Η βασική διαφορά δεν είναι η τεχνολογία, αλλά οι νόμοι της φυσικής: οι θερμικοί κινητήρες έχουν φτάσει στα φυσικά τους όρια, ενώ οι ηλεκτροκινητήρες κινούνται ήδη κοντά στο μέγιστο της ενεργειακής απόδοσης.
Η εξέλιξη των θερμικών κινητήρων έχει φτάσει σε εντυπωσιακά επίπεδα τις τελευταίες δεκαετίες. Με τη χρήση υπερσυμπιεστών, άμεσου ψεκασμού, μεταβλητού χρονισμού βαλβίδων και προηγμένων υλικών, οι κατασκευαστές έχουν πετύχει αποδόσεις που πριν από λίγα χρόνια θεωρούνταν αδύνατες. Κι όμως, όλα αυτά τα επιτεύγματα δεν μπορούν να ξεπεράσουν ένα βασικό εμπόδιο: τη θερμοδυναμική.
Οι θερμικοί κινητήρες, δηλαδή αυτοί που βασίζονται στην καύση καυσίμου (βενζίνης, πετρελαίου ή ακόμη και συνθετικών καυσίμων), υπόκεινται σε αυστηρούς φυσικούς περιορισμούς. Ο σημαντικότερος είναι ο κύκλος Carnot, μια θερμοδυναμική αρχή που περιγράφει το θεωρητικό μέγιστο ποσοστό μετατροπής της θερμικής ενέργειας σε μηχανική.
Η μέγιστη απόδοση ενός θερμικού συστήματος δίνεται από τη σχέση: η = 1 – (Tₗ / Tₕ), όπου:
- Tₗ είναι η θερμοκρασία στο «ψυχρό» άκρο (συνήθως το περιβάλλον ή το σύστημα ψύξης)
- Tₕ είναι η θερμοκρασία της καύσης
Αν για παράδειγμα η θερμοκρασία καύσης φτάνει τους 2.000 K και η θερμοκρασία απωλειών είναι 500 K, η θεωρητική μέγιστη απόδοση είναι 75%. Στην πράξη όμως, αυτή η τιμή δεν επιτυγχάνεται ποτέ.
Οι μηχανικές τριβές, οι θερμικές απώλειες, οι μη ιδανικές συνθήκες καύσης και οι περιορισμοί των υλικών ρίχνουν την πραγματική απόδοση πολύ χαμηλότερα. Οι σύγχρονοι κινητήρες diesel δύσκολα ξεπερνούν το 40–42%, ενώ οι βενζινοκινητήρες βρίσκονται συνήθως στο 30–35%.
Και αν κάποιος σκεφτεί ότι αρκεί να αυξηθεί η θερμοκρασία καύσης για να αυξηθεί η απόδοση, η απάντηση είναι πιο σύνθετη. Υψηλότερες θερμοκρασίες σημαίνουν:
- Μεγαλύτερες καταπονήσεις στα εξαρτήματα
- Αυξημένες ανάγκες ψύξης
- Περισσότερες εκπομπές ρύπων (ιδίως NOx)
- Υψηλότερο κόστος υλικών
Με άλλα λόγια, υπάρχει ένα τεχνολογικό και θερμοδυναμικό «ταβάνι» στην απόδοση των θερμικών κινητήρων.
Αντιθέτως, οι ηλεκτροκινητήρες δεν μετατρέπουν θερμότητα σε κίνηση, αλλά ηλεκτρική ενέργεια απευθείας σε μηχανική. Το βασικό λειτουργικό τους πλεονέκτημα βασίζεται στο ηλεκτρομαγνητικό φαινόμενο – όταν ένα ρεύμα διαρρέει έναν αγωγό μέσα σε μαγνητικό πεδίο, παράγεται δύναμη (δύναμη Lorentz) που προκαλεί περιστροφή. Αυτή η διαδικασία δεν περιλαμβάνει καύση και συνεπώς δεν περιορίζεται από τον κύκλο Carnot.
Η πραγματική απόδοση ενός ηλεκτροκινητήρα φτάνει συχνά το 90–95%, ακόμη και σε εφαρμογές μαζικής παραγωγής. Αν συνυπολογιστούν οι απώλειες του inverter, της μετάδοσης και των τριβών, η συνολική απόδοση από την μπαταρία έως τους τροχούς μπορεί να ξεπεράσει το 85%, πολύ πάνω από το 30–40% που προσφέρουν οι καλύτεροι θερμικοί κινητήρες.
Επιπλέον, ο ηλεκτροκινητήρας:
- Παράγει τη μέγιστη ροπή από μηδενικές στροφές
- Δεν απαιτεί περίπλοκο κιβώτιο ταχυτήτων
- Έχει ελάχιστες απαιτήσεις συντήρησης
- Δεν χρειάζεται σύστημα εξάτμισης ή λίπανσης
Από την άλλη πλευρά, δεν λείπουν οι προκλήσεις στην ηλεκτροκίνηση, όπως το βάρος των μπαταριών, η περιορισμένη αυτονομία ή η υποδομή φόρτισης. Όμως όλα αυτά είναι τεχνολογικά ζητήματα που εξελίσσονται με γοργούς ρυθμούς και έχουν περιθώριο βελτίωσης. Η ενεργειακή απόδοση όμως είναι φυσικά καθορισμένη – και σε αυτό το πεδίο ο ηλεκτροκινητήρας υπερέχει ξεκάθαρα.
Τι ισχύει για τα συνθετικά καύσιμα
Οι Ευρωπαίες εταιρείες προσπαθούν να διατηρήσουν τον θερμικό κινητήρα «ενεργό» μέσα από τη χρήση συνθετικών καυσίμων (e-fuels), τα οποία παράγονται με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Η ιδέα είναι να δημιουργηθούν υδρογονάνθρακες χωρίς εκπομπές CO₂ κατά την παραγωγή τους, ώστε να μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπάρχοντες θερμικούς κινητήρες χωρίς αλλαγές.
Ωστόσο, η ενεργειακή τους αλυσίδα είναι πολύ λιγότερο αποδοτική. Η παραγωγή ενός e-fuel περιλαμβάνει:
- Ηλεκτρόλυση νερού για παραγωγή υδρογόνου
- Σύλληψη CO₂ από τον αέρα ή τη βιομηχανία
- Σύνθεση των δύο σε υγρό καύσιμο μέσω Fischer-Tropsch ή παρόμοιες διεργασίες
Αυτές οι διαδικασίες έχουν χαμηλή συνολική απόδοση – λιγότερο από 15% της αρχικής ηλεκτρικής ενέργειας καταλήγει τελικά στους τροχούς, μέσω καύσης. Σε σύγκριση, η απευθείας φόρτιση μιας μπαταρίας οδηγεί σε συνολική απόδοση άνω του 70%. Άρα, παρότι τα συνθετικά καύσιμα είναι «καθαρά» σε επίπεδο CO₂, δεν είναι αποδοτικά ενεργειακά.
Η θερμική τεχνολογία δεν μπορεί να ξεπεράσει τη φυσική
Κάποιοι Κινέζοι κατασκευαστές, συνεχίζουν να εξελίσσουν εξαιρετικά αποδοτικούς θερμικούς κινητήρες, και πράγματι τα αποτελέσματα είναι εντυπωσιακά. Παρόλα αυτά, δεν μπορούν να ξεπεράσουν τους φυσικούς περιορισμούς.
Ο μόνος τρόπος να αυξηθεί η συνολική απόδοση είναι μέσω υβριδικών λύσεων, όπως τα Plug-in Hybrid (PHEV) ή τα Extended Range EV (EREV), όπου ο θερμικός κινητήρας λειτουργεί αποκλειστικά για φόρτιση, ενώ η κίνηση γίνεται από τον ηλεκτροκινητήρα. Ακόμη κι εκεί όμως, οι απώλειες του θερμικού συστήματος υπάρχουν – απλώς μεταφέρονται σε διαφορετικό στάδιο.
Συμπέρασμα
Η απόδοση ενός συστήματος μετάδοσης ισχύος δεν είναι απλώς ζήτημα μηχανολογίας, είναι θέμα φυσικής. Και η φυσική είναι σαφής: κάθε φορά που μετατρέπεται θερμότητα σε κίνηση, υπάρχουν απώλειες που δεν μπορούν να εξαλειφθούν. Αντιθέτως, η ηλεκτρική ενέργεια μετατρέπεται σχεδόν άμεσα σε κινητική, με ελάχιστες απώλειες.
Όσο κι αν οι θερμικοί κινητήρες βελτιωθούν, δεν μπορούν να σπάσουν αυτό το «ταβάνι». Γι’ αυτό και η μετάβαση στην ηλεκτροκίνηση δεν είναι απλώς θέμα εκπομπών ή κανονισμών, είναι αποτέλεσμα θεμελιωδών αρχών. Το μέλλον, τουλάχιστον από την πλευρά της ενεργειακής απόδοσης, ανήκει στον ηλεκτροκινητήρα.
-
-
-
-
-
-
