Baterie pro parciální trolejbusy (2/5)
První článek z naší školy baterií uvedl čtenáře do problematiky baterií sloužících k pohonu vozidel. Náš druhý článek má za cíl poskytnout uživatelům i investorům do trolejbusové dopravy ucelený pohled na výběr alternativního pohonu trolejbusu, zejména pak akumulátorového pohonu pro parciální trolejbus.
HISTORIE TROLEJBUSU
Parciální trolejbus je poměrně nový pojem, který se objevil s nástupem elektromobility a využití trakčních baterií ve vozidlech pro hromadnou dopravu. Samotný trolejbus je ale vozidlo známé již více než sto let. První trolejbus spatřil světlo světa již v roce 1882. Jmenoval se Elektromont a jeho vynálezcem byl Werner von Siemens. Vozidlo, které vzhledově vypadá jako kočár tažený koňmi, jezdilo v Berlíně 6 týdnů ve zkušebním provozu.
Zde můžeme spatřit zajímavou paralelu: Zatímco první elektromobil se objevil již v roce 1835 a v roce 1899 jako první vozidlo pokořil elektromobil hranici 100km/h, první trolejbus byl nasazen do provozu v roce 1882, tak první spalovací automobil byl patentován v roce 1886. Elektromobilita tak měla již na počátku revoluce dopravy – nahrazení koňského pohonu motorem – značný náskok. Na svůj rozvoj si však musela počkat mnohem déle než motor spalovací. Na rozdíl od elektromobilů si však trolejbus své místo na slunci udržel po celou dobu a rozvíjel se jako jedinečný prostředek pro osobní hromadnou dopravu. Za svůj rozvoj vděčí i ropným krizím ve 20. století.
TROLEJBUS BEZ TROLEJÍ – DIESEL AGREGÁT VS. BATERIE
Než se blíže podíváme na jednotlivé technologie trakčních baterií parciálního trolejbusu, podívejme se, kde se vlastně parciální trolejbus vzal. Aby se snížila jejich provozní slabina v podobě závislosti na trakčním vedení ve velmi proměnlivém prostředí pouliční dopravy, vznikly trolejbusy s přídavným pohonem neboli hybridní trolejbusy (trolejbusy s pomocným pohonem či parciální trolejbusy). Hybridní pohon umožňuje jízdu mimo trolejbusové trakční vedení. Tento pohon může být bateriový nebo motorový.
Zde je potřeba rozlišit, zda se jedná o pomocný pohon, který není určen pro plnohodnotnou jízdu, nebo o plnohodnotný pohon, díky kterému je trolejbus i mimo dosah trakčního vedení plnohodnotným vozidlem. Zatímco pomocný pohon zpravidla slouží k občasnému krátkodobému využití bez trolejí, např. popojetí v depu nebo k nedlouhým jízdám na lince mimo trolej, plnohodnotný pohon musí umožnit trolejbusu jízdu se stejným komfortem jako při jízdě pod trolejemi i delší vzdálenost.
V případě motorového pohonu je využito diesel agregátu, který vyrábí elektřinu pro trakční motory vozidla, a to zpravidla jako k pohonu pomocnému. Toto řešení však naráží na závažný problém, a tím je charakteristika provozu. Diesel agregát se startuje ve chvíli, kdy trolejbus opouští trakční vedení, vozidlo jede několik kilometrů a vrací se zpět. Během tohoto krátkého výletu se motor nestačí ani dostatečně ohřát a velice tím trpí, což má vliv na jeho následnou poruchovost a tím i náklady na údržbu. (Poznámka: V přepočtu tak může mít diesel agregát spotřebu i více než 60 l/100 km jízdy!).
Bateriový pohon v trolejbusech může sloužit jako pomocný pohon i jako plnohodnotný pohon. V druhém případě je to pro trakční baterie náročná výzva.
Využití trakční baterie jako plnohodnotného pohonu totiž znamená, že baterie musí pohánět elektromotory s výkonem 120 a více kW u 12metrových vozidel a přes 200kW u 18metrových a delších vozidel, aby byla zachována dynamika vozu. Parciální trolejbusy jsou využívány mnohokrát denně pro jízdu mimo trolejbusové vedení, a trakční baterie jsou tak vystaveny dvěma náročným úkolům:
Prvním úkolem je poskytnout vysoký výkon a dosáhnout mnoha cyklů po dobu jejich plánované životnosti. K tomu musíme jako druhý úkol připočíst požadavky na dlouhou životnost trakční baterie – v ideálním případě takovou, jakou má samotný trolejbus, než bude odeslán na generální opravu.
BATERIOVÉ TECHNOLOGIE PRO PLNOHODNOTNÝ PROVOZ MIMO TROLEJ
Pojďme se tedy podívat na jednotlivé bateriové technologie pro plnohodnotný provoz.
Zcela záměrně se nebudeme zabývat technologií NiCd/NiMh (viz první díl naší školy baterií neboli nikl kadmiovými/nikl metal hydridovými bateriemi. Ty byly používány jako trakční baterie před nástupem lithiových baterií a ukázaly se jako ne zcela vhodné, a to kvůli své velikosti, náročnosti na údržbu i dalším vlastnostem. Olověné baterie také vypustíme, protože ty jsou příliš těžké.
Z technologií používaných v současnosti nám zbývají lithiové baterie, které se v naprosté většině případů používají v dnešní elektromobilitě. I mezi lithiovými bateriemi existuje několik zásadních druhů. Pojďme se nyní podívat na ty nejpoužívanější, o kterých můžeme uvažovat jako o vhodných kandidátech na trakční baterii pro parciální trolejbus. Pro srovnání budeme používat několik specifikací, které si nyní představíme
TABULKA 1 PŘEHLED PARAMETRŮ LITHIOVÝCH BATERIÍ
| Parametr | Jednotka | Popis |
|---|---|---|
| Specifická energie | Wh/kg | Kolik Wh obsahuje jeden kilogram trakční baterie neboli množství energie v jednom kilogramu trakční baterie (představte si zjednodušeně jako hmotnost nádrže) |
| Specifický výkon | W/kg | Výkon baterie na jeden kilogram její hmotnosti |
| Hustota energie | Wh/l | Množství energie, které umístíme do objemu jednoho litru (představte si zjednodušeně jako velikost nádrže) |
| Hustota výkonu | W/l | Výkon, který nám může poskytnout objem jednoho litru baterie |
| Počet cyklů | Počet cyklů | Množství nabíjecích a vybíjecích cyklů (uvažujeme, že u každé baterie vybijeme a nabijeme 80 % její celkové energie) |
| C-Rate | Počet C | Hodnota poměru trvalého výkonu/kapacita |
| Cena za KWh | Kč/kWh | Kolik korun stojí každá kWh baterie |
| Cena za KWh cyklus | Kč/kWh/počet cyklů | Přepočet na cenu jednoho cyklu nabití/vybití |
| Přepočet na kilometr | Kč/km | Přepočet na jeden ujetý kilometr při spotřebě 2kWh/km |
Nyní si představme kandidáty na pozici trakční baterie parciálního trolejbusu. V elektromobilitě v hromadné dopravě vévodí tři technologie lithiových baterií: NMC (lithium nikl magnesium kobalt oxid), LFP (lithium železo fosfát) a LTO (lithium titanát oxid). Ty se liší svými vlastnostmi i cenou a každá z nich je vhodná pro jiné použití.
NMC má ze všech tří technologií nejvyšší specifickou energii i hustotu energie. Pokud tedy uvažujeme stejný objem pro baterii, NMC bude mít v tomto objemu nejvíce energie měřeno ve Wh. To samé platí pro hmotnost – pokud uvažujeme stejnou hmotnost pro všechny tři technologie, NMC bude mít největší energii ve Wh.
Pokud se podíváme na výkon baterií, pak nejlepší technologie je LTO, která na stejný objem i hmotnost poskytuje nejvyšší výkony. LTO vede i v počtu cyklů nabití-vybití.
Z pohledu bezpečnosti vede LTO následovaná těsně LFP bateriemi (lithium-železo-fosfátové).
Srovnání parametrů našich technologií lithiových baterií je v tabulce 2. Aby bylo srovnání spravedlivé, počítá se z bateriového systému včetně boxu bez zahrnutí chladicí jednotky.
TABULKA 2 SROVNÁNÍ PARAMETRŮ TRAKČNÍCH BATERIÍ – SROVNÁNÍ Z INTERNÍCH DAT NANO POWER
| Parametr | Jednotka | NMC | LFP | LTO |
|---|---|---|---|---|
| Specifická energie | Wh/kg | 154 | 82 | 40 -50 |
| Specifický výkon | W/kg | 231 nabíjení 171 vybíjení | 164 | 343 |
| Hustota energie | Wh/l | 196 | 153 | 60 |
| Hustota výkonu | W/l | 269 nabíjení 200 vybíjení | 306 | 462 |
| Počet cyklů | Počet cyklů | 3000 | 4000 | 25000 - 39000 |
| C-Rate | Počet C | 1C trvale | 2C trvale | 8C trvale |
| Cena za KWh | Kč/kWh | 14000 Kč | 13000 Kč | 40000 Kč – 54000 Kč |
| Cena za KWH a cyklus | Kč/kWh/počet cyklů | 4,6 Kč | 3,25 Kč | 1,25 Kč – 1,52 Kč |
| Přepočet na kilometr | Kč/km | 9,2 Kč | 6,5 Kč | 2,5 Kč – 3 Kč |
MODELOVÝ PŘÍKLAD
Abychom toto složitě srovnání zjednodušili, pojďme si stanovit modelový příklad požadavků na trakční baterii pro plnohodnotný provoz parciálního trolejbusu.
Představme si 12metrový trolejbus, který má každý den 10krát denně ujet 10 km na trakční baterii se spotřebou 2kWh/km. U každé baterie budeme počítat s tím, že na počátku můžeme vybíjet maximálně 80 % její energie, abychom mohli počítat s cykly dle tabulky 2. Požadovaná životnost baterie je minimálně 7 let, přičemž každý rok bude vozidlo 360 dní v provozu. Vozidlo požaduje pro pohon výkon 120 kW.
Z této slovní úlohy spočítáme základní ukazatele, které použijeme pro výběr trakční baterie a její správné velikosti.
- Životnost = počet cyklů = 7 let × 360 dní × 10 cyklů/den = 25 200 cyklů
- Minimální potřebná energie = 10 km × 2 kWh/km /80 % = 25 kWh
Potřebujeme zvolit baterii s kapacitou minimálně 25 kWh, která zvládne dodat výkon 120 kW a její životnost je 25 200 nabíjecích cyklů.
a) NMC a LFP baterie
U NMC a LFP musíme vyjít z jejich omezení výkonu. NMC má koeficient proudové zatížitelnosti (C-rate) ve výši 1C a LFP ve výši 2C. (Poznámka: C-rate, tedy koeficient proudové zatížitelnosti, udává rychlost nabíjení a vybíjení baterie. Pro praktické použití představuje poměr nabíjecího a vybíjecího výkonu baterie v kW a její kapacity v kWh). Trakční baterie jsou tedy schopny trvale poskytnout výkon 1× (u NMC) resp. 2× (u LFP) tak vysoký, kolik kWh energie obsahují.
NMC baterie tedy potřebuje kapacitu 120 kWh a LFP kapacitu 60 kWh.
U baterie NMC bude při této kapacitě životnost na úrovni 7+ let (baterie NMC dosáhne při vybití na 20 % energie vůči celkové kapacitě 25 až 30 tisíc cyklů, což stačí na požadavek 7 let).
U LFP baterie ale bude životnost méně než 3 roky, na požadovanou životnost 7 let bychom tedy museli LFP vyměnit 3krát.
b) LTO baterie
LTO má C-rate ve výši 8. Teoreticky by nám tak stačila kapacita 15 kWh na ujetí 10 km, ale potřebujeme 25 kWh. Výkon baterie bude více než dostačující – 200 kW pro nabíjení a vybíjení. LTO technologie dosahuje až 39 000 cyklů při využití 80 % původní energie, a tak životnost baterie v tomto případě bude více než 10 let.
Pokud podle tabulky 2 spočteme pořizovací náklady jednotlivých variant, nejdražší jsou LPF, které musíme 3× vyměnit s celkovými náklady 2 340 000 Kč a životností 8,3 let (3× výměna). NMC varianta vyjde na 1 680 000 Kč bez nutnosti výměny a životností 7 let. Nejlépe vychází LTO varianta s životností 10 let za pořizovací náklady 1 350 000 Kč.
Uvedený příklad slouží jako ilustrace výběru nejvhodnější technologie trakční baterie jako pomůcka při výběru požadavků na trakční baterii v parciálních trolejbusech. Pro skutečné zadání je vhodnější počítat s vyšší než minimální požadovanou kapacitou. V našem případě, kde na 10 km potřebujeme 20 kWh, by optimální kapacita LTO trakční baterie měla být 40 kWh. Z toho bude 20 kWh pro běžný provoz a zbytek jako rezerva pro nouzové případy, která zároveň výrazně prodlouží životnost bateriového systému. Náš vybraný LTO systém při využití 50 % instalované energie (odpovídá 10 km × 2 kWh/km z 40kWh baterie) bude schopen dosáhnout životnosti 100 000 cyklů. To by odpovídalo životnosti trakční baterie přes 25 let.
ZÁVĚR
Pro parciální trolejbus, který vyžaduje plnohodnotný výkon bateriového pohonu, je nejvhodnější chemií trakční baterie chemie LTO neboli Lithium titanát oxid. Je to dáno tím, že parciální trolejbus potřebuje relativně malý dojezd na trakční baterii, naopak klade vysoké nároky na množství nabíjecích cyklů a využitelný výkon trakční baterie. Z toho důvodu i technologie s nejvyšší cenou za kWh vychází jako nejlevnější řešení, protože parciální trolejbus ideálně využívá vysokého množství cyklů LTO. Jak si řekneme v dalších dílech Školy baterií, je volba správné technologie baterie pro konkrétní aplikace klíčová. Výhody jedné technologie mohou být v jiných typech použití naopak nevýhodou, a proto by současný i budoucí uživatel měl otázce výběru technologie trakční baterie, případně stacionární baterie vždy věnovat náležitou pozornost.