(Sursă: scharfsinn86/stock.adobe.com)
Luând în considerare toți factorii, industria auto a fost remarcabil de rapidă în tranziția către electrificare. În ciuda dimensiunii sale incredibile, a proceselor stabilite de mult timp și a ciclurilor de cercetare și dezvoltare relativ lungi, care pot împiedica progresul, producătorii din întreaga lume au lansat rapid game complete de modele de vehicule electrice (EV). În urma lansării Nissan Leaf în 2011, care a fost primul vehicul din lume exclusiv electric (EV) produs în serie,[1] numărul modelelor de vehicule complet electrice disponibile pentru vânzare a depășit 450 în 2021. Din 2015 până în 2021, rata de creștere anuală compusă (CAGR) pentru noile modele a atins un procent uimitor de 34%.[2]
În ansamblu, chiar și în contextul unor piețe globale dificile, piața EV pentru pasageri a avut succes. Dar, în ciuda succesului semnificativ al EV-urilor pentru pasageri, sectorul comercial, care include vehiculele de marfă mari sau grele (LGV/HGV), nu a progresat la fel de rapid.
Cercetările arată că, în timp ce vehiculele medii și grele reprezintă doar 4% din parcul global de vehicule, acestea sunt responsabile pentru un procent uimitor de 40% din emisiile produse de transportul rutier.[3] Astfel, se subliniază importanța acestui sector, evidențiind necesitatea de a acorda prioritate dezvoltării sale și de a integra cu succes vehiculele electrice comerciale pentru a obține un viitor durabil.
Provocările cu care se confruntă vehiculele electrice comerciale
În 2022, autoturismele EV au reprezentat 14% din vânzările de vehicule noi [4], în timp ce camioanele electrice au reprezentat doar 1,2% din totalul vânzărilor de camioane în același an [5] . Complexitatea vehiculelor este, fără îndoială, una dintre diferențele cheie dintre piețele de vehicule electrice pentru pasageri și comerciale, care poate explica o parte din această discrepanță.
Vehiculele pot avea între două și șase osii (axe) și adesea trebuie să interacționeze cu echipamente mai mari, cum ar fi sistemele de încărcare și remorcile, în timp ce parcurg sute de mii de kilometri în fiecare an. Pe lângă vehiculele grele de mare tonaj, există, de asemenea, camionete mai mici și soluții specializate pentru livrări de tip “last-mile delivery” (servicii și tehnologii dedicate pentru optimizarea și eficientizarea ultimei etape din procesul de livrare a bunurilor către clienți), toate acestea fiind esențiale în rețelele moderne de distribuție și transport rutier (figura 1).
Figura 1: Exemplu de tipuri de vehicule comerciale disponibile. (Sursa imaginii: phaisarnwong2517/stock.adobe.com)
Aceste vehicule necesită baterii mai mari și mai puternice pentru a propulsa încărcături mai grele, ceea ce nu numai că majorează costurile, dar contribuie și la provocările de proiectare ale acestora, în comparație cu vehiculele similare pentru pasageri. În plus, limitările actuale ale tehnologiei bateriilor reprezintă provocări semnificative în ceea ce privește capacitatea de încărcare a vehiculelor comerciale, greutatea bateriei având un impact asupra capacității totale.
Infrastructura de încărcare pentru camioanele electrice este, de asemenea, mult mai complicată și mai costisitoare decât cea pentru vehiculele electrice pentru pasageri. Cerința de a avea stații de încărcare mai performante pentru camioane prezintă mai multe obstacole de proiectare legate de siguranță și performanță.
Observatorul european pentru combustibili alternativi (European Alternative Fuels Observatory – EAFO) afirmă că, în prezent, există peste 550.000 de puncte de încărcare publice în Europa la nivelul anului 2023 [6]. Cu toate acestea, Asociația Constructorilor Europeni de Automobile (ACEA – European Automobile Manufacturers’ Association) preconizează că, până la sfârșitul anului 2025, vor fi disponibile doar 40.000 de puncte de încărcare pentru camioanele de capacitate medie și mare. Pentru a sprijini extinderea rețelei de camioane electrice, acest număr trebuie să crească la 270.000 până în 2030 [7].
Depășirea barierelor tehnice
La fel ca în cazul primelor vehicule electrice pentru pasageri, autonomia limitată a camioanelor electrice reprezintă un obstacol semnificativ, atribuit în primul rând unei disproporții în ceea ce privește densitatea energetică. Densitatea motorinei este de aproximativ 12,500Wh/kg [8] , în timp ce o celulă Li-ion medie are o densitate de aproximativ 300Wh/kg [9] . Chiar dacă grupurile motopropulsoare ale vehiculelor electrice sunt mai eficiente decât motoarele diesel cu combustie internă, care au, de obicei, un randament termic de aproximativ 40% [10] , acest lucru nu este suficient pentru a compensa greutatea suplimentară pentru aceeași putere energetică. În plus, această greutate suplimentară are un impact negativ asupra autonomiei vehiculului și necesită considerații tehnice sporite în ceea ce privește suspensiile și anvelopele.
Baterii solid state
O schimbare care ar putea revoluționa camioanele EV este utilizarea bateriilor cu semiconductori. O celulă Li-ion standard este formată din doi electrozi solizi (un catod și un anod), un separator central care funcționează ca o barieră mecanică și un electrolit Li-ion lichid ( vezi figura 2 pentru un pachet de baterii standard pentru vehicule electrice).
Figura 2: Un pachet de baterii Li-ion în timpul fabricării. (Sursa imaginii: IM Imagery/stock.adobe.com)
În schimb, o baterie cu stare solidă înlocuiește separatorul și electrolitul cu un substrat solid ceramic sau polimeric. Acest substrat solid reușește să separe cu succes catodul de anod, care constă, de obicei, în litiu pur.
Structura modificată, combinată cu includerea unui anod de litiu pur, duce la îmbunătățiri substanțiale ale densităților energetice, atingând niveluri teoretice de până la 11 kWh/Kg; dar, realist vorbind, 1 kWh/Kg este o valoare mai ușor de atins în viitorul apropiat. Prin depășirea capabilităților celulelor actuale, bateriile cu stare solidă ar putea obține o reducere a greutății cu până la 30%, menținând în același timp aceeași capacitate [11].
Prin îmbunătățirea densității energetice a pachetului de baterii, proiectanții de vehicule pot obține dimensiuni mai mici ale pachetului, pot crește capacitatea de încărcare sau pot extinde autonomia vehiculului. Pentru multe operațiuni cu costuri sau cu performanțe limitate, această îmbunătățire a randamentului ar putea permite trecerea la vehicule electrice.
În ultimii câțiva ani, au fost disponibile pe piață baterii cu stare solidă la scară mică, cum ar fi bateria CeraCharge™ Rechargeable Solid-State SMD Battery de la TDK, iar mulți analiști din domeniul auto au sugerat că soluțiile solid-state vor pătrunde pe piață începând cu anul 2025. În conformitate cu această proiecție, Toyota și-a anunțat recent planurile de a produce vehicule cu baterii solid-state începând cu 2025. Aceste vehicule vor avea o autonomie de 700 km și se vor încărca în doar 10-15 minute [12].
Rețele de încărcare rapidă
O soluție posibilă pentru a aborda problema timpilor de oprire prelungiți este sistemul de încărcare Megawatt (MCS – Megawatt Charging System). Standardul MCS, recunoscut la nivel internațional, este guvernat de CharIN, un consorțiu înființat de autorități importante din domeniul auto din întreaga lume. MCS este o inițiativă de amploare menită să dezvolte și să producă încărcătoare standardizate, sigure și de înaltă performanță. Standardul impune elemente cum ar fi o singură fișă conductoare care să poată suporta până la 1250VDC și 3000A, comunicație Ethernet de la vehicul la orice (V2X – Vehicle-to-Everything) și amplasarea uniformă a porturilor de încărcare pe vehicule[13].
Producătorul de camioane MAN a estimat că încărcarea prin intermediul MCS ar putea fi de până la 10 minute [14] — îmbunătățire semnificativă față de tehnologia actuală. MCS se referă, în principal, la vehiculele comerciale, dar poate fi adaptat, de asemenea, pentru autobuze, avioane și alte vehicule electrice de mari dimensiuni care pot suporta o rată de încărcare de peste 1MW.
Vitezele de încărcare mai rapide pot, de asemenea, să diminueze nevoia de stații de încărcare multiple în noduri de transport aglomerate, deoarece camioanele pot petrece mai puțin timp la încărcare și mai mult timp pe drum. MCS se află încă în stadii incipiente și necesită componente de înaltă performanță pentru a opera în condiții de siguranță, dar anul acesta se vor deschide stații în Marea Britanie și în Europa continentală [15].
Schimbarea pachetului de baterii
China continuă să dețină rolul de lider în fabricarea și distribuția camioanelor electrice. În 2022, în China au fost vândute aproximativ 52.000 de camioane electrice de capacitate medie și mare, reprezentând 85% din vânzările globale [16]. Această prevalență tot mai mare a camioanelor electrice este însoțită de o expansiune simultană a infrastructurii, oferind o perspectivă valoroasă asupra unor potențiale strategii de implementare în alte regiuni.
Astfel, de exemplu, schimbarea pachetului de baterii câștigă teren în China, cu un proces complet automatizat care durează 3-5 minute [17] . Brațele robotizate detașează și extrag pachetul de baterii din cabina camionului, înlocuindu-l cu un pachet cu baterii proaspăt încărcate. Pachetul epuizat este apoi conectat la un încărcător rapid și reîncărcat. Acest progres îmbunătățește considerabil eficiența încărcării bateriilor, depășind chiar și cele mai rapide încărcătoare de camioane.
Potrivit Consiliului Internațional pentru Transporturi Curate (ICCT – International Council on Clean Transportation), evaluările inițiale arată succesul acestei infrastructuri. Totuși, obiectivul principal al acesteia a fost acela de a ajuta la funcționarea camioanelor electrice utilizate pentru sarcini pe distanțe scurte în porturi, în locații miniere și în logistica urbană. Aceste camioane sunt în general echipate fie cu o baterie de 141 kWh, fie cu o baterie de 282 kWh din fosfat de litiu și fier (LFP) și au o distanță medie de deplasare sub 100 km. Rămân, însă, obstacole înainte ca schimbul de baterii să poată fi introdus și în piață la scară largă. Principala provocare constă în absența pachetelor de baterii standardizate și în cheltuielile substanțiale pe care le implică înființarea acestor stații, ICCT estimând costul de înființare a unei stații de schimb de baterii în China la aproximativ 1 milion USD.
Concluzie
Tranziția rapidă a industriei auto către electrificare, în special în ceea ce privește piața de vehicule electrice pentru pasageri, demonstrează un progres remarcabil. Cu toate acestea, adoptarea mai lentă a vehiculelor comerciale electrice evidențiază nevoia urgentă de cooperare pe scară largă pentru a depăși barierele tehnice și a reduce acest decalaj – un domeniu în care industria electronică va juca un rol esențial.
De la îmbunătățirea tehnologiei bateriilor datorită progreselor în domeniul semiconductorilor, la dezvoltarea rețelelor de încărcare rapidă, cum ar fi MCS și până la explorarea unor soluții inovatoare, cum ar fi schimbul de baterii, sunt necesare soluții electronice standardizate și de înaltă performanță. Colaborarea dintre producătorii de automobile, inginerii electroniști, factorii de decizie politică și părțile interesate este esențială pentru a accelera dezvoltarea și implementarea vehiculelor comerciale electrice. Prin prioritizarea cercetării, a investițiilor și a cooperării, industria automobilelor poate realiza un viitor sustenabil în care vehiculele electrice comerciale să joace un rol semnificativ în reducerea emisiilor în comparație cu vehiculele cu motoare diesel din prezent.
[1] https://www.nissan-global.com/EN/STORIES/RELEASES/nissan-leaf-10years/
[2] https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2022/trends-in-electric-light-duty-vehicles
[3] https://www.theclimategroup.org/creating-market-medium-and-heavy-duty-zero-emission-vehicles
[4] https://www.iea.org/energy-system/transport/electric-vehicles
[5] https://www.iea.org/reports/global-ev-outlook-2023/trends-in-electric-heavy-duty-vehicles
[6] https://alternative-fuels-observatory.ec.europa.eu/general-information/news/significant-milestone-reached-european-union-boasts-half-million-public
[7] https://www.acea.auto/figure/interactive-map-truck-charging-points-needed-in-europe-by-2025-and-2030-per-country/
[8] https://energyeducation.ca/encyclopedia/Energy_density
[9] https://www.cei.washington.edu/research/energy-storage/lithium-ion-battery/
[10] https://dieselfuelhq.com/why-do-trucks-and-buses-typically-use-diesel/
[11] https://electronica.de/en/discover/industry-portal/detail/solid-state-battery-the-holy-grail-in-battery-research.html
[12] https://www.toyota.ie/company/news/2021/solid-state-batteries
[13] https://www.charin.global/technology/mcs/
[14] https://www.man.eu/de/en/consultancy-and-purchase/consulting/getting-started-with-e-mobility/charging-infrastructure/charging-infrastructure.html
[15] https://www.logisticsmanager.com/new-megawatt-charging-system-to-support-hgv-electrification-from-2024/
[16] https://www.iea.org/energy-system/transport/trucks-and-buses
[17] https://theicct.org/china-is-propelling-its-electric-truck-market-aug23/
Autor:
Mark Patrick
Mouser Electronics
Authorised Distributor
www.mouser.com
Urmărește-ne pe Twitter
