Nabíjení elektromobilů, zatížení sítě a řízení výkonu – část I., typy nabíjení

V rámci aktuální situace, kdy české silnice brázdí zatím jen pár tisíc elektromobilů, se moc nemluví o tom, jaké dopady bude mít dobíjení elektromobilů do stability a řízení sítě.

Přinášíme proto krátkou sérii článků, ve kterých:

1. zrekapitulujeme aktuální stav elektromobility v ČR a přiblížíme typy dobíjení i charakter vznikající zátěže.
2. popíšeme možnosti řízení výkonu (tzv. Load management) včetně klíčových předpokladů a aktérů v tomto procesu.
3. poskytneme pohled lidí, kteří dnes elektromobilitu implementují – operátoři sítě, provozovatelé a výrobci stanic a instalační firmy.

Elektromobilita v číslech

Vzhledem k obrovským investicím (v roce 2019 EU investovala až 60 miliard EUR do elektromobility, což je zhruba 3× více než Čína [1]) se již o nástupu elektromobility nedá moc diskutovat. To dále potvrzuje i nová deklarace „New Green Deal“ [2] Evropské Unienebo strmý nárůst podílu nově prodaných elektroaut v EU z 2,5 % v Q1 2019 na takřka 7 % v Q1 2020. [1]

Kolem elektromobility existuje spousta dezinformací – v roce 2019 bylo nejvíce slyšet o tom, že jízda elektromobilem je z hlediska emisí CO₂ stejná, ne-li horší než jízda benzinovým autem, protože elektřina se také nevyrobí sama a baterky jsou náročné na recyklaci. Toto už se několikrát podařilo vyvrátit [13]. S postupným zlepšováním spotřeby elektroaut a vlastností používaných baterií i největší skeptici uznávají, že úspora alespoň 50 % emisí CO₂ je reálná i v zemích s energetickým mixem, který není tak zelený jako například ten norský, kde se dá mluvit o nejvyšších procentech úspory [12], [13].

Další častou dezinformací je zlehčování dopadu emisí osobní automobilové dopravy v EU a její údajně zanedbatelný celkový příspěvek vzhledem k emisím, které vypouští „ti nejhorší“. Jako „ti nejhorší“ se v internetových diskusích a na webech milovníků automobilů v tomto kontextu často uvádí Čína, Indie, Rusko nebo USA, ale realita je taková, že Evropská Unie je dlouhodobě na třetím místě za Čínou a USA a až EU následuje Indie a Rusko [21]. Z celkových emisí CO₂ tvoří EU doprava cca 30 %. Z těchto 30 % je zhruba 72 % silniční doprava a z těchto 72 % tvoří asi 74 % osobní automobily, dodávky a motocykly. Bavíme se tedy přibližně o 16 % celkových CO₂ emisí EU, které může elektromobilita do značné míry ovlivnit. [3] Vzhledem k tomu, že je EU dlouhodobě třetím největším emitentem CO₂ na světě, to rozhodně není zanedbatelné.

Ještě než se pustíme dál, pojďme si uvést několik dalších čísel:

• Podle databáze EV [4] je nyní na trhu dostupných 45 modelů čistě elektrických aut – je z čeho vybírat.
• Průměrný dojezd nového elektrického auta v dubnu 2020 činil 310 km při 100% nabití. Jedná se o průměr všech elektromobilů včetně malinkých VW e-Upů i obrovských Tesla X. [1]
• Kapacita baterie nejvyšších modelů elektrických aut dosahuje 90–100 kWh
• Dle statistik European Alternative Fuels Observatory (EAFO) [5]:
  
  • Bylo v EU ke konci roku 2019 registrováno celkem asi 166 500 veřejných dobíjecích bodů (dobíjecí stanice coby fyzická krabice obsahuje typicky jeden až tři dobíjecí body, na kterých může probíhat současné nabíjení), což oproti roku 2018, kdy bylo registrováno asi 118 500 veřejných dobíjecích bodů, znamená meziroční nárůst o 40 %.
  • Na každých 100 km dálnice připadlo 20 veřejných rychlodobíjecích stanic (toto číslo je např. pro ČR nerealistické, ale jedná se o evropský kontext).
• No a jak jsme na tom v ČR?
  
  • Odhaduje se, že v roce 2020 přibude cca 2 000 nových elektromobilů
  • Na konci roku 2019 bylo v ČR zhruba 450 veřejných dobíjecích stanic (jedna stanice obsahuje typicky jeden až tři dobíjecí body). [6]
  • Jen na veřejných dobíjecích stanicích ČEZ se:
    
    • v roce 2018 dodalo 959 115 kWh energie;
    • v roce 2019 dodalo 1 963 523 kWh energie (více než 100% nárůst).

Detailní čísla a informace o dlouhodobém rozvoji Českého a Evropského trhu najdete v článku Rozvoj trhu s elektromobily v České republice: veřejná podpora a zkušenosti ze zahraničí.

Jaké jsou druhy dobíjení? Co znamenají pro elektromobilistu a co pro síť?

Z čísel je jasně patrné, že elektromobilita může mít relativně velký dopad do energetické sítě a energetického managementu firem, kterým může po zavedení elektromobility spotřeba elektrické energie stoupnout i mnohonásobně. A kde je znatelná spotřeba energie, tam je nutné i její řízení, tzv. „Load management“.

Před tím, než se pustíme do způsobů, jak lze výkon řídit a kdo v této disciplíně hraje jakou roli, se pojďme podívat na účely a způsoby dobíjení.

Dobíjení je obecně proces ukládání elektrické energie z dobíjecí stanice do baterie elektromobilu. Na vstupu baterie je stejnosměrný proud (direct current ~ DC), zatímco v elektrické síti se bavíme o proudu střídavém (alternating current ~ AC). První základní dělení nabíjení je právě dle typu proudu, který je na vstupu dobíjecího procesu.

AC dobíjení – typ dobíjení, kdy je na vstupu do elektromobilu střídavý proud. Vzhledem k tomu, že na vstupu baterie je vždy stejnosměrný proud, má každé elektrické auto nainstalovanou palubní nabíječku, která střídavý proud mění na stejnosměrný. Výkon palubní nabíječky je klíčová komponenta každého auta, jejíž výkon ovlivňuje rychlost AC nabíjení. AC dobíjecí stanice (tzv. wallboxy (nástěnné dobíjecí stanice) nebo sloupky) zajišťují poskytnutí střídavého proudu o definovaném maximálním výkonu pomocí konektoru Mennekes Type 2, možnost ovládat stanici pomocí standardizovaného protokolu OCPP z internetu a zajištění ochrany uživatele.

Výkon AC dobíjecích stanic je závislý na napětí, proudu a počtu zapojených fází. Veřejné dobíjecí stanice typicky poskytují 11 nebo 22 kW, ale je možné mít stanici zapojenou i na jedné fázi nebo dobíjet doma ze standardní jednofázové zásuvky pomocí speciální dobíječky, která je součástí každého dodávaného modelu.

Následující tabulka popisuje základní varianty AC dobíjení elektromobilu v jednoduchých případech.

Následující obrázky zobrazují nejrozšířenější AC konektor pro elektromobilitu Mennekes Type 2 a příklad speciální dobíječky, která zajistí převod z konektoru standardní zásuvky do konektoru Mennekes Type 2. [4], [7], [8]

DC dobíjení – typ dobíjení, kdy je střídavý proud měněn na stejnosměrný již v dobíjecí stanici – na vstupu elektromobilu je tedy stejnosměrný proud, který je ukládán přímo do baterie. Výkon stanic se pohybuje typicky mezi 50 až 150 kW (dnes už jsou tzv. hyperchargery stavěny i na maximální výkon 350 kW) a pro elektromobilistu tak typicky přináší dostatečné dobití potřebné kapacity baterie do 30 minut v závislosti na konkrétní kapacitě baterie a stavu vybití.

Vzhledem k maximálním výkonům a provedení formou stojanu (existují i DC nástěnné stanice, ale nejsou časté) tyto stanice vyžadují [15]:

• speciální elektrickou přípojku s požadovaným výkonem,
• projekt pro výstavbu včetně územního rozhodnutí/souhlasu nebo stavební povolení (legislativa zde není jednoznačná),
• pravidelnou údržbu kontrolního technika včetně výměny vzduchových filtrů a dalších provozních komponent typicky jednou do roka (typicky specifikuje výrobce jako podmínky pro zachování záruky).

Následující tabulka zobrazuje aktuálně nejpoužívanější konektory pro DC dobíjení [4], [15], [16]:

1. CCS2 – obrázek který vedle sebe srovnává CCS2 konektor ve srovnání s Mennekes Type 2. Stačí tedy jeden konektor jak pro AC tak pro DC nabíjení. (většina modelů dostupných v EU)
2. CHAdeMO – obrázek zobrazuje CHAdeMo konektor. V autě je nutné mít jak konektor pro DC tak konektor pro AC nabíjení. (Nissan, Lexus)

Typ	CCS2	ChaDeMo
Konektor stanice
Konektor auta

Detailnější informace k nabíjecím stanicím, konektorům a například i schémata zapojení jednotlivých typů stanic najdete například zde.

U obou typů dobíjecích stanic je typicky možné (krom starších modelů, nebo menších domácích wallboxů) komunikovat s řídícím a obchodním systémem pomocí standardizovaného protokolu OCPP. Stačí k tomu eternetová přípojka nebo vložená SIM karta, která stanici poskytne data. Řídicí systém a komunikace s ním je nezbytná pro zpoplatněné veřejné dobíjecí stanice, které musí dle zákona Zákon č. 311/2006 Sb. poskytnout možnost dobíjet za využití přímé platby (tj. bez kontraktu). Tyto IT systémy si typicky pořizují nebo sami vyvíjejí velcí poskytovatelé veřejné dobíjecí infrastruktury a ti menší využívají některé z dostupných cloudových služeb. Konkrétní příklad využití řídícího a obchodního systému včetně popisu rozdělení kompetencí najdete například na www.chargeup.cz.

Oba typy dobíjení s sebou nesou celou řadu omezení:

• AC dobíjení podporuje každé elektroauto. Palubní dobíječka je ovšem jedna z dražších komponent elektroauta a omezuje jak počet využívaných fází, tak i maximální příkon. Například model Jaguar I-Pace je vybaven 1f 7,4kW palubní dobíječkou. Na třífázové AC dobíječce s maximálním výkonem 22 kW tak stejně dobíjení poběží max. 7,4 kW.
• DC dobíjení nepodporuje každé auto (typicky starší modely) a dobíjení je standardně také omezeno (Škoda CITIGOe iV má max. omezení 40 kW, Hyundai Kona 77 kW, Tesla (Model 3) 250 kW [4]).
• Zatímco AC dobíjení je díky nižším výkonům po celou dobu dobíjení z pohledu uživatele prakticky konstantní, u DC dobíjení se po dosažení cca 75 % kapacity díky poklesu dobíjecího proudu nabíjení značně zpomalí (viz obrázek níže [16]) a na veřejných dobíječkách je časté, že se zodpovědný řidič v takovou chvíli přepojí z DC konektoru na AC konektor a uvolní tak výkon DC dobíjení dalšímu řidiči.
  
  
  
  
   
• DC dobíjení přináší výrazně větší nestabilitu do sítě právě díky průběhu nabíjení - na začátku nabíjení je odebírán maximální výkon, který pak relativně rychle klesá.
• V rámci DC dobíjení probíhá komunikace mezi dobíjecí stanicí a vozem – vůz si sám upravuje výkon na vstupu dle potřeby, aby nedošlo k ohrožení baterie. Zároveň se uvádí, že díky teplotním rázům, ale i kvalitě řídicího systému dobíjecí stanice, může příliš časté DC dobíjení vést k rychlejšímu opotřebení a snížení kapacity baterie. Proto se obecně doporučuje AC a DC dobíjení střídat – rozhodně to ale neznamená, že několik DC dobíjení za sebou, například při dlouhé cestě, baterii zničí. [9]
• Vzhledem k maximálním výkonům, dodávanému výkonu a regulativům ve stavebnictví (požární bezpečnost, velké přípojky atd.) je postavení AC dobíjecí stanice výrazně jednodušší, a to jak technologicky, tak i administrativně, tj. „papírováním“ oproti DC dobíjecí stanici. Stejně to platí i v rámci revizí. AC stanice typicky nevyžaduje žádnou velkou údržbu, zatímco DC stanice vyžaduje alespoň jednu náročnější údržbu ročně.

AC a DC jsou ale spíše technologické typy dobíjení – oba typy stanic umí svůj výkon regulovat a do budoucna budou víc a víc komunikovat s autem. Co bude opravdu hrát roli v rámci možností řízení sítě, jsou typické průběhy dobíjení podle jejich účelu, kterým se rozumí potřeba řidiče auta (nebo firemního procesu), jak rychle musí být elektromobil dobit, aby mohla začít další jízda.

Splnění potřeb řidičů je důležitou premisou úspěchu elektromobility – řidiči se zkrátka nesmí bát limitů dostupnosti a rychlosti dobití výrazně více, než v automobilech na fosilní paliva. Rozdílné potřeby budou mít samozřejmě řidiči, kteří v autě s dojezdem 300 km potřebují denně najet 50 km do práce a zpět a řidiči, kteří potřebují ujet trasu Praha – Chorvatsko za svou dovolenou.

Soukromé dobíjení

Typicky probíhá doma v garáži přes noc z klasické zásuvky (jednofázově) nebo z nainstalovaného wallboxu (třífázově). Cílem je dobít elektromobil přes noc, když vůz stojí a nikdo s ním nejezdí.

Z pohledu sítě je tato zátěž dobře predikovatelná a dá se předpokládat, že majitelé elektromobilů budou hojně využívat spínání pomocí HDO.

Je realistické, že při větším rozšíření elektromobility připraví výrobci domácích wallboxů nové funkce. Uživatel si tak bude moci nastavit například minimum baterie, které musí být v běžnou dobu odjezdu k dispozici nebo například dobíjet co nejlevněji / co nejvíce z obnovitelných zdrojů.

Zkušenosti z rozvinutých trhů s elektromobilitou jsou takové, že soukromé dobíjení tvoří zhruba 80% podíl dobíjení u soukromých vozů. Toto však mírně klesá s podílem elektromobilů, které si kupují obyvatelé bytových domů na sídlištích bez soukromého stání. [10]

Veřejné dobíjení

Dobíjení na veřejné dobíjecí infrastruktuře – ta může být součástí veřejné sítě některého z velkých poskytovatelů, může to být dodatková služba k nákupním centrům a supermarketům nebo jen služba poskytnutá firmou, která se rozhodla část své infrastruktury poskytnout jako veřejnou.

Veřejné dobíjení lze rozdělit podle požadavků řidiče elektromobilu (uživatel):

• Dobíjení urgentní – uživatel potřebuje co nejrychleji dobít energii, aby mohl pokračovat dál ve své cestě.
• Dobíjení jako v garáži – pokud uživatel vlastní byt, ke kterému nemá parkovací stání s instalovaným wallboxem, musí (pokud nechce vyhazovat prodlužovačku z okna) využít dostupnou infrastrukturu v okolí svého bydliště.
• Dobíjení bonusové – jako součást nákupu nebo návštěvy galerie uživatel dobije elektřinu, kterou spotřeboval při cestě.

I když počet dobíjecích AC bodů v oblasti aglomerací roste, pokud elektromobilita zažije předpovídaný boom, v dohledné době dostupná nabíjecí kapacita rozhodně nenaplní potřebná čísla, aby si každý, kdo má elektroauto, pohodlně dobil a nemusel se u toho o sloupek prát.

A tak zatímco vznikají chytré nápady (jako například vyvedení chytrých zásuvek z pouličního osvětlení), Norsko ukazuje, že nejjednodušší cesta je využívat centrální dobíjecí stanice s rychlonabíječkami, kde si obyvatelé sídlišť za 30 minut dobíjí, co potřebují a u toho stihnou nakoupit nebo si vypít kávu v přilehlé pekárně. S velkým nárůstem elektromobilů však tyto centrální stanice budou přeplněné a navíc budou odebírat energii v dobách špiček (typicky ráno cestou do práce a odpoledne cestou z práce) namísto odběru v klidnějších obdobích přes noc nebo v průběhu pracovního dne.

Jak dobíjení bonusové, tak dobíjecí místo v garáži má z pohledu výkonu sítě stejnou charakteristiku, jako dobíjení soukromé – dobíjení je predikovatelné a výkon je svým způsobem řiditelný.

Oproti tomu dobíjení urgentní má naprosto opačné vlastnosti – u velmi vysokých výkonů lze jen těžko říci, kdy zrovna přijede elektroauto, které chce dobít 80 kWh za 30 minut při dlouhé cestě Evropou a zároveň je touha a cíl poskytovatelů služeb tyto zákazníky nijak neomezovat a nechat si za rychle dobité kilowatthodiny zaplatit.

Aby veřejné dobíjení plnilo svou funkci, je tedy především zapotřebí:

• Budovat dostatek veřejných dobíjecích bodů v hustých aglomeracích, které eliminují potřebu vlastníků vozidel bez vlastního stání využívat rychlého dobíjení.
• Mít dostatek rychlých dobíjecích stanic, které zajistí bezproblémové cestování elektromobilistům, kteří potřebují urazit delší trasu. Tyto stanice by měly být ideálně řiditelné nebo konstruované tak aby nekontrolovatelně nezatěžovaly síť, čehož lze dosáhnout přímým řízením nebo například instalací stacionárních baterií, ale o tom až dále.

Firemní dobíjení

Dobíjení firemních automobilů nastává v okamžiku, kdy zaměstnanec nebo třeba návštěva dobíjí elektromobil na firemní dobíjecí infrastruktuře – ta může být v rámci interního areálu (neveřejná) nebo například na parkovišti u sídla firmy (částečně veřejná). Dobíjení firemních automobilů na veřejné infrastruktuře nebo v domácím prostředí pověřeného zaměstnance je firemním dobíjením spíše z účetního pohledu a je nutno podotknout, že dobíjení firemního vozidla doma v garáži dělá vrásky na čele účetním již dnes.

Pro běžného automobilistu jsou „omezení“ elektromobility (30 minut dobíjení, mobilní a webové aplikace různých poskytovatelů, nefungující stanice, stanice obsazené parkujícími vozy …) velký oříšek. Ty samé pocity ale zažívají i vlastníci a manažeři firem, kteří o přechodu na elektromobilitu uvažují.

I přesto se dnes najdou průkopníci, kteří se nebojí elektromobilitu zavádět, a to buď jako doplňkovou službu jako je např. rozvážení interní pošty, elektrifikace flotily pro zaměstnance z důvodu úspor a ekologického smýšlení (Moneta Money Bank [18]) nebo jako součást svých klíčových procesů (car sharingová firma GreenGo [11], Alza.cz [17], Rohlik.cz [20]), na kterých vydělávají peníze. Elektromobilitu nezavádí jen soukromý sektor, ale i sektor veřejný, jako například Policie České republiky [19].

Stejně jako u dobíjení veřejného si tak můžeme dobíjení firemní rozdělit na:

• Dobíjení jako součást byznys procesu – dobití auta je pro firmu naprosto nezbytné a v okamžiku, kdy elektromobil na firemní dobíjecí stanici není schopen dobíjení v požadované rychlosti, firmě utíkají peníze, nabíhají penále nebo se jen horší reputace v okamžiku kdy nedokáže poskytovat službu ve slíbených parametrech.
• Dobíjení mimo pracovní dobu – poté, co se například pošťáci vrátí po 8 hodinách doručování zásilek ve svém okolí a končí jim pracovní směna, není problém zapojit elektromobil do wallboxu, který má zhruba 12 hodin na to, aby se auto dobilo pro další směnu.
• Dobíjení bonusové – typicky větší kancelářské budovy, výrobní areály a sídla firem budou svým zaměstnancům, ale i návštěvám nabízet dobíjení po dobu, kdy zaměstnanec vykonává svých 8-9 hodin práce. Ideální čas na dobití elektroauta a skvělý benefit pro zaměstnance, kteří vlastní elektromobily, ale nevlastní parkovací místo nebo garáž.

Je jasně patrné, že dobíjení mimo pracovní dobu a dobíjení bonusové jsou a budou predikovatelné a vzhledem ke svojí délce i řiditelné. Většina kancelářských budov dobíjecí stanice zahrne do svého energy managementu a menší firmy, které se rozhodnou postavit si pár wallboxů u svého sídla, najdou jednoduché řešení v některém z řídících cloudových systémů nebo řízení umožní poskytovateli distribuční sítě, který jim zřizoval přípojku.

Oproti tomu dobíjení, které je součástí hlavního byznys procesu ve firmě, odpovídá spíše urgentnímu veřejnému dobíjení. Taxikář, který po čtyřech delších zakázkách musí dvě hodiny čekat, poslíček, který po nakládce nervózně sleduje reálný dojezd, aby ujel předem známou trasu nebo carsharingové auto, které se tři hodiny dobíjí na pomalé dobíječce a nikdo si ho kvůli nízkému dojezdu nepůjčí, jsou jen těžko představitelné situace.

Velká část takových dobíjení bude rychlých nebo superrychlých, které při neřízeném průběhu ve větším množství dokáží nepříznivě ovlivnit stabilitu elektrické sítě. Firmy ale oproti veřejnosti budou mít zájem dobíjení daleko lépe plánovat, informovat o nich svého distributora a za zvýhodněné ceny energie dodržovat určitá pravidla. Toho mohou dosáhnout pomocí technologií, jako jsou vyměnitelné baterie [20], nákupem záložních aut, úpravou svých procesů nebo vhodným řízením dobíjení v rámci nasmlouvaných parametrů.

Různé typy zátěže, které dobíjení vyvolává, budou potřebovat řešení, která zajistí stabilitu sítě a zároveň umožní poskytnout podmínky, za kterých bude elektromobilita použitelná pro všechny typy uživatelů. Jednoznačné řešení zatím neexistuje (a vzhledem k specifikům každé energetické soustavy asi ani existovat nebude), ale v dalším díle se Vám pokusíme přiblížit cesty, jak řízení zátěže resp. minimalizace nepříznivých dopadů do sítě dosáhnout.

Petr Caisl působí jako konzultant Unicorn Systems v rámci ekosystémů pro elektromobilitu www.chargeup.cz.

Zdroje

1. https://www.transportenvironment.org/sites/te/files/publications/2020_05_Can_electric_cars_beat_the_COVID_crunch.pdf
2. https://ec.europa.eu/info/strategy/priorities-2019-2024/european-green-deal_cs
3. https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190313STO31218/co2-emissions-from-cars-facts-and-figures-infographics
4. https://ev-database.org/
5. https://www.eafo.eu/countries/european-union/23640/infrastructure/electricity
6. https://fdrive.cz/clanky/kolik-mame-v-cr-nabijecich-stanic-a-kolik-jich-do-roku-2022-pribude-4582
7. https://www.mennekes.org/
8. https://www.evexpert.eu/p/248/smart-portable-ac-charger-type2-schuko-16a-1phase
9. https://www.imeche.org/news/news-article/fast-charging-can-damage-electric-car-batteries-in-just-25-cycles
10. https://elbil.no/english/
11. https://greengo.com/cz/
12. https://www.theguardian.com/environment/2019/nov/25/are-electric-vehicles-really-so-climate-friendly
13. https://www.theguardian.com/environment/2020/mar/23/electric-cars-produce-less-co2-than-petrol-vehicles-study-confirms
14. https://www.transportenvironment.org/sites/te/files/downloads/T%26E%E2%80%99s%20EV%20life%20cycle%20analysis%20LCA_0.pdf
15. https://en.wikipedia.org/wiki/CHAdeMO
16. https://en.wikipedia.org/wiki/Combined_Charging_System
17. https://www.autonabijeni.cz/blog/co-je-potreba-pro-zrizeni-a-provoz-nabijeci-stanice/
18. https://batteryuniversity.com/index.php/learn/article/charging_lithium_ion_batteries
19. https://logistika.ihned.cz/c1-66678200-alza-dokoncila-testovani-elektrododavek-pro-rozvoz-do-prodejen-budoucnosti-vybrala-si-cinsky-maxus-s-realnym-dojezdem-ke-200-km
20. https://fdrive.cz/clanky/kupujeme-uz-jen-elektromobily-ci-hybridy-rika-petr-klicka-z-moneta-money-bank-rozhovor-3277
21. https://www.hybrid.cz/ceska-policie-dostala-38-novych-elektromobilu-hyundai-ioniq-electric
22. https://logistika.ihned.cz/c1-66666390-elektromobil-neceka-na-dobiti-prazdnou-baterii-proste-vymeni
23. http://www.globalcarbonatlas.org/en/CO2-emissions (nutno vnímat EU jako jeden celek, nikoliv jako separé státy)