Trakční baterie u těžkých elektrických vozidel (4/5)
Vedle parciálních trolejbusů a elektrobusů, kterými se podobně zabývaly minulé dvě lekce naší školy baterií, se tentokrát podíváme na využití baterií pro další těžká elektrická vozidla v městském provozu. Patří sem zejména palivočlánkové a hybridní autobusy, bateriové tramvaje a vlaky, těžké nákladní elektromobily pro městské služby i další aplikace.
1. PALIVOČLÁNKOVÉ ELEKTRICKÉ AUTOBUSY
a) Vozidla a jejich použití
V souvislosti s palivočlánkovými autobusy se někdy též hovoří o vodíkových autobusech. Není to však zcela přesné. Vodík lze totiž také spalovat v zážehovém motoru podobně jako například zemní plyn. Jak však ukázaly testovací projekty, toto využití vodíku je sice rovněž ekologické, ale velmi neekonomické. Proto se vodík jako zdroj energie dnes prakticky bez výjimky používá v palivovém článku, kde odtržením elektronu od atomu vodíku, jeho následným vedením elektrickým obvodem a opětovným sloučením se zbylým kationtem vodíku a kyslíkem na vodní páru vzniká slabý elektrický proud.
Provozní výhodou palivočlánkových autobusů oproti čistě bateriovým pohonům je především dojezd na jedno naplnění nádrže srovnatelný s dieselovým autobusem – a právě tato výhoda žene palivočlánkové autobusy kupředu. Nevýhodou je zejména nutnost vodíkové plnicí infrastruktury a také složitější a dražší pohon, odrážející se v ceně vozidla.
V naší škole baterií nebudeme tento pohon detailně rozebírat, ale podíváme se blíže právě na roli trakčních baterií v něm.
b) Trakční baterie
Existují dvě základní koncepce pohonu palivočlánkových autobusů.
U první koncepce je palivový článek hlavním zdrojem energie. Příkladem této koncepce je palivočlánkový autobus Van Hool. Jako hlavní zdroj energie slouží 80kW palivočlánková jednotka, která je doplněná 36kWh lithium-titan-oxidovými (LTO) bateriemi.
U druhé koncepce je hlavním zdrojem energie trakční baterie. Tu lze nabít ze zásuvky, podobně jako u „nočního“ elektrobusu, a za jízdy ji dobíjí palivový článek o menším výkonu než v předchozím případě. Tuto koncepci užívá u svého palivočlánkového autobusu například Solaris.
Obě koncepce jsou správné a liší se vhodností pro konkrétní druh provozu. Zatímco vozidlo s palivočlánkovou jednotkou o kapacitě 80 kW a více jako hlavním zdrojem energie doplněným vyrovnávací malou baterií je vhodné do městského a příměstského provozu, vozidlo s menší palivočlánkovou jednotkou a větší baterií je vhodné i na delší trasy.
Ani toto vymezení však není zcela bez výjimek. U některých výrobců se pro tuto koncepci setkáváme s menším výkonem palivových článků, např. 70 kW a u některých s výrazně větším, až 120 kW. Pojďme se blíže podívat na to, proč.
Baterie je v palivočlánkovém autobusu vždy nutným prvkem. Palivový článek z fyzikální podstaty svého fungování (viz výše) totiž umí dodávat konstantní výkon, který ale není z pohledu nároků pohonného ústrojí autobusu dostatečný. Také mu nedělá dobře, pokud by se mělo opakovaně vypínat a zapínat. Zkrátka palivové články potřebují neustále dodávat energii s trvalým výkonem, např. 80 kW, tak jak bylo řečeno na příkladu výrobce Van Hool. Energie z tohoto vodíkového ústrojí jde do trakční baterie, která skrze trakční měnič dodává energii k elektromotorům i energii pro zásobování netrakční spotřeby. Potřebný trakční výkon u 12metrových vozidel je většinou 200 až 250 kW, a proto musí trakční baterie být schopna takového výkonového zatížení.
U městských autobusů je jedním z klíčových prvků hmotnost, a proto se u palivočlánkových aplikací volí malá baterie, která slouží jako vyrovnávací zdroj. Jeho úkolem je dorovnávat potřebný výkon pro pohon a zároveň absorbovat energii z rekuperace při brzdění. Malá baterie má malý zástavbový prostor a malou hmotnost, a to jsou u městského autobusu klíčové faktory. Cykly jsou také důležité, ale již méně, než tomu tak je u plně elektrických autobusů Takový městský palivočlánkový autobus totiž poměrně často stojí a v těchto chvílích je trakční baterie z vodíkového ústrojí nabíjena. Hloubka vybití baterie DOD je tak poměrně malá.
Příkladem budiž graf 1, který zobrazuje 40kWh LTO baterii pro palivočlánkový autobus v městském provozu. Jak je vidět na černé křivce, je využívána energie v rozmezí 60–30 %, tedy při DOD = 30 % (pro účely výpočtu životnosti jsme hodnotu DOD zaokrouhlili na 30 %).
Výzvou je ovšem teplota, protože výkon trakční baterie je po dobu provozu velmi vysoký a baterie tak produkuje velké množství ztrátového tepla, které ji ohřívá. O toto ztrátové teplo se musí postarat chladicí systém, vždy ale bude provozní teplota baterie vyšší než teplota chladícího média, ať se jedná o vzduch nebo kapalinu.
Na příkladu v grafu 1 vystoupá teplota baterie až na 45 °C, a v tabulce č. 1 níže tak můžeme odečíst životnost baterie
Víme, že průměrná teplota baterie je 45 °C a hloubka vybití baterie na počátku životnosti je 30 %. Z tabulky tak jednoduše odečteme počet cyklů, jehož baterie schopna, než její kapacita klesne na 80 % původní kapacity. V tabulce jsme označili buňku, která odpovídá tomuto zadání.
Z grafu je vidět že baterie je celkem 12krát denně nabíjena a vybíjena, a pokud bychom uvažovali, že každé takové nabití a vybití spotřebuje stejné množství energie, bude baterie schopna celkem 110 278/12 = 9 189 dní provozu neboli až 25 let.
Taková životnost je zbytečně velká a nabízí se prostor pro optimalizaci baterie, buď více využít její kapacitu a snížit výkon palivových článků, anebo použít baterii o nižší kapacitě. Nižší kapacita = nižší cena, nižší hmotnost, a to jsou dvě důležité oblasti.
Zatímco první koncepce s baterií jako vyrovnávacím prvkem má hlavní zdroj energie palivové články, druhá koncepce má trakční baterii jako hlavní zdroj energie a palivové články slouží pro pomalejší neustále dobíjení. Tato koncepce se velice podobá klasickému elektrobusu, který má palivové články jako efektivní nástroj navýšení energie v systému, a tím i dojezdu. Baterie zde musí být naopak, co se kapacity týče, co největší. V rámci zachování dostatečné obsaditelnosti vozidla ale musí mít také co nejnižší hmotnost.
Na grafu 2 můžeme vidět simulaci jízdy palivočlánkového autobusu s velkokapacitní baterií, zde konkrétně 200 kWh, a s palivočlánkovou jednotkou o výkonu 50 kW. Autobus ujede vždy 100 km a poté 30 minut stojí. Palivové články přitom po celou dobu dodávají energii do baterie.
Jelikož baterie nebude průběžně dobíjena rychlým nabíjením s vysokými nabíjecími výkony a její kapacita je na úrovni výkonu pohonu (1C C-Rate => výkon trakčního měniče = kapacita baterie), je optimální volit takovou lithiovou baterii, která má co největší specifickou energii, tedy NCA (Lithium Nikl Kobalt Aluminium Oxid). Ta je ale většinou nedostupná z důvodu plného vytížení výrobců pro osobní automobilovou elektrickou dopravu, a proto je vhodné použít baterii NMC (Lithium Nikl Magnesium Kobalt Oxid). Cyklické zatížení bude takové, že baterie během provozního dne udělá jeden celý cyklus (řekněme do 80 % hloubky vybití) a v takovém případě je baterie schopna najet 3 až 4 tisíce cyklů dle konkrétního výrobce. To odpovídá 4000 provozních dní nebo 11 letům provozu 360 dní v roce.
Uvažovat lze ale také o LFP (Lithium železo fosfát) baterii, která ale prakticky nebyla v palivočlánkovém autobuse nasazena. LPF baterie má výrazně nižší specifickou hustotu oproti NMC (NMC pro články dosahuje specifické energie i přes 220Wh/kg, někteří výrobci LFP uvádějí hodnotu specifické energie až 120 Wh/kg). Pokud bychom teoreticky použili 100kWh LFP baterii, která pro vybíjení zvládá krátkodobé výkony 2C, tedy 200 kW a kterou bychom nabíjeli výkonem 100 kW z palivových článků, mohli bychom takovou baterii využít jako třetí koncept v půli cesty mezi konceptem s malou LTO baterií a velkou NMC baterií.
Srovnejme nyní hmotnosti obou baterií NMC i LFP (uvažujme pouze bateriové články). NMC bude mít kapacitu 200 kWh a specifickou energii 220 Wh/kg. LFP bude mít kapacitu 100 kWh a specifickou energii 120 Wh/kg). V tomto případě na tom budou obě baterie přibližně stejně. Ovšem 100kWh LFP baterie bude výrazně levnější než 200kWh NMC baterie.
2. HYBRIDNÍ AUTOBUSY
a) Vozidla a jejich použití
Jistou renesanci dnes prožívají diesel-hybridní autobusy, kde baterie slouží pro elektrický pohon při rozjezdu (řádově ve stovkách metrů, do dosažení rychlosti cca 20 km/h) a nabíjeny jsou rekuperací při brzdění. Hlavní pohon zůstává dále dieselový, ale díky hybridní sestavě lze ušetřit až 30 % paliva, nemluvě o hluku při rozjezdu. Tento pohon dnes nabízí většina autobusových výrobců. Zde se jako zásobník energie uplatňují kromě baterií rovněž superkapacitory, které jsou odolnější vůči častému nabíjení a vybíjení a jejich o řád menší hustota energie zde nepředstavuje zásadní komplikaci.
Plug-in hybridní pohon kombinuje plně elektrický pohon s nabíjením ze zásuvky a dieselový motor. Například 12m plug-in hybridní (či elektrický hybridní) autobus Volvo má plně elektrický dojezd na jedno nabití baterií cca 7 km. Při poklesu kapacity nebo při potřebě dodatečného výkonu je pohon přepínán na hybridní, kdy je krouticí moment automaticky rozdělován mezi elektromotor a dieselový motor podle aktuálních provozních podmínek.
b) Trakční baterie
Městský provoz ať už se jedná o osobní automobil nebo hybridní městský autobus, je zatížen častým zastavováním a rozjížděním. To znamená vysoké výkony jak pro rozjezd vozidla, tak pro rekuperaci energie zpět do zásobníku energie. Záměrně používáme název zásobník energie, protože jak jsme již zmínili v úvodu k hybridním autobusům, u některých se používají místo baterií superkapacitory. Ty mají tu výhodu, že jsou schopné dodávat velmi vysoké C-Rate a mají opravu vysokou cyklickou životnost, a proto se skvěle hodí pro hybridní pohon typu Rozjezd-Zastavení. Touto cestou jde například Mercedes s modelem Citaro Hybrid.
U hybridního autobusu s baterií je koncepce velmi podobná – malá baterie dodává energii pro rozjezdy a rekuperuje brzdnou energii zpět. U hybridních vozidel se používají nejen lithium iontové akumulátory, ale i jiné chemie, např. NiMH (nikl metal hydridové baterie). U hybridního pohonu jsou jejich zásobníky energie, ať už se jedná o superkapacitory nebo o baterie, používány s velmi malou hloubkou vybití, a proto jsou schopny dosáhnout dlouhé životnosti, stejné jako vozidlo samo.
Na rozdíl od hybridních vozidel je koncept plug-in hybridních vozidel více podobný klasickým elektrobusům. Baterie je také možné dobíjet externí dobíječkou. Rozdíl je v tom, že dojezd čistě na baterie je oproti elektrobusům znatelně menší, většinou do 10 km. Pokud bychom tedy počítali se spotřebou 1,5 kWh/km, tak jako v předchozí lekci o elektrobusech, a stanovili bychom si jako podmínku konec životnosti baterie při dosažení 80 % původní kapacity, měla by mít hybridní baterie kapacitu minimálně 18,75 kWh.
Pojďme se podívat ještě na celé pohonné ústrojí. Plug in hybridy mohou mít dva typy pohonů. U prvního typu elektromotor a klasický spalovací motor pracují paralelně (tzv. paralelní hybrid), tedy mohou pracovat společně nebo každý zvlášť, případně se o potřebný krouticí moment pohonu spolu podělit. Druhým typem hybridního pohonu je ten, kdy spalovací motor funguje jako motor generátor, který nabíjí baterii, a ta pak zásobuje elektromotor/motory (tzv. sériový hybrid).
Pro ilustraci rozdílu provozu mezi PHEV a HEV (plug-in hybrid a hybrid) je níže zobrazen graf 3.
Rozdíl mezi PHEV a HEV je v tom, jak je baterie provozována. PHEV může být provozována tak, jak zobrazuje celá křivka od počátku do konce – nabíjení, jízda na spalovací motor, jízda pouze na baterii a hybridní režim motor + elektromotor. U provozu HEV je baterie v provozu pouze jako poslední část zobrazené křivky – vždy osciluje podél určité hranice stavu nabití SOC.
3. KOLEJOVÁ VOZIDLA S BATERIEMI PRO PŘEPRAVU CESTUJÍCÍCH
a) Vozidla a jejich použití
V městské dopravě v zahraničí se uplatňují také tramvaje s bateriovými zásobníky pro provoz bez troleje. Zpravidla jde o jízdu po krátkém úseku o délce stovek metrů až několika kilometrů.
Příkladem je tramvaj Škoda ForCity Classic pro turecké město Konya. Délka trati zde činí 4 km pod trolejí a 2 km trati bez troleje. Tramvaj pro tento projekt je konstruována pro nezávislý dojezd až 15 km.
Ve větším měřítku kapacity a výkonu se setkáme s využitím trakčních baterií u osobních vlaků (elektrických jednotek), kde bateriový zásobník energie řeší problém elektrického provozu na kratších neelektrifikovaných úsecích navazujících na hlavní elektrifikovanou trať, aniž by bylo nutno přikročit k jejich investičně náročné elektrifikaci.
Příkladem je elektrická jednotka Stadler Flirt Akku pro německého regionálního dopravce NAH.SH. Tyto elektrické jednotky budou mít za optimálních podmínek dojezd na baterie až 150 km. Nejdelší neelektrifikovaný úsek, kde budou provozovány, je předpokládán v délce 80 km – podobně jako v případě tramvají pro Konyu je zde tedy dostatek provozní rezervy. Baterie budou dobíjeny z trolejové infrastruktury při pobytu v pěti stanicích a během jízdy na trati.
b) Trakční baterie
Výběr vhodné aplikace baterií pro kolejová vozidla závisí stejně jako u elektrických autobusů, potažmo všech elektrických vozidel na tom, pro jaký provoz jsou určeny. Dá se říct, že provoz bateriových kolejových vozidel je prozatím takříkajíc v plenkách a po světě můžeme najít několik málo projektů, které zkušenosti s bateriemi poháněnými vozidly sbírají. Jak patrno z úvodu, kolejová vozidla je také nutné rozdělit na městské aplikace, např. metro a tramvaje, a na železniční aplikace, což jsou osobní a nákladní vlaky.
U městských aplikací je typická malá vzdálenost v řádech několika kilometrů na bateriový provoz. Proto kapacita baterie nemusí být nikterak veliká, ale baterie musí být schopná vysokých vybíjecích výkonů a mít dlouhou cyklickou životnost. Nejvhodnější pro městská kolejová vozidla je lithium titan oxidová baterie (LTO), která s malou kapacitou umí poskytnout dostatečný výkon pro pohonné ústrojí a zároveň má velkou cyklickou životnost, takže se provozovatel nemusí bát, že by baterii musel často měnit.
Při návrhu správné konfigurace baterie, tedy její kapacity, je optimální udělat simulaci provozu na baterii, která potvrdí, zda je z pohledu napětí, kapacity a výkonu baterie správně zvolena.
Analýza provozu baterie je už ukázána v části palivočlánkových autobusů v grafu 1. Příklad analýzy provozu baterie městské tramvaje je v grafu 4. Analyzovaná baterie má konfiguraci o nominálním napětí 460 V DC a kapacitě 60 kWh.
U vlakových aplikací se druh, konfigurace a využití trakční baterie velmi liší. Lze však říci, že na kolejích je velký prostor pro elektrifikaci vlakové dopravy, a to ať již nákladní, či osobní. Již jsme zmínili soupravu výrobce Stadler Flirt Akku používající LTO baterie, stejně jako například elektrická jednotka Desiro ECO výrobce Siemens. Obecně lze říci, že v kolejových aplikacích dominuje LTO.
Pojďme se ale podívat i na další chemie a příklady jejich použití. NMC technologie je používána výrobcem Bombardier ve vlacích Talent 3. Tato technologie je používána rovněž ve vlacích Alstom Coradia iLint H2, které mají jako hlavní zdroj energie palivové články, fungující na principu popsaném výše u palivočlánkových autobusů. Lithium železo fosfátové baterie jsou využívány ve vlacích Elektrostar výrobce Bombardier.
Budoucnost na kolejích je nejen v čistě bateriových, ale také v hybridních a palivočlánkových aplikacích. Ať bude dominovat kterákoliv z nich, jedno je jasné. Svět na kolejích sleduje trendy v dopravě stejně tak, jako osobní, autobusová i nákladní doprava.
4. TĚŽKÁ ELEKTRICKÁ NÁKLADNÍ VOZIDLA PRO MĚSTSKÝ PROVOZ
a) Vozidla a jejich použití
Těžké elektrické nákladní automobily pro městské služby a městskou nákladní dopravu jsou zatím, pokud jde o komercializaci provozu, teprve v začátcích. Přesto mohou sehrát významnou roli při zlepšení podmínek ve městě, ať už jde o emise nebo o obtěžující hluk – mějme na paměti, že provoz těchto vozidel nezřídka probíhá i v okrajových částech dne, kdy většina lidí spí.
Zde je třeba brát v úvahu, že poměr mezi spotřebou energie pro vlastní jízdu a pro pomocné pohony bude výrazně odlišný než například u elektrobusů na lince. Zatímco u elektrobusu jde především o elektrické topení a klimatizaci, pak například u popelářského vozu je nutno pohánět také nástavbu pro naložení, vyložení a stlačování odpadu. Tomu je nutno přizpůsobit i jejich vybavení trakčními bateriemi a provozní režim.
Příkladem takovéto vozidlové platformy je elektrický nákladní automobil Volvo FE Electric o hrubé hmotnosti 27 tun s bateriemi o kapacitě 200–300 kWh. Předpokládá se jejich dojezd na jedno nabití až 200 km, rychlé nabíjení 150 kW DC ze standardizované zásuvky CCS cca 1,5 hodiny a pomalé nabíjení 22 kW AC cca 10 hodin.
b) Trakční baterie
Výběr vhodné baterie u tohoto typu vozidel již toliko nesouvisí s konkrétním projektem, tak jak je tomu např. u elektrických autobusů. Pro elektrifikaci vozidel pro městské služby se více nabízí standardní produkty různých výrobců.
Co se trakčních baterií týče, je provoz těchto vozidel nejvíce podobný autobusům s nočním dobíjením. Trakční baterie musí mít dostatečnou kapacitu pro celodenní provoz vozidla a u vozidel typu popelářský vůz je kladen důraz také na velikost trakční baterie.
5. PŘÍKLADY DALŠÍCH BATERIOVÝCH POHONŮ
Do této kategorie spadá především využití bateriových elektrických pohonů, o nichž už v naší škole byla řeč dříve, méně obvyklým způsobem.
a) Příklad: elektromobilní veřejná knihovna
Příkladem je nasazení dvou elektrobusů jako pojízdných městských knihoven ve švédském Göteborgu. Základem jejich konstrukce je standardní 12m elektrobus Volvo, jehož karoserii upravil specializovaný finský výrobce na atraktivní knihovnu (viz článek v brožuře Elektrické autobusy pro město IX ). Jako zásobník energie zde slouží 250kWh trakční baterie, nabíjené přes noc standardizovanou zásuvkou CCS/Combo2. Pojízdná knihovna najede za celý den cca 70 – 80 km. Z pohledu samotné jízdy by tedy byly trakční baterie dosti naddimenzované. Je však třeba počítat s nutnou netrakční spotřebou na topení a klimatizaci, která je zde v přepočtu na kilometr mnohem vyšší než u linkového provozu.
Pro podobné netradiční aplikace lze uvažovat o využití baterií z vozidel linkových provozů, které již byly vyměněny za jiné. I když už je kapacita těchto použitých baterií na 80 % původní hodnoty nebo méně, mohou být stále plnohodnotným zdrojem energie pro vozidlo, které nejezdí tak často jako linkový vůz a které tak striktně neřeší obsaditelnost. Dovolí-li to konstrukce vozidla pro dané konkrétní využití, lze zde například využít i více baterií z původních vozidel. Tím by se významně prodloužila životnost baterií nejen ve stacionárních aplikacích, o kterých budeme hovořit v následující lekci naší školy baterií, ale nabízí se jejich fungování v režimu, pro který byly původně navržené a vyrobené – tedy pro pohon vozidla.
b) Příklad: elektrické lodě
Pokud bychom městskou dopravu rozšířili i na lodní, dostáváme se například k provozu elektrických lodí na brněnské přehradě . Zdrojem energie pro jejich pohon jsou 300V olověné trakční baterie o kapacitě 336 kWh, resp. 1120 Ah; ovládací napětí je 24 V. Olověné baterie přitom plní na lodi dvojí funkci: Kromě zásobníku elektrické energie slouží zároveň jako balast u dna lodě, který jí dává potřebnou stabilitu. Velká hmotnost olověných baterií, která je všude jinde problémem, se tak v případě elektrolodí stává výhodou.
Stejně jako u kolových vozidel přitom neexistuje jedna všemocná technologie, která spasí všechny typy lodní dopravy najednou, ale je potřeba důkladně stanovit požadavky na bateriový provoz – vzdálenost na jedno nabití, požadavky na četnost nabíjení, nabíjecí a vybíjecí výkon, atd. Z pohledu lodních elektrických aplikací se nejčastěji setkáváme buď s olověnou baterií, případně s LFP baterií u menších plavidel. Existuje ale i aplikace s LTO baterií, kterou je například zkušební elektrická loď AiriEl pro 80 cestujících od výrobce BB Green.
Zkrátka, zelený je strom života, bateriové pohony nevyjímaje.
František Šťastný, EBZ nano power s.r.o.
Jakub Slavík, Smartcityvpraxi.cz
Foto © Smartcityvpraxi.cz