Jeszcze kilka elektro-ulepszeń i pojedziemy, popłyniemy, polecimy. Od roweru po kontenerowiec - wszystko na prąd
Z raportu IEA "Global Electric Vehicle Outlook 2021" wynikało, że pomimo pandemii w 2020 roku zarejestrowano rekordową liczbę trzech milionów nowych samochodów elektrycznych, co stanowi 41-procentowy wzrost w stosunku do roku poprzedniego. Elektryki w 2020 r. stanowiły ponad 4 proc. globalnej sprzedaży - w porównaniu z 2,7 proc. rok wcześniej i mniej niż jednym procentem w 2015 r. Silna dynamika wzrostu w segmencie samochodów elektrycznych utrzymała się w 2021 roku. Jednak osobowe samochody elektryczne to dopiero początek rozmowy o elektrycznej mobilności.
Spójrzmy na większy tonaż, np. autobusy. Jak się szacuje, ponad 600 tysięcy elektrycznych pojazdów tej klasy jeździ obecnie po drogach całego świata. Na drugim biegunie są inne duże samochody - ciężarówki. Tutaj transformacja dopiero się zaczyna. Symbolem zmian jest Tesla Semi, które w maksymalnej wersji ma przekraczać 800 km zasięgu na jednym ładowaniu. Jesienią 2022 r. przeszła testy sprawdzające jej możliwości. Branżowe potęgi, takie jak Volvo i Freightliner (należący do Daimlera), Peterbilt i Kenworth, również opracowały modele elektryczne. Elektryczna przyszłość w tym segmencie budzi jednak sporo wątpliwości ze względu na konieczność stosowania ogromnych akumulatorów. Coraz częściej mówi się, że to jednak nie elektryczność, ale wodór i ogniwa paliwowe są czystą przyszłością ciężkiego transportu drogowego.
Problemy masa akumulatorów vs. zasięg i dynamika ma również inny segment pojazdów - motocykle. Postulowane cechy pojazdu tego rodzaju nie jest łatwo pogodzić z napędem elektrycznym. Nie znaczy to, że się nie próbuje. Jednym z nowszych przykładów jest nowy model firmy Triumph TE-1 z 174 KM (1) mocy i zasięgiem oczekiwanym do 200 kilometrów na jednym ładowaniu, przy czym ładowanie do 80 proc ma trwać poniżej dwudziestu minut. Jak wynika z komunikatów firmy, nie jest wcale oczywiste, że maszyna ta trafi do sprzedaży na zwykłe drogi, gdyż traktuje się ją jako platformę testowania elektrycznej techniki raczej niż docelowy produkt. Jednak wejścia na rynek tej maszyny też się nie wyklucza.
E-rowerowy zawrót głowy
Zacznijmy jednak od pojazdów najmniejszych. W ostatnich latach szybki wzrost notuje sektor e-rowerów, pojazdów o różnej mocy i możliwościach, od wspomaganych niewielkimi silnikami bicykli miejskich i górskich po konstrukcje będące już właściwie motorowerami. Chcemy się tym maszynom przyjrzeć bliżej, bo nie ulega wątpliwości, że w tej dziedzinie dzieje się i będzie działo w najbliższych latach bardzo dużo.
Oferta rynkowa jest obecnie bardzo rozległa, od relatywnie tanich (od których jednak nie można oczekiwać zbyt wiele) rowerów typu miejskiego, na płaski teren, np. składak Lectric XP LITE (2) lub wyglądający jak każdy inny zwykły rower ogólnego przeznaczenia Ride1Up Roadster V2, z baterią i silnikiem schowanym w ramie tak, że na pierwszy rzut oka nie widać, że to e-rower. To konstrukcje z grupy najtańszych. Jeśli ktoś jest gotów wydać więcej, to może spojrzy na oferujący prędkość do 45 km/h i do 160 km zasięgu Lectric XPremium, Ride1Up Cafe Cruiser (3) będący hybrydą roweru crossowego z motorowerem lub Electric Bike Company Model Y, będący miejskim rowerem typu "damka" z potężnym, dającym zasięg do 80 km, akumulatorem i prędkością do 45 km/h.
W segmencie wyższym i droższym zaczynają się konstrukcje nieodróżnialne od znanych od dekad motorowerów takie jak Juiced Scorpion X, który jednak wciąż dzięki zdrowemu pedałowaniu ma znacznie większy zasięg i Ariel Rider X-Class z zasięgiem do 120 km i maksymalna prędkością ok. 60 km/h. Na najwyższych poziomach, dla tych, którzy nie mają oporów przed wydaniem na e-rower kilkudziesięciu tysięcy są takie konstrukcje jak Fuell Flluid z zasięgiem do 200 km (podwójny akumulator) i górski rower elektryczny FREY EX Pro.
Pomysłów konstrukcji hybrydowych, wariacji na temat roweru i motoroweru elektrycznego jest dziś znacznie więcej. Jak bardzo ten świat kipi różnorodnymi koncepcjami można było się przekonać na wystawie Eurobike 2022, która odbyła się w niemieckim Frankfurcie nad Menem. Na targach takich można też spotkać wiele innowacji, takich jak np. układy napędowe niemieckich firm Schaeffler i Heinzmann, przeznaczone do rowerów elektrycznych, o nazwie "Free Drive" eliminujące potrzebę stosowania tradycyjnego łańcucha, kasety i przerzutek, zamiast tego wykorzystujące silnik elektryczny do bezpośredniego napędzania tylnego koła roweru.
Gdy jesteśmy przy e-rowerowych innowacjach to warto wspomnieć o propozycji wynalazcy z Londynu, Alastaira Darwooda, który opracował konstrukcję o nazwie Skarper, mocowanego szybko i łatwo na coś w rodzaju zatrzasku silnika elektrycznego i akumulatora, który może zmienić każdy rower wyposażony w hamulcami tarczowe w e-rower. Ważąca trzy kilogramy jednostka napędowa z silnikiem o mocy 250 watów łączy się łączy się z przekładnią za pomocą prostej operacji wsunięcia aż do "kliku" mocującego. Konstrukcja wymaga wymiany tylnej tarczy hamulcowej w rowerze na konstrukcję DiskDrive, która pozwala mocować układ napędowy, a bez niego jest po prostu tarczą hamulcową. Po zamocowaniu jednostki napędowej i zasilającej wewnętrzna przekładnia silnika obraca przekładnię połączoną z tarczą hamulcową, obracając tylne koło. Po zamocowaniu Skarper ma oferować 60 kilometrów jazdy ze wspomaganiem przy prędkości: 25 km/h. Po dotarciu do celu, można łatwo odpiąć urządzenie i naładować baterię "do pełna" w ciągu 2,5 godziny.
Lot potrzebuje wyższego napięcia
O ile samochody i cykling to światy w już w dużym stopniu zelektryfikowane, o tyle inne gałęzie transportu są w o wiele mniej zaawansowanych fazach rozwoju. Pomimo optymistycznie brzmiących zapowiedzi wprowadzenia latających taksówek w Dubaju, czy, czym na początku artykułu pisaliśmy - w Paryżu, w sektorze maszyn latających wciąż jest to raczej etap testów i prototypów.
W 2018 r. na Uniwersytecie Carnegie Mellon przeanalizowano wymagania dotyczące wydajności akumulatorów, jakie muszą spełniać elektryczne samoloty pionowego startu i lądowania (eVTOL - taki model bierze się pod uwagę w miastach, gdzie nie ma miejsca na duże lotniska). Badacze zwracali uwagę na dużą różnicę co do gęstości energii pomiędzy paliwem lotniczym a nowoczesnymi akumulatorami litowo-jonowymi. Paliwo lotnicze to ok. 12 tysięcy watogodzin na kilogram, podczas gdy najlepsze dostępne zestawy akumulatorów to najwyżej kilkaset Wh/kg. To wciąż wielokrotnie mniej niż tradycyjne paliwa.
Nie zraża to konstruktorów. W 2020 r. słoweński Pipistrel Velis jako pierwszy samolot elektryczny, uzyskał certyfikat w swojej klasie w Europie. Do klientów trafiło już kilkaset egzemplarzy, jednak Velis pozostaje samolotem o bardzo ograniczonych możliwościach. Może zabrać na pokład tylko dwie (nieszczególnie ciężkie) osoby i może latać przez mniej niż godzinę, zanim będzie wymagał doładowania. Z powodu tych ograniczeń, samolot służy głównie jako samolot szkoleniowy. Są większe projekty.
Izraelski startup o nazwie Eviation buduje biznesowy odrzutowiec krótkodystansowy i może przewieźć dziewięciu pasażerów na odległość do 815 km. Firma twierdzi, że koszty operacyjne wynoszą zaledwie 200 dolarów na godzinę, w porównaniu do 600-1000 dolarów w znanych jetach. Europejskie tanie linie lotnicze easyJet nawiązały współpracę z firmą Wright Electric w celu opracowania elektrycznego samolotu komercyjnego, który będzie w stanie przewieźć 186 pasażerów. Samolot ma wejść do służby w 2030 roku. Projekty samolotów elektrycznych przyciągnęły inwestycje dużych firm, Boeinga, JetBlue, Airbusa a także armii USA. Technika ta pozostaje jednak wciąż bardziej obietnicą niż rzeczywistością.
Ostatnie miesiące 2022 r. przyniosły sporo informacji na temat postępów i osiągnięć lotnictwa z elektrycznym napędem. Firma Harbour Air od lat pracująca nad projektem elektryfikacji transportu lotniczego w Kanadzie poinformowała o pierwszym przelocie przerobionego samolotu De Havilland Beaver z kanadyjskiego lądu stałego na wyspę Vancouver (na odcinku 72 kilometrów) przy użyciu w pełni elektrycznego układu napędowego. Według relacji odpowiedzialnych za 24-minutowy lot, układ napędowy miał podczas lotu wciąż sporą rezerwę mocy. Harbour Air w 2019 roku zapowiedziała, że stanie się pierwszą na świecie całkowicie elektryczną linią lotniczą, a już w grudniu 2019 r. jej zmodyfikowany De Havilland Beaver wykonał pierwszy udany krótki przelot.
Na razie wciąż bardziej obiecująco niż e-samoloty rysują się perspektywy dla elektrycznych samolotów pionowego startu i lądowania (eVTOL). W ostatnich latach pojawiło się mnóstwo tego typu konstrukcji, np. 32-wirnikowy jednomiejscowy pojazd firmy TeTra Aviation, o maksymalnym zasięgu lotu 160 km przy prędkości 160 km/h. Szwedzki startup Jetson zaproponował nasuwający skojarzenia ze sprzętem, który widzimy na filmach, zwłaszcza w serii "Gwiezdne Wojny", w którym w pełni naładowany akumulator pozwala na 20 minut lotu z maksymalną prędkością do 100 km/h. Jetson ONE wykorzystuje LIDAR do wykrywania odległości od ziemi i automatycznie zwalnia, gdy jest już blisko.
Jeśli wciąż obawiamy się przewozu osób, to przewóz towarów za pomocą elektrycznych jednostek budzi mniej kontrowersji. Może dlatego statek powietrzny firmy MighyFly MF-100, już uzyskał certyfikat od amerykańskiej FAA (Federalnej Agencji Lotnictwa). Ten duży dron ma w docelowej wersji transportować ponad 220 kg na odległość prawie tysiąca kilometrów z prędkością maks. 241 km/h. Napędzany hybrydowym układem napędowym jest w stanie ładować swoje baterie podczas lotu, co pozwala mu na przeprowadzenie kilku dostaw na trasie jednego lotu. Obejmuje to również autonomiczny system załadunku i rozładunku z minimalną interwencją człowieka.
Ogromnym wyzwaniem dla akumulatorów do maszyn tego typu jest konieczność dostarczenia dużej mocy w czasie startu i lądowania. Dostarczanie dużej mocy, zwłaszcza na lądowanie, jest obecnie czynnikiem silnie ograniczającym możliwości akumulatorów. Łatwo jest zaprojektować akumulator, który spełnia jedno konkretne wymaganie, ale, gdy akumulator musi spełniać wiele zadań na raz, jest kłopot. W przypadku akumulatorów samochodowych problem pogodzenia wymagań to głównie zapewnienie wymaganej żywotności w cyklu i szybkiego czasu ładowania. Akumulatory w eVTOL muszą zapewniać wysoką moc nawet przy niskim stanie naładowania. W dodatku muszą zapewniać odpowiednią moc nawet w przypadku częściowej awarii.
Być może w rozwiązaniu tych problemów pomogą prace, jakie przeprowadza firma Rolls Royce. Wprawdzie nie dotyczą one jednostek pionowego startu i lądowania, ale maszyny elektrycznej będącej właściwie klasycznym samolotem, ale techniczne rozwiązania, zwłaszcza w dziedzinie wydajności akumulatorów, mogą być przecież przeniesione na inny grunt.
Rolls Royce postanowiła połączyć technikę akumulatorów Formuły E z mocnymi i wydajnymi silnikami, tworząc bardzo obiecujący samolot elektryczny nazywany Spirit of Innovation. Konstrukcja ta pobiła wiele rekordów. Osiągnęła prędkość 552 km/h na dystansie trzech kilometrów, i ustanowiła nowy rekord prędkości 530 km/h na dystansie piętnastu kilometrów. Osiągnęła prędkość maksymalną 620 km/h. Wreszcie, jej elektryczny samolot zdołał wznieść się na wysokość trzy tysiące metrów w zaledwie 3 minuty i 22 sekundy, pobijając poprzedni rekord o minutę.
Konstrukcja jest oparta na samolocie Nemesis NXT, modelu powszechnie używanym w wyścigach lotniczych. Jednak zamiast paliwożernego silnika schowanego za śmigłem, zastosowano silniki Yassa łącznej mocy 400 kW oraz 750-woltowy układ akumulatorowy z 6480 ogniwami. Pakiet akumulatorów Rollsa jest niezwykle wydajny przy dużym obciążeniu, czyli stanowiłby odpowiedź na wyzwania wyżej opisane, także w eVTOL.
Aby uzyskać dużą moc, potrzebne jest albo wysokie napięcie albo wysokie natężenie prądu. Jednak przy dużym natężeniu prądu powstaje duży opór, co oznacza, że energia jest tracona na ciepło w systemie. Auta Tesli mają akumulatory o napięciu 400 V, co wystarcza do wydajnej pracy silnika w normalnych warunkach, choć przy maksymalnych obciążeniem pojawia się problem z wydajnością.
Samochody Formuły E pracują wiele godzin na pełnej mocy, więc mają akumulator pracujący pod napięciem 800 V. Zatem napięcie jest wysokie, natężenie prądu niskie, a tym samym straty na rezystancji. Rolls nie używa akumulatorów Formuły E, ale koncepcja i technika wykorzystana w Spirit of Innovation pochodzi właśnie stamtąd. Układ napędowy samolotu jest zoptymalizowany pod kątem wydajności przy dużej mocy, co oznacza, że na pokładzie można zmieścić wystarczającą liczbę akumulatorów do zasilania relatywnie długich lotów bez przeciążania samolotu.
Łapanie prądu w żagle
Statki o napędzie elektrycznym już pływają tu i ówdzie po wodach świata, choć nie można powiedzieć, że podbiły oceany. Pierwszym elektrycznym statkiem towarowym była w 2017 r. chińska jednostka transportująca, o ironio, węgiel. Od tego czasu wdrożono na całym świecie w testach czy nawet regularnych kursach wiele statków z napędem elektrycznym, np. na początku 2021 r. w Norwegii rozpoczął rejsy największy w historii prom elektryczny, zdolny do przewozu sześciuset pasażerów i dwustu pojazdów na trasie o długości 10 km. Z Norwegii pochodzi także bezzałogowy Yara Birkeland, który odbył swój dziewiczy rejs w grudniu 2020 roku, pierwszy na świecie nie tylko elektryczny, ale w pełni autonomiczny (czyli bez potrzeby przebywania załogi na pokładzie), kontenerowiec.
Incat Tasmania, australijski producent promów, ogłosił na początku 2023 r. gotowość do dostarczenia 148-metrowego promu Utility Ro-Pax, który będzie największym na świecie promem elektrycznym. Zaprojektowany przez Revolution Design i zbudowany przez Incat, prom jest napędzany przez dwa silniki elektryczne (5–9,6 MW). Jednostka może przewozić ponad dwa tysiące pasażerów i 226 pojazdów z prędkością do 25 węzłów przy maksymalnym zasięgu 100 mil morskich. Firma Buquebus, która eksploatuje kilka statków Incat w Ameryce Południowej, wykorzysta go do transportu pasażerów pomiędzy Argentyną a Urugwajem (4).
Innowacje elektryczne to jednak nie tyle wielka a tzw. mała żegluga. Typowym przykładem jest opracowany przez Massachusetts Institute of Technology (MIT) projekt zaawansowanej autonomicznej łodzi o nazwie Roboat, która w pełnoskalowej wersji zademonstrowała swoje możliwości na kanałach Amsterdamu. Wyposażona jest w akumulator, który pozwala na dziesięć godzin ciągłej pracy. Inną interesującą cechą Roboat jest jej uniwersalny kadłub, który pozwala instalować różne "nadwozia". Jak twierdzą autorzy projektu, jednostka mogłaby bez problemu działać w 100 proc. autonomicznie, 24 godziny na dobę, siedem dni w tygodniu.
Większość z dotychczas wdrożonych statków o napędzie elektrycznym została zaprojektowana do pokonywania niewielkich odległości, nawet wielka Yara Birkeland przeznaczona jest na kilkudziesięciokilometrowe najwyżej trasy. Rejsy transoceaniczne będą wymagały ogromnych udoskonaleń zarówno w zakresie kosztów, jak i gęstości energii baterii. Każdy, kto proponuje alternatywne metody napędu dla jednostek pływających, nieuchronnie zderza się z realiami. Napędy elektryczne nie wchodzą na razie w rachubę, ponieważ akumulatory dla statków o wyporności dziesiątek i setek tysięcy ton, byłyby zbyt masywne, kosztem użytecznego ładunku. Nawiasem mówiąc, rozważane jako alternatywa, napędy wodorowe również wymagają ogromnych zbiorników gazu.
Nie tylko akumulatory - nowe silniki też są potrzebne
Opisane wyżej różnorodne gałęzie transportu potrzebują doskonalenia i innowacji nie tylko w dziedzinie techniki akumulatorowej. Większym, cięższym, przewożącym duże ładunki i pracującym w wymagających warunkach, pojazdom potrzebne są też silniki, które sprostają wyzwaniom.
Na szczęście nowe konstrukcje silników też się pojawiły. Niemiecka firma Mahle, ogłosiła niedawno, że udało jej się stworzyć "przełomowy silnik najwyższej ciągłości momentu obrotowego" (SCT) dla pojazdów elektrycznych. Nowa konstrukcja jest zdolna do ciągłej pracy przy ponad 90 proc. swojej mocy bez przegrzewania. Dodatkowo ma działać bez magnesów. Opracowany przez Mahle system wykorzystuje innowacyjny system chłodzenia olejem, w którym ciecz chłodząca jest zasysana przez centralny wlot, a następnie rozprowadzana dzięki sile odśrodkowej wirnika pompowana do góry i wokół otaczających go cewek stojana. Pobierane ciepło może być wykorzystane w innym punkcie pojazdu lub odprowadzone przez chłodnicę. Odejście od magnesów neodymowych na rzecz rozwiązań opartych na bezstykowej indukcji pozwala zaoszczędzić na drogich pierwiastkach ziem rzadkich. Zdaniem twórców konstrukcji, silnik ten może pociągnąć duży elektryczny samochód ciężarowy pod górę na długich stromych podjazdach górskich bez utraty mocy. Może też z powodzeniem radzić sobie z wielkimi i gwałtownymi wzrostami mocy podczas wyścigów samochodowych.
Szwedzki producent samochodów sportowych Koenigsegg zaprezentował w ostatnich latach skonstruowany przez siebie silnik elektryczny o nazwie Quark, który generuje moc 250 kW i moment obrotowy do 600 Nm, przy masie własnej zaledwie 30 kilogramów. Zdaniem Szwedów, ich jednostka oparta na rozwiązaniu nazywanym "Raxial Flux" ma najlepszy stosunek mocy do masy spośród znanych w przemyśle samochodowym konstrukcji. Według opisu producenta technika "Raxial Flux" stanowi połączenie silnika opartego na strumieniu osiowym i promieniowym. Topologia strumienia radialnego (pole magnetyczne stojana płynie promieniście) zwiększa gęstość mocy. Silniki o strumieniu radialnym są wciąż rzadkie. Silnik tego typu zastosowano np. w układzie hybrydowym LaFerrari.
Elektromobilności, ujmując to zbiorczo i podsumowująco, potrzebne jest większa gęstość i mini-turyzacja, mniej martwej masy a więcej wydajności. I wtedy w każdej dziedzinie transportu, od roweru to statek pełnomorski, będą stanowić alternatywę nie do odparcia.
Mirosław Usidus
