Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, κυρίως κατά τα ταξίδια τους, επιτυγχάνουν γρήγορους ανεφοδιασμούς συνδεόμενα με εξωτερικούς ισχυρούς ταχυφορτιστές συνεχούς ρεύματος εγκατεστημένους σε παρόδιους σταθμούς εξυπηρέτησης.
Η διάρκεια ανεφοδιασμού περιορίζεται έτσι σε μερικά λεπτά της ώρας. Παρόμοια εξυπηρέτηση πρέπει να παρέχεται όμως και στο δευτερεύον οδικό δίκτυο, εφόσον επιδιώκεται η ευρύτερη δυνατή διάδοση της ηλεκτροκίνησης
Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα είναι εκ κατασκευής εφοδιασμένα με μια μικρή ενσωματωμένη μονάδα φόρτισης των συσσωρευτών (onboard charger) με την οποία επιτυγχάνεται ο αυτοδύναμος ανεφοδιασμός τους με την απευθείας σύνδεσή της στο δίκτυο διανομής εναλλασσόμενου ρεύματος. Η χρήση αυτού του φορτιστή για πρακτικούς λόγους δεν μπορεί να εξυπηρετήσει τις περιπτώσεις ταξιδιών σε μεγάλες χιλιομετρικές αποστάσεις. Δοθέντος ότι πρόκειται για συσκευή χαμηλής ισχύος – συνήθως από 3 έως 11 κιλοβάτ και με ελάχιστες εξαιρέσεις μέχρι 22 κιλοβάτ – οι χρόνοι ανεφοδιασμού που επιτυγχάνει είναι μεγάλοι και επομένως ακατάλληλοι για μακρινά ταξίδια με πολλαπλούς ανεφοδιασμούς. Για την αντιμετώπιση του προβλήματος όλα τα σύγχρονα ηλεκτρικά αυτοκίνητα διαθέτουν ειδική υποδοχή ηλεκτρικού βύσματος για παράκαμψη αυτού του φορτιστή και απευθείας σύνδεση των συσσωρευτών του αυτοκινήτου με εξωτερικό ταχυφορτιστή μεγάλης ισχύος ικανό να παρέχει συνεχές ρεύμα (ανορθωμένο) μεγάλης εντάσεως προκειμένου να συντομεύεται κατά πολύ η διάρκεια του ανεφοδιασμού.
Βασική προϋπόθεση για την εγκατάσταση, σε σταθμούς εξυπηρέτησης, εξωτερικών ταχυφορτιστών μεγάλης ισχύος – από 120 έως και 350 κιλοβάτ – είναι η ικανότητα του τοπικού δικτύου διανομής ηλεκτρικής ενέργειας να παρέχει συνεχώς και με αξιοπιστία την απαιτούμενη συνολική ισχύ. Η συνθήκη αυτή εξασφαλίζεται σχετικά εύκολα, έστω και μετά από περιορισμένης έκτασης αναδιαμόρφωση του τοπικού δικτύου διανομής, στους παρόδιους σταθμούς κατά μήκος των μεγάλων οδικών αρτηριών. Δεν συμβαίνει όμως το ίδιο και στις περιπτώσεις τέτοιων σταθμών επί επαρχιακού ή και δευτερεύοντος οδικού δικτύου οι οποίοι συνήθως τροφοδοτούνται από περιορισμένης ισχύος ηλεκτρικά δίκτυα διανομής τα οποία δεν είναι εύκολο τεχνικά ή και οικονομικά να ενισχυθούν στον αναγκαίο βαθμό. Στις θέσεις αυτές ακόμα και η σύνδεση ενός ταχυφορτιστή 120 κιλοβάτ μπορεί να είναι ανέφικτος. Εν τούτοις η εγκατάσταση ενός ή περισσοτέρων τέτοιων ταχυφορτιστών ίσως να κρίνεται αναγκαία προκειμένου να καταστεί εύκολα προσιτή στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα μια ολόκληρη περιοχή ή να αποκτήσει λειτουργικότητα μια σημαντική οδική διασύνδεση.
Τα στοιχεία του προβλήματος
Η ηλεκτρική ενέργεια με την οποία ανεφοδιάζεται κάθε φορά ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο έχει συγκεκριμένο μέγεθος. Εξαρτάται από το βαθμό εκφόρτισης των συσσωρευτών, από την επιδιωκόμενη τελική στάθμη επαναφόρτισής τους και από τη χωρητικότητα της συστοιχίας.
Σε ένα σύγχρονο ηλεκτρικό αυτοκίνητο, εκτιμάται ότι η χωρητικότητα της συστοιχίας των συσσωρευτών του είναι ίση με 80 κιλοβατώρες, ότι το επίπεδο φόρτισής της, όταν χρειαστεί ανεφοδιασμό, βρίσκεται στο 20% και ότι το επιθυμητό επίπεδο φόρτισης, μετά από αυτόν, θα βρίσκεται στο 80%.
Με βάση τα ανωτέρω στοιχεία η ηλεκτρική ενέργεια που χρειάζεται για την επαναφόρτιση υπολογίζεται σε 48 κιλοβατώρες πλέον τις όποιες απώλειες. Ο χρόνος που απαιτείται για την ανάκτηση αυτής της ποσότητας ηλεκτρικής ενέργειας είναι αντιστρόφως ανάλογος της μέσης ισχύος με την οποία πραγματοποιείται ο ανεφοδιασμός. Εάν, επί παραδείγματι, αξιοποιηθεί ταχυφορτιστής ισχύος 120 κιλοβάτ και η φόρτιση ολοκληρωθεί με μέση ισχύ 96 κιλοβάτ θα απαιτηθούν 60 Χ (48/96) = 30 λεπτά της ώρας. Εάν αξιοποιηθεί ταχυφορτιστής ισχύος 240 κιλοβάτ και η φόρτιση ολοκληρωθεί με μέση ισχύ 192 κιλοβάτ θα απαιτηθούν 60 Χ (48/192) = 15 λεπτά της ώρας. Για αντιδιαστολή αναφέρεται ότι εάν ο ανεφοδιασμός αυτός γινόταν με εναλλασσόμενο ρεύμα και με χρήση του ενσωματωμένου στο αυτοκίνητο φορτιστή με μέση ισχύ 8 κιλοβάτ ο απαιτούμενος χρόνος θα ήταν 60 Χ (48/8) = 360 λεπτά δηλαδή 6 ώρες.
Αυτονόητο βέβαια είναι το ότι τόσο ο ταχυφορτιστής όσο και το ηλεκτρικό αυτοκίνητο θα πρέπει να είναι εκ κατασκευής κατάλληλα για την επίτευξη των ανωτέρω αναφερομένων ρυθμών ανεφοδιασμού όπως και το ότι το ηλεκτρικό δίκτυο στο οποίο είναι συνδεδεμένος ο ταχυφορτιστής θα είναι ικανό να παρέχει συνεχώς και με αξιοπιστία την απαιτούμενη ισχύ ανά πάσα στιγμή. Τι όμως μπορεί να γίνει εάν το τοπικό ηλεκτρικό δίκτυο διανομής είναι μικρής ισχύος και δεν μπορεί να ικανοποιήσει αυτή την προϋπόθεση;
Το υδραυλικό ισοδύναμο και ο παράγων χρόνος
Στην περίπτωση που χρειάζεται να εγκατασταθεί κρουνός πυρόσβεσης μεγάλης παροχής σε σημείο στο οποίο το δίκτυο ύδρευσης είναι περιορισμένων δυνατοτήτων παρεμβάλλεται μεταξύ του κρουνού και του δικτύου μια δεξαμενή εναποθήκευσης μεγάλης ποσότητας ύδατος με την οποία στη συνέχεια τροφοδοτείται ο κρουνός. Έτσι, κατά την ώρα της πυρόσβεσης, δεν χρησιμοποιείται απευθείας το αδύναμο δίκτυο ύδρευσης αλλά η μεγάλη ποσότητα ύδατος που έχει αποθηκευτεί στη δεξαμενή. Με τη λύση αυτή αξιοποιείται ο διαθέσιμος χρόνος, πριν από την εκδήλωση της πυρκαγιάς, προκειμένου να συγκεντρωθεί στη δεξαμενή, με αργό έστω ρυθμό, η αναγκαία ποσότητα ύδατος και στη συνέχεια να τροφοδοτηθεί με αυτή, με γρήγορο ρυθμό, ο κρουνός πυρόσβεσης. Η παρεμβολή της δεξαμενής πολλαπλασιάζει την κατά την πυρόσβεση παροχή του ύδατος υποπολλαπλασιάζοντας, για την εξάντληση, το χρόνο συλλογής του ύδατος από το αδύναμο δίκτυο ύδρευσης.
Ακριβώς με το ίδιο σκεπτικό επιλύεται και το πρόβλημα εγκατάστασης ταχυφορτιστών σε ασθενές δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας με την παρεμβολή, μεταξύ δικτύου και ταχυφορτιστών, μιας μονάδας εναποθήκευσης ηλεκτρικής ενέργειας ικανής χωρητικότητας για την τροφοδοσία ενός ή περισσοτέρων από αυτούς με ισχύ παροχής από 120 κιλοβάτ και άνω.
Η μονάδα εναποθήκευσης συλλέγει ηλεκτρική ενέργεια με σχετικά αργό ρυθμό (μικρή ισχύς), από το δίκτυο διανομής, κατά τη διάρκεια της αναμονής αυτοκινήτου προς ανεφοδιασμό και στη συνέχεια την αποδίδει με γρήγορο ρυθμό (μεγάλη ισχύς) κατά τη διάρκειά του. Σε τοπικό δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας που παρέχει ισχύ μόνο 25 κιλοβάτ απαιτούνται περίπου δύο ώρες για τη συσσώρευση της αναγκαίας ηλεκτρικής ενέργειας προκειμένου να ανεφοδιασθεί το ηλεκτρικό αυτοκίνητο του προαναφερθέντος παραδείγματος εντός 30 λεπτών της ώρας μέσω ταχυφορτιστή ισχύος 120 κιλοβάτ ή εντός 15 λεπτών της ώρας μέσω ταχυφορτιστή ισχύος 250 κιλοβάτ.
Η παρεμβολή της μονάδας συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας μεταξύ του δικτύου διανομής και του ταχυφορτιστή πολλαπλασιάζει την κατά τον ανεφοδιασμό του αυτοκινήτου παρεχόμενη ισχύ υποπολλαπλασιάζοντας, για τη μεταφορά της στους συσσωρευτές του αυτοκινήτου, το χρόνο συλλογής της αναγκαίας ενέργειας από το ασθενές δίκτυο διανομής.
Το μειονέκτημα της υποχρεωτικής αναμονής μερικών ωρών μεταξύ δύο διαδοχικών ανεφοδιασμών, προκειμένου να συσσωρευτεί εκ νέου η απαιτούμενη ηλεκτρική ενέργεια, δεν θεωρείται σημαντικό για σταθμούς δευτερεύοντος οδικού δικτύου επειδή η συχνότητα επίσκεψης ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι μικρή. Ακόμα όμως και σε ταυτόχρονη άφιξη, καθίσταται δυνατή η διαχείριση του ρυθμού των παράλληλων ανεφοδιασμών με αντίστοιχη επιμήκυνση του απαιτούμενου χρόνου ή με περιορισμό των επιπέδων επαναφόρτισης. Σε κάθε περίπτωση κατά τη μελέτη της εγκατάστασης λαμβάνεται υπόψη ο αναμενόμενος ρυθμός αφίξεων και εκτιμάται αντίστοιχα η αναγκαία χωρητικότητα της μονάδας συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας.
Εμπορικές εφαρμογές
Όπως συμβαίνει πάντοτε οι συγκεκριμένες ανάγκες ενεργοποιούν την έρευνα και στη συνέχεια οδηγούν στην παραγωγή των προϊόντων που τις ικανοποιούν. Για τη αντιμετώπιση του προβλήματος που εξετάζεται στο παρόν άρθρο δραστηριοποιούνται ήδη κατασκευαστές οι οποίοι προσφέρουν εμπορικά διαμορφωμένες λύσεις βασισμένες μάλιστα σε διαφορετικές τεχνολογίες.
Για παράδειγμα Γερμανικός όμιλος εταιρειών εγκατεστημένος στη Στουτγάρδη και με θυγατρική εταιρεία στις ΗΠΑ (Φλόριντα) προσφέρει τυποποιημένες μονάδες συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας βασισμένες σε συσσωρευτές τύπου ιόντων λιθίου ικανές να συνδεθούν με δίκτυο διανομής ηλεκτρικής ενέργειας ισχύος από 50 έως 110 κιλοβάτ και να τροφοδοτήσουν δύο ή περισσότερους ταχυφορτιστές συνολικής ισχύος 320 κιλοβάτ.
Όπως μάλιστα ισχυρίζεται ο κατασκευαστής η χρησιμοποίηση αυτών των μονάδων όχι μόνο συμφέρει οικονομικά, συγκρινόμενη με τη δαπάνη της αντίστοιχης αναβάθμισης του δικτύου διανομής, αλλά προσφέρει παράλληλα και σωρεία άλλων λειτουργικών διευκολύνσεων ξεκινώντας από την εξασφάλιση αυτονομίας κατά τις περιπτώσεις διακοπών παροχής η άλλων δυσλειτουργιών του δικτύου και φτάνοντας μέχρι την ομαλοποίηση των κορυφών ζήτησης του τοπικού δικτύου. Επιπλέον ο χρόνος εγκατάστασης ενός σταθμού ταχείας φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων ο οποίος βασίζεται σε μονάδα συσσώρευσης ηλεκτρικής ενέργειας αποδεικνύεται ως κατά πολύ συντομότερος από εκείνον που θα απαιτούσε η ανάλογη αναβάθμιση του τοπικού δικτύου διανομής, εφόσον βέβαια κάτι τέτοιο θα ήταν εφικτό.
Σε αντίθεση με τη λύση των συσσωρευτών, Ισραηλινή εταιρεία προτείνει για τον ίδιο σκοπό, την αξιοποίηση των αδρανειακών σφονδύλων.
Οι μάζες των αδρανειακών σφονδύλων που προτείνει είναι βάρους 150 χιλιόγραμμων η κάθε μια και εμπεριέχονται σε ερμητικά κλεισμένα κυκλικά δοχεία αναρτημένες σε κενό αέρος. Η μάζα κάθε τέτοιας μονάδας, σύμφωνα με την εταιρεία, επαρκεί για την ταυτόχρονη ταχυφόρτιση δύο ηλεκτρικών αυτοκινήτων μέχρι και του 80% της πλήρους φόρτισής τους. Κατά τη διάρκεια αυτής της λειτουργίας ο περιστρεφόμενος σφόνδυλος μειώνει συνεχώς την ταχύτητα περιστροφής του μέχρι και του χαμηλότερου ορίου από το οποίο και μετά χρειάζεται περίπου 45 λεπτά της ώρας για να αποκτήσει εκ νέου τον ιδανικό μέγιστο αριθμό στροφών ανά λεπτό. Αυτή η επιτάχυνση γίνεται μέσω ενός ηλεκτροκινητήρα ο οποίος κατά την αντίθετη φορά λειτουργίας μετατρέπεται σε γεννήτρια.
Με το σύστημα των αδρανειακών σφονδύλων – τους οποίους η εταιρεία αποκαλεί «κινητικούς συσσωρευτές» είναι δυνατή η εγκατάσταση ταχυφορτιστών για ηλεκτρικά αυτοκίνητα οπουδήποτε και σε οποιοδήποτε δίκτυο διανομής χωρίς να απαιτείται παρεμβολή συστοιχίας συσσωρευτών αφού η εναποθήκευση της απαιτούμενης για την ταχυφόρτιση ενέργειας γίνεται με μηχανικό τρόπο μέσα στους αδρανειακούς σφονδύλους.
Η εταιρεία υποστηρίζει ότι η πρόταση αυτή είναι άριστη από περιβαλλοντικής πλευράς και προσφέρει πολλά λειτουργικά πλεονεκτήματα. Η διάρκεια ζωής της μονάδας φτάνει τα 20 χρόνια και παρέχει δυνατότητα πραγματοποίησης τουλάχιστο 200.000 κύκλων φόρτισης – εκφόρτισης.
Αξίζει να αναφερθεί εδώ ότι η εξέλιξη των αδρανειακών σφονδύλων οφείλεται εν μέρει και στην τεχνολογία των αγώνων Φόρμουλα 1. Το 2009 οι κανονισμοί της Φόρμουλα 1 επέτρεψαν στις αγωνιστικές ομάδες τη χρήση συστημάτων ανάκτησης της απορριπτόμενης κατά τις επιβραδύνσεις κινητικής ενέργειας και την εναποθήκευσή της προκειμένου να χρησιμοποιηθεί στη συνέχεια για την ενίσχυση της ροπής στις φάσεις επιτάχυνσης (συστήματα KERS – Kinetic Energy Recovering Systems). Παρά το ότι δεν αξιοποιήθηκαν στην Φόρμουλα 1, για άλλους λόγους, εντούτοις εξελίχθηκαν και τελειοποιήθηκαν σημαντικά από τα επιτελεία των τεχνικών της.
Διονύσης Νέγκας, Επίτιμος Πρόεδρος
Ελληνικό Ινστιτούτο Ηλεκτροκίνητων Οχημάτων – ΕΛ.ΙΝ.Η.Ο
