Panele słoneczne i samochód elektryczny 1(1)2018-3

W ostatnich dniach IKEA rozpoczęła sprzedaż baterii słonecznych. Przed moimi oczami od razu stanął obraz setek ludzi próbujących samodzielnie zamontować na dachu panel fotowoltaiczny za pomocą słynnego klucza imbusowego z IKEI. Niestety (a może na szczęście) panele będą produktem, który kupuje się razem z usługą montażu. Nie mniej jednak, znając siłę oddziaływania tej sieci sklepów na rynek, możemy spodziewać się znacznego wzrostu zainteresowania bateriami słonecznymi. Powstaje przy okazji pytanie, czy będzie to miało przeniesienie na atrakcyjność samochodów elektrycznych? Chciałbym zastanowić się nad tym, czy warto zasilać pojazdy elektryczne za pomocą energii słonecznej. Nie jest to bowiem tak proste, jak mogłoby się wydawać.

Podstawowy problem z panelami fotowoltaicznymi

Kto nie skusiłby się na darmowe ładowanie samochodu we własnym garażu? Warto jednak zauważyć, że powszechnie przyjęty model eksploatacji pojazdów elektrycznych zakłada ich ładowanie w godzinach nocnych. Tymczasem nocą słońce świeci… jakby słabiej. Niestety baterie fotowoltaiczne działają głównie w ciągu dnia. Czy powyższy fakt może przekreślić plany wykorzystania takiego rozwiązania? Czy energia słoneczna będzie w tym przypadku dostępna jedynie dla ludzi pracujących na nocną zmianę i odsypiających w południe? Istnieje kilka możliwości rozwiązania tego problemu.

Magazynowanie energii słonecznej w oddzielnych akumulatorach

Podstawowym rozwiązaniem byłoby gromadzenie energii elektrycznej wytworzonej przez panele w ciągu dnia w oddzielnych akumulatorach. W nocy z tychże akumulatorów można by ładować samochód. Rozwiązanie do najlepszych nie należy za względu na ograniczoną sprawność i wysoką cenę. Baterie słoneczne nie są tanie. Do tego dochodzą koszty przetwornika prądu. Jeśli zechcemy zaoszczędzić na stacjonarnych akumulatorach i zastosujemy akumulatory ołowiowe, do przyłącza naszego samochodu dotrze około 50% energii wytworzonej przez panel fotowoltaiczny. Akumulator ołowiowy ma zazwyczaj sprawność rzędu 60%. Kolejnych kilka procent stracimy na przetworniku prądu umieszczonym za panelem oraz na ładowarce podającej prąd do akumulatorów w samochodzie.

Można oczywiście zainwestować w akumulatory stacjonarne wyższej klasy, ale ich cena będzie porównywalna z zakupem samych paneli. Takie rozwiązanie ma sens, ale w trochę innej konfiguracji, o której napiszę za chwilę.

Magazynowanie energii w sieci energetycznej

Innym rozwiązaniem może być sprzedaż energii wytworzonej w ciągu dnia do sieci energetycznej, a następnie ładowanie samochodu z sieci w nocy. Eliminuje to konieczność korzystania z dodatkowych akumulatorów prądu, ale uzależnia celowość proponowanego rozwiązania od oferty handlowej danej sieci energetycznej. Warto przy tym zauważyć, że oddawanie prądu do sieci odbywa się w godzinach, w których energia jest najdroższa, a pobór w celu ładowania pojazdu ma miejsce w czasie, kiedy prąd jest najtańszy. Wygląda więc na to, że rozwiązanie powinno się opłacać.

Powraca jednak problem sprawności takiego układu. Panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd stały, a do sieci energetycznej musimy podawać prąd przemienny o napięciu 230 V. Wiąże się to z koniecznością wykorzystania falownika, którego sprawność może wahać się w przedziale od 90 do 95% (w zależności od warunków jego pracy). Przy poborze prądu z sieci ponownie przetwarzamy energię elektryczną na prąd stały. Służy do tego ładowarka o sprawności zbliżonej do falownika. Tak więc sprawność całego układu może wynosić około 85%. Jest to zdecydowanie więcej, niż w poprzednim przypadku, ale wciąż pozostawia sporo do życzenia.

Korzystanie z dwóch kompletów akumulatorów samochodowych

Trzecią możliwością poradzenia sobie z omawianym problemem jest zaopatrzenie się w dwa komplety akumulatorów samochodowych, ładowanie ich w ciągu dnia, a po naładowaniu wymiana akumulatorów w samochodzie. Rozwiązanie to wydaje się całkiem dobre, ale w praktyce nie jest proste.

W takim przypadku samochód musiałby być przystosowany do samodzielnej wymiany akumulatorów. Jak dotąd większość samochodów nie ma takiej opcji. W razie uszkodzenia akumulatorów wymiana odbywa się w serwisie i trwa kilka godzin. Nie mniej jednak w niedalekiej przyszłości takie rozwiązanie może się okazać całkiem realne. Jego zaletą byłaby najwyższa sprawność, ponieważ prąd byłby przetwarzany i magazynowany tylko raz. Wadą byłaby natomiast wysoka cena systemu. Dodatkowy komplet akumulatorów musiałby być taki sam, jak tych stosowanych w danym modelu samochodu.

A może akumulator na dachu samochodu?

Czemu nie pójść na skróty? Kiedy mówimy o zasilaniu samochodu elektrycznego z baterii słonecznych, pewnie każdy wyobraził sobie panel fotowoltaiczny na dachu samochodu. Byłoby to rozwiązanie najprostsze z możliwych, nie wymagające specjalnych systemów magazynowania energii. Niestety, średnie zużycie energii przez elektryczny samochód osobowy w ruchu miejskim wynosi około 1 kW. [1, 3] Tymczasem przy pięknej pogodzie panel słoneczny o powierzchni 1 m wytworzy około 100 W energii. Oznacza to, że do napędzania samochodu będziemy potrzebowali 10 m2 powierzchni paneli. W przypadku nieco gorszych warunków pogodowych powierzchnia ta musiałaby być nawet kilkakrotnie większa. Krótko mówiąc, jeszcze długa droga technologiczna dzieli nas przed takimi rozwiązaniami.

Samochód zasilany z IKEI

Pojawienie się „słonecznej oferty” w tak dużej sieci sklepów może przyczynić się do wzrostu zainteresowania odnawialnymi źródłami energii. To jest dobry kierunek. Warto jednak dobrze zastanowić się nad sposobami magazynowania energii zgromadzonej za dnia. Nie wykluczone, że na pełne rozwiązanie tego problemu trzeba będzie zaczekać, aż producenci pojazdów wezmą je w swoje ręce. Nie mniej jednak już teraz jest to obiecujący kierunek.

Literatura

[1] Chłopek Z.: Badania zużycia energii przez samochód elektryczny w warunkach symulujących jazdę w mieście, Eksploatacja i Niezawodność, vol. 15, 2013, s. 75-82.

[2] Chmieliński M.: Ekologizacja transportu przez zastosowanie fotowoltaiki do zasilania samochodów elektrycznych (EV), Ekonomia i Środowisko, nr 2(53)/2015, s. 176-194.

[3] Moćko W., Ornowski M., Szymańska M.: Badanie zużycia energii przez samochód elektryczny w czasie testów drogowych, Zeszyty Problemowe – Maszyny Elektryczne, nr 2/2013, s. 31-35.