Keď fyzika nepustí: Ultrarýchle nabíjanie elektromobilov – mýty a realita

Ak sa bavíme o elektromobiloch, takmer vždy sa dostaneme k otázke „tankovania“. Sme postavení pred dva problémy: Kde? A ako rýchlo?

Odpoveď na otázku „Kde? nájdeme napríklad na stránke kdenabijat.sk. Dostaneme tu aj čiastočnú odpoveď na otázku „Ako rýchlo?“ Na stránke nájdeme informácie o spôsobe nabíjania, ktorý nám tieto stanice ponúkajú – štandardný či rýchly. V prípade rýchleho nabíjania máme k dispozícii nabíjacie stanice s výkonom do 60 kW. Netreba žiadne komplikované výpočty, aby sme si dokázali aj v hlave spočítať, koľko času nám zaberie „tankovanie“.

Dobu v hodinách potrebnú na nabitie batérie získame, ak kapacitu batérie vydelíme výkonom nabíjačky.

Aj pri malých batériách s kapacitou okolo 20 kWh si pri rýchlo-nabíjačkách musíme rezervovať min. 20 minúť. S rastúcou kapacitou batérií samozrejme úmerne rastie aj doba potrebná na jej nabitie.

Spoločnosť Tesla ponúka svojim zákazníkom Supercharger. Táto nabíjačka dokáže dodávať až 120 kW pre jedno vozidlo. Bohužiaľ, sú určené iba pre vozidlá Tesla. Tesla plánovala vybudovať po svete sieť cca 7500 takýchto staníc. Aktuálne ich je vo svete inštalovaných približne 1050.

Pokiaľ ide o rýchlosť nabíjania, všetci dúfajú v zázrak. Snívajú o tom, že dokážu nabiť batériu tak rýchlo, ako sa dnes tankuje benzín či nafta. A aj dojazd bude podobný. Preto každá správa, hlásajúca skrátenie doby nabíjania, pôsobí povzbudivo. Je však možné tieto technológie reálne nasadiť do života? Ako mám v obľube, pokúsim sa na takéto správy pozrieť cez platné fyzikálne zákony. Vystačíme si pritom s pár vzorcami.

Výkon (príkon) nabíjacej stanice:

V prípade jednofázového pripojenia sa výkon počíta podľa nasledujúceho vzorca:

               P = U * I

V prípade trojfázového pripojenia použijeme vzťah:

               P = 1,73 * U * I

P – výkon vo Wattoch (W)

U – napätie vo Voltoch (V)

I – prúd v Ampéroch (A)

Množstvo energie dodanej do batérie vypočítame vzťahom:

               A = P * t

A – energia (práca) vo Watt sekundách (kWh = 3 600 000 Ws)

P – výkon vo Wattoch (W)

t – čas v sekundách (s)

Pozor, nemýliť si s kapacitou batérie. Kapacita batérie definuje maximálne množstvo energie, ktoré je schopná batéria uchovať.

Z kategórie „vysnívaných časov“ ma vlani zaujali dva články. V prvom prípade nám ponúkajú „Za 20 minút nabíjania dojazd 500 km“. Druhý je ešte ambicióznejší. „Minúta nabíjania a dojazd 800 km. Fisker chystá novú batériu“.

Pozrime sa teda, čo nám na to povie fyzika. Je to vôbec realizovateľné?

„Za 20 minút nabíjania dojazd 500 km“

Kapacita batérie vozidla bola 192 kWh. Netreba tu robiť komplikované výpočty, aby sme zistili, že na nabitie tejto batérie za deklarovaných 20 minút by sme potrebovali nabíjaciu stanicu s výkonom 576 kW. Toto číslo asi množstvu čitateľov veľa toho nepovie. Teda sa to pokúsim priblížiť trochu inak.

V bežnom 3 izbovom byte v paneláku máme k dispozícii jednofázovú prípojku s 25A ističom. Napätie siete je 230V. Z toho sa dá na základe vyššie uvedených vzťahov spočítať, že maximálny odoberaný príkon je 5750 W (5,75kW).

Ak by sme sa pokúsili túto batériu nabíjať z našej domácej zásuvky, trvalo by nám to 33,39 hod. (192 / 5,75) Ak by sme chceli túto batériu nabiť v časovom intervale 20 minút, zistíme, že na túto dobu musíme odpojiť od elektriny 100 bytov.

Relatívne dobre by sme dopadli, ak by sme vlastnili rodinný dom s 3-fázovou prípojkou. Tu už máme k dispozícii 3x400V. Ističe by mohli byť cca 50A. V tomto prípade môžeme pracovať so slušnými 34 600 W (34,6kW). S týmto výkonom sme schopní nabiť akumulátor na požadovanú kapacitu 192kWh približne za 5,55 hod, alebo by sme na 20 minút odpojili od elektriny ďalších 16 domov na ulici.

Pri výpočtoch predpokladáme 100% účinnosť nabíjacieho procesu.

Na záver iba porovnanie s nabíjačkou Supercharger. Potrebný výkon sa pohybuje na úrovni takmer 5 nabíjačiek tohto typu.

„Minúta nabíjania a dojazd 800 km. Fisker chystá novú batériu“

Informácie v tomto prípade pôsobia chaoticky. Po šokujúcom úvode sa o niečo nižšie dočítame, že 9 minút strávených na nabíjačke nám umožní prejsť 200 km. Zostaňme však pri pôvodných hodnotách, minúta – 800 km. Uvádzaná kapacita batérie je 200 kWh. Po dosadení do horeuvedeného vzorca zistíme, že ak by sa takáto batéria mala nabiť za 1 minútu potrebovali by sme 12 MW nabíjaciu jednotku. Je však problematické čo i len si to predstaviť. Ide o stonásobný výkon v porovnaní so Supercharger od Tesly. Aj v tomto prípade som pracoval so 100% účinnosťou.

Aby sme si dokázali predstaviť, o aký výkon/príkon v tomto prípade ide, tak na záver uvediem iba jedno číslo:

471 MW 

Ide o výkon jedného reaktoru atómovej elektrárne v Mochovciach. Názor o možnosti reálneho nasadenia takýchto nabíjacích staníc nech si spraví každý sám.

Otázka nabíjania je však oveľa komplikovanejšia. Pri týchto jednoduchých výpočtoch nebolo zohľadnených množstvo faktorov. Spomeniem aspoň pár z nich: účinnosť nabíjacie procesu, straty na vedení, prechodový odpor a s tým spojený ohrev batérie, či chemické procesy prebiehajúce v batérii počas nabíjania. O každom z nich by sa dal napísať samostatný obsiahly článok.

Zdroje: en.wikipedia.org, zive.sk, techbox.dennikn.sk, auto.pravda.sk.