Co napędzi auta za 10–15 lat
Hybrydowy, elektryczny, wodorowy – o zaletach i wadach różnych technologii oraz szansach dla Polski mówi prof. Marek Brzeżański, kierownik Katedry Pojazdów Samochodowych Wydziału Mechanicznego Politechniki Krakowskiej
W ostatnim szczycie kryzysu energetycznego, gdy ceny paliw na stacjach przebijały 10 zł, wydawało się, że nic nie powstrzyma szybkiego zmierzchu pojazdów spalinowych. Dziś, gdy benzyna znów kosztuje w okolicach 6 zł, ten zmierzch wyraźnie się opóźnił…
Cena paliw silnikowych nie może stanowić podstawy do prognozowania rozwoju motoryzacji, ponieważ jest ona wypadkową wielu czynników, głównie finansowych i politycznych. Cena i dostępność surowca, koszty transportu i przeróbki stanowią zwykle tylko do 60 proc. finalnej ceny paliw dostępnych dla kierowców.
To jak długo jeszcze pojedziemy na benzynie, oleju, LPG?
Tempo transformacji zależy głównie od czynników geopolitycznych. Bezemisyjne źródła napędu najwcześniej pojawią się na masową skalę w najbogatszych i najbardziej zaludnionych miejscach świata, bo tam polityczną i ekonomiczną koniecznością stało się zagwarantowanie obywatelom zdrowych i bezpiecznych warunków życia. Nowe źródła najpóźniej zobaczymy w ubogich krajach Trzeciego Świata. Bardzo wiele zależy tu też od rodzaju zastosowania…
Czyli?
Zmiana obejmie w pierwszym rzędzie pojazdy osobowe i dostawcze eksploatowane w największych aglomeracjach miejskich. Dla ciężkiego transportu, transportu morskiego i lotniczego nie mamy jak dotąd rozsądnej alternatywy w stosunku do silników spalinowych. To samo dotyczy pojazdów wojskowych – czego przykładem są ostatnie zdarzenia w Ukrainie.
To jaką perspektywę mają przed sobą napędy spalinowe?
Sądzę, że jest to od kilku do kilkunastu lat, w zależności od rynku i regulacji prawnych. W sektorze ciężkiego transportu i napędu maszyn budowlanych czy wydobywczych zmiany są znacznie wolniejsze, mówimy zapewne o jednym pokoleniu; silniki spalinowe są tutaj nadal rozwijane, głównie w celu zwiększenia sprawności przetwarzania energii oraz neutralności środowiskowej. W przypadku napędów spalinowych do aut osobowych bazuje się na dotychczasowych osiągnięciach.
Która z technologii wydaje się dziś najbardziej prawdopodobnym alternatywnym rozwiązaniem dla znanych dotąd napędów spalinowych?
Preferowany obecnie system elektrycznego napędu pojazdów, w którym energia jest czerpana z baterii akumulatorów elektrycznych, ma ogromne ograniczenia. Bez przełomu w dziedzinie magazynowania energii elektrycznej i szybkości odnawiania zasobu energii w akumulatorach ten system obejmie jedynie małe samochody miejskie. Ogromny potencjał rozwojowy tkwi w wodorze jako nowym nośniku energii w transporcie. Tu jednak musimy jeszcze rozwiązać problem łatwego, taniego i bezemisyjnego pozyskiwania wodoru.
A jaka będzie w najbliższych latach rola napędów hybrydowych?
To ewolucyjne rozwiązanie pozwalające zracjonalizować eksploatację silnika spalinowego. Wprowadzenie tzw. obiegu Atkinsona oraz znaczne uniezależnienie warunków pracy silnika od umiejętności kierującego spowodowało wyraźne zwiększenie sprawności przetwarzania energii w stosunku do konwencjonalnych układów napędowych. Największą zaletą hybrydowego układu napędowego jest możliwość odzysku energii hamowania. Docelowo jednak taki układ stanowi tylko fazę przejściową do pełnej elektryfikacji źródeł napędu.
Na jakim etapie jest rozwój napędów elektrycznych? Czy – w świetle tego, co pan wcześniej o nich powiedział – mają szansę zdominować motoryzację w ciągu dekady?
Po początkowym wzroście, obecnie rozwój elektrycznych układów napędowych nieco spowolnił, głównie za sprawą braku przełomu w magazynowaniu energii elektrycznej. Problemem pozostaje tu także dostęp do strategicznych surowców niezbędnych do produkcji akumulatorów, takich jak: lit, kobalt, nikiel. W świecie globalnej niepewności, po doświadczeniach pandemii i wojny, wiemy już, że tak kluczowa produkcja nie może być obarczona czynnikami geopolitycznymi. Ponadto musimy pamiętać, że radykalne zwiększenie liczby takich pojazdów wymaga zapewnienia ogromnej ilości energii elektrycznej i systemu jej przesyłu. Co więcej – powinna to być energia uzyskiwana z odnawialnych, bezemisyjnych źródeł – w pełni dostępna dla przeciętnego użytkownika.
W polskim miksie energetycznym ponad dwie trzecie energii elektrycznej wciąż pochodzi z węgla…
No właśnie. Równie istotny jest czynnik cenowy. Polacy kupują od lat głównie samochody używane, właśnie z uwagi na koszt zakupu pojazdu. Cena detaliczna auta z napędem elektrycznym musi być zatem dostosowana do możliwości finansowych przeciętnego użytkownika. Zarazem większość użytkowników oczekuje, że taki pojazd będzie miał zasięg i osiągi przynajmniej zbliżone do obecnie stosowanych rozwiązań. Jak dotąd żaden z wymienionych warunków nie został spełniony.
Ale przecież producenci chwalą się coraz większymi zasięgami swoich aut.
Proponuję zrobić bilans realnych zysków i strat. W mojej opinii na obecnym etapie rozwoju technologii powinno się preferować małe pojazdy o zasięgu rzędu 120–150 km, używane w ruchu miejskim z baterią o małej masie i możliwością szybkiego doładowania. Współcześnie oferowane pojazdy o dużym zasięgu są wyposażone w duże i ciężkie baterie powodujące większy wydatek energetyczny na rozpędzanie pojazdu. Z jednej takiej baterii można zasilać cztery lub pięć samochodów miejskich.
To co jest najlepszym rozwiązaniem dla pojazdów o dużym zasięgu?
Ogniwo paliwowe zasilane wodorem. Można je z powodzeniem stosować w większych pojazdach osobowych, pojazdach ciężarowych, autobusach, pojazdach szynowych i transporcie morskim. W tym przypadku nie ma problemu zasięgu.
W wielu krajach elektromobilność rozwinęła się na znacznie większą skalę niż w Polsce. Czy to oznacza, że jesteśmy skansenem w cywilizowanym świecie?
Obecnie elektromobilność odnosi sukcesy tylko w bogatych krajach, w których użytkownicy mieszkają we własnych domach i mają ciągły dostęp do sieci energetycznej, np. w nocy. W krajach, w których większość ludzi mieszka w budynkach wielorodzinnych, niezbędna jest całkowita przebudowa sieci dystrybucji energii. Kogo na to stać? Wymaga to także zapewnienia ogromnej ilości energii elektrycznej ze źródeł bezemisyjnych i odnawialnych. Ten problem nigdzie nie został rozwiązany. Stosowane dziś powszechnie OZE to głównie fotowoltaika oraz siłownie wiatrowe. Pod tym względem Polska nie ma dobrego położenia, a regulacje prawne nie sprzyjają rozwojowi. Kompromisowym rozwiązaniem może być energia atomowa, lecz budzi ona sporo kontrowersji i ze względów technicznych jest to dość odległa perspektywa. Problem infrastruktury dla nowych źródeł napędu jest poważny, ponieważ dotyczy wielu aspektów.
Mimo niewielkiej liczby pojazdów z nowego typu napędami mamy problemy z dostępem do ładowarek elektrycznych, wodoru czy też niedostatecznie rozwiniętą sieć serwisową… Brakuje fachowców, wiedzy.
Na wielu polskich uczelniach technicznych zmieniane są programy nauczania, by uwzględnić nowe wyzwania. Dla przykładu Politechnika Krakowska dysponuje już teraz takimi pomocami naukowymi, jak: pojazd z napędem hybrydowym, wodorowe ogniwo paliwowe, stanowiska badawcze z hybrydowymi i wodorowymi układami napędowymi. W niektórych przypadkach wspomaga nas przemysł, czego przykładem jest współpraca z Toyotą, od której dostajemy pomoce naukowe lub np. do dyspozycji model Mirai napędzany wodorowymi ogniwami paliwowymi. Ta wielka zmiana wymaga jednak czasu oraz dużych środków finansowych.
Jak bardzo są zaawansowane prace nad pojazdami z napędem wodorowym? Czy to jest dobre rozwiązanie dla całej motoryzacji, czy też sprawdzi się jedynie w pewnych obszarach, np. w komunikacji zbiorowej?
Wykorzystanie wodoru jako nowego nośnika energii w transporcie jest bardzo obiecującym rozwiązaniem. Po pierwsze, to paliwo nie jest obarczone geopolitycznie, ponieważ wodór możemy produkować w każdym miejscu na kuli ziemskiej, gdzie mamy dostęp do wody i energii elektrycznej. Podczas zasilania wodorem znika problem zasięgu pojazdu, a jego eksploatacja nie obciąża środowiska. Ogniwa paliwowe możemy stosować w pojazdach kołowych, szynowych, w transporcie morskim oraz jako napęd maszyn budowlanych. W praktyce ten typ źródła napędu, ze względu na dość złożoną konstrukcję, powinien być preferowany w większych pojazdach osobowych oraz we wszelkiego typu pojazdach użytkowych, szynowych oraz w maszynach przemysłowych.
Czy któraś ze znanych technologii jest na tyle obiecująca, że możemy w niej, jako Polacy, szukać szansy na niezależność energetyczną i surowcową?
Polska należy do największych w Europie producentów akumulatorów elektrycznych wykorzystywanych do napędu pojazdów. Produkcja ta odbywa się, niestety, przy bardzo małym własnym wkładzie intelektualnym i materiałowym, a ponadto nie wzmacnia krajowej gospodarki, tylko uzależnia ją od dalekowschodnich koncernów. Dość duża szansa dla naszego kraju powstaje natomiast wraz z rozwojem technologii wodorowych i tu należy szukać pola działania. Polska jest wprawdzie liczącym się na świecie producentem wodoru, ale jest to wodór wytwarzany z paliw kopalnych, niosący za sobą ślad węglowy. Należy niezwłocznie ułatwić funkcjonowanie elektrowni wiatrowych oraz fotowoltaiki i jak najszybciej wprowadzić wodór do gospodarki, jako istotny nośnik energii. Poza transportem sprawdza się on doskonale w przemyśle (np. w hutnictwie) oraz w energetyce cieplnej.
Czy mogą się pojawić jeszcze jakieś inne rozwiązania od wyżej opisanych?
Nie ma obecnie takich, które można by zastosować w skali globalnej. Natomiast dużej szansy na pozytywną zmianę upatruję w ewolucji struktury transportu. Moim zdaniem powinniśmy kłaść większy nacisk na transport zbiorowy. Obecne środki transportu indywidualnego zajmują duży obszar naszej przestrzeni życiowej, obciążają środowisko i są bardzo energo- i materiałochłonne, a powierzchnia Ziemi oraz zasoby surowców mają skończoną wielkość.
Podstawowe wady i zalety znanych źródeł napędu
W pojazdach hybrydowych największą zaletą jest racjonalizacja eksploatacji silnika spalinowego oraz możliwość odzyskania części energii hamowania. Przekłada się to na zmniejszone zużycie paliwa oraz emisji toksycznych składników spalin. Wadą są większe koszty produkcji w stosunku do rozwiązań konwencjonalnych oraz bardziej złożona konstrukcja.
Największą zaletą elektrycznego układu napędowego jest brak emisji w miejscu eksploatacji, cicha praca, dobre osiągi, prosta budowa i możliwość odzysku części energii hamowania. Wady to: duża masa, ograniczony zasięg, długi czas ładowania i ograniczony dostęp do ładowarek, słaba sieć serwisowa oraz problemy z bezpieczeństwem eksploatacji (np. pożary). Problemem jest także produkcja akumulatorów z surowców obciążonych geopolitycznie oraz utylizacja baterii.
Zaletą systemu napędowego z wodorowymi ogniwami paliwowymi jest możliwość wykorzystania we wszystkich kategoriach pojazdów oraz maszyn. Nie występuje praktycznie ograniczenie zasięgu, a czas tankowania jest zbliżony do istniejących rozwiązań. Korzystamy także z odzysku części energii hamowania. Problemem jest obecnie duży koszt ogniw paliwowych, wynikający głównie z zastrzeżeń patentowych oraz tanie i ekologiczne pozyskiwanie wodoru.
Najbardziej istotną barierą rozwoju elektrycznych lub wodorowych układów napędowych jest niedobór energii elektrycznej pozyskiwanej z odnawialnych źródeł.
Zbigniew Bartuś
Materiał chroniony prawem autorskim - wszelkie prawa zastrzeżone.
Dalsze rozpowszechnianie artykułu za zgodą wydawcy INFOR PL S.A. Kup licencję.