Usprawnianie samochodów

Oszczędności rzędu 10% czy 20% to pestka – omówiliśmy już niektóre sposoby ich osiągnięcia (np. produkowanie mniejszych i lżejszych samochodów). Inna możliwość to przejście z benzyny na olej napędowy. Silniki diesla są droższe w produkcji, ale zazwyczaj zużywają mniej paliwa. Czy jednak istnieją technologie, które mogą radykalnie zwiększyć efektywność łańcucha konwersji energii ?

(Przypominam, że w przeciętnym samochodzie na benzynę 75% energii jest przekształcane w ciepło i wyrzucane chłodnicą!) No i co z naszym celem odejścia od paliw kopalnych ?

W tej części omówimy pięć technologii: hamowanie odzyskowe, samochody hybrydowe, samochody elektryczne, napędzane wodorem oraz samochody na sprzężone powietrze .

Hamowanie odzyskowe

Istnieją cztery sposoby odzyskiwania energii w procesie hamowania .

1. Prądnica połączona z kołami może ładować akumulator lub superkondensator
2. 2. Silniki hydrauliczne napędzane ruchem kół mogą sprężać powietrze, gromadzone następnie w małej butli .
3. Energię można gromadzić w kole zamachowym .
4. Energię hamowania można gromadzić w postaci energii grawitacyjnej, wjeżdżając pod górę (na rampę) zawsze, kiedy chcemy zwolnić. Opcja gromadzenia energii grawitacyjnej jest mało elastyczna, jako że rampa zawsze musi być tam, gdzie hamujemy. To dobre rozwiązanie dla pociągów, czego przykładem jest Victoria – londyńska linia metra. Każda stacja znajduje się na wzniesieniu. Nadjeżdżające pociągi samoistnie hamują, wjeżdżając pod górę, a odjeżdżając, samoistnie przyspieszają. Tak zaprojektowane „garbate” stacje pozwalają oszczędzić 5% energii i zwiększyć prędkość pociągów o 9% .

Elektryczne hamowanie odzyskowe (do magazynowania energii używa się akumulatora) pozwala odzyskać około 50% energii zużywanej na hamowanie, co przekłada się na około 20% redukcji kosztów energetycznych jazdy po mieście .

Systemy hamowania odzyskowego oparte na kole zamachowym lub silniku hydraulicznym wydają się działać lepiej niż systemy oparte na akumulatorach, odzyskując co najmniej 70% energii zużytej na hamowanie. Rys. 20.17. zawiera opis samochodu hybrydowego z silnikiem benzynowym napędzającym elektronicznie sterowany układ hydrauliczny. W zwykłym cyklu jazdy samochód taki zużywa 30% mniej paliwa niż samochód na benzynę. W trakcie jazdy po mieście zużywa o połowę mniej energii – 62 zamiast 131 kWh na 100 km (5,5 zamiast 12 l benzyny/100 km). Ta poprawa efektywności to zasługa zarówno hamowania odzyskowego, jak i technologii hybrydowej. Hydraulika i koło zamachowe są obiecującym sposobem odzyskiwania energii hamowania, bo są to małe systemy zdolne gromadzić duże ilości energii. Układ koła zamachowego, ważący zaledwie 24 kg (Fot. 20.18.), przeznaczony do magazynowania energii w samochodzie wyścigowym może zgromadzić 400 kJ (0,1 kWh) – ilość wystarczającą do rozpędzenia przeciętnego samochodu do prędkości 100 km/h, jest w stanie dostarczyć lub przyjąć moc 60 kW. Akumulatory o porównywalnej mocy musiałyby ważyć jakieś 200 kg. Jeśli nie mamy w samochodzie tak dużego akumulatora, rozwiązaniem może być elektryczny system odzyskowy połączony z kondensatorem. Superkondensatory mają parametry magazynowania energii i zasilania podobne jak koło zamachowe .

Samochody hybrydowe

Samochody hybrydowe, takie jak Toyota Prius (Fot. 20.19.), mają bardziej efektywne silniki i system elektrycznego hamowania odzyskowego, jednak szczerze mówiąc, obecnie oferowane hybrydy nie wyróżniają się zbytnio (Rys. 20.9.) Poziome paski na Rys. 20.9. odpowiadają kilku wybranym modelom samochodów .

Mamy tutaj dwie hybrydy. Podczas gdy przeciętny brytyjski samochód emituje 168 g CO2 na km, hybrydowy Prius emituje około 100 g, podobnie jak kilka innych, niehybrydowych pojazdów – VW Polo blue motion emituje 99 g/km, a Smart zaledwie 88 g/km .

Druga hybryda to Lexus RX 400h, reklamowany sloganem „Niska emisja, zero poczucia winy!”. Ale przecież jego emisje to 192 g/km – więcej niż brytyjska średnia?! Komisja Etyki Mediów orzekła, że reklama złamała kodeks reklamowy w zakresie prawdomówności, jakości porównań oraz twierdzeń związanych z ochroną środowiska. „Wzięliśmy pod uwagę, że (…) odbiorcy mogli zrozumieć, iż samochód nie stanowi obciążenia dla środowiska naturalnego, co nie jest zgodne z prawdą, że samochód charakteryzuje się niską emisją CO2 w stosunku do innych samochodów, co także jest nieprawdziwe” .

W praktyce technologie hybrydowe zapewniają oszczędności paliwa rzędu 20 – 30%. Tak więc ani hybrydy spalinowo-elektryczne, ani spalinowo-hydrauliczne pokazane na Rys. 20.17. nie są prawdziwym przełomem w transporcie .

30-procentowa redukcja zużycia paliw kopalnych robi wrażenie, ale nie spełnia standardów tej książki. Zgodnie z naszym wyjściowym założeniem mamy odejść od paliw kopalnych, albo przynajmniej zredukować ich zużycie o 90% .

Czy możemy wobec tego osiągnąć ten cel bez przesiadki na rowery ?

Pojazdy elektryczne

Samochód elektryczny o nazwie REVA miał premierę w czerwcu 2001 roku w Bangalore. Eksportuje się go do Wielkiej Brytanii pod nazwą G-Wiz. Silnik elektryczny G-Wiza o mocy maksymalnej 13 kW pracuje ze stałą mocą 4,8 kW .

Wyposażony jest w system hamowania odzyskowego. Zasila go osiem 6-woltowych akumulatorów kwasowych, na jednym ładowaniu przejeżdża „do 77 km”. Pełne ładowanie pobiera 9,7 kWh prądu. Liczby te oznaczają koszt transportowy rzędu 13 kWh na 100 km .

Producenci zawsze informują o najlepszych możliwych osiągach swojego produktu. Jak to wygląda w rzeczywistości? Rzeczywiste osiągi G-Wiza w Londynie pokazane są na Rys. 20.21. Po 19 ładowaniach średni koszt transportowy tego G-Wiza wynosi 21 kWh na 100 km – mniej więcej cztery razy mniej niż w przypadku przeciętnego samochodu na benzynę. Najlepszy wynik to 16 kWh na 100 km, najgorszy – 33 kWh na 100 km. Jeżeli kogoś interesują emisje CO2, 21 kWh na 100 km jest równoważne 105 g CO2 na km, zakładając, że ślad węglowy elektryczności wynosi 500 g CO2 na kWh [dla Polski 21 kWh na 100 km odpowiada emisjom 210 g CO2 na km, przyjmując, że ślad węglowy elektryczności w Polsce wynosi 1kg CO2 na kWh – red.] W tabeli osiągów G-Wiz plasuje się na jednym krańcu spektrum. A jeśli chcemy więcej – lepszego przyspieszenia, większej prędkości maksymalnej i większego zasięgu bez doładowywania? Na drugim końcu spektrum mamy Teslę Roadstera. Tesla Roadster 2008 przejeżdża na jednym ładowaniu 350 km; akumulator litowo-jonowy gromadzi 53 kWh energii, a waży 450 kg (120 Wh/ kg). Samochód waży 1220 kg, a moc maksymalna silnika wynosi 185 kW. Jakie jest zużycie energii tego pokaźnego samochodu? Co ciekawe, jest mniejsze niż w przypadku G-Wiz i wynosi 15 kWh na 100 km. Dowodem na to, że zasięg 350 km powinien satysfakcjonować większość ludzi, jest fakt, że zaledwie 8,3% kierowców jeździ do pracy dalej niż 30 km .

Przejrzałem dane dotyczące osiągów wielu pojazdów elektrycznych – wymieniam je w przypisach na końcu rozdziału – wydają się zgodne z naszym twierdzeniem, że koszt transportowy samochodów elektrycznych wynosi mniej więcej 15 kWh na 100 km .

To pięć razy mniej niż nasz standardowy samochód na benzynę i znacznie mniej niż którykolwiek samochód hybrydowy. Hura! By jeździć oszczędnie, nie musimy się tłoczyć w środkach transportu publicznego – nadal możemy pomykać swobodnie, ciesząc się przyjemnościami jazdy w pojedynkę, właśnie dzięki samochodom elektrycznym .

W Pruszkowie produkuje się samochód elektryczny SAM RE-Volt. Silnik o mocy znamionowej 11,6 kW zasilany jest akumulatorami litowo-jonowymi o pojemności 7 kWh każdy. SAM wyposażony jest w system hamowania odzyskowego KERS. Na jednym ładowaniu przejeżdża „do 100 km”. Zużywa przeciętnie 7 kWh na 100 km, czyli o ponad połowę mniej niż średnia oszacowana przez Davida (SAM jest jednak lekkim, dwuosobowym trójkołowcem) .

Przy koszcie 50 gr za 1 kWh prądu 100-kilometowa przejażdżka SAM-em kosztuje 3,5 zł .

Ta radosna chwila to dobry moment, by ujawnić wielki wykres podsumowujący ten rozdział. Rys. 20.23. ilustruje zapotrzebowanie na energię wszystkich form transportu pasażerskiego, które przedyskutowaliśmy i jeszcze kilku, które dopiero przedyskutujemy .

Dobrze więc, mamy koniec wyścigu i ogłosiliśmy zwycięzców – to transport publiczny, rowery i samochody elektryczne. A może są inne możliwości, dojeżdżające właśnie do mety? Musimy jeszcze omówić samochody zasilane sprężonym powietrzem i samochody na wodór. Nawet jeśli któryś z nich okaże się lepszy niż samochód elektryczny, nie wpłynie to znacząco na długofalową perspektywę – którąkolwiek z tych trzech technologii wybierzemy, pojazdy powinny być zasilane energią z „zielonych” źródeł .

Samochody na sprężone powietrze

Samochody zasilane powietrzem to pomysł nienowy. Setki tramwajów na sprzężone powietrze i gorącą wodę przemierzały ulice Nantes i Paryża w latach 1879–1911. Na Fot. 20.24. widać niemiecką lokomotywę pneumatyczną z 1958 roku. Sądzę, że w zakresie efektywności energetycznej technika sprężania powietrza w celu magazynowania energii jest równie dobra, jak akumulatory elektryczne. Sęk w tym, że przy sprężaniu powietrza powstaje ciepło, które raczej nie zostanie spożytkowane efektywnie, a przy rozprężaniu powietrza – chłód, inny produkt uboczny, który też raczej nie zostanie zużyty efektywnie. Technologia sprężania powietrza ma jednak kilka istotnych przewag nad akumulatorem elektrycznym. Na przykład powietrze może być sprężane tysiące razy i nie zużywa się! Interesujące, że pierwszym produktem wypuszczonym na rynek przez Aircar jest skuter elektryczny [www.theaircar.com/acf] .

Indyjski Tata Motors deklaruje zainteresowanie samochodami na powietrze .

Nie wiadomo jednak, czy będziemy mieli renesans technologii sprężania powietrza, bo nie upubliczniono specyfikacji żadnego nowoczesnego prototypu .

Podstawowym ograniczeniem jest fakt, że gęstość energetyczna w butli na sprężone powietrze wynosi zaledwie 11–28 Wh na kg. To mniej więcej tyle, ile w akumulatorze kwasowym i jakieś pięć razy mniej niż w akumulatorze litowo-jonowym (szczegóły dotyczące innych technologii magazynowania dostępne są na Rys. 26.13., str. 208). Zasięg samochodu na sprężone powietrze nie będzie nigdy większy niż zasięg pierwszych samochodów elektrycznych .

Systemy magazynowania za pomocą sprężonego powietrza mają jednak nad akumulatorami kilka przewag: większa trwałość, tańsza konstrukcja i mniej paskudnych chemikaliów .

Pojazdy napędzane wodorem – samochody jak sterowce

Uważam, że wodór jest przereklamowany. Wolałbym się mylić, nie wiem jednak, w jaki sposób wodór miałby przyczynić się do rozwiązania naszych problemów energetycznych. Wodór nie jest jakimś cudownych źródłem energii, jest jedynie nośnikiem energii, jak bateria wielokrotnego ładowania. I to raczej nieefektywnym nośnikiem energii, z całą masą defektów w użytkowaniu .

„Gospodarkę opartą na wodorze” wsparł magazyn „Nature”. Pochwalił gubernatora Kalifornii Arnolda Schwarzeneggera za to, że jeździ hummerem na wodór (Fot. 20.25.) „Nature” przytakuje wizji Arnolda, według którego samochody na wodór zastąpią „brudne modele” i konstatuje, że „gubernator jest prawdziwym bohaterem akcji na rzecz klimatu”. Skoro już mowa o wodorowym bohaterstwie, należy zadać sobie kluczowe pytanie: „Skąd weźmiemy energię, by wyprodukować wodór?”. Konwersja energii do postaci wodoru i z wodoru jest zawsze nieefektywna. Przynajmniej przy obecnym poziomie zaawansowania technologicznego .

Oto kilka liczb .

• W projekcie CUTE (Clean Urban Transport for Europe – Czysty Transport dla Europy), który miał pokazać możliwość zastosowania autobusów na ogniwa paliwowe oraz w technologii wodorowej, zasilenie autobusów na wodór wymagało od 80% do 200% więcej energii niż w przypadku zwykłego autobusu z silnikiem diesla .
• Zasilenie BMW na wodór Hydrogen 7 pochłania 254 kWh energii na 100 km – 220% więcej niż w przypadku przeciętnego europejskiego samochodu .

Gdyby naszym zadaniem było „odejście od paliw kopalnych w transporcie przy założeniu, że dysponujemy nieskończoną ilością darmowej zielonej energii”, wówczas można by brać pod uwagę energochłonne rozwiązania transportowe, takie jak wodór (aczkolwiek z wodorem wiążą się też inne problemy) .

Niestety zielona elektryczność nie jest za darmo. W istocie, zapewnienie zielonej energii na miarę naszej konsumpcji będzie nie lada wyzwaniem. Paliwa kopalne są wyzwaniem energetycznym. Zmiany klimatu są problemem energetycznym .

Musimy skupić się na rozwiązaniach mniej, a nie bardziej energochłonnych !

Nie znam żadnego środka transportu lądowego o zużyciu energii wyższym niż samochód na wodór! (Bardziej energochłonny jest tylko odrzutowiec, zużywający jakieś 500 kWh na 100 km oraz Earthrace – motorówka napędziana biodieslem, absurdalnie zwana ekołodzią, zużywająca 800 kWh na 100 pkm) .

Zwolennicy wodoru stwierdzą: “BMW Hydrogen 7 jest prototypem i potężnym autem luksusowym – efektywność technologii się poprawi”. Mam nadzieję, bo jest tu wiele do zrobienia. Tesla Roadster (Fot. 20.22.) też jest prototypem i potężnym autem luksusowym. A mimo to jest ponad 10 razy efektywniejsza energetycznie niż Hydrogen 7! Kto chce, niech stawia na wodorowego konia, droga wolna. To jednak nierozsądne typować konia, który tak wyraźnie zostaje w tyle. Wystarczy spojrzeć na Rys. 20.30 – gdybyśmy nie skompresowali górnej części osi pionowej, samochód na wodór nie zmieściłby się na stronie !

Owszem, Honda na ogniwa paliwowe FCX Clarity jest lepsza – zużywa 69 kWh na 100 km – przewiduję jednak, że kiedy umilkną fanfary „zeroemisyjności”, okaże się, że samochody na wodór zużywają tyle samo energii, co dzisiejsze samochody na benzynę .

Oto kilka kolejnych problemów związanych z wodorem. Wodór jest gorszą formą magazynowania energii niż większość paliw płynnych, a to z uwagi na swoją objętość – niezależnie, czy występuje w postaci gazu pod wysokim ciśnieniem, czy płynu (co wymaga temperatury rzędu minus 253 °C). Nawet pod ciśnieniem 700 atmosfer (co wymaga naprawdę mocnego pojemnika ciśnieniowego) jego gęstość energetyczna (energia na jednostkę objętości) wynosi 22% gęstości benzyny. Kriogeniczny bak BMW Hydrogen 7 waży 120 kg i mieści 8 kg wodoru. Co więcej, wodór stopniowo wycieknie z praktycznie każdego zbiornika. Spróbujmy zaparkować samochód z pełnym bakiem wodoru na stacji kolejowej i wróćmy po tygodniu. Zapewne większość wodoru zniknie .

Kilka pytań o samochody elektryczne

Dowodzi pan, że samochody elektryczne są bardziej efektywne energetycznie niż te zasilane paliwami kopalnymi. Czy jednak przyczynią się do ograniczenia emisji CO2, skoro większość prądu nadal pochodzi z elektrowni na węgiel i gaz ?

Rachunek jest prosty. Załóżmy, że koszt energetyczny samochodu elektrycznego wynosi 20 kWh(e) na 100 km (choć uważam, że możliwe jest 15 kWh(e) na 100 km, poprzestańmy jednak na ostrożnej kalkulacji). Jeżeli sieć elektryczna ma ślad węglowy rzędu 500 g na kWh(e), wówczas rzeczywista emisja samochodu wyniesie 100 g CO2 na km, czyli tyle, ile emisja najmniej emisyjnego samochodu z silnikiem spalinowym (Fot. 20.9.) Reasumując, samochody elektryczne już teraz są dobrym wyborem. Jeszcze zanim zapewnimy sobie prąd z odnawialnych źródeł .

Polska energetyka oparta jest na węglu – brudnym paliwie kopalnym, którego spalanie wiąże się z wysoką emisją CO2. Do tego polskie elektrownie są niezbyt efektywne, zamieniając w elektryczność jedynie ok. 1/3 energii węgla. W rezultacie prowadzi to do emisji 1 kg CO2 na każdą kWh prądu – dwukrotnie więcej niż w Wielkiej Brytanii. Związana z przejechaniem 1 km emisja CO2 nie będzie więc wynosić 100 g, lecz 200 – czyli wynik dla sporej terenówki. Z tego powodu dzisiaj jazda samochodem elektrycznym w Polsce nie jest niestety dobrym sposobem na zmniejszenie emisji dwutlenku węgla .

Produkcja i eksploatacja samochodu kosztuje niezależnie, czy to samochód elektryczny, czy z silnikiem spalinowym. Jazda samochodem elektrycznym może być tańsza niż jazda samochodem na benzynę czy gaz, jednak jego akumulatory nie są zbyt trwałe. Czy nie powinniśmy tego uwzględnić w kosztach eksploatacji ?

To słuszna uwaga. Mój diagram transportowy pokazuje jedynie koszt przejazdu .

Jeżeli w samochodzie elektrycznym co kilka lat trzeba wymieniać akumulator, moje liczby mogą być niedoszacowane. Żywotność akumulatora dla Toyoty Prius szacuje się na zaledwie 10 lat, a nowy kosztuje 3500 funtów. Czy posiadacz dziesięcioletniego Priusa zechce tyle zapłacić? Zapewne większość Priusów po 10 latach trafi na złom. Akumulator to pięta achillesowa pojazdów elektrycznych. Zakładam optymistycznie, że wraz z rozpowszechnieniem samochodów na prąd, powstaną lepsze akumulatory .

Mieszkam w gorącym klimacie. Jak mam jeździć elektrycznym samochodem ?
Muszę mieć w nim energożerną klimatyzację !

Istnieje dobry sposób zaspokojenia tego zwiększonego zapotrzebowania na prąd – 4 m2 paneli fotowoltaicznych na dachu samochodu elektrycznego. Jeżeli potrzebujemy włączyć klimatyzację, znaczy to, że świeci słońce. Panele o efektywności rzędu 20% wygenerują do 800 W energii, co wystarczy do zasilenia klimatyzacji. Panele mogą nawet częściowo ładować zaparkowany samochód .

Klimatyzacja zasilana słońcem znalazła się na wyposażeniu Mazdy w 1993 roku – ogniwa słoneczne zostały umieszczone w szklanym dachu .

Mieszkam w zimnym klimacie. Jak mam jeździć elektrycznym samochodem ?
Muszę mieć w nim energożerne ogrzewanie !

Silnik samochodu elektrycznego podczas jazdy zużywa średnio 10 kW, z efektywnością rzędu 90–95%. Pozostała część energii 5–10%, wydzieli się w silniku w postaci ciepła. Zapewne da się tak zaprojektować samochody elektryczne do użytku w chłodnym klimacie, by to ciepło, rzędu nawet 250 lub 500 W, ogrzewało wnętrze samochodu. Taka ilość ciepła przyczyniłaby się do ogrzania szyb, kierowcy i pasażerów .

Czy akumulatory litowo-jonowe mogą stanowić zagrożenie w razie wypadku ?

Niektóre akumulatory litowo-jonowe źle znoszą krótkie spięcia lub przegrzanie, ale w produkcji są już bezpieczniejsze akumulatory, litowo-fosforanowe .

Więcej na ten temat w zabawnym filmiku na www.valence.com .

Czy wystarczy litu do akumulatorów, jeżeli zaczniemy masowo produkować samochody elektryczne ?

Światowe zasoby litu, w postaci rudy, szacuje się na 9,5 mln ton (str. 175) .

Akumulator litowo-jonowy zawiera 3% litu. Przy założeniu, że akumulator waży 200 kg, potrzebujemy 6 kg litu na pojazd. Szacowane zasoby rud litu wystarczą na wyprodukowanie akumulatorów dla 1,6 mld pojazdów. To więcej niż mamy obecnie samochodów na świecie (około miliard), ale niewiele więcej, tak więc obawy o wyczerpywanie złóż litu są uzasadnione. Szczególnie, że konkurencję stanowi przemysł jądrowy i pomysł zastosowania litu w reaktorach (Rozdział 24.) Tysiące razy więcej litu zawiera woda morska – być może dodatkowego litu dostarczą oceany. Co więcej, jak mówi ekspert zajmujący się litem R. Keith Evans: „Nieuzasadnione są obawy, czy wystarczy litu do akumulatorów dla samochodów hybrydowych i elektrycznych i dla innych znanych nam zastosowań”. Tak czy owak, już rozwijają się inne technologie bezlitowych akumulatorów, takie jak akumulator cynkowo-powietrzny [www.revolttechnology .com]. Myślę, że samochód elektryczny ma przyszłość !

Czy wystarczy litu do akumulatorów, jeżeli zaczniemy masowo produkować samochody elektryczne ?

Światowe zasoby litu, w postaci rudy, szacuje się na 9,5 mln ton (str. 175) .

Akumulator litowo-jonowy zawiera 3% litu. Przy założeniu, że akumulator waży 200 kg, potrzebujemy 6 kg litu na pojazd. Szacowane zasoby rud litu wystarczą na wyprodukowanie akumulatorów dla 1,6 mld pojazdów. To więcej niż mamy obecnie samochodów na świecie (około miliard), ale niewiele więcej, tak więc obawy o wyczerpywanie złóż litu są uzasadnione. Szczególnie, że konkurencję stanowi przemysł jądrowy i pomysł zastosowania litu w reaktorach (Rozdział 24.) Tysiące razy więcej litu zawiera woda morska – być może dodatkowego litu dostarczą oceany. Co więcej, jak mówi ekspert zajmujący się litem R. Keith Evans: „Nieuzasadnione są obawy, czy wystarczy litu do akumulatorów dla samochodów hybrydowych i elektrycznych i dla innych znanych nam zastosowań”. Tak czy owak, już rozwijają się inne technologie bezlitowych akumulatorów, takie jak akumulator cynkowo-powietrzny [www.revolttechnology .com]. Myślę, że samochód elektryczny ma przyszłość !