Elektrony zamiast oktanów

O napędzie elektrycznym jeszcze nigdy nie mówiło się tak dużo. A to dopiero początek, bo w najbliższych latach będzie się mówić jeszcze więcej. Dlaczego? To, że złoża paliw kopalnych za kilkadziesiąt lat się wyczerpią doskonale wiadomo, ale nawet jeśli ropy i gazu miałoby starczyć na lat kilkaset albo dłużej, samochody elektryczne i tak byłyby dziś gorącym tematem. Bardziej bowiem niż o uniezależnienie się od ropy, chodzi obecnie o poziom emisji.

Silniki elektryczne mają obnizyć poziom emisji w miastach

Kilka słów wprowadzenia w kwestię emisji spalin. W wypadku związków szkodliwych trująco działa nie ich ilość, lecz stężenie (masa związku w określonej objętości). A w samochodowych realiach stężenie zależy od ilości rur wydechowych na km2. Bardziej szkodzą gęsto upakowane samochody w miastach, niż taka sama ich ilość na wolnym, większym obszarze, gdzie ich spaliny są szybko rozrzedzane. W skali globalnej, dla środowiska zagrożenie się nie zmienia, ale lokalnie, w obszarach zurbanizowanych, od dawna narasta. W miastach nie dość, że samochodów jest dużo, to na domiar złego poruszają się w sposób nieekonomiczny i przy tej samej ilości przejechanych kilometrów produkują wielokrotnie większą ilość szkodliwych składników spalin niż wyprodukowałyby poruszając się z odpowiednim, "zdrowym" obciążeniem silnika. Na dodatek, w każdym momencie jakiś procent aut nie do końca sprawny (zawsze tak było i zawsze tak będzie), a w tym wypadku z samochodami z ludźmi - jeden zakatarzony potrafi emitować tyle zarazków, co kilkudziesięciu zdrowych. szkodliwe składniki unoszą nad ulicami miast, które tak składa, że sąsiadują z chodnikami, na których tak się składa, mają zwyczaj przebywać dwunożne... i tak dalej.

Ponieważ chwilowo ludzi nie da się z chodników usunąć, ani poubierać w gazowe, trzeba się wziąć samochody. Tym to łatwiejsze, że firmy samochodowe uchodzą za niesamowitych bogaczy, więc niech się wykażą troską o społeczne działania swoich produktów. Są również inicjatywy i programy mające zachęcić do korzystania z komunikacji miejskiej albo i takie, które zniechęcić do korzystania z samochodów, np. osławione londyńskie "opłaty za zatłoczenie ulic". Stąd też konstruowanie charakteryzujących się zerową emisją spalin (w rzeczywistości bardzo bliską zeru) samochodów elektrycznych.

Z technicznego punktu widzenia, elektryczny napęd jest prosty jak drut. Dokładnie tak jak w zabawkach, wystarczy silnik, bateria i kawałek jakiejś przekładni (ta ostatnia nie jest absolutnie niezbędna). Sam silnik elektryczny jest wyjątkowo niekłopotliwy jeśli idzie o zastosowanie w takim pojeździe jak samochód. Bardzo wysoki moment obrotowy rozwija praktycznie od zerowych obrotów i utrzymuje w bardzo szerokim ich zakresie. Jak na swoje osiągi, ma nieduże wymiary, znacznie mniejsze niż silnik spalinowy. Co więcej, można skorzystać z jednego większego silnika albo kilku mniejszych i zamontować je w różnych miejscach, na przykład przy kołach. Przy czym nawet przy zastosowaniu kilku silników łatwo je zsynchronizować, by w zależności od sytuacji koła samochodu kręciły się z tą samą lub różną prędkością. Wreszcie, jeśli to konieczne, do silnika (silników) dodaje się przekładnię (przekładnie), najczęściej planetarną. Jej zwarta budowa umożliwia niemal dowolny montaż silnika, na przykład w tak nietypowym, ciasnym miejscu jak piasta koła.

Elektryczna jednostka napędowa ma też znacznie wyższą sprawność niż jej kolega popijający przetworzony olej skalny. W zależności od warunków pracy, około 70-90 procent energii dostarczonej do silnika elektrycznego zostaje zamienionych na energię mechaniczną. W porównaniu z tym, jednostka spalinowa to coś nieprawdopodobnie nieefektywnego - w najlepszym wypadku na energię mechaniczną zamieni 40 procent tej zmagazynowanej w paliwie, a w ruchu miejskim najczęściej ta liczba sięga zaledwie 15-20 procent (reszta ulatuje w kosmos jako ciepło). Silnik elektryczny produkuje znacznie mniej ciepła, dlatego też ma niewygórowane wymagania jeśli chodzi o chłodzenie. To kolejna zaleta.

Elektrownia na pokładzie

Elektrownia na pokładzie

Ogniwa paliwowe. Pomysł na to, jak wytwarzać prąd na pokładzie. Na razie to jednak odległa przyszłość.

Skoro nie da się go w odpowiedniej ilości zmagazynować, może da się go wytwarzać na pokładzie? Chevrolet Volt załatwi ten problem silnikiem spalinowym, służącym jako generator. Ale ten wciąż potrzebuje benzyny. A gdyby tak bez niej? Jednym rozwiązaniem jest ogniwo paliwowe, przetwarzające energię chemiczną na elektryczną. Na papierze rozwiązanie doskonałe - czyste paliwo, elektryczny napęd i zerowa emisja (spaliny ogniwa paliwowego to para wodna). Wymaga jednak odpowiedniej porcji wodoru, a ściślej mówiąc - całego zbiornika. Wodoru jest co prawda naokoło sporo, ale nie w takim stanie, w jakimi można by go wykorzystać. Można robić zakłady, co jest bardziej oddalone w czasie - porządne akumulatory czy ogniwo paliwowe.

Jednak o ile silnik elektryczny nie stanowi żadnej technicznej przeszkody, o tyle jego zbiornik paliwa to jeden wielki stos kłopotów. Oprócz innych kwestii (patrz ramka str. 64), główny problem polega na zgromadzeniu w samochodzie odpowiedniej ilości energii do napędu. W wypadku współczesnego auta z silnikiem spalinowym, uzupełnianie zapasu energii trwa trzy minuty, a wystarcza jej na 500-kilometrowy zasięg z niezłymi osiągami. W porównaniu z tym, wszystkie współczesne akumulatory są lata świetlne z tyłu.

Dziś w użyciu są głównie akumulatory litowo-jonowe, czyli takie jak w notebookach. Korzystają z nich Mitsubishi, Subaru, takie akumulatory ma pierwszy sportowy samochód na prąd Tesla, bateryjki tego typu będzie miał też na pokładzie Chevrolet Volt. Tesla chwali się 300-kilometrowym zasięgiem, ale nie dodaje, że można go uzyskać tylko przy jeździe z niedużą prędkością i najlepiej przez cały czas z wiatrem i z górki. W rzeczywistości zasięg okazuje się znacznie mniejszy. Chevrolet, któremu bardzo zależy, by Volt stał się pierwszym w dziejach masowo produkowanym autem z napędem elektrycznym, mówi o zasięgu nie przekraczającym 70 km. Do tego dochodzi "tankowanie" akumulatorów, które trwa wiele godzin. Większość jest co prawda przystosowanych do tzw. szybkiego ładowania, przy którym czas "nasiąkania" energią elektryczną skraca się z 8 do np. 3 godzin, ale, po pierwsze - to wciąż o wiele za długo, po drugie - takie ładowanie w przyspieszonym tempie skraca żywotność akumulatorów, po trzecie zaś - jest możliwe tylko pod warunkiem, że dysponujemy specjalną instalacją, zdolną wytrzymać "ciśnienie" 70 amperów. Nikt na świecie nie ma takiej instalacji w domu, to specyfikacja dla zakładów przemysłowych. Kto pierwszy stworzy akumulatory o parametrach dzisiejszego zbiornika paliwa - tankowanie w trzy minuty, 500-kilometrowy zasięg i przez cały czas niezłe osiągi - zgarnie górę pieniędzy. Postęp w tej dziedzinie jest jednak dość oporny. Niektórzy widzą przyszłość w wysokotemperaturowych akumulatorach typu Zebra, w których jest inna chemia niż w litowo-jonowych i które potrafią zmagazynować więcej energii, jednak wymagają podgrzania. Na razie, wąskim gardłem napędu elektrycznego jest właśnie zbiornik paliwa, a nawet nie dotknęliśmy tematów produkcji i utylizacji akumulatorów, które z przyjaznością dla środowiska mają niewiele wspólnego. Nawet przy wielokrotnie zwiększonych nakładach na badania i rozwój, miną lata zanim powstaną odpowiednie akumulatory.

Dlatego pod określeniem "samochód elektryczny" kryje się i jeszcze przez długie lata będzie się krył pojazd miejski. Akumulatory Chevroleta Volta będą wystarczały na to, by zaspokoić dzienny miejski zasięg przeciętnego kierowcy (do 60-70 km). Ale ponieważ elektryczny Chevy ma być pełnoprawnym samochodem, będzie miał na pokładzie silnik spalinowy, służący do napędzania generatora. Mały benzynowiec sam niczego nie będzie napędzał, tylko służył do ładowania akumulatorów na bieżąco - dla wydłużenia zasięgu. Samochodów elektrycznych będzie coraz więcej. W miastach, bo tam ma to sens. Takich samochodów, które pokonają kilkadziesiąt kilometrów za dnia, a w nocy garaż, kabel, gniazdko i ośmiogodzinne tankowanie. Jak wózki widłowe w fabrykach.

Tekst: Roman Popkiewicz, Stefan Myszkowski

zobacz galerię