Trwająca od ostatnich dekad XIX stulecia era „spalinowej motoryzacji” zdaje się dobiegać końca. Silniki benzynowe, a zwłaszcza wysokoprężne, są w wyraźnym odwrocie. Jaka zatem będzie bliska przyszłość samochodów? W rozważaniach na łamach magazynu „ELIT News” odwołujemy się do wiedzy i doświadczeń ze świata nauki, a naszym przewodnikiem jest prof. dr hab. inż. Marek Brzeżański, kierownik Katedry Pojazdów Samochodowych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej.

Prof. dr hab. inż. Marek Brzeżański, kierownik Katedry Pojazdów Samochodowych na Wydziale Mechanicznym Politechniki Krakowskiej.

Z dzisiejszej perspektywy można nabrać przekonania, że główną drogą rozwoju jest elektromobilność promowana jako motoryzacja „zeroemisyjna”. Pojazdy elektryczne – w porównaniu z konwencjonalnymi samochodami o napędzie spalinowym – mają znacznie prostszą konstrukcję, bo m.in. zastosowanie silników elektrycznych eliminuje korzystanie z układu przeniesienia napędu ze sprzęgłem, skrzynią biegów i mechanizmem różnicowym. Bardziej rozbudowana jest za to elektronika.

Czy rzeczywiście napęd elektryczny nie powoduje emisji szkodliwych związków? „Zeroemisyjność” to złudzenie, pewna marketingowa sztuczka – wszak wytwarzanie elektryczności jest obarczone wyraźnym śladem węglowym. Bardzo mało jest takich krajów, jak Norwegia, gdzie szeroko dostępna jest rzeczywiście „czysta” energia z hydroelektrowni. Odnawialne źródła energii w ogromnej większości krajów nie są w stanie sprostać obecnemu popytowi na energię elektryczną – a przecież pewne ośrodki decyzyjne i instytucje międzynarodowe domagają się, by niemal skokowo, prawie z roku na rok wyeliminować pojazdy z silnikami spalinowymi i zastąpić je samochodami elektrycznymi. Skąd zatem czerpać energię do ich napędzania?
Główna idea elektromobilności polega na korzystaniu z odnawialnych źródeł energii oraz jej przetwarzaniu w środkach transportu w sposób neutralny dla środowiska, głównie w aspekcie emisji gazów cieplarnianych oraz toksycznych składników spalin. To zadanie może się udać tylko wtedy, gdy cały łańcuch przemian energetycznych nie powoduje emisji tych substancji do atmosfery. Niestety jeszcze nigdzie na świecie nie udało się osiągnąć wymienionych celów, a zawsze pewna część energii pochodzi z systemów opartych na spalaniu paliw kopalnych i emitujących CO2 do atmosfery. W Polsce udział odnawialnej energii wynosi dopiero ok. 30%, natomiast pozostała część pochodzi głównie ze spalania paliw kopalnych. W tej sytuacji jedyną korzyścią płynącą z wprowadzenia elektrycznego napędu pojazdów jest niewielkie, lokalne zmniejszenie emisji CO2 oraz substancji toksycznych emitowanych przez standardowe pojazdy wyposażone w silniki cieplne. Co prawda istnieją nieliczne kraje na świecie, w których udział energii odnawialnej jest większy niż 50%, lecz rozwijająca się tam elektromobilność generuje z kolei problemy z energetycznymi liniami przesyłowymi i infrastrukturą do ładowania baterii elektrycznych.

Jakie kłopoty wynikają z konieczności stosowania akumulatorów – w kontekście pozyskiwania surowców do ich produkcji, a także w odniesieniu do skutecznej utylizacji zużytych ogniw?
Do produkcji nowoczesnych baterii trakcyjnych wymagane są surowce takie jak np. kobalt lub lit, które nie są powszechnie dostępne. W związku z tym na rynku tych surowców rodzą się nowe problemy natury geopolitycznej, podobne do problemów istniejących na rynku naftowym. Produkcja baterii skupia się obecnie tylko w kilku światowych koncernach, co w przyszłości może też stwarzać ograniczenia rozwojowe. Na obecnym etapie rozwoju elektromobilności nie zostały jeszcze rozwiązane zagadnienia utylizacji zużytych baterii, bardzo ważne z punktu widzenia rozwoju tego segmentu transportu.

W najbardziej rozwiniętych krajach są stosowane pewne zabiegi fiskalne, aby rynkowe ceny samochodów elektrycznych zbliżyć do cen aut z konwencjonalnym napędem spalinowym…
Generalnie, na obecnym etapie rozwoju, pojazdy z elektrycznym układem napędowym są droższe o ok. 30% w stosunku do standardowych pojazdów podobnej klasy. Wynika to głównie z cen rynkowych baterii elektrycznych, a także z nakładów inwestycyjnych poniesionych na konstrukcję nowych platform dla tych pojazdów. W wielu krajach są stosowane różnego typu zachęty natury zarówno finansowej, jak i logistycznej (np. możliwość poruszania się w wydzielonych strefach komunikacyjnych), aby zwiększyć popyt na pojazdy z elektrycznym układem napędowym. Jest to obecnie konieczne, ponieważ ich zbyt ogranicza nie tylko wyższa cena tych pojazdów, ale także trudności eksploatacyjne spowodowane niedostatecznym rozwojem infrastruktury ładowania i obsługi. Z czasem należy liczyć na zmniejszenie kosztów produkcji, co będzie skutkować brakiem jakichkolwiek form instytucjonalnego wsparcia, ponieważ regulacje prawne ograniczą popyt na innego typu pojazdy, które teraz stanowią bardzo konkurencyjną alternatywę.

Na czym polegają inne ograniczenia samochodów elektrycznych w kontekście ich walorów użytkowych?
Pojazdy z elektrycznym układem napędowym sprzyjają lokalnemu zmniejszeniu emisji CO2 i w związku z tym powinny one zająć głównie sektor samochodów miejskich. Na obecnym etapie rozwoju konstrukcji baterii trakcyjnych gęstość zmagazynowanej w nich energii nie gwarantuje zasięgu oczekiwanego od samochodów osobowych w ruchu międzymiastowym, a tym bardziej dla różnego typu pojazdów użytkowych lub maszyn budowlanych. Pojazdy z elektrycznym układem napędowym stanowią teraz interesującą ofertę dla zamożniejszych nabywców. Z jednej strony jest to związane z wyższym kosztem zakupu, a z drugiej z ograniczonym dostępem do infrastruktury ładowania baterii elektrycznych pojazdu. W krajach o najlepiej rozwiniętej elektromobilności (np. Norwegia, Holandia, a w USA Kalifornia) większość nabywców dysponuje własnym systemem ładowania, zainstalowanym w miejscu zamieszkania. W społeczeństwie, w którym większość mieszkańców zamieszkuje wielorodzinne budynki w zwartej zabudowie, już teraz występują problemy zarówno z podażą energii elektrycznej – ze względu na ograniczenia przesyłowe, jak i z dostępnością do otwartej infrastruktury ładowania baterii.

Rzeczywistym paliwem przyszłości jest wodór – gaz, który może napędzać pojazdy na dwa sposoby.
W przejściowym etapie transformacji energetycznej korzystną metodą zmniejszenia oddziaływania transportu na środowisko może stać się korzystanie z nowego typu paliw o niższym (w stosunku do paliw ropopochodnych) udziale węgla. W ten sposób można znacząco zmniejszyć emisję CO2. Jednym z takich paliw jest np. gaz ziemny, którego główny składnik, jakim jest metan CH4, ma istotnie mniejszy udział węgla w stosunku do standardowych paliw. Ale najkorzystniejszy pod tym względem jest wodór, którego spalanie w silniku tłokowym lub w turbinie spalinowej teoretycznie powoduje wydalanie wyłącznie wody. W praktyce w spalinach pojawiają się śladowo tlenki azotu NOx, co wynika z wysokiej temperatury procesu, a także, również śladowo, węglowodory HC pochodzące ze spalanego oleju smarującego. Do silników tłokowych nie musi być stosowany wodór o dużej czystości i może on pochodzić np. z krajowych zasobów, gdzie jest produkowany z węgla kamiennego (tzw. wodór szary) lub z gazu ziemnego (tzw. wodór niebieski). Oczywiście docelowo silniki tłokowe powinny być zasilane tzw. wodorem zielonym, uzyskiwanym z odnawialnych źródeł energii.
Docelowym zastosowaniem wodoru w transporcie będzie zasilanie wodorowych ogniw paliwowych stanowiących rodzaj pokładowego generatora prądu elektrycznego. W tym systemie występują wszystkie zalety elektrycznego układu napędowego, łącznie z możliwością odzysku energii hamowania, a zarazem nie występują takie ograniczenia zasięgu pojazdu, jak w pojazdach zasilanych z baterii elektrycznych. Zasięg zależy od wielkości zbiornika wodoru, natomiast czas procesu jego napełniania jest porównywalny z czasem tankowania standardowych pojazdów. Oczywistym założeniem jest tu korzystanie z tzw. wodoru zielonego, uzyskiwanego z odnawialnych źródeł energii, dzięki czemu ten system napędowy może być uznany za neutralny dla środowiska. Taki system napędowy może być stosowany we wszystkich rodzajach pojazdów, ze wskazaniem na większe pojazdy osobowe, terenowe, a także jest właściwą jednostką napędową dla dużych pojazdów użytkowych, autobusów oraz pojazdów szynowych i maszyn budowlanych.

Jakie perspektywy są przed przemysłem rafineryjnym? Czy paliwa alternatywne oznaczają jego zagładę, a przynajmniej radykalną redukcję?
Obecnie przemysł petrochemiczny generuje największe zyski z przetwórstwa ropy naftowej na różnego typu paliwa, natomiast innym ważnym sektorem jest produkcja tworzyw sztucznych. Oczywiście po wprowadzeniu powszechnej elektromobilności w transporcie zmieni się struktura produkcji, ale jest to proces długofalowy. Aktualnie nie istnieją alternatywne systemy napędowe w transportach morskim i lotniczym, jak również w ciężkim transporcie drogowym i w sektorze maszyn budowlanych, a to właśnie te sektory transportu zużywają największą ilość paliwa. Przemysł petrochemiczny ulega ciągłej transformacji i być może już niedługo stanie się głównym dostawcą wodoru wykorzystywanego w transporcie. Także powiązana z przemysłem petrochemicznym sieć dystrybucji paliw już teraz jest wzbogacana o punkty tankowania różnych paliw gazowych, w tym gazu ziemnego i wodoru, a także rozwija punkty ładowania baterii trakcyjnych w pojazdach z napędem elektrycznym.

Za jakimi rozwiązaniami przemawia porównanie sprawności silników spalinowych zasilanych paliwami węglowodorowymi, silników elektrycznych, wodorowych silników spalinowych oraz ogniw paliwowych?
Dla inżyniera branży samochodowej pojęcie sprawności danego urządzenia oznacza analizę całego łańcucha przemian energetycznych, który zaczyna się od pozyskania surowca energetycznego, a kończy na energii napędzającej koła jezdne pojazdu. W przypadku standardowych pojazdów napędzanych silnikami spalinowymi oznacza to energię potrzebną do wydobycia i transportu ropy naftowej, jej przeróbki w rafinerii oraz końcowego przetwarzania w silniku ze średnią sprawnością rzędu 30%. W przypadku pojazdów napędzanych energią elektryczną należy poddać analizie cały łańcuch przemian energetycznych niezbędnych do wytwarzania prądu elektrycznego. Jak wykazały wstępne analizy, w przypadku produkcji prądu elektrycznego w elektrowniach węglowych sprawność napędu pojazdu elektrycznego jest mniejsza w stosunku do sprawności przemian energetycznych w standardowych pojazdach korzystających z ciekłych paliw ropopochodnych. Sytuacja jest znacząco korzystniejsza dla pojazdów, które są zasilane energią elektryczną pochodzącą z odnawialnych źródeł energii (np. fotowoltaika, energia wiatrowa, hydroelektrownie). Podobnie przedstawia się sprawność przetwarzania energii dla pojazdów zasilanych wodorem, gdzie kluczowe znaczenie ma sposób pozyskiwania wodoru, natomiast sprawność przetwarzania wodoru na prąd elektryczny w ogniwach paliwowych osiąga wartość powyżej 50%.

Jaki jest polski dorobek naukowy w dziedzinie silników zasilanych wodorem?
Pierwsze prace dotyczące zasilania silników tłokowych wodorem były prowadzone na Politechnice Krakowskiej w latach 80. XX wieku w zespole kierowanym przez prof. Czesława Kordzińskiego. Katedra Pojazdów Samochodowych Politechniki Krakowskiej dysponuje samodzielnie opracowanym, nowoczesnym systemem wtryskowego zasilania wodorem tłokowych silników spalinowych. Ten system został praktycznie zweryfikowany podczas realizacji projektu „Wykorzystanie odpadowego wodoru do celów energetycznych” w latach 2012–2018. W ramach projektu opracowano i wykonano siłownię o mocy nominalnej ok. 1 MW zasilanej odpadowym wodorem z przemysłu chemicznego. Siłownia składała się z trzech maszyn tłokowych o mocy 2 x 400 kW i 1 x 200 kW, wyposażonych w elektronicznie sterowany system wtryskowego zasilania wodorem, układ identyfikujący jakość zasilającego wodoru oraz system zdalnego sterowania i kontroli pracy silników. W obecnej formie nadaje się on do szybkiego wdrożenia np. w silnikach lokomotyw spalinowych, a po wykonaniu niezbędnych modyfikacji – do zasilania wodorem tłokowych silników autobusowych. Parametry ekologiczne tłokowych silników zasilanych wodorem są o wiele lepsze niż silników zasilanych innymi paliwami.

W Katedrze Pojazdów Samochodowych Politechniki Krakowskiej prowadzone są także, wspólnie z firmą Toyota Motor Poland, badania pojazdów napędzanych wodorowymi ogniwami paliwowymi.

Rozmawiał: Grzegorz Chmielewski