Specia mașinilor eco: pasul logic în evoluția spre zero emisii

Ce sunt mașinile ECO, de ce au apărut, la ce sunt bune, cum le putem deosebi de cele convenționale, chiar merită cumpărate, etcetera – sunt foarte multe întrebările pe care le ridică această nouă „specie”. Dar veți vedea că lucrurile nu sunt deloc complicate, ci, din contră, reprezintă o evoluție benefică. E adevărat, forțată mai mult de pericolul poluării decât de goana după inovație.

Că poluarea a devenit deja Inamicul Mondial Numărul Unu al umanității, nu cred că mai are rost să dezbatem acum. Mai important este de observat că mașina, acest semi-zeu adulat de oameni în ultimii o sută și ceva de ani, poartă o foarte mare responsabilitate pentru nivelul alarmant al poluării la care s-a ajuns.

De fapt, dacă e să parafrazăm un celebru dicton din lumea armelor, nu mașinile poluează, ci oamenii. Cum? Evident, prin utilizarea mașinilor – cele peste un miliard de autovehicule în circulație pe drumurile Pământului emit zilnic o cantitate impresionantă de gaze cu efect de seră, rezultate din arderea carburanților petrolieri și care ne afectează iremediabil sănătatea și viețile. E cazul să vedem cum putem contracara poluarea mașinilor.

DEZAVANTAJELE UNEI MAȘINI CU MOTOR CONVENȚIONAL

În mod uzual, o mașină este pusă în mișcare de un motor cu ardere internă. Principiul de bază este transformarea mișcării longitudinale a pistonului în mișcare de rotație la roată, pornind de la explozia unui amestec de aer și carburant într-un cilindru.

Presiunea exercitată de explozia din camera de ardere împinge pistonul, iar acesta pune în mișcare un ax, printr-un ambielaj special (similar, dacă vreți, cu sistemul cu tije la roți pe care îl afișau locomotivele de altă dată). După care mișcarea de rotație a acestui ax (denumit „arbore cotit” în cazul motoarelor autovehiculelor) este transmisă la roți, printr-un angrenaj de roți dințate, lanțuri și axuri, trecând printr-o cutie de viteze cu ambreiaj.

Dacă deja vi se pare complicat, rețineți vă rog faptul că aici am dat cam cea mai simplă explicație posibilă pentru funcționarea unui motor obișnuit. În realitate, lucrurile sunt de un milion de ori mai complicate: piesele în frecare necesită ungere, în camera de ardere se ating presiuni și temperaturi uriașe, care presupun tehnologii foarte complexe de fabricare și tratare a metalelor, exploziile se succed de câteva ori (ba chiar de câteva zeci de ori!) pe secundă, iar inginerii se luptă cu micronii și fracțiunile de secundă pentru ca noi să ne putem deplasa din punctul A în B, de preferat în condiții cât mai bune de confort și cu performanțe cât mai bune.

Într-un cuvânt, un motor cu ardere internă reprezintă o mini-uzină foarte complicată (din ce în ce mai complicată pe măsură ce utilizatorii vor performanțe mai bune și consum mai redus), în condițiile unui randament mic spre foarte mic: motoarele pe benzină ating, în teorie, cam 25-35%, iar cele diesel cam 30-40%. În traducere: dintr-un litru de carburant, 70-75% se duce pe „apa sâmbetei” din cauza pierderilor prin frecări și căldură. Adică trei sferturi din banii pe care îi dați pentru un plin… sunt aruncați pe fereastră.

A, și să nu uităm că, în paralel, funcționarea motorului cu ardere internă produce emisii poluante. Deci sunt necesare și sisteme de depoluare, extrem de complexe și care cresc mult costurile motoarelor convenționale. În condițiile în care, realist vorbind, nivelul poluării scade prea puțin în condițiile reale de condus. La toate acestea mai adăugăm un neajuns: soluțiile tehnice mai complicate afectează și fiabilitatea motoarelor, ceea ce induce riscuri mai mari de apariție a defecțiunilor, deci timp pierdut și cheltuieli suplimentare.

Suficient de multe minusuri? Recapitulez: eficiență scăzută, poluare nedorită, complexitate mare (deci fiabilitate redusă). Așa încât mașinile care oferă o eficiență crescută, reduc poluarea în utilizare chiar până la zero emisii și oferă soluții tehnice mai simpliste și mai robuste ar putea fi numite mașini neconvenționale, nu-i așa?

HIBRIDIZAREA, PRIMUL PAS MARE ÎN DIRECȚIA ECO

Într-un fel, eficiența este „mama” tuturor celorlalte probleme. Iar motoarele cu ardere internă funcționează ineficient în foarte multe situații, în special în mediul urban, unde pornirile de la semafor sau mersul „bară la bară” efectiv torturează grupul motopropulsor al unei mașini convenționale. Apoi fazele în care se accelerează necesită mult carburant, pentru că e nevoie de putere pentru a-i conferi mașinii performanțe. Iar când mașina este încărcată cu oameni și bagaje, motorul muncește mai mult, în special la viteze mari, pentru a face față sarcinii suplimentare.

Una dintre soluțiile găsite de ingineri pentru a mai crește puțin eficiența a fost apelarea la supraalimentare, fie prin turbocompresoare, fie prin compresoare mecanice. Deci un grad mai mare de complexitate a propulsorului, în condițiile în care câștigurile în materie de eficiență sunt foarte mici (chiar dacă, pe hârtie, evoluțiile par foarte mari).

Ce-i drept, lucrurile s-au îmbunătățit sesizabil, dar tot a rămas o mare problemă: cuplul maxim (practic, „forța” dezvoltată de motor) nu e obținut la turațiile foarte reduse, ci doar după ce se ajunge într-o anumită zonă de turație – în general, la diesel acest cuplu maxim se obține undeva pe la jumătatea intervalului de turații în care funcționează motorul, deci la o turație mai redusă decât în cazul motoarelor pe benzină.

Ei bine, aici intră în scenă propulsia hibridă. Iar așa numitul sistem „hibrid-închis” stă la baza piramidei evolutive a mașinilor ECO, deoarece aduce un câștig destul de mare chiar în zona randamentului termic. Simplificând lucrurile, principial locul turbocompresorului (sau al compresorului mecanic) este luat de un motor electric, acesta devenind un aghiotant mult mai fidel pentru motorul termic. De ce?

Motorul electric se laudă cu o eficiență foarte mare, de peste 80-90%, iar cuplul motor maxim este obținut chiar de la pornire, păstrându-se în general până pe la jumătatea regimului maxim de turație. În traducere aproximativă, un motor electric de 50 CP, de exemplu, face o mașină să demareze cam la nivelul uneia dotată cu motor termic de 100 CP.

Motorul electric are mult mai puține componente decât motorul cu ardere internă, nu are piese în frecare, deci nu necesită ungere, e mai robust. Și nu necesită arderea combustibililor, ci doar… curent electric, furnizat de o baterie. Care, în ciuda reticențelor multora, nu e complicată ca funcționare, are o durată de viață cel puțin rezonabilă și nu provoacă un grad mare de poluare pentru a fi construită (mai ales dacă o comparăm cu efectele extragerii și rafinării petrolului…).

Principial, un sistem hibrid rezolvă cu brio marile dezavantaje ale sistemelor convenționale de propulsie: motorul electric intră în acțiune în momentele în care motorul termic funcționează cel mai ineficient, la plecarea de pe loc sau la demaraje. De fapt, motorul electric „pune umărul” cam în 99% din situațiile de funcționare a sistemului hibrid, ceea ce înseamnă că motorul termic funcționează cu un efort mai mic, deci are un randament mai bun, uzură mai scăzută și consum mai mic de carburant.

Ca o consecință, motorul termic poate fi simplificat – lucru valabil pentru așa-numitele motoare cu ciclu Atkinson de pe hibridele Toyota, de exemplu. În contrapartidă, motorul termic preia din timp în timp rolul de generator de curent pentru baterie, în special când se merge la drum întins. În rest, însă, când se ia piciorul de pe pedala de accelerație, când se frânează sau când se oprește la stop, computerul central comandă oprirea motorului termic. Un lucru care în mediul urban, ajută enorm la scăderea consumului și, mai ales, a emisiilor poluante.

Dar sistemul hibrid mai are un mare atu în mânecă: recuperarea energiei la frânare/decelerare. Ori de câte ori mașina încetinește (sau cel de la volan nu mai accelerează), inerția mașinii este folosită pentru a încărca bateria – un principiu oarecum similar cu dinamul de bicicletă de acum mulți ani… Ceea ce înseamnă atât că motorul electric poate funcționa mai mult timp, dar și că rolul de generator al motorului termic se reduce, efectul principal fiind reducerea consumului de carburant și a poluării.

Practic, dacă e să comparăm mașini similare ca putere și performanțe, ajungem la concluzia că un model hibrid va fi mult mai economic, eficient și de încredere decât un model pe benzină comparabil, respectiv cel puțin la fel de economic și performant ca un model diesel comparabil, dar mult mai fiabil și cu un grad de poluare mult mai mic (din cauza emisiilor de NOx și a particulelor fine, Organizația Mondială a Sănătății a inclus motoarele diesel în lista celor mai periculoase surse de poluare care pot duce la apariția cancerului).

PASUL URMĂTOR: PLUG-IN

Am spus despre propulsia hibridă că ar sta la baza piramidei evoluționiste a mașinilor ECO. Faptul că, totuși, un sistem hibrid presupune existența unui motor termic (deci alimentat cu produse petroliere) face o astfel de mașină mai mult semi-ECO decât realmente ECO. Însă hibridizarea este o bază de plecare foarte bună pentru mai evoluatul sistem plug-in hibrid, în care bateria poate fi încărcată și de la o sursă externă de curent electric.

La fel ca o mașină 100% electrică? Da, exact la fel. Ei bine, evoluția de la sistemele „hibride închise” la cele hibride plug-in (într-un fel, sisteme „hibride deschise”) este extrem de logică, dar, atenție, aici ne lovim de o confuzie de natură tehnică: există mașini hibride plug-in care sunt în primul rând hibride, respectiv mașini hibride plug-in care sunt în primul rând electrice. V-am băgat în ceață? Permiteți-mi să aduc lămuririle necesare.

În cazul propulsiei hibride „convenționale” (adică a sistemului „hibrid închis”), motorul termic are rolul principal în propulsia mașinii, deci este motorul de tracțiune în majoritatea timpului. Motorul electric este, după cum spuneam, aghiotant, putând prelua rolul de motor de tracțiune doar în foarte puține situații, fiind în general limitat de capacitatea bateriei. Cu cât bateria este mai mare și mai performantă, cu atât ne putem baza mai mult exclusiv pe motorul electric – dar cu limitări de rigoare ținând de viteza cu care se merge, temperatura mediului ambiant, consumatori (cum este climatizarea) sau de cât de rapid se apasă pe pedala de accelerație.

De exemplu, în condiții ideale Toyota Prius (cu sistemul hibrid normal) poate parcurge maximum 2-3 km în regim strict electric, în timp ce versiunea cu propulsie plug-in hibridă Prius Prime (care are o baterie mult mai performantă, dar mai mare și mai scumpă) poate oferi o autonomie în regim strict electric de până la 50 km, dacă bateria este încărcată complet. Odată ce bateria s-a descărcat sub un anumit nivel, Prius Prime se va comporta la fel ca un Prius normal, cu mici diferențe ținând de bateria mai performantă.

Cealaltă categorie de mașini hibide plug-in e reprezentată de cele în care motorul electric are rolul principal în tracțiunea mașinii, iar cel termic fie poate deveni și el motor de tracțiune (în combinație cu motorul electric), fie are doar rol de generator, producând curent electric pentru încărcarea bateriei – caz în care sistemul poartă numele uzual de „range extender” („extinderea autonomiei”).

Aici deja lucrurile nu mai sunt așa de clare, așa încât singurul mod de a departaja mașinile 100% electrice de cele plug-in hibride se reduce la un lucru foarte simplu: dacă sistemul de propulsie are în componență și un motor termic, mașina intră în categoria hibridelor plug-in. Totuși, există o diferență foarte mare între aceste două tipuri de mașini „plug-in”: cele care utilizează motoarele electrice pe post de motoare principale (sau unice) de tracțiune sunt mult mai eficiente – cum e cazul lui Chevrolet Volt/Opel Ampera sau Mitsubishi Outlander PHEV.

Datorită caracteristicilor mult mai bune ale motoarelor electrice (eficiența de peste 80-90%, respectiv cuplul maxim disponibil de la plecare), cel de la volan va simți diferența în primul rând datorită performanțelor mai bune la demaraje și accelerații. Iar, din punct de vedere al consumului, în principiu un motor termic utilizat doar pe post de generator consumă mai puțin decât unul folosit pentru tracțiune, deoarece în primul caz efortul depus e mai mic.

Dacă vă întrebați cam care e rostul mașinilor cu sisteme de propulsie hibride plug-in, am două răspunsuri. În primul rând, pentru drumurile uzuale din mediul urban și periurban (care în general se situează între 20 și 40 km, conform statisticilor și studiilor de până acum) mașina poate fi utilizată doar cu motorul electric, dacă în prealabil s-a încărcat bateria.

Iar, în al doilea rând, la drumurile mai lungi, deoarece benzinăriile sunt cam la orice aruncătură de băț, dispar temerile ținând de autonomia scăzută a actualelor modele 100% electrice, mașina funcționând fără probleme în regim hibrid. Care, după cum am arătat ceva mai devreme, înseamnă consum mai mic (sau cam la același nivel) decât un diesel normal, însă cu un grad de poluare mai redus și în condițiile unei fiabilități mai ridicate.

100% ELECTRIC – VÂRFUL LANȚULUI EVOLUTIV?

O mașină cu propulsie 100% electrică (deci având unul sau mai multe motoare electrice de tracțiune alimentate de la baterii, fără niciun alt sistem adițional care să presupună consum de carburant petrolier) este în mod clar ECO, deoarece nu emite niciun fel de poluanți în utilizare.

Prin urmare, dacă mașinile hibride convenționale sunt doar semi-ECO, și despre mașinile plug-in hibride putem spune că sunt foarte-aproape-de-ECO. Dar, câtă vreme au în componență motoare cu ardere internă, rămân mai poluante decât mașinile 100% electrice – însă mult mai puțin poluante decât mașinile cu motoare convenționale cu ardere internă.

Propulsia 100% electrică este, în acest moment, soluția cea mai bună pentru a reduce nivelul poluării în transporturi, oferind în paralel performanțe foarte bune, simplitate și fiabilitate, confort și chiar independență energetică (de exemplu, bateriile mașinii pot fi alimentate cu energie electrică obținută prin panouri fotovoltaice…).

Față de mașinile convenționale, dar și față de cele hibride și plug-in hibride, mașinile 100% electrice sunt încă dezavantajate la capitolul autonomie, care e strâns legată de infrastructura insuficientă de stații de alimentare. Dar asta e o chestiune care necesită doar timp – să nu uităm că motoarele convenționale au aproape un secol avans în materie de dezvoltare și a infrastructurii de benzinării.

Mai sunt aduse în discuție prețul mare al tehnologiei, în special al bateriilor, precum și poluarea conexă pentru producerea curentului electric. Dar, sincer, acestea sunt subiecte care pot fi ușor combătute aducând în discuție fie subvențiile nesimțite de care se bucură sectorul combustibililor fosili, fie lipsa taxării coerente a poluării și a mașinilor poluante, fie evoluția galopantă a surselor de enegie regenerabilă.

Esențial este să vedem tabloul general: propulsia electrică (motor electric + baterii) devine fundamentul transporturilor. Pentru că pur și simplu simplitatea acestui concept este dezarmant de logică.

Probabil că, în acest moment, unii veți protesta, spunând că sistemele de propulsie fuel-cell pe bază de hidrogen sunt următorul pas în evoluția mașinilor. Există o posibilitate ca acest lucru să se întâmple, dar adevărul este că o mașină pe hidrogen este, în esență, o mașină hibridă. Motorul de tracțiune este electric, fiind alimentat de la o baterie, iar sistemul fuel-cell cu hidrogen are pur și simplu rol de „range extender”, producând curentul pentru baterie.

Adică, pentru a scăpa de temerile de tip „range anxiety”, valabile încă în cazul mașinilor electrice, mașinile pe hidrogen ne complică existența: sistem de propulsie mai complex, necesitatea unei rețele de „benzinării” cu hidrogen (care ar fi de zeci de ori mai scumpă decât o infrastructură de stații de alimentare cu energie electrică, dar ar dura și mult mai mult timp pentru implementare) sau modalitate greoaie de obținere a hidrogenului (fie din gazele naturale, ceea ce e poluant, fie din disocierea apei, ceea ce încă nu e fezabil energetic).

A FI SAU A NU FI ECO

Sincer vorbind, conceptul de transport se schimbă fundamental, depășind limitele sistemelor de propulsie ale mașinilor. Ceea ce va transforma și ideea de mașină personală și va afecta locul pe care automobilul îl ocupă în „galeria zeităților” societății moderne. Totuși, până la această transformare totală va mai trece destul timp, în care e necesar să diminuăm poluarea din transporturi.

Deci sunt mașinile mai-mult-sau-mai-puțin-ECO soluțiile optime pentru moment? Eu consider că da. Pot contribui serios la scăderea nivelului de poluare, motoarele electrice aduc un plus important la creșterea eficienței, iar nivelul general de confort e un imbold pentru schimbarea mentalității. Pentru că, în definitiv, nu poți fi eco decât dacă ajungi să și gândești eco.

Daniela Mironov Banuta

Daniela Mironov Bănuță

Jurnalist și specialist în comunicare cu experiență, Daniela face parte din echipa Atlantykron de 30 de ani. Predă cursuri de branding personal, comunicare personală și corporate, comunicare digitală.

Daniela este membru al echipei Știință & Tehnică, responsabilă de partea umanistă a Atelierelor S&T.

În viața de dincolo de insulă, face marketing pentru o companie de software și creează scenarii pentru proiecte de eLearning finanțate de Comisia Europeană. Este unul dintre voluntarii care a creat Enciclopedia digitală „România 1918. Oameni, momente și imagini”.

Are doi copii, voluntari în programul Ateliere S&T, și trei pisici care nu fac nimic toată ziua.