2030 yılına kadar çoğu hafif hizmet aracı olmak üzere, Dünya’da 228 milyon elektrikli araç bulunacağı öngörülüyor.

Elektrikli araç şarj istasyonu (Elektrikli araç şarj noktası veya EVSE) tüm tam elektrikli (BEV) ve plug-in hibrit (PHEV) araçları şarj etmek için elektrik enerjisini kullanan cihazlardır. Bu istasyonlar, araçlar için çeşitli elektrikli şarj konektörü standartlarına uyan özel konektörler sağlar. Günümüzde sürekli gelişen teknolojilerle birlikte alternatif yakıtlar ile enerji ihtiyacını sağlayan elektrikli araçların çeşidi ve üretimi arttı. Yenilenebilir enerjinin önem kazanması, karbon emisyonu düşük sistemlere ilginin artması ve elektrikli araçlardaki batarya teknolojilerinin gelişimi beraberinde elektrikli araca olan güveni ve ilgiyi artırdı. Elektrikli araçların yaygınlaşması ile elektrikli araç şarj istasyonları da dünya geneline yayılmaya başladı. Şarj istasyonlarına olan talep arttıkça, daha yüksek voltaj ve akımlarda daha hızlı şarjı destekleyen ekipmana daha fazla ihtiyaç duyuluyor. Küresel olarak, elektrikli araç şarjı için halka açık şarj istasyonları sistemi artmakta ve enerji sektöründe bu altyapıları sağlamak adına çalışmalar geliştirilmektedir.

Tarihçe

İlk elektrikli araçların icadı 19. yüzyılın son çeyreğinde gerçekleşti. Elektrikli araçlar içten yanmalı araçlardan daha pahalı, daha güçsüz ve menzilinin az olması sebebiyle daha az tercih ediliyordu. Ancak günümüzde fosil yakıtların azalması ve küresel ısınmanın olumsuz etkileri, elektrikli araçlara olan ilgiyi ve ar-ge çalışmalarını artırdı. Elektrikli araçların yaygınlaşmasıyla şarj istasyonlarına olan ihtiyaç da artmaya başladı.

Elektrikli araçlar

Güncel durum

Yakın yıllarda 2 veya 3 tekerli elektrikli araçların yanı sıra elektrikli otobüs ve kamyon üretiminde yaşanan teknolojik gelişmeler ile elektrikli araç pazarının büyümesi önemli derecede hızlandı. 2010 yılında dünya genelindeki toplam elektrikli araç sayısı 17.000 iken, sadece 2019 yılında 2,1 milyon elektrikli araç satışı olmuş ve toplam elektrikli araç sayısı 7,2 milyona ulaşmıştı. Aynı yıl Avrupa elektrikli araç satışlarında %44’lük oranla en hızlı artışı gösteren bölge olurken, Çin’deki elektrikli araç satışlarındaki artış miktarı önceki yıla göre azalarak %3 olmuştur. Öte yandan 2019 yılında Amerika Birleşik Devletleri’nde elektrikli araç satışları %12 azalarak 320.000 ile sınırlı kalmıştır. Bu oranlar doğrultusunda 2019 yılında dünya genelinde satılan araçların %2,6’sının elektrikli olması yeni bir rekora imza atmıştır. 2020 yılının başlarında dünya genelinde devam eden elektrikli araç satışındaki azalış trendinin aksine Avrupa marketi %25 oranında bir artış göstermiştir. Bu artışın sebepleri arasında ülkelerin net sıfır emisyon hedefleri doğrultusunda uyguladıkları katı emisyon politikaları ile araçlarda içten yanmalı motor kullanımından uzaklaşılmaya başlanması gösterilebilir.

2020 yılı sonuna geldiğimizde ise Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) tarafından yayınlanan rapora göre toplam elektrikli araç sayısının %47’si Çin’de bulunurken, 100 binin üzerinde elektrikli araca sahip olan ülke sayısı 9.

Araç tipleri

Elektrikli güç aktarma sistemine sahip otomobiller elektrikli araç olarak adlandırılır. Elektrikli araçlar dört ana başlıkta incelenir.

Tamamen Elektrikli Araçlar: Bataryalı elektrikli araç olarak da adlandırılan tamamen elektrikli araçlar, enerji kaynağı olarak batarya kullanılır ve elektrik şebekesinden şarj edilir. Tekerlekleri döndürmek için elektrik motor kullanılır. Egzoz borusu yoktur ve sıfır emisyonlu araçlardır.

Hibrit Elektrikli Araçlar: Hibrit araçlar, hem fosil yakıtlı motor hem de elektrik motorunu kullanan araçlardır. Küçük bir batarya mevcuttur ve bataryanın enerjisi, hızlanma sırasında benzinli motordan ve frenleme sırasında kaybedilen enerjiyi geri kazanan rejeneratif frenleme yoluyla doldurulur.

Plug-in Hibrit Elektrikli Araçlar: Plug-in(Fişli) hibrit elektrikli araçlar, aracı sürmek için hem motor hem de elektrik motoruna sahiptir. Hibrit elektrikli araçlar gibi, bataryalarını rejeneratif frenleme yoluyla şarj edebilirler. Hibrit elektrikli araçlardan çok daha büyük bir bataryaya sahip olmaları ve tamamen elektrikli araçlar gibi elektrik şebekesinden şarj edilebilmesi ile farklılık gösterirler.

Yakıt Pilli Elektrikli Araçlar: Yakıt pilli elektrikli araçlarda enerji, hidrojen ve oksijenin kimyasal tepkimesi sonucu elde edilir. Elde edilen bu enerji bir bataryayı doldurur. Fosil yakıtlı araçlara benzeyen egzoz borusuna sahiptir. Ancak hidrojenle çalışan araçlarda atık olarak sadece su damlası çıkmaktadır. Ayrıca enerji kaynağı olan hidrojeni aracın deposuna doldurmak 2-3 dakika sürmektedir.

Genişletilmiş Menzilli Elektrikli Araçlar: Genişletilmiş menzilli bir elektrikli araç (E-REV) için, bir yardımcı güç ünitesi (APU) genellikle pil paketini şarj etmek için bir yardımcı olarak kullanılır. APU, tek amacı EV’nin birincil pillerini yeniden şarj etmek olan küçük bir içten yanmalı motordur. Menzil genişleticilerle her bir elektrikli araç, gün ortasında şarjın stresi olmadan daha uzun mesafeler kat edebilir ve daha fazla seyahat gerçekleştirebilir.[7]

Elektrikli araç şarj istasyonları

Elektrikli araç şarj işlemi

Araç içerisindeki batarya doğru akım (DC) ile şarj olacağından şebekeden gelen alternatif akımın (AC), DC’ye dönüştürülmesi gerekir. Mod 1, diğer modlar arasında en temel ve basit yaklaşımı sunar. EV’nin direkt olarak AC prize takılarak şarj edilmesi prensibine dayanır. Direkt olarak monofaz bir prize bağlanarak şarj edilmesini tanımlar ve yavaş şarj etme olarak nitelendirilebilir.

Mod 2, Mod 1 ile aynı yöntemdir fakat Mod 1’de bulunan güvenlik sorunları kablo üzerinde bulunan haberleşme adaptörünün topraklama durumunda çalışması prensibiyle geliştirilmiştir. Elektrikli aracın direkt olarak trifaz bir prize bağlanarak şarj edilmesini tanımlar. Fark olarak kablo üzerinde bir adaptör de bulunur. Bu şekilde Mod 1’e göre daha yüksek akım gücü ile şarj edilebilir.

Mod 3, önceki iki moddan farklı olarak Mennekes tipi konnektörle şarj edilmektedir. Araca gerekli olan enerji seviyesi Mennekes konnektöründe yer alan pimler ile istasyona iletilir. Tam iletişim ve güvenlik bağlantısı ile şarj sağlanır. IEC62196 altında tanımlanan Mod3 halka açık alanlarda kullanılır.

Mod 4, ise literatürde DC hızlı şarj olarak geçmektedir. AC’nin DC’ye çevrilerek direkt olarak elektrikli aracın batarya grubuna iletilmesiyle gerçekleşir. Böylece yüksek akımlar ve hızlı şarj imkanı sunar.[1] IEC62196 altında tanımlanan Mod4 de halka açık alanlarda kullanılır.

Lokasyona göre şarj tipleri

Elektrikli araçlar, üzerlerinde bulunan donanıma bağlı olarak 220V ev prizinden, 400V sanayi prizine kadar elektrik sağlanan her yerde doğru ekipmanlar eşliğinde şarj edilebilir. Evlere dahi kurulabilen bu istasyonlar, yollar üzerindeki çeşitli ortak kullanım alanlarında veya kullanıcılarına hizmet sunulan alanlarda bulunabilir.

Bulunulan lokasyona göre şarj alanları seçeneğini konum bilgileri ile sunan PlugShare gibi uygulamalar ücret bilgisi, şarj imkanlarına dair teknik bilgiler gibi farklı filtreler yardımıyla, sürücülerin tercihlerine yönelik en uygun şarj alanlarını seçebilmelerine yardımcı pratik araçlardır.

Lokasyona göre şarj işlemi halka açık alanlar, kısıtlı erişimli alanlar ve özel erişimli alanlar olmak üzere üçe ayrılır.

Halka açık alanlar

Halka açık alanlar, sürücülerin araçlarını şarj kapasitesinin izin verdiğinden daha uzun yollar kat etmek istediklerinde hızlı şarj etme olanakları tanır ve AVM, otoyol, dinlenme tesisi, otoparklar ve oteller gibi halka açık alanlarda Mod 3 ve Mod 4 şarj olarak bulunur.

Kısıtlı erişimli alanlar

Kısıtlı erişimli alanlar ise ofis binaları, siteler, otopark alanları gibi hizmet noktalarına girişin kısıtlı olduğu alanlarda sunulan şarj alanlarıdır.

Özel erişimli alanlar

Bireylerin evlerindeki herhangi bir elektrikli cihazdan farksız bir kullanım sunan, sahip oldukları elektrik hizmeti aboneliklerine bağlı olarak elektrik iletimi gerçekleştirerek araçlarını şarj etmek için kullandıkları bireysel şarj ünitelerinin yer aldığı alanlar, özel erişimli alanlar olarak adlandırılır.

Özel şarj istasyonları, özel alanlarda bulunur ve yalnızca istasyonun sahibi veya seçilen bir grup(şirket çalışanları, site sakinleri, ev sahipleri gibi.) tarafından kullanılabilir. Genellikle bitişik binanın(Cihazın yerleştirildiği bina) mevcut şebeke bağlantısına bağlıdırlar ve tüketilen elektrik normalde bu bağlantının sahibine yüklenir. Bireylerin kendilerine ait alanlarda, herhangi bir elektrikli cihaz şarjına benzer kullanım imkanı sunan şarj ünitelerinin yer aldığı alanlardır.

Şarj teknolojileri

Elektrikli arabalarda şebekeden gelen gücün kullanılmasına alternatif akım (AC), evlerde kullanılan ise pil gücü dediğimiz ise DC akımıdır. Çoğu elektronik cihazda AC akımını DC’ye dönüştüren fişe yerleştirilmiş bir dönüştürücü bulunur. Elektrikli araçlar söz konusu olduğunda, dönüştürücü arabanın içine yerleştirilir, bu dönüştürücü gücü AC’den DC’ye dönüştürür ve arabanın aküsünü besler. Bu, günümüzde elektrikli araçlar için en yaygın şarj yöntemidir ve çoğu şarj cihazı AC gücünü kullanır.

AC şarj ile DC şarj arasındaki fark, AC gücün dönüştürüldüğü yerdir; arabanın içinde veya dışında. AC şarj cihazlarının aksine, bir DC şarj cihazında dönüştürücü, şarj cihazının içinde bulunur. Bu, gücü doğrudan aracın aküsüne besleyebileceği ve dönüştürmek için yerleşik şarj cihazına ihtiyaç duymadığı anlamına gelir.

IEC 61851’e göre standartlaştırılan şarj istasyonları, otomotiv standartlarına uygun bir dizi konektörle donatıldı. Genel olarak, çıkış gücüne ve bir EV veya PHEV pilini şarj etmek için üç ana EV şarj türü var.

Kablosuz şarj

Günümüzde gelişen teknolojilerle birlikte enerji ihtiyacı da artmaktadır. Artan bu enerji ihtiyacı kullanıcıları şebekeye belirli bir süre bağlamak zorunda bırakıyor. Bu sorunun çözümü olarak geliştirilen kablosuz şarj teknoloji ile kullanıcılara çok önemli 4 özellik sunuluyor: Mekansal özgürlük, çoklu cihaz şarj etme, malzeme üzerinden şarj, düşük ve yüksek güçlerde şarj.

Kablosuz şarj (Endüktif şarj) bir tür kablosuz güç aktarımıdır. Taşınabilir cihazlara elektrik sağlamak için elektromanyetik indüksiyon kullanır. Endüktif şarj, araçlarda, elektrikli aletlerde, elektrikli diş fırçalarında ve tıbbi cihazlarda da kullanılır. Taşınabilir ekipman, tam olarak hizalanmasına veya bir yuva veya prizle elektriksel temas kurmasına gerek kalmadan bir şarj istasyonunun yakınına yerleştirilebilir.

Şarj hızları ve süresi

Aracın batarya kapasitesinin(kWh) şarj gücüne(kW) bölünmesi tam şarj için gereken süreyi verir. Elektrikli araçların şarj süresi temel olarak iki faktöre dayanır: Güç kaynağı ve aracın şarj kapasitesi. Şarj için gereken süre bu faktörlere bağlı olarak 30 dakika gibi kısa olabilirken 12 saatten daha uzun da sürebilir. Tipik bir elektrikli aracın 60kWh kapasiteli bataryasını 7 kW’lık şarj noktasında 8 saat civarında %0 – %80 arasında dolu hale gelir.

Elektrikli araç şarjının üç temel tipi var: Yavaş, Hızlı, Ultra Hızlı.

Yavaş şarj, 3-6 kW arasında gerçekleşir. En yaygın yavaş şarj 3.6 kW ile yapılır ve 6-12 saat arasında sürer. Yavaş şarj üniteleri “bağlanmamış” olarak adlandırılır, arabayı şarj noktasına bağlamak için kabloya ihtiyaç vardır. Yavaş şarj, geceleri evde şarj için sıkça kullanılan bir metoddur. İşyeri ve halka açık noktalarda da bulunabilir fakat uzun şarj süresi sebebi ile ev dışı yerlerde daha az yaygındır.

Hızlı şarj, 7 kW veya 22 kW’ta gerçekleşen, araç bataryasına göre 1-2 veya 4-6 saat sürebilen şarjdır. Otoparklar, süpermarketler, eğlence merkezleri gibi bir saatten daha fazla park edilen yerlerde bulunur.

Ultra hızlı şarj cihazları, bir aracı mümkün olan en hızlı sürede şarj etmek için yüksek güçlü(50 kW) bir doğrudan veya alternatif akım kullanır. Araç bataryasına göre bataryanın %80’ini 20 dakika ile 1 saat arasında doldurabilir. Çok büyük miktarda güç kullandıkları için evde kullanım açısından pek uygun değildir, onun yerine otoyol servis istasyonları ve halka açık şarj noktalarında bulunur.

İstasyon ve altyapı teknik özellikleri

Elektrikli araç şarj istasyonlarının temel belli özellikleri taşıması gerekir. Bunlar çıkış gerilimi, güç seviyesi, çalışma frekansı, giriş ve darbe koruması, donanım ve yazılım altyapısı vb. özellikler olmakla birlikte AC-DC yapısı kapsamında mevzuatlar ve protokoller tarafından tanımlıdır. Elektrikli araç şarj istasyon sistemi, elektrik enerjisi alt yapısı ve tesisatı ile başlayan, araçlara enerji akışını ve kontrolünü gerçekleştiren üniteler ve bunların haberleşme altyapısı ile neticelenen bir yapıdır. Bazı firmalar sattıkları veya kiraladıkları araçlar için müşterilerine şarj istasyonu imkânı sağlamaktadır. Elektrikli araçlar mevcut teknolojiler kapsamında 2 şekilde şarj edilebilmektedir. Bunlar alternatif akım yöntemini kullanan AC(alternatif akım) tipi şarj üniteleri ve doğru akımı kullanan DC(doğru akım) tipi şarj üniteleridir.

2030 yılına kadar çoğu hafif hizmet aracı olmak üzere, 228 milyon elektrikli araç stoku(iki ve üç tekerlekli araçlar hariç) öngörülüyor. Bu kapsamda elektrikli araç sayısının 2030 yılına kadar artmasıyla, şarj istasyonlarının sayısının artması ve buna bağlı altyapı ihtiyaçlarının oluşması öngörülmektedir. Önümüzdeki yıllarda şarj altyapısının gerçek anlamda yayılması, ülkelerin ve bölgelerin kamusal alanlarda şarj altyapılarına ilişkin stratejilerine ve politikalarına bağlı olacaktır.

Standartlar ve güvenlik

Elektrikli araç şarj istasyonları için mevzuatları iki teknoloji başlığı altında incelenebilir. Bunlar AC(alternatif akım) tipi ve DC(doğru akım) tipi olmak üzere ikiye ayrılıyor. AC için Avrupa’da IEC 62196-2 ve ABD’de SAE J1772 standartlarını, DC için ise Uzakdoğu ve Japonya’da CHAdeMO ile Avrupa’da CCS Combo ve IEC 62196-2 standartlarını görmek mümkün. Elektrikli araç Şarj İstasyonları ve Altyapı ekipmanı tesisatı için geçerli olan birincil güvenlik kodları ve standartları, Ulusal Elektrik Yasası (NEC) ve İş Güvenliği ve Sağlık İdaresi(OSHA) ve Ulusal Olarak Tanınan Test Laboratuvarları (NRTL) ağı tarafından oluşturulmuştur. Avrupa Birliğinde şarj istasyonlarına ilişkin temel düzenlemesi 2014/94 sayılı Alternatif Yakıt Altyapıları Yönergesi’dir.