Elektromobilita sa v poslednom desaťročí posunula od základných otázok uskutočniteľnosti a dojazdu k oveľa komplexnejšej téme, ktorou je časová efektivita a energetická priepustnosť.
Kým prvá generácia infraštruktúry sa sústredila na samotné zabezpečenie dostupnosti nabíjania, súčasná éra stojí pred novou výzvou.
Ako dodať až extrémne množstvo energie v čase, ktorý je priamo porovnateľný s tankovaním fosílnych palív? Riešením je tzv. megawattové nabíjanie. Nabíjací výkon na úrovni 1 MW (1 000 kW) a viac predstavuje totiž zlom, ktorý je pre ťažkú nákladnú dopravu existenčnou podmienkou a pre osobnú dopravu cieľovým stavom používateľského komfortu.
Kým bežný osobný elektromobil disponuje batériou s kapacitou 60 až 100 kWh a spotrebou okolo 20 kWh na 100 kilometrov, ťahač s plným zaťažením 40 ton predstavuje celkom odlišnú kategóriu. Jeho spotreba je približne 5-7x vyššia ako u osobného auta. Aby takýto kamión zvládol reálne trasy v rôznych poveternostných podmienkach a profiloch terénu, musí byť vybavený batériovým úložiskom s kapacitou v rozmedzí 600 až 1 000 kWh.
Ak by sme sa pokúšali nabiť takúto obrovskú batériu na súčasných nabíjačkách s výkonom nech aj 350 kW, proces nabíjania z 10 % na 80 % kapacity by trval 1,5-2 hodiny. Takýto prestoj je v komerčnej logistike, kde sa počíta každá minúta prevádzky vozidla, ekonomicky neakceptovateľný. Takáto časová strata by robila elektrifikáciu v tomto sektore nekonkurencieschopnou voči naftovým pohonom a vyžadovala by si nasadenie väčšieho počtu vozidiel na prepravu rovnakého objemu tovaru.
Synchronizácia s legislatívou
Argumentom pre zavedenie štandardu MCS (Megawatt Charging System) je nutnosť synchronizácie nabíjacieho času s povinnými bezpečnostnými prestávkami vodičov. V Európskej únii platia regulácie, ktoré prikazujú vodičovi kamiónu urobiť po 4,5 hodinách jazdy povinnú prestávku v trvaní 45 minút. Práve toto časové okno definuje potrebný nabíjací výkon.
Aby bola elektrická nákladná doprava plynulá, vozidlo musí byť schopné počas týchto 45 minút doplniť dostatok energie na ďalších 4,5 hodiny jazdy. Ak teda uvažujeme, že kamión za tento čas prejde približne 350 až 400 kilometrov a spotrebuje pri tom 400 až 500 kWh energie, matematika jasne ukazuje požiadavky na výkon.
Priemerný nabíjací výkon musí presahovať hranicu 600 až 700 kW, no pre zabezpečenie rezervy a nabíjanie v optimálnom pásme nabíjacej krivky je nevyhnutný špičkový výkon blízky 1 MW. Bez tejto technológie by vodič musel čakať dlhšie, než trvá jeho povinná pauza, čo by narušilo logistické reťazce.
Prechod na výkony presahujúce 1 000 kW si ale vyžaduje kompletnú zmenu architektúry. Výkon je totiž súčinom napätia (A) a prúdu (V). Obyčajné zvyšovanie prúdu je však problematické, keďže tepelné straty rastú s druhou mocninou prúdu podľa Joulovho zákona.
Ak by sme teda chceli dosiahnuť 1 MW pri bežnom napätí 400 V, museli by sme prenášať prúd 2 500 ampérov, čo by si vyžadovalo extrémne hrubé a ťažké káble, s ktorými by človek nedokázal prakticky ani pohnúť manipulovať. Ani pri súčasnej špičke, 800 V, by to ale nebolo nič príjemné čo sa hrúbky káblov týka.
Riešením, ktoré prináša štandard MCS, je zvýšenie napätia až na hranicu 1 250 V, čo umožňuje dosiahnuť vysoký výkon pri zvládnuteľných prúdoch, hoci tie stále môžu dosahovať hodnoty až 3000 A. Ani to nie je málo a mohlo by to v praxi spôsobovať problémy.
Pri nabíjaní takýmto výkonom sa enormné množstvo tepla generuje nielen v batérii, ale aj v samotnom bode kontaktu medzi nabíjačkou a vozidlom. Kvapalinové chladenie tak musí byť integrované priamo do vodičov kábla a do kolíkov konektora, aby sa udržala bezpečná prevádzková teplota. Bez tejto technológie by došlo k roztaveniu komponentov v priebehu niekoľkých sekúnd.
Konektor MCS má preto špecifický trojuholníkový tvar a robustnú konštrukciu, pričom sa zámerne eliminovala spätná kompatibilita s CCS konektormi pre osobné autá. Aby niekomu nenapadlo nabíjať nech aj výkonné (ktoré zvláda pokojne aj 400 kW DC nabíjanie) osobné auto megawattovým výkonom.
Čo potom osobné autá?
Kým pri kamiónoch je 1+ MW nabíjanie technickou nutnosťou pre prevádzku, v osobnej doprave predstavuje cestu k úplnému zmazaniu rozdielu medzi nabíjaním a tankovaním. Cieľom takto výkonného nabíjania je skrátenie zastávky na úroveň troch až piatich minút.
Pre ilustráciu, bavme sa o elektromobile s 100 kWh batériou, ktorý potrebuje pri nabíjaní doplniť energiu z 10 na 80 %, čo predstavuje 70 kWh. Pri použití dnes už bežnej 150 kW nabíjačky trvá tento proces teoreticky 28 minút, reálne však často až 40 minút. Pri 400 kW staniciach, ktoré sú dnešným vrcholom, sa čas skracuje k 18 minútam. Ak, samozrejme, takýto výkon elektromobil podporuje.
Ak by zvládal 1000 kW (1 MW) nabíjanie, výsledný čas by sa radikálne zmenil. Oných 70 kWh energie by mohlo byť v batérii za čosi vyše 4 minút! So započítaním inicializácie a bezpečnostných protokolov by celková zastávka na nabíjanie nemusela presiahnuť 5 minút. Toto je hodnota, ktorá je priamo porovnateľná s časom potrebným na vystúpenie z auta, otvorenie nádrže, natankovanie paliva a zaplatenie.
Dlho sa predpokladalo, že takýto výkon bude pre osobné autá nedosiahnuteľný bez revolučných solid-state batérií, pretože nabíjanie 100 kWh batérie výkonom 1 MW predstavuje záťaž 10C (desaťnásobok kapacity). Pri takejto záťaži by vnútorný odpor bežných článkov generoval neuveriteľné množstvo tepla, ktoré by viedlo k okamžitému zničeniu batérie.
Mercedes-Benz ale ukázal, že fyzikálne limity je možné posunúť aj so súčasnou chémiou, ak sa radikálne zmení prístup k chladeniu. Nemecká automobilka koncom minelého roka ukázala prototyp Mercedes-Benz CONCEPT AMG GT XX, ktorý dosiahol nabíjací výkon až 1 041 kW. Čo je ešte dôležitejšie, tento výkon nebol len okamžitou špičkou na pár sekúnd, ale nabíjanie s výkonom 1 000 kW si koncept udržal až po dobu cca 2,5 minúty. Nabíjací systém dokázal do batérie preniesť 17,3 kWh energie v priebehu jedinej minúty! To, mimochodom, stačilo konceptu na 125 km jazdy. 2,5 minúty, počas ktorej si udržal 1 000 kW výkon tak stačí na viac ako 300 km jazdy.
Aby bolo možné tieto hodnoty dosiahnuť, inžinieri museli vyriešiť dva kľúčové problémy: prenos prúdu do auta a odvod tepla z článkov. Počas rekordného nabíjania pretekal káblom prúd až 1 176 ampérov. Na prenos takéhoto prúdu bola využitá hybridná infraštruktúra od Alpitronicu, dokonca s bežným CCS konektorom.
Inžinieri Mercedes-Benz využili cylindrické články s chémiou NCMA. Kľúčom k tomu, aby batéria pri prúde 1 176 A a výkone 10C nezhorela, je priame inteligentné chladenie. Články nie sú chladené len zospodu cez podložku, ale sú obmývané elektricky nevodivým olejom. Tento olej udržiava každý z viac ako 3 000 článkov v optimálnej teplote a okamžite odvádza teplo vznikajúce pri vysokom zaťažení. Celý systém pracuje na napätí vyššom ako 800 V, čo pomáha redukovať hmotnosť kabeláže a zvyšovať efektivitu.
Nebude to také ľahké
Zavedenie 1 MW nabíjania, či už pre kamióny alebo osobné elekromobily predstavuje obrovskú výzvu pre elektrickú sieť. Jeden nabíjací bod s týmto výkonom má spotrebu ekvivalentnú menšiemu priemyselnému závodu! Ak si predstavíme diaľničný hub, kde sa v čase špičky súčasne nabíja desať vozidiel, hovoríme o okamžitom príkone 10 až 15 MW. Takéto výkyvy by mohli okamžite destabilizovať lokálnu sieť a spôsobiť výpadky v širokom okolí.
Nabíjacie huby budúcnosti, ktoré Mercedes-Benz plánuje otvárať už tento rok, budú musieť byť navrhnuté ako komplexné energetické uzly. Budú pravdepodobne vyžadovať pripojenie na vysoké napätie a integráciu stacionárnych batériových úložísk, ktoré budú slúžiť ako buffery na vyhladenie extrémnych odberových špičiek. Nabíjajú sa pomalšie a konštantne z verejnej siete v čase menšieho zaťaženia alebo priamo z lokálnych obnoviteľných zdrojov, a následne dokážu v krátkom čase uvoľniť obrovské množstvo energie do vozidla bez toho, aby spôsobili nárazový odber zo siete.
Spojenie logistickej nutnosti v nákladnej doprave a technologického pokroku v osobnej doprave tak vytvorí celkom nový ekosystém. Technológie ako MCS a priame chladenie olejom ukazujú, že bariéry, ktoré sa zdali neprekonateľné padajú a elektrická mobilita vstupuje do fázy, kedy rýchlosť dopĺňania energie prestáva byť limitujúcim faktorom. Megawattového nabíjania sa ale tento rok určite ešte nedočkáme. Určite nie v osobných elektromobiloch.