Napęd elektryczny jest stosowany w transporcie od dziesięcioleci. W tym czasie osiągnięto bardzo wiele w zakresie sprawności, mocy, niezawodności i miniaturyzacji silników elektrycznych. To nie one są jednak prawdziwym wyzwaniem dla inżynierów projektujących współczesne samochody elektryczne. Dysponujemy sprawdzonymi technologiami wytwarzania silników elektrycznych w niemal każdym rozmiarze, o niemal dowolnej charakterystyce użytkowej, a układy sterowania zapewniają regulację prędkości obrotowej i momentu obrotowego w bardzo szerokim zakresie, przy zachowaniu rozsądnej sprawności energetycznej.
Przyjrzyjmy się zatem, jak ewoluował napęd elektryczny na przestrzeni dziejów techniki motoryzacyjnej.
Historia samochodów elektrycznych
Zaczęło się bardzo wcześnie – nawet jak na historię motoryzacji w ogóle. Gdzieś między rokiem 1832 a 1839 w Szkocji powstał pierwszy powóz napędzany silnikiem elektrycznym. Jego konstruktorem i właścicielem był Robert Anderson, zaś sam pojazd był wyłącznie ciekawostką. Zasilano go z baterii, których w tamtym czasie nie można było ładować. Wytwarzanie baterii jednorazowego użytku było drogie, więc koszt eksploatacji pojazdu byłby bardzo duży. W 1837 roku w Aberdeen Robert Davidson zbudował prototyp lokomotywy elektrycznej, której udoskonalona wersja, zademonstrowana w 1841 roku, mogła przetransportować ładunek o masie 6 ton na odległość 1,5 mili z prędkością 4 mil na godzinę.
Akumulatory pojawiły się około roku 1859 i szybko wzbudziły zainteresowanie konstruktorów pojazdów. William Morrison, amerykański chemik szkockiego pochodzenia, podczas miejskiej parady w 1888 roku zademonstrował pojazd zasilany z 24 akumulatorów, wyposażony w napęd na przednią oś i osiągający prędkość 20 mil na godzinę. Silnik tego pojazdu miał moc 4 koni mechanicznych, a akumulator trzeba było ładować po przejechaniu 50 mil. Być może nie robi to na nas dzisiaj wielkiego wrażenia, ale musimy pamiętać, że był to koniec XIX wieku (Henry Ford miał wtedy 25 lat, a swój pierwszy jednocylindrowy silnik spalania wewnętrznego skonstruował w 1893 roku).
W 1896 roku pojazdy elektryczne o nazwie Electrobat wygrały serię wyścigów na dystansie 5 mil z automobilami napędzanymi silnikami spalinowymi. To były naprawdę obiecujące początki, które miały swoją sportową kontynuację. W 1899 roku Belg Camille Jenatzy, właściciel zlokalizowanego pod Paryżem zakładu produkującego pojazdy elektryczne, przekroczył prędkość 100 km/h pojazdem własnej konstrukcji, napędzanym dwoma silnikami elektrycznymi o mocy 25 kW, zasilanymi z akumulatorów o napięciu 200 V. Każdy z tych silników pobierał podczas jazdy prąd o natężeniu 124 amperów.
Kiedy 6 września 1901 roku w zamachu został postrzelony prezydent USA William McKinley, do szpitala transportowano go ambulansem z napędem elektrycznym. McKinley przeżył postrzał, ale zmarł w wyniku gangreny, która wdała się w ranę.
W 1923 roku w Detroit w USA wyprodukowano samochód Detroit Electric, który mógł osiągnąć prędkość 25 mil na godzinę. Dystans, jaki ten samochód mógł pokonać pomiędzy ładowaniami, wynosił 80 mil.
Powolny rozwój napędów elektrycznych
Przewaga samochodów z napędem spalinowym ugruntowała się w okresie II wojny światowej. Być może miało to związek z intensywnym rozwojem technologii silników spalinowych na potrzeby wojska. Korzystały z nich wszystkie rodzaje broni, podczas gdy silniki elektryczne stosowano niemal wyłącznie w okrętach podwodnych. Równolegle rósł przemysł petrochemiczny, w którego interesie leżało utrzymanie na wysokim poziomie sprzedaży paliw pochodzących z ropy naftowej.
Zapewne przesadą byłoby obwinianie o opóźnienie rozwoju samochodów elektrycznych bliżej nieokreślonych spisków przedsiębiorców, ale faktem jest, że w porównaniu ze spalinową konkurencją badania i prace rozwojowe w sektorze elektrycznym były bardzo niedoinwestowane. Owszem, produkowano pojazdy z napędem elektrycznym, ale miały one znaczenie ledwie pomocnicze. Były to niewielkie pojazdy dostawcze (np. wykorzystywane do rozwożenia mleka w Wielkiej Brytanii), wózki transportowe (towarowe i osobowe) i widłowe. Od czasu do czasu pojawiały się próby wykonania udanego pojazdu demonstracyjnego, ale wysoki koszt produkcji i relatywnie krótki zasięg nie zachęcały potencjalnych klientów.
A jednak elektryczne
Powrót do pomysłu budowy samochodów osobowych o napędzie elektrycznym nastąpił w latach 90. XX wieku. Prace, które go umożliwiły, dotyczyły przede wszystkim akumulatorów. Oprócz znanych od dawna ciężkich akumulatorów kwasowo-ołowiowych i bardzo niedoskonałych kadmowo-niklowych zaczęły się pojawiać nowe konstrukcje wykorzystujące m.in. związki litu. To one pomogły w rozwoju telefonii komórkowej oraz upowszechnieniu przenośnych urządzeń elektronicznych (laptopów, tabletów itp.).
Silniki elektryczne w niezliczonej liczbie typów, odmian i wariantów produkowano od dawna. I kiedy w końcu pojawiła się szansa zasilania ich z przyzwoitych akumulatorów, zaczęto ją wykorzystywać (początkowo tylko do badań, ale stosunkowo szybko pojawiły się pierwsze konstrukcje nadające się do produkcji na dużą skalę).
Konstruowanie i eksploatacja samochodów elektrycznych
Nowoczesne silniki sprawdzają się w zastosowaniach stacjonarnych i mobilnych. Najlepszym poligonem doświadczalnym jest dla nich transport szynowy: kolej, tramwaje, metro, ale także trolejbusy. Zauważmy, że opracowanie silników dla samochodów elektrycznych i hybrydowych (ale także rowerów, skuterów czy hulajnóg) nie wymagało prowadzenia intensywnych badań trwających dziesięciolecia. Bazowano na sprawdzonych konstrukcjach, modyfikując je tak, żeby masa, moc i wymiary silnika pasowały do założeń konstruktorów.
Istotą problemu z konstruowaniem i eksploatacją samochodów elektrycznych jest dostarczanie energii elektrycznej do poruszającego się pojazdu. Problem, który w transporcie rozwiązuje elektryczna sieć trakcyjna, w samochodach przez lata był nie do pokonania. Istotą tego problemu jest trudność w znalezieniu wystarczająco pojemnych, bezpiecznych i małych (lekkich) urządzeń do magazynowania energii elektrycznej. Bez nich zasięg samochodu elektrycznego jest zbyt mały, żeby zadowolić klientów, którzy chcą tzw. elektrykiem poruszać się równie swobodnie jak pojazdem z napędem spalinowym.
Postulowano wiele rozwiązań tego problemu: częściowe ograniczenie swobody przez wyznaczenie dróg wyposażonych w system do indukcyjnego (bezprzewodowego) ładowania akumulatorów samochodu elektrycznego w ruchu, kolejne, coraz doskonalsze i cięższe ogniwa o dużej pojemności itp. Lekarstwem na umiarkowaną pojemność mają być szybkie ładowarki i powszechna dostępność punktów ładowania.
Być może okaże się, że wykorzystanie znanych obecnie sposobów akumulowania energii elektrycznej nie sprosta przyszłym wymaganiom – przede wszystkim dlatego, że ich produkcja i utylizacja są kosztowne, szkodliwe dla środowiska, energochłonne i wymagają użycia metali ziem rzadkich. Problemy z akumulatorami wynikają z niekorzystnej proporcji masy do pojemności elektrycznej, wysokiej ceny oraz zagrożenia, jakie te urządzenia stwarzają podczas kolizji i wypadków. Technicznie rzecz biorąc, można wyprodukować akumulator o pojemności wystarczającej do zasilania samochodu na dystansie ponad 1000 km, ale będzie on zbyt ciężki dla typowego samochodu osobowego.
Nie bez przyczyny jako pierwsze rozpowszechniły się autobusy miejskie napędzane silnikami elektrycznymi. Z jednej strony konstrukcyjnie są one dostosowane do przewożenia znacznych mas i można w nich zamontować zestawy akumulatorów o łącznej masie kilku ton, z drugiej jednak strony normalny cykl jazdy miejskiej umożliwia stosunkowo częste doładowywanie na przystankach końcowych. W tym przypadku można też skutecznie wykorzystywać rekuperację, czyli odzyskiwanie energii podczas hamowania w ruchu miejskim.
Wodór
Znaną już dzisiaj alternatywą dla akumulatorów są ogniwa paliwowe wykorzystujące wodór do wytwarzania energii elektrycznej. Wodór jest powszechnie dostępnym pierwiastkiem, jednak sprawia sporo problemów podczas przechowywania. Wbrew pozorom nie chodzi o zagrożenie wybuchem (wodór zmieszany z tlenem atmosferycznym w stosunku 2:1 tworzy mieszaninę piorunującą wykorzystywaną w silnikach statków kosmicznych; to paliwo doskonale ekologiczne, ponieważ w wyniku spalania daje czystą wodę). Najwięcej kłopotów sprawia uszczelnienie instalacji do produkcji, przechowywania i tankowania wodoru tak, by zapobiegać stratom.
Istnieją dwa sposoby przechowywania wodoru. Pierwszy polega na sprężeniu gazu do ciśnienia około 100 atmosfer i wymaga zastosowania butli o odpowiedniej konstrukcji: bardzo wytrzymałych i dotychczas produkowanych ze stali, a więc ciężkich. Wiele zmieni użycie kompozytów tworzyw sztucznych, chociaż tutaj na przeszkodzie stoi ich porowatość. Atomy wodoru są najmniejsze spośród wszystkich pierwiastków, a pod dużym ciśnieniem potrafią pokonywać bariery z materiałów o porowatości tak małej, że zatrzymują powietrze. Z przechowywaniem wodoru pod wysokim ciśnieniem wiąże się też kwestia sprężania. Kompresory są energochłonne, co podnosi koszty tankowania i komplikuje całą procedurę.
Alternatywą jest metoda kriogeniczna. Po schłodzeniu do temperatury -253°C wodór skrapla się i można go wówczas przechowywać jako ciecz w naczyniach Dewara, czyli dużych, wytrzymałych termosach. W tym przypadku problem polega na tym, że nie mogą one być całkowicie szczelne. Wodór musi parować, więc metoda kriogeniczna oznacza utratę gazu; poza tym byłaby ona technicznie trudna do wykorzystania w lekkich i niewielkich pojazdach.
Istnieją pomysły przechowywania wodoru w postaci związanej z innym pierwiastkiem w taki sposób, aby uwalniał się on podczas jazdy w wyniku reakcji chemicznej, ale dotychczas nie wykorzystano tej metody w dużej skali.
W istniejących pojazdach zasilanych wodorem wykorzystuje się wyłącznie butle do przechowywania wodoru pod wysokim ciśnieniem. Z myślą o nich powstaje sieć punktów tankowania, zatem będą one pierwszym powszechnie stosowanym sposobem przechowywania paliwa wodorowego na dużą skalę.
Piotr Kołaczek