STAN OBECNY INFRASTRUKTURY ŁADOWANIA POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W POLSCE

Transkrypt

1 Grzegorz Benysek, Marcin Jarnut, Bartosz Kubik Uniwersytet Zielonogórski STAN OBECNY INFRASTRUKTURY ŁADOWANIA POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH W POLSCE WPROWADZENIE Początek dwudziestego pierwszego wieku w dziedzinie motoryzacji charakteryzuje się nieśmiałym wzrostem zainteresowania motoryzacją elektryczną. W pierwszej dekadzie wzrost ten odbywał się głównie na poziomie użytkownika koocowego hobbysty, który wpisując się w ogólny trend zmniejszania oddziaływania na środowisko naturalne *1, 2, 3, 4+ dokonywał kosztownej konwersji samochodów z silnikami spalinowymi na auta wyposażane w silniki elektryczne. Duże koncerny samochodowe zauważając ten wzrost zainteresowania, poparty dodatkowo utrzymującym się wzrostem cen paliw kopalnych przygotowały ofertę także i dla takich odbiorców. W chwili obecnej trudno jest znaleźd koncern samochodowy nie posiadający w swojej ofercie chociaż jednego modelu napędzanego jednostkami elektrycznymi. Podstawowym czynnikiem ograniczającym rozwój motoryzacji elektrycznej był brak odpowiednich magazynów energii elektrycznej o wystarczająco dużej trwałości i gęstości energii, umożliwiających uzyskanie zadawalającego zasięgu i szybkie uzupełnianie energii. Intensywne prace w dziedzinie ogniw litowych przynoszą już pierwsze efekty, chociażby w postaci opracowania technologii LiFePO4 umożliwiającej szybkie ładowanie i zmniejszenie masy baterii *5+. Jednocześnie opracowane zostały standardy ładowania baterii pojazdów elektrycznych (EV) *6+, a pierwsze systemy ładujące są właśnie wdrażane. Także i w Polsce, pomimo braku własnego sektora motoryzacyjnego, zauważono trend zmiany sposobu zasilania pojazdów mechanicznych i dlatego wdrażana jest inicjatywa budowy sytemu ładowania pojazdów elektrycznych. Ponadto rozwój motoryzacji elektrycznej w naszym kraju jest jednym z czynników branych pod uwagę przy budowie polskich sieci typu SmartGrid [7, 8]. 1. POLSKA INICJATYWA DLA ROZWOJU RYNKU POJAZDÓW ELEKTRYCZNYCH GŁÓWNE CELE Realizowany w Polsce program Budowa rynku pojazdów elektrycznych, infrastruktury ich ładowania podstawą bezpieczeostwa energetycznego wspierany jest funduszami Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka: Działanie 5.1 Dyfuzja Innowacji. Inicjatywa ta ma na celu konsolidację działao środowisk przemysłowych i naukowych w kierunku budowy sektora pojazdów elektrycznych, przy jednoczesnym zwiększeniu bezpieczeostwa energetycznego Polski. Jak wiadomo Polska energetyka oparta jest głównie na rodzimych złożach węgla kamiennego i brunatnego, natomiast motoryzacja korzysta głównie z paliw płynnych importowanych z zagranicy [9, 10]. Przeniesienie zatem nośnika energii wykorzystywanego

2 do napędu środków transportu może zwiększyd bezpieczeostwo energetyczne kraju, uniezależniając odbiorców od paliw importowanych. Z drugiej jednak strony w sytuacji, gdy polski system elektroenergetyczny poparty na przestarzałej i wyeksploatowanej bazie sprzętowej nie posiada zbyt dużych rezerw mocy, trudno jest mówid o zwiększeniu bezpieczeostwa energetycznego, zwiększając obciążenia takiego systemu. Dlatego celem Inicjatywy jest także budowa zrównoważonego systemu ładowania pojazdów elektrycznych, wspieranego energią odnawialną ze źródeł rozproszonych. Polska nie posiada przemysłu motoryzacyjnego opartego na własnym zapleczu techniczno konstrukcyjnym. W związku z powyższym budowa rynku pojazdów elektrycznych, opartego początkowo na niewielkich pojazdach miejskich o ograniczonym zasięgu, ale konstruowanych w ramach krajowych konsorcjów może poprawid ten stan rzeczy, patrz rys.1. Szansą dla tego sektora jest także rozbudowa jednostek zajmujących się konwersją standardowych aut z napędem spalinowym na auta o napędzie elektrycznym. Wspieranie takich działao jest trzecim z głównych celów jakie mają szanse byd zrealizowane w ramach Inicjatywy. a) b) c) Rys.1 Pojazdy z napędem elektrycznym biorące udział we wdrażaniu założeo Inicjatywy [11]: a) seryjne czteroosobowe, b) konwertowane, c) seryjne miejskie dwuosobowe 2. STRUKTURA ROZWIJANEGO SYSTEMU ŁADOWANIA W założeniach powstającego systemu ładowania pojazdów elektrycznych określono lokalizację, ilośd punktów ładowania oraz ich typ. Projekt zakłada powstanie 330 publicznych punktów ładowania, 20 garażowych oraz dwudziestu z dwukierunkowym przepływem energii [11]. W chwili obecnej poszczególne punkty rozmieszczane są w pięciu miastach: Warszawie, Krakowie, Katowicach, Gdaosku i Mielcu. Nakreślone także zostały zasady funkcjonowania zcentralizowanego systemu ewidencyjno dostępowego bazującego na dwukierunkowej wymianie danych pomiędzy elementami systemu EV. Wymiana danych odbywad się będzie za pośrednictwem GPRSa, a koordynację pełnid będzie jeden ośrodek centralny, patrz rys.2.

3 Satelita GPS Operator Systemu EV GPS GSM / GPRS GSM / GPRS GSM / GPRS EV Kierowca access card Terminal Ładowania Rys.2 Struktura komunikacyjna budowanego systemu EV System komunikacji i akwizycji danych Wszystkie elementy systemu ładowania pojazdów elektrycznych połączone są w ramach sieci GSM. Wymiana informacji odbywa się dwukierunkowo, przy czym należy zwrócid uwagę na fakt, że o danych wysyłanych do uczestników systemu decyduje Operator Systemu EV, poszczególni uczestnicy nie mają możliwości bezpośredniego kontaktowania się między sobą. Wymiana informacji przesyłanych pomiędzy elementami systemu w procesie ładowania pojazdu EV przebiega na kilku płaszczyznach, patrz rys.3. a) identyfikacja klienta b) autoryzacja c) potwierdzenie autoryzacji d) udostępnienie gniazda e) zabezpieczenie dostępu f) ładowanie baterii EV g) zakooczenie ładowania h) przesył danych i) potwierdzenie odbioru j) powiadomienie klienta k) zabezpieczenie dostępu l) zwolnienie terminala Rys.3 Proces ładowania pojazdów elektrycznych we wdrażanym w Polsce systemie ładowania pojazdów elektrycznych [12]

4 Terminal Ładowania Operator Systemu EV Terminal ładowania wysyła do Operatora Systemu EV trzy klasy sygnałów: a) o stanie technicznym terminala, zawierające informacje na temat stanu zabezpieczeo lub naruszeniu blokad (próbie nieautoryzowanego dostępu do wnętrza terminala), b) autoryzacyjne, identyfikujące użytkownika na podstawie informacji z karty magnetycznej zbliżeniowej, c) informacje, na temat stanu procesu ładowania i wykorzystanej energii elektrycznej przez autoryzowanego użytkownika. Sygnałem zwrotnym od Operatora jest sygnał poprawnej lub błędnej autoryzacji użytkownika, który pozwala lub nie na rozpoczęcie procesu ładowania, jak również sygnał potwierdzenia odbioru danych. Pojazd elektryczny EV Operator Systemu EV Pojazd elektryczny przekazuje do Operatora Systemu EV dwie klasy sygnałów: a) informacje identyfikacyjne oraz o bieżącej lokalizacji, na której podstawie wyliczany jest zasięg, b) informacje z wewnętrznego systemu BMS (Bartery Management System) o stanie naładowania SOC (State of Charge) i stanie technicznym baterii SOH (State of Health). Operator Systemu EV kierowca (użytkownik) Wymiana informacji pomiędzy użytkownikiem, a Operatorem Systemu EV odbywa się dwukanałowo: a) użytkownik systemu autoryzuje proces ładowania przy pomocy karty zbliżeniowej - RFID zawierającej informacje identyfikacyjne, a autoryzacja odbywa się za pośrednictwem terminala, w którym znajduje się czytnik magnetycznych kart zbliżeniowych, poprawna autoryzacja pozwala na dostęp do terminala ładowania oraz rozpoczęcie procesu ładowania, b) zwrotnie użytkownik na zarejestrowany w systemie numer telefonu GSM otrzymuje za pośrednictwem serwisu SMS informacje dotyczące statusu ładowania. Struktura komunikacyjna jest ciągle rozwijana, niemniej na obecnym etapie już widoczne są pewne błędy w założeniach. W projektowanym systemie nie przewidziano modułu komunikacyjnego z operatorem elektroenergetycznej sieci dystrybucyjnej co stanowid może potencjalne utrudnienia w stosowaniu obowiązującej w Polsce zasady Third Party Access (TPA) dostępu osób trzecich do sieci. Systemy zasilania Terminale ładowania w zależności od wykonania posiadają dwa typy zasilania, patrz rys. 4. Terminale miejskie w ośrodkach mocno zurbanizowanych zasilane są w układach Typu I i wykorzystują publiczną sieci dystrybucyjną 0,4 kv. Ze względu na wspomniane wcześniej ograniczenia komunikacyjne, szybki rozwój tego typu zasilania w warunkach polskich może napotkad na opór ze strony Operatora Systemu Dystrybucji energii elektrycznej (OSD), gdyż wymaga analizy wpływu na parametry systemu w miejscu przyłączenia.

5 EV Terminal Ładowania Typ I 230V / 16A Kierowca D I SW1 Kontrola dostępu F1 Sieć dystrybucyjna 0,4 kv / 50 Hz Typ II EV Terminal Ładowania WLZ 0,4 kv 230V / 16A D I SW1 Kontrola dostępu F1 Kierowca Mikroelektrownia Przekształtnik G Q Rys.4 Struktura energetyczna budowanego systemu EV Większe nadzieje wiąże się z rozwojem systemów ładowania Typu II, wspieranych przez lokalne źródła energii elektrycznej, patrz rys.5. a)

6 b) Rys.5 Wykorzystanie lokalnych źródeł odnawialnych do zasilania Terminali Ładowania EV [13]: a) przy dodatnim bilansie energii odnawialnej, b) przy niedostatecznej ilości energii odnawialnej Terminal zasilany wg schematu Typu II nie rozróżnia typu źródła energii elektrycznej (sied dystrybucyjna czy mikrosied ze źródłami alternatywnymi), a bilansowanie energii odbywa się w Wewnętrznych Liniach Zasilających (WLZ). Wdrażany w ramach Inicjatywy system Typu II, jako źródła energii wykorzystuje źródła odnawialne typu wiatr i baterie fotowoltaiczne PV a w przyszłości energię wytworzoną w procesie spalania biogazu. Przy czym o rodzaju zastosowanego źródła decydują warunki środowiskowe i zasoby energetyczne na terenie instalowania takiego systemu. 3. CHARAKTERYSTYKA PUNKTÓW ŁADOWANIA W ramach Inicjatywy opracowane zostały dwa podstawowe rodzaje terminali różniące się pod względem miejsca instalowania: a) terminal miejski, instalowany w miejscach publicznych, b) terminal garażowy, instalowany w domu kierowcy. Pod względem rozwiązao układowych oba typy terminali nie różnią się znacząco między sobą. Różna jest jedynie ilośd kanałów ładowania, która w terminalu garażowym pozwala na ładowanie pojedynczego pojazdu, natomiast w terminalach miejskich jednocześnie mogą byd ładowane trzy pojazdy. Infrastrukturę techniczną wdrożonych terminali podzielid można na dwie warstwy: elektryczną odpowiedzialną za rozdział energii elektrycznej (Z), pomiar (P) i bezpieczeostwo (S+Z) oraz informatyczną realizującą funkcje sterujące (JC), pomiaroworozliczeniowe (P+MK), komunikacyjne (MK+W) i autoryzacyjne (KD). Schemat funkcjonalny terminali został przedstawiony na rys.6 oraz rys.7.

7 Terminal garażowy Terminal garażowy w odróżnieniu od miejskiego posiada tylko jeden kanał ładowania. Jego funkcjonalnośd jest podobna do terminali miejskich. Ze względu na miejsce instalacji, terminale te łatwiej monitorowad, dlatego wykonywane są w obudowach bez specjalnej konstrukcji wandaloodpornej. a) 230V / 50Hz b) W Z access card KD P GSM JC MK Magistrala danych S 230V / 16A Rys.6 Terminal garażowy: a) schemat funkcjonalny terminala, b) realizacja praktyczna [11]. W wyświetlacz, MK dwukierunkowy moduł komunikacyjny, JC jednostka centralna, KD moduł kontroli dostępu, Z zabezpieczenia, P pomiar, S odczyt/ustawianie statusu Pomimo przeznaczenia terminali garażowych do instalacji w wewnętrznych instalacjach elektrycznych użytkownika koocowego za centralnym układem rozliczeniowym, wyposażane są one w te same co terminale miejskie układy rozliczeniowo komunikacyjne. Wynika to z założeo Inicjatywy, która przy realizacji projektu pilotażowego udostępnia użytkownikom energię do ładowania pojazdów elektrycznych za darmo. Podlega ona jedynie ewidencjonowaniu i rozliczeniom globalnym pomiędzy Operatorem Systemu EV, a Operatorem Systemu Dystrybucyjnego energii elektrycznej. Terminal miejski Terminal ten posiada trzy kanały ładowania wyposażone w niezależne opomiarowanie i zabezpieczenia. Terminale te występują w dwóch odmianach, standardowej oraz ze słupkami satelitarnymi. Niezależnie od konfiguracji, terminalem zarządza jedna jednostka centralna. Pełni ona funkcje kontrolne nad sygnałami magistrali danych, zarządza dostępem do gniazd na podstawie informacji otrzymanych z karty dostępowej klienta i ich weryfikacji przez Operatora Systemu EV. Jednostka centralna zmienia również stan wyłączników statusowych sterujących gniazdem wyjściowym kanału ładowania oraz wysyła informacje na temat stanu zabezpieczeo oraz statusu wyłącznika do Operatora. Informacja zwrotna dla użytkownika terminala np. o wolnych kanałach ładowania przekazywana jest za pośrednictwem wyświetlacza. Po zakooczonym ładowaniu informacja o wykorzystanej energii elektrycznej odczytana z licznika jest następnie wysyłana do Operatora, który komunikuje się z użytkownikiem za pośrednictwem serwisu SMS.

8 a) GSM b) W MK access card KD JC 3x400V / 50Hz Magistrala zasilania Kanał ładowania nr1 Z P S Magistrala danych Z P S Kanał ładowania nr3 230V / 16A 230V / 16A Rys.7 Terminal miejski: a) schemat funkcjonalny terminala, b) realizacja praktyczna [11]. W wyświetlacz, MK dwukierunkowy moduł komunikacyjny, JC jednostka centralna, KD moduł kontroli dostępu, Z zabezpieczenia, P pomiar, S odczyt/ustawianie statusu PODSUMOWANIE W Polsce jak do tej pory brak jest spójnej polityki działania w zakresie elektrycznego transportu drogowego. W dokumentach określających plany rozwoju sektora energetycznego [14] jak i transportowego [15+, brak jest jednoznacznych planów wspierania budowy rynku pojazdów elektrycznych. Wprawdzie dużo miejsca poświęcono wspieraniu działao zmierzających do poprawy efektywności energetycznej jak i zmniejszeniu oddziaływania na środowisko naturalne, jednak kwestia transportu elektrycznego nie została poruszona. Wydaje się jednak, że najważniejszą kwestią przy budowie rynku pojazdów elektrycznych, a co za tym idzie systemów ładowania pojazdów EV, jest integracja działao środowisk transportowych i energetycznych. Jedynie symbiotyczny rozwój obu systemów doprowadzid może do celu jakim jest stabilny i niezawodny system elektroenergetyczny, zwłaszcza na poziomie niskich napięd, oraz zrównoważony rozwój polskiego rynku pojazdów elektrycznych.

9 a) główne okno systemu monitorującego b) informacje wyświetlane na wyświetlaczu terminala

10 c) okno statusu kanału ładowania nr 1 działania OSD d) okno aktywnych użytkowników systemu ładowania Rys.8 Testowany komercyjny system monitorowania procesu ładowania EV [16]

11 Światełkiem w tunelu mogą okazad się działania podjęte w ramach Inicjatywy, które już doprowadziły do ogromnego zainteresowania motoryzacją elektryczną w Polsce. Powstają konsorcja firm z branży motoryzacyjnej, energetycznej i energoelektroniki, które realizują projekty związane z wdrożeniem komercyjnych terminali ładowania pojazdów elektrycznych jak i stacji szybkiego ładowania. Byd może Inicjatywa nie spowoduje budowy rynku pojazdów elektrycznych w Polsce, jednak doświadczenia i dane zebrane w trakcie realizacji projektów z nią związanych pozwolą przygotowad w Polsce niezbędną bazę techniczną do wdrażania w niedalekiej przyszłości transportu elektrycznego. Należy zwrócid uwagę, że na jej doświadczeniach już teraz testowany jest komercyjny system ładowania i monitorowania procesu ładowania EV, w którym Operator Systemu Ładowania jak i Operator Systemu Dystrybucyjnego mają dostęp on-line do wszystkich danych dotyczących procesu ładowania w konkretnym kanale ładowania, konkretnego terminala, patrz rys. 8. LITERATURA [1] Protokół z Kioto do Ramowej konwencji Narodów Zjednoczonych w sprawie zmian klimatu, sporządzony w Kioto dnia 11 grudnia 1997 r., Dz. U. z dnia 17 października 2005 r. [2] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 5 kwietnia 2006 r. w sprawie efektywności koocowego wykorzystania energii i usług energetycznych oraz uchylająca dyrektywę Rady 93/76/EWG [3] Dyrektywa 2009/28/WE Parlamentu Europejskiego i Rady z dnia 23 kwietnia 2009 r. w sprawie promowania stosowania energii ze źródeł odnawialnych zmieniająca i w następstwie uchylająca dyrektywy 2001/77/WE oraz 2003/30/WE [4] Dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady 2004/8/WE z dnia 11 lutego 2004 r. w sprawie wspierania kogeneracji w oparciu o zapotrzebowanie na ciepło użytkowe na rynku wewnętrznym energii oraz zmieniająca dyrektywę 92/42/EWG. [5] K. Zaghib, M. Dontigny : Safe and fast-charging Li-ion battery with long shelf life for power applications, Journal of Power Sources, Volume 196, Issue 8, 15 April 2011, Pages [6] PN-EN :2002 System przewodowego ładowania (akumulatorów) pojazdów elektrycznych. Wymagania ogólne. [7] G. Benysek, Impovement in the Quality of Delivery of Electrical Energy Using Power Electronics Systems, Springer-Verlag, London, [8] R. Strzelecki, G. Benysek, Power Electronics In Smart Electrical Energy Networks, Springer-Verlag, London, [9] Polskie Sieci Elektroenergetyczne Operator S.A.: Raport roczny [10] Polska Organizacja Przemysłu i Handlu Naftowego: Przemysł i Handel Naftowy 2008 Raport Roczny. [11] MARR Mielec: Postępy w realizacji projektu, 7 września 2010 r., [12] Wizualizacja - Proces ładowania, [13] Wizualizacja Różne sposoby zasilania terminali ładowania, [14] Ministerstwo Gospodarki RP: Polityka energetyczna Polski do 2030 roku. [15] Ministerstwo Infrastruktury RP: Polityka Transportowa Paostwa na lata [16] Testowy System Nadzoru Ładowania Pojazdów EV,

12 Zielona Góra Luty 2011