Dziś jest niedziela, 20 październik 2019 r.
Energoelektronika.pl na stronach Facebook REKLAMA MAPA SERWISU KONTAKT
Strona główna Załóż konto Artykuły branżowe Katalog firm Seminaria FAQ Kalendarium Słownik Oferta
Wyszukaj
1USD 3.8503 -0.35% 1EUR 4.2844 -0.01% 1GBP 4.9671 +0.43%
Zaloguj się
Login (adres e-mail):
Haslo:
  Rejestracja
  Zapomniałem hasła
Reklama

Aktualności
32 edycja targów Energetab 2019 juz za cztery tygodnie
więcej
Przed nami 32. edycja targów ENERGETAB 2019
więcej
Przyszłość sektora motoryzacji w Polsce ? raport Banku Pekao S.A.
więcej
Siemensa buduje fabrykę dla Przemysłu 4.0 w Polsce
więcej

Zobacz archiwum

Kalendarium
23 październik 2019
LUMENexpo Targi Techniki Świetlnej  
więcej
29 październik 2019
73. edycja Seminarium dla Służb Utrzymania Ruchu  
więcej
Newsletter
Jeżeli chcesz otrzymywać aktualne informacje o wydarzeniach w branży.
Podaj e-mail do subskrypcji:


Artykuły branżowe
29 kwiecień 2013.

OSOBOWY SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY Z PERSPEKTYWY DYSTRYBUTORA ENERGII W USA - WAŻNY ODBIORCA ENERGII CZY ILUZJA?

OSOBOWY SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY Z PERSPEKTYWY DYSTRYBUTORA ENERGII W USA - WAŻNY ODBIORCA ENERGII CZY ILUZJA?

Zastąpienie samochodów osobowych z silnikami spalinowymi (OSS), samochodami z silnikiem elektrycznym (OSE) pozwala, według wielu ocen, zredukować zapotrzebowanie na energonośne kopaliny i emisję powstających przy ich spalaniu szkodliwych gazów. W związku z tym obserwuje się w ostatnich latach wzmożony wysiłek producentów samochodów nad konstrukcją osobowych samochodów elektrycznych, które zadowalałaby ich użytkowników. Może to także oznaczać pojawianie się SOE w osiedlach mieszkaniowych i konieczność ładowania ich akumulatorów z sieci rozdzielczej. Niniejszy artykuł jest próbą odpowiedzi na powyższe pytania z perspektywy systemów rozdzielczych w Stanach Zjednoczonych Ameryki Płn. Systemy rozdzielcze osadzone są w Polsce w odmiennych warunkach techniczno-ekonomicznych niż w USA, zatem odpowiedzi na powyższe pytania i ich uzasadnienia mogą się różnić. Są jednak elementy wspólne: OSE są produktem globalizacji, zatem podobne mogą być i niektóre wnioski.

1. WSTĘP

Samochody z napędem elektrycznym pojawiły się przed samochodami z silnikami spalinowymi, ale jako samochody osobowe nie były w stanie z nimi konkurować, głównie z powodu niewystarczającej pojemności akumulatorów ołowiowych. Są one obecnie używane głównie jako pojazdy przemysłowe w fabrykach czy na lotniskach, bardzo blisko od stacji ładowania. Rozwój akumulatorów, w szczególności wynalezienie akumulatora litowo-jonowego, a także rozwój maszyn elektrycznych z magnesami trwałymi oraz przełączników półprzewodnikowych dużej mocy, umożliwił budowę samochodów osobowych z napędem elektrycznym o parametrach technicznych porównywalnych z samochodami o napędzie spalinowym. Sportowy samochód Tesla Roadstar osiąga prędkość 100 km/godz. w ciągu 3,9 s i ma prędkość maksymalną 200 km/godz. Akumulator umożliwia jazdę ? co prawda z szybkością tylko 40 km/ godz.? na dystansie 365 km. Ponieważ jego cena wynosi 96 000 $, jest to raczej luksusowy samochód sportowy oraz ilustracja obecnych możliwości technicznych, niż samochód mogący konkurować na rynku z normalnymi samochodami o napędzie spalinowym. Ze względu na potencjalnie małą liczbę takich samochodów, ładowanie ich akumulatorów ma dla sieci energetycznych niewielkie znaczenie. Znaczenie takie mogłyby mieć osobowe samochody z napędem elektrycznym, gdyby pojawiły się w dużej liczbie.
Napęd elektryczny używany jest w samochodach osobowych na trzy sposoby. (i) Jako wyłączny napęd samochodu, z akumulatorem ładowanym zwykle z instalacji domowej. Takim samochodem jest Nissan Leaf. (ii) Jako napęd towarzyszący napędowi spalinowemu, z akumulatorem ładowanym tak, jak poprzednio. Taki napęd ma Chevrolet Volt. (iii) Jako napęd towarzyszący napędowi spalinowemu, z baterią ładowaną w trakcie zmniejszania prędkości samochodu napędem elektrycznym, pracującym wtedy w modzie generacyjnym. Najbardziej rozpowszechnionym tego typu samochodem jest Toyota Prius.
Ponieważ tylko w sytuacji (i) oraz (ii) jedynym lub głównym ?paliwem? jest energia elektryczna dostarczana z sieci rozdzielczej, tylko takie samochody mogą być nazywane samochodami elektrycznymi. Aby jednak rozróżnić sytuację (i) oraz (ii), akronim OSE będzie używany w tym artykule w sytuacji (i). W sytuacji (ii) samochód ma napęd elektrycznospalinowy i będzie oznaczony akronimem OSES. W przypadku (iii) jedynym paliwem jest benzyna lub olej napędowy. Aby odróżnić je od konwencjonalnych OSS, nazywane są one osobowymi samochodami hybrydowymi (OSH).
Zastąpienie samochodów z napędem spalinowym samochodami z napędem elektrycznym oznaczałoby niezwykle głęboką zmianę nie tylko na rynku samochodów, lecz w wielu innych pokrewnych obszarach, które by na takiej zmianie zyskiwały lub traciły. Nie można się więc dziwić aktywności różnych grup kształtujących opinię publiczną czy grup nacisku. Jakkolwiek z punktu widzenia różnych państw różne mogłyby być skutki takiej zmiany, to jednak należy na nią patrzeć raczej z globalnego, niż lokalnego punktu widzenia.
Koncepcja OSE jest w znacznym stopniu produktem globalizacji; naszej oceny wielkości globalnych zasobów paliw czy środowiskowych skutków ich spalania. Siły o zasięgu globalnym będą też decydować o powodzeniu lub niepowodzeniu prób zastąpienia obecnych samochodów osobowych samochodami z napędem elektrycznym. Dla przykładu, istotne znaczenie dla rozwoju tych samochodów ma fakt wzmacniania się monopolu Chin (~95%) na lit (niezbędny do budowy akumulatorów litowo-jonowych) oraz monopolu na molibden, niezbędny do produkcji magnesów trwałych.
Motywacje i skutki potencjalnego zastąpienia konwencjonalnych OSS przez OSE lub OSES ? dotyczą tak wielu zagadnień ? są tak skomplikowane, że wychodzą poza zakres pojedynczego artykułu. Wśród tych zagadnień szczególnie ważne jest porównanie takich samochodów ze względu na ich zapotrzebowanie energetyczne. Następnym pytaniem jest, czy istniejące sieci rozdzielcze są w stanie takie zapotrzebowanie zapewnić oraz jakim odbiornikiem z punktu widzenia dystrybutora energii jest OSE i OSES. Ostatnie pytanie stawiane w niniejszym artykule dotyczy tego, w jakiej perspektywie czasowej można się spodziewać zauważalnego pojawiania się OSE oraz OSES w osiedlach mieszkaniowych? Odpowiedzi na te pytania autorzy tego artykułu starają się udzielić z perspektywy amerykańskiej. Przy umiarkowanym wysiłku i znajomości systemów rozdzielczych i ich osadzenia ekonomicznego w Polsce oraz przy znajomości europejskiej oferty OSE i OSES, odpowiedzi te mogą być zapewne adoptowane do warunków krajowych.

2. PORÓWNANIE SPRAWNOŚCI ENERGETYCZNEJ OSE ORAZ OSS

Łączna liczba OSE oraz OSES na rynku amerykańskim do końca 2011 roku nie przekroczyła 20 tys. Oznacza to, że przy przeszło 200 mln. OSS, tylko jeden OSE lub OSES przypada na 10 tys. OSS, a więc penetracja tych samochodów nie osiągnęła jeszcze poziomu 0,01%. Taki jest ostateczny wynik przeszło 10-letnich, prowadzonych w wielu krajach, prac nad rozwojem tych samochodów. Osiągnięcie pewnego, umownego poziomu ich zauważalności, powiedzmy 1%, wymaga 100-krotnego zwiększenia ich liczby. Nie sposób obecnie przewidzieć, kiedy może to nastąpić, jakie będą wtedy OSE, OSES oraz OSS, a także, jakie wtedy będą uwarunkowania ekonomiczne dotyczące paliw i energii elektrycznej. Dlatego wyniki analizy i wnioski oparte na obecnej ofercie OSE, OSES oraz OSS mogą być niezmiernie odległe od rzeczywistości wtedy, gdy samochody te pojawiłyby się w zauważalnej liczbie. Ale też proces potencjalnego zastępowania OSS przez OSE oraz/lub OSES, kształtowany jest przez sytuację obecną i tę, w bliskiej, bardziej przewidywalnej przyszłości.
Aby porównać sprawność energetyczną OSS i OSE, osadźmy dwa mechanicznie identyczne OSS i OSE w możliwie najbardziej podobnych warunkach, przyjmując nawet, że benzyna będąca paliwem dla OSS, jest także użyta, co się 74 ? OSOBOWY SAMOCHÓD ELEKTRYCZNY Z PERSPEKTYWY DYSTRYBUTORA ENERGII W USA - WAŻNY ODBIORCA ENERGII CZY ILUZJA? - Leszek S. CZARNECKI www.ePISMO-AEZ.pl MASZYNY I NAPĘDY AUTOMATYKA - ELEKTRYKA - ZAKŁÓCENIA | NR 11/2012 rzadko zdarza, do wytwarzania energii elektrycznej potrzebnej dla OSE. ?Zasilanie energetyczne? obu samochodów ilustruje rysunek 1.
Jeśli wytwarzanie energii elektrycznej nie wiąże się ze spalaniem paliw, takie porównanie traci oczywiście sens. Pozostaje ono ważne tylko w odniesieniu do tej części energii elektrycznej, która otrzymywana jest z takiego spalania. W USA dotyczy to w przybliżeniu 69,3% energii elektrycznej, uzyskiwanej ze spalania węgla, gazu naturalnego i ropy naftowej. Pozostałe 30,7% dostarczają elektrownie jądrowe (20,3%), wodne (6,9%) oraz wiatrowe, słoneczne i geotermalne, łącznie 3,5%.


Rys. 1. (a) Zasilanie energetyczne OSS oraz (b) OSE

Może to brzmieć paradoksalnie, lecz nie da się porównać OSS i OSE pod względem ich zapotrzebowania na ?paliwo?, a przynajmniej, wynik tego porównania nie zależy tylko od tych samochodów. Spróbujmy to wyjaśnić.
Efektywność wykorzystywania paliwa (benzyny) OSS określana jest w USA w milach jazdy na galon benzyny (ang. mpg - miles per gallon). Efektywność wykorzystywania paliwa (energii elektrycznej) OSE określana jest w milach jazdy z jednej kWh energii zgromadzonej w baterii samochodu. Aby porównać te dwie efektywności, trzeba wiedzieć, ile galonów benzyny trzeba spalić w elektrowni, aby dostarczyć jedną kWh energii do baterii OSE, a to zależy od sprawności systemu energetycznego, poczynając od kotła, poprzez turbinę, generator, linie transmisyjne i rozdzielcze oraz wszystkie transformatory uczestniczące w przesyle energii. Sam OSE obniża tę sprawność stratami w prostowniku i w akumulatorze podczas jego ładowania.
O ile z punktu widzenia przetwarzania energii OSS jest systemem prostym, z silnikiem spalinowym jako jedynym przetwornikiem energii, o tyle OSE jest systemem złożonym. Energia dostarczana jest do maszyny elektrycznej, pracującej jako silnik lub jako generator, poprzez prostownik, akumulator oraz przemiennik częstotliwości, tak jak to ilustruje rysunek 2.


Rys. 2. Energetyczne podsystemy OSE

Sprawności energetyczne ? poszczególnych podsystemów, decydujące o sprawności energetycznej OSS oraz OSE, nie są łatwe do oceny, szczególnie dlatego, że pewne z nich są niezmiernie trudne do zmierzenia. Dotyczy to w szczególności kotłów parowych w elektrowniach, turbin, sprawności energetycznej systemów rozdzielczych czy nawet sprawności energetycznej silnika spalinowego. Porównanie sprawności energetycznej OSS i OSE dodatkowo utrudnia to, że w tym celu potrzebne są nie wartości wyznaczone dla pojedynczych obiektów, lecz wartości średnie wszystkich obiektów. Wszystkie kotły i turbiny parowe pracujące w pewnym systemie energetycznym biorą udział w dostarczaniu energii do pojedynczego OSE. Podobnie odniesieniem do porównywania sprawności OSE powinien być nie jakiś najsprawniejszy OSS, lecz OSS o przeciętnej sprawności energetycznej. Wartości liczbowe poszczególnych sprawności energetycznych użytych w tym artykule są wartościami wziętymi z drugiej lub trzeciej ręki, przytaczanymi za pewnymi opiniami, raportami czy artykułami, lecz ocena ich wiarygodności była poza możliwościami autorów tego artykułu. Dlatego wskazana jest pewna rezerwa do użytych wartości, a Czytelnicy mający zawodowe doświadczenie z systemami, których sprawność się tu omawia, i mający inną opinię o ich sprawności, mogą pewne wyniki skorygować.
Sprawność energetyczna silników spalinowych jest ograniczona od góry sprawnością cyklu Carnota, którą można obliczyć znając temperaturę spalanej benzyny i temperaturę gazów wydechowych silnika. Sprawność ta jest znacznie niższa niż sprawność turbin parowych, gdyż gazy wydechowe silnika nie są schładzane do temperatury porównywalnej z temperaturą wylotową turbiny. Według artykułu [1], sprawność energetyczna silników spalinowych ?GV jest rzędu 0,18 ÷ 0,20, jakkolwiek w art. [2] uważa się, że górna wartość odnosi się do silników Diesla, zaś powszechnie używane silniki benzynowe mają sprawność około 0,15. Przyjmijmy wartość pośrednią ?GV = 0,17. Dostarczając benzynę z rafinerii do stacji benzynowych, pewną jej ilość spala się przez samochodowe cysterny. Przyjmijmy, że sprawność systemu dystrybucji benzyny ?GD = 0,97. Zatem z perspektywy producenta benzyny (rafinerii), OSS wykonujący w czasie jazdy pracę W potrzebuje energii

Rozważmy teraz sprawność energetyczną podsystemów produkujących i dostarczających energię elektryczną do OSE, zaczynając od kotłów wytwarzających parę dla turbin energetycznych.

Sprawność energetyczna kotła zależy od ilości energii traconej ze spalinami, stopnia spalania paliwa oraz energii potrzebnej do obsługi kotła, w szczególności do transportu paliwa. Benzyna nie jest oczywiście używana jako paliwo w elektrowniach; najbardziej zbliżonym do niego paliwem z punktu widzenia działania kotła jest gaz naturalny. Można przyjąć, że straty energetyczne w takim kotle, powodowane głównie unoszeniem ciepła ze spalinami, nie przekraczają 5%, czyli ?T = 0,95.
Sprawność energetyczna turbiny parowej ograniczona jest, od góry, sprawnością procesu Carnota. Jeśli wejściowa temperatura pary turbiny, w Kelvinach, wynosi TC, zaś temperatura wyjściowa TH, to maksymalna energetyczna sprawność turbiny

Według art. [3] maksymalna temperatura pary, ze względu na mechaniczną stabilność materiału turbiny TH = 538 [°C] = 811 [K], i może być ona schłodzona do temperatury TC = 43 [°C] = 316 [K], co daje maksymalną energetyczną sprawność turbiny

Sprawność energetyczna wytwarzania energii elektrycznej w generatorze, jej przesyłu i rozdziału do odbiorców jest wypadkową przeciętnej sprawności generatora, linii i transformatorów. Przyjmijmy, że w przesyle energii elektrycznej bierze udział linia wysokiego napięcia 365 kV, średniego 128 kV i napięcia rozdzielczego 8 kV oraz przeciętnie 4 transformatory. Przyjmijmy, że generator synchroniczny ma sprawność ?SG= 0,98, transformatory w sieciach przesyłowych mają sprawność ?TT= 0,99 [4], transformator rozdzielczy 8kV/120V ma sprawność ?DT= 0,98. Jeśli linie wysokiego i średniego napięcia mają sprawność ?TL= 0,96, zaś linia rozdzielcza ma sprawność ?FL= 0,98, to sprawność całego systemu jest na poziomie

Łącznie z kotłem parowym i turbiną sprawność energetyczna systemu może mieć wartość

Maszyny elektryczne (pracujące jako silniki bądź generatory) samochodów z napędem elektrycznym są to maszyny synchroniczne z magnesami trwałymi (Nissan Leaf oraz Ford Transit Connect Electric) lub trójfazowe maszyny indukcyjne (Tesla Roadstar oraz Mitsubishi MiEV) zasilane z przemienników częstotliwości. Praca prądnicowa maszyny elektrycznej umożliwia odzysk energii kinetycznej samochodu w trakcie zmniejszania prędkości, lecz nie stawia to samochodów elektrycznych w uprzywilejowanej pozycji w stosunku do benzynowych samochodów hybrydowych, które wykorzystują taki sam mechanizm odzyskiwania energii kinetycznej dla zmniejszenia zużycia benzyny.
Producenci OSE i OSES nie dostarczają danych co do energetycznej sprawności silników. Można je znaleźć tylko dla maszyn o innych zastosowaniach. Według art. [5], sprawność energetyczna ?M silników indukcyjnych może osiągać wartość 0,95, chociaż zwykle bliższa jest wartości 0,90. Sprawność maszyn synchronicznych z magnesami trwałymi jest zwykle wyższa i wzrasta z mocą maszyny. Według danych ABB [6] maszyna synchroniczna z magnesami trwałymi na napięcie 370V o mocy 64 kW ma sprawność 0,93. Jest to maksymalna sprawność przy pełnym obciążeniu i optymalnej prędkości. Silnik samochodu pracuje w warunkach zmiennego obciążenia i zmiennej prędkości, zatem jego sprawność może być nieco niższa. Przyjmijmy, że jest to sprawność taka sama, jak sprawność silnika indukcyjnego, to jest ?M = 0,90.

Samochody elektryczne zasilane są niemal wyłącznie z akumulatorów litowo-jonowych. Straty energii towarzyszą ładowaniu i rozładowaniu akumulatora i rosną z kwadratem prądu ładowania i rozładowania. Dane dotyczące sprawności energetycznej takich akumulatorów są trudno osiągalne i odnoszą się do nowych akumulatorów. Pomiar tej sprawności jest bardzo trudny ze względu na trudność zmierzenia zgromadzonej w akumulatorze energii. Pomiary kalorymetryczne opisane w artykule [7] przy cyklicznym ładowaniu i rozładowaniu stałym prądem dały sprawność ?A = 0,94. Nie mając innych danych przyjmijmy, że taka jest w przybliżeniu sprawność akumulatora OSE i OSES.
Ładowanie akumulatora OSE i OSES z sieci prądu zmiennego odbywa się przez prostownik. Jeśli odkształcenie prądu zasilania, zgodnie z wymaganiami w Stanach Zjednoczonych nie może przekroczyć 10%, nie może to być zwykły prostownik diodowy. Musi być to prostownik umożliwiający utrzymanie niemal sinusoidalnego przebiegu prądu zasilania. Kształt ten, łącznie z niemal zerowym przesunięciem fazowym prądu względem napięcia, kontrolowany jest przełączanymi z wysoką częstotliwością przełącznikami tranzystorowymi. Prostownik taki zachowuje się niemal jak odbiornik czysto rezystancyjny, ale kosztem znacznych strat energii w tranzystorowych przełącznikach. Według [9] sprawność energetyczna takiego prostownika ηP = 0,92. Według ustnej oceny Z. Fedyczaka, profesora energoelektroniki Uniwersytetu Zielonogórskiego, bardziej prawdopodobna jest sprawność takiego prostownika na poziomie ηP = 0,85. Taką samą sprawność może mieć przemiennik częstotliwości przetwarzający napięcie stałe akumulatora na napięcie zasilające silnik elektryczny samochodu.
Wypadkowa sprawność energetyczna OSE może więc być rzędu

Zatem z perspektywy producenta benzyny (rafinerii), OSE wykonujący w czasie jazdy pracę W wymaga, zawartej w benzynie, energii

Przyjmując wartość 1 jako poziom odniesienia zapotrzebowania na energię przez OSS, zastąpienie pojedynczego OSS przez OSE zmniejsza to zapotrzebowanie do poziomu

Z oszacowania tego wynika, że pod względem energetycznym OSE jest o 16% oszczędniejszy od OSS. Oszacowanie to może być niestety obarczone znacznym błędem, gdyż sprawności energetyczne poszczególnych elementów systemów dostarczających energię do obu samochodów nie są znane dostatecznie dokładnie.
Gdyby paliwa kopalne (węgiel, ropa naftowa, gaz naturalny) były jedynym źródłem energii elektrycznej w systemie energetycznym, w takim samym stopniu zmniejszyłoby się zapotrzebowanie na te paliwa przy każdym zastąpieniu pojedynczego OSS przez OSE. Część tej energii pochodzi jednak z innych źródeł.
Jeśli WP jest energią elektryczną produkowaną z węglonośnych paliw kopalnych zaś W0 jest łączną energią uzyskiwaną z elektrowni jądrowych, wodnych, słonecznych czy wiatrowych, to OSE zastępujący OSS zmniejsza zapotrzebowanie na węglonośne paliwa kopalne do poziomu, który w USA przedstawia się następująco

Zamiana samochodów z napędem spalinowym na samochody z napędem elektrycznym jest więc szczególnie korzystna w krajach, które w małym stopniu do produkcji energii elektrycznej wykorzystują z paliwa kopalne.

3. OSE i OSES JAKO ODBIORNIKI ENERGII ELEKTRYCZNEJ

Litowo-jonowe akumulatory OSE wymagają długiego ładowania. Ponieważ są to samochody osobowe, wielogodzinne ładowanie możliwe jest w zasadzie z instalacji domowej, jakkolwiek można sobie wyobrazić, że stacje nieco szybszego ładowania mogłyby się pojawić w miejscach publicznego parkowania lub w przedsiębiorstwach o dużym zatrudnieniu. W tej sytuacji wydłużanie dystansu jazdy z pojedynczego ładowania akumulatora jest priorytetem w pracach nad rozwojem OSE. Na przykład OSE Nissan Leaf ma przy prędkości 60 km/godz. zasięg 110 km, Tesla Roadstar ma zasięg 360 km, jakkolwiek uzyskany przy prędkości 40 km/godz. Są to już znaczące dystanse, jednak konieczność długiego ładowania i być może powrotu w tym celu do domu zmniejsza atrakcyjność OSE na rzecz samochodów z napędem elektryczno-spalinowym.

Dzienny dystans jazdy samochodem wynosi w USA średnio 33 mile (~50 km). Dlatego producenci OSES na rynek amerykański, np. OSES Chevrolet Volt, zapewniają w przybliżeniu taki właśnie dzienny dystans jazdy na napędzie elektrycznym. Po jego przejechaniu samochód jest właściwie samochodem z napędem spalinowym. Jednak jak długo nie przekroczy się tego dystansu, jedynym ?paliwem? samochodu jest energia elektryczna, dostarczana głównie z mieszkaniowej sieci dystrybucyjnej.

Aby ocenić OSE jako odbiornik energii elektrycznej, autorzy artykułu zarejestrowali proces częściowego ładowania akumulatora litowo-jonowego o pojemności 28 kWh samochodu Ford Transit Connect Electric z sieci 2 x 120V. Do rejestracji użyto rejestratora PMI a do obróbki pomiarów użyto programu ProVisionTM. Zarejestrowany przebieg ładowania pokazano na rysunku 3.


Rys. 3. Przebieg wartości skutecznej prądu ładowania akumulatora.

Przebieg napięcia i prądu ładowania akumulatora pokazany jest na rysunku 4. Jak widać, prąd jest niemal w fazie z napięciem i jest niemal sinusoidalny. Zmierzona wartość współczynnika mocy ? = 0,99, zaś współczynnik odkształcenia prądu ?i = 3,5%.


Rys. 4. Przebieg napięcia i prądu ładowania akumulatora.

Ładowarka akumulatora OSE czy OSES jest więc dla mieszkaniowej sieci rozdzielczej bardzo dogodnym odbiornikiem, o wysokim współczynniku mocy, niskim odkształceniu prądu, a przede wszystkim, mogącym pobierać z sieci energię w godzinach nocnych. Osobną kwestią jest pytanie, czy system energetyczny ma moc wystarczającą do zasilania takich samochodów.
Aby mieć pewien pogląd na moc potrzebną do ładowania OSE czy OSES, oszacujmy tę moc przyjmując, że wszystkie OSS w Stanach Zjednoczonych, w liczbie około 200 mln. zostały wymienione na OSE i OSES oraz że moc ładowania pojedynczego akumulatora w ciągu 8 godz. wynosi 3,5 kW. Jednoczesne ładowanie tych akumulatorów wymagałoby mocy

Jest to moc porównywalna z mocą zainstalowaną (~ 900 x 10 3 MW) wszystkich generatorów w USA. Bez olbrzymich inwestycji w energetykę trudno więc sobie wyobrazić masowe przejście od OSS do OSE.

4. OSE ORAZ OSES Z PUNKTU WIDZENIA WŁAŚCICIELA SAMOCHODU

Dystans jazdy OSE między kolejnymi ładowaniami jest ograniczony, co może stawiać użytkownika samochodu, przy wszystkich innych jego zaletach, w bardzo kłopotliwych sytuacjach. Aby ich unikać, potencjalny użytkownik, może decydować się na kupno OSES, raczej niż OSE. Jeśli akumulator się rozładuje, samochód dojedzie do celu na silniku benzynowym.
Koszt energii elektrycznej potrzebnej do użytkowania OSES jest znacznie niższy od kosztu benzyny. Średni dystans jazdy D w ciągu jednego roku w Stanach Zjednoczonych wynosi 15 000 mil/rok. Najbardziej zaawansowany na rynku amerykańskim OSES, Chavrolet Volt, ma akumulator o pojemności 16 kWh i umożliwia jazdę na dystansie 35 mil. Zatem dystans na 1 kWh dE = 35mil/16kWh = 2,2 mil/kWh. Ponieważ bieżąca cena 1 kWh energii elektrycznej CE w USA wynosi w przybliżeniu 0,11 USD, zatem roczny koszt energii elektrycznej potrzebnej dla samochodu Chavrolet Volt wynosi

Samochód Chevrolet Volt jest zbudowany na bazie OSS Chevrolet Cruze, do którego wstawiono napęd elektryczny i baterię akumulatorów litowo-jonowych. Mpg tego samochodu w jeździe miejskiej dB = 22 mil/galon. Przy obecnej cenie benzyny, CB = 3,5 $/galon, roczny koszt paliwa wynosi

Cena katalogowa Chevrolet Cruze na rok 2012 CC = 16 525 $, natomiast cena Chevrolet Volt na rok 2012 wynosi 39 145 $. Czas amortyzacji wyższej ceny samochodu Chevrolet Volt niższym kosztem ?paliwa?

Jest to czas przekraczający przeciętny okres używania samochodu. Bez znacznego zmniejszenia ceny OSES, nie można więc oczekiwać, aby nabywcy samochodów masowo decydowali się na ich kupno. OSES jest droższy, gdyż ma nie jeden, lecz dwa systemy napędowe oraz musi mieć baterię akumulatorów o dużej pojemności. Koszt jednej kWh pojemności akumulatorów litowo-jonowych wynosił w 2011 roku 1700 $ i ich koszt jest głównym składnikiem różnicy cen OSS i OSES. Jak długo ceny akumulatorów się nie zmniejszą i to kilkakrotnie, tak długo OSES nie będą w stanie konkurować z OSS. Niestety, chiński monopol na lit może być przeszkodą do obniżania ceny akumulatorów litowo-jonowych.

5. WNIOSKI

  • Zastąpienie osobowych samochodów z napędem spalinowym samochodami z napędem elektrycznym jest korzystne ze względu na redukcję krajowego zapotrzebowania na węglonośne kopaliny. Redukcja ta jest tym większa im większa ilość energii elektrycznej produkowana jest z innych źródeł niż te kopaliny. Korzyści z takiego zastąpienia są szczególnie wymierne, gdy znaczna ilość energii elektrycznej jest dostarczana z elektrowni jądrowych. Neutralność ekologiczna elektrowni jądrowych odpowiada neutralności ekologicznej samochodów elektrycznych. Neutralność ta, w połączeniu z niską ceną energii elektrycznej produkowanej przez elektrownie jądrowe, może być silną motywacją do zastępowania OSS samochodami z napędem elektrycznym lub elektryczno-spalinowym. Ekologicznie neutralne są też elektrownie wiatrowe czy słoneczne, lecz elektrownie takie, podwyższając koszt energii elektrycznej, zmniejszają atrakcyjność OSE i OSES.
  • Obecna penetracja OSE i OSES na rynku amerykańskim jest na poziomie 0,01%. Ze względu na cenę samochody z napędem elektrycznym nie są obecnie w stanie konkurować z OSS. Nie sposób obecnie przewidzieć w jakim czasie samochody te mogą być rzeczywiście zauważalne jako odbiorniki energii elektrycznej w mieszkaniowych sieciach rozdzielczych.
  • Masowe zwiększenie liczby OSE i OSES, jeśli nastąpi, będzie wymagało znaczącego zwiększenia mocy produkowanej w systemie energetycznym USA.

BIBLIOGRAFIA

[1] "Improving combustion engine efficiency" http://www.courses.washington.edu/me341/oct22v2.html.
[2] "Electric cars" http://en.goldenmap.com/Electric_car.
[3] W.H. Wiser, ?Energy Resources: Occurance, Production, Conservation?, Use, Springer-Verlag, ISBN 0-387-98744-4, SPIN 10708692.
[4] T. Gonen, ?Electric Power Distribution System Engineering?, McGraw-Hill Book Company.
[5] "Tesla polyphase induction motors?, http://www.allaboutcircuits.com/vol_2/chpt_13.
[6] ABB, ?Permanent magnet synchronous motors?, http://www.ABB/LV.motors/cat.BU/PermanentMagnetMotors
[7] A. Virtanen at al., ?Calorimetric efficiency measurement of supercapacitors and lithium-ion batteries? Publ. number IEEE: 978-1-4244-8085-211/$26.00 C2011 IEEE.
[8] ?Plug-in hybrids?, http://en.wikipedia.org/wiki/Plug-in_hybrid.



prof. dr hab. inż. Leszek S. CZARNECKI, Fellow IEEE, Alfredo M. Lopez Distinguished Professor, Louisiana State University, USA,
e-mail: lsczar@cox.net
Źródło: Automatyka Elektryka Zakłócenia
O nas  ::  Regulamin  ::  Polityka prywatności (Cookies)  ::  Reklama  ::  Mapa stron  ::  FAQ  ::  Kontakt
Ciekawe linki: www.klimatyzacja.pl  |  www.strony.energoelektronika.pl  |  promienniki podczerwieni
Copyright © Energoelektronika.pl