Ηλεκτρικά Οχήματα: Φόρτιση και Επιπτώσεις στο Δίκτυο
Το ηλεκτρικό όχημα (ΗΟ) του σήμερα, όπως ίσως το φανταζόμαστε οι περισσότεροι, είναι ένα επιβατικό όχημα που βασίζεται στην αποθήκευση ενέργειας σε μια συστοιχία μπαταριών ιόντων λιθίου με αρκετά υψηλή χωρητικότητα (δεκάδων kWh), ικανή να μας μεταφέρει μερικές εκατοντάδες χιλιόμετρα ξεκινώντας από πλήρη φόρτιση. Η αυξημένη αυτονομία οδηγεί στην ελάττωση του άγχους εμβέλειας, και είναι ένας σημαντικός παράγοντας για την αποδοχή και διείσδυση των ΗΟ στην αγορά. Ωστόσο, η αναγκαία χωρητικότητα των μπαταριών ανεβάζει το κόστος (και βάρος) κάθε ΗΟ. Επιπλέον, η κατασκευή εκατομμυρίων ΗΟ ετησίως ασκεί πίεση στη διαθεσιμότητα των πρώτων υλών που απαιτούνται για την κατασκευή των μπαταριών, όπως το λίθιο, το νικέλιο, και το κοβάλτιο, των οποίων η εξόρυξη (συχνά σε τριτοκοσμικά ορυχεία με ουσιαστικά ανύπαρκτες συνθήκες ασφαλείας) επιβαρύνει το περιβάλλον και οδηγεί σε μείζονα ερωτήματα ηθικής φύσεως.
Η φόρτιση των ΗΟ πραγματοποιείται κατ’ οίκον και σε ειδικούς χώρους στάθμευσης στο χώρο εργασίας ή σε εμπορικά καταστήματα και άλλους δημόσιους χώρους. Αυτά τα συστήματα φόρτισης είναι Επιπέδου 1 ή 2, και χρησιμοποιούν μονοφασικό ή τριφασικό εναλλασσόμενο ρεύμα με μέγιστη ισχύ 7–22 kW. Οι επιπτώσεις αυτών των φορτίων στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας έχουν μελετηθεί εκτενώς, και γενικά θεωρείται πως δεν δημιουργούν ανυπέρβλητα τεχνικά προβλήματα.
Η φόρτιση μπορεί να πραγματοποιηθεί και ασύρματα, βασιζόμενη στο φαινόμενο της μαγνητικής επαγωγής (νόμο του Faraday), δηλαδή είναι μια τεχνική κοντινού πεδίου (χωρίς ακτινοβολία). Η φυσική είναι παρόμοια με την ασύρματη φόρτιση ενός μοντέρνου κινητού τηλεφώνου, αλλά διαφέρει κατά τάξεις μεγέθους ως προς το επίπεδο της ισχύος και την απόσταση μεταξύ πομπού και δέκτη. (Η ασύρματη φόρτιση με χρήση του ηλεκτρικού πεδίου και της χωρητικότητας μεταξύ δύο ηλεκτροδίων είναι επίσης εφικτή, αλλά προς το παρόν η τεχνολογία υστερεί της επαγωγικής.) Η ασύρματη μεταφορά ισχύος (wireless power transfer) για ΗΟ προσφέρει ευκολία και ασφάλεια, αφού ο οδηγός δεν χρειάζεται πλέον να συνδέσει ένα καλώδιο στο αυτοκίνητο για να το φορτίσει. Ο πομπός, που τοποθετείται στο έδαφος, και ο δέκτης, που τοποθετείται κάτω από το ΗΟ, είναι ουσιαστικά δύο πηνία με ασθενή μαγνητική ζεύξη μέσω ενός διακένου 20–30 cm (Εικόνα 1).
Η ιδέα της ασύρματης μεταφοράς ενέργειας δεν είναι καινούργια, και χρονολογείται από τα τέλη του 19ου αιώνα και τα πρωτοποριακά πειράματα του Νίκολα Τέσλα. Ωστόσο, η τεχνολογία έχει εξελιχθεί σημαντικά τα τελευταία χρόνια με την πρόοδο που έχει σημειωθεί στα ηλεκτρονικά ισχύος, κυρίως λόγω της έλευσης στην αγορά νέων ημιαγωγών με ευρύ ενεργειακό διάκενο (wide-bandgap semiconductors, π.χ., καρβιδίου του πυριτίου, SiC). Έτσι, είναι πλέον εφικτός ο σχεδιασμός αντιστροφέων υψηλής διακοπτικής συχνότητας. Τα πηνία (τα οποία συνήθως κατασκευάζονται από σύρματα Litz) διεγείρονται στα ~85 kHz, ούτως ώστε η επαγόμενη τάση στο δέκτη να είναι επαρκής. Ειδικά κυκλώματα συντονισμού χρησιμοποιούνται για την καταπολέμηση της μεγάλης αντίστασης σκεδάσεως των πηνίων, και για τη βέλτιστη λειτουργία των διατάξεων ηλεκτρονικών ισχύος. Η ενεργειακή απόδοση αυτών των συστημάτων ξεπερνά το 90–93% (μεταξύ της εισόδου του αντιστροφέα και της εξόδου του ανορθωτή στο ΗΟ), επομένως οι απώλειές τους είναι συγκρίσιμες με αυτές ενός ενσύρματου συστήματος. Η φόρτιση ξεκινά αυτόματα μόλις ο πομπός ανιχνεύσει ένα όχημα με κατάλληλο δέκτη παρκαρισμένο ακριβώς από πάνω του.
Η τεχνολογία είναι σε προχωρημένο επίπεδο, και υπάρχουν ήδη διεθνείς κανονισμοί προτύπων που περιγράφουν τις σχετικές τεχνικές προδιαγραφές (π.χ., SAE Standards J2954 και J2847). Αρκετές εταιρείες έχουν διαθέσιμα προϊόντα στην αγορά, τα οποία ορισμένοι κατασκευαστές ΗΟ έχουν αρχίσει να ενσωματώνουν.
Ένα ενδιαφέρον πρόβλημα σχετίζεται με την εξυπηρέτηση των ΗΟ που κινούνται στις εθνικές οδούς εκτελώντας μεγάλες διαδρομές. Εκεί γίνεται εγκατάσταση σταθμών ταχείας (ή υπερταχείας) φόρτισης Επιπέδου 3, με χρήση συνεχούς ρεύματος και μέγιστη ισχύ 100–350 kW ανά όχημα, ούτως ώστε η μπαταρία να ανακτά ένα μεγάλο ποσοστό της χωρητικότητάς της σε χρονικό διάστημα μισής ώρας. (Σημείωση: το προφίλ φόρτισης μιας μπαταρίας ιόντων λιθίου δεν είναι σταθερό, και η ισχύς φόρτισης μειώνεται όσο το αποθηκευμένο φορτίο πλησιάζει το 100% της χωρητικότητας.) Στις ΗΠΑ, η εγκατάσταση αυτών των σταθμών συντονίζεται από τις πολιτείες με χρηματοδότηση από την ομοσπονδιακή κυβέρνηση μέσω του προγράμματος NEVI (National Electric Vehicle Infrastructure).
Προβλέπεται εγκατάσταση ενός σταθμού φόρτισης ανά 80 km σε κάθε εθνικό δρόμο (interstate), σε απόσταση έως 1,5 km από την έξοδο, που τυπικά θα συνδυάζεται με λοιπές παροχές στους οδηγούς (όπως οι Σταθμοί Εξυπηρέτησης Αυτοκινητιστών στην Ελλάδα).
Οι σταθμοί ταχείας φόρτισης χρησιμοποιούν εξειδικευμένα συστήματα ηλεκτρονικών ισχύος, και χρεώνουν τους οδηγούς υψηλότερες τιμές ανά kWh (περίπου τριπλάσιες από την οικιακή χρέωση), ούτως ώστε να καλύψουν το σημαντικό κόστος εγκατάστασης, λειτουργίας, και συντήρησης. Ένα πρόβλημα που ανακύπτει είναι η σύνδεση αυτών των μεγάλων πλέον φορτίων (της τάξης του 1 MW και άνω) με το υπάρχον δίκτυο ΜΤ. Οι τοποθεσίες των σταθμών μπορεί να είναι σε απομακρυσμένες αγροτικές περιοχές, χωρίς πρόσβαση σε κάποιον υπάρχοντα Υ/Σ. Στην αντίθετη περίπτωση, είναι αρκετά πιθανό ο Υ/Σ της περιοχής να μη διαθέτει αρκετή ισχύ για να υποστηρίξει την ταυτόχρονη φόρτιση ενός ικανού αριθμού ΗΟ, με δεδομένο ότι θα πρέπει να εγκατασταθούν αρκετές θέσεις φόρτισης. H καθυστέρηση στην εξυπηρέτηση των οδηγών (χρόνος αναμονής συν διάρκεια φόρτισης) είναι σημαντικός παράγοντας για την αποδοχή των ΗΟ.
Ωστόσο, ένα μεγάλο στοίχημα στον εξηλεκτρισμό των οδικών μεταφορών είναι το να μετατραπούν σε ηλεκτρικά, εκτός από τα επιβατικά οχήματα, και τα επαγγελματικά οχήματα, όπως λεωφορεία και οχήματα μεσαίου και βαρέος καθήκοντος (medium- and heavy-duty vehicles). Στις ΗΠΑ, ο τομέας των μεταφορών εκπέμπει το μεγαλύτερο ποσοστό (29%) αερίων θερμοκηπίου, σε σύγκριση με τους άλλους τομείς της οικονομίας. Από τις εκπομπές αυτές, το 58% είναι από επιβατικά οχήματα και το 23% προέρχεται από επαγγελματικά οχήματα μεσαίου και βαρέος τύπου. Επιπλέον, οι περιοχές που βρίσκονται κοντά σε αυτοκινητόδρομους με μεγάλη κίνηση συνήθως θεωρούνται υποβαθμισμένες λόγω της μόλυνσης από τα καυσαέρια και τον θόρυβο (που μειώνονται σημαντικά με την αντικατάσταση συμβατικών οχημάτων με κινητήρα εσωτερικής καύσης από ΗΟ).
Ένα όχημα βαρέος τύπου απαιτεί περίπου 5–10 φορές υψηλότερη μηχανική ισχύ για την κίνησή του σε σχέση με ένα επιβατικό που κινείται με την ίδια ταχύτητα (λόγω μεγαλύτερου συντελεστή οπισθέλκουσας και μετωπικής επιφάνειας, αυξημένης αντίστασης κύλισης, και την ανάγκη εξυπηρέτησης λοιπών βοηθητικών φορτίων). Επομένως, οδηγούμαστε στην ανάγκη εγκατάστασης ιδιαίτερα μεγάλων συστοιχιών μπαταριών, ειδικά σε λεωφορεία και φορτηγά που προορίζονται για να εκτελούν υπεραστικά δρομολόγια. Για παράδειγμα, το Tesla Semi διαθέτει μια συστοιχία μπαταριών χωρητικότητας 900 kWh.
Αυτό οδηγεί σε σημαντική αύξηση βάρους, κόστους, και παράλληλα στη μείωση του ωφέλιμου φορτίου.
Η φόρτιση των επαγγελματικών ΗΟ πραγματοποιείται στα αμαξοστάσια των μεταφορικών εταιριών, ή σε σταθμούς ταχείας φόρτισης στους αυτοκινητόδρομους. Η ηλεκτρική ισχύς που απαιτείται είναι κατά πολύ υψηλότερη σε σχέση με τα επιβατικά, π.χ., 500 kW–1,5 MW ανά όχημα. Τέτοιου είδους φορτία ενδέχεται να δημιουργήσουν προβλήματα διαφόρων ειδών στα δίκτυα διανομής ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ το κόστος εγκατάστασης, διασύνδεσης και λειτουργίας των συστημάτων φόρτισης δεν είναι αμελητέο. Επιπλέον, ανακύπτουν και πρακτικά θέματα όπως το βάρος των καλωδίων φόρτισης και η ασφαλής διαχείρισή τους από τους οδηγούς.
Η ασύρματη φόρτιση αποτελεί μια επιλογή και για τα επαγγελματικά ΗΟ, επειδή μπορεί να προσφέρει μια λύση στο θέμα της ασφάλειας. Επίσης, είναι ίσως η βέλτιστη επιλογή σε ειδικές εφαρμογές, π.χ., για τη φόρτιση δημοτικών λεωφορείων ή οχημάτων εργασίας σε λιμάνια και εργοστάσια, τα οποία κινούνται εντός προκαθορισμένων ορίων και εκτελούν επανειλημμένα την ίδια διαδρομή, φορτίζοντας «οπορτουνιστικά» κάθε φορά που τους δίνεται η ευκαιρία. Συστήματα ασύρματης φόρτισης υψηλής ισχύος (>500 kW) βρίσκονται ακόμα σε ερευνητικό στάδιο.
Ηλεκτρικοί Δρόμοι: το Επόμενο Βήμα
Όπως είδαμε, ο εξηλεκτρισμός των οδικών μεταφορών προχωρά ραγδαία. Μάλιστα, γίνονται σημαντικές επενδύσεις παγκοσμίως που στοχεύουν στην ενίσχυση των ηλεκτρικών (και τηλεπικοινωνιακών) δικτύων κοντά στους αυτοκινητόδρομους, ώστε να διευκολυνθεί η (όσον το δυνατό γρηγορότερη) φόρτιση των μπαταριών των ΗΟ, ο αριθμός των οποίων θα αυξηθεί κατακόρυφα στο προσεχές μέλλον. Κινούμαστε δηλαδή προς μια νέα μορφή του «πρατηρίου καυσίμων» για τον ανεφοδιασμό των ΗΟ. Είναι όμως αυτό το μοντέλο βιώσιμο μακροπρόθεσμα;
Υπάρχουν πολλοί λόγοι που συνδράμουν στην αναθεώρηση αυτής της πρακτικής. Κατά πρώτο λόγο, θεωρείται πως δεν είναι εφικτή η μαζική παραγωγή δεκάδων εκατομμυρίων ΗΟ παγκοσμίως με μεγάλες συστοιχίες μπαταριών λόγω της έλλειψης πρώτων υλών, του κόστους, και των περιβαλλοντικών επιπτώσεων. Ίσως εξίσου σημαντικά είναι τα προβλήματα που θα ανακύψουν στα ηλεκτρικά δίκτυα λόγω των νέων φορτίων ταχείας φόρτισης, τα οποία θα έχουν χαρακτηριστικά εξαιρετικά συγκεντρωμένα στο χώρο και χρόνο. Το πρόβλημα εντείνεται αν θεωρήσουμε πως λόγω της διείσδυσης των ΑΠΕ και της απόσυρσης μεγάλων θερμικών μονάδων με σύγχρονες γεννήτριες μειώνεται σταδιακά η ροπή αδρανείας του συστήματος, και καθίσταται δυσκολότερος ο έλεγχος της ηλεκτρικής συχνότητας.
Οι ηλεκτρικοί δρόμοι (ΗΔ) αποτελούν μια ενδιαφέρουσα λύση σε αυτά τα προβλήματα.
Θα μπορούσαμε να τους θεωρήσουμε ως το επόμενο βήμα που θα κάνουμε για να ξεπεράσουμε τους περιορισμούς των «πρατηρίων» ηλεκτρικής ενέργειας, εκμεταλλευόμενοι τις επενδύσεις διασύνδεσης που θα έχουν ήδη πραγματοποιηθεί. Το ενδιαφέρον είναι μεγάλο παγκοσμίως, και διάφορα πιλοτικά προγράμματα έχουν ήδη ολοκληρωθεί ή είναι σε εξέλιξη (Νέα Ζηλανδία, Ν. Κορέα, Σουηδία, Ιταλία, Γαλλία, Νορβηγία, ΗΠΑ, κλπ.). Ο γράφων συμμετέχει σε ένα πιλοτικό ερευνητικό πρόγραμμα με στόχο την επίδειξη της τεχνολογίας σε οχήματα βαρέος τύπου με μέγιστη ισχύ ασύρματης μεταφοράς 230 kW, το οποίο τελεί υπό κατασκευή στην πολιτεία της Indiana στις ΗΠΑ [1–3]. Στις ΗΠΑ, παρόμοιες δοκιμές βρίσκονται σε διάφορα στάδια στις πολιτείες Michigan, Florida, και Utah.
Εάν τα πιλοτικά προγράμματα στεφθούν με επιτυχία, οι πρώτοι ΗΔ για δημόσια χρήση ενδέχεται να εμφανιστούν περί το 2030 σε αστικά και υπεραστικά οδικά δίκτυα.
Τι είναι όμως ένας ΗΔ; Ουσιαστικά, οι ΗΔ κάνουν χρήση της προαναφερθείσης τεχνολογίας ασύρματης μεταφοράς ισχύος. Ωστόσο, η ισχύς μεταφέρεται δυναμικά, δηλαδή με το ΗΟ εν κινήσει υπό υψηλές ταχύτητες, π.χ., 120 km/h. Έτσι, χρησιμοποιείται ο όρος dynamic wireless power transfer (DWPT). Επιβάλλεται η τοποθέτηση διαδοχικών πηνίων κάτω από το οδόστρωμα καθ’ όλο το μήκος της διαδρομής σε ειδικές λωρίδες (Εικόνα 2), περίπου σε βάθος 5–10 cm από την επιφάνεια. Τα πηνία μπορούν να εγκατασταθούν σε οδόστρωμα από άσφαλτο ή σκυρόδεμα, αφού τα υλικά αυτά δεν εμφανίζουν ιδιαίτερες ηλεκτρομαγνητικές ιδιότητες. Η ισχύς που καταφθάνει στο ζυγό συνεχούς τάσης (dc-link) ενός ειδικά διαμορφωμένου ΗΟ μπορεί να κατευθύνεται απευθείας στους τροχούς, παρακάμπτοντας τις μπαταρίες. Οπότε, εξαιτίας της ύπαρξης αυτού του βαθμού ελευθερίας στη διαχείριση της ενέργειας, δεν πραγματοποιείται αναγκαστικά φόρτιση του ΗΟ, αλλά είναι εφικτό να διατηρούνται οι μπαταρίες υπό σταθερό φορτίο (charge-sustaining mode).
Επίσης, είναι αξιοσημείωτο ότι οι λωρίδες με σύστημα DWPT δεν είναι αποκλειστικής χρήσης, με την έννοια ότι θα μπορούν να χρησιμοποιούνται δίχως πρόβλημα και από συμβατικά οχήματα. Το κάθε πηνίο θα ενεργοποιείται τη στιγμή που θα πλησιάσει ένα ΗΟ με δέκτη DWPT (το οποίο προηγουμένως θα απαιτείται να έχει κάνει επιτυχή χειραψία με το σύστημα λειτουργίας του ΗΔ), και θα απενεργοποιείται μόλις το ΗΟ απομακρυνθεί. Επίσης, τα πηνία θα είναι σχεδιασμένα ούτως ώστε το δημιουργούμενο μαγνητικό πεδίο να μην επηρεάζει τους επιβάτες, με βάση τους διεθνείς κανονισμούς ασφαλείας για την έκθεση σε μη ιοντίζουσες ακτινοβολίες (Εικόνα 3).
Η διασύνδεση των ΗΔ με το δίκτυο είναι ένα εξίσου ενδιαφέρον θέμα από τεχνικής άποψης (Εικόνα 4). Η διαστασιολόγηση του Μ/Σ ΥΤ/ΜΤ και του συστήματος διανομής εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τα χαρακτηριστικά μεγέθη της κυκλοφορίας των ΗΟ (όπως αυτή προβλέπεται μελλοντικά, π.χ., ροή, ταχύτητα, και πυκνότητα). Γενικά, τα φορτία αναμένεται να είναι της τάξεως των 1–2 MW ανά λωρίδα και ανά km. Η χρήση συστοιχίας μπαταριών στον Υ/Σ ενδείκνυται για την ενίσχυση της αξιοπιστίας του συστήματος. Επίσης, ίσως είναι αναγκαία η χρήση ενός υποσυστήματος διανομής συνεχούς ρεύματος για την παροχή ισχύος στους αντιστροφείς.
Τα πλεονεκτήματα των ΗΔ είναι πολυάριθμα. Ενδεικτικά αναφέρουμε τα εξής:
(1) Μειώνεται σημαντικά το κόστος και το βάρος των ΗΟ. Κατασκευάζοντας μια δημόσια υποδομή που να εξυπηρετεί τους κύριους οδικούς άξονες (π.χ., το 3% του συνολικού οδικού δικτύου), περιορίζεται η ανάγκη εγκατάστασης μεγάλων συστοιχιών μπαταριών στα ΗΟ. Πλέον η αυτονομία επαρκεί να είναι 50–150 km, αρκετή δηλαδή για να μας μεταφέρει από τον αρχικό μας προορισμό έως την είσοδο του ΗΔ, εντός του οποίου μπορούμε να φορτίσουμε την μπαταρία, και από την έξοδο του ΗΔ στον τελικό μας προορισμό.
(2) Συμπληρωματικά με την ελάττωση της χωρητικότητας των συστοιχιών αποθήκευσης ενέργειας, το κόστος τους μπορεί να μειωθεί περαιτέρω λόγω της δυνατότητας χρήσης μπαταριών με πιο συμβατική χημική σύσταση, διότι η ανάγκη υπερταχείας φόρτισης καθίσταται πλέον ασήμαντη.
(3) Ειδικά για τις εμπορικές μεταφορές, η μείωση του βάρους των μπαταριών μεταφράζεται σε αύξηση του ωφέλιμου φορτίου και ενίσχυση των εσόδων από τα μεταφορικά τέλη.
(4) Η μείωση του βάρους των ΗΟ συντελεί στη μείωση της ενέργειας που απαιτείται για την κίνησή τους.
(5) Η μείωση του βάρους των ΗΟ συντελεί στη μείωση των εκπομπών σωματιδίων εξαιτίας της φθοράς των φρένων και των ελαστικών.
(6) Η μείωση του βάρους των ΗΟ ελαττώνει τη φθορά των οδοστρωμάτων και συμβάλλει στην επέκταση της διάρκειας ζωής τους.
(7) Τα ΗΟ πλέον αποκτούν ουσιαστικά απεριόριστη αυτονομία, και εξαλείφεται πρακτικά το άγχος εμβέλειας, που είναι ένας καθοριστικός παράγοντας που επηρεάζει την αποδοχή των ΗΟ.
(8) Η επανειλημμένη καταπόνηση των μπαταριών λόγω ανάγκης ταχείας ή υπερταχείας φόρτισης μειώνεται, με αποτέλεσμα την αύξηση της διάρκειας ζωής τους.
(9) Μειώνονται οι καθυστερήσεις στις μετακινήσεις επιβατών και προϊόντων.
(10) Η φόρτιση των ΗΟ γίνεται αυτόματα, και δεν είναι μόνιμη σκέψη και αγωνία των οδηγών το αν θα βρουν διαθέσιμο σταθμό φόρτισης.
(11) Οι ΗΔ είναι προσβάσιμοι σε όλους τους οδηγούς, ανεξαρτήτως οικονομικού υπόβαθρου και δυνατότητας εγκατάστασης οικιακού ή επαγγελματικού συστήματος φόρτισης. Μεταφέρεται, δηλαδή, το κόστος από τον ιδιώτη ή την επιχείρηση, στο δημόσιο.
(12) Δημιουργείται μια υποδομή κοινής ωφελείας με πολύ υψηλότερο συντελεστή χρήσης σε σύγκριση με τους ιδιωτικούς φορτιστές.
(13) Οι ΗΔ παρέχουν υψηλή αξιοπιστία επειδή αποτελούν ένα σύστημα διανεμημένο στο μέγιστο βαθμό. Προφανώς, τα πηνία δεν συνδέονται όπως τα λαμπάκια ενός Χριστουγεννιάτικου δέντρου! Η απώλεια ενός μικρού αριθμού πομπών στο δρόμο (π.χ., λόγω ηλεκτρικής βλάβης ή αστοχίας του οδοστρώματος) δεν είναι καταστροφική. Αντιθέτως, μια βλάβη σε ένα σταθμό ταχείας φόρτισης
μπορεί να οδηγήσει σε μερική ή ολική απώλεια ισχύος, με αρνητικές επιπτώσεις στην κυκλοφορία των οχημάτων.
(14) Οι ΗΔ μπορούν να συνδυαστούν με την εγκατάσταση ΑΠΕ στην ευρύτερη περιοχή, ούτως ώστε να μετατραπούν σε «πράσινους δρόμους». Αυτό θα μπορούσε να οδηγήσει στη μείωση του κόστους της ηλεκτρικής ενέργειας μέσω της σύναψης ειδικών συμβάσεων μεταξύ παραγωγών ΑΠΕ και του διαχειριστή του ΗΔ.
(15) Το φορτίο εξομαλύνεται και γίνεται πιο φιλικό προς το δίκτυο. Επιπλέον, οι διαχειριστές των ΗΔ έχουν τη δυνατότητα πρόβλεψης των φορτίων τους με αρκετή ακρίβεια. Υπάρχουν λοιπόν σημαντικές προοπτικές για τη συμμετοχή των ΗΔ στις αγορές ηλεκτρικής ενέργειας. Το όραμα είναι ότι οι ΗΔ δεν θα είναι μόνο ένα παθητικό φορτίο, αλλά θα λειτουργούν σε συνέργεια με το δίκτυο, υποβοηθώντας την εξισορρόπηση παραγωγής και κατανάλωσης ενέργειας.
(16) Περιορίζεται ο βαθμός της γεωπολιτικής εξάρτησης από τα κράτη παραγωγούς πρώτων υλών που χρησιμοποιούνται στις μπαταρίες.
(17) Οι ΗΔ υποστηρίζουν καλύτερα τα ΗΟ με δυνατότητες αυτόνομης οδήγησης.
(18) Τέλος, αξίζει να σημειωθεί ότι έχουν αναπτυχθεί τεχνολογίες ενσύρματης μεταφοράς ισχύος, π.χ., με εναέρια καλώδια και παντογράφο, όπως τα τρόλεϊ, ή με επίγεια συστήματα ραγών. Ωστόσο, αυτές οι λύσεις μειονεκτούν από άποψη αισθητικής, δημιουργούν θέματα ηλεκτρικής ασφάλειας, και οδηγούν σε δυσκολίες διαλειτουργικότητας με οχήματα διαφορετικών τύπων. Αντιθέτως, η τεχνολογία DWPT είναι αόρατη, ασφαλής, και μπορεί να αξιοποιηθεί από ΗΟ ανεξαρτήτως μεγέθους.
Εμπόδια στην Υλοποίηση και Αποδοχή
Τα εμπόδια για την υλοποίηση των ΗΔ δεν είναι αμελητέα. Η έλλειψη τεχνικών προδιαγραφών για τα συστήματα DWPT είναι προς το παρόν ένα από αυτά, αν και έχει σημειωθεί σημαντική πρόοδος σε αυτό τον τομέα. Ίσως το πιο δύσβατο είναι το υψηλό κόστος εγκατάστασης, που εκτιμάται ότι κυμαίνεται στα 1–5 εκατομμύρια ευρώ ανά λωρίδα και ανά km. Σε αυτό το ποσό συμπεριλαμβάνεται η διασύνδεση με το δίκτυο, το σύστημα διανομής, τα ηλεκτρονικά ισχύος, τα πηνία, ο εξοπλισμός τηλεπικοινωνιών, και η κατασκευή του όλου συστήματος εν γένει.
Ωστόσο, θα πρέπει να συνυπολογιστεί το κόστος οδοποιίας, το οποίο επιβαρύνεται όταν οι μέθοδοι κατασκευής είναι καινοτόμες. Είναι αναμενόμενο να υπάρχει προβληματισμός εκ μέρους των κατασκευαστικών εταιρειών ως προς το όλο εγχείρημα, διότι η εγκατάσταση καλωδίων ισχύος εντός του οδοστρώματος είναι κάτι πρωτοφανές, το οποίο σαφώς παρουσιάζει επιπλέον δυσκολίες. Επομένως, χρειάζεται ακόμα δουλειά ώστε να μελετηθούν οι ιδιότητες των οδοστρωμάτων των ΗΔ, και να εξελιχθούν οι κατάλληλες μέθοδοι εγκατάστασης και ασφαλούς συντήρησής τους. Με την πάροδο του χρόνου, όμως, θα αποκτηθεί εμπειρία και τεχνογνωσία στο αντικείμενο.
Η χρηματοδότηση τέτοιων projects απαιτεί μεγάλο κεφάλαιο και ενέχει σημαντικό ρίσκο.
Ωστόσο, διάφορες τεχνοοικονομικές μελέτες έχουν δείξει πως οι ΗΔ μπορούν να είναι κερδοφόροι σε βάθος χρόνου 30–40 έτη, ακόμα και υπό σενάρια σταδιακής υιοθέτησης της τεχνολογίας [5]. Η βασική ιδέα του επιχειρηματικού μοντέλου ενός διαχειριστή ΗΔ θα είναι να αγοράζει την ηλεκτρική ενέργεια σε αρκετά χαμηλή τιμή (π.χ., με κάποιου είδους βιομηχανικό τιμολόγιο), και να την πουλάει στα ΗΟ σε μια τιμή που: (1) να καλύπτει το κόστος εγκατάστασης, συντήρησης, και χρηματοδότησης του ΗΔ, και (2) να είναι χαμηλότερη από το κόστος λειτουργίας ενός αντίστοιχου οχήματος με κινητήρα εσωτερικής καύσης, έτσι ώστε να επιταχυνθεί η διείσδυση της τεχνολογίας στην αγορά. Επίσης, είναι ιδιαίτερα σημαντικό να ηλεκτροδοτηθούν πρωτίστως οδικοί άξονες με καθημερινά σταθερή ροή οχημάτων βαρέος τύπου, ούτως ώστε να αυξηθούν τα έσοδα (λόγω της αυξημένης κατανάλωσης ενέργειας ανά όχημα) και να εξασφαλιστεί η οικονομική βιωσιμότητα των ΗΔ.
Αξίζει να αναφερθούμε και στην ύπαρξη εμποδίων που οφείλονται καθαρά σε λόγους πολιτικούς καθώς και σε ελλείψεις του νομικού πλαισίου. Για παράδειγμα, στις ΗΠΑ, ο Τίτλος 23 των ομοσπονδιακών νόμων, ο οποίος περιγράφει τους κανονισμούς που διέπουν τις μεταφορές επί των εθνικών οδών (highways), στην παράγραφο 111 περιορίζει τη χρήση τους για εμπορικούς σκοπούς, συμπεριλαμβάνοντας έτσι και την πώληση της ηλεκτρικής ενέργειας από τους ΗΔ. Ωστόσο, γίνονται προσπάθειες για την αναθεώρηση αυτού του νόμου.
Επίλογος
Στο κείμενο αυτό, παρουσιάσαμε τις τελευταίες εξελίξεις στον τομέα των ηλεκτρικών μεταφορών. Εκθέσαμε κάποιες επιφυλάξεις για τη βιωσιμότητα του σημερινού μοντέλου που βασίζεται στη χρήση ΗΟ με μεγάλες συστοιχίες μπαταριών. Εστιάσαμε, λοιπόν, στην περιγραφή της νέας τεχνολογίας των Ηλεκτρικών Δρόμων με δυναμική ασύρματη μεταφορά ισχύος. Συζητήσαμε για τα πλεονεκτήματα που προσφέρουν οι ΗΔ, αλλά αναδείξαμε και τα εμπόδια για την υλοποίησή τους.
Σε τελική ανάλυση, ο κύριος ανταγωνιστής των ΗΔ για το μέλλον της ηλεκτροκίνησης μάλλον είναι το υδρογόνο. Είναι πολύ δύσκολο να προβλέψουμε ποια από τις τεχνολογίες θα επικρατήσει. Ίσως να δούμε έναν συνδυασμό και των δύο. Πέραν των τεχνολογικών και επιστημονικών επιχειρημάτων, αυτό εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό και από πολιτικές αποφάσεις που θα ληφθούν στα ανώτατα επίπεδα, καθορίζοντας τη μορφή του ενεργειακού τοπίου στον 21ο αιώνα.
Αναφορές
[1] Advancing Sustainability through Powered Infrastructure for Roadway Electrification (ASPIRE) website, College of Engineering, Purdue University: https://engineering.pur-due.edu/ASPIRE
[2] Advancing Sustainability through Powered Infrastructure for Roadway Electrification (ASPIRE) website, Utah State University: https://aspire.usu.edu
[3] Indiana Department of Transportation, “Dynamic Wireless Power Transfer”: https://www.in.gov/indot/emerging-mobility/dynamic-wireless-power-transfer/
[4] A. D. Brovont, D. Aliprantis, S. D. Pekarek, C. J. Vickers and V. Mehar, “Magnetic Design for Three-Phase Dynamic Wireless Power Transfer with Constant Output Power,” IEEE Transactions on Energy Conversion, vol. 38, no. 2, pp. 1481-1484, June 2023
[5] D. Haddad, T. Konstantinou, D. Aliprantis, K. Gkritza, S. Pekarek, and J. Haddock, “Analysis of the financial viability of high-power electric roadways: a case study for the state of Indiana,” Energy Policy, Vol. 171, Dec. 2022, 113275
*Λίγα λόγια για τον Διονύση Αλιπράντη
Ο Διονύσης Αλιπράντης είναι Διπλωματούχος της Σχολής ΗΜΜΥ του ΕΜΠ (1999), και Διδάκτωρ του Πανεπιστημίου Purdue, West Lafayette, Indiana, USA (2003). Από το 2013 είναι καθηγητής της Σχολής ΗΜΜΥ στο Purdue, όπου υπηρετεί και ως διευθυντής του τομέα ηλεκτρικής ισχύος. Τα ερευνητικά του ενδιαφέροντα συμπεριλαμβάνουν τις ηλεκτρικές μηχανές και τα συστήματα ηλεκτρικής ενέργειας, με εφαρμογές στις ανανεώσιμες πηγές ενέργειας και τα ηλεκτρικά οχήματα. Εκτελεί επίσης χρέη αρχισυντάκτη του περιοδικού IEEE Transactions on Energy Conversion.
(πηγή: “Πυλώνες”, τ. αρ. 5 - Ηλεκτρονικό Περιοδικό Ελληνικής Επιτροπής CIGRE)