Konstrukce elektromobilů přináší možnosti, které u spalovacích aut nepřipadaly v úvahu a jednou z nich je tzv. rekuperace energie při brzdění, tedy zachycení přebytečné energie a její uložení pro pozdější využití. Při použití klasických brzd se kinetická (pohybová) energie vozidla přeměňuje bez užitku v tepelnou energii. Pod delším kopcem jsou kola automobilu vyloženě horká. Motor elektromobilu však lze použít jako dynamo a kinetickou energii přeměnit zpět v elektrickou. Musíme však být schopni tuto energii uskladnit. K tomu se obzvláště hodí superkapacitory (superkondenzátory), tj. kondenzátory s extrémně vysokou kapacitou uloženého elektrického náboje.
Baterie (akumulátory) i superkapacitory (neboli superkondenzátory) jsou zařízení sloužící k uskladnění elektrické energie. Z historických důvodů využívá každé z těchto zařízení jiné jednotky. Jelikož se jedná o uskladnění energie, bude k porovnání nejsnazší použít základní jednotku energie, 1 J (joule). Energie 1 J odpovídá práci, kterou vykoná síla 1 N působící po dráze 1 m, tedy například zvednutí stogramového závaží o 1 metr.
Srovnáme tedy typický superkondenzátor a li-ion baterii.
Kondenzátor uskladní energii 2187 J, stojí 20 USD, nabíjí se proudem 33 A a váží 100 g.
Baterie uskladní 32000 J, stojí 5 USD, nabíjecí proud až 4 A, vybíjecí proud 20 A, hmotnost 45 g.
Je tedy vidět, že baterie uskladní řádově větší množství energie. Dosahuje toho přeměnou elektrické energie na chemickou, což je pomalejší proces, než nabíjení kondenzátoru, a je to vyjádřeno i nižším nabíjecím proudem. Doba nabíjení kondenzátoru je zhruba 50 s, nabíjení baterie asi 50 minut (má 10x větší kapacitu a nabíjí se 10x menším proudem).
Pro praktické využití energie je nutno zohlednit i rychlost nabíjení. Energii prudkého brzdění rozhodně nejsme schopni zachytit, neboť většinou je potřeba zabrzdit během pár sekund a nabití kondenzátoru trvá necelou minutu. Brzdění motorem při jízdě z kopce je ideálním scénářem pro rekuperaci energie a v tomto případě jsou superkondenzátory velmi dobře použitelné. Vlastnosti baterií a superkondenzátorů se tak pro využití v elektromobilitě vhodně doplňují. Proti využití superkondenzátorů hovoří jejich vyšší cena a nutnost dalšího elektrického systému ve vozidle.
Pro fajnšmekry:
Energie uskladněná v kondenzátoru je dána vztahem E =1/2CU2, kde C je kapacita kondenzátoru udávaná v jednotce farad a U je napětí ve voltech.
Jako příklad můžeme použít kondenzátor Eaton XV3585-2R7607-R s pracovním napětím 2,7 V a kapacitou 600 F. Kondenzátor tedy uskladní energii
E = 1/2CU2 = 12 × 600 × 2,72 J = 2187 J.
(cena 20 USD, běžný proud 33 A, hmotnost 100 g).
Energie uskladněná v baterii je dána vztahem E = QU, kde U je napětí ve voltech a Q je náboj, jehož jednotkou je coulomb (C) nebo též ampérsekunda (As). V tomto případě lze místo náboje hovořit také o kapacitě baterie.
Jako příklad baterie použijme Samsung INR18650-25R Li-ion s napětím 3,6 V a kapacitou 2,5 Ah. Jednotka Ah značí ampérhodinu, kterou lze přepočítat na coulomby či ampérsekundy vztahem 1 Ah = 3600 As, neboť jedna hodina má 3600 sekund. Baterie tedy uskladní energii
E = QU=3600 × 2,5 × 3,6 J = 32400 J .
(cena 5 USD, nabíjecí proud až 4 A, vybíjecí proud 20 A, hmotnost 45 g).
Z výpočtu je zřejmé, že baterie uskladní řádově větší množství energie, ale přeměna elektrické energie na chemickou je pomalejší (kvůli nižšímu nabíjecímu proudu). Doba nabíjení kondenzátoru je zhruba 50 s, nabíjení baterie asi 50 minut.
Pro využití v elektromobilech můžeme vzít za příklad brzdění dvoutunového auta ze 120 km/h na 0 km/h, kdy se vyvine energie E =1/2mv2; po dosazení m = 2000 kg a v = 120 km/h = 33,333 m/s nám vyjde E = 1,111 MJ. K uskladnění této energie by tedy bylo zapotřebí 530 kondenzátorů z našeho výpočtu, což není nesmyslné množství. Pro rekuperaci energie při prudkém brzdění jsou sice i kondenzátory příliš pomalé, na druhou stranu, pro brzdění při jízdě z kopce se mohou kondenzátory uplatnit velmi dobře: stejné množství energie (cca 1 MJ) se uvolní při sjetí převýšení 50 m. Při sklonu 10 % to odpovídá vzdálenosti 500 m a tu při rychlosti 30 km/h (serpentiny v kopci) pojedeme právě 1 minutu.
Pro Zeptej se vědce odpovídal Martin
