O motoryzacji i o samochodach elektrycznych

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.