Eko – mobilność

Jeśli nie silnik spalinowy to jaki?

Od ponad wieku ludzka cywilizacja korzysta z wynalazku zwanego silnikiem spalinowym. Technologia silników spalinowych cały czas jest rozwijana i co roku powstają nowe rozwiązania mające na celu usprawnienie silników poprzez:

 

  • zmniejszenie zużycia paliwa,
  • zwiększenie mocy silnika,
  • zmniejszenie emisji spalin.

 

Pomimo ciągłego rozwoju tego typu napędów inżynierowie nie są w stanie technicznie podwyższyć sprawność silnika spalinowego ani całkowicie wyeliminować emisję spalin. Dodatkowo dalszy rozwój silników powoduje iż są coraz bardziej skomplikowane i drogie w produkcji oraz naprawie. Wydaje się że od kilku dekad życie samochodów spalinowych jest sztucznie podtrzymywane pomimo faktu że istnieją technologie potrzebne do stworzenia nowych układów napędowych, które znacznie przewyższają sprawność i ekologiczność silników spalinowych.

 

Napęd Hybrydowy

Czym jest napęd hybrydowy? To nic innego jak połączenie dwóch rodzajów napędu do poruszania jednego urządzenia czy też pojazdu. Najczęściej napęd hybrydowy to połączenie  silnika elektrycznego i spalinowego. Koncepcja napędu hybrydowego nie jest nowością w świecie techniki i z powodzeniem napęd ten był wykorzystywany w okrętach podwodnych. Jednak do czasów współczesnych nie był wykorzystywany na szeroką skalę. Obecnie na drogach pojawia się wiele aut z napędem hybrydowym. Toyota przoduje w zastosowaniu tej technologii w autach osobowych, jednak również inne marki samochodowe starają się uzupełnić rynek motoryzacyjny swoimi hybrydowymi modelami. Po napęd hybrydowy sięgają również producenci autobusów (Solaris Urbino hybrid) oraz producenci pojazdów specjalistycznych takich jak, śmieciarki.

 

Silniki te mogą pracować:

  • na przemian – podczas ruszania lub w mieście elektryczny, natomiast poza miastem lub gdy potrzebna jest większa moc – załączany jest silnik spalinowy,
  • jednocześnie – silnik elektryczny i spalinowy pracują równocześnie wspomagając się,

 

Ponadto istnieje podział napędów hybrydowych ze względu na sposób pracy układu spalinowo – elektrycznego:

  • hybryda szeregowa – silnik elektryczny jest silnikiem napędowym kół, natomiast silnik spalinowy napędza generator prądu. Ten z kolei dostarcza prąd do silnika elektrycznego lub nadmiar do akumulatora.
  • hybryda równoległa – w typie napędu hybrydowego główną jednostką napędową jest silnik spalinowy a silnik elektryczny wspomaga w większym lub mniejszym stopniu pracę tego pierwszego.
  • hybryda szeregowo – równoległa (hybryda mieszana) – jak sama nazwa wskazuje ten typ hybrydy łączy w jedno wcześniej wymienione rozwiązania. Układ ten składa się przeważnie z silnika spalinowego i dwóch jednostek elektrycznych połączonych przekładnią planetarną. Pierwsza z jednostek elektrycznych, w zależności od aktualnej sytuacji, samodzielnie napędza samochód, wspomaga silnik spalinowy lub odzyskuje energię podczas hamowania. Natomiast druga jednostka elektryczna może bezpośrednio napędzać pierwszą jednostkę elektryczną lub ładować akumulatory. Pełni również funkcję rozrusznika, uruchamiającego silnik spalinowy.

 

Pokrótce i ogólnikowo wyjaśniliśmy czym jest napęd hybrydowy i jakie są jego podziały, warto również wskazać jaki sens ma ich powszechne stosowanie. Sens w sposób oczywisty wynika z zalet napędu hybrydowego:

  • obniżone średnie zużycia paliwa – główny parametr na, który patrzą kierowcy,
  • ekonomiczna jazda po mieście – płynność jazdy, wykorzystanie silnika elektrycznego, ruszanie nie wymaga pracy silnika spalinowego,
  • odzyskiwanie energii i rekuperacja – odzyskiwanie energii z hamowania, obniżone zużycie klocków hamulcowych,
  • ekologia – silniki spalinowe są wykorzystywane w optymalnych warunkach, przez co powodują mniejszą emisję  gazów szkodliwych, mniejszy hałas.

 

Jeśli są zalety to i muszą być też wady:

  • wyższe ceny – auta hybrydowe są nieco droższe od pojazdów z jednostkami spalinowymi tego samego segmentu,
  • mniejszy bagażnik i waga auta – akumulatory są koniecznością i wymagają miejsca,
  • produkcja akumulatorów nie jest ekologiczna – wyprodukowanie i  utylizacja baterii nie jest przyjazna środowisku.

 

Napęd elektryczny

Silnik elektryczny jest niemal tak wiekowy jak silnik spalinowy. Początki wykorzystania silników elektrycznych jako jednostki napędowej samochodów sięgają roku 1881. Jednak pomimo wielu zalet, jego powszechne zastosowanie w przemyśle samochodowym spotkało się z wieloma ograniczeniami, których nie posiadały na ten czas silniki spalinowe. Zwyciężyła kalkulacja ekonomiczna i bardziej praktyczne zastosowanie silnika spalinowego w pojazdach. Silniki elektryczne były raczej stosowane w małych pojazdach lub maszynach specjalistycznych, np. wózki widłowe.

 

Przez dekady projekty zastosowania jednostek elektrycznych w samochodach były spychane na margines. Dopiero powoli podnoszona kwestia emisji spalin w ostatnich dwóch dekadach spowodowała, że przemysł motoryzacyjny chętniej sięga po elektryczne rozwiązania. Impulsem do rozpowszechniania samochodów elektrycznych było pojawienie się pierwszych modeli Tesli, firmy założonej przez Elona Muska. Od tego momentu auta  elektryczne stały się bardziej powszechne i inne marki również rozpoczęły sprzedaż swoich elektrycznych modeli.

 

W odniesieniu do ekologii do głównych zalet należy zaliczyć:

  • bezemisyjność napędu – auto nie emituje spalin, ponieważ paliwem jest energia elektryczna zmagazynowana w bateriach,
  • prostota budowy układu napędowego – ograniczenie ilości części ruchomych to ograniczenie płynów eksploatacyjnych takich jak oleje,
  • ciche działanie napędu – znacznie zmniejszony hałas w stosunku do aut spalinowych,

 

Natomiast do powszechnych wad elektrycznego systemu napędowego w samochodach należy zaliczyć:

  • ograniczony zasięg na jednym ładowaniu – w porównaniu do aut tradycyjnych, elektryczne mają niewielki zasięg, który jest ograniczony pojemnością zamontowanej baterii. Dodatkowo takie udogodnienia jak klimatyzacja, podgrzewane fotele zwiększają zużycie energii zmniejszając tym samym zasięg,
  • czas ładowania – niestety czas ładowania liczony jest w dziesiątkach minut jak nie godzin. Ponadto mała ilość dostępnych stacji szybkiego ładowania, w niektórych krajach wymusza na posiadaczach aut elektrycznych planowanie podróży – uwzględnienie czasu ładowania,
  • cena – kupno auta z silnikiem elektrycznym wiąże się z dużym wydatkiem, nie każdego szarego zjadacza chleba stać na taki samochód,
  • produkcja i utylizacja baterii – pomimo znacznego rozwoju technologii magazynowania energii, produkcja baterii to około 30% kosztów całego auta. Produkcja i utylizacja zużytych baterii nie jest ekologiczna.
  • waga pojazdu – obecnie stosowana technologia magazynowania energii powoduje że baterie są duże i ciężkie, więc im większy zasięg samochodu tym przeważnie większy cieżar.

 

Napęd wodorowy

Istotą napędu jest reakcja wiązania wodoru i tlenu w cząsteczki wody, podczas której wytwarzana jest energia elektryczna. Reakcja taka zachodzi w tzw. ogniwie paliwowym (ang. fuel cell), wodór pobierany jest z zbiornika natomiast tlen uzyskuje się z powietrza. Wytworzona energia jest dalej przekazywana do akumulatorów i silnika elektrycznego. Efektem pracy takiego układu oprócz energii elektrycznej jest woda, która jest wyprowadzana na zewnątrz pojazdu.

 

Jak działa wodorowy pojazd – warto obejrzeć film.

 

W latach 60 prowadzono pierwsze testy z napędem wodorowym, bardziej jako ciekawostkę niż jako zastosowanie w masowej produkcji. Układ wodorowy zajmował wtedy niemal całą furgonetkę. Rozwój technologii oraz materiałów i miniaturyzacji pozwolił na rozwiązanie wielu problemów technicznych takiego układu. Między innymi rozwiązano kwestię bezpiecznego przechowywania wodoru. Pojazd wodorowy dzieli podobieństwa z pojazdami elektrycznymi – posiadają silnik elektryczny, napędzający samochód. Częścią układu jest akumulator, choć w przypadku aut wodorowych jest on znacznie mniejszej pojemności ale na tym podobieństwa się kończą. Pojazdy wodorowe nie wymagają ładowania, tankuje się je podobnie jak samochody spalinowe czy te na gaz – czas tankowania to około 3 minut.  Tak więc zaletami tego rozwiązania są:

  • brak emisji spalin – produktem ubocznym jest woda,
  • duży zasięg  pojazdów mieszczący się pośrodku zasięgów samochodów spalinowych i elektrycznych,
  • zmniejszona waga ze względu na mniejsze akumulatory,
  • brak hałasu – napęd elektryczny,
  • czas tankowania – około 3 minuty,

 

Choć jest to technologia, która dopiero jest wprowadzana do motoryzacji jako praktyczne zastosowanie to podejmowane są próby i testy wykorzystania napędu wodorowego w lokomotywach, ciężarówkach, czy wózka widłowych. Technologia wodorowa również wkracza w przemysł lotniczy.

 

Na praktyczne i powszechne zastosowanie takich układów ma ujemny wpływ słabo rozwinięta infrastruktura stacji tankowania wodoru. Nie w każdym kraju istnieją takie stacje a jeśli są, to ich liczba jest ograniczona.

 

Który napęd jest przyszłością?

Układ hybrydowy  wydaje się być półśrodkiem w dążeniu do ekologii i ograniczania emisji spalin. Owszem ograniczono emisję zanieczyszczeń, ograniczono hałas i lepiej się wykorzystuje  optymalny zakres pracy silnika spalinowego ale nadal wykorzystywany jest silnik spalinowy a przemysł naftowy pracuje pełną parą żeby zaspokoić popyt na paliwa.

 

Niewiele marek samochodowych zechciało podjąć wyzwanie i praktycznie zastosować technologię hybrydową, tutaj pierwsze skrzypce gra Toyota ale mimo to, takie rozwiązania powinny pojawić się co najmniej dekadę wcześniej. Byłby to impuls dla innych koncernów do wzmożonej pracy nad innymi bardziej ekologicznymi technologiami niż stałe rozwijanie i komplikowanie konstrukcji silników spalinowych. Od paru lat dopiero widać jak inne marki starają się wejść na półkę eko-mobilności, gdzie Toyota czy Leksus już sobie świetnie radzą.

 

Kolejnym impulsem eko-mobilności dla świata motoryzacji było pojawienie modeli spod znaku Tesli. Spowodowało to pojawienie się w niedługim czasie, modeli elektrycznych innych marek. W pełni elektryczne samochody, bez emisyjne i nowoczesne. Jedynym ograniczeniem jest czas ładowania akumulatorów i zasięg na jednym ładowaniu. Czas potrzebny do naładowania auta zależy od tego czy korzystamy ze zwykłego gniazdka, czy urządzeń wspomagających jak superchargery. Zdaje się, że w przypadku aut elektrycznych, można mówić o ekologii w sytuacji gdy energia elektryczna pochodzi ze źródeł energii odnawialnej. Mówimy tu o energii pozyskiwanej z:

  • ruchu wody,
  • paneli fotowoltaicznych – energia słoneczna,
  • wiejących wiatrów – elektrownie wiatrowe.

 

Tak więc jeśli mamy przydomową wytwórnie energii elektrycznej np. instalacja fotowoltaiczna, to posiadanie auta elektrycznego jest uzasadnione. Jeśli ładujemy auto energią pochodzącą z elektrowni paliw kopalnych, trudno tu mówić o 100% ekologii.

 

Tu dochodzimy do napędu wodorowego, który powoli zyskuje na popularności, ponieważ eliminuje wady poprzednich rozwiązań. Pojazd wyposażony w układ wodorowy ma zwiększony zasięg w stosunku do aut elektrycznych, ponadto nie trzeba go ładować a jedynie zatankować wodorem (w podobnym czasie jak samochód spalinowy). Nie emituje spalin a produktem ubocznym pracy układu jest woda. Obecnie technologia wykorzystania wodoru jako paliwa jest testowana w transporcie masowym – kolejowym, lotniczym i lądowym a także w transporcie wodnym. Zasadniczym problemem do rozwiązania jest zastąpienie bieżących nośników energii wodorem. Aby tak się stało należy rozwinąć technologie taniej, wydajnej i szybkiej produkcji wodoru. Tu można wyróżnić kilka dróg produkcji:

  • proces reformingu benzyny,
  • reforming metanu parą wodną,
  • elektroliza wody,
  • metody biologiczne,
  • metoda Habera-Boscha.

 

Oprócz tego należy rozwinąć infrastrukturę stacji tankowania i transportu wodoru –  kraj kwitnącej wiśnie przoduje w tej dziedzinie. Owszem to dopiero początki, wiele trudności oraz przeszkód czeka na rozwiązanie, jednak ta technologia ma przed sobą przyszłość. Pozwoli krajom na uniezależnienie się od importu paliw, ponieważ każdy kraj może produkować wodór niezależnie od posiadanych złóż czy surowców. Ponadto powszechne zastosowanie w pojazdach znacznie obniży światową emisję spalin i wykorzystanie paliw kopalnych.

 


Opublikowano:

Mentax na Facebook'u