Andrej Detela: Nova generacija električnih vozil

    Predavanje bo v četrtek 13. januara 2005 ob 20:30 v Hiši eksperimentov.

    Električna vozila se hitro razvijajo, pa vendar še vse preveč posnemajo klasične bencinske avtomobile: sodobni elektromobili imajo centralni elektromotor in klasični mehanski prenosni sistem (sklopka, prestave, diferencial in homokinetski zglobi). Ta vozila ne izkoristijo vseh možnosti, ki jih ponuja prehod na elektriko. Prav to je eden dveh glavnih vzrokov za prepočasno uvajanje električnih vozil v promet.

    Drugi glavni vzrok, ki je bolj znan, je povezan z izvorom električne energije. Akumulator kot edini izvor mobilne električne energije je zastarela opcija, saj so vsi akumulatorji pretežki, poleg tega pa vsebujejo ekološko problematične težke kovine. Zdaj po svetu raziskujejo številne druge možnosti, od keramičnih mikroturbin do gorivnih celic. Gorivne celice imajo visok izkoristek (več kot 50%) in so tik pred komercializacijo. Njihova cena je ta hip sicer še previsoka, vendar pričakujemo preobrat v nekaj letih. Kot pogonsko gorivo lahko služi vodik (najenostavnejša izvedba celice, vendar nastopijo problemi s skladiščenjem vodika) ali kaj drugega, na primer metanol ali celo navadni bencin. V naslednjih letih se bo verjetno najprej uveljavil metanol. Ta rešitev se zdi zelo primerna, kajti v tem primeru ne bi bilo treba spreminjati infrastrukture na črpalkah – k obstoječim stebrom na črpalkah bi preprosto dodali še enega za metanol. Lahko se vprašamo, kaj pridobimo, če pa se spet vračamo k bencinu ali metanolu. Pridobimo ogromno, kajti bencinski motor ima efektivni izkoristek med 5 in 20 % (5% v mestni vožnji, 20% v relacijski), gorivna celica pa preko 50% ne glede na režim delovanja. Torej je tudi škodljivih emisij veliko manj. Izvor energije pa ni edina konceptualna sprememba v novi generaciji električnih vozil.

    Fizikalna analiza vseh možnih rešitev pokaže, da so najbolj perspektivne variante vozil s takoimenovanim direktnim pogonom: vsako pogonsko kolo ima svoj lasten elektromotor, ki je vgrajen neposredno v kolo, tako da je rotor elektromotorja že kar del pogonskega kolesa. Električni bicikel (ali moped) ima motor v pestu zadnjega kolesa, elektromobil pa ima štiri motorje, po enega v platišču vsakega kolesa. Vsi elementi mehanskega prenosa torej odpadejo, preostanejo samo kolesa kot edini gibljivi del. Električna vozila nove generacije bodo temeljila na tu opisanem direktnem pogonu (DD, direct-drive).

    Te konstrukcijske zamisli se doslej ni dalo uresničiti, kajti motor za DD pogone vozil mora izpolnjevati dve navidez težko združljivi zahtevi: zelo majhna masa in zelo velik dosegljiv navor. Znani elektromotorji dosegajo le kakih 10 N×m/kg specifičnega navora. Novi motorji po naših izvirnih invencijah pa dosežejo kar trikrat večji specifični navor, kar že zadostuje za zahteve direktnega pogona. Konstrukcija tega motorja je zelo preprosta: ima le kakih 10 različnih sestavnih delov in je torej poceni.

    Centralni element vozila zdaj ni več motor, temveč mikroprocesor, ki uravnava delovanje vseh štirih motorjev. Vsako kolo ima optimalno avtonomijo. Implementacija ABS, ASR in še drugih varnostnih sistemov je trivialno enostavna. DD elektromobil je torej veliko varnejši kot klasični avto.

    Poleg tega ni energetskih izgub v mehanskih prenosih. Vozilo je zelo lahko, izjemno gibčno, cenejše od klasičnih elektromobilov in okolju še bolj prijazno. Ker se motorji umaknejo v kolesa, so možne nove oblikovne rešitve vozila – s poudarkom na človeku prijazni obliki, pa seveda na izboljšani aerodinamiki in posledično manjši porabi energije.

    Vse našteto je povsem uresničljivo že danes, vendar ni pravega razvoja. Zakaj? Avtomobilska industrija ni iskreno zainteresirana za večje spremembe, saj lahko še vrsto let kar dobro služi z obstoječimi proizvodnimi linijami. Pa tudi preveč togo so vpeti v preživele koncepte klasičnega bencinskega avtomobila. Upajmo, da bo do preobrata prišlo še pred kako hudo ekološko krizo.

    Razvoj se ne bo ustavil pri električnih avtomobilih. Naslednji projekt, ki ga pripravlja naša skupina, je še v konceptualni fazi razvoja. Gre za ultralahko električno letalo brez propelerja. To vozilce posnema obliko kačjega pastirja s štirimi krili (razpon čez krila samo 4 m, masa vozila samo 50 kg) in leti skoraj neslišno pri hitrosti 120 km/h. Vzleta in pristaja lahko navpično, torej ne potrebuje nobene vzletne steze. Poraba energije je približno tolikšna kot pri elektromobilu. Najtrši oreh je pogonski sistem v krilih (nekakšne utripajoče škrge s posebnimi elektrostatskimi mikromotorji), vendar kaže, da ga bomo znali rešiti. Pri reševanju tega problema se poleg fizike poslužujemo tudi bionike, kar pomeni, da analiziramo razne učinkovite rešitve letenja, ki so se razvili pri živih organizmih (v tem primeru zlasti ptiči, žuželke in nekatere ribe).

    Več o predavatelju: Slovenija expo 2000

    Deli