CzechIndustry > Místo zdlouhavého nabíjení se vrací systém výměny baterií elektromobilů – tentokrát v expresním provedení!
Místo zdlouhavého nabíjení se vrací systém výměny baterií elektromobilů – tentokrát v expresním provedení!
V poslední době se množí zprávy o návratu systémů výměny baterií elektromobilů, které mají nejméně tři mimořádné výhody: rychlost výměny, šetrnost nabíjení, zvyšující životnost baterií a k tomu mnohem menší, levnější a efektivnější síť výměnných stanic ve srovnání s běžnými dobíjecími stanicemi. Vracejí se v době, kdy je stále zjevnější, že dobíjecí infrastruktura omezená jen na dobíjecí stojany ani s podporou rychlodobíječek nestačí na obří úkol zajištění rychlého rozvoje elektromobility.
Evropští výrobci elektromobilů jsou ovšem zatím skeptičtí. Možná přehlédli, že už nejsou těmi, kteří udávají tón… Hlavní trendy dnes přicházejí – bohužel pro nás – z východní Asie a USA. Například čínské automobilky Nio a Geely nebo kalifornský Fisker již disponují vyzrálými koncepcemi. A čínská společnost Aulton je schopna roboticky provést samotnou výměnu baterie dokonce během 20 vteřin. To už je pořádná konkurence i pro tankování benzínu a nafty.
V Německu existuje okolo 14 000 tankovacích stanic, které s přehledem a pohodlně stačí zajišťovat pohonné hmoty pro aktuální flotilu zhruba padesáti milionů osobních aut se spalovacími motory. Když budeme počítat, že v každé tankovací stanici je v průměru umístěno zhruba 10 tankovacích stojanů, tak je to dohromady přibližně 140 000 „tankovacích bodů“.
Dobíječek bude zapotřebí podstatně více – jistě v řádu milionů. Jedno z doporučení EU uvádělo jako optimálních ne více než deset elektromobilů na jeden dobíjecí bod resp. zásuvku. Začátkem roku 2023 byla v Německu poprvé překonána hranice jednoho milionu zaregistrovaných elektromobilů s bateriovým pohonem (BEV), tedy bez započítání hybridních aut a na dobíjecích stanicích začíná být mnohde hodně těsno. Podle Bundesnetzagentur bylo začátkem letošního roku v Německu k dispozici 80 541 veřejných dobíjecích bodů (Ladepunkte), z toho 67 288 normálních a 13 523 rychlodobíjecích. A současný stav není zdaleka považován za komfortní. Výstavba infrastruktury jednoduše nestačí tempu rozvoje elektromobility.
Elektromobilita tak začíná kopírovat vývoj v energetice, kde několik velkých elektráren je postupně nahrazováno obrovským množstvím decentrálních zdrojů tzv. obnovitelné energie - s mimořádně vysokými náklady na elektrickou přenosovou a distribuční soustavu.
Milion dobíjecích bodů v roce 2030 v Německu?
V roce 2030 by mělo v Německu být provozováno už okolo 15 mil. elektromobilů, což bude vyžadovat nejméně milion dobíjecích bodů... A stát bude muset na budování této obrovské infrastruktury přispívat obřími subvencemi, než se nastartuje skutečně samonosná privátní výstavba. Pokud k tomu vůbec někdy dojde. Ponechme ale nyní stranou otázku reálnosti těchto plánů i do dalších desetiletí a věnujme se novému trendu: návratu starého známého systému výměny baterií v extrémně rychlé podobě. Ta by mohla pomoci vyřešit také problém mimořádně náročné infrastruktury pro elektromobilitu.
Hledá se jiné řešení – i pro Evropu
Zvláště provozovatelé větších flotil elektromobilů v aglomeracích jsou denně konfrontováni s hlavními brzdami elektromobility: zpravidla menším dojezdem než mají auta se spalovacími motory a dlouhým dobíjením. Například taxislužby, hasiči, policie, doručovací služby a zdravotnická zařízení a pečovatelské služby požadují rychlejší řešení.
Koncept „Better Place“ průkopníka vyměnitelných baterií Shaie Agassiho, zahájený hlavně v Dánsku a v Izraeli, před deseti lety ještě ztroskotal na nedostatečné rentabilitě a svých dětských nemocech. Evidentně předběhl dobu a nyní se vrací z Číny a USA ve vyzrálé formě.
Obr. Elektrický SUV Fisker Ocean, nedávno prezentovaný v Mnichově – od jara 2024 bude Fisker nabízet v Německu tyto vozy se systémem výměny baterií („battery swap“) zpočátku jen pro flotily těchto aut. Foto: autor
V Číně už rychlá výměna baterií funguje
V Číně se experimentovalo s výměnou baterií od začátku našeho století a už v roce 2008 se tam výměna baterií prezentovala na šedesáti elektrobusech během letních olympijských her. Skutečný rozvoj nastal před asi pěti lety a je spojen hlavně se jmény „velké trojky“: automobilek NIO a Geely a specialisty na výměnu baterií s řadou patentů – společností Aulton. Již dnes jsou v provozu tisíce výměnných stanic hlavně v Číně, které celkem provedly již desítky milionů výměn baterií. Loni byla na výměnné stanici Geely předvedena i výměna baterií nákladního auta – bez jeho zdvihání – za celkový čas okolo 5 minut.
Do roku 2025 by jen „velká trojka“ měla disponovat dohromady téměř dvaceti tisíci stanicemi výměny baterií nejen v Číně, ale také v Evropě i jinde. Ty by mohly obsluhovat průběžně několik milionů elektromobilů. A to nejsou zdaleka jediné čínské firmy, které investují do této technologie. Kalifornská automobilka Fisker bude od příštího roku nabízet v Německu své elektromobily Fisker Ocean s výměnnými bateriemi ve spolupráci s americkou firmou Ample. Pro začátek jen u provozovatelů flotil.
Výměnné stanice tedy rostou jako houby po dešti, ale stále se jedná o trochu „divoký proces.“ Zásadní problémy pro globální rozvoj těchto technologií totiž přetrvávají – nevyřešená koordinace mezi nositeli jednotlivých projektů a nutná standardizace. Také zatím skeptický přístup evropských zejména německých automobilek je překážkou.
Zásadní výhodou systému Aulton je univerzálnost
Šanghajská společnost Aulton New Energy (čínský partner společného německo-čínského podniku InfraMobility-Dianba GmbH, Berlín) jako skutečný specialista na systém rychlé výměny baterií se proslavila zatím zřejmě nejrychlejším systémem výměny baterií, která u osobního nebo malého užitkového vozu do 3,5 t činí neuvěřitelných 20 vteřin. Video, zachycující tuto svižnou výměnu, je na webové stránce společnosti: https://www.aulton.com/index.php/en/list-35.html. Celá akce v systému „drive-through“ včetně přihlášení do systému, výměny baterie a zaplacení, se dá zvládnout ve výměnné stanici Aulton za 90 vteřin! Společnost vlastní okolo tisícovky patentů a vždy prosazovala co největší univerzálnost pro co nejvíce automobilek. Podstatou jeho systému je speciální univerzální rám, do kterého se umístí baterie příslušné automobilky. Vlastní výměna baterií pak probíhá pomocí dvou synchronizovaných robotických ramen a speciálního zaklapovacího mechanismu, který aretuje dobitou baterii pod podlahou vozidla. Tomu předchází samozřejmě komplexní koordinace s příslušnou automobilkou a sladění systémů. V Číně již Aulton sladil svou technologii s nejméně 16 automobilkami – mimo jiné s partnerem VW: SAIC a Daimler Benz: BAIC. Do roku 2025 hodlá postavit v Číně až deset tisíc expresních výměnných stanic pro několik milionů elektromobilů. To už je podstatně výhodnější poměr ve srovnání s konvenční infrastrukturou (rychlo)dobíječek. Ta by vyžadovala pro stejný počet aut statisíce (!) dobíjecích bodů.
Obr. Šanghajská společnost Aulton kooperuje s nejméně šestnácti výrobci elektromobilů v Číně, kteří přizpůsobili upevnění baterie na spodku vozidla jejímu systému robotické výměny. Na snímku je deset elektromobilů, schopných využívat expresní systém Aulton. Foto: Aulton
Je rychlá výměna baterií „Game Changer“?
Ředitelka komunikace InfraMobility-Dianba Dr. Katarina Flämigová uvedla: „Výměnu baterií považujeme za ‚Game-Changer‘ v oboru elektromobility. Skutečnost, že již 80 procent čínských výrobců elektromobilů nabízí výměnu baterií, signalizuje potenciál této techniky pro všechny trhy, které sázejí na více integrace, synergií, ale také na autonomní jízdu.“ Jen v Pekingu už používá 30 tisíc vozidel taxislužby techniku výměny baterií Aulton/InfraDianba. A Flämigová dodává: „Díky dvojímu využití mohou stanice s výměnou baterií na bázi akumulace v budoucnu fungovat také jako energetické stanice pro e-mobilitu a inteligentní sítě (Smart Grid). Mohou tak sloužit transformaci v mobilitě i energetice.“
Velké zásoby baterií nejsou zapotřebí
Odpůrci výměny baterií často argumentují různorodostí baterií v elektromobilech a nutností držet na výměnných stanicích velké zásoby baterií. Plná globální standardizace – zejména velikostí a tvarů - baterií bude zřejmě z mnoha dobrých důvodů stejně muset proběhnout. Z vyjádření společnosti InfraMobility/Dianba vyplývá, že výměny baterií ve vozidlech, s nimiž proběhla technická koordinace (přizpůsobení baterií systému „Aulton“), nevyžaduje velké zásoby baterií. Například u výměnné stanice s nominální kapacitou 1000 výměn denně se jedná o pouhých 60 baterií v záloze. U typu s kapacitou 460 výměn denně postačí dokonce zásoba 28 baterií. U vybité baterie je totiž ihned po demontáži z vozidla zahájeno dobíjení na 60-kW paralelních dobíjecích zařízeních, fungujících na 400-V přípojce střídavého proudu při 1230 kVA. Dobíjecí doba je zpravidla do 2 hodin. Baterie je tedy rychle připravena na další použití. Náklady na držení zásoby baterií jsou přitom bohatě vykompenzovány prodlouženou životností baterií nabíjených v optimálním režimu. Ta se dá pomocí šetrného dobíjení prodloužit až na trojnásobek a poté ještě mohou baterie dále fungovat v dalším kroku pro „duální systém“ v rámci Smart Grid. To dále prodlužuje jejich životnost, protože i toto jejich nasazení jim prospívá jako forma „fitness“ tréninku.
Dobíjení probíhá velmi šetrně
Dobíjení probíhá při konstantní teplotě 20 °C. Během celého dobíjení jsou všechny baterie průběžně kontrolovány systémem FBG (Optical Fiber Sensing System). To znamená, že každý balíček baterií, každý modul a každý článek jsou permanentně kontrolovány na stoprocentní funkčnost pomocí techniky využívající optická vlákna. To je i protipožární opatření.
Německo sází na rychlodobíjecí stanice
Německé automobilky zatím vidí problematiku jinak. Například VW aktuálně nepovažuje rychlou výměnu baterií za alternativu k dalšímu vývoji baterií a rychlodobíjecím systémům. Nevyměnitelná baterie nabízí výhody, jako je nižší hmotnost a nižší náklady. Většina evropských automobilek argumentuje podobně. Baterie jsou součástí jejich hodnotového řetězce. Pokud nejsou nedílnou součástí auta, je to pro ně ekonomický problém. Také nezbytnou standardizaci baterií považují evropští experti za velmi zdlouhavou, ne-li přímo nereálnou záležitost. V Evropě se přesto o výměnný systém zatím aktivněji zajímají hlavně britská (resp. čínská) MG a Renault.
Rychlodobíjecí stanice i ultrarychlé dobíjecí stanice skutečně slibují do budoucna stále rychlejší dobíjení. Ale je jich stále příliš málo, takže dochází často k čekání na volný stojan. A ultrarychlé dobíjení baterii dlouhodobě poškozuje, její životnost může někdy snižovat až na polovinu. Nepřehlédnutelná je i jeho zvýšená cena, která snižuje konkurenceschopnost vůči autům se spalovacím motorem. Naproti tomu InfraMobility-Dianba aktuálně udává cenu při výměně baterie na zhruba sedm eur na 100 km - tedy levnější než tankování.
Státní podpora výstavby rychlodobíjecích stanic v Německu obnáší 500 milionů eur jen do konce roku 2025. Výměnné stanice se zatím musejí obejít bez takto velkorysé podpory.
Ropné společnosti tuší potenciál
Čínská ropná společnost Sinopec hodlá vybavit 30 000 čerpacích stanic výměnnými stanicemi Aulton-Dianba. Také britská společnost BP spolupracuje na mnoha projektech v Číně. Společnost Shell zase úzce spolupracuje s čínskou automobilkou NIO. Memorandum o porozumění se společností InfraMobility-Dianba podepsala také francouzská ropná společnost Total Energies SE, se kterou se nyní připravuje první skutečně komerční výměnná stanice na berlínském letišti. Má navázat na pilotní projekt, který InfraMobility-Dianba tamtéž úspěšně provozuje už od roku 2019.
Premiové automobilky nabízejí svoje systémy
Čínská premiová značka NIO nabízí svůj vlastní systém založený na přišroubování baterie na podlaze vozidla. Trvá několik málo minut, a zatím je pouze pro značku NIO. Další technologický vývoj směrem ke zkrácení výměny pokračuje. Podobný systém chce od příštího roku nabízet pro své vozy kalifornská automobilka FISKER.
Také další obory hledají řešení
Právě v těchto dnech byla v Číně zprovozněna největší kontejnerová loď s elektrickým pohonem na světě. Měří 120 metrů a může dopravovat až 700 kontejnerů. Celková kapacita jejích baterií činí 50 MWh a jsou uloženy v 36 kontejnerech. V přístavech se nenabíjejí, ale kontejnery se jednoduše vymění za náhradní kontejnery s plně nabitými bateriemi. Podle výrobce loď denně ušetří ve srovnání se stejně velkou lodí a dieselovým pohonem přibližně 32 tun CO2.
Expresní výměnu baterií neradno podceňovat
Opět se jedná o technologii, která může být vhodným doplňkem ke stávajícím technologiím dobíjení. Stanice pro rychlou výměnu baterií samozřejmě nemohou disponovat celou potřebnou škálou baterií různých velikostí a kapacit pro všechny elektromobily. Proto minimálně zpočátku – také než dojde k potřebné unifikaci a standardizaci – budou nepochybně její doménou celé flotily vozidel se stejnou baterií - například taxi jedné značky. Jak ukazuje příklad InfraMobility-Dianba, může ale velmi rychle následovat fáze individuálních dohod s automobilkami a rychlé plošné rozšiřování aplikace systému. Proto budou, doufejme, i evropské automobilky nadále sledovat vývoj této technologie a nebude mít pravdu CEO společnosti InfraMobility-Dianba Alexander Yu-Li, který na konto zatím odmítavého postoje německých automobilek poznamenal: „Německo opět zaspí technický pokrok."
Zdeněk Fajkus
Zdroj: časopis CzechIndustry 3/2023
Obr. malý. Stanice expresní výměny baterií společnosti Aulton v jednom z čínských měst.