Električni i hibridni auti: kako rade, koliko zagađuju

Kako radi prijenos u hibridnim vozilima? Koliko su električni i hibridni automobili štetni za okoliš? Zašto vodikove ćelije nisu šire dostupne? U ovom tekstu možete pročitati odgovore na ta i slična pitanja vezana uz alternativne pogone u automobilima. Električna struja kao pogonska energija svakako je sve češća u osobnim automobilima, što sigurno ima prednosti (poput mild hybrid rješenja), ali nije sve kod električnog automobila novo, revolucionarno ili čak i dobro za svaku primjenu.

Elektromotor u kotaču: da ili ne?
Ferdinand Porsche prvi je u Lohner-Porscheu koristio elektromotor u svakom kotaču. Danas, uz računalno vektoriranje momenta (jednostavnije rečeno, reguliranje snage motora poslane na pojedini kotač), isti princip koriste i novi automobili poput Tesle, Koenigsegga ili Rimca. S jedne strane, korištenje sklopa motora i kotača olakšava izmjene u slučaju oštećenja ili kvara, osigurava se kompaktnost pogona te se smanjuje broj mehaničkih komponenti prijenosa, a time i cijena i mehanički gubici. No, na taj se način znatno povećava neovješena masa vozila i nepovoljno se utječe na dinamičke karakteristike automobila poput NVH (noise, vibration, harshness; buka, vibracije, grubost kao karakteristike u kabini koje osjete putnici), efikasnosti ovjesa, upravljivosti i agilnosti.

Što je i kako radi CVT?
U hibridima (npr. hibridna Honda CR-V) često rješenje za pogon je CVT (eng. continuously variable transmission); takav ste automatski mjenjač najvjerojatnije već sreli u skuterima. Princip rada CVT-a može se ilustrirati zamišljanjem konusnih zupčanika povezanih remenom; navođenjem remena na određeni dio konusnog ruba zupčanika mijenja se prijenosni omjer. Taj efekt promjene polumjera još se može ilustrirati promjenom prijenosnog omjera kakva se jasno vidi na prijenosima na biciklima. Na taj način je motor moguće držati na niskim okretajima za krstarenje ili na visokim za ubrzavanje, jer ulazna i izlazna os nisu ovisne o međusobnoj brzini vrtnje. Osim u skutere, CVT prijenosi ugrađivani su i u generatore, motorne sanjke, poljoprivredne strojeve, vojna vozila, ali i u putničke automobile (npr. nizozemski DAF 600). Smanjivanjem gubitaka i razvojem precizne kontrole, CVT mjenjači će postati češći u automobilima, a ponekad se programiraju tako da nude i zadane prijenosne omjere (npr. Subaru BRZ).

Kako radi hibrid bez mjenjača?
Jedna varijanta hibridnog sustava je korištenje motora s unutarnjim izgaranjem samo za pogon generatora električne energije, pa ga je moguće specijalizirati za te uvjete rada i minimalnu potrošnju. Kotače pogoni elektromotor (ili više njih), koji ima viši stupanj iskoristivosti i povoljniju krivulju okretnog momenta. Tako npr. Koenigsegg Regera koristi snažni okretni moment koji elektromotori imaju i pri najnižim okretajima kako bi ubrzao automobil do granice na kojoj se pogonu može priključiti i twin-turbo benzinski V8 bez korištenja mjenjača. Regera koristi fiksni prijenosni omjer od 2,73:1 i hidraulički kuplung za odvajanje V8 motora s elektromotorm na radilici od diferencijala i elektromotora pri stražnjim kotačima.

Vodikove ćelije
Još jedan zanimljivi sustav izumljen već u 19. stoljeću su vodikove ćelije. Kao i konvencionalne baterije, sastoje se od anode, katode i elektrolita, a temelje se na sintezi vode iz kisika i vodika uz iskorištavanje elektrona oslobođenih tijekom procesa. Široki raspon iskoristivosti (40-85%) ovisi o varijanti i dodatnim sustavima pretvorbe energije, a gotovo jedini nusprodukt je voda. Proizvodni proces za potrebno gorivo i same ćelije za sad je još relativno skup i složen, ali prednost im je čisti nusprodukt (voda). 

Svemirska utrka ubrzala je razvoj vodikovih ćelija. General Motors je 1966. proizveo Chevrolet Electrovan, prvi putnički automobil koji je koristio vodikove ćelije. Doseg mu je bio oko 160 – 240 km (100 – 150 milja), a maksimalna brzina oko 113 km/h (70 milja na sat). Proizveden je samo jedan, a imao je dva sjedala; ostatak prostora kombija iskorišten je za spremnike goriva i vodikove ćelije, jer je ipak bio testni prototip. Danas se neka vozila s vodikovim ćelijama (npr. autobusi) korisnicima nude samo preko leasinga.

Elektromotori i baterije
Počeci eksperimentiranja s elektromotorima sežu u prvu polovicu 18. stoljeća. Osnovni princip rada elektromotora je induciranje električne struje u vodiču magnetskim poljem u pokretu. To je skraćeni izraz Faradayevog zakona o indukciji (prva polovica 19. stoljeća). Elektromotor dovoljan za pogon osobnog automobila može biti i lakši od ekvivalentnog motora s unutarnjim izgaranjem, ali teške su baterije. Može ih se ugraditi u podnicu automobila radi održavanja niskog težišta, ali treba im osigurati adekvatno hlađenje pri radu, izolaciju dok automobil miruje po zimi te pravilno punjenje i pražnjenje, za što se brine i način povezivanja ćelija i upravljačka elektronika; za osiguravanje vijeka trajanja, skraćivanje trajanja punjenja te produživanje dosega automobila, za baterije se grade posebna kućišta i programiraju upravljački sustavi (battery management system). Automobilske baterije sastavljene su od stotina ili tisuća elektrokemijskih jedinica koje se moraju prazniti i puniti jednakomjerno i čuvati od pregrijavanja ili preniskih temperatura (od kojih pada efektivni kapacitet baterije). treba osigurati brzo punjenje. Faktor ograničenja praktičnosti uporabe električne energije za pokretanje automobila je dostupnost brzog punjenja, ali i električna mreža uopće; premda automobil ide na struju, i ta se struja mora negdje i nekako proizvesti, a materijali iz automobila pravilno odložiti i reciklirati nakon uporabnog vijeka.

Štetnost za okoliš
Pri ekološkoj usporedbi konvencionalnih i električnih automobila za osobni promet treba uzeti u obzir i cijenu električne energije potrebne za punjenje flote, načine dobivanja te električne energije, kao i cijene i načine dobivanja (i, jednoga dana, recikliranja) potrebnih materijala (npr. za baterije). Procjene oko toga su složene, ali možda je najmanje upitan zaključak da proces proizvodnje baterija rezultira emisijama ugljikovog dioksida ovisno o veličini baterija. No, prema više priznatih fizičara, kemičara, klimatologa i inženjera, ugljikov dioksid nije jedina ili potpuno primjerena mjera zagađenja niti je (jedini ili glavni) uzročnik klimatskih promjena. Budući da takva rasprava zaslužuje zasebnu temu, ostanimo pri automobilima i općeprihvaćenim posljedicma njihove uporabe. Prema suvremenim istraživanjima, kod ispuha motora na fosilna goriva posebno su za okoliš štetni drugi spojevi (npr. dušikovi oksidi), a kod automobila uopće počinju se mjeriti i istraživati emisije nevezane za ispuh: krute čestice i prašina nastala habanjem asfalta, guma i kočnica. Korištenje električnog automobila nije pranje ruku od štetnih emisija, ali automobili uopće (bilo električni ili na naftne derivate) svakom novom generacijom postaju čišći, a osim toga, daju ogroman doprinos okretanju zupčanika svakodnevnog života svijeta.