Το παρακάτω πόνημα μπορεί να μην είναι πρόσφατο (Αύγουστος του 2016) και φυσικά η τεχνολογία και η ηλεκτροκίνηση να έχουν προχωρήσει αρκετά έκτοτε. Ωστόσο, αποτελεί μια πολύ ενδιαφέρουσα ακαδημαϊκή εργασία και πάντα στο Getelectric.gr χαιρόμαστε να φιλοξενούμε άρθρα αναγνωρισμένων επιστημόνων, εξειδικευμένων τεχνικών και στελεχών της βιομηχανίας που βοηθούν στο να εμβαθύνουμε στον κόσμο της ηλεκτροκίνησης. Ως εκ τούτου, θεωρούμε οτι θα βρείτε το περιεχόμενο αρκετά ενδιαφέρον, είτε είστε “αρχάριος” στην ηλεκτροκίνηση, είτε ασχολείστε χρόνια με τον κλάδο. Αν μη τι άλλο, μας θυμίζει και που ήμασταν το 2016 σε σχέση με σήμερα! Ευχαριστούμε τον συγγραφέα για την άδεια της αναδημοσίευσης.


Διονύσης Μητρόπουλος,

Φυσικός ΕΚΠΑ, M.Sc. Τεχνολογία Καυσίμων – Συστήματα Ενέργειας

Αφορμή για το γράψιμο της παρούσας εργασίας ήταν η … κατάργηση της διδασκαλίας του ηλεκτρομαγνητισμού στο Λύκειο! Γενιές μαθητών μας δεν άκουσαν και δεν θα ακούσουν τίποτε στο σχολείο για τις γεννήτριες ηλεκτρικού ρεύματος και τους ηλεκτρικούς κινητήρες, αλλά και γενικότερα για τα ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα που πάνω τους στηρίχτηκε ολόκληρος ο τεχνολογικός μας πολιτισμός.

Στόχος της εργασίας ήταν να δώσω μια εικόνα της εξέλιξης του ηλεκτροκίνητου αυτοκινήτου, ιστορικά και μέχρι σήμερα. Επισημαίνεται ότι όλες οι πληροφορίες που περιέχονται στο κείμενο προήλθαν από αναζήτηση στο διαδίκτυο, με κύρια ίσως πηγή τα σχετικά άρθρα της Wikipedia αλλά και δεκάδες άλλες σχετικές ιστοσελίδες και δεν δύναμαι να εγγυηθώ για την ακρίβειά τους. Ιδιαίτερα στα στοιχεία που προέρχονται από επιστημονικές έρευνες / μελέτες συνάντησα σχετική διακύμανση, ανάλογα με τη χώρα προέλευσης και τις επιλογές και στόχους των ερευνητών. Όσο μπορούσα, προσπάθησα να «στρογγυλεύσω» και να κρατήσω μια ισορροπία, δεδομένου ότι δεν ενδιέφερε μια εμπεριστατωμένη και λεπτομερής αναφορά, αλλά μια σκιαγράφηση της γενικότερης εικόνας. Γι’ αυτό και δεν έχω συμπεριλάβει βιβλιογραφία. Ελπίζω τέλος να μην παραβίασα, άθελά μου, κάποια δικαιώματα, ιδιαίτερα με τις εικόνες. Η εκπόνηση της εργασίας δεν αποβλέπει προφανώς σε χρηματικό όφελος, αλλά έγινε με σκοπό την ενημέρωση των μαθητών και των συναδέλφων εκπαιδευτικών της σχολικής κοινότητας.

ΤΟ ΗΛΕΚΤΡΟΚΙΝΗΤΟ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΟ

  1. I. ΤΑ ΧΡΟΝΙΑ ΤΗΣ ΑΘΩΟΤΗΤΑΣ

Η ιδέα της ηλεκτροκίνησης δεν είναι καινούργια όπως ίσως θεωρούν μερικοί, αλλά έχει τις ρίζες τις στις αρχές του 19ου αιώνα, μαζί με τα παιδικά χρόνια της ζωής του αυτοκινήτου.

Η εποχή της αυτοκίνησης οριοθετήθηκε με την ανακάλυψη της ατμομηχανής το 1801. Η ιδέα της ηλεκτροκίνησης εμφανίστηκε δειλά το 1828 και, μέχρι το τέλος του 19ου αιώνα, ένας μεγάλος αριθμός επιστημόνων / μηχανολόγων / ερευνητών κατοχύρωσε δεκάδες ευρεσιτεχνίες, προωθώντας την εξέλιξη κινητήρων και μπαταριών, με πρώτες χώρες στην Ευρώπη την Αγγλία και τη Γαλλία να στηρίζουν την εξάπλωσή της. Οι ΗΠΑ ακολούθησαν με μικρή καθυστέρηση και την περίοδο 1890 – 1930 η ηλεκτροκίνηση έφτασε σε περίοδο ωριμότητας.

Αν και καταγράφηκαν πολλές πρώϊμες προσπάθειες, πρακτικά ο κινητήρας εσωτερικής καύσης εμφανίστηκε το 1885, δηλαδή 50 χρόνια αργότερα από τον ηλεκτρικό, με αρκετά μειονεκτήματα σε σχέση με αυτόν (τουλάχιστον τα πρώτα χρόνια της περιόδου 1890 – 1930). Ως καύσιμο μάλιστα χρησιμοποιήθηκε ότι υπήρχε στην εποχή, φυτικά έλαια, λάδι φάλαινας, καμφένιο (C10H16), παραφίνη, ξυλόπνευμα, αιθυλική αλκοόλη, κλπ. μέχρι την επικράτηση, τα πρώτα χρόνια του 20ου αιώνα, της βενζίνης και του πετρελαίου, παράλληλα με την εντατικοποίηση της εξόρυξής του. Η αιθυλική αλκοόλη πάντως παρέμεινε για αρκετό καιρό στο προσκήνιο ως καύσιμο, μόνη της ή σε μίγμα με βενζίνη για την αύξηση του αριθμού οκτανίων.

Ο Thomas Edison με ένα Detroit Electric 47 (1914)

Έτσι, στις αρχές του 20ου αιώνα, επί του συνόλου των αυτοκινήτων στις ΗΠΑ, το 40% περίπου ήταν ατμοκίνητα, το 22% βενζινοκίνητα και το 38% ηλεκτροκίνητα, δημοφιλή στις πιο εύπορες τάξεις και στο γυναικείο φύλο, λόγω της άμεσης εκκίνησης (χωρίς μανιβέλα!), της έλλειψης θορύβου και συχνά και κιβωτίου ταχυτήτων, καθώς και της καθαρής και άοσμης λειτουργίας. Σε μια εποχή μάλιστα που τα ψυγεία λειτουργούσαν ακόμα με … γκάζι!

Bersey Cab, ηλεκτρικό ταξί, Λονδίνο 1897

Ανάλογη αν και μικρότερη αποδοχή είχαν τα ηλεκτροκίνητα και στην Ευρώπη. Η πρώτη Porsche που κατασκευάστηκε ήταν ηλεκτρική (P1, 1898) και αργότερα βγήκε και υβριδική έκδοση.

Στο Λονδίνο, στη Νέα Υόρκη, στο Βερολίνο κυκλοφόρησαν ηλεκτροκίνητα ταξί και πολλές εταιρείες διανομής υιοθέτησαν την ηλεκτροκίνηση στα οχήματά τους. Η ηλεκτροκίνηση άρχισε να καθιερώνεται επίσης στις αστικές συγκοινωνίες (τρόλεϊ, τραμ), σιδηροδρόμους, κλπ., σε οχήματα σταθερής τροχιάς δηλαδή όπου δεν υπήρχαν οι περιορισμοί της χρήσης μπαταριών.

Porsche P1 electric, 1898

Οι μπαταρίες της εποχής ήταν επαναφορτιζόμενες μολύβδου (Pb-οξέος, Gaston Planté 1859) ή / και αργότερα νικελίου–σιδήρου (Ni-Fe, Thomas Edison 1901).

Οι ηλεκτροκινητήρες είχαν τυπικά ισχύ 1–8 ίππων, η μέγιστη ταχύτητα ήταν 15–35 km/h και η αυτονομία 50–130 km με κάθε φόρτιση, δυνατότητες δηλαδή που κάλυπταν τις ανάγκες της εποχής, με τους τραχείς δρόμους και τα φτωχά οδικά δίκτυα.

  1. II. ΤΟ ΧΡΟΝΙΚΟ ΤΗΣ ΠΤΩΣΗΣ

Οι ραγδαίες εξελίξεις στις αρχές του 20ου αιώνα οδήγησαν σταδιακά στην πλήρη εξαφάνιση της ηλεκτροκίνησης μέχρι το 1935. Οι πιο σημαντικοί παράγοντες ήταν:

α) Η εξέλιξη των κινητήρων εσωτερικής καύσης, που έκανε ευκολότερη τη χρήση τους.

Καθοριστικός σταθμός ήταν η εφεύρεση της μίζας από τον Charles Kettering to 1912 και η καθιέρωσή της για πρώτη φορά στις Cadillac της General Motors. Ο Kettering ήταν και ο εμπνευστής του ολοκληρωμένου ηλεκτρικού συστήματος (μίζα, δυναμό / μπαταρία, ηλεκτρικό σύστημα ανάφλεξης / φωτισμού) των αυτοκινήτων.

Charles Kettering, TIME 1933

Μεταξύ άλλων, ήταν επίσης ο υπεύθυνος για την προσθήκη μολύβδου στη βενζίνη με στόχο την αύξηση της απόδοσης των κινητήρων (αύξηση του λόγου συμπίεσης), καθώς και για την εξέλιξη και χρήση των διαφόρων CFC ως ψυκτικών (Freon), κατοχυρώνοντας συνολικά 186 ευρεσιτεχνίες. Βλέπετε, οι … περιβαλλοντολογικές ευαισθησίες της εποχής ήταν ανύπαρκτες.

β) Η ανάπτυξη των οδικών δικτύων, βελτίωση / εξάπλωση, έκανε επιτακτικότερη την ανάγκη για την αύξηση της χιλιομετρικής εμβέλειας και της ταχύτητας των οχημάτων. Η οικιακή χρήση ηλεκτρικής ενέργειας ήταν ακόμα περιορισμένη στα μεγάλα αστικά κέντρα, προνόμιο των ευπορότερων τάξεων, ενώ η πλειοψηφία χρησιμοποιούσε γκάζι. Στην ύπαιθρο η ηλεκτροδότηση ήταν σχεδόν ανύπαρκτη. Η επαναφόρτιση μπαταριών, ιδιαίτερα στην ύπαιθρο ήταν πολύ δυσχερής.

Διαφήμιση της Detroit Electric, 1912

γ) Ιδιαίτερα στις ΗΠΑ, η ανακάλυψη και εξόρυξη μεγάλων ποσοτήτων αργού πετρελαίου στο Τέξας και αλλού οδήγησε σε μείωση της τιμής της βενζίνης. Ενδεικτικά, γύρω στο 1920 η βενζίνη κόστιζε 5 cents το γαλόνι, που αντιστοιχούσε χονδρικά σε $ 0,2–0,4 / 100km. Απ’ την άλλη, με τιμή περίπου 20 cents ανά kWh για τη φόρτιση των μπαταριών, το αντίστοιχο κόστος ήταν $ 0,4–0,8 / 100km για τα ηλεκτροκίνητα, στο οποίο πρέπει να συνεκτιμηθεί και η έλλειψη υποδομής έξω από τα μεγάλα αστικά κέντρα, αλλά και η χρονοβόρα (ακόμα και σήμερα) διαδικασία φόρτισης.

δ) Ο καθοριστικότερος όμως κατά πολλούς παράγοντας ήταν η επιθετική οικονομική πολιτική που υιοθετήθηκε από τις εταιρείες εξόρυξης αργού πετρελαίου, αλλά και τις αυτοκινητοβιομηχανίες, από την αρχή του 20ου αιώνα με στόχο την εγκαθίδρυση του σύγχρονου μοντέλου ανάπτυξης. Στην πολιτική «φτηνό αυτοκίνητο για όλους» η ηλεκτροκίνηση δεν είχε θέση. Το μερίδιο αγοράς ήταν τεράστιο για να τις αφήσει αδιάφορες.

Διαφήμιση της Baker Electric, 1919

Ή ειρωνεία είναι ότι η έκρηξη της εξάπλωσης του κινητήρα εσωτερικής καύσης έγινε μέσα από τη συνεργασία Thomas Edison (μπαταρίες) και Henry Ford (αμάξωμα) για τη μαζική παραγωγή ενός φτηνού ηλεκτρικού αυτοκινήτου «για το λαό». Ο Ford είχε καθιερώσει από το 1908 τη γραμμή συναρμολόγησης στο εργοστάσιό του για τα πρώτα Ford Model T μειώνοντας το κόστος παραγωγής. Η συνεργασία με τον Edison απέβλεπε στην προμήθεια μπαταριών για κατασκευή ηλεκτροκίνητου μοντέλου. H συνεργασία δεν ήταν επιτυχής, και ο Ford επένδυσε τελικά στην παραγωγή του βενζινοκίνητου Model T (1908–1927, 15 εκατομμύρια κομμάτια, γνωστό στην Ελλάδα ως Ford «μουστάκια»).

Η αποτυχία της συνεργασίας, αποδόθηκε στην αδυναμία του εργοστασίου του Edison να προμηθεύσει τις αναγκαίες ποσότητες μπαταριών. Κακές γλώσσες λένε όμως ότι τα απανωτά «ατυχήματα και ζημιές» που συνέβησαν στο εργοστάσιό του δεν ήταν τυχαία … Φήμες λένε επίσης ότι καταλυτική ήταν και η πειθώ του εκατομμυριούχου John Rockefeller, ιδρυτή της Standard Oil Company, πάνω στον Ford.

Διαφήμιση της Ford, 1915

ε) Τέλος, η τιμή αγοράς ενός ηλεκτροκίνητου αυτοκινήτου κρατήθηκε περίπου τριπλάσια – τετραπλάσια από αυτή του αντίστοιχου συμβατικού, με αποτέλεσμα να είναι απαγορευτική για την πλειοψηφία του κόσμου. Το «αυτοκίνητο για όλους» βενζινοκίνητο Model T του Ford έφτασε στις ΗΠΑ το 1915–1917 τη χαμηλότερη τιμή του των $ 350, σε σχέση με τα πάνω από $ 1.700 για ένα ηλεκτροκίνητο της εποχής.

Έτσι, μετά και τη μεσολάβηση του κραχ του 1929, μέχρι το 1935 εξαφανίστηκαν όλες οι εταιρείες παραγωγής ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Στο πλαίσιο της … ιδιωτικής πρωτοβουλίας, οι μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες φρόντισαν να εξαφανίσουν κάθε ίχνος ηλεκτροκίνησης. Η General Motors για παράδειγμα σε συνεργασία με εταιρείες ελαστικών και πετρελαίου, εξαγόρασε στις ΗΠΑ κατά τη δεκαετία του 1940 την πλειοψηφία των ηλεκτρικών εταιρειών μαζικής μεταφοράς των αστικών κέντρων, ξήλωσε όλη την ηλεκτρική υποδομή και αντικατέστησε τα ηλεκτρικά οχήματα (τραμ) με πετρελαιοκίνητα λεωφορεία («The streetcar conspiracy – Η συνομωσία των τραμ»).

Τραμ της Pacific Electric για την πρέσα, Λος Άντζελες 1956

Οι αμερικάνικες αυτοκινητοβιομηχανίες επεκτάθηκαν στην Ευρώπη και στη διεθνή αγορά. Σταδιακά αναπτύχθηκαν και η ιαπωνική, η κορεάτικη και η κινέζικη αυτοκινητοβιομηχανία.

Για τα χρόνια του Μεσοπολέμου και του 2ου Παγκοσμίου Πολέμου έχουν γραφτεί πολλά για τα οικονομικά και οικολογικά σκάνδαλα των εταιρειών πετρελαίου και των μεγάλων αυτοκινητοβιομηχανιών, για τις μονοπωλιακές μεθόδους τους, ακόμα και για τις συνεργασίες τους με τη Ναζιστική Γερμανία του Χίτλερ.

Η εξέλιξη της τιμής του πετρελαίου

Οι Επτά Αδελφές κατάφεραν μετά τον πόλεμο και μέχρι τη δεκαετία του 1970 να ελέγξουν το 85% των αποθεμάτων πετρελαίου διεθνώς, οπότε και πέρασε ο έλεγχος στον OPEC.

Το ηλεκτρικό αυτοκίνητο θάφτηκε για σαράντα σχεδόν χρόνια, μέχρι την πετρελαϊκή κρίση του 1973.

III. ΤΑ ΝΕΩΤΕΡΑ ΧΡΟΝΙΑ

Οι ολοένα και αυξανόμενες απαιτήσεις για έλεγχο και περιορισμό της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, καθώς και η ανάγκη περιορισμού της εξάρτησης των μεταφορών από το πετρέλαιο, άρχισαν να ξαναφέρνουν σταδιακά στο προσκήνιο το ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο. Εμφανίστηκε για λίγο, αμέσως μετά τον πόλεμο, λόγω εφαρμογής δελτίου καυσίμων στην Ευρώπη και στην Ιαπωνία. Το 1960 υπήρξε μια συνεργασία της Boeing και της General Motors για τη σχεδίαση του σεληνιακού οχήματος. Το ενδιαφέρον άρχισε να αναζωπυρώνεται σποραδικά μετά το 1960 και κυρίως μετά την κρίση του 1973.

Henney Kilowatt, 1959

Μετά τη δεκαετία του 1970 άρχισε να συστηματοποιείται η έρευνα αρχικά πάνω στο υβριδικό και αργότερα στο ηλεκτρικό αυτοκίνητο.

Μεμονωμένες συνεργασίες υπήρξαν και νωρίτερα, όπως π.χ. το 1959–1960  στις ΗΠΑ, από την Henney Coachworks και την National Union Electric που κατασκεύασαν το Henney Kilowatt σε 40 μόνο αντίτυπα, βασισμένο στο αμάξωμα του Renault Dauphine, με ηλεκτρικό κινητήρα 7 HP και αυτονομία περίπου 100 km.

Το 1982 κατασκευάστηκε το πρώτο υβριδικό από τη General Electric, το HTV1, με παράλληλη διάταξη βενζινοκινητήρα 60 HP και ηλεκτροκινητήρα (ίδια με τo μεταγενέστερο Toyota Prius). Η παραγωγή του σκόνταψε όμως στην πολιτική της κυβέρνησης Ronald Reagan που με την απελευθέρωση των τιμών του πετρελαίου, άνοιξε πάλι την όρεξη στις πετρελαϊκές εταιρείες.

General Electric HTV1, 1982

Το 1989 η Audi κατασκευάζει το υβριδικό Duo σε περιορισμένη παραγωγή και το 1997 το Duo III σε κανονική παραγωγή.

Το 1997 κυκλοφορεί το Toyota Prius πρώτα στην ιαπωνική αγορά.

Το 1990 πέρασε στην Καλιφόρνια νόμος που υποχρέωνε τις αυτοκινητοβιομηχανίες στην κατασκευή και διάθεση στην πολιτεία, ενός αυτοκινήτου «μηδενικών ρύπων». Η General Motors ετοίμασε μέχρι το 1996 και διέθεσε στην αγορά το ηλεκτρικό μοντέλο EV1.

General Motors EV1, 1996–2003

Στο μεταξύ όμως οι μηνύσεις και πιέσεις από μέρους των εταιρειών οδήγησαν στη χαλάρωση του νόμου από «μηδενικών ρύπων» σε «χαμηλών ρύπων», ώστε να δίνει χώρο και στα υβριδικά αυτοκίνητα ή σε όσα χρησιμοποιούσαν υδρογόνο / φυσικό αέριο ως καύσιμο.

Το EV1 είχε αμάξωμα αλουμινίου με πολύ χαμηλό συντελεστή οπισθέλκουσας Cd = 0.19, μπαταρίες Pb-οξέος στην αρχή και αργότερα Ni-MH, ισχύ 137 HP στις 7.000 rpm και αυτονομία 130–225 km ανάλογα με την έκδοση. Η διάθεσή του έγινε όμως μόνο μέσω τριετούς leasing, χωρίς δυνατότητα εξαγοράς, έναντι περίπου $ 34.000, για τα περίπου 1.100 αυτοκίνητα που παρήχθησαν. Το  2003 η General Motors ακύρωσε το πρόγραμμα EV1 ως μη κερδοφόρο και άρχισε μαζική ανάκληση των αυτοκινήτων, παρά τις αντιδράσεις των πελατών, που τα ήθελαν, και πολλών οικολογικών οργανώσεων. Με εξαίρεση 40 αντίτυπα που δώρισε σε μουσεία και πανεπιστήμια, αφού τα απενεργοποίησε, τα υπόλοιπα κατέληξαν στην πρέσα! Σε ντοκιμαντέρ αμερικανικής παραγωγής 2006 με τον τίτλο «Who killed the electric car?» παρουσιάζονται οι αιτίες και οι πιθανοί υπαίτιοι για τη διακοπή του προγράμματος. Η General Motors κατηγορήθηκε ότι δέχτηκε πιέσεις από τις μεγάλες πετρελαϊκές εταιρείες που σαμποτάριζαν την παραγωγή ηλεκτρικών οχημάτων.

Τιμή πετρελαίου 2003 – 2008 (ΝΥΜΕΧ)

Εκτός από το EV1, άλλοι κατασκευαστές κυκλοφόρησαν στην Καλιφόρνια ηλεκτροκίνητες εκδόσεις συμβατικών μοντέλων τους. Ενδεικτικά παραδείγματα είναι τα Chrysler TE Van, Ford Ranger, General Motors S10, Honda EV Plus, Nissan Altra και Toyota RAV4. Στο Nissan Altra χρησιμοποιήθηκαν για πρώτη φορά μπαταρίες Li-ion. Οι αυτοκινητοβιομηχανίες κατηγορήθηκαν για συμμόρφωση μεν στο νόμο ώστε να μείνουν στην αγορά, χωρίς όμως να παρέχουν την απαραίτητη υποστήριξη στους πελάτες, με στόχο να δημιουργηθεί εντύπωση κλίματος δυσαρέσκειας προς την ιδέα της ηλεκτροκίνησης, σε συμφωνία με τις πετρελαϊκές εταιρίες που ασκούσαν πιέσεις. Η Honda μάλιστα εφάρμοσε παρόμοια πολιτική leasing με αυτή της General Motors για το EV1. Σταδιακά και παρά τις διαμαρτυρίες των κατόχων οι εταιρείες κατάφεραν να αποσύρουν τα ηλεκτροκίνητα και να καταστρέψουν τα πιο πολλά από αυτά, με εξαίρεση την Toyota η οποία ικανοποιώντας τις αντιδράσεις διέθεσε στην αγορά το υπόλοιπο στοκ των ηλεκτροκίνητων RAV4 και παρέχει υποστήριξη μέχρι σήμερα.

Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1990 η τιμή του αργού πετρελαίου, αυτορυθμιζόμενη από τον πληθωρισμό, κυμάνθηκε γενικά (NYMEX) κάτω από $ 25 / βαρέλι. Από τις αρχές της δεκαετίας του 2000, διάφοροι παράγοντες όπως η ένταση στη Μ. Ανατολή, η αυξανόμενη ζήτηση από την Κίνα, η πτώση του δολαρίου, η αβεβαιότητα σχετικά με τα παγκόσμια αποθέματα πετρελαίου και τους ρυθμούς εξόρυξης και φυσικά η κερδοσκοπία, προκάλεσαν μια σταδιακή αύξηση της τιμής μέχρι τα $ 150 / βαρέλι στα μέσα 2008 (γνωστή και ως πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας του 2000). Στη συνέχεια η παγκόσμια οικονομική ύφεση και η συρρίκνωση της ζήτησης προκάλεσε μια βύθιση μέχρι το τέλος του 2008 στα $ 32 / βαρέλι και στη συνέχεια μια διακύμανσή για μια εξαετία μεταξύ $ 70–120 / βαρέλι, μέχρι την επάνοδό της σήμερα στα επίπεδα του 2003.

Έτσι κατά τη δεκαετία του 2000 αναζωπυρώθηκε πάλι το ενδιαφέρον για τα υβριδικά και τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Οι πωλήσεις του Toyota Prius στην Αμερική εκτοξεύθηκαν, και πολλοί κατασκευαστές άρχισαν να κατασκευάζουν πρωτότυπα ηλεκτρικών αυτοκινήτων.

Η απροθυμία των μεγάλων αυτοκινητοβιομηχανιών να συμμετέχουν, επέτρεψε σε πολλούς νέους κατασκευαστές να πάρουν ένα μερίδιο αγοράς, κυρίως στην κατηγορία των Neighborhood Electric Vehicles (NEV, ΗΠΑ) ή Motorised Quadricycles (Ευρώπη). Ενδεικτικά: Reva Electric (Ινδία), Global Electric Motorcars (GEM, ΗΠΑ), ElbilNorge AS (Νορβηγία), Think Global (Νορβηγία) κλπ.

Μικρά ηλεκτροκίνητα της δεκαετίας του 2000

Το 2006 η νεοσυσταθείσα (2003, ΗΠΑ) Tesla Motors έβγαλε σε παραγωγή το Tesla Roadster το πρώτο ηλεκτροκίνητο μοντέλο της. Βασισμένο στη Lotus Elise, το Roadster είναι το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο που τάραξε τα νερά και «έδειξε τα δόντια του» στα εξωτικά σπορ βενζινοκίνητα, κυρίως λόγω της εκρηκτικής του επιτάχυνσης. Τα χαρακτηριστικά του λίγο πιο αναλυτικά (ανάλογα με την έκδοση) ήταν:

Κινητήρας – μετάδοση: τριφασικός ισχύος 185–215 kW (248–288 HP), 14.000 rpm (max), ροπή στρέψης 270–400 Nm (σταθερή από 0–6.000 rpm), αερόψυκτος, βάρος 32 kg, κιβώτιο μετάδοσης μίας σχέσης.

Tesla Roadster 2006

Μηχανική απόδοση: μπαταρία → τροχοί 88–90%, 80% σε μέγιστη ισχύ.

(Για σύγκριση, βενζινοκινητήρας: ρεζερβουάρ → τροχοί περίπου 18%.)

Μπαταρία (ESS, Energy Storage System): 6.831 στοιχεία Li-ion (τύπου 18650) σε μικτή σύνδεση 375 Volt, με συστήματα προστασίας / υδρόψυξης, βάρος 450 kg, χωρητικότητα 53 kWh (πλήρως φορτισμένη, πυκνότητα ενέργειας 0,37 kWh/L, ειδική ενέργεια 0,12 kWh/kg), αναμενόμενη ζωή 7 έτη / 160.000 km.

Φόρτιση: ταχεία < 4 h (240V/70A), κανονική 7 h (240V/40A).

Συνολικό βάρος: 1.305 kg (6–7 kg/kW ή 4,5–5,3 kg/HP)

Επιδόσεις: επιτάχυνση 0–100 km/h σε 3,7–3,9 s , μέγιστη ταχύτητα 201 km/h (ηλεκτρονικά περιοριζόμενη).

Αυτονομία: ανά φόρτιση 360–390 km (μέγιστη επιτευχθείσα σε δοκιμή 505 km).

Κατανάλωση ενέργειας (ενδεικτική): μπαταρία → τροχοί 0,15 kWh/km, πρίζα → τροχοί 0,20 kWh/km (η διαφορά προκύπτει από την απόδοση του φορτιστή, της τάξης του 75%).

Θεωρώντας για τη βενζίνη μια ενεργειακή πυκνότητα περίπου 9 kWh/L, προκύπτει ισοδύναμη κατανάλωση «ρεζερβουάρ» → τροχοί 1,7 L/100km και 2,2 L/100km αντίστοιχα.

Βασική τιμή: $ 109.000 (ΗΠΑ), € 99.000 (Ευρώπη).

Τιμή αντικατάστασης μπαταρίας: $ 36.000 (ή προπληρωμή $ 12.000 στην εταιρεία για αντικατάσταση σε 7 χρόνια).

Προφανώς το Tesla είναι μια ειδική περίπτωση ακριβού ηλεκτρικού αυτοκινήτου και αντικατοπτρίζει την αιχμή της τεχνολογίας αυτή τη χρονική περίοδο, καθιερώνοντας τις συστοιχίες μπαταριών Li-ion, και προσφέροντας για πρώτη φορά αυτονομία πάνω από 320 km. Παρά το κόστος, κατά την περίοδο 2008 – 2012, οπότε και σταμάτησε η παραγωγή του μοντέλου, πουλήθηκαν 2.500 κομμάτια σε 31 χώρες.

Σύγκριση μεγέθους

Φαίνεται ότι το Roadster λειτούργησε σαν καταλύτης για τις μεγάλες αυτοκινητοβιομηχανίες που έβλεπαν να χάνουν πίττα, αναδεικνύοντας την αύξηση ζήτησης για πιο αποδοτικά ηλεκτρικά αυτοκίνητα, ώστε να τις ωθήσει να αρχίσουν να μπαίνουν στο παιχνίδι από τα μέσα της δεκαετίας του 2000. Παράλληλα, η πετρελαϊκή κρίση της δεκαετίας αυτής, η οικονομική ύφεση καθώς και η ανάγκη για καθαρότερο περιβάλλον και για εξοικονόμηση καυσίμων, συνέτειναν στη στοχοποίηση των ενεργοβόρων SUV, και στην ολοένα και αυξανόμενη απαίτηση από μέρους των κυβερνήσεων για πιο οικονομικά, για υβριδικά και για ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

  1. Η ΕΙΚΟΝΑ ΣΗΜΕΡΑ

Τα τελευταία 10–15 χρόνια οι εξελίξεις στην ηλεκτροκίνηση είναι ραγδαίες.

Οι περισσότερες αυτοκινητοβιομηχανίες επενδύουν σε έρευνα και παράγουν νέα ηλεκτροκίνητα μοντέλα ή/και παράγουν μοντέλα άλλων εταιρειών με το δικό τους σήμα (rebadging). Πολλά συμβατικά μοντέλα παράγονται και σε ηλεκτροκίνητες εκδόσεις.  Κυκλοφορούν επίσης ηλεκτροκίνητα αυτοκίνητα νέων εταιρειών, πολλά από τα οποία είναι βασισμένα σε συμβατικά μοντέλα.

Mitsubishi i-MiEV 2009

Τα υβριδικά αυτοκίνητα εξελίσσονται κι αυτά. Ειδικά στις ακριβές κατηγορίες όλες σχεδόν οι εταιρείες κατασκευάζουν μοντέλα «πρεστίζ» με εκπληκτικές επιδόσεις και σχετικά μικρή κατανάλωση, εκμεταλλευόμενες την άφθονη ροπή του ηλεκτροκινητήρα και τη μικρή του κατανάλωση σε συνθήκες πόλης σε αντίθεση με τον συμβατικό, αλλά και τη δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισμα (regenerative braking).

Nissan Leaf 2010

Επιπλέον η έρευνα συνεχίζεται και στη χρήση του υδρογόνου ως καυσίμου, είτε σε συμβατικούς κινητήρες, είτε στις κυψέλες καυσίμου (fuel cells) για ηλεκτροκίνηση.

Ανάμεσα στα ηλεκτροκίνητα με τις περισσότερες πωλήσεις είναι μέχρι σήμερα το Mitsubishi i-MiEV (2009) και τα αδελφάκια του (Peugeot iOn και Citroen S-Zero), τα Nissan Leaf (2010), Tesla Model S (2012), Renault Zoe (2013), BMW i3 (2013), VW e-Golf (2014), κλπ.

Bolloré Bluecar 2011

Έτσι, μέχρι το 2011, κυκλοφορούν πλέον παγκοσμίως περί τα 480.000, μικρά ηλεκτρικά αυτοκίνητα (NEV). Μόνο το 2011, στις δύο μεγαλύτερες αγορές μικρού ηλεκτροκίνητου, ΗΠΑ και Γαλλία, πουλήθηκαν αντίστοιχα 14.737 και 2.231 κομμάτια. Στην Κίνα το 2013 πουλήθηκαν 200.000 μικρά φτηνά ηλεκτροκίνητα (με μπαταρίες Pb-οξέος).

Μέχρι το 2015 έχουν κυκλοφορήσει παγκοσμίως πάνω από 1000000 υβριδικά / ηλεκτρικά αυτοκίνητα εκ των οποίων περισσότερα από τα μισά είναι ηλεκτρικά.

Ετήσιες πωλήσεις μέχρι το 2015

Στον πίνακα που ακολουθεί φαίνονται (ενδεικτικά) τα κύρια χαρακτηριστικά μερικών ηλεκτροκίνητων μοντέλων ώστε να δοθεί μια εικόνα της τρέχουσας κατάστασης.

 

ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΤΟΣ ΙΣΧΥΣ 

ΡΟΠΗ

ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΜΕΓ. ΤΑΧΥΤ. ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ 0 – 100 km/h ΑΥΤΟΝΟΜΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΙΜΗ
Baker Electric 1899 – 1915 < 2 HP < 4 kWh 23 km/h 80 km < 5000 ~ $ 2.300
Detroit Electric 1907 – 1939 < 5 HP < 7 kWh 32 km/h 130 km < 5000 ~ $ 3.000
GM EV1

(2nd gen)

1996 – 2003 137 HP

149 Nm

343 V 26,4 kWh 130 km/h 8 s 230 km 1117 $ 34.000 / 3 έτη
Tesla Roadster 2008 –2012 248-288 HP 270-400 Nm 375 V 53 kWh 201 km/h 3,7 – 3,9 s 380 km 2,500 $ 109.000

€ 99.000

Mitsubishi

i-MiEV,
Peugeot iOn,

Citroën C-Zero

2009 – 63 HP

180 Nm

330 V 16 kWh 130 km/h 15,9 s 160 km

(Japanese cycle)
100 km

(EPA cycle)

32.000+
μέχρι Ιούλ. 2014
$ 29.125
Smart ED
(2nd–3rd gen)
2009 – 27 HP (40 HP max) 120 Nm 16,5 kWh 100 km/h 0 – 60 km/h 6,5 s 136 km ~9.000
μέχρι Ιούν. 2014
€ 16.000 + € 60/μήνα ενοικίαση μπαταρίας
Nissan Leaf 2010 – 110 HP

280 Nm

365 V 24 kWh 150 km/h 9,9 s 175 km (New European Driving Cycle) 200.000
μέχρι Δεκ. 2015
$ 28.800 – 34.800
Renault Kangoo Z.E. 2011 – 60 HP

226 Nm

400 V 22 kWh 130 km/h 22,4 s 150 km 18.007
μέχρι Μάϊο 2015
€ 31.000
Bolloré Bluecar 2011 – 67  HP 30 kWh 130 km/h 7 s 150 – 250 km 4.521 (Γαλλία)
μέχρι Σεπτ. 2015
€ 12.000 + € 80/μήνα ενοικίαση μπαταρίας
Renault Twizy 2011 – 17 HP

57 Nm

6,1 kWh 80 km/h 0 – 50 km/h 4,5 s 100 km 17.657

μέχρι Μάϊο 2016

€ 7.700 + € 49/μήνα ενοικίαση μπαταρίας
Tesla Model S 2012 – 382-762 HP 430-967 Nm 360 V 60-90 kWh 210–250 km/h 5,5 – 2,8 s 480 km 107.000
μέχρι Δεκ. 2015
$ 69.900 – 118.000
Renault Zoe 2012 – 87 HP

220 Nm

400 V 22 kWh 135 km/h 13,5 s 210 km 48.700
μέχρι Μάϊο 2016
€ 20.700 + € 79/μήνα ενοικίαση μπαταρίας
Volkswagen

e-Up!

2013 – 80 HP

210 Nm

374 V 18,7 kWh 130 km/h 12,4 s 160 km 9.157
μέχρι Οκτ. 2015
€ 26.900
BMW i3 2013 – 168 HP

250 Nm

360 V 22 kWh

optional generator

650 cc 25 kW

150 km/h 7,4 s 130 to 160 km

(250 km  με τη γεννήτρια)

41.586
μέχρι Νοέμ. 2015
€ 36.150
Kia Soul EV 2014 – 109 HP

285 Nm

360 V 30,5 kWh 145 km/h 10,8 s 130 to 190 km 10.000
μέχρι Ιαν. 2016
$ 33.700
Volkswagen

e-Golf

2014 – 115 HP

270 Nm

323 V 24,2 kWh 136 km/h 9,4 s 130 to 190 km 19.131
μέχρι Δεκ. 2015
$ 29.815-36.200
Mercedes-Benz B-Class Electric Drive 2014 – 179 HP

340 Nm

360 V 28 kWh 159 km/h 7,9 s 200 km ? $ 42.375
Tesla Model X 2015 – 532 HP

967 Nm

360 V 90 kWh 248 km/h 3,3 s 410 km (EPA) 500 km (NEDC) πάνω από 2.400 μέχρι Απρ. 2016 $ 133.700

€ 162.000

Mercedes SLS AMG Electric 2013 – 740 HP

1.001 Nm

400 V 60 kWh 248 km/h 3,9 s 250 km ? € 430.000
Corvette Z06 (modified by GXE) 2015 – 700 HP

814 Nm

44 kWh 299 km/h 3,1 s 240 km ? $ 330.000

 

Η λίστα δεν είναι πλήρης, υπάρχουν πολλά ακόμα μοντέλα που θα μπορούσαν να συμπεριληφθούν, όπως π.χ. τα Chevrolet Spark EV (2009), Fiat 500e (2013), Chevrolet Bolt EV (2016) και η ευρωπαϊκή του έκδοση Opel Ampera-e (2017), BMW Zinoro 1E (2013), Tesla Model 3 (2016, πιο «προσιτό» από το S), κλπ.

Το μοντέλο Renault Twizy φέρνει κάπως μεταξύ αυτοκινήτου και … σκούτερ, αφού έχει 2 μόνο θέσεις σε σειρά, τη μια πίσω από την άλλη, και βγαίνει και σε έκδοση με μοτέρ 5 HP / 45 km/h ώστε να μην χρειάζεται δίπλωμα οδήγησης !

Αναμφίβολα, τα δύο τελευταία μοντέλα του πίνακα περισσότερο είναι προϊόντα «πρεστίζ» και δημιουργίας εντυπώσεων.

Ουρά 125 ατόμων (Καλιφόρνια) για παραγγελία του Tesla 3

Η Mercedes SLS AMG Electric έχει σχεδόν διπλάσια τιμή από το «συμβατικό» αδελφάκι της, ενώ η τιμή της βενζινοκίνητης Corvette Z06 στις ΗΠΑ είναι κάτω από $ 80.000.

Στον προηγούμενο πίνακα δεν έχουν συμπεριληφθεί μικρά φτηνά ηλεκτροκίνητα, σαν τα πιο κάτω, μοντέλα διαφόρων εταιρειών που κυκλοφορούν πιο πολύ σε αγορές όπως της Κίνας και της Ινδίας, με μπαταρίες Pb-οξέος, κινητήρες μερικών ίππων και ταχύτητες μέχρι 40–50 km/h. Τέτοια αυτοκίνητα είναι κατάλληλα κυρίως για κυκλοφορία εντός πόλης και το κόστος απόκτησης είναι σχετικά μικρότερο.

Tesla Model X, Mercedes SLS AMG Electric, Corvette Z06 GXE

Τα τελευταία χρόνια, οι μεγαλύτερες πωλήσεις ηλεκτροκίνητων παρουσιάζονται στις ΗΠΑ, Κίνα και Ιαπωνία και από Ευρώπη στις Νορβηγία, Ολλανδία, Γαλλία και Ισλανδία και παρουσιάζουν αυξητικές τάσεις σε όλο τον κόσμο.

Οι κυβερνήσεις των χωρών καθιερώνουν σταδιακά κίνητρα αγοράς ηλεκτρικού αυτοκινήτου, όπως π.χ. απαλλαγή από τα τέλη κυκλοφορίας, επιστροφή ενός ποσού μέσω φόρων, την ελεύθερη χρήση λωρίδων ειδικής κυκλοφορίας, την κατ’ εξαίρεση στάθμευση σε χώρους απαγόρευσης, κλπ.

: Tesla Model 3, BMW i3, Renault Twizy, Renault Zoe

Αλλά και τα δίκτυα σταθμών επαναφόρτισης διευρύνονται και αυτά μέσω προγραμμάτων, μέσω επιχειρηματικής δραστηριότητας, μέσω των τοπικών αυτοδιοικήσεων, κλπ. Δήμοι τοποθετούν μονάδες φόρτισης σε δημόσιους χώρους στάθμευσης παρέχοντας πολλές φορές και δωρεάν φόρτιση. Ξενοδοχειακές μονάδες, εστιατόρια, ιδιωτικοί χώροι ομαδικής στάθμευσης μπαίνουν σταδιακά στο παιχνίδι παρέχοντας επίσης θέσεις φόρτισης.

Αριθμός ηλεκτρικών αυτοκινήτων παγκοσμίως
Μικρά ηλεκτροκίνητα με μπαταρίες Pb-οξέος
  1. V. ΤΥΠΟΙ ΟΧΗΜΑΤΩΝ

Ανάλογα με το σύστημα προώθησης (και τη νομοθεσία κάθε χώρας), τα αυτοκίνητα κατατάσσονται σε κατηγορίες. Π.χ.:

  1. 1. Με κινητήρα εσωτερικής καύσης και ρεζερβουάρ καυσίμου, Internal Combustion Engine Vehicles, ICEV. Το καύσιμο μπορεί να είναι βενζίνη, πετρέλαιο, φυσικό αέριο, υδρογόνο, κλπ.
  2. 2. Με ηλεκτροκινητήρα / μπαταρίες που επαναφορτίζονται από εξωτερική πηγή, Battery Electric Vehicles, BEV ή Plug-in Electric Vehicles, PEV. Υποκατηγορίες: Neibourhood / City / Low Speed / High Performance Electric Vehicles, NEV, CEV, LSEV, HPEV, κλπ.
  3. 3. Με ηλεκτροκινητήρα / κυψέλες καυσίμου, συνήθως υδρογόνου και ρεζερβουάρ υδρογόνου, Fuel Cell Electric Vehicles, FCEV.
  4. 4. Με ηλεκτροκινητήρα / μπαταρίες που επαναφορτίζονται από εξωτερική πηγή, και ζεύγος βενζινοκινητήρα / γεννήτριας (σε σειρά) για καθ’ οδόν φόρτιση των μπαταριών και αύξηση της αυτονομίας, Extended-Range Electric Vehicles, EREV. Είναι δηλαδή στην ουσία υβριδικά αυτοκίνητα.
  5. 5. Με κινητήρα εσωτερικής καύσης, σε σύζευξη (παράλληλη ή μικτή) με ηλεκτροκινητήρα / μπαταρίες (πολύ μικρότερες από ότι στα τα BEV), δηλαδή υβριδικά αυτοκίνητα, Hybrid Electric Vehicles, HEV. Ο θερμικός κινητήρας έχει προτεραιότητα και ο ηλεκτρικός λειτουργεί επικουρικά, ανάλογα με τη χαρτογράφηση του συστήματος ελέγχου, για ανάκτηση ενέργειας, φόρτιση των μπαταριών, παροχή πρόσθετης ισχύος κατά την επιτάχυνση, ή και μόνος του για μικρές περιόδους.
  6. 6. Με ηλεκτροκινητήρα / μπαταρίες (μεγαλύτερες από ότι στα HEV) που επαναφορτίζονται από εξωτερική πηγή, σε οποιαδήποτε σύζευξη με κινητήρα εσωτερικής καύσης, Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV. Είναι δηλαδή υβριδικά αυτοκίνητα, με την δυνατότητα να φορτίζουν και εξωτερικά τις μπαταρίες.

  1. VI. ΜΕΡΙΚΑ ΣΥΓΚΡΙΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ (ICEVBEV)

Είναι μάλλον εμφανές ότι ανάμεσα στις αιτίες παραγκωνισμού της ηλεκτροκίνησης από τις αρχές του 20ου αιώνα ήταν η σύγκρουση με τα συμφέροντα των εταιρειών πετρελαίου, αλλά και η «προτίμηση» της βιομηχανίας αυτοκινήτου στους κινητήρες εσωτερικής καύσης διότι συνέτειναν στη μαζικότερη παραγωγή, με χαμηλότερο κόστος, αλλά και με μεγαλύτερες προοπτικές κέρδους από τη διάθεση ανταλλακτικών.

Πέρα από τις οικονομικές σκοπιμότητες όμως ας επιχειρήσουμε μια σύγκριση ανάμεσα στις δύο τεχνολογίες.

Αμάξωμα, αναρτήσεις, σύστημα διεύθυνσης, φρένα, ηλεκτρικό σύστημα φωτισμού / αξεσουάρ (12 V) είναι παρόμοια και στις δύο κατηγορίες.

Οι διαφορές εστιάζονται κυρίως: (α) στον κινητήρα, (β) στο κιβώτιο ταχυτήτων, (γ) στο ενεργειακό απόθεμα που μπορεί να μεταφέρει ο κάθε τύπος και στην αυτονομία του,  (δ) στα συστήματα τροφοδοσίας / λειτουργίας / ελέγχου, (ε) στην ενεργειακή απόδοση και τις επιπτώσεις στο περιβάλλον και τέλος (στ) στο κόστος αγοράς και χρήσης.

α) Κινητήρας

Από πλευράς εξέλιξης, και οι δύο τεχνολογίες βρίσκονται σε στάδιο ωριμότητας. Στην αγγλική γλώσσα χρησιμοποιούνται αντίστοιχα οι όροι «motor» (electric motor) και «engine» (Internal Combustion Engine, ICE) για τα δύο είδη κινητήρων, δεδομένου ότι οι δεύτεροι υπόκεινται στους περιορισμούς που επιβάλλει ο 2ος θερμοδυναμικός νόμος. Υπάρχει λοιπόν μια αναμενόμενη διαφορά στην απόδοση των δύο τύπων, με ενδεικτικές τιμές 85–95% και 20–35% αντίστοιχα. Η διαφορά αυτή είναι πάντως πλασματική, διότι η παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας έχει κι αυτή τις απώλειές της όπως θα δούμε πιο κάτω στο (ε). Πέρα από την απόδοση όμως, η σύγκριση αποβαίνει πάλι υπέρ των ηλεκτροκινητήρων:

70 HP, 25kg

(i) Έχουν μικρότερο βάρος για ισοδύναμη μηχανική ισχύ. Ενδεικτικά, 20–50 kg σε σύγκριση με 100–250 kg για τους θερμικούς κινητήρες. Έχουν επίσης μικρότερο μέγεθος ώστε να μπορούν να τοποθετηθούν ακόμα και στο εσωτερικό των τροχών (hub motors).

(ii) Το μόνο κινούμενο τμήμα τους είναι ο ρότορας, σε σύγκριση με τις πολλές δεκάδες κινούμενα μέρη των θερμικών. Έτσι μπορούν να φτάνουν με ευκολία συχνότητες περιστροφής της τάξης των 15.000 rpm. Η απαιτούμενη λίπανση και περιοδική συντήρηση είναι μηδενική και έχουν μεγάλη διάρκεια ζωής (κάποιοι κατασκευαστές ισχυρίζονται και 1.000.000 km) αφού τα μόνα σημεία που «τρίβονται» είναι τα δύο ρουλεμάν στήριξης του ρότορα.

: Hub motors

(iii) Κατά τη λειτουργία τους οι ηλεκτροκινητήρες  έχουν μεγαλύτερη ροπή στρέψης από τους αντίστοιχους θερμικούς την οποία μάλιστα αποδίδουν από χαμηλή (σχεδόν μηδενική) συχνότητα περιστροφής, διατηρώντας τη σταθερή μέχρι σχετικά υψηλούς ρυθμούς περιστροφής. Έτσι λειτουργούν αβίαστα σε χαμηλές στροφές δίνοντας ικανοποιητικό «τράβηγμα» και εύκολο ξεκίνημα από στάση. Αυτό τους κάνει ιδανικούς σε συνθήκες πόλης με πυκνή κυκλοφορία (βλέπε και πιο κάτω (β)).

: Ροπή στρέψης

(iv) Έχουν κατ’ επιλογήν δυνατότητα ανάκτησης ενέργειας κατά το φρενάρισμα, λειτουργώντας σαν γεννήτριες και φορτίζοντας τις μπαταρίες (regenerative braking). Κάτι μου θυμίζει αυτό απ’ το σχολείο … Lenz μήπως; Με τον τρόπο αυτό παρέχεται και η γνώριμη αίσθηση, όταν αφήνουμε το γκάζι, του «φρεναρίσματος του κινητήρα» που στους συμβατικούς κινητήρες προέρχεται από τις εσωτερικές τριβές (κυρίως) και τη συμπίεση.

(v) Δεν ρυπαίνουν (τοπικά) το περιβάλλον κατά τη λειτουργία τους, και είναι πρακτικά αθόρυβοι, κάτι που ενέχει πάντως κινδύνους για τους … αμέριμνους πεζούς. Δεν φαντάζει κάπως … ξενέρωτο το μέλλον δίχως τους ήχους των V–8 και V–12;

: Καμπύλες ροπής και ισχύος

β) Κιβώτιο ταχυτήτων

Στα διπλανά διαγράμματα φαίνεται ενδεικτικά ο τρόπος που αποδίδουν τη ροπή και την ισχύ τους οι ηλεκτρικοί και οι θερμικοί κινητήρες στο φάσμα της λειτουργίας τους. Βλέπουμε ότι για ένα τυπικό συμβατικό κινητήρα η ωφέλιμη περιοχή λειτουργίας (διαθέσιμη ροπή), είναι μεταξύ 1.500 και 5.000 rpm.

Με την τελευταία σχέση μετάδοσης (π.χ. 5η) επιλεγμένη στο κιβώτιο το αυτοκίνητο κινείται με περίπου 35 km/h για κάθε 1.000 rpm του κινητήρα. Θα πρέπει δηλαδή να ξεπερνάει η ταχύτητά μας τα 50–60 km/h για να λειτουργεί ο κινητήρας μέσα στην ωφέλιμη περιοχή του. Αν προσπαθούσαμε λοιπόν να ξεκινήσουμε από στάση με 5η ταχύτητα θα έπρεπε να «πατινάρουμε» το συμπλέκτη συνεχώς μέχρι να φτάσουμε (με πολύ μικρή επιτάχυνση) στην ταχύτητα των 50 km/h. Το πιθανότερο είναι ότι θα βάζαμε … φωτιά στο δίσκο του συμπλέκτη! Γι’ αυτό είναι αναγκαία η χρήση κιβωτίου ταχυτήτων με διαφορετικές σχέσεις μετάδοσης.

Μηχανή τραίνου

Αντίθετα ο ηλεκτρικός κινητήρας έχει διαθέσιμη τη ροπή του από τις 0 rpm (και μάλιστα περισσότερη από τον αντίστοιχο συμβατικό) και επιπλέον τη δυνατότητα να στρέφεται με μεγαλύτερες συχνότητες. Με μια μοναδική σχέση μετάδοσης που να προσδίδει ταχύτητα π.χ. 15–20 km/h για κάθε 1.000 rpm περιστροφής του, και με ένα φάσμα λειτουργίας  0–10.000 rpm, μπορεί να κινεί το αυτοκίνητο με ταχύτητες από στάση μέχρι 150–200 km/h. Παρατηρείστε ότι οι καμπύλες ροπής και ισχύος αλληλοσυμπληρώνονται. Στις χαμηλές στροφές / μικρές ταχύτητες είναι πιο σημαντική η ροπή ώστε να έχουμε τράβηγμα και επιτάχυνση, ενώ στις ψηλές στροφές / μεγάλες ταχύτητες είναι σημαντικότερη η ισχύς για να συντηρείται η κίνηση.

Θυμηθείτε το «τράβηγμα» και την επιτάχυνση του τρόλλεϋ και του μετρό κατά το ξεκίνημα. Επίσης, για όσους ίσως δεν το γνωρίζουν, όλες σχεδόν οι θηριώδεις ντιζελομηχανές των τραίνων με τους χιλιάδες ίππους, μόνο … ντιζελοκίνητες δεν είναι! Ο ντιζελοκινητήρας κινεί μια μεγάλη γεννήτρια τριφασικού ρεύματος (και μια «μικρότερη» για την ηλεκτροδότηση του τραίνου), η οποία με τη σειρά της τροφοδοτεί με ρεύμα ισχυρούς ηλεκτροκινητήρες σε κάθε κινητήριο τροχό (συχνά έχουν ηλεκροκινητήρες και τα βαγόνια, που ηλεκτροδοτούνται από την κεντρική γεννήτρια). Η δε γεννήτρια παίζει και ρόλο … μίζας για την εκκίνηση της μηχανής.

Η μεγάλη ροπή των ηλεκτροκινητήρων, από μηδενικές σχεδόν στροφές, συντελεί στην εύκολη εκκίνηση του τραίνου. Διαφορετικά, φαντάζεστε έναν υπερτροφοδοτούμενο V-16 πετρελαιοκινητήρα 250.000 cm³ 6000 HP με … ξηρό μονόδισκο συμπλέκτη; Θα χρειαζόταν ένα πολύπλοκο και πανάκριβο υδραυλικό σύστημα προοδευτικής σύμπλεξης για τη σύζευξη κινητήρα – τροχών.

Το πίσω σύστημα του Tesla S

Ένα πρόβλημα που δεν υπάρχει στα … πλοία αφού η σύζευξη προπέλας / νερού είναι … χαλαρή από μόνη της!

Για να επανέλθουμε λοιπόν, η ύπαρξη κιβωτίου ταχυτήτων στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα δεν είναι αναγκαία. Ακόμα, η «όπισθεν» μπορεί να επιτευχθεί ηλεκτρικά με αντιστροφή της φοράς περιστροφής του κινητήρα.

Έτσι οι περισσότεροι κατασκευαστές έχουν επιλέξει «κιβώτια μιας σταθερής σχέσης μετάδοσης» που λειτουργούν και ως διαφορικά για την κατανομή ισχύος μεταξύ αριστερού και δεξιού κινητήριου τροχού. Αν υπάρχουν ανεξάρτητοι κινητήρες ανά τροχό, τότε η κατανομή ισχύος γίνεται ηλεκτρονικά. Η μεγάλη ροπή του ηλεκτρικού κινητήρα θα καταπονούσε εξάλλου υπέρμετρα ένα συνηθισμένο κιβώτιο ταχυτήτων. Η έλλειψή του περιορίζει τις απώλειες ενέργειας στη γραμμή μετάδοσης κίνησης και βελτιώνει την αξιοπιστία.

γ) Ενεργειακό απόθεμα / αυτονομία

Το σημείο αυτό είναι, τουλάχιστον επί του παρόντος, η αχίλλειος πτέρνα των ηλεκτροκίνητων.

Η κατανάλωση ενέργειας ενός οχήματος για την κίνησή του εξαρτάται από πολλούς παράγοντες όπως το βάρος και το φορτίο του, τις προδιαγραφές του, τις κυκλοφοριακές / οδικές συνθήκες και τον τρόπο οδήγησής του.

Για τις ανάγκες μιας ενδεικτικής σύγκρισης, ας θεωρήσουμε μια τιμή απαιτούμενης μηχανικής ενέργειας 12 kWh για κάθε 100 km διαδρομής, και για τους δύο τύπους αυτοκινήτων. Ας θεωρήσουμε για τα συμβατικά απόδοση 18% (βενζίνη) ή 24% (πετρέλαιο) και για τα ηλεκτροκίνητα 80%.

Ακόμα, η ενεργειακή πυκνότητα βενζίνης και πετρελαίου είναι 9,5 και 10 kWh/L αντίστοιχα. Οι μπαταρίες Li-on έχουν όμως, τουλάχιστον επί του παρόντος, πολύ μικρότερη ενεργειακή πυκνότητα, και ειδική ενέργεια 0,1–0,24 kWh/kg. Ας θεωρήσουμε μια τυπική τιμή 0,13 kWh/kg, αν και πρόκειται για συστοιχίες μπαταριών που, λόγω της εντατικής λειτουργίας τους, χρειάζονται και κάποιο σύστημα ψύξης και διαχείρισης, με πρόσθετο όγκο και βάρος. Έτσι έχουμε:

Για κάθε 100 km διαδρομής Βενζινοκίνητο Πετρελαιοκίνητο Ηλεκτροκίνητο
Αναγκαία μηχανική ενέργεια 12 kWh 12 kWh 12 kWh
Αναγκαία δαπανηθείσα ενέργεια 67 kWh 50 kWh 15 kWh

(βλέπε και πιο κάτω στο (ε))

Αναγκαία ποσότητα καυσίμου 7 L 5 L Ισοδύναμη με 1,6 L βενζίνης
Αναγκαία χωρητικότητα μπαταρίας

(εκφόρτιση κατά 90%)

16,7 kWh
Βάρος μπαταρίας > 120 kg

Σύμφωνα με τα παραπάνω, στα συμβατικά αυτοκίνητα με ένα ρεζερβουάρ χωρητικότητας 50–60 L έχουμε ιδανικά αυτονομία πάνω από 700 km. Και ο ανεφοδιασμός σε οποιοδήποτε βενζινάδικο διαρκεί μερικά λεπτά.

Τα ηλεκτροκίνητα όμως για παρόμοια αυτονομία θα έπρεπε να διαθέτουν συστοιχία μπαταριών βάρους πάνω από 600 kg! Ένα τέτοιο βάρος είναι απαγορευτικό για ένα μέσο αυτοκίνητο, αλλά και το κόστος μιας τέτοιας συστοιχίας είναι κι αυτό απαγορευτικό επί του παρόντος. Γι’ αυτό  στα περισσότερα ηλεκτροκίνητα συναντάμε μπαταρίες χωρητικότητας μέχρι 15–30 kWh και αυτονομία 150–250 km.

Μόνο σε ακριβά μοντέλα συναντάμε μεγαλύτερες μπαταρίες. Π.χ. το Tesla S ($ 105.000), διαθέτει μπαταρία 85 kWh (540 kg) / 500 km, με 8 χρόνια εγγύηση χωρίς όριο χιλιομέτρων, αλλά και κόστος $ 44.000 για την αντικατάστασή της (ή αγορά πρόσθετης εγγύησης αντικατάστασης $ 12.000 με την αγορά του αυτοκινήτου).

Συστοιχίες μπαταριών

Κάποιες εταιρείες μάλιστα για να μειώσουν την αυξημένη τιμή αγοράς λόγω της μπαταρίας (αλλά και το κόστος αντικατάστασής της μετά από μερικά χρόνια), διαθέτουν πακέτα αγοράς του αυτοκινήτου χωρίς μπαταρία,  και μηνιαίας μίσθωσής της έναντι ποσού της τάξης των € 70–90.

Κατά την κίνηση σε πόλη η αυτονομία του ηλεκτροκίνητου ευνοείται λίγο από το σύστημα ανάκτησης ενέργειας αλλά και τη μηδενική κατανάλωση σε κάθε στάση. Η αύξηση λόγω ανάκτησης ενέργειας είναι της τάξης του 15% και μπορεί να φτάσει σε ακραίες καταστάσεις (πυκνή κυκλοφορία με συχνές αυξομειώσεις ταχύτητας, χωρίς πλήρες σταμάτημα) και το 50%. Σε ανοικτούς δρόμους όμως η ανάκτηση ενέργειας είναι ασήμαντη.

Πρόσθετο ζήτημα για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα είναι η χρονική διάρκεια επαναφόρτισης της μπαταρίας. Η ισχύς ενός φορτιστή, ανάλογα με τις προδιαγραφές του (οικιακός, δημόσιος, μονοφασικός, τριφασικός, συνεχούς ρεύματος) μπορεί να κυμαίνεται μεταξύ 2 kW και 130 kW. Προφανώς η φόρτιση κατ’ οίκον είναι χρονοβόρα, αλλά μπορεί να γίνει ολονυχτίς και με … μειωμένο τιμολόγιο!

Πριν μερικά χρόνια οι φορτιστές είχαν απόδοση της τάξης του 75–80%, που βελτιώθηκε σταδιακά σε 88–90% για τους φορτιστές μικρής ισχύος και πρόσφατα σε ~96% για τους ταχυφορτιστές μεγάλης ισχύος.

Έτσι η αναμενόμενη διάρκεια φόρτισης, ανάλογα με την ονομαστική ισχύ και τις προδιαγραφές του φορτιστή, αλλά και τις προδιαγραφές του αυτοκινήτου, είναι:

Ονομαστική ισχύς φορτιστή Ονομαστική τάση –

– μέγιστο ρεύμα

Διάρκεια φόρτισης

για κάθε 100 km διαδρομής

Μονοφασικός  3,3 kW 230 V / 16 A 6–8 ώρες
Μονοφασικός  7,4 kW 230 V / 32 A 34 ώρες
Τριφασικός  10 kW 400 V / 16 A 23 ώρες
Τριφασικός  22 kW 400 V / 32 A 12 ώρες
Τριφασικός  43 kW 400 V / 63 A 2030 min
Συνεχούς 50 kW 400–500 V / 100–125 A 2030 min
Συνεχούς 120 kW 300–500 V / 300–350 A 10 min

 

Μία εναλλακτική μέθοδος ανεφοδιασμού που δοκιμάζεται, αντί της επαναφόρτισης, είναι η αντικατάσταση της άδειας μπαταρίας με φορτισμένη σε σταθμούς αντικατάστασης, αν αυτό υποστηρίζεται από τον κατασκευαστή (battery swapping, κοινώς … «σκάντζα» ή «τράμπα»). Η μέθοδος πάντως δεν είναι δημοφιλής και δέχεται κριτική, κυρίως γιατί υπάρχουν πολλά περιθώρια εξαπάτησης.

δ) Συστήματα τροφοδοσίας / λειτουργίας / ελέγχου

Στα συμβατικά αυτοκίνητα, τα περιφερειακά υποσυστήματα είναι:

  • Σύστημα εκκίνησης (μίζα, κόμπλερ).
  • Τροφοδοσία καυσίμου (αντλία καυσίμου, καρμπυρατέρ / ψεκασμός και ίσως υπερσυμπιεστής).
  • Ανάφλεξη (διανομέας, πολλαπλασιαστές, μπουζί).
  • Εξαγωγή καυσαερίων (σωληνώσεις πολλαπλής εξαγωγής, καταλύτης, εξάτμιση).
  • Ηλεκτρικό κύκλωμα (μπαταρία, εναλλάκτης, καλωδιώσεις τροφοδοσίας υποσυστημάτων και φωτισμού).
  • Ψύξη (ψυγείο, ανεμιστήρας, αντλία κυκλοφορίας ψυκτικού, σωληνώσεις).
  • Κλιματισμός χώρου επιβατών (θέρμανση / ψύξη).

Στα ηλεκτροκίνητα, τα 4 πρώτα υποσυστήματα δεν υπάρχουν. Το 5ο υποσύστημα όμως είναι πιο πολύπλοκο και περιλαμβάνει και τα ηλεκτρονικά ισχύος για τη διαχείριση ενέργειας της συστοιχίας των μπαταριών καθώς και την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα. Μεταξύ άλλων, περιλαμβάνει δηλαδή:

  • Το σύστημα διαχείρισης φόρτισης της κύριας μπαταρίας (συστοιχίας) από οικιακή πρίζα 220 V ή σταθμούς φόρτισης,
  • Τον DC-DC inverter σε 13,6 V για τη φόρτιση μιας (μικρής αφού δεν υπάρχει μίζα) 12βολτης μπαταρίας που υποστηρίζει όλα τα κύρια και βοηθητικά ηλεκτρικά συστήματα και, το κυριότερο
  • Τον DC-AC inverter / controller για τον έλεγχο της ταχύτητας περιστροφής του κινητήρα και τον έλεγχο ανάκτησης ενέργειας που υποστηρίζονται και από υπερ-πυκνωτές σε ρόλο «buffer».

Ενδιαφέρον έχει ο τρόπος λειτουργίας του inverter / controller για τον έλεγχο του ρυθμού περιστροφής του κινητήρα («γκάζι»). Το πεντάλ γκαζιού είναι στην πραγματικότητα ένα ποτενσιόμετρο που η τάση εξόδου του αλλάζει ανάλογα με το πάτημα του ποδιού. Αυτή την τάση χρησιμοποιεί σαν τάση ελέγχου ο inverter / controller, ο οποίος παράγει σειρά παλμών τροφοδοσίας μεγάλης συχνότητας (πάνω από 20 kHz, προς αποφυγήν ακουστικών φαινομένων), σταθερού πλάτους, αλλά μεταβλητού εύρους (Pulse Width Modulation, PWM). Όσο περισσότερο γκάζι πατάμε δηλαδή τόσο αυξάνεται το εύρος, η διάρκεια των παλμών (βλέπε ενδεικτικά επόμενη εικόνα).

Αριστερά: Τροφοδοσία κινητήρα DC Δεξιά: Τροφοδοσία κινητήρα AC
(Πάνω: Λιγότερο «γκάζι» – Κάτω: Περισσότερο «γκάζι»)

Με τον τρόπο αυτό αποφεύγεται η χρήση ωμικού ροοστάτη, ο οποίος λόγω των μεγάλων ρευμάτων θα είχε απαγορευτικές θερμικές απώλειες.

Τέλος, για την απαγωγή θερμότητας από την μπαταρία και τον ηλεκτροκινητήρα μπορεί να χρησιμοποιείται υδρόψυξη, αερόψυξη ή και φυσική ροή αέρα, οι ανάγκες ψύξης όμως είναι πολύ μικρότερες από ότι στους συμβατικούς κινητήρες, με αποτέλεσμα η απαγόμενη θερμική ισχύς να μην επαρκεί για τη θέρμανση του χώρου επιβατών το χειμώνα. Έτσι στα ηλεκτροκίνητα και η θέρμανση και η ψύξη απαιτούν πρόσθετη δαπάνη ηλεκτρικής ενέργειας από τη μπαταρία, για τη λειτουργία κάποιας αντλίας θερμότητας.

ε) Ενεργειακή απόδοση και επιπτώσεις στο περιβάλλον

Όπως είπαμε στο (α) η διαφορά απόδοσης μεταξύ συμβατικών και ηλεκτρικών κινητήρων είναι πολύ μεγάλη και επιπλέον οι δεύτεροι δεν ρυπαίνουν το περιβάλλον.

Ή ηλεκτρική ενέργεια όμως παράγεται από άλλες πηγές ενέργειας, μικρό μέρος των οποίων είναι επί του παρόντος ανανεώσιμες. Στη διπλανή εικόνα φαίνεται η ετήσια παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως από τις διάφορες πηγές.

Οι κυριότερες όπως βλέπουμε είναι τα ορυκτά καύσιμα, στερεά, υγρά και αέρια, οπότε η μετατροπή γίνεται κυρίως μέσω ατμοστροβίλων για τα στερεά, ή στροβίλων καυσίμου για τα υγρά – αέρια (και σε μικρότερο ποσοστό και κλίμακα, μέσω ντιζελομηχανών, π.χ. σε δυσπρόσιτες περιοχές / νησιά).

Ετήσια παραγωγή ενέργειας παγκοσμίως

Θερμικών μηχανών δηλαδή που θέτουν σε κίνηση τις ηλεκτρογεννήτριες. Έτσι, η ρύπανση της ατμόσφαιρας λόγω καυσαερίων δεν αποφεύγεται, αλλά «αποκεντρώνεται», μεταφέρεται δηλαδή από τις πόλεις στις τοποθεσίες των σταθμών παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας. Τέτοια ρύπανση παράγεται και από τη χρήση κάποιων ανανεώσιμων πηγών ενέργειας όπως η βιομάζα και τα σκουπίδια.

Βέβαια, για τις μεγάλες πόλεις, έστω και αυτή η «αποκέντρωση» έχει την αξία της.

Τέλος, για την παραγωγή από πυρηνικά καύσιμα δεν υπάρχει μεν ατμοσφαιρική ρύπανση, αλλά υπεισέρχεται το σοβαρότατο θέμα των πυρηνικών αποβλήτων, καθώς και η μεγάλες θερμικές απώλειες από την πυρηνική σχάση. Και στην περίπτωση αυτή πάντως χρησιμοποιούνται ατμοστρόβιλοι.

Για να έχουμε λοιπόν μια πιο ρεαλιστική εικόνα της απόδοσης των ηλεκτρικών οχημάτων σε σύγκριση με αυτή των συμβατικών, θα πρέπει να συνεκτιμήσουμε όλους τους παράγοντες που μεσολαβούν από τις πρωτογενείς πηγές ενέργειας μέχρι την τελική της χρήση. Υπάρχουν αναλυτικές μελέτες για κάθε χώρα και για κάθε πρωτογενή πηγή ενέργειας, αλλά εδώ θα περιοριστούμε σε μια γενικότερη σκιαγράφηση.

(i) Η ενεργειακή απόδοση ενός οχήματος που εξαρτάται μόνο από αυτό, έχει καθιερωθεί να ονομάζεται «απόδοση από ρεζερβουάρ σε τροχούς (tanktowheel efficiency)». Στα συμβατικά οχήματα η σημασία είναι εμφανής: αναφέρεται στο % ποσοστό του ενεργειακού αποθέματος του καυσίμου που μετατρέπεται σε ωφέλιμη μηχανική ενέργεια για την κίνηση, αφού αφαιρεθούν οι θερμοδυναμικές, θερμικές, κλπ. απώλειες, συμπεριλαμβανομένων και αυτών του συστήματος μετάδοσης της κίνησης αλλά και των βοηθητικών υποσυστημάτων αναγκαίων για τη λειτουργία καθώς και ένα ποσοστό που να καλύπτει τις περιόδους λειτουργίας του κινητήρα στο ρελαντί.

Στα ηλεκτρικά οχήματα θα περίμενε κανείς να παίζει η μπαταρία το ρόλο του «ρεζερβουάρ», αλλά επειδή η δαπανώμενη ενέργεια προέρχεται από το ηλεκτρικό δίκτυο και μεσολαβεί ο φορτιστής με τις δικές του θερμικές απώλειες, γι’ αυτό ως «ρεζερβουάρ» θεωρούμε την πρίζα στην οποία συνδέουμε τον φορτιστή. Συμπεριλαμβάνονται επίσης οι απώλειες στην μπαταρία κατά τη φόρτιση – εκφόρτιση, στον inverter / controller τροφοδοσίας του κινητήρα, στον ίδιο τον κινητήρα και στα βοηθητικά υποσυστήματα. Αν δεν υπάρχει κιβώτιο ταχυτήτων, οι απώλειες του συστήματος μετάδοσης είναι μικρότερες έως μηδαμινές.

Ας δεχτούμε λοιπόν για τα συμβατικά αυτοκίνητα, ανάλογα με τις συνθήκες χρήσης (πόλη – αυτοκινητόδρομος) μια μέση tank-to-wheel απόδοση, για τα μεν βενζινοκίνητα 16–25% και για τα πετρελαιοκίνητα 20–30%.

Στα ηλεκτροκίνητα τώρα έχουμε: απόδοση φορτιστή 95% × μπαταρίας 90% × inverter / controller 95% × κινητήρα 92–80% (πόλη – αυτοκινητόδρομος), ας δεχτούμε μια μέση απόδοση 74–68%.

Φαίνεται δηλαδή ότι τα ηλεκτροκίνητα έχουν σχεδόν τετραπλάσια tank-to-wheel απόδοση από τα συμβατικά, κάτι που είναι αναμενόμενο.

(ii) Έχουμε όμως τώρα να συνεκτιμήσουμε και την λεγόμενη welltotank απόδοση του κάθε καυσίμου, την απόδοση «από την πετρελαιοπηγή ως το ρεζερβουάρ» δηλαδή από την πρωτογενή πηγή ενέργειας μέχρι να φτάσει το επεξεργασμένο καύσιμο ή ο φορέας της ενέργειας στο «ρεζερβουάρ» του αυτοκινήτου.

Για τα συμβατικά καύσιμα, τα ενδιάμεσα στάδια είναι η μεταφορά στα διυλιστήρια, η επεξεργασία και η μεταφορά και διανομή στα πρατήρια. Έτσι ο υπολογισμός είναι πιο απλός και η εκτιμώμενη welltotank απόδοση είναι 88% για τη βενζίνη και 90% για το ντίζελ.

Για την ηλεκτρική ενέργεια όμως, ο υπολογισμός είναι πιο πολύπλοκος και με σχετική διακύμανση. Στην περίπτωση χρήσης ανανεώσιμων πηγών ενέργειας δεν τίθεται θέμα απόδοσης, ούτε ατμοσφαιρικής ρύπανσης. Παράδειγμα οι ηλιακοί ταχυφορτιστές, όπως αυτοί που στήνει σταδιακά στην Αμερική αλλά και στην Ευρώπη η εταιρεία Tesla (διαθέτοντας και την ηλεκτρική ενέργεια δωρεάν).

Ηλιακός σταθμός ταχείας φόρτισης Tesla

Για την ενέργεια που προέρχεται όμως από τα ηλεκτρικά δίκτυα διανομής χρειάζονται κάποιοι υπολογισμοί. Παρά τη χρήση θερμικών μηχανών η απόδοση ενός θερμοηλεκτρικού εργοστασίου είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή του κινητήρα του αυτοκινήτου μας.

Στα εργοστάσια κάρβουνου όπου χρησιμοποιούνται ατμοστρόβιλοι (κύκλος Rankine, υπερθέρμανση, αναγέννηση / αναθέρμανση ατμού) η συνολική απόδοση κυμαίνεται από 32% έως 48% στις πιο σύγχρονες μονάδες, που λειτουργούν σε μεγάλες πιέσεις και θερμοκρασίες (Ultra super critical pressure power plants).

Στα εργοστάσια φυσικού αερίου όπου χρησιμοποιούνται αεριοστρόβιλοι (κύκλος Bryton) η απόδοση κυμαίνεται μεταξύ 32 % και 38 %. Στις πιο σύγχρονες μονάδες όμως χρησιμοποιούνται συνδυασμένοι κύκλοι, σε συνεργασία με ατμοστροβίλους, με αποτέλεσμα να επιτυγχάνεται απόδοση κοντά στο 60%.

Τα τελευταία χρόνια όμως, η ανάγκη για εξοικονόμηση ενέργειας και καθαρότερο περιβάλλον οδήγησε στην ανάπτυξη ολοκληρωμένων μονάδων παραγωγής και διάθεσης ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας (Combined Heat and Power Plants, CHP Plants). Η θερμική ενέργεια δηλαδή αντί να αποβάλλεται χρησιμεύει για τη θέρμανση εγκαταστάσεων (π.χ. θερμοκηπίων) και οικισμών στην περιοχή (παροχή ζεστού νερού), αυξάνοντας έτσι την ενεργειακή απόδοση της μονάδας. Τέτοιες ολοκληρωμένες μονάδες είναι ιδιαίτερα κατάλληλες στα ψυχρά κλίματα όπου υπάρχει ανάγκη θέρμανσης όλο το χρόνο. Στη Δανία για παράδειγμα στη μονάδα 3 στο Nordjylland, 400 MW, έχουν πετύχει συνολική απόδοση 91%.

Για να επανέλθουμε λοιπόν στη σύγκρισή μας, ας δεχτούμε μια μέση απόδοση 50% κατά την παραγωγή της ηλεκτρικής ενέργειας, στην οποία πρέπει να συνυπολογίσουμε και απώλειες κατά την εξόρυξη της πρωτογενούς πηγής, έστω 8% και των γραμμών μεταφοράς ηλεκτρικής ενέργειας έστω 5%. Έτσι, η απόδοση welltotank για τα ηλεκτροκίνητα γίνεται 50% × 92% × 95% = 44%.

(iii) Χρησιμοποιώντας τα πιο πάνω και θεωρώντας μια αναλογία 3:1 για τα διανυόμενα χιλιόμετρα εντός και εκτός πόλης, μπορούμε τώρα να εκτιμήσουμε μια πιο ρεαλιστική, ενδεικτική πάντα, ενεργειακή απόδοση για κάθε κατηγορία, «από την πετρελαιοπηγή ως τους τροχούς», (welltowheel efficiency):

Είδος καυσίμου Well-to-tank Tank-to-wheel

(πόλη)

Tank-to-wheel

(αυτοκινητόδρομος)

Well-to-wheel

(πόλη)

Well-to-wheel

(αυτοκινητόδρομος)

Well-to-wheel

(με αναλογία 3:1)

Βενζίνη 88 % 16 % 25 % 14 % 22 % 16 %
Πετρέλαιο 90 % 20 % 30 % 18 % 27 % 20 %
Ηλεκτρική ενέργεια 44 % 74 % 68 % 33 % 30 % 32 %

Για να αποφύγω την ωραιοποίηση, ήμουν ίσως λίγο συντηρητικός στα ηλεκτροκίνητα (οι έρευνες συγκλίνουν γύρω στο 14–15% για τα βενζινοκίνητα και στο 35–38% για τα ηλεκτροκίνητα).

Κι έτσι όμως, τα ηλεκτροκίνητα φαίνεται να έχουν σχεδόν διπλάσια ενεργειακή απόδοση.

Το σημαντικότερο πάντως είναι ότι η απόδοση των συμβατικών αυτοκινήτων είναι συνδεδεμένη με την οικονομία του αργού πετρελαίου. Η απόδοση των ηλεκτροκίνητων όμως είναι συνδεδεμένη με την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας παγκοσμίως και επηρεάζεται από την εξάπλωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

στ) Κόστος αγοράς και χρήσης

Παρά τη μεγαλύτερη πολυπλοκότητα κατασκευής στο σύστημα κίνησης, τα συμβατικά αυτοκίνητα έχουν επί του παρόντος μικρότερη τιμή αγοράς από τα ηλεκτρικά. Σ’ αυτό συμβάλλουν, αφενός η μαζικότερη παραγωγή και η πολιτική των εταιρειών που προσβλέπουν και στη διάθεση ανταλλακτικών, αλλά και απ’ την άλλη το μεγάλο κόστος των μπαταριών των ηλεκτρικών οχημάτων, που εκτιμάται ότι αντιστοιχεί περίπου στο ⅓ του συνολικού κόστους. Έτσι, οι τιμές αγοράς της βενζινοκίνητης και της ηλεκτροκίνητης έκδοσης κάποιου μοντέλου έχουν, πολύ χονδρικά, σχέση 1:2. Ακόμα, σε πολλές χώρες που ενδιαφέρονται να προωθήσουν την ηλεκτροκίνηση, παρέχονται οικονομικά και άλλα κίνητρα αγοράς, που θα πρέπει να συνεκτιμηθούν.

Το κόστος συντήρησης πάντως για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα είναι μικρότερο, αφού χρειάζονται σχεδόν μηδενική συντήρηση. Αυτό ισχύει βέβαια μέχρι τη στιγμή που θα χρειαστεί αντικατάσταση η μπαταρία! Θα πρέπει να αναφέρουμε εδώ και την πιθανότητα, σε περίπτωση ατυχήματος, να πάθει ζημιά η μπαταρία, που σημαίνει κίνδυνο πυρκαγιάς και μεγάλο κόστος επισκευής.  Η πιθανότητα πάντως είναι μικρή, διότι η τοποθέτησή της ειδικά στις τελευταίες γενιές γίνεται με κριτήριο την προστασία της. Έτσι την ενσωματώνουν σε ασφαλές σημείο, π.χ. στο πάτωμα του αμαξώματος ή / και στο κεντρικό τούνελ ανάμεσα στα καθίσματα, και κάτω από τα πίσω καθίσματα στην παραδοσιακή θέση του ρεζερβουάρ.

Τέλος, το κόστος κίνησης είναι κι αυτό μικρότερο για τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα, τουλάχιστον με τα σημερινά δεδομένα. Για τις ενδεικτικές τιμές κατανάλωσης που υπολογίσαμε στο (γ) και για τιμές στην Ελλάδα μονάδας καυσίμου βενζίνης € 1,4 / L πετρελαίου € 1,1 / L και ηλεκτρικής ενέργειας € 0,2 / kWh προκύπτουν οι εξής τιμές χρήσης:

Για κάθε 100 km διαδρομής Βενζινοκίνητο Πετρελαιοκίνητο Ηλεκτροκίνητο
Κατανάλωση 7 L 5 L 15 kWh
Τιμή μονάδας καυσίμου € 1,4 / L € 1,1 / L € 0,2 / kWh
Δαπάνη ανά 100 km 9,8 € 5,5 € 3 €

Σε συνθήκες πυκνής κυκλοφορίας, η κατανάλωση των συμβατικών αυτοκινήτων είναι μεγαλύτερη. Επιπλέον, για τη φόρτιση της μπαταρίας υπάρχει και η δυνατότητα χρήσης νυχτερινού τιμολογίου που είναι 30–40% χαμηλότερο. Ας δεχτούμε μια σχέση δαπάνης κίνησης 3:1 ή 4:1 μεταξύ συμβατικών και ηλεκτροκίνητων.

Ένα ηλεκτροκίνητο έχει λοιπόν περίπου διπλάσια τιμή αγοράς από ένα αντίστοιχο συμβατικό, αλλά το ⅓ ή το ¼ των δαπανών κίνησης. Μπορούν να δικαιώσουν οι μικρότερες δαπάνες χρήσης την αυξημένη τιμή αγοράς; Αξίζει να αγοράσουμε ηλεκτροκίνητο αυτοκίνητο στη θέση ενός συμβατικού;

Η απάντηση δεν είναι εύκολη και εξαρτάται από πολλούς παράγοντες (κάποιοι από τους οποίους είναι μάλιστα … αστάθμητοι):

  • Τη νομοθεσία κάθε χώρας καθώς και τα κίνητρα που παρέχει για την προώθηση της ηλεκτροκίνησης.
  • Την εξέλιξη των τιμών πετρελαίου και ηλεκτρικής ενέργειας.
  • Την εξέλιξη της τεχνολογίας των μπαταριών και του κόστους τους.
  • Την υποδομή ανεφοδιασμού (επαναφόρτισης) ηλεκτροκίνητων στη χώρα.
  • Τις ανάγκες που θέλουμε να καλύψουμε με το νέο αυτοκίνητο, τη χρήση για την οποία το προορίζουμε.

Από σχετικές έρευνες προκύπτει ότι, ανάλογα με τη χρήση και τις παραδοχές για τους υπόλοιπους παράγοντες, ο ισολογισμός συνολικής δαπάνης αγοράς / χρήσης για τα δύο είδη οχημάτων ανέρχεται σε 8–15 χρόνια. Ίσως λοιπόν, στις περισσότερες περιπτώσεις, να είναι λίγο πρώιμη η αγορά ηλεκτροκίνητου, αλλά … οι εξελίξεις είναι καθ’ οδόν.

Για την πληρότητα της συζήτησης, θα πρέπει τέλος να γίνει μια σύντομη αναφορά στην εναλλακτική χρήση υδρογόνου / κυψελών καυσίμου για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αντί της αποθήκευσής της σε μπαταρίες, αλλά και στα υβριδικά αυτοκίνητα.

VII. ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΚΑΙ ΔΙΑΘΕΣΗ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

Το υδρογόνο ως καύσιμο (ή καλύτερα ως φορέας ενέργειας – energy carrier – αφού δεν υπάρχει ελεύθερο και πρέπει να παραχθεί με κάποια μέθοδο) έχει τριπλάσια ειδική ενέργεια από το πετρέλαιο και τη βενζίνη (περίπου 39 kWh/kg έναντι 13 kWh/kg).

Η παγκόσμια παραγωγή υδρογόνου ξεπερνάει το 50 εκατομμύρια τόνους το χρόνο με ετήσια αυξητική τάση περίπου 10%.

Παγκόσμια παραγωγή και χρήση Η2

Οι χρησιμοποιούμενες μέθοδοι παραγωγής είναι πολλές, με πιο διαδεδομένες (i) την αναμόρφωση μεθανίου ή άλλων ελαφρών υδρογονανθράκων με ατμό (steam methane reforming SMR, ή natural gas reforming), (ii) τη μερική οξείδωση υδρογονανθράκων (partial oxidation) και (iii) την αεριοποίηση στερεών καυσίμων ή βιομάζας (gasification of solid fuels).

Σε μικρότερη κλίμακα χρησιμοποιούνται ακόμα (i) η θερμοχημική διάσπαση του νερού (κύκλοι οξειδίου του δημητρίου ή χλωριούχου χαλκού) κυρίως σε πυρηνικές ή σε ηλιοθερμικές μονάδες όπου υπάρχει πολλή διαθέσιμη θερμική ενέργεια, (ii) η ηλεκτρόλυση του νερού κυρίως σε μονάδες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας (φωτοβολταϊκά, ανεμογεννήτριες), όταν υπάρχει περίσσεια ηλεκτρικής ισχύος σε ώρες μη αιχμής, αλλά και διάφορες άλλες μέθοδοι.

Μεταφορά – αποθήκευση υγρού υδρογόνου

Το μεγαλύτερο μέρος του παραγόμενου παγκοσμίως υδρογόνου χρησιμοποιείται για την παραγωγή αμμωνίας, συνθετικών καυσίμων και στα διυλιστήρια για την επεξεργασία των προϊόντων. Πολύ μικρό μέρος επί του παρόντος χρησιμοποιείται στις μεταφορές και στην αυτοκίνηση.

Ο κυριότερος ανασταλτικός παράγοντας είναι η δυσκολία που παρουσιάζει η μεταφορά και αποθήκευσή του, λόγω του πολύ μικρού μοριακού του βάρους και του χαμηλού σημείου υγροποίησης.

Μεταφορά συμπιεσμένου υδρογόνου

Κατά τη μεταφορά του μέσω δικτύου αγωγών, το υδρογόνο χρειάζεται μεγαλύτερη πίεση από το φυσικό αέριο, είναι πιο δραστικό και διαβρώνει τα μέταλλα και είναι πιο διεισδυτικό στις διαρροές. Απαιτεί λοιπόν αυστηρότερες προδιαγραφές και μεγαλύτερο κόστος κατασκευής σε σχέση με τους αγωγούς φυσικού αερίου. Το υπάρχον δίκτυο αγωγών υδρογόνου παγκοσμίως δεν ξεπερνάει επί του παρόντος σε μήκος το 2‰ του δικτύου φυσικού αερίου.

Σε υγρή μορφή μπορεί να μεταφερθεί  και να αποθηκευτεί μόνο σε πολύ χαμηλή θερμοκρασία (κρυογενικά κοντέινερ, –253ºC). Ένα φορτηγό 40 τόνων μπορεί να μεταφέρει 4 τόνους υγρού υδρογόνου. Για την υγροποίηση όμως απαιτείται δαπανηρή υποδομή και ενέργεια που αντιστοιχεί στο 35% περίπου του ενεργειακού του περιεχομένου. Το 2013 λειτουργούν 3 βιομηχανικές μονάδες υγροποίησης στην Ευρώπη και 10 στη Β. Αμερική.

Η πιο συνήθης πρακτική για μικρότερες ποσότητες είναι η συμπίεση και μεταφορά του υδρογόνου σε αέρια μορφή υπό μεγάλη πίεση. Στη μορφή αυτή, μεταφέρεται σε μεγάλα κυλινδρικά δοχεία, σε πιέσεις που κυμαίνονται ανάλογα με τις ανάγκες 200–800 bar. Ένα φορτηγό ανάλογα με το βαθμό συμπίεσης μπορεί να μεταφέρει δοχεία με συνολικά 100–800 kg υδρογόνου. Για συμπίεση πάντως του αερίου υδρογόνου μέχρι τα 700 bar απαιτείται ενέργεια που αντιστοιχεί στο 10% περίπου του ενεργειακού του περιεχομένου.

Τέλος, άλλες μέθοδοι μεταφοράς του υδρογόνου, όπως π.χ. σε μορφή μεταλλικών υδριδίων ή άλλων ενώσεων βρίσκονται ακόμα σε στάδιο έρευνας.

Η καθαρή καύση του υδρογόνου καθιστά δελεαστική τη χρήση του στην αυτοκίνηση και, παρά τις δυσκολίες στην παραγωγή και διάθεσή του, μένουν ανοικτά όλα τα σενάρια αξιοποίησής του. Φαίνεται πάντως να ευνοείται περισσότερο η αποκεντρωμένη παραγωγή και χρήση του, ιδιαίτερα με την εξάπλωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

VIII. ΚΥΨΕΛΕΣ ΚΑΥΣΙΜΟΥ – ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ (FCEV)

Οι πρώτες αναφορές στις κυψέλες καυσίμου εμφανίστηκαν το 1938 (William Groove). Από το 1950 άρχισαν να κατασκευάζονται σε βιομηχανική κλίμακα, ενώ το 1959 πρωτοχρησιμοποιήθηκαν και από τη NASA στο πρόγραμμα Gemini. Από το 1990 άρχισαν να χρησιμοποιούνται σε νοσοκομεία, πανεπιστήμια, συγκροτήματα γραφείων κλπ. για βοηθητική παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, ενώ το 1991 κατασκευάστηκε το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο με κυψέλες καυσίμου (LaserCel 1, Roger Billings).

Λειτουργία κυψέλης καυσίμου PEM

Η χρήση τους σήμερα είναι ευρύτατη, από την κατασκευή μικρών πηγών ηλεκτρικής ενέργειας για τροφοδοσία κινητών και φορητών υπολογιστών, την τροφοδοσία ηλεκτροκίνητων αυτοκινήτων, λεωφορείων, φορτοεκφορτωτών και άλλων οχημάτων, σε διαστημικές εφαρμογές, αλλά και σε μεγαλύτερη κλίμακα, για παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας, σε μικροσυστήματα συνδυασμένης παραγωγής ηλεκτρικής και θερμικής ενέργειας (micro CHP), και σε ολοκληρωμένες μονάδες παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας όπου χρησιμοποιούν το υδρογόνο που παράγεται από την μονάδα. Ειδικά σε μονάδες ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, η περίσσεια ηλεκτρικής ισχύος κατά τις περιόδους μικρού φόρτου, αντί να αποθηκεύεται σε μπαταρίες χρησιμοποιείται εναλλακτικά για παραγωγή υδρογόνου, που τροφοδοτεί κυψέλες καυσίμου στις περιόδους αιχμής.

Υπάρχουν πολλοί τύποι κυψελών καυσίμου (PEM, AFC, PAFC, MCFC, SOFC, κλπ.) με διαφορές στον χρησιμοποιούμενο ηλεκτρολύτη, στη θερμοκρασία λειτουργίας, στην απόδοση, κλπ. που βρίσκουν εφαρμογή σε διαφορετικά πεδία. Ο πιο συνηθισμένος τύπος στα αυτοκίνητα είναι οι κυψέλες καυσίμου πολυμερισμένης μεμβράνης (Polymer Electrolyte Membrane, PEM), με θερμοκρασία λειτουργίας κάτω από 120ºC. Με πολική τάση περίπου 0,6–0,7 Volt ανά στοιχείο πρέπει όπως και με τις μπαταρίες να συνδεθούν σε στήλες με μικτή σύνδεση για την τροφοδοσία του ηλεκτροκινητήρα (fuel cell stacks).

: Κυψέλες καυσίμου
Honda, Nissan, Hyundai

Το κόστος παραγωγής από το 2006 μειώθηκε σταδιακά από τα $ 125/kW στα $ 55/kW και αναμένεται περαιτέρω μείωση, κάτι που θα εξαρτηθεί όμως κι από τη μαζικοποίηση της παραγωγής. Η φθορά τους με τη χρήση εκτιμάται περίπου σε 10% απώλεια τάσης μετά από 120.000 km, με προοπτική βελτίωσης, η δε ενεργειακή τους απόδοση είναι περίπου 50–60% με χρήση υδρογόνου ως καυσίμου, επηρεάζεται όμως και από τις συνθήκες λειτουργίας.

Για την εκμετάλλευση της δυνατότητας ανάκτησης ενέργειας από τον ηλεκτροκινητήρα, όλα τα σύγχρονα FCEV είναι εφοδιασμένα με εφεδρική μπαταρία χωρητικότητας ενέργειας λίγων kWh, η οποία φορτίζεται όταν ο κινητήρας χρησιμοποιείται σαν φρένο, αλλά και από την κυψέλη καυσίμου. Όταν όμως υπάρχει ανάγκη μεγάλης ισχύος (π.χ. προσπέρασμα) χρησιμοποιείται για την τροφοδοσία του κινητήρα ταυτόχρονα με την κυψέλη καυσίμου (boost).

Toyota Mirai, ρεζερβουάρ Η2

Το καύσιμο υδρογόνο στο σύνολο σχεδόν των παραγομένων μοντέλων μεταφέρεται σε μορφή συμπιεσμένου αερίου, μέσα σε ρεζερβουάρ υψηλής πίεσης (350 bar παλαιότερα και 700 bar στα νέα μοντέλα, κατασκευή από μεταλλικό σκελετό και ίνες άνθρακα). Σε τέτοια πίεση το υδρογόνο έχει πυκνότητα περίπου 0,04 kg/L και ενεργειακή πυκνότητα 1,55 kWh/L. Έτσι ένα ρεζερβουάρ 100 L χωράει περίπου 4 kg υδρογόνου που περιέχει 155 kWh ενέργειας.

Στον πιο κάτω πίνακα φαίνονται ενδεικτικά τα στοιχεία μερικών νέων οχημάτων με κυψέλες υδρογόνου:

ΜΟΝΤΕΛΟ ΕΤΟΣ ΙΣΧΥΣ 

ΡΟΠΗ ΚΙΝΗΤΗΡΑ

ΙΣΧΥΣ ΚΥΨΕΛΗΣ ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

 

ΕΦΕΔΡΙΚΗ ΜΠΑΤΑΡΙΑ ΡΕΖΕΡΒΟΥΑΡ

ΥΔΡΟΓΟΝΟΥ

ΜΕΓ. ΤΑΧΥΤ. ΕΠΙΤΑΧΥΝΣΗ 0 – 100 km/h ΑΥΤΟΝΟΜΙΑ ΠΑΡΑΓΩΓΗ ΤΙΜΗ
Hyundai ix35 (Tucson) FCEV 2014 – 134 HP

300 Nm

134 HP 180 Volt 0,95 kWh 5,63 kg

(700 bar)

160 km/h 12,5 s 590 km < 1.000 € 66.000
Toyota Mirai 2015 – 152 HP

335 Nm

153 HP (114 kW) 2 kW/kg 245 Volt Ni-MH 1,6 kWh 5 kg

(700 bar)

178 km/h 9,6 s 540 km < 2.000 € 66.000 + ΦΠΑ
Honda Clarity 2016 – 174 HP

300 Nm

137 HP 288 V

Li-ion

5,8 kg

(700 bar)

160 km/h 9 s 640 km < 300 € 70.000 (?)
BMW 5 GT FCEV prototype

(2020)

242 HP

500 Nm

200 – 400 cell stack 1 kWh 4,5 kg (700 bar)

7,1 kg (350 bar, –220ºC)

180 km/h 8,4 s 450 km –

700 km

 

Ας κάνουμε τώρα και μερικούς ενδεικτικούς υπολογισμούς για σύγκριση.

  1. i) Απόδοση tanktowheel: Με απόδοση κυψέλης καυσίμου 50%, απόδοση inverter/controller 95% και απόδοση ηλεκτροκινητήρα / μετάδοσης 80–92% προκύπτει απόδοση tank-to-wheel 38–44% που τοποθετεί τα FCEV κάπου ανάμεσα στα ICEV και BEV:
Τύπος καυσίμου Βενζίνη Πετρέλαιο Κυψέλη καυσίμου Η2 Μπαταρία Li-ion
Απόδοση tanktowheel 16–25% 20–30% 38–44% 68–74%

Η τιμή αυτή, σε πραγματικές συνθήκες λειτουργίας είναι λίγο μικρότερη. Στην τυποποίηση NEDC (New European Driving Cycle) υπολογίζεται 36% (έναντι 22% για τα ντιζελοκίνητα). Οι κατασκευαστές πάντως υπόσχονται τιμές απόδοσης τα επόμενα χρόνια που θα υπερβούν το 50%.

  1. ii) Απόδοση welltotank: Όπως και στην περίπτωση των BEV, η απόδοση well-to-tank είναι δύσκολο να προσδιοριστεί λόγω των διαφορετικών τρόπων παραγωγής / διάθεσης του υδρογόνου και παρουσιάζει σχετική διακύμανση.

Η μέθοδος παραγωγής από αναμόρφωση του φυσικού αερίου (SMR), που είναι και η πιο διαδεδομένη έχει μέση ενεργειακή απόδοση περίπου 70% ή και περισσότερο στις πιο σύγχρονες εγκαταστάσεις. Αν θεωρήσουμε και απόδοση 90% για τη συμπίεση και μεταφορά του, τότε προκύπτει απόδοση well-to-tank 63%.

Hyundai ix35, Toyota Mirai, Honda Clarity, BMW 5 FCEV

Άλλες μέθοδοι παραγωγής Η2 έχουν γενικά μικρότερη απόδοση. Αξίζει να αναφέρουμε την ηλεκτρόλυση του νερού σε χαμηλή ή ψηλή πίεση, είτε σε αλκαλικές μονάδες είτε με χρήση PEM. Τέτοια συστήματα έχουν ενεργειακή απόδοση 40–65% ή και μικρότερη αν χρειαστεί επιπλέον συμπίεση του υδρογόνου, και μπορούν να συνδυαστούν με τη χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας.

iii) Απόδοση welltowheel: Είναι φανερό ότι ο ακριβής υπολογισμός της για τα FCEV καθώς και η σύγκριση της με τα BEV δεν είναι εύκολη διότι υπεισέρχονται πάρα πολλοί μεταβλητοί παράγοντες. Έτσι, ενδεικτικά μόνο συμπληρώνουμε τον πιο κάτω πίνακα:

Είδος καυσίμου Well-to-tank Tank-to-wheel Well-to-wheel
Ηλεκτρική ενέργεια Από δίκτυο: 44 %

Από RES: 95–100 %

6874 % 3033 %

6474 %

Υδρογόνο Από SMR: 63 %

Από RES/PEM: 40–65 %

3850*% 2432 %

1633 %

(*Σύμφωνα με τις εξαγγελίες των κατασκευαστών)

Παρατηρούμε ότι, με τις συμβατικές μεθόδους παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας / υδρογόνου, τα BEV και FCEV έχουν παραπλήσια απόδοση well-to-wheel, διπλάσια περίπου από αυτή των συμβατικών αυτοκινήτων. Συμβάλλουν επομένως εξίσου στην «αποκέντρωση» της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, αλλά και της μείωσής της περίπου στο μισό. Ανάλογα τώρα με τα κίνητρα που έχει ο καθένας, μπορεί να «διογκώσει» ή να υποβαθμίσει κάποια από τις παραμέτρους που υπεισέρχονται, και να προβάλει ως «καλύτερα» ή πιο αποδοτικά τα μεν ή τα δε.

Η εξάπλωση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας φαίνεται πάντως να ευνοεί τα BEV. O ιδρυτής της Tesla Elon Musk χαρακτήρισε μάλιστα σε συνέντευξή του τις κυψέλες καυσίμου «extremely silly», προβάλλοντας το επιχείρημα ότι «δεν έχει νόημα να μετατρέπουμε την έτοιμη ηλεκτρική ενέργεια σε υδρογόνο, να το συμπιέζουμε και να το αποθηκεύουμε με δύσκολο τρόπο, για να το ξανακάνουμε στο τέλος πάλι ηλεκτρική ενέργεια με τη μισή ενεργειακή απόδοση». Ο Elon Musk έχει τους λόγους του βέβαια, και το επιχείρημά του είναι ορθό.

Το θέμα όμως είναι πιο σύνθετο και δεν μπορεί να απαντηθεί απλά, για να μην πούμε ότι η απάντηση δεν είναι μονοσήμαντη, αλλά εξαρτάται από τις τεχνολογικές εξελίξεις, αλλά και τις πολιτικοοικονομικές επιλογές του μέλλοντος.

Όπως είδαμε πιο πάνω, η κύρια αδυναμία των BEV είναι η μικρή αυτονομία τους σε συνδυασμό με το κόστος και το βάρος της μπαταρίας τους. Με κατανάλωση περίπου 15 kWh / 100 km, η αυτονομία τους δύσκολα ξεπερνάει τα 200–300 km. Επιπλέον, ή επαναφόρτιση της μπαταρίας είναι χρονοβόρα, ιδιαίτερα αν γίνεται από οικιακή παροχή ρεύματος.

Πρόβλεψη πωλήσεων FCEV μέχρι το 2020

Στα FCEV η αυτονομία είναι μεγαλύτερη. Τα έστω και ογκώδη ρεζερβουάρ τους χωρούν ~5 kg συμπιεσμένου Η2 που τους δίνει αυτονομία >500 km. Το πρόβλημα εδώ όμως είναι η ανύπαρκτη σχεδόν υποδομή ανεφοδιασμού με υδρογόνο. Παγκοσμίως, οι σταθμοί ανεφοδιασμού Η2 δεν ξεπερνούν τους 200, με τους περισσότερους να βρίσκονται στην Ιαπωνία, Κορέα, Β. Αμερική και Ευρώπη (περίπου 25). Στην Ελλάδα συναντάμε μόνο … πηχυαίους τίτλους εφημερίδων του στυλ «το πετρέλαιο πέθανε, ζήτω το υδρογόνο …». Η τάση φαίνεται να είναι αυξητική, αλλά το κόστος εγκατάστασης κάθε τέτοιου σταθμού (στην Αμερική) ξεπερνάει τα $ 2.000.000. Έχει δημιουργηθεί λοιπόν ένας φαύλος κύκλος: Για να επενδυθούν κεφάλαια σε σταθμούς ανεφοδιασμού πρέπει να υπάρχει προοπτική κέρδους, πολλά δηλαδή υδρογονοκίνητα σε κυκλοφορία. Για να αγοράσει όμως τέτοια ο κόσμος πρέπει να υπάρχει λειτουργικό δίκτυο σταθμών ανεφοδιασμού. Και να γίνει πιο προσιτή και η τιμή τους, που κι αυτό προϋποθέτει μαζικότερη παραγωγή και κυκλοφορία.

Ίσως αυτός είναι ο λόγος που εδώ και πολλά χρόνια «η υδρογονοκίνηση είναι το μέλλον της αυτοκίνησης …», αλλά ακόμα παραμένει … μέλλον!

Από μια διαφορετική οπτική γωνία όμως, το υδρογόνο ως φορέας ενέργειας, παρόλο που σπαταλά τη μισή περίπου ηλεκτρική ενέργεια κατά την παραγωγή του με ηλεκτρόλυση, έχει πολύ μεγαλύτερη ειδική ενέργεια από τις μπαταρίες και μπορεί να αποθηκευτεί πιο εύκολα σε μεγάλες ποσότητες. Η δυνατότητα αυτή, σε συνδυασμό και με την πτωτική τάση που παρουσιάζει το κόστος παραγωγής των κυψελών καυσίμου, επέτρεψε την κατασκευή μικρότερων ολοκληρωμένων μονάδων ταυτόχρονης παραγωγής ηλεκτρικής ενέργειας και υδρογόνου με χρήση ανανεώσιμων πηγών ενέργειας. Μονάδων δηλαδή που χρησιμοποιούν ως πηγή φωτοβολταϊκά ή ανεμογεννήτριες για να παράγουν και να διαθέτουν ηλεκτρική ενέργεια τις ώρες ζήτησης, ενώ με την περίσσεια παράγουν και αποθηκεύουν υδρογόνο (αντί της αποθήκευσης σε μπαταρίες).

Κατά το τέλος της δεκαετίας του 2000 οι αυτοκινητοβιομηχανίες άρχισαν να δείχνουν απροθυμία στη συνέχιση της έρευνας και παραγωγής FCEV. Από το 2014 και μετά όμως η Ιαπωνία και η Κορέα ξεκίνησαν μια επιθετική πολιτική προώθησης της υδρογονοκίνησης με σχεδιασμό και κίνητρα, την οποία στήριξαν οι ιαπωνικές (Toyota, Honda αρχικά, κλπ.) και οι κορεάτικες (Hyundai, Kia) βιομηχανίες. Η Αμερική και η Ευρώπη ακολούθησαν με αποτέλεσμα οι περισσότερες μεγάλες εταιρείες (GM, Ford, BMW, Mercedes, κλπ.) να εξαγγέλλουν πάλι για το μέλλον προγράμματα υδρογονοκίνησης.

Μάλλον είναι ανοικτά λοιπόν όλα τα ενδεχόμενα και το τι μέλει γενέσθαι θα εξαρτηθεί τελικά και από τις τεχνολογικές εξελίξεις και τη μείωση του κόστους σε κάθε τομέα, αλλά και από τα πολιτικοοικονομικά παιχνίδια των μεγάλων παικτών.

Για να κλείσουμε με τα FCEV ας γράψουμε δυο λόγια και για το κόστος τους (virtual για την Ελλάδα).

  • Κόστος αγοράς πολύ μεγάλο, τριπλάσιο περίπου από αντίστοιχο συμβατικό αυτοκίνητο, που οφείλεται (και) στην περιορισμένη παραγωγή. Διάθεση κυρίως μέσω leasing που συμπεριλαμβάνει και την τιμή του καυσίμου Η2.
  • Κόστος συντήρησης χαμηλό σχετικά, αφού πρόκειται για ηλεκτροκίνητο όχημα, με εξαίρεση την πιθανότητα να χρειαστεί αντικατάσταση η κυψέλη καυσίμου, η οποία πάντως κατά τους κατασκευαστές έχει αργή φθορά και πιθανή διάρκεια ζωής πάνω από 000 km ή και περισσότερο. Παρουσιάζει πάντως ευαισθησία στην καθαρότητα του υδρογόνου, η οποία πρέπει να είναι >99,99%.

(Άντε τώρα να ψάξεις να βρεις … υδρογονάδικο εμπιστοσύνης!)

  • Κόστος χρήσης, με μέση κατανάλωση 0,95 kg / 100 km και τιμή υδρογόνου € 10 / kg (τιμή Γερμανίας), προκύπτει κόστος κίνησης περίπου € 9,5 / 100 km που είναι συγκρίσιμο με το κόστος κίνησης ενός βενζινοκίνητου αυτοκινήτου.

Και μην ξεχνάτε τέλος ότι με μια μικρή τροποποίηση μπορείτε να μετατρέψετε το FCEV σας σε μια ισχυρή ηλεκτρογεννήτρια για να τροφοδοτήσετε το σπίτι σας και … τα σπίτια των γειτόνων μαζί σε περίπτωση διακοπής ρεύματος, καθώς και να μπορείτε να χρησιμοποιείτε άνετα τον … φούρνο μικροκυμάτων σας όταν κάνετε … ελεύθερο κάμπινγκ! Αν μάλιστα προτιμήσετε το Mirai, έχει έτοιμη πρίζα για να χρησιμοποιηθεί ως ηλεκτρογεννήτρια 9 kW, επί μια βδομάδα με το H2 των δεξαμενών του.

  1. IX. ΥΒΡΙΔΙΚΑ ΑΥΤΟΚΙΝΗΤΑ (EREVHEV)

Τα υβριδικά αυτοκίνητα κυκλοφορούν χρόνια στην αγορά και είναι γνωστά και καταξιωμένα από την εποχή των πρώτων Toyota Prius. Δεν έχει επομένως πρακτική αξία μια εκτενής αναφορά στις τεχνολογίες τους και θα περιοριστούμε σε μερικά βασικά στοιχεία.

Το πρώτο υβριδικό αυτοκίνητο βενζίνης-ρεύματος (petro-electric) κατασκευάστηκε από τον Henri Pieper (1899, Βέλγιο). Ακολούθησε το υβριδικό Lohner Porsche (1900–1905), το οποίο κέρδισε και δυο ρεκόρ ταχύτητας.

Lohner Porsche, 1900 – 1905

Σημαντικός σταθμός ήταν η εφεύρεση του συστήματος ανάκτησης ενέργειας του φρεναρίσματος (regenerative braking), από τον ηλεκτρολόγο μηχανικό David Arthurs (1978–1979, ΗΠΑ), ο οποίος πειραματίστηκε σε ένα Opel GT της εποχής,  κάνοντας μετατροπές κατ’ οίκον.

Το 1997 πρωτοκυκλοφόρησαν στην ιαπωνική αγορά το Toyota Prius και στην ευρωπαϊκή το Audi Duo. Σήμερα όλες σχεδόν οι αυτοκινητοβιομηχανίες κατασκευάζουν υβριδικά μοντέλα.

Υπάρχουν πολλοί τύποι υβριδικών οχημάτων (ακόμα και ένα … ηλεκτρικό ποδήλατο θεωρείται υβριδικό όχημα!). Αυτά που μας ενδιαφέρουν εδώ είναι τα υβριδικά βενζίνης-ρεύματος (petro-electric) και πετρελαίου-ρεύματος (diesel-electric).

Τύποι μετάδοσης ισχύος

Ανάλογα με τον πρωτεύοντα τρόπο κίνησης χωρίζονται σε τύπους:

  • Σειριακό σύστημα (Serial Hybrid)

Οι τροχοί πάιρνουν κίνηση από τον ηλεκτροκινητήρα που τροφοδοτείται από τη μπαταρία μέσω του inverter, κάνοντας και ανάκτηση ενέργειας (όπως ένα BEV). Το ζεύγος θερμικού κινητήρα / γεννήτριας ενεργοποιείται μόνο για να φορτίζει την μπαταρία μέσω του inverter. Ανάλογα με τις προδιαγραφές, μπορεί να μπαίνει σε λειτουργία μόνο όταν η μπαταρία ξεφορτίζεται, ή και πριν ώστε να παρατείνει τη διάρκεια εκφόρτισής της. Λόγω μεγαλύτερης αυτονομίας ονομάζονται και Extended-Range Electric Vehicles, E-REV. Δεν χρειάζονται κιβώτιο ταχυτήτων, αφού κινούνται από τον ηλεκτροκινητήρα. Ο θερμικός κινητήρας δεν συνδέεται με τους τροχούς. Έτσι, μπορεί να λειτουργεί πάντα στην περιοχή μέγιστης απόδοσής του. Παραδείγματα τα Chevrolet Volt (έως 110 km/h), BMW i3.

  • Παράλληλο σύστημα (Parallel Hybrid)

Οι τροχοί εδώ μέσω ενός συνδυασμένου συστήματος εμπλοκής μπορεί να παίρνουν κίνηση είτε ταυτόχρονα από το θερμικό και τον ηλεκτρικό κινητήρα, είτε μόνο από τον ένα ή τον άλλο με σύμπλεξη – αποσύμπλεξη. Το κιβώτιο ταχυτήτων είναι απαραίτητο για τον θερμικό κινητήρα και η σύζευξη με τον ηλεκτρικό μπορεί να γίνεται πριν ή μετά από αυτό. Παραδείγματα τα Honda Insight 1999, Ford Escape 2005.

  • Σειριακό – παράλληλο ή σύστημα διαχωρισμού ισχύος (Serial – Parallel ή Power – Split Hybrid)

Η σύζευξη των δύο κινητήρων γίνεται εδώ μέσω ενός πλανητικού συστήματος γραναζιών, μέσω του οποίου μπορεί να ρυθμίζεται το ποσοστό συνεισφοράς του καθενός στην παρεχόμενη ισχύ στους τροχούς, καθώς και η κατανομή της ισχύος του θερμικού κινητήρα στους τροχούς και στη γεννήτρια φόρτισης της μπαταρίας.

Η εξέλιξη της τεχνολογίας των συστημάτων μετάδοσης συνέβαλε στην εξέλιξη της λειτουργίας (και της πολυπλοκότητας) των συστημάτων διαχωρισμού ισχύος στα υβριδικά. Συστήματα όπως το Hybrid Synergy Drive (HSD) της Toyota, τεχνολογίες όπως η Dual Clutch Transmission (DCT) και η Continous Variable Transmission (CVT), κλπ. που χρησιμοποιούνται και στα υβριδικά, αυτόματα σειριακά κιβώτια ταχυτήτων, διαθέτουν ολοκληρωμένο ηλεκτρονικό έλεγχο και παρέχουν τη δυνατότητα επιλογής από τον οδηγό του τρόπου λειτουργίας (π.χ. Sports, Normal, Economy). Μεγάλες εταιρείες κατασκευής συστημάτων μετάδοσης (ZF, Xtrac, κλπ.) κατασκευάζουν ολοκληρωμένα συστήματα μετάδοσης για υβριδικά, με δυνατότητα εργοστασιακής ρύθμισης των παραμέτρων λειτουργίας.

Τα είδη υβριδικών που συναντάμε σήμερα είναι:

  • Υβριδικά στάσης – εκκίνησης (Micro Hybrid)

Διαθέτουν σύστημα που σβήνει τη μηχανή όταν λειτουργεί στο ρελαντί και την εκκινεί αυτόματα με το πάτημα του γκαζιού. Κατ’ όνομα μόνο υβριδικά αφού χρησιμοποιούν μια μόνο πηγή ενέργειας.

  • Ήπια υβριδικά (Mild Hybrid)

Διαθέτουν μικρό σχετικά ηλεκτροκινητήρα και μπαταρία, τυπικά σε παράλληλη διάταξη, ο οποίος χρησιμοποιείται επικουρικά, για ανάκτηση ενέργειας κατά την επιβράδυνση, λειτουργία στάσης – εκκίνησης (λειτουργεί και ως μίζα) και παροχή πρόσθετης ισχύος (κυρίως ροπής) όταν απαιτείται (π.χ. προσπέρασμα). Δεν είναι δυνατή η κίνηση μόνο μρ ηλεκτρική ενέργεια. Η συνεισφορά του ηλεκτροκινητήρα σε ισχύ επιτρέπει τη χρήση θερμικού κινητήρα βελτιστοποιημένου ως προς την ενεργειακή απόδοση αντί των επιδόσεων, με αποτέλεσμα να βελτιώνεται η συνολική ενεργειακή απόδοση του αυτοκινήτου.

Παράδειγμα το Honda CR-Z, (βενζινοκινητήρας1500 cc, 111 HP – 140 Nm / ηλεκτροκινητήρας 19HP – 50 Nm / μπαταρία Li-ion <1kWh / κιβώτιο ταχυτήτων 6-τάχυτο μηχανικό ή CVT).

  • Πλήρη ή ολοκληρωμένα υβριδικά (Full Hybrid)

Διαθέτουν μεγαλύτερους ηλεκτροκινητήρες από τα προηγούμενα, τυπικά σε διάταξη διαχωρισμού ισχύος, ώστε να είναι υπάρχει καλύτερος έλεγχος κατανομής της ισχύος. Μπορούν να κινηθούν και μόνο με ηλεκτρική ενέργεια αλλά μόνο για μερικά χιλιόμετρα, λόγω της μικρής χωρητικότητας των μπαταριών (< 2kWh).

Τα τελευταία χρόνια, πολλά μοντέλα κυκλοφορούν και σε εκδόσεις με μεγαλύτερες μπαταρίες (5–12 kWh), που έχουν τη δυνατότητα να φορτίζονται και από εξωτερική πηγή (Plug-in Hybrid Electric Vehicles, PHEV), ώστε να έχουν μεγαλύτερη αυτονομία ως αμιγώς ηλεκτροκίνητα, π.χ. 20–60 km.

: Ετήσιες πωλήσεις παγκοσμίως

Η αγορά του υβριδικού αυτοκινήτου παρουσιάζει μια σχεδόν γραμμική αυξητική τάση, που εκτιμάται ότι θα συνεχιστεί για μερικά χρόνια, μέχρι να παρουσιάσουν μεγαλύτερη ωριμότητα οι τεχνολογίες των BEV και FCEV.

Η μεγάλη κυκλοφορία τους (η Toyota μόνο, σύμφωνα με τα δελτία τύπου της, έχει πουλήσει μέχρι τώρα περίπου 9.000.000 υβριδικά αυτοκίνητα παγκοσμίως) επιτρέπει στους κατασκευαστές να παράγουν πολλά διαφορετικά μοντέλα, και να μειώνουν τις τιμές. Εξακολουθούν να είναι λίγο ακριβότερα από τα αντίστοιχα συμβατικά μοντέλα βενζίνης, ίσως σε τιμές παραπλήσιες με αυτές των ντίζελ.

Σχετική κατανάλωση ICEV, HEV και PHEV

Έτσι, κυκλοφορούν ήδη υβριδικά για κάθε ανάγκη, από μικρά αυτοκίνητα πόλης μέχρι υπεραυτοκίνητα με εκπληκτικές επιδόσεις.

Η μέση κατανάλωση των υβριδικών αυτοκινήτων είναι λίγο μικρότερη, όπως αναμένεται, από αυτή των συμβατικών αυτοκινήτων. Ιδιαίτερα για τα PHEV είναι αρκετά μικρότερη, όπως φαίνεται στον διπλανό πίνακα, διότι μέσα στην τυποποίηση του κύκλου μέτρησης συμπεριλαμβάνεται και κίνηση σε συνθήκες πυκνής κυκλοφορίας, όπου χρησιμοποιούνται ως ηλεκτροκίνητα.

Η επιλογή λοιπόν είναι … δική σας!

Toyota Yaris Hybrid T3 1.5 VVT-I, LaFerrari, Honda Jazz Hybrid HE, McLaren P1

 

Αν θέλετε να φιλοξενήσουμε το άρθρο σας, στείλτε μας στο info@getelectric.gr

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

 

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση Ηλεκτροκίνηση 

Προηγούμενο άρθροAudi Q3 TFSI e & Q3 Sportback TFSI e: τα κορυφαία plug-in υβριδικά SUV
Επόμενο άρθροΠαρουσιάστηκε η Harley-Davidson LiveWire One!

ΑΦΗΣΤΕ ΜΙΑ ΑΠΑΝΤΗΣΗ

Please enter your comment!
Please enter your name here

Αυτός ο ιστότοπος χρησιμοποιεί το Akismet για να μειώσει τα ανεπιθύμητα σχόλια. Μάθετε πώς υφίστανται επεξεργασία τα δεδομένα των σχολίων σας.