Jazda dzisiejszymi pojazdami elektrycznymi znacząco nie różni się od przejazdu pojazdami spalinowymi. A jak to wygląda w praktyce? Dziś inaczej, bo bardzo technicznie o pojazdach elektrycznych, ale też wodorowych.
Wcześniej było inaczej, a spowodowane to było tzw. rozruchem oporowym. Dodajmy - wymieniony to rodzaj rozruchu, gdy prąd elektryczny między źródłem, a silnikiem regulowany był poprzez włączanie w obwód oporników. W pojazdach szynowych stosowane były mniej lub bardziej zawansowane nastawniki. W pojazdach kołowych - ze względu na potrzebę swobodnego operowania kołem kierownicy - znajdował się pedał jazdy, ale był on wystopniowany, a dłuższa jazda na jednej pozycji nie była możliwa. Powód - na silne nagrzewanie się danego oporu, a wraz ze wzrostem prędkości silnika opór ten musiał maleć, ze względu na rosnący opór silnika na przepływ prądu. Wymagało to od kierującego pewnej wiedzy i umiejętności w operowaniu takim napędem.
Od dobrych 20 lat w pojazdach elektrycznych sterowanie odbywa się metodą impulsową ze stabilizacją prądu względem prędkości. Dziś pedał przyspieszenia w operowaniu niczym nie różni się od stosowanego w pojeździe spalinowym. Kierujący może nawet w pierwszej chwili nie zauważyć, różnicy, gdyż współczesne autobusy spalinowe mają automatyczną skrzynię biegów, sterowaną takim samym lub bardzo podobnym manipulatorem, jak w pojazdach elektrycznych, jazda do przodu - do tyłu. Kolejna ważna sprawa to świadomość odzyskiwania energii przy hamowaniu.
W pierwszych latach historii motoryzacji pojazdy elektryczne miały przewagę, były prostsze, lecz szybko przegrały z powodu dużej masy, małego zasięgu, długiego ładowania. Dziś szybko powracają, ale problemy pozostały, na szczęście w zasadniczo mniejszym formacie.
Co reaktywowało elektromobilność? Przede wszystkim potrzeby ekologiczne, drogę przetarły nowoczesne akumulatory, które średnio są trzy razy mniejsze i lżejsze, w stosunku do ich przodków używanych wtedy baterii kwasowych, lub zasadowych. Dodatkowo we współczesnych bateriach kilkanaście razy zwiększyła się bezpieczna, ciągła moc pobierania i ładowania względem pojemności. Pojawiły się baterie kwasowe o pojemności „C”, które mogą bezpiecznie oddawać energię w sposób ciągły o wielkości średnio 0,3 x C, a ładowane mogą być energią ciągłą maksymalnie 0,1- 0,2 x C. Tak przy współczesnych bateriach wielkość mocy ładowania i rozładowywania podczas pracy, może spokojnie wynosić od 4 do 6 x C, a chwilowo nawet 50 x C.
Jak to wygląda dziś? Dokonajmy małej analizy na przykładzie autobusu przegubowego, elektrycznego, a przede wszystkim wyjaśnijmy sobie co to jest gęstość energii. Przy projektowaniu pojazdu postawiono pytanie, czy ma wozić większą liczbę pasażerów, czy baterie. Oczywiście postawiono na pasażerów. Wobec takiej decyzji zasięg pojazdu to zaledwie 100 km. Obrazowo - energia ta zajmuje 5 skrzyń o podstawie europalety, wysokości około 40 cm i masie ok. 450 kg. Ten sam zasięg w pojeździe tzw. dieslu to ok 60 litrów paliwa. A taki zbiornik z powodzeniem mieściłby się pod jednym z siedzeń i ważyłby niecałe 60 kg.
Widok otwartej jednej ze skrzyń ogniw akumulatorów (fot. ze zbiorów Autora)
Kolejny problem - ładowanie. Całkowita pojemność baterii omawianego pojazdu to około 150 kWh (kilowatogodzin). Ładowanie poprzez przewód to moc, która może wynosić do 120 kW. Zaznaczmy - lecz jest ograniczona np. na zajezdni autobusowej do ok 50 kW. Powód - przy dużej liczbie pojazdów na jej terenie w sumie wymagałoby to ogromnej mocy. Można zatem łatwo obliczyć, że ładowanie zajmie ponad 3 godziny (150kWh/50kW=3h).
Natomiast w przypadku ładowania przez pantograf czas ładowania spada do 30 minut. Wyjaśnię - tu dopuszczalne są moce do 400 kW, lecz praktycznie jest to ograniczone do ok 300 kW. Ze względu na ograniczenie mocy w terenie lub z powodu względów temperaturowych, łatwo policzyć, że czas ładowania wyniesie właśnie ponad 30 minut (150kWh/300kW=0,5h). Dlaczego napisałem „ponad 30 minut”? Otóż po osiągnieciu 85% moc ta maleje, ze względu na duże napięcie jakie by występowała na bateriach co skracało by ich żywotność. Należy pamiętać, że postawienie ładowarki 300-400kW nie jest proste, gdyż w danym miejscu może nie być takiej mocy. Np. zwykły czajnik elektryczny to co najmniej 2 kW, a zatem powiedzmy - mamy tu około 180 czajników. Przydzielona średnia moc na przeciętny budynek jednorodzinny to ok do 15 kW mocy, czyli ten punkt ładowania to około 25 domów, czyli mała wioska.
Pojazdy elektryczne to etap przejściowy, do pojazdów wodorowych? Zdecydowanie nie powinno tak propagować takich ocen. Przecież nie da się przewidzieć przyszłości. Ta prawda dotyczy także baterii elektrycznych. One nigdy do końca nie będą lekkie i małe w stosunku do pojemności, wynika to z fizyki, prąd to ruch elektronów i ich różnica potencjałów, jeśli ładunek i pojemność ma być duża, muszą to być materiały o dużej gęstości.
Autobus wodorowy, co to tak dokładnie jest. Są dwa rozwiązania, wodór jako paliwo do silnika spalinowego, lecz ta technologia ze względu na dużą temperaturę spalania jest trudna do poskromienia i tym aspektem nie będę się teraz zajmował. Pragnę napisać o wodorze jako paliwie do ogniwa, które wytwarza prąd elektryczny.
Wodór ma najlepszą gęstość energii, z 1 kg wodoru można uzyskać 40 kWh, a z 1 kg baterii około 0,25 kWh. Niestety, wodór ma dużą objętość. Jest bardzo lekki i aby nie zajmował zbyt dużo miejsca trzeba go sprężyć od 300-700 barów, a to już strata energii na sprężanie. Można go skroplić, czyli schłodzić do - 250 stopni C. Tu też potrzebna jest energia, ale objętość zmniejszy się 600 razy. Poza tym z skąd wziąć ten wodór, dodajmy, że musi być on bardzo czysty, by nie uszkodzić ogniwa wodorowego. Uzyskiwanie wodoru z elektrolizy jest nie opłacalne, chyba że mamy duże fermy wiatraków, lub paneli fotowoltaicznych, wtedy metoda elektrolizy będzie najlepsza do rozwiązania pod względem ceny baterii, objętości (po sprężeniu) i gęstości.
Inna metoda to gazowanie węgla, zamiast go wydobywać. Lecz niestety na razie wszystko słabo się rozwija i nie wszędzie jest zielone światło na tę technologię, dlatego dziś wychodzi jeszcze za drogo. Warto pamiętać, ze pojazdy elektryczne, ze względu, że ogniwo wodorowe nie lubi zbyt często przerywać prace i zmieniać swoja wydajność, pracuje jednostajnie. Każdy taki pojazd posiada też niewielką baterię taką jak elektryki w celu buforowania energii z ogniwa wodorowego, lub w przypadku potrzebnego piku mocy np. przy przyśpieszaniu, oraz odzyskiwaniu energii przy hamowaniu. Można więc śmiało powiedzieć, że autobusy wodorowe to normalne pojazdy elektryczne, z niewielką baterią i własnym generatorem prądu, w postaci ogniwa wodorowego. Czas tankowania autobusu na 450 km wynosi 15 minut.
Widok miejsca kierowcy i podstawowych zegarów w autobudie elektryczym (fot. ze zbiorów Autora)
Widok miejsca kierowcy i podstawowych zegarów w autobusie wodorowym (fot. ze zbiorów Autora)
Na powyższych fotografiach wyraźnie widzimy, że - powiedzmy to skrótowo - elektryk i wodór to dla kierowcy to samo.
Ile to kosztuje? Sam zakup pojazdu elektrycznego jest dwukrotnie droższy w porównaniu do jego spalinowego odpowiednika. Należy dodać, że tak zwany współczynnik wykorzystania taboru w pojeździe elektrycznym jest nieco mniejszy, ze względu na czas potrzebny na ładowanie. Mimo to komunikacja lokalna regularna jest znacznie bardziej mierzalna, gdyż porusza się w systemie z góry zaplanowanym, co do czasu i ilości kilometrów. Niestety zmienna jest też bardzo cena prądu, zależy zatem gdzie ładujemy. W prywatnym gospodarstwie cena za kWh waha się do 80 gr. W niektórych ładowarkach dla samochodów osobowych potrafi dojść prawie do 3 zł za kWh. Trudno tu coś wyliczyć.
Średnio dla autobusu miejskiego:
Diesel - 55 l/100 km x 7,30 zł/l= ok. 400 zł/100 km
Elektryczny - 130 kWh/100 km x np. 2 zł/kWh = ok. 260 zł/100 km
Wodór - 8 kg/100 km x 12,85 Euro x 5 zł = ok. 520zł /100 km
Jak widać na razie wodór wychodzi drożej od diesla, z powodu braku dostępności infrastruktury i nierozwiniętego systemu produkcji wodoru.
Rafał Andziak, wykładowca, instruktor nauki jazdy, Miejskie Zakłady Autobusowe Sp. z o.o. (Warszawa)
