Silniki elektryczne i baterie – ewolucja, ekonomia, bezpieczeństwo i recykling
Silniki elektryczne i baterie – ewolucja, ekonomia, bezpieczeństwo i recykling
Na przestrzeni lat samochody elektryczne przeszły ogromną ewolucję, ich historia jest nawet dłuższa od aut spalinowych, a jednak to auta napędzane paliwami konwencjonalnymi wiodły prym. Już od kilku lat sytuacja ulega dynamicznym zmianom, w znacznym stopniu dzięki ewolucji technologii produkcji samochodów elektrycznych.
Początki samochodów elektrycznych
Jako pierwszy pojazd elektryczny najczęściej wskazywane jest dzieło szkockiego wynalazcy, Roberta Andersona. Wynaleziony w latach 30. XIX w. elektryczny powóz poruszał się z niewielką prędkością na krótkich odcinkach. Pokonanie większych odległości było wtedy niemożliwe m.in. z powodu niskiej wydajności baterii. Ponadto akumulatory zasilające pojazd wykonane zostały z jednorazowych ogniw galwanicznych. Baterie umożliwiające ponowne naładowanie weszły na rynek dopiero w 1859 r.
Pierwszym opatentowanym samochodem elektrycznym jest dzieło kolejnego szkockiego wynalazcy zamieszkałego w Stanach Zjednoczonych, Williama Morrisona. Premiera elektrycznego pojazdu, który wyglądem i konstrukcją nadal przypominał powóz konny, miała miejsce w 1888 r. Pojazd napędzał silnik elektryczny o mocy 4 KM, który mógł rozwinąć maksymalną prędkość ok. 30 km/h. System baterii składał się z 24 ogniw, które zapewniały maksymalny zasięg do ok. 80 km.
Europejskim konkurentem modelu był zaprezentowany kilka lat później pojazd Egger-Lohner C.2 Phantom. Elektryczny automobil był dziełem Ferdynanda Porsche i pokonał z dużą przewagą amerykańską konstrukcję w mierzącym ok. 40 km wyścigu podczas Targów w Berlinie.
Historia Volkswagenów z napędem elektrycznym
Jednym z pierwszych elektrycznych samochodów marki Volkswagen był Golf CityStromer. Jego nazwa pochodziła od niemieckiego słowa strom, które oznacza prąd. Model pierwszej generacji opracowany wspólnie z niemiecką firmą energetyczną RWE miał premierę w 1981 r., gdy akumulatory litowo-jonowe nie były jeszcze popularne. Zastosowano zestaw baterii kwasowo-ołowiowych, który miał pojemność 11,4 kWh i ważył ok. 300 kg. Zespół akumulatorów zajmował podłogę bagażnika oraz przestrzeń, w której znajdowała się tylna kanapa w spalinowych wersjach modelu.
Pomimo sporych rozmiarów akumulatory trakcyjne pozwalały pokonać jedynie ok. 65 km. Moc silnika również bardzo odstawała od dzisiejszych standardów i wynosiła zaledwie ok. 30 KM. Pozwalało to rozpędzić elektrycznego Golfa do ok. 100 km/h, a osiągnięcie prędkości 50 km/h ze startu zatrzymanego zajmowało ok. 13 s.
Golf CityStromer
Samochód CityStromer oferowany był także w drugiej i trzeciej generacji Volkswagena Golfa. Trudno jednak uznać wersję elektryczną jednego z najpopularniejszych kompaktów na świecie za produkt masowy. Od 1981 do 1996 r. powstało zaledwie ok. 200 egzemplarzy elektrycznego samochodu, z których znaczna część w ogóle nie była przeznaczona do sprzedaży. Doświadczenia nabyte podczas produkcji i eksploatacji Golfa CityStromer wpłynęły na rozwój elektromobilności znanej nam w obecnej postaci.
Volkswagen e-Golf
O wiele bardziej nowoczesnym samochodem elektrycznym jest e-Golf zbudowany na podstawie siódmej generacji modelu. Bezemisyjny samochód oferował wszystkie funkcje spalinowego modelu, takie jak przestronność, uniwersalność i bezpieczeństwo. Do napędu e-Golfa służyła jednostka napędowa o mocy 136 KM, która generowała 290 Nm momentu obrotowego. Kompaktowy „elektryk” rozpędzał się od 0 do 100 km/h w 9,6 s, a jego prędkość maksymalna wynosiła 150 km/h. Z kolei zespół akumulatorów trakcyjnych o pojemności 36 kWh zapewniał w cyklu mieszanym wg normy WLTP ok. 233 km zasięgu.
Nowoczesne samochody elektryczne
Wystarczy rzut oka na którykolwiek samochód z rodziny ID, by stwierdzić, jak duży był postęp technologiczny w ostatnich latach. Aktualnie produkowane samochody elektryczne marki Volkswagen charakteryzują się nowoczesną stylistyką nadwozia, które skrywa pojemne i praktyczne wnętrze. Wśród elementów wyposażenia nie brakuje zaawansowanych systemów asystujących, które znacznie zwiększają poziom bezpieczeństwa wszystkich osób podróżujących pojazdem.
Zasięg najnowszego ID.7
Postęp technologii produkcji samochodów elektrycznych widoczny jest także w parametrach technicznych. Można to sprawdzić na przykładzie najnowszego modelu ID.7. Samochód napędzany silnikiem elektrycznym o mocy 286 KM przyspiesza od 0 do 100 km/h w zaledwie 6,5 s. Co więcej, samochód ID.7 zapewnia zasięg do 621 km w cyklu mieszanym według normy WLTP. To wszystko zasługa najnowszych i najbardziej wydajnych technologii z zakresu elektromobilności.
Produkcja i rozwój akumulatorów trakcyjnych
Do napędzania nowoczesnych samochodów elektrycznych potrzebne są wydajne silniki i baterie. Obecnie do produkcji tych kluczowych podzespołów są niezbędne surowce takie jak grafit, kobalt, lit, nikiel i mangan. Większość z nich potrzebna jest do budowy wydajnych i pojemnych akumulatorów trakcyjnych. Z kolei do produkcji silników elektrycznych używane są m.in. metale ziem rzadkich.
Jakie procesy zachodzą podczas
ładowania pojazdu z napędem elektrycznym?
Ogniwa akumulatorów litowo-jonowych (nazywane także ogniwami galwanicznymi) składają się z czterech elementów: anody, katody, elektrolitu i separatora. W trakcie ładowania pojazdu z sieci elektrycznej dochodzi do przemieszczenia jonów litu od katody do anody, gdzie zostają zmagazynowane w postaci energii chemicznej. Z kolei podczas jazdy wspomniane jony litu wracają z anody do katody. Zjawisku temu towarzyszy zmiana energii chemicznej na elektryczną. Do produkcji katody stosuje się kobalt, nikiel i mangan. Natomiast do wytworzenia anody niezbędny jest grafit oraz lit obecny w elektrolicie.
Nowa platforma MEB
Oferowane w sprzedaży samochody elektryczne Volkswagena produkowane są na nowej platformie MEB, której jednym z kluczowych elementów są akumulatory wbudowane w podłogę samochodu. Ilość modułów może różnić się ze względu na model i jego przeznaczenie. Ogólnie, im więcej modułów, tym większa pojemność baterii, która wpływa z kolei na zasięg samochodu elektrycznego.
Każdy moduł składa się z 12 ogniw litowo-jonowych, które w platformie MEB mają postać ogniw kieszonkowych. Oznacza to, że zespół akumulatorów składa się z kilku warstw ogniw ułożonych jedna na drugiej. Każda warstwa owinięta jest elastyczną folią. Zapewnia to wysoką elastyczność formy, co z kolei pozwala na zoptymalizowanie parametrów zespołu akumulatorów do konkretnego modelu auta elektrycznego.
Rozwój technologii produkcji baterii
Inżynierowie Volkswagena wraz z firmami produkującymi akumulatory prowadzą intensywne prace nad rozwojem technologii produkcji baterii, które będą wymagały mniejszej ilości specjalnych surowców. Przykładem są badania nad ogniwami ze stałym elektrolitem, które w przyszłości mogą przewyższać parametrami baterie litowo-jonowe pod względem niższej masy własnej i szybszych sposobów ładowania. Zestawy akumulatorów trakcyjnych najnowszej technologii mają być dostępne na rynku już za kilka lat.
Recykling baterii samochodów elektrycznych
Pozyskiwanie specjalnych surowców niezbędnych m.in. do produkcji baterii stosowanych w samochodach elektrycznych wiąże się z obciążeniem dla środowiska naturalnego. Skutecznym sposobem na zmniejszenie pozyskiwania nowych zasobów jest recykling zużytych akumulatorów trakcyjnych.
Pilotażowy program Volkswagena
Volkswagen w 2021 r. w fabryce koncernu w Salzgitter otworzył pilotażową linię odzyskującą surowce wykorzystane do produkcji baterii samochodowych wysokiego napięcia, które nie mogą już zostać użyte w żaden inny sposób. Początkowe moce przerobowe wynoszą do 3600 akumulatorów rocznie, co przekłada się na masę wynoszącą ok. 1500 ton. Proces recyklingu baterii jest stale optymalizowany i rozwijany, co w przyszłości będzie przekładać się na znacznie większą skalę odzyskiwania różnego rodzaju surowców.
Proces recyklingu odbywa się w innowacyjny sposób, który generuje znacznie mniej CO2 w porównaniu do energochłonnego przetapiania specjalnych surowców w piecach hutniczych. Zużyte akumulatory trafiające do stacji odzyskiwania wpierw zostają całkowicie rozładowane i zdemontowane na najmniejsze możliwe części. Następnie elementy zostają rozdrobnione do formy granulatu i suszone. W takiej postaci surowce trafiają do wyspecjalizowanych firm, które dokonują obróbki z wykorzystaniem metod hydrometalurgicznych.
Cel recyklingu akumulatorów trakcyjnych
Głównym celem recyklingu akumulatorów trakcyjnych jest odzyskanie jak największej ilości cennych surowców, do których zaliczają się: lit, kobalt, nikiel i mangan. Według badań działu Rozwoju Technicznego i e-mobilności surowce specjalne odzyskane ze zużytych baterii mają takie same właściwości jak nowe. Ponadto w trakcie recyklingu samochodów elektrycznych pozyskane zostają metale takie jak miedź, czy aluminium, a także tworzywa sztuczne. W dalszej perspektywie stopień odzysku ma wynosić ponad 90%. Stosowane obecnie metody recyklingu pozwalają zmniejszyć emisję CO2 o ok. 1,3 tony podczas produkcji każdego akumulatora trakcyjnego o pojemności 62 kWh.
Magazyny energii – drugie życie akumulatorów trakcyjnych
Akumulatory trakcyjne samochodów elektrycznych, które już nie mogą dalej pełnić swojej funkcji, nie zawsze trafiają do recyklingu. Istnieje inne rozwiązanie, które pozwala wydajnie wykorzystać potencjał baterii samochodowych. Ogniwa pochodzące ze zużytych akumulatorów świetnie nadają się do tworzenia magazynów energii elektrycznej, które m.in. umożliwiają szybkie ładowanie samochodów elektrycznych w miejscach, gdzie dotychczas było to niemożliwe.
Pierwszy magazyn energii PSC Volkswagena
Marka Volkswagen uruchomiła pierwszy magazyn energii PSC (ang. power storage container) w fabryce koncernu zlokalizowanej w Zwickau. Do stworzenia parku szybkiego ładowania aut elektrycznych wykorzystano 96 modułów ogniw pochodzących z wyeksploatowanych baterii trakcyjnych. Akumulatory pochodzące z modeli ID.3 oraz ID.4 pozwoliły utworzyć magazyn energii elektrycznej o pojemności 570 kWh. Park ładowania mieszczący się przy zachodniej bramie zakładu w Zwickau składa się z czterech stacji o mocy 150 kW. Co więcej, wartość tę można podzielić na dwa stanowiska o mocy 75 kW każde.
Kierunek rozwoju elektromobilności
Racjonalna gospodarka akumulatorami trakcyjnymi pochodzącymi z samochodów elektrycznych stanowi kluczowy element rozwoju elektromobilności. Budowa magazynów energii z wyeksploatowanych modułów ogniw nie tylko pomaga skutecznie zagospodarować potencjał zużytych podzespołów. Ponadto magazyny energii mogą pomóc w rozwoju elektromobilności, ponieważ sieć energetyczna nie w każdym miejscu pozwala na ładowanie samochodów z mocą wyższą niż 11 kW. Dzięki PSC szybkie ładowanie stanie się możliwe np. na mniejszych osiedlach mieszkaniowych zlokalizowanych daleko od centrów miast.
Recykling i wykorzystywanie tworzyw sztucznych w samochodach elektrycznych
Tworzywa sztuczne nie tylko są odzyskiwane z samochodów elektrycznych, lecz także z powodzeniem stosuje się je do produkcji nowych aut. Dzięki temu produkcja samochodów staje się o wiele bardziej zrównoważona. Przykładem jest model ID.BUZZ, uznawany za pioniera innowacji w recyklingu.
Wiele elementów wnętrza tego pojazdu wykonano z plastiku wydobytego z oceanów oraz pochodzącego z butelek PET. Z kolei do produkcji tkaniny zewnętrznej siedzeń w elektrycznym busie wykorzystuje się 10% plastiku pochodzącego z mórz oraz 90% tworzyw sztucznych pozyskiwanych w drodze recyklingu. Ponadto cała wykładzina podłogowa i podsufitka w modelu ID.BUZZ wykonane są z poliestru pochodzącego w całości z recyklingu. Producent zrezygnował także ze stosowania chromu na elementach drzwi, czy desce rozdzielczej, ponieważ jego produkcja nie jest obojętna dla środowiska. Zamiast niego użyto lakieru ekologicznego, który niemal nie sposób odróżnić od chromu. To wszystko pozwala ograniczyć emisję CO2 w porównaniu do użycia materiałów konwencjonalnych.
