H
!
SIĘGAMY DO PODSTAW
CHEMICZNE RÓDŁA PRĄDU (4)
pędzie elektrycznym. Nie omówiono dokła-
spoS
ród wymienianych; samochód zasilany
_
Przemysł motoryzacyjny _
tego typu x
ródłem energii (Nissan) ma za- dnie ogniw paliwowych, które stanowią
zapotrzebowanie na ogniwa
odrębną grupę i wymagają oddzielnego
sięg przeszło 200 km
ogniwa paliwowe, wykorzystujące elek- opracowania.
Elektrochemiczne magazynowanie energii
W tablicy 2 przedstawiono parametry nie-
staje się problemem coraz bardziej waż- trodowe reakcje redoks między wodorem i
których ogniw, charakteryzujące możliwoS
ci
kim. Wynika to ze zwiększającej się ko- tlenem z powietrza (wodór można uzyskać
ich zastosowania na dużą skalę w EV.
niecznoS
ci kompleksowego gospodarowa- z reformingu węglowodorów).
Obecnie pojazdy EV spełniają pomocnicze
nia zasobami energii. Czynnikami przyS
pie- Należy dodać, że pojazdy te niekoniecznie
role, np. jako pojazdy dostawcze-popularne
muszą być zasilane tylko z akumulatorów.
szającymi poszukiwania nowych x
ródeł
Firmy japońskie, np. Honda i Toyota, produ- w Wielkiej Brytanii, tzw.  milk floadts dostar-
energii są: coraz większe zanieczyszczenie
czające mleko (w latach 80. jex
dziło ich po
S
rodowiska, efekt cieplarniany oraz dra- kują od kilku lat pojazdy (Insight oraz Prius)
szosach kilkadziesiąt tysięcy), wózki podno-
o tzw. napędzie hybrydowym _ pojazd jest
stycznie zmniejszające się zasoby paliw
naturalnych. Laboratoria badawcze zwróci- napędzany przemiennie silnikiem elektrycz- S
nikowe, wózki golfowe, traktorki, transpor-
nym zasilanym z akumulatora oraz bar- tery bagażu. W nocy w czasie postoju, aku-
ły uwagę na nowe typy ogniw. Obserwuje
mulatory są doładowywane z sieci tańszym
się intensywny rozwój akumulatorów niklo- dzo ekonomicznym silnikiem spalinowym.
wo-wodorkowych oraz litowo-jonowych. In- NajczęS
ciej w napędach hybrydowych wy- prądem (nocna taryfa). Coraz więcej ogniw
korzystywane są ogniwa wodorkowe i lito- różnych typów jest stosowanych w poja-
tensyfikacji ulegają badania nad ogniwami
zdach. Należy zaznaczyć, że samochód
wo-jonowe.
paliwowymi, których koncepcja istnieje już
Zapotrzebowanie na samochody elektrycz- napędzany za pomocą ogniwa nie jest po-
od ponad 150 lat. Jednym z ważniejszych
mysłem nowym. Powstał on 12 lat wczeS
niej
ne (EV) wzrasta z roku na rok. Kombinacja
zastosowań tych nowych ogniw ma być ich
niż samochód z silnikiem spalinowym. Re-
baterie plus silnik elektryczny oraz zwykły
użycie w pojazdach elektrycznych ( r
, EV). Pojazdy te, jako  czyste eko- silnik spalinowy jest bardzo obiecującym roz- kord S
wiata szybkoS
ci pojazdu napędza-
nego elektrycznie w 1899 roku wynosił już
wiązaniem, lecz niestety zwiększa stopień
logicznie , mają w miastach zastępować
106 km/godz, a dwa lata póx
niej został po-
skomplikowania konstrukcji, a tym samym
samochody benzynowe. W 1997 roku po
prawiony na 136 km/godz. Obecnie takie po-
koszt wytwarzania pojazdu. Testowane były
ulicach większych miast USA jex
dziło tylko
także kombinacje ciężkiego ołowianego aku- jazdy mogą osiągnąć prędkoS
ć 240
4000 pojazdów elektrycznych, w 1998 roku
km/godz. Pojazd elektryczny (EV) ma dużo
w Japonii był już sprzedawany seryjnie pro- mulatora wykorzystywanego do rozruchu,
mniej ruchomych częS
ci niż pojazd z sil-
przyS
pieszeń i wjazdu na wzniesienia oraz
dukowany samochód marki Nissan, który
zamiast silnika spalinowego ma silnik elek- lekkich cynkowo-powietrznych ogniw zasi- nikiem spalinowym. Ponadto bezwstrząso-
wa praca silnika elektrycznego przedłuża ży-
lających silnik przy stałej prędkoS
ci.
tryczny zasilany z ogniw litowo-jonowych
produkcji Sony. Cena takiego pojazdu wa- W ciągu ostatnich 20 lat opracowano dzie- wotnoS
ć całego pojazdu. SzybkoS
ć, przy-
S
pieszenie oraz zasięg elektrycznych poja-
siątki nowych typów ogniw galwanicznych
ha się w granicach 16 000�18 000 dolarów
i można go kupić tylko w sieci japońskich de- o bardzo różnorodnym i często bardzo ogra- zdów zasilanych akumulatorami ołowiowy-
alerów. Trzeba jednak zaznaczyć, że pro- niczonym zastosowaniu. W tym opracowa- mi są ograniczane przez  gęstoS
ć energii
dukcja tego typu samochodu jest w znacz- niu skoncentrowano się na ogniwach odwra- 20�30 Wh/kg. Coraz nowsze modyfikacje
calnych (II rodzaju), które mają obecnie naj- konstrukcji elektrod (np. zastosowanie elek-
nym stopniu dofinansowywana przez rząd
trod rurowych) pozwalają na głębsze rozła-
większe szanse zastosowania jako x
ródła
japoński (ok. 30%). WiększoS
ć koncernów
energii elektrycznej w samochodach o na- dowywanie. Typowy samochód rodzinny
samochodowych, obok produkcji samocho-
dów napędzanych benzyną, ma obowią-
zek wytwarzania samochodów o napędzie
Tablica 2 Charakterystyka niektórych baterii stosowanych w EV
elektrycznym. Produkcja ta powinna sta-
Rodzaj Zasięg, Czas Wpływ na Koszt PojemnoS
ć ŻywotnoS
ć
nowić kilka procent wszystkich pojazdów
ogniwa km (jedno ładowania S
rodowisko USD/Wh Wh/kg (liczba cykli)
schodzących z taS
my. Obecnie producen-
ładowanie)
ci samochodów elektrycznych najczęS
ciej
Ołowiowo
wykorzystują pięć rodzajów ogniw: -kwasowe 90 �150 3 godziny toksyczne 0,1�0,3 20�35 100�500
Ni-wodorek
akumulatory ołowiowo-kwasowe (Ford,
metalu 120� 200 60% w 15 minut; nietoksyczne 1,0�3,0 55�70 500
Chrysler i GM); S
redni zasięg tych samocho-
w 2 godziny (w przyszłosci)
uzupelnienie
dów, bez ładowania baterii, wynosi ok.
Ni-Cd 140 60% w 15 minut; toksyczne 0,5�1,5 30�50 1000
90� 150 km przed ponownym ładowaniem
w 6 godzin
akumulatory Ni-Cd, w których koszt uzy-
uzupełnienie
Sód -_ siarka 100 6 godzin ryzykowne 0,1�1,0 150 200�1500
skanej energii jest kilkakrotnie wyższy niż w
w użyciu
akumulatorach ołowiowych
Cynk _ powietrze 320 5 min wymagają nietoksyczne 0,15�0,50 70�85 (160 600
akumulatory Ni-MH, które powoli wypie- sieci stacji w perspektywie)
Litowo _ jonowe 200�300 3 godziny ryzykowne 115
rają akumulatory Ni-Cd (Honda, Toyota);
w użyciu 150 (polimer)
zasięg pojazdów zasilanych z tych ogniw
Ni-fullereny,
wynosi ok. 120�200 km
nanorurki do 900 40 minut nietoksyczne 0,02�0,1 200�250 co najmniej 40
akumulatory litowo-jonowe, najdroższe
Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003
 "
T a b l i c a 3. Baterie (wybrane), na które jest lub w najbliższej przyszłoS
ci będzie zapotrzebowanie
Poszczególne typy ogniw w różnym stopniu
spełniają te wymagania.
Ogniwa z wodnym elektrolitem Ogniwa z elektrolitem niewodnym
W tablicy 3 przedstawiono klasyfikację waż-
Baterie cynkowe Baterie z elektrolitem organicznym
niejszych (wybranych) ogniw II rodzaju, obe-
Baterie z alkalicznym elektrolitem: Baterie typu lit-brom
cynk-tlenowodorotlenek niklu, cynk-tlenek manganu, Baterie typu lit-tlenowiec metalu
cnie będących w powszechnym użyciu oraz
Baterie cynk-chlorowce
ogniw, które są intensywnie ulepszane w
Baterie z jednym reagentem gazowym Baterie wysokotemperaturowe
związku z możliwoS
cią zastosowania ich na
Baterie typu metal-powietrze(tlen): Baterie sodowe:
cynk-powietrze (tlen)żelazo-powietrze (tlen) sód-siarka, sód-chlorowcogliniany szeroką skalę. Są to akumulatory oparte
kadm-powietrze (tlen)
głównie na roztworach wodnych, niewod-
Baterie typu tlenek metalu-wodór: Baterie litowe:
nych, z elektrolitem stałym oraz z elektrolitem
wodór-tlenek niklu lit-dwusiarczek żelaza, lit-chlor
wodór-tlenek srebra
w postaci stopionych soli. Należą do nich:
Baterie z reagentami w przepływie
akumulatory kwasowo-ołowiowe
Baterie typu wodór- tlen
zasadowe akumulatory niklowo-kadmo-
Baterie typu wodór-chlorowiec
we i niklowo-wodorkowe
Baterie redoks:
tytan-żelazo, chrom-żelazo
baterie wysokotemperaturowe sodowo-
siarkowe
ria sodowo-siarkowa umożliwia jazdę takie- odwracalne ogniwa litowe.
ważący 1�1,5 tony wymaga 5�10 kWh ener-
go pojazdu 100 km poza zasięgiem sieci
gii na przemieszczenie się na odległoS
ć WS
ród akumulatorów opartych na roztwo-
elektrycznej.
50 km. PojemnoS
ć akumulatora kwasowe- rach wodnych dominują oczywiS
cie akumu-
Zestawy baterii o pojemnoS
ci energetycznej
go wynosi przeciętnie 25 Wh/kg. Zatem, latory ołowiowe. Na ich zalety składają się:
250 Wh�5 MWh są stosowane jako awaryj- stosunkowo niski koszt produkcji, wszech-
aby pokonać dystans 50 km należy zasto-
ne x
ródła zasilania, głównie w centralach te- stronnoS
ci i znakomitej odtwarzalnoS
ci ukła-
sować akumulator o masie 200�400 kg.
lefonicznych, szpitalach, radiostacjach, urzą- du elektrochemicznego. Są one obecnie
Osiągi te można poprawić stosując akumu-
dzeniach nawigacyjnych itp. Na ogół są to
latory z nowymi rozwiązaniam, których po- stosowane głownie jako większe rezerwua-
akumulatory, które nie są głęboko rozłado- ry energii elektrycznej, tzn. do samocho-
jemnoS
ć można zwiększyć do 40 Wh/kg.
wywane. Są one specjalnie zaprojektowa- dów, stacji zasilania itp. Drugi rodzaj akumu-
Obok akumulatorów ołowiowych bierze się
ne, mają bardzo mały upływ energii _ samo- latorów, akumulatory niklowo-kadmowe, jest
pod uwagę inne typy baterii. Zainteresowa-
rozładowania oraz długi czas niezawodnej
nie budzą pracujące w temperaturze poko- stosowany jako x
ródło energii do urządzeń
pracy dochodzący do 20�30 lat. Ok. 25%
jowej ogniwa cynk-tlenek niklu oraz cynk- przenoS
nych. Tego typu x
ródła są droższe
akumulatorów to ogniwa niklowo-kadmo- od akumulatorów ołowiowych, lecz mają
chlorowodór, o pojemnoS
ci odpowiednio
we. Są one zasilane i ładowane za pomo- wiele zalet: trwałoS
ć, niewielkie wymogi ob-
75 Wh/kg i 80 Wh/kg. Bada się także ogni-
cą wiatraków. Przykładowo: w Danii, małe
wa wysokotemperaturowe (pracujące w wy- sługi, doS
ć duże natężenie otrzymywanych
turbiny powietrzne zasilają akumulatory sta- prądów i dobrą charakterystykę w niskich
sokich temperaturach) tzw. stopione sole
cji nawigacyjnych na bojach. Urządzenia
sód-siarka (120 Wh/kg) oraz lit-siarczek że- temperaturach. Z tego względu są wyko-
te są także zasilane przez system prze- rzystywane przez wojsko i lotnictwo. Akumu-
laza (100 Wh/kg). Przy tych x
ródłach zasi-
tworników energii słonecznej. Baterie sło- latory niklowo-kadmowe obecnie są zastę-
lania osiągi pojazdów są trzy razy większe.
neczne są stosowane do zasilania radiola- powane ogniwami niklowo-wodorkowymi.
Przewiduje się niższy, w porównaniu z aku-
tarni w pobliżu lotnisk. Podobne zasilanie za
mulatorem ołowiowym, koszt tych baterii Ogniwa wysokotemperaturowe ciągle są
pomocą baterii słonecznych ma miejsce na
oraz ich większą wydajnoS
ć przy tej samej na etapie intensywnych badań i prób. Obe-
statkach kosmicznych.
liczbie cykli. Ogólnie przewiduje się, że sa- cnie coraz większym zainteresowaniem
Zestawy akumulatorów wielkoS
ci budyn- cieszą się odwracalne ogniwa litowe. Ma-
mochód miejski napędzany elektrycznie po-
ków mieszkalnych zasilałyby osiedla lub
winien ważyć mniej niż 2 tony i mieć zasięg ją one dużą szansę na wszechstronne za-
zakłady przemysłowe w energię w godzi- stosowanie, również w pojazdach elek-
150�200 km.
nach szczytu, a byłyby doładowywane w no- trycznych.
Już od początku naszego stulecia funk-
cy nad ranem (nocna taryfa), kiedy zapotrze- Od pewnego czasu pojawiły się prototypy
cjonują lokomotywy i drezyny zasilane
bowanie na energię jest minimalne.
energią elektryczną. Mają one znaczną pojazdów, w których ogniwa są doładowy-
Praktyczne wykorzystanie chemicznych
przewagę nad elektrycznymi pojazdami wane za pomocą baterii słonecznych (foto-
x
ródeł prądu jest uwarunkowane:
drogowymi ze względu na dużo mniejsze woltaicznych), natomiast silnikami spalino-
łatwoS
cią eksploatacji
straty tarcia, dzięki czemu nie ma ograni- wymi są silniki Diesla napędzane paliwem
zastosowaniem w produkcji łatwo do- produkowanym z rzepaku lub oleju słonecz-
czeń związanych z pojemnoS
cią akumula-
stępnych i niedrogich materiałów
torów. Współczesne drezyny ważące 21 nikowego Oznacza to, że samochód tego ty-
łatwoS
cią wytwarzania
ton zabierają do osiemdziesięciu pasaże- pu jest zasilany praktycznie tylko energią
Poza tym ogniwa powinny się charakteryzo- słoneczną (biopaliwo + promieniowanie sło-
rów i są zasilane akumulatorami kwasowo-
wać:
ołowianymi o zasobie energii 630 kWh z neczne). W tę właS
nie stronę powinny być
dostatecznie długim czasem życia
możliwoS
cią recyklizacji ponad 1000 razy. ukierunkowane wysiłki naukowców i kon-
odpornoS
cią mechaniczną
Osiągają one prędkoS
ć 100 km/h i mają za- struktorów nowych pojazdów.
poprawną pracą w szerokim przedziale
sięg 250�450 km. NiezawodnoS
ć, łatwa Oddzielnym zagadnieniem są ogniwa pali-
temperatur
obsługa i bezpieczeństwo są poważnymi wowe i zastosowanie ich w pojazdach.
wysoką wydajnoS
cią energetyczną na
zaletami tego rodzaju transportu. Prowa-
jednostkę masy lub objętoS
ci
dzone są prace nad pojazdami szynowymi
małymi stratami podczas ładowania
zasilanymi za pomocą mieszanych x
ródeł
Andrzej A. Czerwiński
i niewielkim samowyładowaniem.
energii. Przykładowo jednotonowa bate-
Radioelektronik Audio-HiFi-Video 1/2003