Co dzieje się z energią, zanim trafi do Twojego samochodu? Czyli podróż jednej kilowatogodziny…

Co dzieje się z energią, zanim trafi do Twojego samochodu? Czyli podróż jednej kilowatogodziny…

Podjeżdżasz samochodem elektrycznym pod ładowarkę. Parkujesz, wyciągasz przewód, wpinasz złącze do samochodu i po chwili na ekranie pojawia się informacja, której oczekiwałeś.

Ładowanie rozpoczęte…

Dla kierowcy to właściwie koniec historii. No dobrze, może jeszcze szybkie spojrzenie na moc ładowania, sprawdzenie aplikacji i można iść po kawę. (Zawsze patrzę na moc ładowania a Wy? Na bank to robicie:) Ale idźmy dalej.

Z punktu widzenia infrastruktury ładowania jest dokładnie odwrotnie.

Właśnie zaczęło się coś, czego na co dzień zupełnie nie widzimy.

Energia musi pokonać drogę od sieci elektroenergetycznej, przez przyłącze, urządzenia rozdzielcze i zabezpieczenia, aż do ładowarki. Ta z kolei musi „porozumieć się” z samochodem, ustalić warunki ładowania i dostarczyć energię w sposób bezpieczny zarówno dla pojazdu, jak i całej infrastruktury.

A wszystko dzieje się w czasie, w którym kierowca często zdąży zamówić cappuccino.

Postanowiłem więc przyjrzeć się bliżej jednej, pozornie zwyczajnej kilowatogodzinie. Nie tej na fakturze, nie tej widocznej na ekranie samochodu, ale tej, która musi pokonać całą drogę, zanim rzeczywiście stanie się częścią energii zgromadzonej w Waszym akumulatorze.

Zaczyna się znacznie wcześniej, niż myślisz

Kiedy mówimy o ładowarce samochodu elektrycznego, często wyobrażamy sobie urządzenie stojące przy parkingu. Słupek, ekran, przewód, może kilka lamp LED.

To jednak tylko najbardziej widoczny element całego układu.

Żeby uruchomić szybką stację ładowania, najpierw trzeba zapewnić jej odpowiednie zasilanie. I właśnie tutaj zaczyna się historia, której kierowca zazwyczaj nie ma okazji zobaczyć.

Im większa moc ładowania, tym większe znaczenie ma infrastruktura energetyczna znajdująca się „za” ładowarką.

Ładowarka DC o mocy kilkuset kilowatów nie może być traktowana jak większa wersja domowego wallboxa. Potrzebuje odpowiednio zaprojektowanego przyłącza, właściwych zabezpieczeń, rozdzielnicy, a w wielu przypadkach również transformatora oraz całego zaplecza energetycznego dostosowanego do przewidywanego obciążenia.

Dlatego kiedy patrzymy na nową stację ładowania i widzimy kilka potężnych urządzeń ustawionych obok siebie, warto pamiętać, że to, co znajduje się pod ziemią i w infrastrukturze technicznej, może być równie ważne jak to, co widzimy na parkingu.

Nasza kilowatogodzina musi najpierw dostać się do ładowarki

Prąd nie pojawia się w ładowarce dlatego, że ktoś postawił ją przy drodze.

Najpierw trzeba doprowadzić energię do konkretnej lokalizacji.

W zależności od parametrów stacji może to oznaczać odpowiednie przyłącze do sieci, infrastrukturę średniego napięcia, transformator, rozdzielnice oraz zabezpieczenia. Wszystko musi zostać zaprojektowane z uwzględnieniem nie tylko samej mocy urządzeń, ale także charakterystyki obciążenia i warunków panujących w danej lokalizacji.

I właśnie dlatego budowa infrastruktury ładowania jest w dużej mierze zadaniem energetycznym, a dopiero później „stawianiem ładowarek”.

To ważna różnica.

Bo można kupić bardzo dobrą ładowarkę. Można nawet postawić ją w świetnym miejscu. Jeśli jednak infrastruktura zasilająca nie będzie odpowiednio zaprojektowana, możliwości urządzenia pozostaną wyłącznie zapisane w jego specyfikacji. Czyli jak to się mówi – na papierze. A papier jak wiecie – przyjmie wszystko. Takie powiedzenie również funkcjonuje w naszej rzeczywistości:)

Transformator, czyli element, o którym kierowca nigdy nie myśli…

Jeżeli ktoś nie zajmuje się energetyką, transformator kojarzy mu się najczęściej z dużą skrzynką gdzieś przy drodze.

W przypadku infrastruktury ładowania, jego znaczenie jest jednak znacznie większe.

Transformator pozwala dostosować poziom napięcia energii elektrycznej do potrzeb instalacji. W przypadku dużych stacji szybkiego ładowania jest jednym z kluczowych elementów całego systemu zasilania.

I właśnie tutaj zaczyna być widać, dlaczego uruchomienie stacji o dużej mocy nie sprowadza się do zakupu urządzenia i podłączenia go do najbliższego kabla.

Trzeba sprawdzić możliwości sieci, uzyskać odpowiednie warunki przyłączenia, zaprojektować instalację i dobrać urządzenia, które będą w stanie bezpiecznie obsłużyć przewidywane obciążenie.

To trochę jak z autostradą.

Samochód może być zdolny do jazdy z bardzo dużą prędkością, ale niewiele z tego wynika, jeśli droga prowadzi przez wąską uliczkę. Jednak jazda autostradą zmienia sytuację całkowicie. Musimy więc mieć przygotowaną właśnie taką energetyczną autostradę, aby móc postawić stację naprawdę dużej mocy, mogącą w przyszłości obsługiwać coraz bardziej wymagające auta elektryczne.

Zanim energia popłynie do samochodu, musi wydarzyć się jeszcze kilka rzeczy

Kiedy energia dociera już do infrastruktury stacji, nadal nie oznacza to automatycznie, że możemy ją przesłać do samochodu.

W grę wchodzą rozdzielnice, aparatura zabezpieczająca, układy pomiarowe oraz sama elektronika ładowarki.

Nowoczesna ładowarka DC jest skomplikowanym urządzeniem energoelektronicznym. Jej zadaniem nie jest po prostu „przepuszczenie prądu” z sieci do samochodu.

Musi odpowiednio przetworzyć energię elektryczną, kontrolować parametry procesu i reagować na informacje otrzymywane z pojazdu.

A samochód nie jest tutaj biernym odbiornikiem.

Wręcz przeciwnie.

To właśnie samochód mówi ładowarce, czego w danym momencie potrzebuje.

Samochód nie bierze tyle, ile mu zaoferujemy

Z tego faktu niewielu kierowców EV zdaje sobie sprawę.

To jeden z największych mitów związanych z szybkim ładowaniem.

Na ładowarce może być napisane 400 kW. Samochód może jednak w danej chwili pobierać 150, 180 czy 220 kW.

I nie musi to oznaczać problemu.

Moc ładowania zależy między innymi od możliwości samochodu, stanu naładowania baterii, jej temperatury oraz aktualnych warunków pracy.

Akumulator nie jest zbiornikiem, który możemy napełniać z dowolną szybkością aż do samego końca.

Dlatego samochód może rozpocząć ładowanie z bardzo wysoką mocą, a następnie stopniowo ją ograniczać wraz ze wzrostem poziomu naładowania.

To właśnie dlatego dwie osoby mogą podłączyć dwa różne samochody do tej samej ładowarki i zobaczyć zupełnie inne wartości mocy ładowania.

Ładowarka jest ta sama.

Energia pochodzi z tego samego miejsca.

A jednak rezultat może być zupełnie różny.

I tutaj pojawia się kabel, bo to jeszcze nie jest koniec:)

Jest jeszcze jeden element całej układanki, który znamy doskonale, bo dosłownie trzymamy go w ręku.

Przewód ładowania.

W przypadku szybkiego ładowania DC musi on przenieść bardzo duże wartości prądu. To oznacza odpowiednią konstrukcję przewodu, złącza oraz – w przypadku najwyższych mocy – rozwiązania związane z chłodzeniem przewodu.

Im większy prąd, tym większe znaczenie mają straty i wydzielanie ciepła.

Dlatego kabel stosowany przy szybkiej ładowarce nie jest po prostu grubszą wersją przewodu, którym podłączamy urządzenie elektryczne w domu.

To element całego systemu, który musi sprostać konkretnym wymaganiom elektrycznym, mechanicznym i termicznym.

I znowu – kierowca widzi przede wszystkim przewód.

Inżynier widzi kolejny fragment układu, który musi działać bezpiecznie przez tysiące sesji ładowania. Takie przewody (dużej mocy) są dziś układami chłodzonymi cieczą. W innym przypadku, grzałyby się jak przysłowiowy tost w tosterze podczas przygotowywania śniadania. A tego nie chcemy, bo wysoka temperatura to wróg szybkiego ładowania. Producenci aby zmniejszyć ilość powstającego ciepła używają dziś systemów chłodzenia cieczą. Robionych trochę na wzór tych z chłodzenia baterii. Choć oczywiście nieco mniej skomplikowanych.

Wszystko to musi ze sobą rozmawiać – bezapelacyjnie

Współczesna stacja ładowania to nie tylko urządzenie energetyczne.

To również urządzenie komunikacyjne.

Samochód i ładowarka wymieniają między sobą informacje potrzebne do przeprowadzenia procesu ładowania. Stacja może jednocześnie komunikować się z systemem operatora, przekazując informacje o stanie urządzenia, sesji ładowania czy występujących błędach.

Dzięki temu operator może monitorować pracę infrastruktury, zarządzać dostępem użytkowników, obsługiwać płatności czy reagować na problemy.

I właśnie dlatego awaria ładowarki nie zawsze oznacza awarię jej części energetycznej.

Czasami problem może dotyczyć komunikacji.

Może to być problem systemu zarządzającego.

Czasami autoryzacji a często również samego samochodu.

Z perspektywy kierowcy wszystkie te sytuacje mogą wyglądać podobnie.

Podłączasz samochód.

I nic się nie dzieje.

Tymczasem po drugiej stronie może toczyć się całkiem intensywna rozmowa pomiędzy kilkoma systemami.

Ile z tej naszej kilowatogodziny trafia do baterii?

Energia pobrana z sieci nie jest w stu procentach zamieniana na energię zgromadzoną w baterii. Po drodze występują straty związane między innymi z pracą elektroniki mocy, przewodów, układów chłodzenia oraz systemów samochodu.

Dlatego warto rozróżniać energię pobraną z sieci od energii, która ostatecznie zostaje zmagazynowana w akumulatorze.

To również pokazuje, dlaczego samo porównywanie cen energii i deklarowanego zużycia samochodu nie zawsze daje pełny obraz kosztów ładowania.

Infrastruktura ma swoją sprawność.

Samochód również.

A fizyka, jak zwykle, wystawia za to rachunek.

Najciekawsze jest jednak to, czego nie widać

Cała ta historia trwa bardzo krótko.

Kierowca przyjeżdża.

Podłącza samochód.

Kilka, kilkanaście czy kilkadziesiąt minut później odłącza przewód i rusza dalej.

Nie zastanawia się nad transformatorem, ani nie myśli o rozdzielnicy.

Nie interesuje go komunikacja pomiędzy samochodem a stacją.

I bardzo dobrze.

Dobra infrastruktura powinna działać właśnie w ten sposób – technologia ma być skomplikowana po to, żeby korzystanie z niej było proste. Ale czasami warto zatrzymać się na chwilę i spojrzeć na ładowarkę inaczej.

Nie jak na słupek z kablem.

Tylko jak na końcówkę całego systemu energetycznego, który zaczyna się znacznie wcześniej niż na parkingu.

Bo zanim jedna kilowatogodzina trafi do Twojego samochodu, musi pokonać całkiem długą drogę.

I choć kierowca widzi na końcu tylko kilka cyfr na ekranie, za tymi cyframi stoi energetyka, elektronika, automatyka, komunikacja, zabezpieczenia i cała infrastruktura, której istnienia często nawet nie zauważamy.

Może właśnie dlatego dobra stacja ładowania powinna być trochę jak dobry samochód.

Najlepiej działa wtedy, kiedy nie musisz się zastanawiać, jak bardzo jest skomplikowana.

Po prostu podłączasz.

Ładujesz.

I jedziesz dalej.