Automobilul electric de azi si de miine

AUTOMOBILUL ELECTRIC DE AZI SI DE MIINE

Recentul Salon Auto de la Geneva (martie 2009) a oferit vizitatorilor numeroase noutati tehnice privind reducerea costurilor si a noxelor, cresterea confortului si a securitatilor active si pasive, modernizarea tehnologiilor s.a. Dar, ca o particularitate, aproape toate firmele s-au straduit sa ofere si variante de automobile electrice integrale sau cu hibridizare prin motoare termice. Faptul ca, la stadiul actual, automobilul electric trebuie luat in considerare, atit pentru transportul urban cit si pentru cel periferic, reprezinta o necesitate pentru marile orase. In expunerile care urmeaza sunt analizati, pe rind, toti factorii care concura la reactualizarea automobilului electric.

Avantajele electricitatii
Motorul electric se poate prezenta sumar ca o interactiune intre un magnet permanent si un electromagnet alimentat intermitent de la o sursa electrica, avind ca rezultat rotirea unui ax. Din aceasta simplitate tehnologica rezulta si principalul sau avantaj, anume randamentul superior (raportul dintre energia mecanica produsa si energia electrica folosita). In majoritatea cazurilor acest raport este mai mare de 90%, in comparatie cu motorul termic de tip Otto (benzina), unde cifra oscileaza intre 33 si 35% si motorul de tip Diesel, la care raportul nu depaseste 40%. Diferenta foarte mare rezulta mai ales din principiul de functionare:
- la un motor termic, cca 65% din energia oferita de carburant se pierde prin caldura disipata si frecari (piston, biela-manivela, cutia de viteze etc.);
- la motorul electric, toate aceste pierderi nu apar, iar cele citeva procente nefolosite se datoreaza efectului Joule (trecerea curentului prin bobinele de magnetizare).
Faptul ca, la un motor electric, axul motorului actioneaza direct reduce aproape la zero pierderile prin transformari mecanice (inclusiv eliminarea cutiei de viteze). Un simplu mecanism electronic, controlat de un calculator, poate reduce numarul de turatii al motorului electric si, deci, al rotilor motoare ale vehiculului. In vreme ce un vehicul cu motor termic elimina in atmosfera intre 140 – 215 g de bioxid de carbon la un kilometru parcurs (g CO2/km), pentru un automobil electric aceasta valoare oscileaza intre 15 – 20 g CO2/km in cazul in care curentul electric provine de la centrale nucleare sau hidro. Pentru centralele electrice pe baza de gaz metan, titei sau carbune, valorile cresc la 30 – 60 gCO2/km, prin repartizare proportionala cu sursele de curent electric. Si in aceste cazuri defavorabile exista marele avantaj al unor noxe centralizate ce pot fi mult mai usor controlate si captate decit acelea de la milioane de tobe de esapament.
Al treilea mare avantaj al utilizarii curentului electric pentru vehiculele independente consta in disponibilitatea sa aproape la orice pas, fiindca exista incomparabil mai multe prize decit statii de alimentare cu benzina sau motorina.

Progresele posibile ale motorului electric
Motoarele electrice utilizate in prezent la propulsarea acestor automobile provin de la alte aplicatii industriale (masini-unelte, electrocare s.a.). Pentru viitor se au in vedere proiectari de asemenea motoare strict cu destinatia „automobile electrice“, adica se va urmari o mai mare putere dezvoltata pe unitatea de greutate, robustete la intemperii, racire cit mai eficienta si dimensiuni minime. Se au in vedere astfel magneti permanenti foarte puternici pe baza de aliaje neodim + fier + bor, amplasati dupa o geometrie inedita. Pentru un cilindru cu diametrul de 300 mm si inaltimea de 130 mm se pot asigura 15 kW putere instalata la o greutate de numai 15,7 kg (firma Phoenix International). Motorul, numit si cu flux axial, poate lucra la turatii foarte mici, ceea ce il face apt pentru antrenarea directa a rotilor motoare ale vehiculului, fara utilizarea de mecanisme intermediare. In alte variante, aceeasi firma a realizat un motor electric mai „clasic“ si mult mai puternic, care asigura 60 kW putere instalata intr-un cilindru cu diametrul de 300 mm si inaltimea de 300 mm, la o greutate de doar 40 kg. Foarte compact, acest motor permite cu usurinta fixarea sa in butucul unei roti de antrenare a vehiculului electric independent (sistem denumit si Active Wheel). In noua arhitectura, sub capota automobilului ramine un important spatiu disponibil pentru amplasarea altor subansambluri.

Organizarea unui automobil electric hibrid modern
Din examinarea schemelor constructive ale automobilelor electrice expuse la Salonul Auto de la Geneva se pot desprinde o serie de concluzii referitoare la subansamblurile constructive determinante. Prima dintre ele se refera la constatarea evidenta ca pentru uzul general (adica urban + periferic citadin + traseu prelungit), singurele care fac fata onorabil (chiar si sub aspectul pretului de achizitie) sunt autoturismele hibride (exemple: Chevrolet Volt, Opel Ampera, Toyota Prius II s.a.). Automobilele electrice simple, fara hibridizare (exemple: Cleanova II, Bollore, Smart Electric etc.) au autonomii de maximum 200 km si pot fi folosite doar in traficul orasenesc si, cel mult, in cel periferic. Este evident, deci, ca pentru o utilizare multifunctionala si de perspectiva, tinind seama si de stadiul actual insuficient de performanta al bateriilor de acumulatoare, toata atentia se indreapta catre compromisul oferit utilizatorilor de catre automobilele electrice hibride, de la care se asteapta performante din ce in ce mai reusite. Tocmai din aceste motive, in cele ce urmeaza se vor analiza succesiv stadiul la zi si performantele principalelor subansambluri, raportate la un vehicul conceput dupa sistemul „totul pe fata“.
- Autonomia unui asemenea vehicul electric hibrid este suficienta pentru ca in oras sa circule doar in sistemul de actionare prin bateriile de acumulatoare. Dar, ca o adevarata rutiera, la o utilizare interurbana aceasta autonomie se poate extinde, cu un singur plin de combustibil, la 800 – 1000 km prin utilizarea, in paralel, a unui motor cu ardere interna.
- Un rezervor bine protejat contra unui eventual impact si avind o capacitate de maximum 50 l este umplut printr-o tubulatura conventionala, asigurata in mod obisnuit prin inchiderea centralizata.
- Tot pe pozitionarea „spate“ se amplaseaza un supercondensator, destinat a furniza o putere instantanee, necesara mai ales la depasiri, situatie in care bateriile dau un raspuns prea lent.
- Setul bateriilor de acumulatoare, prevazute cu doua circuite de alimentare:
- primul dintre acestea asigura alimentarea cu un curent electric continuu provenind de la generatorul propriu al masinii;
- al doilea circuit de incarcare este destinat alimentarii de la priza de curent alternativ cu o putere apreciabila (4 – 8 kW). In acest circuit este inglobata si o instalatie de redresare corespunzatoare. Timpul de reincarcare se reduce astfel de la 8 – 10 ore la doar cca 4 ore.
Bateriile de acumulatoare sunt structurate pe doua tehnologii de fabricatie, adica:
- acumulatoare de tipul nichel-metal-hidruri cu o capacitate specifica de inmagazinare a energiei electrice de 130 – 140 Wh/kg si o durata de viata de peste 1000 de cicluri conventionale;
- acumulatoare de tipul litiu-ion-polimer membrana, cu o inmagazinare de 180 – 200 Wh/kg si maximum 2000 de cicluri pentru durata de viata. Ca greutate, un asemenea set de acumulatoare nu depaseste 300 kg, ceea ce inseamna ca poate inmagazina maximum 60 kWh.
Subansamblurile prezentate la punctele 1 – 6 sunt amplasate, deci, in cele mai multe cazuri, pe puntea din spate a automobilului electric hibrid.
Trecind acum si la examinarea puntii fata, distingem in principal:
- Ansamblul alternator – redresor, destinat sa asigure incarcarea bateriilor in timpul mersului pe distante mari;
- Motorul termic, care este gindit, in cele mai multe cazuri, doar ca un agent care sa asigure functionarea directa, coaxiala, a grupului generator. Acest motor, de preferinta un diesel, functioneaza prin pornire si oprire automata (in functie de stadiul de incarcare a acumulatoarelor) si este, de obicei, reglat la o turatie de cuplu maxim in plaja 1000 – 1400 rot/min.
Sistemul in care motorul termic participa si la antrenarea deplasarii vehiculului este ocolit in prezent de specialisti din cauza complicatiilor tehnice pe care le implica, a consumului si a noxelor prea mari.
- Motorul (sau motoarele) electrice.
Acest subansamblu este destinat sa asigure actionarea rotilor motoare situate in partea din fata a masinii. La varianta cu doua motoare electrice amplasate fiecare in butucul unei roti fata, comenzile electronice computerizate sunt suficiente pentru a asigura diferenta de turatie.
Din pacate, aceasta tehnologie nu este inca bine pusa la punct, mai ales sub aspectul racirii si al protectiei la umiditate; ea ramine totusi favorita pentru cercetarile de viitor.
Revenind la a doua varianta constructiva, adica aceea cu un singur motor electric, avem nevoie de un diferential intermediar pentru compensarea celor doua turatii diferite la rotile fata.
Motoarele electrice de actionare sunt foarte performante, functioneaza la cca 1 kW/kg si au o putere instalata optima de 50 – 60 kW.
Nu trebuie neglijat nici faptul ca toate motoarele electrice sunt si reversibile, adica, in timpul frinarilor, genereaza un curent electric care se inmagazineaza in baterii. Se poate ajunge astfel la o recuperare de cca 80% din energia dezvoltata la rotile de antrenare in timpul frinarilor.
- Ultimul subansamblu important din organizarea unui automobil electric hibrid este reprezentat de un panou cu celule fotovoltaice performante, destinat a furniza energia electrica necesara alimentarii aparaturii electronice de la bordul masinii, incarcind, in cea mai mare parte, bateria de serviciu.

Fabricatie si costuri
In rindurile precedente s-a insistat pe faptul ca energia electrica in transporturi ofera avantajele unui randament superior, al lipsei noxelor directe in circulatie si al disponibilitatilor la realimentare (prize peste tot). La acestea se pot adauga si economiile directe: un kWh sub forma de benzina de la pompa costa de 7 ori mai scump decit un kWh trecut prin contorul electric.

Si totusi
Patrunderea automobilului electric (inclusiv cel hibrid) se face foarte incet, iar motivele vor fi prezentate in continuare. Mai intii sunt acuzate din toate directiile bateriile de acumulatoare. Chiar la o cantitate specifica de energie stocata de 200 Wh/kg (maximum posibil in prezent), ne aflam intr-un raport de 1/50 fata de echivalentul energetic dintr-un carburant lichid (10 000 Wh/kg). Acestui handicap ii urmeaza al doilea, adica timpul de reincarcare. In timp ce la o statie reincarcarea rezervorului se face in citeva minute, pentru cazul bateriilor de acumulatoare timpul necesar este de minimum 4 ore. Si dupa zicala niciodata doua fara cea de a treia, vine si ultimul inconvenient: acela al pretului la acumulatoare, adica cca 1 euro pentru 1Wh energie inmagazinata. Altfel spus, pentru o capacitate de inmagazinare energetica de cca 20 000 Wh (20 kWh, care pot asigura o autonomie pe sosea de maximum 200 km), trebuie sa platim la procurarea unui automobil electric cu bateriile montate cca 20 000 euro + automobilul propriu-zis. Mai mult, dupa 300 000 – 400 000 km parcursi, setul de acumulatoare trebuie schimbat, adica alti 20 000 euro scosi din buzunar!
Referitor la bateriile de acumulatoare, specialistii apreciaza ca pina in 2020 costul acestora va putea fi redus la o treime (0,28 – 0,32 euro/Wh inmagazinat), fapt ce ar face aceasta dotare mult mai accesibila.
Sa revenim acum la curentul electric necesar reincarcarii bateriilor si sa presupunem ca in circulatie nu mai sunt (pentru o anumita regiune a unei tari) 30 000 de automobile electrice, ci 30 de milioane. Acest supliment de energie electrica necesara va trebui produs, fie pe sisteme regenerabile (soare, vint, hidro), fie pe sisteme clasice (nuclear sau combustibili fosili). In oricare situatie, sunt necesare si mari investitii pentru centralele producatoare, retelele de transport energie electrica, servicii de intretinere s.a. Pastrind aceeasi cifra de 30 de milioane de automobile electrice in circulatie, energia electrica suplimentara ar creste cu 30 – 45% !
Continuind calculul, alte 15 – 22 reactoare nucleare moderne tip EPR (1600MW per unitate) ar trebui puse in functiune.
Un raport al Massachusetts Institute of Technology (MIT) intocmit si publicat in 2008 de catre doi reputati cercetatori (Matthew Kromer si John Heywood) arata ca vehiculul electric nu va fi prea curind competitiv (pina in 2035) chiar pentru o autonomie modesta (350 km). Electricitatea constituie singura sursa de energie care permite evitarea emisiilor poluante locale, dar dificultatile inerente stocarii acesteia vor limita inca mult timp automobilul integral electric la o utilizare urbana“, mai spune in final raportul MIT.

Solutia principala: hibridul
Recurgerea la hibridizarea unui automobil electric pare sa fie in prezent solutia cea mai avantajoasa, compromisul fiind acceptat de toti. Dimensionarea stricta a vehiculului pentru trasee urbane si suplimentarea cu un motor termic performant, pentru traseele lungi, reprezinta esentialul pe care il au in vedere constructorii care au expus la Salonul Auto de la Geneva „Hibridul reincarcabil“ (plug – in) si care intruneste deci optiunile de perspectiva.
Multe vesti favorabile vin si din Asia. Japonia, Taiwan, Coreea, dar mai ales China sunt pe cale de a obtine noi si importante performante atit in domeniul motoarelor electrice pentru autovehicule, cit si in acela al acumulatoarelor de mare randament.
In special China are la dispozitia sa un avantaj deosebit constind in zacamintele de litiu (55% din rezervele mondiale) si cobalt (20% din rezervele planetei) de care dispune potential, ambele materiale fiind constituenti de baza ai acumulatoarelor moderne. Ea se anunta un competitor de frunte in lupta pentru promovarea automobilului electric hibrid. Iar daca urmatorii doi ani vor aduce, asa cum se prevede, mari modernizari si eficientizari la cele doua subansambluri mentionate, atunci anul 2035 ar putea fi adus mult mai aproape, sa zicem in 2020.