Az elektrifikáció jövője

Miközben Németországban az állami támogatás megszűnésével visszaesőben van az értékesített elektromos autók száma, gőzerővel robog az átállás és a fejlesztés, ami elengedhetetlen ahhoz, hogy a ma még sokszor kényelmetlen technológia utolérje magát. A GyártásTrend online felületén mi is hírt adunk új technológiájú, extra gyorsan tölthető vagy éppen különösen nagy hatótávot biztosító akkumulátorfejlesztésekről, de ezek többnyire laboratóriumok egyedi termékei, kevésből lesz ipari méretben is alkalmazható produktum. Emellett a jelenleg 95 százalékos hatékonyságú elektromotorokat is lehet hatékonyabbá tenni, nem beszélve a belső égésűekről, amelyek akár a hidrogén alkalmazásának is potenciális mozgatórugói lehetnek a szakértők szerint. 

„Én hiszek az elektromos hajtásban, ez a technológia egészen biztosan meghatározó lesz a következő 10-20 évben és még azt követően is. Az Audinál például belső égésű motorokat gyártó sorokat szüntettek meg, ahol már villamos motorokat gyártanak. A hatékonysága folyamatosan nő ezeknek a megoldásoknak, az energiatárolás körüli kutatások igen nagy prioritást élveznek, az energiasűrűség nőni fog, megoldva a jelen problémáinak jelentős részét” – kezdi a beszélgetést Fodor Dénes, a Széchenyi István Egyetem Audi Hungaria Járműmérnöki Karának ipari és stratégiai dékánhelyettese, az e Mobilitás Központ tudományos vezetője. 

Már nem ilyen optimista Hanula Barna, a Széchenyi István Egyetem Járműhajtás Technológia Tanszékének docense, az Audi Hungaria Járműmérnöki Kar alapító dékánja, aki szerint a technológia éretlensége miatt elhamarkodott volt a gyors átállás sürgetése, a kapkodás miatt a szabályozás merev, nem alkalmazkodik az országok és a felhasználók igényeihez. Mindez véleménye szerint azt eredményezheti, hogy már néhány éven belül megtörténhet az autógyártók visszafordulása a belső égésű technológia felé, ami azzal is jár, hogy a jelenleg prosperáló kínai gyártók nagy része el fog tűnni a piacról. 

Abban viszont megegyeznek a szakértők, hogy a funkcionalitás a vízválasztó, azaz van helye az elektromobilitásnak, amely a leghatékonyabb alternatívája a városon belüli rövid autózásnak. Nagy távolságokra, nagy rakományok mozgatására azonban létezik hatékonyabb megoldás. Míg Hanula Barna szerint a buszok és teherautók hajtása hosszú távon inkább belső égésű, hidrogénhajtású motorokkal valósulhat meg, addig Fodor Dénes szerint ezen a területen is labdába rúghatnak az elektromos meghajtású járművek, amennyiben sikerül elérni az alapkritériumokat; a megfelelő energiasűrűségű akkumulátorokkal az 1000 kilométeres hatótávot és az ehhez kapcsolódó gyorsabb töltést lehetővé tevő infrastruktúrát. 

Hanula Barna, akinek kutatási területe a megújuló és alternatív energiák, valamint a hidrogén energetikai alkalmazása, hozzáteszi, hogy a különböző hajtások csak párhuzamosan tudnak működni, és a felhasználás határozza meg, hogy milyen területen mi az optimális megoldás. Míg egy személyautó a sűrű városi forgalomban 5 kW átlagteljesítményt használ, és esetleg 1-2 órát üzemel, addig egy traktor szántás közben 7/24-ben akár 200-400 kW teljesítményt igényel, így a napi energiafogyasztása többezerszerese is lehet egy autóénak, így nyilvánvaló, hogy más technológiát igényel. 

„Minél nagyobb egy jármű tömege, minél nagyobb teljesítményre van szükség, annál kevésbé érdemes akkumulátort használni” – összegzi a szakember. 

Jelenleg tipikusan 1,5 akkumulátoros busszal lehet kiváltani egy városi dízelt, teszi hozzá, hogy érzékeltesse a technológia aktuális határait. Nagy teljesítményigényű járművek esetében ezért a hidrogéntechnológiát tartja a jövő megoldásának. Ugyanis a töltés sokkal gyorsabb, és a járművek több műszakot is teljesíteni tudnak. „Ha zöld távolsági fuvarozásban gondolkodunk, akkor az már végképp a hidrogén terepe, minél nagyobb teljesítményre van szükség, annál inkább felmerül a tüzelőanyag-cella és a belső égésű motor is. A legnagyobb kamiongyártók gyakorlatilag készre fejlesztették mind az akkumulátoros, mind pedig a hidrogénhajtásokat, utóbbit mind tüzelőanyag-cellával, mind pedig belső égésű motorral is. 
A végső döntést a piac és az infrastruktúra kiépítése fogja megadni. 

Az elektrifikáció kapcsán Fodor Dénes megjegyzi, hogy a folyamat már elkezdődött, de nem lehet minden alkalmazást kiváltani ezzel a technológiával. Az átállás nem mindenhol azonos intenzitással tud megvalósulni, arra is van esély, hogy Európában is kitolódik a 2035-ös határidő, „lehet belőle még 2048 is”. Illetve fontos szempont, hogy az elmaradottabb régiókban, Afrikában, Dél-Amerikában a teljes átállás még lassabban mehet végbe. 

Zöld, vagy mégsem? 

Tény, hogy az akkumulátoros elektromos járművek sokkal hatékonyabban hasznosítják az energiát, mint belső égésű társaik. A villanymotor a 95 százalékos hatékonyságot is elérheti, míg a belső égésű technológia esetében 30 százalék is jónak számít, szögezi le Fodor Dénes. A szakember emellett bizakodó, úgy gondolja, hogy hamar el fogunk jutni oda, hogy környezetkímélő módon tudjuk megtermelni az üzemeltetéshez szükséges energiát. Hanula Barna viszont arra hívja fel a figyelmet, hogy jelenleg valódi zöldenergia nem létezik. A zöld elektromos autózás érdekében még sok feladatot kell megoldani. Fontos tényező az elektromos autók gyártásának lábnyoma is, de elsősorban az elektromos áram előállítását kell tovább zöldíteni. 

A napelemek és szélerőművek áramát csak akkor tudjuk hasznosan integrálni az elektromos hálózatba, ha megoldjuk annak tárolását. Az országok által megtermelt villamos energia szénlábnyomát például a https://app.electricitymaps.com/map címen lehet követni, ami megmutatja, hogy hány gramm szén-dioxid-kibocsátás társul az áram előállításához. Ebből látszik, hogy Németországban például közel tízszerese az elektromos áram szén-dioxid-intenzitása Franciaországhoz képest, pedig Európában Németország rendelkezik a legtöbb megújuló kapacitással. Mi is a probléma? Németország átlagos elektromosenergia-igénye 56 GW körüli. Mintegy 20 GW hagyományos erőműnek mindig üzemelnie kell az 50 Hz-es frekvencia biztosítása végett. Így átlagosan 36 GW megújuló energia „fér” be a rendszerbe. A napelemek és a szélerőművek összkapacitása pedig 150 GW feletti. Ezek kihasználásához számítások szerint mintegy 30 TWh tárolási kapacitás lenne szükséges. A jelenleg rendelkezésre álló német tárolási kapacitás ezzel szemben 0,04 TWh, azaz ennek a 750-szeresére lenne szükséges. Jól mutatja ezt a kihívást, hogy az Amerikában található legnagyobb akkumulátoros tároló mindössze 0,0016 TWh kapacitású – összegzi a szakember. 

A kínaiak már a garázsban állnak? 

A 2023-as év volt az első, amikor több autót adott el Kína az európai piacra, mint amennyit vásárolt. Az árakban verhetetlennek tűnik a kínálat. Mindössze 4 millió forintnak megfelelő összegbe kerül Kínában a BYD Seagull nevű mini villanyautó, míg a Xiaomi, a világ harmadik legnagyobb okostelefon-gyártója bemutatta első, teljesen elektromos autóját. Az SU7 ára alacsonyabb lesz, mint a Tesla Model 3-é, holott specifikációinak 90 százaléka felülmúlja a Tesla modelljét a gyártó szerint. A kínai siker több tényezőnek köszönhető, kérdés, hogy meddig tart ki a lendület. 

Motorfejlesztések, van még hová?

Az elektromotorok hatékonysága már eléri a 95 százalékot, ennek ellenére reneszánszukat élik a motorfejlesztések. Szinte minden jelentős szereplő; vállalat és egyetem valamilyen formában részt vesz a fejlesztésben, tesztelésben. Fodor Dénes a hagyományos belső égésű motorok felől közelít, ahol szintén vannak fejlesztések. A Mazda alkalmazta elsőként a dízel- és az Otto-motor előnyeit ötvöző Spark Controlled Compression Ignition (SPCCI) motort, amelynek amellett, hogy jobb üzemanyag-hatékonyságot lehet vele elérni, számtalan más előnye is van: például a károsanyag-kibocsátás terén. Ennek viszont ára van, a folyamat irányítása és kontrollálása jelenleg nagy kihívást jelent. Fontos szót ejteni a sokak szerint az elektrifikáció következő lépcsőjét jelentő szinkron reluktanciamotorokról (SynRM) is. Ilyen fejlesztések folynak többek között a Bosch laborjaiban is, amelyekről már mi is beszámoltunk korábban. Az állandó mágneses szinkronmotorokban sok ritkaföldfémre van szükség, míg az új technológia nem igényli ezeket. 

A Tesla Model 3 az IPMSynRM, azaz kapcsolt reluktanciamotort alkalmazza, amely integrálja a szinkron reluktancia- (SynRM) és az állandó mágneses szinkron- (PMSM) motor előnyeit, és lehetővé teszi, hogy egy jóval hatékonyabb hajtást adjon elektromos járműveinek alacsony és magas fordulatszámon is.

Akkumulátorcsata, még nem lefutott, hogy ki nyeri

Ahogy fentebb már szóba került, szinte naponta jelentenek be újabb és újabb szuperakkumulátort, ez nem véletlen, hiszen az akkupakk fontos alapköve a technológiának, és nagy szerepe van a penetráció bővülésében. Az elektromos autók akkumulátorai köztudottan nehezek és drágák. Fodor Dénes példaként említi, hogy egy Audi Q8 e-tronban több mint 700 kg csak az akkumulátor, és egy új autó árának 40-50 százalékát teszi ki. Az új akkumulátorok – egyelőre főleg laborkörülmények között – egyre gyorsabban töltenek, vagy éppen nagyobb energiasűrűséggel bírnak. Ez a két tényező számít, illetve a melegedés, ami a nagyobb biztonságot garantálhatja a szakemberek szerint. Fodor Dénes ezen a területen is fontosnak tartja, hogy különböztessük meg a felhasználás célját. Hiszen az energiasűrűség nem mindegy a hatótávnövelésért vívott versenyben. A jelenleg alkalmazott drága Li-ion-alapú akkumulátorok alternatívái lehetnek a szilárdtest-akkumulátorok, amelyek energiasűrűsége elég nagynak mondható az elektromos járművekhez. Nem melegszik túl, és az élettartama is hosszabb, a szilárd elektrolit is elérhető, viszont a gyártási technológia bonyolultabb, ami költségesebbé teszi ezt a változatot. 

A másik potenciális fejlesztés, a nátriumion-cellás verzió előállítása kétségtelenül a legköltséghatékonyabb, hiszen nátrium bőségesen rendelkezésre áll a földkéregben, sőt kitermelése környezeti terhelés szempontjából is a leginkább elfogadható. És ami a felhasználását még inkább segítheti, hogy egyáltalán nem melegszik, ami a biztonság szempontjából nyerő. Viszont hátránya, hogy energiasűrűsége jóval gyengébb, mint a Li-ion-változaté. A jelenleg is folyó kutatások célja, hogy ezt növelni tudják, a hatótáv miatt ez a pont ma különösen kritikus, amíg nem történik meg az áttörés, potenciális kiegészítői lehetnek a jelenleg alkalmazott technológiának – foglalja össze a szakember. 
Mindemellett az akkumulátorok újrahasznosítása még megoldandó feladat a hatalmas mennyiségben előállított Li-ion-akkumulátorok esetében. Hanula Barna szerint a gyáraknak még mindig olcsóbb a frissen bányászott alapanyagot vásárolni, mert az újrahasznosított drágábban érhető el a jelenlegi technológiai feltételek mellett. 

Fejlesztések, amelyekre az ipar is figyel

A Széchenyi István Egyetem e Mobilitás Központjában kiemelt érdeklődés kíséri az alternatív meghajtású elektromos járművek fejlesztését és tesztelését. A fékpadi vizsgálatok mellett az alternatív járműhajtáshoz szorosan kapcsolódó tématerületekkel is foglalkoznak, az akkumulátorok esetében állapotmonitorozással, paraméterek mérésével. Az akkumulátorok digitális ikerpárjának tesztelésével becslő algoritmusokat állítanak fel, amelyek az akkumulátor, a töltés állapotát igyekeznek megjósolni a prediktív karbantartáshoz kapcsolódóan. Fontos területe a kutatásoknak a teljesítményelektronika, amely a jármű különböző szolgáltatásai mellett a hajtáshoz szükséges energia átalakításáért is felel. A Bosch és az Audi együttműködésével pedig több olyan k+f-projekt is zajlik az egyetemen, amely az ipar számára különösen aktuális problémák megoldására fókuszál.

Szerző: Myat Kornél