O čem se v kontextu elektromobility nemluví
Počet osobních bateriových elektromobilů (BEV) ve vozovém parku ČR bude růst. Jejich již mnohokrát prodiskutované nevýhody oproti automobilům se spalovacími motory (ICV) jsou notoricky známé stejně jako jejich v současnosti i v dosti vzdálené budoucnosti více než problematický přínos ke snížení emisí skleníkových plynů. Přesto jsou pro určitý okruh uživatelů, kteří vozidlo pravidelně každodenně používají a disponují možností vlastního nebo snadno dostupného nabíjení, atraktivní volbou.
Volba koupě a používání mezi BEV a ICV by proto měla být ponechána na rozhodnutí každého jednotlivce, nikoliv na diktátu politických rozhodnutí.
Je ale nutno upozornit na jednu skutečnost, o které se prakticky nemluví a která může u kupců ojetých BEV významně toto rozhodování ovlivnit, a tou je otázka životnosti jejich baterií.
Kapacita baterie je definována nominální hodnotou, vyjádřenou v kWh (např. 65 kWh). Na tuto kapacitu, označenou jako „stav nabití“ (state-of charge – SOC) rovný 1, tedy na SOCmax 1, je možno baterii nabít jen za dlouhý čas a s nebezpečím jejího poškození. Odběrem energie SOC klesá, u zcela vybité baterie je SOC 0 (Poznámka: palubní údaje jsou většinou úmyslně upraveny z důvodu ochrany baterie, např. hlásí nulu, i když v baterii určitá energie ještě zbývá. Podobně při nabíjení). Všeobecně se doporučuje nabíjet baterie v rozmezí od SOC 0.2 do SOC 0.8. V dalším uvažujeme optimisticky využívání kapacity baterie od SOC 0.1 (tj. v příkladu z 6,5 kWh baterie) až do SOC 0.9 (tj. 58,5 kWh). Využitelná kapacita tedy bude 80 % SOCmax, tj. 52 kWh.
Během provozu BEV se stav baterie zhoršuje, neboli možnost jejího dobití stále klesá, SOCmax<1 , běžně nazýváno “State of Health” SOH . Garanční limity většiny dnešních baterií BEV udávají, že SOH, neboli poměrná kapacita používané baterie při jejím maximálním možném nabití ke kapacitě baterie nové, nesmí klesnout pod garantovanou velikost SOHg 0.7 po dobu 8mi let nebo po ujetou dráhu do 160 000 km podle toho, co nastane dříve. V připravované emisní normě Euro 7 je pro vozidla kategorie M1 navíc stanoven limit pro 5 let a 100 000 km SOHg 0.8, pro 8 let a 160 000 km pak snížen na 0.72. Pro vozidla katergorie N1 jsou oba limity ještě nižší, 0.75 a 0.67. Ukazuje to, že s touto zárukou vznikly určité problémy.
Dojezd BEV mezi nabitími závisí na využitelné kapacitě na počátku cesty a na spotřebě energie vozidlem. Spotřeba energie je dána typem vozidla, trasou, způsobem jízdy řidiče, dosti závisí na povětrnostních podmínkách a nelze ji tedy generalizovat. Jen pro představu uvádíme, že pro BEV střední třídy může spotřeba ležet mezi ca 14 kWh/100 km při jízdě ve městě až ca 24 kWh/100 km při jízdě po dálnici.
Majetnější uživatelé osobních elektromobilů je většinou prodávají při – z jejich hlediska – morálním a „prestižním“ zastarání, neboli ve stáří asi 2 až 7 let. Protože v současné době je vlastnictví nových nebo zánovních BEV prakticky omezeno vzhledem k jejich cenám na bohatou klientelu, na trhu ojetých vozidel jsou k mání tyto BEV s SOH většinou dosti vyšším (kolem 0.85 až 0.9) než je běžný tovární garanční limit SOHg 0.7. Tato odložená vozidla jsou kupována méně majetnými obyvateli.
Uvažujeme-li běžného málo majetného uživatele, je život baterie v jeho BEV ukončen tehdy, pokud mu přestane vyhovovat dojezd vozidla mezi nabíjeními umožněný okamžitou možností nabití baterie. Uvažujme např. vozidlo s baterií o nominální kapacitě 65 kWh, s využitelnou kapacitou 52 kWh (viz výše) a s celoroční průměrnou spotřebou 20 kWh/100 km, tedy se skutečným průměrným dojezdem nového vozidla asi 260 km při nabíjení mezi SOC 0.1 až 0.9. (Poznámka: deklarovaný dojezd podle WLTP měřený za laboratorních podmínek by byl ca 450 km.). Pokud by majiteli ještě vyhovoval zaručený dojezd (s malou rezervou) mezi nabitími ca 180 km, vyřazoval by vozidlo se stavem baterie ca SOH 0.7, ovšem pokud by mu stačil dojezd jen 100 km, pak až při ca SOH 0.38.
Doba života baterie ve vozidle do snížení dojezdu na uživatelem tolerovaný limit hraje pro ekonomické rozhodování každého uživatele o koupi ojetého BEV zásadní roli. (Poznámka: na rozdíl od automobilů se spalovacími motory, kde se dojezd po celou dobu jejich života prakticky nemění).
V současných BEV se používají baterie tvořené Li-Ion články (typu NCM nebo LFP). „Stárnutí“ baterií (jakéhokoliv typu), resp. jejich článků, je způsobeno dvěma základními současně působícímu mechanismy, ve stručnosti:
- degradací elektrod článků spojenou s přenosem iontů lithia mezi nimi a usazováním produktů reakcí s jejich materiálem a elektrolytem na nich; je vázána na počet nabíjecích a vybíjecích cyklů; závisí na rozdílu SOC před a po nabíjení a na rychlosti nabíjení, spojené se zvýšením teploty během nabíjení, které chemické procesy urychluje; je nazývána „cyklická“ degradace;
- znehodnocením článků elektrochemickými pochody odehrávajícími se uvnitř článků rovněž reakcí lithia s dalšími sloučeninami v baterii i bez aktivního odběru nebo dodávky energie, přičemž záleží i na stavu nabití skladované baterie; je vázano na jejich kalendářní stáří (obdoba rezivění); je nazýváno „kalendářní (časová) degradace“.
Stárnutí se projevuje snížením schopnosti akumulace energie, neboli snížením možností dobití na maximálně SOH. Cyklická degradace snižuje postupně SOH baterie po počátečním strmějším poklesu (viz podmínka v Euro 7) přibližně lineárně s počtem nabití.
Kalendářní degradace narůstá několik prvních let velmi pomalu, až po asi 8 až 10 letech se počne zrychlovat a za dalších několik let způsobí úplnou ztrátu kapacity baterie (obdobně jako u jiných typů baterií). Zvyšuje se při nepoužívání baterie, neboli při dlouhých odstávkách mezi nabíjeními.
Jako příklad může sloužit obrázek zveřejněné garantované životnostní charakteristiky baterie s LFP články pro uložiště AMVOLT. (Poznámka: články v uložištích pracují v jiných podmínkách, než v elektromobilech, tj. s vyšším ročním počtem cyklů nabíjení/vybíjení, ale bez hmotnostních a prostorových konstrukčních omezení, s časovým využitím blízkým 1 a v celkově příznivějším stacionárním prostředí. Obrázek slouží pouze k ukázání všeobecného trendu).
Velmi zhruba je možno k cyklické degradaci uvést, že u současných Li-Ion NMC baterií se SOH sníží na garantovanou hodnotu 0.7 po ca 2000 až 2500 nabíjecích cyklech. LFP baterie degradují cyklicky na tuto hodnotu při větším počtu cyklů (3000 až 5000 cyklů), uvádí se, že mají obecně vyšší i kalendářní životnost, ale jejich nevýhodou je podstatně menší hustotu akumulované energie.
Pokud uvažujeme nabíjení BEV po ujetí i jen 100 km, pak může vozidlo do dosažení garančního limitu z hlediska cyklické degradace jeho baterie najet
250 000 km i více, což většině evropské klientely bohatě stačí. Podmínkou ovšem je, že tato dráha musí být ujeta do maximálně 6 až 8 let, než se počne výrazněji projevovat kalendářní degradace. Zprávy, že vozidla firmy XY ujela v USA několik set tisíc mil bez nutnosti výměny baterie jsou věrohodné, ovšem schází jim údaj, za jak dlouho bylo toto docíleno a jak často byla dobíjena. Ekonomika elektromobilů je nejvýhodnější, pokud baterie v něm stárne stejnou rychlostí jako jeho ostatní komponenty (opotřebením), neboli při vysokých ročních projezdech. Tomu se blíží poměry v USA, kde US Departement of Energy EPA uvádí jako průměrnou hodnotu projezdů 15 000 mil/rok, tj. 24 000 km/rok.
Průměrný nájezd osobních automobilů do likvidace je v Evropě i USA ca 240 000 km. Problém životnosti současných baterií BEV není proto v četnosti nabíjení během života vozidla, tedy v jejich degradaci cyklické, ale v jejich degradaci kalendářní. Toho si jsou výrobci vozidel i jejich baterií dobře vědomi, a proto omezují garanci na baterii na 8 let.
V evropských poměrech ujedou osobní automobily v průměru zhruba mezi asi
11 000 km (ČR) až 14 000 km (Německo) za rok. Česká statistika založená na údajích z STK ukazuje projezd kolem od 8 000 do 12 000 km/rok pro benzinový automobil střední třídy (s převahou soukromých automobilů) a 12 000 – 21 000 km/rok u naftových, často služebních automobilů. Ujetí 240 000 km jim tedy trvá ca 17 až 22 roků. Časové využití vozidel (doba prostojů/doba jízd) je většinou do
5 %, u dodávkových vozidel a taxislužby až do 40 %, soukromníků leží ovšem i pod 0.1 % (víkendové jízdy). Firemní a služební automobily najedou ročně více, vozidla u soukromníků méně. Stejné podmínky je možno očekávat i u BEV.
U majetnějších uživatelů je (zejména dotovaný) elektromobil kupován jako další vůz do rodiny, což obvykle vede k menšímu ročnímu nájezdu, ale relativně významné kalendářní degradaci vzhledem k malému časovému využití.
Reálný průběh kalendářní degradace současných automobilových trakčních baterií není statisticky nikde doložen, protože v současnosti provozované elektromobily jsou převážně mladší než 10 let. Údaje o degradacích baterií starších BEV nejsou nikde systematicky publikovány. Jejich zjišťování naráží i na problém stanovení vhodných metod nepřímé kontroly zbytkové kapacity baterie. Jednoduchý způsob měřením po úplném nabití s následným úplným vybitím může baterii poškozovat.
Obecně udávají automobilky i populární literatura délku života baterie v BEV vágně „mezi 10 až 20 roky“, při čemž se nerozlišuje mezi životností omezenou degradací cyklickou a kalendářní. Extrémní publikace, podporující elektromobilitu, vychází z pouhého přepočtu cyklické degradace na možné roky provozu, kdy např. při nabíjení po 200 km, 3000 nabíjecích cyklech do garančního limitu SOHg 0.7 a ročním projezdu 15 000 km vychází život „úředně“ plně funkční baterie ve vozidle 40 let (při projezdu vozidla 600 000 km). Podobných úvah je možno nalézt více, zvláště v US publikacích. Toto je ovšem nesmysl.
Praxe ukazuje, že u současných baterií je po 8 letech běžného provozu SOH ca 0.85 až 0.9, tedy dosti vysoko nad garantovanou hodnotou. Další postup degradace s přibývajícím věkem již hodnověrně podchycen není.
Střízlivé údaje uvádí, že baterie BEV jsou z hlediska kalendářní životnosti projektovány na dobu života kolem 15 let, při čemž po 10 až 12 letech může SOH již výrazněji klesat pod garantovanou hodnotu 0.7. Nejoptimističtější údaje z motoristické literatury uvádějí projektovanou kalendářní životnost až 20 let, nikde delší.
Průměrný věk osobních automobilů v ČR je v současnosti přes 16 let, nejnižší v EU je v Německu asi 9.8 let (odtud do ČR proudí nejvíce ojetin), nejvyšší (Řecko, Litva, Lotyšsko) ca 17,5, v celé EU asi 11,8 roků. Soustředíme-li se pouze na ČR, znamená to, že přibližně polovina z asi 6,5 milionů registrovaných osobních automobilů je starší než 16 let. Tato tendence se spíše prohlubuje. Pokud by to byly bateriové elektromobily, pak nejméně 3 miliony vozidel by muselo již mít vyměněnou nebo totálně repasovanou baterii, aby byly provozuschopné.
Těžko se dá očekávat, že by technologický pokrok mohl kalendářní životnost Li-Ion baterií radikálněji zvýšit. Každý kupec BEV si musí proto být vědom, že baterie v jeho voze vydrží, i při minimálních nárocích na jeho zbytkový dojezd, maximálně 20 let, většinou však o dost méně (odhadujeme kolem 15 let při zbytkových dojezdech pod 100 km).
Bateriové elektromobily střední a nižší třídy, včetně těch z Číny, jsou nejméně 1,5krát dražší než obdobná vozidla se spalovacím motorem. Snižování cen BEV je sice možné předpokládat, avšak nikoliv takové, aby se vyrovnaly cenám ICV, pokud nebude cena ICV uměle zvyšována pokutami nebo vnitřní dotací bateriových vozidel u výrobce.
Není proto v dohledné budoucnost pravděpodobné, že by se poměr ceny bateriových automobilů ke kupní síle průměrných obyvatel ČR mohl nějak radikálněji zmenšit. Značná část nově registrovaných BEV proto budou ojetá vozidla, většinou z dovozu, stejně jako v současnosti.
Movitějším kupcům nových BEV, kteří je po několika letech provozu prodají, pokles jejich dojezdu s věkem jejich baterií samozřejmě nevadí, protože během jejich služby u nich budou pro jejich potřeby stále vyhovující (pokud nikoliv, pak je prodají dříve). Ztratí finančně jen to, o co klesne prodejní hodnota ojetého vozu pod cenu nového (což bude patrně dosti podstatná položka).
Chudší zájemci o koupi ojetého BEV by však měli počítat s faktem, že při stáří baterie kolem 10 až 12 let se dojezd vozidla začne rychleji snižovat, po 15 letech patrně velmi radikálně. (Poznámka: individuální rozdíly, závislé na vlastnostech konkrétní baterie a na způsobu jejího využívání prvotním majitelem, mohou být poměrně značné. Orientaci by měl umožnit připravovaný „pas baterie“). Budou tedy podle své potřeby minimálního dojezdu ve stáří baterie mezi 12 až max. 20 roky postaveni před volbu, zda baterii zahodit a koupit novou, nebo baterii repasovat výměnou vadných článků , nebo dát k likvidaci celé vozidlo. Toto vše je pochopitelně značně finančně náročné. (Poznámka: i v případě ekologicky relativně nejméně škodlivé repase opotřebených článků je cena opravy vysoká vzhledem k náročnosti demontáže i montáže a k nalezení a výměně vadných článků, u nichž je výměna racionální. Ovšem ani pak není zaručeno, že se v krátké době po opravě neobjeví poruchy dalších nerepasovaných článků).
Na to, že by jejich BEV mohlo být provozováno bez repase nebo výměny baterie, i při nejméně náročných požadavcích na dojezd, déle než 20 let, jako současná vozidla se spalovacím motorem, musí zapomenout. Musí také vzít v úvahu, že výrobce není povinen po 10 letech od výroby posledního vozidla daného provedení zajišťovat náhradní díly, tedy i baterie. I toto může být při současném rychlém vývoji BEV a jejich baterií (který ještě není zdaleka ukončen) problémem, který nemůže být při úvahách o koupi ojetiny ignorován.
Prof. Ing. Milan Apetauer, DrSc.