III. TRANSPORT SAMOCHODOWY
126. Nowa era samochodu – czy koniec benzyny i oleju silnikowego?
Frondel M., Peis M.: Zeitenwende beim Automobil - Benzin und Diesel vor dem Aus? Internationales Verkehrswesen, - 2009, nr 7+8, s. 253-257.
Słowa kluczowe: świat, samochód elektryczny, napęd alternatywny, silnik spalinowy, silnik elektryczny, efektywność, rozwój, prognoza, polityka ekologiczna, mobilność.
Ostatnie dziesięciolecia charakteryzowały się ciągłym rozwojem technologii samochodowych. Stale poprawiało się bezpieczeństwo, wydajność, efektywność, oddziaływanie na środowisko i komfort jazdy. Natomiast prawie nie zmieniło się paliwo: nadal blisko 100 % samochodów w Niemczech jest napędzanych silnikami spalinowymi, zużywającymi paliwo pochodzące z ropy naftowej.
Gwałtowny wzrost cen ropy naftowej w lecie 2008 r. spowodował ożywioną dyskusję na temat alternatywnego napędu samochodowego. Jednocześnie wszystkie duże koncerny motoryzacyjne zapowiedziały seryjną produkcję pojazdów z napędem hybrydowym i rozwój samochodów elektrycznych.
Temat ten podjęli również politycy. W Niemczech opracowano „Narodowy Plan Rozwoju Elektromobilności”, przewidujący współpracę placówek naukowych i przemysłu w zakresie rozwoju pojazdów hybrydowych, przede wszystkim samochodów elektrycznych. W II Pakiecie Koniunktury (2009) dla osiągnięcia produkcji na poziomie 1 mln takich pojazdów do 2020 r. rząd federalny przeznaczył 500 mln €. W USA, W. Brytanii, czy Chinach nabywca samochodu elektrycznego będzie w przyszłości subwencjonowany kwotą do 6700 €.
Dla producentów zwiększony popyt na samochody elektryczne przyniósł wyraźną korzyść: ostre regulacje dotyczące ograniczenia średniej emisji spalin w nowych samochodach od 2012 r. nie będą trudne do uzyskania, ponieważ zwiększy się udział samochodów elektrycznych (nie powodujących żadnej emisji).
Nowa sytuacja będzie także korzystna dla przemysłu energetycznego: ładowanie baterii samochodowych będzie się odbywało przede wszystkim w nocy, tj. w okresie mniejszego dobowego zapotrzebowania na energię elektryczną.
Intensyfikacja działań polityków, naukowców i producentów na rzecz rozwoju samochodów elektrycznych może wywoływać wrażenie, że już wkrótce z dróg niemieckich znikną samochody z silnikami benzynowymi czy dieslowskimi. Czy takie zjawisko rzeczywiście wystąpi, jest sprawą równie sporną, jak i to, czy pojazdy z napędem alternatywnym są bardziej przyjazne dla środowiska niż pojazdy z silnikami spalinowymi. W związku z pracami prowadzonymi w firmach Daimler i RWE oraz BMW i Vattenfall ekolodzy z Greenpeace rozpoczęli akcję protestacyjną, twierdzą, że samochody elektryczne powodują nawet większą emisję niż pojazdy z porównywalnymi silnikami dieslowskimi.
Celem niniejszego artykułu jest wykazanie, że początek nowej ery samochodowej jest wciąż bardzo odległy, a silnik spalinowy jeszcze przez długi czas będzie odgrywał główną rolę w transporcie samochodowym.
Przyszły wzrost znaczenia alternatywnych technologii napędu jest zależny od wielu czynników:
- Rozwój technologiczny: wiele technologii alternatywnych jest w zasadzie dostępnych od dawna. Już na Wystawie Światowej w Paryżu w 1900 r. F. Porsche przedstawił samochód elektryczny. Jednak liczne problemy techniczne uniemożliwiły produkcję rynkową pojazdów z napędem elektrycznym. Przede wszystkim chodziło o wysokie koszty produkcji, wady eksploatacyjne i ograniczony do 200 km zasięg. Dla jego zwiększenia konieczny jest znaczny postęp w rozwoju baterii.
- Infrastruktura zaopatrzenia w energię: benzyna i olej silnikowy są dostępne w każdej stacji paliw. Napędy alternatywne potrzebują podobnej infrastruktury, ale w przypadku gazu czy biopaliw występują znaczne braki w tym zakresie, a dla wodoru czy prądu elektrycznego infrastruktura zaopatrzenia praktycznie nie istnieje. Jej budowa jest bardzo kosztowna i będzie się opłacać dopiero przy zwiększonym zapotrzebowaniu. Tymczasem rozwój nowych technologii jest uwarunkowany istnieniem szerokiej sieci zaopatrzenia w energię. Rozwiązanie tej „patowej” sytuacji wymagałoby znacznej pomocy rządowej.
- Polityka państwa: sukces danej technologii jest zależny od zaangażowania państwa - decydujące znaczenie mają tu odpowiednie dotacje na badania i rozwój oraz regulacje prawne dotyczące np. emisji CO2.
- Koszty mobilności: o sukcesie rynkowym będą decydować koszty związane z alternatywnymi napędami. Należą do nich koszty zmienne, zależne przede wszystkim od zużycia energii oraz koszty nabycia pojazdu, które w przypadku samochodów napędzanych gazem ziemnym czy prądem elektrycznym są o kilka tysięcy euro większe niż pojazdów konwencjonalnych. Decyzja o zwolnieniu do 2020 r. z podatku pojazdów napędzanych gazem ziemnym nie przyniosła jednak oczekiwanych rezultatów: w 2008 r. dopuszczono do ruchu 26.000 nowych takich samochodów, co stanowi tylko 0,8 %.
Zalety i wady nowych koncepcji napędu pod względem rozwiązań technologicznych i infrastruktury oraz parametrów eksploatacyjnych i kosztów mobilności przedstawiają się następująco:
Silnik spalinowy napędzany benzyną lub olejem silnikowym ma potencjał wzrostu wydajności szacowany na 25 %. Nie usuwa to jednak wad w stosunku do silników elektrycznych w zakresie współczynnika sprawności. Znacznie poważniejszą wadą jest jednak to, że ropa naftowa pochodzi w dużym stopniu z krajów niepewnych politycznie. Oznacza to zwiększone ryzyko w zakresie dostaw oraz wzrostu cen tego surowca. Ropa naftowa jest przy tym surowcem nieodnawialnym. Benzyna i olej napędowy mogą być jednak uzyskiwane także z węgla, którego zasoby światowe wystarczą ponad 100 lat. Największą zaletą paliw konwencjonalnych, oprócz stosunkowo małych kosztów, jest bardzo gęsta sieć zaopatrzenia (w Niemczech jest ok. 15.000 stacji paliw).
Pojazdy hybrydowe są połączeniem silnika spalinowego i elektrycznego. Najprostszym typem są pojazdy wykorzystujące rekuperację energii hamowania do zasilania przyrządów elektrycznych w samochodzie. Nie jest to więc próba zastąpienia konwencjonalnego silnika napędowego. Dotyczy to także pojazdów mających wprawdzie własny system napędu elektrycznego, ale służący tylko jako uzupełnienie silnika spalinowego. Natomiast „pełne” pojazdy hybrydowe mogą być przez krótki czas napędzane wyłącznie własnym silnikiem elektrycznym. Prąd jest uzyskiwany z rekuperacji energii hamowania oraz z silnika spalinowego działającego przy stałych obrotach jako prądnica. Innym typem jest pojazd hybrydowy Plug-in z wtyczką elektryczną, umożliwiającą ładowanie baterii akumulatorów.
Główną zaletą pojazdu hybrydowego jest możliwość wspomagania silnika spalinowego przez silnik elektryczny na odcinku trasy, na którym silnik spalinowy pracuje nieefektywnie, np. w ruchu stop-and-go. Dotyczy to więc przede wszystkim pojazdów pracujących w ruchu miejskim; możliwa do uzyskania oszczędność zużycia paliwa sięga 25%.
Wadą pojazdów hybrydowych jest przede wszystkim zwiększony ciężar i bardziej skomplikowany układ napędu, a zatem i większa cena pojazdu. Jednak przy jeździe ze stałą dużą prędkością większy ciężar w ruchu autostradowym daje w efekcie mniejsze zużycie paliwa niż w przypadku samochodów konwencjonalnych.
Większe koszty pojazdów hybrydowych sprawiają, że głównym powodem ich wprowadzania jest zmniejszenie emisji dwutlenku węgla; można osiągnąć oszczędność na poziomie ponad 3000 € na 1 t CO2.
Napęd elektryczny za pomocą baterii może być realizowany według dwóch koncepcji. W systemie Plug-in baterie są albo doładowywane (co wymaga dłuższego postoju), albo wymieniane na nowy zestaw na specjalnych stacjach tworzących gęstą sieć, wymagana jest więc odpowiednia infrastruktura.
Istnieją także pojazdy elektryczne posiadające dodatkowy silnik spalinowy, który pracując przy optymalnych obrotach doładowuje baterie. Taka technologia jest nazywana szeregowym systemem hybrydowym; jego zaletą jest większy zasięg.
Napęd elektryczny ma wiele zalet, przede wszystkim charakteryzuje się dużym współczynnikiem sprawności i wysoką siłą pociągową przy małych prędkościach. Koszty energii elektrycznej dla przejazdu 100-km trasy wynoszą obecnie tylko ok. 1/3 kosztów przejazdu samochodem osobowym z silnikiem spalinowym napędzanym benzyną. Jednocześnie jego zaletą jest mniejsza emisja hałasu i brak lokalnej emisji szkodliwych składników spalin, w tym CO2. Jeżeli prąd elektryczny jest wytwarzany bez emisji dwutlenku węgla, to pojazdy elektryczne są bezemisyjne. W praktyce emisja CO2 zależy od produkcji energii elektrycznej. W warunkach niemieckich przy średniej emisji CO2 54 g/kWh i średnim zużyciu energii przez samochód elektryczny 0,16 kWh/km średnia emisja dwutlenku węgla wynosi 81 g/km, jest więc wyraźnie niższa niż zalecana przez UE (120 g/km). Główną wadą napędu elektrycznego jest system zasilania w energię.
Pomimo wszelkich innowacji gęstość energii baterii jest znacznie mniejsza niż oleju mineralnego. Powoduje to ograniczenie zasięgu do 200 km. Wielu ekspertów wątpi w możliwość fundamentalnych zmian w technologii baterii. Obecnie główną przeszkodą w rynkowym rozwoju samochodów elektrycznych jest ich wysoka cena. Dla zwiększenia zasięgu powyżej 100 km potrzebne są dodatkowe koszty w wysokości 10 tys. € i więcej.
Silnik elektryczny zasilany wodorowymi ogniwami paliwowymi charakteryzuje się wysoką sprawnością, a przede wszystkim tym, że teoretycznie dostępność wodoru jest nieograniczona, a jego spalanie nie powoduje żadnej emisji. Wodór, przy produkcji którego nie będzie emisji CO2, zastosowany w pojazdach nie będzie powodował żadnej emisji gazów cieplarnianych. Ponieważ przekształcanie prądu elektrycznego na wodór jest związane z 50-proc. stratą energii, to korzystniejszym energetycznie rozwiązaniem jest bezpośrednie zastosowanie prądu elektrycznego do napędu pojazdów. W efekcie 1 kWh z wodoru jest zawsze droższa od 1 kWh z prądu elektrycznego.
Ważnym aspektem z ekonomicznego punktu widzenia są koszty inwestycyjne ogniw paliwowych w stosunku do baterii stosowanych w samochodzie elektrycznym. Przede wszystkie wątpliwe jest, czy wysokie koszty zmienne napędu wodorowego w stosunku do elektrycznego mogą być skompensowane przez niższe koszty inwestycyjne dla ogniw paliwowych.
Istnieją też inne jeszcze nierozwiązane problemy. Cena ogniwa paliwowego jest obecnie prohibicyjnie wysoka. Ponadto gęstość energetyczna wodoru w odniesieniu do jego objętości jest bardzo mała, co powoduje problem miejsca w samochodzie, albo wymaga kosztownych metod jego magazynowania. Nie bez znaczenia jest też fakt, że wytwarzanie wodoru przez elektrolizę oraz produkcja ogniw paliwowych wymaga znacznych ilości drogich surowców, np. platyny.
Ogólnie biorąc, pojazdy hybrydowe i napędzane bateriami mają znacznie większe koszty zmienne i bardzo wysokie koszty produkcji w porównaniu z samochodami z silnikami spalinowymi. Dochodzą do tego jeszcze ograniczenia wynikające z braku infrastruktury, odpowiednio rozbudowanej sieci stacji i małego zasięgu samochodów elektrycznych.
Ocena potencjału rozwojowego
Punktem wyjścia dla oceny przyszłego rozwoju techniki samochodowej jest jej stan obecny. Poniższa tabela przedstawia udział rynkowy poszczególnych technologii napędu samochodów osobowych w Niemczech (stan na 1 stycznia 2009 r.).
Widać wyraźnie, że napędy alternatywne nie odgrywają na razie żadnej roli. Ok. 3/4 samochodów osobowych jest napędzanych benzyną, 1/4 - silnikami dieslowskimi. Łączny udział samochodów z napędami alternatywnymi wynosi 0,9 %, z czego znaczna większość jest napędzana gazem płynnym lub ziemnym. W 2008 r. zarejestrowano 3.090.040 nowych samochodów osobowych: 54,9 % z nich ma silnik benzynowy, 44,1% - silnik diesla, 0,5 % ma silnik na gaz płynny, samochody hybrydowe mają udział 0,2 %; samochodów elektrycznych zarejestrowano tylko 36 i 40 z innymi rodzajami napędu.
Przy średnim 15-letnim czasie użytkowania obecne nowe samochody będą w użyciu jeszcze w 2025 r. Szybka i masowa wymiana tradycyjnych samochodów na pojazdy z alternatywnymi napędami nie jest możliwa. Nawet zakładając optymistycznie, że do 2030 r. udział nowych samochodów z napędem hybrydowym lub elektrycznych wzrośnie o 100 %, to nadal większość dopuszczonych do ruchu samochodów osobowych będzie napędzana silnikami spalinowymi.
Problemy rozwoju technologii napędu samochodów były w ostatnich latach przedmiotem wielu studiów. Dawały one bardzo rozbieżne wyniki, ale większość tych prac była zgodna w dwóch punktach:
- w średniej perspektywie najważniejszym rodzajem napędu samochodowego będzie nadal silnik spalinowy;
- wodorowe ogniwa paliwowe mają wprawdzie duży potencjał, ale ze względów ekonomicznych zyskają na znaczeniu dopiero po 2030 r.
Rozbieżne opinie dotyczą samochodów hybrydowych. Np. według studium IBM .Automotive (2008) w przyszłości każdy nowy samochód będzie wyposażony w technologię hybrydową, natomiast według studium Shell (2009) będzie to dotyczyć połowy nowo wyprodukowanych samochodów. Inni eksperci nie widzą dla tej technologii większego potencjału nawet w dłuższej perspektywie. Studium DB Research (2009) uznaje tę technologię za przejściową w drodze ku elektromobilności.
Różnice poglądów występują też w ocenie perspektyw rozwoju samochodów elektrycznych: jedni eksperci nie widzą w nich ani potencjału ekonomicznego, ani ekologicznego, inni natomiast upatrują pewne szanse rynkowe w segmencie małych samochodów w ruchu miejskim (IBM, 2008), albo nawet wysoki potencjał rynkowy w przyszłości (DB Research, 2009). Według nich klasyczny silnik spalinowy będzie miał w następnych dekadach udział na poziomie 90 %. Podobnie optymistyczny jest także alternatywny scenariusz studium Shella (2009), zakładający, że udział w 2030 r. nowo produkowanych samochodów elektrycznych będzie wynosił 10 %, a samochodów hybrydowych nawet 50 %.
Wnioski
Duża rozbieżność w prognozowanych tendencjach nie pozwala na określenie precyzyjnego kierunku rozwoju technologii napędów samochodowych do 2030 r., można jedynie wskazać ma pewne zarysy:
- wzrastać będzie znaczenie napędu hybrydowego i elektrycznego, co będzie oznaczać zmniejszanie się udziału w rynku samochodów z silnikami spalinowymi. Za wcześnie jednak na mówienie o nowej erze samochodów. Zakładany w Niemczech cel na 2020 r. - produkcja 1 mln samochodów elektrycznych - będzie trudny do osiągnięcia;
- prawdopodobnie technologia napędu hybrydowego i elektrycznego będzie wprowadzana przede wszystkim w ruchu miejskim oraz na krótkich odcinkach sieci drogowej, bowiem w tych segmentach rynku dadzą się odczuć najbardziej zalety tych technologii w porównaniu z zapędem konwencjonalnym, a dojdą jeszcze względy ekologiczne;
- dla pojazdów użytkowanych na długich odcinkach i jeżdżących ze stałą wysoką prędkością najlepszym napędem w średniej perspektywie będzie ciągle usprawniany silnik spalinowy;
- benzyna i olej napędowy będą najważniejszym źródłem energii dla samochodów znacznie dłużej niż przewidują to dzisiejsze prognozy.
Oprac. J. Ostaszewicz
127. Kiedy auto więcej widzi niż kierowca.
Um die Ecke geschaut – wenn das Auto mehr sieht als der Fahrer. Internationales Verkehrswesen. - 2009, nr 9, s. 334- 336.
Słowa kluczowe: transport drogowy, bezpieczeństwo ruchu drogowego, łączność radiowa, łączność bezprzewodowa, łączność z pojazdem, urządzenie bezpieczeństwa ruchu drogowego, postęp technologiczny.
Dzisiejsze systemy wspierające kierowcę mają duży wpływ na bezpieczeństwo ruchu drogowego. Nie do przecenienia są informacje o zaistniałym wypadku, o rozległości zatoru na autostradzie powstałym w wyniku robót drogowych, o zbliżającym się pojeździe uprzywilejowanym. Bezpieczeństwo podnosi znacznie zastosowanie systemu adaptacyjnego sterowania jazdą (typu ACC), pozwalającego przy pomocy radaru na automatyczne utrzymywanie odległości za poprzedzającym pojazdem, a także powszechnie stosowane poduszki powietrzne lub pasy bezpieczeństwa. Wymienione urządzenia wykorzystują z zasady czujniki znajdujące się na pokładzie pojazdu.
Systemy asysty kierowcy nowej generacji mogą korzystać z informacji pochodzących z czujników w innych pojazdach uczestniczących w ruchu; mowa tutaj o komunikacji pojazd – pojazd. Wykorzystuje się w tym przypadku łączność radiową. Do określenia pozostają parametry tej łączności, spełniającej szczególne wymagania związane z dużą liczbą ruchomych nadajników w systemie. Zadanie to należy do Europejskiego Instytutu Norm Telekomunikacyjnych (ETSI). Zostało ustanowione chronione, bezpłatne pasmo dla zastosowań bezpieczeństwa. Komunikacja pojazd - pojazd odbywa się na ujednoliconej częstotliwości 5,9 GHz. Dla bezpośredniej łączności między pojazdami pożądany zasięg wynosi 1000 m. Skuteczny zasięg zależy jednak od warunków lokalnych, zwłaszcza gdy pojedyncze pojazdy pracują jako stacja przekaźnikowa, powiadamiająca inne pojazdy w trybie skoku wielokrotnego (multihop).
W samochodach przyszłości użytkownik nie będzie musiał samodzielnie programować numeru telefonicznego ani konfigurować sieci przed wyruszeniem w drogę. System łączności będzie fabrycznie instalowany na pojeździe, który będzie się komunikował automatycznie z innymi jednostkami w okolicy, w pojazdach (car-to-car) lub rozmieszczonych w terenie: na sygnalizatorach, tablicach informacyjnych (car-to-infrastructure). W ten sposób powstaje dynamiczna sieć (ad hoc), informacje są ustawicznie wymieniane pomiędzy zmieniającymi się węzłami sieci. Brak jest w takim systemie stacji bazowych oraz dedykowanego eksploatatora sieci. Procedura łączności musi być skuteczna, nie dopuszcza się ręcznej konfiguracji i wypełniania czynności administracyjnych po wydaniu pojazdu użytkownikowi. Sieć musi organizować się całkowicie samodzielnie (automatycznie).
Dzięki wymianie danych między pojazdami pojawia się całkiem nowa jakość informacji o stanie własnego pojazdu i okoliczności, w których się on porusza. Mówi się często o solidarnej współświadomości kierowców, ponieważ wszyscy uczestnicy ruchu wnoszą do systemu część własnej wiedzy o sytuacji na drodze. Jej aktualna ocena dokonuje się indywidualnie w każdym pojeździe. Przy pomocy własnych sensorów system pokładowy integruje i analizuje otrzymane drogą radiową informacje, które następnie służą do pilotowania, wybranego stosownie do sytuacji innego uczestnika ruchu drogowego. W ten sposób jest czas na reakcję i podjęcie stosownej procedury w zagrożonym pojeździe. W skrajnych przypadkach system jest zdolny zareagować na kilka milisekund przed zaistnieniem zderzenia i wdrożyć środki zapewniające ochronę osób znajdujących się w samochodzie (włączenie wspomagania hamowania, napinaczy pasów).
Jednym z bardziej zaawansowanych rozwiązań systemu komunikacji pojazd – pojazd jest możliwość automatycznej jazdy w kolumnie pojazdów (platooning). Znaczne postępy w tej technice poczyniono dzięki zaangażowaniu specjalistów Niemieckiego Centrum Lotnictwa i Kosmonautyki (DLR); wykorzystali oni technologię CODAR (Cooperative Detection and Ranging). Prowadzenie automatyczne pojazdów w kolumnie jest trudnym zadaniem, ponieważ wymaga przekazywania drogą radiową bardzo obszernych danych o pojazdach i ich dokładnym położeniu, zapewnienia dużej częstotliwości odświeżania informacji. W obecnej fazie rozwoju systemu nie ma gwarancji, że uczestniczące w nim jednostki łączności uzyskają niezbędny dostęp do kanału przesyłania danych MAC (Media Access Control). Naukowcy z DLR rozpoznali ten krytyczny dla bezpieczeństwa ruchu problem i pracują nad alternatywnymi rozwiązaniami.
Dla większości nowych zastosowań komunikacji pojazd – pojazd szczególnie ważna jest precyzyjna informacja o pozycji pojazdu. Taka informacja ma decydujące znaczenie zwłaszcza przy zagrożeniu kolizją. Lokalizacja pojazdów powinna odbywać się z dokładnością co najmniej do jednego pasa ruchu. Zastosowanie elektronicznego pulpitu kierowania wymaga jeszcze większej precyzji i niezawodności informacji o położeniu pojazdu. Ekspertyzy w zakresie prototypowych rozwiązań prowadzi DLR.
Oprac. M. Ucieszyński
Data utworzenia: 16/11/2009 @ 18:36
Ostatnie zmiany: 16/11/2009 @ 18:40
Kategoria: BI Numer 2009/10
Strona czytana 1474 razy
 Podgląd wydruku
 Wersja do druku
|
Katalogi on-line
Katalogi on-line
3. Transport samochodowy
Góra