Mijloace de propulsie alternative

Incă de la apariția primelor motoare ce utilizau combustibilii fosili, oamenii și-au pus problema dezvoltării tehnologiilor de propulsie alternative. Scopul era simplificarea sistemelor de propulsie și nu reducerea consumului sau înlocuirea combustibililor fosili. De altfel, autovehicule hibride și electrice au fost realizate încă din secolul al XIX-lea. In anul 1839 a fost realizat primul autoturism electric de către Sir Robert Anderson în Scoția. Deja în 1886, pe străzile din Londra, circula un taxi cu sistem de propulsie electrică, pentru ca în 1898 să existe flote de taxiuri electrice în Londra și New York.

In anul 1898, Ferdinand Porsche construiește Lohner Electric Chaise, acesta având propulsie strict electrică și fiind prima mașină cu tracțiune față. Este urmat de Semper Vivus (“întotdeauna viu”) în anul 1900 - primul autoturism hibrid. Autoturismul utiliza un motor alimentat cu benzină și două motoare electrice. Motorul cu aprindere prin scânteie antrena un dinam, energia electrică produsă fiind stocată în bateria de acumulatori și apoi utilizată pentru propulsie de către cele două motoare electrice montate în roțile față. Viabilitatea acestui principiu de funcționare este dovedită la momentul actual prin utilizarea sa de către concernul GM pentru modelele Chevrolet Volt și Opel Ampera.

Au urmat mai multe încercări din partea producătorilor auto în direcția proiectării și eficientizării autovehiculelor hibride și electrice. Dezavantajele acestora erau reprezentate de costurile de producție ridicate și autonomia redusă. Ritmul accelerat de inovare a motorului alimentat cu benzină a mărit avantajul acestuia și a polarizat interesul conducătorilor auto, lăsând în umbră prototipurile și seriile limitate de autovehicule electrice și hibride.

Ultimele decenii ale secolului XX au readus în atenție tehnologiile de propulsie alternativă, pe fondul creșterii prețului petrolului și al preocupării față de protecția mediului.

• In anul 1969, General Motors a creat hibridul GM 512 ce putea rula și în mod complet electric, cu viteză redusă.
• Inginerii americani Victor Wouk și Charlie Rosen au realizat, în 1970, un prototip complet funcțional care era pus în mișcare de funcționarea în tandem a unui motor pe benzină și unul electric. Autoturismul a fost certificat de Agenția de Protecție a Mediului din SUA ca fiind conform cu standardele acesteia.
• In anul 1989, Audi propune modelul hibrid Audi Duo care dispunea de un motor pe benzină ce antrena puntea față și unul electric ce antrena puntea spate. Acesta nu s-a dovedit eficient și a fost îmbunătățit ulterior.
• In 1996 General Motors produce în serie mică modelul electric EV1 în scopul testării comportamentului unui astfel de vehicul în conditii reale. Toate autoturismele EV1 au fost retrase apoi de către producător, stârnind numeroase controverse.

Adevărata “eră a hibridelor” începe la jumătatea anilor ’90 cu modelele Toyota Prius și Honda Insight. Din acest moment, autovehiculele hibride și, apoi, cele cu propulsie strict electrică  revin în atenția publicului, progresând constant în ceea ce privește autonomia și afișând consumuri de combustibil din ce in ce mai reduse. La ora actuală, modele hibrid sau electrice se regăsesc în gama tuturor concernelor importante din industria auto.

Din clasa autovehiculelor cu propulsie alternativă fac parte hibrizii, echipați cu un motor cu aprindere internă și unul sau mai multe motoare electrice, și mașinile propulsate exclusiv de motoare electrice. Acestea din urmă nu emit deloc noxe.

Hibrizii sunt impartiti in trei categorii:

• Hibrizii parțiali (mild-hybrid) sunt cei care nu pot rula în mod complet electric. In acest caz, motorul electric are rolul de “a ajuta” motorul pe benzină, oferind un surplus de putere atunci când este nevoie, dar nu este suficient de puternic pentru a asigura propulsia. Motorul termic funcționează și ca generator, asigurând încărcarea bateriilor. De asemenea, energia eliberată în timpul frânării este transformată în energie electrică și stocată.
• Hibrizii totali (full-hybrid) pot parcurge un număr limitat de kilometri doar cu ajutorul motorului electric. In general, motorul electric asigură pornirea de pe loc (dacă  accelerarea nu este bruscă) sau susține motorul termic la punerea în mișcare a autovehiculului și la accelerări puternice, beneficiind de avantajul cuplului maxim prezent indiferent de turație. In timpul rulajului, motorul electric poate asigura propulsia dacă se accelerează lent și nu se depășește o anumită viteză. Distanța posibil a fi parcursă în mod complet electric este limitată, în funcție de capacitatea acumulatorilor. La anumite modele, este propus un așa-numit mod “sailing” care oprește motorul termic și folosește numai motorul electric pentru deplasare, atunci când viteza este stabilizată. Motorul termic asigură și încărcarea acumulatorilor, fiind regenerată și energia de frânare. Computerul de bord monitorizează permanent nivelul de încărcare al acumulatorilor și comandă trecerea de la propulsia electrică la cea asigurată de motorul termic și invers, în mod automat și fără întreruperi în fluxul de putere. Intotdeauna este păstrat un nivel minim de încărcare al bateriei care poate fi folosit pentru un surplus de putere. In acest fel sunt obținute performanțe dinamice adecvate și este prelungită durata de funcționare a bateriei.
• · Hibrizii cu încărcare de la sursă externă (plug-in hybrid) sunt echipați cu acumulatori ce pot fi încărcați la rețeaua de furnizare a energiei electrice, nemaifiind necesară pornirea motorului termic, dacă distanța parcursă între încărcări este mai mică sau egală cu autonomia oferită de baterii, emisiile de CO2 fiind zero. Adițional economiei de combustibil, rularea în mod electric asigură un caracter dinamic accentuat, întrucât cuplul maxim este prezent instantaneu, la orice turație. După epuizarea energiei din bateria de acumulatori, este pornit motorul termic care va asigura propulsia, încărcând simultan și bateria. Si în acest caz, energia cinetică din timpul decelerării este convertită în energie electrică și stocată în acumulatori, în loc să se piardă sub forma de caldura.

Un caz aparte îl reprezintă  modelele GM Chevrolet Volt/Opel Ampera care sunt propulsate exclusiv de motorul electric. Incărcarea acumulatorilor se poate realiza la priză sau de către motorul termic care nu participă la deplasarea mașinii. Totuși, atunci când se rulează cu viteză ridicată, motorul termic este conectat printr-un ambreiaj special la transmisie. In această situație, randamentul motoarelor electrice este redus și este mai avantajoasă utilizarea motorului alimentat cu benzină.

In funcție de modalitatea de interconectare a motoarelor electrice și a motorului termic se disting două configurații:

• Hibrid în serie - motorul cu ardere internă acționează generatorul de curent. Acesta furnizează energie ce este stocată în baterii și utilizată de motorul electric care asigură  propulsia. Motorul convențional nu acționează direct roțile. Această soluție este folosită de gemenii Chevrolet Volt / Opel Ampera.
• Hibrid în paralel - atât motorul cu ardere internă cât și motorul electric pot acționa roțile motoare, separat sau împreună. De menționat că acționarea separată este posibilă numai în cazul hibrizilor totali. Modul de propulsie este decis de computerul central în funcție de condițiile de exploatare.

Motoarele termice ce echipează modelele hibrid sunt, în general, de cilindree redusă, acestea având un randament mai bun. In timpul deplasării, energia de frânare este regenerată, fiind folosită pentru încărcarea bateriei. In vederea recuperării energiei degajate în timpul procesului de frânare, este în curs de dezvoltare un nou sistem ESP, care coordoneaza electronic forța de frânare a motorului electric cu cea a frânei de fricțiune. Astfel, energia nu se mai pierde sub formă de căldură și decelerarea este mai eficientă.

Capacitatea cinetică a motorului electric se adaugă celei a motorului cu combustie internă, astfel încât performanțele sunt comparabile cu cele ale motoarelor termice de capacitate mai mare, dar valorile de consum sunt net mai mici. Soferul primește permanent informații cu privire la consumul înregistrat și modalitățile de reducere a acestuia, prezentate pe un ecran specializat. Pentru obținerea acestor caracteristici concura și sistemul stop-start automat (motorul termic este oprit în timpul staționării și repornit automat atunci când se dorește reluarea deplasării), utilizarea unor materiale ușoare pentru caroserie, a anvelopelor cu coeficient de frecare redus și a unei aerodinamici intens studiate.

Modelelor hibrid le este greu să se impună pe piața europeană, acolo unde motoarele Diesel au o imagine foarte bună, obținând consumuri reduse și performanțe dinamice ridicate. Dezavantajele legate de costul acumulatorilor și al motoarelor electrice sunt mult mai ușor acceptate pe piețele din SUA și Japonia, unde motorul Diesel este considerat a fi adecvat numai pentru camioane. Autoturismele hibrid (motor benzina + motor electric) oferă niveluri de consum similare cu cele echipate cu motoare Diesel, dar nivel mai scăzut al noxelor decât în cazul acestora. Avantajul prețului de achiziție mai mic de care dispun motorizările cu aprindere prin compresie la momentul actual se poate diminua o dată cu introducerea obligativității îndeplinirii normelor de poluare Euro 6.

Autovehiculele hibrid și electrice depind în mare măsură de tipul și capacitatea acumulatorilor utilizați. Aceștia pot fi:

• Acumulatori nichel-metal-hidrid (NiMH) sunt în prezent sursa standard de energie pentru toate vehiculele hibrid.
• Acumulatori litiu-ion (Li-Ion) dispun de o concentrare mai mare de energie în comparație cu bateriile NiMH, dar sunt mai costisitori și au nevoie de sisteme speciale de răcire.

Pentru a asigura o durată de serviciu cât mai mare pentru bateriile de acumulatori, constructorii auto setează sistemul de încărcare astfel încât să nu permită descărcarea completă a acestora. Nivelul de încarcare se va situa întotdeauna între 20-30% și 70-80% din capacitate.

Autovehiculele propulsate electric pot fi:

• Autovehicule alimentate exclusiv cu energie electrică stocată în acumulatori. Motorul electric asigură propulsia, fiind alimentat de bateria de acumulatori. Autonomia este determinată de capacitatea acumulatorilor. Ținând cont de faptul că acumulatorii reprezintă un procent important din masa totală a autovehiculelor electrice, sunt depuse eforturi de către producătorii auto pentru reducerea greutății bateriei, în paralel cu obținerea unei capacități cât mai mari de stocare. De asemenea, sunt studiate posibilitățile de reducere a masei caroseriei, în condițiile respectării normelor de protecție a pasagerilor.
• Autovehicule propulsate cu energie electrică produsă la bord, pe baza pilei de combustie. Deplasarea este realizată cu ajutorul unui motor electric ce este alimentat cu energie pe baza unei reacții chimice. Sistemul este format din motorul electric, bateria de acumulatori Li-Ion, rezervorul de hidrogen și pila de combustie. Pila de combustie realizează reacția chimică dintre hidrogenul comprimat, stocat în unul sau mai multe rezervoare la bordul autovehiculului și oxigenul preluat din aer, rezultatul fiind energie electrică si apa. Mai exact, hidrogenul trece din rezervor într-un compartiment al pilei de combustie care este separat de celălalt compartiment printr-o membrană. Membrana permite trecerea protonilor de hidrogen, nu și a electronilor. Cel de al doilea compartiment conține aer atmosferic, iar protonii de hidrogen intră în reacție cu oxigenul rezultând apă (H2O). Electronii aflați de cealaltă parte a membranei migrează între polul pozitiv și cel negativ, atunci când circuitul este conectat, generând curent electric. Autovehicule bazate pe acest sistem de propulsie vor fi propuse în curând în producție de serie.

Costul unui kilometru parcurs cu un autovehiculul cu propulsie electrică este estimat la doar o cincime din cel aferent parcurgerii aceleiași distanțe cu un autovehicul echipat cu motor pe benzina, iar costurile de întreținere sunt și ele cu mult mai reduse.

Estimările arata faptul că modelele hibride și electrice vor reprezenta aproximativ 10% din total mașini produse în anul 2020. Printre cele mai importante beneficii se număra diversificarea surselor de energie, consumul redus de carburant și reducerea emisiilor. Comisia Europeana a adoptat recent o strategie care prevede eliminarea automobilelor care folosesc combusitibili convenționali până în 2050.

Posibilitatea de a conduce autoturisme silențioase, cu emisii de noxe reduse sau inexistente devine din ce în ce mai apropiată de realitate. Pe măsură ce tehnologiile vor evolua și numărul de exemplare produse va crește, costurile de producție se vor reduce și autovehiculele propulsate electric vor fi adoptate pe scară tot mai largă. Tehnologiile alternative de propulsie capată o importanță din ce în ce mai mare, chiar dacă motorul cu ardere internă va continua să domine piața auto și în următoarea perioada de timp.