Termin „samochód hybrydowy” z biegiem czasu zmieniał swoje znaczenie. Obecnie odnosi się ono niemal wyłącznie do pojazdów wyposażonych w benzynowy silnik spalinowy z silnikiem elektrycznym, co definiuje segment nowoczesnych samochodów ekonomicznych. Do lat 90. te oszczędne samochody były rzadkością. Toyota Prius zmieniła ten krajobraz, wypuszczając falę podobnych modeli Hondy i Forda, które pomogły w normalizacji ekologicznego stylu jazdy dla mas.
Ale historia miksu mocy sięga znacznie dalej niż Prius.
Wczesne eksperymenty z napędem mieszanym
Pod koniec XIX i na początku XX wieku przemysł samochodowy był „dzikim zachodem” metod napędu. Benzyna nie wygrała jeszcze wyścigu z energią elektryczną, parą wodną czy paliwami kopalnymi. Wynalazcy eksperymentowali bez ograniczeń. Specyficzny rodowód hybrydowych pojazdów elektrycznych (HEV) rozpoczął się tuż po przełomie wieków.
- 1900: Ferdinand Porsche zaprezentował Lohner-Porsche Elektromobil na Wystawie Paryskiej. Pierwotnie był to samochód całkowicie elektryczny, ale Porsche dodało silnik spalinowy do ładowania akumulatorów. Dzięki temu stał się pierwszym samochodem hybrydowym w historii.
- 1916: Firma Woods Motor Vehicle Company wypuściła Woods Dual Power. Był wyposażony w 4-cylindrowy silnik spalinowy i rozwijał prędkość maksymalną około 56 km/h. Nie udało się komercyjnie.
- 1968: General Motors zbudował GM XP 512, model eksperymentalny, który przełączał pomiędzy napędem elektrycznym przy niskich prędkościach a napędem benzynowym przy dużych prędkościach.
- 1973: Inżynier elektryk Victor Vuk zbudował prototyp HEV na podwoziu Buicka Skylarka z 1972 roku. Agencja Ochrony Środowiska (EPA) odmówiła finansowania dalszego rozwoju, a projekt upadł z powodu braku funduszy.
- 1989: Audi wprowadziło Audi Duo, będące połączeniem silnika elektrycznego o mocy 12 KM z silnikiem spalinowym o mocy 139 KM. Audi kontynuowało rozwój Duo przez całe lata 90-te.
Nowoczesna era adopcji hybrydowej
Lata 90. przyniosły pierwsze sukcesy na rynku masowym.
- 1997: Toyota wprowadziła na rynek Japonii Priusa; decyzja ta została podyktowana wewnętrznym wyzwaniem postawionym przez wiceprezesa wykonawczego Akihiro Wadiego, mającym na celu poprawę efektywności paliwowej.
- 1999: Honda weszła do gry dzięki Insightowi.
- 2000: Toyota sprowadziła Priusa do Stanów Zjednoczonych jako model z 2001 roku.
- 2002: Hybrydy stały się powszechne. Honda wprowadziła Accord Hybrid, a inni producenci poszli w jej ślady.
- 2004: Ford wypuścił Forda Escape 2005, pierwszego hybrydowego SUV-a.
Punktem odniesienia pozostaje Lohner-Porsche Elektromobil. Dowodzi, że dążenie do efektywnej, niskoemisyjnej jazdy nie jest nowym trendem zrodzonym ze współczesnej troski o środowisko. To stuletnie przedsięwzięcie inżynieryjne, które w latach 90. XX wieku znalazło wreszcie zastosowanie komercyjne. Wczesne prototypy były nieporęczne i drogie, ale podstawowa idea pozostała ta sama: po co polegać na jednym źródle zasilania, skoro można wykorzystać zarówno energię elektryczną, jak i spalanie?
Inżynieria hybrydowa Lohner-Porsche
Przejście od projektu czysto elektrycznego do projektu hybrydowego nie było tylko chwytem marketingowym; była to konieczność mechaniczna. Elektromobil borykał się z problemem ograniczonego zasięgu, który do dziś nęka nabywców pojazdów elektrycznych. Baterie tamtych czasów były ciężkie i szybko się rozładowywały. Porsche nie chciało nosić ze sobą ogromnych zestawów akumulatorów. Zamiast tego dodał mały silnik spalinowy do obracania generatora.
Takie rozwiązanie umożliwiło samochodowi ładowanie akumulatorów podczas jazdy. Nie była to hybryda równoległa, w której silnik benzynowy bezpośrednio obracał koła. To była seryjna hybryda. Silnik benzynowy istniał wyłącznie do wytwarzania energii elektrycznej. Koła nadal obracały się za pomocą tych samych silników elektrycznych w piastach z 1896 r. Maksymalna prędkość wynosiła 23 mil na godzinę (37 km/h), co było wartością przyzwoitą jak na pojazd miejski tamtej epoki.
Dlaczego zadziałało, skoro inne próby zawiodły? Efektywność. Odłączając silnik od skrzyni biegów, Porsche mogło pracować przy optymalnych prędkościach obrotowych silnika spalinowego niezależnie od prędkości pojazdu. Przenoszenie momentu obrotowego zapewniały silniki elektryczne w piastach. Było to eleganckie rozwiązanie problemu pojemności baterii.
Kto kupił pierwsze samochody hybrydowe?
Można by się spodziewać, że pierwszymi nabywcami będą przemysłowcy lub arystokraci. Jednak pierwsze udokumentowane zamówienie pochodziło od E.W. Harta z Luton w Anglii. Hart miał konkretne wymagania: chciał mieć napęd na cztery koła. Porsche spełniło jego prośbę. Zainstalował silniki we wszystkich czterech piastach.
Dzięki temu Elektromobil stał się podwójnym pionierem. Nie była to tylko pierwsza hybryda gazowo-elektryczna. Był to jeden z pierwszych produkowanych pojazdów z napędem na wszystkie koła, kilkadziesiąt lat przed tym, jak koncepcja ta stała się powszechna w SUV-ach. Harta nie interesował symbol statusu; kupował praktyczność. Napęd na wszystkie koła oznaczał lepszą przyczepność na błotnistych drogach. Z perspektywy czasu połączenie napędu elektrycznego i napędu na wszystkie koła było brutalistyczną formą kontroli trakcji.
Produkcja była skromna. Lohnerowi i Porsche udało się sprzedać około 300 sztuk. Po prostu wszystko. Trzysta samochodów na globalnym rynku, który szybko zakochiwał się w głośnych, śmierdzących, ale szybszych silnikach spalinowych. Elektromobil zniknął z powierzchni ziemi. Technologia nie zawiodła; Rynek poniósł porażkę.
Dlaczego idea hybryd zniknęła na sto lat
Po epoce Lohnera-Porsche’a koncepcja wykorzystania małego silnika do ładowania akumulatorów podczas jazdy odeszła z głównego nurtu. Na początku XX wieku nastąpił masowy zwrot w kierunku samochodów wyłącznie napędzanych benzyną. Na pompie były tańsze. Byli szybsi. Były głośniejsze, to prawda, ale publiczności to nie obchodziło. Zapach spalin zaczęto kojarzyć z postępem.
Przez prawie 100 lat szeregowa architektura hybrydowa leżała na technicznym śmietniku. Inżynierowie próbowali różnych opcji. Były patenty, były prototypy, ale nie było możliwości wprowadzenia ich na rynek masowy. Infrastruktura dla benzyny była zbyt mocno zakorzeniona. Koszt akumulatorów był zbyt wysoki. Złożoność zarządzania dwoma źródłami zasilania zniechęciła producentów, którzy chcieli prostych, nadających się do naprawy maszyn.
Czy Elektromobil zawiódł? Technicznie nie. Zrobił dokładnie to, do czego został zaprojektowany: transportował ludzi cicho i wydajnie. Po prostu to zrobił, zanim świat był skłonny zapłacić za ten przywilej. Pomysł wyprzedził swoją epokę o prawie 100 lat. To nie był ślepy zaułek; to było śpiące nasiono.
Od antycznej ciekawostki po bestseller Toyoty warty milion dolarów
Przebudzenie nie nastąpiło w próżni. Stało się to, gdy przepisy dotyczące ochrony środowiska i ceny paliw sprawiły, że stare kompromisy stały się nie do utrzymania. Toyota spojrzała wstecz na historię trakcji samochodowej. Dostrzegli logikę w układzie Lohner-Porsche. Ale zmodernizowali.
Toyota Prius, wprowadzona na rynek w Japonii w 1997 r. i na całym świecie w 2001 r., wykorzystała koncepcję sekwencyjnej hybrydy i rozwinęła ją w skalowalny produkt. Tam, gdzie Porsche wykorzystało generator ładowany przez silnik benzynowy do napędzania kół elektrycznych, Toyota stworzyła złożony układ napędowy, który bardziej dynamicznie mieszał moc wyjściową akumulatora i silnika. Do 2008 roku Toyota sprzedała milion Priusów.
Kontrast jest wyraźny. Lohner-Porsche Elektromobil znajduje się w muzeach lub pojawia się na wystawach samochodów zabytkowych jako ciekawostka z ceną odzwierciedlającą jego rzadkość. Prius był samochodem, który można było kupić u lokalnego dealera. Jednym z nich był eksperyment. Drugi stał się przemysłem.
Jednak bez tego wiedeńskiego konstruktora nadwozi i jego młodego partnera inżynieryjnego droga do Priusa mogłaby być inna lub dłuższa. Podstawowa logika wykorzystania silnika cieplnego do wspomagania elektrycznego układu napędowego została sprawdzona w 1900 roku. Po prostu została zapomniana. Jest to obecnie standard dla milionów osób dojeżdżających do pracy, które nigdy nie słyszały o E.W. Harcie ani o jego prośbie z Luton o napęd na wszystkie koła.
Jak w fabryce powstają akumulatory do samochodów hybrydowych
Linia montażowa wygląda całkiem standardowo. Taśmy przenośnikowe, windy, roboty i ludzie układający części na miejscu. Nic egzotycznego w organizmie. Prawdziwa złożoność leży w układzie elektrowni, a mianowicie w akumulatorze. Są to duże jednostki akumulatorowe, które wymagają znacznej przestrzeni projektowej i nie są produkowane na tej samej linii, co konwencjonalny blok silnika. Produkują je wyspecjalizowani producenci, głównie Panasonic i Sanyo w Japonii. Masz do czynienia z akumulatorami niklowo-wodorkowymi (NiMH) lub litowo-jonowymi (Li-ion).
Produkcja ogniwa litowo-jonowego jest procesem precyzyjnym i obarczonym wysokim ryzykiem. Wszystko zaczyna się od wlewka litu, który jest walcowany na arkusz o grubości zaledwie 0,01 cala (0,254 milimetra). Mechanizmy zwijają te ultracienkie arkusze w ciasno skręcone komórki. Następnie następuje etap nagrzewania. Nawinięte arkusze są wypalane w wysokich temperaturach, podczas gdy zautomatyzowany sprzęt natryskuje na powierzchnię stopiony metal. Ten etap nazywa się metalizacją. Po metalizacji kilka ogniw składa się w moduł, który stanowi podstawę hybrydowego systemu magazynowania energii.
Dlaczego mit o długu węglowym pojazdów hybrydowych jest błędny
Istnieje mocny argument, że zakup hybrydy takiej jak Toyota Prius naraża Cię na ogromny dług węglowy, którego nigdy nie spłacisz. Twierdzi się, że ilość CO2 wyemitowana podczas produkcji przekracza ilość CO2 zaoszczędzoną przez cały okres eksploatacji pojazdu. To prawda, jeśli spojrzysz tylko na fabryczne kominy. Ale matematyka się nie zgadza.
Według danych Toyoty Prius potrzebuje jedynie przejechania około 20 921 kilometrów, aby oszczędność emisji CO2 przekroczyła koszty produkcji.
Trzynaście tysięcy mil. To mniej niż jeden przeciętny rok działalności. Po tym momencie poziom emisji spalin w samochodzie jest niższy w porównaniu z podobnym sedanem benzynowym.
Inna wersja mitu skupia się na niklu w akumulatorach NiMH. Krytycy twierdzą, że dostarczanie niklu z kopalni do elektrowni powoduje spalanie tak dużej ilości energii, że jazda Hummerem zamiast Priusem może być bardziej wydajna. To niejasna historia, ale analitycy ją rozbili. Założenia leżące u podstaw tych obliczeń są błędne. Energia zaoszczędzona dzięki doskonałej efektywności paliwowej Priusa w całym okresie jego użytkowania znacznie przekracza koszty transportu i produkcji jego komponentów. Hybryda wygrywa, nawet jeśli weźmiemy pod uwagę logistykę surowców.
