Elektromobil a reálne využitie v praxi

S elektromobilmi alebo ak chcete s vozidlami, ktoré vyzerajú ako konvenčné automobily, ale namiesto spaľovacieho motoru ich poháňa výlučne elektromotor sa v poslednom čase roztrhlo vrece. No uznajte sami:

Chevrolet Cruze

Elektrickou energiou poháňaný Cruze sa od klasického modelu na pohľad nelíši, zachovaný ostal aj batožinový priestor. Batérie na pohon vpredu umiestneného elektromotoru sú uložené pod podlahou a majú kapacitu 31 kWh. Elektromotor zrýchli auto z pokoja na rýchlosť 100 km/h za 8,2 sekundy, najvyššia rýchlosť auta je 165 km/h. Dojazd automobilu na jedno nabitie by sa mal pohybovať okolo 160 km. Nabíjanie prostredníctvom klasickej 220 V zásuvky trvá 8 až 10 hodín.

Kia Venga

Kórejská Kia predstavila v Ženeve elektrickú verziu modelu Venga označenú ako EV. Elektromotor poskytne výkon 80 kW a krútiaci moment 280 Nm. Z 0 na 100 km/h akceleruje za 11,8 sekundy a maximálna rýchlosť je 140 km/h. Energiu dodávajú Li-Ion batérie s kapacitou 24 kWh ukryté na dne batožinového priestoru. Stopercentné dobitie batérií trvá osem hodín, na osemdesiat percent kapacity by ich malo byť možné napumpovať za menej ako hodinu. Udávaný dojazd Kia Venga EV je 180 km.

Tesla Motors(www.teslamotors.com)

Výrobok TESLY MOTORS s názvom Tesla Roadster je poháňaný Li-ion „batériami z notebooku“, disponuje akčným rádiusom asi 350 km a akceleráciou z 0 na 100 km za 3,9 s. Toto auto nechá za sebou skoro každý športový voz so spaľovacím motorom, s turbom, či bez neho a bez ohľadu na druh paliva. Interiér Roadstera si môžete prehliadnuť TU. Batéria Tesla Roadsteru pozostáva z 6800 Li-ion článkov a váži 450 kg.

Tesla chystá aj novinku v podobe  sedemmiestneho sedanu Model S s cenou približne 37 tisíc €, teda asi polovicu ceny Roadstera. Model S zrýchli z 0 na 100 km/hod  za 5,6 s a dojazd sa predĺži až na 300 míľ (takmer 482 km). V takomto okruhu už nebude problém zohnať elektrickú zástrčku a „natankovať“. Štyridsaťpäťminútové rýchlonabíjanie sa dá zrealizovať počas obedňajšej prestávky, takže Tesla Model S určite poslúži aj na dlhších trasách.

Audi A2 a R8 e-tron

Popasovať sa s ďalekým dojazdom automobilu na elektrickú energiu prišla dvojica nemeckých firiem DBM Energy a Lekker Energie. Ich elektricky poháňané Audi A2, dokázalo vďaka novým akumulátorom prejsť až 600 kilometrov na jedno nabitie. Upravené Audi A2 zvládlo na jediné nabitie trasu Mníchov – Berlín s priemernou rýchlosťou 90 km/h. V Berlíne ešte stav nabitia stále vykazoval takmer dvadsať percent. A2 teda ľahko pokorilo všetky ostatné elektromobily založené na sériových automobiloch. Tajomstvom je nová technológia v batériách, označovaná menom Colibri. V čom presne spočíva firmy neprezradili. Lítiovo-metalicko-polymérové batérie však s ňou ponúkajú podstatne vyššiu kapacitu, na druhej strane sa hmotnosť znížila až o 40%. Otázkou však zostáva cena použitých akumulátorov, ktorá by sa mohla stať prekážkou v ich väčšom nasadení.

Nadupaná R-osmička obsahuje až štyri motory. Dva vpredu a dva za zadnou nápravou. Takže trocha iné Quattro, na aké sme u bežných modeloch Audi zvyknutí. Spolu dávajú výkon 230 kW a krútiaci moment nepredstaviteľných 4500 Nm! Aby sa však zachovali špičkové jazdné vlastnosti tohto kupé, k predným kolesám smeruje 30 a k zadným 70 percent hnacej energie. Zdrojom energie sú lítium-iónové batérie s kapacitou až 42 kW/h a hmotnosťou 470 kg. Tie vraj stačia na prekonanie vzdialenosti približne 248 km. Pri športovom štýle jazdy budete však asi musieť „tankovať“ podstatne skôr. Veď e-tron vážiaci 1600 kg akceleruje z 0 na 100 km/h za 4,8 sekundy, čo je len o dve desatiny dlhšie ako klasická R-osmička. Maximálna rýchlosť je obmedzená na 200 km/h. Výrobca uvádza, že z bežnej elektrickej siete dobijete túto elektrickú strelu za 6 až 8 hodín, ale pri napätí 400 V sa doba skráti na asi 2,5 hodiny.

Ako vidíme, ponuka elektromobilov je pomerne slušná, stačí si len vybrať. Avšak ani minulosť nebola pre elektromobily úplne zatratená. Spomeňme najznámejšie: Peugeot 104 predstavený ešte v roku 1975 alebo GM EV1 predstavený v roku 1996. Bohužial, ich éra skončila skôr ako sa vlastne začala a napríklad vozidlá GM EV1 nechala automobilka skoro všetky zošrotovať. Ako to celé v skutočnosti prebiehalo si môžete pozrieť napríklad v TOMTO dokumente.

Prvé počiatky výroby elektromobilov sú takmer totožné so zahájením výroby vozidiel so spaľovacím motorom a v roku 1899 vznikol prvý elektromobil, ktorý bol schopný pokoriť vtedy pôsobivú rýchlosť 100 km/h. Napríklad v roku 1900 elektromobily tvorili väčšinu predaja nových osobných vozidiel v Spojených štátoch a v roku 1902 vznikol elektromobil Torpedo Kid firmy Baker Electric, ktorý dokázal fujazdiť až 167 km/h. Bohužial, toto obdobie bolo pre elektromobily nadlho jediným úspešným obdobím, pretože onedlho začali víťaziť na celej čiare spaľovacie motory. Prečo tomu tak bolo a myslím si, že aj ešte neurčite dlhý čas bude si skusíme vysvetliť v nasledujúcich riadkoch.

Každý motor teda aj ten na elektrinu potrebuje energiu. A tú treba niekde skladovať. V klasickom automobile so spaľovacím motorom je uložená v nádrži vo forme benzínu, nafty alebo LPG. V prípade elektromobilu je uložená v akumulátoroch a v tom je hlavný kameň  úrazu. Súčastné akumulátory málo akumulujú, pritom sú veľmi objemné, ťažké a zároveň ich doplnenie na maximum trvá niekoľko hodín (obyčajne 8 a viac). Naproti tomu konvenčné automobily dovoľujú uloženie veľkého množstva energie do v porovnaní s akumulátormi malého balenia s tým, že jej doplnenie trvá iba minútu možno dve. Bohužiaľ, problém s uložením elektrickej energie trápi elektromobily od ich počiatku a napriek neodiskutovateľnému pokroku je ich kapacita stále veľmi malá.

Bohužiaľ aj čísla, ktoré uvádzajú výrobcovia sú velmi otázne a pohybujú sa skôr v teoretickej rovine. Uvediem príklad: Kia Venga: obsahuje elektromotor o výkone 80 kW a krútiacom momente 280 Nm. Energiu dodávajú Li-Ion batérie s kapacitou 24 kWh, udávaný dojazd Kia Vengy EV je 180 km. Kapacita akumulátorov nám hovorí, že plne nabité dokážu po jednu hodinu živiť odber motora vo výške 24 kW, popr. po polhodinu živiť odber vo výške 48 kW atď. Takže akých 180 km dojazdu? To by ste museli ísť priemerne 60 km/hod približne 3 hodiny a výkon motora by bol desatinný z nominálnej hodnoty, teda 8 kW. Inými slovami, pri naozaj opatrnej jazde, kedy budete takmer určite brzdou v prevádzke je to teoreticky možné. Samozrejme neuvažujeme o zapnutí rôzneho elektrického  príslušenstva. Každý si to už dokáže predstaviť v porovnaní s klasickým automobilom, o aké sebazaprenie ide. Pritom do klasickej Vengy natankujete 40 litrov nafty a vozíte sa bez obmedzenia stovky a stovky kilometrov. Prečo tomu tak je?  Skusíme si porovnať koľko tej energie a o akej hmotnosti pojme klasický automobil a koľko elektromobil.

Pripomenieme si zopár faktov z chémie:

• výhrevnosť benzínu: 42,7 MJ / kg
• výhrevnosť nafty: 41,9 MJ / kg
• hustota benzínu: 725 kg/m3
• hustota nafty: 840 kg/m3

Teraz z fyziky:

• Joule (J) = [kg * m2/s2]
• Watt (W) = [J / s]
• 1 MJ = 0,2778 kWh

Energia je schopnosť konať prácu, meriame ju v jouloch (J), kilowathodinách (kWh). Práca (mechanická) sa prejaví zmenou energie v pohyb telesa, má rovnaké jednotky ako energia. Výkon vyjadruje množstvo práce vykonanej za jednotku času, základnou jednotkou je Watt (W).

Z uvedeného je zrejmé, že napr. benzín ponúka pri výhrevnosti 42,7 MJ / kg a hustote 725 kg/m3 energiu vo výške 8,60 kWh na liter alebo 11,86 kWh na kilogram.

Ak si vedľa toho postavíme súčastné akumulátory, ktoré sa dnes do elektromobilov montujú, napr. lítium-iónové, ich kapacita je necelý 0,1 kWh na kilogram (ďalej pre zjednodušenie uvažujme s 0,1 kWh). Konvenčné palivá poskytujú v rovnakej hmotnosti viac ako stokrát viac energie. Uznáte, že to je obrovský rozdiel. Ak si to rozoberieme na drobné, tak napríklad Chevrolet Cruze s kapacitou akumulátorov 31 kWh vezie energiu, ktorá sa zmestí do necelých 2,6 kilogramov benzínu alebo ak chcete objemovo cca 3,5 litra benzínu.

Poviete si, ako je možné, že sa elektromobil vôbec rozbehne, a nie že ešte bude mať energiu na viac ako 100 km dojazd. Dôvod je jednoduchý. Elektromotor je oveľa efektívnejší čo sa týka premeny uloženej energie na mechanickú. Bežne by mal dosahovať 90% účinnosť, naproti tomu účinnosť spaľovacieho motora je okolo 30% u benzínového a 35% u naftového motora. Preto si elektrický motor na poskytnutie rovnakého výkonu vystačí s oveľa menším množstvom akumulovanej energie.

Po vyhodnotení zjednodušeného výpočtu vychádza, že z litra benzínu dokážeme získať približne 2,58 kWh mechanickej energie, z litra nafty 3,42 kWh a z kilogramu Li-ion akumulátora 0,09 kWh. Rozdiel to teda už nie je viac ako stonásobný, ale len približne tridsaťnásobný. Už je to lepšie číslo, avšak realita stále nie je ružová. Pre príklad si uveďme športovú Audi R8. Pri hmotnosti 470 kg jej plne nabitých akumulátorov zodpovedá ich energia 16,3 litrom benzínu alebo len 12,3 litrom nafty. Zjednodušene prepočítané, ak by sme teda chceli napr. v Audi A4 2,0 TDI s kapacitou nádrže 62 litrov nafty voziť rovnaké množstvo energie v akumulátoroch, zaťažili by vozidlo približne 2350 kg. Zatiaľ teda nič moc a svetlá budúcnosť elektromobilov sa pomaly stráca v ďiaľke. Veľa o celkovej efektivite použitia elektromobilu v praxi napovedia aj niektoré pripravované produkty automobiliek. Konkrétne hybridné vozidlá. Keďže zelená lobby je neúprosná, musia automobilky stoj čo stoj niečo „zelené“ produkovať.  Na trhu už síce hybridy existujú napr. Toyota Prius alebo Honda Inside avšak ich dojazd na čisto elektrický pohon je smiešny. V prvom prípade cca 2 km (v najnovšom vyhotovení sa zvýšila „až“ na 20 km) a v druhom prípade Honda na čisto elektrický pohon ani neťukne. Napriek masívnej reklame a zázračnej spotrebe, však prax ukázala, že zatiaľ im to natrie kadejaký bluemotion (econetic a pod) v podstate s konvenčnou technikou.

Nedávno však Audi predsa len prišlo s niečim reálnejším, a to s vozidlom A1 e-tron. Vozidlo už nie je rýdzim elektromobilom, ale hybridom. S naoko smiešnymi 12 kWh kapacity 150 kg akumulátorov, spolupracuje generátor v podobe motora Wankel, ktorý ma energiu v podobe benzínu uloženú v dvanásťlitrovej nádrži. Ak u moderného motora typu Wankel predpokladáme rovnakú účinnosť ako u bežného piestového benzínového motora (30%), potom jeho 70 kg spolu s 9 kg (12 l) benzínu znamená ekvivalent 31 kWh uložených v akumulátoroch. Teda 79 kg motora a nádrže = 387,5 kg akumulátorov (počítané v mierkach Audi A1 e-Tron). Keby sme chceli zväčšiť palivovú nádrž o 9 litrov, mali by sme k dispozícii už 62 kWh. A takto by sme mohli pokračovať. Malo by to však jeden háčik. Nejednalo by sa už „zelené“ vozidlo. Takže tu je názorne vidieť, že elektrický pohon je zatiaľ skôr o nutnom chcení a masívnej reklame ako o skutočne výhodnom použití.

Pri všetkých tých negatívach má elektromobil aj nespochybniteľné výhody. V bežnom vozidle máte spaľovací motor, ktorý je sám o sebe dosť zložitým mechanickým prvkom. Jeho výkon musíte nejako dostať na kolesá a deje sa tak väčšinou cez mechanickú alebo automatickú prevodovku. V ceste ešte stojí jeden či viac diferenciálov, niekedy aj kardan a rad poloosí. Samozrejme vozidlo musí aj brzdiť, motor musí byť chladený a táto tepelná energia uniká bez úžitku do okolitého prostredia ako zvyškové teplo.

Elektromobil je oveľa účinnejší a jednoduchší. Neobsahuje žiadne prevodovky, rozvodovky, kardany a poloosi, zabudnite aj na motor vpredu, vzadu alebo uprostred. Neobsahuje žiaden chladič, teda ani chladiacu kvapalinu a tiež žiadny štartér. Elektromobil má výhodu v možnosti umiestniť motory priamo v kolesách. A zrazu máte dokonalú štvorkolku, ktorá dokáže každé koleso poháňať úplne nezávisle na ostatných. Preto pri elektromobile nebude žiadny problém poháňať len jedno koleso, tiež sa dá navoliť a zvládnuť optimálne rozloženie výkonu pre prejazd zákrutou. Každý z motorov dokáže byť aj brzdou, opäť úplne nezávislou na ostatných kolesách, ktorá premení aspoň časť kinetickej energie späť do tej elektrickej. Z toho vyplýva, že klasické brzdy budú oveľa menej zaťažované. Motory dokážu prakticky kedykoľvek a bez otáľania dodať maximum dostupného výkonu. Ich efektivita premeny  energie uloženej v batériách na pohybovú energiu je okolo 90%, čo je oproti konvenčným motorom približne trikrát viac. Preto ani zďaleka nevytvárajú toľko zvyškového tepla a netreba ich zložito chladiť. Na toto všetko stačí iba dobrý hardvér, riadiaca jednotka a slušný programátor.

Čo dodať na záver? Sám som osobne veľký fanúšik elektromobilov a neustále sledujem, čo nové sa v tejto oblasti deje. Realita je však taká, že pokiaľ sa nevyrieši problém ohľadom kapacity a rýchlosti nabíjania akumulátorov, nevidím reálne používanie elektromobilov ružovo, obzvlášť v našich končinách. Faktom ostáva, že za sto rokov sa kapacita pôvodných olovených akumulátorov zväčšila zhruba na dva a polnásobok. Aby sa reálne začali kapacitou elektromobily približovať ku konvenčným automobilom, museli by akumulátory zmenšiť svoju hmotnosť aspoň na desatinu. To znamená, že spomínaná Audi R8 e-tron by musela mať uložených 42 kWh nie v 470 kg, ale v 47 kg. Tiež čas nabíjania by sa musel skrátiť. 8 hodín je naozaj veľa. Ale nezúfajme. Vývoj v oblasti nanotechnológii kráča naozaj míľovými krokmi a možno nás naozaj čakajú v blízkej dobe zázraky.

Na záver priložím ešte jednu zaujímavosť. Existuje už aj solárna „tankovacia“ stanica.

Toyota Industries Corp (TIC) vyvinula solárnu nabíjaciu stanicu pre elektromobily a plug-in hybridné vozidlá. Stanica je napojená aj do elektrickej siete, takže solárne panely s výkonom 1,9 kW predstavujú skôr doplnkový zdroj energie. S použitím autonómneho (solárneho) zdroja energie dokáže nabíjacia stanica poskytnúť maximálny výkon 110 V AC/1,5 kW, pri zapojení do siete ponúka maximálne 220 V AC/3,2kW.

Nevyužitá elektrická energia zo solárnych panelov sa ukladá do akumulátorov, ktoré dokážu uchovať 8,4 kWh pre neskoršie využitie. Možné je aj recipročné dodávanie elektriny do rozvodnej siete, alebo napájanie príslušenstva stanice. Dobíjacie stojany použité v rámci stanice majú zabudovanú komunikačnú technológiu schopnú identifikovať vozidlá, resp. ich majiteľov pomocou čipových kariet.