Hibrid hajtású autó működési vázlata
A szakértők egyetértenek abban, hogy a legnagyobb növekedési lehetőség az elektromos hajtású és a belső égésű motor kombinációjában, azaz a hibrid autóban rejlik. Energiatárolóként jelenleg a legtöbb gyártó akkumulátort használ, a tüzelőanyag-cellák és a kétrétegű kondenzátorok alternatívaként állnak rendelkezésre. A működési elv mindegyiknél ugyanaz: a keletkező többletenergia egy generátor segítségével az energiatároló feltöltésére szolgál, például állandó sebességű mozgás esetén, amikor a belső égésű motor optimális hatástartományban működik. A fékezéskor keletkezett energia egy része is elektromos energiaként kerül tárolásra (energia-visszatáplálás). Amennyiben meghajtóerő csak kismértékben, vagy egyáltalán nem szükséges, és az energiatároló kellő mértékben fel van töltve, a belső égésű motor teljesen kikapcsol. Ha az akkumulátort vagy a tüzelőanyag-cellát ismét fel kell tölteni, bekapcsol a belső égésű motor, és feltölti a tárolót. Gyorsuláskor a két motor kombinációja maximális hajtóerőt biztosít.
Akkumulátorok: a hatótávolság és a feltöltési idő késleltetik az áttörést
Az akkumulátornak számos jelentős hátránya van, és ezek bizonyára szintén szerepet játszottak abban, hogy az elektromos hibrid autók mindeddig nem tudtak kellő mértékben teret hódítani: rövid élettartamúak és korlátozott a feltöltési ciklusok száma, amelyet ezenkívül a kisütési mélység is befolyásol. Ráadásul a hatótávolság és a csúcssebesség tekintetében is jelentősen lemaradnak a hagyományos meghajtások mögött, hiszen a jelenleg forgalmazott akkumulátorok energiasűrűsége az üzemanyagokéhoz képest lényegesen kisebb, és így nagyobb tömeggel rendelkeznek. A NiCd vagy ólomakkumulátorral ellátott járművek egy feltöltéssel hozzávetőleg csak 150 kilométert tudnak megtenni - azt is csak könnyű karosszéria esetén, külön felszereltség nélkül. Így például a Mitsubishi i-MIEV városi autójának a japán mozgásprofil-referencia alapján számított hatótávolsága 160 kilométer. A Volkswagen E-Up! modellje az európai mozgásprofilt alapul véve 130 kilométert tesz meg. Nagyobb hatótávolságot csak az új technológiával rendelkező akkumulátorok, mint például a lítiumalapú akkumulátorok tesznek majd lehetővé. Energiasűrűségük lényegesen nagyobb, miközben súlyuk kisebb. Így a Tesla jelenlegi Roadster modellje egyetlen feltöltéssel akár közel 500 kilométert is megtehet.
Kondenzátorok autóhajtási célokra
Az ok, amiért az elektromos hibrid autók csak lassan törnek be a piacra, abban is keresendő, hogy a járműtulajdonosoknak kifejezetten több időt kell eltölteniük a töltőállomásokon, mint azelőtt a benzinkutaknál: egy teljes feltöltés a jelenleg forgalomban lévő modellek esetén több órát vesz igénybe. A JFE Engineering cég nemrég bemutatott egy gyorstöltő állomást, amely képes az akkumulátort három perc leforgása alatt félig feltölteni, amely egy 80 kilométeres útszakasz megtételét teszi lehetővé. Még nem tisztázott azonban, hogy ez a gyorstöltés mennyire viseli meg a forgalomban fellelhető akkumulátort. Az ilyen jellegű gyors feltöltés ugyanis jelentősen csökkenti az akkumulátor várható élettartamát - és egyébként is csak a legmodernebb lítiumakkumulátorok esetén alkalmazható.
Tüzelőanyag-cella alternatívaként
Tüzelőanyag-cellák felhasználásával az energiát hidrogénként vagy kismolekulájú alkohol, mint pl. metanol vagy etanol formájában kell hordoznunk. A tüzelőanyag-cella és a tartály kombinációja egy, az akkumulátoroknál nagyobb energiasűrűséget eredményez, a teljes meghajtó rendszer hatásfoka azonban kisebb. Az utántankolás néhány perc alatt lebonyolítható lenne - feltéve, hogy a hozzáférhetőség adott. Ezt azonban a szükséges széles körű biztonsági óvintézkedések nehezítik. Ezek és a hidrogéntartály jelenik a tüzelőanyag-cellák áttörésének útjában.
További jelentős hátrány a hidrogénnel működtetett tüzelőanyag-cella relatív csekély hatásfoka. Ha beszámítjuk a hidrogén előállítását is, a tüzelőanyag-cellák összhatásfoka normál üzemmódban 28%-os. Ezzel szemben a teljes hatékonyság a NiMH akkumulátor esetében 47%-os, a lítiumion-akkumulátornál ez az érték akár a 70%-ot is elérheti, mindkét esetben egy 92%-os hálózati hatásfokból és az akkumulátortöltő készülék 85%-os hatásfokából kiindulva. Ha figyelembe vesszük a primer energiahordozókat is, tovább romlik a tüzelőanyag-cellák mérlege. Ehhez még hozzájön a teljes rendszer limitált élettartama, a magas költségek, a magas fokú érzékenység és a működési korlátozások a negatív hőmérséklettartományban, tehát érthető, hogy a tüzelőanyag-cellás járművek jelenleg csupán a prototípusokra korlátozódnak.
Tandemben előnyösebb: akkumulátorok és kondenzátorok
Hibrid hajtású autók
Érdekes alternatívát kínál az akkumulátorok és a tüzelőanyag-cellák egyedi használatával szembeni kombinációjuk a kétrétegű kondenzátorokkal. Ezek energiatárolóként az akkumulátorokat lényegében minden jellemzőjükben magasan túlszárnyalják - ez alól csupán az energiasűrűség képez kivételt. Itt a kétrétegű kondenzátorok az 5 Wh/kg-os teljesítményükkel körülbelül tízszer gyengébbek az akkumulátoroknál. Ezért nem alkalmasak a hajtóenergia tárolására, és az elektromos hibrid autók kifejlesztésénél általában egyáltalán nem veszik őket figyelembe. (Ami hiba, hiszen legnagyobb erősségük, hogy rövid idő alatt képesek energiát nagy teljesítménnyel tárolni vagy leadni. Így tökéletesen kiegészítik egymást az akkumulátorokkal: mozgás közben az akkumulátor vagy a belső égésű motor állandóan egy átlagos értékű energiamennyiséget szolgáltat. Gyorsuláskor az elektromotor energiaigénye rövid időre erős mértékben megnő. Fékezéskor ezzel szemben hirtelen sok energia szabadul fel. Ezeket a teljesítménycsúcsokat a kondenzátorok a legrövidebb idő alatt képesek felvenni és leadni. Ezzel olyan elektromos hibrid autók megépítését teszik lehetővé, amelyek 0-ról 100 km/h-ra 6 másodperc alatt gyorsulnak, és nagyobb teljes hatékonyságot tudhatnak magukénak. Ezenfelül az akkumulátorok feltöltési ciklusai rövidebbek, ill. sokkal kevesebb áramcsúccsal rendelkeznek, ami növeli élettartamukat. Ráadásul a kétrétegű kondenzátorok közel 100%-os hatásfokkal büszkélkedhetnek, nem rendelkeznek a memória-hatás hátrányaival, és minden töltöttségi állapot mellett tölthetők vagy kisüthetők. Eközben csaknem teljesen korlátozatlan gyakorisággal lehet őket feltölteni, és élettartamuk akár a 10 évet is elérheti. Különösen előnyösek a gépkocsiknál történő alkalmazásra a Maxwell Technologies BOOSTCAP kondenzátorai: megfelelnek a gépjárműágazatban megszokott magas biztonsági szabványoknak és normáknak. Kiforrott technológiájuk már bevált a sokféle bevetési szcenáriók során. Ezenfelül a legnagyobb várható élettartammal, a legalacsonyabb ekvivalens soros ellenállással (ESR) rendelkeznek, és ezzel a kétrétegű kondenzátorok körében a legnagyobb hatékonyságot, valamint az egyik legmagasabb cellafeszültséget biztosítják. A BOOSTCAP(r) kondenzátorok szabványos alkatrészekként nagy darabszámban is rendelkezésre állnak.)
Még nem tudni, hogy végül melyik változat kerül ki győztesként, mivel az energiatárolás vagy a rendszerhatékonyság növelésének egyes komponenseinél még nem fedezhető fel a kellő mértékű fejlődési potenciál. Ám legfontosabb, hogy a belső égésű motor mint egyedüli meghajtás éppen úgy el fog tűnni a használatból, mint az analóg fényképezőgép.
A Rutronik Elektronische Bauelemente GmbH. honlapja
