080119
Uważam,
że sceptycy i przeciwnicy samochodów elektrycznych, wyszukując
rzeczywiste i urojone wady tych maszyn, nie docierają do największej
wady samochodów – zarówno elektrycznych, jak i spalinowych,
ponieważ pojawienie się elektrycznego napędu ani na jotę nie
zmniejszyło największej wady samochodów i obecnego systemu
przemieszczania się.
Mój
samochód, przeciętnej wielkości i pojemności, waży 1250 kg,
zajmuje powierzchnię prawie ośmiu metrów kwadratowych i służy
zwykle jednej osobie do przemieszczania się. Rozpędza się ponad
tonę żelaza, żeby przewieźć sto kilo ładunku! Często mam
świadomość rozrzutności graniczącej z ekstrawagancją, skrajnej
nieekonomiczności.
Używa
się tego pojazdu w ciągu paruset godzin rocznie, czyli po
zsumowaniu może przez dwa tygodnie lub miesiąc, a całą resztę
roku stoi zajmując miejsce. W wielkich miastach zajmuje każdy
skrawek ulicy bez zakazów oraz specjalnie wybudowane garaże i
wyasfaltowane place, a przed centrami handlowymi zajmuje wielkie
parkingi i wielopiętrowe budynki parkingowe wybudowane ogromnymi
nakładami. Toniemy w hałdach opon, w stertach starych pojazdów
składanych na złomowiskach, w morzu zużytych płynów
samochodowych, a naszą Ziemię pokrywamy asfaltem i betonem.
Z
utylizacją pojazdów jest podobnie jak z akumulatorami: coś się
robi, ale mało. Może przepisy nie są wystarczające, może
kontrole zbyt liberalne, może brak finansowych zachęt ze strony
władz państwowych. Widziałem nowoczesną firmę, w której
specjalne maszyny rozdrabniają stare opony i oddzielają stalowe
nitki (do przetopienia w hucie), a z gumy robi się tam kółka do
jakichś wózków, ale też widziałem opony rzucone w lesie.
Ogromne
gałęzie przemysłu zatrudniające w skali świata setki milionów
ludzi i zużywające wielkie ilości cennych surowców (tutaj liczę
także wodę i powietrze) służą jednemu tylko celowi:
przemieszczeniu człowieka z jednego miejsca na drugie.
W
tym nowoczesna elektryczna tesla ani na krok nie wyprzedza
rozklekotanego starego mercedesa.
Co
w zamian? Nie wiem. Nie jestem wizjonerem, nawet trudno mi wyobrazić
sobie inne techniki. Chodzi mi po głowie system łatwego
wypożyczania pojazdów, jak teraz rowerów w dużych miastach, ale
znając wady ludzi, ich niedbałość o to, co nie ich, trudno mi
wyobrazić sobie dobre funkcjonowanie takiego systemu, a poza tym on
tylko zmniejszyłby ilość samochodów, zostawiając ich wady.
Słyszałem
wiele zarzutów wobec samochodów elektrycznych, wśród nich jeden
poważny, ten o akumulatorach. Fakt. We wszystkich, bez względu na
typ, są agresywne związki chemiczne. Skąd one w urządzeniu, które
ma gromadzić energię elektryczną? – może ktoś zapyta. Ponieważ
my w ogóle nie potrafimy gromadzić energii elektrycznej. Akumulator
w istocie jest zbiornikiem związków chemicznych, które ulegają
przemianie pod wpływem prądu, a proces tych zmian jest odwracalny,
to znaczy energia chemiczna może być z powrotem zamieniona w
energię elektryczną.
Więc
związki chemiczne są w każdym akumulatorze, także tym
najstarszym, powszechnie używanym akumulatorze ołowiowym. Nie dość,
że sam ołów jest szkodliwy, to jeszcze jest tam żrący, silny
kwas. Tak, akumulatory są problemem, ale możliwym do rozwiązania.
Chodzi o ustawy nakazujące utylizację, ale w odpowiedni sposób.
Myślę tutaj o pełnym odzyskaniu większości, albo i wszystkich
materiałów użytych do produkcji, co jest możliwe, chociaż może
nie teraz. Nie wiem, czy były robione badania porównawcze ilości
zużytego powietrza, energii, materiałów, etc., w produkcji
silników spalinowych i późniejszej ich eksploatacji, a silników
elektrycznych, baterii akumulatorów i produkcją prądu.
Przypuszczam jednak, że już teraz korzystniej jest używać prądu
nie paliwa ropopochodnego, a w bliskiej przyszłości różnica in
plus wzrośnie. Przypuszczenie opieram na żywotności akumulatorów
używanych w teslach: gwarancja jest na osiem lat, są już
poświadczone przebiegi paru setek tysięcy kilometrów i na tej
podstawie przewidywane ich funkcjonowanie do około 800 tys km przy
zużyciu na poziomie 20%. To przebieg, którego nie osiągnie przez
całe swoje życie większość silników spalinowych, które nim
padną zużyją setki lirów płynów, więc też chemii, i filtrów,
pasków, etc, czyli ponownie chemii z energią. Natomiast prawidłowo
wykonany indukcyjny silnik elektryczny jest niemal wieczny, skoro dla
niego milion kilometrów nie jest żadnym wyczynem; przebieg podałem
nie na podstawie informacji o żywotności samochód elektrycznych,
bo tyle jeszcze nie przejechały, a na podstawie doświadczeń z
wielu lat eksploatacji tego rodzaju silników. W nim po prostu nie
bardzo ma co się psuć. To genialna konstrukcja.
Jeszcze słów parę o gromadzeniu energii elektrycznej.
Jak wspomniałem, akumulatory zamieniają ją w energię chemiczną, nie przechowują energii elektrycznej w stanie czystym. Znamy jedno urządzenie zdolne ją gromadzić bez przemian: to kondensator. Prosty element powszechnie używany w urządzeniach elektronicznych, ponieważ dzięki swojej zdolności gromadzenia energii używany jest do wyrównywania pulsacji napięć. Ma wielkie zalety: ładuje się błyskawicznie i dobrze znosi szybkie rozładowanie, czyli branie z niego dużego prądu, a ich konstrukcja jest bardzo prosta.
Typowy kondensator jest wielkości paluszka, duży wielkości małej puszki pepsi, kosztuje parę złotych, ale ich pojemności, czyli zdolność gromadzenia w sobie energii, jest o wiele rzędów wielkości za mała, żeby można było zasilać silnik samochodu na dystansie setek kilometrów. Potrzebne są tutaj badania, których chyba nikt do tej pory nie robił, ponieważ w elektronice tak ogromne pojemności kondensatorów nie są potrzebne.
Po tej dygresji wracam do porównania samochodu spalinowego i elektrycznego.
Poza składem surowcowym i późniejszą utylizacją akumulatorów, cała
reszta argumentów przeciw „elektrykom” jest co najmniej dziwna.
Na przykład że zużywają opony i klocki hamulcowe. Tak, te
samochody opony zużywają dokładnie tak samo jak pojazdy spalinowe,
właściwie nawet więcej, ponieważ są cięższe, chociaż już
zużycie elementów systemu hamulcowego jest dużo mniejsze, ponieważ
samochody elektryczne w znacznej mierze hamują silnikiem, a dzieje
się to inaczej niż przy znanym wszystkim kierowcom hamowaniem
silnikiem spalinowym.
Parę
zdań wyjaśnienia.
W
przewodzie znajdującym się w ruchomym polu magnetycznym (albo
poruszającym się w stałym polu) wytwarzany jest prąd. Tak
działają prądnice, trzeba jednak wiedzieć, że gdy już w
przewodzie pojawi się prąd, pojawia się też pole magnetyczne
wokół niego. Mamy wtedy dwa pola magnetyczne: pierwsze, wytwarzane
w zwojach drutu stojana, i drugie, wokół przewodów zamontowanych w
wirniku. W prądnicy pola te działają względem siebie tak, jak
przyciągające się bieguny zwykłych magnesów. Im większy jest
prąd, tym silniejsze pola i tym trudniej pokręcić wirnikiem,
ponieważ ten „trzymany” jest tymi polami siłowymi. Tak samo z
przyciągającymi się magnesami: im będą bliżej (lub będą
mocniejsze), tym ciężej będzie nam je utrzymać.
Ilekroć
widzę w firmie spalinowy generator prądu, zwraca moją uwagę
dysproporcja w wymiarach: wielki, huczący silnik diesla napędza
trzy razy mniejszą od niego cichą prądnicę. Ale też wiem, że
gdy z tej prądnicy weźmie się duży prąd, diesel, mimo swojej
wielkości i mocy, zadudni i zaryczy skrajnie obciążony. Cóż
właściwie tak go obciąża? Pola magnetyczne hamujące obracanie
się prądnicy tym silniej, im więcej prądu z niej wypływa.
Powszechnie
wykorzystuje się ten fakt w samochodach elektrycznych. System
sterowania tak dobiera prąd wypływający z silnika zamienionego w
chwilach hamowania w prądnicę, żeby ten z odpowiednią siłą
hamował pojazd. Prąd w tym czasie wytworzony ładuje akumulatory, a
będzie on tym większy, im szybciej zwalniamy, czyli mocniej
hamujemy. Owszem, trwa to krótko, pojedyncze sekundy, ale prąd jest
wtedy bardzo duży, więc parę kilowatogodzin się nazbiera przy
jeździe ulicami miasta.
Więc pole magnetyczne nie tylko napędza pojazd, ale i go hamuje, zatem kloski i tarcze hamulcowe będą zmieniane zapewne raz na parę lat.
Reasumując:
samochód elektryczny jest mniej szkodliwy i żywotniejszy od
spalinowego, ale panaceum na bolączki komunikacji nie jest.
Rozwinę
jeszcze sygnalizowany w poprzednim tekście temat przebudowy systemu
energetycznego, przy okazji pokazując pożytki z praktycznego
zastosowania tych paru wzorów, jakie starałem się obłaskawić dla
czytelników.
Jak
policzyć zapotrzebowanie na prąd przy założeniu, że wszystkie
samochody będą elektryczne? Uważam, nota bene, że za 30 albo 40
lat tak właśnie będzie. Trzeba ustalić ile jest samochodów i ile
przejeżdżają kilometrów w ciągu roku, oraz ile potrzebują
energii na przejechanie kilometra.
Samochód
tesla zużywa 0,2 kWh na dystansie kilometra i na tym przykładzie
poprzestanę, ponieważ te samochody wyprzedziły konkurentów i jako
jedyne są produkowane w dużych ilościach. Strona newsweek’a
podaje ilość 599 samochodów na 1000 mieszkańców, czyli razem
22,7 mln; na innej stronie mowa jest o 15 mln ubezpieczonych
samochodów (a sporo większą ilość wszystkich) i taką liczbę
przyjmę, ponieważ jeśli ktoś płaci ubezpieczenie, to zapewne
jeździ samochodem. Średni roczny przebieg tych samochodów, tutaj
też myszkowałem trochę po internecie, przyjmę na poziomie 20 tys
km. Mamy już wszystkie dane wejściowe.
Skoro
przebieg roczny wynosi 20 tysięcy km, to dzienny 55 km przy zużyciu
11kWh energii (0,2kWh razy 55km).
Dzienne
zużycie energii wyniesie zatem 15 000 000 samochodów razy 11kWh =
165 000 000 kWh.
Wielkie
zbiory danych mają wyraźną cechę wyrównującą skrajności. W
odniesieniu do tych obliczeń oznacza to, że ktoś może przejeżdżać
średnio dziennie 10 km albo jeszcze mniej, inny 250 km, jeszcze inny
wyjeżdżać będzie raz na tydzień ale dla przejechania tysiąca
kilometrów, jednak w statystycznym ujęciu średnia wyniesie 55km.
To samo dotyczy pory dnia i czasu ładowania akumulatorów. Żeby
załadować do akumulatora zużytą energię 11kWh, wystarczy
gniazdko domowe i czas paru godzin. Niech będzie ośmiu, chociaż
przyjęty czas nie zmienia tutaj ostatecznego wyniku, ponieważ wynik
nie od czasu ładowania zależy, a od ilości energii. Więc trzecią
część doby akumulatory będę ładowane, czyli w każdej chwili
doby w kraju ładowałoby się 5 mln samochodów, każdy mocą 1,4 kW
(11kWh podzielić przez 8h), co razem daje 7 000 000 kW, czyli 7GW
(gigawatów). Wynik uzyskany z pomnożenia ilości samochodów przez
moc ładowania każdego z nich.
Dokładnie
taki sam wynik uzyska się zakładając ładowanie całodobowe, czy
szybkie ładowanie w specjalnych punktach ładowania, ponieważ ile
razy zmniejszy się czas ładowania, tyle razy zwiększy się
potrzebna moc, a wtedy w odpowiedniej proporcji zmieni się ilość
jednocześnie ładowanych samochodów. Wynik będzie taki sam także
wtedy, gdy założy się, iż właściciele ładowali akumulatory
codziennie, jak i co pięć dni, ponieważ o zapotrzebowaniu na moc
decyduje zużycie jednostkowe, ilość samochodów i ich dzienny
przebieg, a nie okoliczności ładowania.
Więc
7GW. Tyle mocy pobierałyby w każdej chwili wszystkie samochody
osobowe używane w Polsce, gdyby miały elektryczny napęd.
Największa
obecnie elektrownia w Polsce ma moc 5,5 GW.
Wniosek
oczywisty: aby zapewnić prąd do samochodów przy założeniu
powszechności ich używania, trzeba będzie budować wielkie
elektrownie i znacznie rozbudować system przesyłania energii.
Ta
największa elektrownia to Bełchatów, największy w Polsce i w
Europie truciciel, elektrownia opalana węglem brunatnym. Budowa
drugiego Bełchatowa nie jest możliwa w obecnych czasach, pora więc
zwrócić oczy na… atom. Jeśli już o tym piszę zauważę, iż
nie wykorzystujemy należycie możliwości wody, co prawda
niewielkich w naszym kraju, ale jednak istniejących. Elektrownie
wodne są zapewne równie kosztowne w budowie jak węglowe, ale
pracują bez kominów. Ta sama uwaga dotyczy wiatraków i paneli
słonecznych. Trzeba jednak mieć świadomość skali potrzeb, do
których dodać jeszcze należy dalekie plany oświetlenia głównych
polskich dróg. Wszystkie wiatraki, turbiny wodne i panele razem
wzięte nie zapewnią tak wielkich ilości energii.
Słowo
wyjaśnienia o jednym z czynników zwiększających ostateczny wynik.
Chodzi o sprawność operacji ładowania akumulatorów. Żeby
akumulator został w pełni naładowany, trzeba zużyć nieco więcej
energii niż wynosi jego pojemność, ponieważ operacja ta nie ma
stuprocentowej sprawności, czyli po prostu ładowane akumulatory
tracą troszkę energii grzejąc się. Doliczyć trzeba kolejne kilka
procent.
Czy
jestem fanem tesli? Nie. Jestem fanem napędu elektrycznego, a w
tesli to i owo nie podoba mi się. Nie jestem też zwolennikiem
elektrowni atomowych z podobnych powodów, dla których nie jestem
zwolennikiem używania silników spalinowych. Mimo całego
wyrafinowania technologicznego, silnik spalinowy nadal jest
prymitywny, co wynika z samej idei jego działania. Gdy patrzę na
dziesiątki rurek, zbiorniczków, złączek, pasków, całego tego
oprzyrządowania, w istocie widzę rezultat stuletnich prób
uczynienia konstrukcji jako tako sprawnej mimo wielkiej wady
wrodzonej. Nawet uwierzyliśmy w nasze wysiłki, zachłystując się
wyrafinowanym wyposażeniem garnka do spalania paliwa, którego
pokrywa kłapie podnoszona spalinami i jej ruch napędza nasz pojazd.
To tak, jakbyśmy gęsie pióro oprawiali w złoto, wyposażyli w
mikroprocesor i przechowywali w eleganckim etui wierząc, że dzięki
tym zabiegom mamy idealny przyrząd do pisania.
Z
drugiej strony mamy prawo materii, prawo tego świata: wzajemne
przyciąganie lub odpychanie się pól magnetycznych. I to wszystko.
Bez paleniska i dymu, bez zębatek, wałów, wtrysków i tłoków.
Podobnie
widzę współczesne elektrownie atomowe: wielce rozbudowana i w
wyrafinowany sposób nadzorowana konstrukcja, w której ciepło
reakcji jądrowych ogrzewa wodę czyniąc z niej parę, a ta napędza
łopatki turbiny, czyli odmiany silnika parowego. Ten z kolei napędza
prądnicę. Tak jak w przypadku silnika spalinowego, jest tutaj
połączenie współczesnego wyrafinowania technologicznego z
prymitywizmem. Silnik parowy zasilany reaktorem jądrowym!
Nie
potrafimy w sposób bezpośredni uzyskać energii elektrycznej z
procesów atomowych, więc musimy posiłkować się silnikiem
parowym. Niewiele przesadzę gdy powiem, że ta technologia
przypomina wbijanie gwoździa laptopem.
Z
najnowszym procesorem, oczywiście.
Jednak
na „atomy”, jak i na „elektryki”, jesteśmy skazani i nasze
wybrzydzanie nic tu nie zmieni. Dla zobrazowania skali potrzeb jeden
tylko przykład z ogniwami słonecznymi. Dane panelu wziąłem ze
strony www.baltic-energy.pl
Żeby
było jak najkrócej: jeden panel o powierzchni 1,7 metra kw wytworzy
rocznie 250 kWh. Czy to dużo? Wystarczy do całorocznego (bez
wyłączania) świecenia się trzech ledowych żarówek średniej
wielkości (przyjąłem łączną ich moc 30W). Tyle trzeba do
dobrego oświetlenia większego pokoju. Taka ilość energii kosztuje
około 140 zł.
Hektar
ogniw (kwadrat o boku 100 m) wytworzy 1 500 000 kWh, czyli 1500 MWh
rocznie, a gdy cały kilometr kwadratowy zastawimy ogniwami, rocznie
mieć będziemy 150 000 MWh. Skoro rocznie tyle, to dziennie 410 MWh,
czyli 410 000 kWh. Pamiętacie, ile dziennie zużywałyby samochody
elektryczne? Przypomnę: 165 mln kWh. Żeby uzyskać taką moc z
ogniw, należałoby ustawić je na powierzchni 402 kilometrów
kwadratowych. Zajęłyby kwadrat o boku 20 kilometrów. Hmm, w sumie…
czemu nie?
Wolałbym
400 km naszego kraju pokryć ogniwami niż budować wielką
elektrownię jądrową, ale… Poważne ale. Ogniwa dają prąd gdy
świeci słońce, elektrownia całą dobę. Magazynować energię?
Potrzebne byłyby gigantyczne, nierealnie gigantyczne, baterie
akumulatorów. Ogniwa słoneczne są dobre i potrzebne jako źródło
prądu w domach. Może dzięki nim trzeba będzie postawić jeden lub
dwa reaktory jądrowe mniej.
Na
koniec ważna dla mnie uwaga: nie opieram swoich poglądów (ani
obliczeń) na treści paru przeczytanych artykułów w internecie, a
na własnych wieloletnich obserwacjach i przemyśleniach, lub na
długich chociaż amatorskich studiach – jak na przykład w
przypadku ewolucji. Natomiast elektryki uczyłem się w szkole i
wiedzę tę często wykorzystuję i pogłębiam w pracy.