Samochody elektryczne - przyszłość czy przeszłość?

Na przełomie XIX i XX wieku samochody elektryczne zajmowały 38 proc. amerykańskiego rynku, dorównując niemal parowym (40 proc.) i deklasując spalinowe (22 proc. rynku). Były ciche, łatwe w obsłudze i miały wystarczające osiągi - pierwszym samochodem, który przekroczył 100 km/h był właśnie pojazd elektryczny. Potem o nich zapomnieliśmy. Dlaczego?

Stało się tak z uwagi na niesamowity rozwój spalinowej konkurencji: silniki stawały się bardziej niezawodne, cichsze, osiągały coraz większą moc. Jednocześnie ich koszty produkcji spadały. Najważniejszy był jednak zasięg i czas uzupełniania zasobów energii.

By uzmysłowić różnicę:

• w jednym kilogramie współczesnych akumulatorów Li-ion można zmieścić ok. 1,8 MJ energii,
• w jednym kilogramie benzyny ok. 44 MJ.

Nawet jeśli uwzględnimy małą sprawność silnika spalinowego (średnio 15-20 proc.) to i tak przewaga benzyny będzie druzgocząca. By uzyskać przyzwoity zasięg potrzeba kilkaset kilogramów akumulatorów. Masę zespołu o pojemności 53 kWh z Tesli Roadster ocenia się na ok. 400 kg. Nie bez powodu większość prototypów to samochody sportowe - akumulatory mogą spokojnie zająć miejsce dużego i ciężkiego silnika tłokowego.

Już ponad sto lat temu znana była oczywista była przewaga charakterystyki silnika elektrycznego (a także parowego w postaci maksymalnego momentu obrotowy osiąganego przy 0 obr./min) nad spalinowym. Poniżej widoczne jest porównanie 292-konnego silnika Tesli Roadster Sport, z 290-konnym 3.0 TFSI Audi.

Widzimy, że nowoczesny doładowany benzyniak może konkurować z elektrycznym odpowiednikiem tylko w zakresie ok. 2000-6500 obr./min.  Silnik elektryczny może pracować od zerowej prędkości obrotowej, co pozwala wyeliminować sprzęgło. Jeśli producent pójdzie na kompromis i zrezygnuje z bardzo wysokiej prędkości maksymalnej lub dynamiki przy małych prędkościach, to silnik taki nie potrzebuje nawet skrzyni biegów.

Dodatkowo jego sprawność w całym zakresie charakterystyki jest wysoka: 80-90 proc., podczas gdy 35-40 proc. (do 45 proc. dla diesla) silnika spalinowego osiągane jest tylko w jednym punkcie. Wynika z tego też druga korzyść: można zamontować duży silnik elektryczny bez obawy o jego sprawność. Chcemy 300 KM, choć na co dzień używamy 30? Czemu nie, spadek zasięgu będzie pomijalnie mały. Zachęcająca jest również masa silnika elektrycznego: w Tesli Roadster ok. 30 kg, podczas gdy jego tłokowy konkurent (V6 TFSI) waży 190 kg.

Tak, ale samego silnika. Trzeba jeszcze uwzględnić falownik zmieniający prąd stały na zmienny potrzebny do zasilania silnika, oraz prostownik robiący odwrotną operację podczas ładowania akumulatorów. Do tego dochodzi opór wewnętrzny akumulatorów obniżający ich sprawność (czyli powodujący nagrzewanie się) podczas ładowania i rozładowywania. Należy też nadmienić, że akumulatory litowo-jonowe nie znoszą wyższych temperatur, które to powodują nasilanie zjawiska samorozładowywania.

Wymarzone warunki dla niego to powolna jazda miejska, korki. Tam zapotrzebowanie na moc jest małe i można wykorzystać rekuperację energii podczas hamowania. Tu możemy się spodziewać zużycia energii rzędu 10-12 kWh na 100 km. Gorzej jest z jazdą pozamiejską, w tym przypadku osiągniemy 16-20 kWh/100 km.

Lepiej nie zapuszczać się na niemieckie autostrady: przy 200 km/h zużycie 50 kWh/100 km nie będzie niczym nadzwyczajnym. Trzeba jeszcze pamiętać o układach dodatkowych: klimatyzacji (nawet kilka kW), wspomaganiu kierownicy (kilkaset W) i hamulców, oświetleniu czy ogrzewaniu w zimie.

Dla entuzjastów CO2 wspomnę, że w polskich warunkach uzyskanie 1 kWh energii elektrycznej wymaga wyemitowania ok. 1 kg CO2 przez elektrownię. Z szybkiej kalkulacji wynika, że wpływ samochodów elektrycznych na emisję tego wspaniałego gazu jest niemal taki sam jak spalinowych (100-200 g/km).

Nie ma ku temu przeszkód - oprócz czasu ładowania. Domowe gniazdka pozwalają pobierać w granicach 3 kW, czyli takiego Nissana Leafa z 24 kWh zespołem akumulatorów można spokojnie "zatankować pod korek" w ciągu jednej nocy. Teslę trzeba będzie zostawić już na weekend.

Warto zauważyć, że w Polsce energia elektryczna sprzedawana jest po niższej cenie w nocy, a w przypadku niektórych taryf także w weekendy. To efekt mniejszego zapotrzebowania na prąd, który i tak musi być produkowany - nie opłaca się wygaszać elektrowni na noc.

Nabywca samochodu elektrycznego powinien:

• posiadać garaż z gniazdkiem na ścianie,
• jeździć głównie po mieście - najlepiej dojeżdżać nim do pracy,
• na trasę mieć lub wynajmować drugi samochód ze silnikiem spalinowym.

Ostatnie twierdzenie próbują podważyć tzw. samochody elektryczne o rozszerzonym zasięgu: Chevrolet Volt, Opel Ampera, Audi A1 E-Tron. Wszystkie z nich są naprawdę hybrydami szeregowymi, gdzie silnik spalinowy tylko napędza generator. Korzystają z tego, że tylko chwilowe zapotrzebowanie na moc jest duże. Wtedy duży silnik elektryczny pobiera prąd zarówno z akumulatora jak i generatora. Podczas ustabilizowanej jazdy pobór energii jest tak mały, że niewielki generator wystarcza zarówno do zasilania silnika jak i ładowania akumulatorów.

Oby nie. I bynajmniej nie piszę tego z uwagi na względy akustyczno-estetyczne. Pamiętajmy, że energia elektryczna jest tania teraz. 5 proc. samochodów elektrycznych nie spowoduje drastycznego wzrostu cen, ale już 50 proc. może być katastrofą. Ktoś będzie musiał ponieść koszty rozbudowy elektrowni i sieci przesyłowych.