Koniec jednego, początkiem drugiego – o alternatywnych źródłach energii

Paweł Śnigurski, Magazyn Fleet

W tej ewolucyjnej podróży nieodłącznym elementem był rozwój środków komunikacji. Zaczynając od konnych powozów, następnie przebijając się przez kłęby wydostające się z silników parowych – pary właśnie – docieramy do wynalezienia silnika elektrycznego i spalinowego. To, że energię mięśni zastąpimy energią uzyskaną z innego źródła, było pewne. Natomiast nie do końca pewne było to, które pierwiastki i w jakiej postaci będą naszym główmy paliwem. Paliwa ropopochodne, czyli popularna benzyna i olej napędowy, prowadziły monopol na napędzanie silników spalinowych przez niemal ostatnie sto lat. Jednak konstrukcje pojazdów silnikowych, które powstały w XIX wieku, pokazują, że ich budowniczowie kreatywnie podchodzili do kwestii, czym owe pojazdy mają być zasilane. Do początku XX wieku powstało wiele konstrukcji o napędzie elektrycznym – pojazd Jedlika z 1828 roku, pojazd Davenporta z 1834 czy pojazd Stratingha i Beckera z 1835 roku. Dopiero pod koniec XIX wieku coraz większą rolę w zasilaniu pionierskich konstrukcji zaczęła odgrywać benzyna.

Para, prąd i benzyna

W roku 1885 słynny Karl Benz zbudował swój trójkołowy pojazd zasilany właśnie benzyną. Protoplasta dzisiejszych samochodów miał jednocylindrowy, dwusuwowy silnik o mocy 0,75 KM. W roku 1900 w Stanach Zjednoczonych tylko 22% wszystkich pojazdów silnikowych zasilanych było benzyną. Drugie miejsce przypadało napędom elektrycznym – 38%. Natomiast prym wiodły silniki parowe – 40%. Niemniej jednak wraz z początkiem pierwszych dekad XX wieku silniki spalinowe zasilane benzyną zaczęły zdobywać coraz większy udział w rynku. Nie oznacza to, że kreatywność konstruktorów skupiła się tylko na tym jednym rodzaju paliwa. W 1908 roku sławetny Ford Model T mógł być zasilany benzyną, etanolem lub naftą. Mimo upływu kolejnych dziesięcioleci i rosnącej popularności benzyny, wciąż pojawiały się nowe pomysły zasilania silników. Czasami były one podyktowane sytuacją polityczną, czasami innowacyjnością samego konstruktora, a czasami świadomością tego, że ziemia ma ograniczone zasoby naturalne.

Decyzje polityczne a rodzaj paliwa

USA w latach 30. XX wieku borykało się z 25-proc. bezrobociem. Po czarnym czwartku na nowojorskiej Giełdzie Papierów Wartościowych rząd przygotował szereg ustaw mających poprawić ten stan rzeczy. Zaczęto skupiać się na biopaliwach, czego wynikiem było stworzenie paliwa zwanego agrol. Składało się ono w 90% z benzyny oraz 10% etanolu, który był pozyskiwany z roślin: pszenicy, kukurydzy czy trzciny cukrowej. Miało to spowodować wzrost zatrudnienia w gospodarstwach rolnych i w efekcie pobudzenie gospodarki. Jednak szybko o swoje upomnieli się naftowi potentaci, którzy utracili 10% swoich udziałów w benzynie na rzecz plantatorów. Na to wszystko nałożyła się jeszcze prohibicja oraz kampania na rzecz jej zakończenia. Pamiętajmy, że etanol jest alkoholem, służącym także do celów spożywczych. Nie wszystkim rządzącym było na rękę, aby zużywać etanol do produkcji paliwa, mając potężne pokłady roponośne.
Agrol można było tankować na ok. 2000 stacji w Stanach Zjednoczonych, więc infrastruktura była wystarczająca. Jednak sytuacja polityczna oraz decyzje rządzących spowodowały zakończenie produkcji agrolu. Nastąpiło to w 1939 roku. Mimo to agrol możemy uznać za pierwsze szeroko pojęte wykorzystanie alternatywnego źródła energii, jakim jest biopaliwo.

Wojna jest matką wynalazków…

…i to nie tylko tych mających zastosowanie na froncie. W czasie II wojny światowej armia pochłaniała olbrzymie ilości oleju napędowego i benzyny, zarówno tej ropopochodnej, jak i syntetycznej. To spowodowało, że ludność cywilna zaczęła poszukiwać nowego źródła paliwa do swoich pojazdów. Rozwiązaniem okazał się gaz drzewny, tzw. holzgas, który mógł być stosowany zarówno do silników z zapłonem iskrowym, jak i do silników o zapłonie samoczynnym. Ten system zasilania był znany już przed wojną, a kilka autobusów zasilanych gazem drzewnym można było spotkać w Warszawie. Jednak okres wojny był szczytowym momentem stosowania tego rozwiązania. Nawet tacy potentaci jak Mercedes oferowali swoim klientom sportowy model 170VG, który był zasilany gazem drzewnym. Rozwiązanie to było stosunkowo tanie i miało kilka wad, lecz najważniejsze, że surowiec był łatwo dostępny. Konstrukcja składała się z gazogeneratora oraz układu zasilającego gaźnik w gaz drzewny. Gazogenerator to nic innego jak duży, metalowy zbiornik przypominający beczkę, który służy za swego rodzaju palenisko. We wnętrzu gazogeneratora spala się drewno, w wyniku czego otrzymujemy gaz drzewny. Składa się on z 50?60% azotu, ok. 20% wodoru, 20% tlenku węgla, niewielkich ilości metanu, dwutlenku węgla oraz pary wodnej. Do zastąpienia 1 litra benzyny potrzebnych było 2,5–4 kg drewna. Najważniejszą zaletą tego alternatywnego źródła zasilania był fakt, że nie mając benzyny, która pojechała na front, wciąż można było pozostać mobilnym. Jednak holzgas miał także szereg wad. Pomimo stosowania dosyć skomplikowanych systemów filtrowania uzyskanego gazu drzewnego, sam silnik, jak i cała instalacja, potrafił szybko się osmolić. To wymuszało częste czyszczenie. Ponadto pierwszym krokiem, jaki należało podjąć przed wyprawą, było rozpalenie drewna w gazogeneratorze. Kolejnym niedociągnięciem tego rozwiązania była dość duża bezwładność systemu do otrzymywania określonej ilości gazu drzewnego. W wyniku tego albo wydzielało się go za dużo, albo za mało do optymalnej pracy silnika. Jednak prosta konstrukcja i niska cena przyczyniły się do niemałego rozwoju tej alternatywy paliwowej.

Dominacja ropy naftowej i solarna alternatywa Corvette C1

Pod koniec lat 50. XX wieku ropa naftowa osiąga pierwsze miejsce pod względem konsumpcji paliw, wyprzedzając tym samym węgiel. Od tego momentu czarne złoto pozostaje liderem do dziś, choć węgiel i gaz ziemny plasują się w stosunkowo niewielkiej odległości za nią. Na ostatnim miejscu rankingu konsumpcji paliw znajdziemy energię odnawialną, czyli m.in. wiatr, wodę czy słońce. Ostatnie miejsce na liście nie oznacza jednak, że konstruktorzy nie snuli planów, jak pozyskać energię z centralnej gwiazdy Układu Słonecznego. W roku 1955 na pokazie General Motors Powerama w Chicago pracownik GM William G. Cobb zaprezentował pierwszy samochód zasilany energią słoneczną. Pojazd o nazwie Sunmobile zbudowany był na bazie Corvette C1. Miał 12 paneli słonecznych, dzięki którym energia cieplna przekształcana była na energię elektryczną. Wynalazek ten pokazał światu, że takie alternatywne zasilanie pojazdu jest możliwe. Sunmobile miał jednak jedną zasadniczą wadę – był prototypem w skali mikro o długości 38 cm.
Na pełnowymiarowy samochód solarny należało poczekać do roku 1962. Wtedy firma International Rectifier Corporation wykorzystując 50-letni elektryczny pojazd marki Baker dostosowała go do pozyskania energii elektrycznej ze Słońca. Jednak ten sposób zasilania wciąż pozostaje, i pewnie już pozostanie, w sferze hobbystycznego pozyskiwania alternatywnego źródła energii. Głównym powodem jest bezpośrednia zależność od nasłonecznienia. Występowanie nocy czy pochmurnych dni jest czynnikiem, który w znaczącym stopniu potrafi unieruchomić taki pojazd. Ponadto koszty zbudowania samochodu słonecznego są wciąż bardzo wysokie. Natomiast pozyskana energia ze Słońca jest na stosunkowo niskim poziomie i nie wystarczy do napędzenia samochodów do codziennego użytku. Panele słoneczne będą istniały w świecie motoryzacji, będą jednak służyły raczej w sposób pośredni, pozyskując energię elektryczną na wielkich farmach słonecznych. I dopiero stąd będzie płynął prąd, którym będziemy zasilali pojazdy elektryczne.

DNA samochodu

Samochód ewoluuje wraz z postępem techniki, którego dokonuje człowiek. Nowe technologie bardzo często znajdują zastosowanie właśnie przy budowie aut. Odkrywając coraz to nowsze i lepsze sposoby na tworzenie pojazdów, dokonujemy automatycznego rozwoju i przemiany obecnych aut. Jednak nie tylko technologia ma znaczący wpływ na to, jaką formę w przyszłości będzie miał samochód. Zmiany społeczne i demograficzne stawiają nowe wymagania gałęziom motoryzacji. Postępująca urbanizacja wydaje się tu odgrywać istotną rolę. W roku 2030 60% wszystkich ludzi na świecie będzie żyło w miastach. W tym samym roku, tylko w Chinach liczba populacji miejskiej przekroczy miliard.
W megamiastach niemal 1/3 paliwa zużywana będzie przez kierowców do znalezienia miejsca parkingowego. Około 50% wszystkich miejskich podróży odbywa się na odcinku do 5 km, a 30% do1,6 km. Samochód potrzebuje średnio ok. 10 m2 do zaparkowania i spędza tam ok. 90% czasu. Ponadto, aż 85% pojazdów w mieście przewozi tylko jedną osobę. Te wszystkie wskaźniki powodują, że w przyszłości czeka nas nie tylko zmiana i ewolucja samego pojazdu, lecz także odejście od własności środka transportu na rzecz mobilności. Już dziś coraz częściej obserwujemy zjawisko car sharingu oraz ride sharingu. Rozpatrując współczesne próby alternatywnych źródeł zasilania, musimy wybiec nieco w przód i zaaplikować je do DNA pojazdu przyszłości. Zakłada się, że pojazd jutra to auto napędzane silnikiem elektrycznym, będące w sieci, częściowo lub w pełni autonomiczne, a rozmiarami dostosowane do konkretnego celu, czyli mniejsze niż obecne pojazdy.

Pierwsze kroki

Ostatnie badania potentatów naftowych szacują, że złoża ropy wystarczą jeszcze na kolejne 50 lat. Biorąc to pod uwagę oraz wcześniej przytoczone zmiany społeczno-demograficzne, rozwój alternatywnych źródeł energii oraz ewolucja samego pojazdu jest warunkiem koniecznym. Przyjrzyjmy się zatem alternatywom, z których korzystamy już od jakiegoś czasu, oraz tym, które mają szanse na przejęcie pałeczki od ropy naftowej w biegu sztafetowym po pierwsze miejsce.

Autogaz oraz jego mniej znany kuzyn. Zasilanie LPG oraz CNG

Skroplony gaz płynny (Liquefied Petroleum Gas), czyli mieszanka propan-butanu, jest w Polsce bardzo dobrze znana. Potwierdzają to dość wysokie pozycje w rankingach zużycia tego paliwa. W 2015 roku zużyliśmy 16,7 miliarda ton LPG, co dało nam 9. pozycję w Europie pod względem konsumpcji. Biorąc pod uwagę fakt, że wyprzedziły nas tak potężne rynki samochodowe jak Wielka Brytania i Niemcy, a także Włochy i Francja, śmiało możemy stwierdzić, że LPG w Polsce ma bardzo mocno ugruntowaną pozycję. Nie ma się też czemu dziwić, ponieważ ceny tego paliwa osiągają poziom ok. 2 zł za litr, co przy cenie benzyny zbliżonej do 4,5 zł stanowi poważną konkurencje cenową. Koszt instalacji LPG to wydatek w przedziale od 2 tys. złotych do ponad 5–6 tys. złotych za instalacje bardziej zaawansowane oraz do większych silników.
Autogaz swoją popularność zawdzięcza również charakterystyce przechowywania. LPG można tankować i transportować w postaci płynnej, a samo przechowywanie w butli wymaga stosunkowo niskiego ciśnienia. To w znaczący sposób wpływa na wygodę i bezpieczeństwo użytkowania. LPG otrzymujemy jako produkt uboczny przy rafinacji ropy naftowej lub pozyskujemy go z naturalnych złóż gazu ziemnego. Tak więc jest to paliwo kopalnianie, ze źródeł nieodnawialnych. Innym alternatywnym źródłem zasilania, jednak z tej samej rodziny, jest CNG, czyli Compressed Natural Gas – skompresowany gaz ziemny. Gaz ten w ponad 90% składa się z metanu. Zasoby gazu zmiennego skryte pod dnem oceanów oraz w obszarach wiecznej zmarzliny niemal dwukrotnie przewyższają zasoby wszystkich paliw kopalnianych łącznie. Jednak trudno dostępne położenie stawia duży znak zapytania w kwestii jego wydobycia. Zarówno gaz ziemny stosowany do CNG, jak i mieszanka propanu-butanu stosowana do LPG, mają małą gęstość zmagazynowanej energii w jednostce objętości. W celu zwiększenia tej energii musimy zatem zmniejszyć objętość – wcisnąć do zbiornika tak dużo gazu, aby jego wykorzystanie mogło być efektywne. W przypadku propanu-butanu (LPG) jest to stosunkowo proste i bezpieczne. W temperaturze pokojowej udaje się go skroplić pod ciśnieniem 2–4 MPa. Ciśnienie robocze w butli LPG wynosi 1,7–2,5 MPa. Natomiast w przypadku gazu ziemnego (CNG) wymaga to już nieco wyższych wartości. W celu uzyskania odpowiedniej energii musimy zadziałać na gaz ziemny siłą 20 MPa, czyli ok. ośmiokrotnie większą niż w przypadku LPG. Stąd butle, jak i sama instalacja do LPG, nie wymagają bardzo drogich i zaawansowanych elementów. Inaczej to wygląda przy 20 MPa i magazynowaniu gazu ziemnego (CNG). Wymaga to zastosowania odpowiednich stalowych zbiorników zdolnych do wytrzymania tak wysokiego ciśnienia. To bezpośrednio wiąże się z ich dużą wagą i ograniczeniem ładowności pojazdu. Waga 66-litrowego stalowego zbiornika do CNG wynosi 74 kg. Dla porównania masa 65-litrowego zbiornika do LPG wynosi 25 kg. Pamiętajmy natomiast, że wartość CNG liczy się w kg.
Do produkcji zbiorników CNG zaczyna się wykorzystywać kompozytowe konstrukcje, które znacznie obniżają wagę, jednak wiąże się to ze znacznym wzrostem kosztów. W rozwoju systemu CNG dużą rolę odgrywa infrastruktura. Niestety w Polsce miejsca do tankowania skompresowanego gazu ziemnego możemy policzyć na palcach jednej ręki. Stacja oferująca CNG musi być wyposażona w specjalnie do tego przeznaczone sprężarki i magazyny dla gazu. W celu uzyskania podobnej sprawności obsługi stacji CNG jak zwykłej stacji paliw inwestor musi wyłożyć kilkakrotnie więcej pieniędzy na poszczególne elementy wyposażenia. Dla przykładu, koszt zwykłego dystrybutora PB/ON to kwota w granicach 8 tys. złotych. Dystrybutor CNG to już ok 70 tys. złotych. W krajach skandynawskich CNG jest nieco bardziej popularne, a to z uwagi na fakt, że wielu użytkowników pojazdów zasilanych CNG może je tankować u siebie w domu. Korzystając z już istniejącej infrastruktury, która dostarcza gaz do gospodarstw, właściciel pojazdu CNG musi tylko zainwestować w specjalną sprężarkę. Jak już wcześniej zostało wspomniano, CNG wymaga dużego ciśnienia, a to przekłada się na stosunkowo wysoką cenę urządzenia do tankowania. Inwestując w najtańsze i najsłabsze domowe sprężarki, czas tankowania wynosi od kilku nawet do kilkunastu godzin. Biorąc pod uwagę, że zarówno LPG, jak CNG pozyskuje się ze źródeł kopalnianych, a te są źródłami nieodwracalnymi, ten rodzaj alternatywnego zasilania jest etapem przejściowym. Niemniej popularność LPG ukazuje, że człowiek jest w stanie przestawić się w dość znaczącym stopniu z pełnego uzależnienia od benzyny na częściowe uzależnienie. A to z kolei stanowi mały krok w stronę całkowitego uniezależnienia od ropy.

Ekobenzyna i ekoolej, czyli biopaliwa

Dzięki biopaliwom uzyskujemy bioenergię. Biopaliwa natomiast otrzymujemy z przetworzenia biomasy. A czym jest biomasa? Pojęcie biomasy można określić następująco: biomasa to cała organiczna i odnawialna materia wokół nas, w szczególności roślinna, którą potrafimy przetworzyć w energię, czyli w paliwo.
Jeżeli rozmawiamy o alternatywny źródłach zasilania pojazdów silnikowych biopaliwami, to swoją uwagę głównie skupiamy na ich dwóch rodzajach. Jest to etanol dla silników benzynowych oraz biodiesel dla silników wysokoprężnych. Etanol uzyskujemy głównie w procesie fermentacji cukrowej z takiej biomasy jak kukurydza, pszenica czy ziemniaki, a więc źródeł odnawialnych. Najczęściej etanol stosuje się jako dodatek do tradycyjnej benzyny w ilości od 10 do 15% – robocze nazwy takich mieszanek to E10 oraz E15.
Większy udział etanolu w mieszance paliwowej sprawia, że silniki mają problem z odpaleniem w temperaturach już poniżej 11 stopni Celsjusza. Stąd zarówno Unia Europejska, jak i Stany Zjednoczone ustawiły maksymalny poziom zawartości etanolu w biopaliwach na 15%, czyli E15. Etanol uzyskuje 2/3 wydajności, jaką otrzymujemy z benzyny, co w praktyce oznacza, że na czystym etanolu nasz zasięg spada o 34%.
Rynkiem przodującym w stosowaniu etanolu jest Brazylia. Z uwagi na wysoki udział rolnictwa i upraw w gospodarce, Brazylia wprowadziła 40-letni program związany z maksymalnym wykorzystaniem etanolu jako paliwa. Rząd brazylijski wprowadził regulacje, które wymuszały stosowanie dodatku etanolu do paliwa. Ponadto z uwagi na ciepły klimat, zawartość etanolu w mieszance paliwa może znacznie przekraczać 15%, które obowiązuje w USA i Europie. Samochody, które mogą korzystać z mieszanki benzyny z etanolem, muszą być do tego specjalnie przystosowane przez producenta. Pomimo profesjonalnego przygotowania pojazdu do spalania E5 lub E15 ostatnie raporty ukazały, że zawartość etyliny może przyspieszyć zużycie silnika. Obok etanolu drugim najczęstszym biopaliwem jest biodiesel. Otrzymuje się go z przetworzenia oleju roślinnego, pozyskanego np. z rzepaku. Podobnie jak etanol, biodiesel stanowi mieszankę z pierwotnym paliwem, czyli w tym przypadku z olejem napędowy – B25, B30, B50. Podobnie jak etanol, biodiesel ma problem z niską temperaturą. Potrafi zmieniać swoją konsystencję na żelową już przy -10 stopniach Celsjusza. Biodiesel analogicznie jak paliwa E5 czy E15 potrafi doprowadzić do szybszego zużycia silnika, m.in. poprzez rozpuszczanie gumowych uszczelek i przewodów. Biopaliwa są mniej trujące dla środowiska niż ich ropopochodna odmiana. Niemniej do ich produkcji wykorzystuje się rośliny uprawne, które mają nieco inne główne zastosowanie. Analizując cały proces uzyskania biopaliwa, jakim np. jest etanol (uprawa, transport, przetworzenie, itp.), otrzymujemy balans energetyczny w porównaniu do benzyny na poziomie ok. 9. Oznacza to, że biorąc pod uwagę całokształt procesu, do uzyskania energii wytworzonej przez jednostkę benzyny potrzeba ok 9 jednostek etanolu.
Tak więc biopaliwa starają się zyskiwać na wartości jako alternatywne źródło zasilania. Mają one jednak ograniczone możliwości. Na przykładzie Brazylii można zaobserwować, że biopaliwa mogą stanowić znaczącą część wykorzystywanych paliw, potrzebują jednak dodatkowego wsparcia poprzez ustawy akcyzowe i rządowe projekty. Czasami budzą też kontrowersje natury moralnej, ponieważ tysiące ton żywności jest przetwarzane na paliwa, kiedy w wielu rejonach świata panuje głód.

Połączmy się – pojazdy hybrydowe

Jak dobrze wiemy, pojazdy hybrydowe korzystają z dwóch rodzajów napędu: silnika spalinowego oraz silnika elektrycznego. Ich współzależność może mieć formę układu szeregowego lub układu równoległego. W napędzie szeregowym silnik spalinowy działa jako generator prądu, który zasila silnik elektryczny. Ten z kolei napędza koła, które poruszają samochód. Podczas uzyskania nadwyżki prądu potrzebnego do zasilenia silnika elektrycznego, energia ta jest kumulowana w akumulatorach i wykorzystywana później. Natomiast w układzie równoległym zarówno silnik spalinowy, jak i elektryczny, mogą napędzać koła. Dodatkowo jednostka spalinowa podczas swojej pracy może ładować akumulatory, które posłużą do napędzenia jednostki elektrycznej. Istnieje również układ mieszany, który ma zalety zarówno układu równoległego, jak i szeregowego. Bez względu na to, z jakim układem mamy do czynienia, każdy z nich korzysta z efektu synergii. Oznacza to, że efektywność zespolonych jednostek spalinowej z elektryczną jest większa niż suma dwóch oddzielnych silników spalinowego oraz elektrycznego.
Hybrydy są znacznie oszczędniejsze od tradycyjnych aut, ponieważ korzystają z najbardziej odpowiedniego źródła zasilania dobranego do aktualnej sytuacji. Podczas jazdy miejskiej przy dużej liczbie ruszań i zatrzymań oraz osiąganiu stosunkowo niewielkich prędkości i dystansów idealnie sprawuje się silnik elektryczny. Natomiast podczas pokonywania dłuższych odcinków, z wyższą i jednostajną prędkością (np. autostrada) lepszą ekonomikę daje silnik spalinowy. Mocno zaawansowane systemy sterujące potrafią samodzielnie dopasować procentowy udział jednostki spalinowej i elektrycznej do obecnego zapotrzebowania. To w znacznym stopniu przyczynia się do stosunkowo dobrej ekonomii pojazdów hybrydowych.
Należy tu także wspomnieć o pojęciu downspeedingu. Jest to uzyskanie mniejszych wartości przełożeń dla uzyskania tych samych osiągów. Jadąc np. 100 km/h silnik zmniejsza obroty do możliwie najniższej wartości kosztem mocy. Obniżamy zatem spalanie, natomiast w przypadku nagłej potrzeby pełnego przyspieszenia z odsieczą przychodzi silnik elektryczny, uzupełniając moc chwilową. Dzięki jednostce elektrycznej, której moment obrotowy przebiega niemal w linii prostej dynamika pojazdów hybrydowych potrafi pozostać na zadowalającym poziomie. Dzięki wsparciu silnika spalinowego energią jego elektrycznego kompana, uzyskuje on zadowalające spalanie. Za pomocą rekuperacji energii, czyli wytwarzaniu prądu podczas hamowania, uzyskuje się dodatkowe ładowanie akumulatorów. W procesie tym energia kinetyczna zamienia się na energię elektryczną. Do kolejnych niezaprzeczalnych zalet należy mniejsze zanieczyszczenie środowiska przez pojazdy hybrydowe oraz cicha praca podczas poruszania się na silniku elektrycznym. Jednak to, co dla jednych jest atutem, dla innych może być wadą. Niemal bezszelestna praca silnika elektrycznego powoduje, że pojazd może być niezauważony przez pieszych. Dlatego też w pojazdach hybrydowych oprócz zwykłego klaksonu znaleźć także możemy brzęczyk dla ostrzegania pieszych.
Pojazdy hybrydowe mają także swoje wady, a główną z nich jest ich cena. Do zbudowania takiego pojazdu potrzebne jest wykorzystanie drogich komponentów. Co więcej, same akumulatory magazynujące energię elektryczną są duże i ciężkie. W najnowszych hybrydach stosuje się akumulatory litowo-jonowe lub niklowo-metalowo-wodorowe. Jednak aby ukazać skalę problemu, porównajmy energię zwykłego akumulatora do benzyny. Odpowiednikiem energetycznym 50 kg benzyny jest akumulator kwasowo-ołowiowy o masie 7,5 tony. Akumulatory wykorzystywane do współczesnych hybryd mają dużo lepszy stosunek mocy do masy, ale pomimo to i tak znacznie ograniczają przestrzeń ładunkową pojazdu, jednocześnie zwiększając jego masę. Proces ładowania akumulatorów w pojazdach plug-in (czyli ładowanie z gniazdka) wynosi od kilku do kilkunastu godzin. Problem może stanowić także niska temperatura otoczenia, gdzie przy -20 stopniach Celsjusza pojemność akumulatorów może się zmniejszyć nawet o 50%.
Kolejnym elementem, który wymaga udoskonalenia, jest stosunkowo mały zasięg, który możemy osiągnąć, wykorzystując jedynie silnik elektryczny. Jest to bezpośrednio powiązane z wydajnością akumulatorów, a te jak już wiemy są ciężkie i względnie mało pojemne.
Na koniec pozostaje kwestia żywotności akumulatorów stosowanych w hybrydach oraz ich utylizacja. Sama produkcja oraz recycling akumulatorów po zakończonym cyklu życia są procesami, delikatnie mówiąc, mało ekologicznymi.
Wszystkie wspomniane do tej pory alternatywne źródła energii wydają się być źródłami przejściowymi, które jedynie inicjują poszukiwania i rozwój alternatywy, która w 100% uniezależni nas od ropy naftowej i jej pochodnych. Prawdziwie alternatywnymi paliwami przyszłości, obecnie wydają się być dwa rozwiązania: ogniwa wodorowe oraz pojazdy w pełni elektryczne.

Ciężki los najlżejszego pierwiastka

Wodór – pierwiastek chemiczny o liczbie atomowej = 0. Jest to najczęściej występujący element we Wszechświecie oraz jeden z najczęściej spotykanych pierwiastków na Ziemi. Jest on także najlżejszy ze wszystkich składowych tablicy Mendelejewa. Możemy go spotkać w górnych warstwach atmosfery, a także w gazach wulkanicznych. Występuje on jednak niemal zawsze w postaci związków z innymi pierwiastkami, jak chociażby w wodzie. Ponadto w reakcji, która ma miejsce podczas łączenia wodoru z tlenem, wytwarzany jest nadmiar energii. To właśnie ten nadmiar energii jest najistotniejszy dla inżynierów, którzy upatrują alternatywnego źródła pozyskania energii. Do połączenia cząstki wodoru z cząstką tlenu potrzebne jest ogniwo paliwowe, a dokładniej ujmując ogniwo wodorowe. Samo wytwarzanie energii z ogniw paliwowych jest już dobrze znane, gdyż zachodzi w ogniwach galwanicznych, czyli powszechnie znanych nam bateriach czy akumulatorach. Samo ogniwo wodorowe składa się dwóch elektrod, katody i anody, które rozdzielone są elektrolitem lub specjalną membraną elektrolityczną. Wodór, który dostaje się do katody, ulega tam rozbiciu na dodatnie protony oraz ujemne elektrony.
Warstwa, która znajduje się między katodami, pozwala przeniknąć na drugą stronę (do anody) tylko ujemnym elektronom. Natomiast dodatnie protony przedostają się na drugą stronę kierowane obwodem zewnętrznym, gdzie wytwarzają tak bardzo pożądany prąd elektryczny. Kiedy już obydwa elementy, czyli protony i elektrony, znajdą się po drugiej stronie ogniwa, łączą się z dostarczanym tam tlenem, tworzą cząsteczki wody H2O. Tak pokrótce wygląda proces elektrochemiczny, w wyniku którego otrzymujemy prąd, którym zasilamy silniki elektryczne poruszające samochody. Istnieje także druga możliwość wykorzystania wodoru jako paliwa alternatywnego. Sposób ten nie wykorzystuje ogniw wodorowych, a jego działanie jest bardziej tradycyjne. Wodór jest gazem o szerokim spektrum palności oraz bardzo niskiej energii zapłonu. Niestety, w tragiczny sposób przekonali się o tym konstruktorzy sterowca Hindenburg. Można zatem wykorzystać wodór jako paliwo zastępujące benzynę w tradycyjnym silniku spalinowym. Niemniej wodór, jeżeli go spersonifikować, ma wielką ochotę, żeby się zapalić i zrobi to przy możliwie najbliższej okazji. Stąd wykorzystywany jako paliwo w tradycyjnym silniku spalinowym powoduje samoistne i przedwczesne zapalanie się mieszanki. To natomiast prowadzi do spalania detonacyjnego, potocznie zwanego spalaniem stukowym. Innymi słowy przy wodorowej mieszance paliwowej trudniej jest uzyskać proces optymalnego spalania, który jest niezwykle ważnym elementem silnika spalinowego.
Obecnie zatem większą uwagę przykuwa się do pozyskania energii elektrycznej z wodoru poprzez ogniwa wodorowe. Sam efekt końcowy podczas uzyskania energii w ten sposób jest bardzo ekologiczny. W zamian za substancje szkodliwe, takie jak CO2 czy NOx na koniec otrzymujemy H2O, czyli wodę.
Dlaczego więc ogniwa wodorowe wciąż stanowią stosunkowo odległą przyszłość? Największym wyzwaniem dla konstruktorów jest magazynowanie wodoru, który w postaci lotnej jest bardzo niebezpieczny. Do tej pory magazynuje się go w stalowych butlach pod bardzo dużym ciśnieniem rzędu 100 atmosfer. Drugim sposobem przechowywania wodoru jest obniżenie jego temperatury do ok. 20 stopni Kelwina, czyli ok. -253 stopni Celsjusza. Przy takiej temperaturze wodór uzyskuje postać ciekłą. Problemem stanowi fakt, że wodór w postaci ciekłej cały czas wrze i zachodzi potrzeba odprowadzania uwalnianego wciąż gazu. W ten sposób wodór jest przechowywany w tzw. naczyniu Dewara. Zarówno perspektywa przewożenia w aucie ciężkiej stalowej butli pod ciśnieniem 100 atmosfer, jak i posiadania w pojeździe naczynia Dawera z nieustannie wrzącym wodorem, jest mało zachęcająca.
Gdyby tego było mało wodór jest pierwiastkiem, który dyfunduje. Innymi słowy mała średnica atomu wodoru pozwala mu na stosunkowo swobodne przenikanie i mieszanie się z innymi metalami. Tak więc nawet jeśli uda nam się zamknąć wodór w zbiorniku, przedostanie się on do jego metalowej struktury. Ale co dla jednych jest przeszkodą, dla innych staje się szansą. Uczeni wpadli na pomysł, że skoro wodór potrafi wnikać w metale, to zmagazynujmy go właśnie w metalowym elemencie, który będzie pełnił funkcje gąbki wodorowej.
Tutaj istotną rolę przy wtłaczaniu oraz odzyskiwaniu wodoru z metalu pełni temperatura oraz ciśnienie. Naukowcy już znaleźli metal, który jest bardzo lubiany przez wodór, a ciśnienie oraz temperatura, przy której zachodzi ta relacja, jest względnie osiągalna. Tym metalem jest pallad. Niestety, pallad ma dwie, dość istotne wady, które raczej eliminują go z gry. Aktualna cena uncji palladu, czyli ok 31 gramów, wynosi 775 dolarów.
Do wykonania odpowiednio zasobnej gąbki wodorowej z palladu potrzeba jednak trochę więcej niż jednej uncji. Drugi problem stanowi bardzo wysoka masa palladu, co niekorzystnie wypływa na ciężar zbiornika. Nawet jeśli w przyszłości naukowcy stworzą odpowiednią gąbkę wodorową, to pozostaje kwestia jej tankowania. Oblicza się, że czas potrzebny do załadowania metalowego zbiornika wodorem będzie na tyle długi, że uniemożliwi tradycyjne wykorzystanie stacji. Rozwiązaniem może być wymiana pustych magazynów na pełne. To natomiast wiąże się z bardzo skomplikowanymi stacjami wymiany oraz wysoko wykwalifikowanymi pracownikami. Ponadto należałoby przeprowadzić proces unifikacji zbiorników i stacji wymiany dla wszystkich producentów. To wymusza podzielenie się z konkurencją swoim know-how oraz zasobami intelektualnymi. Tak więc, reasumując wodorową alternatywę, jest pomysł, jest wykonanie i są przeszkody, których obecnie nie potrafimy pokonać, aby wodór stał się paliwem powszechnie dostępnym.

Samochodzik na baterie, czyli chłopięca zabawka z czasów dzieciństwa

Pojazdy w pełni elektryczne, jak sama nazwa wskazuje, do poruszania wykorzystują tylko energię elektryczną. Silniki elektryczne nie są wspomagane jednostkami spalinowymi czy to do napędzania samochodu, czy to do ładowania akumulatorów. Pojazdy elektryczne dzielą jednak dokładnie te same przeciwności losu co pojazdy hybrydowe.
Rozpatrywanie przyszłości samochodów elektrycznych jako alternatywy dla współczesnych pojazdów jest po części swoistym cofaniem się w czasie. To właśnie napęd elektryczny służył większości pionierskich konstrukcji z XIX wieku. Jednak obecnie stawiane są przed nimi inne warunki do spełnienia. Podobnie jak w przypadku pojazdów hybrydowych, głównym elementem wymagającym dopracowania są akumulatory. Co prawda z roku na rok ich zasięg się powiększa, lecz wciąż pozostaje na niskim poziomie w porównaniu do silników spalinowych. Ponadto przy stałym używaniu obecnych udogodnień: klimatyzacja, systemy multimedialne czy oświetlenie, zasięg akumulatorów znacząco spada.
Problemem okazują się także obszary o chłodnym, a nawet umiarkowanym klimacie. Niska temperatura zauważalnie wpływa na pojemność obecnie stosowanych akumulatorów. Również długi czas ładowania akumulatorów stanowi barierę. Poza tym te wielkie baterie zajmują w samochodzie znaczącą ilość miejsca, a jednocześnie zwiększają jego masę. Sam silnik elektryczny wydaje się być prawie idealnym rozwiązaniem. Ma prostszą budowę od jego spalinowej wersji, co przekłada się na koszty produkcji i eksploatacji. Nie ma obiegu oleju, co dodatkowo upraszcza konstrukcję. Jeżeli umieścilibyśmy cztery oddzielne silniki elektryczne do każdego z kół, pozbywamy się kolejnych elementów budowy tradycyjnego samochodu, takich jak wały, skrzynie biegów, mosty czy reduktory. Na próżno będziemy też szukać tłoków, wtrysków, wałków rozrządu i układów wydechowych. Elektryczna jednostka jest także dużo łatwiejsza w sterowaniu. Silniki elektryczne potrafią ująć swoją dynamiką. Moment obrotowy pozwala niemal na maksymalne wartości przyspieszenia już od 0 km/h. Natomiast podczas hamowania, podobnie jak hybrydy, pojazdy elektryczne korzystają z odzyskiwania wytwarzanej energii. Na koniec pozostaje wciąż wysoki koszt zakupu pojazdów elektrycznych oraz konieczność wymiany akumulatorów co 8–10 lat, co także wiąże się z dodatkowymi kosztami. Niemniej pojazdy elektryczne nie bez przypadku pojawiły się jako ostatnie w tym zestawieniu. To właśnie one wraz z ogniwami wodorowymi są aktualnymi liderami alternatywnych źródeł zasilania pojazdów.

Więc jak to będzie

Jak pokazuje historia, różnorodność paliw oraz poszukiwanie nowych alternatywnych źródeł energii towarzyszyły motoryzacji od samego początku. Kiedyś były efektem fascynacji oraz pomysłowości konstruktorów. Dziś kryterium stanowi odnawialność źródeł oraz ekologia. Już jakiś czas temu małymi krokami rozpoczęliśmy podróż, której celem jest pełne uniezależnienie od ropy naftowej. Potentaci naftowi prognozują, że na czarnym złocie będziemy jeszcze polegać przez ok. 50 lat. Mam nadzieję, że ropy starczy nam na nieco dłużej, niemniej jest to bardzo twardy argument do podnoszenia przez potentatów naftowych jej cen w przyszłości. Koniec końców kiedyś nadejdzie ten dzień, kiedy z odwiertu wydobędziemy tę ostatnią baryłkę ropy. Proces transformacji na inne źródła paliwa rozpoczął się już jakiś czas temu. Posuwa się naprzód stosunkowo niewielkimi, ale już zauważalnymi zmianami.
Autogaz na dobre zadomowił się na wielu rynkach. CNG z uwagi na nieco bardziej skomplikowaną obsługę i technologię dalej stoi w boksie startowym. Biopaliwa to pierwsze źródło, które tylko w pewnym sensie możemy uznać za odnawialne, a to z uwagi na to, że występuje jako mieszanka z produktami ropopochodnymi. Na przykładzie Brazylii widzimy, jak wielką rolę przy biopaliwach odgrywają regulacje prawne i wsparcie ze strony rządu. Nawet jeżeli udałoby się rozwinąć produkcję samochodów, które mogłyby spalać czysty etanol lub biodiesel, to skala upraw potrzebnych do tego roślin byłaby niewyobrażalnie duża. To natomiast z całą pewnością zachwiałoby gospodarką uprawną, jak i samymi cenami produktów spożywczych. W tym wypadku szansa całkowitego uniezależnienia się od ropy ma swoją, nie do końca przewidywalną, cenę.
Kolejnym etapem są pojazdy hybrydowe, które stanowią przedpole dla pojazdów w pełni elektrycznych. Pełnią także funkcję poligonu doświadczalnego dla producentów, a motoryzacyjne społeczeństwo powoli przyzwyczaja się do przyszłych zmian. To, że w przyszłości będziemy się poruszać pojazdami elektrycznymi, jest raczej pewne. Najistotniejszym pytaniem jest jednak to, które sprecyzuje, jak będziemy zasilać silniki elektryczne. Obecnie na czołowe pozycje wysuwają się dwie technologie. Technologia pozyskania prądu z ogniw wodorowych oraz technologia pozyskania prądu z akumulatorów. Ta pierwsza, przynajmniej w teorii, jest lepszym rozwiązaniem. Wykorzystujemy ogólnie dostępne i przede wszystkim odnawialne źródło energii, a efektem ubocznym jest tylko cząsteczka wody. Niestety, praktyka ukazuje jej poważny problem, którym jest magazynowanie wodoru. Ponadto gaz ten jest wybuchowy, więc i niebezpieczny. Konstrukcja bezpiecznych magazynów czy zbiorników wodoru wymaga wysokiego zaawansowania technologicznego, co przekłada się na absurdalnie wysokie koszty produkcji. Jeżeli natomiast chcemy uzyskać osiągalne ceny pojazdów wodorowych, na razie musi to nastąpić kosztem bezpieczeństwa. Jednak pojazd wodorowy, nawet ze średnim poziomem bezpieczeństwa to istna bomba na kołach, która w trakcie wypadku lub nieszczelności spowoduje eksplozję. A co jeżeli obok znajdą się inne pojazdy, także zasilane wodorem?
Drugim sposobem dostarczania energii do silnika elektrycznego jest prąd zmagazynowany w akumulatorach. Na razie technologia ta boryka się z problemem zbudowania ogniwa, które spełni wymagania pojemności, wagi, wielkości oraz szybkości obsługi. Konstrukcja akumulatorowa jest prostszą, lepiej znaną i tańszą alternatywą, choć niewątpliwie także wymaga dopracowania. Z problemem źródła prądu poradziły sobie tramwaje oraz trolejbusy, jednak trudno sobie wyobrazić sieć linii elektrycznych wszędzie tam, gdzie może dotrzeć samochód. Może pojawi się pomysł indukcyjnego ładowania z drogi lub inne nowatorskie rozwiązanie. Temat powszechnie poruszany podczas dyskusji o samochodach elektrycznych to ich superekologia. Zgadza się, pojazdy elektryczne nie emitują szkodliwych substancji do atmosfery. Robią to za nie fabryki i elektrownie, niezbędne do ich budowy i działania. Bardzo trudno jest jednoznacznie określić, ile CO2 (i wiele innych zanieczyszczeń) jest emitowanych do środowiska, aby samochód elektryczny mógł przejechać 1 km. Wpływ na to mają różne rodzaje elektrowni, zaczynając od węglowych, poprzez wodne, a na atomowych kończąc. Należy wiedzieć, że sprawność elektrowni węglowych (90% elektrowni w Polsce) wynosi zaledwie 40%. Kolejne 12% tracimy na liniach przesyłowych. Tak więc do przysłowiowego gniazdka trafia ok 30% energii. Kolejne 30% tracimy przy ładowaniu akumulatora i 5% przy samej pracy silnika elektrycznego. Finalna sprawność całego łańcucha potrzebnego do zasilenia pojazdu elektrycznego to 20% (0,3 x 0,7 x 0,95 = 0,2). Wartość ta dla współczesnego silnika Diesla wynosi 40%. Łatwo zatem obliczyć, że w Polsce przejechanie 1 km pojazdem elektrycznym, przyniesie 2x więcej wyemitowanego CO2 do atmosfery niż użycie pojazdu z silnikiem Diesla. Sytuacja wygląda całkowicie inaczej, gdy energię do zasilania pojazdów elektrycznych otrzymujemy z odnawialnych źródeł energii: hydroelektrowni, elektrowni wiatrowych lub ostatecznie elektrowni atomowych.
Wydaje się, że z dwóch czołowych graczy, czyli pojazdów elektrycznych zasilanych ogniwami wodorowymi oraz pojazdów elektrycznych zasilanych akumulatorami, to te drugie nieznacznie wysuwają się na prowadzenie.
Nie spodziewajmy się jednak wielkich odkryć oraz przełomów w rozwoju alternatywnych źródeł energii. A już na pewno nie do momentu, kiedy ropa i potentaci naftowi dyktują warunki. Być może tuż przed wydobyciem ostatniej baryłki ropy, potentaci naftowi doznają olśnienia i zaprezentują nam nowe i bardzo kuszące alternatywne źródło pozyskania energii. Natomiast kluczowy wpływ na sukces i rozwój danej alternatywy paliwowej mają rządy państw, ich strategie energetyczne oraz wsparcie danych gałęzi przemysłu.
Co przyniesie przyszłość? Na konkretną odpowiedź musimy jeszcze poczekać, choć mamy wyraźnie obrany kierunek. Miejmy tylko nadzieję, że wraz z przejściem na nowe alternatywne źródła zasilania, pojazdy nie stracą tej ważnej cechy, jaką jest dawanie przyjemności z jazdy.

Paweł Śnigurski

Targi Fleet Market to spotkanie o charakterze motoryzacyjno – biznesowym, które odbędzie się22 listopada 2017 r. w EXPO XXI w Warszawie. Będzie to już dziewiąta edycja targów, podczas których pokażemy 200 najnowszych samochodów osobowych i dostawczych, luksusowe samochody z segmentu premium, samochody ekologiczne – z napędem elektrycznym i hybrydowym.

Już od dziewięciu lat Importerzy wybierają targi Fleet Market jako miejsce do zaprezentowania premier motoryzacyjnych. W tym roku potwierdzone modele premierowe to m.in. Mercedes Klasy X, KIA Stinger, KIA Stonic, Hyundai Kona, DS 7 Crossback, Citroën C3 Aircross, VW Polo i T-Rock, Skoda Karoq, Audi A8, SEAT Arona czy Opel Insignia GSI, Ford GT. Nie lada gratką będą modele koncepcyjne, które na ten moment pozostają niespodzianką dla gości.

Tegoroczny panel konferencyjny skupi się przede wszystkim wokół takich zagadnień jak: oferta finansowania samochodów do firm z sektora MŚP. Przedstawimy oferty programów finansowych importerów, a także firm leasingowych i car fleet management. Eksperci omówią zalety fiskalne tego typu rozwiązań. Jak zawsze nie zabraknie analizy nadchodzących w 2018 roku zmian prawnych i podatkowych, ze szczególnym uwzględnieniem zmian w podatkuVAT, PIT i CIT. Na specjalne zaproszenie magazynu Fleet przyjedzie Steven Schoefs redaktor naczelny magazynu Fleet Europe, który podzieli się z gośćmi najlepszymi praktykami europejskimi w zakresie elektromobilności i pojazdów autonomicznych w Europie Zachodniej.

Targom, będzie towarzyszyć ważny jubileusz, wspólnie będziemy obchodzić 25 lat Polskiego Związku Przemysłu Motoryzacyjnego. Pan Jakub Faryś, prezes PZPM przygotował specjalne wystąpienie na te okoliczność.

Formularz zgłoszeniowy oraz szczegóły dotyczące targów na bieżąco uzupełniamy na stronie internetowej www.fleetmarket.pl.

Dziennik.pl jest patronem medialnym Targów.