Elektřina uložená v setrvačníku

I když přibývají, dostatečně výkonných nabíjecích stanic pro elektromobily pořád není dost. Velký vliv na to má i rozvodná síť. Představte si, že by šlo nabít auto za pár minut i na odlehlých místech se slabou infrastrukturou. ŠKODA AUTO DigiLab nabízí řešení, jak na to.

9. 4. 2020 Škoda svět Inovace & technologie

Rostoucímu počtu elektromobilů musí co nejzdatněji sekundovat i dobíjecí infrastruktura. Kdybychom například chtěli během deseti minut nabít najednou deset vozů, potřebovali bychom vybavení schopné dodávat elektřinu do mrakodrapu. Rozšířit a posílit stávající infrastrukturu je náročné, zdlouhavé a nákladné.

Proto vznikají lokální energetická úložiště, která si kladou za cíl tyto překážky aspoň do určité míry překonávat. Lze k tomu využít chemické akumulátory podobné těm z bateriových elektrických aut – jejich nevýhodou je ale zkracování životnosti při častém vybíjení a nabíjení. Je proto nutné je tu a tam měnit. Výměna typicky nastává po třech až čtyřech tisících cyklech, což může být i několik let. Nakonec pak jejich majitel stojí před otázkou, jak je ekologicky zrecyklovat či zlikvidovat, což je nesnadný a energeticky náročný proces. Sice se stále vyvíjejí nové generace Li-Ion baterií, vždy s ještě lepší „výdrží“ než ty předchozí, existují už i úložiště s mnohonásobně delší výdrží s nutnou výměnou až po desetiletích – je to ale jediná cesta?

ŠKODA CITIGOᵉ iV u rychlonabíjecí stanice na výstavišti PVA EXPO v Letňanech

První v Česku, třetí na světě

Izraelský startup Chakratec – s nímž ŠKODA díky ŠKODA AUTO DigiLab Israel Ltd. loni uzavřela strategické partnerství – na to jde trochu jinak. A velice zajímavě. Energetické úložiště nazvané Kinetic Power Booster využívá princip setrvačníku a obejde se bez chemických bateriových článků. Tato technologie umožňuje dobíjet elektromobily až dvojnásobným výkonem ve srovnání s dostupnou kapacitou sítě a navíc ji lze využít i na místech, kde k rychlému dobíjení výkon sítě zdaleka nedostačuje. Případně může naráz nabíjet dva elektromobily „plnou“ rychlostí, kterou by si za jiných okolností musely rozdělit.

ŠKODA AUTO DigiLab ve spolupráci s Pražskou energetikou (PRE) loni na podzim v Praze spustil pilotní provoz inovativního kinetického úložiště na bázi setrvačníku, na které je připojena rychlonabíjecí stanice. Najdete ho na výstavišti PVA EXPO v Letňanech a je prvním zařízením svého druhu v Česku a třetím na celém světě.

Jak rychle se nabije ŠKODA CITIGOᵉ iV v různých typech nabíječek?

Kinetické úložiště umožňuje rychlé nabíjení elektromobilů i tam, kde by místní rozvodná síť nebyla dostatečně výkonná. Úložiště pojme výkonové rezervy v síti, roztočí s jejich pomocí setrvačníky do vysokých otáček a uloží tak elektřinu ve formě kinetické energie. Jakmile se k nabíječce napojené na úložiště připojí elektromobil, začne Kinetic Power Booster setrvačníky opětovně zpomalovat a elektřinu znovu vydávat.

Dokáže tak zvýšit dobíjecí výkon na určitou dobu až na dvojnásobek toho, co poskytuje samotná elektrická síť. Je to řešení jako ušité na míru třeba autosalonům nebo nákupním centrům, kde by navýšení příkonu pro instalaci rychlonabíjecí stanice znamenalo až příliš velkou investici.

Mechanika bez chemie

Nevýhodou dřívějších rychlonabíjecích stanic využívajících chemické akumulátory je kolísající kapacita. Systém společnosti Chakratec tohle však odbourává – kapacita zůstává neustále stejná. Jde totiž o čistě mechanickou technologii bez chemických článků. Navíc s pořádnou výdrží: Umožňuje zhruba dvě stě tisíc nabíjecích a vybíjecích cyklů. Výrobce udává životnost asi dvacet let.

Bernhard Maier, předseda představenstva ŠKODA AUTO, a Nir Zohar, spoluzakladatel společnosti Chakratec

Současná verze izraelského energetického úložiště sestává z deseti setrvačníků, každý o hmotnosti 150 kilogramů. Ty jsou uložené v kontejneru ve zvláštních ocelových pláštích, kde rotují ve vakuu. Když do nich přichází proud ze sítě, jejich otáčky postupně narůstají – během nabíjení vozu naopak elektrickou energii generují a přitom jejich otáčky pochopitelně postupně zase klesají.

Pro představu: Díky takto uložené energii při vhodně zvolené nabíjecí stanici by se daly současně dobít akumulátory dvou vozů ŠKODA CITIGOᵉ iV až na úroveň 80 % – dvojnásobným výkonem oproti tomu, kdyby se nabíjely pouze ze sítě. Po vybití potřebují setrvačníky určitý čas na to, aby se zase dostaly na požadované otáčky – v případě padesátikilowattového síťového napojení energetického úložiště v areálu PVA EXPO v Praze to trvá zhruba 45 minut.

Jak fungují setrvačníky?

Aby se setrvačníky co nejméně brzdily třením vzduchu, jsou v kontejnerech uloženy ve speciálních ocelových pláštích, ve kterých rotují ve vakuu. Izraelským inženýrům se podařilo dosáhnout velice dobrého utěsnění, které ale samozřejmě není dokonalé. O udržování vakua se starají vakuové pumpy, které se kvůli úspoře energie zapínají jen v případě, že úroveň vakua poklesne pod určitou mez. Tu systém trvale udržuje na hodnotě 10 militorrů, tedy 1,33 pascalu.

Při „plném nabití“ energetického úložiště Kinetic Power Booster se setrvačníky točí rychlostí 18 000 otáček za minutu. Během nabíjení automobilu postupně klesají až na hodnotu 7 000 otáček za minutu – tehdy se nabíjení přerušuje, protože úložiště je zcela vybité. Čas potřebný k jejich opětovnému nabití – tedy roztočení na maximální rychlost setrvačníků – závisí na výkonu rozvodné sítě, k němuž je úložiště připojeno. V případě 50 kW to trvá zhruba 45 minut.

Kdybychom setrvačníky roztočili na maximální otáčky a pak vypnuli přívod elektrické energie, do úplného zastavení by se točily další čtyři dny. Mohly by ale i po odpojení nabíjet elektromobil? Samozřejmě by to uměly, v praxi se to ovšem nepoužívá.

Spotřeba samotného energetického úložiště včetně připojené nabíjecí stanice je zhruba 3 kWh. Znamená to, že veškerá ostatní energie, která do systému „přitéká“ ze sítě, je využita k nabíjení článků elektromobilů. Zbytek padne na provoz a roztáčení setrvačníků, provoz vakuové pumpy, klimatizační jednotku, provoz samotné nabíjecí stanice a podobně.