Η πρόταση ισραηλινής εταιρείας για υποστήριξη της ταχείας φόρτισης σε ασθενή δίκτυα διανομής

Του Διονυσίου Νέγκα, επίτιμου προέδρου ΕΛ.ΙΝ.Η.Ο

Το 2009 οι κανονισμοί της Formula 1 επέτρεψαν στις αγωνιστικές ομάδες τη χρήση συστημάτων ανάκτησης της απορριπτόμενης, κατά τις επιβραδύνσεις, κινητικής ενέργειας και την εναποθήκευσή της, προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την ενίσχυση της ροπής στις φάσεις επιτάχυνσης (συστήματα KERS – Kinetic Energy Recovering Systems).

Ουσιαστικά, η εφαρμογή αυτή αποτελούσε την πρώτη απόπειρα υβριδοποίησης των αγωνιστικών μονοθέσιων.

Χρησιμοποιήθηκαν, τότε, δύο διαφορετικές τεχνολογίες. H «ηλεκτρική», η οποία βασιζόταν στην εναποθήκευση της ενέργειας σε συσσωρευτές ή σε υπερπυκνωτές και η «μηχανική», η οποία βασιζόταν σε μονάδες αδρανειακού σφονδύλου.

Ο αδρανειακός σφόνδυλος είναι μια περιστρεφόμενη μάζα, η οποία αυξάνει συνεχώς την ταχύτητα με την οποία περιστρέφεται, όσο ανακτά και εναποθηκεύει ενέργεια, και στη συνέχεια μειώνει αυτήν την ταχύτητα, όταν την αποδίδει πίσω.

Η ισραηλινή… παραλλαγή

Παρά το ότι τα μηχανικά συστήματα ανάκτησης και εναποθήκευσης ενέργειας (KERS), τα οποία στηρίχθηκαν στους αδρανειακούς σφονδύλους, δεν επικράτησαν στο χώρο της Formula 1, αλλά ούτε και στις εμπορικές εκδόσεις των υβριδικών αυτοκινήτων, πρόσφατα μια εταιρεία στο Ισραήλ αποφάσισε να τα χρησιμοποιήσει σε μια εντελώς διαφορετική εφαρμογή, όπως είναι η εναποθήκευση ηλεκτρικής ενέργειας για την υποστήριξη της ταχείας φόρτισης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων, όταν τα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας αδυνατούν να παράσχουν την απαιτούμενη ισχύ.

Το πρόβλημα ανέκυψε από τότε που η τεχνολογική εξέλιξη των συσσωρευτών των ηλεκτρικών αυτοκινήτων επέτρεψε τη φόρτισή τους με μεγάλες εντάσεις ηλεκτρικού ρεύματος, δηλαδή με πολύ υψηλή ισχύ, προκειμένου να μειωθούν δραστικά οι χρόνοι διάρκειας του ανεφοδιασμού.

Οι δύο τρόποι φόρτισης ηλεκτρικών οχημάτων

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ως γνωστόν, φορτίζουν τους συσσωρευτές τους με δύο τρόπους.

Ο πρώτος είναι η απευθείας σύνδεσή τους, μέσω ειδικού ακροδέκτη φόρτισης, με το εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας. Το εναλλασσόμενο ρεύμα του δικτύου μετατρέπεται σε συνεχές, κατάλληλο για τη φόρτιση των συσσωρευτών, μέσω μιας συσκευής φόρτισης η οποία ευρίσκεται «επί του οχήματος» (on board charger) ενσωματωμένη στα συστήματα του ίδιου του αυτοκινήτου.

Στην περίπτωση αυτή, η ισχύς φόρτισης κυμαίνεται από 2,7 kW μέχρι και 22 kW, ανάλογα με το μοντέλο του ηλεκτρικού αυτοκινήτου και τις προδιαγραφές του «επί του οχήματος» φορτιστή όπως και ανάλογα με τον τρόπο σύνδεσης με το δίκτυο διανομής και τον αριθμό των φάσεων που αξιοποιούνται για τη φόρτιση (μονοφασική ή τριφασική σύνδεση).

Με αυτόν τον τρόπο, οι απαιτούμενοι χρόνοι φόρτισης των συσσωρευτών είναι σχετικά μεγάλοι και δεν ικανοποιούν τις ανάγκες ενός ανεφοδιασμού, κατά τη διάρκεια του ταξιδιού, ο οποίος, για πρακτικούς λόγους, δεν θα πρέπει να διαρκεί περισσότερο από 30 έως 45 λεπτά της ώρας, όσο δηλαδή απαιτείται για να πάρει κανείς ένα καφέ ή ένα σνακ.

Τα τελευταία μοντέλα ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι σε θέση να επαναφορτίσουν τους συσσωρευτές τους από το 10% μέχρι το 80% της χωρητικότητάς τους σε 18 λεπτά.

Για την επίτευξη της ταχείας φόρτισης τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα εξοπλίστηκαν με έναν επιπρόσθετο ακροδέκτη, κατάλληλο για τη διαχείριση μεγάλων εντάσεων ηλεκτρικού ρεύματος.

Σε αυτόν τον ακροδέκτη συνδέονται εξωτερικές συσκευές φορτιστών μεγάλης ισχύος (ταχυφορτιστές,) οι οποίες τροφοδοτούν με συνεχές ρεύμα και μεγάλες εντάσεις απευθείας τους συσσωρευτές του αυτοκινήτου. Ο «επί του οχήματος» φορτιστής παρακάμπτεται και δεν συμμετέχει στη λειτουργία της ταχείας φόρτισης.

EV-charging

Η λειτουργία αυτή, κατά τα τελευταία χρόνια, διενεργείται με ολοένα και μεγαλύτερες εντάσεις ηλεκτρικού ρεύματος. Έτσι, άρχισαν προοδευτικά να εγκαθίστανται στους παρόδιους σταθμούς εξυπηρέτησης των αυτοκινήτων ταχυφορτιστές συνεχούς ρεύματος με ισχύ 50 kW αρχικά, 100 kW αργότερα και στη συνέχεια 150 kW, 200 kW και τώρα τελευταία 250 – 350 kW.

Παράλληλα, βέβαια, με τις εξελίξεις αυτές, η αυτοκινητοβιομηχανία παρουσίαζε στην αγορά νέα μοντέλα ηλεκτρικών αυτοκινήτων με συσσωρευτές μεγάλης χωρητικότητας, οι οποίοι μπορούσαν να φορτίζονται με ολοένα και μεγαλύτερη ισχύ.

Τα τελευταία από αυτά διαθέτουν ηλεκτρικά συστήματα που λειτουργούν σε υψηλές τάσεις συνεχούς ρεύματος, οι οποίες φτάνουν μέχρι και τα 800 V και είναι σχεδιασμένα έτσι ώστε να φορτίζονται με εντάσεις της τάξεως των 300 – 440 Α, δηλαδή με ισχύ από 240 kW μέχρι και 350 kW.

Αυτή η τεχνολογική εξέλιξη της ηλεκτροκίνησης εξασφαλίζει μεν γρήγορους πλήρεις ανεφοδιασμούς, της τάξεως των 30 έως 45 λεπτών, απαιτεί όμως μεγάλες εγκαταστάσεις παρόδιων ταχυφορτιστών, οι οποίοι πρέπει να συνδέονται με, αντιστοίχως, ισχυρά τοπικά δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ικανά να παράσχουν την απαιτούμενη ισχύ κατά τη διάρκεια της φόρτισης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Στις εγκαταστάσεις ταχυφορτιστών, κατά μήκος των κύριων οδικών αρτηριών, η συνθήκη αυτή μπορεί να ικανοποιηθεί σχετικά εύκολα, επειδή τα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, σε αυτά τα σημεία, είναι συνήθως ισχυρά και επιδέχονται τοπικές αναβαθμίσεις της μορφής πρόσθετων υποσταθμών κ.λπ.

Στο εγγύς μέλλον όμως, όταν τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα θα αρχίσουν να κινούνται σε ολόκληρη τη χώρα, θα χρειαστεί να εγκατασταθούν ταχυφορτιστές 50 kW ή 100 kW ή και ισχυρότεροι ακόμα στο δευτερεύον οδικό δίκτυο και σε σημεία στα οποία τα δίκτυα διανομής, πιθανότατα, να αδυνατούν να υποστηρίξουν με την ανάλογη ισχύ την ταχεία φόρτιση των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Το ζήτημα του… ανεπαρκούς δικτύου διανομής

Στις περιπτώσεις αυτές, η τεχνική αντιμετώπιση του προβλήματος ακολουθεί ανάστροφη μεθόδευση.

Ενώ για να μειωθούν οι χρόνοι φόρτισης των ηλεκτρικών αυτοκινήτων αυξήθηκε η ισχύς, για τη σύνδεση του ταχυφορτιστή σε ένα ανεπαρκές δίκτυο διανομής πρέπει να μειωθεί η ισχύς και ανάλογα να αυξηθεί ο χρόνος παροχής της ηλεκτρικής ενέργειας.

Αυτό επιτυγχάνεται με την παρεμβολή μιας μονάδας εναποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας, η οποία τροφοδοτείται από το χαμηλής ισχύος δίκτυο για όσο χρονικό διάστημα απαιτείται, ώστε να εναποθηκευθεί όλη η αναγκαία για τη φόρτιση ηλεκτρική ενέργεια και στη συνέχεια να αποδοθεί με υψηλή ισχύ και σε πολύ μικρότερο χρονικό διάστημα στον ταχυφορτιστή και, μέσω αυτού, στο ανεφοδιαζόμενο ηλεκτρικό αυτοκίνητο

Η μέχρι τώρα ακολουθούμενη κλασσική λύση είναι η παρεμβολή μεταξύ ταχυφορτιστή και δικτύου μιας συστοιχίας συσσωρευτών, οι οποίοι φορτίζονται με αργό ρυθμό από το δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας και εκφορτίζονται με γρήγορο ρυθμό (υψηλή ισχύς) προς τον ταχυφορτιστή.

Η συστοιχία αυτή υποστηρίζεται και από τον απαραίτητο εξοπλισμό ηλεκτρονικών ισχύος για τις μετατροπές των τάσεων και τον αυτοματισμό του παραλληλισμού του δικτύου.

Η προτεινόμενη λύση από το Ισραήλ με τους αδρανειακούς σφονδύλους

Η ισραηλινή εταιρεία «Chakratec» έρχεται τώρα να προτείνει για τον σκοπό αυτό, αντί των συσσωρευτών, αδρανειακούς σφονδύλους.

Οι μάζες των αδρανειακών σφονδύλων που προτείνει, είναι βάρους 150 χιλιόγραμμων η κάθε μια και εμπεριέχονται σε ερμητικά κλεισμένα κυκλικά δοχεία αναρτημένες σε κενό αέρος.

Η μάζα κάθε τέτοιας μονάδας, σύμφωνα με την εταιρεία, επαρκεί για την ταυτόχρονη ταχυφόρτιση δύο ηλεκτρικών αυτοκινήτων μικρής αυτονομίας μέχρι και του 80% της πλήρους φόρτισής τους.

Κατά τη διάρκεια αυτής της λειτουργίας, ο περιστρεφόμενος σφόνδυλος μειώνει συνεχώς την ταχύτητα περιστροφής του μέχρι και του χαμηλότερου ορίου από το οποίο και μετά χρειάζεται περίπου 45 λεπτά της ώρας για να αποκτήσει εκ νέου τον ιδανικό μέγιστο αριθμό στροφών ανά λεπτό.

Αυτή η επιτάχυνση γίνεται μέσω ενός ηλεκτροκινητήρα, ο οποίος κατά την αντίθετη φορά λειτουργίας μετατρέπεται σε γεννήτρια.

Με το σύστημα των αδρανειακών σφονδύλων, τους οποίους η εταιρεία αποκαλεί «κινητικούς συσσωρευτές», είναι δυνατή η εγκατάσταση ταχυφορτιστών για ηλεκτρικά αυτοκίνητα οπουδήποτε και σε οποιοδήποτε δίκτυο διανομής, χωρίς να απαιτείται πλέον η παρεμβολή συστοιχίας συσσωρευτών, αφού η εναποθήκευση της απαιτούμενης, για τη φόρτιση, ενέργειας γίνεται με μηχανικό τρόπο μέσα στους αδρανειακούς σφονδύλους.

Η εταιρεία υποστηρίζει ότι η πρόταση αυτή είναι άριστη και από περιβαλλοντικής πλευράς.

Η διάρκεια ζωής της μονάδας φτάνει τα 20 χρόνια και παρέχει τη δυνατότητα πραγματοποίησης 200.000 κύκλων φόρτισης – εκφόρτισης.

Οι προδιαγραφές αυτές είναι ασύγκριτα υπέρτερες από τις αντίστοιχες των συστημάτων με συσσωρευτές, τα οποία συνήθως υλοποιούνται με συσσωρευτές δεύτερου κύκλου ζωής με διάρκεια μόλις 2 ή 3 ετών.

Επιπρόσθετα, οι μονάδες αδρανειακών σφονδύλων μπορούν να τοποθετηθούν σε χώρους ακατάλληλους για την τοποθέτηση συσσωρευτών, όπως είναι οι κλειστοί εσωτερικοί χώροι ή τα υπόγεια.

Η «Chakratec» δηλώνει ότι στους πελάτες της συγκαταλέγονται η Škoda, η Blink, και η Enel X και ότι μονάδες της ευρίσκονται ήδη εν χρήσει στη Γερμανία και την Τσεχία.

Τελευταία, μάλιστα, ανακοίνωσε μια ακόμα συμφωνία για την εγκατάσταση τέτοιων μονάδων σε αλυσίδα γερμανικών ξενοδοχείων.

Αξίζει, ίσως, να αναφερθεί ότι τόσο η Jaguar, όσο και η Volvo συγκαταλέγονται στους κατασκευαστές αυτοκινήτων, οι οποίοι δοκίμασαν συστήματα αδρανειακών σφονδύλων πριν ακόμα την εμπλοκή τους στην ηλεκτροκίνηση.

Το 2010, η Porsche επέδειξε ένα πρωτότυπο υβριδικό 911, το οποίο εναποθήκευε ενέργεια σε σύστημα αδρανειακού σφονδύλου και το οποίο δεν ήταν τίποτα διαφορετικότερο από μια προσαρμοσμένη έκδοση του συστήματος KERS της F1.

Γιατί τα συστήματα αδρανειακών σφονδύλων δεν επικράτησαν στα αυτοκίνητα;

Οι λόγοι για τους οποίους τα συστήματα αδρανειακών σφονδύλων δεν επικράτησαν στα αυτοκίνητα ήταν, κυρίως, γιατί οι μονάδες τους, μεγέθους κατάλληλου για τοποθέτηση επί ενός αυτοκινήτου, δεν προσέφεραν ικανοποιητική χωρητικότητα αποθήκευσης ηλεκτρικής  ενέργειας και, δευτερευόντως, διότι σε ορισμένες ζώνες της συνεχώς μεταβαλλόμενης ταχύτητας περιστροφής τους, δημιουργούσαν δυσμενείς επιδράσεις στη δυναμική ισορροπία του κινούμενου αυτοκινήτου.

Και τα δύο αυτά αίτια δεν υφίστανται στις προτεινόμενες από την εταιρεία μεγαλύτερες μονάδες αδρανειακών σφονδύλων, οι οποίες είναι εγκατεστημένες μόνιμα σε σταθερές βάσεις.

Η τεχνολογία αυτή, εκ πρώτης όψεως, φαίνεται να προσφέρεται για την προτεινόμενη χρήση.

Εάν θα επιτύχει όμως ή όχι την επιδιωκόμενη διείσδυση στην αγορά θα εξαρτηθεί, πρωτίστως, από τα οικονομοτεχνικά στοιχεία των προτάσεων που θα διαμορφώνει για κάθε εξειδικευμένη ζήτηση.

Πηγή: