Energia elektryczna stopniowa odkrywała przed ludzkością swoje tajemnice, a jej uniwersalność i niska cena sprawiła, że znajduje się wszędzie wokół nas. To jednak cena baryłki ropy decyduje o cenie wszystkiego dookoła, a jeśli przeanalizujecie swoje własne wydatki być może okaże się, że na ropę i pochodne (benzyna, taksówki, autobusy) wydajecie miesięcznie dwa razy więcej, niż na prąd (rachunki elektryczne, baterie). Nawet my, mieszkańcy pierwszego świata, zmuszeni jesteśmy polegać na ropie używając agregatów prądotwórczych, wszędzie gdzie brak infrastruktury elektrycznej, a w drugim i trzecim świecie rola ropy naftowej jest znacznie większa.
Prąd i transport
Ten przydługawy wstęp zmierza do tego, że elektryczność i cuda techniki jakie za nią stoją podlega od zawsze najpoważniejszemu ograniczeniu, jakim jest możliwość jej magazynowania. To, co było hamulcem w rozwoju tej technologii od 19 wieku, pozostało jej "wąskim gardłem" do dzisiaj. Szalony postęp technologiczny, którego jesteśmy świadkami sprawił, że urządzenia elektryczne w końcu stają się mobilne, a sam prąd zaczyna być wykorzystywany w napędach pojazdów. Tak naprawdę jednak od czasów akumulatorów kwasowo-ołowiowych (popularne samochodowe) oraz zwykłych, dostępnych w kioskach baterii nic się nie zmieniło. Serio. Samochody rodziców, nawet najstarszych z nas, miały takie same akumulatory jak te nówki sztuki prosto z salonu, a muzyka mono płynąca z radiomagnetofonu marki Kasprzak na baterie R16, wcale nie grała krócej, niż ta z przenośnego nowoczesnego głośnika bluetooth. Nawet samochodów elektrycznych (popularne Melexy) było wtedy więcej na ulicach niż teraz!
Przez 30 lat (tylko tyle pamiętam), zadziwiająco niewiele się zmieniło i problem magazynowania energii elektrycznej pozostał niezmiennie poważnym.
Gdyby w końcu nastąpił jakiś przełom w dziedzinie akumulatorów, pojazdy elektryczne zdominowałyby naszą rzeczywistość w ciągu dekady. Dlaczego?
CCC, czyli cena czyni cuda
Nie wnikając w szczegóły techniczne i źródło pochodzenia energii elektrycznej, warto przeliczyć na szybko koszty poruszania się pojazdami spalinowymi i skonfrontować je z tymi elektrycznymi. Jeśli założymy, że małe autko miejskie potrzebuje 15 kWh żeby przejechać 100 km to przy cenie 0,60 gr za 1 kWh wychodzi nam 9 zł (auta duże i sportowe zużywają do 30 kWh/100km ale z drugiej strony można je ładować w taryfie nocnej za połowę ceny). Jeśli skonfrontujemy to ze spalającym 5l/100km benzyniakiem wychodzi nam 5x4,3=21,5 czyli ponad 2 razy więcej. W taryfie nocnej schodzimy poniżej 5 zł za 100km. Działa na wyobraźnię. Prawda?
Mniej znaczy więcej, czyli prościej to taniej
Przewaga prądu nad ropą naftową w praktyce sprowadza się do przewagi silnika elektrycznego nad spalinowym. Silnik elektryczny jest prostszy. Dramatycznie prostszy. Nie ma tłoków, układów smarowania i chłodzenia, zaworów, przewodów paliwowych czy układu zapłonu. Jeśli zaglądając pod maskę potraficie wypatrzeć rozrusznik/alternator to macie jak na dłoni różnicę w wielkości i stopniu komplikacji silników. W pojeździe elektrycznym całą tą rozgrzaną i warczącą masę metalu można zastąpić prostym silnikiem elektrycznym. Silnik taki jest nie tylko mały, ale przede wszystkim prosty technicznie, dzięki czemu wybitnie mało awaryjny i tani. Jedyne elementy mechaniczne to wałek osadzony na paru łożyskach. To te łożyska oraz szczotki stanowią elementy podlegające zużyciu i ewentualnej wymianie.
Z kronikarskiego obowiązku wspomnę także o tym, że silniki elektryczne są cichsze, bezwonne, nie wymagają smarowania i skomplikowanego chłodzenia w dodatku nie wibrują. Spod maski naszego samochodu znika więc smrodzący i rozgrzany układ wydechowy, chłodnica z układem chłodzącym, system olejowy, wszystkie wytłumienia komory silnikowej czy maski, gumy mocujące silnik itp.
Producenci poszli w zasadzie o krok dalej. Nie tylko opróżnili komorę silnika. Pozbyli się także systemu przekazania napędu. Po co wał, po co osie skoro zamiast jednego dużego silnika można zastosować 2 lub nawet 4 małe silniki umieszczone tuż przy kołach?
Elastycznie i dynamicznie
Druga ogromna przewaga to elastyczność. Podczas gdy sposób oddawania mocy silnika spalinowego podlega sporym ograniczeniom w przypadku elektrycznego jest praktycznie liniowy. Przy niskich obrotach silnik spalinowy jest słaby i nieefektywny (spala proporcjonalnie więcej paliwa na jednostkę uzyskanej z niego mocy). Dopiero po osiągnięciu odpowiedniej liczby obrotów silnik pracuje optymalnie (ma najwyższy moment obrotowy) i najwydajniej. Ta efektywność ponownie jednak spada po wkręceniu go na wyższe obroty. Nie brzmi to zbyt strasznie, ale zakres używalnych obrotów w silnikach samochodowych jest tak niewielki, że przeciętny samochód potrzebuje aż pięciu różnych przełożeń w skrzyni biegów oraz sprzęgła żeby samochodem dało się jeździć, zarówno 10 jak i 250 km/h. Ile przełożeń potrzeba w silniku elektrycznym? Jednego. Zamiast całej skomplikowanej skrzyni biegów mamy jedno stałe przełożenie z silnika na koła, a maksymalny, niemały moment obrotowy mamy dostępny od 0 do 2000 obrotów/s. A przecież elastyczność to nie tylko prostota techniczna. To także ogromna frajda z cieszącego się pełnym, nie przerywanym zmianami biegów ciągiem silnika od zera do prędkości maksymalnej.
Jedno, mocne depnięcie wystarczy żeby przeciążenie wgniotło nas w fotel i trzymało nieprzerwanie aż do końca. Jazda elektrykiem pozwala zapomnieć o sprzęgle, biegach i prędkości ekonomicznej. Taką frajdę dają tylko drogie, bezstopniowe, automatyczne skrzynie biegów…
Co z hamowaniem?
Dużo mniej oczywistą zaletą silników elektrycznych jest możliwość odzyskiwania mocy przy hamowaniu. Jak wiecie cała energia potrzebna na rozpędzenie klasycznego samochodu do prędkości przelotowej przy każdym hamowaniu, ucieka bezpowrotnie w klocki i tarcze hamulcowe oraz w asfalt i opony. Tymczasem hamując silnikiem eklektycznym ten sam układ działa jak prądnica i sporo energii kinetycznej wraca do akumulatorów. Oszczędzamy nie tylko na prądzie, ale także rzadziej wymieniamy klocki hamulcowe. Niektóre urządzenia (deskorolki elektryczne, seagwaye lub "hoverboardy" wcale nie mają klasycznych układów hamulcowych opierając się w pełni na hamowaniu układem napędowym. W praktyce elektrykiem warto jeździć płynnie. Unikanie gwałtownego hamowania umożliwia odzyskanie znaczącej ilości energii.
Wady, w zasadzie jedna
Po tych peanach na cześć silników elektrycznych czas na łyżkę lub w zasadzie całą chochlę dziegciu. Wiecie już, że mowa o magazynowaniu energii czyli rzecz upraszczając o akumulatorach. Od lat niezmiennie problem jest ten sam. Nie ma technologii pozwalającej na budowanie tanich i lekkich akumulatorów. Różne technologie magazynowania energii mają różne cechy, ale generalnie zawsze chodzi o stosunek ceny do ich wagi i pojemności. Uprzedzając Wasze uwagi, traktowany często osobno parametr jakim jest ograniczona trwałość akumulatorów traktuję jako parametr cenowy. Jeśli po 5 latach muszę wymienić akumulatory, stanowiące połowę lub większą część ceny pojazdu to nie jest to problem techniczny lecz najzwyczajniej kwestia kosztów.
Wracając do tematu. Technologia nie daje nam tu jakiegoś większego wyboru - akumulatory wydajne są drogie a te tańsze maja ogromną wagę i objętość. Obecnie ogniwa polimerowe (odmiana litowo-jonowych) dają najlepszy wśród rozwiązań konsumenckich stosunek wydajności do masy/objętości. Niestety ich cena jest tak wysoka, że stosuje się je tylko w drogiej elektronice użytkowej i w urządzeniach, dla których masa jest kluczowa (drony, modele zdalnie sterowane). Koszty są naprawdę wysokie. Podczas gdy bateria do telefonu kosztuje min. 50 zł, akumulator do popularnego drona DJI Phantom to już koszt 600 zł, a i tak dron polata na tym maksymalnie 25 minut.
Co z samochodami? Komplet ogniw dla Nissana Leaf (jeden z najsensowniejszych elektryków na naszym rynku) to koszt ok. 20 000 zł. Problem w tym, że tam jest tylko 24 kWh, co umożliwia zasięg na poziomie 100-150 km. W aucie o zasięgu 500 km (np. niektóre modele Tesli) sam koszt ogniw może swobodnie przekroczyć 100 000 zł!
Żeby w pełni zrozumieć wagę problemu weźcie pod uwagę, że takie ogniwa trzeba wymieniać a ich sprawność z czasem spada. Przywołany Leaf Nissana ma co prawda gwarancję 5 letnią na akumulatory, ale producent uznaje je za wadliwe i podlegające wymianie dopiero jeśli po 5 latach ich sprawność spadnie poniżej 66%! Nowym Leafem możecie przejechać od 100 (zima z ogrzewaniem) do 200 km (tryb eko w lecie bez klimy i szaleństw). Pięcioletnim przejedziecie od 70 do 120 maksymalnie i to dla Nissana będzie zupełnie normalne! Gwoli sprawiedliwości trzeba przyznać, że w praktyce nie jest tak źle. Nissan bynajmniej nie wymienia baterii masowo, a przewidywany 20% spadek sprawności akumulatorów po 5 latach wydaje się dość rozsądny.
Cena/zasięg/waga
Te wszystkie cechy akumulatorów trzeba niestety rozpatrywać holistycznie. Auto o zasięgu 500 km kosztuje 400 000 zł (Tesla S 85W), a same baterie ważą ponad 800 kg. Są auta dużo tańsze (Leaf kosztuje 130 000 zł), ale z zasięgiem 150 km ich użyteczność jest, łagodnie rzecz ujmując ograniczona.
A zasięg zasięgowi nie równy
To ile uda nam się przejechać na pełnym ładowaniu zależy od tak wielu czynników, że dla nowego użytkownika długo po zakupie jest to niezmiennie niespodzianką. Przywołany wcześniej Leaf potrafi przejechać w trasie 200 km, jednak nawet testujący nowe egzemplarze potrafili wyczerpać akumulator już po 80 kilometrach. To jak się jeździ, jaka jest pogoda na zewnątrz, czy pracuje klima - to wszystko odbija się na zasięgu. Najgorzej jest w zimie. Nie tylko sprawność akumulatorów jest dużo niższa z powodu niskiej temperatury – ponieważ silniki elektryczne nie grzeją się nawet w części tak bardzo jak spalinowe, ogrzewać kabinę trzeba prądem (są już dostępne rozwiązania z pompą ciepła, ale o tym kiedy indziej). Ogrzewanie potrafi o 30% zwiększyć zużycie prądu o tyle samo ograniczając zasięg!
A przecież mowa o nędznych 150 km. Jeśli jeździcie w zimie, a auto ma już parę lat może się okazać, że 100 km zasięgu stanie się nieosiągalne...
Czas to pieniądz, czyli światełko w tunelu
Wobec braku przełomu w pojemnościach, cenach i wadze akumulatorów producenci skupiają się na ostatnim parametrze, czyli czasie ładowania. Zupełnie słusznie, ponieważ to czas ładowania staje się w wielu sytuacjach kluczowy dla użyteczności urządzeń akumulatorowych.
Malutki akumulatorek Bosha do zakrętarki (10,8V 1,3 Ah) potrzebuje 15 min aby osiągnąć 70% naładowania i zapewnić parę godzin pracy podczas, gdy wspomniany akumulator Phantoma ładuje się w 70 minut (do ciągłej pracy drona musicie mieć 3 sztuki, za bagatela 1800 zł). Podobnie jest z telefonami - popularna ostatnio opcja Quick Charge, pozwoliła wielu osobom na rozstanie się z powerbankami.
Co z pojazdami? Bardzo podobnie jak z telefonami. Do elektryka nie kupimy powerbanka (choć nie widzę przeszkód, żeby zapasowy akumulator wozić w bagażniku, a słyszałem historię o gościu wożącym mały agregat prądotwórczy (sic!)). Mały elektryk ładuje się mniej więcej 8-10 godzin. Ograniczeniem jest tutaj obciążenie sieci 230V - w Polsce dostępne 16A teoretycznie pozwoliłoby skrócić ten czas do 6h. W praktyce jednak jedyny sprawdzający się system to podłączanie samochodu na noc. Samochód, którym można zrobić tylko 100 km dziennie? Na razie tak wygląda rzeczywistość.
Na ratunek jednak nadciągają szybkie ładowarki. Słyszeliście o Superchargerze od Tesli? Jego odpowiednikiem jest standard CHAdeMO. Ładowarki tego systemu pozwalają naładować do 80% akumulatory w 30 minut! Takie stacje ładujące postawione pod marketami pozwalają zrezygnować z nocnego doładowywania samochodu. Te obok McDonaldów umożliwiają robienie dowolnie długich tras pod warunkiem, że regularnie róbcie sobie przerwy na kawę. Tak podobno działa to na zachodzie i jest to najprostszy i najtańszy sposób na obejście największej wady elektryków. Szczególnie, że ładowanie takie jest najczęściej za darmo.
Zejdźmy jednak na ziemię i wróćmy do naszej, nieco zapyziałej części Europy. W Polsce to nie działa. "Publicznych" ładowarek jest bodajże 6 w całym kraju, przy czym rozmieszczone są w ten sposób, że jeździć tak da się tylko między Katowicami a Krakowem. Napisałem publiczne w cudzysłowie ponieważ pierwotnie publiczne ładowarki, stawiane przy salonach Nissana szybko okazały się ładowarkami dostępnymi, co prawda za darmo, ale wyłącznie dla właścicieli samochodów tej firmy. Ja z Opola jeszcze mógłbym pokusić się o wycieczkę do grodu Kraka, ale przeciętny rodak może o takim dobrodziejstwie zapomnieć.
A gdyby tylko było takich ładowarek więcej…
Hit czy kit?
O sukcesie technologii decyduje zawsze cena. Konsumenci decydują portfelami, a tylko ich decyzje zakupowe mogą zapoczątkować reakcję łańcuchową, w wyniku której pojazdy elektryczne staną się popularne, a ich popularność spowoduje spadki cen. Na razie wygląda to bardzo źle.
Policzmy
Mały elektryk kosztuje 130 000 zł, a przejechanie 100km to 5 zł (ładujemy w nocnej taryfie). Fajny, lepiej wyposażony i ekonomiczny kompakt kosztuje powiedzmy 60 000 zł, a 100 km przejedziemy za 21 zł.
Rozpatrzmy okres 5 lat. Tyle lat trwa najczęściej amortyzacja samochodów w firmach i tyle lat powinno się dać przejechać elektrykiem bez potrzeby kosztownej wymiany baterii. Zresztą jeśli będziecie chcieli sprzedać furę to po 5 latach za obie weźmiecie w zasadzie tyle samo.
Jeśli jeździmy 50 km dziennie (czyli 90k w 5 lat), koszt wożenia tyłka na prądzie to 134500 zł, a na benzynie 78900 zł. Jak widać różnice w kosztach są koszmarne. Może za mało jeździmy?
Załóżmy, że przekraczamy fizyczne granice, stajemy na rzęsach i ładujemy auto także w pracy, w efekcie jeżdżąc 200 km dziennie. Elektryk kosztuje 148000 a benzyniak 135600 zł. Nadal jesteśmy mocno w plecy…
Nie chcę tego ciągnąć, bo liczyłem sobie już wielokrotnie – ilość przejechanych kilometrów przy jakich prąd zaczyna być tańszy, niż benzyna jest fizycznie dla aut elektrycznych nieosiągalna. A przecież porównujemy koszty samochodu, którym jeździmy ile chcemy, gdzie chcemy i kiedy chcemy oraz jago namiastki, która ograniczona zasięgiem, jeździ tylko po okolicy, a kosztuje grube setki złotych miesięcznie, nawet jeśli stoi w garażu (amortyzacja akumulatorów i ogromna strata na wartości).
Czy jest zatem sens zawracać sobie głowę pojazdami z napędami elektrycznymi? Jeśli chcielibyście zdecydować się na elektryka z przyczyn ekonomicznych, czyli dla pieniędzy, jednoznaczna odpowiedź brzmi nie. To się absolutnie i w żadnych okolicznościach nie opłaca.
Dlaczego więc ludzie kupują elektryki? W USA to pewnie moda oraz świetnie wykorzystane przez Teslę zalety energii elektrycznej, o których pisałem. Tesla to przecież rynek premium, a tam liczy się wszystko poza ceną. Swoją drogą, nie sądzicie chyba, że ktoś daje 400 000 zł za samochód dlatego, że jest ekonomiczny. W Europie zachodniej to państwo niejako zmusza obywateli do przesiadki z pojazdów spalinowych, ograniczając możliwość wjazdów do centrów miast lub stosując całkiem spore systemy ulg podatkowych. Dopiero takie bodźce finansowe, połączone z dostępną powszechnie infrastrukturą, pozwalają traktować samochody elektryczne poważnie.
Na szczęście powoli, ale jednak idziemy do przodu. Rozwój infrastruktury idzie jak krew z nosa, ale idzie. Samochody elektryczne też będą przecież tanieć, a nie drożeć. Jestem przekonany, że nawet obecne możliwości techniczne pozwolą niedługo elektrykom stanąć do równej walki z tradycyjnymi samochodami i już za parę lat będziemy mieli realny wybór pomiędzy obiema technologiami. Czy jazda na prądzie będzie tańsza? Raczej nie. Będzie za to czystsza, cichsza, ekologiczniejsza i przyjemniejsza. Nie wiem jak Wy, ale ja się nie mogę doczekać.
Artens / Shutterstock.com, Polski samochód elektryczny „Melex”, typ 212 Author = Paweł Grzywocz, Tesla, Mapa punktów szybkiego ładowania.