Csak két akadálya van az elektromos autó áttörésének: a hideg és a meleg

Az átlagosnál hidegebb vagy melegebb hőmérséklet egyelőre még jelentősen befolyásolja nemcsak az elektromos motorok energiafogyasztását, az akkumulátorok hatékonyságát, hanem azok töltési idejét is. Míg a belső égésű motoroknál a folyamatos hűtés megoldása a kulcs, addig az elektromos autók esetében az lehet majd a cél, hogy az akkumulátort minél jobban izolálják a külső hőmérséklet-változásoktól. 

Ismert, hogy hideg télben nemcsak a téli gumik megléte előnyös, hanem más tényezők is szükségesek lehetnek a gördülékeny közlekedéshez. Benzinnel csak meglehetősen alacsony hőmérsékleten – a Közép-Európában kevéssé jellemző -40-50 ˚C alatt – válik nehézzé az indulás, a dízel használata azonban már ennél jelentősen magasabb hőmérsékleten is problémás. Nem véletlen, hogy a télidízel-reklámokban a hidegen van a hangsúly. A téli dízel összetétele ugyanis eltér a nyáritól: több benne a „fagyálló” adalék, pl. a kerozin, amely a -50 ˚C körüli hőmérsékletet is jól bírja, ezért jellemzően drágább is.

Kevesebben tudják, hogy a hideg más nehézségeket is okozhat: a csak lassan felmelegedő járművek problémája még réteges öltözködéssel kiküszöbölhető, és az ablakra fagyott zúzmara is inkább csak kellemetlen – az viszont, hogy hidegben a gépjármű-akkumulátorok teljesítménye is rosszabb, már kevésbé része a közgondolkodásnak. Pedig ez a hatás jelentős lehet: a 27 ˚C mellett 100 százalékos kapacitással bíró „tipikus” akkumulátorok (legyen szó belső égésű motorról vagy elektromos hajtásláncról, de akár információtechnológiai eszközök energiaforrásáról) kihasználható kapacitása már fagypont alatt érzékelhetően romlik. -5 ˚C hőmérsékleten pedig csupán 75-80 százalékos kapacitást tudnak biztosítani, vagyis a teljes töltöttség negyede-ötöde nem használható fel, növekvő belső ellenállással kísérve – tehát alacsonyabb teljesítményt nyújtanak. 

Az elemek összetétele, fajtája a változás mértékét módosíthatja, ahogy a használhatóságukhoz szükséges minimum-hőmérséklet sem azonos. Bizonyos körülmények között – alacsonyabb hatásfokkal ugyan, de – nikkel-kadmium (NiCd) és egyes lítiumion (Li-ion) elemek is képesek -40 ˚C-on működni, azonban a feltöltés ennél a hőmérsékletnél lényegében nem működik.

Egy másik elemzés szerint, amely a lítium-vas-foszfor-oxid (LiFePO4) bázisú akkumulátorok működését vizsgálja, a jelenség még ennél is szélsőségesebb lehet: -20 ˚C mellett csupán a maximális kapacitás 20 százalékát mérték. Szerencsére egy közelmúltbeli norvég EV-teszt nem mutatott ekkora kiesést, bár az optimálisan megtehető úthoz képest 32-51 százalékos kiesést jelzett – miközben nem tudjuk a pontos hőmérsékletet (csak azt, hogy havas, téli időben hajtották végre) és az akkumulátorok típusa is eltérhetett az elméleti tesztben vizsgálttól.

Az akkumulátorokat a meleg sem kíméli. Ahogy a fenti ábra is mutatja, a használható kapacitással nincs probléma, ám minél magasabb a hőmérséklet, annál gyakrabban kell tölteni az akkumulátort. Míg 20 ˚C-on vagy kicsit alatta optimális a helyzet, 30 ˚C mellett már 20 százalékkal, 45 ˚C mellett pedig 50 százalékkal rövidül az az idő, amikor újra töltésre lehet szükség. 

Az EV-k (elektromos járművek) körében is használt LiFePO4 bázisú elemnél becsült kapacitáskiesés mértéke különféle hőmérsékleteken 10 ˚C (283 K) és 60 ˚C (333 K) között ennél kisebb, de szintén jelentős mértékű, ráadásul a töltések számával növekvő mértékű. A 60 ˚C ugyan első olvasásra extrém magas értéknek tűnik, de ne felejtsük el, hogy a levegőnél gyakran lényegesen melegebb aszfalt és a napsugárzástól forró karosszéria között elhelyezkedő gépjármű-akkumulátor gyakran lehet kitéve ilyen hőmérsékletnek.

Sőt, jellemzően nemcsak a töltési ciklusok (a két töltés közti időtartam) hossza, hanem a teljes élettartam is csökken. Vagyis, ha egy akkumulátor kikerül a „komfortzónájából”, az vagy hatékonyságából, vagy élettartamából veszít.

A hideg, a meleg és az elektromos autók

Ezzel pedig el is érkeztünk a poszt központi kérdéséhez: hat-e a külső hőmérséklet az elektromos autók teljesítményére? A válasz természetesen igen, de legalább ilyen fontos megnézni, hogy miként hat.

Általában elmondható, hogy egy autónak megfelelő hőmérsékleti kezelésre van szüksége a működéséhez. Ennek a kifejlesztése a belső égésű motoroknál több mint száz évet vett igénybe: különböző hűtőrendszerek, illetve a hideg tűrésére használt adalékanyagok jöttek létre. Az EV-knél azonban ez még csak kialakulófélben van.

A probléma is eltérő: míg egy belső égésű motornál lényegében attól a pillanattól kezdve, hogy a motor elindult, a hűtésről kell gondoskodni, addig az EV esetében az optimális intervallum elérését kell célozni, amely lehet hidegebb – de akár melegebb is a külső hőmérsékletnél, mivel nem égési folyamat biztosítja a mozgáshoz szükséges energiát.

A töltés ráadásul még a használatnál is érzékenyebb a hőmérsékletre. Ha megfelelő hőmérsékleten használjuk, az elem hatékonysága vagy élettartama csökken ugyan, de többnyire nem lehetetlenül el. A töltés viszont csak bizonyos hőfokok között lehetséges. Persze ezek az intervallumok is viszonylag tágak, de érdemes két megjegyzést tenni: egyrészt a régebbi típusú elemeknél – pl. (ólom)savas, vagy nikkel-kadmium akkumulátorok – az intervallum szélesebb, másrészt viszont az extrém(ebb) hőmérsékleti viszonyok mellett lassabb a töltés.

Az optimális hőmérsékleti intervallum gyorstöltésre 10-30 ˚C közé esik, vagyis sem az igazán meleg nyár, sem a hidegebb ősz vagy a tél nem támogatja a gyorstöltést – kivéve persze, ha megfelelően temperált garázsban tudják alkalmazni, ami viszont az elektromos autók környezettudatosabb képével aligha összeegyeztethető. Ez is oka lehet annak, hogy Norvégiában, ahol nagy arányban vásárolnak és használnak EV-ket, és a töltési infrastruktúra is kiemelkedően fejlett, a rendszeresen gyorstöltést használók aránya csak 12 százalék egy ezt (is) firtató kérdőíves elemzés alapján.

„Üljön át másik gépjárműbe”

A fent leírtak súlyos dilemmákat vetnek fel: egy EV esetén nehezen megengedhető, hogy a teljes töltéshez adott névleges távolság megtételének csupán a tört részére legyen alkalmas. -10 fokban már hóvihar sem kell, hogy a készületlen, esetleg fedélzeti számítógépében nem bízó sofőrnek más autóba kelljen átszállnia mondjuk 50 kilométerre a céltól, amit egy töltéssel rendszerint simán elér.

A fent már hivatkozott norvégiai téli EV-teszt – ahogy írják magukról, a világ valaha volt legnagyobb téli EV-tesztje – árnyalja ezt a képet, ugyanis a teszteredmények alapján az autók az eredetileg használt NEDC-hez (New European Driving Cycle) képest lényegesen alacsonyabb WLTP (Worldwide harmonized Light-duty vehicle Test Procedure) töltési távolság 67-93 százalékát képesek megtenni téli utakon.

Meg kell azonban jegyezni, hogy az NEDC alapú megközelítés közelebb áll az ideális helyzetben elérhető maximális töltés mellett megtehető úthoz, így pedig a hatékonysági arányok már 49-68 százalékra módosulnak, sokkal közelebb az elméleti eredményekhez. Emellett az is problémás lehet, hogy az egyszeri autós, aki Teslával jár a Közel-Kelet gazdagabb vidékein, bőven a 8 éves garanciaidőn belül fog kopogtatni a szerviznél új autóért, mert az akkumulátor már 3-5 év alatt elvesztette az egy töltéssel elérhető maximális kapacitása több mint 20 százalékát.

Hosszabb távon tovább növeli az EV-knél az akkumulátorok hőmérséklet-érzékenységéről szerzett tapasztalat fontosságát, hogy akár villamosenergia-rendszerek optimalizálásában is hasznosítható lesz, mert az energiatárolásra használt berendezések is – legalább részben – hasonló elven működhetnek.

Halász György a MOL energia-közgazdásza, a Guruló Hordó blog szerzője.