Samochody z silnikami hybrydowymi spopularyzowali Japończycy. W szczególności Toyota i choć model Toyota Prius produkowany od końca 1997 roku istotnie jest pierwszym, produkowanym masowo autem z napędem hybrydowym, to hybrydy istniały już znacznie, znacznie wcześniej. Obecnie na rynku znajdziemy wiele różnych rodzajów napędów określanych tym mianem. Uporządkujmy sobie ten galimatias. Odpowiedzmy też sobie na pytanie, czy hybrydy mają sens, kiedy i dla kogo mogą być dobrym wyborem, póki ten wybór jeszcze mamy.
Hybryda hybrydzie nierówna
Generalna zasada pracy napędu hybrydowego jest oczywista. W pojeździe korzystającym z takiego napędu mamy na pewno więcej niż jeden silnik. Tylko tyle i aż tyle. Z faktu tego wynikają pewne konsekwencje, mają ostateczne przełożenie na cenę produktu. Samochody hybrydowe w konkretnej gamie są zazwyczaj droższe od tego samego modelu, ale wyposażonego wyłącznie w jeden silnik. Często podnosi się, że cena hybryd jest wyższa bo akumulatory są drogie, a przecież silnik elektryczny wymaga akumulatorów. Jednak takie postawienie sprawy zabiera nam sprzed oczu inny oczywisty fakt. Każda hybryda to co najmniej dwa silniki. “Zwykłemu” autu spalinowemu wystarczy jeden motor. Co wyjdzie taniej w produkcji? To oczywiście retoryczne pytanie.
Hybrydy równoległe – czyli “zwykłe” hybrydy
Najpopularniejszym obecnie na drogach rodzajem samochodów hybrydowych są auta z tzw. równoległym napędem hybrydowym. W takim samochodzie silnik elektryczny pracuje równolegle z silnikiem spalinowym by dostarczyć odpowiedniej mocy na koła. Naturalnie to pewne uproszczenie, bo w samochodzie hybrydowym mogą wystąpić sytuacje, kiedy auto jest napędzane wyłącznie silnikiem spalinowym, jak też wyłącznie silnikiem elektrycznym. Niemniej w zwykłej hybrydzie cały układ pracuje bez dopływu energii z zewnątrz. Takich hybryd się nie ładuje z gniazdka. Akumulator roboczy silnika elektrycznego jest automatycznie ładowany podczas wielu sytuacji drogowych pozwalających na przetworzenie energii kinetycznej pojazdu w energię, która trafi do akumulatora. Tak, mowa o rekuperacji – w trakcie np. hamowania czy zjazdu z górki silnik elektryczny pojazdu hybrydowego działa jak prądnica – wytwarza prąd, który trafia do akumulatora litowo-jonowego zasilającego zespół elektryczny, a często też elektronikę i funkcje komfortowe pojazdu. Na przykład Toyota zastosowała w swoich samochodach rozwiązanie polegające wykorzystaniu silnika spalinowego pracującego w zmodyfikowanym cyklu Atkinsona, który jest wspomagany przez silnik elektryczny, oba przekazują siłę za pośrednictwem opracowanej specjalnie pod kątem hybrydowego napędu przekładnię planetarną. Charakterystyczną cechą silników spalinowych pracujących w cyklu Atkinsona, w stosunku do powszechnie stosowanych “zwykłych czterosuwów”, czyli silników pracujących w cyklu Otto, jest mniejsze zużycie paliwa, niższa emisja spalin, ale też mniejsza moc (szczególnie na niskich obrotach) na jednostkę pojemności skokowej silnika. Ten niedostatek mocy silnika Atkinsona rekompensowany jest właśnie przez moc dostarczaną z silnika elektrycznego, który – jak wiemy – nie emituje w ogóle spalin. Toyota w rzeczywistości nie buduje silników Atkinsona (dlatego w materiałach tego producenta mowa o “zmodyfikowanym cyklu Atkinsona). W rzeczywistości silniki spalinowe to zwykłe czterosuwy, w których suw sprężania jest krótszy od suwu pracy. Zamiast komplikacji konstrukcyjnych, których wymagałby faktycznie silnik skonstruowany jako motor pracujący w cyklu Atkinsona, uzyskano zalety tego cyklu pracy korzystając z opóźnienia zamknięcia zaworu ssącego, czy zmiennych faz rozrządu. Wady – czyli niższą moc wynikającą z takiego cyklu pracy rekompensuje motor elektryczny, a zalety: niższe spalanie i mniejsza emisja spalin – pozostają. Ekologiczny napęd? Do tej kwestii jeszcze wrócimy.
Miękkie hybrydy
Kolejną grupę samochodów hybrydowych, ostatnio coraz popularniejszą, stanowią tzw. miękkie hybrydy (Mild Hybrid, Ligh Hybrid lub Micro Hybrid). W tym przypadku mamy do czynienia z samochodami, w których niewielki akumulator współpracujący z niewielkim silnikiem elektrycznym ma za zadanie wyłącznie wspomagać jednostkę spalinową, która stanowi główne źródło mocy napędowej takiego pojazdu. Miękkie hybrydy mogą dysponować nieznacznie (kilka kW więcej) większą mocą podczas ruszania, kiedy to niewielki motor elektryczny wspomaga silnik spalinowy swoim momentem obrotowym dostępnym od zera. Kolejnym zadaniem elektrycznej jednostki w miękkich hybrydach jest bardziej efektywne zarządzanie zużyciem energii i obniżeniem spalania paliwa np. podczas spokojnej jazdy czy “żeglowania” W miękkich hybrydach nie ma możliwości ładowania akumulatora z gniazdka, niewielka bateria układu elektrycznego ładowana jest za pomocą rekuperacji (hamowanie, grawitacja itp.). Praktyczny zysk mocy miękkiej hybrydy nad czysto spalinowym odpowiednikiem (czyli samochodzie z takim samym silnikiem spalinowym, ale bez układu miękko-hybrydowego) jest iluzoryczny. W praktyce nieodczuwalny dla kierowcy. Ale producent w procedurze homologacji może pochwalić się niższym wskaźnikiem emisji i mieścić się w limicie coraz to bardziej zaostrzanych norm emisyjnych. Również zużycie paliwa w miękkiej hybrydzie jest niższe w zasadzie w teorii – wiele tu zależy od naszego sposobu jazdy. Spokojnie jeżdżący kierowca (często korzystający np. żeglowania) może zauważyć niższe spalanie o te 0,5 l/100 km. Niemiej tacy kierowcy i tak zużyją niewiele paliwa, w przeciwieństwie do tych lubiących dynamiczną jazdę, którzy ewentualnych korzyści z zużycia paliwa w miękkiej hybrydzie raczej nie zaobserwują.
Hybrydy plug-in
Kolejną kategorię samochodów z napędem hybrydowym stanowią bardzo łatwe do odróżnienia od pozostałych typów hybryd samochody typu PHEV (Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Hybrydy plug-in mają gniazdka, umożliwiające ładowanie sporego (zazwyczaj ok. 10 kWh pojemności) akumulatora roboczego silnika elektrycznego z zewnętrznego źródła (domowego gniazdka, wallboksa, stacji ładowania etc.). Zasada działania jest tu podobna do zwykłych hybryd (równoległych), czyli jednostka spalinowa i elektryczna pracują synergicznie optymalizując zużycie paliwa i moc zależnie od zapotrzebowania kierowcy. Przewagą hybryd plug-in nad pozostałymi typami jest to, że samochody te mogą kilkadziesiąt kilometrów pokonać bez udziału silnika spalinowego, czyli całkowicie bezemisyjnie. W kontekście planowanych w wielu miastach stref bezemisyjnych to na pewno zaleta, szkoda tylko, że w Polsce ustawodawca zrównał hybrydy plug-in z pozostałymi hybrydami i autami spalinowymi. Tymczasem w trybie jazdy wyłącznie elektrycznej hybrydy plug-in nie różnią się absolutnie niczym od pojazdów wyłącznie elektrycznych. Oczywiście hybrydy plug-in są sporo droższe od swoich spalinowych odpowiedników. Żeby nie być gołosłownym – widoczny na powyższej fotografii, testowany przez nas Renault Captur E-Tech 160 Plug-in Hybrid, kosztuje ok. 30 tys. zł więcej od czysto spalinowego odpowiednika o porównywalnej mocy i zbliżonym poziomie wyposażenia. Jeżeli nie chcesz/nie masz jak ładować codziennie (np. we własnym domu, garażu) hybrydy plug-in tanim domowym prądem i nie zamierzasz korzystać z jazdy zeroemisyjnej zakup hybrydy plug-in jest pozbawiony sensu.
Hybrydy szeregowe, czyli elektryki z range extenderem
Ostatnią grupę hybryd stanowią auta, które są de facto hybrydami szeregowymi, ale częściej nazywa się je po prostu samochodami elektrycznymi wyposażonymi w spalinowy generator, tzw. range extender. Główne skrzypce gra w takim samochodzie motor elektryczny, to on odpowiada za generowanie mocy kierowanej na koła. Rola zazwyczaj bardzo małego silnika spalinowego w takim aucie jest marginalna: sprowadza się wyłącznie do generowania prądu przekazywanego do akumulatorów, które z kolei zasilają główny napęd elektryczny. Mamy w tym przypadku zatem do czynienia z samochodem elektrycznym, który jednakże nie naraża swojego właściciela na stres związany z ograniczonym zasięgiem i odległościami do ładowarek. W każdym momencie kierowca może posiłkować się energią generowaną przez silnik spalinowy wydłużający zasięg takiego “elektryka”. Co do zasady autem takim należy się poruszać tak jak zwykłym elektrykiem, ładując go prądem ze źródeł zewnętrznych (najtaniej wyjdzie domowe źródło, wallbox). Spalinowy generator to opcja awaryjna. Posiadacze takich aut niestety nie mogą korzystać z przywilejów właściwych pojazdom elektrycznym (darmowe parkowanie w publicznych strefach płatnego parkowania, jazda po buspasach itp.), gdyż ustawodawca traktuje je jak zwykłe hybrydy i auta spalinowe.
Co ciekawe pierwsze w historii motoryzacji auto hybrydowe, wehikuł Lohner-Porsche skonstruowany przez Ferdynanda Porsche (tak – TEGO Ferdynanda Porsche) na początku XX wieku był właśnie hybrydą szeregową. Auto było napędzane przez dwa lub cztery (zależnie od wersji) motory elektryczne zasilane z akumulatorów, których pracę wspomagał silnik spalinowy je ładujący. Jak wiemy auto się nie przyjęło, a kierunek rozwoju motoryzacji ostatecznie określił spalinowy, masowo produkowany Ford T – na długo związaliśmy się z ropą naftową. Dlaczego?
Szczypta fizyki – gęstość energii
Akumulatory są ciężkie. To fakt. Jednocześnie jako rezerwuar energii wciąż wypadają blado w stosunku do paliw kopalnych. Ropa naftowa, wciąż podstawowe źródło energii naszej cywilizacji (a szczególnie transportu) to znakomity, efektywny, stosunkowo łatwy w produkcji, bardzo łatwy w transporcie rezerwuar energii chemicznej. Gdy spojrzymy na wartości opałowe litr benzyny pozwala uzyskać 10 kWh energii, litr oleju napędowego ciut więcej, ok. 11 kWh. Gęstość paliw jest niższa od gęstości wody (dla której 1 l = 1 kg), zatem gdy przeliczymy ilość energii na kilogram paliwa to wartości dla benzyny i ropy się zrównują (olej napędowy jest cięższy do benzyny, choć oba wciąż lżejsze od wody). 1 litr benzyny waży ok. 760 gram (w normalnej temperaturze, przy ciśnieniu atmosferycznym), oleju napędowego – ok. 840 gram. Zatem z kilograma paliwa (zarówno benzyny jak i oleju napędowego) można uzyskać energię nieznacznie przekraczającą 13 kWh.
Tymczasem w przypadku akumulatorów wykorzystywanych w autach elektrycznych (powszechnie korzysta się z ogniw litowo-jonowych) gęstość energii wynosi w najlepszym razie w okolicach 250 Wh / kilogram masy baterii. Tak, to 0,25 kWh/kg. Oznacza to, że zmagazynowanie energii 13 kWh jaką daje kilogram ropy naftowej (a dokładniej pochodzące z niej paliwa) wymagałoby by użycia… 52 kg akumulatorów litowo-jonowych. Nowoczesny diesel ze zbiornikiem na 50 kg oleju napędowego (jakieś 60 litrów pojemności zbiornika), jest w stanie przejechać 1000 km. Czy to znaczy, że chcąc uzyskać porównywalny zasięg auto elektryczne należy wyposażyć w… 2600 kg (tak, ponad 2,5 tony) akumulatorów litowo-jonowych?! Oczywiście to nieprawda. Sama gęstość energii to nie wszystko. Trzeba pamiętać o jeszcze bardzo istotnej rzeczy.
Kolejna szczypta fizyki – sprawność silnika i straty mechaniczne
Silniki ICE (Internal Combustion Engines – silniki spalania wewnętrznego) charakteryzują się niestety dużymi stratami energetycznymi. Zaledwie niewielka część energii eksplozji mieszanki paliwowo-powietrznej w cylindrach wykorzystywana jest w roli energii mechanicznej przekazywanej ostatecznie na koła pojazdu. Sam silnik spalinowy jest tyleż dość prostym co mało efektywnym generatorem energii mechanicznej. Jego sprawność sięga co najwyżej 30 proc. (w dieslach nieznacznie więcej). Innymi słowy zaledwie 1/3 energii uzyskanej w wyniku eksplozji mieszanki jest przetwarzana na energię mechaniczną trafiającą na korbowody, co z pozostałą energią? Cóż, to ciepło spalania – silniki się nagrzewają, prawda?
Tymczasem w przypadku silników elektrycznych sytuacja wygląda zupełnie inaczej – ich sprawność przekracza 90 proc. Dotyczy to szczególnie nowoczesnych silników elektrycznych pozbawionych materiałów ciernych (tzw. “szczotek”) zarówno synchronicznych z magnesami trwałymi, jak i asynchronicznych. Wynalazcą tych drugich, szczególnie mocnych i wydajnych był Nikola Tesla. Pierwszymi autami masowo je wykorzystującymi były – tak, zgadliście – samochody marki Tesla. Elon Musk nie mógł lepiej oddać hołdu genialnemu inżynierowi serbskiego pochodzenia. Zresztą łatwo to zaobserwować szczególnie zimą, posługując się kamerą termowizyjną. Wystarczy sfotografować w podczerwieni auto spalinowe i elektryczne. To pierwsze świeci jak choinka. Drugie, to oaza niebieskiego chłodu, sami zobaczcie:
Jednak sama sprawność energetyczna silnika to nie wszystko. W końcu samochód to coś więcej niż silnik. Energia mechaniczna wypracowana przez motor musi zostać przekazana na koła. To oznacza znowu straty mechaniczne na poszczególnych elementach przeniesienia napędu (skrzynia biegów, wał napędowy, sprzęgło, dyferencjał itp.). Również w tym przypadku widać przewagę aut elektrycznych, której niestety pozbawione są jednak hybrydy. W przypadku samochodu elektrycznego silnik elektryczny może praktycznie bezpośrednio napędzać każde koło, albo przynajmniej daną oś. W silniku spalinowym układ przeniesienia mocy mechanicznej na koła (czyli przeniesienie napędu) jest zwykle bardziej skomplikowany i generuje większe straty mechanicznej energii. W rezultacie na koła w spalinowym aucie trafia zaledwie kilkanaście procent energii pozyskanej w wyniku eksplozji mieszanki paliwowo-powietrznej. W aucie elektrycznym to wciąż blisko 70 proc energii mechanicznej uzyskanej w silniku elektrycznym. Niestety, hybrydy tej korzyści nie mają, bo one – ze względu na obecność silnika spalinowego również napędzającego koła (nie dotyczy to hybryd szeregowych, czyli elektryków z range extenderem) muszą mieć całą mechanikę wymaganą przez napęd spalinowy.
Czy hybrydy są ekologiczne? Niekoniecznie, ale na pewno mniej emitują
Jeżeli chcesz kupić auto hybrydowe bo chcesz być ekologiczny, to… pomyśl raz jeszcze. Tak naprawdę ekologiczny i zrównoważony emisyjnie środek transportu to nie tylko pojazd, który w trakcie jazdy nie emituje ani grama CO2. Spełnienie warunku zeroemisyjności auta w całym cyklu życia oznaczałoby również wymóg ładowania go wyłącznie ze źródeł odnawialnych. Co więcej, produkcja takiego auta (na co nabywca nie ma wpływu) również musiałaby być zeroemisyjna (od wytworzenia poszczególnych komponentów, poprzez procesy energetyczne w fazie produkcji itp.). Ile aut hybrydowych spełnia taki warunek? Odpowiedź: żadne. Co więcej nawet w przypadku pełnych elektryków producenci dopiero wdrażają procedury zeroemisyjności w całym łańcuchu dostaw i cyklu produkcyjnym. Uwzględniając cały cykl życia produktu nowoczesna hybryda rzadko kiedy jest bardziej ekologiczna niż pomalowany na zielony lakier Fiat 126p…
Owszem, hybrydy potrafią być oszczędne. Na przykład już w 2010 roku podczas konsumenckich testów Eko-Challenge (testy, w których kierowcy różnych modeli starają się uzyskać jak najniższe zużycie paliwa), jeden z kierowców Toyoty Prius uzyskał spalanie średnie na poziomie 3,3 l/100 km. Świetny rezultat, tyle że podobne spalanie mogą uzyskać najbardziej oszczędne diesle. To co wolicie: oszczędny diesel, czyli auto z jednym silnikiem, proste w budowie i na pewno tańsze w produkcji (tym samym tańsze w zakupie), czy oszczędną hybrydę, znacznie droższą w produkcji, z akumulatorami, których produkcję trudno uznać za ekologiczną, droższą również w zakupie? Wychodzi na to, że hybrydy powstają w zasadzie dlatego, by producenci mogli w ogóle cokolwiek oferować wobec stale rosnących wymagań emisyjnych norm. A ekologia? Jeżeli już to raczej ekologiczna hipokryzja. Problem z wyborem hybryda czy diesel polega jednak jeszcze na tym, że tego wyboru już niedługo mieć po prostu nie będziemy.
Hybrydy, a sens ekonomiczny – tak, ale nie dla każdego
Dla kogo zatem auto hybrydowe? Zwykłe hybrydy sprawdzają się jako auta do miasta. Charakter pracy i sposób w jaki motor elektryczny wspomaga silnik spalinowy w ruchu miejskim predestynuje ten napęd właśnie do takiego scenariusza wykorzystania – wiele na ten temat mogą powiedzieć warszawscy taksówkarze prowadzący model Toyota Prius.
Hybrydy plug-in? To może być dobra opcja dla kierowców i ich rodzin w przypadku, gdy mają oni swobodny dostęp do własnego źródła ładowania: własny zelektryfikowany garaż przy domu lub przynajmniej personalnie olicznikowane gniazdko na parkingu podziemnym (z tym jest trudniej). Bo tylko w przypadku, gdy będziemy np. w krótkich dystansach (zakupy, dojazdy do i z pracy) korzystać z trybu wyłącznie elektrycznego, wyższa cena auta po pewnym czasie eksploatacji ma szanse się nam zwrócić. Nie masz jak ładować auta w domu? Jeździsz często w długie trasy? Nie zamierzasz korzystać z trybu wyłącznie elektrycznego? Zapomnij o hybrydzie – kup oszczędnego diesla póki jeszcze możesz.
Motoryzacja a zmiany klimatyczne – to skomplikowane
Globalne zmiany klimatyczne są faktem. To nie jest temat pod dyskusję, nauka jest co do tego zgodna. Natura nie negocjuje za prawa fizyki działają bez względu na to, co o nich myślisz. A fakt, że jakiś polityk, węglowy czy naftowy lobbysta, czy inny celebryta to neguje nie jest tu żadnym wytłumaczeniem. Nie mylmy opinii ludzi (często nie będących kompetentnymi w temacie, o którym się wypowiadają) z faktami naukowymi i wynikami badań. Jeżeli ktoś dziś neguje obecność antropogenicznych zmian klimatycznych to jest albo głupi, albo… ma w tym swój interes. Z drugiej strony nie chcemy na siłę bronić silników spalinowych, ale fakty są takie, że nowoczesny, oszczędny silnik wysokoprężny, gdy uwzględnimy cały cykl produkcji, jej energochłonność, wytworzenie komponentów, technologie materiałowe, uwzględnimy recykling i złomowanie wcale nie jest bardziej “trujący” czy “emisyjny” w porównaniu z hybrydami. Owszem, w stosunku do aut czysto elektrycznych jest już inaczej, bo systematycznie rozwijane pod kątem zrównoważonej gospodarki energetycznej procesy produkcyjne aut elektrycznych sprawiają, że dziś pojazd czysto elektryczny, użytkowany nawet w Polsce (kraju, w którym gros miksu energetycznego stanowi prąd z węgla), będzie w całym cyklu życia mniej emisyjny od nowoczesnego diesla, ale nie jest tak w przypadku hybryd! Tymczasem wymuszane przez europejskich legislatorów normy emisyjne sprawiają że hybryd przybywa, a diesli jest coraz mniej. Czy nie lepszym rozwiązaniem byłoby skupienie się na jak najszybszym rozwijaniu zeroemisyjnych napędów (auta elektryczne, zarówno na baterie, jak i ogniwa wodorowe), zamiast wyrzucać diesle i promować wcale-nie-tak-mało-emisyjne hybrydy? To pytanie na koniec zostawiamy otwarte.