Tehnologije polnilnikov za električna vozila

Tehnologije polnjenja električnih vozil na Kitajskem in v Združenih državah Amerike so si v veliki meri podobne. V obeh državah so kabli in vtiči prevladujoča tehnologija za polnjenje električnih vozil. (Brezžično polnjenje in menjava baterij sta kvečjemu manj zastopani.) Med državama obstajajo razlike glede ravni polnjenja, standardov polnjenja in komunikacijskih protokolov. Te podobnosti in razlike so obravnavane v nadaljevanju.

A. Stopnje polnjenja

V Združenih državah Amerike se velik del polnjenja električnih vozil izvaja pri 120 voltih z uporabo nemodificiranih domačih vtičnic. To je splošno znano kot polnjenje stopnje 1 ali »vzdržno« polnjenje. Pri polnjenju stopnje 1 se tipična baterija s 30 kWh napolni od 20 % do skoraj polne napolnjenosti v približno 12 urah. (Na Kitajskem ni 120-voltnih vtičnic.)

Tako na Kitajskem kot v Združenih državah Amerike se velik del polnjenja električnih vozil izvaja pri napetosti 220 voltov (Kitajska) ali 240 voltov (Združene države Amerike). V Združenih državah Amerike je to znano kot polnjenje 2. stopnje.

Takšno polnjenje se lahko izvaja z nemodificiranimi vtičnicami ali specializirano opremo za polnjenje električnih vozil in običajno porabi približno 6–7 kW energije. Pri polnjenju pri 220–240 voltih se tipična baterija s 30 kWh napolni od 20 % do skoraj polne napolnjenosti v približno 6 urah.

Končno imata tako Kitajska kot Združene države Amerike rastoče mreže hitrih polnilnic z enosmernim tokom, ki običajno uporabljajo 24 kW, 50 kW, 100 kW ali 120 kW moči. Nekatere postaje lahko ponujajo 350 kW ali celo 400 kW moči. Te hitre polnilnice z enosmernim tokom lahko napolnijo akumulator vozila od 20 % do skoraj popolne napolnjenosti v časih od približno ene ure do samo 10 minut.

Tabela 6:Najpogostejše ravni polnjenja v ZDA

Vir: Ministrstvo za energijo ZDA

B. Standardi zaračunavanja

i. Kitajska

Kitajska ima en nacionalni standard za hitro polnjenje električnih vozil. ZDA imajo tri standarde za hitro polnjenje električnih vozil.

Kitajski standard je znan kot China GB/T. (ZačetniceGBpomeni nacionalni standard.)

Kitajska standard GB/T je bil po več letih razvoja izdan leta 2015.124 Zdaj je obvezen za vsa nova električna vozila, prodana na Kitajskem. Mednarodni proizvajalci avtomobilov, vključno s Teslo, Nissanom in BMW-jem, so sprejeli standard GB/T za svoja električna vozila, ki se prodajajo na Kitajskem. GB/T trenutno omogoča hitro polnjenje z največjo močjo 237,5 kW (pri 950 V in 250 amperih), čeprav mnogi

Kitajske hitre polnilnice z enosmernim tokom ponujajo polnjenje z močjo 50 kW. Nova polnilnica GB/T bo izdana leta 2019 ali 2020 in bo po poročanjih nadgradila standard, da bo vključevala polnjenje do 900 kW za večja gospodarska vozila. GB/T je standard, ki velja samo za Kitajsko: nekaj električnih vozil kitajske izdelave, izvoženih v tujino, uporablja druge standarde.125

Kitajski svet za elektriko (CEC) je avgusta 2018 napovedal memorandum o soglasju z omrežjem CHAdeMO s sedežem na Japonskem za skupni razvoj ultrahitrega polnjenja. Cilj je združljivost med GB/T in CHAdeMO za hitro polnjenje. Organizaciji bosta sodelovali pri širitvi standarda v države onkraj Kitajske in Japonske.126

ii. Združene države Amerike

V Združenih državah Amerike obstajajo trije standardi polnjenja električnih vozil za hitro polnjenje z enosmernim tokom: CHAdeMO, CCS SAE Combo in Tesla.

CHAdeMO je bil prvi standard hitrega polnjenja električnih vozil, ki sega v leto 2011. Razvila ga je Tokio.

Electric Power Company in pomeni »Charge to Move« (besedna igra v japonščini).127 CHAdeMO se trenutno v Združenih državah uporablja v Nissanu Leafu in Mitsubishiju Outlanderju PHEV, ki sta med najbolje prodajanimi električnimi vozili. Uspeh Leafa v Združenih državah je mordaPOLNJENJE ELEKTRIČNIH VOZIL NA KITAJSKEM IN V ZDRUŽENIH DRŽAVAH AMERIKE

ENERGYPOLICY.COLUMBIA.EDU | FEBRUAR 2019 |

deloma zaradi Nissanove zgodnje zaveze k uvedbi infrastrukture za hitro polnjenje CHAdeMO v prodajnih salonih in drugih mestnih lokacijah.128 Januarja 2019 je bilo v Združenih državah Amerike več kot 2900 hitrih polnilnic CHAdeMO (ter več kot 7400 na Japonskem in 7900 v Evropi).129

Leta 2016 je CHAdeMO napovedal, da bo nadgradil svoj standard s prvotne stopnje zaračunavanja 70

kW bo ponudil 150 kW.130 Junija 2018 je CHAdeMO napovedal uvedbo polnilne zmogljivosti 400 kW z uporabo tekočinsko hlajenih kablov z napetostjo 1000 V in 400 A. Višja polnilna moč bo na voljo za potrebe velikih gospodarskih vozil, kot so tovornjaki in avtobusi.131

Drugi standard polnjenja v Združenih državah Amerike je znan kot CCS ali SAE Combo. Leta 2011 ga je predstavila skupina evropskih in ameriških proizvajalcev avtomobilov. Beseda ...kombinacijapomeni, da vtič omogoča polnjenje z izmeničnim tokom (do 43 kW) in enosmernim tokom.132 V

V Nemčiji je bila ustanovljena koalicija Charging Interface Initiative (CharIN), ki se zavzema za široko uporabo CCS. Za razliko od CHAdeMO vtič CCS omogoča polnjenje z enosmernim in izmeničnim tokom z enim priključkom, kar zmanjša prostor in odprtine, potrebne na karoseriji vozila. Jaguar,

Volkswagen, General Motors, BMW, Daimler, Ford, FCA in Hyundai podpirajo CCS. Koaliciji se je pridružila tudi Tesla, ki je novembra 2018 napovedala, da bodo njena vozila v Evropi opremljena s polnilnimi priključki CCS.133 Chevrolet Bolt in BMW i3 sta med priljubljenimi električnimi vozili v Združenih državah Amerike, ki uporabljajo polnjenje CCS. Medtem ko sedanje hitre polnilnice CCS ponujajo polnjenje z močjo približno 50 kW, program Electrify America vključuje hitro polnjenje z močjo 350 kW, kar bi lahko omogočilo skoraj popolno polnjenje v samo 10 minutah.

Tretji standard polnjenja v Združenih državah Amerike upravlja Tesla, ki je septembra 2012 v Združenih državah Amerike zagnala lastno omrežje Supercharger.134 Tesla

Kompresorji običajno delujejo pri 480 voltih in ponujajo polnjenje z največjo močjo 120 kW.

Januarja 2019 je spletna stran Tesle navedla 595 lokacij polnilnic Supercharger v Združenih državah Amerike, dodatnih 420 lokacij pa bo »kmalu na voljo«.135 Maja 2018 je Tesla namignila, da bi lahko njene polnilnice Supercharger v prihodnosti dosegle moč do 350 kW.136

V naši raziskavi za to poročilo smo anketirance iz ZDA vprašali, ali menijo, da je pomanjkanje enotnega nacionalnega standarda za hitro polnjenje z enosmernim tokom ovira za sprejetje električnih vozil. Le malo jih je odgovorilo pritrdilno. Razlogi, zakaj več standardov za hitro polnjenje z enosmernim tokom ne velja za problem, so:

● Večina polnjenja električnih vozil poteka doma in v službi s polnilniki stopnje 1 in 2.

● Velik del javne in delovne polnilne infrastrukture je do danes uporabljal polnilnice 2. stopnje.

● Na voljo so adapterji, ki lastnikom električnih vozil omogočajo uporabo večine hitrih polnilnic z enosmernim tokom, tudi če električno vozilo in polnilnik uporabljata različne standarde polnjenja. (Glavna izjema, omrežje Tesla Supercharging, je odprto samo za vozila Tesla.) Omeniti velja nekaj pomislekov glede varnosti adapterjev za hitro polnjenje.

● Ker vtič in priključek predstavljata majhen odstotek stroškov hitre polnilne postaje, to za lastnike postaj predstavlja majhen tehnični ali finančni izziv in bi ga lahko primerjali s cevmi za bencine z različnimi oktanskimi vrednostmi na bencinski črpalki. Številne javne polnilnice imajo na eno polnilno mesto priključenih več vtičev, kar omogoča polnjenje katere koli vrste električnega vozila. Dejansko številne jurisdikcije to zahtevajo ali spodbujajo.POLNJENJE ELEKTRIČNIH VOZIL NA KITAJSKEM IN V ZDRUŽENIH DRŽAVAH AMERIKE

38 | CENTER ZA GLOBALNO ENERGETSKO POLITIKO | COLUMBIA SIPA

Nekateri proizvajalci avtomobilov so dejali, da ekskluzivno polnilno omrežje predstavlja konkurenčno strategijo. Claas Bracklo, vodja elektromobilnosti pri BMW in predsednik CharIN, je leta 2018 izjavil: »CharIN smo ustanovili, da bi si zgradili položaj moči.«137 Mnogi lastniki in vlagatelji Tesle menijo, da je lastniško omrežje polnilnic prodajna prednost, čeprav Tesla še naprej izraža pripravljenost, da drugim modelom avtomobilov dovoli uporabo svojega omrežja, če prispevajo sredstva sorazmerno z uporabo.138 Tesla je prav tako del CharIN, ki promovira CCS. Novembra 2018 je napovedal, da bodo avtomobili Model 3, ki se prodajajo v Evropi, opremljeni z vrati CCS. Lastniki Tesle lahko kupijo tudi adapterje za dostop do hitrih polnilnic CHAdeMO.139

C. Protokoli za komunikacijo pri polnjenju Protokoli za komunikacijo pri polnjenju so potrebni za optimizacijo polnjenja za potrebe uporabnika (za zaznavanje stanja napolnjenosti, napetosti baterije in varnosti) in za omrežje (vključno z

zmogljivost distribucijskega omrežja, oblikovanje cen glede na čas uporabe in ukrepi za odzivanje na povpraševanje).140 Kitajska GB/T in CHAdeMO uporabljata komunikacijski protokol, znan kot CAN, medtem ko CCS deluje s protokolom PLC. Odprti komunikacijski protokoli, kot je protokol Open Charge Point Protocol (OCPP), ki ga je razvilo združenje Open Charging Alliance, postajajo vse bolj priljubljeni v Združenih državah Amerike in Evropi.

V naši raziskavi za to poročilo je več ameriških anketirancev navedlo prehod na odprte komunikacijske protokole in programsko opremo kot prednostno nalogo politike. Zlasti nekateri projekti javnih polnilnic, ki so prejeli sredstva v okviru Zakona o ameriškem okrevanju in ponovnem vlaganju (ARRA), so bili navedeni kot ponudniki z lastniškimi platformami, ki so nato imeli finančne težave, zaradi česar je bilo treba zamenjati pokvarjeno opremo.141 Večina mest, komunalnih podjetij in polnilnih omrežij, s katerimi smo se obrnili v okviru te študije, je izrazila podporo odprtim komunikacijskim protokolom in spodbudam, ki bi gostiteljem polnilnih omrežij omogočile nemoteno menjavo ponudnikov.142

D. Stroški

Domače polnilnice so na Kitajskem cenejše kot v Združenih državah Amerike. Na Kitajskem se tipična 7 kW stenska domača polnilna postaja prodaja na spletu za ceno med 1200 in 1800 RMB.143 Namestitev zahteva dodatne stroške. (Večina zasebnih nakupov električnih vozil vključuje polnilnik in namestitev.) V Združenih državah Amerike stanejo domače polnilne postaje 2. stopnje v razponu od 450 do 600 USD, poleg tega pa je za namestitev treba plačati povprečno približno 500 USD.144 Oprema za hitro polnjenje z enosmernim tokom je v obeh državah bistveno dražja. Stroški se zelo razlikujejo. En kitajski strokovnjak, s katerim smo opravili intervju za to poročilo, je ocenil, da namestitev 50 kW hitre polnilne postaje z enosmernim tokom na Kitajskem običajno stane med 45.000 in 60.000 RMB, pri čemer sama polnilna postaja stane približno 25.000–35.000 RMB, preostanek pa kabli, podzemna infrastruktura in delo.145 V Združenih državah Amerike lahko hitra polnilna postaja z enosmernim tokom stane več deset tisoč dolarjev na postajo. Glavne spremenljivke, ki vplivajo na stroške namestitve opreme za hitro polnjenje z enosmernim tokom, vključujejo potrebo po izkopavanju jarkov, nadgradnji transformatorjev, novih ali nadgrajenih tokokrogih in električnih omaricah ter estetskih nadgradnjah. Dodatni dejavniki so signalizacija, dovoljenja in dostop za invalide.146

E. Brezžično polnjenje

Brezžično polnjenje ponuja številne prednosti, vključno z estetiko, prihrankom časa in enostavno uporabo.

V devetdesetih letih prejšnjega stoletja je bil na voljo za EV1 (zgodnji električni avtomobil), danes pa je redek.147 Brezžični sistemi za polnjenje električnih vozil, ki so bili na voljo na spletu, se gibljejo po ceni od 1260 do približno 3000 dolarjev.148 Brezžično polnjenje električnih vozil ima manjšo učinkovitost, saj trenutni sistemi ponujajo učinkovitost polnjenja okoli 85 %.149 Trenutni izdelki za brezžično polnjenje ponujajo prenos moči od 3 do 22 kW; brezžični polnilniki, ki so na voljo za več modelov električnih vozil, od Plugless charge z močjo 3,6 kW ali 7,2 kW, kar ustreza polnjenju 2. stopnje.150 Medtem ko mnogi uporabniki električnih vozil menijo, da brezžično polnjenje ni vredno dodatnih stroškov,151 nekateri analitiki napovedujejo, da bo tehnologija kmalu razširjena, več proizvajalcev avtomobilov pa je napovedalo, da bodo brezžično polnjenje ponudili kot možnost za prihodnja električna vozila. Brezžično polnjenje bi lahko bilo privlačno za določena vozila z določenimi potmi, kot so javni avtobusi, predlagano pa je bilo tudi za prihodnje pasove električnih avtocest, čeprav bi bili visoki stroški, nizka učinkovitost polnjenja in počasne hitrosti polnjenja pomanjkljivosti.152

F. Zamenjava baterije

S tehnologijo zamenjave baterij bi lahko električna vozila zamenjala svoje izpraznjene baterije za druge, ki so popolnoma napolnjene. To bi drastično skrajšalo čas, potreben za polnjenje električnega vozila, kar bi voznikom prineslo znatne potencialne koristi.

Več kitajskih mest in podjetij trenutno eksperimentira z zamenjavo baterij, s poudarkom na električnih vozilih z visoko stopnjo izkoriščenosti, kot so taksiji. Mesto Hangzhou je uvedlo zamenjavo baterij za svoj vozni park taksijev, ki uporablja lokalno izdelana električna vozila Zotye.155 Peking je zgradil več postaj za zamenjavo baterij v okviru prizadevanj, ki jih podpira lokalni proizvajalec avtomobilov BAIC. Konec leta 2017 je BAIC napovedal načrt za izgradnjo 3000 postaj za zamenjavo baterij po vsej državi do leta 2021.156 Kitajsko zagonsko podjetje za električna vozila NIO namerava uvesti tehnologijo zamenjave baterij za nekatera svoja vozila in napovedalo, da bo na Kitajskem zgradilo 1100 postaj za zamenjavo.157 Več mest na Kitajskem, vključno s Hangzhoujem in Qingdaom, je prav tako uporabilo zamenjavo baterij za avtobuse.158

V Združenih državah Amerike je razprava o zamenjavi baterij zamrla po bankrotu izraelskega zagonskega podjetja za zamenjavo baterij Project Better Place leta 2013, ki je načrtovalo mrežo postaj za menjavo baterij za osebne avtomobile.153 Leta 2015 je Tesla opustila svoje načrte za postajo za menjavo, potem ko je zgradila le en demonstracijski objekt, in za to okrivila pomanjkanje zanimanja potrošnikov. Danes v Združenih državah Amerike poteka le malo poskusov v zvezi z zamenjavo baterij, če sploh kaj.154 Znižanje stroškov baterij in morda v manjši meri uvedba infrastrukture za hitro polnjenje z enosmernim tokom sta verjetno zmanjšala privlačnost zamenjave baterij v Združenih državah Amerike.

Čeprav menjava baterij ponuja več prednosti, ima tudi opazne pomanjkljivosti. Baterija električnega vozila je težka in se običajno nahaja na dnu vozila, kar tvori sestavni strukturni element z minimalnimi inženirskimi tolerancami za poravnavo in električne povezave. Današnje baterije običajno zahtevajo hlajenje, priklop in odklop hladilnih sistemov pa je težaven.159 Glede na svojo velikost in težo se morajo baterijski sistemi popolnoma prilegati, da se prepreči ropotanje, zmanjša obraba in vozilo ostane osredotočeno. Arhitektura baterij za rolke, ki je pogosta v današnjih električnih vozilih, izboljša varnost z znižanjem težišča vozila in izboljšanjem zaščite pred trčenjem spredaj in zadaj. Odstranljive baterije, ki se nahajajo v prtljažniku ali drugje, te prednosti ne bi imele. Ker večina lastnikov vozil polni predvsem doma aliPOLNJENJE ELEKTRIČNIH VOZIL NA KITAJSKEM IN V ZDRUŽENIH DRŽAVAH AMERIKEV praksi zamenjava baterij ne bi nujno rešila težav s polnilno infrastrukturo – pomagala bi le pri reševanju javnih polnilnic in dosega. In ker večina proizvajalcev avtomobilov ni pripravljena standardizirati baterijskih sklopov ali zasnov – avtomobili so zasnovani glede na svoje baterije in motorje, zaradi česar je to ključna lastniška vrednost160 – bi lahko zamenjava baterij zahtevala ločeno omrežje postaj za menjavo za vsako avtomobilsko podjetje ali ločeno opremo za menjavo za različne modele in velikosti vozil. Čeprav so bili predlagani mobilni tovornjaki za menjavo baterij,161 ta poslovni model še ni bil izveden.