Zamiana baterii wymaga mniej baterii, niż się wydaje.

Silnik napędowy Janus Electric używany przez OZ Minerals. Zdjęcie za zgodą Qube.

Podziel się z CleanTechnica swoim wsparciem poprzez subskrypcję na Substacku, Patreonie lub Stripe. Pomóż nam tworzyć wysokiej jakości, oryginalne treści, które publikujemy co tydzień, pomimo wyzwań stawianych przez sztuczną inteligencję do pobierania treści, antyspołeczne media, inflację i inne przeszkody.

Kiedy jakiś czas temu napisałem artykuł o Janus Electric, australijskiej firmie produkującej ciężarówki elektryczne, która specjalizuje się w konwersji na półelektryczne wersje z silnikiem diesla oraz systemie wymiany baterii, odłożyłem go na bok, aż natknąłem się na wywiad z prezesem Janus, Benem Hutt. Reporter zapytał o dodatkowe koszty związane z bateriami przy eksploatacji ciężarówek w trybie flotowym z użyciem tego systemu. Odpowiedział, że wynoszą one około 30%. Janus doskonale o tym wie, ponieważ tworzy i zarządza korytarzami transportowymi dla ciężkich pojazdów. Okazało się, że już dawno przeprowadziłem obliczenia pokazujące, w jaki sposób działa ten sprytny mechanizm.

Na początku, gdy badałem operacje wymiany ciężarówek, używałem koncepcji transakcji ładowania jednostki, która stanowi najprostszy element uzupełniania energii w baterii. Z czasem rysowałem ilustracje transakcji jednostkowych, aby pokazać, jak one funkcjonują oraz w jaki sposób te komórki jednostkowe się rozwijają. Jeśli jeden obraz wart jest tysiąca słów, to jest to również doskonały sposób na zrozumienie działania czegoś i wizualne przedstawienie matematyki. Gdy natrafiłem na cytat prezesa Janus, od razu przypomniałem sobie koncepcję, o której pisałem w krótkim artykule zatytułowanym „Planowanie stacji i ładowarek dla pojazdów elektrycznych”. Zilustrujmy to, porównując najprostszą transakcję jednostkową i sposób jej skalowania. Jest to analiza bez konieczności czekania – każde rozszerzenie odbywa się poprzez nakładanie metod. Zróbmy to za pomocą obrazów. Oto, jak wygląda transakcja jednostkowa:

Aby rozszerzyć zasięg transakcji jednostkowych na większe odległości, możemy zastosować metodę, którą nazywam łańcuchowym rozmieszczeniem pojazdów. Dzięki rozpoczynaniu ruchu każdego ciężarówki w odpowiednich odstępach czasu, wszystkie one są rozmieszczone tak, aby między stacjami znajdowała się jedna ciężarówka w drodze. Nazywam to łańcuchowym rozmieszczeniem, ponieważ przypomina ono łańcuch – między stacjami wymiany baterii z mobilną baterią znajduje się tylko jedna ciężarówka, a w stacji powoli ładowa się jedna bateria do wymiany. Możemy to zilustrować poprzez łączenie transakcji jednostkowych w łańcuch – patrz Rysunek 2.

Zauważ, że ten koncept działa w obu kierunkach. Możemy odwrócić obraz, pokazując ciężarówki jadące w przeciwnym kierunku. Łatwo zrozumieć, jak można stworzyć system stacji łączących dwa punkty końcowe na dowolnej odległości. Stosunek baterii, ciężarówek i stacji jest taki sam jak w przypadku pojedynczej transakcji. Można to nazwać pętlą łańcuchową. Ma to sens, ponieważ ciężarówki zawsze jadą od miejsca odbioru do celu, a następnie z powrotem. Zobacz, jak łatwo jest określić skalowanie na Rysunku 3?

Jeśli rozpoczęcie podróży pojazdów jest planowane etapami, to może być w drodze tylko jeden ciężarówka, a przy każdej stacji dostępna jest bateria do wymiany. W ten sposób możemy tak układać terminy wyruszania, aby zawsze jedna ciężarówka była w drodze do następnej stacji, a przy każdej ciężarówce zawsze była jedna bateria mobilna oraz jedna do wymiany. Skalowanie rozwiązania jest proste.

Następnie możemy zastosować metodę wypełniania trasy. Zamiast jednej ciężarówki między stacjami, wybieramy inną liczbę pojazdów w drodze. Jeśli wybierzemy trzy, to zawsze będzie ich trzy z bateriami mobilnymi oraz jedna bateria do wymiany. W okresie pomiędzy ciężarówkami w drodze pakiet baterii może się naładować, po czym ciężarówka otrzymuje nowy pakiet i zostawia inny do naładowania. Dzięki temu zmniejsza się liczba używanych baterii oraz piki zapotrzebowania na moc. W tym miejscu widać, jak Janus może mieć jedynie 33% dodatkowych kosztów związanych z bateriami do wymiany, przy zastosowaniu metody wypełniania trasy z trzema ciężarówkami w drodze, jak pokazano na rysunku 4.

Artykuł pokazuje, w jaki sposób dostawy ciężarówkami mogą odbywać się falami, przy wysyłaniu jednocześnie więcej niż jednej ciężarówki. Dzięki temu objętość przewożonych ładunków w flocie może być zwiększana w sposób zaprogramowany. Skutek kilku jednoczesnych wyjazdów przedstawiono na Rysunku 5.

Baterie można wymienić w ciągu 4 minut, a przybywające pojazdy będą obsługiwane zgodnie z tym harmonogramem. W praktyce, na przykład w przypadku grupy czterech ciężarówek, wszystkie one są obsługiwane w ciągu 16 minut, a kolejne wymiany nie będą wiązać się z oczekiwaniem, ponieważ pojazdy przybywają co 4 minuty. Czas między falami ciężarówek może być dłuższy niż czas wymiany kilku baterii.

Rozmiar baterii mobilnych można zmniejszyć w celu zwiększenia ich pojemności nośnej. Sposób działania tego rozwiązania pokazano na ilustracji. Stacje rozmieszczone co połowę odległości skracają rozmiar baterii o połowę. Całkowita ilość energii przechowywanej w systemie pozostaje taka sama, ale rozmiar baterii mobilnej się zmniejsza, a zdolność ciężarówki do przenoszenia ładunku rośnie, jak pokazano na rysunku 6.

Wreszcie, koncepcje transakcji jednostkowych umożliwiają łatwe pokazanie i porównanie maksymalnego zapotrzebowania na moc oraz wymagań energetycznych poszczególnych systemów. Analiza graficzna wyjaśnia, w jaki sposób działa wymiana baterii, jak rozwija się ona w zależności od potrzeb oraz jak w elastyczny i przewidywalny sposób zminimalizować maksymalne zapotrzebowanie sieci na moc oraz dodatkowe koszty związane z bateriami w stacjach wymiany.

Wniosek

Illustracje transakcji jednostkowych stanowią przydatny sposób na wizualizację potrzeb uzupełniania baterii w pojazdach elektrycznych. Ciężarówki mogą funkcjonować przy minimalnej infrastrukturze do wymiany baterii – wystarczy jedna trzecia liczby baterii znajdujących się w tych pojazdach. Graficzne przedstawienia pokazują łatwo, jak operacje w systemie transportowym mogą zmniejszyć szczytowe zapotrzebowanie na energię w sieci, wymagania dotyczące baterii oraz koszty kapitałowe systemu, dzięki takim rozwiązaniom jak stopniowe rozpoczynanie tras, wypełnianie tras oraz kilka wyjazdów jednocześnie. Te ilustracje ułatwiają planowanie początkowych operacji i ekspansji oraz analizę kosztów kapitałowych i operacyjnych. W systemach transportu towarów elektrycznych opłaca się organizować i koordynować przewóz w formie ciągłego łańcucha, co odpowiada korytarzom transportowym pomiędzy portami a dużymi magazynami, kopalniami oraz innymi skupionymi punktami przeznaczenia towarów. Nie jest konieczne posiadanie jednej baterii do wymiany na każdą ciężarówkę. Dzięki zastosowaniu techniki wypełniania tras, infrastruktura baterii systemu

Potrzeby tych urządzeń mogą być zredukowane do ułamka wymagań dotyczących baterii w urządzeniach mobilnych. Dodatkowe ilustracje mogą pokazać, w jaki sposób inne strategie odpowiadają potrzebom przenoszenia towarów z magazynu do punktów dystrybucji w centrach handlowych, a jak precyzja systemu dostosowuje się do lokalnych potrzeb dostaw na każdym poziomie i przy różnej długości tras. Istnieją jeszcze inne koncepcje do zbadania w zakresie działania stacji zdalnych.