Samochód elektryczny potrzebuje alternatywy

Niemal codziennie możemy usłyszeć w telewizji o zmianach klimatu i problemach środowiskowych wywołanych przez emisję gazów cieplarnianych. Wspomina się też o coraz mniejszych zasobach paliw kopalnych. Choć wielu ekspertów motoryzacyjnych się z tym nie zgadza – powoli kończy się era silników spalinowych. Przynajmniej w takiej postaci, z jaką większość z nas do czynienia na co dzień, wsiadając do własnego auta.

Kres kopcących diesli i silników benzynowych ma już nawet prawną formę. Unia Europejska uchwaliła dość rygorystyczną ustawę – w 2035 roku ma wejść w życie zakaz sprzedaży nowych aut z silnikami spalinowymi. Mają one być zastąpione pojazdami bezemisyjnymi. Wcześniej mogą się pojawić stopniowo wprowadzane ograniczenia, np. dla poruszania się autami z silnikami wysokoprężnymi.

Czym jednak będziemy mogli je zastąpić i co wpisuje się w definicję pojazdu bezemisyjnego? Postaram się pokrótce omówić dwie najbardziej popularne technologie zasilania pojazdów, jakimi będziemy podróżować w nieodległej przyszłości. W innych rejonach świata być może nie ma tak sprecyzowanych dat motoryzacyjnej transformacji jak w UE, ale też podejmowane są pewne kroki ku wyeliminowaniu paliw kopalnych z ruchu ulicznego.

Auta akumulatorowo-elektryczne

To na razie podstawowa i najbardziej rozwinięta alternatywa dla aut spalinowych. Takie auta są już obecne od wielu lat, choć nie są zbyt popularne. Szczególnie w mniej zurbanizowanych rejonach, gdzie dostęp do ładowarek jest trudny. Tzw. „elektryki” budzą też wiele emocji, a zdania o nich są podzielone. Szczególnie w dziedzinie ekologii.

Na początek może odrobina historii, ponieważ wielu osobom może się wydawać, że auta elektryczne to nowoczesny wynalazek. A tak naprawdę pojazd elektryczny był pierwszy. W 1834 roku Amerykanin Thomas Devenport zbudował powóz „bez koni”, wykorzystujący energię elektryczną z ogniw Volty do poruszania się. Pierwszy pojazd z silnikiem spalinowym powstał dopiero 40 lat później.

Jeden z bardzo wczesnych powozów elektrycznych. Źródło: Wikimedia / Publick Domain

Wydajność pierwszych pojazdów elektrycznych była jednak dość mizerna i być może to zdecydowało o sukcesie aut spalinowych. Gdy odkryto silniki wykorzystujące paliwo ciekłe o wysokiej gęstości energii, rozwój „elektryków” w zasadzie stanął w miejscu. Paliwa ropopochodne mają tutaj znaczną przewagę nad akumulatorowym magazynowaniem energii elektrycznej, i to mimo znacznie mniejszej efektywności napędu spalinowego.

Przyjmuje się, że litr oleju napędowego może dać 10 kWh energii (jednostka dla lepszego porównania z „elektrykami”). Dość oszczędne auto spalające 5 litrów na 100 km może przejechać nawet 900 kilometrów na jednym tankowaniu – zakładając, że przeciętna pojemność zbiornika paliwa wynosi 45 litrów. Licząc pobieżnie zauważymy, że taki bak paliwa może „zgromadzić” 450 kWh energii, ważąc przy tym zaledwie kilkadziesiąt kilogramów.

Dla porównania – zespoły ogniw litowo-jonowych w autach elektrycznych mają pojemność elektryczną z reguły 70-130 kWh. Lecz ważą przy tym setki kilogramów, poważnie dociążając pojazd. Jak widać na tym przykładzie gęstość energetyczna ogniw jest nawet kilkunastokrotnie mniejsza od benzyny i oleju napędowego. Jednak obecne auta elektryczne potrafią na takiej baterii przejechać nawet 600 kilometrów. Dzieje się tak dlatego, że silniki elektryczne mają dalece wyższą sprawność od spalinowych i w tym rodzaju napędu można zastosować zaawansowane techniki odzyskiwania energii (np. podczas hamowania).

Dla osób mieszkających w blokach ładowanie „elektryka” może nie być łatwe. Źródło: Michael Fousert / Unsplash

Oczywiście naukowcy stale pracują nad podniesieniem wydajności baterii. Rozwiązaniem wielu wad „elektryków” mogą okazać się ogniwa litowo-siarkowe. Istnieją już prototypy, których gęstość energetyczna przekracza 400 Wh/kg (watogodzin na kilogram wagi). Dla porównania technologia litowo-jonowa może zapewnić 150 Wh z kilograma.

Zespoły pracujące nad bateriami litowo-siarkowymi prognozują osiągnięcie nawet 2000 Wh/kg. Najważniejszym problemem jest na razie ich trwałość, ale ostatnie odkrycia przybliżają praktyczne zastosowanie tej technologii. Auto elektryczne wykorzystujące takie baterie mogłoby być znacznie lżejsze lub posiadać większy zasięg przy podobnej wadze.

Auta z ogniwami paliwowymi

Skoro magazynowanie wprost energii elektrycznej nie jest na razie zbyt dobrym wyjściem, może spróbować czegoś innego? Przecież można zgromadzić energię w innej postaci i według potrzeb ją przetwarzać. W energetyce tak funkcjonują np. elektrownie szczytowo-pompowe. Energia gromadzona jest w nich w postaci potencjalnej – woda w zbiorniku na wzniesieniu napędza turbiny umieszczone poniżej.

Na pewno spotkaliście się z określeniem auto wodorowe lub autobus wodorowy. Choć budzi to skojarzenia z napędem spalinowym „na wodór” – są to auta elektryczne, które pod pewnym względem przypominają elektrownie szczytowo-pompowe. W tym przypadku nie jest gromadzona woda, a wodór w specjalnym pojemniku ciśnieniowym, a zamiast kinetyki zachodzi reakcja utleniania.

W katalizatorze ogniwa paliwowego wodór łączony jest z tlenem, czego efektem jest energia elektryczna, ciepło i czysta woda. Jest to proces całkiem wydajny, dla przykładu wodorowa Toyota Mirai na 100 km „spali” 0,84 kg wodoru. 5,6 kg wodoru w zbiorniku pozwoli jej na pokonanie 600 km. Mając auto z ogniwami paliwowymi nie tracimy czasu na ładowanie – wystarczy chwila na zatankowanie wodoru.

Toyota Mirai – auto zasilane wodorowymi ogniwami paliwowymi. Źródło: Toyota

Jednak jest tutaj przysłowiowa „łyżka dziegciu” (w beczce miodu) – wysoki koszt uzyskiwania wodoru. Jest to bardzo powszechnie występujący pierwiastek, jego zasoby są praktycznie nieograniczone. Jednak, aby go „wydzielić” np. z wody w procesie elektrolizy, potrzebne są spore ilości energii. Produkcja kilograma wodoru może wymagać pobrania z sieci energetycznej od 30 do 70 kWh (uwzględniając wszelkie straty podczas sprężania i transportu). Auto elektryczne z akumulatorami dzięki podobnej ilości energii pokona dwukrotnie większy dystans. Dodatkowo część naukowców prowadzi badania nad możliwym negatywnym wpływem wodoru na atmosferyczne procesy usuwające gazy cieplarniane. Niestety podczas produkcji, przechowywania i transportu nawet 10% tego gazu ulatuje do atmosfery.

Ostatnio popularne stało się określenie „zielony wodór”. Oczywiście to jest taki sam gaz, nie ma innej barwy. Nazwa wzięła się od pochodzenia energii używanej w jego produkcji. Zielony wodór jest wytwarzany w całości przy wykorzystaniu odnawialnych źródeł energii. Powstają specjalne farmy wiatrowe (z reguły morskie), których jedynym celem jest zasilanie fabryk wodoru. Choć nie poprawia to w żaden sposób wydajności procesu produkcyjnego, fakt wykorzystania OZE jakoś „mniej boli”.

„Amoniakowy” ciągnik rolniczy – wykorzystuje alternatywne dla wodoru paliwo. Źródło: Amogy

Czy ogniwa paliwowe można „tankować” innym paliwem, skoro wodór jest nieco problematyczny? Jak najbardziej, choćby amoniakiem. Startup Amogy skonstruował elektryczny ciągnik rolniczy, którego ogniwa zasilane są właśnie amoniakiem. To substancja powszechna w rolnictwie, więc nie byłoby problemu z zaopatrzeniem. Amogy twierdzi, że amoniak dzięki większej gęstości energetycznej od wodoru jest bardziej wydajny. Maszyna może dłużej pracować na podobnej ilości paliwa.

Co przyniesie przyszłość?

Być może w przyszłości wynaleziemy całkiem nowy rodzaj napędu i paliwa. Ale póki co, najbliższe dziesięciolecia rysują się pod znakiem elektromobilności. Pytanie tylko czy będzie się to działo na podobnej zasadzie, jak teraz, gdzie prąd zasila pojazdy z naładowanej uprzednio baterii, czy może wygrają rozwiązania hybrydowe, gdzie inne paliwo (wodór, amoniak) napędzają silniki elektryczne ładując przy tym ogniwa.

To co pozostało jeszcze do rozwiązania, to problem magazynowania energii elektrycznej. Obecne sposoby są mało wydajne i niewygodne, lub finansowo trudne do uzasadnienia. Gdy uda się przełamać te ograniczenia, to, będziemy się przemieszczać w znacznie lepszy i komfortowy sposób, a silniki spalinowe trafią do lamusa – czy nam się to podoba, czy nie. Bo nawet jeśli sami ich nie porzucimy, to wygląda na to, że „zmuszą” nas do tego rozmaite przepisy.

Arkadiusz Strzała

Arkadiusz Strzała

Swoją przygodę z pisaniem zaczynał od własnego bloga i jednego z wczesnych forum (stworzonego jeszcze w technologii WAP). Z wykształcenia jest elektrotechnikiem, posiada zamiłowanie do technologii, konstruowania różnych rzeczy i rzecz jasna – grania w gry komputerowe. Obecnie na GOL-u jest newsmanem i autorem publicystyki, a współpracę z serwisem rozpoczął w kwietniu 2020 roku. Specjalizuje się w tekstach o energetyce i kosmosie. Nie stroni jednak od tematów luźniejszych lub z innych dziedzin. Uwielbia oglądać filmy science fiction i motoryzacyjne vlogi na YouTube. Gry uruchamia głównie na komputerze PC, aczkolwiek posiada krótki staż konsolowy. Preferuje strategie czasu rzeczywistego, FPS-y i wszelkie symulatory.