(Bez)cenne samochody elektryczne?

Dlaczego pomimo kampanii informacyjnej kierowcy nie wyrażają entuzjazmu i zainteresowania kupnem samochodów elektrycznych? Istotne są dwa powody – brak zaufania do „nowej” technologii oraz wysokie ceny pojazdów.

W ciągu ostatnich trzech lat można było dostrzec olbrzymie zainteresowanie pojazdami elektrycznymi (EV). Często w prasie i telewizji do określenia tego stanu rzeczy używa się pojęcia „nowej ery motoryzacji”. Należy więc przypomnieć, że przed stu laty na drogach królowały właśnie pojazdy elektryczne i parowe. W USA w 1908 r. zarejestrowanych było trzykrotnie mniej samochodów z silnikami spalinowymi niż elektrycznymi. Samochody elektryczne i hybrydowe (np. pojazdy młodego konstruktora Ferdinanda Porsche) m.in. wygrywały wyścigi samochodowe. Wielki przełom dokonał się w 1911 r., kiedy to inżynier, C.F. Kettering, pokazał pierwszy na świecie rozrusznik elektryczny do Cadillaca (patent nr 1.150.523, zgłoszony 15 czerwca 1911 r., przyznany 17 sierpnia 1915 r.). Z tego względu zamiast „nowa era motoryzacji” należy raczej mówić „powrót do źródeł” czy „nawrócenie”.

Kosztowny interes

Najwięcej, bo ponad 15 tysięcy pojazdów z napędem elektrycznym (model i-MIEV) do sierpnia 2011 r. wyprodukował i sprzedał koncern Mitsubishi. Kontrakt z estońskimi władzami na dostawę 507 sztuk modelu I-MIEV firma ta podpisała 21 października 2011 r. Samochody te będą stosowane w sektorze opieki społecznej. Na początku listopada 2011 r. we Francji opublikowano wyniki przetargu, ogłoszonego przez rząd francuski na zakup 15 637 sztuk pojazdów elektrycznych dla 19 dużych przedsiębiorstw, samorządów terytorialnych i władz państwowych (m.in. La Poste, ERDF, UGAP, Veolia). Zwycięzcą został koncern Renault, który dostarczy elektryczne Renault Kangoo Z.E (cena we Francji wynosi 15 tys. euro netto z uwzględnieniem rządowej dopłaty w wysokości 5 tys. euro).

Cena Mitsubishi I-MIEV w Japonii wynosi ok. 43 000 dol. (z uwzględnieniem dopłat rządowych zmniejsza się do ok. 30 000 dol.), natomiast na naszym rynku cena tego samochodu wynosi ok. 160 000 zł (cena z 2011 r.) W Polsce budowane i oferowane są seryjne dwuosobowe trójkołowe pojazdy Re-Volt, kosztujące blisko 70 tys. zł brutto, małe pojazdy rekreacyjne Elipsa, kosztujące ok. 40 tys. zł brutto oraz znane od wielu lat na światowych rynkach polskie pojazdy MELEX.

W Polsce funkcjonują też dwie firmy, które konwertują seryjne pojazdy z napędem spalinowym na napęd elektryczny. Jedna z nich na początku listopada ub.r. podpisała umowę na dostarczenie dwóch tysięcy konwertowanych samochodów. Cena konwertowanego pojazdu Fiat Panda Electric wynosi ok. 90 000 zł. Konwersja, oprócz oczywistych elementów (silnik elektryczny, akumulatory, sterownik energoelektroniczny i osprzęt montażowy) wymagają zabudowania dodatkowych napędów elektrycznych (wspomaganie hydrauliczne kierownicy i klimatyzacja są tradycyjnie napędzane przez silnik spalinowy, a wspomaganie hamulców wykorzystuje podciśnienie w kolektorze dolotowym silnika spalinowego). Koszty przerobienia miejskiego samochodu (segment B) na napęd elektryczny z nowoczesnymi akumulatorami litowo-polimerowymi (bez ceny samochodu „dawcy”), wliczając koszty pracy, wynoszą ok. 60-80 tys. zł brutto.

Należy podkreślić, że zagraniczne konstrukcje pojazdów konwertowanych są dużo droższe (np. w przypadku Fiata 500 z napędem elektrycznym koszt przebudowy w krajach UE to ok. 180 tys. zł brutto).

Jeden z lepszych na świecie układów napędowych dla pojazdów elektrycznych składa się z silnika z magnesami trwałymi UQM o mocy ciągłej 30 kW, momencie znamionowym 180 Nm (szczytowy 440 Nm) wraz z dedykowanym sterownikiem DD45-400L. Układ ten waży zaledwie 57 kg i ma chłodzenie wodne. Ze względu na ogromne momenty obrotowe dostępne od prędkości 0 km/h, do takiego napędu warto zmodyfikować układ przeniesienia napędu samochodu. Cena tego rozwiązania w USA to ok. 20 000 dol., co przekłada się na ok. 2200 zł/kW. Tańsze są komutatorowe tarczowe silniki z magnesami trwałymi, które posiadają korzystny stosunek mocy do masy (moc znamionowa silnika 13,5 kW przy masie 18 kg), bardzo małe gabaryty (średnica 20 cm, długość silnika 14 cm). Cena silnika w Polsce wraz ze sterownikiem wynosi ok. 700 zł/kW.

Pojazdy konwertowane a bezpieczeństwo

Istotną wadą pojazdów konwertowanych jest to, że nadwozia przerabianych samochodów spalinowych nie są projektowane z myślą o montażu napędu elektrycznego, co może skutkować nieprzewidywalnym zachowaniem się stref bezpieczeństwa podczas wypadków. Silnik spalinowy oraz jego mocowania z podłużnicami są dodatkową ochroną podczas zderzeń. Często w miejsce silnika spalinowego wstawia się silnik elektryczny, sterownik oraz część baterii akumulatorów. Płyty akumulatorów mogą absorbować energię zderzeń czołowych. Amerykańskie Stowarzyszenie Bezpieczeństwa Ruchu podało, że w pojazdach hybrydowych (Toyota, Honda, Lexus), które brały udział w wypadkach w USA, było mniej rannych niż w analogicznych samochodach tych samych marek z silnikami spalinowymi. To są jednak pojazdy projektowane do napędu hybrydowego i testowane jest ich bezpieczeństwo (w Europie Euro-NCAP, w USA testy NHTSA i IIHS czy Japonii NASVA).

W przypadku uczestniczenia konwertowanego samochodu w wypadku pojawia się potencjalne, zagrażające życiu niebezpieczeństwo, a mianowicie nieskoordynowane działanie systemów bezpieczeństwa. Większa masa pojazdu, wynikająca z masy akumulatorów, powoduje powstanie podczas wypadku innych opóźnień podczas zgniatania stalowych struktur samochodu i może wywołać zbyt wczesny lub późny proces otwierania poduszek powietrznych i napinaczy pirotechnicznych. Czas reakcji jednostopniowej poduszki kierowcy wynosi 10-30 ms (mrugnięcie okiem trwa 100 ms). Włączenie detonatora poduszki SRS w samochodzie zachodzi po ok. 10 ms od zderzenia (ściślej przekroczenia granicznych wartości opóźnień dla systemu bezpieczeństwa), po kolejnych 10 ms ciało kierowcy zaczyna się przesuwać w stronę kierownicy, po ok. 40 ms od zderzenia poduszka jest całkowicie napełniona i czeka jeszcze 20 ms na początek zagłębienia się kierowcy. Dopiero po ok. 100 ms od zderzenia, prędkość samochodu wynosi 0 km/h. Po kolejnych 10 ms kierowca maksymalnie zagłębia się w poduszce, a ona opróżniana jest z gazu, by łagodnie tłumić uderzenie. Prędkość otwierania poduszki wynosi ok. 300 km/h, a moc otwarcia – ok.70 KM. Zbyt wczesne lub późne uderzenie tułowiem w poduszkę powietrzną może skutkować śmiercią kierowcy i pasażerów. Żaden z konwertowanych pojazdów elektrycznych przez małe prywatne firmy nigdy nie był poddawany testom zderzeniowym, zarówno w Europie (Euro NCAP), jak i USA, Azji czy Australii.

Aby uniknąć komplikacji przy montażu, firmy konwertujące mogą całkowicie odłączać systemy bezpieczeństwa w przerabianych samochodach. Pozostawienie i zasilanie instalacji systemów bezpieczeństwa w konwertowanym samochodzie elektrycznym może narazić kierowcę i pasażerów na niekontrolowane zadziałanie systemów bezpieczeństwa podczas występowania zakłóceń elektromagnetycznych od układu napędowego. Firmy konwertujące samochody nie prowadzą żadnych badań związanych z oddziaływaniem elektromagnetycznym energoelektronicznych układów sterujących samochodu elektrycznego na inne obiekty czy narażeniem na porażenie prądem w samochodzie (zazwyczaj instalacja prądu stałego o napięciu powyżej 70 V). Zakłócenia elektromagnetyczne są poważnym problemem, bowiem rejestrowane były przypadki otwarcia poduszki powietrznej w powypadkowych samochodach, w których kabinach użyto defibrylatorów serca (impuls prądu ok. 30 A, a napięcia dochodzą do 1500 V) w celu pomocy poszkodowanym. Otwarcie poduszki w przypadku innym niż wypadek może powodować śmierć kierowcy (odnotowano kilka takich zdarzeń).

Samochody projektowanie przez czołowych producentów od początku jako pojazdy elektryczne nie posiadają opisanych wad. Ich wysoka cena wynika po części z poniesionych nakładów na odmienną konstrukcję nośną (inaczej projektowane strefy zgniotu czy też systemy bezpieczeństwa), co pozwala na uzyskanie niezbędnych homologacji dla rynków sprzedaży.

Producenci udzielają na swoje wyroby gwarancji, zapewniają także opiekę serwisową w autoryzowanych sieciach obsługi (producenci ponoszą dodatkowe koszty na specjalistyczne szkolenia pracowników, mających obsługiwać całkowicie odmienne układy napędowe pojazdów EV).

Sięga tam, gdzie…

Pojazdy elektryczne cechują stosunkowo niskie gęstości zakumulowanej energii, co przekłada się na ich mały zasięg.

Chęć zwiększenia zasięgu pojazdu elektrycznego skutkuje znacznym podwyższeniem jego ceny. Dla inwestora istotny jest stosunek kwoty przeznaczonej na napęd do walorów, jakie on oferuje. Biorąc pod uwagę ten czynnik, można wyliczyć koszt układu napędowego, przeliczony na zasięg, jaki on zapewnia.

By przejechać trasę o długości 100 km w cyklu mieszanym NEDC (normatywny europejski cykl jezdny, dla którego określa się zużycie paliwa i emisję CO2) samochodem marki Skoda Fabia, trzeba zużyć 13,5 kWh energii (tzw. energia na kołach pojazdu). Łatwo więc obliczyć cenę przejechania dystansu 100 km elektrycznym jego odpowiednikiem z różnymi typami baterii.

Obecne cena energii zgromadzonej w dobrej jakości trakcyjnych akumulatorów kwasowo-ołowiowych VRLA typu AGM to ok. 500 zł/kWh, natomiast dla ogniw litowo-jonowych czołowego producenta – ok. 3600 zł/kWh.

Można powiedzieć, że ogniwa litowo-jonowe czy litowo-polimerowe (o tej samej masie co kwasowo-ołowiowe) zapewnią większy zasięg. Jednak czy przeciętny użytkownik tego potrzebuje?

Może się okazać, że wielu kierowców, a nawet niektóre firmy (działające w miastach) pomimo deklarowanej potrzeby dysponowania pojazdem o znacznym zasięgu, nie muszą stosować w pojazdach elektrycznych drogich zasobników energii o dużych pojemnościach. Z przeprowadzonych ankiet wśród kierowców śląskich miast wynika, że połowa z nich przebywa dziennie dystans nie większy niż 30 km (średnia wyniosła 19 km w dni robocze, a 14 km w weekendy).

Z kolei dwaj czołowi światowi producenci samochodów elektrycznych (Nissan oraz GM) zlecili przeprowadzenie szeroko zakrojonych badań rynkowych, które dowiodły, że zasięg dzienny 160 km pozwoli zaspokoić potrzeby 70% wszystkich użytkowników samochodów (badania rynkowe Nissan-Renault), a 78% amerykańskich kierowców (badania GM-Chevrolet) pokonuje dziennie nie więcej niż 40 mil (64 km).

W napędzie LPG niski koszt jazdy kompensuje niedogodność częstego tankowania. Jest to strata czasu, bowiem trwa to ok. 30 min. tygodniowo. A jakby tankować energię codziennie po pracy w swoim domu? Zazwyczaj nikt nie ma prywatnego dystrybutora benzyny w swoim garażu, ale gniazdka elektryczne raczej tak.

Miejskie pojazdy są przez swoich właścicieli używane przeważnie jedną czy dwie godziny dziennie, a przez pozostałą część doby stoją bezczynnie, więc mogą być w tym czasie ładowane. Wyładowane akumulatory w samochodzie elektrycznym ładują się przez ok. 3-6 godzin (im dłuższy czas ładowania, tym większa trwałość). Daje to łącznie 8 godzin na dobę. Pozwala to udostępnić swój samochód sieci energetycznej (V2G – Vehicle to Grid) i sprzedawać jej z zyskiem w pewnych okresach nadwyżki energii z baterii akumulatorów auta. Codzienne ładowanie ogniw jest korzystne dla wydłużenia ich trwałości (bateria pracuje w płytkich cyklach).

Można też akumulatorów w ogóle nie ładować, lecz wymieniać na pełne, jak robi to koncern Nissan-Renault wraz z firmą Better Place. Proces automatycznej wymiany w urządzeniu przypominającym myjnię samochodową jest szybszy od zatankowania baku paliwa. Takie rozwiązanie pozwala na spore obniżenie kosztów zakupu samochodu EV. Auto kupuje się bez baterii, którą się leasinguje i wymienia bez wychodzenia z auta (przy okazji myte jest za każdy razem podwozie samochodu, co w Polsce ze względu na stosowanie zimą dużych ilości byłoby dobrym rozwiązaniem). Zakup samego „nadwozia” samochodu pozwala na dłuższe jego eksploatowanie w porównaniu z samochodem spalinowym. Okres eksploatacji pojazdów z silnikami spalinowymi przez firmy (zazwyczaj 150-180 tys. km) wynika z kalkulacji kosztów ryzyka kosztownych napraw. Silniki elektryczne i sterowniki nie wymagają obsługi i są bezawaryjne. Pozwala to na dwu lub trzykrotnie dłuższe używanie jednego samochodu (bateria jest leasingowana), a co za tym idzie – ograniczenie dużych kosztów związanych ze spadkiem wartości samochodu (w przypadku wymiany trzy bądź czteroletniego samochodu na nowszy koszty utraty wartości są zazwyczaj większe niż koszty paliwa i przeglądów gwarancyjnych).

Pod koniec listopada 2011 r. w Rzymie i Mediolanie wprowadzono jednodniowy całkowity zakaz poruszania się autami spalinowymi. W przyszłości może być to dużą „zachętą” do podjęcia decyzji o zakupie samochodu elektrycznego. Wrażenia z jazdy całkowicie cichym autem po pustych ulicach są bezcenne.

 

dr inż. Rafał Setlak, Zakład Maszyn Elektrycznych i Inżynierii Elektrycznej w Transporcie, Politechnika Śląska

Opublikowano: Ecomanager Numer 6/2012 (27)

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *