Co dalej z silnikami spalinowymi?

Idea programu pojazdów bezemisyjnych jest szczytna. W grudniu 2019 r. Komisja Europejska przedstawiła dokument nazwany „Zielonym ładem”, którego celem jest przekształcenie Europy do 2050 roku w pierwszy kontynent neutralny dla klimatu. Wyzwanie jest ogromne, bo dotyczy nie tylko motoryzacji, ale także przemysłu, energetyki, rolnictwa, budownictwa. Nas oczywiście najbardziej interesuje motoryzacja.

I tak zgodnie z unijnym planem zostaną zaostrzone limity emisji CO₂ dla nowych samochodów i lekkich samochodów dostawczych. Do 2030 roku obowiązujące normy mają zostać obniżone o 55 proc. w porównaniu do tego, na co powalają dzisiejsze przepisy. Celem jest już w roku 2035 ograniczenie do zera w pojazdach emisji CO₂. Dobra dla nas wiadomość jest taka, że w tej całej unijnej strategii klimatycznej nie pada słowo motocykl. Przynajmniej na razie.

Austriacy w swoim Mobility Master Plan 2030 poszli o krok dalej, przyjmując rok 2030 za datę wprowadzenia pojazdów bezemisyjnych. Przy czym wyraźnie mówią, że dotyczy to także motocykli. Światełkiem w tunelu jest to, że austriackie stowarzyszenie producentów i importerów jednośladów uważa, iż motocykle i samochody nigdy nie powinny być zestawiane razem. Średni przebieg jednośladu jest bowiem o wiele niższy niż samochodu. Ponadto „125”, motocykle o wyższych pojemnościach czy skutery emitują nawet o trzy czwarte mniej CO₂ niż samochody. Jest zatem cień szansy, że motocykle zasilane benzyną nie staną się ginącym gatunkiem.

Założenia Komisji Europejskiej przewidują również, że państwa członkowskie zwiększą ograniczenia wraz ze wzrostem sprzedaży pojazdów bez­emisyjnych. Wiąże się to z rozwojem sieci stacji do ładowania, co należy rozumieć w ten sposób, że na głównych drogach będą one rozmieszczone co 60 km.

A skąd powinna pochodzić energia do pojazdów elektrycznych? Oczywiście z odnawialnych źródeł energii. Zgodnie z założeniami UE, ich udział w produkcji energii elektrycznej ma wzrosnąć do 40% do 2030 roku. Pytanie brzmi tylko, jakim kosztem? Na razie rozwój energetyki wiatrowej nie wystarcza do spełnienia założonych celów klimatycznych.

Jak widzisz, dziś zagadnienie elektromobilności to znacznie więcej pytań niż odpowiedzi. Nie licząc elektrycznych skuterów i motocykli lekkich, bike’i na prawo jazdy kategorii A produkują zaledwie cztery koncerny. Oczywiście przez najbliższych 15 lat sytuacja może się diametralnie zmienić, pytanie tylko, jakim kosztem.

Pewne jest tylko to, że nie ma ucieczki przed ochroną środowiska. Zagwozdka polega na tym, w jaki sposób będzie się to robić. „Aby przyspieszyć rozwój elektromobilności, potrzebujemy kompleksowej infrastruktury ładowania: wystarczającej liczby stacji ładowania, wydajnych sieci energetycznych oraz czystej i niedrogiej energii” – podsumowuje sytuację Herbert Diess, dyrektor generalny VW. Quo vadis, Europo?

CORAZ WIĘCEJ CZYSTEJ ENERGII

Bez wystarczających dostaw energii ze źródeł odnawialnych ani elektromobilność, ani przemysł nie będą funkcjonować w sposób przyjazny dla klimatu. Celem UE jest zwiększenie w Europie udziału energii elektrycznej ze źródeł odnawialnych do poziomu 40% do roku 2030.

shutterstock.com

NA CZYM POLEGA HANDEL UPRAWNIENIAMI DO EMISJI GAZÓW CIEPLARNIANYCH?

Unijny system handlu uprawnieniami do emisji (EU ETS) istnieje od 2005 roku i jest narzędziem służącym do redukcji emisji dwutlenku węgla (CO₂) i pozostałych gazów cieplarnianych, takich jak metan czy podtlenek azotu. Dobrze kojarzysz, podtlenek azotu to oficjalna nazwa NOS – gazu stosowanego w tuningu do podnoszenia mocy. Handel uprawnieniami do emisji polega na wprowadzeniu limitu łącznych emisji niektórych gazów cieplarnianych. Z czasem limit ten jest obniżany.

System handlu limitami gwarantuje obniżanie emisji tam, gdzie jest to najmniej kosztowne. Wysokie ceny emisji dwutlenku węgla sprawiają, że warto inwestować w innowacyjne i niskoemisyjne technologie. Do uczestnictwa w programie zobowiązani są wszyscy duzi konsumenci energii elektrycznej i ciepła, czyli zakłady przemysłowe, huty, rafinerie i cementownie, a także operatorzy ruchu lotniczego. Na początku października 2022 Międzynarodowe Stowarzyszenie Transportu Powietrznego (IATA) podpisało uchwałę, na której podstawie linie lotnicze zobowiązały się osiągnąć neutralność klimatyczną do 2050 r. Do ograniczenia CO2 ma się przyczynić m.in. zrównoważone paliwo lotnicze, rozwiązania technologiczne w samolotach czy infrastruktura. Wszystkie sektory gospodarki i przemysłu wymagają uprawnień do emisji liczonej w tonach CO2, które można nabyć np. na aukcjach organizowanych przez państwo. Łącznie około 11 000 instalacji i kilkuset operatorów transportu lotniczego w Europie podlega handlowi uprawnieniami.

motor-presee polska

ENERGETYKA W EUROPIE

W 2020 r. odnawialne źródła energii miały średnio 38-procentowy udział w produkcji energii elektrycznej w UE, a więc po raz pierwszy więcej niż elektrownie węglowe i gazowe. Według analizy firm konsultingowych Agora Energiewende i Ember przyczyny takiej sytuacji są różne.

Z jednej strony rozwojowi sprzyjał silny wzrost w dziedzinie energetyki słonecznej i wiatrowej. Z drugiej strony energetyka węglowa skurczyła się, ponieważ ceny certyfikatów emisyjnych znacznie wzrosły. W 2020 r. jedną piątą energii elektrycznej w UE wytwarzano z energii wiatrowej lub słonecznej. Co bardzo ważne, ich udział prawie się podwoił od 2015 roku.

Zobacz również: skoro o benzynie mowa, sprawdzamy, o ile bardziej paliwożerne od małych sprzętów są motocykle z silnikami o dużych pojemnościach oraz czy doładowanie, oprócz większej mocy, gwarantuje wir w zbiorniku paliwa.

Akumulatory i ładowarki
PRĄDU W BUTELCE NIE PRZYNIESIESZ

motor-presee polska

DZIŚ NAJWIĘKSZYM PROBLEMEM jest sposób „tankowania” pojazdów elektrycznych. Stacji ładowania nadal jest za mało.

Większość elektrycznych jednośladów to dziś motorowery i lekkie „125”. W takich pojazdach często akumulator można wyjąć, aby naładować go np. w domu. Motocykle z wbudowanymi akumulatorami zazwyczaj wymagają specjalnej ładowarki. Obecnie zaledwie czterech producentów oferuje jednoślady z napędem elektrycznym, które możesz prowadzić, mając prawo jazdy kategorii A. Są to BMW, Energica, Harley-Davidson i Zero.

Jedno z najczęściej zadawanych pytań: jak długo trwa ładowanie elektrycznego motocykla? Oto odpowiedź. Akumulator o pojemności 12 kWh (kilowatogodzin), ładowany za pomocą standardowej ładowarki podłączonej do sieci 230 V i mocy ładowania 1 kW na godzinę, będzie naładowany do pełna po 12 godzinach.

Standardowy wallbox, zamontowany na trzyfazowym przyłączu w domu, dostarcza maksymalną moc 11 kW. Ale motocykle Zero ładuje się z maksymalną mocą 6 kW przez wtyczkę typu 2 i zajmuje to tylko 1,5 godziny. Problem z szybkim ładowaniem polega na tym, że proces ten wymaga skomplikowanych i drogich technologii sterujących procesem.

Varta AG

DWA POMYSŁY, WSPÓLNY CEL. Nowy akumulator firmy CES i Varta można łatwo wyjąć i naładować poza pojazdem, na przykład w mieszkaniu. Tajwański producent skuterów Gogoro zainwestował w stacje wymiany baterii.

Mahle Gogoro

PRĄD CZY BENZYNA?

W Polsce funkcjonuje około 1630 ogólnie dostępnych stacji ładowania pojazdów elektrycznych (stan na koniec roku 2022), co oznacza, że do dyspozycji jest minimum 3178 punktów, bo każda stacja dysponuje co najmniej dwoma przyłączami (stan na 13 września 2021 r.). Dla porównania: w kraju nad Wisłą działa ponad 7700 stacji benzynowych, a każda z nich ma od kilku do kilkunastu dystrybutorów.'

TANKOWNIE PRĄDEM: SZYBCIEJ I WYDAJNIEJ

Niedawno Continental Engineering Services (CES) nawiązał współpracę z Vartą, firmą specjalizującą się w produkcji akumulatorów, której celem jest rozwój nowych technologii i produktów, umożliwiających niskostratne i długotrwałe magazynowanie energii. W ramach pierwszego projektu CES i Varta zaprezentowały wydajny akumulator o napięciu 48 V do napędu motocykli zasilanych silnikami o mocy 10 kW lub większej.

Wysokowydajne ogniwo litowo-jonowe V4Drive Varty można szybko ładować, jest ono odporne na niskie temperatury i ma niewielkie wymiary. Mocną stroną tego rozwiązania jest możliwość połączenia ze sobą i sterowania dowolną liczbą takich akumulatorów. Zasięg skutera można zatem szybko powiększyć z 50 do 100 kilometrów, jeśli pozwala na to miejsce pod kanapą czy system sterowania.

Niedawno Honda, KTM, Piaggio i Yamaha utworzyły kon­sorcjum na rzecz wzajemnie kompatybilnych baterii do motocykli i pojazdów elektrycznych. Celem konsorcjum jest wypracowanie standardu, który będzie finalnie stosowany w pojazdach tych czterech firm, ale będzie „zrozumiały” także dla pojazdów innych marek i, co więcej, stanie się normą w Europie.

TYLKO CZTERY MARKI NA ŚWIECIE OFERUJĄ MOTOCYKLE ELEKTRYCZNE NA PRAWO JAZDY KATEGORII A

Energica/Marcello Mannoni Energica Eva Ribelle RS

Zero Zero SR/S

BMW BMW CE 04

Harley-Davidson H-D LiveWire

Wszystkie te zabiegi mają na celu ujednolicenie standardów, co przełoży się na zmniejszenie kosztów produkcji pojazdów i rozbudowy infrastruktury oraz zwiększenie zasięgu, no i skrócenie czasu ładowania. Należy się zatem spodziewać, że do konsorcjum szybko przyłączą się inni producenci.

Ciekawym rozwiązaniem jest pomysł tajwańskiej firmy Gogoro, która wymyśliła i udoskonaliła system wymiany baterii. Właściciele elektrycznych skuterów tej marki mogą szybko i w łatwy sposób wymienić rozładowaną baterię na pełną, odwiedzając jeden z wielu rozsianych po ulicach banków baterii przypominających wyglądem paczkomat. Do tej pory system wymiany ma ponad 2100 punktów. Podobno korzysta z niego już ok. 400 000 właścicieli skuterów, którzy do tej pory 200 milionów razy wymienili akumulatory w swoich pojazdach.

ALTERNATYWNE ŹRÓDŁA ENERGII

Z jakich źródeł energii będziemy korzystać w przyszłości, skoro cały ruch drogowy powinien emitować mniej CO₂? Sceptycy wątpią, że świat z dnia na dzień zacznie funkcjonować bez silników spalinowych i paliw syntetycznych. Sedno polega na tym, że koszty produkcji elektryków są wciąż zbyt wysokie, infrastruktura zbyt uboga, a prąd nie bierze się znikąd. I choć elektromobilność jest dotowana miliardami euro, to e-paliwa są tak samo kosztowne, jak paliwa z kopalin.

shutterstock.com

PALIWA SYNTETYCZNE

Jakie są alternatywy dla ropy czy benzyny? Paliwa syntetyczne można wytwarzać z minimalnym wręcz udziałem CO₂, wykorzystując energię elektryczną, i stosować w silnikach spalinowych. Bo choć politycy jasno określili pojazdy elektryczne jako rozwiązanie idealne, to nie da się nimi zastąpić samolotów, statków czy tirów. Dziś takie pojazdy trudno zasilać energią elektryczną lub jest to wręcz niemożliwe.

Jeśli spadkowy trend sprzedaży samochodów spalinowych ma zostać zatrzymany, należy drastycznie ograniczyć emisję CO₂. Oznacza to, że do osiągnięcia docelowej redukcji CO₂ do 2030 r. potrzebne są całkiem nowe rozwiązania technologiczne. Paliwa syntetyczne to jeden z pomysłów na przyszłość. Są one bardzo obiecujące, ponieważ każdy procent więcej bio w zbiorniku zauważalnie obniża emisję CO₂. Tyle że na razie takie rozwiązania są zbyt drogie.

Dziś można wyróżnić dwa rodzaje paliw syntetycznych: wyprodukowane na bazie produktów organicznych, takich jak paliwa na bazie rzepaku, kukurydzy, olej palmowego czy odpadów, oraz produkowane przy użyciu energii elektrycznej z wody i CO₂. Oba typy mają zalety i wady.

Surowce do produkcji biopaliwa często konkurują z produkcją żywności, dlatego ten proces produkcyjny jest wycofywany. Natomiast produkcja wielu e-paliw bywa bardzo energochłonna, co sprawia, że wydajność tej metody spada. W przypadku energii elektrycznej wytworzonej w całości ze źródeł odnawialnych nie będzie to odgrywało już tak dużej roli, ale dziś nadal ma to znaczenie.

E-Fuel Today

BIOPALIWA NIE SĄ FIKCJĄ. Procesy do produkcji e-paliw zostały przetestowane na przykład w Aralu, więc mogą być stosowane na dużą skalę.

Aral Forschung

Przewiduje się, że za 10–15 lat bilans wydajności e-paliw powinien ulec znacznej poprawie. W tym celu muszą być one produkowane w krajach mających dostęp do dużej ilości energii uzyskiwanej z wiatru i słońca, w ogromnych zakładach, aby produkcja e-paliwa była ekonomicznie uzasadniona. Na przykład Porsche i Siemens chcą w Patagonii w Chile produkować około 55 milionów litrów paliwa rocznie, licząc od 2024 roku. Przy dużych zdolnościach produkcyjnych cena może spaść z obecnych 4,50 euro za litr do 2,30 euro do 2030 roku.

W 2020 r. powstało eFuel Alliance, w ramach którego 135 firm, w tym takie giganty branżowe, jak Neste, Sunfire, Esso, Siemens Energy, Iveco, Mazda, Bosch, Mahle, ElringKlinger, Webasto i ZF-Friedrichshafen, zrzeszyło się w celu promowania i rozwoju e-paliw.

Zobacz również: Oto nasz subiektywny przegląd motocykli używanych, którymi powinni zainteresować się wszyscy, dla których bardziej od mocy maksymalnej liczy się komfort jazdy. 

OGNIWO PALIWOWE: GENIALNY POMYSŁ, ALE...

Przez dziesięciolecia ogniwa paliwowe zasilane wodorem (F-Cell) były reklamowane jako możliwy następca silnika spalinowego i znak nadziei dla ochrony klimatu. Niestety, pomysł nie wypalił. F-Cell z jego filigranową konstrukcją nadal jest cholernie drogi, ponieważ musi być montowane ręcznie, i to w warunkach laboratoryjnych. Co najmniej równie problematyczne jest wytwarzanie wodoru (H₂), który obecnie nie jest ani tani, ani przyjazny dla środowiska. Produkcja H₂ drogą elektrolizy jest bardzo energochłonna, ponieważ potrzeba dużo energii elektrycznej. Tylko gdyby wodór można było wytwarzać z nadmiarem zielonej energii elektrycznej, ogniwo paliwowe byłoby alternatywą dla klasycznego silnika spalinowego.

W 2007 roku Suzuki zaprezentowało model Crosscage, prototyp motocykla napędzanego wodorem. Przez 12 lat Suzuki Burgman z ogniwem paliwowym pojawiał się w mediach, przypominając o tym rozwiązaniu. Honda i inni producenci również pracują nad motocyklem zasilanym F-Cell. Wodór ma jeszcze jedną przypadłość. Jego cząsteczka jest tak mała, że przenika przez ścianki zbiornika wykonanego z metalu. Gdy zbierze się ich więcej, odpowiednia proporcja może doprowadzić do wybuchu. Co nieco mogliby o tym powiedzieć projektanci sterowca Hindenburg.

SILNIKI MAJĄ JESZCZE SPORY POTENCJAŁ

Na horyzoncie widać już koniec ery silnika spalinowego napędzającego samochody. W przypadku motocykli tli się jeszcze płomyk nadziei. Warunek ich przetrwania jest prosty: silniki muszą być ekologiczne i zużywać jak najmniej paliwa. Nowoczesne jednostki napędowe mają pewien potencjał przy zachowaniu dotychczasowych osiągów.

motor-presee polska

Po wprowadzeniu normy Euro 5 często mogłeś przeczytać zdanie: w silniku obniżono tarcie wewnętrzne. Idea zmian była prosta: chodziło o to, by jak najmniej energii wytworzonej z paliwa ulatywało w postaci ciepła powstałego na skutek tarcia. Największy postęp w tym zakresie można uzyskać w układach: tłokowym, korbowym i rozrządu. Za pomocą specjalnych powłok i nowych materiałów można zmniejszyć tarcie w silniku. Czy to wystarczy? Oczywiście nie.

NAJSPRAWNIEJ W F1

Zabrzmi to zaskakująco, ale jednymi z najsprawniejszych spalinowców są silniki bolidów F1. Kluczem do ich sukcesu okazało się zastosowanie wstępnej komory spalania. Ta technologia ta jest od dziesięcioleci stosowana w silnikach gazowych. Idea, która się za tym kryje, jest zaskakująco prosta. W głowicy cylindra, w okolicy świecy zapłonowej, znajduje się niewielka przestrzeń, która stanowi 2–3% objętości komory sprężania i jest oddzielona od niej perforowaną przegrodą.

Podczas suwu sprężania mieszanka dostaje się do tej komory i jest zapalana przez świecę zapłonową. W efekcie iskra przeskakującej na elektrodach świecy zapala najpierw mieszankę w komorze wstępnej, a później płomień rozprzestrzenia się na pozostałą część komory spalania.
Zaletą tego rozwiązania jest to, że mieszanka może być bardzo uboga. To z kolei jest możliwe dzięki zastosowaniu bezpośredniego wtrysku paliwa do komory spalania. Dzięki niemu można bardzo precyzyjnie kontrolować skład mieszanki. To pozwala zrezygnować z dwóch świec w cylindrze, czego nie da się uniknąć w silnikach, w których ma on dużą średnicę.

Mahle Gogoro

ALE TO JUŻ BYŁO... Dzięki zapłonowi w komorze wstępnej można w kontrolowany sposób spalać bardzo ubogie mieszanki. To z kolei oszczędza paliwo bez utraty wydajności silnika.

Mahle Gogoro

KOMORA MAHLE

Niedawno firma Mahle opracowała MJI (Mahle Jet Ignition) – własne rozwiązanie z komorą wstępną. System ten wykorzystuje tylko jedną świecę zapłonową w komorze wstępnej, dzięki czemu uzyskuje się rozwiązanie łatwiejsze do wdrożenia z technicznego punktu widzenia. Żeby ten pomysł był nie tylko wydajny, ale i ekologiczny, wymagane jest zastosowanie skomplikowanych systemów oczyszczania spalin.

Wydawać by się mogło, że nie do podważenia jest założenie, iż ograniczenie obrotów w silniku wpływa na zmniejszenie zużycia paliwa. Otóż niekoniecznie. Dzięki odpowiednim paliwom i technologiom wzrost wydajności silników można osiągnąć znacznie łatwiej i bez uszczerbku dla wymagań klientów. A motocykliści lubią przecież dynamiczną jazdę.

Mahle Gogoro

KU OSZCZĘDNOŚCIOM. W łożyskach silnika pomiędzy pierścieniami tłokowymi a cylindrem występuje tarcie. Dzięki specjalnym powłokom obniżającym jego wartość spada ilość energii zmarnowanej podczas pracy.

JEST NADZIEJA!

Jak wyglądałby idealny silnik motocyklowy? „Połączyłbym w nim układ zapłonowy MJI i układ zmiennych faz rozrządu, aby uzyskać optymalną moc, wydajność i jak najniższą emisję. Byłaby to lekka konstrukcja szkieletowa z kompozytów z komponentami zoptymalizowanymi pod kątem tarcia. Paliwo? Tylko syntetyczne. Długotrwała zabawa gwarantowana” – opowiada Neil Fraser, szef działu rozwoju w Mahle Powertrain.

Oby jego słowa sprawdziły się, bo takie podejście daje szanse na długie istnienie silnika spalinowego przynajmniej w motocyklach.