Po drodze z elektromobilnością
Po drodze z elektromobilnością
Z dr. hab. inż. Jackiem Dybałą, profesorem uczelni, Prodziekanem ds. Rozwoju i Nauki Wydziału Samochodów i Maszyn Roboczych Politechniki Warszawskiej, rozmawia Sławomir Górzyński.
- Numer styczniowy Przeglądu Oponiarskiego jest poświęcony elektromobilności. Czy Pański Wydział dostrzega tę problematykę i w jaki sposób przygotowuje się do wyzwań związanych z wprowadzaniem do eksploatacji coraz większej liczby pojazdów z napędem elektrycznym?
- Wzrastające poziomy emisji zanieczyszczeń, hałasu i smogu w krajach Unii Europejskiej, w tym także i w Polsce, wymuszają na nas również zmianę koncepcji transportu w kierunku zintegrowanego, zaawansowanego technologicznie i przyjaznego użytkownikowi systemu. W tym kontekście zmiany w branży transportowej wynikające z użytkowania coraz większej liczby pojazdów z napędem elektrycznym wydają się być nieuniknione. Postępująca nieuchronnie elektryfikacja transportu samochodowego wiąże się z olbrzymimi zmianami w całym przemyśle motoryzacyjnym, w tym z rosnącym zapotrzebowaniem na odpowiednio wykształconych specjalistów. Na Wydziale Samochodów i Maszyn Roboczych PW już dekadę temu dostrzegliśmy pierwsze symptomy zmian zachodzących w branży motoryzacyjnej podyktowanych praktycznym rozwojem nisko- i zeroemisyjnych technologii w transporcie. Dzięki uruchomieniu studiów „Inżynieria Pojazdów Elektrycznych i Hybrydowych” znaleźliśmy się w czołówce podmiotów edukacyjnych kształcących studentów w obszarze elektromobilności. Obecnie wspólnie z Polskim Stowarzyszeniem Paliw Alternatywnych wprowadzamy na rynek edukacyjny studia podyplomowe „Nowa Mobilność”, rozszerzając w ten sposób swoją ofertę dydaktyczną skierowaną w tym przypadku w stronę osób czynnych zawodowo, które chcą uzyskać lub podnieść kompetencje dotyczące nisko- i zeroemisyjnych technologii w transporcie.
- W jakich kierunkach będziemy zmierzać - jeśli chodzi o napędy w autach - w najbliższych latach? Prąd, wodór, czy gaz? Czy paliwa kopalne pozostaną w ziemi? Czy auta spalinowe faktycznie za 15 lat odjadą do muzeum i na złomowiska?
- Urbanizacja, wzrost liczby ludności i aktualna sytuacja klimatyczna wymuszą na nas wdrożenie koncepcji zrównoważonego transportu pozwalającej na realizację aktualnych potrzeb rynku transportowego przy jednoczesnym zachowaniu zasobów naszej planety dla przyszłych pokoleń. Dlatego rozwój pojazdów nisko- i zeroemisyjnych wydaje się być nieunikniony. Dzisiaj trudno jednak rozstrzygnąć, który napęd zeroemisyjny zdominuje transport przyszłości. Każdy z nich (bateryjny, wodorowy) ma bowiem swoje zalety i wady. Ale rozwój technologii w tych obszarach jest tak szybki, że nie jest wykluczone, że jakieś nowe rozwiązania techniczne przechylą zdecydowanie szalę na korzyść jednego z nich. Jest jednak oczywiste, że jeszcze przez wiele lat pojazdy nisko- i zeroemisyjne będą koegzystowały na drogach wraz z samochodami napędzanymi silnikami spalinowymi. A może być także i tak, że pojazdy napędzane silnikami spalinowymi nigdy całkowicie nie znikną, ale przetrwają w formule pojazdów specjalnych (policyjnych, wojskowych). A paliwa kopalne (ropa naftowa, gaz ziemny, węgiel) będą nadal wydobywane, choć zapewne na mniejszą skalę, i wykorzystywane przede wszystkim w produkcji przemysłowej, a nie jako źródło energii.
- Ropa naftowa i gaz ziemny mogą przestać być koniecznym elementem dostaw energii dla ludzkości. Jednakże chyba nie do końca je wyeliminujemy. Z ropy produkowany jest bowiem m. in. kauczuk syntetyczny używany przy produkcji opon. Gaz ziemny służy natomiast do produkcji nawozów sztucznych. Czy jest szansa, że naukowcy wymyślą jakieś alternatywne zamienniki dla wspomnianych wcześniej surowców?
- Odkrycia naukowe wielokrotnie zmieniały świat wprowadzając nową jakość w rozwoju ludzkości. Niewątpliwie jest szansa na wynalezienie zamienników pewnych surowców. Taka sytuacja miała już miejsce w przypadku zastąpienia kauczuku naturalnego kauczukiem syntetycznym, otrzymywanym na drodze sztucznej syntezy chemicznej.
- Baterie do aut elektrycznych produkowane obecnie to nie do końca czysta energia. Akumulatory tego typu - mimo że bardzo nowoczesne - będą stanowiły problem związany z ich utylizacją po okresie eksploatacji. Czy nie powinno się najpierw zadbać, aby energia i procesy, niezbędne do produkcji takich samochodów, motocykli czy maszyn, były zrównoważone ekologicznie?
- Aby w pełni osiągnąć neutralność klimatyczną zelektryfikowanego transportu, trzeba zadbać o to, aby źródła zasilania pojazdów energią elektryczną były zeroemisyjne. Dlatego tak ważny jest wzrost udziału odnawialnych źródeł energii w bilansie energetycznym świata. Moim zdaniem rozwój elektromobilności nie obędzie się jednak bez szerokiego wykorzystania energii wydzielanej podczas przemian jądrowych, a energetyka jądrowa będzie stabilizatorem systemu energetycznego. W przeciwnym wypadku system energetyczny byłby zbyt zależny od chwilowej dostępności wiatru i słońca. Baterie instalowane w pojazdach z napędem elektrycznym nie mają łatwego życia, pracują bowiem w rozmaitych temperaturach i są rozładowywane setki razy w ciągu roku. Trudne warunki pracy i intensywna eksploatacja powodują pogorszenie „stanu zdrowia” baterii, co skutkuje skróceniem zasięgu samochodu elektrycznego. Z tego powodu takie baterie są wymontowywane z samochodu i zastępowane nowymi. Nie oznacza to jednak, że zdemontowane baterie należy wyrzucić do kosza - pozostają one nadal wartościowymi magazynami energii, które można w dalszym ciągu skutecznie wykorzystać. Pomysłów na „drugie życie” baterii jest wiele. Jednym z podstawowych jest ich wykorzystanie w charakterze stacjonarnych magazynów energii. Takie magazyny energii zbudowane ze zużytych baterii samochodowych umożliwiają korzystne zarządzanie energią elektryczną, np. pozwalają na magazynowanie energii w godzinach obowiązywania tańszej taryfy energetycznej, umożliwiają także gromadzenie nadwyżek energii powstałych w elektrowniach wiatrowych lub farmach fotowoltaicznych.
W pewnym momencie okres efektywnej eksploatacji baterii dobiega jednak końca i pojawia się problem jej utylizacji. Baterie należałoby poddać procesowi recyklingu, a odzyskane komponenty mogłyby zostać wykorzystane do stworzenia ogniw do nowych baterii. Choć recykling baterii litowo-jonowej nie jest sprawą prostą, prowadzone są intensywne prace nad doskonaleniem procesów, które umożliwią odzyskiwanie coraz większej części ich zawartości. Zrobotyzowany demontaż baterii litowo-jonowej może być tutaj dobrym przykładem. Wraz z rozwojem elektromobilności znaczenie problematyki recyklingu baterii będzie rosło, a to można potraktować jako wyzwanie otwierające szanse na uruchamianie nowych zakładów przetwarzania baterii, a tym samym stworzenie wielu nowych miejsc pracy w Polsce.
- W Polsce - na razie - jeździ kilkadziesiąt tysięcy aut elektrycznych, drugie tyle hybryd. Reszta to auta z silnikami na tradycyjne paliwa kopalne. Do nich stacje paliw nie stanowią problemu. Znalezienie ładowarki do aut elektrycznych to już spore wyzwanie, a już tzw. szybkie ładowarki generalnie możemy zapomnieć. Co należałoby zrobić, aby ta sytuacja uległa poprawie?
- Rzeczywiście, jeszcze słabo rozwinięta infrastruktura ładowania pojazdów elektrycznych jest jedną z głównych barier rozwoju elektromobilności
w Polsce. Łatwy dostęp do stacji szybkiego ładowania jest bowiem jednym z najważniejszych kryteriów branych pod uwagę w momencie rozważania przesiadki do samochodu elektrycznego. Z tego co mi wiadomo, przedstawiciele administracji publicznej wraz z szerokim gronem interesariuszy rynku elektromobilności intensywnie pracują nad projektami rozwoju infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych. Nasilenie działań ma związek z wcielaniem w życie polityki klimatycznej Unii Europejskiej, która nakłada na państwa członkowskie określone obowiązki w zakresie przygotowania odpowiedniej infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych. W ramach opracowywania planów rozmieszczenia infrastruktury ładowania prowadzona jest analiza infrastruktury elektroenergetycznej pod kątem możliwości zasilenia wybranych punktów z uwzględnieniem niezbędnych do przeprowadzenia inwestycji na sieci dystrybucyjnej.
- Czy obecny trend w motoryzacji UE nie prowadzi do tego, że samochody będą tylko wykorzystywane lokalnie? W rodzinnej miejscowości, kraju, najdalej w granicach UE?
- Prawdopodobnie stoimy na progu zmiany naszych dotychczasowych przyzwyczajeń komunikacyjnych. Samochody z napędem elektrycznym rzeczywiście najlepiej nadają się do wykorzystania lokalnego, np. do jazdy w mieście, gdzie szczególnie dużą uwagę przykładamy do kwestii emisji zanieczyszczeń i gdzie w szerokim zakresie można skorzystać z niewątpliwej zalety napędu elektrycznego - hamowania odzyskowego umożliwiającego odzyskiwanie traconej podczas hamowania energii kinetycznej i zamiany jej na użyteczną energię elektryczną, doładowującą baterię auta. Rozwój infrastruktury ładowania pojazdów elektrycznych wzdłuż szlaków komunikacyjnych umożliwi jazdę samochodem z napędem elektrycznym także po terenie całej Unii Europejskiej, ale zapewne i tak będziemy kuszeni ofertą przemieszczenia się na duże odległości za pomocą ekologicznej kolei dużych prędkości, a na miejscu skorzystania z oferty lokalnych systemów car-sharingu. Analogiczny sposób podróżowania (przelot samolotem i wynajęcie na miejscu samochodu) już dzisiaj ma wielu zwolenników. Nie jest wykluczone, że rozwój pojazdów autonomicznych także wywrze wpływ na nasze zachowania komunikacyjne.
- Samochody elektryczne stwarzają wiele nowych wyzwań dla projektantów opon. Jakie są najważniejsze różnice między wymaganiami w stosunku do opon do samochodu spalinowego a auta EV?
- Samochody z napędem elektrycznym mają swoją specyfikę, która przekłada się także na wymagania dotyczące opon. Jednym z najważniejszych parametrów użytkowych samochodu elektrycznego jest jego zasięg na pojedynczym ładowaniu baterii. Zatem szczególnie istotne w tym przypadku jest ograniczenie zużycia energii potrzebnej na pokonanie oporów ruchu, a jednym z nich jest opór toczenia opon, który stanowi niebagatelną część całkowitego oporu drogowego samochodu. Innym rodzajem znaczącego oporu ruchu jest opór aerodynamiczny, proporcjonalny do powierzchni czołowej pojazdu i kwadratu jego prędkości. Dlatego pojazdy elektryczne należy wyposażyć w opony o jak najmniejszym oporze toczenia i aerodynamicznym, co pozwoli na zmniejszenie energochłonności ruchu samochodu, a dzięki temu auto pokona więcej kilometrów na jednym ładowaniu. Taką redukcję oporów ruchu zapewniają wąskie (redukcja oporu aerodynamicznego) i wysokie (większa średnica wpływa na zmniejszenie deformacji opony w kontakcie z nawierzchnią, czyli redukcję oporu toczenia) opony.
Osobną kwestią jest komfort akustyczny. W przypadku samochodu napędzanego silnikiem spalinowym hałas generowany przez opony jest skutecznie maskowany przez głośno pracujący silnik. Ponieważ praca silnika elektrycznego jest niemal bezgłośna, do uszu kierowcy pojazdu z napędem elektrycznym dociera więcej innych dźwięków, a na pierwszy plan wysuwa się hałas generowany przez opony. Przyjemności jazdy pojazdem elektrycznym nie należy psuć sobie hałaśliwymi oponami, dlatego w autach elektrycznych należy stosować opony zaprojektowane w taki sposób, aby generowały jak najmniej hałasu podczas jazdy.
- Czy ze względu na większą masę oraz moment obrotowy pojazdów elektrycznych opony do tych pojazdów nie powinny być o wiele bardziej wytrzymałe? Wielu producentów ogumienia już teraz promuje opony dotychczas homologowane tylko do aut spalinowych jako odpowiednie także do samochodów elektrycznych? Czy to bezpieczny wybór?
- Specyfika samochodu z napędem elektrycznym przekłada się także na kwestię zużycia opon. Ze względu na konieczność zamontowania na pokładzie auta ciężkich baterii, samochody elektryczne są cięższe od swoich spalinowych odpowiedników i mają niżej położony środek ciężkości. Opony pojazdu elektrycznego muszą zatem mierzyć się z większym naciskiem na nawierzchnię drogi, a przez to z szybszym ścieraniem. Większa masa pojazdu w oczywisty sposób wydłuża także drogę hamowania, co również przekłada się na zwiększone zużycie opon. Ponadto, ponieważ charakterystyka silnika elektrycznego jest inna niż silnika spalinowego, duży i dostępny od razu po wciśnięciu pedału przyspieszenia moment obrotowy sprzyja zrywaniu przyczepności opony pojazdu elektrycznego do nawierzchni drogi, co także ma wpływ na szybsze ścieranie się bieżnika. Te właściwości samochodów z napędem elektrycznym sprawiają, że ich ogumienie może zużywać się znacznie szybciej niż w przypadku samochodów z napędem spalinowym. Dlatego należy w tym przypadku używać opon o dużej nośności i wysokiej odporności na ścieranie.
- Dziękuję za rozmowę.
