Samochód elektryczny i własna instalacja PV to dobrana para?

Po pierwsze, czy rynek samochodów elektrycznych w Polsce i w Europie w ogóle się rozwija?

Od elektromobilności nie ma odwrotu. Biorąc pod uwagę Polskę robimy tym zakresie ciągłe postępy, ale daleko nam jednak do deklarowanego 1 mln samochodów elektrycznych (ktoś, kiedyś chyba coś takiego obiecał i planował?). Według danych z końca września 2021r., w Polsce było zarejestrowanych łącznie 31633 samochodów osobowych z napędem elektrycznym (Rys. 1). Przez pierwsze dziewięć miesięcy br. ich liczba zwiększyła się o 12 897 sztuk, tj. przybyło o 120% więcej niż w analogicznym okresie 2020r. – wynika z Licznika Elektromobilności, uruchomionego przez PZPM i PSPA. Zatem na pewno liczba tego typu pojazdów w Polsce się zwiększa [1].

Rys. 1. Licznik elektromobilności w Polsce – stan na wrzesień 2021r. [1][2]

Pojazdy w pełni elektryczne (tzw. BEV, ang. Battery Electric Vehicles) odpowiadały za 48% (15 255 szt.) tej części parku samochodów, a pozostałą część (52%) stanowiły hybrydy typu plug-in, czyli samochody hybrydowe z możliwością ładowania (tzw. PHEV, ang. Plug-in Hybrid Electric Vehicles. Skrót HEV – Hybrid Electric Vehicles, który jest w tekście i na wykresach to hybrydy bez możliwości ładowania) – 16 378 szt.

Park elektrycznych samochodów dostawczych i ciężarowych w Polsce w analizowanym okresie liczył 1 333 szt. W dalszym ciągu rośnie też flota elektrycznych motorowerów i motocykli, która na koniec września składała się z11 771 szt., jak również liczba osobowych i dostawczych aut hybrydowych, która powiększyła się do 294 901 szt. Pod koniec ubiegłego miesiąca park autobusów elektrycznych w Polsce wzrósł do 619 szt. Od stycznia do września 2021r. flota elektrobusów powiększyła się o 187 zeroemisyjnych pojazdów. W porównaniu z analogicznym okresem 2020r., kiedy zarejestrowano 116 takich autobusów, oznacza to wzrost o 61% r/r. [1][2].

Wraz ze wzrostem liczby pojazdów z napędem elektrycznym, rozwija się również infrastruktura ładowania, która jest niezbędna do rozwoju elektromobilności (Rys. 1). Pod koniec września w Polsce funkcjonowało 1 675 ogólnodostępnych stacji ładowania pojazdów elektrycznych (3 262 punkty). 31% z nich stanowiły szybkie stacje ładowania prądem stałym (DC), a 69% – wolne ładowarki prądu przemiennego (AC) o mocy mniejszej lub równej 22 kW. We wrześniu uruchomiono 44 nowe, ogólnodostępne stacje ładowania (84 punkty).

A co z Europą? Z danych przedstawionych przez ACEA (Europejskie Stowarzyszenie Producentów Samochodów) w trzecim kwartale 2021r. wynika, że udział rejestrowanych samochodów zasilanych elektrycznie w UE wzrósł kosztem pojazdów benzynowych i wysokoprężnych. Zarówno samochody całkowicie elektryczne, jak i hybrydy typu plug-in prawie podwoiły swój udział w okresie trzech miesięcy – stanowiąc już odpowiednio 9,8% i 9,1% rynku [1][2].

Rys. 2. Udziały poszczególnych typów (rodzaj paliwa) nowych samochodów rejestrowanych w Europie [2]

Jakie rodzaje elektryków wybierają Europejczycy? Biorąc pod uwagę tylko napędy alternatywne ostatnio rósł w Unii Europejskiej popyt na pojazdy elektryczne (BEV). Progres wyniósł aż 56,7%, osiągając 212 582 sztuki. Dzieje się tak pomimo ogólnego spadku liczby rejestracji nowych samochodów w ostatnim okresie wywołanym pandemią. Wzrost w różnych krajach Europy jest stymulowany przez zachęty do pojazdów typu BEV na różnych rynkach oraz zmianą podejścia konsumentów, którzy po prostu chcą być ekologiczni [1][2].

Czy samochód elektryczny da się zintegrować z instalacją PV zamontowaną na domu jednorodzinnym?

Widzimy więc, że elektromobilność staje się z roku na rok coraz bardziej popularna również w Polsce. Samochodów elektrycznych regularnie w Polsce przybywa. Domowa instalacja fotowoltaiczna wytwarza prąd z energii słonecznej. Nadwyżki energii z tej instalacji możemy wykorzystać do zasilania stacji ładowania samochodu elektrycznego. Przy odpowiednim doborze tej instalacji pozwoli to nam na przemieszczanie się bez emisji i praktycznie za darmo.

Rys. 3. Przykład domowej stacji ładowania samochodów elektrycznych [7]

Ładowanie akumulatora samochodu elektrycznego za pośrednictwem domowej instalacji PV jest o wiele bardziej opłacalne niż korzystanie z publicznych ładowarek. Operatorzy tych systemów sporo sobie za nie liczą bo muszą sobie zrekompensować nakłady na budowę infrastruktury sieci ładowania. Wartość za kilowatogodzinę prądu często przekracza 1 zł. Jeżeli jeździmy głównie po mieście, pokonujemy niewielkie dystanse i mamy możliwość ładowania pojazdu z domowej stacji typu wallbox zasilanej z paneli fotowoltaicznych, to pod względem ekonomii eksploatowanie samochodu elektrycznego jest opłacalne. Wykorzystując odpowiednio wydajną instalację PV koszt ładowania samochodu elektrycznego lub hybrydy typu plug-in może wtedy spaść do zera.

Ile kosztuje ładowanie samochodu elektrycznego i ile przejadę kilometrów na darmowym prądzie?

Oczywiście nas najbardziej interesuje czas ładowania. Najszybszą, ale jednocześnie najdroższą metodą ładowania samochodu elektrycznego są publiczne stacje szybkiego ładowania. Średniej szybkości, stacje na prąd zmienny AC pozwalają naładować akumulator samochodu elektrycznego za cenę ok. 1,20 zł/kWh, natomiast na superszybkich stacjach DC (prąd stały) cena ta rośnie już do ok. 2 zł/kWh. Za taka cenę ładowania zakładając, że na przejechanie 100 km potrzebujemy około 18-20 kWh tańszy w eksploatacji jest niestety samochód klasyczny.

Wariant następny: Ładowanie z domowego gniazdka prądem zmiennym (AC) o napięciu 230 V i mocą 2,3 kW. Wykorzystujemy fabryczny kabel do ładowania samochodu, który posiada samochód elektryczny. Zakładając, że właściciel pojazdu elektrycznego będzie ładować go korzystając z taryfy G11 koszt 1 kWh wyniesie ok. 60 groszy. Taka standardowa ładowarka z jednej strony zakończona jest standardową wtyczką, pasującą do każdego standardowego gniazda 230 V w naszym domu, z drugiej strony mamy zazwyczaj wtyczkę Typ-2. Warto jednak zwrócić uwagę, że ładowanie za pomocą takiego urządzenia trwa bardzo długo i obciąża instalację elektryczną. Dla samochodu elektrycznego również nie jest to optymalna forma ładowania.

W układzie domowym lepiej korzystać z zainstalowanej w domu stacja typu Wallbox o mocy 7,4 – 22 kW. Są to już układy trójfazowe. Ładowarka taka pozwoli naładować samochód elektryczny kilka razy szybciej. Dodatkowo koszty ładowania samochodu można dalej obniżać wybierając zmienną taryfę rozliczeniową np. G12 (nocną) lub G12w (weekendową). Cena za 1 kWh jest wtedy niższa w godzinach nocnych od 22 do 6 rano, między 13 a 15 po południu oraz w weekendy i wynosi ok. 50 groszy. Tego typu działania umożliwiają aplikacje zintegrowane z tego typu ładowarkami. Klient po przyjeździe do domu po prostu podłącza do niej samochód elektryczny, a sama ładowarka uruchamia się zgodnie z założonym schematem ładowania.

Prosumenci posiadający nawet niewielką domową instalację PV o mocy 4 kW w okresie zimowym są w stanie wyprodukować około 100 kWh, a latem nawet 720 kWh miesięcznie. Deklarowane średnie zużycie prądu przez przykładowy samochód elektryczny oferowany teraz na rynku np. Volkswagena ID.3 to 15,40 kWh/100 km. Korzystając z prądu z własnej instalacji PV można więc przejechać ok. 650-4700 km miesięcznie. Jeśli Prosument powiększy swoją instalację PV do 6 kW instalacja wyprodukuje latem w ciągu jednego miesiąca energię pozwalającą na przejechanie nawet 6000 km. Są to wartości, które wskazują, że własna instalacja PV może zwiększać autokonsumpcję, a dodatkowo może zapewnić bezkosztowy transport samochodem elektrycznym na pewno na terenie miasta [1][3][4][6].

Dobór instalacji fotowoltaicznej do samochodu

Planując instalację PV pod kątem potencjalnego korzystania z samochodu elektrycznego, należy zaprojektować ją z odpowiednim zapasem wydajności. Pozwoli to zasilać wszystkie urządzenia elektryczne w domu, a nadwyżkę z produkcji również wykorzystać na dodatkowe potrzeby np. ładowanie akumulatorów w samochodzie elektrycznym (jeśli go posiadamy  ).

Aby dobrać wielkość instalacji PV do zapotrzebowania samochodu elektrycznego, należy wiedzieć:

1. jaką pojemność ma akumulator naszego samochodu elektrycznego?

2. ile zużywa energii w kWh na 100 km (deklaruje to producent – ale wartość ta jest bardzo zmienna w zależności np. od pory roku) ?

3. ile średnio kilometrów pokonujemy np. w ciągu dnia lub miesiąca naszym samochodem elektrycznym?

Te dane pozwolą nam na określenie nadwyżki projektowanej instalacji PV w stosunku do instalacji, gdyby tego samochodu niebyło. Jeżeli źle oszacujemy to zapotrzebowanie, naładowanie naszego samochodu elektrycznego wyłącznie z mocy dostępnej z instalacji PV może okazać się niemożliwe. Jeśli przeszacujemy moc instalacji PV, nadwyżki prawdopodobnie wrzucimy do sieci bez wynagrodzenia, albo z zapłatą, która nie będzie dla nas satysfakcjonująca.

Osoby dopiero planujące montaż instalacji fotowoltaicznej powinny się zainteresować rozwiązaniami pozwalającymi na integrację systemu PV i ładowarki samochodów elektrycznych. Przykładem tego typu trendów jest falownik zintegrowany z ładowarką pojazdów EV firmy SolarEdge. Montaż urządzenia typu „dwa w jednym” jest prostszy i mniej kosztowny niż ładowarki i falownika osobno. Ten ostatni może pracować w dwóch trybach. W przypadku, gdy domowa instalacja fotowoltaiczna nie produkuje energii, albo produkuje jej mało ładowanie samochodu odbywa się z mniejszą mocą, natomiast w trybie „solarnym” (jednoczesne wykorzystanie prądu z sieci i instalacji fotowoltaicznej) moc ładowania wzrasta w zależności od dostępnej mocy z PV [5][8].

Rys. 4. Falownik zintegrowany z ładowarką pojazdów EV izraelskiej firmy SolarEdge [5]

Czy samochód elektryczny może być magazynem energii dla domu i sieci energetycznej?

Najbardziej opłacalne jest zużywanie energii wytworzonej przez system fotowoltaiczny na bieżąco. Elektromobilność wspiera tę tendencję. Nie zawsze bowiem faktyczna konsumpcja naszego domu pozwala na pełne wykorzystanie darmowego prądu, zwłaszcza w szczycie produkcji. Dzięki bateriom samochodów elektrycznych możemy [3][4][5][6]:

1. Wytworzony nadmiar energii wykorzystywać do darmowego poruszania się po drodze.

Rys. 5. Idea systemu V2G,gdzie samochód jest ładowany z domowej sieci ale również może być magazynem energii dla domu oraz sieci energetycznej [5]

2. Wytworzony nadmiar energii w akumulatorze wykorzystywać do bilansowania energii w domu i w sieci.

Ostatnio coraz częściej w publikacjach i doniesieniach prasowych mówi się o tzw. technologii Vehicle-to-Grid (V2G), czyli systemów ładowarek samochodów elektrycznych zapewniających dwukierunkowy przepływ energii pomiędzy pojazdem (jego akumulatorem) a siecią (obiektem mieszkalnym). System ten może służyć do bilansowania sieci elektroenergetycznej – pobieranie prądu w okresach wzmożonej produkcji energii, a następnie sprzedaż do sieci w godzinach szczytowego zapotrzebowania. Technologia V2G pozwala zatem na wykorzystanie baterii w samochodzie w roli magazynu energii: kiedy jest jej za dużo, auta mogą przechować jej nadmiar, kiedy zaś zacznie jej brakować, samochody oddadzą niewielką część mocy, żeby wspomóc elektrownie lub naszą instalację domową. Oczywiście warunek podstawowy: samochód stoi w garażu i mamy podpisane odpowiednie umowy z operatorem. Na niektórych rynkach w Europie na oddawaniu mocy do sieci – z punktu widzenia sieci jest to wytwarzanie energii – można zarobić. Do takiego rozwiązania zapewne zmierzać będzie również Polska po likwidacji systemu opustowego [6][8].

Źródła

1. https://orpa.pl/elektrykow-przybywa-dotacje-do-infrastruktury-coraz-blizej/

2. https://orpa.pl/bev-i-phev-podwoily-udzial-w-rynku-ue/

3. www.weforum.org/agenda/2019/01/the-hidden-value-of-the-battery-in-your-next-car/

4. www.wyborkierowcow.pl/samochod-elektryczny-i-fotowoltaika-czy-mozna-wyzerowac-koszty-eksploatacji-auta-na-prad/

5. www.pveurope.eu/vehicles/solaredges-new-vehicle-charger-first-pv-inverter-integrated-electric-car-charger

6. https://orpa.pl/v2g-pojazdy-elektryczne-jako-mobilne-magazyny-energii/

7. https://new.abb.com/ev-charging/pl/terra-ac-wallbox

8. Flizikowski J., Tomporowski A., Kruszelnicka W., Piasecka I., Mroziński A., Kasner R. (2020) Electric Cars as a Future Energy Accumulation System. In: Wróbel M., Jewiarz M., Szlęk A. (eds) Renewable Energy Sources: Engineering, Technology, Innovation. Springer Proceedings in Energy. Springer, Cham (https://doi.org/10.1007/978-3-030-13888-2_80)