Atmosfera u gradovima će se očistiti od svih zagađenja koja su prisutna zbog „prljavih“ vozila. Jedna od velikih prednost električnih vozila je značajno smanjenje buke u odnosu na klasična vozila.

Piše: Mario Vražić, redovni profesor na Zavodu za elektrostrojarstvo i automatizaciju Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu

Mario Vražić rođen je 16.9.1971. godine u Zagrebu. Redoviti je profesor na Zavodu za elektrostrojarstvo i automatizaciju Fakulteta elektrotehnike i računarstva Sveučilišta u Zagrebu. Od 2014. do 2022. bio je prodekan za poslovanje FER-a. Ovlašteni je inženjer i član Hrvatske komore inženjera elektrotehnike. Tajnik je Odjela elektrotehnike i elektronike Hrvatske akademije tehničkih znanosti. Senior member je strukovne udruge IEEE. Član je HRO CIGRE sekcije A1. Predsjednik je Upravnog odbora udruge Energy Platform Living Lab. Kao član Hrvatskog zavoda za norme sudjeluje u radu tehničkoga odbora TO E69 – Cestovna i industrijska električna vozila. Objavio je više od 100 znanstvenih radova u međunarodnim i domaćim časopisima, te na međunarodnim i domaćim konferencijama. Također je autor i koautor preko 150 elaborata i stručnih studija.

Električni automobili su zadnjih petnaestak godina sve veći predmet različitih rasprava i aktivnosti. Cijeli svijet bruji o ekologiji i zagađenju prirode. Automobili s motorima s unutarnjim izgaranjem predstavljaju za sve veliki dio toga problema. Više o temi električnih automobila saznajte u nastavku teksta.

Električni automobili – za i protiv

Električni automobili su zadnjih petnaestak godina sve veći predmet različitih rasprava i aktivnosti. Cijeli svijet bruji o ekologiji i zagađenju prirode. Automobili s motorima s unutarnjim izgaranjem predstavljaju za sve veliki dio toga problema. Naravno, realnost ipak nije takva jer zagađenje od kompletnoga prometa (avioni, brodovi, kamioni, vlakovi, automobili, motocikli…) predstavlja oko 15% ukupnoga zagađenja. Dakle, zagađenje koje stvaraju automobili je, naravno, samo jedan dio toga zagađenja. No, neosporno je da cestovni promet zagađuje okolinu. Imao sam priliku jedno jutro vidjeti, putujući prema Zagrebu kako izgleda kupola od smoga iznad grada. I nije to bio lijep prizor. Osnovna općenita građa električnoga vozila koja je primjenjiva na većinu električnih vozila je prikazana na slici 1. Ako se opisuje građa baterijskog električnog vozila (BEV) onda se kod većine vozila nalaze sljedeće komponente:

• Punjač;
• Baterijski paket;
• Pretvarač napona i frekvencije (inverter);
• Električni motor;
• Eventualni prijenos (najčešće dvostupanjski automatski mjenjač);
• Diferencijalni prijenos;
• Kotači.

Od svih navedenih komponenti i sustava je, kod električnih vozila, najslabija karika baterijski paket zbog niza lošijih karakteristika u odnosu na benzin ili diesel ako se gleda samo kao izvor energije, jer je velika razlika u gustoći energije, a samim time i masi energenta. Ekološki su, na prvi pogled, nafta i njeni derivati, puno lošiji za okoliš, no i tu se vode velike debate jer se pri proizvodnji baterija troše velike količine energije i uništava se okoliš na mjestu eksploatacije potrebnih materijala.

Svi se slažu da će, ako zamijenimo sva cestovna vozila na konvencionalni pogon s električnim vozilima, biti neusporedivo manje zagađenja i to na mjestu gdje prometuju vozila. Atmosfera u gradovima će se očistiti od svih zagađenja koja su prisutna zbog „prljavih“ vozila. Europska agencija za okoliš je izdala priopćenje u kojem se opisuju smanjenja zagađenja u pojedinim velikim gradovima koja su iznosila u desecima postotaka u odnosu na tjedan ili mjesec prije jer je uslijed Covida bio zabranjen promet. Mjerenja su provedena i rezultati utjecaja na okoliš postoje. To je neupitno.

Sada se može krenuti u raspravu vezanu uz druge aspekte uvođenja električnih cestovnih vozila. Svima odmah padne na pamet infrastruktura. Jedna studija rađena prije nekoliko godina govori da je Zagreb infrastrukturno spreman za 100.000 električnih automobila, ali na razini 110 kV. Na razini 10 kV i 0,4 kV je daleko od spremnoga. O kojim brojevima se radi? Uzmimo, npr. klima uređaje. Prije 20-ak godina, nije bilo standarda gradnje da se u nove stanove odmah ugrađuju klima uređaji. Prema popisu iz 2021. godine, Zagreb ima malo preko 300.000 kućanstava.

Ako se pretpostavi da jedna trećina ima klima uređaj, radi se o 100.000 klima uređaja. Ako je svaki klima uređaj prosječno električne snage 2 kW (inače su snage manje ali ima više uređaja) radi se o potrebnoj snazi od 200 MW, tj. u grubo snazi termoelektrane Plomin 2. Naravno, svi ti uređaji ne rade cijelo vrijeme s punom snagom pa smo tu nešto dobili, ali ne računamo niti sve gubitke. Ako sad to pretočimo u površinu za solarne elektrane (cca. 1,2 ha za 1 MW) radi se o 240 ha površine ili 2,4 milijuna kvadratnih metara. To je površina 1,2 km x 2 km. Ali samo ako je povoljan dan. Po noći bi izvor trebale biti baterije koje se pune preko dana iz još jedne takve solarne elektrane. Dakle trebamo 480 ha. Pa još barem 20% ako ne i više za pokrivanje gubitaka i oblačnog vremena (kada se drastično smanjuje proizvodnja električne energije). To je onda ukupno više od 600 ha.

Ako u grad dovezemo 100.000 električnih automobila, koji će se puniti iz utičnice preko noći, to znači da nam treba (ako je prosječna energija baterije električnoga automobila 35 kWh, a snaga iz utičnice 3,6 kW) 10 sati za punjenje. Naravno, nije moguće isprazniti u cijelosti bateriju pa je vrijeme punjenja kraće, a i prosječni dnevni put koji automobili u Europi prelaze je oko 60 km. Uz prosječnu potrošnju od 100-150 Wh/km je to 6 – 9 kWh, a to je cca 3 sata punjenja. U svakom slučaju, svodi se sve na vrlo nezgodne termine punjenja (navečer bi svi uključili električne automobile na punjenje), pa se s već neko vrijeme raspravlja da se baterijama električnih automobila upravlja s razine mreže koristeći ih i kao spremnike energije koji se mogu puniti i prazniti prema potrebi. Jer velika većina ljudi ode s automobilom na posao i auto tamo stoji i miruje 8 sati. Tu je velika prepreka to što su ljudi vlasnici svojih automobila pa i baterija, a baterije imaju ograničeni broj punjenja i pražnjenja pa vlasnici električnih automobila baš i nisu za to da se njihove baterije koriste i time im se smanjuje broj ciklusa i životni vijek. Time smo prešli na treći aspekt električnih vozila (prvi je bio značajno smanjenje zagađenja, drugi je bio nedovoljna infrastruktura i izvori električne energije) a to su baterije. Naravno, velika je poveznica drugog i trećeg aspekta.

Tu još nismo raspravili o priključcima (mjestima za punjenje). Jednostavno je kada imamo kućanstvo tj. kuću s garažom. Jasno je kako i gdje će se električni automobil puniti. No veliki je problem s vlasnicima koji žive u velikim zgradama ili gusto naseljenim naseljima. Na primjer, u Novom Zagrebu se nalazi zgrada koju zovu Mamutica. Ima 1169 stanova i u njoj živi preko 5.000 stanovnika. Da svaki treći stan ima električni automobil, radi se o 390 automobila koji su parkirani na javnim otvorenim parkiralištima. Ako se na tim parkiralištima ugrade utična mjesta za punjenje, potrebno je osigurati i sigurnosni sustav protiv krađe električne energije (da se preko noći ne isključi jedan automobil i stavi na punjenje drugi), protupožarni sigurnosni sustav, sustav za naplatu, itd. Sve je to moguće ali iziskuje dosta velika sredstva. Prije nego se kompletno preselimo na baterije, da razjasnimo još jedan problem. A to je cijena punjena baterija. U ovom trenutku je (razgovarao sam prije tjedan dana s jednim vlasnikom Tesle koji je taj dan išao iz Zagreba u Rovinj i natrag), cijena po kilometru (ako se baterija puni na autocesti) ista za tu Teslu i za moj benzinski Suzuki S-Cross, a to je cca 10 eura na 100 km. No, mislim da će situacija biti još nepovoljnija. Naime porezi i trošarine čine čak 60-ak posto cijene goriva u Hrvatskoj, a nabavna cijena je zapravo niska i ona iznosi samo 30 do 35 posto cijene koju zapravo plaćamo. Naravno, država treba taj novac od poreza i trošarina. Kada bude jednoga dana većina vozila bila električna, država će izgubiti te poreze i trošarine (jer će se potrošnja naftnih derivata značajno smanjiti) i morati će ih nadoknaditi na dugom mjestu. Pitanje je hoće li to drugo mjesto biti cijena električne energije za punjenje električnih vozila jer su automobili u osnovi luksuz pa ga i države tako tretiraju s porezima (kao i duhanske proizvode ili alkohol). I to ostaje za vidjeti u budućnosti.

Postojeća tehnologija baterija nije baš najsretnija iako se unatrag desetak godina više od dva puta povećala gustoća energije u baterijama. I dalje se radi o 5-6 puta manjoj gustoći nego u benzinu što znači da treba 250 kg baterija da bi se prešlo istu udaljenost kao i 50 l benzina. Ovo je, naravno, vrlo gruba usporedba no indikativna. Nadalje, baterije vole konstantnu temperaturu, tj. ne vole hladnoću (kada im kapacitet može pasti i na 30 %), a ne vole niti vrućinu. Inače se baterije tijekom korištenja zagrijavaju zbog gubitaka, a imaju nezgodnu karakteristiku da nakon neke temperature pokreću termalni pobjeg i nije ih više moguće zaustaviti u iznimno egzotermnom procesu gorenja koji ponekad graniči s eksplozijom. Gašenje je gotovo nemoguće jer se sav kisik koji treba za ovo gorenje nalazi u bateriji pa bilo kakav pokušaj gušenja požara (prahom ili pjenom) ne daje rezultate. Potrebno je izolirati vozilo (bateriju) od okoline i pričekati da se požar sam ugasi. Postoji puno snimaka električnih vozila u plamenu, no postotno su ta vozila i dalje sigurnija od vozila s motorom na unutarnje izgaranje jer je manji omjer požara i ukupnog broja vozila. Razvijeni su materijali koji mogu obuzdati požar (ne i gasiti) pa se koriste kao pokrivači, dakle vatrogasci dođu do vozila, pokušaju ohladiti maksimalno vozilo i onda ga pokriju s pokrivačem ispod kojega se onda završi gorenje a automobil je izoliran od okoline. Jedan zanimljivi problem je uočen u SAD-u tijekom sezone uragana i poplava. Naime, električna vozila koja su bila poplavljena, znaju se zapaliti i izgorjeti nakon nekoga vremena (nekoliko dana pa i tjedana) nakon što su izvučena iz poplave. Takva vozila se odvoze, zajedno s ostalim vozilima koja su bila poplavljena, na izolirana parkirališta, s tom razlikom da su klasična vozila parkirana jedno uz drugo kao na normalnom parkiralištu, a električna su međusobno udaljena dvadesetak metara za slučaj da se dogodi požar.

Baterije, kao izvor električne energije, donose još jedan, psihološki, problem. Naime psiholozi su prije nekoliko godina uočili nešto što su nazvali strah od dometa (range anxiety), tj. strah da električno vozilo neće imati dovoljno napunjenu bateriju da stigne do odredišta, ostavljajući putnike na cjedilu. Naravno, ista situacija je i kod klasičnih vozila, no mjesta za punjenje imamo na svakom koraku i punjenje spremnika goriva je brzo, za razliku od punjenja baterija. No postoji i jedna jako važna razlika. Dok god postoji i jedna kap benzina u rezervoaru, korisnik ima na raspolaganju punu snagu motora. Kod baterije i električnih automobila, postoji mogućnost da u bateriji ima još energije za vožnju po ravnom tj. uz malu potrebnu snagu, a kad bi se trebalo popeti na mali brijeg, sustavi zaštite baterija ograničavaju struju, a samim time i snagu pa se auto ne može popeti uz tu uzbrdicu.

Vrlo često se, u medijima piše, da električna vozila imaju veliku korisnost koja je oko 90%. To je kriva predodžba. Ukupna korisnost električnoga vozila (tablica 1) je umnožak svih komponenti koje se nalaze u lancu prijenosa snage (ili energije), dakle on-board punjača, baterija (pri punjenju), baterija (pri pražnjenju), invertera, motora i prijenosa.

Tablica 1: Korisnost električnoga vozila

Kao što se može vidjeti, manja korisnost je 52 %, a veća je 77 %. Naravno da je stvarna korisnost (prosječna) još manja jer su ovdje navedene maksimalne korisnosti vezane uz veličine opreme, no oprema rijetko radi u radnoj točci gdje je najveća korisnost, tako da je prosječna korisnost barem da 10 % manja, tj. za manja i srednja vozila se kreće oko 40 % dok je za veća vozila oko 65 %. To znači da je  korisnost manjih i srednjih vozila gotovo jednaka korisnosti vozila s motorima s unutarnjim izgaranjem.

Jedna od velikih prednost električnih vozila je značajno smanjenje buke u odnosu na klasična vozila. To ide do te mjere da se u električna vozila ugrađuju izvori zvuka kako bi se moglo upozoriti pješake i druge sudionike u prometu da se električno vozilo kreće. Naravno, mi iz udobnosti automobila ne možemo uočiti tu razliku jer su danas svi automobili dobro zvučno izolirani prema svojim putnicima.

Usprkos svemu navedenome, prodaja električnih vozila raste. Prvenstveno su kupci osobe boljeg imovinskog statusa i koriste te automobile kao drugo ili treće vozilo u obitelji, te u velikoj većini slučajeva samo za gradsku vožnju. Države subvencioniraju kupnje električnih vozila potičući tako i srednji sloj stanovništva (ako ga uopće više i ima) da se odluče za kupnju električnoga automobila. U broju električnih vozila prednjače bogate zemlje kao što je npr. Norveška, dok se kod siromašnijih zemalja kupnja električnih vozila obavlja puno stidljivije. U SAD-u prodaja električnih vozila stagnira a negdje i opada. Optimizam korisnika (kupaca) je ipak skoro dvostruko veći od prodavača. Oko 50 % kupaca su optimisti vezano uz tehnologiju i prodaju dok je samo 30 % prodavača optimistično.

Po mnogima je prelazak s klasičnog na električni automobil jednako prelasku s konja na magarca.

Naravno, postoje legitimni razlozi za to, kao i protiv toga. Naime, dosta korisnika električnih automobila ljeti ne koriste klima uređaje u svojim vozilima kako bi povećali domet. Time se, naravno, smanjuje kvaliteta i udobnost vožnje.

Električna vozila su, također, omogućila eksploziju u razvoju autonomnih vozila jer je lakše upravljati električnim automobilom nego klasičnim (za početak ne postoji kvačilo niti mjenjač brzina). U dosta zemalja se ubrzano radi na izmjeni legislative kako bi se omogućilo uvođenje automobila bez vozača. I tu postoje mnoge diskusije. Jedna govori o „lojalnosti“ autonomnog vozila i odabiru prioriteta. Naime, u slučaju kada je vozilo u opasnosti i treba odlučiti što treba napraviti, hoće li vozilo po svaku cijenu zaštititi putnike ili ne.

Sve u svemu, električna vozila su stvorila veliku strku, stvarajući mnoge dileme ali i mnoga radna mjesta. Stvorile su se industrije kojih prije nije niti bilo, omogućila su se mnoga istraživanja kojih prije nije bilo, a stvaraju se i novi stručnjaci i nova tehnologija. U prošlosti je tako nešto uvijek donijelo napredak i prosperitet, pa nema razloga da tako ne bude i sada.