Aktualności

Czy jesteśmy gotowi na elektryczne samochody? – “Fachowy elektryk” 02/2018

Artykuły, 29 czerwca, 2018

Odpowiedź na pytanie tytułowe nie jest niestety jednoznaczna. Wydaje się, że pojazdy EV są bardziej ekonomiczne i czyste ekologicznie, nie brak jednak wątpliwości, które dotyczą np. procesów chemicznych w produkcji baterii. Kolejne aspekty to akceptacja rynku, koszty, zasięg jazdy i kwestia ładowania.

Nie można jednak zaprzeczyć, że początek XXI wieku to próg 4-tej rewolucji przemysłowej. Urządzenia przemysłowe są w masowym użytku 7,5 miliardowej ludzkości. Dwie główne grupy towarów to elektronika i sprzęty elektryczne (ponad
2 miliardy telefonów komórkowych i 330 milionów komputerów/tabletów sprzedanych w 2017 roku) oraz samochody (w 2017 roku sprzedano na świecie 1,2 miliarda sztuk pojazdów, ze wzrostem 50 mln szt. rocznie). Na ekologię patrzymy globalnie. Mamy świadomość konieczności ochrony środowiska i zagrożenia jakie niesie zaniechanie tych działań. Transport, ze względu na swoją masowość, jest odpowiedzialny za dużą część tworzonych przez ludzkość zanieczyszczeń. Redukcja emisji tlenków węgla (COx), tlenków azotu (NOx) i cząstek stałych (HC) jest dużym wyzwaniem technologicznym. Zdecydowanie zwiększa koszty projektowania, wytwarzania a potem eksploatacji silników (filtry DPF, katalizatory, i inne kosztowne instalacje w silniku spalinowym). Świat zdaje sobie z tego sprawę. Nowe normy środowiskowe są restrykcyjne (np. przy przejściu z normy Euro5 na Euro6 poziomy emisji NOx i HC muszą być zmniejszone o 80% i 66%). Po tzw. aferze „diesel -gate” z zafałszowywaniem poziomów emisji spalin silników diesla podjęto już szereg decyzji zabraniających ich użytkowania w wielu miastach świata.

Jak do tej pory 98,5% samochodów jest napędzanych przez silniki spalinowe. Tu wkracza elektrotechnika, gdyż jednym z najlepszych rozwiązań dla zmniejszenia ilości spalin, uproszczenia konstrukcji silników oraz redukcji kosztów ich użytkowania są napędy elektryczne zasilane z coraz bardziej pojemnych akumulatorów litowo-jonowych.

Źródło: materiały prasowe firm Chevrolet i Nissan

Opis techniczny

Samochód elektryczny (EV = Electric Vehicle) jest generalnie znacznie prostszy
technicznie od spalinowego. Szacuje się, ze ilość części ruchomych spadnie o 80% (!), znacznie redukując koszty eksploatacyjne i serwisowe (brak konieczności wymiany części z powodu zużycia).

Schemat ideowy samochodu z napędem elektrycznym (EV).
Źródło: materiały prasowe firmy Volkswagen

Sterowanie napędem elektrycznym jest zdecydowanie prostsze i bardziej efektywne. Wymaga, co prawda, zastosowania skomplikowanych komponentów elektronicznych, stąd w pojazdach EV zdecydowanie rośnie część elektroniczna. Elektronika jednak jest branżą o najszybszym rozwoju, wysokie wymagania w tym zakresie nie stanowią zagrożenia. Silniki elektryczne mogą być łatwo montowane bezpośrednio przy kołach lub osiach, diametralnie poprawiając sprawność układu napędowego. Pracują z bardzo dobrą wydajnością w szerokim zakresie obrotów, dają się precyzyjnie sterować dzięki zmianom parametrów prądu zasilającego. Otrzymujemy świetnie działający napęd przy znacznie ograniczonym zastosowaniu elementów mechanicznych (brak skrzyni biegów oraz przeniesienia obrotów pomiędzy osiami), który ma znacznie większą sprawność (w rzeczywistych elektrycznych napędach przemysłowych sprawność to 88,7%; silniku spalinowym ~35-40%, napędzie spalinowym 30%). Do tego napęd elektryczny pozwala na odzysk energii z hamowania (dodatkowo zwiększa sprawność) i jest znacznie mniej awaryjny.

Technologia zasilania

Zasilanie EV stanowi bateria akumulatorów w technologii Litowo-Jonowej (Li-Ion). Trzeba niestety przyznać, że technologia ogniw w porównaniu z elektroniką, silnikami elektrycznymi i pozostałym osprzętem rozwija się znacznie wolniej. Realnie dopiero od 10 lat mamy technologię akumulatorów zapewniającą rozsądne zasięgi pojazdów EV, do poziomów akceptowalnych przez użytkowników (2013: 160km, 2017: 300-400km). Dwa pozostałe aspekty to ładowanie i bezpieczeństwo systemu. Tak więc zasilanie jest kluczową barierą w rozwoju. Podobnie jak na przełomie wieków XIX i XX, kiedy napęd elektryczny wydawał się być bardzo obiecujący. W roku 1901 szereg firm produkowało pojazdy elektryczne zasilane akumulatorami kwasowymi, m.in. model Mark XIX Columbia Surrey produkcji zakładów Hartford w Connecticut miał zasięg 40 mil (64 km) na jednym ładowaniu, przy prędkości max 24 km/h. Niestety, to „pierwsze podejście do pojazdów elektrycznych” zostało skutecznie zakończone poprzez wprowadzenie napędu benzynowego w momencie rozpoczęcia masowej produkcji seryjnej Forda T w roku 1908. Benzyna ma bardzo dużą gęstość energii [Wh/kg i Wh/litr]. Gęstość masowa [Wh/kg], jest ok. 100 razy większa niż najlepsze akumulatory (ale już napęd spalinowy to 10-12-krotność energii wobec napędu elektrycznego), akumulatory nie mogły się z tym równać i szybko zostały wyparte, choć samochody elektryczne walczyły na rynku do około 1910.

Fragment reklamy prasowej samochodów elektrycznych w 1901 roku, źródło: http://www.lowtechmagazine.com/overview-of-early-electric-cars.html

Dopiero 100 lat później, około 2007, firma Panasonic na tyle udoskonaliła swoje modele ogniw litowo-jonowych, że stały się atrakcyjnym zasilaniem dla pierwszego seryjnego samochodu elektrycznego. Ogniwa miały gęstość energii na poziomie 200 Wh/kg i zostały zastosowane do zasilania modelu Tesla Roadster, który wszedł do seryjnej produkcji w 2008. Ten sportowy samochód opracowany wspólnie z firmą LOTUS, miał na tyle dobre parametry, moc 250 KM, przyspieszenie 0-100 km/h w 4 sek.,
prędkość maks. 210 km/h, a przy tym rozsądny zasięg (do 394 km), że wzbudził duże zainteresowanie klientów. Stąd był już tylko krok do obecnie bardzo dynamicznie rozwijającego się przemysłu samochodów elektrycznych. Technologia litowo-jonowa dynamicznie się rozwija. Najnowsze modele ogniw osiągają gęstości energii 260 Wh/kg (energia ogniwa, nie całego systemu zasilania, który zawiera szereg dodatkowych komponentów). Koncerny światowe, w tym również Toyota, która jest liderem w zakresie badań nad akumulatorami wspólnie z Panasonic, inwestują bardzo poważne środki w badania i rozwój.
Realne plany Toyoty zakładają, że nowe generacje ogniw Li-Ion bez płynnego elektrolitu (tzw. Solid State Battery) będą dostępne na początku lat 2020. Będą charakteryzować się dużą gęstością energii (w pierwszych generacjach spodziewany jest wzrost energii o 50%) oraz znacznie zwiększonym bezpieczeństwem użytkowania.

Gęstość energii chemicznych źródeł prądu. Li-Ion może osiągać 850Wh/kg.
Źródło: https://www.researchgate.net/figure/Ragone-Plot-of-Energy-Storage-Devices-5-6_fig2_306240899

Istniejące obecnie ogniwa Li-Ion w połączeniu z wysoką sprawnością silników i energoelektroniki pojazdowej pozwalają na osiąganie zasięgu rzędu 310mil/500km – przykład Tesla S. model P100D, zasięg 315 mil. Kolejne generacje systemów zasilania oparte na technologii Li-Ion Solid State Battery przekroczą gęstość energii 350 Wh/kg i pozwolą na zasięgi 400 mil czyli 640 km. Jest to komercyjnie spodziewane około roku 2022.

Zasięgi współczesnych EV na 1 ładowaniu. Źródło: https://en.wikipedia.org/wiki/Battery_electric_vehicle

W skali 5 lat energia akumulatorów i zasięgi jazdy wzrosną do poziomu, który większość z nas zaakceptuje. Do poprawienia pozostanie system ładowania baterii. Aspekt ten jest złożony, dotyczy zarówno technologii akumulatorów jak też infrastruktury ładowania. Obecnie przeciętne czasy ładowania to 3-4 godziny, dla przedłużenia żywotności akumulatorów zalecane jest możliwie częste ładowanie powolne w nocy (np. 8 godzin). Jednak najlepsze akumulatory można już ładować w czasie około 30-40 minut (do pojemności 80%), a badania pokazują jednoznacznie, że za kilka lat bez kłopotu będziemy ładować baterie w 15 minut. Kwestia infrastruktury (instalacji) do ładowania jest równie ważna. Technologicznie nie ma dużych barier, natomiast trzeba znaleźć lokalizacje, wybudować stacje, wyposażyć w osprzęt oraz podłączyć do źródeł mocy. Do szybkiego ładowania baterii (np.1 godz.) potrzebne są ładowarki o dużej mocy (50-100 kW), do ultra -szybkiego ładowania – sprzęt o bardzo dużej mocy (zakres 300-450 kW). Dla pojedynczej szybkiej ładowarki (zależnie od wersji) są to moce porównywalne do zasilania od 5 do 30 domów jednorodzinnych (!). Z drugiej strony należy podkreślić, ze budowa stacji ładowania jest nieporównywalnie tańsza, szybsza i bardziej przyjazna dla środowiska niż budowa stacji paliw.

źródło:  materiały firmy Fastned, producent systemów ładowania

źródło:  materiały firmy ChargePoint, sieć ładowania dla EV w USA

Przepisy i normy budowlane zalecające przewidywanie stacji ładowania w projektach domów, osiedli, centrów handlowych, itp. są dopiero w fazie uzgodnień legislacyjnych na poziomie państw.

źródło: https://commons.wikimedia.org/wiki/File:EV_charging_stations_Arlington_08_2017_5219.jpg

RECYKLING oraz DRUGIE ŻYCIE BATERII

Istotną zaletą napędu elektrycznego jest fakt, że jest w pełni ekologiczny, cichy i bezemisyjny w miejscu eksploatacji. Produkcja energii elektrycznej w dużych elektrowniach oczywiście tworzy dużo zanieczyszczeń, jednakże proces jest ściśle nadzorowany, a emisja jest skutecznie filtrowana. Efektywność oczyszczania jest znacznie większa niż jakiekolwiek instalacje indywidualne (jak np. indywidualny silnik spalinowy). Samochód elektryczny nie pozostawia plam oleju, cicha praca silnika redukuje konieczność montowania ekranów dźwiękowych wzdłuż tras szybkiego ruchu, przyjazność dla środowiska widać w wielu aspektach użytkowania.

W niedługiej przyszłości akumulatory po wymontowaniu z pojazdów po kilku latach eksploatacji będą użytkowane w drugim obiegu jako magazyny energii włączone do sieci energetycznej przez kolejne kilka lat. Po całkowitym zużyciu będą poddane recyklingowi bez uszczerbku dla środowiska.

KOSZTY EKSPLOATACJI

Koszty użytkowania napędu elektrycznego są ich niezaprzeczalną korzyścią.

— Koszt przejechania 100 km wynosi od ok. 3,00 do 10,00 złotych (zależnie od typu pojazdu i taryfy ładowania).

— Koszty serwisowe. Dzięki prostej budowie napędu elektrycznego, małym wymiarom, niższej masie i wysokiej niezawodności koszty serwisowe spadną o 60-80%. Analiza użytkowania samochodu Chevrolet Bolt pokazała, że pojazd jest prawie bezobsługowy. W czasie życia wymienia się znacznie mniej części, nie ma potrzeby regularnych serwisów, wymian płynów (np. oleju silnikowego), wymian filtrów i katalizatorów w układzie paliwa i wydechu, kontroli i regulacji rozrządu, kontroli wycieków i naprawy silników, sprzęgieł i kół dwumasowych, sprężarek, układ chłodzenia silnika jest prostszy (w niektórych modelach zbędny). Hamowanie odzyskowe ogranicza zużycie tarcz i klocków hamulcowych.

— Korzyści dla gospodarki. Po rozpowszechnieniu się pojazdów EV spodziewane jest dobowe wyrównanie poboru mocy, wielu użytkowników będzie ładować pojazdy w nocy. Wiele pojazdów będzie podłączonych do sieci również w dzień, i w przypadku gwałtownego zapotrzebowania mogą służyć jako awaryjne źródła energii. To będzie praktyczny sposób stabilizacji systemu energetycznego uzyskany niejako „przy okazji”. Energia elektryczna jest wytwarzana w Polsce i Europie, jest diametralnie mniej zależna od cen ropy, jest też mniej zależna od wydarzeń międzynarodowych. Oznacza to uniezależnienie od importu ropy, przez to poprawę bezpieczeństwa energetycznego kraju.

EV = ZERO EMISSION

W trakcie eksploatacji pojazd w pełni elektryczny nie zużywa paliwa i nie emituje żadnych spalin. Dla porównania wartości emisji dla 4 wariantów (pojazd segmentu C, dane producentów pojazdów, wartości średnie, jazda w mieście):

— EV samochód elektryczny 204KM:  0 benzyny, 0 g CO₂

— PHEV samochód hybrydowy Plug-In 1,8l/122KM/Euro6: 1,2l benz./100km, 28 g CO₂/km

— HEV samochód hybrydowy 1,8l/136KM/Euro6: 3,5l benz./100km, 79 g CO₂/km

— ICE samochód spalinowy 1,6l/132KM/Euro6: 5,6l benz./100km, 129 g CO₂/km

Dane zużycia paliwa i emisji CO₂ zależnie od typu. Źródło: materiały promocyjne producenta.

Dziś jeszcze wytwarzanie baterii jest dość obciążające dla środowiska. Jednak zdecydowanie efektywniej kontroluje się zanieczyszczenia w dużych zakładach przemysłowych, zarówno przy produkcji chemicznej (ogniwa) jak też w elektrowniach (produkcja energii). Instalowana jest rozbudowana aparatura oczyszczająca o skuteczności nieporównywalnie większej niż w 1,2 miliarda silników spalinowych w samochodach na całym świecie. Analizując sytuację całościowo, użytkowanie EV jest znacznie bardziej przyjazne dla środowiska.

Wiele krajów opracowało system ulg przy zakupie i użytkowaniu EV (szkoda, że nie Polska).Polacy są społeczeństwem wysoko świadomym kwestii środowiskowych oraz korzyści z użytkowania EV. Ponad połowa Polaków zgadza się z tym, że transport niskoemisyjny pozwoli ograniczyć zanieczyszczenie w miastach. Około 30% osób uważa EV za mniej awaryjne i czystsze dla środowiska. W sumie aż 90% osób deklaruje gotowość używania EV, ale tylko 10% deklaruje chęć ich zakupu. Są po temu 3 główne powody: za mały zasięg jazdy, proces ładowania (dostępność infrastruktury i czas) oraz oczywiście koszt zakupu (przy braku zachęt od państwa).

Polskie ministerstwo gospodarki również podjęło działania w kierunku promowania EV. Rozpisano konkurs na projekt miejskiego pojazdu elektrycznego, rozpoczęto przedsięwzięcia gospodarcze z udziałem firm energetycznych i przemysłu w celu industrializacji projektu i uruchomienia konkurencyjnej rynkowo produkcji pojazdu oraz infrastruktury ładowania.

źródło:  Electromobility Poland S.A.

WNIOSKI

Społeczeństwo jest ciekawe pojazdów elektrycznych, ale też świadome i zainteresowane korzyściami z EV – jest to nowinka technologiczna, są przyjazne dla środowiskowa i tańsze w eksploatacji.

Oczywiście istnieją ograniczenia w upowszechnieniu się pojazdów elektrycznych: zasięg jazdy, proces ładowania (dostępność infrastruktury i czas ładowania), wysoki koszt zakupu / brak systemu zachęt od państwa, niezbyt rozbudowana oferta pojazdów i obawy użytkowników o pewną niedojrzałość technologii, możliwe trudności serwisowe.

Z drugiej strony trend wydaje się ugruntowany. Po trudnościach z silnikami diesla, największy światowy producent samochodów, koncern VW, bardzo poważnie inwestuje w elektromobilność, mówimy tu o skali 50 miliardów dolarów w okresie kilku lat (około 40% budżetu Państwa Polskiego na 2018). Podobnie czynią pozostali producenci samochodów, na razie jeszcze w mniejszej skali.

Znakomity marketing ma marka Tesla z USA, która zaczęła w roku 2012 dużym sukcesem modelu Roadster, obecnie są to modele S, X oraz model 3.

Jednak zdecydowanie największą sprzedaż branża EV notuje w Chinach.

Ze względu na duże zanieczyszczenie powietrza Chiny wsparły rozwój elektromobilności – ilość pojazdów EV w Chinach stanowi 65% całej ilości EV na świecie. W statystykach ilość pojazdów i autobusów EV w Chinach jest już pokazywała jako osobna kategoria wobec „reszty świata”.

Rozwój rynku zasilania wg ilości energii wykorzystanych akumulatorów Li-Ion: od 2GWh w 2000 do 120GWh w 2017. Źródło: AVICENNE Energy 2018

Obserwując pozostałe marki, przoduje Toyota z grupą modeli hybrydowych (Prius, Auris, Yaris: Hybrid i Hybrid Plug-In). Od roku 1997 ilość sprzedanych hybryd Toyoty przekroczyła 5 milionów sztuk. Znakomicie radzi sobie na rynku Grupa Renault (Renault Zoe, Nissan Leaf, Mitsubishi i-MiEV oraz Outlander – hybryda Plug-In), BMW z modelem i3 oraz General Motors z modelem Chevy Bolt.

Źródło:  materiały Groupe Renault na konferencji AABC 2018 w Mainz, Niemcy

Badania branży przemysłu samochodowego wskazują, że dla roku 2025 optymistyczny scenariusz sprzedaży wszystkich typów xEV wyniesie 25% ilości całkowitej sprzedaży na świecie, czyli ok. 26 mln pojazdów.

Scenariusz zakłada znaczne wsparcie rządów dla xEV co najmniej w Chinach i Europie oraz stosunkowo drogą benzynę. Więcej niż 25% nie jest przewidywane, gdyż dużą rolę gra rynek USA, który pozostanie stosunkowo konserwatywny, oraz nie ma pewności czy przemysł nadąży z produkcją źródeł zasilania i infrastruktury ładowania.

Scenariusz optymistyczny.
Źródłó danych:  konferencja AABC 2018 w Mainz, Niemcy
(*) mikro HEV – rozszerzony system Start-Stop 48V

Scenariusz wyważony wskazuje, że pojazdy xEV będą stanowić 14% całej światowej ilości (dzięki ilości w Europie ok.30%) – przy umiarkowanym wsparciu rządów. Scenariusz „niski” to tylko 5,5% ilości dla xEV – przy braku wsparcia rządów i niskich cenach benzyny.

Wyniki badań rynkowych na świecie wskazują, ze Chiny są całkowicie otwarte i wspierają to twarde decyzje rządu; rynek Indii – z dużym prawdopodobieństwem będzie otwarty, oczekiwane są regulacje rządu; rynek Europy i Japonii jest otwarty ze względu na wysoką świadomość obywateli, dużą gęstość zaludnienia (na skutek tego stosunkowo krótkie dystanse) i umiarkowane wsparcie rządów; podobnie rynek Bliskiego Wschodu i Australii. Natomiast rynek Ameryki Północnej (USA/Kanada) w zasadzie nie jest gotowy na EV poza Kalifornią (obszar specyficzny). Powodem są długie dystanse i niedroga benzyna. Kluczowe bariery to małe zasięgi i trudności z ładowaniem EV.

Jest jednak czynnik ryzyka, którego dziś nie da się do końca przewidzieć, a jest nim dostęp do metali i surowców strategicznych (kobalt, lit, nikiel, aluminium, miedź). Pozostaje to długofalowym zagrożeniem dla rozwoju branży EV na świecie.

mgr inż. Krzysztof Lubianiec