Töltődjünk fel! | E-buszok töltése

Az elhasznált energia utánpótlása, mint a járművek menetkészségének alapvető feltétele nem igényel bővebb kifejtést. A kőolajszármazékok elérhetősége – térségtől és gazdasági rendszertől függően – a ’80-as évekre nem jelentett különösebb problémát az európai üzemeltetők körében. Tüzelőanyag-utántöltés és futhat is. A hatótáv (és az egységnyi energiafogyasztás) a gázolaj esetén kisebb relevanciával bír a már kiterjedt utántöltőhálózat és nagyobb fajlagos energiasűrűség miatt, szemben az elektromossággal és tárolásával.

Hasonlóan képzelem el az átállás nehézségeit és újdonságait a jelenlegi dízel – elektromos viszonylatban, mint bő egy századdal korábban az állati energiáról kőolajszármazékra történt váltás időszakát. A huszonegyedik században már derűs olvasni a kezdetek nehézségeiről szóló történetek egyikét:

Benzinkutak akkortájt [1888] nem léteztek, automobilok sem, a bátor asszonyság azonban tudta, hogy Wieslochban van egy patika, ahol ligroint (egyfajta petróleum) is árulnak. Sokat kellett győzködnie a hitetlenkedő patikust, aki végül eladott neki jó 4,5 litert a fejtetű elleni folyadékból. A kaland végül oda-vissza baj nélkül végződött, a ma is meglévő gyógyszertár pedig a világ első benzinkútjaként bekerült az autótörténelembe.

Kezdeti kompromisszumból nem lehetett kevesebb az utánpótlást illetően, mely ráadásul merőben új iparág volt: előállítása, tárolása, kimérése.

Felvillanyozódás

A kőolajhoz hasonló evidens pontokra lehet szedni a jármű energiaigényének fedezéséhez szükséges folyamatot:

• előállítás,

• szállítás,

• átmeneti tárolás,

• utántöltés,

• tárolás.

Részben más végzettségem, részben pedig a külön kiterjedt tudomány- és iparág létezése okán az első három pontot azokhoz tartozó szakemberekre hagyom (energetikai-, és villamosmérnök). Vannak megoldások mindre, a növekvő kereslet és a kompromisszumok miatt ezen területeken is változások várhatók a jövőben.

Az utolsó két pont szervesebb kapcsolatot feltételez járművel, mint korábban: a jármű és a töltő közti nem megfelelő vagy hibás kommunikáció esetén a folyamat nem indul el. A járműgyártók így már nem csupán buszt, hanem átfogó rendszert kínálnak valamely töltőgyártóval együttműködve (vagy épp saját maguk építenek töltőt is), ezzel csökkentve az üzemeltetőkre rótt terhet az átállás folyamatában, garantálva a kompatibilitást.

Kvázi „töltési protokoll” benzinkutak esetén a sok piktogram, hogy mit nem szabad csinálni az tüzelőanyag-vételezés közben: nyílt láng, dohányzás, mobiltelefon használat tilalma, motor leállítása, szabad űrtartalom, megfelelő folyadék utántöltése, stb. Míg ezek a kezelőszemély felelősségébe tartoznak, addig az elektromos jármű töltésekor a töltő- és járművezérlők kommunikálják le egymás közt, hogy biztonság- és rendszertechnikailag minden megfelel annak, hogy nagyfeszültségen akár több száz Amper erősségű áram vándoroljon át az akkumulátorokba. 

A töltési protokoll egy szabványon alapuló kommunikáció a jármű és a töltő közt. A triviális feltételen túlmenően (fizikailag illeszkedő legyen az aljzat és a csatlakozó) hibátlan erősáramú rendszer (szigetelés és vezetés) szükséges jármű- és töltőoldalon egyaránt, a jármű elmozdulás elleni biztosítása (rögzítőfék), és a kontaktfelületek elmozdulásának megakadályozása a fő szempontok (reteszelések). További, hogy különbség van az akkumulátor és akkumulátor között – technológiájában, gyártásában, működésében. Nulladik pont, hogy ne sérüljön a kezelőszemélyzet, a töltő és jármű; ugyanakkor a lehető legnagyobb áramerősséggel töltsön, rövidítve ezzel az időszükségletet.

A folyamat még kisebb figyelmet igényel – a gázolaj-utántöltés esetén sem megterhelő odafigyeléshez viszonyítva – a kezelőtől. Az újabb megoldások (lásd pantográf) ezt még tovább csökkentik, a lehető leginkább kizárva az emberi tényezőt az egyenletből, kiegészítve még nagyobb áramerősséggel.

A teljesítményértékek 600 V egyenfeszültségen értendők, a szereplő teljesítmények a tartósan átvihető értékek (pantográfok esetén maximum 450 kW néhány perc erejéig, hőfejlődés miatt korlátozva). A legnagyobb töltési teljesítmény sosem jelenti azt, hogy mindig és folyamatosan ennyivel is tölt. Cellakémia, ingadozó feszültség, hőfejlődés, teljes kapacitáshoz közeledés, mind-mind befolyásolják úgy pillanatnyilag, mint hosszútávon (pl. cellák állapota) a töltőáram nagyságát.

Hidrogén esetén az előállítás jelenleg döntő hányadában szürke (földgázból és kőszénből) és sárga módon (atomenergiából) zajlik, így egyelőre nem teljes mértékben megújuló energia. Az utántöltési hálózat kiépítendő (vö. gázolaj), a tárolása körültekintést igényel (nagynyomás, robbanásveszély), az üzemanyagcella öregszik, viszont egyelőre hatótávtöbbletet kínál a tisztán akkumulátoros e-buszokhoz képest.

Az akkumulátorok gyors és automatizált cseréje töltött csomagokra néhány évvel ezelőtt jelent meg Kínában, és Koreában van egy üzemben lévő rendszer. Az időnyereséggel az infrastruktúra igényesség és a kompatibilitási korlátok (szabványosság) állnak szemben.

Konduktív, alsó letapogatásos menetközbeni töltésről itt írtam néhány sort.

Üzemeltetési stratégia

A dízelbuszok esetén megszokott x évente flottacsere, szükséges szerelői és járművezetői továbbképzések az elektromos buszflottára váltáskor nem elégséges. A tenderekben – amíg a szabványosítás nem lesz átfogóbb és több megoldás is elérhető – érdemes járművet és a töltési infrastruktúrát együttesen beszerezni.

Megfontolásra érdemes új vezénylés és vonalhálózat elkészítése (a töltési pontok és idők figyelembevételével), hogy a lehető legnagyobb futásteljesítmény mellett a legkisebb kényszerű állásidők legyenek, fő szempont a futásteljesítmény maximalizálás. További, dízelüzemhez képest új tényezők is megjelentek: energiatároló élettartama (és cellakiegyenlítés), földrajzi jellemzők hatása (időjárás; topológia), flottaméret és tartalékjárművek. A befektetés megtérülését 10..12 éves időtávlatra érdemes számítani.

Fontos kiegészítés, hogy új technológia és a dinamikus fejlesztés (változás) okán nincsen egyértelműen jó vagy rossz megoldás. Több felhasznált forrásban is felületdiagramokkal és gráfelméletéttel keresik a z optimumot egy-egy régióra: sok változót kell figyelembe venni, hogy a befektetés megtérülő legyen. Ennek szellemében alább a két elterjedt megoldás általános ismérvekkel, előnyeikkel és hátrányaikkal.

Lassú töltés | Plug-in

Hatótáv maximális kihasználása egy feltöltéssel. Európai szabvány: CCS2.

Type 2 szabványú aljzatok.

CCS2-es aljzat védőkupakokkal.

Előnyök:

• alacsonyabb teljesítményű (< 50 kW) töltés kíméli a cellákat;

• a villamosenergia-felhasználás szempontjából az éjszaka völgyidőszaknak számít (még): többlet van, ezért olcsóbb a kínálat;

• egyszerűbb, kisebb befektetést igénylő infrastruktúra (plug-in).

Hátrányok:

• a CCS2-es csatlakozón átvihető maximális áramerősség 250 A (600 V DC – 150 kW, tartósan 100 kW);

• a rendszeres túlmerítése (SoC < 20%) az akkumulátoroknak jelentősen csökkenti az élettartamot (SoH).

Gyors töltés | Opportunity charge

Nagyteljesítményű (100 kW <) töltés; végállomásokon, telephelyeken, napközben is.

Előnyök:

• automatizált töltési folyamat (műszerfali gombnyomás);

• nagyobb töltési teljesítmény --> rövidebb kényszerű állásidő;

• tolerancia a jármű helyzetét illetően (± 1 méter hosszirányban és ± 0,2 méter keresztirányban) a kontaktfelületek megfelelő csatolásához.

Hátrányok:

• rendszeresen szükséges elvégezni mellette a cellakiegyenlítést teljes feltöltéssel;

• a hagyományos Li-ion akkumulátorok élettartamát csökkenti a gyakori gyorstöltés;

• az infrastruktúra annál költségesebb, minél nagyobb teljesítményű a töltő;

• lengések az ellátórendszerben a rövid és nagy teljesítményigény miatt.

További ismérvek:

• 1 000 A – 30 másodpercig, 750 A – 60 másodpercig, 500 A – 15 percig, 300 A – tartósan;

• az inverz pantográf nem növeli a jármű gördítendő tömegét (kb. 150 kg);

• minden pantográffal szerelt buszra szükséges töltőaljzat is, ha előbbi meghibásodna;

• jellemzően 10..30 perces „rátöltésre” használják napközben;

• 0% < SoC < 80..85% közötti tartományban működik (cellavédelem miatt).

Hogyan és merre tovább?

Nehéz egy, dedikált flottát megnevezni, amely elsőként indult útnak Európában, nem csupán kísérleti céllal. Nagyjából 2017-től datálható egy-két darabnál vagy tucatnál nagyobb flották forgalomba állítása, melyek futásteljesítményéből már érdemi visszacsatolás nyerhető és további fejlesztések tervezhetők és kivitelezhetők lettek, de a manapság forgalomba állított flották is kísérletek tárgyai, olykor egyszerre túl sok változtatással/újítással.

Minden üzemeltető saját igényei szerint tervezi és építi meg a töltőhálózatát, közösen a jármű- és töltőgyártóval, valamint az energiaszolgáltatóval. A nagyteljesítményű töltőket egyre több helyen választják, jellemzően a két megoldást (pantográf és plug-in) vegyesen használják.

2017-ből egy infografika az első európai száz darabos flotta töltéséről.

Az akkumulátorszabályzás és -vezérlés minden gyártó esetén más és üzleti titkot képez, ebből kifolyólag az e-buszok fenntartásában ma a gyártónak kardinális szerepe van karöltve az üzemeltetővel. Idővel várhatóan az üzemeltetőknek ezeket a képességeket (cellák analízise, cseréje) is el kell sajátítaniuk. Ha létrejöhet egy szabványosított akkumulátorvezérlés és -szabályozás és a technológia idővel kiforrja kezdeti gyermekbetegségeit, az egyszerűsítené a fenntartást.

A releváns információ- és tudásáramlás Kínából ered továbbra is: töltés terén a jelenlegi max. 450 kW-os teljesítményt 900 kW-ra szeretnék növelni, párhuzamosan az energiahálózat és -ellátás fejlesztésével. Akkumulátortechnológiában ismert újdonság a Na-ion: kisebb energiasűrűségű, de töltését hidegben is képes leadni és a gyorstöltést is jobban viseli.

Felhasznált és ajánlott irodalom:

Retro Mobil – Egy évszázada tankolunk – Régóta folyik… (közzétéve: 2014. november 9., hozzáférés: 2021. július 25.) http://www.retromobil.hu/2014/11/09/egy-evszazada-tankolunk/

Arnout de Pee, Hauke Engel, Marte Guldemond, Arjan Keizer, Jasper van de Staaij: The European electric bus market is charging ahead, but how will it develop? (McKinsey & Company, közzétéve: 2018- július 2., hozzáférés: 2021. július 25.) https://www.mckinsey.com/industries/oil-and-gas/our-insights/the-european-electric-bus-market-is-charging-ahead-but-how-will-it-develop#

Tugce Uslu, Onur Kaya: Location and capacity decisions for electric bus charging stations considering waiting times (Transportation Research, közzétéve: 2021. január, hozzáférés: 2021. július 25.) https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S1361920920308300

European Commission: Electric vehicle charging - standards for recharging points for e-buses (kiegészítő beadvány az elektromos buszok töltésének szabványairól) https://ec.europa.eu/info/law/better-regulation/have-your-say/initiatives/12906-Electric-vehicle-charging-standards-for-recharging-points-for-e-buses_en

School Transportation: The Real Deal About the Different Types of Electric Bus Charging (közzétéve: 2021. június 16., hozzáférés: 2021. július 25.) https://stnonline.com/partner-updates/the-real-deal-about-the-different-types-of-electric-bus-charging/

Matthias Rogge, Sebastian Wollny, Dirk Uwe Sauer: Fast Charging Battery Buses for the Electrification of Urban Public Transport—A Feasibility Study Focusing on Charging Infrastructure and Energy Storage Requirements (Energies Journal, közzétéve: 2015. május 21., hozzáférés: 2021. július 27.) PDF (800 kB)

Aurélie Quéromés, Martijn Vogelaar, Reinier Huisman: Electric bus fleets in Europe (Accuracy kiadvány, 2019. március) PDF (1,4 MB)

Schunk – 100 Cities – 25 Countries: The Schunk Smart Charging System for Electric Buses is in Use Worldwide

Antonios Karampekios, Cristiana Stoian: Opportunity Charging for E-buses - INSIGHTS AND TIPS FOR OPTIMIZING CHARGING BEHAVIOR (Viriciti Report 2021, big data analysis)

Georg Bieker: A Global Comparison Of The Life-Cycle Greenhouse Gas Emissions Of Combustion Engine And Electric Passenger Cars (white paper; The International Council on Clean Transportation [ICCT], July 2021)