Elektrisõiduk: särtsakas kaaslane tulevikus

20.10.2020

Elektertranspordile ülemineku peamine argument keskkonnasäästlikkuse kõrval on energiatõhusus ehk võimalikult väike primaarenergia kulu sõidukilomeetri kohta. See vastab ka tegelikkusele, juhul kui me ei arvesta sõiduki elutsükli kogukulusid.

Hardi Hõimoja
Elektrilevi OÜ elektertranspordi infrastruktuuri peaspetsialist

Elektrisõidukite energiatõhusust saab parendada suurema kasuteguriga regeneratiivse pidurdusega elektriajamite ja akudega, samuti voolujoonelisema kuju abil. Teenindavas taristus on võimalik parendada energiamuundus- ja ülekandeaparatuuri kasutegurit. Sageli täidavad elektertranspordi taristu osad ka mõnda täiendavat ülesannet, näiteks läbilaskevõimsuse reguleerimise näol elektrienergia tarbimise tasakaalustamiseks, võimalik on ka reaktiivvõimsuse kompenseerimine muundustehnikas sisalduva jõuelektroonikaaparatuuri abil.

Autonoomsete elektrisõidukite arendustöö põhisuund on sõidu¬ulatuse ja sõidukipoolse laadimiskiiruse suurendamine, mis eeldab akude pidevat täiustamist.

Elektertranspordil praegu mitu kitsaskohta

Esmajärjekorras tuleb esile tuua üldtuntud muna ja kana probleemi: elektrisõidukid ei toimi ilma teenindava infrastruktuurita, viimase väljaehitamiseks ja tasuvuseks on omakorda tarvis kriitilist hulka elektrisõidukeid. Esialgne liiga hoogne infrastruktuuri loomine võib tähendada selle hilisemat alakasutust ja enneaegset amortiseerumist, st tasuvushetkeks on infrastruktuur juba tehniliselt ja moraalselt vananenud, millega kaasnevad ühilduvusprobleemid uute sõidukitega.

Teine kitsaskoht tuleb välja võrdlusest sisepõlemismootoriga sõidukitega: ehkki tippklassi elektrisõidukite sõiduulatus täislaetud akuga on juba võrreldav täistangitud tavaauto sõiduulatusega, tuleb silmas pidada järgmisi aspekte:

Kütusevoolikus voolab kütus enamasti kiirusega u 30 l/min. Võttes sõiduki keskmiseks kütusekuluks 6 l/100 km, on tankimiskiiruseks 500 km/min.
Statistiliselt on endiste nn ELMO kiirlaadijate praeguseks tuvastatud mediaanvõimsuseks 20 kW. Keskmisel energiakulul 18 kWh/100 km kujuneb taolisel võimsusel laadimiskiiruseks 1,85 km/min.

Seega on tankimis- ja laadimiskiiruste vahe 270-kordne. Selleks, et saavutada tankimiskiirusega võrdset laadimiskiirust, peab laadimisühenduse võimsus olema suurusjärgus 5,5 MW. See on võrreldav Türi-suuruse linna summaarse elektrilise tarbimisvõimsusega. Sellist võimsust ei suuda vastu võtta ühegi seeriasõiduki aku, rääkimata ülekandeks vajaliku aparatuuri ja kaablite mõõtmetest.

Elektriautode mõju siseriiklikule elektritarbimisele

2018. aastal Eesti Maaülikoolis valminud bakalaureusetööst (Kolina, Karl Hendrik (2018). Elektriautode mõju Eesti elektrienergia tarbimisele. Bakalaureusetöö. Eesti Maaülikool) selgub, et olukorras, kus 100% aktiivselt igapäevases liikluses osalevatest sõiduautodest ja kaubikutest oleks elektrilised, kasvaks Eesti aastane elektrienergia kogutarbimine 2,1 TWh, mis on ligilähedane 2019. aastal toodetud taastuvelektri mahule (1,95 TWh). Eesti praeguse summaarse keskmise aastatarbimise 8,5 TWh juures tähendaks see u 24,6% juurdekasvu väärtuseni 10,6 TWh, samas näiteks 2017. aastal toodeti Eestis elektrienergiat 11,2 TWh. Seega kui autostumine ja muu elektritarbimine püsivad endisel tasemel, pole elektrienergia puudust vaja karta.

Energiast olulisemgi on võimsus ehk ajaühikus tarbitud elektrienergia. Ülekoormuste vältimiseks tuleb laadimisprotsesse ajatada ehk välistada olukord, kus suur hulk sõidukeid laeb üheaegselt. Taoline laadimine on võimalik, kui laadimisliidesed toimivad tarkvõrgu ja asjade interneti osana ning nende läbilaskevõime on koondatuna reguleeritav elektrisüsteemi juhtimiskeskusest.

Erinevad laadimisviisid ja -otsikud

Laiatarbe elektrisõidukid toetavad nelja standardile IEC 61851 vastavat laadimisviisi:

Laadimisviisil 1 (vt ülaltoodud joonist) paikneb laadija sõiduki pardal ja seda toidetakse tavalisest seinapistikust ilma vahepealse lisaaparatuurita. Tänapäevastel sõidukitel seda laadimisviisi ohutustehnilistel kaalutlustel reeglina enam ei kasutata, v.a kergsõidukite, nt elektrijalgrataste juures.
Laadimisviisil 2 paikneb laadija samuti sõiduki pardal, laadimiseks ühendatakse tavalise ühe- või kolmefaasilise seinakontakti ja sõiduki vahele spetsiaalne laadimiskaabel, mille keskel asetseb karp juhtimis- ja kaitseaparatuuriga. Laadimisvõimsuseks on ühel faasil reeglina kuni 2,3 kW ja kolmel faasil kuni 11 kW.
Laadimisviis 3 erineb laadimisviisist 2 selle poolest, et juhtimis- ja kaitseaparatuur paikneb seinale või postamendile kinnitatud laadimiskilbis. Sõiduk ühendatakse laadimiskilbiga spetsiaalotsikutega kaabli abil, laadimisvõimsused ulatuvad sõltuvalt kasutatavate faaside arvust ja sõiduki pardalaadija võimekusest kuni 22 kW-ni. Laadimiskaabel võib olla kas mõlemalt poolt otsastatud, st kaasaskantav, või ühe otsaga pidevalt laadimiskilbi külge kinnitatud.
Laadimisviisil 4 paikneb suure võimsusega laadija kohtkindlalt väljaspool sõidukit, mis ei sea piiranguid laadija gabariitidele.

Laadimisviis aetakse sageli segamini pistikliite tüübiga

Laadimisviisidel 2 ja 3 kasutatakse vanematel Aasia päritolu autodel sõiduki poolel reeglina ühefaasilisist, standardile IEC 61296-2 vastavat tüüp 1 pistikliidest, uuemad sõidukid varustatakse tehases ühe- või kolmefaasilise tüüp 2 laadimisliidesega (vt kõrvalolevat joonist).
Laadimisviisil 4 on uutel Euroopa turule mõeldud sõidukitel CCS2 laadimisliidesed, Jaapani tootjad pakuvad ka CHAdeMO liideseid. Tesla mudelid S ja X, mille Euroopa turule toodetud sõidukite nn kiirlaadimisühendused sarnanevad väliskujult tüüp 2 liidestega, eeldavad spetsiaalseid laadimispaigaldisi, CCS2 laadijate kasutamine on võimalik adapteri abil.

Väikeseeriatena on toodetud ka induktiivse ehk kontaktivaba laadimisega elektrisõidukeid, kus primaarmähis on süvistatud teekattesse ja sekundaarmähis paikneb sõiduki põhja all. Laadimisvõimsus jääb reeglina alla 10 kW, puudustena tuleb nimetada energiaülekande väiksemat kasutegurit võrreldes kontaktse ülekandega ja ühtse standardi puudumist.

Elektriteemadega harva kokkupuutuvale inimesele on laadimisvõimsus peale sageli eksliku tõdemuse „mida rohkem, seda uhkem“ väheütlev. Laadimisvõimsusest olulisemgi on laadimiskiirus ehk sõiduulatuse juurdekasv ajaühikus.

Üldistatult piisab parkimisel nn normaallaadimisest võimsusega kuni 22 kW. Laadimist sellest väärtusest suurema võimsusega nimetatakse erialakeeles kiirlaadimiseks, mis leiab kasutust eeskätt peatumisel. Teisisõnu: kiirlaadimiseks piisab tinglikult peatumisest, normaallaadimiseks tuleb parkida.

Laadimisvõimsus: reklaam ja tegelikkus

Tegeliku laadimisvõimsuse ja koos sellega ka laadimiskiiruse määrab nõrgim lüli ahelas võrguühendus-sõiduk. Laadimisprotsessi käigu dikteerib sõiduki pardaarvuti: kui lubatavad näitajad on väiksemad muude lülide läbilaskevõimest, pole võimalik ka laadimine reklaamitud maksimumvõimsusega.

Tuleb silmas pidada, et laadimisvõimsus on akupinge ja laadimisvoolu korrutis, kusjuures protsessi piiravad kõik kolm väärtust korraga. Enamik seeriatootmises olevatest elektriautodest on pingeklassiga 400 V, üksikud mudelid 800 V. Esimese põlvkonna CHAdeMO liidesed lasevad läbi kuni 125 A, sundjahutuseta CCS2 kaablid kuni 250 A ja vedelikjahutuse puhul kuni 500 A. Seega reklaamitud maksimum, nt 160 kW, on saavutatav sundjahutamata CCS2 laadimiskaabli korral ainult 800 V pingeklassiga sõidukitel, 400 V pingeklassiga sõiduk eeldab suurema kui 100 kW laadimisvõimsuse saavutamiseks juba vedelikjahutusega laadimiskaablit.

Kuna laadimise käigus ei püsi võimsus reeglina konstantsena, kujuneb laadimissessiooni keskmine võimsus mõnevõrra väiksemaks selle maksimumväärtusest.

Igaühele oma

Tavakasutajale, kelle päevane keskmine läbisõit jääb 50 km piiresse, piisab kodustes tingimustes laadimisviisile 2 vastavast kaablist, mille üks ots läheb seinakontakti ja teine auto laadimispessa. Taolisel juhul on laadimiskiirus suurusjärgus 11 km/h, mis taastab päeval sõidule kulunud energia umbes viie tunniga. Suurema läbisõidu puhul võib kaaluda ka eraldi suurema võimsusega kas võrgustatud või võrgustamata laadimiskilpi (laadimisviis 3). Võrgustatud laadimiskilpide eelis on kaughalduse ja võimsuse tasakaalustamise võimalus, mis on oluline elektrisüsteemi kogutarbimise reguleerimisel.

Autopargi puhul, kui soovitakse olla avalikust laadimisteenusest sõltumatu, tuleb laadimislahenduse kavandamisel aluseks võtta päevasele läbisõidule vastav elektrikulu ja ettevõtte parklas viibimise kestus. Näiteks kui sõiduk läbib ööpäevas 150 km keskmise energiakuluga 18 kWh/100 km ja viibib parklas 18 h, kujuneks kulunud energia taastamiseks vajalikuks keskmiseks võimsuseks 1,5 kW, milleks teoorias piisaks ka laadimisviis 2 spetsiaalkaablist. Enamasti eelistatakse siiski võrgustatud laadimiskilpe, mille elektritarbimist on võimalik ettevõttesiseselt jälgida ja juhtida, katuseta parkla puhul räägib laadimiskilbi kasuks ka parem ilmastikukindlus.

Laadimisühistule, kus mitmed autopidajad jagavad ühist laadimispaigaldist, kehtivad üldjoontes samad soovitused kui autopargilegi. Laadimispaigaldise elektriarve õiglaseks jaotamiseks on vajalik laadimissessioonide isikustamine.

Avaliku laadimisteenuse pakkuja omab laadimisviisidele 3 ja 4 vastavat taristut, mida saavad kokkulepitud tasu eest kasutada kõik soovijad nii era- kui ka äriklientidena. Avalikud laadimispaigaldised on võrgustatud ning iga laadimissessioon on kasutajatuvastuseks ja arveldamiseks isikustatud.

Peakaitse ja faasid

Autopargi elektrifitseerimisel ja sageli ka tavakasutajal võib tekkida olukord, kus laadimisel lisanduv elektriline koormus ületab olemasoleva peakaitsme väärtuse kas ühel või mitmel faasil korraga. Peakaitsme suurendamine, rääkimata elektripaigaldise täiendamisest, tähendab lisakulutusi ja pikendab laadimispaigaldise tasuvusaega.

Probleemi lahendamiseks on täiuslikemates laadimiskilpides dünaamilise voolupiirangu funktsioon, mis reguleerib laadimisprotsessi vastavalt elektripaigaldise vabale võimsusele. Selleks peab olema peaarvestil vastav liides, mille abil laadimispaigaldise juhtseade mõõdab peakaitset läbivat voolu ja vähendab vajadusel peakaitsme rakendumise vältimiseks laadimisvõimsust.

Kuidas edasi?

Elektersõidukid ja neid teenindav infrastruktuur arenevad käsikäes võrgustumise ja standardite ühtlustumise suunas. Kõige keerulisemas olukorras on praegu avaliku laadimisteenuse pakkujad, kuna nende laadimispaigaldised peavad sobituma võimalikult paljude automarkidega mitte ainult praegu, vaid ka lähitulevikus. Tehnilises mõttes on kõige mitmekülgsemad laadimisviisile 4 vastavad CCS2 ja CHAdeMO otsikutega välised laadijad, kuid samas on nende maksumus mitmekordne võrreldes laadimisviis 3 laadimiskilpidega. Lihtsamas olukorras on ühte kindlat sõidukimarki kasutavad autopargid, mis võivad rajada laadimispaigaldisi kohalduvaks just konkreetse laadimisliidesega.

Elektrisõidukite lähituleviku märksõnad: ristkasutus ja tehnoloogia areng

Platvormimajandus – autopargid, laadimisühistud ja tavakliendid võivad, kasutades ühist broneerimis , arveldus- ja haldusplatvormi, anda oma võrgustatud jõude seisvaid laadimispaigaldisi avalikku kasutusse, teenides sellega omanikutulu ja lühendades tasuvusaega.
Ristkasutus – avaliku laadimisteenuse pakkujad sõlmivad omavahel kokkuleppe, mis võimaldab ühe lepinguosalise klientidel kasutada teiste lepinguosaliste laadimispaigaldisi.
Võrgu stabiliseerimine – võrgustatud laadimisühenduste läbilaskevõimsust on võimalik energiasüsteemi juhtimiskeskusest koordineeritult suurendada ja vähendada, et kindlustada elektrivõrgu optimaalne talitlus ja vältida kohalikke või piirkondlikke ülekoormusi. Laadimisviisile 4 vastavate väliste laadijate abil on tulevikus võimalik kompenseerida ka reaktiivvõimsust, mille eesmärk on võrgukadude vähendamine ja pinge stabiliseerimine.
Tagasitoide – võrgu stabiliseerimise erijuhtum, mille puhul suunatakse pardaakus salvestatud elektrienergia tagasi elektrivõrku. Seeriatootmises sõidukitel selline võimekus veel puudub.
Energiaruuter – elektrivõrgu sõlm, millega on liidestatud kohalik elektriallikas, nt päikesepaneel, kohalik tarbijavõrk, elektrisalvesti, elektriauto laadimiskilp ja väline elektrivõrk ning mille ülesanne on elektrienergia optimaalne jaotus osaliste vahel.

Nii võrgu stabiliseerimine kui ka tagasitoide eeldavad sõidukiomanike nõusolekut, kuna tegemist on teenusepakkumisega võrguettevõttele, millega teenitakse ka omanikutulu. Sõidukiomanik määrab teenust pakkudes ise, milliseks kellaajaks tema sõiduki aku peab täis laetud olema ja millisel määral ta oma sõiduki akut tühjendada lubab.

Artikkel ilmus esimest korda ajakirjas TööstusEST septembris 2020.