia się automatycznie, jeśli jej temperatura spada poniżej ok. –17°C i wyłącza, gdy osiąga –10°C. W takich warunkach zasięg auta jest ograniczony w dwójnasób: z powodu zimna i z powodu zużycia energii pobranej przez podgrzewacz. W testach AAA, po włączeniu systemu kontroli termicznej przy temperaturze poniżej –7°C średni zasięg w każdych warunkach drogowych spadał nawet o połowę w porównaniu z jazdą w temperaturze bazowej (ok. 24°C), przy wyłączonej klimatyzacji. Włączenie jej podczas upałów (35°C) powodowało redukcję zasięgu o nieco ponad 20% w porównaniu z temperaturą bazową, gdy klimatyzacja była wyłączona. Tak więc klimatyzacja/ogrzewanie auta elektrycznego to i koszmar i temat tabu.

Bezpieczeństwo pożarowe samochodu elektrycznego

Kolejny problem – a w zasadzie kolejny koszmar i do tego bardzo niebezpieczny dla otoczenia – to bezpieczeństwo pożarowe samochodu elektrycznego. Amerykańska organizacja National Fire Protection Association (NFPA) pod koniec ubiegłego roku opublikowała niezwykle interesujący materiał szkoleniowy na temat gaszenia pożarów aut elektrycznych (w szczególności akumulatorów trakcyjnych). Woda, dużo wody. Nawet kiedy ogień zgaśnie. Pożar akumulatorów trakcyjnych wiąże się z bardzo szybkim wzrostem ich temperatury (thermal runaway). Pojazd należy gasić wodą, jednak jak dowodzi materiał NFPA i inne materiały, ilość wody konieczna do trwałego ugaszenia pojazdu (a w zasadzie akumulatorów litowo-jonowych) jest bardzo duża, w niektórych przypadkach nawet kilkukrotnie większa niż aut hybrydowych (z małymi pakietami) a tym bardziej aut spalinowych. NFPA w zależności od konkretnego przypadku zużyła 5-10 tys. litrów wody. Niestety lokalizacja pakietu w podłodze pojazdu i jego szczelna zabudowa nie ułatwiają gaszenia a wręcz je uniemożliwia. Cały proces jest również dłuższy i może trwać 30-60 minut i kończy się wypaleniem całej baterii. Wypaleniem w sensie dosłownym!

Jednym ze składników baterii samochodowych jest lit. Metal alkaliczny. Jest wysoce reaktywny z innymi pierwiastkami i … palny, wybuchowy w przypadku wystawienia na działanie powietrza i – zwłaszcza – wody. Sam proces spalania litu ma nagły i widowiskowy charakter, a polewanie go wodą pogarsza tylko sprawę. W opinii fachowców tego typu pożar może być niemożliwy do ugaszenia, dopóki nie wypali się samo jego źródło. Lit może się zapalić w atmosferze tlenu gdy zostanie wystawiony na działanie wody lub pary wodnej. Lit jest palny i jest potencjalnie wybuchowy w przypadku wystawienia na działanie powietrza a zwłaszcza wody. Reakcja litu z wodą w temperaturze pokojowej jest intensywna, ale nie gwałtowna a wodór wytworzony w jej wyniku samoczynnie nie powinien się zapalić (póki woda lub jej para nie przegrzeje się miejscowo do temperatury zapłonu wodoru tym niemniej w zamkniętym garażu gazowy wodór to bomba!). Tak więc jak to w przypadku wszystkich litowców, pożar litu jest wyjątkowo trudny do ugaszenia i wymaga do tego użycia gaśnic proszkowych (grupy D) i dostępu do baterii która jest wszak zabudowana w stalowe płyty.

Wniosek? Ugaszenie elektrycznego pojazdu jest niezwykle trudne, a sam wrak przez długi czas pozostaje “tykającą” bombą. Do jego samozapłonu dojść może jeszcze wiele godzin po opanowaniu pierwotnego pożaru, gdy wilgoć przedostanie się do uszkodzonych ogniw czy samoistnie uszkodzą się mechanicznie w wyniku „nadpalenia”. Jeśli dojdzie do takiego scenariusza, gdy wrak trafi już na złomowisko czy policyjny parking, kolejny pożar może się okazać jeszcze bardziej tragiczny w skutkach.

Właśnie z tego względu, w krajach, gdzie elektryczne pojazdy szybko zyskują na popularności (np. Skandynawia), straż pożarna inwestuje w nietypowy sprzęt. Na popularności zyskują ogniotrwałe kontenery, podobne do tych, w których transportuje się np. gruz. Po ugaszeniu pierwotnego pożaru wrak trafia do takiego właśnie kontenera, który zalewa się następnie środkami gaśniczymi (auto pływa w nich po dach!) lub wodą. Płyny odbierają ciepło od uszkodzonych baterii i ograniczają ryzyko bądź niwelują skutki kolejnego zapłonu/wybuchu ogniwa. Nawet gdy do niego dojdzie, pożar nie ma szans na wydostanie się poza kontener. Niestety, użycie tego typu kontenera wymaga specjalistycznego sprzętu, którego polskie straże pożarne nie posiadają. By zapakować wrak potrzebny jest dźwig. Transport samego kontenera odbywa się ciężarówką. Jakie są tego koszty – znowu nikt z ministrów nie pomyślał. Reasumując, samo gaszenie baterii jest śmiertelnie niebezpieczne! W reakcji litu z wodą wydziela się duża ilość wodoru, który eksploduje nad nią i rozpyla płonący lit. Nawet bardzo silny strumień wody nic nie da. Gaśnica śniegowa też jest do niczego bo lit w dwutlenku węgla pali się równie dobrze jak w powietrzu.

Podczas pożaru auto emituje z baterii paręsetkrotnie więcej trujących związków niż zwykłe płonące auto do tego dochodzi szybkość spalania gdzie pasażerowie od chwili początku pożaru do bezpiecznego wyjścia maja dosłownie ułamki sekund. Pożar jest bardzo gwałtowny łącznie z wybuchami i niebieskimi smugami ognia sięgającymi nieba zaś utylizacja tego typu auta jest niebotycznie droga i niemal niemożliwa w 100%. Litowo-jonowe baterie, podobnie jak w smartfonach czy laptopach, po kilku latach mają połowę pierwotnej pojemności i zasięg redukuje się do 100 km. Potencjalną eksplozję tak zdegradowanej baterii dostajemy natomiast w gratisie. Wystarczy wyobrazić sobie przypadek pożaru na parkingu podziemnym, przy braku jakiejkolwiek możliwości ugaszenia (tryskacze są zupełnie nieskuteczne).

Istotne jest przede wszystkim to, że ugaszenie ognia nie rozwiązuje problemu, gdyż w przypadku powszechnie stosowanych akumulatorów litowo-jonowych pożar wybuchnie z nową siłą dopóki nie zostanie obniżona temperatura akumulatorów. Jeżeli temperatura ogniw pozostaje wysoka, powyżej pewnego progu, akumulatory zaczną palić się na nowo czy to po chwili, czy po kilku godzinach czy nawet po dobie. Gaszenie wodą ma zatem na celu schłodzenie akumulatorów do temperatury rzędu kilkudziesięciu stopni. W wyniku zetknięcia się akumulatorów z ogniem może nastąpić bardzo gwałtowna reakcja. Składniki akumulatorów mogą wydostawać się pod wpływem dużej energii.

Pomimo niezaprzeczalnych korzyści, jakie niesie ze sobą powszechne wykorzystywanie ogniw litowo-jonowych do produkcji baterii, musimy być świadomi tego, że w określonych warunkach baterie te mogą ulec samozapłonowi, a nawet eksplodować.

Poniżej przykładowy pożar elektryka – Tesla Vehicle Fires.

Dlaczego więc baterie litowo-jonowe wybuchają? W większości przypadków do pożaru i wybuchu dochodzi na skutek zwarcia, co ma miejsce wówczas, gdy anoda z katodą się spotkają. Dużą rolę w przypadkach zapłonu baterii ma także czynnik wysokiej temperatury i przegrzewania się ogniw. Powodem zwarcia między elektrodami mogą być różne czynniki, a jego rezultatem jest szybko postępująca, częstokroć wymykająca się spod kontroli reakcja łańcuchowa. Dochodzi do gwałtownego zwiększania się temperatury i stopienia separatora pomiędzy elektrodami, co podsyca dalsze nagrzewanie się baterii. Utratę kontroli nad zwiększaniem się temperatury układu powoduje efekt tzw. niestabilności termalnej (thermal run-away), który stoi za problemem reakcji łańcuchowej, która jest groźna zwłaszcza w bateriach składających się z wielu ogniw (w samochodzie ponad 6 000 szt.), ponieważ inicjuje reakcję w kolejnych, nie dotkniętych wadą, ogniwach. Podczas wzrostu temperatury katoda emituje tlen, wchodzący w reakcję z organicznym elektrolitem, co prowadzi w końcu do zapłonu lub wybuchu baterii.

Jakie czynniki mogą wywołać pożar i wybuch baterii? Nie ma jednej przyczyny stojącej za wszystkimi przypadkami awarii baterii, prowadzących w konsekwencji do ich zapłonu. Można jednak wyszczególnić ogólne powody, które wiążą się z procesem produkcyjnym baterii, ale także mające związek z jej użytkowaniem. Przykładowo w smartfonach, źle zaprojektowana bateria i błędy produkcyjne stały za problemem, który skutkował wycofaniem 2,5 miliona urządzeń Galaxy Note 7 z rynku. Producent baterii nie zapewnił wystarczająco dużo przestrzeni oddzielającej elektrody, dlatego też do wybuchu dochodziło podczas ładowania smartfona, gdy elektrody rozszerzały się tylko nieznacznie, ale powodując zwarcie.

Problemy mogą stwarzać same ładowarkami. Ładowarki nie dobrane technicznie do konkretnej baterii (typu ogniw ją stanowiących) mogą doprowadzić do przegrzania baterii i jej uszkodzenia a następnie zniszczenia. Powodem awarii baterii może to być też zewnętrzne źródło wysokiej temperatury. Przegrzanie baterii może wyzwolić reakcję łańcuchową prowadzącą do zapłonu i wybuchu. Może to być mechaniczne uszkodzenie baterii. Jeżeli baterię poddać zgniataniu, wstrząsom (jak przy upadku), przebiciu, może to również doprowadzić do pożaru i wybuchu.

Kolejnym powodem awarii baterii może to być „przeładowanie baterii” a więc wymuszanie przepływu prądu ładującego w przypadku gdy bateria jest w pełni naładowana np. w przypadku uszkodzenia ładowarki. Większość producentów używa mechanizmów zapobiegających takiemu przypadkowi, jednak niska jakość/uszkodzenie części akumulatorów w baterii czy uszkodzenie ładowarki może doprowadzić do przeładowania baterii i skutkować zapłonem/wybuchem. Pamiętajmy, że te ładowarki to potężne urządzenia elektro- i energoelektroniczne o mocy użytkowej 40, 50, 100 czy ostatnio nawet 300 kW! Do obsługi takich urządzeń potrzebny jest wykwalifikowany personel!

Podsumujmy. Pożar akumulatorów litowo-jonowych występuje z powodu kilku przyczyn nieznanych i nie występujących w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych. I tak:

1. Pożar wskutek przeładowania lub za wysokiej temperatury.

Jeśli akumulator litowy zostaje przeładowany albo narażony na zbyt wysoką temperaturę, to może wystąpić przegrzanie ogniw. Niestabilność cieplna (tzw. thermal runaway) oznacza reakcję o silnie egzotermicznym przebiegu, która może doprowadzić do zapłonu litu w akumulatorze i spowodować pożar metalu. Wysoka energia cieplna prowadzi przy tym najpierw do wyparowania ciekłego elektrolitu, wskutek czego powstaje dodatkowe ciepło i wydzielają się palne gazy. Jeśli zostanie przekroczona temperatura samozapłonu gazu, to ulega on zapaleniu i zapala z kolei reaktywny lit. Wystarczy już niestabilność cieplna zaledwie jednego ogniwa (w baterii samochodowej jest ich ponad 6000), żeby ogniwa sąsiednie tak się nagrzały, że powstaje brzemienna w następstwa reakcja łańcuchowa. Kiedy zostanie ona raz uruchomiona, to wystarczy kilka minut, żeby akumulator zapalił się i to wybuchowo.

2. Pożar wskutek głębokiego rozładowania.

Również wskutek głębokiego rozładowania może dojść do pożaru. Jeśli akumulator litowo-jonowy przez dłuższy czas nie jest używany, to może ulec całkowitemu rozładowaniu. Efektowi temu może sprzyjać niska temperatura zewnętrzna – np. w miesiącach zimowych. Także w tym przypadku dochodzi do rozkładu ciekłego elektrolitu i w rezultacie do powstania łatwopalnych gazów. Jeśli następnie zostanie podjęta próba naładowania głęboko rozładowanych ogniw litowo-jonowych, to wskutek braku elektrolitu doprowadzona energia nie będzie już mogła być prawidłowo przetworzona. Może dojść do zwarcia lub pożaru.

3. Pożar wskutek uszkodzenia mechanicznego.

Przy manipulowaniu akumulatorami litowo-jonowymi istnieje zawsze pewne ryzyko ich uszkodzenia. Kolizje z pojazdami, upadek na twarde podłoże lub przygniecenie wskutek nieprawidłowego składowania to tylko kilka przykładów. Jeśli w rezultacie nastąpi zdeformowanie ogniw, to może to spowodować wewnętrzne zwarcia i pożar akumulatora. Nie można także w 100% wykluczyć zanieczyszczeń w produkcji samych ogniw. W rzadkich przypadkach może się zdarzyć, że cząstki, które w trakcie produkcji dostaną się do ogniwa, uszkodzą je z biegiem czasu od wewnątrz. Także wtedy mogą się pojawić wewnętrzne zwarcia.

Problemy te próbuje się częściowo rozwiązać wyposażając baterie samochodowe w systemy kontroli, nadzoru i zarządzania określane jako BMS (od ang. Battery Management System). Układ ten ma teoretycznie zapewnić kontrolę napięć na poszczególnych ogniwach (z rozdzielczością +/–1 mV), prądu ładowania (to jest wierutna bzdura), kontrola temperatur (z rozdzielczością do 1°C). Odpowiada on za efektywne wykorzystywanie dostępnej pojemności baterii, wykonanie procesu wyrównywania parametrów ogniw (balancing pasywny lub aktywny) (to też chwyt reklamowy dla zamydlenia oczu). BMS raczej teoretycznie zapewnia bezpieczeństwo pracy baterii poprzez kontrolowanie parametrów akumulatorów i zabezpieczenie przed ich awarią. Praktycznie to sprowadza się do kolejnych komplikacji w układzie elektrycznym auta i obniża to niezawodność jego działania. (W pewnej serii Tesli tenże BMS był przyczyną nagminnych pożarów baterii (z powodu zbyt intensywnego ich ładowania) a za ich przyczyną całych aut).

Należy mieć na uwadze, że każda technologia akumulowania energii zawsze będzie wprowadzała zagrożenie niekontrolowanego jej uwolnienia. Jednakże przy zastosowaniu akumulatorów Li-ion niebezpieczeństwo pożarowe znacząco wzrasta ze względu na palność litu i jego trudne/niemożliwe gaszenie i nie ustrzeże nas od tego żadne zaklęcie marketingowe jak „dobra instalacja baterii” czy zastosowanie fabrycznego BMS.

I jeszcze na koniec należy podkreślić, że pożar samochodu elektrycznego w garażu zabudowanym typu podziemnego to prawdziwa katastrofa nie tylko dla właściciela płonącego elektryka, ale i dla sąsiednich samochodów. Powszechnie stosowane systemy gaszeniowe w postaci tryskaczy nie są w stanie nie tyle ugasić pożaru elektryka, ale nawet nie mają na ten pożar żadnego wpływu. Bateria jest zamontowana pod podłogą w osłonie stalowych blach i dopóki nie wypali się samoistnie do końca to pożar nie zgaśnie. Gaszenie w garażu z hydrantu bez specjalnych kombinezonów i masek tlenowych też jest niemożliwe ze względu na olbrzymie ilości toksycznych związków spalania, wydobywających się pod ciśnieniem i przy wybuchach kolejnych ogniw. Taki pożar jest też dotkliwą katastrofą gospodarczą dla właściciela wielostanowiskowego garażu objętego takim dopustem. Pomijając skutki pożaru to rozpylenie dziesiątek kilogramów litu wyłącza taki garaż z użytkowania na długi czas. Trzeba wiedzieć, że za względów bezpieczeństwa większość miejskich garaży wielostanowiskowych zabudowanych (np. podziemnych) ma zakaz wjazdu dla samochodów z LPG a co dopiero z kilkuset kilogramową baterią elektryczną gotową w każdej chwili zapalić się i wybuchnąć. Tak nawiasem to w czasach kiedy jeszcze ludzie myśleli a o sprawach technicznych decydowali inżynierowie a nie „politycy po politologii i psychologii” to do każdej dużej baterii akumulatorowej było budowane odpowiednie, wydzielone pomieszczenie techniczne o 2 h odporności ogniowej. Aby zobrazować to co napisałem powyżej to proszę zobaczyć jak wygląda taki pożar modelu Tesla, na którym widać, jak Model S zaczyna się palić i po kilku sekundach eksploduje na jednym z parkingów w Szanghaju.

A tu pożar na ulicy w Los Angeles.

Wraz ze starzeniem się zainstalowanych baterii jak i wzrostem pojemności energetycznej baterii problem pożarów w sensie ich ilości i skutków będzie narastał, co już można zaobserwować. Pożar Tesli pozostawia po aucie jedynie koła i ramę, topiąc aluminiową karoserię i paląc całą resztę. A przecież bateria Tesli Model S to tylko dwukrotna pojemność baterii w BMW i3 czy Nissanie Leaf.

Inne uwagi do samochodu elektrycznego

Jak nieprawdziwe i niekompletne są informacje na temat samochodu elektrycznego niech świadczy informacja firmowa jednego z producentów. Np. taki Nissan poinformował na forum MyNissanLEAF.com o planie wprowadzenia zmian w gwarancji na akumulatory litowo-jonowe w samochodach elektrycznych Leaf, które wejdą w życie wiosną przyszłego roku. W myśl nowej umowy gwarancyjnej producent ma naprawić pakiet albo wymienić akumulatory na nowe lub używane (o wyższej pojemności), jeśli na wskaźniku stanu akumulatorów pozostanie mniej niż 9 z 12 segmentów (pojemność spadnie poniżej 66,25%) przed upływem 5-lat i przed przekroczeniem przebiegu 96,5 tys. km. Informacja ta świadczy, że baterie zużywają się szybciej niż zapewniają o tym firmowe foldery danych technicznych (o czym wcześniej pisałem bo znam to z doświadczenia zawodowego). Należy jednak w tym miejscu zaznaczyć, że Nissan w ramach gwarancji zobowiązuje się jedynie przywrócić pojemność pakietu do poziomu minimum 9-segmentów (od 66,25% do 72,5% pojemności). W praktyce zabezpiecza to producenta przed nieuczciwymi właścicielami, jednak sprawia, że w ramach postępowania gwarancyjnego pojemność może wzrosnąć jedynie nieznacznie np. z 65% do 75% i dobrą wolą producenta będzie podniesienie pojemności do 90%, czy 100%. Tak więc samochód Nissan Leaf przy pojemności 65% posiada zasięg 130 km a więc pozwala na dojazd np. do Kościoła i z powrotem (i to w obrębie jednej miejscowości).

Ogniwa li-ion w każdym aucie elektrycznym są łączone szeregowo-równolegle w grupy. Taka przykładowo Tesla ma akumulatory ułożone jako 350V lub 400V ładowane prądem do 315 A czyli z mocą 100 kW/120 kW. Np. akumulator o pojemności 85 kWh to jest układ 96 szeregowo x 72 równolegle połączonych pojedynczych ogniw (w sumie jest ich 6912 gdzie 96 ogniwa x 4,2 V daje 400 V napięcia akumulatora (gdy jest naładowany). Jeżeli prąd ładowania wynosi 315 A to na każde ogniwo w szeregu przypada 4 A i nie ma możliwości kontroli prądu ładowania w każdej szeregowej gałązce (to jest wierutna bzdura z tą kontrolą prądu o czym już pisałem).

Różnica między stacjami ładowania prądem AC i DC. Stacje ładowania prądem zmiennym (AC) wykorzystują do przetworzenia AD na DC wbudowany w samochód prostownik, który z racji ograniczeń konstrukcyjnych umożliwia ładowanie mocą co najwyżej 22kW. Stąd, czas ładowania w takim punkcie trwa stosunkowo długo, z reguły jest mierzony w godzinach.

Z kolei ładowanie prądem stałym nie jest ograniczone gabarytowo i stąd możliwość ładowania większym prądem i skrócenie czasu ładowania. Tesla zaprezentowała właśnie trzecią generację swoich ładowarek Supercharger. Wersja V3 ma działać z mocą 250 kW, co – jak zapewnia firma – pozwoli na skrócenie czasu ładowania nawet o 50 proc (patrz Punkt 6. Bezpieczeństwo pożarowe i do czego to prowadzi). Taką moc udało się osiągnąć m.in. dzięki przewodom chłodzonym cieczą! Tak, tak – to nie pomyłka – dzięki przewodom chłodzonym cieczą! Nowoczesny Supercharger V3 ma w pełni naładować akumulatory w 5 minut, aby samochód mógł przejechać kolejne 120 km. Co ile kilometrów będzie pożar po takich ładowaniach – tego nie ujawniają.

Recykling akumulatorów litowo-jonowych. Obecnie na świecie prowadzone są badania nad możliwością recyklingu akumulatorów litowo-jonowych na skalę masową. W firma Chemetall szacuje, że w wyniku recyklingu można będzie odzyskać około 50% litu ze zużytego akumulatora litowo-jonowego. Baterie Li-Ion wypełnione są płynnym elektrolitem albo elektrolitem, który został rozpuszczony w polimerze, tak jak to ma miejsce w płaskich ogniwach znanych np. ze smartfonów. Lit i jego sole (np. wykorzystywany jako katoda tlenek litowo-kobaltowy LiCoO2), wykazują dużą reaktywność i są wrażliwe na wysoką temperaturę i przeładowanie. Z kolei, w ogniwach Li-Po (też litowo-jonowych dla porządku) zamknięte są łatwopalne rozpuszczalniki, które mogą eksplodować. Dopóki projektanci uwzględniają te ograniczenia, a użytkownicy pamiętają, że takich ogniw nie można przeładować, przegrzać, złamać czy przebić – są one bezpieczne.

W odróżnieniu od akumulatorów o składzie chemicznym na bazie wody (tj. akumulatorów kwasowo-ołowiowych i różnych rodzajów akumulatorów niklowych), w przypadku ogniw litowo-jonowych przeprowadzenie bezpiecznej i zrównoważonej reakcji przeładowania nie jest możliwe. Przeładowanie ogniw litowo-jonowych skutkuje nadmiernym usunięciem litu z katody, osadzeniem się litu na anodzie i rozkładem elektrolitu. Te procesy nieodwracalnie uszkadzają ogniwo i ostatecznie mogą prowadzić do niestabilności cieplnej, a w konsekwencji do zapłonu akumulatora. Z tego powodu systemy wykorzystujące akumulatory litowo-jonowe muszą być wyposażone w system zarządzania akumulatorami (BMS). Taki system musi umożliwiać pomiar napięcia poszczególnych ogniw, monitorowanie temperatury i korektę niezrównoważenia stanu naładowania ogniw akumulatora bez konieczności przeładowania. Decyzję o zaprzestaniu rozładowywania lub redukcji prądu ładowania akumulatora powinno się podejmować, gdy tylko napięcie pierwszego ogniwa akumulatora osiągnie wartość przewidzianą dla zakończenia ładowania lub rozładowywania. Z tego względu jakiekolwiek niezrównoważenie stanu naładowania akumulatora skutkuje pozorną utratą jego pojemności. Niezrównoważenie musi zostać skorygowane przy użyciu funkcji bilansowania systemu BMS. Natomiast w przypadku akumulatorów kwasowo-ołowiowych system BMS jest rzadko stosowany na poziomie ogniw, a niezrównoważenie kompensuje się poprzez celowe przeładowanie akumulatora. Ogniwa litowo-jonowe są zawsze zamykane w hermetycznej osłonie, ponieważ wystawienie na działanie wody i tlenu w atmosferze szybko doprowadziłoby do uszkodzenia elementów składowych tych ogniw. W przypadku przeładowania lub innego zdarzenia skutkującego wzrostem ciśnienia gazu urządzenie odcinające dopływ prądu (CID) wewnętrznie rozłącza ogniwo z zewnętrznymi połączeniami. W ogniwach pryzmatycznych często do tego celu służy dysk wypychany na zewnątrz przez nadmierne ciśnienie gazu. Do dysku przyłączony jest dodatnio naładowany wypust, który w takiej sytuacji przerywa połączenie. W ogniwach cylindrycznych przewężenie w obwodzie ściany ogniwa umożliwia jego wydłużanie się, co skutkuje przerwaniem wewnętrznego połączenia. Oprócz CID w skład ogniwa czasem wchodzi również element PTC (oporowy czujnik temperatury, którego rezystancja rośnie wraz ze wzrostem temperatury). Ten element cechuje bardzo niska (niemal bez znaczenia) rezystancja w temperaturze pokojowej, natomiast powyżej określonej temperatury jego rezystancja gwałtownie wzrasta. Takie zabezpieczenia mogą być wbudowane w ogniwo w celu zmniejszenia ryzyka niestabilności cieplnej wywołanej przez przyczyny zewnętrzne.

System BMS zapewniający bezpieczeństwo systemów litowo-jonowych musi pełnić co najmniej następujące funkcje:

– monitorować napięcie poszczególnych ogniw i sygnalizować zakończenie rozładowywania, gdy tylko napięcie pojedynczego ogniwa spadnie poniżej progu napięcia rozładowania;

– za pomocą tej samej funkcji monitorowania sygnalizować redukcję szybkości ładowania bądź zakończenie ładowania, gdy tylko napięcie pojedynczego ogniwa osiągnie maksymalną wartość napięcia ładowania;

– monitorować prąd ładowania i rozładowania poszczególnych szeregów ogniw i sygnalizować jego redukcję, gdy wartości znamionowe prądu ładowania lub rozładowywania zostały przekroczone;

– monitorować temperaturę akumulatora i odpowiednio dostosowywać wartości graniczne prądu ładowania i rozładowania;

– rozłączyć akumulator w przypadku przeładowania lub nadmiernego rozładowania;

– rozłączyć akumulator w przypadku podjęcia próby ładowania lub rozładowania w temperaturze wykraczającej poza zakres przyjętych wartości granicznych. Aby zapewnić długi okres eksploatacji i wysoką wydajność akumulatora, a także efektywnie wykorzystać jego pojemność, z systemem BMS muszą być zintegrowane następujące funkcje:

– monitorowanie temperatury akumulatora i przesyłanie sygnałów do systemu ogrzewania/chłodzenia, aby utrzymać temperaturę w zalecanym zakresie;

– wyrównywanie stanu naładowania akumulatora poprzez równoważenie naładowania poszczególnych ogniw, aby utrzymać optymalne wykorzystanie pojemności akumulatora;

– dokładne szacowanie stanu naładowania systemu w oparciu o historię ładowania i rozładowywania oraz napięcie ogniw;

– dostarczanie danych o parametrach roboczych akumulatora do innych systemów;

– szacowanie pozostałej pojemności (stanu zużycia) akumulatora.

Skomplikowane, prawda?

Zalety samochodu elektrycznego

Są też plusy o których nie wspomniałem. Plusem jest przyspieszenie elektryka, prawie jak w formule F1. Możliwe nawet 100 km/h w 2 sekundy. Jest to jedyny plus (jak ktoś lubi mieć żołądek w gardle).

Autor: mgr inż. Marek Zadrożniak
Źródło: WolneMedia.net

Od autora

Jestem magistrem inżynierem elektrykiem, po studiach dziennych na Politechnice Warszawskiej, praca magisterska/obrona 4,5/5,0. Trochę też (prawie 40 lat) pracowałem w tej dziedzinie, zaś podane liczby i wyliczenia może każdy sprawdzić, bo to wszak pierwsza klasa szkoły podstawowej.

Reakcja

0%0Pozytywnie0%0Neutralnie 0%0Negatywnie

Twoje emocje

0%0Lubię to!

0%0Super0%0Ekscytujący 0%0Ciekawy0%0Smieszny0%0Smutny0%0Wściekły0%0Przerażony0%0Szokujący0%0Wzruszający0%0Rozczarowany0%0Zaskoczony

Co sądzisz?

0%0Prawda0%0Manipulacja0%0Fake news

0

0Ulub

Oryginalne źródło ZOBACZ