Még egyszer az elektromobil – Múltidézés

Már sokszor és sokat olvashattunk a villamos autókról, ám a szénhidrogén-készletek csökkenése, valamint a növekvő levegőszennyeződési és zajgondok azt jósolják, hogy még többet fogunk. A világ számos nagyvárosában futnak már elektromos kismotorok, személyautók, még több helyen a tömegközlekedést szolgáló autóbuszok. Düsseldorfban és Münchenben már több mint három éve közlekednek pótkocsis elektrobuszok. Stuttgartban is teljes vonalat villamosítottak 16 hibrid hajtású autóbusszal. Majd mindegyik jelentősebb autógyár kikísérletezte már a maga „elektromobil” járgányát. Arról azonban, hogy mi van az elektromobil motorháztetője alatt, kevesebb szó esik, inkább csak a végeredményről kapunk több-kevesebb tájékoztatást. A következőkben éppen ebbe a motorházba szeretnénk benézni egy kicsit – olvasható az Autómotor.hu múltidéző cikkében.

Az elmúlt évben az elektromobil fejlődése terén is nagy eredményeket értek el, bezárult néhány fejlesztési zsákút és kialakultak a fejlesztés járható útjai is.

Megnyugtató és kitűnő paraméterekkel rendelkező megoldás terjedt el világszerte a villamos járművek szabályozására. Korábban erre egy módszert ismertek (sok esetben még ma is alkalmazzák): nagy veszteséget jelentő ellenállással szabályozták a villamos motor nyomatékát és fordulatszámát. Már a negyvenes években foglalkoztak ennek az előnytelen szerkezetnek a kicserélésével, helyette mechanikus kapcsolóval szaggatták a motor áramkörét. Ez a kapcsoló azonban nem sokáig „bírta a strapát”, érintkezői már 10 Hz-es kapcsolási frekvenciánál erősen koptak és összehegedtek. Ugrásszerű változást jelentett a tirisztor felfedezése, melynek segítségével a régi ötlet megvalósulhatott.

Ma már a villamos autók korszerű szabályozását hasonló elven alapuló egyenáramú szaggatók végzik, melyek több mint 95%-os hatásfokkal dolgoznak.

Ez a megoldás más előnyöket is kínál: többek között igen hosszú élettartamot, valamint a rekuperációs (visszatápláló) fékezés lehetőségét. Technikailag ugyancsak tökéletesen megoldott az egyenáram különböző frekvenciájú váltakozó árammá alakítása és ennek szabályozása is. Jelenleg még dúl a harc: egyenáramú (elsősorban külső gerjesztésű) motor vagy váltakozó áramú aszinkron motor kerüljön-e a villamos autókba.

Elsősorban kórházak folyosóin végeztek próbákat ezzel a Hosiden elnevezésű, halkan gördülő elektromobil kocsival, amely azonban nemcsak sima utakon használható. Az ügyes helykihasználást lehetővé teszi, hogy vezetője a hordágyon fekvő betegen kívül még egy ápolót is magával vigyen. Fotó: Autó-Motor

A gyakorlati kivitelezés kulcskérdése ma – és még várhatóan a közeljövőben is – az energiahordozó telepek elégtelensége. Magyarországon jelenleg nagyobb sorozatban elkészíthető villamos autókhoz még mindig csak a hagyományos ólomakkumulátor lenne felhasználható, melynek energiatároló képessége két nagyságrenddel kisebb, mint a folyékony tüzelőanyagoké. Továbbfejlesztési lehetőségei persze kétségtelenül ennek a megoldásnak is, egy dolog azonban feltétlenül elgondolkoztató. Ha a máig elért legjobb ólomakkumulátorok fajlagos tárolóképességét (25-30 Wh/kg) a háromszorosára növelnénk, akkor már a tárolóképesség elméleti határát is megközelítenénk, és ez még mindig vitatható konkurenciát jelentene a belső égésű motoroknak. (A benzin tárolóképessége – átlagos hatásfokot figyelembe véve – 1500 Wh/kg.)

A lúgos akkumulátorok az utóbbi néhány évben rendkívül sokat fejlődtek.

Míg öt évvel ezelőtt a fejlesztők még elvetették annak a lehetőségét, hogy villamos járműhöz Ni-Cd akkumulátort alkalmazzanak, ma már tárolóképessége felülmúlja az ólomakkumulátorét. A további lehetőségeket vizsgálva azonban itt sem derűsebb a kép, mint a savas akkumulátoroknál; az elméletileg elérhető maximális érték is túlságosan alacsony.

Bármilyen megoldhatatlannak látszó nehézségekkel is küzdenek ma még a „nagy energiájú elektrokémiai energiatároló rendszerek”, fejlesztésükkel foglalkozni kell, mert a probléma jövőbeni megoldását ezek jelenthetik. Ma ezek a rendszerek még rendkívül költségesek, működésük nem elég megbízható, tömegszerű gyártásuk komoly technológiai problémákat vet fel. Az elméleti lehetőségeket vizsgálva azonban kiderül, hogy energiatároló képességük sokszorosan felülmúlja a hagyományos akkumulátorokét, és az elméleti határ megközelítéséig a jövőben igen sokat fejlődhetnek. A „nagy energiájú rendszerek” közül az elkövetkezőkben a lúgos Ni-Zn, a Na-S és a Li-F akkumulátorok előretörése várható.

A könnyű és nagyon elektronegatív alkálifémek (Na és Li) alkalmazása alapvető nehézségekkel jár,

elsősorban azzal, hogy ezekhez vizes elektrolitot nem lehet használni. A fejlesztők azzal próbálkoznak, hogy elektrolitként olvasztott sókat vagy szilárd ionvezető anyagokat alkalmazzanak, vagyis magas hőmérsékletű rendszerekben használják fel az alkálifémeket. Azzal a hátránnyal, hogy nagy hőmérsékleten kell dolgozni, az az előny jár, hogy az ilyen olvadékok vezetőképessége elegendően nagy. Na-S rendszernél 2,08 V-os egyensúlyi cellafeszültséggel az elméleti energiasűrűség körülbelül 800 Wh/kg-ra adódik. Ehhez elektrolitként 300-400°C-os aluminát kerámiát használnak, amely egyidejűleg az elektród anyagok elválasztását is végzi. Ilyen rendszerrel eddig 150 Wh/kg energiasűrűséget értek el (ez az elméleti maximális érték 19%-a), a várható élettartam néhány száz töltési ciklus.

Még az előzőnél is nagyobb lehetőséget rejt magában az Li és F elektródos akkumulátor, melynek elméleti energiasűrűsége 6000 Wh/kg.

Gyakorlati megvalósítása azonban még nagyon korai stádiumban van, főleg az újratölthetőség jelent nagy problémát. Azt, hogy egy-egy rendszert mennyire lehet a gyakorlatba átültetni, attól függ, hogy a folyamatokat technológiailag sikerül-e kézben tartani. Az elektrolitok magas hőmérséklete az egész rendszer rendkívül jó hőszigetelését követeli meg, ez pedig olyan további járulékos súlyok felhasználását tesi szükségessé, melyek a várhatóan magas energiasűrűség-értékeket jelentősen csökkentik.

A villamos autók fejlesztésében igen jelentős szerepet játszhatnak a tüzelőanyag-elemek, ezek képviselik jelenleg a legvonzóbb, de talán a legnagyobb fejlesztési kockázattal járó utat. A villamos hajtás ismert előnyein kívül a tüzelőanyag-cellák még további előnnyel is rendelkeznek: az utastér a tüzelőanyag-cella veszteséghőjével fűthető.

A sok előnyön kívül azonban újabb hátrányokkal is számolni kell.

Ilyen például az üzemanyagtöltő állomások hiánya, de ennél sokkal fontosabb a robbanó gáznemű tüzelőanyag veszélyessége. A különböző tüzelőanyag-párosítások közül eddig legmesszebbre az alkálikus elektrolitikus hidrogén/oxigén cellák fejlesztése jutott. Levegővel való üzemeltetésük és metilalkohol-, ammónia- vagy benzinreformálóból nyert hidrogénnel való ellátásuk elvileg lehetséges, bár még hosszú fejlesztési időt igényel, hogy kicsi és könnyű berendezésekkel lehessen előállítani. Tisztán tüzelőanyag-cellás áramellátás helyett általában párhuzamosan kapcsolt akkumulátor és tüzelőanyag-elem párosítást használnak. Ez lehetővé teszi, hogy a tüzelőanyag-elemes aggregátot sima úton, gyorsulás nélkül haladó jármű teljesítményfelvételéhez méretezzék, a terhelési csúcsértékekhez szükséges energiatöbbletet pedig az akkumulátor szolgáltatja. Ugyanakkor ez a megoldás a rekuperációs fékezés előnyeit is kihasználhatja, az aggregát a menetszünetekben és a kis terhelésű periódusokban feltölti az akkumulátort. A tüzelőanyag-elemek hidrogén-oxigén ellátása már ma sem sokkal drágább a benzinnél, és a töltőállomások korszerűsítésével ez az ár jelentősen csökkenthető lenne.

A teljes cikk az elektromobil elnevezésű járgányokról elérhető az Autó-Motor oldalán.