Električni avtomobil

Primerjava med avtomobilom na električni in bencinski pogon.

Objavljeno: 22. 02. 2012, posodobljen 06. 10. 2012
Andrej Lavrič

V zadnjem času pospešeno razvijajo avtomobile na električni pogon in hibridna vozila na električni in bencinski (ali dizel) pogon. Ne vemo, ali je to modna muha ali pa dolgoročni trend razvoja. Električni avtomobili so za sedaj še dragi in imajo omejen doseg z enim polnjenjem akumulatorjev, nimajo pa izpusta strupenih in toplogrednih plinov. Motorji na notranje izgorevanje nimajo teh omejitev, vendar onesnažujejo okolje.

Primerjajmo obe vrsti pogona s stališča ekonomičnosti.

Enakomerna vožnja po asfaltni cesti

Približen izračun porabe pri enakomerni vožnji  po asfaltni cesti nam da oceno ekonomičnosti obeh pogonov. Izračunajmo, koliko energije dejansko potrebujemo  za vožnjo na neki namišljeni poti za obe vrsti motorja. Vozilo naj bo po pri obeh izračunih enako, le da ga poganja prvič bencinski motor in drugič elektromotor. Nato primerjajmo ceni vožnje po zamišljeni poti z upoštevanjem cene goriva (elektrike in bencina).

Izberemo asfaltno cesto brez klancev dolžine 100 km in vozimo po njej avto s hitrostjo 100 km/h. Ostali podatki so:

m=1500\,kg                                 bruto masa avtomobila
S=2{,}6\,m^{2}                                     presek avtomobila v smeri vožnje
c_{u}=0{,}5                                          koeficient upora zraka
c_{kt}=0{,}01                                        koeficient kotalnega trenja
\rho_{zr}=1{,}2\,\frac{kg}{m^{3}}                                   gostota zraka
s=100\,km=10^{5}\,m                    pot avtomobila
v=100\,km/h=28\,m/s            hitrost avtomobila

Vožnjo zavira sila upora zraka in sila kotalnega trenja:

F_{u}=\frac{c_{u}\,\rho_{zr}\,S\,v^{2}}{2}=610\,N

F_{kt}=c_{kt}\,m\,g=150\,N

Izračunamo potrebno moč na kolesih motorja in delo na poti 100 km:

P=F_{kt}\,v+F_{u}\,v=4200\,W+17000\,W=21200\,W

Pt=F_{kt}\,s+F_{u}\,s=7{,}6\cdot 10^{7}\,Ws=21\,kWh

Kakšen pa je izkoristek obeh pogonov?

Izkoristek motorjev na notranje izgorevanjem je po drugem zakonu termodinamike že teoretično omejen. Dodatno manjšajo izkoristek izgube hlajenja (28%) , toplota izpušnih plinov (30%), trenje v mehanizmu motorja in pri prenosu moči (10%), poraba črpalke za bencin, ventilatorja, itd.

Elektromotor ima bistveno boljši izkoristek od bencinskega motorja. Poleg tega je teoretično lahko priključen neposredno na pogonsko gred vozila – brez izgube pri prenosu moči.

Izkoristek prenosa moči na kolo:

\eta =\frac{P_{k}}{P_{m}}
P_{k}    moč na kolesih vozila
P_{m}    moč elektrike ali goriva na vhodu motorja

Za elektromotor velja (ref. 1, str. 242):

\eta_{1}=0{,}90\,do\,0{,}93

Za lahko bencinski motor (ref. 1, str. 242):

\eta_{2}=0{,}22\,do\,0{,}25

Zgradba električnega vozila
Zgradba električnega vozila

Iz znanega izkoristka lahko izračunamo potrebni moči na vhodih obeh motorjev:

P_{m1}=23\,kW
P_{m2}=90\,kW

Če upoštevamo ceno kilovatne ure elektrike 0,05 €, kurilnost bencina 47,0 MJ/kg in ceno bencina 1,5 €/kg dobimo približno ceno vožnje:

avto na električni pogon:
1,15 €/100 km
avto na bencinski pogon:
10,4 €/100 km

Z upoštevanjem samo cene energije, je cena vožne z avtomobilom na električni pogon  približno desetkrat nižja od cene vožnje na bencinski pogon!

Nižja cena vožnje z električnim avtomobilom gre prvenstveno na račun boljšega izkoristka električnega motorja glede na bencinski motor (4 x večji izkoristek) in tudi nižje cene kWh elektrike (2,3 x nižja cena kWh elektrike od kWh energije bencina).

Obnova izgubljene energije – rekuperator

Med vožnjo pospešujemo, zaviramo, vozimo v klanec in po klancu navzdol. Pri zaviranju izgubljamo energijo – kinetična in potencialna energija se pretvarjata v toplotno energijo.

Izgubo energije pri zaviranju lahko znižamo z uporabo rekuperatorja. Namesto, da se kinetična ali potencialna energija pri zaviranju ali pri vožnji po klancu navzdol spreminja v toplotno energijo, lahko z njo npr. polnimo akumulator. Pogonski motor se v tem primeru spremeni v električni generator. Energijo, ki bi bila izgubljena, ponovno uporabimo za vožnjo.

Zgled:

Vzemimo avtomobil z istimi karakteristikami kot v prvem poglavju. Avto  enkomerno pospešimo od 0 do 100 km/h v času 15 s; upoštevamo spremembo kinetične energije, kotalno trenje in upor zraka. Nato zapeljemo na klanec višine 100 m. Izračunamo potrebno energijo:

Pospeševanje:

Potrebna energije je 190 Wh na kolesih vozila oziroma z upoštevanjem izkoristka 207 Wh (elektro motor) in 826 Wh (bencinski motor).

Vožnja v klanec:

Potrebna energija je 417 Wh  na kolesih vozila oziroma z upoštevanjem izkoristka 453 Wh (elektro motor) in 1,8 kWh (bencinski motor).

Pri zaviranju in vožnji po klancu navzdol nam vloženo energijo rekuprator vsaj delno vrača v sistem.

Rekuperator bi moral biti nujni del varčnega avtomobila. Pri motorjih z notranjim izgorevanjem rekuperator vskladišči energijo ob zaviranju v rotacijsko kinetično energijo hitro vrtečega se vztrajnika. V primeru električnega vozila je lahko izvedba rekuperatorja cenejša. Uporabimo lahko pogonski elektromotor tokrat kot generator električne energije. Ob zaviranju se dobljena električna energija vskladišči v akumulator.

Akumulator

Do sedaj je absolutni zmagovalec primerjave avtomobil na električni pogon. Kje pa dobiti energijo za električni pogon? Prva izbira so seveda električni akumulatorji.

Li-ionski akumulator
Li-ionski akumulator

Akumulator mora zadostiti vrsti zahtev. Predvsem mora imeti čim manjšo težo glede na zmogljivost. Najugodnejša izbira je Li-ionski (litij ionski) akumulator z zmogljivostjo 150 vatnih ur na kilogram mase. Slabše karakteristike imata NiMH (nikel-metal hibrid) akumulator – 100 Wh/kg mase in svinčeni akumulator – 25 Wh/kg.

Li-ionski akumulatorji imajo še druge ugodne in manj ugodne karakteristike. Če niso v uporabi, izgubljajo le kakšnih 5% energije na mesec. So precej občutljivi na visoke temperature in škodi jim popolna izpraznitev. Vse to jim krajša življensko dobo. Normalna življenska doba je 3 do 4 leta, ko jim pade zmogljivost na 50% začetne zmogljivosti. Omejeno je tudi število polnenj in praznenj akumulatorja na približno 500 krat.

Cena Li-ionskih akumulatorjev je 530 €/kWh. Kar 60% cene akumulatorja predstavljajo cene surovin, iz katerega je zgrajen, zato bo zelo težko doseči bistveni padec cene.

Izračunajmo ceno vožnje z upoštevanjem cene in življenske dobe akumulatorja.

Izberemo Li-ionske akumulatorje s skupno maso 150 kg in kapaciteto 150 Wh/kg, kar znese 22,5 kWh. Skupna cena akumulatorjev bi bila 22,5 kWH x 530 €/kWh kar znese 11 900 €. Kot smo izračunali v prvem poglavju, lahko s to energijo prevozimo približno 100 km. Akumulator lahko 500 krat napolnimo, kar znese 50 000 km vožnje (približno 16 000 km/leto). Akumulator torej prispeva k ceni prevoženega kilometra 0,24 € ali 24 €/100 km. Spomnimo se, da smo v prvem poglavju izračunali, da je strošek za električno energijo le 1 €/100 km. Če vozimo manj kot 16 000 km/leto, bo strošek vožnje še višji, saj je življenska doba Li-ionskega akumulatorja omejena na tri leta ne glede na uporabo ali mirovanje. Izguba energije pri polnjenju akumulatorja je majhna in jo v izračunih nismo upoštevali.

Zaključek

Za komercialni uspeh električnih avtomobilov bi morala biti cena akumulatorja vsaj štirikrat nižja ali pa njihova življenska doba vsaj štirikrat daljša od trenutne cene ali življenske dobe. Če upoštevamo, da je srednji doseg z enim polnim akumulatorja 100 km in da polnjenje traja več ur, je električni avtomobil primeren le za krajše mestne vožnje. Dokler ne bodo razvili utrezen akumulator, je rešitev hibridni avto, to je avto z električnim in bencinski (dizel, plinskim) pogonom. Tu izkoriščamo pri mestni vožni lastnost, da električni avto ne onesnažuje ozračja in da z lahkoto obnovljamo energijo – uporaba rekuperatorja, na daljše relacije pa uporabljamo motor na notranje izgorevanje.

Literatura:

1 Bojan Kraut: Strojniški priročnik, Tehnička knjiga, Zagreb,  1987
2 V tekstu označune spletne vsebine

Andrej Lavrič

 

  • Andrej Lavrič

    Zanimajo me izkušnje vseh uporabnikov Li.ionskih baterij zlasti o življenski dobi in ceni.