Mniejsze baterie i ultr szybkie ładowanie: czy to jest przyszłość samochodów elektrycznych?
Budowa przyszłości samochodów elektrycznych wymaga rozwiązania skomplikowanego problemu: obniżenia kosztów produkcji oraz zużycia zasobów, nie zmuszając jednocześnie kierowców do rezygnacji z uniwersalności, jakiej oczekują od swojego pojazdu. Baterie odgrywają kluczową rolę w tym wyzwaniu, zarówno ze względu na swoją cenę, jak i na wagę, którą dodają do całego układu. Zmniejszenie ich rozmiaru może być jednym z kluczy do stworzenia bardziej dostępnych samochodów elektrycznych, choć istnieje warunek, którego nie należy ignorować.
Propozycja zmusza do ponownego przemyślenia jednego z priorytetów branży, która od lat stawiała na produkcję coraz większych baterii, aby zapewnić coraz dłuższy zasięg. Zamiast iść tą drogą, Francuska Agencja ds. Transformacji Ekologicznej (Ademe) proponuje skupienie się na lżejszych pojazdach oraz mniejszych bateriach. Problem polega na tym, że mniejsza pojemność oznacza mniejszy zasięg, dlatego ładowanie musiałoby odgrywać znacznie ważniejszą rolę.
Idea wydaje się sensowna na papierze. Mniejszy akumulator kosztuje mniej, wymaga mniej materiałów i pozwala zmniejszyć wagę pojazdu. Może również przyczynić się do zmniejszenia zużycia opon oraz obciążeń konstrukcyjnych podwozia. Jednak przekonanie kupujących do rezygnacji z części zasięgu nie będzie łatwe, szczególnie gdy ceny samochodów elektrycznych wciąż stanowią przeszkodę dla wielu kierowców. Alternatywą byłoby zrekompensowanie tej mniejszej pojemności znacznie szybszym ładowaniem, ale wtedy pojawiają się nowe trudności techniczne i ekonomiczne.
Mniejszy akumulator, który ładowa się w kilka minut
Aby zrozumieć wpływ zmniejszania rozmiaru baterii, wystarczy zwrócić uwagę na ich wagę. Według danych ze analizy przeprowadzonej przez Ademe, pakiet o pojemności 60 kWh waży około 340 kg, natomiast ten o pojemności 90 kWh osiąga wagę 510 kg. Różnica ta jest znaczna, biorąc pod uwagę, że to właśnie ten element wpływa zarówno na koszt, jak i efektywność pojazdu. Ponadto aktywne materiały służące do przechowywania energii stanowią ponad połowę śladu węglowego baterii będącej punktem odniesienia, badanej przez francuską instytucję. Ważny wpływ ma również produkcja ogniw oraz aluminium używanego w nich, a także modułów i całej konstrukcji baterii.
Czy klient zgodziłby się na baterię o pojemności 30 kWh w kompaktowym SUV-ie, jeśli oznaczałoby to jedynie zasięg około 200 kilometrów? Dla wielu kierowców taka pojemność może wystarczyć do codziennych podróży, szczególnie jeśli mają dostęp do ładowarki domowej. Jednak długie trasy nadal stanowiłyby problem, jeśli co półtorej lub dwie godziny trzeba by zatrzymywać się do ładowania i czekać pół godziny lub dłużej. Dlatego propozycja nie polega wyłącznie na montażu mniejszych baterii, ale także na skróceniu czasu postojów podczas ładowania.
Szybkie ładowanie powinno stać się narzędziem zdolnym zrekompensować znaczną część tej utraty zasięgu. Zamiast transportować dużą ilość energii przechowywanej w podłodze samochodu, kierowca mógłby korzystać z sieci, gdy potrzebowałby odzyskać zasięg. W ten sposób mniejszy akumulator mógłby wystarczyć na codzienne przejazdy i zapewnić rozsądny poziom użyteczności na drodze, pod warunkiem że stacje ładowania byłyby dobrze rozmieszczone i oferowały wysoką moc w sposób ciągły.
Jest jednak istotna różnica pomiędzy deklarowaniem wysokiej maksymalnej mocy ładowania a utrzymywaniem jej przez znaczną część sesji. Niektóre samochody elektryczne osiągają imponujące wartości przez krótki czas, ale moc spada w miarę wzrostu poziomu naładowania lub gdy temperatura baterii nie jest odpowiednia. Aby ta strategia zadziałała, niewystarczy osiągnąć imponujący szczyt mocy – konieczne jest utrzymywanie bardzo szybkiego ładowania przez wystarczająco długi okres czasu.
Tutaj zaczynają się komplikacje. Mała bateria, która ma wydawać od 300 do 400 kW mocy, musi być zaprojektowana tak, aby wytrzymać bardzo wysoki przepływ energii bez przedwczesnego uszkodzenia ani osiągnięcia nadmiernych temperatur. Wymaga to odpowiedniej chemii, zaawansowanej elektroniki mocy oraz systemu chłodzenia zdolnego szybko usuwać ciepło. Niektóre rozwiązania, takie jak bezpośrednie chłodzenie ogniw za pomocą cieczy, były dotychczas przeznaczone głównie dla pojazdów o wysokich osiągach i modeli z wyższej półki.
Całe to wyposażenie zajmuje miejsce, zwiększa wagę i podnosi koszt produkcji. Technologia ta mogłaby znaleźć zastosowanie w drogim SUV-ie rodzinnym, ale przeniesienie jej do taniego samochodu miejskiego jest o wiele trudniejsze. W małych pojazdach każdy kilogram i każdy centymetr ma znaczenie, a zaawansowany system termiczny może pochłonąć część oszczędności uzyskanych dzięki zmniejszeniu pojemności baterii. Prostsze rozwiązania chłodzące z kolei mogą ograniczać moc ładowania podczas dłuższych tras.
Koszt sieci szybkiego ładowania
Idealnym scenariuszem przedstawionym przez tę strategię byłby samochód elektryczny z baterią o pojemności około 50 kWh, oferujący rzeczywisty zasięg około 250 km na autostradzie. To więcej niż wystarczające do codziennego użytku. Podczas podróży stacje ultr szybkiego ładowania umożliwiłyby uzupełnienie energii podczas krótkich postojów. W ten sposób przemysł mógłby zmniejszyć rozmiar baterii, nie zmuszając kierowców do akceptacji znacznie ograniczonej możliwości korzystania z pojazdu.
Jednak aby to rozwiązanie zadziałało, potrzebna jest infrastruktura, która jeszcze nie jest dostępna we wszystkich miejscach. Stanowiska do ładowania zdolne do dostarczenia 400 kW lub więcej wciąż są rzadsze niż te o mniejszej mocy i wymagają instalacji elektrycznych przystosowanych do obsługi znacznego obciążenia. Problem nie kończy się na zakupie ładowarek – trzeba również rozważyć połączenie z siecią, wymagania dotyczące transformatorów oraz dostępną moc w każdym miejscu.
Analiza opublikowana we Francji wskazuje, że stacja z pół tuzinem punktów ładowania o dużej mocy może osiągnąć wartość bliską milionowi euro przed opodatkowaniem, jeśli uwzględni się koszt podłączenia prądu. Inwestycja może wzrosnąć, gdy lokalizacja nie posiada odpowiedniego podłączenia i konieczne jest zainstalowanie specjalnego transformatora. Do tego dochodzą koszty konserwacji oraz opłaty związane z zamówioną mocą, które mogą być szczególnie wysokie w obiektach zaprojektowanych do obsługi kilku pojazdów jednocześnie.
Kłopot polega na tym, że te infrastruktury muszą być opłacalne. Jeśli stacje przyjmują niewystarczającą liczbę użytkowników, odzyskanie inwestycji będzie trudne. A jeśli koszt budowy i eksploatacji jest wysoki, operatorzy będą musieli znaleźć sposób, by przenieść ten koszt na swoich klientów. W takiej sytuacji oszczędności uzyskane dzięki zakupowi samochodu elektrycznego z mniejszym akumulatorem mogą zostać zniweczone przez koszt każdego ładowania, szczególnie podczas długich podróży i w punktach z najwyższą mocą prądu stałego.
Zaproponowanie Ademe otwiera zatem debatę wykraczającą poza kwestię pojemności baterii. Produkcja lżejszych i bardziej dostępnych samochodów elektrycznych może być dobrym sposobem na zmniejszenie zużycia materiałów oraz ułatwienie ich dostępu dla większej liczby kierowców. Jednak nie wydaje się rozsądne zakładać, że sieć szybkiego ładowania będzie mogła bez problemu zastąpić baterie o dużej pojemności. Aby ta zmiana była opłacalna, konieczne będzie zrównoważenie ceny pojazdu, jego rzeczywistej zasięgu, szybkości ładowania oraz kosztów infrastruktury.
Podsumowując, przyszłość nie musi być podzielona pomiędzy samochodami elektrycznymi z ogromnymi bateriami a modelami o zbyt ograniczonych możliwościach. Kluczem będzie znalezienie punktu pośredniego, który umożliwi obniżenie kosztów bez przekształcania każdej długiej podróży w mękę długiego oczekiwania na każdej stacji, a także zapewni samochody zdolne zaspokoić nasze codzienne potrzeby, jednocześnie umożliwiając podróżowanie bez konieczności korzystania z setek kWh.