Auto na prąd

Dlaczego auto na prąd jest alternatywą dla tradycyjnych napędów? Elektryczność jest najefektywniejszą postacią energii, którą można łatwo konwertować z wysoką efektywnością na inne formy energii - na ciepło, światło czy ruch, w zależności od potrzeb. Jest to energia ekologiczna (brak spalin) i cicha: urządzenia elektryczne są najcichsze w użytkowaniu.

Jednak energię elektryczną trzeba gdzieś wytwarzać, i narazie nie są to zbyt ekelogiczne metody. Poza tym energia elektryczna ma jedną wadę: trudności w jej magazynowaniu i przechowywaniu, stąd energię tą produkuje się w zależności od bieżących potrzeb.

Pojazd, oprócz problemów konstrukcyjnych, musi posiadać źródło tej energii aby bezpośrednio konwertować ją na ruch. Obecnie istnieją tylko dwa źródła elektryczności: akumulatory i ogniwa paliwowe.


Ogniwa paliwowe

Ogniwa paliwowe, jak sama nazwa wskazuje są ogniwami chemicznymi (nieodwracalnymi), w których następuje reakcja zużywająca paliwo - utlenianie.
Najczystszymi ogniwami są ogniwa wodorowe, gdyż jedynym produktem spalania jest woda, zaś sama reakcja przebiega z wysoka wydajnością (80-90%).
Jedynym mankamentem takiego rozwiązania jest problem z magazynowaniem paliwa - wodoru, i obecnie koszt materiałowy elektrod:

2H2(g) + O2(g) = 2H2O(c)

Niestety wodór nie jest substancją nadającą się do transportowania w dużych ilościach, stąd istnieje metoda generowania go na miejscu z płynnego paliwa (większa koncentracja wodoru w jednostce objętości) - takiego jak metan czy metanol:

CH4 + O2 = 2H2 + CO2

Reakcja ta jednak pracuje ze swoją, ograniczoną wydajnością (łącznie więc wydajność całego ogniwa spada), wymaga wysokich temperatur rozkładu metanu, a także produkuje gazowy produkt uboczny, mieszający się z powstającym wodorem. Ponadto platyna ma swoją cenę i to wcale nie małą.
W przedstawionym przykładzie powstający dwutlenek węgla mógłby ulegać reakcji z elektrolitem, obniżając z czasem wydajność elektrolizy wskutek zanikania (wskutek reakcji) elektrolitu.


Akumulatory

Akumulatory to odwracalne ogniwa chemiczne, w których energia elektryczna zostaje zmagazynowana w formie odwracalnej reakcji chemicznej (elektroliza-ładowanie). Reakcja ta zachodząc w przeciwna stronę stanowi źródło energii elektrycznej (rozładowanie).

Idealny akumulator powinien cechować się parametrami:
- niewielki ciężar
- długa żywotność
- duża pojemność
- łatwe ładowanie
- duży prąd wyładowania
- nie zanieczyszczanie środowiska
- mała zależność od temperatury
- cena

Niestety, obecnie parametry te się nawzajem wykluczją dla praktycznie każdego typu akumulatora. Należy więc zastanowić się nad ekonomiką wyboru rodzaju akumulatorów. Najpopularniejsze i najtańsze są akumulatory kwasowe i takie są omawiane w niniejszym artykule.

Najpopularniejszym rodzajem akumulatorów są a. kwasowe (ostanio żelowe), w których energia zgromadzona zostaje w elektrodach: ołowianej i z tlenku ołowiu w roztworze kwasu siarkowego.

(+) Pb, PbO2 |H2SO4| Pb (-)

reakcje:

H2SO4 <=> 2H+ + SO42-

anoda (+):
rozładowanie: Pb + SO42- <=> PbSO4 :ładowanie

katoda (-):
rozładowanie: PbO2 + 4H+ <=> Pb + 2H2O :ładowanie

rozładowanie ładowanie
na katodzie rozkłada się PbO2 (biały) do Pb (szary), na anodzie z Pb reaguje jon elektrolitu SO42- tworząc PbSO4 (żółty) na katodzie tworzy sie PbO2 (bialy) z Pb (szary) i wody, na anodzie rozkłada się PbSO4 (żółty) do Pb (szary) i jonu SO42-

Ogniwo akumulatora (kwasowego) posiada napiecie 2V (stąd akumulotor -jako całość- składa się z 6 ogniw). Pojemność elektryczną akumulatora mierzy sie w A*h (amperogodziny), wartość ta decyduje jak wielką energię możemy pobrać przez określoną ilość czasu (np. 50Ah = 50A w czasie 1h, lub 5A w czasie 10h). Wartość ta ściśle zalezy od wielkości pojedyńczego ogniwa, a zwłaszcza od objętości płyty ołowianej - materiału elektrody, która decyduje o ilości wydzielonych ładunków.

Skoro pojemność zależy od objętości (a więc i masy) to ujawnia się tutaj największa wada akumulatorów. Jako że prces elektrochemiczny jest procesem ilościowym (tj. z każdego atomu mozna uzyskać odpowiednią ilość elektronów), to od MASY akumulatora zalezy ilość wydzielonych ładunków. I nie ma wpływu na to czy prąd będziemy odbierać stale czy pulsacyjnie.


Wady akumulatorów

Masa w przeliczeniu na pojemność. Każdy kto wymieniał akumulator w aucie jest tego świadom. Aby napędać auto wymagane jest co najmniej kilkanaście akumulatorów, co powoduje gwałtowny wzrost masy pojazdu. A wzrost masy to koniecznośc zuzycia większej ilości energii do rozpędzenia pojazdu.

Długi czas ładowania akumulatorów to zmora ich użytkowników. Ładowanie nienowego akumulatora wymaga zwykle co najmniej 6h bez gwarancji jego całkowitego naładowania. Co prawda "poluszkowe" akumulatorki 2400mAh można naładować wydajną ładowarką już w ciągu 30 minut, ale akumulator 120Ah wymaga (w przeliczeniu) minimum 25h, co jest wartością absolutnie nie do przyjęcia.


Realizm konstrukcji auta elektrycznego

W przemyśle motoryzacyjnym rozpoczyna się już przełom motoryzacyjny w niespalinowych metodach napędzania pojazdów. Każdy już zapewne słyszał o Toyocie Prius, w której silnik spalinowy współpracuje z silnikiem elektrycznym wspomagając jego pracę. Pojawiają się też konstrukcje elektryczne (w wersjach sportowych) oparte na akumulatorach litowych, których zasieg wynosi około 300km, a czas ładowania wyczerpanych baterii to 10-15 minut. W Tychach produkowana jest Panda Elettra, której napędem jest silnik elektryczny napędzany wodorowym ogniwem paliwowym.

Typowy polski Kowalski może jednak łatwo przerobić swoje własne auto i to stosunkowo niewielkim kosztem - wedle sposobu podanego w artykule tematycznym "teoria budowy". W artykule tym znajduje się również odpowiedź na pytanie o opłacalność takiej przeróbki.


Opis auta elektrycznego:
wg.danych konstruktora elektrycznej Toyoty Corolli, pana Zbigniewa z Gdańska.

Dane źródłowe:Polskie pojazdy elektryczne, strona Dawida R.


Artykuł tematyczny:Teoria budowy auta elektrycznego

Artykuł tematyczny:Rozmowa z prof. Grocholą n/t przyszłości ogniw paliwowych

Artykuł tematyczny:Ogniwo bezpośredniego zasilania paliwem