O samochodach napędzanych elektrycznością mówi się od ponad stu lat. Nie jest to współczesna idea, gdyż już jedne z pierwszych modeli samojezdnych pojazdów były napędzane silnikami elektrycznymi, czerpiącymi energię z akumulatorów ołowiowych. Do dzisiaj pojazdy takie są powszechnie używane w zamkniętych pomieszczeniach (hale fabryczne, hurtownie) oraz na polach golfowych, gdzie zapach spalin zanieczyszczałby powietrze.
Ograniczenie stosowania napędu elektrycznego w pojazdach, wynika z kłopotów magazynowania i „zabierania ze sobą” odpowiedniego zapasu energii. Dobrze znane od ponad stu lat akumulatory ołowiowe ważą kilkadziesiąt razy więcej niż ta ilość benzyny lub ropy, z której można uzyskać porównywalną energię.
Praktycznie wykorzystywane sposoby dostarczania energii elektrycznej do pojazdu, to albo podłączenie się do drutów (tramwaje, pociągi elektryczne), albo wytwarzanie energii bezpośrednio w pojeździe. Nawet trakcja elektryczna pociągów nie wszędzie jest opłacalna. W Stanach Zjednoczonych, na długich odcinkach torów biegnących przez rzadko zamieszkałe tereny, sieć elektryczna byłaby zbyt kosztowna. Amerykańskie lokomotywy same wytwarzają prąd odpowiednio wykorzystywany w silnikach elektrycznych napędzających koła. Jest to znacznie łatwiejszy sposób kontroli mocy napędu, niż mechaniczne sprzęgła i skrzynie biegów.
W produkowanych od około 10 lat samochodach hybrydowych wykorzystywany jest ten sam pomysł. Silnik, stosunkowo niewielkiej mocy, ładuje (gdy potrzeba) akumulatory, a moc potrzebna do startu, przyspieszeń czy chwilowo dużej prędkości pobierana jest z akumulatorów. Nie możemy się jednak spodziewać, że na szosie, przy długiej podróży, samochód hybrydowy będzie dużo oszczędniejszy. Akumulatory szybko się wyczerpią, a cała energia wtedy dostarczana jest z silnika spalinowego. Jaki on jest, to wiemy.
W ostatnich kilku latach odżyła idea ładowania akumulatorów samochodowych w garażu (z sieci domowej) i wykorzystania tej tańszej energii do późniejszych krótkich przejazdów. Ograniczeniem tej idei jest ciągle – ciężar i pojemność akumulatorów, a dodatkowo, wydajność elektrycznych gniazdek w garażach.
Do przejechania 50 mil, lekki samochód miejski potrzebuje średnio 10 koni mechanicznych przez dwie godziny. Przeliczając to na jednostki elektryczne – około 15 kilowatogodzin. Koszt jednej kWh pobieranej z sieci domowej, to około 10 centów. Jedno naładowanie baterii samochodowych kosztowałoby tylko $1.50. Wygląda to atrakcyjnie w porównaniu z kosztem 2 – 2.5 galona benzyny (ok.$5), które zużyłby w takich warunkach mały współczesny samochód.
Nie jest to jednak tak atrakcyjne, gdy przeanalizujemy możliwości magazynowania tej energii w samochodzie. Typowy akumulator ołowiowy, znany i stosowany od ponad stu lat, magazynuje około 0.5 kWh energii (40Ah, 12Volt), a jego najnowsze modele ważą ok. 30 funtów. Zmagazynowanie 15kWh energii wymaga 30 akumulatorów ważących razem prawie pół tony. To już jest problemem – wozić w bagażniku taki ciężar, aby poruszać się nie dalej jak kilkadziesiąt mil. Zwiększenie zasięgu, to odpowiednie zwiększenie ciężaru baterii. A większy ciężar, to większe zużycie energii – i oszczędności stają się iluzoryczne.
Nic dziwnego, że pierwsze serie samochodów napędzanych akumulatorami ołowiowymi, zostały szybko wycofane z produkcji i z eksploatacji. I nie był to „spisek koncernów naftowych”, lecz czysta kalkulacja ekonomiczna. Nie mówiąc już o tym, że akumulatory po około 1000 cyklach ładowania – rozładowania (3 lata), trzeba było wymieniać kosztem kilku tysięcy dolarów.
Sam napęd elektryczny samochodów nie jest obecnie problemem.
Potrafimy sterować maszyny i procesy technologiczne o mocach setki razy większych niż silniki samochodowe. Taki system sterowania trochę kosztuje, ale jest praktycznie wieczny. Najpoważniejszym problemem są akumulatory, które potrafi unosić niewielki samochód i które zapewniłyby zasięg taki, jaki mają współczesne samochody benzynowe. Akumulatory takie powinny mieć również możliwość naładowania w ciągu, powiedzmy, kilkudziesięciu minut (zjedzenie posiłku w restauracji), gdy wybieramy się na długą podróż.
Cały czas konstruktorzy akumulatorów dążą do zmniejszenia ich wagi przy nie zmniejszaniu gromadzonej przez nie energii. Opracowano akumulatory z elektrodami srebrnymi, rtęciowymi, z roztopionym sodem i siarką, ale zawsze były jakieś niedogodności.
Nadzieją jest opanowanie technologii akumulatorów z litem, najlżejszym metalem, który jednak jest bardzo kapryśny i zapala się w powietrzu oraz w zetknięciu z wodą. Baterie litowe opracowywane są już od ponad 20 lat, początkowo jako pojedyncze, jednorazowe ogniwa do zegarków, a od ponad dziesięciu lat już jako doładowywane akumulatory do większości sprzętu elektronicznego.
Akumulatory litowe zrewolucjonizowały przemysł niewielkich przenośnych urządzeń, komputerów, telefonów komórkowych, aparatów muzycznych. Jeszcze dziesięć lat temu wybuchła panika, gdy kilka takich niedopracowanych jeszcze baterii litowych wybuchło w czasie ich używania. Producenci tłumaczyli wprawdzie, że tysiąc razy częściej zdarza się katastrofa samochodowa wynikająca z rozmawiania przez telefon w czasie jazdy, lecz na pewien czas wprowadzono ograniczenia wnoszenia sprzętu z bateriami litowymi na pokład samolotów. Obecne baterie litowe są odpowiednio przekonstruowane i doniesień o wybuchach już się nie spotyka, a laptopy, telefony komórkowe i aparaty fotograficzne mają coraz dłuższy czas pracy.
Najnowsze generacje akumulatorów litowych są ok. 7 razy lżejsze od ołowiowych, przy tej samej gromadzonej energii. Koszt ich jest jednak zbyt duży, aby móc je powszechnie stosować w samochodach (10-15 razy droższe niż ołowiowe). Wymagają dokładnie kontrolowanego i dość długiego ładowania. Niebezpieczeństwo i siła eksplozji, wywołanej wypadkiem, jest nawet większa niż benzyny w klasycznych samochodach. Niemniej, niektóre firmy myślą już teraz o małoseryjnej produkcji samochodów elektrycznych wyposażonych w baterie litowe. Realny koszt takiego samochodu będzie jednak przekraczał $100,000.
Co pewien czas słyszymy i czytamy o entuzjastach, którzy we własnym garażu zbudowali model samochodu elektrycznego napędzanego np. tysiącem baterii z „laptopów” (koszt baterii $50,000). Rozgłaszane zalety takich modeli są zwykle mocno przesadzone. Ci „wynalazcy” i ich poplecznicy najczęściej nie znają podstawowych praw fizyki i nie chcą zrozumieć, że nad podobnymi ideami pracują w laboratoriach wielu firm setki ludzi, mających dużą wiedzę o sprawach, którymi się zajmują.
Obecnie najwięcej nadziei pokłada się w akumulatorach litowo-polimerowych. Są to konstrukcje, które można formować w elastyczne arkusze o dowolnych kształtach. Elektrody zawierają metaliczny lit (metal ważący połowę tego co woda), a elektrolit jest rozpuszczony w nasączanych plastikach. Koszt tych akumulatorów jest nadal zawrotny a niebezpieczeństwo wybuchu przy uszkodzonym systemie ładowania albo w czasie wypadku nadal powstrzymuje producentów od stosowania ich w samochodach.
Jednym z argumentów za powszechnym stosowaniem napędu elektrycznego jest ograniczenie emisji spalin, głównie dwutlenku węgla. Trzeba sobie jednak uświadomić, że energię elektryczną w USA produkuje się w 80% z węgla spalanego, elektrowniach. Ogarniające świat szaleństwo śledzenia i eliminacji źródeł emisji dwutlenku węgla od lat budzi moje zdziwienie.
„Zieloni” jakby nie rozumieli, że zielony kolor i rozrost roślin wywoływany jest właśnie pochłanianiem dwutlenku węgla z atmosfery. Im więcej dwutlenku, tym łatwiej i szybciej rozwijają
się zielone rośliny. Dowód tego znajdujemy w dawnych epokach geologicznych, gdy nasycenie atmosfery dwutlenkiem węgla wyrzucanym z wulkanów było kilkakrotnie większe niż dzisiaj a paprocie wyrastały pod niebo. Ciepły klimat niczemu nie przeszkadzał, a nawet wiemy, że w niedalekiej przeszłości pierwsze cywilizacje ludzi rozwinęły się tam, gdzie było ciepło (Południowa Azja, Morze Śródziemne). Dzisiaj też większość ludzi pragnie spędzać swoje emeryckie lata tam gdzie znacznie cieplej (Kalifornia, Arizona, Floryda).
Ale wracając do samochodów. Obecna tendencja konstruowania samochodów elektrycznych na pewno się utrzyma i będziemy się dowiadywali o coraz nowszych, tańszych i sprawniejszych samochodach miejskich. To ma obecnie sens, gdyż takie samochody są czystsze, łatwiejsze do prowadzenia i manewrowania. Natomiast na szosach klasyczne ciężarówki „diesla” i samochody benzynowe są obecnie bezkonkurencyjne. Benzyna jest najwygodniejszym magazynem i nośnikiem energii. Nawet gdy ropy naftowej będzie brakować, benzyna zacznie być wytwarzana z gazu ziemnego, którego jest na Ziemi pod dostatkiem.
Równolegle pracuje się nad samochodami elektrycznymi, które energię elektryczną wytwarzają same w czasie jazdy. Poznano „ogniwa paliwowe”, baterie, które produkują prąd elektryczny spalając bezpłomieniowo różne substancje chemiczne.
Nawet zwykłe baterie, które używamy do latarek, też spalają bezpłomieniowo – najczęściej cynk, z którego wytłoczona jest obudowa ogniwa. Wiemy, jak po długim czasie rozładowująca się bateria „zje” cynkową obudowę i rozleje się w naszym aparacie lub latarce.
Te, dostarczające energię elektryczną, bezpłomieniowe reakcje metali (cynku, ołowiu, żelaza, niklu, kadmu itp.) poznane były dawno i zastosowane w różnego typu ogniwach i akumulatorach. Niedawno poskromiono łatwopalny w powietrzu lit i jego zastosowanie zwielokrotniło energię baterii. Najwięcej nadziei pokłada się jednak w bateriach wykorzystujących wysokoenergetyczne substancje, takie jak wodór, spirytus czy nawet benzyna.
Ogniwa paliwowe są jednak kosztowne, gdyż większość opracowań wymaga stosowania platynowych i palladowych katalizatorów. Jak dotychczas, stosowanie ogniw paliwowych jest uzasadnione tam, gdzie magazyn energii musi być lekki i wystarczać na dłuższy czas (statki kosmiczne, stacje meteorologiczne na odludziach, boje pływające po oceanach). Co pewien czas dowiadujemy się, że ta czy inna kompania samochodowa eksperymentuje z ogniwami paliwowymi w samochodach.
Gdyby opracowano wydajne ogniwo paliwowe napędzane benzyną, byłoby to łatwe do wprowadzenia na szosy w każdej chwili. Nie wymagałoby to większych zmian na stacjach benzynowych obsługujących cały nasz kraj. Kłopot obecny polega na tym, że ogniwa paliwowe napędzane cieczami organicznymi (benzyna, butan) wydzielają węgiel w postaci sadzy, hamujący proces. Spalanie tego węgla, a więc wydzielanie dwutlenku do atmosfery – to znowu protesty „zielonych”. Niedługo ograniczą nam ilość oddechów na minutę – też wydzielamy dwutlenek.
Samochody elektryczne, te hybrydowe, podładowywane w garażu (plug-in hybryd), już są i będą produkowane w coraz większych seriach. Wkładając ich wtyczkę do gniazdka oszczędzimy dziennie $1-2. Rocznie kilkaset dolarów. Za nowość zapłacimy co najmniej kilka tysięcy więcej. Ale może niektórzy poczują się z tym lepsi i ważniejsi.
Postęp gna i trzeba się do tego przygotować. Może już za kilka lat samochód elektryczny będzie musiał doładowywać się przez noc energią na 100-200 mil (np. 50kWh). Zwykły obwód i gniazdko w garażu już nie wystarczy. Budując lub modernizując swój garaż trzeba pomyśleć o nieco mocniejszym jego zasilaniu. To taka kryptoreklama, gdyż sam pracuję w tej branży.
(ami)
