Czas hybryd
Samochód hybrydowy to pojazd w typowym układzie wyposażony w silnik spalinowy oraz jeden lub kilka silników elektrycznych (1). Napęd elektryczny może służyć nie tylko do zmniejszenia zużycia paliwa, ale również do zwiększenia mocy. Nowoczesne pojazdy hybrydowe wykorzystują dodatkowe techniki zwiększające wydajność energetyczną, takie jak ładowanie baterii energią odzyskiwaną z hamowania. W niektórych rozwiązaniach silnik spalinowy jest wykorzystywany do generowania energii elektrycznej zasilającej silnik elektryczny.
W wielu konstrukcjach hybrydowych emisja spalin jest zmniejszana także przez wyłączanie silnika spalinowego na postoju i włączanie go w razie potrzeby. Konstruktorzy dążą do tego, aby współpraca z silnikiem elektrycznym optymalizowała jego wydajność, np. gdy silnik spalinowy pracuje na niskich obrotach, jego wydajność jest mała, gdyż najwięcej energii potrzebuje na pokonanie własnych oporów. W układzie hybrydowym można wykorzystać tę rezerwę, zwiększając obroty silnika spalinowego do poziomu odpowiedniego do ładowania baterii.
Prawie tak stare jak motoryzacja
Historię hybryd samochodowych rozpoczyna się zwykle od 1900 roku, w którym Ferdynand Porsche zaprezentował na Wystawie Światowej w Paryżu model Lohner-Porsche Mixte Hybrid (2), pierwszy hybrydowy samochód spalinowo-elektryczny na świecie. Udało się potem sprzedać kilkaset egzemplarzy tej maszyny. Dwa lata później Knight Neftal skonstruował wyścigowy samochód hybrydowy. W 1905 roku Henri Pieper zaprezentował hybrydę, w której silnik elektryczny mógł ładować baterie.
W 1915 roku Woods Motor Vehicle, producent samochodów elektrycznych, stworzył Dual Power z 4-cylindrowym silnikiem spalinowym i silnikiem elektrycznym. Poniżej prędkości 24 km/h samochód jechał na samym silniku elektrycznym, aż do wyczerpania baterii, zaś powyżej tej prędkości włączał się silnik spalinowy, który mógł rozpędzić auto do 56 km/h. Dual Power okazał się komercyjną porażką. Był zbyt wolny jak na swoją cenę i zbyt skomplikowany w prowadzeniu.
W 1931 roku Erich Gaichen zaproponował samochód, którego baterie były ładowane podczas zjazdu z wzniesienia. Energię dostarczał cylinder ze sprężonym powietrzem, który był doładowywany powietrzem wtłaczanym dzięki energii kinetycznej części zjeżdżającego samochodu.
System odzyskiwania energii z hamowania, wynalazek kluczowy dla współczesnej techniki hybrydowej, został opracowany w 1967 roku przez AMC dla American Motors i nazwany Energy Regeneration Brake.
W 1989 roku Audi wyprodukowało eksperymentalny samochód Audi Duo. Była to równoległa hybryda plug-in oparta na modelu Audi 100 Avant Quattro. Samochód wyposażono w silnik elektryczny o mocy 12,8 KM, który napędzał tylną oś. Energię czerpał z baterii niklowo-kadmowej. Przednia oś była napędzana pięciocylindrowym silnikiem benzynowym o pojemności 2,3 l i mocy 136 KM. Intencją Audi było stworzenie samochodu, który byłby napędzany silnikiem spalinowym poza miastem, zaś silnikiem elektrycznym w mieście. Kierowca wybierał spalinowy lub elektryczny tryb jazdy. Audi wyprodukowało tylko dziesięć egzemplarzy tego modelu. Niewielkie zainteresowanie klientów było spowodowane mniejszą wydajnością niż standardowego Audi 100 z powodu dodatkowego obciążenia napędem elektrycznym.
Przełom nadszedł z Dalekiego Wschodu
Za datę, od której samochody hybrydowe weszły na rynek szeroka ławą i zdobyły prawdziwą popularność, uznaje się dopiero 1997 rok, gdy w Japonii na rynek weszła Toyota Prius (3). Początkowo auta te znajdowały nabywców głównie w kręgach osób wrażliwych na kwestie ochrony środowiska. Sytuacja zmieniła się w następnej dekadzie, kiedy ceny ropy zaczęły szybko rosnąć. Od drugiej połowy ubiegłej dekady także inni producenci zaczęli wprowadzać na rynek modele hybrydowe, nieraz opierając się na licencji rozwiązań hybrydowych Toyoty. W Polsce Prius trafił do salonów w 2004 roku. Druga generacja Priusa ukazała się w tym samym roku, zaś trzecia w 2009 roku.
W ślad za Toyotą poszła Honda, inny japoński gigant samochodowy. Sprzedaż modelu Insight (4), częściowej hybrydy równoległej, firma rozpoczęła w 1999 roku w Stanach Zjednoczonych i Japonii. Było to auto bardziej ekonomiczne niż produkt Toyoty. Prius sedan pierwszej generacji zużywał 4,5 l/100 km w mieście i 5,2 l/100 km poza miastem. Dwudrzwiowa Honda Insight pierwszej generacji zużywała 3,9 l/100 km w mieście i 3,5 l/100 km poza miastem.
Toyota wytwarzała kolejne hybrydowe wersje aut. Produkcja Toyoty Auris Hybrid rozpoczęła się w maju 2010 roku. Była to pierwsza masowo produkowana hybryda w Europie, sprzedawana taniej niż Prius. Auris Hybrid miał ten sam napęd co Prius, jednak zużywał mniej benzyny - 3,8 l/100 km w cyklu mieszanym.
Pierwszy milion hybryd Toyota Motor Corporation sprzedała do maja 2007 roku. Dwa miliony do sierpnia 2009 roku, 6 milionów do grudnia 2013 roku. W lipcu 2015 roku łączna liczba hybryd Toyoty przekroczyła 8 milionów. W październiku 2015 roku sprzedaż hybryd Toyoty tylko w Europie przekroczyła milion egzemplarzy. W pierwszym kwartale 2019 hybrydy stanowiły już 50 proc. całkowitej sprzedaży Toyoty na naszym kontynencie. Najpopularniejszymi modelami w tej kategorii jednak nie są już Priusy, tylko kolejno Yaris Hybrid, C-HR Hybrid oraz Corolla Hybrid. Do końca 2020 roku Toyota zamierza sprzedać 15 mln hybryd, co według danych firmy udało się jej już w styczniu tego roku, czyli na początku. Już w 2017 roku, jak podaje producent, skutkiem tego do atmosfery wyemitowano o 85 milionów ton dwutlenku węgla mniej.
W ciągu trwającej już od ponad dwu dekad masowej kariery hybryd samochodowych pojawiały się kolejne innowacje. Hyundai Elantra LPI Hybrid (5), którego sprzedaż rozpoczęła się w lipcu 2009 roku w Korei Południowej, był pierwszą hybrydą z silnikiem spalinowym napędzanym LPG. Elantra to częściowa hybryda, w której zastosowano, również po raz pierwszy, akumulatory litowo-polimerowe. Elantra zużywała 5,6 l gazu na 100 km i emitowała 99 g/km CO2. W 2012 roku Peugeot zaproponował nowe rozwiązanie, wprowadzając na europejski rynek model 3008 Hybrid4, mianowicie pierwszą produkcyjną hybrydę z silnikiem Diesla. Według producenta van 3008 Hybrid zużywał 3,8 l/100 km oleju napędowego i emitował 99 g/km CO2.
Na targach New York International Auto Show w 2010 roku zaprezentowano model Lincoln MKZ Hybrid, pierwszej wersji hybrydowej, której cena była identyczna z ceną wersji konwencjonalnej tego samego modelu.
Do kwietnia 2020 r., od przełomowego roku 1997, na całym świecie sprzedano ponad 17 milionów hybrydowych pojazdów elektrycznych. Liderem rynku jest Japonia, która do marca 2018 roku sprzedała ponad 7,5 mln pojazdów hybrydowych, następnie Stany Zjednoczone, które do 2019 roku sprzedały łącznie 5,4 mln sztuk, a do lipca 2020 roku w Europie sprzedano 3 mln samochodów hybrydowych. Najbardziej znane obecnie przykłady powszechnie dostępnych samochodów hybrydowych to oprócz Priusa hybrydowe wersje innych modeli Toyoty: Auris, Yaris, Camry i Highlander, Honda Insight, Lexus GS450h, Chevrolet Volt, Opel Ampera, Nissan Altima Hybrid.
Równoległe, szeregowe i mieszane
Pod nazwą ogólną "hybryda" kryje się obecnie kilka różnych rodzajów układów napędowych i pomysłów na osiągnięcie większej efektywności. Trzeba pamiętać, że teraz w miarę rozwoju i wzrostu zaawansowania konstrukcji wyraźne klasyfikacje czasem zawodzą, gdyż stosuje się kombinacje różnych rozwiązań plus nowe wynalazki, które zakłócają czystość definicji. Zacznijmy od podziału ze względu na konfigurację napędu.
W napędzie hybrydowym typu równoległego silnik spalinowy i elektryczny są połączone mechanicznie z kołami napędowymi. Samochód może być napędzany silnikiem spalinowym, elektrycznym lub jednym i drugim równocześnie. Układ tego rodzaju jest stosowany w samochodach Hondy: Insight, Civic, Accord. Inny przykład takiego układu to Belted Alternator/Starter firmy General Motors w modelu Chevrolet Malibu. W wielu modelach silnik spalinowy działa również jako generator prądu.
Obecnie znane na rynku napędy równoległe składają się z pełnej mocy silników spalinowych i mniejszych (do 20 kW mocy) silników elektrycznych, a także niewielkich akumulatorów. Silniki elektryczne mają bowiem w tych konstrukcjach jedynie wspierać główny silnik, a nie być zasadniczym źródłem mocy. Równoległe napędy hybrydowe uważa się za bardziej wydajne niż układy oparte jedynie na silnikach spalinowych tej samej wielkości, szczególnie w jeździe miejskiej oraz na autostradach.
W układzie hybrydowym szeregowym samochód napędzany jest bezpośrednio wyłącznie silnikiem elektrycznym, zaś silnik spalinowy służy w tym układzie do napędu generatora prądu elektrycznego i do ładowania baterii. Zestaw akumulatorów jest w tym układzie zwykle znacznie większy, co ma wpływ na koszty produkcji. W tym układzie, jak się uważa, większa jest wydajność silnika spalinowego, zwłaszcza w jeździe miejskiej. Przykładem hybrydy szeregowej jest Nissan e-Power.
Napęd hybrydowy mieszany łączy zalety obu wyżej przedstawionych rozwiązań - równoległego i szeregowego. Te niejako "hybrydowe hybrydy" uznaje się za optymalne pod względem wydajności, w porównaniu z szeregowymi, wydajnymi najbardziej przy niewielkich prędkościach i równoległymi, optymalnymi przy wyższych prędkościach. Ich produkcja jako układów bardziej skomplikowanych jest jednak droższa niż silników równoległych. Dominującym producentem zespołów napędowych hybrydowych mieszanych jest Toyota. Są one stosowane w samochodach Toyoty i Lexusa, Nissana i Mazdy (głównie na licencji Toyoty), Forda i General Motors.
Moc z dwóch silników, spalinowego i równoległego, może być przekazywana do napędu kół za pomocą urządzenia typu power split (rozdzielacz mocy), które jest prostym zespołem przekładni obiegowych. Wał silnika spalinowego połączony jest z jarzmem kół obiegowych przekładni, generator elektryczny jest połączony z jej kołem centralnym, a silnik elektryczny, przez przekładnię redukcyjną, z kołem zewnętrznym, z którego moment obrotowy przekazywany jest na koła. Pozwala to przekazywać część prędkości obrotowej i momentu obrotowego silnika spalinowego na koła, a część do generatora. Dzięki temu silnik spalinowy może pracować w optymalnym zakresie obrotów niezależnie od prędkości pojazdu, np. przy ruszaniu, a prąd wytwarzany przez generator jest wykorzystywany do zasilania silnika elektrycznego, którego duży moment obrotowy wspomaga silnik spalinowy przy napędzaniu kół. Koordynujący pracę całości komputer reguluje obciążenie generatora i zasilanie silnika elektrycznego, sterując w ten sposób pracą przekładni obiegowej jako elektromechanicznej bezstopniowej skrzyni biegów. Podczas zwalniania i hamowania silnik elektryczny pełni funkcję generatora doładowującego akumulator, a przy uruchamianiu silnika spalinowego generator służy jako rozrusznik.
W pełnym napędzie hybrydowym samochód może czerpać energię albo tylko z silnika, albo tylko z baterii, albo z obu naraz. Przykłady takiego systemu to Hybrid Synergy Drive Toyoty, system hybrydowy Forda, Two-Mode Hybrid produkcji General Motors/ Chrysler. Przykłady pojazdów: Toyota Prius, Toyota Auris Hybrid, Ford Escape Hybrid jak również Lexus RX400h, RX450h, GS450h, LS600h i CT200h. Samochody te wymagają dużych, wydajnych akumulatorów. Dzięki zastosowaniu mechanizmu rozdzielającego moc pojazdy zyskują większą elastyczność kosztem zwiększenia stopnia złożoności układu.
Częściowa hybryda to co do zasady samochód konwencjonalny z rozbudowanym rozrusznikiem, pozwalającym na wyłączanie silnika spalinowego za każdym razem, gdy samochód zjeżdża z góry, hamuje lub zatrzymuje się i na szybkie uruchamianie silnika, gdy jest to potrzebne.
Rozrusznik jest zwykle montowany między silnikiem i przeniesieniem napędu, zastępując konwerter momentu obrotowego. Dostarcza dodatkowej energii podczas zapłonu. Akcesoria takie jak radio czy klimatyzacja mogą być włączone, gdy nie działa silnik spalinowy. Baterie są ładowane podczas hamowania. W porównaniu do pełnych hybryd częściowe hybrydy mają mniejsze baterie i mniejszy silnik elektryczny. Ich masa własna i koszt ich produkcji są dzięki temu mniejsze. Przykładem tego typu konstrukcji był produkowany w latach 2005-2007 Chevrolet Silverado Hybrid, pełnowymiarowy pick-up. Oszczędzał do 10 proc. na wyłączaniu i włączaniu silnika spalinowego i odzyskiwaniu energii podczas hamowania.
Hybrydy hybryd i elektryków
Dłuższą chwilę warto poświęcić jeszcze jednej kategorii hybryd, która niejako stanowi kolejny krok w kierunku "czystej elektryki". Chodzi o pojazdy hybrydowe plug-in (PHEV), w których akumulatory do napędu elektrycznego można ładować także z zewnętrznego źródła (6). PHEV można więc uznać za hybrydę auta hybrydowego i elektrycznego. Wyposażony jest we wtyczkę do ładowania. W konsekwencji kilkakrotnie większe są tu również akumulatory, a to oznacza też możliwość zamontowania mocniejszego silnika elektrycznego.
W rezultacie samochody hybrydowe typu plug-in zużywają mniej paliwa niż klasyczne hybrydy, mogą pokonać przeważnie ok. 50-60 km "na samym prądzie", bez uruchamiania silnika spalinowego, a także mają lepsze osiągi, bo hybrydy plug-in to bardzo często najmocniejsze odmiany danego modelu.
Zasięg samochodu elektrycznego PHEV jest wielokrotnie większy niż w pojazdów hybrydowych bez tej funkcji. Owe kilkadziesiąt kilometrów w zupełności wystarcza do przejazdów miejskich, do pracy czy na zakupy. Przykładowo w Skodzie Superb iV (7) zestaw akumulatorów może zmagazynować do 13 kWh energii elektrycznej, co według pomiarów pozwala osiągnąć zasięg do 62 km w trybie zeroemisyjnym. Dzięki temu parkując naszą hybrydę plug-in pod domem, wracając do domu, możemy osiągnąć średnie zużycie paliwa równe 0 l/100 km. Silnik spalinowy jest zabezpieczeniem przed rozładowaniem baterii w miejscu bez dostępu do źródła zasilania i oczywiście pozwala przestać martwić się zasięgiem w razie podejmowania dłuższych jazd.
Co równie ważne, hybrydy typu plug-in są wyposażane w mocne silniki elektryczne - w przypadku Skody Superb iV jego parametry to 116 KM i 330 Nm momentu obrotowego. Dzięki temu samochód nie tylko momentalnie przyspiesza (silnik elektryczny napędza auto równie szybko, bez znaczenia przy jakich obrotach aktualnie pracuje), bo Skoda podaje, że Superb do 60 km/h przyspiesza w 5 sekund, potrafi również rozpędzić samochód do 140 km/h - pozwala to bez stresu i w trybie zeroemisyjnym poruszać się np. obwodnicami miast czy autostradami.
Podczas jazdy zazwyczaj oba silniki napędzają auto (silnik spalinowy jest wspierany elektrycznym, więc zużywa mniej paliwa niż w zwykłym aucie), ale podczas odpuszczania gazu, hamowania lub jazdy z jednostajna prędkością silnik spalinowy jest wyłączany, a wtedy tylko silnik elektryczny napędza koła. Samochód działa więc podobnie jak klasyczna hybryda i tak samo jak ona odzyskuje energię - podczas każdego hamowania odzyskiwana jest energia i w postaci prądu elektrycznego trafia do akumulatorów; służy ona później właśnie do tego, aby częściej silnik spalinowy mógł być wyłączany.
Pierwszy samochód hybrydowy plug-in udostępnił na rynku chiński producent BYD Auto w grudniu 2008 roku. Był to model F3DM PHEV-62. Premiera hybrydowej wersji plug-in najbardziej popularnego auta elektrycznego na świecie, Chevroleta Volt, miała miejsce w 2010 roku. Toyota Prius Plug-in miała premierę w 2012 roku.
Chociaż nie wszystkie modele działają w ten sam sposób, większość plug-inów może działać w co najmniej dwóch trybach - "w pełni elektrycznym", w którym silnik i akumulator dostarczają całej energii samochodowi oraz "hybrydowym", w którym wykorzystuje się zarówno energię elektryczną, jak i benzynę. PHEV-y zazwyczaj uruchamiają się w trybie w pełni elektrycznym, pracując na energii elektrycznej do momentu wyczerpania akumulatora. Niektóre modele przełączają się na tryb hybrydowy po osiągnięciu prędkości docelowej na trasach szybkiego ruchu, zazwyczaj około 100 km/h.
Oprócz opisywanej wyżej Skody Superb iV najbardziej znane i popularne obecnie modele hybryd plug-in to Kia Niro PHEV, Hyundai Ioniq Plug-in, BMW 530e i X5 xDrive45e, Mercedes E 300 e i E 300 de, Volvo XC60 Recharge, Ford Kuga PHEV, Audi Q5 TFSI e, Porsche Cayenne E-Hybrid.
Hybrydy od morskich głębin po przestworza
Warto pamiętać, że napęd hybrydowy stosowany jest nie tylko w segmencie samochodów osobowych i w ogóle samochodów. Na przykład hybrydowe układy napędowe wykorzystują silniki wysokoprężne lub turboelektryczne zasilające lokomotywy kolejowe, autobusy, pojazdy ciężarowe, ruchome maszyny hydrauliczne i statki.
W dużych konstrukcjach wygląda to zwykle tak, że silnik wysokoprężny/turbinowy napędza generator elektryczny lub pompę hydrauliczną, która zasila silnik elektryczny/hydrauliczny. Przy dużych pojazdach zmniejszają się względne straty mocy, a korzyści w dystrybucji mocy przez przewody lub rury, a nie przez elementy mechaniczne, stają się bardziej widoczne, zwłaszcza przy przenoszeniu mocy do wielu układów napędowych, np. kół lub śrub napędowych. Jeszcze do niedawna ciężkie pojazdy miały niewielki zapas energii wtórnej, np. akumulatory/akumulatory hydrauliczne.
Jedną z najstarszych konstrukcji hybrydowych były napędy niejądrowych łodzi podwodnych, pracujące na dieslach w stanie surowym i akumulatorach w stanie zanurzenia. W łodziach podwodnych z II wojny światowej na przykład stosowano zarówno układy szeregowe, jak i równoległe.
Mniej znane, choć nie mniej ciekawe konstrukcje to hybrydy paliwowo-hydrauliczne. W 1978 r. studenci z Minnesota’s Hennepin Vocational Technical Center w Minneapolis przekształcili volkswagena garbusa w hybrydę benzynowo-hydrauliczną za pomocą części gotowych. W latach 90. XX wieku amerykańscy inżynierowie z laboratorium EPA opracowali "petrohydrauliczny" układ napędowy do typowego amerykańskiego samochodu typu sedan.
Samochód testowy osiągał ok. 130 km/h prędkości w połączonych cyklach jazdy w ruchu miejskim i drogowym. Przyspieszenie od 0 do 100 km/h wynosiło 8 sekund, gdy używano 1,9 litrowego silnika Diesla. EPA oszacowała, że masowo produkowane elementy hydrauliczne zwiększają cenę auta jedynie o 700 dolarów na sztuce. W ramach testów EPA testowana była benzynowo-hydrauliczna konstrukcja hybrydowa Ford Expedition, która spalała 7,4 litra paliwa na 100 km w ruchu miejskim. Obecnie amerykańska firma kurierska UPS ma w eksploatacji dwa samochody ciężarowe wykorzystujące tę technologię (8).
Wojsko amerykańskie testowało hybrydowe pojazdy terenowe Humvee od 1985 r. W ocenach chwalono nie tylko większą dynamikę i większą oszczędność paliwa, ale np. wykazywaną przez te pojazdy niższą sygnaturę termiczną i cichszą pracę, co jak łatwo się domyślić, w zastosowaniach militarnych może mieć duże znaczenie.
Wczesną formą napędu hybrydowego w transporcie morskim były statki z żaglami na masztach i silnikami parowymi pod pokładem. Innym przykładem jest wspominany już okręt podwodny z napędem dieslowsko-elektrycznym. Nowsze, choć znów nawiązujące do dawnych rozwiązań, systemy napędu hybrydowego statków to m.in. duże latawce produkowane przez firmy takie jak SkySails. Latawce holownicze mogą latać na wysokościach kilkukrotnie wyższych niż najwyższe maszty statków, przechwytując silniejsze i stabilniejsze wiatry.
Hybrydowe koncepcje trafiły w końcu również do lotnictwa. Na przykład samolot prototypowy Boeing Fuel Cell Demonstrator Airplane (9) wyposażony został w system hybrydowy z wymienną membraną Proton Exchange Membrane (PEM) do zasilania silnika elektrycznego, który jest połączony z konwencjonalnym śmigłem. Ogniwo paliwowe zapewnia całą moc dla fazy lotu rejsowego. Podczas startu i wznoszenia, odcinka lotu, który wymaga największej mocy, system czerpie z lekkich akumulatorów litowo-jonowych. Samolotem pokazowym jest również motoszybowiec Dimona, zbudowany przez austriacką firmę Diamond Aircraft Industries, która przeprowadziła modyfikacje konstrukcji samolotu. Dzięki rozpiętości skrzydeł wynoszącej 16,3 metra samolot będzie mógł latać z prędkością około 100 km/h, korzystając z energii czerpanej z ogniwa paliwowego.
Nie wszystko maluje się w różowych barwach
Nie da się ukryć, iż ze względu na komplikację konstrukcji do budowy pojazdów hybrydowych potrzeba więcej paliw kopalnych niż w przypadku samochodów konwencjonalnych, ale redukcja emisji w trakcie eksploatacji pojazdu nadrabia te emisje z dużą nadwyżką. Pojazdy hybrydowe mogą zmniejszyć emisję do powietrza zanieczyszczeń powodujących powstawanie smogu nawet o 90 proc. i zmniejszyć emisję dwutlenku węgla o połowę.
Mimo że samochody hybrydowe zużywają mniej paliwa niż samochody konwencjonalne, nadal istnieje problem szkodliwego wpływu akumulatora samochodowego o napędzie hybrydowym na środowisko naturalne. Obecnie większość akumulatorów samochodowych o napędzie hybrydowym to jeden z dwóch typów - niklowo-metalowo-wodorkowy lub litowo-jonowy. Oba uznawane są jednak i tak za bardziej przyjazne dla środowiska niż akumulatory ołowiowe, które stanowią obecnie większość akumulatorów rozruchowych w samochodach benzynowych.
Trzeba tu zastrzec, że dane nie są jednoznaczne. Na ogół poziomy toksyczności i wpływ na środowisko baterii wodorkowo-niklowych są uznawane za znacznie niższe niż w przypadku baterii kwasowo-ołowiowych czy wykorzystujących kadm. Inne źródła z kolei twierdzą, że akumulatory wodorkowo-niklowe są znacznie bardziej toksyczne niż ołowiowe, a także, że ich recykling i bezpieczne usuwanie jest dużo bardziej uciążliwe. Wskazuje się na to, że różne rozpuszczalne i nierozpuszczalne związki niklu, takie jak chlorek niklu i tlenek niklu, mają dobrze znane działanie rakotwórcze, potwierdzone w eksperymentach na zwierzętach.
Akumulatory litowo-jonowe uznawane są obecnie za atrakcyjną alternatywę, ponieważ mają największą gęstość energii spośród wszystkich akumulatorów i mogą wytwarzać napięcie ponadtrzykrotnie wyższe niż ogniwa akumulatorów niklowo-metalowo-wodorkowych, jednocześnie magazynując duże ilości energii elektrycznej. Akumulatory te wytwarzają również większą moc, cechując się większą sprawnością, co pozwala w większym stopniu unikać marnotrawstwa energii elektrycznej oraz zapewnia doskonałą trwałość, z okresem eksploatacji akumulatora, który w przybliżeniu odpowiada okresowi eksploatacji pojazdu. Dodatkowo zastosowanie akumulatorów litowo-jonowych zmniejsza całkowitą masę pojazdu, a także pozwala na uzyskanie o 30 proc. zwiększonej oszczędności paliwa niż w przypadku pojazdów napędzanych benzyną, co w konsekwencji prowadzi do zmniejszenia emisji CO2.
Nad technologiami, o których mowa, wisi niestety fatum uzależnienia od trudno dostępnych i drożejących materiałów. Do budowy silników elektrycznych i innych części w autach hybrydowych potrzeba między innymi metali ziem rzadkich. Na przykład dysprozu, pierwiastka ziem rzadkich, który jest potrzebny do produkcji różnego typu zaawansowanych silników elektrycznych i systemów akumulatorów w hybrydowych systemach napędowych. Albo neodymu, kolejnego metalu ziem rzadkich, który jest kluczowym składnikiem magnesów o wysokiej wytrzymałości, które znajdują się w silnikach elektrycznych z magnesami stałymi.
Prawie wszystkie pierwiastki ziem rzadkich na świecie pochodzą głównie z Chin. Kilka niechińskich źródeł, takich jak Hoidas Lake w północnej Kanadzie czy Mount Weld w Australii, jest obecnie dopiero w fazie rozwoju. Jeśli nie znajdziemy alternatywnych rozwiązań, czy to w postaci nowych złóż, czy materiałów, które zastąpią rzadkie metale, to rosnące ceny materiałów z pewnością wpłyną na ceny hybryd i elektryków oczywiście. A to może zniweczyć plany zmniejszania emisji przez stopniowe wypieranie benzyniaków z rynku.
Są też inne problemy niż rosnące ceny, natury etycznej. W 2017 roku raport ONZ ujawnił wykorzystywanie dzieci w kopalniach kobaltu, niezwykle ważnego surowca w naszych zielonych technologiach, w tym w silnikach elektrycznych najnowszych generacji, w Demokratycznej Republice Konga (DCR). Świat dowiedział się o dzieciach, które już w wieku czterech lat zmuszone były do pracy w brudnych, niebezpiecznych i często toksycznych kopalniach kobaltu. ONZ szacowało, że w tych kopalniach umiera rocznie około osiemdziesięcioro dzieci. Codziennie do 40 tysięcy nieletnich było zmuszanych do pracy. Taka bywa brudna cena naszych czystych hybryd.
Innowacje w spalinówkach krzepią
Są jednak także dobre wiadomości dla technik hybrydowych i generalnego dążenia do czystszej motoryzacji. Badacze opracowali niedawno obiecującą i zaskakująco prostą modyfikację silników wysokoprężnych, które można łączyć z elektrycznym napędem w układach hybrydowych. Jednostki napędowe diesla mogą dzięki niej stać się mniejsze, tańsze i łatwiejsze w utrzymaniu. A przede wszystkim będą czystsze.
Charles Mueller i jego trzej współpracownicy z ośrodka badań Sandia National Laboratory pracowali nad modyfikacją, zwaną kanałowym wtryskiem paliwa (DFI - ducted fuel injection). Jest ona oparta na prostej zasadzie palnika Bunsena. Naukowcy twierdzą, że DFI może zmniejszyć ilość substancji wydechowych oraz tendencję filtrów cząstek stałych DPF do zatykania się sadzą. Według Muellera, jego wynalazek może nawet wydłużyć okresy między wymianami oleju, zmniejszając ilość sadzy w misce olejowej.
Jak więc to działa? Wtryskiwacze w tradycyjnym silniku wysokoprężnym tworzą bogate mieszanki w obszarach komory spalania. Jednak, zdaniem naukowców, w tych obszarach znajduje się od dwu do dziesięciu razy więcej paliwa, niż potrzeba do jego całkowitego spalenia. Przy takim nadmiarze paliwa w wysokiej temperaturze musi pojawić się tendencja do wytwarzania dużych ilości sadzy. Zainstalowanie kanałów DFI pozwala osiągnąć wydajne spalanie oleju napędowego przy niewielkim lub zerowym wytwarzaniu sadzy. "Nasze mieszanki zawierają mniej paliwa", wyjaśnia Mueller w publikacji na temat nowej techniki.
Kanały, o których mówi pan Mueller, to rurki zamontowane w niewielkiej odległości od miejsca, w którym strumienie paliwa opuszczają otwory dyszy wtryskiwacza. Montowane są od spodu głowicy cylindra w pobliżu dyszy wtryskiwacza. Mueller uważa, że docelowo będą wykonane ze stopu o wysokiej odporności temperaturowej, aby wytrzymały energię cieplną spalania. Według niego jednak dodatkowe koszty związane z implementacją opracowanego przez jego zespół wynalazku będą niewielkie.
Gdy układ spalania wytwarza mniej sadzy, można bardziej skutecznie wykorzystać układ recyrkulacji spalin (EGR) w celu obniżenia poziomu tlenków azotu, NOx. Zdaniem twórców rozwiązania, może to zmniejszyć ilość sadzy i NOx na wyjściu z silnika do jednej dziesiątej obecnego poziomu. Zauważają też, że ich koncepcja pomoże w redukcji emisji CO2 i innych substancji powodujących globalne ocieplenie.
Powyższe to nie tylko sygnał, że być może tak szybko nie pożegnamy się z silnikami Diesla, na których wielu już kładzie krzyżyk. Innowacje po stronie napędu spalinowego to dalszy ciąg myślenia, które sprzyja wzrostowi popularności hybryd. To strategia drobnych kroków, stopniowego zmniejszania obciążenia dla środowiska ze strony pojazdów. Miło wiedzieć, że innowacje zmierzające w tym kierunku pojawiają się nie tylko po elektrycznej stronie hybrydy, ale także po tej spalinowej.
Mirosław Usidus
