Střídavě stejnosměrné názory na elektromobilitu, 5. díl: Typy nabíjení a jejich specifika

Měl-li by mezi poptávanými vlastnostmi automobilů zůstat co možná nejdelší dojezd na jedno dobití, musely by být baterie kvůli své relativně nízké specifické energii (totiž nízké relativně k výhřevnosti benzinu či nafty) tím těžší a větší, tudíž by jejich výroba byla uhlíkově tím intenzivnější. Krátký dojezd elektromobilů na jedno nabití, jejž mohou potenciální uživatelé těchto vozů vnímat jako problematický, ovšem nemusí být nutně řešen užíváním výkonnějších trakčních baterií, ale budováním nabíjecí infrastruktury. Jednou z dalších možností, jak rozptýlit obavy z dojezdu, je částečná hybridizace vozidla. Protože však při ní dochází k použití malého spalovacího motoru jakožto prodlužovače dojezdu, mění se tím i způsob a požadavky dobíjení částečně hybridních vozidel vůči těm plně elektrickým.

Mezinárodní standard IEC 61851 (IEC, Plugs, socket-outlets, vehicle couplers and vehicle inlets – Conductive charging of electric vehicles – Part 1: Charging of electric vehicles up to 250 A a.c. and 400 A d.c. 2003) rozlišuje čtyři různé způsoby či režimy nabíjení (u nás se jedná o čtyři režimy nabíjení podle normy ČSN EN 61851-1, jež se od těch mezinárodních podstatně neliší). Při tom prvním nedochází k žádnému řízení ani regulaci spojení mezi elektromobilem a rozvodnou sítí, v čehož důsledku ovšem může dojít k přetížení rozvodné sítě. U druhého typu již k řízení a k usměrňování komunikace mezi elektromobilem a sítí slouží řídicí box umístěný v nabíjecím kabelu, což na rozdíl od prvního typu vede k větší stabilitě rozvodné sítě elektřiny. Oba uvedené typy nabíjení užívají domácí zásuvky (1 fáze – 230 V / 3 fáze – 400 V), přičemž i na napětí sítě závisí rychlost nabíjení. Běžná domácí zásuvka o 230 V a 16 A tak poskytuje maximálně pouze 3,7 kW. Vlastní nabíječka je umístěna ve vozidle a je to právě její výkon, čím je omezen výkon dobíjecí. Na rozdíl od rychlého dobíjení, jež probíhá stejnosměrným proudem, probíhá uvedené pomalé dobíjení proudem střídavým, získávaným buď z běžné zásuvky, zásuvky třífázové, anebo z tzv. wallboxu. Od prvního a druhého typu odlišuje standard IEC ještě typ třetí, charakteristický dalším zjednodušením řízení mezi rozvodnou sítí a elektromobilem a vyšším dobíjecím výkonem. Zatímco první poskytuje výkon do 3,7 kW, druhý do 22 kW, třetí typ nabíjí až do 43 kW. Výkon dobíjení samozřejmě určuje dobu trvání dobití elektromobilu, přičemž dobíjení malým výkonem umožňuje na rozdíl od rychlonabíjení stejnosměrným proudem dobití baterie do 100 % její kapacity. Při nabíjení prvním typem dojde k úplnému nabití baterie za více než deset hodin, typem druhým k němu dojde mezi dvěma až dvanácti hodinami a u třetího typu se pohybujeme v rozmezí od půl do půl druhé hodiny. Prvním typem dobíjení se elektromobily dobíjejí v domácnostech, přičemž, jak uvádějí Ing. Morkus a prof. Macek (Stavebnictví, 11/19), se bude dobíjecí čas z nuly na 100 % při dobíjení ze zásuvky, kdy lze využít výkon maximálně 3,7 kW, pohybovat mezi 12,2 až 20,3 hodiny (což záleží i na kapacitě baterie). Zkrácení doby nabíjení (na 4,1–6,8 hodiny) předpokládá užití třífázového rozvodu elektrického proudu umožňujícího využít wallbox s výkonem 11 kW a proudem 16 A, resp. – chceme-li dosáhnout časů polovičních – wallbox s výkonem 22 kW a proudem 32 A. V současné době existuje široká škála wallboxů. Výstupem může být jak střídavý proud – pak záleží na výkonu nabíječky umístěné ve vozidle –, tak proud stejnosměrný. Oba uvedené typy wallboxů jsou ovšem napájeny ze střídavé sítě. Druhý a třetí typ nabíjení probíhají typicky znovu v domácnostech (přes noc apod.), rovněž ale v místech výkonu zaměstnání anebo na jiných, veřejně dostupných místech, často kupř. u obchodních center.

Poslední, čtvrtý typ nabíjení je rychlonabíjení probíhající stejnosměrným proudem a veřejné dobíjecí stanice bývají umístěny v dopravním koridoru, na místech mezi začátkem cesty a jejím cílem, jedná-li se o cestování na delší vzdálenost. Uváděný průměrný dojezd bateriových elektrických vozidel, který záleží rovněž na kapacitě baterie, se pohybuje mezi 113 a 193 km, u výkonnějších vozů pak mezi 322 a 483 km (Hardman et al., A review of consumer preferences of and interactions with electric vehicle charging infrastructure, 2018). Uživatelé elektromobilů s nižším dojezdem tak mohou rychlonabíjecí veřejné stanice vnímat jako svého druhu záchrannou síť v případech, kdy dojde k vybití baterie kvůli nečekaným okolnostem, anebo v těch případech, kdy potřebuje řidič urazit vzdálenost překračující dojezd jeho elektromobilu na jedno nabití. Na rozdíl od prvních tří zmíněných typů probíhá nabíjení vozů u rychlonabíjecích stanic v řádech minut, tabulka ve zmíněném článku uvádí méně než patnáct minut. To je ovšem záležitost výkonných nabíječek s výkonem cca 50 kW a výše. Co se doby nabití týká, záleží její délka na výkonu dobíjecí stanice, přičemž rozsah výkonů těch rychlodobíjecích se pohybuje cca od 50 do 150 kW, ale objevují se již také stanice s výkonem 350 kW, jehož však současné elektromobily ještě neumějí využít. Ing. Morkus a prof. Macek zmiňují rozsah výkonů veřejných rychlodobíjecích stanic mezi cca 20 kW a 350 kW, Hardman et al. vedle současných rychlonabíječek (40–120 kW) zmiňují ještě ultrarychlé nabíječky stejnosměrným proudem a rozsah jejich výkonu stanovují mezi 150 kW až 350 kW. Za současných podmínek představuje standardní výkon rychlonabíjecí stanice 50 kW, takže dobíjecí čas by se měl pohybovat mezi půlhodinou a hodinou.

Je jasné, že za současných podmínek mohou uživatelé elektromobilů anebo lidé, kteří o jeho zakoupení přemýšlejí, vnímat toto časové rozmezí jako problematické. Doba dobíjení baterie je totiž o poznání delší než ta strávená tankováním pohonných hmot do automobilu se spalovacím motorem, je tudíž docela snadné si představit, že při hypotetickém nárůstu počtu elektromobilů bude docházet na dobíjecích stanicích k zácpám, což by mohlo v konečném důsledku vést k neúměrnému nárůstu plochy, již by taková stanice měla pokrývat, aby uspokojila co největší počet zákazníků. Tomuto scénáři by se dalo snad vyhnout zvýšením výkonu dobíječek, tedy zkrácením doby nabíjení, čehož by šlo dosáhnout zvyšováním napětí či proudu (při výkonu 350 kW a napětí 350 V by proud byl 1 000 A). V takovém případě ovšem výrazně vzrostou ztráty při dobíjení a Ing. Morkus a prof. Macek uvádějí, že v případě vysokých dobíjecích výkonů (350 kW) by mohla být v podobě tepla ztracená energie srovnatelná s energií uloženou do baterie. Tato energie se ovšem neztratí jen v podobě tepla – řidič za toto ztrátové teplo samozřejmě rovněž zaplatí. Nehledě na to, že během nabíjení se baterie musí intenzivně chladit, obvykle spuštěním klimatizace k ochlazení chladicí kapaliny pod teplotu okolního vzduchu. A příkon klimatizace je přirozeně také pokryt odebranou energií ze stojanu. Za pozornost stojí i ta skutečnost, že rychlodobíjení prostřednictvím stejnosměrného proudu umožňuje nabití baterie do 80 % její kapacity, poněvadž při stavu nabití baterie blížícím se 100 % výrazně roste odpor, čímž dochází ke zvýšení ztrát a prodloužení času do úplného nabití.

Obavy z toho, že by se na veřejných rychlonabíjecích stanicích utvářely zácpy z důvodu relativně pomalého nabíjení elektromobilů, lze prozatím zažehnat zjištěním, že v roce 2019 byl podíl bateriových elektrických vozidel na všech registracích 0,3 % (šlo o 756 registrovaných elektromobilů, Analýza složení vozového parku ČR v návaznosti na Národní akční plán Čisté mobility, Ministerstvo dopravy, 31. 3. 2020), takže riziko čekání ve frontě u veřejné rychlonabíjecí stanice je mizivé. To ovšem neznamená, že by úvahy směrem k hypotetickému nahrazení automobilů se spalovacími motory těmi bateriovými byly bez užitku a váhy, poněvadž onen hypotetický přechod na elektromobilitu je zároveň přechodem, jejž předpokládají politiky Evropské unie, orientované na dosažení klimatických cílů. V nařízení Evropského parlamentu a Rady (2017/0923(COD)) jsou mimo jiné představovány regulační rámce a konkrétní pobídky v oblasti tzv. vozidel s nulovými a nízkými emisemi, které mají podpořit změnu chování spotřebitelů a spolu s tím rychlejší zavádění nízkoemisních technologií do sektoru osobní dopravy. Bez ohledu na to, že nazývat bateriová elektrická vozidla jako bezemisní, je zavádějící, jak jsme se snažili doložit v minulých dílech našeho seriálu, a že nízkoemisními se stávají pouze za určitých podmínek (energetický mix dané země apod.), nelze nevzpomenout, že od roku 2021 začnou platit emisní limity a poplatky za jejich překročení. Od roku 2021 totiž budou dostupná data o emisích CO2 pořízená prostřednictvím světově harmonizovaného postupu pro lehká vozidla (WLTP), jenž má sloužit coby základ pro výpočet konkrétních emisních cílů výrobce automobilů. Pro rok 2020 je v odst. 2, čl. 1 (Předmět a cíle) zmiňovaného nařízení stanoven cíl průměrných emisí skleníkových plynů z nově prodaných osobních automobilů ve výši 95 g.km-1, přičemž překročení tohoto limitu bude následováno pokutou 95 eur za každý gram navíc u každého prodaného vozidla dané automobilky. Uvedených 95 g CO2 představuje průměrnou hodnotu, skutečný limit pro to které auto bude záviset rovněž na jeho hmotnosti, a tím se samozřejmě bude měnit i výše pokut. Pro malá a lehká vozidla je limit nižší, pro ta velká (těžká) zase vyšší. Ačkoli tu je patrný rozumný důvod dosažitelnosti limitu, zapříčiní se nižší limit pro lehká vozidla s nižší spotřebou rovněž o snížení zájmu a snah o jejich produkci. O tom, zda se jedná o krok ekologicky přínosný, lze tudíž pochybovat. Je každopádně zřejmé, že výrobci automobilů budou tlačeni k produkci bateriových elektrických vozidel, jejichž emise se počítají jako nulové bez ohledu na energetický mix, a každý prodaný elektromobil se dokonce počítá dvakrát. Tím se však úvahy o prozatím pouze hypotetickém úplném přechodu na elektromobilitu stávají potřebnějšími a ožehavějšími.

Z výzkumu preferencí a vzorců chování uživatelů elektromobilů vyplývá, že možnost disponovat relativně pomalým domácím nabíjením sehrává významnou a kladnou úlohu při povzbuzování spotřebitelů ke koupi elektromobilu. Doma probíhá v průměru 50 – 80 % veškerých nabíjení, kdežto na veřejných rychlonabíjecích stanicích pouhých 5 % (viz odkazy na příslušné prameny v Hardman et al., 2018). Za současných podmínek, tedy za situace nízkého počtu elektromobilů, by domácí nabíjení bateriových elektrických vozidel nemělo představovat významný zásah do rozvodové sítě, ovšem navýšení počtu těchto vozidel by na ni již negativní dopady mít mohlo. Ukazuje se totiž, že uživatelé elektromobilů budou s velikou pravděpodobností dobíjet své vozy ve stejnou dobu, která se navíc může krýt se špičkou poptávky po elektrické energii, anebo tyto špičky dokonce vytvářet (typicky ráno a večer). Toto nekontrolované, resp. neregulované dobíjení lze usměrnit přinejmenším dvěma způsoby: zaprvé snížením sazeb za elektřinu v době mimo špičku. V jeho důsledku by mohli vlastníci a uživatelé elektromobilů plánovat nabíjení svých vozidel na dobu mimo špičku poptávky po elektrické energii (typicky na noc), a tím snížit rizika pro rozvodnou síť vyplývající z nekontrolovaného dobíjení. Příkladem takového cenového mechanismu, jenž může být účinný při regulaci dobíjení elektromobilů a nemít tím pádem tak negativní vliv na rozvodnou síť, mohou být TOU – domácí tarify za elektřinu uplatňované v Kalifornii ve Spojených státech – či tzv. Economy 7 ve Velké Británii. Avšak přesunutím nabíjení na vhodnější dobu se obvykle zkrátí čas pro nabíjení, takže příkon nabíječky stoupne. V nočním čase snížené spotřeby to nemusí představovat problém za toho předpokladu, že v síti existuje zdroj o trvalém výkonu (tedy jaderná či tepelná elektrárna). Ovšem při případném plném využívání obnovitelných zdrojů, s nimiž se při úvahách o přechodu na elektromobilitu počítá jako s nezbytným zdrojem energie, by byla zapotřebí další baterie akumulující za den dostupnou energii.

Druhou možností je tzv. chytré nabíjení, pokročilejší systém správy nabíjení elektromobilu, založený na komunikaci aktuální nabídky elektřiny, poptávky po ní a řidičových potřeb. Protože je principem chytrého nabíjení „vzájemná obousměrná komunikace mezi výrobními zdroji (distribucí) elektrické energie a spotřebiči (elektromobily) nebo spotřebiteli o okamžitých možnostech výroby a spotřeby energie“, může díky takto usměrňovanému nabíjení dojít k zapojení obnovitelných zdrojů energie, plynových mikroturbín a jiných decentralizovaných výrobních technologií (viz Ing. Ivo Celjak, Konstrukce, technické systémy a provoz elektricky poháněných automobilů, 2018). Avšak mechanismus chytrého nabíjení lze efektivně využít obzvláště při domácím dobíjení anebo při dobíjení na pracovištích anebo jiných, veřejně dostupných místech, na parkovištích či u obchodních center. Jistým úskalím tzv. chytrých sítí je, že se zakládají na myšlence, že rozložení nabíjení v čase bude řízeno v závislosti na okamžitých možnostech sítě, přičemž ve špičkách může dojít i k odběru energie z baterií elektromobilů s tím, že bude vrácena později. To má ovšem svůj negativní vliv na životnost baterií, nehledě na to, že zůstává otázkou, jak bude z baterií elektromobilů odebraná energie nakonec kompenzována. Pro rychlonabíječky naopak nemusí být chytré nabíjení nejvhodnější, poněvadž řidiči na těchto dobíjecích stanicích chtějí obvykle svůj automobil dobít co nejrychleji. Kvůli tomu, že každá baterie, ty Li-Ion pak obzvláště, má sklon k sebevybíjení uloženého náboje, nelze rychlodobíjení využít pro nabití vozidla a jeho přípravu na očekávanou cestu s mnohadenním předstihem. Elektromobil se tudíž musí před cestou nabít naopak co nejpozději.

Ovšem ani zavedení obou zmíněných mechanismů, jak toho finančního, tak chytrého nabíjení, pravděpodobně nezabrání nutnosti rekonstruovat venkovní infrastrukturu (trafostanice, kabeláž), na níž závisí příkon daného bytu či domu, především v případech, kdy kvůli zkrácení dobíjecího času budou užívány třífázové rozvody elektrického proudu, což si vynutí znatelný zásah do elektroinstalace domu (k tomu blíže Morkus a Macek, Stavebnictví, 11/19). Hovoříme samozřejmě o situaci významného nárůstu počtu elektromobilů. Ovšem zvážení výše uvedených možností dobíjení může vést k posílení důvěry v elektromobily, a tím i ke zvýšení zájmu o jejich koupi. Mohlo by se totiž zdát, že problémy spojené s nabíjením, které se bez uvážení těchto možností (ale i jiných, o nichž se tu nezmiňujeme) navíc mohou jevit palčivější, než ve skutečnosti jsou, budou bránit v širší poptávce po elektromobilech. Na druhou stranu se ukazuje, že povědomí o stavu a možnostech dobíjecí infrastruktury mají pouze vlastníci bateriových elektrických vozidel anebo ti, kteří o jeho koupi uvažují. Ačkoli se tedy ukazuje, že nízké povědomí o infrastruktuře koreluje s nízkým zájmem o vlastnění a užívání elektromobilu, neexistují data, jež by naopak dokládala podobný vztah mezi vysokým povědomím o infrastruktuře, a tím zvýšeným zájmem o koupi elektromobilu (Bailey et al., Is awareness of public charging associated with consumer interest in plug-in electric vehicles?, 2015). Přitom zvyšování poptávky po elektromobilech by bylo přirozeným a nutným podnětem pro rozvoj infrastruktury především rychlodobíjecích stanic. Ačkoli ty jsou nejméně užívaným typem dobíjení, přece jen přispívají ke zvýšení počtu kilometrů najetých vozidlem (VKT, vehicle kilometres travelled), poněvadž řidiči umožňují řešit potíže s dojezdem elektromobilu a dokončit více cest, které přesahují možnosti dojezdu jeho vozidla. Problém spočívá v tom, že budování infrastruktury rychlodobíjecích stanic představuje významnou a dlouhodobou investici, která se ovšem při mizivé poptávce po elektromobilech, jež by tyto stanice obsluhovaly, nevyplatí. Ve Vystrkově u Humpolce otevřel minulý rok E.ON první tuzemskou ultrarychlou dobíjecí stanici pro elektromobily, což však bylo možné díky evropskému projektu pro rozvoj elektromobility NEXT-E – ne proto, že by se ve zdejších podmínkách, obzvláště při nízkém počtu elektromobilů, jednalo snad o dobrou investici. To napovídá, že pro další rozvoj elektromobility budou nezbytné dotace a zaváděné regulační mechanismy, tedy citelný zásah do mechanismů tržních.

Je sice pravda, že vlastníci a uživatelé elektromobilů upřednostňují spíše relativně pomalé způsoby dobíjení a že jsou to právě nejrůznější možnosti správy dobíjení, jež umožňují, musíme si ovšem uvědomit, že chtějí-li se výrobci automobilů vyhnout vysokým pokutám za překročení emisních limitů, musejí nabízet elektromobily širšímu okruhu potenciálních uživatelů. Studie How might potential future plug-in electric vehicle buyers differ from current „Pioneer“ owners? (Axsen et al., 2016) dokládá, že mezi skupinou vlastníků elektromobilů a tradičních automobilů existují významné rozdíly – od lepších možností přístupu k dobíjení přes vzdělání a příjmy až po vyšší angažovanost v záležitostech životního prostředí. Motivací k vlastnění a užívání elektromobilu bývá i vysoké hodnocení možností dobíjet z obnovitelných zdrojů, resp. jejich zapojení skrze chytré nabíjení či tzv. chytrou síť (smart grid). Má-li se povzbudit poptávka po elektromobilech, pak bude buď zapotřebí motivovat širší skupinu potenciálních kupců k vyššímu zájmu o životní prostředí, lepšímu hodnocení elektřiny získané z obnovitelných zdrojů a zlepšit jejich přístup k dobíjení, anebo naopak vyjít vstříc poptávce po výkonných vozidlech s komfortním dojezdem, resp. pro vozy s dojezdem nižším vybudovat infrastrukturu rychlodobíjecích stanic.

První uvedená možnost, jak stimulovat poptávku po elektromobilech, je problematická z toho důvodu, že má vést k celkové proměně vzorců chování uživatele vozidla a jeho nároků na vozidlo kladených. Nejde jen o to, zvýšit povědomí o záležitostech životního prostředí, charakteristické pro vlastníky anebo zájemce o koupi elektromobilu – mezi vyjmenované vlastnosti „průkopníků“, jak Axsen a spol. nazývají rané vlastníky elektromobilů, náleží i vyšší příjmy a vyšší dosažené vzdělání. Uskutečnění přechodu na elektromobilitu by si tak vynutilo i potřebné sociální reformy a proměnilo by vzorce chování uživatelů automobilů ve smyslu vyšší míry jeho racionalizace, typicky při plánování tras delších, než umožňuje faktický dojezd vozidla. Druhá uvedená možnost, totiž ta, že by výrobci elektromobilů vyšli vstříc poptávce po komfortu, ať už ve smyslu dojezdu na jedno nabití anebo ve smyslu dobré dostupnosti čerpacích stanic, by zase mohla vést k produkci sice výkonných elektromobilů s velikým dojezdem, to by však vedlo ke zvýšené uhlíkové intenzitě výroby tím větších trakčních baterií. Čím těžší navíc baterie bude, tím větší „mrtvou hmotnost“ bude elektromobil vozit (kupř. Audi e-tron má baterii o hmotnosti 700 kg) a tím větší bude nakonec jeho spotřeba. Čím rychleji budeme chtít nabíjet, dojde k tím větším ztrátám elektrické energie v podobě tepla. Ruku v ruce jdoucí požadavky po komfortním dojezdu a rychlém nabíjení tudíž vedou k nutnosti vyrábět o to víc energie, přičemž při jejím produkování vznikne více emisí skleníkových plynů. Jak z ekonomického, tak z ekologického hlediska je snaha o komfortní dojezd a rychlé nabíjení elektromobilů kontraproduktivní.

Ukazuje se, že dobíjení elektromobilů skýtá relativně široké možnosti, a ty dokonce pro jistou, byť marginální skupinu veřejnosti představují impulz ke koupi a užívání elektromobilu. Ten totiž umožňuje veskrze racionální přístup a chování v osobní dopravě, ať už mluvíme o možnostech využívání elektřiny z obnovitelných zdrojů prostřednictvím chytrého nabíjení, o plánování tras či volbě co možná nejvhodnější doby pro nabíjení. Jinak řečeno, vlastník a uživatel elektromobilu již ke svému vozidlu nepřistupuje z hlediska pohodlí, ale z hlediska efektivity a snahy snížit intenzitu dopadů osobní dopravy na životní prostředí. O pohodlí se tu samozřejmě nezmiňujeme v pejorativním smyslu slova, ale při plném vědomí toho, že jedním z cílů civilizačního pokroku je umožnit člověku rozvíjet své přirozené, což pro evropský kulturní okruh již několik staletí znamená racionální schopnosti, tedy poskytnout mu v tomto smyslu dostatek volného času a pohodlí. Vedle energetických nároků, které s sebou hypotetický, ale klimatickou politikou Evropské unie předpokládaný přechod na elektromobilitu ponese, je tedy třeba zohlednit i nutnost proměny vzorců chování, potřeb a přesvědčení potenciálních kupců bateriových elektrických aut.

Údaje uvedené v článku byly konzultovány s odbornými garanty seriálu profesorem Janem Mackem a inženýrem Josefem Morkusem z Národního centra kompetence Josefa Božka pro pozemní vozidla. Tento díl byl navíc vytvořen na základě podkladů a podnětů laskavě poskytnutých Ing. Janem Dedkem z Fakulty elektrotechniky a informatiky na VŠB-TU v Ostravě.

Mgr. Václav Zajíc, Ph.D.