Smart grid v praxi: Nabíječka elektromobilů díky FVE a baterii pomáhá stabilizovat síť
Letos v únoru byla u pražského Výstaviště otevřena unikátní dobíjecí stanice pro elektromobily. Projekt kombinuje dobíjení elektromobilů s dalšími funkcemi: výrobou vlastní energie pomocí střešních fotovoltaických panelů (FVE) a regulací napěťových odchylek v místě připojení pomocí bateriového systému akumulace energie (BSAE).
Rozměry kontejneru: jediné pojítko s původním návrhem
Nejen stavbu, ale i návrh celé stanice realizovala během pouhých čtyř měsíců společnost Energon Advanced Energetics. Ta se k zakázce dostala v červenci loňského roku poté, co ji napřímo oslovila společnost skupina Pražská energetika, a.s. (PRE).
„Tou dobou už existoval projekt od jiné firmy, ale my jsme se jím nechtěli nechat svazovat, proto jsme se kvůli již vydanému stavebnímu povolení drželi pouze zadaných rozměrů. Jinak se kreslilo na bílý papír, vše jsme navrhli od nuly,“ uvádí Tomáš Pastrňák, generální ředitel realizační společnosti.
Výsledkem je průlomový design, který posouvá pojetí dobíjecí stanice do zcela nových měřítek. Proměna exteriéru je však až na druhém místě za kompletně přepracovaným technickým pojetím.
Baterie pro nabíjení i podporu sítě
Původně zamýšlený olověný BSAE s napětím 48 V byl nahrazen vysokonapěťovým Li-Ion akumulátorem značky Pylontech. Konkrétně se jedná o technologii LiFePo4, která vyniká odolností, výrazně skladnějším provedením, a především vyššími bezpečnostními standardy. U tohoto typu baterií například nehrozí riziko vzplanutí. Li-Ionové baterie zvýhodňuje i jednodušší instalace a následný provoz. Jejich využití v projektu nahrála mimo jiné prudce klesající cena. Důležitou výhodou LiFePo technologie je také to, že baterie neobsahují kobalt – nedostatkovou surovinu, jejíž největší naleziště se nacházejí v nestabilní Africe.
Díky využití Pylontech baterií se snížily nároky BSAE na prostor. Tak vzniklo ve stanici místo, kam lze v budoucnu případně instalovat další baterie.
Přechod na vysokonapěťové baterie znamenal i výměnu měničů, ty původně navržené nebyly kompatibilní. Volba padla na produkt od firmy SOCOMEC, který nabízí vyšší účinnost i lepší rozsah použití hlavně v oblasti dodávky jalové energie.
Díky inovacím má aktuální BSAE garantovanou životnost 10 let, během kterých zvládne až 4000 plných nabíjecích cyklů. Využívá kapacitu 80 kWh a při plném výkonu se vybije za hodinu a dvacet minut. Při aktuálním provozu však za den neproběhne ani půlka cyklu.
Zařízení má celkem dva nabíjecí stojany: 2× AC nabíječku o výkonu 2 x 22 kW a jeden rychlonabíjecí stojan DC o výkonu 50 kW. Při plném využití stanice tak může v jednom okamžiku „tankovat“ jeden elektrovůz u rychlonabíječky, druhý u nabíječky se standardní rychlostí, a k tomu si může u malé zásuvky stoupnout ještě elektroskútr či motorka. Všechna místa ale zákazníci obsadí málokdy.
Vybavení nabíjecí stanice PRE v Holešovicích
Nejčastěji zákazníci využívají DC stojan na 10 minut
Během prvních čtyř měsíců fungování stanici využily k dobití stovky elektroaut, přičemž naprostá většina návštěvníků využila rychlonabíjecí stojan. Celkově řidiči v období únor až začátek června „natankovali“ 4 MWh. Ze statistik vyplývá, že více než tři čtvrtiny řidičů pak od stojanu odjížděli maximálně za půl hodiny. Naproti tomu u AC stojanů se průměrná doba tankování pohybuje okolo jedné hodiny.
„Z údajů v aplikaci jsme zjišťovali také to, v kterou denní dobu je dobíjecí stanice nejvytíženější. Ukazuje se, že největší počet řidičů přijíždí natankovat po práci, kolem šesté odpolední,“ doplňuje Tomáš Pastrňák.
FV panely a moderní IT vyrovnávají rychlé změny napětí
Na tuzemské poměry unikátní koncept, kombinující nabíjení elektromobilů, FVE a BSAE, není pouze nahodilým pokusem o inovaci. Řešení vychází z reálných potřeb místní sítě.
„Stanice se nachází na pomezí Holešovic a Bubenče. Máme vypozorováno, že navečer v místě stanice dochází ke změnám napětí cca o 6 V. Tento pohyb je sice v rámci platných norem, ale s očekávaným rozvojem nových trendů jako elektromobilita, decentrální výroba atd., je třeba hledat řešení již nyní. Testovaný systém může být jedním z nich. Už nyní jsme si ověřili, že zapojení baterie společně se střídači pomáhá tyto výchylky efektivně kompenzovat,“ přibližuje generální ředitel Energon Advanced Energetics Tomáš Pastrňák.
„Napětí v síti ale kolísá i v důsledku samotného dobíjení. Při využití rychlonabíjecího stojanu může napětí klesnout i o 5–7 V,“ přibližuje generální ředitel Energon Advanced Energetics Tomáš Pastrňák.„ Právě v takových situacích dokonale funguje propojení s baterií. Jakmile dochází k velkému odběru, nemusíme z ní posílat ekvivalentní množství energie. I 15 kW už za určitých podmínek účiníku stačí k normalizaci napětí. Díky tomu je pro současné potřeby dostačující relativně malé úložiště s využitelnou kapacitou 80 kWh, doplňuje.
Ukázka provozu nabíjecí stanice
Podobných míst existuje v historických městech Česka celá řada, pilotní projekt skupiny PRE si tedy pravděpodobně najde následovníky.
BSAE uvnitř kontejneru koriguje napětí na nominální hodnotu pomocí dvou 66kW střídačů (cca dvě desetiny výkonu transformátoru, na které je nabíjecí stanice připojena v dané oblasti). Baterie se nenabíjí do 100 %. Systém umožňuje nastavit, kolik má zůstat volné kapacity pro případnou korekci stavu, který by mohl vést ke zvýšeným hladinám napětí.
IT řešení vyvinuté na míru projektu samo hlídá stabilitu sítě – má uložené prahové hodnoty. Pokud napětí limity překročí, řídicí systém zapojí baterii, čímž dosáhne stability. Vše tedy podléhá automatizaci. Lze například testovat nabíjení a vybíjení nebo kompenzovat síť, kdy se z druhého měniče posílá do distribuční sítě jalová energie, atd. Pracovní režimy jsou k dnešnímu dni celkem čtyři.
Baterie Pylontech mimo jiné disponuje i battery management systémem (BMS). Ten funguje zcela autonomně. Například informuje řídicí systém o dovolených velikostech nabíjecích či vybíjecích proudů. Vyrovnané napětí všech článků hlídají balancery. Pokud napětí překročí kritické hodnoty, umí BMS celou baterii vypnout, aby zamezil poškození.
S ohledem na zkušenosti nepovažovali projektanti z Energon Advanced Energetics za vhodné ponechat BSAE zcela závislý na centrální rozvodné síti. Proto ho vybavili fotovoltaickými panely. Ty však neodvádí veškerou energii do akumulátoru, ale především zajišťují chlazení a vytápění.
Lithiové baterie totiž pracují nejlépe při teplotě 23 °C(+/− 5 °C). „Vyšší teplota sice snižuje životnost, ale neklesají výkonové parametry. Pokud však teplota klesne pod 15 °C, dochází ke ztrátě využitelné kapacity i výkonu, a to výrazně. FV tedy snižuje náklady na provoz,“ vysvětluje Tomáš Pastrňák.
Stanice kompenzuje jalový proud v síti
Řídicí systém má v místě připojení také kompenzovat jalovou energii v distribuční soustavě, tj. má za úkol dodávat ji do sítě ve chvílích, kdy ji okolní spotřebiče začnou ve větším odebírat.
Jalová energie je taková, která nekoná žádnou práci. Vzniká v důsledku tzv. fázového posuvu při napojení indukční nebo kapacitní zátěže na střídavý zdroj a vyjadřuje ji účiník Cos φ. Spotřebiče pracující na indukčním principu ji společně s činnou energií odebírají ze sítě a využívají ji k vytvoření magnetického pole. Poté ji vracejí zpět do sítě, takže tento „neužitečný“ (jalový) výkon pendluje mezi zdrojem a spotřebičem sem a tam, což zatěžuje generátory, transformátory, přenosová vedení VN a VVN i všechny elektrické rozvodné soustavy v sítích NN. (Košťál, 2009)
V dobíjecí stanici lze díky instalovanému bateriovému systému docílit účiníku cos φ = 1, a tím negativní dopady jalové energie minimalizovat. Řídicí systém proto neustále udržuje poměr mezi činnou a jalovou složkou energie co nejblíže cos φ = 1. Pokud by se hodnota začala posunovat k nule, signalizovalo by to rostoucí podíl jalové složky v odebíraném proudu.
„V takové situaci řídicí systém okamžitě zanalyzuje, zda se jedná o energii kapacitního či induktivního charakteru, a měnič podle toho automaticky vyrobí a vykompenzuje přesně tu, která je potřeba,“ uvádí Tomáš Pastrňák a doplňuje: „V dobíjecí stanici tuto funkci zajišťují dva měniče Socomec. Ve skutečnosti by bez problémů stačil jeden, ale na výslovné přání zadavatele jsme při této realizaci nainstalovali dva. Je to jeden z pozůstatků původně navrhovaného konceptu.“
Budoucnost přinese více automatizace
V budoucnu by baterie například mohla pomáhat s vykrýváním denních výkonových špiček v distribuční soustavě dané lokality. K tomu není potřeba velká kapacita, ale spíše krátkodobý větší výkon. Baterie kupříkladu může dodávat 60 kW po dobu 5 minut. Takto se spotřebuje jen 5 kWh a poté se baterie může znovu začít dobíjet. Současná kapacita baterie je tedy postačující, pro delší špičky by bylo nutné ji posílit (což lze).
Systém propojený s centrální elektrizační soustavou by díky rychlé automatizované reakci baterii umožnil poskytnout úložnou kapacitu a změny napětí by se u koncových zákazníků zmenšily. Přínos by spočíval minimálně v tom, že regulátor dostane více času na další řešení.
Celý projekt se každopádně ubírá směrem ke smart grid, kdy se odběratel mění v prosumera, který zároveň energii i vyrábí. Systém může k síti aktivně přistupovat i v tom smyslu, že dokáže poskytovat regulační zálohu na základě automatizované interakce. To však prozatím česká legislativa neumožňuje.
Elektromobilů přibývá a potřebují nabíječky
Elektromobilita se v posledních letech stává jednoznačným světovým trendem. Do Česka sice přichází pomaleji, ale i u nás elektromobilů a hybridů každoročně přibývá. Již nyní se ukazuje, že stavba nových dobíjecích stanic ve městech naráží na tradičně složitou byrokracii, nedostatek prostoru a nepřipravenost infrastruktury – problémem mohou být i slabé přípojky projektované v minulosti podle tehdejších kritérií.
„V místech s hustou zástavbou má infrastruktura určité parametry a ty se v důsledku navyšování příkonů v jednotlivých lokalitách musí posilovat. Nejvíce se to týká velkých měst, kde se taková situace obvykle musí řešit posílením trafa a vedení. Prostor trafostanice ale často bývá vyčerpán. V takovém případě může situaci řešit bateriový systém, který eliminuje neočekávané odběry – v tomto případě způsobené dobíjecí stanicí. Pak se do stávající infrastruktury nemusí zasahovat,“ vysvětluje Tomáš Pastrňák.
Bateriové dobíjecí stanice tedy vytyčují možnou budoucí cestu. Z výstavby mohou profitovat i provozovatelé distribuční soustavy, protože BSAE dokáže poskytovat podpůrné stabilizační služby. Tento konkrétní pilotní projekt navíc v praxi ukazuje, že realizace nemusí trvat roky. Je tak velmi pravděpodobné, že projekt z Prahy 7 nezůstane posledním svého druhu.
Zdroje:
- KOŠŤÁL, Josef, ed. Kompenzace elektrického jalového výkonu. Odborné časopisy.cz [online]. 2009 [cit. 2018-09-11]. Dostupné z: http://www.odbornecasopisy.cz/elektro/casopis/tema/kompenzace-elektrickeho-jaloveho-vykonu--11073
Unique charging station for electric vehicles was opened in february at the Prague Fair Grounds. The project combines recharging of electric vehicles with other functions: by producing their own energy using roof photovoltaics and by regulating overvoltage or undervoltage of the surrounding network using a battery system.