Automobilul electric cu şi fără ardere internă: toate drumurile duc la roată

La Roma? Nu, acolo duce automobilul însuşi, pe toate drumurile clasice, pe Via Aurelia, pe Cassia, Flaminia, Solaria sau Appia, sau pe cele moderne, ca Autostrada del Sole. La roata duc drumurile mai clasice sau mai moderne care transporta într-acolo cuplul – generat cu benzină, cu baterie, cu energia vântului sau a soarelui, într-o maşinărie care trebuie să învârtă pe această bază un ax sau un arbore.

La roată duc drumurile mai clasice sau mai moderne care transportă într-acolo cuplul – generat cu benzină, cu baterie, cu energia vântului sau a soarelui, într-o maşinărie care trebuie să învârtă pe această bază un ax sau un arbore.

Pe ce drum putem produce un asemenea cuplu, cum îi putem modula vârful spre turaţii mai joase pentru camion sau mai înalte pentru cabriolet? Haideţi să facem inventarul elementelor de care dispunem: roata o putem învârti cu un motor electric, fie el de curent continuu sau alternativ, sincron sau asincron, fie cu un motor cu ardere internă. Motoarele cu ardere internă sunt clasice, la astea ne pricepem toţi, nu-i aşa?

Sisteme de propulsie, rezervoare de energie la bord, metode de transformare a energiei stocate în lucru mecanic, generând cuplu.

- Al meu e, bade, pe benzină, nevasta vrea pe motorină.
- Şi care-i baiul, mă, Ioane, doar amândouă au pistoane!
- Dar sunt pistoane şi pistoane, Ioane: al tău scuipă foc o dată pe învârteala, sau la fiecare a doua învârteală, pentru a trage mai mult aer în pieptul lui cilindric? Ai văzut? O învârteală înseamnă pistonu' sus, pistonu' jos, un timp şi încă un timp: tu ai d'ăla în patru timpi, sau în doi timpi?
- Cum adică, mă crezi prost, vrei să compari acum motorul de Mercedes cu ăla de Trabant sau de drujba? - Hai să fim serioşi!
- Chiar serios, alea ca de drujbă le vor cam face probleme celor cu atâtea supape şi cu atâţia timpi pierduţi în sus şi în jos în cilindri.
- Mă, tu vrei să-mi bagi piroane!
- Nicidecum, bădiţă Ioane, dă-le 'ncolo de pistoane!
- Şi atunci? Fără pistoane, scoatem caii din şoproane?
- Da´de unde, dragă Ioane, punem d´alea de avioane!
- Mă, de-atâta masterat, mintea ţi s-a încurcat, vrei să zici că pe tractor punem turboreactor, superjetul pe ogor, suflu-n câine, să-l omor?

Râdem, da, râdem ca mândri şi neclintiţi posesori de limuzine cu motoare cu ardere internă, în patru timpi, bineînţeles. Râzi, tu, râzi, Harap Alb. Râzi de motoarele în doi timpi, cu benzină sau, mai rău, cu motorină. De Wankel şi Stirling nu ai auzit, sună ca în cărţile lui Jules Verne. Iar turboreactorul în limuzină, asta visează numai doctoranzii care au stat prea mult în faţa calculatorului. Oare aşa să fie? Greu de spus în mijlocul actualei isterii generale, cauzate de discuţii guvernamentale, mondiale, fundamentale, dar prea puţin fundamentate, despre energia viitorului fără cărbune şi gaz, fără centrale nucleare – trăiască don Quijote cu moriştile lui de vânt şi panourile solare de pe câmp în loc de porumb şi răpită. Aşa ne vom asigura energia pentru uzine, pentru construcţii, pentru încălzirea caselor, pentru pomparea apei, dar mai ales pentru noua noastră lume foarte electronică şi informatică, lume care fără curent ar fi sortită pieirii? Transportul? De vapoare, utilaje grele şi camioane nu suflă nimeni un cuvânt – în schimb, din automobile, motorul cu ardere internă va fi în scurt timp complet lichidat, dacă e să dăm crezare unor politicieni aflaţi actualmente la putere – în Norvegia în 2025, în Olanda în 2035, în Franţa şi Anglia în 2040. De atunci încolo, doar automobile electrice. Curentul vine la norvegieni din hidrocentrale, iar la francezi din centrale nucleare.

Australopitecii au învăţat să umble cu focul, să-l aprindă şi să-l stingă, acum 4 milioane de ani. Europitecii timpurilor noaste vor să lichideze focul, la început din automobile şi din centralele termice. Şi ce va urma? Vom redeveni australopiteci, locuind în corturi, mâncând crudităţi şi socializându-ne cu pasul şi cu ecoul?

Avem mare nevoie de soluţii serioase, viabile, acestea există deja, avem atâtea capete capabile de analiza profundă şi de sinteză amplă, cu interconexiuni logice, dar pentru a căror eficienţă ar fi necesare alte structuri de lucru şi de decizie în acest domeniu fundamental pentru locuitorii planetei. Vom relua tematica energiei după articolele referitoare la automobile.

Multă lume vrea să înlocuiască, aşadar, propulsia termică cu cea electrică. În prima şi în a doua etapă de evoluţie a automobilelor electrice se foloseau motoare cu curent continuu. Spre sfârşitul celei de-a doua etape şi în cea de-a treia etapă au fost introduse motoare cu curent alternativ asincron, mai nou, aproape în totalitate cu curent sincron. Şi energia la bord? Bineînţeles din baterie! Mai întâi bateria cu plumb, care poate oferi, la o greutate de un kilogram 20 de watt-ora. Deci, dacă vrem 20 de kilowatt-ore, avem nevoie de 1000 de kilograme de baterie, adică de o tonă! Şi ce înseamnă, de fapt, 20 de kilowatt-ore pentru motorul care-i primeşte? 27 de cai putere, cât un motor de Trabant!

Bine, dar acum avem baterii ultra moderne, cu Litium-Ion, ca în Samsung sau în iPhone. Adevărat, după o evoluţie spinoasă, în care au fost experimentate combinaţii de nichel, cadmiu, sodiu şi potasiu, unele foarte toxice, altele foarte explozive, am ajuns la soluţia viitorului: Litium-Ion! Cu cât este mai bună o asemenea baterie decât cea cu plumb? Păi pentru a obţine 20 de kilowatt-ore nu ne mai trebuie o tonă de baterie, ci numai o cincime din asta! Ce grozav: putere de Trabant, cu 200 de kilograme de baterie ultramodernă în portbagaj, baterie care costă ceva cam între un Logan şi un Duster. Logan sau Duster care cu 27 de căluţi amărâţi s-ar cam opinti spre Sinaia, dacă ar ajunge la Sinaia: 27 de Kilowatt-ore, înseamnă că putem pompa cei 27 de kilowaţi în cursul unei ore. Adică, ajungem de bine de rău, la Ploieşti. Dacă vrem, totuşi, la Sinaia, mergem cu jumătate din căluţi, pentru că aşa avem kilowaţi preţ de două ore. Într-un asemenea caz, e preferabilă o căruţă cu un căluţ, cu un balot de paie pentru drum.

Dar hai să nu facem diavolul chiar atât de negru, chiar dacă trec electronii prin el. Cuplul maxim al unui motor electric apare de la prima învârtitură. Cel al unui motor Diesel se dezvoltă cam de la 2000 de ture pe minut, la motorul pe benzină trebuie să avem răbdare cam până la 4000 de ture. În toate cele 3 cazuri avem ca bază aceeaşi valoare de cuplu. Între cuplu şi putere intervine, în mod direct, turaţia. Deci motorul electric livrează la o putere mult mai mică acelaşi cuplu, deci aceeaşi forţă la roată, cu care avem aceeaşi acceleraţie a maşinii. Puterea înseamnă flux de energie – aşadar, propulsia electrică necesită, cel puţin pentru fazele de acceleraţie, mai puţină energie, ceea ce relativează într-o bună măsură glumă cu Trabantul.

Propulsie cu electromotor, curent din baterie

Aşadar, propulsia cu motor electric, cu energie provenită, în mod ideal, de la energia soarelui, a vântului, sau a apei şi stocată într-o baterie la bord pare a fi drumul de urmat în viitor.

Şi dacă am înlocui bateria cu o pilă de combustibil, pentru a obţine mult mai mult decât 27 de cai putere, cu o greutate mai mică a instalaţiei? Pilei de combustibil îi sunt necesare un flux de aer, care nu este stocat la bord, ci aspirat, şi un flux de hidrogen - sau de metanol, sau de benzină ori motorină! Pare interesant. În aceste condiţii, pila de combustibil generează energie electrică.

Propulsie cu electromotor, generare de curent cu pila de combustibil alimentată cu hidrogen sau alcool

Aer şi benzină? Sau aer şi hidrogen, aer şi alcool? Astea reacţionează şi în camera de ardere a unui motor termic, generând lucru mecanic, cu care putem acţiona un generator de energie electrică! De aici înainte se impune o comparaţie între reacţiile din baterii, pile de combustibil şi combustia într-o cameră de ardere.

• În baterii, reacţiile dintre substanţele de la anod şi de la catod au loc prin traversarea unui perete de separaţie. Catodul, peretele de separaţie şi anodul consista din materiale solide, în care şi între care nu există fluxuri sau mişcări. Procesul este asemănător cu conducţia căldurii prin pereţi – de la stratul de tencuială interioară, prin peretele de cărămidă, la stratul de tencuială exterioară, fără o mişcare macroscopică.  
• În pilele de combustie substanţele despărţite de peretele de separaţie curg cu viteze notabile, ca în cazul convecţiei dintr-un radiator cu apă, peste care trece un flux de aer provocat de un ventilator. Reacţia este, bineînţeles, cu mult mai intensă decât în cazul unei conducţii, aşa cum se desfăşoară într-o baterie.  
• Într-o cameră de ardere, între substanţele reactante, combustibil şi aer, se realizează prin contactul direct şi printr-o turbulentă asemănătoare cu cea de la baterea maionezei o reacţie pe un front mult mail larg de contact. Prin suprafaţa mai mare de contact datorată vârtejurilor eficienta reacţiei creşte simţitor.

Determinant pentru eficienţa incomparabil mai mare a unei reacţii de ardere faţă de cea într-o baterie sau o pilă de combustibil este însă temperatură. Într-o baterie, reacţia are loc la 20-80°C, în bateriile cu electroliţi calzi la 300°C, în pilele de combustibil plaja de temperaturi este asemănătoare. În procesul de combustie din camera de ardere a unui motor temperaturile depăşesc în mod normal 2000°C. Temperatura reprezintă mişcarea atomilor şi a componentelor acestora în molecule. La 20°C moleculele sunt destul de rigide, la 2000°C acestea pleznesc pur şi simplu, accelerând reacţiile chimice de formare a noilor produşi, şi de multe ori, de împreunări de atomi scăpaţi din molecule în împerecheri extrem de nedorite, aşa cum este oxidul de azot.

Îmi cer scuze pentru acest paragraf foarte termochimic, în care am vrut doar să arăt în câteva cuvinte de ce o reacţie între aceleaşi produse este cu mult mai eficientă într-o cameră de ardere decât într-o pilă de combustie şi cu atât mai mult decât într-o baterie. Vorbim totuşi despre aşteptările legate de bateriile viitorului, nu-i aşa?

Motorul cu ardere internă funcţionând ca generator de curent la bordul unui automobil nu este mai poluant decât o pilă de combustie, sau decât o baterie, dar este mult mai eficient.

Comparaţie între reacţiile din bateriile cu litiu-ioni, pilele de combustie şi combustia în camere de ardere

Plecând de la această comparaţie între cele 3 forme în care poate fi produsă energie electrică la bordul unui automobil să lăsăm deocamdată la o parte funcţia clasică a unui motor termic, aceea de propulsie directă, cu o largă plajă de turaţii şi de cupluri, între ralanti şi plină sarcină. Pentru a genera curent, motorul poate rămâne la o sarcină şi la o turaţie fixă. În asemenea condiţii, putem controla foarte exact procesul de ardere, evitând posibile focare de formare a unor substanţe nocive în camera de ardere. Un asemenea proces poate fi nu numai exact calculat şi simulat, ci şi controlat în practică. 

Motorul cu ardere internă funcţionând ca generator de curent la bordul unui automobil nu este mai poluant decât o pilă de combustie sau decât o baterie. Pe de altă aparte, pentru eliminarea, ori, mai elegant, pentru reciclarea emisiei de dioxid de carbon în natură pot fi folosiţi combustibili fără conţinut de carbon, cum este hidrogenul, sau hidrocarburi obţinute din resturi de plante sau din alge, etanol, metanol, dimetileter, oximetileneter, ale căror emisii de dioxid de carbon datorată arderii pot fi reciclate prin fotosinteză naturală.

Propulsie cu electromotor, generare de curent cu un motor termic alimentat cu hidrogen sau alcool

- Păi, bade, dacă lucră la punct fix, chiar că nu-i mai trebuie pistoane, supape şi turbocompresor, unul de drujbă ar fi mai simplu, mai uşor, mai ieftin.
- Vezi, Ioane, că merge?
- Văd, da' aia cu tractoru' şi turboreactoru', aia a fost un banc!
- Banc: ia te uită: ţi-ar plăcea un Jaguar aşa, fain, cu câte un motor electric în fiecare roată, 800 de căluţi putere, pe fiecare roată un cuplu mai mare decât al unui Mustang, atingând suta în 3,4 secunde şi prinzând 330 la oră?
- A, deci totuşi laşi jetul de la turboreactor să lucreze, vrei nu vrei, omori câinii pe câmp!
- Nu, Ioane, turboreactorul învârte doar generatorul. Şi la bord nu e unul, ci sunt două!
- Generatoare?
- Şi turboreactoare.
- Mă, ăsta merge cu cisterna după el!
- Da' de unde! 7 litri de ţuică la suta de kilometri, cu benzină ar fi patru.
- Păi atunci, dacă pui numa' unul, sau îl faci mai mic, mai ieftin, mai în doi timpi, am mai avea ţuică şi de băut.
- Mă', Ioane, ţi-oi povesti şi asta, da' hai să luăm mai întâi câte un ţoi din rezervor, de la turboreactor.

S'auzim de bine!

Turboreactor pentru generarea de energie electrică la bordul unui automobil cu propulsie electrică