Ο Νικόλαος Μπακογιάννης, Ηλεκτρολόγος Μηχανικός (MEng), γράφει στο Business Daily για τα ηλεκτρικά οχήματα και την δυνατότητα ανταλλαγής μπαταριών.
Την τελευταία δεκαετία η αγορά των ηλεκτρικών οχημάτων αναπτύσσεται ραγδαία. Η χρήση των οχημάτων αυτών, υπό συγκεκριμένες συνθήκες, μπορεί να συμβάλει στη μείωση των εκπομπών αερίων του θερμοκηπίου και της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, οδηγώντας πολλές κυβερνήσεις να υποστηρίξουν την υιοθέτησή τους με ένα ευρύ φάσμα πολιτικών και επιδοτήσεων.
Ωστόσο, για να παραχθούν μετρήσιμα και αδιαμφισβήτητα περιβαλλοντικά οφέλη, τα ηλεκτρικά οχήματα πρέπει να τροφοδοτούνται από ένα ενεργειακό μείγμα με υψηλή διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.
Για να αυξηθεί περαιτέρω η διείσδυση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας πρέπει να αναπτυχθούν και να ενσωματωθούν στο σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας μεγάλης κλίμακας μηχανισμοί ευελιξίας, όπως τα συστήματα αποθήκευσης ενέργειας. Οι εγκαταστάσεις αποθήκευσης με τη χρήση μπαταριών θα διαδραματίσουν σημαντικό ρόλο στην ανάπτυξη και επέκταση ενός ηλεκτρικού δικτύου που θα τροφοδοτείται από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας, και το μέγεθος της χωρητικότητας αποθήκευσης που θα απαιτηθεί θα είναι τεράστιο.
H αυξημένη ζήτηση μπαταριών για εφαρμογές αποθήκευσης ενέργειας καθώς και για τα ηλεκτρικά οχήματα, αναπόφευκτα θα δημιουργήσει αυξημένη ζήτηση για πρώτες ύλες που χρησιμοποιούνται ευρέως στην κατασκευή των μπαταριών ιόντων λιθίου, με άμεσο αντίκτυπο στο κόστος των μπαταριών, ενώ ενδέχεται να προκύψουν ποικίλα κοινωνικά και οικολογικά ζητήματα σχετιζόμενα με την εξόρυξη και την επεξεργασία των πρώτων υλών.
Σε κάθε περίπτωση, η παραγωγή των πρώτων υλών που απαιτούνται για την κατασκευή των μπαταριών πρέπει να εξορθολογιστεί και να βελτιστοποιηθεί. Η αύξηση του συντελεστή χρησιμοποίησης των μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων θα μπορούσε να συμβάλει προς αυτή την κατεύθυνση. Οι μπαταρίες δηλαδή θα μπορούσαν να προσφέρουν τη απαιτούμενη χωρητικότητα αποθήκευσης ενέργειας όταν δεν χρησιμοποιούνται για την κίνηση των οχημάτων.
Στην πράξη αυτό είναι δυνατό να επιτευχθεί με την εκτεταμένη εφαρμογή της μεθόδου της ταχείας ανταλλαγής μπαταριών (battery swapping). Η ανταλλαγή μπαταριών είναι μια διαδικασία όπου η αποφορτισμένη μπαταρία ενός ηλεκτρικού οχήματος μπορεί να αντικατασταθεί ταχέως από μια πλήρως φορτισμένη, σε εξειδικευμένες εγκαταστάσεις, τους Σταθμούς Ανταλλαγής Μπαταριών (Battery Swapping Stations). Με αυτόν τον τρόπο, οι μπαταρίες των ηλεκτρικών οχημάτων μπορούν να παρέχουν υπηρεσίες αποθήκευσης ενέργειας στους Σταθμούς Ανταλλαγής Μπαταριών όταν δεν χρησιμοποιούνται για να κινούν τα εν λόγω οχήματα. Αυξάνοντας τον συντελεστή χρησιμοποίησης του σχετικού εξοπλισμού, μειώνεται ο απαιτούμενος αριθμός μπαταριών και συνεπώς η ανάγκη για περισσότερες πρώτες ύλες.
Η ιδέα της ανταλλαγής μπαταριών είναι παλιά, καθώς εφαρμόστηκε για πρώτη φορά στα τέλη του 19ου αιώνα, στην προσπάθεια να ξεπεραστεί το πρόβλημα της περιορισμένης εμβέλειας και του μεγάλου χρόνου επαναφόρτισης των πρώτων ηλεκτρικών οχημάτων που εμφανιστήκαν στους δρόμους της Ευρώπης και της Αμερικής.
Σταθμός ανταλλαγής και φόρτισης μπαταριών, Παρίσι, 1899
Μια από τις πρώτες σύγχρονες εμπορικές εφαρμογές της μεθόδου εφαρμόστηκε το 2011 από την ισραηλινή εταιρία Better Place. Το Renault Fluence Z.E. ήταν το πρώτο σύγχρονο ηλεκτρικό αυτοκίνητο με δυνατότητα ανταλλαγής μπαταρίας. Οι μπαταρίες ήταν διαθέσιμες σε ένα δίκτυο από Σταθμούς Ανταλλαγής Μπαταριών που η Better Place ανέπτυξε στο Ισραήλ και στη Δανία.
Η Tesla επίσης ανάπτυξε μια πανόμοια εφαρμογή το 2015 για το μοντέλο της Model S, ενώ εκτεταμένη εφαρμογή της μεθόδου γίνεται σήμερα στην Κίνα από τις κατασκευάστριες εταιρείες ΝΙΟ και BJEV.
Η ανταλλαγή μπαταριών μπορεί να αντιμετωπίσει με τον καλύτερο τρόπο έναν αριθμό προβληματικών ζητημάτων που σχετίζονται με τη χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων, όπως η υψηλή τιμή αγοράς, η περιορισμένη εμβέλεια, ο αυξημένος χρόνος φόρτισης των μπαταριών, κ.λ.π. Ωστόσο, σοβαρά μειονεκτήματα όπως ζητήματα τυποποίησης (standardization), αξιοπιστίας, αυξημένου κόστους εγκαταστάσεων καθώς και η περιορισμένη αποδοχή από τους καταναλωτές του μοντέλου ανταλλαγής μπαταριών, είναι μερικοί από τους κύριους λόγους που εμποδίζουν την ευρεία εφαρμογή αυτής της μεθόδου.
Προτεινόμενη διαμόρφωση ηλεκτρικού αυτοκινήτου με μια μόνιμη μπαταρία στο κέντρο και δύο ανταλλασσόμενες στο μπροστινό και στο πίσω μέρος
Χαρακτηριστικά, η BETTER PLACE πτώχευσε το 2013, αφού είχε συγκεντρώσει χρηματοδότηση ύψους οχτακοσίων εκατομμυρίων δολαρίων, ενώ η TESLA έθεσε σε λειτουργία μόνο έναν Σταθμό Ανταλλαγής Μπαταριών στην Καλιφόρνια, πριν εγκαταλείψει οριστικά το σχετικό εγχείρημα το 2015, λόγω μειωμένου ενδιαφέροντος από τους χρήστες των ηλεκτρικών αυτοκινήτων της.
Επομένως, απαιτείται μια νέα προσέγγιση στο υπόψη ζήτημα, η οποία θα αντιμετωπίζει με τον καλύτερο τρόπο τα μειονεκτήματα των μεθόδων ανταλλαγής μπαταριών που έχουν παρουσιαστεί μέχρι σήμερα, ενώ ταυτόχρονα θα αποκομίζει όλα τα οφέλη της σχετικής ιδέας. Αυτή τη νέα προσέγγιση βασίζεται στην ιδέα της εφαρμογής ανταλλαγής μπαταριών ως μιας μεθόδου επέκτασης της εμβέλειας των ηλεκτρικών οχημάτων. Δηλαδή, τα ηλεκτρικά οχήματα θα μπορούσαν να είναι εξοπλισμένα με μια μόνιμη μπαταρία, για την κάλυψη μικρών και μεσαίων αποστάσεων, ενώ ταυτόχρονα θα έχουν τη δυνατότητα να χρησιμοποιούν τυποποιημένες ανταλλασσόμενες μπαταρίες για να επεκτείνουν την εμβέλειά τους.
Μοντελοποίηση του εξοπλισμού της προτεινόμενης μεθόδου ανταλλαγής μπαταριών.
Με τον τρόπο αυτό θα μειωθεί το κόστος κτήσης των ηλεκτρικών οχημάτων, καθώς θα διαθέτουν μικρότερη και πιο φθηνή μπαταρία ενώ θα είναι πιο ελαφριά και συνεπώς πιο αποδοτικά κατά το μεγαλύτερο διάστημα της χρήσης τους. Με την προσθήκη ανταλλασσόμενων μπαταριών θα είναι εφικτή η επίτευξη μεγαλύτερων ταξιδιών χωρίς αναμονή για φόρτιση, ενώ θα καταστεί πιο ελκυστική η χρήση ηλεκτρικών οχημάτων και από τους χρήστες οι όποιοι δεν έχουν τη δυνατότητα οικιακής φόρτισης.
Ταυτόχρονα οι ανταλλασσόμενες μπαταρίες όταν δεν θα χρησιμοποιούνται για την τροφοδοσία των οχημάτων θα μπορούν να προσφέρουν υπηρεσίες αποθήκευσης ενέργειας στους Σταθμούς Ανταλλαγής Μπαταριών, καθώς και άλλες επικουρικές υπηρεσίες όπως υποστήριξη συχνότητας, τάσης κτλ., συμβάλλοντας έτσι την ευστάθεια του δικτύου. Επιπλέον, δεν θα είναι πλέον αναγκαία η ανάπτυξη ενός τεράστιου δικτύου δημόσιων φορτιστών, ενώ οι αναβαθμίσεις και οι επενδύσεις στο σύστημα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας που είναι απαραίτητες για την κάλυψη της αύξησης του φορτίου που θα επιφέρει η εκτεταμένη χρήση των ηλεκτρικών οχημάτων, μπορούν να καθυστερήσουν ή να αποφευχθούν εντελώς.
Η μοντελοποίηση του προτεινόμενου συστήματος και μεθόδου, για το οποίο βρίσκεται σε εξέλιξη μια διαδικασία απόδοσης διπλώματος ευρεσιτεχνίας, παρουσιάζεται στο βίντεο animation στον ακόλουθο σύνδεσμο στο YouTube: https://youtu.be/cPFsTPwTIwg
*Ο Νικόλαος Μπακογιάννης είναι Ηλεκτρολόγος Μηχανικός (MEng), MSc, με πολυετή εμπειρία στη μελέτη και κατασκευή των ηλεκτρικών εγκαταστάσεων νέων και αναβαθμισμένων θερμοηλεκτρικών σταθμών για το ελληνικό σύστημα ηλεκτρικής ενέργειας.
