Akumulator - ekologiczna alternatywa źródła energii dla napędu w systemie transportu

Pojazdy mechaniczne z napędem elektrycznym i pojazdy z napę­dem hybrydowym są idealne do wykorzystania w systemie trans­portu miejskiego. Samochody osobowe, ciężarowe, autobusy elek­tryczne, samochody do specjalnych zastosowań, np. śmieciarki, pługi śnieżne mogą przyczynić się do rozwiązania wielu problemów cywilizacyjnych i ekologicznych poprzez zmniejszenie zużycia pa­liwa i jednoczesne zmniejszenie emisji gazów, a także znaczące ob­niżenie poziomu hałasu w aglomeracjach [1].

Na świecie od kilku lat konsekwentnie zwiększa się asortyment pojazdów z napędem hybrydowym oraz elektrycznych. Prace nad udoskonalaniem tych ekologicznych środków transportu wciąż trwają a prezentowane w mediach i na wystawach osiągnięcia kon­cernów samochodowych zachwycają potencjalnych odbiorców wyglądem i coraz lepszymi parametrami, osiągami, a odstraszają konsumentów niestety - ceną. Barierą przyczyniającą się do tak powolnego pojawiania się na drogach samochodów elektrycznych jest sposób magazynowania energii. Producenci samochodów mały­mi krokami zmierzają ku masowej produkcji pojazdów z napędem elektrycznym. Rozpocznie się ona wtedy, gdy baterie będą: małe, bezpieczne, niezawodne i wystarczająco tanie, by można było je wy­korzystać jako źródło energii dla napędu i by jednocześnie nie po­wodowały znacznego zawyżenia ceny końcowej produktu. Pomimo tego, że w ciągu prawie 200 lat dziesiątki wynalazców i inżynierów próbowały opracować idealny pojazd elektryczny, problem odpo­wiedniego źródła zasilania niezmiennie stanowił przeszkodę nawet dla najlepszych spośród nich. Już Henry Ford i Thomas Edison, któ­rzy próbowali zbudować pojazd elektryczny w latach dwudziestych ubiegłego wieku nie potrafili rozwiązać zagadek chemizmu źródeł prądu i w rezultacie zbudowania odpowiedniej baterii dla pojazdu elektrycznego [2]. Cały czas trwa wyścig producentów zmierzających do opracowania zwycięskiego modelu pojazdu elektrycznego, którego sukces przede wszystkim będzie zależał od mocy (wyrażonej w Wh/kg) zasilają­cego go akumulatora.

Eksploatacja pojazdów elektrycznych nie stanowi zagrożenia dla środowiska naturalnego, ponieważ w trakcie użytkowania pojazdu nie wydzielają się żadne szkodliwe produkty. Zaletą tego typu po­jazdów jest również możliwość odzyskiwania znacznej części energii kinetycznej podczas zwalniania i hamowania (typowego np. dla transportu miejskiego). Połączenie tych zalet ze znacznie wyższą sprawnością silników elektrycznych w porównaniu ze spalinowymi dowodzi, że pojazd elektryczny jest oszczędny i proekologiczny pod względem zużycia energii i zanieczyszczenia środowiska, a przy zastosowaniu akumulatora o zadowalających parametrach i niskiej cenie produkcji może stać się bardzo powszechnym środkiem trans­portu.

Akumulatory jako źródła energii

Rodzaje akumulatorów i ich możliwości energetyczne jako źródeł zasilania pojazdów

Akumulatory stosowane w pojazdach elektrycznych (EV - electric vehicles) i hybrydowych (HEV - hybrid electric vehicles) ze względu na zastosowany układ elektrochemiczny można podzielić na: akumulatory kwasowo-ołowiowe (Pb-Pb0₂), niklowo-kadmowe (Ni-Cd), niklowo-wodorkowe (Ni-MH), litowo-jonowe (Li-ion), litowo-polimerowe (Li-poly), cynkowo-powietrzne (Zn-0₂), cynkowo-bromowe (Zn-Br₂), wysokotemperaturowe (Na-S, Na-NiCl₂), sodowe (Na-NiCl₂) oraz kondensatory elektrochemiczne [3-6].

Najtańszym źródłem energii jest akumulator ołowiowo-kwasowy. Przy prędkości 50 km/h może zapewnić co najmniej 70 km przebiegu między ładowaniami, co umożliwia wykorzystanie tego typu akumulatora w miejskich pojazdach elektrycznych. Zamknięte akumulatory kwasowe, tzw. bezobsługowe - są tanie, gdyż wytwarza się je na wielką skalę (ich cena jest stosunkowo niska, a ponadto poddawane są utylizacji). Dlatego też z powodzeniem od kilku lat wykorzystuje się je do napędu pocztowych i niskotonażowych ciężarowych pojazdów elektrycznych w wielu krajach. Stosowanie ich jest jednak ograniczone na skutek charakterystycz­nej dla tego typu akumulatora niskiej energii właściwej, wysokie­go stopnia samowyładowywania się akumulatora oraz długiego czasu ładowania.

Dostępne na rynku akumulatory niklowo-kadmowe mogą przy prędkości pojazdu do 70 km/h zapewnić przebieg ok. 100 km. Charakteryzują się wysoką trwałością cykliczną i pracują w sze­rokim zakresie temperatur, jednak ze względu na wysoki koszt produkcji i toksyczność kadmu ich zastosowanie jest bardzo ograniczone.

Znacznie wyższą niż akumulatory niklowo-kadmowe energią właś­ciwą charakteryzują się akumulatory niklowo-wodorkowe. Pizy pręd­kości ok. 60 km/h mogą zapewnić przebieg ok. 140 km. Tego typu akumulatory od kilku lat z powodzeniem stosowane są w pojazdach hybrydowych produkowanych przez znane firmy (np. Toyota Prius z koncernu Toyota). Jednym z głównych powodów niewielkiego wy­korzystania akumulatorów Ni-MH jest wysoki koszt ich produkcji.

W przypadku akumulatorów Zn-Br₂ energia układów elektroche­micznych jest nieco niższa niż w akumulatorach Ni-MH, jednak produkcja tego typu akumulatora jest znacznie tańsza. Austriacka firma SEA wyprodukowała wyposażone w akumulatory Zn-Br₂ sa­mochody elektryczne dla celów sportowych oraz dostarczania prze­syłek pocztowych. Ich przebieg bez doładowywania na postojach wyniósł średnio ok 150 km. Nie zostały one jednak wykorzystane w szerszym zakresie ze względu na wysoką, toksyczność bromu, wysoki poziom samowyładowywania i nieduże wartości objętościowej mocy i energii właściwej.

Znane są również próby zastosowania do zasilania pojazdów elektrycznych akumulatorów wysokotemperaturowych. Ograniczeniami ich wykorzystania do napędu pojazdów są: konieczność wstępnego ogrzania do 300°C, obecność w ogniwie sodu - bardzo aktywnego metalu, który stwarza zagrożenie wybuchu czy też pożaru w trak­cie użytkowania oraz stosunkowo wysoka cena produkcji tego typu akumulatorów.

Spośród produkowanych obecnie odnawialnych źródeł prądu naj­wyższymi wartościami energii właściwej, która pozwala na osiąg­nięcie przebiegu powyżej 200 km, charakteryzują się akumulatory litowo-jonowe. Wiele firm wytwarza obecnie pojazdy elektryczne z akumulatorami litowo-jonowymi czy też litowo-polimerowymi (poprawniejszą nazwą byłoby litowo-żelowymi ze względu na ro­dzaj elektrolitu wykorzystywany w tych ogniwach), lecz nadal na ograniczoną skalę. Wadą tych baterii jest wysoka cena ich produk­cji i niskie bezpieczeństwo użytkowania w momencie np. przeła­dowania układu magazynującego energię. Porównywalne wartości energii właściwej w stosunku do akumulatorów litowo-jonowych wykazują ogniwa cynk-powietrze.

Coraz więcej słyszy się o próbach wykorzystania kondensatorów zwanych superkondensatorami do magazynowania i konwersji ener­gii w przemyśle motoryzacyjnym. Wykorzystanie kondensatorów elektrochemicznych, zdolnych do ładowania się w krótkim czasie, np. podczas postoju autobusu elektrycznego na przystanku, wydaje się rozwiązaniem przyszłościowym, szczególnie przy jednoczesnym zastosowaniu akumulatora litowo-polimerowego [7].

Choć obecnie za najodpowiedniejsze do wykorzystania w syste­mie zasilającym pojazdy elektryczne uważa się baterie litowo-jono- we, nie zaniechano prac nad nowymi źródłami zasilania. Cały czas trwają prace nad modyfikacją znanych dotychczas rozwiązań oraz poszukiwane są nowe układy elektrochemiczne zdolne do magazy­nowania i konwersji energii - przykładem są m.in. ogniwa sodowe Na-NiCl₂ pozwalające wg szacunkowych danych na poruszanie się pojazdu z napędem elektrycznym w zasięgu ok. 160 km.

Ogniwa sodowe cały czas są intensywnie badane i modyfikowa­ne w kierunku zwiększenia ich energii właściwej. Obecna gene­racja baterii litowo-jonowych ma energię właściwą w przedziale 60-160 Wh/kg. Wielkością docelową w aktualnych pracach nad baterią sodową jest energia ok. 300 Wh/kg. Przewagą ogniwa sodowego nad akumulatorem litowo-jonowym jest fakt, że nie stosuje się do jego produkcji składników łatwopalnych. Ponadto ogniwo sodowe charakteryzuje się wysoką tolerancją względem ewentualnego przeładowania baterii. Ewentualne zwarcia w ogni­wach sodowych nie powodują także przerw w działaniu pakietu. Nie ma utajonych ścieżek zwarciowych ani skomplikowanej elek­troniki, a bateria ma solidną konstrukcję ceramiczną. Wymienione cechy akumulatorów sodowych bez wątpienia świadczą o tym, że ogniwa te mają ogromną szansę na to, by za kilka lat zaistnieć na rynku i stać się bezpośrednią konkurencją dla akumulatorów litowo-polimerowych [4-6].