Jeszcze kilkanaście lat temu, gdy pierwsze samochody elektryczne wjeżdżały na ulice miast, były traktowane jako ciekawostka, a ich zasięg i praktyczność budziły wiele wątpliwości. Dziś przy rosnącej świadomości ekologicznej i wsparciu rządów dla zielonych technologii pojazdy elektryczne szybko zyskują popularność, a ich technologia rozwija się w tempie, które może zadziwiać nawet największych optymistów.
Wprowadzenie przepisów ograniczających emisję spalin w wielu krajach świata działa jak katalizator dla tej transformacji, a producenci samochodów prześcigają się w oferowaniu coraz to nowszych i bardziej zaawansowanych modeli od miejskich hatchbacków przez luksusowe sedany, dynamiczne SUV-y, aż po elektryczne autobusy i ciężarówki. Oferta pojazdów elektrycznych rozszerza się, aby zaspokoić potrzeby każdego segmentu rynku. To nie tylko ciche i zeroemisyjne pojazdy osobowe, ale także skutery, motocykle, a nawet elektryczne rowery, coraz częściej wybierane przez świadomych użytkowników na całym świecie.
Zgodnie z definicją Departamentu Energii Stanów Zjednoczonych pojazd elektryczny to pojazd, który może być napędzany silnikiem elektrycznym pobierającym energię elektryczną z akumulatora i może być ładowany z zewnętrznego źródła energii. Określenie EV (Electric Vehicle – Pojazd Elektryczny) obejmuje zarówno pojazd, który może być napędzany wyłącznie silnikiem elektrycznym pobierającym energię z akumulatora (pojazd całkowicie elektryczny), jak i pojazd, który może być napędzany silnikiem elektrycznym pobierającym energię elektryczną z akumulatora i silnikiem spalinowym (hybrydowy pojazd elektryczny typu plug-in).
W polskim prawodawstwie (Ustawa z dnia 11 stycznia 2018 r. O elektromobilności i paliwach alternatywnych) wyróżnia się tylko dwa rodzaje pojazdów elektrycznych: pojazd elektryczny (Battery Electric Vehicle – BEV) – nieposiadający silnika spalinowego, wykorzystujący do napędu wyłącznie energię elektryczną akumulowaną przez podłączenie do zewnętrznego źródła zasilania, oraz pojazd hybrydowy (Plug-In Hybrid Electric Vehicle PHEV) – o napędzie spalinowo-elektrycznym, w którym energia elektryczna jest akumulowana przez podłączenie do zewnętrznego źródła zasilania.
Z technologicznego punktu widzenia za pojazdy elektryczne uważa się wszystkie pojazdy, które mogą być napędzane silnikiem elektrycznym, niezależnie od stopnia wykorzystania tego silnika oraz sposobu dostarczenia i gromadzenia energii umożliwiającej pracę tego silnika.
Niespójność w kwalifikacji pojazdów elektrycznych może być różnoraka. Na przykład różnice w przepisach krajowych co do tego, co kwalifikuje pojazd jako „elektryczny”, mogą wpływać na dostępność dotacji i ulg podatkowych. W niektórych krajach pojazdy hybrydowe plug-in (PHEV) są traktowane na równi z pełnoprawnymi pojazdami elektrycznymi (BEV), podczas gdy w innych są wyraźnie rozróżniane i nie kwalifikują się do tych samych korzyści. Zresztą sama różnorodność technologii pojazdów elektrycznych może dezorientować i utrudniać ich prawidłową kwalifikację.
Według Badań InsightOut Lab1, co dziesiąty Polak deklaruje, że miał okazję jeździć autem elektrycznym, jednak ponad połowa respondentów z tej grupy (51%) za auto elektryczne uznała auto hybrydowe, czyli pojazd o napędzie spalinowo-elektrycznym, ale bez możliwości ładowania. Jakie są rodzaje pojazdów elektrycznych? Czym różnią się pojazdy hybrydowe (HEV) od hybrydowych typu plug-in (PHEV), w pełni elektrycznych (BEV) i zasilanych ogniwami paliwowymi (FCEV)?
Hybrydowe pojazdy elektryczne
Pojazdy hybrydowe (HEV) to samochody wyposażone zarówno w silnik spalinowy, jak i elektryczny. Silnik elektryczny służy do napędzania samochodu przy niskich prędkościach i podczas przyspieszania, zaś silnik benzynowy przejmuje kontrolę przy wyższych prędkościach i gdy jest wymagana moc.
Ponieważ pojazdy HEV są wyposażone w systemy odzyskiwania energii z hamowania, do ładowania akumulatorów nie wymagają podłączenia do sieci – jest to tzw. samoładujący elektryczny napęd hybrydowy. Chociaż zużywają mniej paliwa niż konwencjonalne samochody benzynowe i emitują mniej spalin, nie są uznawane za pojazdy elektryczne.
Hybrydowe pojazdy elektryczne typu plug-in
Hybrydowe pojazdy elektryczne typu plug-in (PHEV) konstrukcyjnie są zbliżone do pojazdów hybrydowych (HEV). Łączą technologię samoładującego elektrycznego napędu hybrydowego z możliwościami akumulatorowego pojazdu elektrycznego (BEV). Podobnie jak pojazdy HEV są wyposażone w silnik spalinowy i elektryczny, ale mają akumulatory, które mogą być ładowane poprzez podłączenie do zewnętrznego źródła energii elektrycznej. Akumulatory w tych pojazdach pozwalają zazwyczaj na pokonanie około 60 km z wykorzystaniem silnika elektrycznego, a dalszą część trasy, po rozładowaniu baterii, z wykorzystaniem silnika spalinowego.
Akumulatorowe pojazdy elektryczne
BEV są określane jako „pojazdy czysto elektryczne”, ponieważ ich układ napędowy składa się z akumulatora i silnika elektrycznego. Ładowanie akumulatorów odbywa się przy użyciu energii z sieci lub z dowolnego źródła zasilania za pomocą wtyczki do ładowania.
Pojazdy elektryczne o zwiększonym zasięgu (ER-EV) łączą cechy akumulatorowego pojazdu elektrycznego (BEV) i hybrydowego pojazdu elektrycznego typu plug-in (PHEV). Mają większy akumulator niż pojazdy PHEV, co pozwala im pokonywać większe odległości na samej energii elektrycznej. Po wyczerpaniu akumulatora mały silnik benzynowy generuje energię elektryczną do zasilania silnika elektrycznego i wydłużenia zasięgu pojazdu.
Pojazdy elektryczne z ogniwami paliwowymi
W pojazdach FCEV wodór reaguje z tlenem zawartym w powietrzu w celu wytworzenia energii. Nie mają akumulatora, a ich jedynym odpadem jest para wodna. Pojazdy FCEV można zatankować w ciągu kilku minut, charakteryzują się większym zasięgiem niż pojazdy BEV.
Do lat 90. XX w. pojazdy elektryczne były napędzane głównie akumulatorami ołowiowo-kwasowymi, co skutkowało bardzo ograniczonym okresem eksploatacji i zasięgiem. Zmiana nastąpiła wraz z nadejściem ery urządzeń przenośnych w latach 80. i 90., kiedy rosnące zapotrzebowanie na energię doprowadziło do poszukiwania nowych, bardziej wydajnych technologii baterii. Pod koniec lat 90. pojawiła się technologia baterii niklowo-metalowo-wodorkowych (NiMH), które po raz pierwszy zastosowano do zasilania pojazdów elektrycznych.
Baterie dawały wyższą gęstość energii niż ich ołowiowo-kwasowe odpowiedniki, jednak ich zasięg i koszty nie odpowiadały warunkom ówczesnego rynku motoryzacyjnego. Zmiana nastąpiła dzięki wprowadzeniu baterii litowo-jonowych (Li-ion /LIB), które zrewolucjonizowały rynek pojazdów elektrycznych (najpierw w samochodach Tesla Roadster w 2008 r. i Nissan Leaf w 2010 r.). Obecnie w pojazdach elektrycznych najczęściej używa się właśnie baterii litowo-jonowych (Li-ion / LIB). Ich dominacja na rynku wynika z wysokiej gęstości energii, co oznacza, że mogą przechowywać dużo energii w stosunku do swojej masy i objętości. Mają również stosunkowo długą żywotność i mogą utrzy- mać większość pojemności po wielu cyklach ładowania i rozładowania. Wadami tych baterii mogą być: wysoki koszt, potencjalne ryzyko pożaru (chociaż rzadkie) i recykling.
W 2021 roku baterie litowo-jonowe stanowiły ponad 90% rynku baterii do pojazdów elektrycznych. Pozostała część była podzielona między inne typy technologii, w tym baterie niklowo-metalowo-wodorkowe (NiMH) popularne w pierwszych generacjach pojazdów hybrydowych, takich jak Toyota Prius (mają niższą gęstość energii niż baterie litowo-jonowe i są cięższe, ale bardziej odporne na ekstremalne temperatury i mogą być bezpieczniejsze), i inne eksperymentalne systemy akumulowania energii.
Co ważne, baterie litowo-jonowe nie są jednolitym produktem, ale raczej kategorią, która obejmuje wiele różnych rodzajów, w tym:
→ Litowo-kobaltowe (LiCoO2) – LCO – stosowane w elektronice konsumenckiej takiej jak telefony komórkowe i laptopy ze względu na wysoką gęstość energii. Ich wadą jest stosunkowo krótka żywotność, niska stabilność termiczna. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi od ok. 500 do 1000 i zależy od temperatury i głębokości rozładowania. Gęstość energii: 150-200 Wh/kg.
→ Litowo-manganowe (LiMn2O4) – LMO – stosowane do zasilania narzędzi elektrycznych, instrumentów medycznych, samochodów elektrycznych i hybrydowych ze względu na wysoki prąd ładowania i rozładowania oraz stosunkowo wysoką stabilność termiczną. Ich pojemność jest o około jedną trzecią mniejsza niż baterii litowo-kobaltowej. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi ok. 300-700 i zależy od temperatury i głębokości rozładowania. Gęstość energii: 100-150 Wh/kg.
→ Litowo-niklowo-manganowo-kobaltowe – NMC – stosowane w pojazdach elektrycznych, do zasilania narzędzi, rowerów elektrycznych ze względu na wysoką gęstość energii i stosunkowo niską wagę. Wadami są ich ograniczona żywotność, ograniczone bezpieczeństwo pracy i stosunkowo wysoka cena. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi ok. 1000-2000 w zależności od temperatury i głębokości rozładowania. Gęstość energii: 150220 Wh/kg. Mniej więcej do 2020 roku baterie NMC były niekwestionowanym liderem wśród baterii litowo-jonowych. Jeszcze w 2022 roku stanowiły ok. 60% światowego rynku baterii. Jednak w związku z pożarami samochodów elektrycznych producenci aut stopniowo rezygnują z baterii NMC na korzyść LFP.
→ Litowo-żelazowo-fosforanowe (LiFePO4) – LFP – stosowane najczęściej w domowych magazynach energii, samochodach i rowerach elektrycznych a także jako zamienniki dla akumulatorów kwasowo-ołowiowych ze względu na długą żywotność, wysokie natężenie prądu oraz stabilność termiczną i bezpieczeństwo użytkowania. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi powyżej 2 000 w zależności od temperatury i głębokości rozładowania. Gęstość energii: 90-120 Wh/kg.
→ Litowo-niklowo-kobaltowo-aluminiowe – NCA– stosowane w niektórych modelach pojazdów elektrycznych (np. Tesla) ze względu na wysoką gęstości energii i stosunkowo dużą moc (podobnie jak bateria NMC). Wadą jest jeszcze niższe bezpieczeństwo użytkowania niż baterii NMC. Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi ok. 500 w zależności od temperatury i głębokości rozładowania. Gęstość energii: 200-260 Wh/kg.
→ Litowo-tytanowe (Li2TiO3) – LTO – stosowane najczęściej w systemach zasilania awaryjnego i w oświetleniu ulicznym zasilanym energią słoneczną ze względu na bardzo dobre parametry pracy w niskich temperaturach i bardzo dużą trwałość (10 do 30 razy wyższą niż baterii LFP czy NMC). LTO są najbezpieczniejsze w rodzinie baterii litowo-jonowych. Wadą jest niska gęstość energii i stosunkowo wysoka cena (50 – 150% wyższa niż baterii NMC). Liczba cykli ładowania i rozładowania wynosi ok. 3000-7000. Gęstość energii: 50-80 Wh/kg.
Mimo że na rynku pojazdów elektrycznych dominują baterie litowo-jonowe, zainteresowanie alternatywnymi technologiami rośnie. Już dziś wiadomo, że nowe rozwiązania magazynowania energii przyśpieszą rozwój pojazdów elektrycznych, szczególnie gdy spadnie koszt produkcji baterii, a parametry techniczne, takie jak wyższa gęstość i możliwość szybkiego ładowania, zostaną zoptymalizowane.
Jako potencjalne zastępstwo dla szeroko obecnie wykorzystywanych baterii litowo-jonowych wskazywane są baterie sodowo-jonowe, które wykorzystują sód zamiast litu jako nośnik ładunku. Sód jest obfitszy i tańszy od litu, co może przyczynić się do obniżenia kosztów baterii. Jednak baterie sodowe mają niższą gęstość energii i mogą być cięższe niż ich litowe odpowiedniki, dlatego są nadal w fazie badań i rozwoju.
Kolejna generacja technologii baterii, która może zrewolucjonizować przemysł pojazdów elektrycznych, to baterie solid-state. Akumulatory półprzewodnikowe wykorzystują stały elektrolit, w przeciwieństwie do konwencjonalnych akumulatorów litowo-jonowych, które wykorzystują elektrolit ciekły lub polimerowy. Ich zalety to wyższa gęstość energii, potencjalnie szybsze ładowanie, większa stabilność termiczna i bezpieczeństwo. Ponadto baterie solid-state mogą być wydajniejsze w niskich temperaturach i mieć dłuższą żywotność. Są przedmiotem intensywnych badań, a ich komercyjne zastosowanie w pojazdach elektrycznych jest jeszcze na etapie rozwojowym.
Postęp technologiczny w dziedzinie akumulatorów jest bardzo szybki. Firmy i instytucje badawcze na całym świecie opracowują nowe materiały i projekty w zakresie gęstości energii, szybkości ładowania, bezpieczeństwa, trwałości i kosztów baterii. Przyszłe innowacje mogą prowadzić do wprowadzenia na rynek baterii, które będą jeszcze lepiej dostosowane do potrzeb pojazdów elektrycznych.
Czas ładowania
Jednym z największych wyzwań dla użytkowników pojazdów elektrycznych jest czas ładowania. W przeciwieństwie do kilkuminutowego tankowania pojazdów spalinowych, ładowanie pojazdu elektrycznego może trwać od kilkunastu minut do kilkunastu godzin – w zależności od typu ładowarki i pojemności baterii. Na przykład Tesla Model S wyposażona w baterię o pojemności 100 kWh może być naładowana do 80% w około 40 minut przy użyciu ładowarki DC dużej mocy (tzw. superchargera), ale pełne ładowanie przy użyciu standardowego gniazdka domowego może trwać nawet 49 godzin.
Infrastruktura ładowania
Długi czas ładowania w połączeniu z ograniczonym zasięgiem pojazdów elektrycznych zwiększa znaczenie posiadania odpowiedniej infrastruktury ładowania. Jest ona wciąż nierównomiernie rozmieszczona – z większą koncentracją w miastach i na rozwiniętych rynkach. Użytkownicy w mniej zaludnionych lub mniej rozwiniętych regionach mogą napotkać trudności z ładowaniem pojazdów elektrycznych, co jest wskazywane jako najważniejszy czynnik mogący hamować rozwój tych pojazdów.
Zasięg w zimie
Zasięg pojazdów elektrycznych jest znacząco ograniczony w zimie. Niska temperatura może obniżyć zasięg takiego pojazdu o 20–50%. Na przykład Chevrolet Bolt, który latem może przejechać około 383 km na jednym ładowaniu, w zimie może mieć zasięg skrócony do około 250 km. Wynika to z konieczności ogrzewania wnętrza pojazdu i niższej wydajności baterii w niskich temperaturach.
Pojemność baterii
Pojemność baterii EV jest kluczowym czynnikiem wpływającym na zasięg i wydajność pojazdu. Większe baterie zapewniają dłuższy zasięg, ale również zwiększają koszt, wagę i czas ładowania. Na przykład Nissan Leaf w wersji z baterią o pojemności 40 kWh ma zasięg około 285 km, a z baterią 62 kWh może przejechać do 385 km. Waga baterii wpływa także na wydajność pojazdu, w tym przyspieszenie i dynamikę jazdy.
Recykling baterii
Kolejnym wyzwaniem w rozwoju elektromobilności jest recykling baterii. Choć technologia baterii litowo-jonowych stale się rozwija, długoterminowe skutki eksploatacji i utylizacji tych materiałów są wciąż intensywnie badane.
Bezpieczeństwo
Obawy o bezpieczeństwo pojazdów elektrycznych szczególnie dotyczą ryzyka pożaru baterii. Chociaż takie incydenty są rzadkie, wysokie napięcie i energochłonność baterii litowo-jonowych wymagają specjalnych środków bezpieczeństwa.
W miarę jak technologia baterii i pojazdów elektrycznych dojrzewa, można się spodziewać, że ich cena będzie spadać, czyniąc je bardziej dostępnymi. Prognozy rynkowe sugerują, że do 2030 roku pojazdy elektryczne mogą osiągnąć cenę zbliżoną do ceny pojazdów spalinowych. Równocześnie rozwój technologii ładowania – w tym ładowanie indukcyjne, szybkie stacje ładowania i rosnąca wydajność baterii – może znacząco przyśpieszyć rozwój branży pojazdów elektrycznych.
Rozważając przyszłość transportu, nie można pominąć rosnącej roli pojazdów elektrycznych. Nie tylko zmieniają one myślenie o mobilności, ale także wpływają na ekonomiczną, społeczną i środowiskową strukturę miast i krajów. Czyste powietrze, cisza, niższe koszty eksploatacji i zwiększone bezpieczeństwo to tylko niektóre z korzyści, jakie mogą wynikać z powszechnego korzystania z pojazdów elektrycznych. Jednak osiągnięcie tych korzyści będzie wymagało dalszych postępów w technologii akumulatorów, ulepszonej infrastruktury ładowania oraz większej świadomości i zaufania użytkowników.
Wyzwania te są złożone, ale są do pokonania. Kluczowa w dążeniu do osiągnięcia celów zrównoważonego rozwoju i walki ze zmianami klimatycznymi jest współpraca między rządami, przemysłem i naukowcami.
Specjalista ds. Oceny Ryzyka w Hestia Loss Control, wcześniej pracownik Działu Rzeczoznawców oraz Działu Ekspertyz i Kontroli Technicznych. Absolwent Wydziału Zarządzania i Ekonomii Politechniki Gdańskiej oraz Instytutu Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Wydziału Mechanicznego Politechniki Radomskiej. W Grupie ERGO Hestia od 2010 r.
