Coroczna, letnia podwyżka cen benzyny to rytuał, którego wszyscy się boimy. Towarzyszy temu przewidywalna brutalność. Aby szybko przypomnieć sobie, dlaczego jest to problem, spójrzmy na lato 2008 roku. Średnia cena galona zwykłej benzyny w całym kraju przekroczyła cztery dolary. Napełnienie zbiornika nie było łatwym zadaniem. Było to ryzyko finansowe. Trzeba było sprawdzić saldo konta bankowego, zanim w ogóle włożyłeś dyszę gazową.
Te wspomnienia są wciąż świeże. Kiedy więc ceny na stacjach benzynowych znów zaczną rosnąć, naturalnie pojawia się pytanie. Co jeszcze jest?
Odpowiedzią jest zatłoczone pole opcji. Wiele z tych paliw alternatywnych jest obecnie dostępnych. Są dostępne u dealerów. Są na autostradzie. Skalowanie niektórych technologii do masowej adopcji zajmuje więcej czasu. Inne są gotowe do kupienia w ten weekend. Oto główni pretendenci.
Зміст
10: Pojazdy na wodorowe ogniwa paliwowe
Wodór może niektórym wydawać się science fiction. W rzeczywistości jest to jedno z najbardziej uznanych paliw alternatywnych do samochodów osobowych. Koncepcja jest dość prosta. Bierzesz gaz wodorowy. Łączysz go z tlenem z powietrza. W wyniku reakcji chemicznej powstaje prąd. Energia ta napędza silnik elektryczny. Jedyną emisją jest para wodna.
„Jedyną emisją jest para wodna”.
Proces ten zachodzi wewnątrz stosu ogniw paliwowych. Nie spala paliwa w tradycyjnym rozumieniu. Tutaj nie ma spalania. To sprawia, że pojazdy napędzane wodorowymi ogniwami paliwowymi (FCEV) są wyjątkowe. Oferują zasięg i krótki czas tankowania samochodu benzynowego. Zapewniają także płynność i natychmiastowy moment obrotowy pojazdu elektrycznego z akumulatorem (BEV).
Toyota i Honda promują tę technologię od wielu lat. Toyota Mirai i Honda Clarity Fuel Cell to dwie z niewielu opcji dostępnych na rynku masowym. Wyglądają jak sedany. Jeżdżą jak sedany. Wymagają jednak innej infrastruktury.
Główną przeszkodą jest znalezienie stacji wodorowych. Stacje te nie są dostępne wszędzie. Skupiają się w niektórych regionach, głównie w Kalifornii. Jeśli mieszkasz w południowej Kalifornii, możesz mieć dostęp. Jeśli mieszkasz w Ohio, prawdopodobnie nie. Niedobór stacji ogranicza powszechne przyjęcie.
Same samochody są drogie. Koszty produkcji pozostają wysokie. Pojazdy elektryczne zasilane akumulatorami odniosły ogromne korzyści skali. Samochody napędzane wodorem nie osiągnęły jeszcze tego punktu krytycznego.
Jednak technologia działa. Ona jest czysta. Jest szybka. Tankowanie trwa około trzech do pięciu minut. Można to porównać do tankowania benzyny. Asortyment jest również konkurencyjny. Mirai ma zasięg około 400 mil na pełnym zbiorniku. To przewyższa większość nowoczesnych pojazdów elektrycznych w niskich temperaturach. Baterie tracą wydajność na zimno. Wodorowe ogniwa paliwowe nie.
Istnieją wątpliwości co do źródła wodoru. Większość produkowanego obecnie wodoru pochodzi z gazu ziemnego. W procesie tym uwalnia się dwutlenek węgla. To nie jest „zielone”, chyba że użyjesz energii odnawialnej do rozbicia cząsteczek wody. Nazywa się to „zielonym wodorem”. Jest drogi. To rzadkie. Ale branża aktywnie w to inwestuje.
Jeśli możesz znaleźć stację i pozwolić sobie na wyższą cenę, wodór stanowi atrakcyjny środek. Rozwiązuje problem braku zasięgu, który nęka pierwszych użytkowników pojazdów elektrycznych. Pozwala uniknąć długich czasów ładowania, które irytują podróżnych. Aby przetrwać, potrzebuje tylko lepszej sieci.
Lato
Wielu osobom wodór kojarzy się ze sterowcem Hindenburg. To odruch. Ale w praktyce? To zaskakująco bezpieczne. Technologie dzielą się na dwa różne sposoby prowadzenia samochodu. Są to pojazdy napędzane ogniwami paliwowymi (FCEV) i silniki spalinowe wodorowe (H2-ICE). Brzmi podobnie. Ale to nieprawda.
Jak faktycznie działają samochody na ogniwa paliwowe
Samochód zasilany ogniwami paliwowymi nie działa na akumulatorze jak Tesla czy Nissan Leaf. Generuje energię elektryczną bezpośrednio podczas ruchu. Masz zbiorniki z wodorem. Z powietrza jest tlen. Wewnątrz ogniwa paliwowego wchodzą w reakcję chemiczną. Rezultatem jest prąd. Energia ta napędza silniki elektryczne.
Jedyny wydech? Para wodna To wszystko. Brak spalin. Brak CO2. Podręcznikowym przykładem jest Honda FCX Clarity. Używa dokładnie tej technologii. Obecnie Honda wynajmuje te pojazdy kierowcom w południowej Kalifornii. To jest kontrolowany start. Jeśli mieszkasz w Ohio, nie możesz po prostu kupić jednego dzisiaj.
Alternatywa spalania
Wtedy jest inny sposób. Silnik spalinowy na wodór. Pod maską wygląda jak silnik benzynowy. Posiada tłoki. Są zawory. Zamiast benzyny spala wodór.
Ponownie produktem ubocznym jest para wodna. Najbardziej znanym przykładem takiego podejścia jest BMW Hydrogen 7. BMW wynajęło dygnitarzom kilka samochodów. Niemcy. Stany Zjednoczone. Niektóre testy wykazały, że samochód rzeczywiście oczyszcza otaczające go powietrze. To odważne stwierdzenie. Być może kondensacja zatrzymywała cząstki? Nie musimy się kłócić o fizykę. Faktem jest, że technologia istnieje.
Problem z infrastrukturą
Dlaczego więc Twój sąsiad nie jeździ samochodem na wodór? Infrastruktura. Nie ma stacji tankowania wodoru. Nie bardzo. Nie występują w znaczących ilościach. To nie jest jak znalezienie stacji benzynowej. To nie jest jak podłączenie do gniazdka. Brak stacji jest wąskim gardłem. To jest punkt zatoru.
Istnieją jednak paliwa alternatywne, które są już obecne w Twoim życiu. Być może używasz go właśnie teraz.
9: Elektryczność
Samochody elektryczne nie są nowoczesnym wynalazkiem. Istnieją od chwili, gdy z linii montażowej zjechały pierwsze samochody. Wczesne samochody często działały na energię elektryczną. Dziś wreszcie stały się mądrym wyborem na codzienne dojazdy do pracy.
Dlaczego to trwało tak długo? Problemem jest technologia akumulatorów. Przewożenie metali ciężkich z prędkością autostradową zużywa dużo energii. Stare akumulatory szybko się rozładowują. Ładowanie trwało godzinami. Prawdziwym problemem była obawa przed wyczerpaniem się ładunku.
Baterie litowo-jonowe zmieniły zasady gry. Są to te same elementy, które zastosowano w Twoim telefonie. Ładują się szybciej. Gromadzą więcej energii. Tesla Roadster udowodniła, że silniki elektryczne mogą zapewnić przyspieszenie porównywalne z supersamochodami.
Następnie pojawiły się pojazdy elektryczne o zwiększonym zasięgu (EREV). Doskonałym przykładem jest Chevrolet Volt. Łączy w sobie akumulator litowo-jonowy i mały generator benzynowy. Podłączasz do standardowego gniazdka. Gdy ładunek spadnie, włącza się silnik benzynowy. Działa jak generator, utrzymując poziom naładowania akumulatora. Stworzyło to nową klasę samochodów. Zaciera granicę między samochodami w pełni elektrycznymi a tradycyjnymi samochodami pochłaniającymi paliwo.
8: Biodiesel
Podczas gdy technologia napędu elektrycznego trafia na pierwsze strony gazet, biodiesel oferuje inną drogę ucieczki od ropy naftowej. Nie jest to nowe źródło paliwa. Koncepcja sięga początków silnika wysokoprężnego. Rudolf Diesel pierwotnie zaprojektował swój silnik do pracy na oleju arachidowym. Obecnie biodiesel jest odnawialną alternatywą wytwarzaną z olejów roślinnych lub tłuszczów zwierzęcych.
W przeciwieństwie do pojazdów elektrycznych, które opierają się na infrastrukturze stacji ładowania, pojazdy na biodiesel często korzystają z istniejących silników wysokoprężnych z niewielkimi modyfikacjami. Mogą też pracować bezpośrednio w nowoczesnych samochodach z silnikiem Diesla, bez żadnych modyfikacji. Dzięki temu jest to rozwiązanie „pod klucz”. Nie musisz przebudowywać garażu ani czekać, aż na każdym rogu pojawią się stacje ładowania.
Argument ekologiczny jest tutaj mocny. Biodiesel ulega biodegradacji i jest nietoksyczny. Zmniejsza emisję gazów cieplarnianych w porównaniu do oleju napędowego na bazie ropy naftowej. Spala się również czyściej, redukując cząstki stałe w powietrzu. Jest to realny kompromis dla entuzjastów, którzy kochają moment obrotowy i dźwięk silnika wysokoprężnego, ale chcą zmniejszyć swój wpływ na środowisko. Nie jest tak przyciągający wzrok jak Tesla. Nie ma tej bezszelestności i natychmiastowego przyspieszenia. Ale on jest praktyczny. Wykorzystuje paliwo, które potencjalnie można wytworzyć z resztek kuchennych lub pozyskać z lokalnych gospodarstw.
Być może myślisz, że zamiana porannego boczku na jarmuż dotyczy również zbiornika paliwa. To jest błędne. Podczas gdy Twoje tętnice doceniają dietę niskotłuszczową, Twój silnik nie dba o cholesterol. Biodiesel istnieje. On jest prawdziwy. Jest żywotny. Nie jest to jednak bezpośredni zamiennik czystego oleju roślinnego, chyba że chcesz zamienić swój samochód w bardzo drogi ciężarek.
Jak faktycznie działa biodiesel
Biodiesel produkowany jest z surowców odnawialnych, takich jak oleje roślinne lub tłuszcze zwierzęce. Może na nim pracować każdy standardowy silnik Diesla. To jest łatwa część. Trudność polega na tym, że nie można po prostu wlać zużytego tłuszczu ze smażenia McDonald’s do wtryskiwacza oleju napędowego. Surowce wymagają konwersji chemicznej.
Proces polega na transestryfikacji. Mieszasz olej z alkoholem (zwykle metanolem) i katalizatorem (takim jak wodorotlenek sodu). To rozkłada trójglicerydy w oleju i zastępuje je estrami metylowymi. Rezultatem jest paliwo, które zachowuje się jak olej napędowy. Bez tego etapu olej byłby zbyt lepki. Zatyka filtry. Zatyka wtryskiwacze. Niszczy pompy paliwowe. Zasadniczo próbujesz sprawić, aby samochód sportowy jeździł na oleju silnikowym. To się źle kończy.
Strefa niebezpieczna dla majsterkowiczów
Entuzjaści często warzą własne paliwo. Kupują zużyty olej w lokalnych restauracjach. Dzięki temu ropa nie trafia na składowiska i tworzy tanie źródło energii. To mądry cykl. Ale jeśli przegapisz kółka treningowe, istnieje również ryzyko chemiczne.
Metanol jest toksyczny. Może być wchłaniany przez skórę lub wdychany w postaci pary. Reakcja wytwarza ciepło i ciśnienie. Jeśli pomylisz proporcje, nie dostaniesz biodiesla. Otrzymasz mydło. Otrzymasz błoto glicerynowe. Otrzymasz układ paliwowy, którego naprawa będzie kosztować więcej, niż jest wart sam samochód.
„Zanim spróbujesz samodzielnie wyprodukować biodiesel, dobrym pomysłem może być poćwiczenie z kimś, kto już wcześniej robił to z sukcesem”.
Nie traktuj tego jak szkolnego projektu naukowego. Pomyśl o tym jak o obsłudze materiałów wybuchowych. Znajdź mentora. Obserwuj proces. Zrozumienie separacji warstw. Sprawdź czystość. Jeśli pominiesz te kroki, ryzykujesz uszkodzeniem samochodu, domu i siebie.
Zapach sukcesu
Dlaczego ludzie to robią? W wielu regionach koszt jest niższy niż w przypadku oleju napędowego. Emisje są czystsze. Spala się z mniejszą liczbą cząstek i niższą zawartością węgla. Jest to namacalny sposób na zmniejszenie zależności od paliw kopalnych.
Jest też detal dotykowy. Twój samochód będzie pachniał frytkami. Nie zjełczały smar ze złego układu wydechowego, ale prawdziwe smażone ziemniaki. To dziwna duma. To sygnał dla wszystkich wokół Ciebie, że robisz coś innego.
Tylko upewnij się, że Twój silnik sobie z tym poradzi. Starsze silniki wysokoprężne mogą mieć gumowe uszczelki, które ulegają zniszczeniu w przypadku stosowania określonych mieszanek paliwowych. Nowsze zwykle są w porządku. Sprawdź instrukcję. Upewnij się, że mieszanina jest prawidłowa. Nie zaczynaj od razu dolewania paliwa.
7: Etanol
To prowadzi nas do świata paliwa kukurydzianego. Etanol jest inny. To nie jest olej. To jest fermentacja. To całkowita zmiana zasad gry.
Wyeliminuj zapach smażenia: czystsze paliwa alternatywne do Twojego samochodu na co dzień
Opanowałeś wykorzystanie tłuszczu do głębokiej frytkownicy. Twój zbiornik jest pełen wczorajszych frytek. Ale bądźmy szczerzy: jazda po mieście z rurą wydechową śmierdzącą smażonymi na głębokim tłuszczu nie poprawia bezpośrednio jakości życia. Jest brudno. Jest to zapach trwały. I szczerze mówiąc, twoi sąsiedzi zaczną zadawać pytania.
Jakie jest więc rozwiązanie? Jeśli chcesz zachować czystość układu wydechowego i korzystać z domowego paliwa, musisz patrzeć nie na to, co smaży się na patelni, ale na to, co rośnie na polach.
Dlaczego etanol to ekologiczny wybór
Etanol nie jest nowością. Przez lata ukrywał się w zbiorniku paliwa, zwykle w małych ilościach, aby pomóc zmniejszyć emisję gazów podczas gorących letnich miesięcy. Jest to paliwo na bazie alkoholu otrzymywane z surowców roślinnych.
Oto jak to wygląda w różnych krajach:
– USA: głównie kukurydza.
– Brazylia: trzcina cukrowa.
– Reszta świata: różne uprawy w zależności od lokalnego rolnictwa.
Nie pij. To nie przypadek – etanol ulega denaturacji celowo.
Najważniejsza jest tutaj infrastruktura. Większość głównych producentów samochodów oferuje obecnie silniki typu flex-fuel. Silniki te są zaprojektowane do pracy na szerokiej gamie mieszanek paliwowych. Nie jesteś ograniczony w swoim wyborze. Można tankować zwykłą benzyną. Możesz też zatankować E85, mieszankę około 85% etanolu i 15% benzyny.
Geopolityka zboża
Dlaczego jest to dla Ciebie ważne?
Wszystko sprowadza się do niezależności energetycznej. Argument za etanolem jest prosty: tutaj to robimy. Nie musimy negocjować z obcymi reżimami w sprawie naszej codziennej mobilności. Jest to zasób odnawialny. Ropa się skończyła. Kukurydza – nie.
Ale nie udawajmy, że wszystko jest idealne. Proces produkcyjny wymaga dużej ilości energii. Zamieniasz jeden problem na inny. Jest jeszcze aspekt etyczny.
Jeśli rolnicy będą mogli zarobić więcej na uprawach przeznaczonych na etanol niż na żywność, przejdą na inną uprawę. To ograniczy podaż żywności. To doprowadzi do wyższych cen żywności.
To delikatna równowaga pomiędzy tankowaniem samochodu a wyżywieniem społeczności.
Gdzie znaleźć E85
Rozbudowuje się sieć stacji benzynowych. Stacje oferujące E85 można znaleźć w wielu częściach Środkowego Zachodu i Wielkich Równin, gdzie kukurydza jest główną uprawą. Sprawdź katalogi lokalne. Jeśli Twój pojazd jest oznaczony jako flex-fuel lub zgodny z E85, możesz tankować ze spokojem. Zbiornik nie stopi się. Silnik nie zgaśnie.
Musisz tylko chcieć się zaopatrzyć w paliwo.
6: Skroplony gaz ziemny
Szefowie kuchni o tym wiedzą. Prawdopodobnie masz go w swojej kuchni. To nie jest etanol. To nie jest biodiesel. Nie jest zrobiony z niczego, co można zjeść lub wypić. To jest gaz ziemny.
Najlepsi szefowie kuchni upierają się przy gotowaniu z nim. Ale w samochodach jest inaczej. Dokładniej jest to opowieść o dużej gęstości energii.
Gaz ziemny występuje pomiędzy warstwami podziemnych skał. Odwierty w celu jego wydobycia wiercimy w taki sam sposób, jak w przypadku ropy. W Stanach Zjednoczonych jest tego znacznie więcej. Spala się czyściej niż benzyna. Lub olej.
Gaz używany do gotowania makaronu jest pod niskim ciśnieniem. Dzięki temu pozostaje w stanie gazowym. Niskie ciśnienie oznacza niską gęstość energii. Podczas spalania wydziela stosunkowo mało ciepła. Dobre do zupy. Niezbyt dobry do transportu towarów.
Ochłodź to. Zmień stan.
Rezultatem jest skroplony gaz ziemny (LNG). Staje się nośnikiem energii o dużej gęstości. Spal go, a uzyskasz potężną moc wyjściową. Ciężarówka tego potrzebuje. Nie tylko małe pchnięcie. Poważny moment obrotowy na długich dystansach. To tutaj wykorzystuje się LNG.
5: Gaz płynny (LPG)
Wchodzimy po schodach. Od metanu po propan i butan.
LPG to co innego niż CNG. To także paliwo alternatywne. Ale źródło jest inne. Przeróbka gazu ziemnego. Albo rafinacja ropy.
To jest produkt uboczny. Produkt wtórny.
Tytuł brzmi technicznie. Gaz skroplony. Ale już to widziałeś. W kuchenkach kempingowych. W ładowarkach. W starych flotach taksówek.
Jak działa LPG w samochodach
LPG jest magazynowany pod ciśnieniem. W zbiorniku występuje w stanie ciekłym. Odparowuje po uwolnieniu. Spala się czyściej niż benzyna.
Emisje spadają. Ilość cząstek stałych spada. Niższa jest także emisja dwutlenku węgla. Ale nie tak niskie, jak sprężony gaz ziemny (CNG) lub LNG.
Gęstość energii jest wyższa niż w przypadku sprężonego gazu ziemnego (CNG). Niższy niż benzyna. Dlatego zasięg nieznacznie spada w porównaniu z paliwami płynnymi. Ale to lepsze niż CNG.
Który typ silnika jest najlepszy?
Nie każde auto dobrze jeździ na LPG. Większość wymaga modyfikacji. Lub silniki montowane fabrycznie.
Pojazdy typu Flex-fuel? Czasami. Częściej spotykane są jednak wyspecjalizowane silniki zasilane LPG.
Zapłon iskrowy. Cykl Otto. Podobnie jak przeciętny sedan. Ale skonfigurowany dla mieszaniny propanu i butanu.
Zmienia się stosunek powietrza do paliwa. Układy wtryskowe się zmieniają. Przewody paliwowe wymagają specjalnych uszczelek. Guma zużywa się szybciej podczas używania LPG.
Gdzie jest używany?
Floty to uwielbiają. Wózki widłowe korzystają z niego na całym świecie. Zadaszone magazyny. Spaliny nie powodują udławienia pracowników.
Transport publiczny? W niektórych miastach. Autobusy jeżdżą na LPG. Czystsze powietrze w tunelach.
Samochody osobowe? Rynek niszowy. Popularny w Australii. Korea Południowa. Europa Wschodnia.
W USA nie bardzo. Dlaczego? Infrastruktura. Stacje benzynowe są rzadkością. W odróżnieniu od sieci CNG.
Porównanie LPG z alternatywami
LPG vs CNG.
CNG to metan. Sprężony. Niska gęstość energii. Potrzebujesz dużych zbiorników.
LPG to propan/butan. Skroplony pod umiarkowanym ciśnieniem. Wyższa gęstość energii. Możliwe są mniejsze zbiorniki.
Ale LPG ma wyższą emisję CO2 na milę niż CNG. I więcej cząstek stałych niż LNG.
Wciąż czystszy niż diesel.
Podsumowanie
LPG nie jest przyszłością pojazdów ciężkich
Jeśli przez ostatnią dekadę stałeś obok przydomowego grilla, zetknąłeś się już z gazem płynnym (LPG). Możesz nazwać go propanem z przyzwyczajenia, ale chemia opowiada nieco inną historię. Propan jest rzeczywiście głównym składnikiem. Ale technicznie LPG to mieszanina gazów węglowodorowych: propanu, butanu, ewentualnie z niewielkim dodatkiem propylenu, która pod ciśnieniem pozostaje w stanie ciekłym.
To ciśnienie ma znaczenie. Tę samą zasadę stosuje się w przypadku skroplonego gazu ziemnego. Sprężanie gazu w ciecz zwiększa jego gęstość energii. Mniej miejsca w zbiorniku, większy zasięg. To właśnie ta wydajność skłoniła inżynierów do stosowania LPG w silnikach samochodowych, a nie tylko do gotowania na świeżym powietrzu.
Konstrukcja systemu nie jest czymś magicznym. Jest to silnik spalinowy specjalnie przystosowany do zasilania LPG. Układ paliwowy wtryskuje skroploną ciecz pod ciśnieniem, która przed spalaniem natychmiast zamienia się w gaz. System działa, ale nie jest rozpowszechniony w Stanach Zjednoczonych. Rzadko można tu spotkać floty pojazdów zasilane LPG. Ale spójrz na Atlantyk. W Holandii LPG stanowi 10% wszystkich paliw samochodowych. Projekty pilotażowe przeprowadzono w innych krajach. Infrastruktura istnieje. Technologia działa. Pytanie tylko, dlaczego nie tankujemy tym paliwem.
4: Sprężony gaz ziemny
Wyobraź sobie przewód paliwowy biegnący bezpośrednio do Twojego garażu. Nie stacja benzynowa. To nie jest kabel ładujący. To dosłownie rura. W przypadku pojazdów na sprężony gaz ziemny (CNG) nie jest to fantastyka naukowa. Taka jest rzeczywistość logistyczna. Paliwo jest identyczne z tym, które ogrzewa Twój dom lub gotuje wodę. Przechodzi przez sieci miejskie, ale Twojego samochodu nie można po prostu podłączyć do gniazdka.
Potrzebujesz kompresora.
Standardowe ciśnienie gazu w gospodarstwie domowym nie jest wystarczające, aby silnik spalinowy działał wydajnie. Potrzebujesz butli wysokociśnieniowych. LNG zajmuje znacznie więcej objętości niż benzyna, dlatego jego magazynowanie staje się zagadką przestrzenną. Honda próbowała rozwiązać ten problem za pomocą Civic GX.
Wprowadzony na rynek w 1998 roku Civic GX wyglądał jak zwykły Civic. Pod maską wszystko było inne. Spalił się czyściej. Taniej było za kilometr. Jeśli byłoby Cię stać na wstępną instalację domowej stacji benzynowej, długoterminowe oszczędności byłyby niezaprzeczalne.
Ale był haczyk. Ogromny.
Nie ma ogólnopolskiej sieci stacji tankowania CNG. Gdyby zabrakło Ci benzyny na autostradzie w Nebrasce, nie tylko groziłaby Ci niedogodność. Byłbyś uwięziony. Luka infrastrukturalna zahamowała dynamikę rozwoju.
3: Sprężone powietrze
Jeśli więc przewody gazowe są zbyt ograniczone, a akumulatory zbyt ciężkie, co pozostaje? Powietrze.
Pojazdy pneumatyczne nie wymagają litu. Nie potrzebują metali ziem rzadkich. Potrzebują sprężarki i cylindra. Koncepcja jest niezwykle prosta. Sprężasz powietrze, przechowujesz je pod ciśnieniem i uwalniasz, aby popchnąć tłoki.
Brzmi zbyt dobrze, aby mogło być prawdziwe, ponieważ tak jest.
Fizyka jest bezlitosna. Gdy powietrze się rozszerza, gwałtownie się ochładza. Jest to efekt Joule’a-Thomsona. Nie tylko czujesz zimno; dostaniesz lód. Efektywność paliwowa jest zabójcza. Sprężanie powietrza wymaga ogromnych ilości energii. Po uwolnieniu otrzymujesz mniej energii, niż wydałeś.
Luka w wydajności
Skąd pochodzi energia? Z sieci.
W pojeździe z silnikiem spalinowym wykorzystujesz płynne paliwa kopalne. W samochodzie elektrycznym ładujesz akumulator. W samochodzie napędzanym sprężonym powietrzem do obracania sprężarki wykorzystuje się energię elektryczną. Następnie przechowujesz tę energię w postaci ciśnienia. Potem to wypuszczasz.
Straty energii występują na każdym etapie.
- Podczas sprężania wytwarza się ciepło.
- Podczas przechowywania ciśnienie z czasem spada.
- Gdy system się rozrasta, ochładza się.
Nikomu nie udało się znaleźć rozwiązania umożliwiającego magazynowanie energii o gęstości odpowiadającej zbiornikowi gazu. 50-litrowy zbiornik benzyny zawiera około 115 000 watogodzin energii. Tylko niewielka część tej ilości jest magazynowana w butli ze sprężonym powietrzem.
Obietnica zerowej emisji
Atrakcyjność leży w wydechu.
Czysta para wodna. To wszystko.
Gdyby udało się rozwiązać problem gęstości energii, samochody te byłyby idealne do użytku w środowiskach miejskich. Brak emisji z rury wydechowej. Brak zanieczyszczeń hałasem. Sprężarki pracują cicho. Silniki są proste mechanicznie. Mniej ruchomych części oznacza niższe koszty konserwacji.
Ale „prosty” nie oznacza „opłacalny” na długie podróże.
Kto właściwie tego próbował?
MDI (Motor Development International) twierdziło, że ma rozwiązanie. Ich AirCar miał działać na sprężonym powietrzu i zapewniać zasięg do 300 km. Cylinder został zintegrowany z podwoziem. Wyglądało to futurystycznie.
Powietrze jest nieskończone. Otacza nas. Dlaczego więc go nie spalić? A dokładniej: dlaczego nie wykorzystać jego ciśnienia do poruszania metalem?
Samochody na sprężone powietrze działają na prostej zasadzie. Nabierasz powietrza. Sprężasz go do cylindrów pod wysokim ciśnieniem. Potem zwolnij.
W standardowym silniku spalinowym powietrze miesza się z benzyną. Ta mieszanina jest łatwopalna. Eksplozja popycha tłoki. W silniku na sprężone powietrze nie ma eksplozji. W tym miejscu używane jest rozszerzenie. Kiedy sprężone powietrze opuszcza rury i wchodzi do cylindra silnika, gwałtownie się rozszerza. To rozszerzanie powoduje ruch tłoków w dół. Ruch mechaniczny.
Ale jest niuans. Powietrze nie jest za darmo.
Hybrydowa rzeczywistość siłownika pneumatycznego
Te samochody nie są czysto mechaniczne. Nie są też wyłącznie elektryczne. Zajmują dziwną pozycję pośrednią.
Na pokładzie znajdziesz silniki elektryczne. Ale ich zadaniem nie jest kręcenie kołami. Nie bezpośrednio. Silniki elektryczne sprężają powietrze i pompują je do cylindrów wysokociśnieniowych. Silnik elektryczny pełni funkcję sprężarki. Sprężone powietrze działa jak akumulator.
To całkowicie zmienia architekturę.
W Tesli czy Nissanie Leaf silnik elektryczny jest ogromny. Przenosi moment obrotowy bezpośrednio na przekładnię. W samochodzie na sprężone powietrze silnik jest znacznie mniejszy. Wymaga jedynie wystarczającej mocy do ponownego napełnienia cylindrów. Nie musi ciągnąć ciężaru samochodu po autostradzie.
Prowadzi to do konkretnej korzyści. Czas ładowania.
Ponieważ pokładowa sprężarka zużywa mniej energii niż bezpośredni silnik elektryczny wymagany do napędu, cykl ładowania jest szybszy. Nie czekasz, aż bateria osiągnie 80% pojemności. Czekasz, aż powietrze zostanie wpompowane do cylindra. Gęstość energii jest niska w porównaniu z akumulatorami litowo-jonowymi, ale tempo uzupełniania może być szybsze.
Z termodynamicznego punktu widzenia jest to nieefektywne. Sprężone powietrze wytwarza ciepło. Ekspansja generuje zimno. Energia jest tracona w każdym cyklu. Ale na krótkie wycieczki po mieście? To zupełnie inna droga.
2: Ciekły azot
Kolejnym paliwem alternatywnym jest ciekły azot. Podobnie jak wodór, azot występuje w dużych ilościach w naszej atmosferze. Podobnie jak wodór, pojazdy z ciekłym azotem emitują mniej szkodliwych emisji niż pojazdy benzynowe lub wysokoprężne. O ile jednak wodór wykorzystuje się zarówno w pojazdach napędzanych ogniwami paliwowymi, jak i w silnikach spalinowych zasilanych wodorem, w pojazdach z ciekłym azotem stosuje się zupełnie inny typ silnika.
W rzeczywistości samochód z ciekłym azotem wykorzystuje silnik podobny do tego, który jest stosowany w samochodach na sprężone powietrze. W nośniku z ciekłym azotem azot jest utrzymywany w niskiej temperaturze, aby pozostał w fazie ciekłej. Aby napędzać samochód, azot jest wprowadzany do silnika, gdzie nagrzewa się i rozszerza, tworząc energię. Podczas gdy typowy silnik benzynowy lub wysokoprężny wykorzystuje spalanie do poruszania tłoków, silnik na ciekły azot wykorzystuje rozprężający się azot do napędzania turbin.
Chociaż jest to czysty i wydajny sposób napędzania pojazdu, ciekły azot napotyka te same przeszkody, co wiele innych paliw alternatywnych: obecnie nie ma ogólnokrajowej sieci stacji benzynowych, które mogłyby dostarczać go konsumentom.
Jak działają samochody z ciekłym azotem?
Zasada działania samochodu z ciekłym azotem jest prosta, ale różni się od silników spalinowych. Paliwo magazynowane jest w postaci cieczy kriogenicznej. Dostając się do silnika, pochłania ciepło z otoczenia. Powoduje to szybką ekspansję. Rozprężający się gaz zamiast tłoków napędza turbiny. W procesie tym nie powstają żadne gazy spalinowe. Jedynym produktem ubocznym jest zimne powietrze.
Metoda ta znacznie różni się od technologii wodorowych. Wodór można stosować zarówno w ogniwach paliwowych, jak i silnikach spalinowych. Ciekły azot wymaga specjalnej instalacji zapewniającej rozszerzalność cieplną. Energię uzyskuje się w wyniku przejścia fazowego i różnicy temperatur. To nie jest reakcja chemiczna, taka jak spalanie gazu.
Problem z infrastrukturą
Technologia działa. Profil emisji jest czysty. Źródło paliwa jest wszędzie. Problemem jest logistyka. Nie możesz po prostu napełnić samochodu ciekłym azotem na zwykłej stacji benzynowej. Brak jest ogólnopolskiej sieci stacji benzynowych. Brak infrastruktury zabija rentowność komercyjną. Bez miejsc do tankowania takie samochody pozostają ciekawostką.
Ta sama przeszkoda dotyczy wielu paliw alternatywnych. Baterie potrzebują sieci stacji ładowania. Wodór wymaga stacji wysokociśnieniowych. Ciekły azot wymaga kriogenicznych urządzeń do napełniania. Dopóki ktoś nie zbuduje takiej sieci, samochody pozostaną w laboratoriach i muzeach.
1: Węgiel
Wydaje się to sprzeczne z intuicją. Wyobraź sobie elegancki pojazd elektryczny (EV) płynący cicho po autostradzie, a potem ktoś wspomina o węglu. Ten kontrast powoduje poczucie wyobcowania. Jednak dla wielu kierowców w USA ich pojazd elektryczny w rzeczywistości spala węgiel. Oczywiście, że nie bezpośrednio. Nikt nie wkłada czarnych kamieni do portu ładowania. Połączenie jest ukryte w sieci energetycznej.
Pojazdy elektryczne nie wytwarzają własnej energii elektrycznej. Gromadzą to. Energia ta pochodzi z gniazdka ściennego. Gniazdo pobiera energię z sieci. W wielu regionach sieć jest w dużym stopniu uzależniona od paliw kopalnych. W szczególności z węgla.
Ukryty silnik spalinowy
Pięćdziesiąt procent całej energii elektrycznej w Stanach Zjednoczonych wytwarza się w elektrowniach węglowych. To ogromna część krajowego bilansu energetycznego. Po podłączeniu Chevroleta Bolta lub Tesli Model 3 czerpiesz energię z basenu składającego się w połowie z węgla. Elektrony dostające się do akumulatora samochodowego prawdopodobnie pochodzą z kotła w elektrowni oddalonej o setki kilometrów.
Nie oznacza to jednak, że pojazdy elektryczne zanieczyszczają środowisko. Oznacza to, że przesuwają źródło zanieczyszczeń. Zamiast spalin w Twoim mieście, dostajesz dym z kominów elektrowni na wsi. Zmiany lokalizacji. Proces chemiczny pozostaje taki sam.
Korzyści związane z kosztami i łańcuchem dostaw
To pośrednie połączenie ma praktyczne zalety. Węgiel jest tani. Energia elektryczna wytwarzana z węgla kosztuje mniej za milę niż benzyna. To trudna matematyka, ale to prawda.
Kolejnym czynnikiem jest stabilność dostaw. Stany Zjednoczone posiadają ogromne zasoby węgla. Ta krajowa obfitość chroni kierowców przed międzynarodowymi wstrząsami geopolitycznymi. Nie musisz się martwić decyzjami OPEC ani blokadami szlaków żeglugowych, gdy Twoje paliwo wydostanie się spod ziemi w Wyoming lub Wirginii Zachodniej.
Choć to nie tylko węgiel
Nie każda sieć jest brązowa. Niektóre regiony opierają się na energii wodnej. Inni korzystają z energii jądrowej. Jeśli mieszkasz na obszarze objętym zieloną siatką, Twój samochód elektryczny będzie napędzany wodą lub atomami, a nie węglem. Możesz ładować bez zwiększania emisji dwutlenku węgla.
Rzeczywistość jest skomplikowana. Czyste samochody trafiające na parkingi dealerów czerpią energię z niezbyt czystych źródeł. To podkreśla podstawową prawdę o systemach energetycznych. Nie ma czegoś takiego jak darmowy lunch. Zastępujesz jeden rodzaj infrastruktury innym. Rura wydechowa została przesunięta. Problem nie zniknął.
Większy obraz
Najnowszego wpisu na temat paliw alternatywnych nie należy traktować jako retoryki skierowanej przeciwko pojazdom elektrycznym. To jest obserwacja dotycząca złożoności. Chcemy zerowej emisji. Chcemy także niezawodnej i taniej energii. Węgiel zapewnia tę niezawodność. Ma cenę węgla.
Przejście nie jest przełącznikiem binarnym. To jest widmo. Obecnie w wielu częściach kraju spektrum jest mocno przesunięte w stronę węgla. Dopóki sieć nie zostanie zdekarbonizowana na poziomie krajowym, etykieta „zero emisji netto” ma raczej charakter lokalny niż globalny.
Jeździsz samochodem elektrycznym. Ale jeździsz też na węglu. Pytanie czy ma to dla Ciebie znaczenie.
