Szerző: Halász György, energiaközgazdász

Míg a belső égésű motorok esetében a folyamatos hűtés megoldása a kulcs, addig az elektromos autók esetében a külső hőmérsékletváltozásoktól való minél jobb izoláció lehet majd a cél. Az átlagosnál hidegebb vagy melegebb hőmérséklet ugyanis egyelőre még jelentősen befolyásolja nemcsak a motorok energiafogyasztását, az akkumulátorok hatékonyságát, hanem azok töltési idejét is.

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

Kevésbé számon tartott ugyanakkor, 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 a gépjármű-akkumulátorok teljesítménye is rosszabb hidegben, már kevésbé része a közgondolkodásnak. 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 minimumhőmérséklet sem azonos. Bizonyos körülmények között nikkel-kadmium (NiCd) és egyes lítium-ion (Li-ion) elemek is képesek – alacsonyabb hatásfokkal ugyan, de – -40 ˚C-on is működni, azonban a feltöltés ennél a hőmérsékletnél lényegében nem működik.

Egy lítium-vas-foszfor-oxid (LiFePO₄) bázisú akkumulátorok működését elemző másik forrás szerint 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.

1. ábra: Az akkumulátorok használható kapacitása és a hőmérséklet

Forrás: J. Sun et al. (2014)

Az akkumulátorokat a meleg sem kíméli. Bár, ahogy az 1. 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, 45 ˚C mellett pedig 50 százalékkal rövidül az az idő, amikor újra töltésre lehet szükség . Az EV-k körében is használt LiFePO₄ bázisú elem elemzésénél 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, azonban ne felejtsük el, hogy a levegő hőmérsékleténél gyakran lényegesen melegebb aszfalt és – különösen sötétebb autóknál – erős napsugárzás hatására szintén jelentősen a külső hőmérséklet fölé melegedő karosszéria között elhelyezkedő gépjármű-akkumulátor könnyen szembesülhet ilyen hőmérséklettel.

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.

2. ábra: Az akkumulátorok kapacitáscsökkenése a hőmérséklet függvényében

Forrás: J. Sun et al. (2014)

Ezzel pedig el is érkeztünk a poszt központi kérdéséhez: hat-e a külső hőmérséklet az elektromos autók (EV-k) 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, de míg ez a belső égésű motorok esetén több mint egy évszázadon keresztül alakult ki (különböző hűtőrendszerekkel, illetve a hideg tűrésére használt adalékanyagokkal), addig az EV-knél ez még csak kialakulófélben van. Maga a kérdés 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 egy égési folyamat biztosítja a mozgáshoz szükséges energiát.

A töltés még a használatnál is érzékenyebb a hőmérsékletre. Míg a nem megfelelő hőmérsékleten folyó használat az elem hatékonyságát vagy élettartamát csökkenti ugyan, de többnyire nem lehetetleníti el, addig a töltés 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 tágabb, 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 az egyik oka lehet, hogy a nagy arányban EV-ket vásárló és használó és töltési infrastruktúráját tekintve is kiemelkedően fejlett Norvégiában is alacsony (12%) a rendszeresen gyorstöltést használók aránya egy ezt (is) firtató kérdőíves elemzés alapján.

A fent leírtak súlyos dilemmákat vetnek fel: egy EV esetén nehezen megengedhető, hogy a teljes töltéshez adott névleges távolság megtételének csupán a tört részére legyenek alkalmasak (avagy -10 fokban már hóvihar sem kell, hogy a készületlen, esetleg fedélzeti számítógépében nem bízó sofőrnek más autóba kelljen átszállnia mondjuk 50 km-re a céltól, amit egy töltéssel 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 távolsághoz mérten 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, amint az egyszeri, Közel-Kelet gazdagabb vidékein Teslát használó autós bőven a 8 éves garanciaidőn belül fog kopogtatni a szervíznél új autóért, mert az akkumulátor már 3-5 év alatt elvesztette az egy töltéssel elérhető maximális kapacitása több mint 20 százalékát.

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