Ruszyć z prądem

Silniki elektryczne są lepsze od spalinowych: mają mniej części, są tańsze i efektywniejsze. Dlaczego więc wciąż używamy konstrukcji śmierdzących spalinami?

14.05.2016

Czyta się kilka minut

Tesla Roadster – sportowy samochód elektryczny firmy Elona Muska / Fot. Materiały prasowe
Tesla Roadster – sportowy samochód elektryczny firmy Elona Muska / Fot. Materiały prasowe

Dlaczego to robimy? Bo trzeba przyspieszyć przeskok do zrównoważonego transportu. To niezwykle ważne dla przyszłości świata” – mówił miliarder i wizjoner Elon Musk podczas premiery nowego samochodu elektrycznego swojej firmy Tesla. Model 3 to kolejny krok w konsekwentnej drodze Muska do popularyzacji aut z napędem elektrycznym. Miliarder – ten sam, którego firma SpaceX właśnie stworzyła rakietę wielokrotnego użytku i przygotowuje misję na Marsa – realizuje przemyślaną strategię przekonywania Amerykanów do takiego napędu. W 2006 r. pokazał światu pierwszy model samochodu sportowego Tesla Roadster, zaprojektowany z firmą Lotus. Auto było w stanie przejechać 300 km na jednym ładowaniu, do setki rozpędzało się w cztery sekundy, a prędkość maksymalna wynosiła 200 km/h. Kosztowało – bagatela – 130 tys. dolarów. Był to też pierwszy samochód elektryczny, który wykorzystywał baterie litowo-jonowe, stosowane np. w laptopach.

Roadster miał pokazać światu, że auta elektryczne mogą być szybkie i dobrze wyglądać. Później, w 2012 r., rozpoczęła się sprzedaż Modelu S, również o sportowych osiągach, ale już czterodrzwiowego sedana, tańszego niż poprzednik – wersja podstawowa kosztowała „tylko” 60 tys. dolarów (i sprzedawała się skądinąd bardzo słabo), a najlepiej wyposażona, z napędem na cztery koła, akumulatorem 90 kWh i możliwością korzystania z darmowych stacji Superchargers – 120 tys. dolarów.

Koszt podstawowej wersji Modelu 3 to 35 tys. dolarów. A to oznacza, że cena z wolna zaczyna być porównywalna z samochodami tradycyjnymi oferującymi podobny standard.

Fizyka na drodze

Napęd elektryczny to naprawdę dobre rozwiązanie. Silniki elektryczne są małe, wydajne, konstrukcyjnie mniej skomplikowane niż napęd spalinowy. Co więcej, oferują znacznie lepsze osiągi – choćby dlatego, że moment obrotowy silnika elektrycznego jest w zasadzie stały. Dzięki temu nie potrzeba np. skrzyni biegów z wieloma przełożeniami, a to oznacza o jeden element mechaniczny mniej.

Skoro jest tak dobrze, to czemu jest tak źle? Sprzedaż aut elektrycznych to wciąż 1 proc. rynku. W Polsce – jeszcze mniej.

Po części, rzecz jasna, zastosowanie ma porzekadło, że gdy nie wiadomo, o co chodzi, to chodzi o pieniądze. Samochody elektryczne są wciąż wielokrotnie droższe niż pojazdy spalinowe. Tu niestety głównym problem jest efekt skali – jest ich mało, więc koszt opracowania nowego modelu rozkłada się na mniej egzemplarzy niż w przypadku aut spalinowych. Co więcej, ładowanie jest tanie, ale nie darmowe. A na dodatek gdzieś w tyle głowy trzeba mieć konieczność okresowej wymiany akumulatorów, które stanowią jedną trzecią ceny auta. Gdy do ceny kilowata energii dołożymy cenę akumulatorów, okazuje się, że przejechanie 100 km skacze z 6 do 26 zł, co zaczyna być kwotą porównywalną z autami spalinowymi. Słowem, kupujemy wielokrotnie droższy samochód, a per saldo płacimy za eksploatację tyle samo.

Przy czym należy pamiętać, że eksploatacja samochodu spalinowego to nie tylko olej i benzyna, i po 200 tys. przebiegu kilka kosztownych podzespołów może ulec awarii. W aucie elektrycznym tych podzespołów jest mniej.

Znacznie większym problemem jest kwestia ładowania aut, a ściślej: ponuro niskiej pojemności akumulatorów. Nie dość, że w porównaniu z benzyną akumulatory są w stanie zmagazynować 10 razy mniej energii w kilogramie wagi, to jeszcze ładują się długo. Tu, rzecz jasna, obrońcy aut z napędem elektrycznym przypomną od razu, że przecież stacje szybkiego ładowania Tesli, słynne Superchargers, potrafią znacznie go skrócić. Owszem, ale uzupełnienie 80 proc. energii wciąż trwa tu 30 minut.

Tankowanie 80 proc. baku to maksymalnie dwie minuty… Co więcej, gdy lejemy benzynę, czas wlewania paliwa nie wydłuża się radykalnie wraz z napełnianiem zbiornika. Tymczasem załadowanie pozostałych 20 proc. akumulatora trwa 45 minut i rozciąga całkowity czas ładowania do ponad godziny.

Dorzućmy do tego jeszcze liczbę stacji benzynowych i porównajmy z liczbą stacji ładowania. Okazuje się, że trzeba być naprawdę zagorzałym fanem samochodów elektrycznych, żeby taki kupić. Gdy jedziemy na wakacje samochodem spalinowym, ostatnią rzeczą, o której myślimy, jest to, czy po drodze damy radę zatankować. A jazda elektrycznym samochodem wymaga dostosowania trasy tak, żeby po drodze znaleźć stacje ładowania. To niezbyt wygodne.

Zasadniczy problem w tym, że ładowanie aut elektrycznych raczej nigdy nie będzie takie szybkie jak tankowanie samochodów spalinowych: wynalazcom szybkich ładowarek na drodze staje fizyka. Gdybyśmy chcieli naładować auto elektryczne w ciągu minuty, ładowarka musiałaby mieć moc rzędu megawatów, czyli milionów watów. Wat to wolt razy amper – aby uzyskać megawat, musimy jakoś pomnożyć waty przez ampery, by otrzymać milion. Czyli np. tysiąc woltów razy tysiąc amperów. Brzmi źle? No właśnie. A mowa wciąż o samochodach z akumulatorami dziesięć razy mniej pojemnymi niż bak samochodowy. Jeśli będziemy chcieli magazynować tyle samo energii w akumulatorach, co w baku, to w równaniu „tysiąc razy tysiąc” gdzieś jeszcze trzeba upchnąć dziesięć. Czyli: 3,3 tys. woltów razy 3,3 tys. amperów. Takie napięcie i natężenie oznaczałoby dla samego kabla wyzwanie, przy którym igranie z ogniem to niewinna zabawa. Półgodzinne ładowanie „superładowarkami” Tesli wydaje się więc rozsądnym kompromisem między bezpieczeństwem a czasem ładowania.

Powiększanie tortu

Na szczęście lawina powoli rusza. Na Teslę Model 3 tylko w pierwszym tygodniu po premierze zapisało się przeszło ćwierć miliona ludzi (i zapłaciło po tysiąc dolarów zaliczki). Zaskoczyło to nawet największych optymistów w firmie, liczących po cichu, że w pierwszym miesiącu, przy sprzyjających wiatrach, zbiorą 100 tys. zamówień. Chętnych na auto elektryczne nie zraża fakt, że pierwsze dostawy będą pod koniec 2017 r., a większość z nich czekać będzie na auto do roku 2020.

Inni producenci samochodów też nie mają złudzeń: przyszłość jest elektryczna. Dzisiaj każda licząca się firma albo ma taki pojazd w ofercie, albo przynajmniej zapowiedziała rychłe wprowadzenie go na rynek. Po części właśnie dzięki Tesli i staraniom Elona Muska, który przekonał nabywców, że samochód elektryczny może być naprawdę fajny.

Teoretycznie Musk jest też wielkiej rangi społecznikiem, bo oferuje dostęp do wszystkich patentów związanych z produkcją samochodów elektrycznych, pod warunkiem, że będą wykorzystane w dobrej wierze. Ale jest w tym cel: wspieranie konkurentów w ten sposób sprawia, że wraz z każdym nowym samochodem na rynku stymulowany będzie popyt na auta elektryczne. A gdy tort będzie coraz większy, to i Tesla wykroi sobie smaczniejszy kawałek.

Bo jej pozycji już chyba nic nie zachwieje. Największe koncerny samochodowe porównywane są do Tesli, a nie na odwrót. Ale to nie dziwi, bo to Musk wymyślił sposób na to, jak skutecznie wprowadzać na rynek samochody elektryczne. Wielkie koncerny motoryzacyjne zbyt dużo zarabiają na klasycznych autach, by bawić się w kreatywne rozwiązywanie problemów z napędem elektrycznym.

Przykładem jest choćby kwestia doładowania baterii. To Musk wpadł na pomysł, że trzeba zbudować sieć stacji, w których ładowanie akumulatorów będzie darmowe. Obecnie w USA funkcjonuje 600 takich punktów, a odległość między nimi nie przekracza zasięgu Tesli. Oczywiście do pełni luksusu jeszcze daleko, bo trasę przejazdu trzeba ustalać tak, jak układają się punkty doładowania (a są stany, w których praktycznie ich nie ma). Ale przynajmniej można przejechać USA wzdłuż i wszerz, nie płacąc ani centa za paliwo.

Drugi z jego pomysłów – wymiana całej wyczerpanej baterii na naładowaną – nie chwycił. To dosyć dziwne, bo wymiana trwa dwie minuty, tyle co tankowanie auta do pełna. Ale spośród 200 użytkowników Tesli, którzy dostali zaproszenie do wypróbowania programu wymiany baterii, skorzystało tylko pięciu. I żaden z nich nie wrócił. Zapewne fakt, że trzeba za to zapłacić więcej niż za ładowanie – a nawet tankowanie samochodu zwykłym paliwem – był kluczowy.

Jak odzyskać resztę

W systemie budowanym przez Muska ważna jest zmiana proporcji źródeł energii wykorzystywanej do napędzania samochodów i do ich budowy. Niektóre stacje ładowania, jak i fabryki Tesli korzystają z energii słonecznej – nawet jeśli tak generowana energia nie pokrywa całości zapotrzebowania, to w znacznej mierze zmienia proporcje z paliw kopalnych na energię odnawialną. Ale dodatkową zaletą aut elektrycznych jest też możliwość odzyskiwania energii.

Prawa fizyki są jednoznaczne: praca w układzie zachowawczym nie zależy od drogi. Innymi słowy, jeśli wracamy do punktu wyjścia, to praca jest zerowa. W transporcie nie mamy do czynienia z układami zachowawczymi z dwóch powodów: za sprawą oporów (tarcie, opór powietrza) i przez to, że energia kinetyczna jest tracona, bo nie potrafimy odwrócić cyklu paliwowego. Z tarciem i oporem powietrza niewiele jesteśmy w stanie zrobić. Ale zamiana energii kinetycznej w potencjalną w samochodzie z napędem elektrycznym jest możliwa. Na czym polega oszczędność?

Wyobraźmy sobie, że mamy portfel pełen banknotów stuzłotowych, ale gdy płacimy, nikt nigdy nie wydaje nam reszty – niezależnie od tego, czy kupujemy coś za 90 zł, czy za 90 gr. Złodziejstwo? Marnotrawstwo? Nieważne, jak to nazwiemy, trzeba sobie uzmysłowić, że w znakomitej większości przypadków tak działają pojazdy napędzane silnikami spalinowymi – energia wędruje tylko w jedną stronę, a gdy pojawia się okazja do zwrotu „reszty”, jest ona wyrzucana w błoto, a ściślej – w powietrze. W postaci ciepła.

Tymczasem silnik elektryczny może wytwarzać moment obrotowy po dostarczeniu prądu albo prąd po dostarczeniu momentu obrotowego. Czyli gdy dostarczamy prąd – przyspieszamy, ale możemy też hamować i odzyskać prąd. Podobnie z jazdą pod górkę – gdy wjeżdżamy, zużywamy prąd, gdy zjeżdżamy – odzyskujemy. Oczywiście nie całą energię – ostrzejsze naciśnięcie hamulca uruchamia hamulce tarczowe, gdzie energia kinetyczna zamieniana jest na tarcie, tarcie na ciepło, a ciepło się ulatnia. Ale i tak oszczędności są ogromne. Gdy porównać zużycie paliwa w toyocie avensis i hybrydowej toyocie prius, okaże się, że pomimo podobnych parametrów prius zużywa połowę tego, co avensis.

Właśnie samochody hybrydowe są niezłym rozwiązaniem problemu magazynowania energii potrzebnej w pojeździe. Dziś najpopularniejszym rozwiązaniem jest prądnica zasilana normalnym paliwem, gdzie auto łączy moc silników spalinowych z elektrycznymi za pomocą zmyślnych skrzyń biegów. Powoli jednak pojawiają się konstrukcje, w których paliwo służy do generowania energii elektrycznej, ta przekazywana jest do akumulatorów, a z akumulatorów do silników napędzających samochód.

Można się spierać, czy takie rozwiązanie jest lepsze od aut czysto elektrycznych, lecz jest to jedyny sensowny sposób zastosowania silników elektrycznych do napędzania samolotów.

Elektryczny… odrzutowiec?

Zwykłe akumulatory nie nadają się do zastosowania w samolotach z bardzo prozaicznego powodu – samolot, lecąc, zużywa paliwo i tym samym – na dłuższych dystansach – traci masę. Dlatego właśnie, gdy z jakiegoś powodu zaraz po starcie trzeba przymusowo lądować, pilot dokonuje zrzutu paliwa – inaczej konstrukcja wielu płatowców nie wytrzymałaby lądowania, bo byłyby one zbyt ciężkie. Baterie nie zmieniają masy wraz z rozładowaniem (a ściślej: nie zmieniają jej tak radykalnie, jak zbiorniki z paliwem). Gdy dodać do tego kwestię jednej dziesiątej pojemności energetycznej w stosunku do paliwa lotniczego, okaże się, że traci to sens. Nie ma sensu budować elektrycznego samolotu o zasięgu dziesięciokrotnie mniejszym niż w wersji klasycznej, i w dodatku zbyt ciężkiego, żeby bezpiecznie wylądować.

Ale można zbudować samolot hybrydowy, w którym mały silnik spalinowy napędza prądnice, a te dopiero silniki elektryczne napędzające wentylator, który pełni rolę analogiczną do turbiny klasycznego silnika odrzutowego. Prace nad takim samolotem prowadzi Airbus, a do tego powstaje cała flota różnych eksperymentalnych samolotów elektrycznych – od zasilanego wyłącznie energią słoneczną Solar Impulse, który prawdopodobnie w tym roku zakończy podróż dookoła świata, po E-Fan – malutki samolot Airbusa dowodzący, że silniki odrzutowe napędzane elektrycznie to nie fantastyka naukowa, tylko rzeczywistość.

Paradoksalnie przemysł lotniczy może wyprzedzić samochodowy. Bo jeśli samoloty hybrydowe staną się tak oszczędne jak auta hybrydowe, to linie lotnicze nawet przez chwilę nie będą się zastanawiać nad ich zakupem.

Elon Musk, naciskając na przyspieszenie przeskoku w stronę zrównoważonego transportu, wiedział, co mówi: przyszłością transportu jest napęd elektryczny. W przypadku kolei już króluje. Na drogach stawia pierwsze kroki. Ale wszystko wskazuje na to, że za kilkanaście lat silniki spalinowe zaczną być raczej ciekawostką kolekcjonerską niż napędem pojazdów. Choćby dlatego, że skończy się nam ropa – o ile tego doczekamy, bo według przywołanych przez Muska podczas inauguracji Tesli 3 wyliczeń sporządzonych na Massachusetts Institute of Technology, w samych tylko Stanach z powodu zanieczyszczeń spalinami umiera rocznie 53 tys. ludzi. ©

POLSKA W KWESTII SAMOCHODÓW ELEKTRYCZNYCH JEST NA SZARYM KOŃCU EUROPY. To, że jesteśmy w innym świecie, widać od razu, gdy spojrzy się na mapę punktów ładowania Tesli: najbliższy jest na Słowacji, gdy np. Norwegia czy Niemcy są takimi punktami usiane. Ponoć pierwsza polska stacja Tesla Supercharger ma zostać otwarta w tym roku.

Niewiele lepiej jest pod względem stacji ładowania innych samochodów. Największą siecią dysponuje koncern energetyczny RWE, który uruchomił ponad 30 punktów, głównie w Warszawie. Gdy dodać do tego koszt samochodu elektrycznego i konieczność zapłacenia za niego akcyzy (bo drogi znaczy luksusowy), jasne się staje, dlaczego nad Wisłą ich nie kupujemy, choć przecież za transport lubimy płacić mało – jesteśmy jednym z europejskich gigantów, gdy chodzi o samochody na gaz LPG, który jest przeszło dwa razy tańszy od benzyny.

Za to autobusy elektryczne stają się w Polsce coraz popularniejsze. Jeżdżą m.in. w Warszawie, Krakowie, Częstochowie, do zakupu przymierzają się Łódź i Białystok. Co więcej, Warszawa od 2025 r. nie będzie kupować innych pojazdów niż elektryczne. A polski Solaris produkuje takie autobusy nie tylko na nasz rynek. Jeżdżą one po Berlinie i Paryżu.

Także w kwestii samolotów elektrycznych Polska ma kilka słów do powiedzenia. Pierwszy polski motoszybowiec elektryczny, zbudowany wspólnie przez Politechnikę Warszawską i Politechnikę Rzeszowską, został oblatany w 2012 r. ©

Dziękujemy, że nas czytasz!

Wykupienie dostępu pozwoli Ci czytać artykuły wysokiej jakości i wspierać niezależne dziennikarstwo w wymagających dla wydawców czasach. Rośnij z nami! Pełna oferta →

Dostęp 10/10

  • 10 dni dostępu - poznaj nas
  • Natychmiastowy dostęp
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
10,00 zł

Dostęp kwartalny

Kwartalny dostęp do TygodnikPowszechny.pl
  • Natychmiastowy dostęp
  • 92 dni dostępu = aż 13 numerów Tygodnika
  • Ogromne archiwum
  • Zapamiętaj i czytaj później
  • Autorskie newslettery premium
  • Także w formatach PDF, EPUB i MOBI
89,90 zł
© Wszelkie prawa w tym prawa autorów i wydawcy zastrzeżone. Jakiekolwiek dalsze rozpowszechnianie artykułów i innych części czasopisma bez zgody wydawcy zabronione [nota wydawnicza]. Jeśli na końcu artykułu znajduje się znak ℗, wówczas istnieje możliwość przedruku po zakupieniu licencji od Wydawcy [kontakt z Wydawcą]
Urodzony w 1971 r. Dziennikarz naukowy, stały współpracownik „Tygodnika Powszechnego”. Absolwent Wydziału Matematyki, Informatyki i Mechaniki Uniwersytet Warszawski (kierunek matematyka). W latach 80. XX w. był współpracownikiem miesięcznika komputerowego „… więcej

Artykuł pochodzi z numeru TP 21/2016