Přečtěte si:  Smart city a elektromobilita pro praktický užitek a jejich aktuální výzvy

Baterie pro elektrobusy

12.1.2021 V minulém článku Školy baterií jsme se věnovali výběru optimální technologie trakční baterie pro parciální trolejbus. Zatímco požadavky parciálního trolejbusu jsou u většiny projektů velice podobné, u elektrobusů je to jinak. Požadavky na využití elektrobusů jsou projekt od projektu velice rozdílné, ať už uvažujeme o meziměstském vozidle, příměstském nebo o nejčastěji využívaném elektrobusu pro čistě městskou hromadnou dopravu.

Zásuvkové dobíjení v krakovských garážích elektrobusů (Foto © Smartcityvpraxi.cz)

Na rozdíl od parciálních trolejbusů musí provozovatel řešit s pořízením vozidel také nabíjecí infrastrukturu. A tak elektrifikace autobusové dopravy ve městech je komplexním řešením vhodné technologie vozidel, jejich trakčních baterií i vhodné nabíjecí strategie.

Ujetá vzdálenost, to je, oč tu běží

Již v úvodu článku jsme jmenovali různé typy provozu elektrobusu, které vesměs kopírují klasické autobusy. Nejvíce skloňovaná je elektrobusová doprava ve městech, která je také z pohledu různých dotací nejvíce podporovaná. Tento fakt je pochopitelný vzhledem k závazkům o bezemisní dopravě, které různé metropole světa zveřejňují.

Také čísla registrací elektrických autobusů nad 3,5 tuny ukazují, že trh elektrických autobusů začíná silně růst. Podle dat Evropské asociace automobilových výrobců z dubna 2020 byl meziroční nárůst tzv. ECV (electrically-chargeable vehicles neboli elektricky dobíjitelná vozidla) 170,5 %. V absolutních číslech je to nárůst registrací z 594 v roce 2018 na 1607 v roce 2019. Přesto činil podíl nově registrovaných autobusů nad 3,5 tuny s dieselovým pohonem 85 %.

U elektrobusů, a je jedno zda se jedná o městský, příměstský nebo dálkový provoz, je důležité, kolik kilometrů je během dne schopen najezdit. Protože stále neexistuje dostatečně univerzální bateriová technologie umožňující podobné dojezdy na jedno nabití jako u naftových autobusů a zároveň s podobným časem nabití jako u tankování, musíme volit vhodnou technologii trakční baterie pro konkrétní provoz. Pojďme se tedy detailněji podívat, co musíme vzít v úvahu při správné volbě baterie pro elektrické autobusy.

Elektrické autobusy do města

Pro elektrifikaci městské autobusové dopravy je velice důležité zhodnotit možnosti stavby nabíjecí infrastruktury. Zatímco osobní elektromobily již mají pouze několik nabíjecích standardů lišících se zejména podle kontinentu, kde se používají, u elektrických autobusů standardizace nabíjení teprve přichází. Stejně jako volba způsobu nabíjení je důležitá volba četnosti nabíjení. U městského provozu elektrobusu lze s četností nabíjení pracovat právě dle možností stavby infrastruktury.

Nabíjení na zastávkách

Představme si budoucnost, elektrický autobus zastavuje na zastávce a během prvních vteřin se automaticky připojuje k nabíječce a dobíjí dostatečné množství energie pro jízdu na další zastávku. Celý proces trvá pouze pár desítek vteřin a vozidlo pokračuje na další zastávku. To, co zní jako science fiction, ale již existuje. Tento pohled do budoucnosti zažívají cestující v Ženevě na vlastní kůži již od roku 2013. Jedním z klíčových prvků je nabíjecí systém TOSA o výkonu 600 kW, druhým je trakční baterie elektrobusu a na tu se pojďme podívat blíže.

Logicky vzato, pokud je nabíjení výkonem 600 kW po dobu 20 vteřin dostačující pro dojezd k další zastávce, může být trakční baterie velmi malá. Řekněme, že celková spotřeba elektrobusu je 1,5 kWh/km. Nabíjení 600 kW po dobu 20 vteřin dodá bateriím energii 3,33 kWh (ve skutečnosti trochu méně, protože je potřeba zahrnout ztráty při nabíjení), což by stačilo na ujetí 2,86 km.  Množství cyklů za každý den provozu bude také velmi velké a kapacita baterie musí být zvolena tak, aby byla baterie schopna vydržet vysoké výkony nabíjení i vybíjení a zároveň dosáhla očekávané životnosti v řádech let.

Když se blíže podíváme na životnost trakční baterie, resp. technologie trakční baterie, zajímá nás ta cyklická. Každá bateriová technologie má dánu svoji cyklickou životnost, která závisí na hloubce vybití baterie (množství energie v % odebrané po každém nabití a průměrné teplotě článků) Někdy se také vztahuje vůči C-Rate (poměr výkon/kapacita baterie), ale C-Rate ovlivňuje dostupnou kapacitu (čím vyšší výkon, tím méně kapacity z baterie lze vybít nebo do ní nabít) a teplotu (vyšší C-Rate = vyšší tepelné ztráty baterie). Cyklická životnost bývá nejčastěji charakterizována buď křivkou (příklad Graf 1), nebo tabulkou (příklad Tabulka 1).

Graf 1 – Příklad cyklické životnosti NMC baterie (Zdroj: D2.5: Electricity storage system Validation Report, TECNALIA, COBRA, IDIE, 20/12/2017)

Tabulka č. 1 – Cyklická životnost Altairnano LTO baterie, Generace 4  (Zdroj: nano power a.s.)

ZVĚTŠIT TABULKU

A jak tedy vybrat tu správnou baterii pro nabíjení na zastávkách? Jak jsme řekli, baterie by měla být co nejmenší, a to co se hmotnosti, velikosti i kapacity týče, zároveň by měla být schopná nabíjení vysokým výkonem (např. dle Ženevy 600 kW) a vydržet v provozu několik let. Za sebe bych preferoval stejnou životnost baterie jako elektrobusu, což je možný, ale v počáteční investici dražší přístup. Lze také plánovat jednu výměnu trakční baterie během životnosti vozidla nebo si dohodnout s výrobcem vozidla záruku na baterii po dobu životnosti vozidla – související náklady se promítnou do ceny, ale odpadá nejistota spojená s načasováním výměny. Pokud plánujeme životnost 12 let, lze tedy zvolit baterii na 6 let a po 6 letech ji vyměnit, případně zvolit takovou, která vydrží celých 12 let. Pro takový typ provozu, jako je Ženeva, nepřipadá v úvahu jiná než LTO technologie.

Důvody jsou jednoznačné. LTO (lithium titanát), které jsme zmínili v tabulce 1, zvládá krátkodobé nabíjení 12C. Pokud vezmeme tradiční výkon rychlých nabíječek autobusů 450 kW a vydělíme 12, dostaneme kapacitu 37,5 kWh. Pokud bychom tedy před každým nabíjením spotřebovali 3,75 kWh a dobili na při nabíjení na zastávce zpět, byla by hloubka vybití DOD v % pouze 10 % a baterie by udělala 2 500 000 cyklů, než by dosáhla 80 % původní kapacity (za předpokladu, že bychom udrželi průměrnou teplotu článků na 25 °C.

Uvažujme tedy o životnosti 12 let s 360 dny provozu za rok. To je dohromady 12× 360 cyklů = 4320 dní provozu. Pokud vydělíme počet cyklů LTO baterie počtem dní v 12letém provozu, dostaneme 578 cyklů za den.

Počet zastávek s nabitím by tedy mohl být až 578 každý den provozu, aby měla baterie po 12 letech 80 % své původní kapacity, tedy 30 kWh.

Srovnání dvou různých existujících bateriových systémů

TITAN RAPID je LTO bateriový systém určený pro ultrarychlé nabíjení, má kapacitu 42 kWh a je rozdělen do dvou bateriových boxů, každý o rozměrech 1380 × 713 × 360 mm s celkovou hmotností 950 kg.

AKM POC je NMC bateriový systém s kapacitou 176 kWh, je rozdělen do pěti bateriových boxů, každý o rozměrech 1546 × 750 × 216 mm s celkovou hmotností 1665 kg.

V pořizovacích cenách si budou obě baterie téměř rovny (lehce ve prospěch LTO), ale hmotnost je jasně lepší u LTO, a stejně tak objem potřebný pro zástavbu baterie do vozidla. U NMC baterie (Lithium nikl magnézium kobalt oxid) je potřebný objem 1,25 m3, u LTO TITAN rapid baterie je potřebný objem 0,7 m3.

Zhodnocení provozu s častým nabíjením

Čím častěji se elektrický autobus nabíjí, tím spíše může využít malé a výkonné baterie, pro kterou je LTO chemie ideální. Pro městský provoz se tento přístup zdá být optimální, ale naráží na nutnost budování výkonné a drahé nabíjecí infrastruktury.

Pokud ovšem zvolíme cestu průběžného nabíjení s dostatečně vysokým výkonem, např. na konečných zastávkách, lze využívat výhod LTO zmíněných ve srovnání LTO a NMC a používat relativně kapacitně malou, ale výkonnou baterii. Ta na rozdíl od technologie NMC umožňuje kontinuální provoz 24/7, protože je schopna plného nabití z 0 na 100 % za několik minut, zatímco u NMC a jiných high energy baterií by to trvalo několik hodin. Příkladem budiž město Ostrava, které má v provozu dva elektrobusy s touto LTO trakční baterií, schopnou se za 5 minut nabít na hodinu dalšího provozu.

Elektrobus Dopravního podniku Ostrava s průběžným dobíjením standardem OppCharge (Foto © Smartcityvpraxi.cz)

Jaké baterie ale budeme hledat, když ve městě není možnost takovou infrastrukturu budovat?

Elektrobusy s nočním dobíjením

Elektrobusy určené pro dobíjení přes noc potřebují dostatečnou kapacitu trakční baterie k ujetí celodenní trasy, po které se nabíjí přes noc v depu. Pro trakční baterie je tak velmi důležitá jedna vlastnost, a tou je specifická energie. Specifická energie vyjadřuje poměr kapacity a hmotnosti trakční baterie, resp. kolik Wh se vejde do 1kg hmotnosti baterie. Graf 2 zobrazuje specifickou energii nejčastěji používaných typů bateriových článků. Jde tedy o samostatné články bez zahrnuté modularizace, bateriových boxů, chlazení, elektroniky apod.

Graf 2 Specifická energie různých typů baterií (Zdroj: www. batteryuniversity.com)

Baterie pro celodenní provoz mají tak vysokou kapacitu, že výkon, který dávají pro pohon vozidla, zpravidla nepřesáhne C-rate 1C, tedy že výkon motoru/motorů je menší nebo roven kapacitě trakční baterie. Množství energie je tedy zcela klíčové, a pokud stanovíme limitní hmotnost trakční baterie, volíme tu technologii, která má na jednotku hmotnosti největší kapacitu.

Z grafu 2 plyne, že je to technologie NCA. NCA neboli Lithium Nikl Kobalt Oxid hliníku má nejvyšší hustotu z běžně používaných typů lithiových baterií v současnosti. Výrobci dosahují specifické energie mezi 250 – 280 Wh/kg a laboratorně se blíží již 300 Wh/kg.

Nevýhodou NCA článků je, že umožňují relativně málo nabíjecích cyklů ve srovnání např. s NMC. Přesto se však NCA stala stěžejní technologií automobilového průmyslu pro výrobu osobních elektromobilů. A zde se nachází kámen úrazu použití této technologie pro elektrické autobusy. Největším výrobcem NCA článků je firma Panasonic, která má své kapacity dlouho dopředu zamluvené pro několik hlavních výrobců elektrických aut, zejména pro výrobce Tesla. Dostupnost těchto článků pro ostatní potenciální integrátory je tedy malá, spíše nulová.

Na řadu tak přichází další v řadě, a tím je NMC. LCO neboli Lithium kobalt oxid není pro elektrické autobusy vhodná technologie, protože na rozdíl od NMC (Lithium nikl magnézium kobalt oxid) je méně bezpečná, má méně cyklů a není vhodná pro krátkodobé výkony nad 1C. U tzv. high energy elektrobusů, tedy těch s vysokokapacitní baterií, se zpravidla setkáváme s NMC baterií.

I u nás máme několik podobných provozů. Příkladem může být město Třinec, kde od roku 2017 provozuje ARRIVA flotilu elektrických autobusů Škoda Perun HE s trakčními bateriemi Li-Pol (lithium-polymerovými) o kapacitě 222 kWh. Dle dostupných informací dokáží tyto autobusy dojet na jedno nabití 150 – 200 km s následným nočním dobíjením v trvání cca 6 hodin.

Zde je nutné doplnit rozdíl mezi Li-ion a Li-Pol baterií. Zjednodušeně řečeno jsou obě velmi podobné, u Li-ion je elektrolyt kapalný, kdežto u Li-Pol nemá kapalnou formu a vyskytuje se nejčastěji ve formě gelu. Kladné elektrody u obou však bývají stejné, nejčastěji NMC, LFP nebo LCO. Jsou však dražší na výrobu ve srovnání s Li-ion bateriemi.

Dalším příkladem je město Hranice, kde dopravce 3CSAD provozuje se svými elektrobusy městskou dopravu. Elektrobusy výrobce SOR zde za den najedou mezi 50 a 150 km. Na rozdíl od třineckých elektrobusů zde jsou vozidla vybaveny LFP bateriemi (lithium železo fosfát) o kapacitě 172 kWh.

Nabíjecí infrastruktura pro noční dobíjení

Noční dobíjení je většinou řešeno stejně jako u osobních elektromobilů, tedy použitím nabíjecích standardů typu např. CCS2 COMBO. Svou výhodu to má v tom, že tento standard je masově odzkoušený.

Jak vybrat vhodnou baterii pro noční dobíjení

Na rozdíl od příkladu s častým dobíjením, kde jasně dominuje LTO technologie, je výběr vhodné baterie pro noční dobíjení závislý na specifiku konkrétního provozu. Pro menší města, kde jsou krátké trasy a četnost linek není tak velká, tedy i celkový denní nájezd bude kratší, řekněme okolo 100 km bude pravděpodobně vhodnější LFP baterie. Ta je sice v parametru specifická energie výrazně horší ve srovnání s NMC, ale zato je levnější a dosahuje více cyklů. Také krátkodobě zvládá v porovnání s NMC vyšší C-Rate.

Naopak tam, kde jsou denní nájezdy na jedno nabití delší, nad 100 km bude vhodná technologie NMC, protože na stejnou hmotnost jako LFP baterie je možné dostat více než 1,5krát tolik energie v kWh.

Zhodnocení

Z pohledu budování infrastruktury pro nabíjení elektrobusů v provozu se jeví vhodnější varianta vozidel s nočním dobíjením. Proti tomu však jde rostoucí spotřeba elektrobusů kvůli vyšším nárokům na netrakční spotřebu, tedy energii pro systémy, které nejsou přímo spojeny s pohonem, např. klimatizace, topení, informační a odbavovací systémy apod. Výsledkem je omezený dojezd na jedno nabití, který může být dostačující pro denní provoz v malých městech, ale ne pro velká města s provozem autobusu na lince i 20 hodin denně.

Nejvíce vyhovující je tak kombinace obou přístupů dohromady, tedy příležitostné dobíjení za provozu v kombinaci s nočním dobíjením.

Volba technologie trakční baterie tak velmi závisí na požadavcích na provoz vozidla (délka mezi nabíjením, hmotnost, životnost atd.) a nedá se říci, která bateriová technologie je pro elektrobusy nejvhodnější.

Příkladem závěrečného srovnání budiž výstup projektu ZeEUS z Barcelony, kde probíhalo srovnání dvou odlišných strategií provozu – průběžné dobíjení se standardem Schunk bus-up a noční dobíjení po celodenním provozu. Na obou typech měly vozidla denní nájezd okolo 180 km a závěr projektu je takový, že jako vhodnější pro městský provoz ve velkém městě typu Barcelony je technologie průběžného dobíjení.

František Šťastný

Elektrobus s nabíjením bus-up v Barceloně (Foto © ZeEUS)

Přečtěte si také:

ŠKOLA BATERIÍ

Elektrická vozidla nezávislá na trolejovém vedení se neobejdou bez baterií. Jejich druh a provozní vlastnosti určují hlavní chemické prvky, na jejichž základě baterie fungují. To je užitečné znát, abychom mohli správně formulovat požadavky na dodané bateriové elektrické vozidlo – zvláště uvážíme-li, že baterie představují velmi významnou část jeho ceny. Tato internetová nano power škola baterií je zaměřená na jednotlivé aplikace a rozebírá, která konkrétní technologie je pro který konkrétní typ aplikace vhodná. 

Druhý život baterie

26.1.2021 Druhý život baterií, pro který se často používá anglický pojem „second life“, je dnes velmi diskutované téma. Je také posledním tématem naší školy baterií. S rostoucím množstvím bateriových aplikací ve světě roste požadavek na vyřešení otázky, co s trakčními bateriemi bude poté, co doslouží ve své původní aplikaci. Již se objevují první projekty na další využití vysloužilých baterií z vozidel. Pojďme se ale nejprve podívat na technologie baterií a jejich předpoklady k životu po životě. 

Další využití trakčních baterií u těžkých elektrických vozidel

19.1.2021 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. 

Baterie pro parciální trolejbusy

5.1.2021 První článek z naší školy baterií, uveřejněný i v brožuře „Elektrické autobusy pro město IX“, 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. 

Škola baterií na portále Proelektrotechniky.cz se představuje

30.11.2020 Stejně jako osobní automobilová doprava i veřejná doprava a nákladní doprava stále více směřuje ke snižování emisí. V naší škole baterií, postupně uveřejňované na portále Proelektrotechniky.cz, se zaměříme na oblasti dopravy, kde se používají baterie. Právě baterie budou nedílnou součástí všech vozidel, která aktivně snižují množství emisí, ať už jsou to hybridní vozidla, čistě elektrická nebo ty s pohonem na palivové články. 

Copyright © 2012 – 2024 Ing. Jakub Slavík, MBA – Consulting Services