Łukasz Matoga: Kres elektro„mobilności”

Mózg homo sapiens działa w taki sposób, że jeśli nie interesujemy się jakimś tematem, to na skutek bombardowania go bodźcami (głównie nagłówkami z portali internetowych) w mózgu tym powstaje „jakiś tam obraz” danego zagadnienia.

Wielu ludzi, z których większość nie jest chemikami, inżynierami, naukowcami z dziedziny nauk ścisłych, ma więc w mózgu następujący obraz elektromobilności: „Liczba samochodów elektrycznych się zwiększa. Coraz ładniej wyglądają, coraz ich więcej na ulicach, podobno przejeżdżają na jednym ładowaniu coraz więcej, z Krakowa do Warszawy bez 1 – 2 ładowań może jeszcze się nie da dojechać, ale postęp technologiczny działa szybko i już za kilka lat samochody elektryczne będą miały podobny zasięg jak te dzisiejsze benzynowe albo diesle”.

TAK NIE BĘDZIE. Dlaczego? O tym jest poniższy artykuł. Od razu zaznaczam, że nie będzie w nim mowy o ogniwach wodorowych, których rozwój w porównaniu z klasyczną „litowo-jonową” elektromobilnością jest w powijakach, ani o modelach subsydiowania elektromobilności i społecznych skutkach tego procederu. Ani też o zdewastowanych połaciach Mongolii, Chin, Ameryki Południowej, gdzie wydobywa się lit, kobalt i pierwiastki ziem rzadkich oraz o cmentarzyskach, na które odwozi się prawie nowe, bo 3- lub 4-letnie samochody, którym zużyją się baterie.

Będzie tutaj mowa o chemicznej istocie elektromobilności, a zestawionej z dzisiejszą paliwo-mobilnością na benzynę, gaz i olej napędowy.

Jest tak: silnik elektryczny i spalinowy w zasadzie nie różnią się co do istoty działania. Tak! I w jednym, i w drugim przypadku musi dojść do zetknięcia się atomów donora z akceptorem i wymiany elektronu/ów. Na skutek tego pojawia się energia – w układach spalinowych cieplna, w układach elektrycznych – elektryczna.

Dziś samochody elektryczne korzystają głównie z akumulatorów litowo-jonowych. Podobno trwają prace nad akumulatorami zbudowanymi z najidealniejszej, gdyż wynikającej wprost z układu okresowego pierwiastków kombinacji lit-siarka. Podobno już teraz istnieją nawet takie akumulatory, ale ich żywotność to podobno maksymalnie 50 cykli ładowania, innych parametrów np. masa, pojemność elektryczna nie udało się znaleźć.

Należy podkreślić, że NIE ISTNIEJE inna, lepsza niż lit-siarka kombinacja pierwiastków. Dlaczego?

Lit, który ma masę atomową równą 7 może oddać jeden elektron i jest w tym układzie donorem – bo oddaje. Czyli w przypadku litu masa atomowa przypadająca na jeden elektron wynosi 7. Nie dwa, nie trzy, ale jeden. No dobrze…, ale jaki akceptor mu dobrać? Owszem – siarka o masie atomowej 32 mogąca przyjąć 2 elektrony (dwuwartościowa). Czyli masa przypadająca na jeden przyjęty elektron to 16. Siarka jest najlżejszym pierwiastkiem, który może przyjąć elektron. Tak więc, aby wymienić się jednym elektronem, w przypadku tego idealnego, teoretycznie możliwego i nawet podobno istniejącego akumulatora, potrzebna jest łączna masa 7 (lit) + 16 (siarka) = 23.

No dobrze…, a jak jest w przypadku silników spalinowych? W układach spalinowych źródłem energii jest paliwo płynne. Skupmy się tutaj na benzynie. Benzyna ma wzór C8H18. Składa się z łańcucha „wagoników” CH2, gdzie C – to oczywiście węgiel, a H – wodór; stąd nazwa węglowodory. Początkowy i końcowy wagonik tego łańcucha mają strukturę CH3, co jeszcze poprawia energetyczność całego łańcucha. Olej napędowy ma jeszcze dłuższy łańcuch C10H22. W trakcie spalania benzyny, każdy „wagonik” oddaje łącznie 6 elektronów (węgiel oddaje 4, a 2 atomy wodoru po jednym). Jaka jest masa tego wagonika? Policzmy: 12 węgiel + 2 dwa atomy wodoru o masie równiej 1 każdy, czyli masa wynosząca 14 oddaje 6 elektronów. To oznacza, że na jeden elektron przypada 14/6 = ok. 2,3 masy atomowej. Aha, przecież zapomnieliśmy o akceptorze! Nie – nie zapomnieliśmy! Akceptor, czyli tlen pobierany jest z powietrza! Samochód spalinowy nie musi wieźć ze sobą zapasu akceptorów! I to jest fundamentalna różnica!

Porównanie potrzebnych do działania mas już w tym momencie rozważania wygląda jak 2,3 : 23! Czyli 1:10 na niekorzyść układu elektrycznego! Już w tej chwili widać, że samochód elektryczny, zmuszony do wożenia zapasu akceptorów, w przypadku posiadania najidealniejszego akumulatora Li – S ma dziesięciokrotnie gorzej!

Ha! To jeszcze nie wszystko! Samochód spalinowy od tankowania do tankowania wiezie średnio tylko połowę paliwa – po zatankowaniu zbiornik jest pełny, a po pokonaniu całego dystansu jest pusty. Natomiast samochód elektryczny przez CAŁY CZAS wiezie tę samą masę, niezależnie od tego, czy akumulator jest pełny, czy rozładowany! Czyli proporcja zmienia się na 1:20! Dwadzieścia razy!

Jednak i to jeszcze nie wszystko! W samochodzie spalinowym 40 kg paliwa w postaci łańcuchów węglowodorów, czyli 50 litrów benzyny nalewamy do baku, który jest wykonany ze średniogrubej blachy i waży 10, a najwyżej 15 kilogramów. W samochodzie elektrycznym nie wlewamy do akumulatora litu, jonów lub siarki. Akumulator jest strukturą, która w odpowiedni sposób „trzyma” donory i akceptory (niechby ten lit i tę siarkę) w taki sposób, żeby mogła zajść reakcja generująca prąd. Nie zajmujemy się tutaj opisem budowy takiej struktury, a dalece odbiega ona od poetyki lekkiego, blaszanego zbiornika ze stalowej blachy. W zbiorniku spalinowym „narzut” masy na paliwo wynosi 10 kg blachy na 40 kg paliwa (25%), a w akumulatorze wynosi on prawdopodobnie 200 – 1000 proc. w zależności od wykonania i rodzaju akumulatora. Nie wiem, ile wynosiłby w przypadku (tylko teoretycznie tutaj rozważanego, nieistniejącego) akumulatora Li – S. I nie składa się on ze stali, tylko aluminium, manganu, wydobywanego przez niewolników w Afryce kobaltu oraz innych drogich pierwiastków.

Innymi słowy, wyznaczający kres rozwoju elektromobilności, czysto teoretyczny i nieistniejący jeszcze w praktyce akumulator litowo-siarkowy, aby dać 800 kilometrów zasięgu bez ładowania musiałby ważyć prawdopodobnie 2000 – 3000 kilogramów. Zbiornik benzyny dający taki zasięg waży 55 – 60 kilogramów.

Ah, byłbym przecież zapomniał… Jeszcze jeden parametr: stary samochód spalinowy z pełnym bakiem, w przypadku zwarcia w instalacji pali się (niegaszony) godzinę, a gaszony może 15 minut od momentu zgłoszenia pożaru na 112 i wystarczy do tego jeden zastęp strażacki. Ma to miejsce bardzo rzadko, jeśli mierzyć ilością jeżdżących samochodów spalinowych. Samochód elektryczny natomiast pali się kilka, kilkanaście godzin, albo i kilka dni; przy gaszeniu potrzeba stałej obecności kilku zastępów, często specjalnej wanny i dźwigu, a zdarza się to bardzo często – jeśli mierzyć to taką samą miarą.

Czas na porównanie rekwizytów…

Mitsubishi Outlander autora, rocznik 2015, diesel 2269 cm, moc (po niewysilonym tuningu) 186 KM, Maks. Moment obrotowy 463 Nm.   Spalanie: po mieście (bez ostrych przyspieszeń): 6.8 l/100 km, po autostradzie w Polsce: 7,5 l/100 km, po autostradzie w Niemczech (czasami na liczniku 210 km/h): 10,5 l/100 km. Zasięg na pełnym zbiorniku (52 litry), przy pokonywanej trasie: 800 km. Przy bardzo spokojnej jeździe – ponad 1000 km. Ładowność (za autocentrum.pl) – 660 kg (prawie 2x tyle co Tesla):

Autor: Łukasz Matoga

Zdjęcia: fotografie własne Autora.

Na dolnym zdjęciu pokazano zasięg po zatankowaniu. Po odjechaniu ze stacji i ujechaniu spokojnym tempem 20 km, zasięg ten wzrósł do 1060 km.

Zdjęcie główne: Photo by Markus Spiske on Unsplash