Autotechnika szakfolyóirat
Autotechnika szakfolyóirat
2019. október | Olvasson bele!

A gépkocsihajtás villamosítása

Fosszilis üzemanyag-készleteink végesek, és egyre költségesebbek. Félő, hogy élhető éghajlatunk is. A tét a globális túlélés, amiért mindünknek tenni kell, bár a célba, unokáink jutnak csak el. A gépkocsi fejlesztés iránya adott, célba érni a gépkocsik villamosításával lehet. Írásunkat az odavezető út felvázolásának szánjuk.

A PHEV-ek döntő előnye

Írásunk első részét a zéró-benzinnel, zéró-gázolajjal, zéró-emisszióval közlekedő autókért folyó törekvések megfogalmazásával zártuk. E törekvések a megfelelő tároló képességű akkumulátorral felszerelt, villamos hálózatról feltölthető plug-in hybrid (PHEV) járművek ipari bevezetésére irányulnak. Egy idén készített, „A plug-in hybrid járművek használatának hatása a villamos energetikai létesítményekre, és a regionális villamos hálózatra” című tanulmány a műszaki adottságokon túl, a téma gazdasági következményeit is számba vette. A tanulmányozott amerikai járműállomány 73%-ára rúgó személyautó, pick-up, SUV, és van állomány fogyasztása az összes kőolaj-import 52%-át reprezentálja.


Különféle jármű hajtások fogyasztási jellemzőinek összehasonlítása

A PHEV bevezetésének jelentős környezetvédelmi előnye, hogy a jármű- kipufogócsövek milliói helyett, néhány erőmű, a regionális szén-felhasználás függvényében bocsát ki káros anyagokat. Úgy, hogy azok nem a városi légtérben kerülnek a levegőbe. Ezért a használatuk arányában, javul a városi levegő minősége. Az amerikai villamos energiahálózat igénybevétele nem kevés kihasználatlanságot, és jelentős tartalékokat mutat. A PHEV állomány éjszakai áramfelvétele javítja a villamos hálózat kihasználásának gazdaságosságát, és növeli annak import kőolajtól való függetlenségét.

A tanulmány szerzőinek legfőbb megállapítása szerint, a PHEV állomány éjszakai energiaigénye a villamos hálózati tartalékok jobb kihasználásával, a meglévő infrastruktúra bővítése (új erőművek építése) nélkül kielégíthető. Ennél fogva a PHEV technika a járművek és az erőművek üzemeletetőinek, mind hazai előállítású, mind import-eredetű villamos energia felhasználás esetén, egyaránt előnyös hajtásmód.

1 $/gallon, azaz 63,77 Ft/literes (a hazainál ötször kisebb) áron. Úgy, hogy a hibridek 22%-os mértékű csökkentésével szemben, a PHEV-ek 45-60%-kal kevesebb üvegházhatású gázokat emittálnak.


Különféle járműhajtások, CO2-egyenértékben mért üvegházhatású gázemissziós jellemzőinek összehasonlítása


A berlini e-mobility programot Angela Merkel indította be

A PHEV-ek tehát olcsón és környezetkímélő módon üzemeltethetők. Természetesen nekik is megvannak a maguk korlátai. Ezek a következők. 1. Nem mindenki akar PHEV-et venni. 2. A PHEV villamos hatótávolsága korlátozott. Akkumulátorát ilyenkor napjában többször is fel kell tölteni. 3. A vásárlók jó részére jelentős hatással vannak a belsőégésű motoros hajtás, távolsági korláthoz nem fűződő tartalékai. 4. A PHEV akkumulátorai a tartalék végén gyorsabban fogynak, a kezdetinél. 5. Nem minden célba éréskor lehet a PHEV akkumulátorait feltölteni. A V2G hálózat, és miért kell azt szeretni? A Vehicle-to-Grid (V2G) olyan rendszer, amely a plug-in hibrid jármű hajtására használt villamos energiát az akkumulátorban tárolja, és azt a villamos hálózatból nyeri. Nem akárhogyan, hanem úgy, hogy a hálózat kontrollerei regisztrálják a felhasználás időpontját, időtartamát, a felhasznált energia mennyiségét, és költségét. Ügyelve, hogy az áram-vételezésre a kedvezőbb tarifájú időszakban kerüljön sor. Az olcsóbb árammal végzett utazás a járművét „éjszakai árammal” üzemeltetőnek 2-3 ezer dollárt takarít meg évente (a benzin üzemanyagú járműhasználathoz képest). Eközben a járművek 45-60%-kal javítják az éghajlat-módosító üvegházhatás, rájuk eső részét.


PEM-rendszerű TC felépítése (a) és áramátalakító folyamata (b)

Itt érdemes megemlíteni, hogy az üzemanyag-költség tovább csökkenthető, ha a jármű belsőégésű motorját a benzinnél olcsóbb, megújuló forrásból származó üzemanyaggal, például bioetanollal (E85%-tel) működtetik. Az USA kis létszámú, ám kiterjedt farmergazdaságaiban a megújuló, ezért államilag támogatott E85%, növekvő népszerűségű üzemanyag-fajta.

Távlati célok

1980 óta a világ több kőolajat fogyaszt, mint amennyit feltár. Ma minden újonnan feltárt hordónyi kőolajra, 4 hordó felhasznált olaj jut. Ezért századunk talán legnagyobb feladata az energiaválság megoldása. Az új energiaformára való átmenet hosszú folyamat, amely több lépésből áll. Jó ideje folynak kísérletek a légkör védelme szempontjából legkínálkozóbb energiaforrás, a hidrogén alkalmazására. Jelenleg a világon több mint 750 millió közúti jármű fut az utakon. 20 éven belül ez a szám megkétszereződik. A népesség további növekedésével, a következő két évtizedben az energiaigény 50%-kal emelkedik.


(a)

hirdetés


(b)


(c)


(d)
A Honda FCX Clarity hajtóelemeinek elrendezése (a és b), kerékagy-motorja (c) és villamos hajtóegysége (d)

A világméretű környezeti problémákat nem maguk az autók okozzák. Az okok, az autók helytelen energiaforrásában, a szennyező energiában keresendők. A károsanyag-kibocsátás alapvetően a fosszilis tüzelőanyagok felhasználásától függ. A klímaváltozás, mint legsúlyosabb következmény, szintén ennek tudható be.

A hidrogén előállítása két előnnyel jár. Nem kell valutát adni a kőolaj importért, és csökken az üvegházhatást okozó gázok kibocsátása. A tiszta hidrogén előállítása megújuló erőforrások felhasználásával tehető költségkímélővé. Ezért a cél az, hogy a hidrogént olyan megújuló energiaforrásokkal állítsuk elő, mint a napfény, a szél, vagy a biomassza. Felhasználási nehézségei miatt, a hidrogén nem elsődleges energiaforrás, csupán energiahordozó. A hidrogén a legkönnyebb elem, molekulái különösen nagy nyomású és hőmérsékletű állapotban, a legtöbb anyagon átdiffundálnak. Ezért az acéltartályok törékennyé válnak. Tárolása, kezelése, szállítása ezért körülményes és költséges. A nagynyomású hidrogén, biztonsági okokból csak hengeres tartályban tárolható. Mindez korlátokat szab a gépkocsin való elhelyezésének, és korlátozza a hidrogén-üzemű gépkocsi hatósugarát. Tüzelőanyag-cellákban csak nagy tisztaságú hidrogén használható, a CO2 ugyanis még nyomokban is mérgezi a tüzelőanyag-cellát. A hidrogén rendkívül gyúlékony, a levegőben robbanékony gáz. Látható lángok nélkül ég, a hidrogéntüzek oltása igen veszélyes feladat.

Napjaink legnépszerűbb tüzelőanyag-cellája a PEM, a protonáteresztő membrán. Egy PEM tüzelőanyag-cellában a hidrogén egyesülni akar az oxigénnel, ezért a membrán, ellenkező oldalán lévő levegő felé igyekszik. A membrán azonban csak a protonokat engedi át, ezért az elektronoknak meg kell azt kerülniük. Az elektronoknak ez a kerülő mozgása az áramtermelés. A membrán másik oldalán, a hidrogén egyesül az oxigénnel, és ezzel iható minőségű, tiszta víz keletkezik. A tüzelőanyag-cellák olyan hatékonyan termelnek villamos áramot, hogy velük autókat, kamionokat és hajókat lehet hajtani. Mindezek ellenére, csak a megújuló energiával termelt, hidrogénként tárolt, villamos energia tekinthető a fosszilis tüzelőanyagok valódi versenytársának. A decentralizált áramellátás révén, a településektől több száz kilométerre lévő erőműveket felváltják a házak pincéjébe, padlására vagy tetejére telepített tüzelőanyag-cellás áramfejlesztők, és ekkor beköszönt a hidrogén gazdaság kora.

A távolabbi jövőben, minden autót hidrogén-hajtásúra cserélnek. A villamos energiaipar szempontjából a lehetőségek ennél is nagyobbak. A gépkocsik tüzelőanyag-cellái hidrogénből a fedélzeten állítanak elő villamos áramot. Energia-internet. Az informatikai internet példája nyomán, energia-internet építhető ki, amelyen a munkaidőben parkoló autók a villamos hálózatra kapcsolhatók, és a hidrogén előállításakor keletkező áram, a hálózatba táplálható.

Az autós beáll a cége parkolójába, ahol a parkolóhelyek csatlakozódugasszal vannak ellátva. Ezekből a töltőáramon kívül, hidrogén is vételezhető. A járművet csatlakoztatva, annak tüzelőanyag-cellája, amit egyébként kikapcsolnánk, áramot termel. Ennek hálózatba táplálása esetén, a cégépületnek, külső áramforrás nélkül is működtethető lenne. Az autós haza indulásakor, a tankja fel van töltve hidrogénnel. Ha világon ma meglévő összes gépkocsi 4%-át ilyen rendszerre kapcsolnánk, nem lenne szükség erőművekre. Garázsban, autónk tüzelőanyag-cellájának áramával világíthatunk és fűthetünk. A megtermelt áramot pedig eladhatjuk az áramszolgáltatónak. A tüzelőanyag-cella alapvető előnye, hogy parkoláskor, automatikus áramfejlesztőként biztosítja az üzlethelyiség, vagy az otthon áramellátását. Ha az USA személy és könnyű tehergépkocsi állománya ezt tenné, akkor a jelenlegi erőmű-kapacitás tizenkétszeresét termelhetné vissza a hálózatba. Rendkívül izgalmas, hogy az energetikai internet milyen hatással lesz az életünkre, a következő évtizedekben.

Közelebbi eredmények

A távlati célok között az év közepétől az alternatív hajtású járművek körüli események is felgyorsultak. Június 16-án, első ízben gördült le a gyártósorról zérus emissziójú, hidrogén tüzelőanyag-cellás gépkocsija. Az új modell korai bérlői között találjuk a színésznőt, Jamie Lee Curtist és férjét, a filmes Christopher Guestet, illetve a producer Ron Yerxat. Az átvett járművek azonban a gyár tulajdonában maradnak. Havonta kb. 600 dollárért, vagyis átszámítva mintegy 105 ezer forintért – bérelhetik a tesztflotta autóit azok, akiknek sikerül hozzájutni egy példányhoz.


A Twin Drive műszerfali kijelzője (a), erőátviteli szervei (b) és motortere (c). 1. TDI motor, 2. generátor, 3. tengelykapcsoló, 4. villanymotor, 5. bemeneti áttétel, 6. áramelosztó 7. lítiumion akkumulátor
A VW konszern állami támogatású Golf Twin Drive elnevezésű dízel-hibrid kísérleti járműve

A modell értékesítése az Egyesült Államokban júliusban kezdődött, Japánban pedig napjainkban kezdődik. A két ország együttes értékesítési céljai egy év alatt néhány tucat, három éven belül mintegy 200 darab. A villamos üzem részarányának növelése mindinkább globális céllá kezd válni. Ez ugyanis csökkenti az üzemanyag-fogyasztást és a károsanyag-kibocsátást. Javítja a részegységek járművön belüli elhelyezhetőségének rugalmasságát, irányíthatóságát, és megbízhatóságát.

Carlos Ghosn, a Renault, és a Nissan elnöke, az évtized végéig, zérus emissziójú villamos járművek tömeggyártását tűzte célul. A VW konszern Golf Twin Drive néven új kísérleti járművet mutatott be. A PHEV jármű villamos teljesítménye 82, turbódízel motorja 122 lóerős. A tervek szerint a Twin Drive-ból 2010-re 20 darabos tesztflottát fognak készíteni. Rick Wagoner, GM elnöke szerint, ekkorra a Chevrolet Volt elnevezésű, Extended-Range Electric Vehicles (E-REV), azaz bővített hatósugarú villamos járműmodell is az utakra gördül 40 mérföldes villamos (64 kilométeres) hatósugarával, és 640 mérföldes (1030 kilométeres), együttes hatósugarával.

Az E-REV a következő lépés, a hidrogén tüzelőanyag-cellás gépkocsi-hajtás, és az emisszió-mentes közúti közlekedés felé. Az ehhez vezető úton előbb alkalmas gépkocsit kell készíteni, az infrastruktúra kiépítését az majd hozza magával. Ezt követően a villamos hajtású járművek fedélzeti energiasűrűségét kell növelni. Ma az akkumulátorok korlátozott fajlagos energiasűrűsége jelent korlátot. Addig ugyanis a hidrogén vékonyfalú tankban való tárolása nagyobb energiasűrűségű az akkumulátorokénál. A fejlesztés iránya adott, a következőkben a fejlesztés dinamikáját kell gyorsítani – a gépkocsi-hajtás villamosításával. A tét: mindannyiunk túlélése. Bolygóstól, mindenestől.


Tetszett a cikk?

hirdetés

hirdetés