Konstrukce a provoz elektricky poháněných automobilů

Transkript

1 1 JIHOČESKÁ UNIVERZITA V ČESKÝCH BUDĚJOVICÍCH Zemědělská fakulta Katedra zemědělské, dopravní a manipulační techniky Konstrukce a provoz elektricky poháněných automobilů I. Interní učební text pro doplnění přednášek 3. ročníku bakalářského studia Ing. Ivo Celjak, CSc

2 2

3 3 V říjnu 2015 vešel v platnost Národní akční plán čisté mobility (MPO ve spolupráci s MŽP), v němž jsou obsaženy scénáře a opatření pro podporu elektromobility v ČR. Předpokládá se, že elektromobilita se stane odvětvím dopravy, která se bude dynamicky rozvíjet. Pro vysoké školství jsou zde stanoveny úkoly pro podporu elektromobility v několika opatřeních. Například S 22 (str. 147) Cílené vzdělávací akce pro odbornou i širší veřejnost, jejichž cílem je především poskytnout relevantní, nezkreslené informace o problematice čisté mobility. Dalším opatřením je S 23 Začlenění čisté mobility do rámcových vzdělávacích programů na středních školách a akreditovaných studijních programů na vysokých školách, jejichž cílem je poskytnout odborné vzdělávání v oblasti čisté mobility a podpora zajištění odborníků v této oblasti. Termíny opatření jsou stanoveny od roku Dále je to reakce na Memorandum o budoucnosti automobilového průmyslu v ČR ze září V dokumentu je opatření P3 a P4, kde je uložen úkol Ministerstvu školství, aby nové učební programy na VŠ odpovídaly novým trendům a potřebám průmyslu tím, že bude v roce 2018 do výuky zařazena problematika elektromobility, například: "Je vhodné osvětou předcházet šíření zavádějících a neodůvodněných informací, které v souvislosti s novými trendy v automobilovém průmyslu, mohou vznikat." Na Katedře zemědělské, dopravní a manipulační techniky je od roku 2018 zařazen do výuky 3. ročníku bakalářského studia v zimním semestru (ve Specializaci Dopravní a manipulační technika) předmět Konstrukce a provoz vozidel, jehož náplní je výuka problematiky čisté mobility v souladu s Národním akčním plánem čisté mobility. Problematika čisté mobility a autonomních automobilů je řešena také v předmětu Technické systémy vozidel v letním semestru 3. ročníku bakalářského studia. Tento interní učební text je určen studentům 3. ročníku bakalářského studia pro podporu přednášek a cvičení předmětu Konstrukce a provoz vozidel. Cyklus akademických přednášek a cvičení je obohacen o přednášky odborníků z praxe a vzhledem k tomu, že se jedná o bakalářské studium, také o praktické ukázky. Součástí vybraných cvičení jsou praktické jízdy s vybranými elektromobily.

4 4 1 Základní pojmy 1.1 Pohyb těles Pohyb dopravních zařízení 1.2 Mobilita Užitná hodnota automobilu 1.3 Elektromobilita Elektromobil Osobní elektromobil Obsah učebních textů 1.4 Základní prvky pohonu osobního elektromobilu 1.5 Hybridní automobil Rozdělení podle rozsahu hybridizace Hybridní automobil Plug-in hybridní automobil Mikrohybridní automobil Částečně hybridní automobil (soft, mild, smart) Rozdělení hybridních systémů pohonu podle uspořádání hybridního systému Sériový hybridní pohon (automobil) Paralelní hybridní pohon Velomobily 1.6 Elektrický motor 1.7 Baterie Nabíjení baterií Nabíječka baterií Duhy konektorů pro nabíjení 1.8 Jízdní dosah elektromobilu Teoretický jízdní dosah Homologovaný jízdní dosah Skutečný jízdní dosah 2 Emise v oblasti dopravy 2.1 Problematika snižování emisí CO2 z výfukových plynů automobilů Opatření pro snížení celkových emisí z automobilové dopravy v určitém prostředí, nebo ve sledovaném období, jimiž je možné emise z dopravy snižovat. 3 Dopravní infrastruktura pro elektromobily

5 5 3.1 Nabíjecí infrastruktura Nabíjecí infrastruktura v České republice v roce Smart grid 3.2 Smart city 3.3 Car sharing pro elektromobily 3.4 Sdílené jízdy po městě elektromobilem 4 Rozvoj elektromobility 4.1 Rozdíl v celkově vykonané práci (kwh) při překonání základních jízdních odporů automobilů rozdílných hmotností 4.2 Úkoly elektromobility 4.3. Udržitelný rozvoj dopravy Elektromobily jako součást udržitelného rozvoje dopravy Dílčí výhody elektromobilů ve srovnání s ICE 5 Elektromobilita v České republice 5.1 Postoje k elektromobilitě v ČR v současné době (2018) 5.2 Rozbor postojů k elektromobilitě v ČR Jízdní dosah Neochota mnohých lidí měnit zavedené zvyky Vysoká pořizovací cena elektromobilu (baterií) Distribuční soustava pro elektromobilitu není připravena 5.3 Podpora zájmu o elektromobilitu v ČR Pronájem elektromobilů v ČR 6 Zdroje elektrické energie v ČR (2018) 6.1. Přehled největších zdrojů elektrické energie (2018): 6.2 Orientační výpočet potřeby celosvětového výkonu elektráren pro plnou náhradu ropy v dopravě 7 Konstrukce elektromobilů (EM) 7.1 Elektromotor 7.2 Baterie 7.3 Invertor 8. Baterie pro elektromobily 8.1 Trakční baterie Základní parametry baterií pro elektromobily Výpočet základních parametrů trakčních baterií

6 Výpočet technických parametrů baterií v závislosti na zapojení článků 8.2 Bateriový systém pro správu baterií (BMS) 8.3 Životnost baterií Počet nabíjecích cyklů životnost baterie Výpočet počtu teoretických nabíjecích cyklů Lithium-ion baterie LiFePO baterie 8.4 Recyklace trakčních baterií 9 Nabíjení baterií elektromobilů 9.1. Způsoby obnovy energie baterií EM Výměna baterie Nabíjení baterie prostřednictvím nabíjecích zařízení Doba nabíjení baterie EM Bezdrátové nabíjení baterie z podložky Přepojení na náhradní baterii Nabíjení prostřednictvím kurýra 9.2. Veřejné nabíjecí stanice Průběh nabíjení ve veřejné nabíjecí stanici Inteligentní nabíjení (i-charge) Lokální zátěžový a energetický management pro více nabíjecích míst Lokální balancování zátěže pro 2 nabíjecí místa Umožnění nabíjet uživatelům s povolením užívat nabíjecí stanici Nabíjecí stanice synchronizované s rodinným domem 9.3 Elektrizační soustava v ČR Přenosová soustava Distribuční soustava 10. Elektromotory trakční 10.1 Stator 10.2 Rotor 10.3 Asynchronní trojfázový motor 10.4 Synchronní elektromotor s permanentními magnety Konstrukce PMSM s vnitřním rotorem Konstrukce PMSM s vnějším rotorem

7 Výhody a nevýhody PMSM 11 Odkazy

8 8 1 Základní pojmy 1.1 Pohyb těles Pohybem se obecně rozumí změna polohy hmotného objektu v prostředí, resp. změna vzájemné polohy dvou hmotných objektů v prostředí vlivem působící síly. Při působící síle se mění rychlost hmotného tělesa, nebo se mohou projevit deformační účinky síly, kdy se mění tvar a objem tělesa. Pohyb tělesa vlivem působící síly může být posuvný, nebo otáčivý, resp. jejich kombinace. Při pohybu hmotných těles se uplatňuje především Zákon síly (2. Newtonův pohybový zákon), jehož závěry lze shrnout takto: Větší síla působící na těleso konstantní hmotnosti, způsobí pohyb s větším zrychlením. Zrychlení pohybu tělesa je při stálé hmotnosti přímo úměrné působící síle. Těleso s větší hmotností se působením určité síly pohybuje s menším zrychlením, než těleso s menší hmotností. F = m x a (N) = F = m x dv/t. (1) Uvedené závěry musejí být ( by měly být ) přeneseny do konstrukce elektromobilů, zejména osobních, kde je hmotnost břemen přibližně shodná, protože se jedná o posádku v počtu 4 až 5 lidí s břemeny v podobě lidmi nesených zavazadel (přibližně do 10 kg). Je to z důvodů, aby síla, uvádějící těleso do pohybu byla co nejnižší, čímž je i spotřeba energie nejnižší. Takže osobní elektromobily by měly mít co nejnižší hmotnost, protože se předpokládá, při jeho obvyklém režimu jízdy (ve městech a na silnicích 2. a 3. třídy), vyšší četnost zrychlujících pohybů a vyšší rychlost jízdy, než u nákladních automobilů Pohyb dopravních zařízení Pohyb dopravních zařízení je obecně realizován silou, kterou dodávají motory různých konstrukcí, které získávají schopnost konat práci dodáním vhodné energie (pohonné hmoty, elektrická energie). Dopravní zařízení vykonávají především posuvný pohyb pomocí otáčejících se kol. Motory řízeným způsobem využívají dodanou energii a mění ji na užitečnou práci (mechanickou nebo hydraulickou). Motory pozemních dopravních zařízení vytvářejí rotační pohyb, který je vhodným způsobem přenášen na kolo, nebo několik hnacích kol. Kola jsou základní součástí podvozku a v místě jejich dotyku s podložkou vzniká hnací síla, která realizuje pohyb.

9 9 1.2 Mobilita Mobilitou se obecně rozumí úmyslný (ovládaný člověkem nebo autonomním řízením) pohyb dopravních zařízení nebo jejich částí po stanovené dopravní trase, nebo technologické trase (účelové trase) v rozmanitém prostředí. Mobilita může být realizována působením přírodních sil, působením lidské nebo zvířecí síly, nebo využitím energie dodané vhodným energetickým zařízením (tzv. motorem ) Užitná hodnota automobilu Užitnou hodnotou automobilu se rozumí schopnost splňovat účel, pro něž byl vyroben, musí být snadno ovladatelný řidičem, se zajištěním jeho očekávaných vlastností po dobu předpokládané životnosti. Užitná hodnota osobního automobilu spočívá v zajištění bezpečné, efektivní, ekologické a pohodlné dopravy jedné, nebo více osob na stanovené délce dopravní trasy v čase, který má vazbu na průměrnou rychlost jízdy při respektování aktuálních faktorů prostředí, legislativy, schopností řidiče a stavu dopravní trasy. Obecně platí, že užitná hodnota výrobku (strojního zařízení) nesmí být v rozporu s dobrými mravy v dané lidské společnosti (tzv. společenská smlouva ) a nesmí působit negativně na životní prostředí. Tato podmínka splněna v současné době není a lze očekávat, že elektromobily negativní dopad na životní prostředí sníží. Z výše uvedených důvodů má být osobní automobil (OA) přiměřeně pohodlný. Musí mít optimální rozměry a co nejnižší hmotnost, aby posádka mohla bez problémů usedat do sedaček a ze sedaček vystupovat. Dalším požadavkem je, aby bylo jeho ovládání řešeno ergonomicky, zejména z hlediska dosažitelnosti ovladačů a přehledu nezbytných signalizačních (optických) prvků. Dále, aby měl mít co nejnižší požadavky na energii (pro provoz s nízkou spotřebou paliv, resp. elektrické energie) vydané k zajištění jeho pohybu bezpečnou rychlostí. Provoz automobilu by měl být šetrný k životnímu prostředí vzhledem k aktuálně dosaženému stupni vědecko-technického poznání a technologicko-materiálních možností. Nákladní automobil musí navíc poskytovat ochranu břemenům uloženým v ložném prostoru. Poznámka: Užitná hodnotou osobního automobilu je podle současných výrobců automobilů: Schopnost přesvědčit člověka, že se stane velkým, úspěšným a obdivovaným, pokud si koupí velký, který mu vytvoří pohodlné mobilní obytné prostředí. Což je samozřejmě v rozporu s výše uvedenými kritérii pro užitnou hodnotu osobního automobilu. Tím se tvrzení výrobců

10 10 stává propagací výrobku, nikoliv reklamou, což je jednak v rozporu s dobrými mravy, ale především je negativně ovlivňováno emisemi z výroby a provozu ŽP nad míru obvyklou, resp. více, než je to u automobilů s nižší hmotností. To se týká klasických automobilů, ale také automobilů poháněných elektromotory. Užitná hodnota věcí není dána jejich cenou, ani značkou výrobce, ale přínosem v oblasti, pro níž byla vyrobena. 1.3 Elektromobilita Elektromobilitou se rozumí úmyslný pohyb (jízda, plavba, let) dopravních zařízení pomocí elektrické energie (elektrickým pohonem). Pozemní elektromobilitou se rozumí pohyb silničních vozidel po předem stanovené pozemní dopravní trase, nebo po dráze, vyplývající z technologického postupu při realizaci pracovní operace. Obrázek 1 Osobní elektromobil se spotřebou 12 až 15 kwh na 100 km (foto: Celjak) Elektromobilita zahrnuje pohyb rozmanitých strojních zařízení poháněných elektromotory, například hromadných dopravních zařízení, která dopravují lidská břemena (elektrické vlaky, trolejbusy, metro, tramvaje, lodě), dopravních zařízení, která dopravují břemena rozmanitých fyzikálních a chemických vlastností v závislosti na charakteru jejich vzniku a vlastností (NA, dopravníky), zahrnuje také pohyb pracovních mechanismů, provoz

11 11 individuálních dopravních zařízení, kterými jsou malá elektricky poháněná zařízení (jednomístné elektromobily, elektrokola, elektrické motocykly, tříkolky (například typu ricksha), velomobily a elektrické skůtry Elektromobil Elektrovozidlo (EV) je motorové vozidlo kategorie L, M, S nebo N (podle legislativy) poháněné trakčním elektromotorem (nebo více elektromotory) napájeným (i) ze zásobníku elektrické energie, umístěného ve vozidle nebo na jeho přívěsu. V současném právním řádu není přesně definován pojem elektromobil. Některé zákony (o silniční dani, o odpadech) pouze hovoří o vozidlech, které mají "elektrický pohon" nebo "hybridní pohon kombinující spalovací motor a elektromotor" Osobní elektromobil Osobní elektromobil (EM) je automobil, který je opatřen pouze elektrickou pohonnou jednotkou (trakčním elektromotorem). Je určen především k bezpečné, efektivní a pohodlné dopravě jedné, nebo více osob na stanovené délce dopravní trasy v čase, který má vazbu na průměrnou rychlost jízdy při respektování aktuálních faktorů prostředí, schopnosti řidiče a stavem dopravní trasy. Je opatřen elektrickým motorem. Elektrická energie je uložena v bateriích, nebo jiných alternativních akumulačních systémech, které jsou součástí automobilu, nebo umístěny na vlastním taženém přívěsu (Evropská strategie pro čistá a energeticky účinná vozidla, 2010). Baterie elektromobilu jsou nabíjeny především externími zdroji elektrické energie, prostřednictvím tzv. nabíječek. Nabíječky jsou buď součástí automobilu, nebo jsou externí. Baterie mohou být nabíjeny rekuperací energie. Osobní automobil s elektrickou pohonnou jednotkou by měl disponovat technickými parametry, které výše uvedené vlastnosti splňují. Řidiči musejí respektovat mírné odlišnosti při řízení elektrických automobilů, odlišný způsob údržby (například režim nabíjení), než je tomu u automobilů poháněných spalovacími motory. 1.4 Základní prvky pohonu osobního elektromobilu Pohonný systému elektromobilu se skládá z řídicí soustavy (měnič, invertor), jednoho, nebo více elektromotorů, výkonové elektroniky, soustavy pro uchování energie (palubní

12 12 nabíječka, články baterie, ochranná jednotka, řídicí systém baterie) a dalších přídavných komponent. Invertor umožňuje zvyšování i snižování napětí, obrací polaritu napětí. AC/DC měnič převádí střídavé vstupní napětí a proud na stejnosměrné výstupní napětí a proud. Názvem DC/DC-měnič (stejnosměrný měnič) se obvykle označuje elektronický měnič napětí určený pro změnu velikosti stejnosměrného napětí nebo proudu. Obrázek 2 Základní prvky pohonu osobního elektromobilu (autor: Celjak) Elektromobily, shodně jako ICE, lze rozdělit do dílčích skupin podle vybraných technických a provozních parametrů. Přehled parametrů je na obrázku 3. Parametr Mini EM Malé EM Střední EM Velké EM Délka vozidla (mm) Výkon motoru (kw) a více Pohotovostní hmotnost (kg) a více Dispoziční práce baterie (kwh) 6, Udávaný dojezd vozidla (km) Šířka vozidla (mm) Obrázek 3 Rozdělení EM do dílčích skupin podle vybraných technických a provozních parametrů (autor: Celjak)

13 13 Měnič frekvence je zařízení, které slouží k přeměně elektrického proudu s určitou frekvencí na elektrický proud s jinou frekvencí. Umožňuje plynulou regulaci otáček asynchronního motoru. 1.5 Hybridní automobil Pojem hybridní obecně značí soustavu dvou věcí, které mají na sebe vazbu. Hybridní pohon obecně znamená, že pohon vozidla je zajišťován více než jedním druhem energie. V praxi je nejčastěji užíván elektrický a spalovací motor, resp. elektrický a biologický pohon (elektro-kola, elektro-mopedy, velomobily apod.). Hybridní pohony jsou klasifikovány ze dvou hledisek tzv. rozsahu hybridizace a uspořádání hybridního systému Rozdělení podle rozsahu hybridizace Rozsah hybridizace uvádí poměr druhů energie užité pro pohon vozidla: EM - Pohon pouze elektromotorem (Electric Motor) ICE - Pohon pouze spalovacím motorem (Internal Combustion Engine) HEV - Vozidlo s hybridním pohonem (Hybrid Electric Vehicle) PHEV - Vozidlo s hybridním pohonem, u něhož je baterie nabíjena ze sítě (Plug-in Hybrid Electric Vehicle) REV - Vozidlo s elektromotorem a prodlouženým dojezdem (Range extended Electric Vehicle) BEV Vozidlo s elektromotorem s baterií (Battery Electric Vehicle) Micro-HEV Mikrohybridní automobil (Micro Hybrid Electric Vehicle)

14 Hybridní automobil Obrázek 4 Míra hybridizace vozidel Konstrukce hybridního automobilu umožňuje použít k pohonu buď pouze elektrický motor, nebo spalovací motor, nebo jejich kombinaci. Elektrický trakční motor dosahuje obvykle výkonu v řádu desítek (obvykle stačí 30 až 80 kw), v ojedinělých případech až stovky kw. Trakční baterie je v současné době tvořena Li-ion články a její hodnota dispoziční elektrochemické práce se pohybuje v jednotkách až desítkách kwh (obvykle 15 až 60 kwh). Obrázek 5 Hybridní automobil Toyota (foto: Celjak)

15 Plug-in hybridní automobil Plug-in hybrid (PHEV) je plně hybridní automobil, jehož trakční baterii lze nabíjet z elektrické sítě. Tuto funkci zajišťuje palubní nabíječka, což je řízený usměrňovač napětí, nebo tzv. rychlonabíjecí stanice, jejímž výstupem je stejnosměrné napětí (V) na úrovni odpovídající trakční baterii automobilu. Jelikož se u připojitelných hybridních automobilů předpokládá vyšší míra využití elektrického pohonu, baterie mají vyšší hodnoty dispoziční elektrochemické práce (14 24 kwh), než je to v běžném plném hybridu Mikrohybridní automobil V konstrukci mikrohybridního automobilu jsou běžný startér a alternátor sloučeny do jednoho stroje. Vzniká tak integrovaný startér-generátor - ISG. Jeho funkcí je zajišťovat rychlý rozběh spalovacího motoru v systému stop-start a získávat zpět část pohybové energie automobilu při zpomalování. Jako zásobník energie může sloužit olověná baterie vyšší hodnoty dispoziční elektrochemické práce, než je pro danou kubaturu spalovacího motoru obvyklé. ISG se nijak nepodílí na pohonu automobilu Částečně hybridní automobil (soft, mild, smart) U částečně hybridního automobilu většinu hnací síly poskytuje spalovací motor a elektrický motor je připojován pouze ve vhodných, zpravidla energeticky náročných úsecích dopravní trasy Jeho výkon je variabilní, záleží na hmotnosti automobilu. Při zpomalování automobilu umožňuje rekuperovat více energie ve srovnání s mikrohybridním automobilem, standardní třecí brzdy tak mohou být dimenzovány na nižší brzdný výkon. Trakční baterie se pohybuje ve variabilních hodnotách, zpravidla desítek kwh.

16 16 Obrázek 6 Plug-in hybridní automobil Hyundai IONIQ (foto: Celjak) Rozdělení hybridních systémů pohonu podle uspořádání hybridního systému a) Sériový hybridní systém (pohon) b) Paralelní hybridní systém (pohon) c) Sériově-paralelní hybridní systém (pohon) Sériový hybridní pohon (automobil) V případě sériového hybridního systému slouží k pohonu automobilu výhradně elektrický motor. Výhodou tohoto systému je mechanická jednoduchost a především možnost provozovat spalovací motor v pásmu jeho nejvyšší účinnosti. Sériový systém je výhodný v městském provozu s častým zastavováním a rozjížděním, kdy je konvenční automobil se spalovacím motorem velmi neefektivní (účinnost hluboko pod 10 %). Topologie (prostorové uspořádání) pohonu sériového hybridu je shodná s elektrickým automobilem s prodlouženým dojezdem (REV). Sériový hybridní automobil má zpravidla menší trakční baterii, ale výkonnější soustavu spalovacího motoru a generátoru. V případě vyčerpání dispoziční energie baterie (kwh) je stále

17 17 schopen poskytnout jízdní dynamiku porovnatelnou s čistě elektrickým režimem provozu. V praxi se výkon elektrického generátoru pohybuje v rozmezí přibližně 50 až 75 % maximálního výkonu trakčního motoru. Zástupců této kategorie není mezi silničními vozidly mnoho, u osobních automobilů i vozidel MHD je tato koncepce uplatněna zřídka. Příklady osobních automobilů jsou Chevrolet Volt, Opel Ampera a Fisker Karma Paralelní hybridní pohon Paralelní hybridní automobil je typ hybridního automobilu, u něhož jsou elektromotor i spalovací motor zapojeny "vedle sebe" a jsou propojeny převodovkou. Pro pohon automobilu lze proto využít buď jeden z nich, nebo oba najednou. Obvykle je možné řidičem přepnout, zda chce v daném okamžiku jet s pohonem elektromotoru, nebo s pohonem na spalovací motor Velomobily Jsou to tříkolová, nebo-čtyřkolová mini vozidla s hybridním pohonem - lidským pohonem a pomocným elektrickým pohonem. Je to v podstatě kombinace výhod klasického elektrokola s výhodami mini elektromobilu ( Jízdu lze volit v následujících režimech. Pouze s využitím elektromotoru, pouze s využitím fyzické síly člověka. Jízdní dosah lze zvýšit kombinací pohonu. Výhodou, oproti klasickým elektrokolům, je možnost jízdy za každého počasí. Velomobily konstrukčně vycházejí z tzv. lehokol, které jsou díky své nízké světlosti (do 20 cm) pro tento účel vhodnější, než klasická jízdní kola, u nichž je jízdní odpor několikanásobně vyšší. Rozdělují se do 2 základních skupin: První skupina zahrnuje velomobily do hmotnosti 40 kg, délky 2500 mm, šířky 800 mm, výšky 950 mm, pohon zajišťuje elektromotor s výkonem do 250 W, zdrojem energie jsou baterie, zpravidla Li-ion 12V, 6,75 Ah. Druhá skupina zahrnuje velomobily s parametry přesahujícími první skupinu, baterie disponují energií 760 kwh (48 V., 16 Ah). Jsou vyráběny jako jednomístné, 2 místné, ale také 4 místné, jako tzv. rodinné velomobily. 1.6 Elektrický motor Elektrický motor (elektromotor) je v současné době nejjednodušší zařízení, které dokáže spolehlivě vytvořit otáčivý pohyb v místě, kde je ho potřeba. Na pozemní dopravní trase je otáčení kola v současné době to nejdůležitější, co je k pohybu a pohonu vozidel potřebné. U

18 18 elektromotoru se uvádějí následující základní parametry: výkon v kw, otáčky ot.min -1, proudové zatížení v A, točivý moment v Nm, průměr statoru v mm, hmotnost v kg, účinnost 94 až 96 %. Elektrický motor vytváří rotační pohyb prostřednictvím rotoru točivého elektrického stroje. K otáčení rotoru se využívá elektromagnetické indukce, čímž dochází k přeměně elektrické energie na mechanickou. Elektromobily jsou poháněny bezkomutátorovými elektromotory a jako zdroj elektrické energie jsou využívány trakční baterie, nebo kontakt pomocí pantografu s elektrickými vodiči umístěnými nad dopravní trasou (trolejové vedení). V současné době se nejvíce používají tzv. bezkartáčové třífázové motory s permanentními magnety. Tyto motory nemají mechanické díky (jako kartáčky, komutátory) a proto je jejich životnost mnoho desítek let (stotisíce kilometrů) bez jakékoliv další údržby. Většina současných elektromotorů využívá silové účinky magnetického pole. Elektromotory mohou i samočinně přecházet z motorického do generátorického režimu a naopak z generátorického chodu do motorického. Díky těmto vlastnostem umožňují brzdit pomocí rekuperace tj. vracení elektrické energie do baterií. Při nulové rychlosti dodává elektromotor maximální hodnotu točivého momentu a velmi rychle (už od nízkých otáček) dosáhne maximálního výkonu, přičemž hodnota výkonu se vzrůstajícími otáčkami klesá pomalu. Elektromotor je schopen poskytnout maximální točivý moment po omezenou dobu (několik sekund). Maximální točivý moment vyžaduje vysoké množství proudu, který se odebírá z baterie. Dochází k nárůstu vysoké teploty ve výkonové elektronice a motoru, což je řešeno chlazením a regulací. Regulace zajistí pro ochranu komponent, že je špičkový točivý moment časově omezen, ale umožní velmi dobrou hodnotu pro zrychlení vozidla (příklady zrychlení: dragster: 31,3 m.s -2, F1: 16,3 m.s -2, Bugatti Veyron: 11,3 m.s -2, Porsche 911 Turbo: 10,3 m.s -2, elektromobil Tesla EV: 9,25 m.s -2, běžný automobil se spalovacím motorem 2,52 m.s -2 ). V běžném provozu nemá vysoká hodnota zrychlení elektromobilu žádný význam. Naopak, je zdrojem nebezpečných situací pro ostatní účastníky provozu a vysoké energetické náročnosti pro jízdu elektromobilu, s čím souvisejí také emise, škodící životnímu prostředí.

19 Baterie Baterie je tvořena soustavou článků chemického zdroje elektrického napětí. Článek obsahuje dvě elektrody zápornou anodu a kladnou katodu. Elektrody jsou obklopené elektrolytem, který je buď v kapalném, nebo tuhém stavu. Protože jednotlivé galvanické články vytvářejí napětí řádově v desetinách voltů nebo v jednotlivých voltech, spojují se sériově do skupin tzv. baterií galvanických článků. U moderních elektromobilů je anoda (anoda je elektroda, z níž proudí elektrony směrem ke katodě) vyrobena z uhlíku, katoda je z oxidu lithia a elektrolyt je lithiová sůl v organickém rozpouštědle. Pracovní a užitková vozidla ještě používají klasické olověné baterie (rok 2018). V některých případech i s kapalným elektrolytem. Obrázek 7 Baterie užitkového vozidla pro jeho elektrický pohon (foto: Celjak) Nabíjení baterií Každá baterie musí být nabíjena elektrickým proudem. Při nabíjení probíhá elektrolýza (elektrolyt se při průchodu SS proudu chemicky rozkládá na části, které se vylučují na elektrodách) a dochází k přeměně elektrické energie na chemickou. Při vybíjení se chemická energie mění zpět na elektrickou (elektrody putují na anodu). Elektrické napětí vzniká v

20 20 důsledku elektrochemických procesů mezi materiálem elektrodami a elektrolytem. Hustota elektrolytu nemá vliv na velikost napětí. Obecně: Vznikající velikost napětí závisí především na elektrochemických potenciálech materiálu elektrod (musí být rozdílný) a na druhu elektrolytu (více o bateriích v kapitole 8) Nabíječka baterií Nabíječka baterií je zařízení, které umožňuje nabíjet sekundární (chemické) články tak, že jimi nechá procházet správnou hodnotu elektrického proudu. Při nabíjení je dodávána elektrická energie do článku, kde je uložena v podobě chemických vazeb, aby mohla být později uvolněna v podobě elektrického proudu. Každý elektrický článek disponuje určitou hodnotou jmenovitého napětí, od kterého je odvozeno nabíjecí napětí tak, aby při nabíjení nedošlo k poškození článku. Nabíječky baterií jsou obvykle určeny pro určitý druh a typ baterií, ale mohou být i univerzální. Pro nabíjení elektromobilů bylo nutné stanovit základní standardy pro výrobce veřejných nabíjecích stanic (v nabíjecí infrastruktuře) i pro výrobce elektromobilů. Mezinárodní elektrotechnická komise stanovila dvě základní normy, definující čtyři různé režimy nabíjení, provedení přívodního kabelu a provedení konektorů pro připojení. Pro běžné nabíjení příkonem od 3 kw do 7 kw je určena tzv. palubní nabíječka baterií, která je zabudována od výrobce přímo v elektromobilu. Kabel je dimenzován pro připojení do elektrické sítě jednofázově na 230 V, nebo třífázově na 400 V střídavého napětí. Pro rychlé nabíjení od 22 kw do 43 kw se podle normy používají dvě následující řešení. První řešení využívá palubní nabíječku navrženaou pro nabíjení od 3 kw do 43 kw při 230 V, nebo 400 V střídavého napětí. Druhé řešení je použití externí nabíječky, která převede střídavé napětí na stejnosměrné a nabíjí elektromobil. Porovnání typů nabíjení je uvedeno v tabulce 1. Režim 1 Režim 1 využívá připojení k elektrické síti standardní 230 V elektrickou zásuvku umístěnou v domácnosti. Pro použití režimu 1 je nutné mít elektrickou instalaci v souladu s bezpečnostními předpisy a musí obsahovat uzemňovací systém, jistič pro ochranu proti přetížení a zkratu a ochranu proudovým chráničem. Aby se zabránilo náhodnému kontaktu, je nutné mít zásuvky vybaveny krytkami. Tento režim je snadný a lze ho využít prakticky kdekoli, kde je přístup k elektrické síti. Režim 1 s sebou přináší i několik rizik. Při nabíjení může

21 21 docházet k oteplení kabelu a zásuvky po jejich intenzivním používání po dobu několika hodin při překročení maximálního proudu, který se pohybuje od 8 do 16 A. Režim 2 Při použití režimu 2 je elektromobil připojen k distribuční síti pomocí standardní domovní zásuvky. Nabíjení probíhá prostřednictvím 1-fázové, nebo 3-fázové sítě a instalaci zemního kabelu. Ochranné zařízení je vestavěno do kabelu, a proto je toto řešení mimořádně nákladné vzhledem k zvláštnosti konstrukce kabelu. Režim 3 Při nabíjení v režimu 3 je elektromobil připojen přímo k elektrické síti pomocí speciální zásuvky a zástrčky a jednoúčelového obvodu. V zařízení jsou zabudovány ovládací a ochranné funkce. Tento režim připojení pro nabíjení splňuje platné standardy pro elektrické instalace. Režim 4 V režimu 4 je elektromobil k síti pomocí externího nabíječe. Nabíjecí kabel pro nabíjení, funkce ovládání a ochrany jsou trvale zabudovány do zařízení. Tento způsob se používá především pro stejnosměrné nabíjení, tedy nabíjení velkým proudem. Tabulka 1 - Porovnání času nabíjení při různém výkonu nabíjení Maximální proud Napájení Napětí [V] Doba nabíjení baterie s energií 30 kwh na 80 % 16 A 1 fáze - 3,3 kw 230 V AC 6-8 hodin 16 A 3 fáze - 10 kw 400 V AC 2-3 hodiny 32 A 1 fáze - 7 kw 230 V AC 3-4 hodiny 32 A 3 fáze - 24 kw 400 V AC 1-2 hodiny 63 A 3 fáze - 43 kw 400 V AC minut A Trvale - 50 kw V DC minut

22 Druhy konektorů pro nabíjení Pro nabíjení jsou definovány celkem 4 konektory. Dva pro střídavý proud a dva pro stejnosměrný. Výjimku tvoří automobilka Tesla, která ani jeden z níže popsaných konektorů nepoužívá a má vlastní konektor, na který existují redukce. Obrázek 8 Vyobrazení vidlic nabíjecích kabelů Typ 1 SAE J1772 / IEC (Yazaki) Tento typ konektoru umožňuje jednofázové nabíjení střídavým proudem. Používaný je zejména v Japonsku a USA. Má kruhový tvar a obsahuje pět připojovacích kolíků: dva zemnicí vodiče, dva řídící vodiče a nabíjení. Lze s ním nabíjet maximálním výkonem 7,4 kw při 230 V a 32 A. Typ 2 IEC (Mennekes) Druhý typ konektoru tzv Mennekes, který vyvinula stejnojmenná německá společnost umožňuje nabíjení třífázovým střídavým proudem. Tvar konektoru je kruhový na jedné straně zploštělý. Konektor obsahuje sedm připojovacích kolíků, nabíjení třemi vodiči (3 fáze), dva zemnicí vodiče a dva řídící vodiče. Konektor Typu 2 je nejpoužívanějším nabíjecím konektorem v Evropě.

23 23 Systém ChAdeMO Název tohoto konektoru vznikl jako zkratka slov ChArge de MOve, což se překládá jako: nabití pro pohyb. Vznikl v Japosku v roce 2010 a lze s ním vozidlo nabíjet stejnosměrným proudem. Je používán v elektromobilech Nissan, Mitsubishi, Toyota a asijskými automobilkami. Systém C Systém C zahrnuje konektory COMBO1 a COMBO2. Výrobci v USA i v Evropě v roce 2012 uzavřeli dohodu o používání tohoto typu konektoru ve svých elektromobilech. Tyto konektory jsou kompatibilní se systémy Typu 1 a Typu 2. Systém C umožňuje dobíjení jednofázovým střídavým proudem, třífázovým střídavým proudem a zároveň umožňuje i nabíjení stejnosměrný proudem. Vše je možné pomocí jednoho konektoru a jednotného řídicího systému ve vozidle. Combo 1 se příliš nevyužívá, Combo 2 je nejčastějším evropským konektorem pro nabíjení elektromobilů. Obrázek 9 Pilířová nabíjecí stanice s možností rychlonabíjení (foto: Celjak)

24 24 Elektrický proud prochází baterií a vyvolá v jeho článcích vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách. Velikost nabíjecího proudu závisí na kapacitě baterie a závisí na něm doba nabíjení. Z elektrod později lze čerpat, na úkor těchto změn, elektrická energie zpět. Protože jsou napětí na článcích elektrochemických baterií relativně nízká (v rozsahu 1,2 4,2 V), jsou tyto články sdružovány do baterií článků pro dosažení vyššího napětí. Trakční baterie elektromobilů disponují oproti klasickým startovacím autobateriím vysokou odolností při cyklickém (opakovaném) hlubokém vybíjení a odolávají opakované zátěži při vybíjení na 5 až 10 % hodnoty maximální dispoziční elektrochemické práce baterie. Ani elektrický pohon nebude zařízením, které navždy zajistí pohyb dopravním zařízením. Dříve, nebo později, se objeví jiné zdroje energie a síly, které budou s břemeny pohybovat ve stanoveném prostoru a čase na dopravních trasách, které jsou používány v současnosti. Ani dopravní trasy nebudou v podobě, v jaké jsou využívány v současné době. A majitelé EM se budou nástupu tohoto nového pohonu bránit. Rozhodně to nebude trvat tak dlouho, jako v případě velmi neefektivních spalovacích motorů (ICE), v nichž 2/3 paliva z nádrže shoří bez užitku a ze zbylého množství 1/3, se přibližně 1/3 zmaří v brzdách. Obrázek 10 Pro nabíjení se používají rozmanité konektory (foto: Celjak)

25 Jízdní dosah elektromobilu Jízdním dosahem automobilu se obecně rozumí délka ujeté vzdálenosti na určité dopravní trase (svah, nutné zpomalování, zastavování), kterou automobil v určitém stavu (hmotnosti) absolvuje v určitém režimu jízdy (zrychlení, rychlost) se zásobou energie v zásobnících (nádrž, baterie), které jsou pevnou součástí vozidla (bez příjmu energie z okolního prostředí), nebo vlastními (vezenými) zařízeními pro doplňování energie (ze systémů, které získanou zásobou energie doplňují, například systém rekuperace, setrvačník). Rekuperace je proces přeměny kinetické energie automobilu zpět na využitelnou elektrickou energii, buď při nutném zpomalování vozidla na základě vlivů charakteru dopravní trasy a prostředí, nebo v závislosti na volbě jízdního režimu řidičem. Jízdní dosah elektrického vozidla je maximální vzdálenost, která může být vykonána z plně nabité baterie, bez průběžného nabíjení z vnějšího zdroje elektrické energie, resp. výměny baterie vybité za nabitou Teoretický jízdní dosah Teoretický jízdní dosah je vypočítán pro konkrétní EM (například jeho celková hmotnost, čelní plocha Sx, součinitel odporu cx, stav pneumatik apod.) z jízdních odporů při určité rychlosti jízdy (režimu jízdy) v určitém prostředí (stoupání, klesání, rychlost větru, poloměry zatáčení, prokluz, valivý odpor), při znalosti doby provozování, resp. ujeté vzdálenosti v předpokládaných (očekávaných) podmínkách při znalosti hodnoty dispoziční elektrochemické práce v baterii (kwh) Homologovaný jízdní dosah Homologovaný jízdní dosah je v technické dokumentaci EM uveden pro konkrétní homologační testovací jízdní cyklus (NEDC, FTP atd.), který je sestaven tak, aby představoval běžné provozování vozidla běžným řidičem.

26 Skutečný jízdní dosah Skutečný jízdní dosah představuje ujetou vzdálenost za konkrétních podmínek prostředí a schopnostech, dovednostech a úmyslech řidiče EM. Poznámka: V souvislosti s jízdním dosahem, je nutné připomenout, že elektromobily měly být prioritně určeny pro krátké vzdálenosti, především do měst. Tento elektromobil nemusí být velký, luxusní a nemusí mít baterii s vysokým elektrickým výkonem (je to v podstatě dispoziční elektrochemická práce, protože se udává v kwh). Z výsledků měření intenzity silničního provozu (například mapa sčítání vozidel lze zjistit, že nejvíce automobilů denně dojíždí z okruhu do 25 kilometrů kolem větších měst (u některých měst až 75 %). To znamená, že pokud by některá vozidla projela celým městem z důvodů zaměstnání řidiče až na opačné straně města, než je jeho bydliště, bude průměrná jízdní vzdálenost 42 kilometrů maximálně za den (při započtení jízdy do zaměstnání a ze zaměstnání a délka průjezdu městem zastavěné části do 10 km). V praxi bude tedy pro denní dojíždění jízdní dosah do 100 km vyhovovat (průměrně 75% osobních automobilů se spalovacími motory je tak v současné době využíváno). Obrázek 11 Jízdní dosah ovlivní mnoho faktorů (foto: Celjak)

27 27 Jízdní dosah obecně omezují 4 hlavní faktory z hlediska spotřeby energie: 1) hmotnost vozidla, 2) rychlost jízdy a zrychlení, 3) překonávání svahu a 4) způsob ovládání vozidla řidičem a používání elektrických spotřebičů - ohřev. Z nichž lze ze strany výrobce snadno ovlivnit první faktor a částečně druhý faktor. Homologovaný jízdní dosah se může lišit až o 40 % od skutečného jízdního dosahu. Malé elektromobily s výkonem motoru do 15 kw, s elektrickou dispoziční prací 15 až 20 kwh v baterii, s reálným dojezdem 120 km, hmotností do 950 kg, rozměry 3100 x 1450 x 1485 mm a průměrnou spotřebou 7,5 kwh na ujetých 100 km (náklady za energii na 100 km jsou 35 Kč, tedy přibližně o 100 Kč nižší, než u srovnatelného automobilu se spalovacím motorem v roce 2018) velký smysl má, protože je určeno pro pokrytí nejvyšších denních nájezdů kilometrů, zejména v příměstských a městských částech, kde je absence emisí a škodlivých látek z výfuků nejvíce žádoucí. Příklad na stanovení jízdního dosahu Jakou spotřebu elektrické práce v kwh měl elektromobil NISSAN Leaf (2017) s průměrným příkonem motoru P = 7 kw (podle WLTP), který byl spotřebován pro vykonání jízdních režimů (pro překonání jízdních odporů = sil působících proti pohybu) na trase délky 23,25 km, jestliže při jízdě pracoval 30 minut? Účinnost elektromotoru je 0,92. Jakým jízdním dosahem (kolik kilometrů může ujet) disponuje EM, jestliže má k dispozici baterii s dispoziční energií pro práci (elektrický výkon) Eb = 40 kwh? Možnost rekuperace při jízdě neuvažujte (v praxi je to 8 až 30 % zpětně dodané elektrické energie, záleží na charakteru dopravní trasy, přepravované hmotnosti a způsobu jízdy řidiče). Řidič nepoužívá při jízdě jiné spotřebiče (například klimatizace zkracuje dojezd přibližně o 4 8 %, záleží na modelu EV). A23 = P x η x t = 7 x 0,92 x 30/60 = 3,22 kwh L = (Eb x 100)/A100 = (40 x 100)/13,85 = 288 km Výsledek: Na absolvování délky trasy 100 km spotřebuje A100 = (3,22 x 100)/23,25 = 13,85 kwh. 100 km -1. Poznámka: To je spotřeba, kterou v praxi nepřekročí pouze 28 % řidičů.

28 28 2 Emise v oblasti dopravy Emisí v oblasti dopravy se obecně označuje vypouštění látek do určitého prostoru (uzavřeného, nebo otevřeného ovzduší), jejichž vlastnosti lze vyjádřit fyzikálními veličinami, resp. chemickým složením. Zdroj (původce emisí), který látky emituje, se nazývá emitor. V oblasti pohonů automobilů poháněných spalovacími motory je emitorem spalovací motor, který produkuje výfukové plyny při provozu na dopravní trase, ale také elektrárna, vyrábějící elektrickou energii pro celý proces výroby pohonných hmot. Provoz elektromobilu na dopravní trase je bezemisní. Emise mohou vznikat pouze při výrobě elektrické energie pro nabíjení trakčních baterií. Emitorem je elektrárna, pokud spaluje fosilní paliva, resp. některé druhy OZE. Výfukové plyny jsou komplexní směsí chemických látek vznikajících při spalování uhlovodíkových paliv ve spalovacích motorech. Jednotlivé prvky vznikají chemickou reakcí, většinou kyslíku s dalšími složkami obsaženými v palivu. Množství výfukových plynů emitovaných z výfukového potrubí závisí na mnoha konstrukčních a provozních faktorech, zejména na typu paliva, tvaru spalovacího prostoru, způsobu tvoření směsi, typu a stavu spalovacího zařízení, na užití zařízení ke snížení emisí a na úrovni zatížení motoru. Mezi nejvýznamnější složku spalin patří dusík (N2). Při dokonalém spalování vzniká oxid uhličitý (CO2) a voda (H2O). V reálném procesu spalování jsou však emitovány i složky nedokonalého spalování, především oxid uhelnatý (CO), nespálené uhlovodíky (HC), oxidy dusíku (NOX), oxidy síry (SOX) a mikroskopické pevné látky (PM). 2.1 Problematika snižování emisí CO2 z výfukových plynů automobilů Oxid uhličitý (CO2) je v současné době často zaměňován s pojmem emise výfukových plynů, což není zcela správně, jelikož tyto emise představují více složek výfukových plynů, jak bylo uvedeno. Automobil s provozní hmotností do 1400 kg během ujetí km vytvoří přibližně tolik hmotnosti CO2, jaká je jeho hmotnost. Například Hyundai 1.4 MPi D má hmotnost 1389 kg a emise 138 g.co2/km, Škoda Fabia Combi Monte Carlo 1.2 TSI má hmotnost 1133 kg a emise 109,8 g.co2/km. Mazda CX-5 SKYACTIV G má hmotnost 1487 kg a emise 149 g.co2/km (2017).

29 Opatření pro snížení celkových emisí z automobilové dopravy v určitém prostředí, nebo ve sledovaném období, jimiž je možné emise z dopravy snižovat. Absolutní objem emisí z dopravy závisí: a) na počtu vozidel v jízdním režimu ve sledovaném území. Čím více vozidel se pohybuje na dopravní trase a čím více produkují emisí, tím větší jsou, za jinak nezměněných podmínek, negativní dopady na životní prostředí; Opatření: - časové, nebo účelové (zásobení, nemoc, bezmoc, podnikání atd. viz zákon č. 201/2012 Sb, o ochraně ovzduší 14) omezení vjezdu vozidel s pohony produkujícími emise nad stanovenou hodnotu (například pro začátek 2018: CO2 do hodnoty 112 g CO2 na 1 km) emisí, pokud budou v místě vyšší hodnoty kontinuálně sledovaných emisí = operativně vytvářené nízkoemisní zóny (dočasné omezené zóny); - úplný zákaz vjezdu vozidel s pohony produkujícími emise nad stanovenou hodnotu (například CO2 nad hodnotu 142 g CO2 na 1 km) = emisní zóny s povolením; - úplný zákaz vjezdu vozidel s pohony produkujícími emise = bezemisní zóny (obdoba emisních plaket, které jsou používány v Německu a mají být pravděpodobně zavedeny v ČR v roce 2020); - zavedení diferencovaných poplatků za vjezd vozidel, která nevyhovují stanovené hodnotě (například u CO2 nad stanovenou hodnotu 1 g CO2 = 10 Kč pro stanovený úsek, resp. počet ujetých km); - neomezený vjezd vozidel s bezemisními pohony a podpora elektromobility všech kategorií vozidel do bezemisních zón; - denní dojíždění do zaměstnání obyvatel bydlících na území města ( jízdy domácích ) omezit zpoplatněním parkování v parkovacích zónách systémem platba pouze při vjezdu do zóny parkování, bez časového omezení při setrvání v parkovací zóně. Podpora: - vybudování parkovišť v místech, kde se budou hromadit automobily produkující emise nad stanovenou hodnotu, které nebudou moci vjíždět do zakázaných zón; - v České republice danou problematiku upravuje zákon č. 201/2012 Sb., o ochraně ovzduší, který již dnes (2018) umožňuje stanovit nízkoemisní zóny ( 14); - umožnění objezdu území s výše uvedeným režimem vjezdu. Výstavba okruhů kolem měst; - automobilům na elektrický pohon umožnit bezplatné parkování na vyhrazených parkovištích v centrech velkých měst;

30 30 - automobilům na elektrický pohon umožnit parkování na vyhrazených stáních s možností nabíjení u supermarketů prostřednictvím nabíjecích bodů, resp. nabíjecích stanic (čerpání elektrické energie z distribuční sítě nebo z kontejnerů pro skladování elektrické energie); - dotování bezplatné městské hromadné dopravy (pokud možno bezemisní); - budování cyklostezek, podpora používání elektrokol bezplatným umožněním nabíjení (tzv. cyklo boxy možnost uschování zavazadla a přilby a uzamčení kola, například HEVN CYKLO BOX) na sídlištích, resp. ve firmách, školách a místech s vysokým počtem uživatelů, kteří zde stráví delší dobu (déle jak 1 hodina); - budování nabíjecí infrastruktury na parkovištích s vyhrazeným stáním pro elektromobily (včetně PEHV); - pro identifikaci elektricky poháněných automobilů využívat značku E6 značka pro vozidla s alternativním pohonem (v platnosti od roku 2016); - na sídlištích vybudovat krytá stání pro jízdní kola, včetně možnosti nabíjení elektrokol; b) na délce ujeté vzdálenosti ve sledovaném území. Platí, že čím je větší ujetá vzdálenost, tím je více spotřebované energie v palivu, tím větší negativní dopady lze očekávat; Opatření (viz bod a): vytvoření bezemisních dopravních tras (úplný zákaz vjezdu vozidel se spalovacími motory); - omezení vjezdu (časové, účelové) vozidel na vybrané dopravní trasy s pohony produkujícími emise nad stanovenou hodnotu; - zpoplatnění vybraných dopravních tras s ohledem na dopady dopravy na kvalitu ovzduší v dané lokalitě (diferencované poplatky); c) na velikosti vozidla a jeho hmotnosti, které se pohybuje na dopravních trasách ve sledovaném území. Platí, že čím je hmotnost vozidla vyšší, tím větší negativní dopady lze očekávat, protože obecně platí, že čím je hmotnost vyšší, tím je vyšší požadavek na dodání energie pro udržení jízdního režimu; Opatření: - omezení vjezdu vozidel na vybrané dopravní trasy s nejvyšší technicky povolenou hmotností nad stanovenou hodnotu v závislosti na kategorii vozidla se spalovacím motorem (například pro kategorii M1 nad celkovou hmotnost nad 1350 kg). Pro vozidla s bezemisními pohony bez omezení;

31 31 - omezení vjezdu vozidel na vybrané dopravní trasy s nejvyšším výkonem motoru se spalováním fosilních paliv nad stanovenou hodnotu v závislosti na kategorii vozidla (například pro kategorii M1 nad výkon motoru 60 kw). Pro vozidla s bezemisními pohony bez omezení; d) na stupni úpravy výfukových plynů, řízení chodu motorů, s čímž souvisí konstrukce a technologie spalování (čím vyšší účinnost, tím méně je spotřebováno množství paliva), v ČR je průměrné stáří osobních automobilů 15 let. Opatření: - budování promyšlené nabíjecí infrastruktury pro podporu elektromobility (je zcela bezemisní v místě jízdy); - zákaz vjezdu automobilů, resp. omezení vjezdu naftových vozidel (emisní norma Euro 4 (5) a níže) s opodstatněnou výjimkou vybraných (zásobování, IZS a vozidel MHD); - zákaz vjezdu osobních automobilů s emisní normou nižší jak Euro 4; Podpora: - pobídka formou dotací, nebo přímo od automobilek (sleva, bonus) na výměnu starých vozidel za nový automobil s nižšími emisemi; - náhrada spalovacích motorů elektromotory. e) na způsobu ovládání vozidla řidičem. Rozdíly ve spotřebě pohonných hmot mezi řidiči jsou až 40 %. Souvisí to se způsobem ovládání vozidla v daném prostředí (zejména nesmyslné zrychlování s následným prudkým zpomalováním vozidel ve městech); Opatření: - úprava jízdního režimu vozidel, pokud budou v místě vyšší hodnoty sledovaných emisí (emisní faktory) operativní snížení rychlosti jízdy dopravním značením po překročení rychlosti provést záznam s možností uplatnit sankce (pokuta); - řízení rychlosti jízdy využitím aktivních světelných signalizačních zařízení (semaforů), která budou reagovat na vyšší rychlost vozidla; Podpora: - zavedení zelených zón na semaforech (úspora 30 až 40 % emisí). Každý rozjezd je energeticky náročný. Mnoho řidičů využívá nesmyslné možnosti zrychlení s následným zmařením energie paliva v brzdách.

32 32 3 Dopravní infrastruktura Dopravní infrastruktura je obecně množina propojených prvků (staveb a zařízení), které podporují bezpečný pohyb dopravních zařízení na dopravních trasách a udržují celý dopravní proces v bezproblémovém chodu. Obvykle se používá pouze pro soubory prvků, které jsou uměle vytvořené. Pod pojmem dopravní infrastruktura je chápána síť dopravních tras všech kategorií (dálnice, silnice, účelové komunikace, páteřní síť, koridory apod.), které umožňují pohyb vozidel ve stanoveném režimu jízdy (například křižovatky, přejezdy, nadjezdy, tunely), na nich umístěné dopravní značky (svislé, vodorovné), dopravní zařízení, zařízení pro provozní informace (údaje pro bezpečnost a plynulost provozu), systémy řízení provozu světelnými signály (například tříbarevná soustava, zelená šipka, žluté světlo ve tvaru chodce) a doprovodné technické zázemí pro zajištění pohybu vozidel (například čerpací stanice, nabíjecí stanice, nabíjecí pilíře a wallboxy). Součástí dopravní infrastruktury jsou volně přístupná parkoviště (nespadají sem firemní parkoviště, parkovací domy, parkoviště s vazbou na účel parkování), volně dostupné odstavné plochy pro zajištění odpočinku, nebo občerstvení řidičů (tzv. odpočívadla ). 3.1 Nabíjecí infrastruktura Nabíjecí infrastruktura je součástí dopravní infrastruktury a zahrnuje promyšlený systém nabíjecích stanic, které umožní pomalé, nebo rychlé nabíjení trakčních baterií elektromobilů. Optimální nabíjecí infrastruktura zahrnuje dostatečný počet nabíjecích stanic s dostatečným počtem bloků nabíjecích stojanů kolem hlavních dopravních tras, resp. v místech očekávaného parkování většího počtu elektromobilů (například nákupní centra, parkoviště u turisticky a kulturně vyhledávaných objektů, atrakcí a výstavních center). Nabíjecí stanice s bloky nabíjecích stojanů by měly být rozmístěny ve vzájemné vzdálenosti do 30 km. Počty bloků závisí na intenzitě provozu po dopravních trasách. Obecný požadavek je, aby nabíjecí stanice měly dostatečný výkon, aby nabíjení baterií vyžadovalo maximální dobu do 30 minut.

33 33 Obrázek 12 Místa pro nabíjení EM v místech, kde se hromadí automobily Nabíjecí infrastruktura v České republice v roce 2017 V České republice bylo přibližně 300 nabíjecích stanic a jejich počet každým měsícem roste. První nabíjecí stanice byla vybudována v roce 2007 v Desné na Jablonecku. Nabíjecí stanice provozují fyzické osoby a firmy. Nabíjecí stanice lze nalézt na parkovištích, ve firmách nebo u penzionů a hotelů. K dispozici jsou mapy nabíjecích stanic. Nabíjecí stanice je možné vyhledat a prohlížet buď přes webový prohlížeč nebo v aplikaci mobilního telefonu (např. Chargemap, Polyfazer, OpenChargeMap, enabíjení). Zaplacení za odebranou elektrickou energii probíhá prostřednictvím mobilní aplikace, v hotovosti, nebo platební kartou. Na některých místech se za nabití neplatí. Tato situace je např. u penzionů nebo hotelů, kde je majitel elektromobilu ubytován jako host. Největšími provozovateli v ČR v současné době (2018) jsou skupina ČEZ a skupina PRE. Lze očekávat prudký nárůst počtu nabíjecích stanic po roce Smart grid Výrazem smart grid ( inteligentní síť ), bývají označovány komunikační sítě, které umožňují regulovat výrobu a spotřebu elektrické energie v reálném čase. Základním principem smart grid je vzájemná obousměrná komunikace mezi výrobními zdroji (distribucí) elektrické

34 34 energie a spotřebiči (elektromobily) nebo spotřebiteli o okamžitých možnostech výroby a spotřeby energie. Adaptace na různé způsoby výroby elektrické energie umožňuje zapojení např. solárních a větrných elektráren, plynových mikroturbín a dalších decentralizovaných výrobních technologií, což dává příležitost zákazníkům vyrábět elektrickou energii z vlastních zdrojů a její přebytky prodávat do sítě. Komunikace mezi výrobou a spotřebou probíhá zpravidla po samostatných datových sítích. K tomu je třeba, jednak vysoká míra standardizace pro nástroje a formáty přenášených dat, a jednak zajištění bezpečnosti dat, jak proti následkům poruch v datové síti, tak proti případnému neoprávněnému použití. Tím, že umožňují bleskově sladit nabídku elektrické energie v síti s okamžitou poptávkou, jsou smart grids nutným předpokladem pro zapojení obnovitelných zdrojů energie v masovém měřítku tam, kde díky zeměpisným a klimatickým podmínkám je výroba z těchto zdrojů nepravidelná nebo obtížně předvídatelná, případně se nekryje s požadavky na spotřebu. Týká se to například sluneční nebo větrné energie v podmínkách kontinentální Evropy. 3.2 Smart city Výrazem smart city (inteligentní město) se rozumí komplex rozmanitých opatření, který využívá nové energetické, digitální, informační a komunikační technologie pro zvýšení kvality života ve městech. Jedním ze základních znaků smart city je snaha o zlepšení stavu životního prostředí. Využitím moderních technologií uvnitř města je možné zlepšit kvalitu ovzduší. Přínosem v oblasti dopravy je využívání automobilů, pohybující se ve městě pravidelně každý den (komunální služby, MHD, pošta, rozvoz zásilek), která jsou poháněna elektromotory. Jsou to rozmanité užitkové elektromobily. Do této oblasti patří také promyšlená nabíjecí síť pro elektromobily (nabíjecí stojany tam, kde každodenně parkují vozidla) a nabíjení maximálním výkonem tak, aby nebyla ohrožena elektrická síť. 3.3 Car sharing pro elektromobily Car-sharing (z anglického carsharing) je sdílení elektromobilů více lidmi, kterým by se kvůli malé frekvenci využívání nevyplatilo vlastnit a provozovat elektromobil. Může být provozován jak formou oficiálního, nebo neoficiálního sdružování lidí, kteří jsou spoluvlastníky automobilů, tak formou podnikatelskou, tedy službami veřejných půjčoven elektromobilů. V ČR v současné době (2018) je již několik subjektů, které tuto službu poskytují

35 35 a provozují především mini a malé elektromobily (například Re.volt, Car 4 Way, Ajo, Drive Now). 3.4 Sdílené jízdy po městě elektromobilem Doprava cestujícího elektromobilem zpravidla začíná požadavkem zadaným přes určitou aplikaci. Provozovatel garantuje čekací dobu (zpravidla do 30 minut), po které cestujícího vyzvedne automobil a doveze po průběžně optimalizované trase do cíle. Po ukončení cesty je cestujícímu vystaven a em poslán účet, který cestující zaplatí online prostřednictvím svého uživatelského konta. Tarify budou mít pevnou a pohyblivou část a pohybují se na cenové úrovni mezi veřejnou dopravou a taxislužbou. 4 Rozvoj elektromobility v ČR Od roku 2010 (v ČR až od roku 2016) zahajuje elektromobilita ve světové automobilové dopravě nové období. Je to posun, od ojedinělých a velmi často amatérských konstrukcí elektromobilů (nejčastěji v letech 1965 až 1985), k hromadné výrobě elektromobilů s využitím nových poznatků v konstrukci trakčních baterií, systémů řízení toků energie, zdrojů elektrické energie, nabíjecích stanic a elektromotorů. Vize v roce 1980 v oblasti elektromobility pro rok 2010 (zdroj: Tůma Jan, Velký obrazový atlas dopravy, ARTIA, 1980, str. 244): Vedle garáže s benzínovým automobilem, bude stát malý elektromobil pro denní dojíždění do zaměstnání, nebo za zábavou na běžné vzdálenosti (do 50 až 100 km). Elektromobil bude mimo provoz připojen k zásuvce, z níž bude čerpat elektrickou energii ze slunce. Před jízdou na přístrojové desce nejprve řidič přezkoumá stupeň nabití baterie. K řízení mu postačí kromě volantu jediný pedál a přepínač pro jízdu zpět. Při jízdě mu bude přístroj dávat informaci, kolik mu zbývá energie pro dojezd domů, nebo k jinému stojánku s možností dobít baterii. Elektromobily v roce 2010 ovládnou individuální dopravu ve městech a místo benzínových pump budou k dispozici stanice baterií pro výměnu baterií (zkráceno a upraveno). Zatím se v České republice vize pana Tůmy zcela nenaplnila a lze předpokládat, že se posune o 10 až 15 let dále s rozdílem ve velikosti elektromobilu.

36 36 Hlavním faktorem nutného rozvoje elektromobility v osobní dopravě je skutečnost, že na světě je v současné době (2017) v provozu přibližně 600 milionů automobilů, které ujedou ročně průměrně 10 tisíc kilometrů, při průměrné spotřebě 6 litrů paliva na 100 kilometrů. Pouze 21,5 % energie ze spotřebovaného paliva je využito k pohybu vozidel (13,5 % je pro systémy vozidla). Počet automobilů neustále roste a roste také počet ujetých kilometrů za rok (předpokládá se, že v roce 2020 bude provozován 1 bilion osobních automobilů). Vědeckotechnický pokrok ve světě dospěl k poznání (a přesvědčil politiky), že se již jedná o plýtvání energií z ropy, protože lze již využít jinou, snadno a levně dostupnou energii, která může být využita k pohybu z 80 %. Lze vypočítat, že provozem automobilů je ročně spotřebováno 3,6 x paliva, přičemž 78,5 % je spotřebováno zbytečně. V současné době je nutné vykonat několik kroků na podporu elektromobility. Například motivovat výrobce, aby snížili prodejní cenu elektromobilů na úroveň klasických automobilů (nebo stát poskytl dotace na jejich nákup), aby nabíjecí infrastruktura vyhovovala počtu registrovaných elektromobilů, aby byli motivováni lidé pro koupi EM tím, že dostanou pravdivé informace o provozu a servisu elektromobilů, například o jízdním dosahu automobilů poháněných elektromotorem, o době trvání nabíjení baterií v rozmanitých nabíjecích stanicích, o bezpečnosti baterií při dopravní nehodě a také, aby dostali věrohodné informace o úrovni emisí ve srovnání s automobily se spalovacími motory a také o vlivu emisí na zdraví lidí. Každou minutu se již delší dobu na Zemi rodí 250 dětí. To je 60 x 250 = dětí za hodinu, za jeden den je to x 24 = dětí, za rok je to x 364 = dětí. To je přibližně 100 milionů budoucích řidičů (po odečtení obyvatel, kteří si automobil z rozmanitých důvodů nechtějí pořídit), kteří si chtějí koupit osobní automobil. Přibližně polovina z nich si s velkou pravděpodobností koupí nový (ojetý) automobil. Lze předpokládat, že počet nových osobních automobilů se spalovacími motory ročně vzrůstá o 50 milionů. Veškeré studie, týkající se počtů automobilů s elektrickým pohonem a sliby, které pronášejí politici, jsou nevěrohodné, pokud se samotní spotřebitelé nerozhodnou vyměnit spalovací motory za elektrické. Zatím je k tomu nic nemotivuje. Většina spotřebitelů o elektromobilech mnoho neví, informace o elektromobilech nevyhledávají, negativní ovlivňování životního prostředí emisemi výfukových plynů je nezajímá. Za poslední 4 roky se znalosti mladých lidí v oblasti elektromobility příliš nezměnily, a pokud ano, jsou většinou odmítavé, negativní, zkreslené, ovlivněné zarytými odpůrci elektromobility, kteří své názory šíří v rozmanitém mediálním prostředí. Samotní výrobci se propagaci elektromobilů ve svých

37 37 reklamách nijak nevěnují, naopak zvyšují tlak nabídky směrem k velkým automobilům se spalovacími motory. V oblasti EM toto poznání musí být podpořeno výhodou při jejich nákupu a používání (jaký přínos EV pro mne bude mít). Touto výhodou jsou nejčastěji nízké provozní náklady (ve srovnání nákladů na ujetý kilometr s ICE) a možnost prezentovat se (chlubit, být odlišný, být obdivován pro pokrokovost), mít radost z ovládání a získat servisní výhody. Výhoda ochrany životního prostředí u většiny lidí je nepodstatná, takže o koupi a provozování EM neuvažují. Je to částečně tím, že lidé skutečnou-reálnou přírodu (s níž souvisí ochrana životního prostředí) dobrovolně opouštějí a přesunují se do virtuální reality, v níž nejsou negativní projevy patrné. Na budoucnost elektromobility nelze pohlížet očima současného hodnotitele. a) Nelze vycházet ze současných technologií zdrojů energie pro jízdu (například výroba nových baterií, rychlost a nové způsoby nabíjení bezdrátové z podložky na parkovišti, nové zdroje elektrické energie bez spalování uhlí, více se budou využívat OZE zejména ze Slunce, zvýšením účinnosti FVE, vznikne několik větrných parků); b) Nelze počítat s dlouhodobou dostupností klasické energie (pohonných hmot z neobnovitelných zdrojů) pro pohon spalovacích motorů (cena, spotřeba, neomezené čerpání, náklady na těžbu, možnosti dopravy ropy); c) Nelze vycházet ze současných představ o hmotnostech a rozměrech automobilů pro dopravu osob v budoucnosti, kdy nebude energie dostupná a relativně levná, jako v současnosti; d) Nelze kalkulovat se současnými vysokými energetickými nároky na jízdu elektromobilů (15 až 30 kwh na 100 km); e) Nelze počítat, že ceny elektromobilů zůstanou na současné vysoké úrovni; f) Nelze se domnívat, že nedojde k dalšímu pokroku v konstrukci baterií (sníží se ceny, hmotnost, zvýší se elektrický výkon, snadné nabíjení v rychlém režimu nebude docházet ke zvýšení teploty); Rozvoj elektromobility je dlouhodobý proces zavádění a provozování EV v běžném provozu na pozemních dopravních a manipulačních trasách, včetně rozumně vybudované nabíjecí infrastruktury. Tento proces musí mít několik etap. Od pravdivého seznámení veřejnosti s problematikou elektromobility (klady i negativa) až po vzbuzení svobodné volby občana k nákupu elektromobilu. Součástí elektromobility jsou také elektrobusy, elektrické vlaky, elektrokola, elektroskůtry, tříkolky a čtyřkolky.

38 38 Lze říci, že lidé, kteří využívají elektrokola, mají vyšší náklonnost ke koupi elektromobilů. Je patrné, že počet lidí, kteří provozují elektrokola a elektroskůtry, se od roku 2017 rychle zvyšuje. Elektricky poháněná vozidla jsou v současné době alternativou k vozidlům, která jsou poháněna spalovacími motory. Dokud bude platit stávající tzv. společenská smlouva ve vztahu k ICE. Společenská smlouva vyžaduje, aby všichni lidé souhlasili s tím, že se musejí přizpůsobit a nechat se dobrovolně ovládat a ovlivňovat většinovou společností proto, že kolektivní (společenské) výhody, které se tím získají, převažují ztrátu jejich individuálních svobod a někdy i rozumného lidského (občanského) jednání. Takže i ti, kterým vadí emise z ICE a negativní ovlivňování ŽP provozem automobilů (vozidel) se spalovacími motory, se musejí, pokud platí současná společenská smlouva, s tím smířit. Jakmile se ukáže, že provozování elektricky poháněného automobilu je všestranně výhodné, resp. jednou svoji vlastností výrazně předčí negativa provozování ICE, uživatelé automobilů se spalovacími motory budou muset přejít na elektromobily. Jestliže se prokáže, že negativní projevy ICE jsou již převažující, resp. je to již vědecky prokázané, že lidské společnosti jejich provozování škodí a v elektromobilitě je východisko ke zlepšení stavu, bude muset společnost urychleně přejít na elektromobily státními zásahy. Tato doba (2018) ještě nenastala, takže by společnost měla respektovat svobodnou volbu lidí při provozování automobilů se spalovacími motory. Elektromobily si v současné době v ČR (2018) uživatel většinou koupí buď pro okázalou spotřebu, kterou ve své knize popisuje americký ekonom a vědec Thorstein Veblen (kniha Teorie zahánčlivé třídy z roku 1899). Ekonom Veblen poukazoval na skutečnost, že si majetní lidé pořizují zboží, v našem případě drahé elektromobily, které nejsou pro ně nezbytně nutné, těmito elektromobily se chlubí (jejich cena je v rozmezí 1,2 až 3 miliony Kč), dávají najevo svoji prestiž, bohatství a sociální postavení. Kladem tohoto chování je příklad, kterým stanovují vzory sociálního chování a spotřeby, jež se ostatní snaží postupně napodobit a kupují zboží (například velké EM) také proto, aby se chlubili, nikoliv proto, že zboží skutečně potřebují a smysluplně ho využijí. Systém peněžních půjček a možnosti následného zadlužení mnoha lidí je toho v současné době důkazem. S přínosem okázalé spotřeby se lze ztotožnit, protože má kladný dopad na ekonomiku, ale pokud okázalá spotřeba ovlivňuje negativně život lidí a životní prostředí (například v případě velkých automobilů kategorie SUV s naftovými motory), je to nesmyslné. Pro rozvoj elektromobility tato skupina uživatelů určitý kladný vliv také bude mít, protože jsou vzorem k následování.

39 39 Očekávání, že většina současných uživatelů (majitelů) automobilů se spalovacím motorem (ICE) dobrovolně opustí náklonnost ke spalovacím motorům a začnou ctít čistou mobilitu, je nesmyslné, nejen z důvodů jejich dosavadní ekonomické nevýhodnosti (mnohem vyšší kupní cena). Lidé se totiž chovají podobně, jako v románu Jeana Paula Sartreho (volný překlad Peklo jsou ti druzí ), resp. jednají podle tzv. vězňova dilematu (dilema formulovali Merrill Flood a Melvin Dresher v roce 1950). Podstatou vězňova dilematu je ukázání skutečné lidské povahy. Lidé jsou z povahy sobečtí a jen málo je zajímá, co se stane s ostatními, pokud se musí v jejich prospěch vzdát osobního zájmu (). Zní to možná nepravděpodobně, ale nelze očekávat, že lidé dobrovolně vymění své automobily ICE za EM proto, aby dobrovolně chránili životní prostředí. Dokud budou moci dýchat, nebudou ve velkých počtech umírat vlivem znečištěného ovzduší (viz rozvoj elektromobilů v Číně v posledních 2 letech) a budou mít k dispozici potravu, protože horko ještě nebude příčinou neúrodnosti půdy (vlivem skleníkového efektu způsobeného emisemi CO2), budou jezdit s ICE. Kdyby chtěli chránit životní prostředí, nekupovali by velké automobily se spalovacími motory, které mají dvakrát vyšší emise, než malé automobily, protože mají dvakrát vyšší spotřebu benzínu, nebo nafty. Chování lidí také charakterizoval filosof Fridrich Nietze (Genealogie morálky, 1887): Lidé berou jen malý ohled na to, co stojí kolem a co přinese budoucnost, zabývají se hlavně tím, jak si užít přítomnost. Jinak řečeno: Mnozí majitelé automobilů (ICE) se ohánějí svými právy, ale vůbec je nezajímá, že mají také povinnosti ve vztahu ke společnosti a životnímu prostředí. Problematika zavádění elektromobilů do provozu souvisí také s tzv. poptávkovým zastaráváním, kterého se výrobci všech strojních zařízení obávají (nejen výrobci automobilů). Automobilový průmysl zažil několik tzv. funkčních zastarávání, kdy se například objevila novinka, která ve velmi krátké době nahradila stávající automobily (například v roce 1913 byly na trh uvedeny automobily se startérem a všechny dosud vyráběné a používané automobily byly přes noc k ničemu, byly zastaralé, protože se startovaly klikou). Jestliže se výrobci obávají poptávkového zastarávání automobilů ICE, protože se prosadí EM (budou lepší, než stávající), mají pravdu, protože neprodají ty vyrobené ICE, vyráběné ICE a ani příjmy ze servisní činnosti automobilů ICE (které jsou nemalé) nebudou už k dispozici. Výrobci se pochopitelně budou do poslední chvíle snažit, aby EV nebyla příčinou rychlého poptávkového zastarání automobilů ICE ( ).

40 40 Zásady konstruktérů osobních automobilů v Evropě v polovině minulého století by měly být respektovány při výrobě EM v 1. etapě: Automobil musí mít maximální hmotnost takovou, aby 2,5 kg hmotnosti dopravovalo 1 kg břemen (posádky), včetně jejich 10 kg zavazadel. Průměrná hmotnost jednoho člena posádky je 75 kg. Z toho plyne, že při počtu 4 členů posádky má být hmotnost automobilu: 4 x 85 = 345 kg x 2,5 = 862,5 kg. Pokud je to více, znamená to zcela zbytečné nároky na energii (spotřebu paliva) dopravy osob, s čímž úzce souvisí hodnoty emisních plynů, které negativně ovlivňují životní prostředí (zdraví lidí). V současné době (2018) je to v ČR takto: 1) Škoda Citigo 1.0 MPI, 55 kw: pohotovostní hmotnost: 857 kg, počet členů posádky: 4. Pokud je automobil obsazen 4 členy posádky, je poměr 1 : 2,52, pokud je obsazen pouze řidičem: poměr 1 : 10,1; pokud dvěma osobami: 1 : 5. 2) Škoda Kodiaq 2,0 TSI 110 kw: pohotovostní hmotnost: 1593 kg, počet členů posádky: 5. Pokud je automobil obsazen 5 členy posádky, je poměr 1 : 3,75, pokud je obsazen pouze řidičem: poměr 1 : 18,7; pokud dvěma osobami: 1 : 9,3. Poznámka: Úkolem OA je zajistit bezpečnou, efektivní a pohodlnou dopravu jedné, nebo více osob na stanovené délce dopravní trasy v čase, který má vazbu na průměrnou rychlost jízdy při respektování aktuálních faktorů prostředí, schopností řidiče a stavu dopravní trasy. Konstruktér Chikuhei Nakajima (konstruktér automobilů Subaru a malých bojových letadel) postupoval podle následující zásady: Aby OA splnil úkoly, pro něž byl vyroben, musí být přiměřeně pohodlný, snadno ovladatelný, bezpečný a jeho provoz musí být hospodárný: Spotřeba energie pro pohyb musí vycházet z následujících limitů. Pro benzínové motory, v nichž je spalován kvalitní benzín, je limit 4,6 litry na 100 km, takže hmotnost osobního automobilu nesmí být vyšší, než 1000 kg. Poznámka: Nakajima musel malé Subaru podrobit náročným zátěžovým testem. Test se prováděl zkušební jízdou čtyřech komisařů serpentýnami do stanoveného svahu. V den testování sněžilo. Jeden z komisařů měl takový strach z jízdy lehkého automobilu o hmotnosti 408 kg po zasněžené vozovce, že se jízdy nezúčastnil a místo sebe na sedadlo položil závaží. Dvoudobý

41 41 dvouválec o objemu 360 kubických centimetrů naskočil i v zimě hladce a bezpečně a rychle poháněl malý automobil do svahu tak, že předjel několik větších a těžších automobilů. (Zdroj: Konstruktér automobilů MINI (Anglie) Alex Issigonis v roce 1959 prohlásil: Konstrukce osobních automobilů musí vycházet z následujícího receptu. Posaď čtyři cestující ve dvojici za sebou tak, aby měli pohodlí, přidej k nim prostor pro nezbytná zavazadla, umísti přiměřeně výkonný motor s převody tak, aby co nejméně zvětšovaly půdorysnou plochu vozu. Kola zavěs do čtyř rohů, aby příliš nepřekážela a přitom zaručovala vozu maximální stabilitu a potřebné odpérování. To vše obal co nejkompaktnější karoserií. Jeho návrhem se řídili konstruktéři mnoha Evropských automobilek po roce Velmi úspěšné byly například modely Fiat 127, Fiat 128, Peugeot 104, Simca 1100, VW Polo, Datsun Cherry, Ford Fiesta, Renault 2, Citroen 2CV4, Citroen GS, Škoda 1000 MB (hmotnost 820 kg, výkon 38 kw, objem motoru 1000 cm 3 ). Hmotnost automobilů nepřesahovala 900 kg, výkon motoru byl 30 až 40 kw, objem motoru byl nižší než 1000 cm 3. Například WV Polo poháněl motor o objemu 895 cm 3, s výkonem 29,4 kw, jeho hmotnost byla 685 kg. V USA v té době byly preferovány velké (až 2 tunové), výkonné automobily (100 až 200 kw) s objemem motoru až 6000 cm 3 a tato americká škola zasáhla Evropu. V očích Evropana byl americký automobil z poloviny 70. let směšný křižník, resp. nehospodárný obr s nesmyslně velkým motorem a velmi vysokou spotřebou benzínu (až 20 litrů na 100 km, naštěstí od roku 1980 bylo vydáno nařízení, že se nesmějí prodávat automobily s vyšší spotřebou než 14,8/100 km). Běžný Evropan ctil malé rodinné automobily (například v roce 1966 byl automobilem roku Fiat 124, v roce 1970 Citroen GS, v roce 1971 Fiat 127). To trvalo přibližně 20 let, než výrobci automobilů uspěli na trhu zbytečnými parametry osobních automobilů, například zrychlením (z 0 na 100 km/h pod 14 s), šli cestou vysokých výkonů motorů (přes 80 kw), luxusní výbavou, sportovním designem a zvětšováním prostoru pro posádku. Tím narostla také jejich hmotnost a to, čemu se před několika lety Evropa smála Americe, si oblíbila. Legendární designér, autokrosový závodník a konstruktér Václav Král v 90. letech minulého století na svých přednáškách studentům říkal: Těžká a výkonná osobní auta jsou cestou do pekel. K běžné přepravě z místa A do místa B stačí jen zlomek instalovaného výkonu dnešních automobilů. V roce 1996 Václav Král prohlásil: "Už delší dobu si myslím, že to s automobily tak, jak jsou dnes produkovány, není v pořádku. Že konstrukce míří vedle. Žijeme v éře jisté

42 42 marnotratnosti. Znepokojuje mne, že téměř dvoutunová auta obsazuje jedna osoba, znepokojuje mne, že si lidé podle parametrů vyčtených z katalogu kupují na jízdu do práce automobil jezdící 250 kilometrů v hodině. (Zdroj: kniha Václav Král - designér, který chtěl změnit svět). Rok 1985, Ing. Václav Pauer CSc., konstruktér závodních automobilů v METALEXU Plzeň a český konstruktér sportovních automobilů Škoda: Rozměry osobního automobilu by měly být (d x š x v) 3450 x 1470 x 1500 mm, výkon motoru do 38 kw, provozní hmotnost maximálně 850 kg, což je pro životní prostředí, ekonomiku výroby a provozní náklady velmi výhodné. Akceptovatelné zrychlení v běžném silničním provozu z 0 na 100 km.h -1 je nad 15,5 s, což pro rozumného řidiče z hlediska bezpečnosti stačí. Konstrukce větších automobilů je totální nesmysl. Nelze spatřovat ve výrobě větších automobilů pouze prostředek k zisku firem. Důležitá je především užitná hodnota automobilu a nízká spotřeba energie. POZNÁMKA: O 30 let později: rozměry x 1850 x 1450 (například VW Arteon má rozměry 4862 x 1871 x 1450), hmotnost 1828 kg, zrychlení 6,5 s, výkon motoru 176 kw. (Zdroj: kniha Konstruktér vzpomíná, autor Václav Pauer, Grada, Technická elita národa, 2015). Něco se v konstrukci osobních automobilů bohužel zvrtlo. Konstruktéři a designéři automobilů opustili dřívější zásady a podlehli tlaku vedení firem, jejichž pokyny uposlechli spotřebitelé. Automobily tak disponují nesmyslně vysokými výkony motorů, narostly do nesmyslných rozměrů a hmotností. Lidé nabídku akceptují, protože většinou nejsou schopni objektivně posoudit, že jsou zneužíváni, že ničí životní prostředí a že pro běžnou dopravu takové automobily vůbec nepotřebují. Výrobci automobilů se rozhodli, že budou zneužívat přirozenou lidskou touhu chlubit se tím, co jsem ulovil, našel, nebo směnil pro jejich vyšší zisky. Výrobci velkých automobilů vsadili na tradiční vlastnosti euro-americké kultury: narcismus a sebestřednost, které jsou zvýrazněny některými projevy současné doby: důraz na výkonnost (objem a rychlost), snahu o věčné mládí a touhu lišit se od ostatních lidí ( okázalá spotřeba ). Lidé se mylně domnívají, a jsou ve svém omylu průběžně utvrzováni, že automobil zdůrazňuje jejich prestiž, společenské postavení a úspěšnost. V podstatě ale stále platí, že automobil nezmění povahu a charakter člověka. Nestane se velkým ten, kdo si koupí velký a luxusní automobil. Nestane se mladším, výkonnějším a lepším ten, kdo si koupí nový, výkonný a lépe vybavený automobil. Člověk zůstane vždy takovým, jak se prezentuje svými činy, názory

43 43 a vystupováním, automobil to nezmění, často naopak. Když člověk, který vysedne z automobilu, je opět tím, kým byl, když do automobilu usedl. Provozováním a ovládáním velkého automobilu ke světovému pokroku lidstva nedojde, spíše naopak. Představa, že velikost automobilu zařadí jeho majitele do společnosti bohatých a úspěšných v mnoha lidech stále přetrvává. Je to pozůstatek z neolitu. V neolitu se (před více jak 10 tisíci lety př. n. l.) společnost lidí vrstvila podle množství (hodnoty) majetku. V současnosti už to neplatí, protože je hodnota majetku lidí odsunuta daleko do pozadí. Na prvním místě je přínos lidí a jednotlivců ve prospěch udržitelného rozvoje společnosti. Velký, energeticky náročný automobil s vyššími emisemi při provozu a výrobě tam určitě nepatří. Malý elektromobil spotřebuje pro jízdu na vzdálenost 100 km energii 10 kwh. Velký automobil ICE spotřebuje energii 90 kwh. Obecně platí, že elektromobil spotřebuje 5 x méně energie pro svůj pohyb, než automobil ICE. Bohužel se v současné době (2018) podle vzoru ICE, začínají přednostně vyrábět velké elektromobily se spotřebou nad 20 kwh na 100 kilometrů, což je z hlediska emisí nevýhodné. Otázky rozměrů, velikostí, množství a vydané energie (u věcí, jevů) odjakživa patřily k praktickému životu lidí, ale s příchodem matematiky (modelování) a fyziky se praktický život lidí změnil v abstraktní. Matematika ukryla realitu života do matematických pojmů a operací a fyzika schovala výklad přírodních zákonitostí do matematických vztahů fyzikálních veličin. Ne pro každého má vztah P = F x v praktický význam a vyjmenovat alespoň 6 faktorů, které mají vliv na jízdní odpory a zároveň, v případě pohonu spalovacích motorů, vliv na ŽP, je dnes pro lidi vážným problémem. 4.1 Rozdíl v celkově vykonané práci (kwh) při překonání základních jízdních odporů automobilů rozdílných hmotností V následující tabulce 2 jsou uvedeny hodnoty vykonané práce (kwh) pro překonání jízdních odporů automobilů s rozdílnou hmotností (1000 a 1600 kg) na shodné dopravní trase při rychlosti 50 a 90 km.h -1 /kwh/100 km. Rozdíly jsou patrné. Oba automobily byly provozovány na shodné dopravní trase a při shodných podmínkách prostředí při rozdílných konstantních rychlostech jízdy v trvání 1 hodiny.

44 44 Jízdní odpory Jízdní odpory jsou síly, které působí proti pohybu automobilu. Některé jízdní odpory působí vždy proti pohybu automobilu, například valivý odpor a vzdušný odpor. Při zrychlování musí automobil překonávat odpor zrychlení a při jízdě do svahu odpor stoupání. Při zrychlování vozidla působí proti směru zrychlení setrvačná síla, kterou nazýváme odporem zrychlení. Skládá se ze dvou složek, z odporu zrychlení posuvných hmot a odporu zrychlení rotujících hmot (například motor, spojka, kola ). Tabulka 2 - Vykonaná elektrická práce pro překonání jízdních odporů u obou automobilů Hmotnost automobilů (kg) Vykonaná práce (kwh) pro překonání jízdních odporů při rychlosti 50 km.h -1 /kwh/100 km Vykonaná práce (kwh) pro překonání jízdních odporů při rychlosti 90 km.h -1 OA 1000 kg 17,37/34,74 32,79/36,39 OA 1600 kg 27,63/55,26 51,14/56,76 Vykonaná práce (kwh) pro překonání jízdních odporů při pohybu automobilu má vazbu na spotřebu energie (pohonných hmot u ICE). Spotřeba pohonných hmot souvisí s emisemi CO2. Rozdíl v přímých a nepřímých emisích CO2 při překonání základních jízdních odporů automobilů uvedených hmotností je následující: Na výrobu 1 kwh elektrické energie se vyprodukuje přibližně 747 g CO2. Automobil s hmotností 1000 kg byl provozován se spotřebou elektrické energie 34,74 resp. 36,51 kwh/100 km. Automobil s hmotností 1600 kg byl provozován se spotřebou elektrické energie 55,26, resp. 56,76 kwh/100 km. Z toho vyplývá, že elektromobil s hmotností 1000 kg vyprodukoval nepřímé emise při rychlosti jízdy 50 km.h -1 : 34,74 x 747 = ,8 g CO2, elektromobil s hmotností 1600 kg vyprodukoval nepřímé emise: 55,26 x 747 = ,22 g CO2 na ujetých 100 km. Rozdíl mezi malým a velkým elektromobilem při rychlosti 50 km.h -1 činí: ,4 g CO2 při ujetí 100 km. O tolik více emisí CO2 zanechá hmotnější automobil, například ve městě.

45 45 Pokud se provede srovnání emisí CO2 automobilu o hmotnosti 1000 kg se spalovacím motorem, který vykonal tutéž práci na dopravní trase, jako malý elektromobil, zjistí se následující hodnoty. a) skutečně využívaný výkon k pohybu 32,79 kw b) za hodinu odevzdal motor práci 32,79 kwh, což při jeho 35% účinnosti vyžadovalo příkon: P1 = 32,2/0,35 = 93,7 kwh c) Přepočet z kwh na MJ: P1 = 93,7 x 3,6 = 337,3 MJ d) Výpočet spotřeby paliva v kg: mc = P1/Q = 337,3 : 46,4 = 7,2 kg e) Přepočet kilogramů na litry: V = m/ρ = 7,2 : 748 = 0,0095 x 1000 = 9,7 l Spotřeba paliva při uvedeném jízdním režimu je 9,7 l.h -1, tzn. 9,7 litrů za 1 hodinu při uvedeném režimu jízdy. Ze spotřeby paliva se vypočítají emise CO2. Automobil vyprodukoval přímé emise CO2 : 9,7 x 23,2 = 225,1 g CO2/1 km, což je 225,1 x 100 = g CO2/100 km. Výpočet nepřímých emisí automobilu se spalovacím motorem: Publikované údaje uvádějí, že se při výrobě 1 litru benzínu spotřebuje 1,2 až 1,5 kwh (například Zpráva Environmentální hodnocení spotřeby elektrické energie, 2017). Automobil se spalovacím motorem má nepřímé emise: 9,7 x 1,35 = 13,1 kwh x 747 g CO2 = 9 781,9 g CO2/100 km. Malý automobil se spalovacím motorem vyprodukuje celkové emise CO2 následující: Přímé emise: g CO2/100 km Nepřímé emise: 9 781,9 g CO2/100 km Celkové emise malého automobilu s benzínovým motorem: Celkové emise velkého elektromobilu: ,9 g CO2/100 km ,22 g CO2/100 km Lidé obecně nevěří varujícím informacím o negativním vlivům emisí na životní prostředí a globální oteplování, protože v lidské historií (nedávné) hrála manipulace se strachem vždy velkou roli. Manipulace se strachem umožňovala vládnoucím třídám (elitám

46 46?) ovládat běžné obyvatele. Lidé se již historií poučili a proto se domnívají, že varování emisemi CO2 je manipulace se strachem. Takže negativnímu vlivu CO2 nevěří. Z uvedeného jednoznačně vyplývá, že výroba velkých elektromobilů je pro snížení emisí CO2 zbytečná. Předpoklad přínosu se opírá domněnku, že lidé, kteří by si koupili velký automobil se spalovacím motorem, si koupí také velký elektromobil. Neuvažuje se s předpokladem, že lidé, kteří provozují malý automobil se spalovacím motorem, si koupí velký elektromobil, ale koupí si malý elektromobil. To za předpokladu, že na trhu takový EM bude k dispozici a jeho technické a provozní parametry budou ke koupi motivovat. Tatím takový není, velkou bariérou je jeho cena (2018). Poznámka: Obecně platí, že jakýkoliv elektromobil, který spotřebuje více než 19,2 kwh/100 km, vyprodukuje více emisí, než malý (hmotnost 1000 kg) automobil se spalovacím motorem s udávanou spotřebou 4,3 litry BA na 100 km. Společenská odpovědnost jednotlivců i firem automobilové výroby je v oblasti ochrany životního prostředí velmi nízká. Firmy jsou řízeny především ziskem, resp. dividendami pro akcionáře. Zvyšuje se účinnost marketingu (on line) s cílem přesvědčit spotřebitele, že velký osobní automobil s vysokým výkonem motoru, vysokou hmotností, s mnoha asistenčními systémy a nízkým časem pro zrychlení z 0 na 100 km.h -1, je pro ně ten nejlepší. Spotřebu paliva a tím zbytečně vysoké emise výrobci úmyslně zkreslují, aby oklamali tu část spotřebitelů, kteří z nějakých důvodů váhají investovat peníze do automobilu s technickými parametry nevyužitelnými v praxi při běžném pohybu na dopravní trase (zdroje: odborné motoristické časopisy AUTO 7 (září 2017), Auto TIP (březen 2017), AUTO BILD). Firmy v podstatě testují na lidech, do jaké míry je lze přesvědčit o tom, aby koupili automobil, který ve skutečnosti nepotřebují. Několik procent těch, kteří se o problematiku životního prostředí, ovlivněného emisemi výfukových plynů, zajímají a takové automobily koupit nectějí, klidně oželí, protože trh se především opírá o většinu. Neinformovaná, resp. zmanipulovaná většina je pro automobilové firmy velmi důležitá. 4.2 Úkoly elektromobility 1) Snížit emise (nejen CO2) zejména z dopravy ve velkých městech; 2) Snížit energetickou spotřebu ropných produktů v dopravěí;

47 47 3) Přesměrovat využití ropy ( změnit tok energie ) z energie využívané v dopravě do jiných průmyslových odvětví (obaly, plasty, farmacie); 4) Nastartovat ekonomiku inovací výroby dopravních zařízení ( okázalá spotřeba je hnacím prvkem ekonomiky); 5) Připravit společnost na očekávané dosažení odložené tzv. Hubbertovy křivky (po ropném vrcholu ropa náhle nedojde, ale její těžba se bude postupně snižovat a její cena prudce zvyšovat); 6) Zajistit energetickou soběstačnost pro zajištění pohybu v oblasti dopravy (udržitelný rozvoj dopravy) Udržitelný rozvoj dopravy Udržitelný rozvoj dopravy je takový způsob rozvoje dopravy ve prospěch lidské společnosti, který uvádí v soulad energetický, hospodářský a společenský pokrok s plnohodnotným zachováním životního prostředí. Mezi hlavní cíle udržitelného rozvoje dopravy patří zachování životního prostředí budoucím generacím v co nejméně pozměněné podobě tak, aby byla zajištěna kontinuální dostupnost energie pro pohyb vozidel ve prospěch všech lidí ve společnosti, kteří o to projeví zájem (soukromé osoby, právnické osoby), a aby nedošlo k náhlému omezení dopravy vlivem nedostatku dostupné energie. Je postavený na sociálním, ekonomickém a environmentálním pilíři Elektromobily jako součást udržitelného rozvoje dopravy Pokud budou elektromobily vyráběny ve shodném trendu (velké, těžké, se zbytečnou výbavou) a provozovány stejným způsobem (neefektivní režim jízdy, tzn. jízda v nesmyslném režimu ), jako například mnohé automobily se spalovacím motorem, nemůže být pro životní prostředí za současných podmínek jejich přínos pro životní prostředí tak velký, jak se očekává (viz odstavec: Rozdíl v celkově vykonané práci (kwh) při překonání základních jízdních odporů automobilů rozdílných hmotností). Pro udržitelný rozvoj v oblasti osobní automobilové dopravy je nutné zajistit optimální režim jízdy na dopravní trase (vydané energie) tak, aby byla hodnota vynaložené práce, na absolvování dráhy dlouhé 1 km 0,10 kwh/1km u elektromobilů.

48 48 Při jízdě s moderním elektromobilem by měla platit zásada, že pro zajištění pohybu hmotnosti 1000 kg (včetně posádky) na běžné dopravní trase, v běžném jízdním režimu, je třeba dodat 10 kwh energie z baterie na 100 km. Obdobně, při provozní hmotnosti EM o hmotnosti 1500 kg by měla být spotřeba energie 15 kwh. Obdobně platí, že při jízdě s moderním ICE platí, že pro zajištění pohybu hmotnosti 1000 kg na běžné dopravní trase, v běžném jízdním režimu, je třeba dodat pro ujetí 100 km maximálně 43 kwh/100 km energie z benzínu, což je při výhřevnosti benzínu 43,2 MJ.kg -1, (43,2 : 3,6 = 12,09 kwh/kg = (12,09 x 748)/1000 = 9,043 kwh.litr -1 ) spotřebované množství 4,7 litrů benzínu (4,2 litrů nafty). Elektromobily mají za úkol negativní projevy období nutného útlumu zmírnit. Proto je rozumné podporovat zájem lidí, kteří si elektromobily kupují a také je rozumné elektromobilitu vnímat jako všestrannou pomoc pro období, kdy bude poměr mezi energií vynaloženou k získání z ropy a energií, která se extrahuje z vytěženého množství zdroje (energetická výnosnost) nevýhodný v kritickém poměru. Pokud cena pohonných hmot stoupne na hodnotu, kdy cena za ujetý kilometr přesáhne akceptovatelnou hodnotu, doprava se stane příčinou celosvětové krize (například ve výrobě potravin, při těžbě surovin, při dopravě objednaného zboží v e-shopech k objednavatelům, při dovozu zeleniny a ovoce z celého světa, při individuální turistice apod.). Při užití chybně voleného (buď úmyslně, nebo vlivem nedostatečných mentálních a smyslových schopností) jízdního režimu to může být až o 15 až 20 kwh i více. Elektromobily řidiče zpočátku, kdy je jejich jízdní dosah relativně krátký, opět naučí, jak jezdit s rozumnou spotřebou energie (používání spalovacích motorů k úspoře energie pro jízdu nemotivovalo), pokud nebude nabíjecí infrastruktura na potřebné úrovni. Spalovací motory to nedokázaly, přestože jejich emise, hluk a prachové částice měřitelně i senzoricky znečišťovaly ovzduší (zejména ve městech a kolem dopravních tras s hustým provozem) a byly tak v některých případech o 80% vyšší, než při ekonomické jízdě. Negativní vliv emisí z dopravy si běžný člověk neuvědomuje z rozmanitých důvodů.

49 Dílčí výhody elektromobilů ve srovnání s ICE a) Absence emisí v místě provozování; b) Vyšší účinnost využití energie pro pohyb; c) Možnost rekuperovat energii při gravitačním, nebo provozním prudkém zpomalování; d) Velmi nízká spotřeba energie při zpomalování a při zastavení vozidla ; e) Možnost využívat elektrickou energii pocházející z OZE; f) Snazší a podstatně levnější servis pohonné části elektromobilu; g) Snazší ovládání jízdních režimů a rozjezdů; h) Nižší náklady na ujetý kilometr (EM 0,54 Kč, ICE 1,68 Kč), což se samozřejmě může v budoucnosti výrazně měnit. i) Snazší a levnější výroba pohonné části elektromobilu oproti automobilu ICE. 5 Elektromobilita v České republice V roce 2017 bylo v ČR registrováno 1521 elektromobilů. V roce 2018 bylo za 10 prvních 5 měsíců registrováno 511 nových EM ( Zvyšuje se počet prodaných ojetých elektromobilů ( 4&fuel=4&category=1). Velmi rychle se rozrůstá počet veřejných nabíjecích stanic ( Počet 100 instalovaných nabíjecích stanic dosáhla v červnu 2018 síť veřejných dobíjecích míst pro elektromobily provozovaná skupinou ČEZ. Například Síť veřejných dobíjecích stanic skupiny ČEZ, která už se v současnosti svým rozsahem vyrovnává větším řetězcům klasických čerpacích stanic, dodala v roce 2017 do baterií elektromobilů celkem kwh elektrické energie. Šlo o téměř 4násobný nárůst oproti odběru v roce Významně zvyšuje síť veřejných nabíjecích stanic také společnost E.ON. 5.1 Postoje k elektromobilitě v ČR v současné době (2018) Zájem o elektromobily je v ČR ovlivněn následujícími názory: 1) Velmi omezený jízdní dosah elektrovozidel ve srovnání se spalovacími motory; 2) Není v současné době k dispozici dostatek lokální elektrické energie pro nabíjení většího počtu elektromobilů, resp. v krátkém časovém úseku;

50 50 3) Chybí v ČR infrastruktura, která by umožňovala dobíjení baterií v rychlém režimu (do 30 minut) ve veřejných nabíjecích stanicích; 4) Vysoká hmotnost baterií činí elektromobil velmi hmotný, s čímž souvisí nebezpečí v provozu; 5) Problémy s dobíjením baterií. Připojení do zásuvky více elektromobilů s vysokým odběrem elektrické energie (22 až 100 kw) v jednom místě, může způsobit přetížení lokální sítě a její následný výpadek; 6) Šíření neověřených informací, nepodložené pomluvy, znevažování významu elektromobilů bez ověřených nebo pravdivých informací, úmyslné kladení překážek rozvoji nových technologií, hledání a přeceňování negativ a potlačování pozitiv. Odmítavé postoje a neobjektivní hodnocení ze strany autorit (včetně vzdělávacích institucí). Například, že emise CO2 jsou při výrobě a provozu spalovacích motorů nižší, než u EM; 7) Vysoká cena elektromobilů ve srovnání s příslušnou kategorií vozidel se spalovacími motory; 8) Neřešený problém s likvidací baterií, u nichž skončí životnost po absolvování počtu nabíjecích cyklů; 9) Neochota mnohých lidí měnit zavedené zvyky při používání věcí, osobní pasivita v přístupu k novým technologiím, ničím nepodložený osobní odpor ke všem pokrokovým technologiím; 5.2 Rozbor postojů k elektromobilitě v ČR Některé výše uvedené názory jsou opodstatněné, některé vycházejí ze zkreslených, nebo nedostatečných informací, jiné se opírají o úmyslné nepravdy a negativní postoje ke všem moderním technologiím (což je v lidské společnosti běžné a obvykle souvisí i s věkem). Jaký bude vývoj v počtu automobilů v ČR do roku 2020 lze odhadnout ze zvyšujících se počtů elektromobilů (statistická ročenka Například v roce 2011 to bylo 15 elektromobilů, v roce 2012: 200 elektromobilů, v roce 2013: 237, v roce 2014: 417 elektromobilů, v roce 2015 bylo registrováno 713 elektromobilů, v roce 216 to bylo 974 elektromobilů. V současné době (konec roku 2017) bylo v České republice registrováno 1521 elektromobilů. Poradenská firma Roland Berger udává, že dosáhne roční prodej elektromobilů v ČR v roce 2020 až 7000 vozidel. V Národním akčním plánu čisté mobility, který byl v říjnu 2015 zpracován na Ministerstvu průmyslu a obchodu České republiky jsou uvedeny následující počty EV ( NAP_CM pdf): Pro rok 2020 je odhad registrovaných vozidel ks

51 51 elektromobilů (6 000 BEV a PHEV), v roce 2030 to už má být v ČR ks elektromobilů. Po roce 2030 bude roční prodej ks a v roce 2040 se očekává počet elektromobilů na silnicích (a v garážích) České republiky. V NAP CM je také řešena podpora infrastruktury nabíjecích stanic. Podle reálného vývoje registrovaných elektromobilů a s přihlédnutím k vývoji trhu s elektromobily v roce 2017 (a ke všem pozitivním a negativním trendům) to bude v roce 2018: 2800 elektromobilů, v roce 2019: 5200 elektromobilů a v roce 2020 to bude celkový počet registrovaných elektricky poháněných osobních automobilů přibližně 10 tisíc, čili nárůst o 4800 elektromobilů za rok. Je to ale předpověď na základě dostupných hodnot a faktorů známých v současné době, takže zde může být odchylka ± 20 % (Celjak, 2017). Výsledky průzkumu společnosti Dalia z roku 2017 uvádějí, že v příštích pěti letech plánuje koupi elektromobilu ve světě až 40 % lidí. Největší zájem o ně vyjadřují v Thajsku, kde o koupi bezemisního auta uvažuje 66 % dotázaných respondentů. V závěsu je Vietnam (62 %) a Čína (58 %), Indie (57%), Saúdská Arábie (45%). V Evropě je o elektrické vozy největší zájem v Norsku (53%) ve Španělsku (46%), Itálii (42%), v Rakousku (30 %) a Polsku (27 %). Až za nimi trochu překvapivě zaostává Německo a Francie. V USA a Kanadě je procentuální zájem stejný 31 % (zdroj Jízdní dosah Například v roce 2011 byl průměrný jízdní dosah EM 120 km (v Evropě například malé EV: Peugeot ion, Citroën C-Zero a Mitsubishi i-miev), což může být pro některé uživatele málo. Navíc jejich cena byla průměrně ,- Kč. Je zřejmé, že elektromobily v roce 2011 byly pouze pro pár skalních fanoušků. Zatímco v roce 2011 byl medián dojezdu 117 kilometrů, v roce 2017 to bylo již 183 kilometrů. Pokud by se sledoval průměrný dojezd, tak by byl rozdíl ještě přesvědčivější. Zlepšení mediánu o 56 procent je zřejmě pouze začátkem, protože v roce 2018 bude uvedeno na trh několik elektromobilů s dojezdem kolem 500 km. V souvislosti s jízdním dosahem, je nutné připomenout, že elektromobily měly být prioritně určeny pro krátké vzdálenosti, především do měst. Elektromobil využívaný k dennímu dojíždění na kratší vzdálenosti nemusí být velký, luxusní a nemusí mít baterii s vysokou hodnotou elektrické práce. Z výsledků měření intenzity silničního provozu (například mapa sčítání vozidel lze zjistit, že nejvíce

52 52 automobilů denně dojíždí z okruhu do 25 kilometrů kolem větších měst (u některých měst až 75 %). To znamená, že pokud by některá vozidla projela celým městem z důvodů zaměstnání řidiče až na opačné straně města, než je jeho bydliště, bude průměrná jízdní vzdálenost 42 kilometrů a 70 kilometrů maximálně za den (při započtení jízdy do zaměstnání a ze zaměstnání a délka průjezdu městem zastavěné části do 10 km). V praxi bude tedy pro denní dojíždění jízdní dosah do 100 km vyhovovat (průměrně 75% osobních automobilů se spalovacími motory je tak v současné době využíváno). Podle výsledků Celostátního sčítání dopravy z roku 2016, které provádělo Ředitelství silnic a dálnic (zdroj: na základě interaktivní mapy a součtu všech sčítacích úseků kolem Českých Budějovic (odečteny počty projíždějících osobních automobilů, protože město České Budějovice nemá tzv. obchvat kolem města ) lze zjistit, že z okolí (přibližně 25 km) vjíždí a vyjíždí z Českých Budějovic v pracovních dnech osobních automobilů (v mimo pracovní dny je to přibližně o polovinu méně). Z přehledů nelze zjistit počty automobilů vznětových a zážehových. Přibližně dvě třetiny z tohoto počtu ( osobních automobilů) jsou automobily lidí, kteří přijíždějí každý den do města do zaměstnání, nebo za nákupy, což bylo zjištěno z jednotlivých sčítacích úseků, například sčítací úsek za Branišovem (od Dubného) projíždí denně osobních automobilů. Při znalosti průměrné spotřeby pohonných hmot na 100 km těchto automobilů v příměstském a městském provozu, lze vypočítat emise CO2. Vzhledem k absenci informací o počtech automobilů se spalováním nafty, nebo benzínu, resp. o konkrétních spotřebách konkrétních automobilů, byl výpočet prováděn s hodnotou 5,8 litrů na 100 km (v městském jízdním cyklu). Měrné emise CO2 na ujetý kilometr při spalování benzínu, by měly být vypočítány podle vztahu: průměrná spotřeba na 100 km x 23,38 (g CO2.km -1 ). Měrné emise CO2 na ujetý kilometr při spalování nafty by měly být vypočítány podle vztahu: průměrná spotřeba na 100 km x 26,83 (g CO2.km -1 ). Při výpočtu bylo uvažováno, že automobily ujely v příměstské a městské části za den průměrnou vzdálenost 25 km (do zaměstnání a zpět ze zaměstnání).

53 53 Obrázek 13 Ukázka intenzity dopravy z roku 2016 v úseku (příjezd do Českých Budějovic od severu) Pro výpočet byla stanovena průměrná hodnota (23, ,83)/2 = 25,1 (připouštím, že je to určitá malá nepřesnost). Z výpočtu: 5,8 x 25,1 = 145,6 g.co2.km -1 = 0,1456 kg.co2.km -1 lze vypočítat jaké hmotnostní množství CO2 zůstane denně ve městě České Budějovice a jeho okolí ve vzdálenosti přibližně 12,5 km: ks x 25 km = km x 0,1456 kg.co2.km - 1 = kg = 334, 9 tun CO2. Závěr je i přes drobné nepřesnosti ve výpočtu zcela jasný: Škodlivost emisí CO2 z výfuků automobilů poháněných SM je ve městech vážným problémem. Jízdní dosah obecně omezují 4 hlavní faktory z hlediska spotřeby energie: 1) hmotnost vozidla, 2) rychlost jízdy a zrychlení, 3) překonávání svahu a 4) způsob ovládání vozidla řidičem a používání elektrických spotřebičů - ohřev. Z nichž lze ze strany výrobce snadno ovlivnit první faktor a částečně také druhý faktor. Malé elektromobily s výkonem motoru do 15 kw, s elektrickou dispoziční prací 15 až 20 kwh v baterii, s reálným dojezdem 120 km, hmotností do 950 kg, rozměry 3100 x 1450 x 1485 mm a průměrnou spotřebou 7,5 kwh na ujetých 100 km (náklady za energii na 100 km jsou 35 Kč, tedy přibližně o 100 Kč nižší, než u srovnatelného automobilu se spalovacím

54 54 motorem) velký smysl má, protože je určeno pro pokrytí nejvyšších denních nájezdů kilometrů, zejména v příměstských a městských částech, kde je absence emisí a škodlivých látek z výfuků nejvíce žádoucí Neochota mnohých lidí měnit zavedené zvyky Mgr. Michaela Slussareff, Ph.D (Filosofická fakulta UK): O vztahu člověka k novým technologiím a inovacím strojních zařízení obecně platí: a) Ty, které existovaly ještě před narozením člověka, vnímá člověk jako nezpochybnitelnou realitu; b) Ty, které se objeví před 20. narozeninami, jsou cool, bomba, boží, atd.; c) Ty, které člověka zastihly v cetinách, budí pouze pozornost a zájem; d) Ty, které se začaly využívat v sátinách, člověka buď děsí, považuje je jako zbytečné, nebo má k nim přímo odpor; Přístup lidí a úřadů k novinkám v dopravě (automobilismu) měl vždy 3 etapy: První etapou byla lhostejnost, kdy tvůrci samohybů byli považováni za neškodné podivíny. Druhou etapou bylo období, kdy se ukázalo, že vozidla opravdu jezdí, začali se lidé bouřit, protestovat, předkládali návrhy, jak vozidla zakázat a úřady produkovaly omezující legislativu. Třetí etapou bylo objektivní poznání, že vozidla jsou pokroková a lidé o ně za krátký čas projevili velký zájem Vysoká pořizovací cena elektromobilu (baterií) Cena se liší mezi značkami a modely, v průměru jsou ale elektroautomobily 2 až 3 dražší, než benzínové a dieselové automobily ve stejné kategorii. Cena elektromobilu s baterií 22 až 30 kw je až ,- Kč (2018). Očekává se snížení cen elektromobilů v roce 2020 na úroveň cen automobilů se spalovacím motorem (prohlášení představenstva koncernu VW v roce 2018).

55 55 Investiční výhodnost při nákupu EM v porovnání s automobilem zážehovým ve srovnatelné kategorii vozidel (TESLA, Mazda CX-5) při ročním nájezdu km Teprve v okamžiku, kdy se zaplatí vyšší investice do nákupu EM (místo nižší do ICE!), začíná EM snižovat výdaje za provoz. Za kolik roků to bude, o tom rozhodnou následující faktory: Cena obou automobilů, provozní náklady - cena za 1 litr PHM, resp. za 1 kwh (tarif), průměrný roční nájezd kilometrů, průměrné spotřeby automobilů, servisní náklady, opravy a pojištění. CEV - CSM I = [(SSM/100). L. nb] [(SEV/100). L. ne] (rok) kde: CEV - cena elektromobilu (Kč) CSM - cena automobilu se spalovacím motorem (Kč) SSM - průměrná spotřeba automobilu se spalovacím motorem (l.100 km -1 ) L - počet ujetých kilometrů za jeden rok (km.rok -1 ) nb - průměrná cena paliva v daném roce (34,0 Kč. l -1 ) SEV - průměrná spotřeba automobilu s elektrickým motorem (kwh.100 km -1 ) ne - cena elektrické energie v předpokládané sazbě při nabíjení baterií (v rozsahu podle tarifu 2,15 Kč.kWh -1, 1,20 až 4,15 Kč.kWh -1 ) Příklady cen pro výpočet 1: Cena elektromobilu TESLA: ,- Kč (cena na Alza.cz), spotřeba 22 kwh na 100 km. Cena automobilu Mazda CX-5: ,- Kč, spotřeba 6,8 l paliva na 100 km. Roční nájezd kilometrů km. Servisní náklady nejsou započítány, přestože servisní náklady jsou vyšší u automobilů se spalovacím motorem. Liší se v závislosti na modelu automobilu a individuálních smluvních podmínkách (v některých případech je servisní prohlídka zdarma). Investice se stane výhodnou až za 60,8 roků. Porovnání reálných osobních automobilů v listopadu 2018 je uvedeno v následující výpočtu (zdroj: ).

56 56 Cena elektromobilu Leaf 2018 Cena ICE Micra Počet ujetých km/rok Cena PHM za 1 litr Tarif za 1 kwh Průměrná spotřeba ICE Průměrná spotřeba EM km/rok 31.9 Kč 4.3 Kč 4.5 litrů 15 kwh CEV - CSM (SSMxLxnPH SEMxLxnE roků Zde je patrné, že vysoká cena je skutečnou bariérou zájmu o elektromobily Distribuční soustava pro elektromobilitu není připravena Elektrická distribuční soustava je kontinuálně funkční a pokrývá všechny požadavky lidí, k čemuž je přednostně určena. Distributor má přehled o tom, kolik elektrické energie je v dané lokalitě požadováno a distribuční síť k tomu připravil, udržuje ji a zesiluje podle konkrétní situace v lokalitě (nová výstavba objektů se spotřebou elektrické energie). Distributor v současné době neřeší, zda jím distribuovaná elektrická energie je spotřebována na vaření, nebo na nabíjení elektromobilu, takže mu je v podstatě jedno, že je nabíjen elektromobil, důležitý je pro distributora hlavní domovní jistič. Pokud si majitel elektromobilu požádal o sníženou sazbu na jeho nabíjení, potom je distributorem evidován. Problémy jsou a zřejmě dlouhou dobu ještě budou s nabíjením elektromobilů na sídlištích. Obavy, že distributor může odmítnout distribuci elektrické energii pro nabíjení EM, jsou zbytečné, protože distribuce je řešena legislativou. Provozovatel distribuční soustavy je povinen dle Zákona č. 458/200 Sb. (Energetický zákon) stanovit podmínky a termín připojení a umožnit distribuci elektřiny každému, kdo o to požádá. Provozovatel distribuční sítě má sice podle PPDS právo odmítnout požadavek žadatele o připojení k DS v případě, že kapacita distribuční sítě je v požadovaném místě připojení nedostatečná s ohledem na požadovanou kvalitu dodávané energie (napětí, nesymetrie a dynamické rázy). Odmítnutí požadavku na

57 57 připojení do distribuční sítě ale musí obsahovat technický návrh náhradního postupu řešení připojení (připojení z jiného místa, připojení do jiné napěťové úrovně, časový interval pro posílení sítě). Nabíjení EM není náhradní řešení vážným problémem. Nabíjení EM v domácnosti vyžaduje aktivní přístup v závislosti na chodu domácnosti. Pokud jsou v domácnosti 3 lidé, může být okamžitá spotřeba elektrické energie v denní době přibližně 5,7 kw (například mohou být v činnosti současně+ následující elektrospotřebiče: pračka ve svém cyklu ohřívá vodu, kuchyňský robot hněte těsto, mikrovlnná trouba ohřívá párky, varná konvice vaří vodu na čaj, mrazící pult udržuje mražené potraviny a spustil se jeho elektromotor, TV je v provozu, lednička chladí na stanovenou teplotu, možná je v chodu vysavač, zapne se ohřev vody v bojleru, nebo průtokovém ohřívači, zapne se chod šnekového dopravníku a ventilátoru pro zabezpečení chodu automatického kotle na tuhá paliva, používá se kulma, svítí se 4 zářivkami, nebo třemi LED žárovkami apod.). Z tohoto důvodu je domovní jistič potřebné proudové hodnoty (například 25 A, 230 V = 5,75 kw). V noci je většina výše uvedených spotřebičů v nečinnosti, takže maximální spotřeba může být 1,4 kw (některé elektrospotřebiče pracují s automatickým spínáním), ale zpravidla je to mnohem méně, proto jsou v síti evidovány přebytky elektrické energie. Elektromobil lze nabíjet výkonem 5,75 1,4 = 4,35 kw. To znamená, že baterii 24 kwh lze nabíjet výkonem 3 kw, což si vyžádá dobu 24 : 3 = 8 hodin. Elektromobil je v podstatě akumulační spotřebič, který může v noci odebírat přebytky elektrické energie, čímž pomáhá se stabilizací elektrické sítě, tak jako to dělají například akumulační kamna, nebo přečerpávací elektrárny. Je to také jeden z důvodů proč elektromobily podporují energetické společnosti a investují třeba i do sítě rychlonabíjecích stanic. Složitější situace je na panelákovém sídlišti, protože v současné době není dostatek parkovišť pro parkování automobilů se spalovacími motory a je tedy nemožné ještě navíc vyhradit parkovací plochy pro elektromobily (například sídliště Máj a Vltava v Českých Budějovicích jsou toho příkladem). Automobily na sídlištích parkují podél cest, nebo na přilehlých malých parkovištích, která jsou většinou plně obsazená po celý den. Takže i kdyby podél cest a na parkovištích byly pilířové nabíjecí stanice s vyhrazeným parkováním pro EM, budou ve většině případech obtížně dostupné, protože budou s vysokou pravděpodobností obsazeny jinými EM. Baterie malého elektromobilu nemusí být nabíjena každý den, protože pokud ujede EM denně 20 km se spotřebou 11 kwh/100 km a baterie bude 20 kwh, spotřebuje 2,5 kwh (na jízdu a klimatizaci), stačí baterii nabít až po 8 dnech. Jenže to je teoretická úvaha, protože spotřeba může být ovlivněna několika faktory městského provozu. Pokud by majitel EM nabíjel denně, obsadí nabíječku na 1 až 2 hodiny. V praxi bude složité hlídání, kdy se

58 58 nabíječka uvolní. To je již v současné době řešeno tzv. smart grid (chytrá síť) bude řešeno v kapitole 9. Celková výroba elektrické energie byla v roce 2016: 83,3 TWh. Spotřeba v ČR činila 72,4 TWh, přičemž byla nejvyšší za posledních 10 let, kdy byl trend klesající. Z uvedených hodnot lze vypočítat, že vznikl přebytek elektrické energie v hodnotě: 83,3 72,4 = 10,9 TWh. (zdroj: V Roční zprávě jsou zajímavé údaje o nárůstu výroby z velkých vodních elektráren (nad instalovaný výkon 10 MW), které vyprodukovaly o 154 GWh více, než v uplynulém roce (rok 2015 byl neobvyklý z hlediska srážek), malé vodní elektrárny vyprodukovaly o 51 MWh více. Je potřeba si položit otázku: Kolik elektrické energie v kwh spotřebuje 1 elektromobil za rok, pokud ujede km? Průměrná spotřeba malého elektromobilu, který by měl být používán nejvíce (viz Úvod v dokumentu: Evropská strategie pro čistá a energeticky účinná vozidla, Brusel, : uplatnění EM je nejslibnější ve městech, vhledem k jejich omezenému jízdnímu dosahu, dokument: Národní akční plán čisté mobility, říjen 2015, MPO: EM zůstanou dominantní v malém a středním segmentu ), je 12,3 kwh/100 km (malé a mini spotřebují 8 až 11 kwh na 100 km, střední a velké spotřebují 22 až 28 kwh na 100 km). Výpočet: Průměrná spotřeba 1 EM za rok činí: ( * 12,3)/100 = kwh. Kolik bude spotřeba pro ks výše uvedených elektromobilů? Výpočet: x = 24,6 GWh. Z Roční zprávy ERÚ vyplývá, že by spotřebu pokryla pouhá část velkých vodních elektráren, což je téměř bezemisní zdroj elektrické energie pro pohon elektromobilů. Měsíčně se vyveze 450 až 1500 GWh (průměr za měsíc je 975 GWh), celkově za rok 2016 to bylo ,4 GWh (zdroj: a přečerpá se přibližně 60 GWh v přečerpávací elektrárně Dlouhé Stráně. Přečerpávací elektrárna v podstatě akumuluje přebytky elektrické energie. Z ročního přebytku elektrické energie roku 2016 ve výši 10,97 TWh by mohlo být nabíjeno například 2,7 milionů elektromobilů se spotřebou 20 kwh na 100 km, kdyby ročně ujely km a možná by nemusela být nepotřebná elektrická energie ukládána do přečerpávacích elektráren. Poznámka: Z celkového zářivého toku ze slunce (3, J.s -1 ) do prostoru dopadá neustále na povrch atmosféry země pouze asi jedna dvoumiliardtina. K povrchu atmosféry na plochu kolmou ke směru dopadajících paprsků se dostává během dne sluneční záření o průměrné

59 59 hustotě 1,38 kj.m -2.s -1 (= 1,38 kw.m -2 ). Tato hodnota se nazývá solární (sluneční) konstanta. Prakticky veškeré sluneční záření je v oblasti vlnových délek 280 až nm s maximem kolem 470 nm. Do ekosystému biosféry na právě osvětlené polovině povrchu Země dopadá průměrně jenom 0,65 kj.m -2 s -1 (tj. 0,65 kw.m -2 ), tj. 47 % toku zářivé sluneční energie dopadající na horní hranici zemské atmosféry. Bilanci ve spotřebě elektrické energie z veřejné sítě mohou kladně ovlivnit malé domácí fotovoltaické elektrárny. Možnost nabíjení pomocí FVP umístěných na střeše garáže, resp. domu. Například počet 8 panelů s plochou 11,5 m 2, 275 Wp disponuje průměrným výkonem 2,2 kwp. Roční výroba bude v praxi nižší, protože sluneční svit není vždy maximální, ale je závislý na denní době, na počasí (záleží také na lokalitě, kde jsou panely umístěny) a na jejich orientaci směrem k jihu. FVP jsou skloněny tak, aby byl sluneční svit příznivější. Měsíčně výroba elektrické energie ve většině lokalit v ČR kolísá od 50 kwh (prosinec, leden) do 270 kwh (červenec, srpen). Například ve Volarech byl celkový sluneční svit v roce 2017 v trvání 1666,5 hodin, s úhrnným výkonem 21 kwh.m -2 na vodorovné ploše. Z osmi panelů by to bylo pouze 241,5 kwh (zdroj: Výkon pro nabíjení baterií elektromobilů lze zvýšit vyšším počtem panelů a také bude nutné mít k dispozici baterie, do nichž bude ukládána elektrická energie přes den, kdy může být elektrické energie přebytek a v noci se tato energie přesune z této baterie do baterie EM. To však vyžaduje vysoké investice a proto se nepředpokládá velký zájem majitelů elektromobilů. Mezinárodní agentura pro obnovitelné zdroje (IRENA) vydala studii (2018) týkající se nákladů výroby elektrické energie z obnovitelných zdrojů v roce Hlavním poznatkem studie je, že výroba elektrické energie z obnovitelných zdrojů se s klesajícími náklady stává čím dál tím konkurenceschopnější. Do konce roku 2020 se náklady na výrobu elektrické energie z OZE podle IRENA vyrovnají nákladům na výrobu elektrické energie z fosilních paliv. Podle agentury stojí za poklesem nákladů tři klíčové důvody. Zaprvé se jedná o technologické inovace a zadruhé o konkurenci při výstavbě obnovitelných zdrojů, například v podobě aukcí. Třetím důvodem je široká základna zkušených, mezinárodních firem aktivních v rozvoji projektů a hledajících nové trhy po celém světě. Zejména pokroky v oblasti technologií, konkrétně ve zvyšování efektivity a dalšího snižování počátečních nákladů, budou i nadále zásadní. Studie IRENA tvrdí, že elektřina z OZE bude brzy levnější než elektřina z většiny fosilních paliv. Agentura očekává, že do roku 2020 budou náklady na výrobu elektřiny z technologií, které jsou nyní v komerčním provozu, spadat do rozsahu nákladů výroby elektřiny

60 60 z fosilních paliv, nebo budou dokonce nižší ( Trakční baterie EM se chovají jako akumulátory (úschovny) elektrické energie. Pokud jsou nabíjeny z přebytku elektrické energie, je to pro energetickou síť výhodné. Obdobně se chovají přečerpávací vodní elektrárny. Přečerpávací vodní elektrárna má dvě vodní nádrže. Jedna z nich je umístěna na níže položeném místě (dolní nádrž), druhá pak na vyšším místě (horní nádrž). Obě dvě nádrže jsou spojeny spádovým potrubím o velkém průměru. V noci se využívá přebytečná energie z elektrorozvodné sítě a voda se přečerpává z dolní nádrže do horní (elektrárna se v tomto režimu chová jako velký spotřebič elektrické energie, vyrobené z jiných zdrojů energie). V horní nádrži se tak vytvoří velké zásoby vody. Ve chvíli, kdy vznikne v napájecí elektrorozvodné síti potřeba většího množství špičkové energie, je voda řízeně vypouštěna z horní nádrže do dolní nádrže přes turbínu vodní elektrárny a část elektrické energie spotřebované na její noční přečerpání se tak během dne vrací zpět do elektrorozvodné sítě. Například přečerpávací elektrárna Dlouhé Stráně vyprodukovala v roce 716 GWh elektrické energie. V prvním pololetí roku 2017 vyrobila přes 349 milionů kwh elektrické energie, meziročně o 14,5 procenta více. ( Z uvedeného je patrné, že elektrické energie je přebytek a z tohoto z tohoto přebytku by bylo možné nabíjet elektromobilů, u nichž je spotřeba 12,5 kwh na 100 km a ročně ujedou km. 5.3 Podpora zájmu o elektromobilitu v ČR Zájem o elektromobilitu v ČR mohou podnítit následující faktory: a) Kritický stav ovzduší (zjistitelný osobními pocity a smysly lidí) ve velkých městech v neprospěch zdraví lidí, resp. zákaz jízdy vozidel se spalovacími motory do měst vzhledem ke kritickému (zdraví lidí ovlivňujícímu) stavu ovzduší. Společenská smlouva při používání ICE se stává nevýhodnou (ohrožení lidí na zdraví vlivem zbytečně produkovaných emisí); b) Stav CO2 na planetě Zemi z hlediska evidentních kritických klimatických změn, které budou mít bezprostřední (evidentní) negativní dopad na životy lidí v České republice (horko, mráz, sucho = negativní ovlivnění zemědělské produkce vyvolá strádání lidí);

61 61 c) Dostupnost EM se srovnatelnou cenou s vozidly se spalovacím motorem, poznání, že provoz a servis elektrovozidel je levný ve srovnání se spalovacími vozidly, až dojde k investiční návratnosti do 4 až 7 let při shodné výbavě a velikostní kategorie vozidel ICE a EM; d) Osobní poznatek, že elektromobily jsou snadno ovladatelné a jejich údržba je jednoduchá, protože spočívá v jediné domácí údržbě a to je zapojení vidlice do zásuvky v domovní síti a vidlice do zásuvky vozidla (pouze nabíjení baterie); e) Postupné omezování těžby ropy, což vyvolá zvýšení cen paliv (za hranici 44 Kč za litr) a jejich obtížná dostupnost, což vyvolá nepravidelnost dodávek a možnost nákupu u čerpacích stanic; f) Dostupnost elektrické energie a její výroba s nulovým ovlivněním ŽP ( zelená energie ) a perspektiva výroby elektrické energie v brzké budoucnosti (například předpoklad zahájení výroby ve fúzních elektrárnách v roce a pokles cen za spotřebovanou kwh elektrické energie); g) Snížení cen EV ze strany výrobců, resp. dotace na nákup elektromobilů pro fyzické osoby tak, aby byla jejich cena srovnatelná s cenou automobilu se spalovacím motorem ve shodné velikostní kategorii a se srovnatelnou výbavou; h) Možnost nabíjení baterií z domácí FVE (včetně baterií, které budou plnit funkci domácího úložiště ), na jejíž pořízení budou k dispozici dotace, aby reálná doba investiční návratnosti byla v polovině doby životnosti FVE (v závislosti na lokalitě, kde je FVE používána, což může být až 75% celkových nákladů); i) Příklad fungující elektromobility v zahraničí (Norsko, Thajsko, Malajsie, Čína); j) Funkční systémy Smart grid a Smatr city ; Možné důvody nutného útlumu používání ICE: 0) Společenská smlouva již nebude výhodná pro skupinu lidí, kteří škodlivé látky v emisích do ovzduší produkují (omezení vjezdu, parkování );

62 62 1) Cena pohonných hmot na čerpacích stanicích stoupne nad hodnotu 55,- Kč za 1 litr; 2) Budou zavedeny limity nákupu pohonných hmot (na osobu starší 15 let na určité časové období maximálně 20 litrů na měsíc), umožnění nákupu pohonných hmot nad limit za 10 násobek jejich ceny; 3) Bude zachována současná výroba elektrické energie a její cena za 1 kwh se dramaticky nezvýší. Poznámka: Kilowatthodina lithium-iontové baterie v současné době vyjde na 209 dolarů. Proti roku 2010 jde o pokles na pětinu. Agentura Bloomberg uvádí, že okolo roku 2020 stejná kapacita vyjde na méně než 100 dolarů (zdroj: Pronájem elektromobilů v ČR (tzv. půjčovny elektromobilů ) První půjčovna elektromobilů byla založena v Praze v červnu Provozuje ji společnost SIXT a zpočátku nabízela 5 elektromobilů Smart EO. Cena pronájmu na den byla 499,- Kč vč. DPH. Od té doby bylo zprovozněno několik půjčoven EM (nárůst byl zejména od roku 2015), především v Praze. V současné době (2018) je v Praze 8 půjčoven elektromobilů Tesla, Nissan Leaf, VW Golf, BMW i3, Fiat 500 E, Renault ZOE, Smart E, Peugeot ion, VW e UP a některých mini elektromobilů (například GOFOR FREE, Trend Park, PREmobilita, PROTECH-e.cz). Půjčování elektromobilů je ve formě krátkodobého pronájmu vypůjčiteli od půjčitele po předchozí rezervaci, kterou lze uskutečnit telefonicky, nebo také prostřednictvím internetu na základě poptávkového formuláře. Vyplněním několika údajů na příslušném webu ve formuláři lze provést volbu termínu a konkrétního elektromobilu z nabídky půjčitele. EM je zpravidla k dispozici s minimální hodnotou 90% dispoziční EE (kwh). EM má sjednané zákonné pojištění i havarijní pojištění. U havarijního pojištění je spoluúčast vypůjčitele 10%. Vypůjčitel zpravidla složí příslušnou výši kauce (u Tesly například 30000,- Kč a u (Leaf, VW egolf) ,- Kč. Je sepsána Smlouva o výpůjčce (podle ustanovení paragrafu 2193 Občanského zákoníku), kde půjčitel i vypůjčitel podepíší Předávací protokol. V předávacím protokolu jsou uvedeny identifikační údaje obou smluvních stran, popis elektromobilu s identifikačními údaji, převzaté doklady k elektromobilu, dokumentace a povinná výbava. V některých případech půjčitel zkontroluje, zda má vypůjčitel platný ŘP alespoň 2 roky.

63 63 Obvyklé ceny za půjčení (zápůjčku) elektromobilu na sjednaný termín (dny, měsíc, rok) závisí zpravidla na kategorii elektromobilu. Denní sazba se u mini a malého elektromobilů pohybuje v rozsahu 300,- až 600,- Kč/den, u středního elektromobilu 1000,- až 1600,- Kč/den. Například u elektromobilu TESLA je denní sazba ,- Kč/den. Ve smlouvě jsou sjednané také sazby za ujeté kilometry nad stanovený denní limit nájezdu kilometrů. Také je součástí smlouvy sankce za včasné nevrácení elektromobilu ve sjednaném termínu (za hodinu, resp. za den je to zpravidla dvojnásobek sazby za denní výpůjčku, v některých případech 5 000,- Kč). 6 Zdroje elektrické energie v ČR (2018) 6.1. Přehled největších zdrojů elektrické energie (2018): Jaderné elektrárny v ČR: počet 2 Spalovací elektrárny (ČU, HU, zemní plyn, LTO, biomasa): počet 26 Solární (fotovoltaické) elektrárny: počet: 150 Malé vodní elektrárny (do 5000 W): 112 Střední vodní elektrárny (výkon 5 až 10 MW): počet 10 Velké vodní elektrárny (výkon 15 až 650 MW): počet 12 Větrné elektrárny: počet 79 Ostatní zdroje: ostrovní systémy solární: (2,2 10,0 kw), BPS (kogenerační jednotky s běžným elektrickým výkonem 330 až 690 kw). Příklad: Průměrný OA (EV) ujede ročně km. Spotřeba energie průměrného elektromobilu je 12 až 22 kwh/100 km. Při uvažování, že spotřeba energie 1 EV bude 20 kwh/100 km, za rok to bude: *20/100 = kwh= 4 MWh/rok pro 1 EV. Jeden milion EV bude potřebovat 4 TWh ročně, což je přibližně 5% roční výroby elektrické energie v ČR (za poslední roky průměrně 27% roční produkce elektrické energie ČR vyváží). Z uvedené Roční zprávy o provozu elektrizační soustavy (ES) ČR Energetického regulačního úřadu vyplývá, že Česká republika může pokrýt spotřebu elektrické energie ks elektromobilů.

64 64 Obrázek 13 - Spalovací elektrárny mají v ČR 56% podíl (2017) na výrobě EE Denní maximální spotřeba elektrické energie v ČR se pohybuje v rozsahu až MW). Měsíčně se vyveze 450 až 1500 GWh (průměr za měsíc je 975 GWh), celkově za rok 2016 to bylo ,4 GWh (zdroj: ). Spotřeba průměrného elektromobilu za rok při ujetí 20 tisíc km: ( * 12,3)/100 = kwh Výroční zpráva ERU za rok 2017: fdcf-4c a346af0bb88

65 65 Obrázek 14 Přehled vybraných elektráren (JE, SE, FVE) s instalovaným výkonem (Celjak) 6.2 Orientační výpočet potřeby celosvětového výkonu elektráren pro plnou náhradu ropy v dopravě Celosvětová těžba ropy: m = barelů denně (průměr za posledních 5 let) Spotřeba ropy pro veškerou dopravu: 61% Přepočet barelu na litry: 1 barel je 159 litrů = *159 = m = litrů Měrná energie ropy: Em = 9,75 kwh.l -1 Výpočet: Wc = Em * m * 61/100 = (kwh) Wc = 9,75* *0,61 = 8, kwh Celosvětový mechanický výkon (při účinnosti spalovacích motorů 35%) Wc Pmech= ,35 = 12, kw 24 h Náhrada ropy v dopravě elektrickou energií: Pmech 12, Pel = = = 13, kw 0,90 0,90

66 66 Celková účinnost přenosu elektrické energie: výroba-síť-nabíječ-baterie-elektromotor: 0,7 (vodíkový palivový článek přibližně 0,40) Celosvětový výkon elektráren pro plnou náhradu ropy v dopravě: Pel 13, Pel = = = kw 0,70 0,70 Poznámka: Spotřebu by pokrylo 1000 ks JE Temelín (1000x2000 MW) K 1. červenci 2017 bylo ve 30 státech světa podle statistik WNA (World Nuclear Association Světová jaderná asociace: v provozu 446 jaderných reaktorů s celkovou instalovanou kapacitou MWe. Ve výstavbě je jich 59 ve 14 zemích. Plánuje se výstavba dalších 160 reaktorů. Celkem se ve světě předběžně uvažuje o vybudování dalších 378 reaktorů, jejichž instalovaný výkon by měl dosáhnout asi MW. Jaderné elektrárny ve světě by potřebu elektrické energie v současné době (2017) nepokryly. Nástup elektromobilty se neočekává skokový, ale pozvolný a výroba elektrické energie pro nabíjení elektromobilů nebude závislá pouze na elektrické energii vyrobené v jaderných elektrárnách. 7 Konstrukce elektromobilů (EM) Většina EM má poháněnou přední nápravu (jako ICE), některé zadní (VW), resp. obě nápravy. Pohon zajišťuje elektromotor (resp. 2 elektromotory). Objevují se koncepty s elektromotory v kolech. Baterie jsou zpravidla v podlaze, mezi přední a zadní nápravou, u některých nad zadní nápravou. Baterie jsou ve tvaru obdélníku, čtverce, tvaru T, I, H, nebo tvoří soustavu čtverců rozdílných rozměrů. Baterie, která je nejhmotnější elektrickou součástí vozidla, je v karoserii umístěna velmi nízko. To poskytuje velmi nízké těžiště, což zlepšuje celkovou stabilitu vozidla. Nabíjení baterie zajišťuje vestavěná (tzv. palubní ) nabíječka. Režim chodu elektromotoru a tím i rychlost, zrychlení a zpomalování EM řídí podle pokynů ovladačů jednotlivá dílčí zařízení (měniče, střídače), která jsou součástí invertoru.

67 67 Ohřev vzduchu v kabině zajišťuje buď tepelné čerpadlo, které využívá ztrátového tepla vzniklého při chlazení elektromotoru, nebo teplo z elektrického ohřívače, který je napájen z baterie. Ohřev sedaček zajišťují topné kabely s nízkou energetickou spotřebou a poskytnou rychleji pocitovou tepelnou pohodu posádce v zimě, než je tomu v případě ohřevu vnitřního vzduchu v kabině. Brzdy, tlumicí prvky podvozku a osvětlení automobilu jsou obdobné jako u ICE, včetně běžných asistenčních systémů. Obrázek 15 Uspořádání hlavních konstrukčních částí elektromobilu (foto NISSAN) 7.1 Elektromotor Každý elektromotor má nepohyblivou a pohyblivou část stator a rotor, každý musí mít zdroj magnetického pole, magnetický obvod a elektrické vinutí, které při průchodu proudu v interakci s magnetickým polem vytváří točivý moment. Elektromotor má ideální trakční charakteristiku. Při nulové rychlosti dodává elektromotor maximální hodnotu točivého momentu a velmi rychle (už od nízkých otáček) dosáhne maximálního výkonu, přičemž hodnota výkonu se vzrůstajícími otáčkami klesá pomalu. Elektromotor je ale schopen poskytnout maximální točivý moment pouze po omezenou dobu (několik sekund). Maximální točivý moment vyžaduje vysoké množství proudu, který se odebírá z baterie. Tím dochází k nárůstu vysoké teploty ve výkonové elektronice a motoru, což je řešeno jednak chlazením (využití pro ohřev kabiny) a regulací. Regulace zajistí pro ochranu elektroniky a elektromotoru, že je špičkový točivý

68 68 moment časově omezen, ale umožní velmi dobrou hodnotu pro zrychlení vozidla (příklady zrychlení: dragster: 31,3 m.s -2, F1: 16,3 m.s -2, Bugatti Veyron: 11,3 m.s -2, Porsche 911 Turbo: 10,3 m.s -2, Tesla EV: 9,25 m.s -2, běžný automobil se spalovacím motorem 2,52 m.s -2 ). Elektromotory s kotvou nakrátko jsou velmi spolehlivé. Životnost bezkartáčových elektromotorů je běžně přes 40 let, zkušenosti s trakčními elektromotory jsou takové, že vydrží 1 milion km bez údržby. Problém jsou pouze ložiska, která u levnějších motorů mohou vykazovat opotřebení už po km. Nižší životnost mají motory s permanentními magnety. U nich hodně závisí na kvalitě magnetů, ale obecně platí, že přežijí zbytek elektromobilu. Elektromotor neplýtvá energií a spotřebuje téměř celou dodanou energii, která je nutná pro překonání jízdních odporů. U automobilu se spalovacím motorem (ICE) odchází (je zmařena) většina energie teplem 7.2 Baterie Trakční baterie disponují oproti klasickým startovacím autobateriím vysokou odolností při cyklickém (opakovaném) hlubokém vybíjení a odolávají opakované zátěži při vybíjení na 0 až 10 % dispoziční elektrické práce baterie. Pro elektromobily jsou baterie podstatně větší a hmotnější a disponují vyšším počtem nabíjecích cyklů. Více o trakčních bateriích je uvedeno v následující kapitole Invertor Je to velmi důležité zařízení v elektromobilu, které: 1. Mění stejnosměrný proud z baterie na střídavý proud pro elektromotor v části střídač, protože baterie poskytuje stejnosměrný proud, zatímco elektromotor vytváří točivé magnetické pole díky střídavému proudu, takže jako spojovací článek musí být v elektromobilu invertor. 2. Řídí režim chodu elektromotoru za jízdy podle pokynů řidiče prostřednictvím akcelerátoru = pedálu akcelerace (rychlost a výkon) v části frekvenční měnič a umožňuje asynchronní motory provozovat v širokém pásmu otáček.

69 69 3. Obrací chod elektromotoru při zařazení zpětného chodu, protože mění pořadí průchodu proudu fází ve statorovém vinutí a mění směr otáčení točivého magnetického pole a tím také směr otáčení rotoru. 4. Při brždění a při uvolňování pedálu akcelerace řídí rekuperaci energie tím, že střídavý proud z elektromotoru=generátoru mění na stejnosměrný pro nabíjení baterie. 8. Baterie pro elektromobily Elektrickou energii získá elektromotor z baterie. Elektromotor je schopen práci odevzdat, má-li k dispozici elektrickou energii. Elektrická práce je součin napětí, proudu a času a její jednotka je Ws, resp. kwh. K posouzení činnosti elektromotoru, je ale třeba znát nejen práci, kterou odvede, ale také dobu t, za kterou ji vykoná. Výkon obecně vyjadřuje, jak rychle se určitá práce vykoná. Výkon P je fyzikální veličina, kterou lze určit jako podíl vykonané práce A a doby t, za kterou byla práce vykonána. Elektrický výkon je elektrická práce vykonaná za jednotku času. Elektrická práce je součin výkonu a času a udává se v kwh. A = U. I. t (kwh) (1 kwh = kj = 3,6 MJ). Obecně je to maximální hodnota elektrického výkonu, který je k dispozici elektromotoru při nepřerušovaném odběru v trvání 1 hodiny. V teoretické rovině, jestliže elektrický motor odebere z baterie průměrně 0,15 kwh pro ujetí 1 kilometru (kwh.km -1 ) při určité rychlosti jízdy za určitého prostředí, umožní baterie s hodnotou 30 kwh ujet průměrnou délku trasy (jízdní dosah) 200 km (30 : 0,15 = 200 km). V praxi je jízdní dosah poněkud nižší (až o 20%), což souvisí se skutečností, že nelze využít celou hodnotu 30 kwh a také klesá s počtem absolvovaných nabíjecích cyklů (až o 40 %). 8.1 Trakční baterie Trakční baterie je určena především k pohonu různých zařízení na elektropohon. Tedy k opakovanému vybíjení a nabíjení (cyklování). Baterie je obecně soustava propojených galvanických článků. Galvanický článek je chemický zdroj elektrického napětí. Tvoří jej dvě elektrody záporná anoda a kladná katoda. Elektrody jsou obklopené elektrolytem, který je buď v kapalném, nebo tuhém stavu. Protože jednotlivé galvanické články vytvářejí napětí řádově v desetinách voltů nebo v jednotlivých voltech, spojují se sériově do skupin tzv. baterií galvanických článků. Články jsou spojovány do modulů, moduly jsou spojovány do bloků. Spojení je buď sériové, nebo paralelní.

70 70 Trakční baterie disponují oproti klasickým startovacím autobateriím vysokou odolností při cyklickém (opakovaném) hlubokém vybíjení a odolávají opakované zátěži při vybíjení na 0 až 10 % kapacity baterie. Jejich tvar je individuální v závislosti na modelu EM. Není to již tvar kvádru, ale může být nepravidelného tvaru. Součástí trakční baterie jsou systémy pro nabíjení, ochranu baterie a zábrany proti destrukci baterie při dopravní nehodě. Oproti klasickým startovacím bateriím jsou trakční baterie navržené pro hluboké vybití a mnohem méně podléhají opotřebení elektrod při vybíjení a nabíjení. Porovnání technických parametrů startovací a trakční baterie: a) Startovací baterie: Příklad: 12 V 74 Ah = 12 x 74 = 888 Wh = 0,89 kwh Rozměr: 280 x 180 x 200 mm, hmotnost: 18,5 kg, 1 kwh = 20,7 kg. b) Trakční baterie: Příklad: 24 kwh, hmotnost 200 kg, 1 kwh = 8,3 kg, resp. 6,6 kg (články mají hmotnost 160 kg, ostatní připadá na rám, vodiče, obal). Baterie je klíčovou součástí EM, protože: Na její dostupné energii závisí jízdní dosah elektromobilu (EM) Je to nejhmotnější elektrická součást EM Je to nejdražší elektrická součástka EM Jako trakční baterie se v současné době s ohledem na dosaženou hustotu energie nejčastěji používají lithium-iontové baterie, přičemž jejich konkrétní chemické složení má vliv na jejich provozní vlastnosti a nákladovost Základní parametry baterií pro elektromobily U bateriových článků, nebo baterií galvanických článků (dále pouze baterií ) se sledují z hlediska jejich praktického využití následující parametry: měrná dispoziční elektrická práce (energie) = podíl uložené elektrické energie a hmotnosti baterie (Wh/kg), hustota dispoziční elektrické práce (energie) = podíl uložené elektrické energie a

71 71 objemu baterie (Wh/litr), míra samovybíjení = u primárních článků určuje dobu skladovatelnosti, elektrický výkon (elektrochemický) = množství energie, které je baterie schopna dodat za jednotku času (Wh), vnitřní odpor = velikost odporu článku při průchodu elektrického proudu, nabíjecí proud a nabíjecí doba = doba (s, hod), za níž lze doplnit baterii na plné množství energie, pomocí níž lze vykonat určité množství elektrické práce (kwh); účinnost = podíl vydané a dodané energie u baterie (90%), počet cyklů nabití/vybití baterie do konce životnosti (životnost je omezena počtem cyklů), Poznámka: Skladování baterií. Li-ion baterie ztratí 5 % dispoziční elektrické práce v prvních 24 hodinách po nabití na 90 až 100 %, poté ztrácí okolo 1 2 % za měsíc ve stanovených skladovacích podmínkách. Další 3 % za měsíc jsou využity pro funkci ochranného čipu, který zabraňuje možnému zničení baterie, při poruše membrány mezi anodou a katodou. Z uvedeného vyplývá, že je nutné skladované baterie, resp. baterii v neprovozovaném elektromobilu, minimálně za půl roku opět nabít, aby byl připraven pro dosažení uvedeného jízdního dosahu Výpočet základních parametrů trakčních baterií Každý článek baterie je charakterizován několika technickými parametry, zejména napětím U (V), kapacitou C (Ah), nabíjecím proudem při stanoveném nabíjení In (standardním nabíjením, rychlonabíjením) a schopností vykonat určitou hodnotu elektrické práce (dodat elektrický výkon za čas) E (kwh). Články baterie se vkládají do modulů, moduly se kompletují do bloků (paket, balík) a bloky tvoří baterii.

72 72 Obrázek 16 Válcový (cylindrický) článek LiFePO4, 32650, 3,2V 5000 mah (165,- Kč) pro výrobu akupacků Elektrická dispoziční práce článku baterie: E = U. I. t E = U. C (kwh) (kwh) kde: U - napětí článku (V) C kapacita článku (Ah) C = I. t (Ah) Články, moduly, bloky lze spojovat sériově, paralelně, nebo sério-paralelně. V závislosti na spojení článků do modulů - akupacků (modulů do bloků) lze vypočítat napětí a kapacitu a z těchto hodnot i dispoziční elektrický výkon baterie Výpočet technických parametrů baterií v závislosti na zapojení článků Sériové zapojení: Σ V; C (napětí se sčítá, kapacita zůstává stejná); E = (U. nv). C Paralelní zapojení: Σ C; V (kapacita se sčítá, napětí zůstává stejné); E = U. (nc. C) (Wh) (Wh) Sériovo-paralelní: Σ V/2; Σ C/2 (napětí se sčítá a dělí se dvěma, kapacita se sčítá a dělí se dvěma) Příklad 1: Stanovte celkové napětí v (V) a kapacitu (Ah) baterie, která se skládá z 10 ks článků o jmenovitém napětí jednoho článku 3,6 V a kapacitě jednoho článku 13 Ah (na obrázku 17). Články jsou zapojeny sériově. Sériové zapojení: Σ V = 10 x 3,6 = 36 V; C = 20 Ah.

73 73 Příklad 2: Jakou kapacitu v Ah má baterie, složená ze 192 ks článků, má-li jeden článek napětí 3,6 V a kapacitu 2800 mah, jsou-li články zapojeny paralelně? Paralelní zapojení: Σ C = 192 x 2800 = mah = 537,6 Ah Příklad 3: Jakou elektrickou práci E v kwh (elektrochemický výkon za čas) vykoná baterie, která se skládá ze 48 sériově zapojených článků s napětím 3,2 V a kapacitou 4 Ah? Sériové zapojení: Σ V; V = 48 x 3,2 = 153,6 V, C = 4 Ah E = U. C = 153,6 x 4 = 614,4 (Wh) Příklad 4: Jaký bude mít baterie elektrochemický výkon E, která se skládá ze 48 paralelně zapojených článků s napětím 3,2 V a kapacitou 4 Ah? Paralelní zapojení: Σ C; C = 48 x 4 = 192 Ah, V = 3,2 V E = U. C = 3,2 x 192 = 614,4 (Wh) Příklad 5: Obrázek 17 - SAFT LSH20 lithiový článek 3,6 V 13 Ah (510,- Kč) Jaký má baterie elektrochemický výkon E, jestliže se skládá z 3 modulů. V každém modulu jsou 3 články s napětím 3,6 V, kapacitou 5 Ah. Zapojení článků v modulu je sériové. Zapojení modulů je paralelní. Napětí v modulu u 3 sériově zapojených článků 3,8 V: 3 x 3,6 = 10,8 V; Kapacita v modulu: 5 Ah. Napětí v baterii se 3 paralelně zapojenými moduly: 10,8 V; Kapacita v baterii se 3 paralelně zapojenými moduly: 5 x 3 = 15 Ah

74 74 Elektrický výkon baterie, skládající se z 3 modulů: E = U. C = 10,8 x 15 = 162 Wh Obrázek 18 Akupack skládající se z 3 článků 3,6 V, sériově zapojených (3 Ah, 14,4 V, 700 Kč) Příklad 6: Jaký má elektrochemický výkon E baterie automobilu TESLA, jestliže se skládá z 16 modulů, které jsou sériově zapojené. Jeden modul disponuje kapacitou 300 Ah a napětím 21 V. E = (U. nv). C = (21. 16). 300 = (Wh) = 100,8 kwh Příklad 7: Jaký má elektrochemický výkon E baterie elektromobilu (Citroen C Zero), jestliže se skládá z 22 modulů, které jsou sériově zapojené. V jednom modulu je 5 článků sériově zapojených. Napětí jednoho článku je 3,0 V, kapacita článku je 50 Ah. a) Modul: Napětí v modulu u 5 sériově zapojených článků 3,0 V: 5 x 3 = 15 V Kapacita článků v modulu: 50 Ah b) Baterie Napětí v baterii se 22 sériově zapojenými moduly: 22 x 15 = 330 V; Kapacita v baterii s 22 sériově zapojenými moduly: 50 Ah c) Elektrochemický výkon baterie E = U. C = 330 x 50 = Wh Počet je: 22 modulů:

75 75 resp. 15 x 50 x 22 = Wh 8.2 Bateriový systém pro správu baterií (BMS) Úkolem BMS (bateriový managementový systém pro správu baterií) je chránit baterii a zabránit jejímu přebití nebo nadměrnému vybití. Je buď součástí baterie, nebo součástí vozidlové nabíječky. Je pro určitý počet článků, nebo univerzální. Proč je nutný systém Battery Management System (BMS) u LiFePO, LiON baterií: Pokud dojde k poklesu napětí článku na méně než 2,5 V, článek se poškodí. Pokud dojde k nárůstu napětí článku na více než 4,2 V, bude také poškozen článek baterie. (Olověné baterie jsou také poškozeny při přenabití nebo podvybití, ale ne okamžitě. Olověná baterie se zotaví z celkového vybití i poté, co byla několika dnů, nebo týdnů ponechána ve vybitém stavu v závislosti na typu baterie a značce). Články baterie se na konci nabíjecího cyklu nebalancují automaticky. Články v baterii nejsou 100% identické. Proto při ukončení nabíjecího cyklu jsou některé články plně nabité nebo vybité než jiné. Rozdíly se zvýší, pokud buňky nejsou čas od času vyvažované/vyrovnané. (V olověných bateriích také nadále proudí malý proud i po úplném nabití jednoho nebo více článků, příčinou tohoto proudu je rozklad vody na vodík a kyslík. Tento proud pomáhá plně nabíjet ostatní články, které zaostávají, čímž vyrovnává stav nabití všech článků). Proud, který protéká plně nabitým článkem LiFePO, LiON, je téměř nulový a méně nabité články se proto zcela nenabijí a stav se zhoršuje. Časem se rozdíly mezi články mohou stát tak velké, že i když je celkové napětí baterie v požadovaných mezích, některé články se zničí kvůli přepětí nebo podpětí. Baterie proto musí být chráněny pomocí BMS, který aktivně vyvažuje jednotlivé články a zabraňuje přepětí a podpětí. 8.3 Životnost baterií Životnost baterií se snižuje především 1) Zatížením baterie vysokými proudy. Například při jízdě s opakovanou prudkou akcelerací, je reálný energetický výstup z baterie vždy nižší. Chemická struktura baterie nezvládne vydat tolik proudu, jako když by byla vybíjena pozvolna. 2) Provozní teplotou. V mrazech (pod -15 C) nebo i při teplotách kolem 40 Celsia lithiové baterie vykazují sníženou kapacitu. 3) Úrovní (hloubkou vybíjení. U trakčních baterií obecně platí, že čím jsou vybíjecí cykly hlubší, tím je pak životnost baterie kratší (viz tabulka 4). Jedná se o tzv. exponenciální

76 76 úpadek dispoziční elektrické práce baterie. Například: bude-li se baterie opakovaně vybíjet do hloubky 80 % (tzv. D.O.D. 80 % = depth of discharge = hloubka vybíjení = vyčerpá se 80 % dispoziční elektrické práce, zůstane v baterii k dispozici pouze 20%), životnost baterie bude výrazně kratší než při vybíjení do hloubky pouze na 40 %. 4) Ponechání ve vybitém stavu. Čím delší dobu se baterie ponechá v nenabitém stavu a čím větší je její hloubka vybití, tím více se zkracuje životnost. Životnost baterie je dána její skutečnou dispoziční hodnotou elektrické práce v kwh (v odborné literatuře se uvádí také energií, elektrickým výkonem a také nesprávně kapacitou ) a pohybuje se řádově v tisících cyklů plného nabití a vybití. Jakmile klesne pod 50 %, přestává být pro používání v elektromobilu vhodná, protože se sníží jízdní dosah a pro elektromobil znamená také příliš velký podíl tzv. mrtvé hmotnosti Počet nabíjecích cyklů životnost baterie Jedním z parametrů baterie je počet tzv. nabíjecích cyklů, které je baterie schopna absolvovat, než dojde k jejímu vyřazení z provozu = vyčerpání. Vyčerpáním je podle ČSN EN pokles pod 60% kapacity. Některé údaje z oblasti trakčních baterií pro elektromobily uvádějí hodnotu poklesu pod 30 až 50% (zdroj: info@batteryimport.cz). Počet nabíjecích cyklů se uvádí 500 až 800 u elektrokol, u elektromobilů jsou údaje rozmanité a s mírnou nadsázkou lze říci, že to prodejci elektromobilů nechtějí přesně říci, nebo to zřejmě nevědí. V současné době lze uvažovat s počty až NC, které uvádí firma Panasonic (2018). U nově vyráběných trakčních baterií se počet nabíjecích cyklů zvyšuje. V tabulce 4 je uveden vztah úrovně vybíjení a životnosti trakční baterie. Tabulka 4 - Vztah úrovně vybíjení a životnosti trakční baterie hloubka vybíjení (D.O.D.) životnost - počet cyklů 100 % % % % % 1800 (zdroj: info@battery-import.cz)

77 77 Jeden teoretický nabíjecí cyklus se počítá z 0 na 100% s tím, že procenta se sčítají, takže když se každý den nabije baterie o 25 % její elektrické energie, tak plný jeden cyklus 100% je dokončen za 4 dny. Maximální počet cyklů je obvykle definován poklesem využitelné elektrické energie článku pod hranici 50 až 60 % a tím je také dána životnost baterie. Ne, že by pak byla baterie nepoužitelná. Pokud s ní bylo správně zacházeno, má zkrátka pouze nižší zásobu elektrické energie, která navíc s každým dalším cyklem klesá níž a níž. Lze ji využít jako úložiště EE (např. pro FVE). Baterie se vybíjí na 10 % zůstatku energie a nabíjí na 90 % plného stavu elektrické energie (je to řízeno systémem nabíjení a vybíjení). Možnost nabíjet baterii na 80 % také klesá s počtem nabíjecích cyklů. Na začátku je to 80 %. Přibližně v polovině nabíjecích cyklů se snižuje o 20 %, postupně klesá dále, ke konci na 50 %, kdy je nutné baterii vyměnit, nebo se smířit s velmi krátkým dojezdem EM. Takže ani u nové baterie není využívána štítková elektrická energie, ale pouze přibližně 80 % energie. Životnost baterie je jednak daná počtem cyklů plného nabití a vybití, ale také závisí na mnoha faktorech, jako je například hodnota nabíjecího proudu, délka nabíjení, hloubka vybíjení nebo okolní teplota. Pokud EM spotřebuje 12 kwh na 100 km, dispoziční (skutečný) elektrický výkon baterie je 24 kwh, je teoretický počet nabíjecích cyklů (NC) na 100 km: Pc = Esp/Eb = 12/24 = 0,5 cyklu spotřebuje na 100 km Výpočet počtu teoretických nabíjecích cyklů (NC) na ujetých 100 km v polovině předpokládaného počtu nabíjecích cyklů: Baterie s teoretickou hodnotou elektrické energie 24 kwh poskytne elektrickou energii na začátku používání 19,2 kwh (80 %), ale v polovině možného maximálního počtu nabíjecích cyklů je to o dalších 20 až 30 % méně, takže jen 50 až 60 %, z čehož plyne, že baterie už má k dispozici pouze 12 až 14,4 kwh. Tím se také sníží celkový jízdní dosah EM při nabité baterii. Výpočet: Esp Pc = (počet NC na 100 km) kde: Ebv Esp energie spotřebovaná pro ujetí 100 km (kwh.100 km -1 )

78 78 Ebv využitelná energie plně nabité baterie v závislosti na počtu absolvovaných nabíjecích cyklů od zahájení používání nové baterie (kwh) (Nová = 19,2 kw, v polovině předpokládaného počtu NC: = 12 kwh). 12 Pc = = 1 až 0,83 nc na 100 km 12 (14,4) Pokud EM ujel 100 km se spotřebou 12 kwh, byla v polovině možného počtu nabíjecích cyklů spotřebována energie plně nabité baterie již po ujetí 100 km. Současné (2017) lithiové baterie umožňují ujet přibližně až kilometrů bez jakékoli údržby (záleží na velikosti hodnoty jejich dispoziční elektrické práce, čím je vyšší, tím více kilometrů lze najet) a jejich elektrická dispoziční práce se dostane přibližně již na % počáteční hodnoty. Například, v prvním případě u baterie se skutečnou elektrickou dispoziční prací 24 kwh v elektromobilu, s průměrnou spotřebou 12 kwh na 100 km, bude spotřebován 0,5 NC na ujetých 100 km. Ve druhém případě u baterie se skutečnou elektrickou dispoziční prací 12 kwh v elektromobilu, s průměrnou spotřebou 12 kwh na 100 km, bude spotřebován 1 NC na ujetých 100 km. Pokud budou mít obě baterie k dispozici 1000 nabíjecích cyklů, elektromobil v prvním případě s baterií 24 kwh bude moci celkově ujet km ((1000/0,5) x100 = km). V druhém případě bude moci ujet pouze km ((1000/1) x100 = km. V současné době (2018) jsou používány baterie na bázi: oxidů kovů (např. oxid lithný manganu (LiMn2O2) fosfátů (např. lithný železitý fosfát, LiFePO4) Lithium-ion baterie Lithium-ion baterie (zkráceně Li-Ion baterie) je typ nabíjecí baterie, ve kterém se lithium-ionty pohybují mezi anodou a katodou. Vysoká hustota energie vzhledem k objemu se výborně hodí pro přenosná zařízení. Hlavním negativem je jejich stárnutí, což je snižování hodnoty dispoziční elektrické práce (DEP) nezávisle na používání. Při skladování baterie při teplotě 20 C, se DEP baterií snižuje o 20% za rok. Pokud by byla baterie skladována při teplotě

79 79 4 C, snižovala by se za rok DEP jen o 4%. Naproti tomu při teplotě 40 C by byla trvalá roční ztráta DEP baterie až 35-40%. Oproti NiCd a NiMH bateriím mají Li-ion baterie vyšší vnitřní odpor, proto není možné z nich získat tak vysoký proud. V případě přehřátí nebo připojení vyššího napětí může baterie explodovat. Li-ion baterie jsou s bezvodým elektrolytem, využívající pro kladnou elektrodu lithiumkobalt oxid (LiCoO2), lithium-mangan oxid (LixMn2O4), lithium-nikl dioxid (LiNiO2) a další, například lithium-vanad oxid (LiV2O5). Elektrolytem je nejčastěji lithium hexaflorofosfát, LiPF6, v nepolárním organickém rozpouštědle a záporná elektroda je vyrobena z uhlíkového materiálu. Ionty lithia se při nabíjení přesouvají z kladné elektrody na zápornou. Zásadním rozdílem oproti jiným typům bateriím je, že ionty lithia pouze interkalují do struktury záporné elektrody (interkalovat vmístit se do mřížky materiálu bez chemické reakce se samotným materiálem). To znamená, že v podstatě neprobíhá chemická reakce a je tak dosaženo velmi dlouhé životnosti bez velkých změn ve výkonech baterie. Dalším rozdílem je vyšší jmenovité napětí, které u lithium-iontových (Li-Ion) a lithium-polymerových (Li-Pol) baterií dosahuje 3,6 3,7 V na článek, u baterií lithium-železo-fosfát (LiFe) pak 3,2 V na článek, respektive 2,4 V na článek u baterií lithium-titan-oxid (LTO). Energetická hustota je vyšší než u ostatních typů baterií z velké části právě kvůli vyššímu napětí. Vybíjecí napěťová křivka je relativně plochá, což je výhodné, protože napájené zařízení má po dlouhou dobu téměř konstantní vstupní napětí, Výhody Li-ion akumulátorů Nízká toxicita Velmi vysoká hustota energie (160 Wh/kg) Možnost tvarovat baterii podle individuálních požadavků Nemá paměťový efekt Malá úroveň samovybíjení Vysoké nominální napětí Dobrá nabíjecí účinnost (80 %) LiFePO baterie Baterie využívají lithium železo fosfátu (LiFePO4). Toto označení získaly díky katodě vyrobené z tohoto materiálu. Anoda je jako u ostatních L-ion baterií vyrobena z uhlíku. Mezi

80 80 jejich hlavní přednosti oproti klasickým lithium iontovým bateriím patří především schopnost dodat vyšší proud a to, že při extrémních podmínkách nevybuchují. Na druhou stranu mají o něco nižší napětí a také nižší hustotu energie. Výhody Li-ion fosfátových baterií Téměř plochá křivka až do úplného vybití baterie Vysoký počet nabíjecích cyklů (až 3000 dle Panasonic) Netoxické Nemá paměťový efekt (paměťovým efektem se označuje se jím stav, kdy baterie postupně ztrácí svoji maximální dispoziční práci, jsou-li opakovaně nabíjeny jen po částečném vybití. Bezpečné oproti jiným typům lithiových baterií Vysoká životnost (až 10 let) Vynikající nabíjecí účinnost ( až 90 %) Levnější oproti jiným lithiovým bateriím Vyšší hustota energie ( Wh/kg) dnes se již dají běžně koupit baterie s hustotou 170 Wh/kg a více Nevýhody Li-ion fosfátových baterie Rychlé dobíjení snižuje životnost (sníží se počet nabíjecích cyklů) Možnost předčasného selhání po větším množství hlubokých cyklů (vybití pod 33 %) Dalším velice rozšířeným typem jsou lithium-polymerové (Li-Pol) články. Zde není elektrolyt kapalný, ale je to polymerní sloučenina, která je iontově vodivá. Články jsou většinou v obalu z hliníkové fólie a mohou být i relativně pružné. Elektrody článku jsou pokládány na sebe, ne svinovány, a mohou mít nejrůznější tvar. Toho se využívá například v místech, kde se nepravidelně tvarovanými bateriemi vyplňuje prostor. Energetická hustota je mírně vyšší než u článků s kovovým obalem, právě kvůli uspořené hmotnosti. Jmenovité napětí je 3,6 3,7 V, nabíjecí 4,2 V.

81 81 Obrázek 19 Trakční baterie je u OA-EM umístěna zpravidla co nejníže mezi nápravami Tvar a uložení trakčních baterií v osobních automobilech má za úkol: 1) Optimalizovat těžiště vozidla; 2) Zaujmout co nejméně užitného prostoru v interiéru; 3) Usnadnit demontáž a výměnu po ukončení životnosti; 4) Zajistit bezpečnost posádky při havárii automobilu; K největším světovým výrobcům trakčních baterií patří TESLA, Panasonic, Samsung a LG Chem. V současné době je velké množství start-upů, jako například Kreisel Electric a připravuje se výroba baterií pro Evropu (2018). Aby mohl mít elektromobil jízdní dosah (jízda bez zastavení za účelem doplnění energie pro pohyb automobilu) při plně nabité baterii 700 kilometrů, musela by baterie disponovat elektrickým výkonem 180 kwh, v závislosti na hmotnosti EM, podmínkách při jízdě a schopnosti řidiče efektivně využívat elektrickou energii k jízdě. Například velkého EM (hmotnost nad 1750 kg) lze očekávat spotřebu 24 až 26 kwh na 100 kilometrů (180 x 100)/24 = 750. V současné době (2018) platí, že 1 kwh baterie představuje přibližně hmotnost 4,5 až 12,5 kg, záleží na konstrukci a použitém materiálu baterie (například Pb 1 kwh = 29 kg, LiFePO4 = 7,5 až 12,5 kg, Li on = 4,5 kg). Baterie 180 kwh by měla hmotnost 810 až 1800 kg.

82 82 Pokrok jde neustále rychle kupředu a lze očekávat snížení hmotnosti baterií. Cena trakčních baterií je vysoká. Například 1 kwh představuje náklady až ,- Kč. Lze nalézt baterie i za nižší ceny. Například při odevzdání staré baterie 4 600,- Kč za 1 kwh, nebo si lze sestavit baterii z článků 18650, což by vyšlo na 6 000,- Kč za 1 kwh. Cena baterií LiFePO4 je nižší, ale vydrží méně nabíjecích cyklů. 8.4 Recyklace trakčních baterií Recyklace je proces, kterým lze zpětně získat strategickou surovinu. Je jasné, že opětovné užití recyklovaného materiálu šetří suroviny, které jsou nezbytné pro dlouhodobou udržitelnost li-ion baterií. Recyklace také ve většině případech šetří energii, která je nutná pro těžbu, zpracování surovin, šetří také životní prostředí, které je negativně ovlivněno při získávání surovin. Podněty k recyklaci mohou být různé, a záleží i na chemickém složení. Sníží se závislost na zemích se zásobami pro výrobu baterií (například lithium, kobalt, nikl), což je žádoucí ze strategických důvodů. Důležitým motivačním prvkem pro recyklaci li-ion baterií jsou požadavky kladené legislativou, které jsou nezbytné pro zajištění recyklace ve velkém měřítku. Směrnice 2006/66/ES uvádí, jak by měly být různé typy baterií recyklovány. Dále, v návaznosti na předcházející směrnici, platí nařízení EU 493/2012, které stanovuje prováděcí pravidla pro výpočet recyklační účinnosti procesů odpadních baterií. Směrnice o bateriích zahrnuje i odpovědnost a povinnosti výrobce, který dodává baterie na trh, za jejich sběr a recyklaci: 95 % baterií dodávaných na trhu musí být nazpět shromážděno, 50 % celkové hmotnosti shromážděných baterií musí být recyklováno, Ekonomická motivace k recyklaci li-ion baterií je závislá na několika aspektech: a) Na chemickém složení baterie (kobalt je hlavním podnětem k recyklaci), b) Na geografické poloze předurčující fixní a variabilní náklady recyklačního subjektu, c) Na nastavení legislativy, která by měla nařizovat sběr baterií, d) Na recyklační účinnosti, e) Na ceně materiálů potřebných k výrobě li-ion baterií. Recyklace baterií je opředena nejistotou budoucí podoby baterií a zejména jejich chemickým složením, vzhledem k více technologiím na trhu a přechodu na levnější materiály na výrobu

83 83 katod. Jenom čas tedy ukáže, zdali budou recyklační subjekty ekonomicky soběstačné, anebo budou vyžadovat určitý druh podpory. 9 Nabíjení baterií elektromobilů Problematika nabíjecí infrastruktury je popsána v kapitole 3.1. Je potřebné, aby v ČR (obdobně jako v Rakousku, kde platí legislativa (Stavební řád, 64, odst. 3a)) bylo legislativně stanoveno nařízení, že u veřejně dostupných odstavných parkovišť s více než 50 parkovacími místy, musí být minimálně každé desáté parkovací místo vybaveno nabíjecí stanicí pro elektromobily a motocykly. V současné době jsou již k dispozici nabíjecí stanice (například Schrack Technic, CirCarLife, Voltdrive, Siemens, Nikola), které jsou jednoduché, intuitivně oblsluhovatelné, s inteligentní nabíjecí logikou. Nabíjecí stanice musejí splňovat bezproblémové připojení a bezpečné nabíjení (tzv. uživatelsky přátelské ), aby nevyvolávaly obavy (úraz elektrickým proudem, poškození systémů vozidla, výbuch a následný požár a další) u lidí, kteří jsou neznalí v oboru elektro a v konstrukci automobilů. Musí to být obdoba jednoduchého úkonu doplňování paliva hrdlem nádrže. Určitým prvkem, který působí proti rychlému rozvoji infrastruktury je skutečnost, že nabíjecí stanice předbíhají trh, resp. že nekorespondují s počtem EM na trhu a jejich budování a provozování nepřináší zisk. Tím není vytvářeno motivační prostředí pro investory, a proto jsou nutná opatření pro stimulování budování infrastruktury, například prostřednictvím přímé finanční podpory, podpory formou nastavení zvýhodněných podmínek pro připojení nabíjecích stanic k distribuční soustavě. Podle údajů Asociace elektromobilového průmyslu (ASEP) se v roce 2016 v České republice nacházelo 270 nabíjecích stanic a 631 dostupných zásuvek pro elektromobily (situace se rychle mění). V roce 2017 to bylo již 400 nabíjecích stanic a 800 dostupných zásuvek pro nabíjení elektromobilů. V roce 2017 vláda ČR oznámila, že chystá toto číslo do roku 2020 zvýšit až o 1200 stanic. Na základě informací několika desítek majitelů EM, většina z nich nabíjí své EM domácími nabíječkami a zbývající ve své firmě, resp. s dovolením zaměstnavatele v pracovní době. Tento stav se zcela jistě změní s vyšším počtem provozovaných EM, ale do roku 2020 lze spíše očekávat setrvalý stav, případně mírný nárůst (přibližně 300 až 500) počtu NS. V roce 2019 by se nabíjecí infrastruktura měla zlepšit o dalších 500 veřejných NS. Národní akční plán čisté mobility z roku 2015 uvádí na str. 31 předpoklad pokrytí infrastrukturou takto: Důležitá města a trasy budou pokryty do roku 2020, všechna města nad

84 84 10 tisíc obyvatel budou pokryta do roku Předpoklad je zajímavý, ale v praxi se zatím moc neprosazuje. Například v Českých Budějovicích bylo v roce 2017 dáno do provozu 5 nákupních center s parkovišti nad počet 50 automobilů (dokonce i pro více než 150 automobilů) a na žádném parkovišti se stojany pro nabíjení EV neinstalovaly. Je to pochopitelné, protože zastoupení EM na parkovištích je v současné době mizivé. V příloze Akční plán o budoucnosti automobilového průmyslu v ČR k Memorandu o budoucnosti automobilového průmyslu v ČR na kartě E8 se problematika budování nabíjecí infrastruktury řeší na kartách E8 a E9. Je možné, že připojení do zásuvky většího počtu elektromobilů s vysokým odběrem elektrické energie (22 až 100 kw) v jednom místě může v současné době (2018) způsobit problémy v distribuci elektrické energie, takže bude nutné systém nabíjení řídit (postupné nabíjení), což se stane v roce 2019 již běžné ( smart grid ). Je možné, že infrastruktura pro rychlé nabíjení vyššího počtu elektromobilů v některých lokalitách je v současné době nedostatečná (2018), ale to neznamená, že bude nedostatečná i v době, kdy bude elektromobilů v ČR skutečně vyšší počet (2022). Například benzínových čerpacích stanic před 40 lety nebylo v ČR také tolik, kolik jich je dnes a zpočátku se stávalo, že čerpací stojany nebyly okamžitě dostupné, nebo funkční, protože benzín v nádržích čerpacích stanic nebyl k dispozici. To se velmi rychle změnilo. Pohodlně lze nabíjet již dnes, ale podmínky zatím nejsou vhodné pro všechny majitele elektromobilů. Zatím disponují určitou výhodou lidé bydlící v rodinných domcích, a také ti kteří používají garáž s elektrickou instalací, nebo využívají možnost nabíjení v zaměstnání. Jaký bude vývoj v počtu automobilů v ČR do roku 2020 lze odhadnout ze zvyšujících se počtů elektromobilů (statistická ročenka Například v roce 2011 to bylo 15 elektromobilů, v roce 2012: 200 elektromobilů, v roce 2013: 237, v roce 2014: 417 elektromobilů, v roce 2015 bylo registrováno 713 elektromobilů, v roce 216 to bylo 974 elektromobilů. V současné době (konec roku 2017) bylo v České republice registrováno 1521 elektromobilů. Poradenská firma Roland Berger udává, že dosáhne roční prodej elektromobilů v ČR v roce 2020 až 7000 vozidel. V Národním akčním plánu čisté mobility, který byl v říjnu 2015 zpracován na Ministerstvu průmyslu a obchodu České republiky jsou uvedeny následující počty EV ( NAP_CM pdf): Pro rok 2020 je odhad registrovaných vozidel ks elektromobilů (6 000 BEV a PHEV), v roce 2030 to už má být v ČR ks elektromobilů. Po roce 2030 bude roční prodej ks a v roce 2040 se očekává počet

85 elektromobilů na silnicích (a v garážích) České republiky. V NAP CM je také řešena podpora infrastruktury nabíjecích stanic Způsoby obnovy energie baterií EM a) Výměna baterie, která bude mít standardní rozměry, elektrický výkon, napětí, kapacitu, a bude možné ji zasunout do EM ze spodní, boční, resp. zadní části ve výměnném středisku, nebo po částech z nabíjecích boxů. Tyto baterie budou nabíjeny z běžné sítě, nebo z úložišť, kam bude ukládána elektrická energie z FVE. b) Nabíjení baterie prostřednictvím nabíjecích zařízení. Baterie jsou trvale (po dobu jejich životnosti, resp. po vyčerpání počtu nabíjecích cyklů) uložené v automobilu a mohou se nabíjet v rozmanitých režimech nabíjení (běžné nabíjení, rychlé nabíjení). Nabíjení bude v některých případech vyžadovat úpravy místní elektrické sítě na požadovaný výkon při nabíjení. c) Nabíjení z podložky; d) Přepojení na záložní baterii (vezená ve vozidle, nebo v přívěsném vozíku) e) Rekuperace; Výměna baterie Systém se opírá o stanice (Battery Swap Station), v nichž lze v krátkém čase vyměnit vybitou baterii za nabitou. Výměna baterií je prováděna automaticky po najetí automobilu do vyhrazeného prostoru, manuálně vyjmutím baterií z úložného prostoru, například malé baterie u motocyklů), ale i u malých automobilů, kde lze vyjímat baterie po modulech, nebo kombinací. V současné době jsou stanice k dispozici pouze pro výměnu baterií jednoho výrobce elektromobilů, protože jsou baterie konfigurovány pro jeden model automobilu. Výměna baterie trvá krátkou dobu, zpravidla do 5 minut od příjezdu do stanice. Tyto systémy byly ověřovány již v roce 2007 (izraelská společnost Better Place). Firma získala peníze od investorů a mylně předpokládala rychlý rozvoj elektromobility, resp. velký počet prodaných elektromobilů v každodenním provozu (EM Renault ZOE prodávala bez baterií). Aby byla šance peníze investorům vrátit, měla firma velké plány a chtěla odstartovat na mnoha trzích najednou, od Izraele a Dánska po USA a Austrálii. Prodej elektromobilů ale nedosahoval předpokládaných počtů. V Izraeli, na který se firma nakonec soustředila nejvíce,

86 86 měla 37 výměnných stanic za desítky milionů dolarů, přitom zákazníkům dodala pouze 850 elektromobilů, oproti uvažovanému stonásobku. Obrázek 20 Stanice pro rychlou výměnu baterie automobilu NIO ES8 (Čína) V roce 2013 obdobný systém představil Elon Musk firmou TESLA, projekt byl pouze představen, ale nebyl využíván. V roce 2017 firma BatSwap představila stanici pro automobily Nissan, čínská firma vyrábějící elektromobily NIO ES8 představila malou výměnnou stanici a několik firem prezentovalo na výstavách malé výměnné stanice pro elektrokola, skútry a motocykly Nabíjení baterie prostřednictvím nabíjecích zařízení Baterie pro elektromobily představuje soustavu sekundárních článků, které je potřeba nejdříve nabít a teprve potom je možné baterii použít jako zdroj elektrické energie. Nároky na elektrické napájení u malých, zpravidla jednostopých vozidel (kolo, skůtr, tříkolka) jsou podstatně menší, než u osobních elektromobilů. Nabíjení probíhá malými nabíjecími výkony (90 W až 180 W). Proto postačuje pouze jištěná zásuvka ochranným kolíkem. V domácí zásuvce, která je součástí elektrické domovní sítě, je k dispozici střídavý proud (AC) s napětím 230 V. Střídavý proud se musí převést na stejnosměrný (DC). To se provádí v nabíječce, která je buď ve EM (palubní nabíječka), nebo v nabíjecí stanici. Řídící

87 87 elektronika v EM (BMS = Battery Management Systém) kontroluje stav nabití, teplotu článků baterie, napětí článků a řídí automaticky nabíjecí postup. Je to jednak za účelem optimalizace času nabíjení a také ve prospěch životnosti baterie. Napájení energií se provádí prostřednictvím zásuvek (konektorů) viz kapitola Doba nabíjení baterie EM Nabíjecí časy se liší v závislosti na elektrické energii baterie (kwh), druhu nabíječky a dostupném síťovém výkonu. Například baterii 24 kw lze pomocí běžné domácí zásuvky (230 V) a jističe 10 A nabíjet výkonem: P = U x I = 230 x 10 = 2300 W = 2,3 kw. Z toho vyplývá, že nabíjení zcela vybité baterie musí trvat 10 hodin (24 : 2,3 = 10,4 h). V praxi je to méně, protože baterie se nevybíjí na 0, ani se nenabíjí na 24 kwh. V režimu rychlého nabíjení je doba podstatně kratší. Může to být přibližně 1 hodina, resp. pod 20 minut. Nabíjení je realizováno prostřednictvím zařízení, které je zdrojem elektrického proudu. Elektrický proud prochází baterií a vyvolá v jeho článcích vratné chemické změny, které se projeví rozdílným elektrochemickým potenciálem na elektrodách. Velikost nabíjecího proudu závisí na kapacitě baterie a závisí na něm doba nabíjení. Z elektrod se pak dá čerpat na úkor těchto změn elektrická energie zpět. Protože jsou napětí na článcích elektrochemických baterií relativně nízká (okolo 1,2 3,7 V), jsou tyto články sdružovány do baterií článků pro dosažení vyššího napětí. Baterie pro elektromobily se nabíjejí buďto z domácích zásuvek nebo ze speciálních nabíjecích stanic (veřejné rychlonabíjecí stanice). Rychlonabíjecími stanicemi se tato zařízení nazývají podle délky času potřebného k dobití baterie. V případě zásuvkových elektromobilů je čas dobití baterie podle přenášeného výkonu a množství dobíjené energie obvykle přibližně 8 hodin, u rychlonabíjecí stanice to může být v rozsahu 15 až 30 minut. Tabulka 4 - Orientační doba nabíjení při použití zásuvek Parametr Schuko Typ 1 Typ 2 CHAdeMO CCS Napětí 230 V AC 230 V AC 400 V AC 500 V DC 500 V DC Proud 10 A 16 A 16 A 32 A 16 A 63 A 125 A 125 A Výkon 2 3,7 kw 3,7 7, kw 60 kw kw kw Doba nabíjení 8 10 h 3 5 h 1 3 h 20 min 20 min Bezdrátové nabíjení baterie z podložky

88 88 Bezdrátově nabíjet elektrické přístroje lze obecně pomocí tří základních způsobů: indukčním nabíjením, nabíjením radiovlnami a nabíjení s využitím rezonance. V současné době se nabíjení elektromobilů a elektrobusů testuje především systémem indukčního nabíjení. Indukce vychází ze skutečnosti, že kolem vodiče, kterým prochází elektrický proud, vzniká magnetické pole. Časovými změnami magnetického pole, které svými indukčními čarami obepíná vodič, vzniká ve vodiči elektrické napětí. Časové změny magnetického pole mohou být způsobeny jeho vznikem, nebo zánikem, také zesílením, nebo zeslabením. Tvoří-li vodič uzavřenou smyčku, indukuje se v ní elektrický proud. Popsaný jev se nazývá elektromagnetická indukce. Indukční nabíjecí systém je připojen na veřejnou síť. Elektrický proud prochází primární cívkou, která je zabudována do podložky (garáž, parkovací místo, křižovatka). Sekundární cívka je integrována do spodní části elektromobilu, přičemž vzdálenost obou cívek při nabíjení má být co nejnižší. V aktivním nabíjecím procesu vybudí primární cívka magnetické pole, díky kterému se začne indukovat elektrický proud v sekundárním obvodu a následně dojde k nabíjení baterie. Podložka může být pevně zabudována, nebo může být přenosná, jako například u systému firmy BMW, kde je základová deska (GroundPad) položena na podlahu v garáži a přijímací deska je zabudována do vozidla (CarPad). Bezkontaktní přenos energie mezi oběma deskami probíhá na vzdálenost přibližně osmi centimetrů (světlá výška je snížena výškou základové desky. GroundPad vytváří magnetické pole, které je v desce CarPad indukcí přeměňováno na elektrický proud určený pro nabíjení vysokonapěťové baterie.

89 89 Obrázek 21 Bezkontaktní nabíjení mobilní podložkou GroundPad Výrobce Qualcomm Halo využívá vysokoenergetický přenos energie prostřednictvím využitím rezonance, která umožňuje větší vzdálenost mezi jednotkou nabíjecí základny a nabíjecí jednotkou automobilu, než je to u indukčního nabíjení. Nabíjecí deska je tvořena složitou soustavou cívek, které zajišťují vysokou efektivitu přenosu energie a její vyšší nabíjecí výkon, jmenovitě 3,3 kw, 6,6 kw a 20 kw a to dokonce i v okamžiku, kdy nejsou funkční části přesně nad sebou, resp. v jedné linii Přepojení na náhradní (záložní) baterii Krátký dojezd elektromobilů je jednou z hlavních příčin, proč nemohou konkurovat automobilům s klasickým pohonem. Záložní baterie (jedna, nebo více) je uložena na lehkém jednonápravovém přípojném vozíku, aby nebyl zatěžován automobil. Vozík a automobil jsou propojeny kabelem, který je ukryt v oji. Vozík je nízký a je opatřen krytem s velmi nízkým součinitelem odporu vzduchu. Po vyčerpání energie z baterie uložené v automobilu, dojde k přepnutí na záložní baterii, uložené ve vozíku. Vozíky by se měnily ve výdejnách, kde by byly v rychlém režimu nabíjeny pro dalšího zájemce (například Nomadic Power). Vozíky se zatím v praxi nepoužívají.

90 90 Obrázek 22 Přípojný vozík s náhradní baterií (Nomadic Power) Nabíjení prostřednictvím kurýra Jedná se o systém rychlého nabíjení z mobilního zdroje, který je dopraven prostřednictvím kurýra k EM, u něhož je baterie vybita Veřejné nabíjecí stanice Používají se dva způsoby: a) Nabíjení střídavým proudem b) Nabíjení stejnosměrným proudem a) Nabíjení střídavým proudem

91 91 Umožňují nabíjení baterií ve vozidle podle výkonu nabíječky zabudované v automobilu prostřednictvím kabelu s koncovkami MENNEKES. Například nabíječka 3,6 kw nabije baterii zpravidla (24 kwh) za 8 až 10 hodin, nabíječka s nabíjecím výkonem 7,2 kw za 5 až 7 hodin, 22 kw přibližně za hodinu. Vždy záleží na dispoziční energii baterie. Baterii 8 až 30 kwh lze nabíjet zásuvkou 16A 230 V 3,7 kw, baterii kwh lze nabíjet zásuvkou 32 A 400 V, 22 kw. b) Nabíjení stejnosměrným proudem (nabíjecí norma CHAdeMo - CHArge de MOve, nebo CCS Combined Charging Solution, resp. Type 2 Standard) Umožňují nabít na 80% dispoziční energie baterie za 30 minut. Výkon je v rozsahu 22 až 100 kw (2018), v brzké budoucnosti až 150 kw, v delším časovém horizontu (3 roky) to bude 350 kw. Vzhledem k technologickému omezení (přehřívání baterií) poslední fáze probíhá při nižším výkonu. Nabíjecí stanice musejí mít výkon mnohem vyšší, než v současné době, kdy je rychlonabíjení v rozsahu 20 až 100 kw, aby nabíjení baterií vyžadovalo maximální dobu do 30 minut. Pokud by dnes řidič nabíjel baterii se stavem 10 % kapacity, doba nabíjení by byla: 180 kwh:100 kw = 1,8 hodiny. Takže výkon nabíjecí stanice musí být alespoň 320 kw, aby byl požadavek na dobu nabíjení 30 minut. I tak to bude obtížné, protože vzhledem k nežádoucímu zahřívání je výkon nabíjení postupně snižován. První nabíjecí stanice s výkonem 350 kw jsou již v Evropě postupně instalovány a celkově jich má být 400 (2018). Pokud bude počet a rozmístění rychlonabíjecích stanic správný, nebude nutné, aby měl EM baterii s vysokým elektrickým výkonem. Stačí pouze do 60 kwh (Luxusní, velký elektromobil TESLA X, S má 70, resp. 90 kwh). Řidiči budou muset rozvrh jízdy přizpůsobit požadavkům nabíjení, to vyžaduje určitá časová omezení a plánování trasy, což je pro mnohé lidi obtížně akceptovatelné. Při současném stavu nabíjecí infrastruktury (nejen v ČR, ale i ostatních zemích EU) nelze očekávat, že počet elektromobilů, s nimiž lidé budou jezdit na dovolenou, nebo na delší tuzemské výlety, se výrazně zvýší.

92 92 Obrázek 23 Terminologie podle ČSN EN , Obrázek 24 Vyobrazení vidlic nabíjecích kabelů

93 93 Někteří výrobci elektromobilů si jsou vědomi, že jízdní dojezd jimi prodávaných EM (2017) je překážkou v prodeji EM, tak půjčují na delší dovolenou automobil se spalovacím motorem lidem, kteří si koupili jimi vyráběný elektromobil (například Renault) Průběh nabíjení ve veřejné nabíjecí stanici Nabíjecí stanice (NS) je v pohotovostním režimu a zpravidla signalizuje pomocí zelené LED, nebo indikátorem připravenosti na displeji. Po připojení vidlice ohebného kabelu z vozidlové nástrčky (vozidlové zásuvkové spojení) do nabíjecí zásuvky, NS rozpozná způsob připojení pomocí pomocného kontaktu, který je součástí připojovacího kabelu. Potom se pomocí spínače (klíčový, otočný), nebo bezdotykové karty (RFID) aktivuje nabíjení. V některých případech nabíjení začne automaticky po připojení. Systém řízení baterie ve vozidle (BMS) řídí automaticky nabíjecí postup tak, aby bylo nabíjení rychlé a také šetrné k baterii. Nabíjení lze ukončit i před nabitím baterie na 100% odpojením vidlice nabíjecího kabelu. Zásuvka NS se okamžitě odpojí od napětí. NS pro veřejný sektor jsou vybaveny rozmanitými aktivačními systémy. Platbu lze provést několika způsoby: vložením mincí a bankovek, bankomatem, platbou předem u parkovacích ploch s obsluhou, kartou s RFID kódem s vyúčtováním apod Inteligentní nabíjení (i-charge) Jestliže je k dispozici na jednom stanovišti více nabíjecích míst a může být při jejich plném obsazení překročen celkový výkon přípojky, jsou k dispozici 3 základní systémy: a) Lokální zátěžový a energetický management b) Lokální balancování zátěže c) Umožnění nabíjet uživatelům s povolením užívat nabíjecí stanici Lokální zátěžový a energetický management pro více nabíjecích míst Zařízení s množstvím nabíjecích míst je možno se zátěžovým managementem provozovat i při nižším připojovacím výkonu, než může být požadováno (zapojení většího

94 94 počtu EM). Pokud je připojeno více automobilů, nabíjecí výkon se automaticky sníží tak, aby nedošlo k překročení maximálního výkonu při odběru elektrické energie. Zpravidla se jedná o 6 nabíjecích míst Lokální balancování zátěže pro 2 nabíjecí místa Pokud jsou na jednom stanovišti zřízena dvě nabíjecí místa, ale je tím překročený celkový výkon přípojky, systém automaticky řídí nabíjení. Pokud je obsazeno jedno nabíjecí místo, je napájeno plným výkonem, jakmile jsou obsazena obě místa, dojde k omezení celkového výkonu pro nabíjení Umožnění nabíjet uživatelům s povolením užívat nabíjecí stanici Pro umožnění nabíjení na nabíjecí stanici omezenému počtu uživatelů, je možné použít lokální systém RFID. Čtečka rozpozná karty uživatelů (zpravidla do počtu 100) Nabíjecí stanice synchronizované s rodinným domem Snímač BeON (ELEXIM, a.s.) je zabudován do stávající pojistkové skříně domu (elektroměrný pilíř), dynamicky upraví spotřebu nabíjení EM, pokud hrozí přetížení domací elektrické soustavy. Snímač měří a vyhodnocuje spotřebu domácnosti, vytváří signál a zasílá jej nabíjecí stanici (wallbox), která signál vyhodnocuje a podle toho upravuje výstupní nabíjecí proud. Využívá k nabíjení EM dobu, kdy spotřeba domácnosti taková, že lze EM nabíjet bez vlivu na chod domácnosti. 9.3 Elektrizační soustava v ČR Elektrizační soustava se rozděluje na dvě hlavní části: a) Přenosová soustava b) Distribuční soustava

95 95 Obrázek 25 Přenosová elektrizační soustava je charakteristická příhradovými ocelovými stožáry (foto Celjak) Přenosová soustava Elektrické vedení přenosové elektrizační soustavy je realizováno příhradovými ocelovými stožáry. Výkon přenášený vedením a napěťová hladina určuje rozměry celého stožáru a počet vodičů na jednu fázi. Ve vedení převažují nosné stožáry, které na závěsném izolátoru nesou kombinované AlFe lano. Jsou to lana složená z vodičů ze dvou materiálů, z nichž jeden má dobré mechanické vlastnosti a druhý zajišťuje dobré elektrické vlastnosti Přenosová soustava je v České republice sestavena ze sítí 400 a 220 kv a tvoří páteř elektrizační soustavy. Slouží k přenosu výkonů na velké vzdálenosti z rozvoden, zajišťuje propojení elektrizační soustavy se soustavami zahraničními a dále slouží pro vyvedení výkonu z velkých systémových elektráren. Přenosová soustava je pro lepší správu rozdělena do tří oblastí: Západ, Střed a Východ. S okolními státy je česká přenosová soustava propojena 11 vedeními 400 kv a 6 vedeními 220 kv. K těmto třem hladinám přísluší i odpovídající rozvodny, jichž je celkem 41. Jejich součtový

96 96 transformační výkon je MVA. Tento výkon je rozdělený mezi 4 transformátory 400/220 kv, 46 transformátorů 400/110 kv a 21 transformátorů 220/110 kv. Obrázek 26 Sloup distribuční soustavy s transformátorem (foto: Celjak) Distribuční soustava Distribuční soustava slouží k distribuci výkonu k odběratelům. V České republice je tvořena sítěmi 110 kv a všech nižších napěťových úrovní. Přenáší výkon na kratší vzdálenosti a jsou do ní připojeny elektrárny nižších výkonů.

97 97 Obrázek 27 - Přenosová soustava je v České republice sestavena ze sítí 400 a 220 kv a tvoří páteř elektrizační soustavy Generátory v elektrárnách vyrábějí trojfázový střídavý proud o napětí mezi 6 kv až 30 kv, které je transformováno nahoru na hodnotu 220 kv, tj. velmi vysoké napětí (VVN: 52 kv až 300 kv mezi vodiči) nebo na 380 kv (u jaderných a velkých tepelných elektráren). Rozdělení napětí do kategorií upravuje ČSN Napětí 380 kv (300 kv až 800 kv) je označováno jako zvlášť vysoké napětí (ZVN).

98 98 Obrázek 28 - Distribuční soustava v Českých Budějovicích a okolí Obrázek 29 - Přenosovou soustavu v ČR tvoří vedení VVN 400 kv, 220 kv, vybraná vedení 110 kv. Na výstupu z přenosové soustavy jsou zařazeny snižující transformátory, dodávající elektřinu do distribuční sítě, na napětích, nejčastěji 22 kv.

99 99 Trasy přenosového vedení ZVN jsou využívány pro dálkové a mezinárodní přenosy elektrické energie. Menší elektrárny dodávají elektřinu do sítě na napěťové úrovni 110 kv. Na této napěťové úrovni je dodávána elektrická energie i do velkých továren a tato úroveň je rovněž v kategorii velmi vysoké napětí (VVN). Na úrovni vysokého napětí (VN) (1 kv až 52 kv efektivní hodnota napětí mezi vodiči) v distribuční soustavě je dodávána elektrická energie zákazníkům s vlastními transformátory nebo k transformátorům pro místní rozvody nízkého napětí (50 V až 1000 V mezi vodiči v uzemněné soustavě). Převody na nižší úroveň napětí jsou zajištěny transformátory. V každém vedení elektrického proudu dochází ke ztrátám. Ztráty jsou rozdílem mezi energií dodanou do sítě a energií odebranou. Technické ztráty jsou způsobované slunečním vyzařováním, svodovými proudy, zejména u venkovních vedení, v dielektriku kabelů (nečistoty bránící průchodu elektronů), Jouleovy ztráty (přeměna na teplo ohřev vodičů a elektrických částí) na vedeních, kabelech a transformátorech, spotřebou měřicích, řídicích a spojovacích prvků, vlastní spotřebu elektrických stanic. Výpočet ztrátového výkonu při přenosu elektrické energie Ztrátový výkon při přenosu elektrické energie v síti VN (22 kv) pro nabíjení 200 ks elektromobilů v rychlém režimu nabíjení. Výkon nabíječky Schrack je 50 kw. Napětí v síti nabíjecí stanice je 400 V pro jednu NS. Odpor dálkového vedení je 0,2 Ω. 200 x 50 kw = kw. R. P 2 0, PZ = = = 0,041 (W) U Elektromotory trakční Většina elektromotorů je založena na principu schopnosti využití silových účinků magnetického pole pro vyvolání otáčivého pohybu rotoru. Na vodič protékaný elektrickým proudem, který se nachází v magnetickém poli, působí síla (Lorentzova síla) úměrná kolmé složce magnetické indukce a velikosti elektrického proudu tekoucího vodičem. Využívá vzájemné přitahování a odpuzování dvou elektromagnetů, nebo elektromagnetu a

100 100 permanentního magnetu. Sílu a polaritu elektromagnetu lze řídit velikostí protékajícího elektrického proudu. Pro pohon trolejbusů, souprav metra a tramvají jsou používány trakční motory výkonů v rozsahu 100 až 500 kw. Pro lokomotivy běžných vlakových souprav jsou používány motory s výkonem 500 až 2000 W (například společnost Škoda Electric vyrábí trakční motory určené pro lokomotivy o výkonech v rozmezí 500 až 1600 kw, pro trolejbusy vyrábí trakční motory s výkonem pohybujícím se od 100 do 300 kw, motory vyráběné touto společností pro soupravy metra disponují výkonem od 150 do 260 kw). Osobní automobily používají trakční motory od hodnot výkonu 15 kw do 150 kw (ojediněle i 300 kw). Elektrické mopedy jsou poháněny trakčními motory v rozsahu hodnot 0,8 až 1,4 kw. Malé nákladní automobily jsou poháněny trakčními motory o výkonu 6 až 15 kw. Elektrokola pohánějí elektromotory o výkonu 250 W. V současné době (2018) se cena 1 kw trakčního elektromotoru pohybuje v rozsahu 1000 až 1200,- Kč. (zdroj: Trakční motory jsou velkým zdrojem odpadního tepla a z toho důvodu tedy musí být dostatečně chlazeny, aby nedošlo k jejich poškození, případně i zničení. V zásadě se používají dva základní systémy chlazení. Jedná se o chlazení vlastní a chlazení cizí. Vlastní chlazení obstarává ventilátor na hřídeli stroje. Cizí chlazení je na jednu stranu nákladnější, na stranu druhou odstraňuje některé nedostatky chlazení vlastního, především jeho výkon lze přizpůsobit skutečné spotřebě a není závislý na otáčkách motoru. Lze ho také přizpůsobit okolní teplotě provozního prostředí. Dále lze zajistit dochlazování motoru, například po předchozím přetížení. Elektromotor se skládá ze dvou hlavních částí: statoru a rotoru Stator Stator je pevná část elektromotoru, která tvoří zpravidla vnější část elektromotoru. Na statoru bývají upevněny cívky vinutí s magnetickým obvodem, magnety, elektromagnety. Je složen z nosné kostry motoru, ložiskových štítů, příruby, patek, svazku statorových plechů se statorovým vinutím vloženým do drážek. Některé stejnosměrné motory mají na statoru umístěny permanentní magnety.

101 Rotor Rotor je otočná část stroje s magnetickým obvodem, vinutím a hřídelí, na které mohou být nasazeny kroužky, nebo komutátor, ale mohou být bez komutátorů (tzv. bezkartáčové ). Rotory elektromobilů jsou tvořeny nalisovanými rotorovými (elektrotechnickými) plechy s drážkami, do kterých jsou vloženy tyče rotorové klece nebo vodiče rotorového vinutí. Některé synchronní elektromotory mají na rotoru permanentní magnety. Rotor se obvykle otáčí v ložiskách v dutině statoru. Elektromotor je konstruován tak, aby na sebe působila magnetická pole rotoru a statoru a vzájemným působením vytvářela točivý moment. Točivý moment je přenášen na hřídel a vhodným uspořádáním přenosu (ozubená kola, diferenciál, hřídel) na kola automobilu. Otáčející se rotor tak vykonává mechanickou práci. Elektromotory jsou obvykle konstruovány tak, že se rotující část stroje nachází uvnitř statoru. Některé konstrukce elektromobilů využívají také rotory na vnější straně statoru, tj. opačně než obvykle. Elektromotor má méně pevných a pohyblivých částí. Ve srovnání s motorem s vnitřním spalováním (ICE), má elektromotor méně zdrojů možných poruch. Díky vysokému točivému momentu a vysokým otáčkám charakteristickým pro elektromotor není třeba používat vícestupňovou převodovku. Jednostupňová mechanická převodovka je dostatečná pro požadavky na běžnou trakci. Základními požadavky z hlediska konstrukce trakčních motorů je nízká hmotnost a rozměry. Rozměry jsou omezeny velikostí skříně a jsou závislé na uložení motoru v automobilu (vozidle). S rozměry elektromotoru roste i jeho hmotnost, a protože hmotnost trakčního motoru stoupá s výkonem elektromotoru (například hmotnost elektromotoru o výkonu 15 kw je přibližně 65 kg, hmotnost elektromotoru s výkonem 50 kw je přibližně 360 kg), jsou zde značné požadavky na jeho pružné uložení. Motor může být vzhledem k podélné ose vozidla uložen buď příčně tak, že osa motoru je rovnoběžná s osou poháněné nápravy, nebo podélně. V souvislosti s uložením trakčního motoru je požadováno příslušné a dostatečné krytí vůči okolnímu prostředí. Stupeň krytí je vyjádřen v tzv. IP kódu, definovaného mezinárodním standardem. Příkladem krytí trakčního motoru je IP 44, kde první číslice udává stupeň ochrany před nebezpečným dotykem a vniknutím cizích částic, druhá číslice udává stupeň krytí před

102 102 vniknutím vody. Krytí trakčních motorů před vniknutím vody je logické vzhledem k jejich umístění v podvozku vozidel, kde může snadno dojít ke kontaktu s vodou. Dalším požadavkem na moderní trakční elektromotory je nízká údržbová náročnost. Stejnosměrný motor je z hlediska údržby mnohem náročnější, než asynchronní trojfázový motor. U stejnosměrného motoru vyžaduje sběrací ústrojí (uhlíky=kaetáče) pravidelnou a poměrně častou kontrolu. Asynchronní trakční motor komutátor ani sběrací ústrojí nemá, proto je méně náročný na údržbu. Právě z tohoto důvodu je v trakci hojně využíván. Elektromobily jsou poháněny bezkomutátorovými (bezkartáčovými) elektromotory. Elektromobily jsou poháněny buď synchronními, nebo asynchronními trojfázovými motory Asynchronní trojfázový motor Pro trakční účely se využívají třífázové asynchronní motory s kotvou nakrátko napájené z měničů proměnným napětím a kmitočtem. Tok energie mezi hlavními částmi motoru (stator a rotor) je realizován výhradně pomocí elektromagnetické indukce, proto se často tento motor označuje jako motor indukční. Výhodou asynchronního motoru je vysoká spolehlivost, protože je konstrukčně velmi jednoduchý. Asynchronní motor nelze smysluplně a hospodárně řídit napětím. Řízení rychlosti skluzem je ztrátové a přepínáním počtu pólů lze regulovat pouze skokově, vychází jako jediný možný způsob plynulého a hospodárného řízení asynchronních motorů řízení současnou změnou napětí a frekvence. Díky frekvenčním měničům je možné asynchronní elektromotory v elektromobilech provozovat v širokém rozsahu otáček. Otáčky lze měnit plynule. Řízení pomocí frekvenčních měničů je na obrázku 30. Z obrázku je patrný způsob řízení asynchronního motoru. Z klidu se motor rozbíhá s konstantním momentem a výkon stroje se zvyšuje lineárně, za současného zvyšování napětí a frekvence a při konstantním poměru těchto veličin. Napětí nelze zvyšovat neustále. Dosáhne-li se napětí jmenovitého, nemůže se již dále zvyšovat. Od tohoto okamžiku napětí zůstává stejné a zvyšuje se pouze frekvence. To má za následek odbuzování motoru, otáčky dále rostou, avšak moment klesá. Výkon stroje je konstantní.

103 103 Obrázek 30 - Řízení pomocí frekvenčních měničů Asynchronní motor může využívat rekuperačního brzdění (generátorické brzdění), kdy se dostane asynchronní motor do nadsynchronních otáček, skluz je menší než 1 a elektromotor pracuje jako asynchronní generátor, dodává energii zpátky do baterie svým generátorickým momentem, kterým brání zvyšování otáček do vyšší nadsynchronní rychlosti. Tímto způsobem ale nelze brzdit až do nulových otáček Synchronní motory s permanentními magnety (PMSM) Uplatnění synchronních trakčních motorů malých a středních výkonů v elektrické trakci přinesla až možnost použití permanentních magnetů ze vzácných zemin. Synchronní motory s těmito permanentními magnety se označují PMSM (Permanent Magnet Synchronous Motor). Permanentní magnety představují hlavní součást PMSM. Obvykle jsou vyráběny ze dvou typů speciálních slitin. První skupinou jsou materiály na bázi prvků Neodym Železo Bór, druhou skupinou jsou materiály na bázi prvků Samarium Kobalt. Velkou výhodou permanentních magnetů z těchto typů speciálních slitin, oproti běžným permanentním magnetům na bázi feritu, je velká magnetická indukce. Častěji jsou používány magnety NdFeB. Mají větší hodnotu magnetické indukce a jsou cenově výhodnější. Jejich nevýhodou, oproti magnetům SmCo, je menší odolnost vůči korozi a z ní vyplývající menší životnost. Výhodou elektromotorů s permanentními magnety je absence budícího vinutí a tudíž i absence ztrát v budícím vinutí, menší hmotnost a větší výkon v relativně malém objemu. Motor pracuje, na rozdíl od asynchronního motoru, s lepším účiníkem. Neodebírá totiž ze sítě

104 104 magnetizační proud. V rotoru navíc nevznikají ztráty ani v budicím vinutí a v rotorové kleci, jako je tomu u asynchronních motorů. Důsledkem je, že motor o stejném výkonu má menší rozměry a lepší účinnost, než klasický asynchronní motor. Nevýhodou u permanentních magnetů je ztráta magnetických vlastností při zvýšené teplotě. Z tohoto důvodu je maximální provozní teplota u magnetů SmCo přibližně 300 ºC, u magnetů NdFeB dokonce ještě přibližně třikrát menší, což vyžaduje nutnost výborného chlazení, nebo tepelné izolace permanentních magnetů. Další nevýhodou permanentních magnetů je jejich vysoká pořizovací cena. Obrázek 31 Umístění permanentních magnetů SPM a IPM K dispozici jsou dva typy motorů s permanentními magnety. Magnety u motorů s povrchově montovanými permanentními magnety (Surface-mounted Permanent Magnet SPM) jsou připevněny na povrchu rotoru, přičemž u motorů s vnitřními permanentními magnety (Internal Permanent Magnet IPM) jsou zapuštěny dovnitř. Oba typy motorů mají vysokou účinnost, ale motory IPM mají vyšší krouticí moment, protože využívají magnetický i reluktanční moment generovaný magnetickou nesymetrií. Protože magnety motorů SPM musí být připevněny na povrchu rotoru, mechanická pevnost je slabší než u motorů IPM, zejména při vysokých otáčkách.

105 105 Obrázek 32 Elektromotor s rotorem s permanentními magnety PMSM pro elektrickou trakci lze rozdělit do dvou konstrukčních skupin: a) Konstrukce PMSM s vnitřním rotorem b) Konstrukce PMSM s vnějším rotorem Konstrukce PMSM s vnitřním rotorem Jedná se o klasickou koncepci PMSM. Trojfázové statorové vinutí je uloženo v drážkách železného magnetického obvodu. Permanentní magnety jsou umístěny na rotoru, který je umístěn uvnitř statoru. Póly permanentních magnetů jsou tvořeny dílčími segmenty, jejichž rozměry se pohybují maximálně v jednotkách centimetrů. Na rotor se segmenty upevňují lepením. Statorové vinutí je napájeno z trojfázové soustavy napětí, tudíž se ve statoru tvoří točivé magnetické pole, jehož rychlost je dána frekvencí napájecího napětí statoru a konstrukcí stroje. Póly permanentních magnetů na rotoru jsou silově vázány na točivé pole statoru. Rotor je unášen vlivem magnetických sil, jeho rychlost je totožná s točivým magnetickým polem statoru, což je hlavním charakteristickým rysem synchronního motoru. Je tedy zřejmé, že rychlost otáčení rotoru je možno regulovat změnou frekvence napájecího statorového napětí.