O podstawowych cechach konstrukcji pojazdów z napędem elektrycznym, o typach tego napędu oraz o tym, jakie są perspektywy rozwoju tej gałęzi przemysłu motoryzacyjnego pisze prof. dr hab. inż. Marek Brzeżański, dyrektor Instytutu Pojazdów Samochodowych i Silników Spalinowych Politechniki Krakowskiej.

Podstawowe cechy konstrukcji pojazdów z napędem elektrycznym wynikają z ich przeznaczenia.

Autobusy miejskie są dostosowane do obsługi konkretnej trasy. Uwzględnia się tu możliwości ładowania akumulatorów na stacjach końcowych, a system sterowania układem odzysku energii hamowania jest dostosowany do struktury ruchu drogowego, liczby przystanków, skrzyżowań, konfiguracji terenu itp.

Małe auta miejskie mają ograniczony zasięg i skromne wyposażenie, wymagające energii elektrycznej. Najdroższe są oczywiście duże samochody osobowe, które muszą zapewnić wszelkie wygody podróżowania i przyzwoity zasięg. W tej grupie pojazdów są stosowane najdroższe akumulatory i najbardziej zaawansowane systemy sterowania przepływem energii. Z kolei wykorzystanie energii elektrycznej w drogowym transporcie towarowym lub w ciężkich maszynach budowlanych jak dotąd nie jest nawet rozważane.

Obecnie stosuje się różne konfiguracje napędu elektrycznego, różniące się miejscem umieszczenia i liczbą silników i generatorów prądu, rodzajem i pojemnością elektryczną akumulatorów, a przede wszystkim systemem zarządzania energią. Sama konfiguracja systemu sterowania i algorytmy sterujące, pochodzące z różnych firm, są najczęściej objęte klauzulą poufności. Układ napędowy nie jest zbyt złożony, natomiast kluczem do sukcesu jest gospodarka przepływem energii do wszystkich odbiorników i sprawność odzysku energii. Powszechnie stosowane są przemienniki napięcia i częstotliwości (falowniki), pozwalające na znaczące zwiększenie sprawności przesyłu i wykorzystania energii zgromadzonej w akumulatorze.

Największą przeszkodą w rozwoju układów napędu pojazdów elektrycznych jest brak odpowiedniego systemu magazynowania energii elektrycznej w pojeździe, który to system byłby konkurencyjny w stosunku do energii ciekłych paliw węglowodorowych, zgromadzonej w standardowym zbiorniku samochodowym. Stosowane obecnie akumulatory litowo-jonowe lub litowo-polimerowe stwarzają problemy natury geopolitycznej ze względu na lokalizację i tytuły własności złóż litu na świecie. Istotna jest też ograniczona trwałość akumulatorów, mających określoną liczbę procesów ładowania-rozładowania, przy której zachowują swe wyjściowe parametry. Drugą istotną przeszkodą jest długi czas transportu energii elektrycznej do systemu magazynowania w pojeździe podczas ładowania. Według dostępnej wiedzy tzw. szybkie ładowanie znacząco zmniejsza trwałość akumulatorów. Ważną kwestią jest też sporządzenie rzetelnego bilansu energetycznego systemu napędu, w którym uwzględnione są wszelkie nakłady w całym łańcuchu energetycznym, począwszy od źródła pochodzenia prądu elektrycznego aż do napędu kół pojazdu. Każdy etap produkcji i przesyłu jest obarczony wydatkiem energetycznym i określoną sprawnością (np. systemy chłodzenia akumulatorów i systemy ich ładowania).

Ważne jest określenie podstawowego źródła energii elektrycznej, skąd czerpany jest prąd. Jeśli ta energia pochodzi głównie ze spalania nieodnawialnych paliw kopalnych, to efekt dla środowiska jest bardzo wątpliwy. W tym wypadku jedynym uzasadnionym rozwiązaniem jest korzystanie z energii ze źródeł odnawialnych lub z elektrowni atomowych.

Istotne ograniczenia stwarza dostęp do infrastruktury. W małych krajach o dużym stopniu rozwoju gospodarczego (np. Holandia, Belgia) koszt stworzenia odpowiedniej infrastruktury będzie na pewno mniejszy, niż w Kanadzie lub Rosji. Dużym ograniczeniem elektrycznego napędu pojazdu są warunki klimatyczne. Zarówno zbyt ciepły, jak i zbyt zimny klimat nie sprzyjają temu napędowi.

W Polsce dużym ograniczeniem dla rozwoju pojazdów z napędem elektrycznym jest niedostateczna produkcja energii i stan techniczny linii przesyłowych. W tym wypadku nawet argument o nocnym ładowaniu akumulatorów nie jest w stanie się obronić. Ponadto głównym sposobem produkcji energii elektrycznej jest spalanie nieodnawialnych paliw kopalnych (węgiel brunatny i kamienny). Pociąga to za sobą dużą emisję dwutlenku węgla (która jest limitowana) i innych substancji, często toksycznych, np. pyłów przemysłowych, tlenków siarki czy węgla. Polska jest stosunkowo dużym krajem, który nie jest równomiernie rozwinięty gospodarczo na całym obszarze, a to stwarza problemy z budową infrastruktury do obsługi pojazdów elektrycznych. Mocną stroną jest natomiast wykształcona kadra techniczna, która z całą pewnością jest zdolna do opracowania własnych, oryginalnych systemów sterowania, przeznaczonych do pojazdów elektrycznych.

Na wrześniowym XXVII Forum Ekonomicznym w Krynicy-Zdroju było kilka paneli dotyczących tych zagadnień. Rzucone ogólnie hasło, mówiące o milionie samochodów elektrycznych w ciągu kilku najbliższych lat, jest tylko pewnym drogowskazem, w jakim kierunku ma zmierzać gospodarka. Można to trochę porównać (taki jest mój odbiór) do „szklanych domów” z „Przedwiośnia” Żeromskiego.

Przedstawiciele koncernów energetycznych niezbyt chętnie mówili w Krynicy o bieżącej sytuacji na rynku energii elektrycznej, a już całkiem niechętnie o stanie technicznym linii przesyłowych. Deklarowali natomiast, że za parę lat nie będzie z tym żadnych problemów.

W dyskusjach padały ciekawe stwierdzenia – np. jeśli staniemy w kolejce do punktu szybkiego ładowania akumulatorów za dwoma samochodami, to po 9 godzinach będziemy mogli odjechać z naładowanymi akumulatorami (bo pełne naładowanie to ok. 3 godz.). I kolejne intrygujące stwierdzenie: jeżeli w małej miejscowości równocześnie zostanie podłączonych do szybkiego ładowania pięć aut wielkości Tesli, to mogą wystąpić problemy z zasilaniem.

Biorący udział w dyskusji prezesi spółek energetycznych byli raczej dosyć oszczędni w wypowiedziach – owszem, gwarantowali dostawy energii, ale wskazywali na problemy logistyczne z tymi dostawami i z punktami ładowania na parkingach.

Ciekawą koncepcję przedstawiła Toyota, prezentując pojazd napędzany silnikiem elektrycznym, czerpiącym prąd z ogniwa paliwowego (Toyota Mirai, którą miałem okazję prowadzić po drogach w okolicach Krynicy). W tym przypadku ogniwo paliwowe jest zasilane wodorem, którego ilość na pokładzie pojazdu starcza na ok. 700 km. Wodór z kolei może być otrzymywany poprzez gazyfikację węgla w tzw. gaz syntezowy, z którego można odzyskać wodór. Niestety, wraca tu problem emisji dwutlenku węgla. Wodór można też otrzymać z metanolu. Najbardziej wydajną metodą jest elektroliza, która niestety wymaga energii elektrycznej i tu koło sie zamyka, bo sprawność tego procesu nie jest dostatecznie duża.

Polski przemysł chce produkować pojazdy elektryczne. Jako nieliczni w Europie już wytwarzamy w Polsce elektryczne autobusy (Ursus i Solaris), a Ursus przymierza się również do produkcji elektrycznego pojazdu dostawczego.

Dyskusja na krynickim Forum potwierdziła, że musimy być przygotowani do pewnej rewolucji technologicznej w dziedzinie środków transportu, a pojazdy z napędem elektrycznym są tego przykładem.