Siedem dużych mankamentów elektromobilności
Ekonomiści z EIA nie spodziewają się spadku emisji CO2 w transporcie z powodu siedmiu sporych problemów z pojazdami elektrycznymi (EV):
* W całym okresie eksploatacji maszyny tego typu kosztują więcej niż samochody na benzynę;
* Stacje szybkiego ładowania są narażone na utratę pieniędzy;
* Istnieje ryzyko, że pierwiastki ziem rzadkich staną się jeszcze mniej osiągalne i droższe;
* Oczekiwanie na naładowanie ogniw jest czasami niewygodne;
* Kierowcy niekiedy odczuwają niepokój związany z zasięgiem i ładowaniem;
* CO2 jest wydzielane w trakcie spalania gazu ziemnego lub węgla w celu produkowania energii elektrycznej;
* CO2 jest emitowane podczas wydobywania metali ziem rzadkich i wytwarzania baterii.
W dalszej części tego artykułu omówiono, dlaczego ustandaryzowana, wymienna bateria może pomóc rozwiązać wszystkie te niedogodności.
Zastępowalne baterie na ratunek?
Obecnie na świecie istnieją pewne normy mechaniczne i elektryczne, które definiują baterie, takie jak pokazane poniżej. Umożliwia to zasilanie wielu produktów przy niskich kosztach.
Przykłady znormalizowanych baterii.
Teoretycznie można by stworzyć znormalizowany akumulator samochodowy, który prawdopodobnie będzie wyglądać podobnie do tego od Tesli, acz będzie używany przez wielu producentów samochodów. Norma określać miałaby mechanikę (np. wysokość, długość i szerokość), połączenia elektryczne i komunikację między akumulatorem a pojazdem. Aktualnie w maszyny EV wbudowuje się dedykowane jednostki i okresowo ładuje. Alternatywą miałby być standardowy akumulator typu plug-in. To znaczy wszystkie auta obsługiwałyby taki o jednakim kształcie i można byłoby go wymieniać na nowy w czasie poniżej minuty. Właściciele samochodów płaciliby za zużytą energię elektryczną i wykorzystanie baterii EV. Dane ogniwa nie musiałyby być tak drogie, dzięki stosowaniu tańszych akumulatorów. Platforma do ich wymiany byłaby usytuowana w ziemi. Samochód parkowałby nad nimi, a mechanizm dokonywałby całej operacji. Oprócz tego pod powierzchnią zlokalizowany byłby również system ich ładowania.
Ci, którzy przejeżdżają mniej niż 160 km dziennie, mogą zainstalować niedrogi akumulator o niskim zasięgu i zasilać go w nocy we własnym domu. Redukcja wydatków nastąpiłaby, ponieważ takie jednostki nie wykorzystują tak wiele pierwiastków ziem rzadkich (np. 20-kWh akumulator litowo-żelazowo-fosforanowy kosztuje mniej niż mający pojemność 60-kWh — niklowo-manganowo-kobaltowy o podobnych wymiarach). A podczas długich podróży można wymieniać droższą baterię o dużym zasięgu lub dokonywać tej operacji częściej względem tańszych odpowiedników.
Zmiana podejścia mogłaby również zredukować koszty baterii i systemów elektromobilności poprzez utowarowienie, ponieważ wielu producentów konkurowałoby ze sobą, co obniżyłoby finalną cenę.
Podobne mechanizmy mogłyby być zakładane w domach. Specjalne komory instalowane byłyby w garażach. Znajdowałyby się w nich wymienne ogniwa, które wykorzystywane mogłyby być w samochodach. W ciągu dnia jednostki te ładowane byłyby z pomocą energii słonecznej, by zasilać dom w nocy, a w razie potrzeby można byłoby je lokować w samochodzie, jak pokazano poniżej.
Zastępowalne akumulatory pojazdów elektrycznych w domu, gdzie mogą również zasilać posesję po zmroku.
Ww. podejście nie jest nowym pomysłem. Ideę tę prezentował już np. David Borlace (patrz wideo poniżej). Aby uzyskać więcej informacji, zobacz: „wymienna bateria” w: „Jak zdekarbonizować transport”.
Minusy wymiennych ogniw
Zastępowanie zużytych ogniw nowymi może brzmieć świetnie. Technologia ta ma jednak kilka wad:
* Wymagałoby to ogromnego wysiłku producentów samochodów, którzy projektowaliby swoje pojazdy wokół standardowego, wymiennego akumulatora. Zaszłaby konieczność m.in. budowy nowych fabryk do produkcji tego typu środków transportu;
* Świat musiałby zainstalować wiele podziemnych komór do obsługi ogniw, ponosząc ogromne koszty;
* Wprowadzenie systemu wymiennych baterii borykać się będzie z problemem typu: „kura kontra jajko”. Producenci samochodów mogą niechętnie uczestniczyć w powstawaniu nowych aut danego rodzaju, gdy istnieć będzie niewielka ilość stacji z ich wsparciem. A firmy zajmujące się wymianą mogą opornie podchodzić do budowy takich instalacji bez wielu maszyn z zastępowalnymi bateriami na drogach. Aby posunąć się naprzód, mechanizmy do podmiany ogniw mogą być początkowo umieszczane w salonach samochodowych. Te kierowcy odwiedzaliby przed długą podróżą, aby zainstalować kosztowną, szybko uzupełnialną baterię o dużym zasięgu. W normalnej eksploatacji jeździliby z wykorzystaniem tanich, wolno ładujących się ogniw o nie tak szerokim polu pokrycia, które są zasilane w domu.
Niewielki koszt następnej fazy
W kolejnym kroku rękami rządu lub fundacji wydano by dziesiątki milionów dolarów na zaprojektowanie i stworzenie prototypu znormalizowanego systemu wymiennych baterii, aby lepiej zrozumieć wykonalność techniczną i ekonomiczną. Ta faza wiąże się z relatywnie niedużymi nakładami, w porównaniu z dalszymi działaniami.
Zmniejsz czterokrotnie koszty baterii dzięki nie tak wydatnemu zasięgowi i wolniejszemu ładowaniu
Pojazdy elektryczne zazwyczaj zapewniają obszar obsługi na poziomie 450 kilometrów i szybkie zasilanie ogniwa w 30 minut. Gdyby jednak wymagania dotyczące zasięgu zostałyby zredukowane dwukrotnie, a prędkość ładowania cztery razy (np. minimalny czas ładowania do dwóch godzin), obciążenia finansowe związane z akumulatorami mogłyby spaść ponad czterokrotnie.
* Tradycyjna bateria o zasięgu 450 km wykorzystuje NMC. Alternatywne ogniwa LFP są dostępne za około 3 razy mniej ze względu na 30% niższy koszt w przeliczeniu na kilowatogodzinę i dwukrotnie większą liczbę cykli życia. Wadą LFP jest to, że zapewnia mniejszy zasięg przy tej samej objętości i wadze (np. LFP oferują ok. 200 km zamiast 450 km);
* Wolniejsze ładowanie wytwarza mniej ciepła, co redukuje nakłady finansowe na poczet systemów zarządzania temperaturą w akumulatorze;
* Nie tak szybkie zasilanie ma dobry wpływ na żywotność baterii, co niweluje jej koszty;
* Wolniejsze ładowanie nie wymaga tak drogiego sprzętu. Na przykład przetwornice impulsowe AC/DC, które uzupełniają zasoby ogniwa przez osiem godzin, kosztują około 6 razy mniej niż ww. urządzenia zasilające akumulator w ciągu 60 minut;
* Bardziej rozciągnięte w czasie ładowanie nie potrzebuje tylu usług ze strony zakładu energetycznego (np. za dostarczanie 40 kW zapłaci się mniej niż za przyłącze zapewniające 160 kW).
W dalszej części artykułu przyjrzymy się w jaki sposób te tańsze, wymienne ogniwa mają pomóc w rozwiązaniu siedmiu opisanych wcześniej problemów z pojazdami elektrycznymi.
W całym cyklu życia maszyny EV kosztują obecnie więcej niż samochody spalinowe
Amerykańskie Narodowe Laboratorium Energii Odnawialnej (NREL) podało informację, że aktualnie auta spalinowe wydatkują 0,30 dolara na milę, a cena jazdy środkiem transportu typu EV o zasięgu 450 km wynosi 0,47 dolara na milę, jak pokazano w poniższej tabeli. Obejmuje to początkowy koszt samochodu, benzyny / energii elektrycznej i wymiany akumulatora EV. Trwałość tych ostatnich szacowana jest na 150 000 km i osiem lat, a odnosząc się do samochodu spalinowego na, średnio, dwa razy dłużej. Oznacza to między innymi, że właściciel prawdopodobnie kupi jeden akumulator zastępczy w całym okresie eksploatacji swojego pojazdu, a są one bardzo drogie.
Cena za przejechanie mili dla różnych maszyn.
Większość dostępnych raportów wskazuje wszakże, że auta EV są tańsze niż samochody spalinowe. Jednak zazwyczaj ww. dokumenty bazują na badaniach, w których nie uwzględnia się wydatków na poczet wymiany baterii. Analitycy i ekonomiści EIA i NREL często zapominają o obiektywizmie, co zmniejsza dokładność ich przewidywań. Ich zadaniem jest prognozowanie tego, co się stanie, a nie opisywanie, co chcą, aby się wydarzyło.
Zastępowalne akumulatory zmniejszają koszty pojazdów elektrycznych w następujący sposób:
* Większość samochodów przejeżdża mniej niż 70 km dziennie. Oznacza to, że przez wiele dni użytkownicy mogą korzystać z tanich akumulatorów o niskim zasięgu (np. do 150 km) i ładować je w nocy w domu. A podczas długich podróży mogliby używać droższych jednostek o większym obszarze obsługi lub częściej je zastępować;
* Obecnie właściciele pojazdów elektrycznych mogą typowo wymienić akumulatory, gdy pojemność spadnie o 20% do 35%. Jednak zastępowalne baterie byłyby spożytkowywane dłużej, ponieważ mogą być oferowane jako opcje o mniejszej pojemności, gdy się starzeją. Kierowcy nie zauważyliby różnicy między nową jednostką 150 kWh a starą 300 kWh, której efektywna zasobność spadła o 50%. Oba ogniwa byłyby odznaczane w systemie jako 150 kWh. Koszty akumulatorów spadają dwukrotnie, gdy działają dwa razy dłużej.
Stacje szybkiego ładowania są narażone na straty
Kiedy patrzymy na stację szybkiego ładowania — jaki procent czasu jest ona w użyciu? W wielu przypadkach w niewielkim. Wynika to z niedogodności związanych z uzupełnianiem zasobów, wysokimi kosztami, łatwym ładowaniem w domu i z niewystarczającej liczby pojazdów elektrycznych. Niskie wykorzystanie nierzadko prowadzi do tego, że wydatki na poczet takich platform przekraczają przychody z nich. W takim przypadku stacje tego typu mogą być stratą pieniędzy, ratowanymi publicznymi dofinansowaniami lub nakładami inwestycyjnymi; jednak te: „środki zaradcze” nie są trwałe. Koszty danych platform są obszerne ze względu na wysoką cenę sprzętu do szybkiego ładowania oraz wydatki na rzecz podłączenia energetycznego. Na przykład potrzeba uzyskania 150 kW mocy sieciowej, aby naładować akumulator o pojemności 50 kWh w ciągu 20 minut. Jest to taka sama ilość energii, jaką zużywa 120 domów, a urządzenia energetyczne, które to obsługują, są drogie (przeciętne mieszkanie w USA pobiera średnio 1,2 kW).
Z tego powodu wiele stacji szybkiego ładowania nie ma dostępu do znacznej mocy sieciowej. Powoduje to, że nie są w stanie szybko zasilać wielu pojazdów w tym samym czasie, mimo posiadania odpowiedniej liczby ładowarek. Oznacza to następującą kaskadę zdarzeń: wolniejsze uzupełnianie zasobów, mniejsze zadowolenie klientów i wykorzystanie stacji, wyższy koszt w przeliczeniu na osobę, zredukowany zysk i ostatecznie ograniczona liczba zainteresowanych, chcących być właścicielami/operatorami takiej platformy.
Miasto z wieloma pojazdami elektrycznymi i głównie parkingami na ulicach ma większe szanse na ekonomiczne ładowanie. Alternatywnie, stacje szybkiego zasilania na obszarach wiejskich lub podmiejskich są często narażone na bycie mało rentownymi inwestycjami. Aby zapoznać się ze studium przypadku wiejskiej platformy tego rodzaju, warto zobaczyć film autorstwa Kyla Connera, pokazany poniżej. Badał on stację, która jest podłączona do przyłącza o mocy 37 kW na wiejskiej drodze i omawia, jak radzi sobie ona z wyzwaniami zarówno technicznymi, jak i ekonomicznymi.
Wymienne akumulatory ograniczają ryzyko związane z niską opłacalnością stacji szybkiego ładowania z następujących powodów:
* Baterie w podziemnych komorach mogą być uzupełniane wolniej, co zmniejsza wymaganą moc serwisową i koszty sprzętu;
* Baterie w komorach mogą pobierać energię w nocy lub gdy źródła odnawialne są nasycone i produkują dużo zasobów, a energia elektryczna z sieci jest tańsza.
Ryzyko, że materiały ziem rzadkich staną się mniej dostępne i bardziej kosztowne
W 2021 roku na całym świecie wytworzono około 7 milionów pojazdów elektrycznych. Gdyby produkcja wzrosła dwunastokrotnie i trwała 18 lat, maszyny EV mogłyby zastąpić 1,5 miliarda tych na gaz i zdekarbonizować transport (7 milionów × 18 lat × 12). Jednak samochody EV zwykle wykorzystują rzadki lit, kobalt i nikiel i nie jest jasne, co stałoby się z ceną tych materiałów, gdyby zużycie gwałtownie skoczyło.
Koszt akumulatorów do pojazdów elektrycznych zazwyczaj spada z roku na rok. Tak się jednak nie stało w 2022 roku ze względu na braki materiałowe. Niestety metale ziem rzadkich mogą stać się mniej osiągalne i prowadzić do wyższych cen baterii.
Wymienne baterie zmniejszają zależność od metali ziem rzadkich, ponieważ mogą łatwiej współpracować z technologiami niższego zasięgu, które nie spożytkowują tak wiele materiałów danego typu (np. LFP nie wykorzystują kobaltu).
Oczekiwanie na naładowanie jest czasami problemem
Wymienne akumulatory skrócą czas postoju pojazdu elektrycznego na stacji zasilania. Zastąpienie pakietu ogniw jest znacznie szybsze niż ich naładowanie. Aby zaspokoić potrzeby współczesnych kierowców — w idealnym wypadku — operacja powinna trwać mniej więcej tyle samo, co tankowanie auta spalinowego.
Kierowcy czasami odczuwają niepokój związany z zasięgiem i ładowaniem
Ten problem jest na pograniczu kwestii technicznych i społecznych. Jeżeli w systemie funkcjonować będzie dużo stacji do wymiany akumulatorów i samych baterii, to taka operacja będzie łatwa.
CO2 jest emitowany podczas spalania gazu ziemnego w celu wytworzenia energii elektrycznej
Sieć energetyczna jest często zasilana z wielu źródeł. Na przykład w dowolnym momencie może otrzymywać 20% swoich zasobów elektrycznych z ujęcia jądrowego, 3% ze słońca, 7% z platform wiatrowych i 70% z elektrowni opartych na gazie ziemnym. Farmy fotowoltaiczne wytwarzają energię elektryczną przy nasłonecznieniu; wiatrowe, gdy wieje wiatr, a inne opcje uruchamiane są rzadziej.
Kiedy ładuje się pojazdy elektryczne, co najmniej jedno źródło zasilania w sieci musi zwiększać swoją moc wyjściową. Zazwyczaj tylko jedno ze względu na kilka ujęć, takich jak koszt. Również moc wyjściowa z farmy fotowoltaicznej raczej się nie zmieni, ponieważ jest ona definiowana przez słońce, a energia elektryczna produkowana w dany sposób jest już zwykle i tak zużywana. Alternatywnie, jeśli ww. jest w stanie: „nasycenia” (tj. odrzuca zieloną energię elektryczną z powodu generowania już zbyt dużej jej ilości), może zwiększyć swoją produkcję, zamiast marnować te zasoby. I można ładować maszyny EV bez dodatkowej emisji CO2 u źródła.
Wymienne akumulatory zmniejszają wydzielanie się CO2 z wytwarzania energii elektrycznej, ponieważ można je uzupełniać, gdy odnawialne ujęcia zasobów są w stanie nasycenia.
CO2 jest emitowany podczas wydobywania pierwiastków ziem rzadkich i wytwarzania baterii
Zastępowalne baterie redukują wyzwalanie się CO2 przy procesie produkcji, ponieważ można pracować z mniejszymi jednostkami, które nie wykorzystują tak wiele pierwiastków ziem rzadkich. To w oczywisty sposób ogranicza zapotrzebowanie na materiały, przy których wydobyciu wytwarzany jest dwutlenek węgla.
Transport to problem wart 30 bilionów dolarów
Na świecie jest około 1,5 miliarda pojazdów spalinowych. Gdyby zostały one zastąpione elektrycznymi, wydatkiem rzędu 20 000 dolarów każdy, całkowity nakład na poczet takiej inwestycji wyniósłby 30 bilionów dolarów. Gdyby zostało to zmniejszone o 10% poprzez na przykład setki miliardów dolarów wydane na dodatkowe badania i rozwój technologii, wówczas koszt tychże byłby uzasadniony. Trzeba myśleć o transporcie jako o problemie wartym 30 bilionów dolarów i działać zgodnie z taką wyceną — innymi słowy, należy więcej w ww. założenia inwestować. Jednak, w jaki sposób badania i rozwój mogą obniżyć koszty wymiennych akumulatorów pojazdów elektrycznych? Możemy zacząć od weryfikowania i opracowania maszyn automatyzujących instalację infrastruktury podziemnej. Poniżej znajduje się kilka przykładów. Więcej literatury znaleźć można w artykule pt. „Jak zdekarbonizować transport”.
Maszyna instalująca infrastrukturę podziemną (koncepcja).
Maszyna do utrzymania infrastruktury podziemnej (koncepcja).
Podsumowanie
Aby przyspieszyć rozwój zastępowalnych baterii, rządy lub prywatne fundacje muszą skupić się na sfinansowaniu następujących znormalizowanych systemów:
* Mechaniczny i elektryczny standard wymiennych akumulatorów dla pojazdów elektrycznych;
* System komunikacji między akumulatorami a platformą ładowania;
* System komunikacji między samochodem a stacją wymiany akumulatorów;
* System komunikacji między siecią energetyczną a panelem wyświetlacza samochodowego;
* Interfejs użytkownika dla smartfona i systemu płatności;
* Mechanizmy wymiany, ładowania i magazynowania ogniw o różnej wielkości.
Opracowanie kompletnego rozwiązania do punktu realnych prototypów do testów rzeczywistych może kosztować dziesiątki milionów dolarów, a wdrożenie na całym świecie wiele miliardów. Dużo wskazuje jednakże na to, że jest to inwestycja, która przyczyni się istotnie do zwiększania wykorzystania pojazdów elektrycznych i, w konsekwencji, dekarbonizacji transportu.
Źródło: https://www.eeweb.com/are-swappable-ev-batteries-on-the-horizon/
Cool? Ranking DIY
