Rychlo-dobíjení alias Fast-charging

Díky vývoji v oblasti baterií (energetických úložišť) vznikají v dopravě alternativy provozu elektrických vozidel. Fast-charging neboli rychlodobíjení je jednou z nich. Za krátkou dobu dokážete nabít baterii velkými výkony, aniž by se bateriový systém extrémně zahříval, a tím klesala jeho cyklická a kalendářní životnost.

Pro fast charging je v současnosti nejvhodnější baterie LTO (ty z nejlepších mají životnost 25 – 39 tisíc cyklů při 80% DOD). Mluvíme zde o high-power technologii (HP). Fast-charging lze také dělat s momentálně nejrozšířenější technologií baterií NMC nebo LFP. Tyto technologie nazýváme high-energy (HE). Nevýhodou je, že ve vozidle musí být obrovská kapacita baterie, ze které se bude využívat pouze minoritní část (např. 30 % ze 400 kWh), aby se tolik nepřehřívala a udržela si svou životnost. U technologií NMC a LFP se bavíme řádově o 2 – 5 tisících cyklů při 80% DOD, což je minimálně 5krát nižší životnost než u LTO baterie.

Fast-charging je momentálně nejrozšířenější v provozu městských autobusů. Tato varianta zde zakořenila díky možnosti využití nabíjecí infrastruktury a potřeby pouze kratších dojezdů na jedno nabití (oproti variantě depo charging s high-energy bateriemi). Je to princip provozu autobusů, kdy se po své trase na zastávkách nebo jen na konečných zastávkách trakční baterie autobusu dobíjí velkými výkony (200 – 800 kW). Tento princip nazýváme také opportunity-charging (pozn. v podstatě to samé jako fast-charging v jiném názvosloví). Tento princip umožňuje:

• nepřetržitý provoz vozidla 24/7 (nemusí se hodiny nabíjet),
• několikanásobné zvýšení životnosti baterie,
• efektivnější rekuperaci,
• fungování HP baterie už při mínusových teplotách bez přídavných ohřívačů,
• menší nároky na nabíjecí infrastrukturu v depu, protože se vozidla postupně nabíjí po cestě,
• snížení celkových nákladů na vlastnictví TCO a provozních nákladů, když jsou dobře nastaveny všechny aspekty.

Můžete samozřejmě namítnout, že jsou zde větší nároky na dobíjecí infrastrukturu a rezervovaný výkon z elektrické sítě. Výběr principu fungování elektrických autobusů v městském provozu by měl být v počátečních fázích doprovázen analýzou s pečlivými výpočty. Jednodušší to budou mít města, kde je zavedena tramvajová a trolejbusová doprava. Po cestě je přístup k dostatečnému příkonu ze sítě.

Praktický příklad výpočtu velikosti baterie může být například 40km linka napříč městem a zpět. Při zimní spotřebě 1,6 kWh/km lehce vypočítáme 64 kWh na ujetou vzdálenost. Protože baterii nechceme vypotřebovat až do prázdna (tzn. 100 % DOD nebo 0 % SOC), zvýšíme kapacitu na 80 kWh. S touto kapacitou baterie nám bude stačit rychlonabíječka pouze na jedné konečné stanici. Výkonem 560 kW se nabije za 7 minut a autobus může jet vesele další okruh. Infrastrukturu na trase můžeme libovolně variovat. Každý si může sám jednoduše vypočítat, že přidáním dalších rychlonabíječek na trase, větších či menších kapacit baterií, můžeme dosáhnout libovolných hodnot a optimalizovat fungování MHD.

Realizací a inspirací začíná být po Evropě mnoho. Například MZK v městě Zielena Gora v Polsku deklaruje z 60 % elektrifikovaný vozový park.

Zajímavými vozidly jsou trolejbus a tramvaj.  Proč by měly mít baterii, když jedou celou dobu napájené pod trolejí? Hlavní důvodem jsou stále se rozšiřující města. Hlavně u trolejbusů můžeme pomocí baterie jednoduše dosáhnout prodloužení linek do vzdálenějších částí měst, městské aglomerace a vesnic bez nutnosti budovat trolejové vedení. U tramvají to může být hlavně nemožnost umístit trolej do památkově chráněných území nebo nedostatečný výkon sítě. Jakmile si vozidlo zpět dojede pod trolej, baterie se znovu dobíjí.

Dalším důvodem je efektivní rekuperace energie při brzdění, a tím snižování provozních nákladů na energii. Dříve se pro rekuperaci využívaly superkapacitory, ty jsou však vytlačovány LTO bateriemi pro jejich dostatečné výkony a vyšší kapacitu.

Velmi dobré řešení pro města, která mají vybudovanou infrastrukturu. Parciální trolejbusy můžete vidět v mnohých českých městech, jako jsou například Pardubice, Plzeň, Brno, Zlín, Teplice, Hradec Králové, České Budějovice, Praha, Mariánské Lázně, Ostrava, Opava, Ústí nad Labem.

Velký potenciál je pro:

• letištní techniku – souhrnně GSE (Ground Support Equipment). Jmenovitě např. posunovače letadel (pushback, taxibot, towbarless tractor), tahače zavazadel, pojízdné schody);
• stavební stroje – bagry, jeřáby;
• přístavní lodě – ferry, remorkéry;
• skladištní technika – např. AGV, vidlicové vozíky.

Nakonec ještě shrnutí výhod získané rychlodobíjením:

• velký výkon pomocí malé kapacity baterie (mnohdy bez použití klimatizace),
• zvýšení životnosti baterie (blíží se životnosti vozidla samotného),
• snížení nákladů na vlastnictví (TCO),
• zvýšení produktivity vozidla – nabíjení na trase, možnost provozu 24/7.

Všeobecně by se dalo říci, že vývoj elektrifikace napříč odvětvími vedl přes high-energy baterie (olověné, NMC, LFP). Pro hodně operátorů vozidel byl v minulosti co nejdelší dojezd hlavní prioritou. Také při prvních pokusech o elektrifikaci nebyly dostatečně vyvinuté baterie pro rychlonabíjení (LTO). Díky technologickému pokroku v současnosti můžeme říci, že ve výše uvedených odvětvích dávají rychlodobíjecí baterie provozní i ekonomický smysl.  Proto se zde očekává velký rozvoj.

Bude zajímavé sledovat, které další odvětví se stane přelomovým a elektrifikuje se pomocí fast-charge technologií. Určitě na to nebudeme dlouho čekat.

POUŽITÉ POJMY

• High-energy, NMC (lithium-magnesium-kobalt), LFP (lithium-železo-fosfát)
• High-power, LTO (lithium-titanát)
• Formy elektrifikace:
  •     Fast-charging – rychlodobíjení
  •     Opportunity charging – doslova „příležitostné dobíjení“, v české odborné terminologii častěji „průběžné dobíjení“
  •     Depot-charging – dobíjení v depu
• Městské autobusy, Parciální trolejbusy, Přístavní zařízení, letištní technika, AGV (Automated guided vehicle – automatická vedená vozidla), přístavní lodě
• DOD depth of discharge – hloubka vybití
• SOC state of charge – stav nabití
• PEMA Port equipment manufacturers association
• TCO total cost of ownership – celkové náklady na vlastnictví

Použité zdroje

https://www.kalmarglobal.com/equipment-services/straddle-carriers/electric-straddle-carrier/