ELEKTROMOBIL: Magie s nabíjením pro začátečníky

Než se soustředíme na samotné téma tohoto článku, dovolím si krátký úvod. V dnešní době jsou mnohá témata v diskusi polarizována, téměř až fanaticky, na binární výsledky. Buď je to tak, nebo tak, nikdy nic mezi. A nesmí se mluvit o chybách té, či té druhé teze. Nesmí se říkat nic o pozadí. Potíž je v tom, že tak se problémy, chyby nebo nedokonalosti obou tezí nevyřeší, neprojednají a stanou se věčným trnem v patě.

Jedním z nich je u elektromobilů jejich nabíjení a důvody, proč je takové, jaké je.

Elektrické dopravní prostředky nejsou špatné řešení, koneckonců doprovází nás již více než staletí, ale mají slabinu, kterou vozy poháněné deriváty ropy nemají.

Všechno stojí a padá s fyzikou a chemií. S jejich zákony, které prostě překročit nejde, ať se snažíme sebevíc. Nejsme ve vývoji akumulátorů ani zdaleka na konci, máme rezervy, máme alternativy, máme dokonce cesty, o kterých ani nevíme, že vůbec existují. V oblasti samotných akumulátorů se za pouhou poslední dekádu podalo tolik patentů, jako v celém zbytku automobilového průmyslu. A to přesto, že i zde byl také velmi překotný vývoj. Od LED světel, zabezpečovacích systémů, kamerových systémů, systémů autonomního řízení až po systémy snižování škodlivých emisí. Přesto i vývoj akumulátorů dříve či později narazí nikoliv na současné technologické limity, ale na ty fyzikální a chemické.

Jedna věc je téměř jistá už dnes. Akumulátory nikdy nebudou tak malé, jako je nádrž v „ropáku“.

Příčině, proč tomu tak je, se říká hustota uskladněné energie. Zjednodušeně (a to slovo budu používat velmi často, nezlobte se na mě, prosím, za to), v tekutém palivu je a vždy bude násobně více energie než v článcích baterie. Na druhou stranu, a to je potřeba taktéž zdůraznit, jakmile se jednou palivo spálí, je prostě pryč. Naproti tomu materiál akumulátoru zůstává stejný a může se opakovaně dobíjet „pouhou“ energií, nepotřebujeme další hmotu. Prozatím ten cyklus může proběhnout jen v omezeném počtu, ale kolik cyklů to bude časem, těžko říci, jak jsem už psal, ten vývoj je na začátku.

Zatímco do nádrže se na pumpě nalije energie na pět set kilometrů za pět minut, do akumulátorů je to trochu složitější. Popišme si ten proces z více směrů.

Baterie v automobilech, stejně jako ve všech trochu větších přístrojích, například v zahradním nářadí, se skládají z jednotlivých článků. Tyto články mají nějaké nominální napětí, řekněme tři celé sedm voltů u těch obsahujících lithium, a kapacitu danou svou velikostí a konstrukcí. Dejme si několik příkladů pro lepší představu.

Už zde totiž vzniká první překážka, kterou musí konstruktéři aut překonat.

U automobilů se spalovacím motorem je prostor pro nádrž poměrně lehce k nalezení. Jde o nevelký objem (např 50 litrů může být kvádr 30x40x42 cm), o váze dané hmotností paliva plus cca do 10-15 kg navíc, což je reálná hmotnost prázdné nádrže. Tekutý obsah navíc dovoluje poměrně velkou variabilitu tvarování tak, aby efektivně vyplnila volné prostory.

Naproti tomu jsou konstruktéři u elektrovozidel postaveni před několik proti sobě jdoucích parametrů a konstrukčních výzev. Baterie elektromobilu mají podstatně větší rozměry i hmotnost. Například 82 kWh baterie Tesly 3 verze Long Range má objem 0,4 m³ (400 litrů) a hmotnost 480 kg.

Je zde potřeba hledat kompromis mezi zabraným prostorem, ovlivněním těžiště automobilu, přístupností baterie a bezpečností.

Další otázkou je velikost článků. Například Tesla nejdříve využívala články, které byly průmyslovým standardem již dlouho před začátkem rozmachu elektromobilismu. Jednalo se o formát 18650, tedy průměr 18 mm, délka 65 milimetrů a kapacita až 3,5 Ah. Pro model Tesla 3 již byly zvoleny články 21700 o průměru 21 mm, délce 70 mm a maximální kapacitě 5 Ah. Nově, od roku 2020, však přechází na články 4680 (někdy též 46800), kdy rozměry jsou, jak to čísla napovídají, 46 mm průměr a 80 mm délka. Jejich teoretická kapacita je pak až 25 Ah! Šikovní počtáři si pak celkem rychle přepočítají, kolik takových jednotlivých článků v elektromobilu typu Tesla musí být, když výrobce hlásí, že celková kapacita je 82 kWh. Watthodiny se spočítají násobením kapacity článku (ampérhodiny) a napětí (volty). Kilowatthodiny získáme dělením výsledku tisícem. A budou se mýlit.

Důvodem jsou ztráty při nabíjení a také vybíjení, plus jistá redundance, kterou vysvětlím později.

Asi každý někdy zažil situaci, kdy si v autě musel nabít olověný palubní akumulátor. Na plus a mínus připojil červený a černý drát a zapnul dvanácti voltovou nabíječku. A ráno měl „našťoucháno“. Olověný akumulátor se skládá z deseti článků po 1,2 voltech a tento způsob nabíjení mu velmi vyhovuje. Za optimální nabíjecí proud se považuje řádově desetina jeho kapacity v ampérhodinách. Takže pro baterku s padesáti Ah (což je takový průměr u dnešních aut) je to 5 ampér po dobu dvanácti hodin. Ty dvě hodiny navíc jsou pro chemické a tepelné ztráty procesu ukládání energie do článků. Jisté ztráty mají i články lithiové, aby to nebylo jen na starém dobrém olovu.

U elektromobilů se jednotlivé články také skládají do baterií, Tesla 3 má pro nejvyšší kategorii čtyři tisíce čtyři sta šestnáct článků 21700 v devadesáti šesti skupinách po čtyřiceti šesti kusech ve čtyřech komorách. Na rozdíl od starých olověných článků jdou nabíjet mnohonásobně vyšším proudem, což, jak jsme si řekli, se také neobejde bez ztrát, včetně tepelných. Vyžadují ovšem být vybalancovány tak, aby všechny měly stále stejné napětí/kapacitu. Což znamená, že se nenabíjejí všechny v řadě, jako u olověné startovací baterie, ale (zjednodušeně) každý jednotlivý článek zvlášť. To klade nároky na konstrukci celé baterie, na množství surovin a na komplikovanost elektroniky, která celou tu magii řídí.

Větší plocha elektrod ve větších článcích má schopnost se rychleji plnit vyšším proudem, což ale příliš čas nabíjení neovlivní. Logicky proto, že zároveň narůstá kapacita baterií. Zjednodušeně (a ano, je to tu zase) stejně rychle naplníme nádobu o objemu sto litrů otvorem o schopnosti pojmout litr za sekundu, jako dvousetlitrovou nádobu s otvorem dvojnásobným.

Nehledě na větší náročnost výroby větších článků.

Třetí otázkou je volba kapacity baterie, když už jsme schopni vyrábět články s vyšší kapacitou. Nabízela by se možnost kapacitu celé baterie nezvětšovat, ale jen zmenšovat její fyzický objem, což má bohužel dvě překážky.

První je zjevná, zákazníci chtějí větší dojezd. Baterky o kapacitě 26 kWh s dojezdem 150 km už nikdo moc nechce.

Druhou, méně zřejmou, jsem zde již zmiňoval. Budou-li použity větší články, bude jich méně. To znamená, že v případě výpadku některého z nich, což se může stát, bude ztráta mnohem citelnější a hůř nahraditelná. V současnosti se s jistou redundancí počítá, u některých vozidel je část kapacity akumulátorů elektronicky skryta, přestože fyzicky existuje. Kromě jiného proto, aby výrobce mohl garantovat „bezztrátovost“ baterie pomocí techniky, kdy série článků cykluje a nejsou v provozu všechny naráz. Jakákoliv čísla jsou výlučné know-how firem, které si chrání své schopnosti udržet baterku tímto postupem déle funkční. Ale pokud se jich pokazí více těch malých, nebo právě i méně těch větších, to už pak ani sebelepší software skrýt nedokáže.

Máme tak na výběr. Zvolit baterii s dojezdem, řekněme, jen sto padesát kilometrů, ale nabít auto za 15 minut, nicméně riskovat, že se při poruše několika málo článků článku sníží dojezd třeba na sto dvacet kilometrů. A to zákazníci asi chtít nebudou.

Nebo zvolit baterii pro dojezd pět set kilometrů a u stojanu strávit tři čtvrtě hodiny. A to se zákazníkům také moc líbit nemusí.

Další možností je dále zvyšovat rychlost nabíjení. Bohužel, ani tento postup není bez překážek. Vše opět stojí a padá se schopností pojmout elektrický náboj. Ať už bude akumulátor jakkoliv velký, ať už budou elektrody z jakéhokoliv materiálu, vždy bude na konci řetězce jejich schopnost pojmout za určitý čas a za určitých podmínek jen určité množství energie.

Standardem jsou již 60kW stojany, ale u nich to také jistě neskončí. Dnes jsou zde i superchargery, plánují se rychlonabíječky o schopnosti vnutit akumulátorům až 400 kW, což by pak 100kWh baterii dokázalo naplnit za dnes neuvěřitelných patnáct minut. Vývoj zde stále pokračuje, aby se do baterek co nejrychleji „nacpalo“ co nejvíc.

Pokud to akumulátor ovšem zvládne.

Pokud se nebude, například, přehřívat, podobně jako hřeje ten starý olověný. Pokud se v něm nebude tvořit či z něj uvolňovat nějaký z plynů, které jsou takovým postrachem současných a starších lithiových článků. Pokud se nebude rapidně zkracovat životnost akumulátorů.

Čím jsou nabíjecí proud a napětí vyšší, tím jsou výše uvedené problémy markantnější.

Nehledě na skutečnost, že s nabíjecím proudem rostou ztráty v rámci celého procesu nabíjení, hlavně když se budeme blížit maximální kapacitě baterie. Člověk tak nabije například 40 kWh, ale zaplatí za 45 kWh i více, protože v rámci 0-20 % a 80-100 % se akumulátory „brání“ nabíjení vyšším tepelným vyzařováním a nižší účinností chemického procesu, který do sebe elektrický náboj ukládá. Dalo by se to přirovnat usazování diváků do kina, prvně se tam všichni cpou, aby zabrali nejlepší místa, pak tam ti ostatní jdou takřka bez problémů, ale když už jsou volná jen některá poslední křesla, opět vzniká tlačenice. A tření rovná se teplo, dokonce i u elektronů (zjednodušeně, zase).

S teplem se dá pracovat. Mnoho dnešních elektrovozů má to, čemu se odborně říká thermal battery management, systém chlazení a ohřívání článků. To bohužel spotřebovává část nabíjené energie, vyžaduje další zařízení navíc, a činí tak elektro-automobil zase o něco dražší.

Dá se řešit i případné nafukování akumulátoru, nejlépe jiným složením článků, které takovou nectností trpí. Jejich vývoj se ale musí zaplatit, což se nutně projeví v koncové ceně.

I když se vyřeší tyto dva problémy, stále zůstává třetí a zásadní problém. Tím je množství cyklů.

Podobně jako u olověného akumulátoru, i moderní články mají omezenou životnost danou cykly nabití a vybití. Vydrží více, když se do nich náboj dostává hezky pomalu a nejlépe v rozsahu právě mezi těmi dvaceti a osmdesáti procenty maximální kapacity. Při pomalých nabíjecích cyklech může taková baterie vydržet o poznání déle, v reálném provozu to může představovat rozdíl i několik let. Cenou za to je ovšem dlouhé čekání na nabití.

To doma v garáži nebývá problém vůbec. I při celodenním stání na parkovišti to nemusí až zas tak vadit, ale tady už záleží na okolnostech. Protože již dnes se hovoří o zpoplatnění delšího stání na komerční nabíječce, než je nutné k nabití na jistou úroveň.

Ale domácí a vůbec pomalé nabíjení není vždy možnou alternativou, například ve městech, nebo při častém provozu se prostě bude muset energie do článků dostat, jak jen rychle – a bohužel nešetrně – to půjde. Naopak, pomalé nabíjení bude v budoucnu čím dál více luxus pro ty, kteří mají dům, garáž, nebo vyhrazené stání. Zbytek se musí, podobně jako dneska s parkováním, smířit s tím nejpřístupnějším, co je. Rychlonabíjením.

Takže počet cyklů pak bude klesat. A tím i kapacita akumulátorů, dojezd a celková životnost. I přes mnohé predikční systémy a algoritmy battery managementu přijde doba, kdy se již nebude možné plně spolehnout na to, jak daleký bude dojezd, jaké je „reálné zdraví“ celé baterie. A je pak vcelku jedno, jestli to bude po tisících cyklech, nebo po pěti tisících. Jednoho dne k tomu prostě dojde. Což bude znamenat výměnu celého akumulátoru za nový. Drahý. Nebo recyklace nikoliv jen článků baterie, ale rovnou celého automobilu.

Pokud těch cyklů bude relativně málo, například tisíc, tak při každodenním provozu to může být otázkou pouhých čtyř až pěti let a dvou set padesáti tisíc ujetých kilometrů. To třeba u dnešních dieselových motorů je prakticky půlka jejich životnosti, co se motoru týče, a pětileté auto, jako takové, je z hlediska mechaniky stále ještě ve velmi dobrém stavu. Koneckonců to je stáří nejprodávanějších ojetin nejen na našem trhu. Ale vyplatí se do takového vozu namontovat nový akumulátor, který v důsledku zdvojnásobí jeho pořizovací cenu?

Teprve až těch nabíjecích cyklů bude opravdu dostatek, řekněme kolem dvou a půl tisíce a více, pak už budou korespondovat s dnes používaným hodnocením stáří automobilů. Půl miliónu plus kilometrů a deset a více let provozu pak už bude přijatelný moment uznat, že auto má právo být zrecyklováno.

Ale, bohužel, tam ještě v tomto okamžiku nejsme, dnes se musí s každým nabitím ještě počítat, dalo by se říci, jako s listem trhacího kalendáře.

Jak je vidět, nabíjení elektromobilů je o kompromisech. Dlouhý dojezd se bude vždy rovnat delšímu nabíjení. Rychlejší nabíjení bude zkracovat životnost akumulátorů. Menší akumulátor bude sice znamenat rychlejší nabíjení, porovnatelné se současnými elektromobily, ale důsledkem bude mnohem kratší dojezd.

Na začátku jsem zmínil výsledky dnešních diskusí, které jsou buď, anebo. Pokud dojde k hromadnému přechodu na elektromobily, a zůstanou-li významným způsobem individuální dopravy, nabíjení bude jedna z nejzásadnějších změn v rámci fungování automobilů a chování jejich řidičů. Buď si zvykneme na to, že elektromobily vyžadují jiný vzorec chování, co se plnění týče, i když se nám to nemusí úplně líbit, viz onen trn v patě, nebo ne. Není jiné cesty. Binární rozhodnutí.

Snad vám, jste-li „netechnický“ člověk, tento článek alespoň trochu vysvětlil pozadí fenoménu nabíjení a nebudete se muset rozhodovat o případném přechodu na elektromobily bez argumentů a znalostí. Člověku s technickým vzděláním jsou věci v tomto článku dávno jasné a naopak toto vysvětlení je pro něj až příliš zjednodušující. Ale nebude se za to na nikoho mračit, osvěta je přece potřeba. Doufejme…

Zdroj