Gęstość energii w samochodach elektrycznych. Co to właściwie jest?

Samochód elektryczny potrzebuje energii

Gęstość energii to dość złożony temat, który należy zacząć od podstaw. Samochód elektryczny do swojej pracy potrzebuje źródła energii, co chyba jest jasne dla każdego. Źródłem tym jest akumulator trakcyjny, który ze względu na swoją masę jest umieszczony możliwie najniżej. Zwykle ma plan prostokąta i wysokość od 10 do 20 centymetrów. Zamontowanie czegoś takiego w pojeździe nie jest łatwe i wymaga pewnych kompromisów.

Jest to również powód, dla którego wciąż mamy bardzo niewiele w pełni elektrycznych samochodów kombi. Do tego koncerny samochodowe mogą zrobić wszystko, aby zaoferować nam elektryczne SUV-y, w których akumulator można w jakiś sposób lepiej zgubić w podłodze pojazdu, bo nie ogranicza tak dużej przestrzeni dla załogi.

Dziś samochody elektryczne nie mają problemu z przejechaniem na jednym ładowaniu akumulatora 400 kilometrów, a w przypadku tych z naprawdę dużymi akumulatorami mówimy o 500-600 kilometrach. Teraz dochodzimy jednak do rozmiarów i wagi całego źródła energii w samochodach elektrycznych. A to jest to ściśle powiązane z gęstością energii, która w przypadku akumulatorów nie jest jeszcze zbyt wysoka.

Gęstość energii samochodów elektrycznych nie jest nadzwyczajna

Gęstość energii w samochodach elektrycznych to miara ilości energii, którą można przechowywać w akumulatorze w przeliczeniu na jednostkę masy (gęstość energii wagowej) lub jednostkę objętości (gęstość energii objętościowej). Jest to kluczowy wskaźnik wpływający na zasięg pojazdu i jego wydajność.

• Gęstość energii wagowa (Wh/kg): mierzy, ile energii można przechować na kilogram masy akumulatora.
• Gęstość energii objętościowa (Wh/l): mierzy, ile energii można przechować na litr objętości akumulatora.

Krótko mówiąc, wyższa gęstość energii w samochodach elektrycznych oznacza, że pojazd może przejechać dłuższy dystans na jednym ładowaniu lub korzystać z mniejszych, lżejszych baterii o tej samej pojemności, co pomaga w osiągnięciu lepszych osiągów i efektywności energetycznej.

Pokażmy to najlepiej na konkretnym przykładzie:

• Bateria LiFePO4 (używana na przykład przez Teslę) ma gęstość energii 330 Wh/l (watogodzin na litr);
• Akumulator litowo-jonowy (prawdopodobnie najpopularniejszy obecnie w samochodach elektrycznych) ma gęstość energii 270 Wh/l;
• Najnowocześniejsze akumulatory obiecane przez firmę CATL powinny charakteryzować się gęstością energii na poziomie około 500 Wh/l;
• Benzyna ma gęstość energii 8600 Wh/l;
• Diesel ma gęstość energii 9780 Wh/l.

Jak widać w litrze pojemności akumulatora jest nieproporcjonalnie mniej energii niż w litrze paliwa konwencjonalnego. Aby być uczciwym, musimy też napisać o wydajności silników. Tutaj silnik elektryczny ma bowiem znaczącą przewagę. Jego efektywność w przetwarzaniu energii z akumulatora na pracę mechaniczną wynosi około 90%. Jest to absolutnie doskonała wartość. Wynik samochodów spalinowych jest znacznie gorszy – zazwyczaj około 30%.

ZOBACZ RÓWNIEŻ: Baterie LFP. Wady, zalety, opinie. Co warto o nich wiedzieć?

Porównanie gęstości energii samochodu elektrycznego i spalinowego

Porównajmy więc samochód elektryczny ze zwykłym samochodem benzynowym. Bateria Tesli Model 3 ma wymiary 217 x 147 x 10 cm. Pomijając opakowanie i chłodzenie, zakładamy, że cały ten wolumen jest energooszczędny. Pojemność akumulatora wynosi zatem 319 litrów.

Jeżeli jest to akumulator LiFePO4 to w tej objętości jesteśmy w stanie zgromadzić około 105 kWh energii elektrycznej. Silnik elektryczny ma sprawność wspomnianych 90%, co oznacza, że ​​mamy 94,5 kWh energii użytkowej, nie licząc bufora. Przy zużyciu na poziomie 15 kWh/100 km, co jest ambitną, ale realną wartością, takim samochodem jesteśmy w stanie przejechać 630 kilometrów.

Gdybyśmy przechowywali benzynę w tej samej objętości, mielibyśmy zbiornik o pojemności 319 litrów. W pełnym zbiorniku ukryte będzie 2743 kWh energii. Przy sprawności silnika spalinowego, która wynosi 30%, mamy 823 kWh, a więc wciąż ponad trzykrotnie więcej niż w przypadku akumulatora LiFePO4.

Jeśli chodzi o zasięg, możecie sami obliczyć, jaki dystans przejedziecie na 319 litrach paliwa. Nawet stosunkowo mało oszczędnym samochodem, który spala 7 litrów na 100 kilometrów przejechanych kilometrów, na takiej ilości benzyny można by przejechać 4557 kilometrów, czyli ponad 7-krotnie więcej niż bardzo wydajną Teslą.

Jaka jest przyszłość gęstości energii w samochodach elektrycznych?

Celem artykułu nie jest walka z elektromobilnością. Wręcz przeciwnie, powinien to być swego rodzaju oświecenie i wyjaśnienie, jak trudno jest skonstruować samochód elektryczny o solidnym zasięgu. Oprócz dużej wagi akumulatorów projektanci muszą zmierzyć się także z ich objętością. Nic więc dziwnego, że od lat poszukuje się nowych rozwiązań. Do najpopularniejszych pomysłów należą w ostatnim czasie:

• Akumulatory półprzewodnikowe. Mają potencjał zapewnić dwukrotnie wyższą gęstość energii niż obecne litowo-jonowe. Oprócz tego oferują większe bezpieczeństwo i krótszy czas ładowania.
• Materiały katodowe nowej generacji. Wprowadzenie siarczku litowo-żelazowego lub innych zaawansowanych materiałów może zwiększyć gęstość energii i obniżyć koszty.
• Anody krzemowe. Krzem ma większą pojemność magazynowania ładunku niż grafit, co czyni go potencjalnie lepszym materiałem do produkcji anod.
• Technologie hybrydowe. Łączenie różnych technologii, np. superkondensatorów z bateriami półprzewodnikowymi, może skutkować szybszym ładowaniem i większą efektywnością.

Gęstość energii jest jednym z kluczowych parametrów wpływających na wydajność i rozwój samochodów elektrycznych. Postęp technologiczny w dziedzinie akumulatorów pozwolił na osiągnięcie dużych zasięgów, ale aby zaspokoić rosnące zapotrzebowanie i oczekiwania, po prostu niezbędne są dalsze innowacje.