Elektrovozidla

Elektromobily

Elektromobilita

Elektrifikace osobní dopravy se začala zvyšovat. Hlavní překážkou bránící masivnějšímu nástupu elektromobilů dnes není dojezd, nýbrž pořizovací cena. Ale ta je, jako u každé nové technologie od mobilů po LCD televize, předurčena k tomu, aby postupně klesala.

První elektromobily jezdily již před více než 100 lety. V současné době je elektromobilita žhavým tématem, mediálně atraktivní a populární image záležitost. V řadě zemí běží pilotní projekty na zavádění elektromobilů do praxe, především ve světových metropolích. Výhody jsou vyšší účinnost ve srovnání se spalovacím motorem, nulové lokální emise, bezhlučnost, nezávislost na ropě. K hlavním nevýhodám elektromobilů patří zatím malý počet dobíjecích stanic, pomalé nabíjení baterií (kromě rychlonabíjecích), nízký dojezd, vysoká cena vozidel, chybějící legislativa pro podporu elektromobility, nejednotnost komponentů např. dobíjecích koncovek. V roce 2018 se prodalo 703 elektromobilů a nyní je v České republice registrováno cca 2.200 (2019) elektromobilů.

Elektromobilita tvoří ze své podstaty nedílnou součást světa, pro který se vžil pojem „smart“. Jedná se o propojení bezemisní dopravy se světem energetiky, tj. jak se budou elektromobily dobíjet a jak je lze zakomponovat do fungování systému výroby a distribuce energie.

Z pohledu města může mít elektromobilita řadu dimenzí, např.:

• vozidla na elektrický pohon jako součást flotily zabezpečující služby v rámci města (MHD, služební vozidla, komunální služby, …),
• podpora většího využívání elektromobilů vhodnými opatřeními jak pro firemní, tak i soukromé uživatele (parkování, využití jízdních pruhů pro autobusy, pobídky pro bezemisní zásobování v určitých zónách a podobně) jako součást komplexnější dopravní strategie na území města,
• elektromobil jako primární i sekundární součást akumulace energie,
• podpora instalace veřejné dobíjecí infrastruktury ve smyslu odstraňování jedné z bariér rozvoje elektromobility, vč. například požadavku na konektivitu pro dobíjení pro nově budovaná parkoviště apod.

Výhody a nevýhody

Motor

Elektromotor poskytuje vysoký točivý moment prakticky od nulových otáček, a proto nemusí mít tak vysoký jmenovitý výkon jako spalovací motor, který má nejvyšší kroutící moment až při několika tisících otáčkách za minutu. Jízda je proto velmi plynulá. Elektromotory jsou prakticky bezporuchové, bezúdržbové a mají životnost překračující ostatní části vozidla. Pokud vozidlo stojí, nespotřebovává žádnou energii (obdoba funkce Stop-Start u vozidel se spalovacím motorem).

Účinnost

Účinnost elektromotoru i dobíjení akumulátorů dosahuje až 90 %. Celková účinnost pohonu závisí na účinnosti výroby elektřiny pro pohon z primárního zdroje a energetické účinnosti použitých akumulátorů či palivových článků (ta se pohybuje kolem 50 – 80 % podle použité technologie – olovo, NiMH, Li-ion, Li-pol). Na rozdíl od běžného automobilu lze ale zvyšovat využití energie tzv. rekuperací, v praktickém provozu až o přibližně 25 % – to je možné zvláště v městském provozu nebo členitém terénu.

Baterie

Další výhodou je v podstatě bezúdržbový provoz trakčního systému a chlazení akumulátorových článků. Měrná kapacita (energie na kilogram) nejlepších současných akumulátorů dosahuje přibližně 1/15 měrné kapacity benzinu, což omezuje akční rádius elektromobilů. Nejkvalitnější kapalná fosilní paliva (jako například benzin) mají výhřevnost přes 11 kWh/kg, což při 35 % účinnosti motoru znamená asi 3,5 kWh mechanické práce. Navíc odpadní teplo lze v zimním období využít pro vytápění automobilu. Poškozené články nebo baterie s menší kapacitou výrobce vymění, průmyslově repasuje nebo ekologicky zlikviduje. Problém není ani v případě dopravní nehody bateriového vozidla, kdy rizika nejsou vyšší než při nehodě klasického vozidla.

Dojezd a dobíjení

Energie v běžných elektromobilech může být pro řadu řidičů dostačující. Rádius lze také operativně prodlužovat rychlodobíjením nebo tzv. příležitostným dobíjením ze standardní elektrické sítě na pracovišti apod. V tomto režimu by pak akční rádius elektromobilů mohl být teoreticky i několik set km denně, čehož lze využít především v sektoru služeb. Dobíjecí stanice lze instalovat prakticky kdekoli. Převážně se staví v obchodních centrech a u budov veřejné správy. Lze je také instalovat jak v rodinných domech, tak i v zástavbě bytových domů. Nevýhodou v sídlištní zástavbě však může být nedostatek vhodného prostoru pro vybudování dobíjecích stanic a technické možnosti instalace.

Cena a provozní náklady

Nevýhodou je vysoká pořizovací cena vozidla, nižší dojezdová vzdálenost a delší doba potřebná pro nabíjení. Lze předpokládat, že se elektromobily budou v budoucnosti stále více využívat z důvodu ochrany životního prostředí, růstu cen pohonných hmot a snížení dostupnosti fosilních paliv.

Náklady na provoz elektromobilu jsou zejména v ceně vlastní elektrické energie a zbytek provozní ceny pak tvoří amortizace akumulátorů a ostatní typická údržba, která se netýká pohonu. V přepočtu nákladů na km jsou náklady na provoz elektromobilu v porovnání se spalovacím motorem výrazně nižší. Pohonná soustava vozů se spalovacím motorem vykazuje rychlejší opotřebení, musí se provádět pravidelná údržba, výměny provozních kapalin, maziv a filtrů, a to jsou hlavní faktory, které výrazně kompenzují vyšší pořizovací náklady elektromobilu. Typická servisní prohlídka spočívá v záměně pneumatik pro rovnoměrné opotřebení a dolití kapaliny ostřikovače.

Ekologie

Elektromobily neprodukují svým provozem výfukové plyny a i se započítáním výroby elektrické energie ze „špinavějších“ zdrojů (např. hnědé uhlí) může jejich bilance vlivu na životní prostředí být lepší, než u automobilů se spalovacími motory. Při výrobě elektřiny mají elektrárny řízené spalování, kde se velice přísně měří emise vypouštěné do ovzduší. Není pravda, že kvůli elektromobilům bude třeba stavět nové elektrárny. Ze studie Vysokého učení technického v Brně vyplývá, že 1.000.000 elektromobilů ročně spotřebuje 4 TWh, což je méně než 5 % dnešní výroby v ČR (2017) při výrobě 87 TWh ročně. Přitom elektrárny jsou vytížené na 50 % a automobily v domácím prostředí většinou nabíjejí v noci. ČR ročně vyveze saldo 13 TWh (2017) elektřiny. I kdyby se do roku 2035 nepostavily žádné elektrárny, elektřina, kterou vyvážíme, by stačila pro 4 miliony elektromobilů v ČR, které budou denně v provozu.

Samozřejmě nejčistší zdroj elektřiny je solární panel připojený do elektrické sítě. Energii pro elektromobil lze tak vyrobit i soukromě.

Ostatní

Za současného stavu vývoje elektromobilů je důležité neplýtvat energií pro pohon. Některé sériově vyráběné modely elektromobilů úspěšně uplatnily kombinaci odlehčené hliníkové karoserie a kompozitních vnějších panelů, a to vše za dodržení bezpečnosti pro posádku, s výsledkem podstatné redukce hmotnosti vozidla. Ke zvýšení dojezdu přispívá i použití pneumatik se sníženým valivým odporem a zlepšená aerodynamika vozidel.

Rozšíření

V současnosti brání většímu rozšíření elektromobilů mimo dobíjecí infrastruktury zejména dva faktory: jednak výrobní (a tedy i pořizovací) cena vozidla, jednak dojezd plynoucí z neexistence efektivních baterií (současné jsou nedokonalé z hlediska intenzity uložené energie, tj. poměru kW/kg). Po masovějším rozšíření elektromobilů by mohla klesnout jejich cena díky poklesu v jejich jednotkových výrobních nákladech. Technologický problém týkající se neefektivity baterií by mohl v budoucnu vyřešit pokrok v oblasti nanotechnologií: dokud totiž baterie nebudou alespoň 5× účinnější než stávající Li-ion baterie, bude elektromobil odkázán na okraj trhu. Využití elektromobilů se stávajícími technologiemi je v realitě možné v případě rozvážkových automobilů, které dlouhou dobu stojí, a občas kousek popojedou, zejména v přetížených centrech měst. Zde je nespornou výhodou nulovost emisí z těchto vozidel, což může upozadit jejich ostatní nevýhody (cena, nepraktičnost apod.)

Prodej elektromobilů se meziročně zvedl o 47 %. V roce 2016 se jich v ČR prodalo 262 kusů, za rok 2017 to bylo 320 kusů a za rok 2018 dokonce 703 osobních aut čistě na elektřinu.

Vedoucí pozici si připisuje oblíbený Volkswagen e-Golf (264) obr. č. 12, následuje BMW i3 (124), a Nissan Leaf (123). Elektromobilů Tesla se v Česku v roce 2018 prodalo 85 ks. Mezi další oblíbená vozidla patří Hyundai Ioniq Electric, který si připsal 56 kusů. Volkswagen e-Up! má na kontě za rok 2018 celkem 48 kusů.

Obr. č. 12: Elektromobil VW e-Golf

Nabíjecí infrastruktura

• AC: Nabíjecí stanice do 22 kW/32 A na střídavý proud:
  • Pomalé dobíjení přes noc/přes den (výkon 2,3 – 11 kW, typicky AC). Kabelová nabíječka v autech na 230 V zásuvku má typicky 230 V/10 A tedy 2,3 kW. Auto se pak dobíjí 15 –20 hodin podle velikosti baterie.
  • Standardní dobíjení na veřejnosti (výkon do 22 kW, typicky AC). Orientačně lze kalkulovat plné dobití průměrného vozidla za cca 3 – 4 hodiny dle typu vozidla (22 kW), 1 minuta dobíjení zajistí dojezd na 2 – 2,5 km (22 kW).

Nabíjecí stanice do 22 kW/32 A na střídavý proud (AC) vlastně ani nabíječky nejsou. Skutečné nabíječky jsou v tomto případě umístěny přímo v elektromobilu. Jedná se o tzv. palubní nabíječky. Tato nabíjecí stanice je pouze konektor, který posílá střídavý proud (AC) do nabíječky v elektromobilu. Nabíječka v autě pak mění střídavý proud na stejnosměrný a posílá ho do baterie.

Zásuvky je vhodné mít co nejblíže k domovnímu rozvaděči, jinak se bude snižovat rychlost nabíjení. Prodlužovací kabel také snižuje rychlost nabíjení a výrobci ho kvůli nebezpečí přetížení a požáru nedoporučují používat.

• Rychlé/ultrarychlé dobíjení DC pro okamžité prodloužení dojezdu (výkon vyšší než 22 kW/32 A, v budoucnu více než 100 kW). CCS používané v Evropě a CHAdeMO používané především v USA a Japonsku. Orientačně lze kalkulovat dobití 80 % kapacity akumulátoru průměrného vozidla za 30 –60 minut (50 kW), 1 minuta dobíjení zajistí dojezd na 4 km (50 kW).

Problematika dobíjecí infrastruktury je ošetřena i legislativně, konkrétně jde o směrnici č. 2014/94/EU ze dne 22. října 2014 o zavádění infrastruktury pro alternativní paliva, která byla do české legislativy implementována s pomocí zákona č. 311/2006 Sb., o pohonných hmotách a čerpacích stanicích pohonných hmot a o změně některých souvisejících zákonů (zákon o pohonných hmotách). Tato legislativa specifikuje požadavky a povinnosti při výstavbě a provozu dobíjecích stanic, zejména:

Povinný EU standard (Mennekes Type 2, Combo II (CCS) pro DC).
Požadavky na transparentnost a nediskriminační přístup vůči zákazníkům, kteří stanice využívají.
Evidence a zveřejňování stanic (v působnosti MPO).

V případě dobíjení na veřejnosti by měl model dobíjení odpovídat způsobu využití dané lokality, kde je dobíjecí infrastruktura umístěna, tab. č. 4:

CHAdeMO je obchodní název pro rychlý způsob nabíjení elektromobilů. Jedná se o 62,5 kW vysoké napětí stejnosměrného proudu přes speciální konektor (http://chademo.com), obr. č 13.

Obr. č. 13: CHAdeMO zásuvka – (Nissan, Mitsubishi, Kia)

CHAdeMO je zkratka z anglického „CHArge de MOve“, což odpovídá „poplatek za pohyb“. Protože CHAdeMO porty nepodporují AC nabíjení, auta musí mít dva nabíjecí porty – jeden pro CHAdeMO, druhý pro AC, obr. č. 14, 15.

Obr. č. 14: Leaf Nabíjecí panel Nissan

Obr. č. 15: Konektor CHadeMO

Kombinovaný systém nabíjení (CCS) je založen na otevřených a univerzálních normách pro elektrická vozidla. CCS kombinuje jednofázové nabíjení s rychlým třífázovým nabíjením s maximálním výkonem 43 kilowat (kW) a stejnosměrným nabíjením maximálně 200 kW a perspektivní výhled do 350 kW, obr. č. 16. Systém CCS obsahuje kombinaci konektorů a vstupů, stejně jako všechny ovládací funkce. Rovněž řídí komunikaci mezi elektrickým vozidlem a nabíjecím bodem EV.

Obr. č. 16: SAE Combo Charging Systém (CCS) – kombinovaný nabíjecí systém pro BMW, GM, VW a další)

Typy dobíjecích stanic

DC rychlodobíjecí stanice

Tato stanice je pro DC (stejnosměrné) dobíjení vybavena integrovaným kabelem, jehož koncovka musí být kompatibilní se zásuvkou ve vozidle, obr. č. 17.

Obr. č. 17: Příklad DC rychlodobíjecí stanice

DC dobíjecí stanice může být vybavena jedním z výše uvedených standardů nebo oběma. DC dobíjecí stanice mohou být také vybaveny doplňkovou možností nezávislého AC dobíjení, a to buď v podobě zásuvky anebo integrovaného kabelu. Obojí zpravidla ve standardu Mennekes (tj. na DC stanici mohou být až 3 standardy dobíjení – 2x DC a 1x AC). Nabíjení na stanici DC je nejúčinnější při stavu baterie nižší než 80 %. Po tomto okamžiku se nabíjení výrazně zpomalí.

AC dobíjecí stanice

V případě AC stanic existují dvě možná řešení:

• Dobíjecí stanice vybavená zásuvkou

Na dobíjecích stanicích vybavených zásuvkou uživatel většinou používá vlastní kabel. Nové typy nabíjecích stanic už tento kabel integrují. Nevzniká tak problém s kompatibilním standardem na straně vozidla, klíčová je kompatibilita koncovky kabelu se zásuvkou stanice (typ Mennekes), obr. č. 18.

Obr. č. 18: Dobíjecí stanice vybavená zásuvkou

• Dobíjecí stanice vybavená integrovaným kabelem

Použitelnost dobíjecí stanice je dána standardem konektoru na kabelu dobíjecí stanice (musí být kompatibilní s vozidlem) – analogicky jako u DC dobíjecí stanice, obr. č. 19.

Obr. č. 19: Dobíjecí stanice vybavená integrovaným kabelem

• „Wallbox“

„Wallbox“ představuje profesionální řešení pro pravidelné dobíjení elektromobilu, zejména v domácím a fleetovém použití, obr. č. 20. Ideálně by se mělo jednat o základní rozhraní při dlouhodobém užívání elektromobilu a jeho nabíjení, a to i v případě soukromého využívání v domácnostech, neboť představuje mezistupeň mezi kabelovou přípojkou a vidlicí nabíjecího kabelu, díky kterému nedochází ke vzniku přechodového proudu a rizika požáru. Mezi jeho další výhody patří:

• Je levnější než standardní dobíjecí stanice používaná na veřejnosti (umožňuje ale dobíjet jen jedno vozidlo).
• Zpravidla nemusí plnit požadavky anti-vandal provedení (pokud není umístěn veřejně).
• Může disponovat srovnatelnou inteligencí pro sledování, komunikaci a vyhodnocování jako v případě dobíjecí stanice.
• Je vybaven buď zásuvkou (nutnost použití kabelu ve vozidle) nebo integrovaným kabelem (pohodlnější pro uživatele, ale vyžaduje kabel kompatibilní s vozidlem).
• Typicky je instalován pro každé parkovací stání elektromobilu (každé vozidlo má svůj wallbox).

Běžná AC zásuvka

Tento typ zásuvek není primárně určený k nabíjení elektromobilů, obr. č. 21. U nových instalací dobíjecích stanic se už od této zásuvky upouští. V principu je pro pravidelné dobíjení vozidel použitelná, ale s určitými nevýhodami / omezeními:

• Nutnost redukce na kabel elektromobilu (1fázové ani 3fázovné zásuvky nejsou standardy pro elektromobily).
• Dodatečné jištění (na přívodním kabelu), protože zásuvka neumožňuje komunikaci s vozidlem.
• Zásuvka musí být konstruována pro pravidelné mnohahodinové zatížení při dobíjení (běžné zásuvky často nejsou ani připojením ani použitými materiály vhodné pro dlouhodobý provoz jakožto dobíjecí bod).
• Sledování spotřeby podružným měřením, velmi omezené možnosti ovládání na dálku apod.
• Není možné jednoduše zabránit zneužití pro jiné účely, než je dobíjení elektromobilu.

Mnoho českých domácností vlastní 3fázovou zásuvku, obr. č. 21.

Obr. č. 21: Příklady provedení AC zásuvek

Konektory nabíjecích stanic

Před jízdou na nabíjecí stanici je důležité vědět, zda je vozidlo kompatibilní s dostupnými konektory. To je zvláště důležité pro rychlodobíjecí stanice DC, které nejsou Tesla. Některé mohou mít pouze konektor CHAdeMO, jiné jen konektor Combo CCS a jiné budou mít oba, obr. č. 22.

Nejběžnějším konektorem je zásuvka Mennekes. Nutno zjistit kompatibilitu konektorů s konkrétní značkou vozu:

• Asijské: Nissan Leaf, Mitsubishi i-Miev atd. Tyto vozy používají standardní konektor CHAdeMO.
• Americké / evropské: BMW i3, Mercedes, Volkswagen atd. Tyto vozy používají standard SAE Combo CCS.
• Tesla: Model S a model X. Tesla používá vlastní standard Tesla konektoru.

Obr. č. 22: Dostupné konektory

Shrnutí:

Tab. č. 5: Rozdělení nabíjecích zdrojů a typy konektorů (Zdroj: ČEZ distribuce)

Zdroj informací ohledně míst dobíjecích stanic:

www.evmapa.cz
www.krajskenabijecky.cz/moravskoslezsky-kraj
www.hybrid.cz/mapa-stanic/
http://www.elektromobilita.cz/cs/mapa-dobijecich-stanic

Způsoby platby u nabíjecích stojanů

Nabíjení elektrovozidel u dobíjecích stanic je různé:

Elektronický čip – pro možnost nabití stanice vyžadují speciální čip, kterým se nabíjecí stanice odemkne (např. ČEZ – nutnost uzavření smlouvy, následně ČEZ vydá čip pro identifikaci a placení se provádí pomocí paušální platby).

Platební kartou – nejjednodušším způsobem placení za nabíjení je použití běžné platební karty, kterou dnes již všichni používají. Odpadá zde nutnost pořizovat čipy různých společností či registrace do mnoha aplikací jednotlivých provozovatelů, obr. č. 23.

www.evmapa.cz – o registraci na webu www.evmapa.cz, se následně určí aktivační telefonní číslo (může být i více telefonních čísel). Následně je třeba vložit libovolnou finanční částku na kredit v zpřístupněném účtu pomocí platební karty či mobilního telefonu. Při nabíjení se z této částky odebírá daný kredit za odebrané kWh. Na webové stránce www.evmapa.cz se nachází také přehledná mapa, kde jsou nabíječky konkrétně umístěny.

Zdarma – u některých nabíjecích stanic je možnost nabíjet zdarma, např. stanice Moravskoslezského kraje podpořené v projektu Chytřejší kraj (www.krajskenabijecky.cz) či některých obchodních řetězců.

Ostatní – provozovatelé stanic, kteří využívají jiné způsoby identifikace zákazníka a plateb (např. čipy, karty apod.)

Vše je nutno před výjezdem a nabíjením důkladně prostudovat.