[eMIT] Elektryki nie nadają się do jazdy zimą ? wyjaśniamy

Kiedy przychodzi pierwsze mocne ochłodzenie w sezonie zimowym, w mediach pojawia się zwykle wysyp informacji o problemach z samochodami elektrycznymi. Najczęściej na cenzurowanym jest zasięg pojazdu elektrycznego, który ?dramatycznie? spada nawet o połowę, co kwestionuje zasadność posiadania takiego pojazdu. Jak jest naprawdę? Postaramy się to wyjaśnić. 

Mit: 

Elektryki nie nadają się do jazdy w warunkach zimowych. Zasięg samochodów elektrycznych w sezonie zimowym spada o połowę, a utknięcie w korku podczas mrozów grozi zamarznięciem. 

Prawda:

• Wraz ze spadkiem temperatury zmniejsza się użyteczna pojemność obecnie stosowanych baterii litowo-jonowych, co przekłada się na mniejsze zasięgi. W temperaturze -20 ? spadek pojemności może sięgać nawet 30%. Zjawisko to można jednak znacznie ograniczyć odpowiednio przygotowując baterię przed rozpoczęciem jazdy. Jednocześnie trzeba pamiętać, że spadek zasięgu nie dotyczy tylko samochodów elektrycznych, w zimie spada nieco zasięg także samochodów spalinowych, ponieważ występuje większe zużycie paliwa na osiągnięcie przez silnik temperatury roboczej.

• Na horyzoncie pojawia się jednak już nowa technologia bateryjna, w której lit zastąpiony jest sodem. Baterie sodowo-jonowe (Na-Io) są dużo mniej wrażliwe na spadki temperatury, więc różnice w zasięgu w różnych porach roku praktycznie nie będą występować. 

• Kilkugodzinny postój elektrykiem w korku podczas siarczystych mrozów nie grozi nam zamarznięciem pod warunkiem, że w akumulatorze zostało nam nieco energii. To samo dotyczy także pojazdów spalinowych ? z pustym bakiem także będziemy marznąć.

Technologia budowy baterii a ich pojemność w bardzo niskich temperaturach

Obecnie najczęściej stosowane w pojazdach elektrycznych baterie to rozwiązanie litowo-jonowe, znane z innych urządzeń elektronicznych (smartfony, laptopy). To technologia zapewniająca obecnie największą ?gęstość? energii, sięgającą 0,35 kW/kg. Im większa gęstość energii, tym mniejszy i lżejszy jest akumulator ? więc producenci wybrali to właśnie rozwiązanie. Technologia ta nie jest jednak pozbawiona wad. Jedną z nich jest fakt, że optymalne warunki przechowywania oraz przyjmowania i oddawania energii elektrycznej zapewnione są w określonym przedziale temperatur, tj. od ok. 15 do 35 °C. Poniżej i powyżej tych wartości procesy w ogniwach, z których zbudowany jest akumulator są dużo mniej efektywne. W rezultacie nie jesteśmy w stanie pobrać z takiego akumulatora całej zmagazynowanej energii. W temperaturze -20 °C, spadek pojemności użytecznej baterii trakcyjnej Li-IO spada nawet o 30%. Co to oznacza? 

Jeżeli nasza bateria ma pojemność netto 60 kWh, co pozwala na przejechanie ok. 300 km w optymalnych warunkach, to przy temperaturze -20 °C jej użyteczna pojemność spada do ok. 40k Wh, a zasięg do 200 km. Różnica jest zatem znaczna. Warto jednak przypomnieć, że podobne problemy spotykają także użytkowników pojazdów spalinowych wyposażonych w akumulatory kwasowo-ołowiowe. W tym przypadku spadek temperatury powoduje podobne zjawisko i widok uruchamianych ?z kabla? samochodów podczas pierwszych większych mrozów nie jest rzadkością.

Czy zatem musimy się pogodzić ze znaczną utratą zasięgu podczas mrozów? To zależy od tego, jaki samochód elektryczny posiadamy. Bardzo popularny w naszym kraju Nissan Leaf jest szczególnie wrażliwy na spadki temperatury. Dlaczego? Ponieważ w tym modelu zastosowano bardzo konserwatywne zarządzanie temperaturą baterii. Co prawda przy spadku temperatury do kilkunastu stopni poniżej zera automatycznie włącza się grzałka, ale dość szybko jest automatycznie wyłączana, zanim bateria osiągnie optymalną temperaturę pracy. Co gorsze, grzałka się nie włączy, jeśli nasz akumulator nie jest naładowany min. w 30%. W połączeniu z małą pojemnością baterii trakcyjnej pierwszej generacji Leafa (24 kWh) stwarza to realne problemy eksploatacji w warunkach zimowych.

W przypadku pojazdów elektrycznych nowszej generacji sytuacja jest już dużo lepsza. Aktywne systemy zarządzania temperaturą baterii (ang. TMS ? Thermal Management System) w połączeniu z pompą ciepła pozwalają znacznie ograniczyć wpływ ujemnych temperatur na zasięg pojazdu. Po pierwsze, pozwalają na wcześniejsze ?przygotowanie? baterii do jazdy. Jeżeli zwykle wyjeżdżamy z domu np. o godz. 7:00, możemy w systemie pojazdu zaprogramować wcześniejsze podgrzanie baterii. Dzięki temu wsiadając do samochodu mamy już baterię pracującą w optymalnych warunkach. Z kolei dzięki pompie ciepła zużycie energii na podgrzanie baterii jest znacznie mniejsze niż w przypadku tradycyjnej grzałki. Jeżeli więc nie mamy własnego, ogrzewanego miejsca postojowego w garażu indywidualnym czy podziemnym i nasz elektryk będzie parkował na zewnątrz, warto wybrać wersję z pompą ciepła i opcją programowania wcześniejszego podgrzania baterii. Dzięki temu spadek zasięgu w sezonie zimowym będzie znacznie mniejszy, sięgający 5-10%.

Nowe technologie zniwelują problem zimowych spadków zasięgu

Problem spadku pojemności wraz ze spadkiem temperatury od lat spędza sen z powiek projektantów i konstruktorów ogniw. Konieczność zastosowania pompy ciepła i zaawansowanego systemu zarządzania temperaturą akumulatora ma wpływ na cenę pojazdu. Dlatego też poszukiwania rozwiązań pozbawionych tej wady ogniw LI-IO trwają. Najbardziej obiecujące rozwiązania finalizuje właśnie chiński producent ogniw CATL. Rozwija on nową technologię ogniw, w której lit zastąpiony jest innym metalem ? sodem. Ogniwa Na-Io mają ogromną przewagę na ogniwami Li-Io właśnie pod względem dużo mniejszej podatności na niskie temperatury. Nawet przy -20 °C efektywny spadek pojemności ogniwa Na-Io sięga zaledwie kilku procent. Masowe zastosowanie takich ogniw rozwiązałoby problem niskich temperatur i spadków zasięgu samochodów elektrycznych w sezonie zimowym. Ale dużo niższa podatność na niskie temperatury ogniwa Na-Io okupiona jest niższą gęstością energii ? CATL obecnie dysponuje rozwiązaniami pozwalającymi na osiągnięcie gęstość energii na poziomie 0,16 kWh/kg, czyli ponad połowę mniej niż w przypadku ogniw Li-Io. Oznacza to, że aby uzyskać taką samą pojemność baterii, musi ona być ponad dwukrotnie cięższa od bateriii Li-Io, co przy i tak dużej masie samochodu elektrycznego nie jest najlepszym rozwiązaniem. Firma CATL nadal jednak intensywnie rozwija tę technologię i deklaruje, że w 2023 r. rozpocznie masową produkcję ogniw sodowych Na-Io o gęstości przekraczającej 0,2 kWh/kg, czyli o 40% mniej niż najbardziej ?gęste? ogniwa Li-Io. W połączeniu z możliwością dużej mocy ładowania takiego ogniwa, stabilnością w wysokich temperaturach oraz zastosowaniem znacznie tańszego i bardziej powszechnego sodu, ogniwa Na-Io mogą z powodzeniem zastąpić ogniwa Li-Io, zwłaszcza w regionach gdzie niskie temperatury panują przez znaczną część roku. Być może nowe ogniwa Na-Io będą produkowane w rozbudowywanych obecnie zakładach CATL zlokalizowanych niedaleko Debreczyna na Węgrzech.

W zimowym korku zamarznę w elektryku

Tu musimy się przyjrzeć jak działa system ogrzewania. W starszych modelach elektryków ogrzewanie jest oparte na tradycyjnej grzałce i nadmuchu powietrza z nagrzewnicy do kabiny. Grzałka, jak powszechnie wiadomo, nie jest najbardziej efektywnym energetycznie rozwiązaniem. Aby osiągnąć i utrzymać w kabinie temperaturę ok. 20 °C moc grzałki powinna wynosić 2-3 kW. Co to oznacza? Godzina postoju z włączoną grzałką, nagrzewnicą i wentylatorem uszczupli zapas naszej energii w akumulatorze o ok. 3 kWh. Czyli jeżeli w korku utkniemy elektrykiem o pojemności baterii 60 kWh netto w czasie, kiedy pozostała nam tylko połowa energii, czyli 30 kWh, to wystarczy nam jej na ogrzewanie kabiny przez ok. 10 godzin. 

Jeżeli mamy nowszy model elektryka, wyposażonego w dużo bardziej wydajną i oszczędną pompę ciepła, wydatek energetyczny będzie dużo niższy i sięgnie 1-1,5 kWh. W tej samej sytuacji (30 kWh do dyspozycji) będziemy w stanie utrzymać temperaturę w kabinie przez co najmniej 20 godzin. To kolejny argument za tym, aby wybierać modele wyposażone w pompę ciepła, jeżeli samochód użytkujemy również w sezonie zimowym, kiedy panują temperatury poniżej zera.A jak to wygląda w samochodach spalinowych? Ogrzewanie w tym wypadku działa jedynie przy uruchomionym silniku. Zużycie paliwa na biegu jałowym wynosi średnio ok 1,5 litra na godzinę. Przeciętna pojemność baku paliwa to ok. 50 litrów, więc założenie będzie takie samo jak dla elektryka ? stajemy w korku z połową baku czyli z 25 litrami. Ogrzewając kabinę, czyli utrzymując silnik na biegu jałowym, zużyjemy 1,5 l paliwa na godzinę, co pozwoli nam na utrzymanie temperatury do przeżycia przez ok. 17 godzin. Jest to więc czas porównywalny do elektryka. Co ważne, zużycie paliwa w samochodzie spalinowym będzie takie samo niezależnie od temperatury ustawionej w kabinie. Silnik spalinowy po prostu cały czas pracuje w tym samym trybie. W elektryku jest inaczej ? regulacja temperatury w kabinie ma wpływ na zużycie energii, zmniejszając ją o kilka stopni wydłużymy możliwy czas ogrzewania o kilka godzin. 

Mit o szybkim wyczerpywaniu się energii w elektryku stojącym w korku podczas mrozów jest faktycznie mitem, gdyż czasy podtrzymania temperatury w kabinie w samochodzie elektrycznym i spalinowym są bardzo zbliżone, a przy pompie ciepła elektryk wypada korzystniej. Pomijamy tutaj fakt, że długi czas pracy silnika spalinowego na biegu jałowym nie jest korzystny dla jego trwałości z uwagi na trudniejsze odprowadzanie ciepła. W przypadku pojazdu elektrycznego takiego zagrożenia nie ma.

Źródła:

https://www.nextbigfuture.com/2022/10/catl-will-mass-produce-sodium-ion-batteries-in-2023.html

https://www.fors-online.org.uk/cms/wp-content/uploads/2016/03/TR127428-02.Procurement-Guide_CR1.pdf