Ηλεκτρικά αυτοκίνητα: Παρόν, Παρελθόν και Μέλλον

Τα Ηλεκτρικά αυτοκίνητα (EV) χρησιμοποιούν την ηλεκτρική ενέργεια από επαναφορτιζόμενες συστοιχίες συσσωρευτών.

Τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν και τα δύο είναι τα υβριδικά αυτοκίνητα και συνήθως δεν είναι καθαρά ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Τα ηλεκτρικά οχήματα είναι συνήθως αυτοκίνητα, ελαφριά φορτηγά, ποδήλατα ηλεκτρικά μηχανικά δίκυκλα, μικρά οχήματα γκολφ, ανυψωτικά (forklifts) και παρόμοια.

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα είναι ένα είδος ηλεκτρικού οχήματος (EV). Ο όρος “ηλεκτρικό όχημα” περιλαμβάνει οποιοδήποτε όχημα χρησιμοποιεί ηλεκτροκινητήρες ως μέσο προώθησης. Ακόμη,  ο όρος “ηλεκτρικό αυτοκίνητο“, γενικά, περιλαμβάνει αυτοκίνητα με την δυνατότητα ανάπτυξης υψηλών ταχυτήτων με ισχύ από ηλεκτρισμό.

Τα χαμηλών ταχυτήτων ηλεκτρικά οχήματα, χαρακτηρίζονται ως μηχανοκίνητα τετράτροχα  στην Ευρώπη και ως NEV στις ΗΠΑ, είναι επαναφορτιζόμενα ηλεκτρικά μικρο-αυτοκίνητα ή αυτοκίνητα πόλης με περιορισμούς ως προς το βάρος τους, την ισχύ τους και την μέγιστη ταχύτητα που τους επιτρέπεται να κυκλοφορήσουν σε δημόσιους δρόμους, κάτι που μπορεί να διαφέρει από χώρα σε χώρα.

Παρόλο που η πηγή ενέργειας ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου δεν είναι απαραίτητα ένας ενσωματωμένος συσσωρευτής (μπαταρία), τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα με κινητήρες που τροφοδοτούνται από διαφορετικές πήγες ενεργείας συνήθως αναφέρονται με διαφορετικό όνομα.

Ένα EV που φέρει ηλιακούς συλλέκτες για την τροφοδοσία του αναφέρεται ως ηλιακό αυτοκίνητο και ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο που τροφοδοτείται από γεννήτρια βενζίνης είναι μια μορφή υβριδικού αυτοκινήτου.

Ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο που τροφοδοτείται από εσωτερική μπαταρία αναφέρεται ως αμιγώς ηλεκτροκίνητο όχημα (BEV, Battery Electric Vehcle).

Πιο συχνά, ο όρος “ηλεκτρικό αυτοκίνητο” αναφέρεται στα αμιγώς ηλεκτροκίνητα οχήματα που τροφοδοτούνται από εσωτερική μπαταρία, αλλά μπορεί χρησιμοποιηθεί και για τα επαναφορτιζόμενα plug- in υβριδικά οχήματα (PHEV).

Τι είδη ηλεκτρικών/υβριδικών κινητήρων υπάρχουν;

1) ICE: Kινητήρας εσωτερικής καύσης, είναι ο παραδοσιακός κινητήρας θερμικής ενέργειας (βενζίνη, ντίζελ κ.λπ.). Σε αυτόν, την καύση καυσίμου ενεργοποιεί ένα οξειδωτικό μέσα σε ένα θάλαμο καύσης.

2) MHEV: Κινητήρα εσωτερικής καύσης σε συνδυασμό με ηλεκτροκινητήρα. Η μπαταρία φορτίζεται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και από το φρενάρισμα με ανατροφοδότηση. Δεν επιτρέπει την οδήγηση σε ηλεκτρική λειτουργία.

3) HEV: Κινητήρα εσωτερικής καύσης σε συνδυασμό με ηλεκτροκινητήρα. Η μπαταρία φορτίζεται από τον κινητήρα εσωτερικής καύσης και από το φρενάρισμα με ανατροφοδότηση. Η απόδοση της μπαταρίας επιτρέπει σύντομες μετακινήσεις σε ηλεκτρική λειτουργία.

4) PLUG-IN HYBRID: Κινητήρα εσωτερικής καύσης σε συνδυασμό με ηλεκτροκινητήρα. Η μπαταρία φορτίζεται επίσης από μια εξωτερική πηγή (πρίζα φόρτισης) και από ανατροφοδοτική πέδηση. Η απόδοση μπαταρίας επιτρέπει μεγάλες διαδρομές σε ηλεκτρική λειτουργία.

5) BEV: Αποκλειστικά από ηλεκτρικό κινητήρα. Η οδήγηση είναι ηλεκτρική και η φόρτιση επιτυγχάνεται μόνο μέσω εξωτερικής πηγής και ανατροφοδοτική πέδηση.

6) REEV: Μικρή βενζινοκίνητη γεννήτρια για να επαναφόρτιση της μπαταρίας και εκτεταμένη εμβέλεια όταν η στάθμη της μπαταρίας είναι χαμηλή.

Ιστορία της ηλεκτροκίνησης

Η εφεύρεση του προδρόμου του ηλεκτρικού αυτοκινήτου οφείλεται σε πολλά άτομα.

Το 1828, ο Ányos Jedlik από την Ουγγαρία εφηύρε έναν πρώιμο ηλεκτροκινητήρα που του επέτρεψε να κατασκευάσει ένα μικρό ηλεκτρικό αυτοκίνητο.

Ανάμεσα στο 1832 και το 1839, ο Σκωτσέζος Robert Anderson κατασκεύασε μια πρόχειρη ηλεκτροκίνητη άμαξα.

Το 1834, ο σιδηρουργός Thomas Davenpor από το Βερμόντ δημιούργησε μια παρόμοια κατασκευή η οποία κινούταν σε μια μικρή, ηλεκτροδοτούμενη, κυκλική γραμμή.

Έναν χρόνο μετά, το 1835, ο καθηγητής Sibrandus Stratingh από την Ολλανδία και ο βοηθός του Christopher Becker από τη Γερμανία κατασκεύασαν ένα μικρό ηλεκτρικό αυτοκίνητο.

Τον Νοέμβριο του 1881, ο Gustave Trouvé παρουσίασε ένα ηλεκτρικό αυτοκίνητο στην Διεθνή Έκθεση Ηλεκτρισμού στο Παρίσι (Exposition internationale d’Électricité de Paris).

Το 1884, πάνω από 20 χρονιά πριν το Ford Model T, ο Thomas Parker κατασκεύασε ένα πρακτικό ηλεκτρικό αυτοκίνητο στο Γουλβερχάμπτον χρησιμοποιώντας επαναφορτιζόμενες μπαταρίες που είχε σχεδιάσει ο ίδιος. 

Το Flocken Elektrowagen του 1888 σχεδιάστηκε από τον Γερμανό εφευρέτη Andreas Flocken και μπορεί να θεωρηθεί το το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο.

Στα τέλη 19ου και στις αρχές του 20ου αιώνα, τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα ήταν ο πιο δημοφιλής τύπος αυτοκινήτων, αφότου προσέφεραν περισσότερη άνεση και ήταν πιο εύκολα στη λειτουργία τους σε σχέση με τα αντίστοιχα αυτοκίνητα εσωτερικής καύσης της εποχής.

Στις αρχές του 20ου αιώνα υπήρχαν περίπου 30.000 ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

Το 1897 στην Αμερική και στη Βρετανία τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα λειτουργούσαν ως ταξί.

Στο Λονδίνο τα “Walter Bersey’s electric cabs” ήταν τα πρώτα αυτοκινούμενα οχήματα, εκείνη την εποχή τα ταξί ήταν ιππήλατα.

Οι κυριότεροι κατασκευαστές EV’s στα μέσα του 20ου αιώνα

Οι κυριότεροι κατασκευαστές ηλεκτρικών αυτοκινήτων στα μέσα του 20ου αιώνα ήταν οι Anthony Electric, Baker, Columbia, Anderson, Edison, Riker, Milburn, Bailey Electric, Detroit Electric και άλλοι.

Σε αντίθεση μετά ICE αυτοκίνητα, τα ηλεκτρικά ήταν λιγότερο θορυβώδη και δεν χρειαζόντουσαν αλλαγές ταχυτήτων.

H εξέλιξη των μηχανών εσωτερικής καύσης τον 20ο αιώνα έφτασαν τα πλεονέκτημα τον ηλεκτρικών αυτοκινήτων. Οι πιο γρήγοροι χρόνοι ανεφοδιασμού και το χαμηλότερο κόστος παραγωγής τους τα έκαναν πιο δημοφιλή.

Η νέα εποχή των ηλεκτρικών αυτοκινήτων

Στης αρχές του 1990, οργανισμός California Air Resources Board (CARB) άρχισε να απαιτεί για αυτοκίνητα με λιγότερους ρύπους, με στόχο αυτοκίνητα με μηδενικούς ρύπους όπως τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα.

H κατασκευάστρια αυτοκινήτων από την Καλιφόρνια Tesla Motors, ξεκίνησε να εργάζεται πάνω σε ένα ηλεκτρικό μοντέλο που αργότερα έγινε το Tesla Roadster (2008), με τις πρώτες παραδώσεις να γίνονται το 2008.

Το Roadster ήταν το πρώτο ηλεκτρικό αυτοκίνητο που χρησιμοποιούσε μπαταρίες ιόντων λιθίου και μπορούσε να κάνει 320 χλμ. ανά φόρτιση.

Κόστος λειτουργίας

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν χαμηλότερο κόστος λειτουργίας σε σχέση με τα αυτοκίνητα με μηχανή εσωτερικής καύσης, λόγω του χαμηλότερου κόστους συντήρησης και της ηλεκτρικής ενέργειας, όμως έχουν υψηλότερη τιμή πώλησης.

Όσα περισσότερα χιλιόμετρα κάνει κάποιος μέσα στο χρόνο, τόσο πιο πιθανό το συνολικό κόστος ιδιοκτησίας ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου να είναι σημαντικά μικρότερο από ένα παρόμοιο ΜΕΚ αυτοκίνητο.

Αυτό, μπορεί να είναι μόνο εφικτό για τα EV’s που έχουν ικανοποιητικό σύστημα ελέγχου θερμοκρασίας της μπαταρίας, καθώς είναι απαραίτητο για την μακροβιότητα της μπαταρίας.

Ακόμα, διαφέρει ανάλογα με την φορολογία και τις επιδοτήσεις κάθε χώρας.

Ο κύριος παράγοντας του κόστους παράγωγής ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου είναι η μπαταρία του.

Επιτάχυνση και σύστημα κίνησης στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Οι ηλεκτροκινητήρες μπορούν να προσφέρουν μεγαλύτερους λόγους ισχύος προς βάρος και οι μπαταρίες μπορούν να σχεδιαστούν έτσι ώστε να παρέχουν την ενέργεια που χρειάζεται για να τους τροφοδοτούν.

Οι ηλεκτροκινητήρες έχουν ευθεία καμπύλη ροπής ακόμα και σε μηδενική ταχύτητα, δηλαδή μπορούν να προσφέρουν μεγάλες τιμές ροπής ακόμα και σε μικρές ταχύτητες.

Για απλότητα και αξιοπιστία, πολλά ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν κιβώτιο μιας ταχύτητας και δεν έχουν συμπλέκτη.

Πολλά ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν μεγαλύτερη επιτάχυνση από τα μέσα αυτοκίνητα εσωτερικής καύσης, αυτό οφείλεται κυρίως στις μικρότερες απώλειες ενέργειας και στην άμεση ροπή τον ηλεκτροκινητήρων.

Παρ’ όλα αυτά τα μηχανοκίνητα τετράτροχα μπορεί να έχουν μικρότερη επιτάχυνση, λόγω των πλέον αδύναμων ηλεκτροκινητήρων.

Κάποια ηλεκτρικά οχήματα έχουν τους ηλεκτροκινητήρες τους απευθείας συνδεόμενους με τους τροχούς, με αυτόν τον τρόπο, επιτρέπει την χρήση του ηλεκτροκινητήρα ως μέσο προώθησης και ως μέσο πέδησης. Περαιτέρω, αυξάνει την μέγιστη δύναμη και την πρόσφυση.

Συσσωρευτές

Τα EV’s συνήθως χρησιμοποιούν μπαταρίες ιόντων λιθίου, λόγω της μεγαλύτερης ενεργειακής πυκνότητας τους. Άλλοι τύποι μπαταριών που χρησιμοποιούνται είναι οι μπαταρίες μεταλλικού υβριδίου του νικελίου (NiMH), που έχουν μικρότερη ισχύ ανά βάρος σε σχέση με της μπαταρίες ιόντων λιθίου, άλλα είναι πιο οικονομικές. Μπαταρίες με διαφορετική χημική σύνθεση είναι υπό ανάπτυξη, όπως οι μπαταρίες αέρος-ψευδάργυρου που θα μπορούν να είναι πολύ πιο ελαφριές.

Αυτονομία και ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Την αυτονομία ενός ηλεκτρικού αυτοκινήτου επηρεάζουν οι μπαταρίες και ο τύπος τους.

Η πλειονότητα τον ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι εξοπλισμένα με συστήματα που ενημερώνουν τον οδηγό για την εκτιμώμενη αυτονομία του αυτοκινήτου.

To σύστημα αυτό μπορεί να λαμβάνει υπ’ όψιν διάφορες μεταβλητές, όπως, ο τρόπος οδήγησης του οδηγού, τον τύπο των ελαστικών και την κατανάλωση της μπαταρίας. Παρ’ όλα αυτά, αφού οι μεταβλητές μπορούν να αυξομειώνονται κατά την διάρκεια της διαδρομής, η εκτίμηση μπορεί να διαφέρει από την πραγματική αυτονομία.

Το σύστημα αυτό επιτρέπει στον οδηγό να κάνει συνειδητές επιλογές, όσον αφορά την ταχύτητα του οχήματος και αν χρειάζεται να κάνει στάση για φόρτιση.

Φόρτιση και ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Ο πιο συνηθισμένος τρόπος φόρτισης ηλεκτρικών αυτοκινήτων είναι κατά τη διάρκεια της νύχτας μέσω ενός φορτιστή στο σπίτι του ιδιοκτήτη. Ακόμη, είναι δυνατή η φόρτιση μέσω ταχυφορτιστών σε δημόσιους χώρους και επιχειρήσεις.

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα φορτίζονται κατά κύριο λόγο την νύχτα με ενέργεια που προσφέρεται από το ηλεκτρικό δίκτυο. Πηγές ενέργειας όπως τα φωτοβολταϊκά πάνελ και η αιολική ενέργεια μπορούν να χρησιμοποιηθούν.

Οι σταθμοί φόρτισης έχουν διαφορετικές ταχύτητες φόρτισης ανάλογα με της χρήσεις τους.

Τους πιο αργούς φορτιστές συναντάμε στα σπίτια. Αντίθετα, τους πιο γρήγορους φορτιστές θα βρούμε σε δημόσιους δρόμους και κατά μήκος των αυτοκινητοδρόμων.

Πλεονεκτήματα και περιορισμοί στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα

Σε σύγκριση με τα βενζινοκίνητα αυτοκίνητα, τα ΗΑ παρουσιάζουν πολλά εμφανή σημεία υπεροχής, αλλά και σημαντικούς περιορισμούς.

Πλεονεκτήματα

• Δεν παράγουν κανενός είδους ρύπους εξάτμισης.
• Προκαλούν την ελάχιστη δυνατή ρύπανση σε μακροχρόνια βάση, υπό τον όρο ότι χρησιμοποιούν ηλεκτρική ενέργεια από ανανεώσιμες πηγές ενέργειας. Υπό αυτή την προϋπόθεση, μετριάζουν την υπερθέρμανση του πλανήτη μειώνοντας την εξάρτηση από το πετρέλαιο.
• Είναι πιο αθόρυβα από τα αυτοκίνητα εσωτερικής καύσης, μειώνοντας την ηχορύπανση στις πόλεις και δημιουργώντας μικρότερη επιβάρυνση στα φυσικά οικοσυστήματα.
• Επιτυγχάνουν σχεδόν σταθερή ροπή από την ακινησία έως το μέγιστο όριο στροφών λειτουργίας.
• Έχουν ευχέρεια να λειτουργούν σε πιο υψηλές στροφές από τους βενζινοκινητήρες, συχνά ακόμα και ως τις 14.000 στροφές το λεπτό.
• Έχουν χαμηλότερο κόστος μετακίνησης, καθώς η τιμή του ρεύματος είναι αρκετά χαμηλότερη ανά μονάδα ενέργειας από τη βενζίνη. Επιπλέον, τα ΗΑ φορτίζουν τη μπαταρία τους κατά τις επιβραδύνσεις του οχήματος (regenerative braking). Βελτιώνουν, μάλιστα, έτσι παραπάνω τον δείκτη κατανάλωσης, ενώ κατά τη στάση (πχ φανάρια) δεν καταναλώνουν καθόλου ενέργεια.
• Χρειάζονται πολύ λιγότερο σέρβις και συντήρηση, καθώς, δεν απαιτούν τις τακτικές αλλαγές λαδιών.
• Δεν έχουν σύστημα εξαγωγής καυσαερίων και διάταξη εξάτμισης, ούτε σιγαστήρα (σιλανσιέ) προ της εξάτμισης, καταλύτη ή φίλτρο καπνού.
• Δεν είναι απαραίτητη αντικατάσταση ή έστω συντήρηση σε μηχανικά μέρη, όπως σύστημα ανάφλεξης, πιστόνια, βαλβίδες ή εκκεντροφόρους.
• Ευκολότερη οδήγηση (δεν έχουν συμπλέκτη και ταχύτητες, επιβραδύνουν αφήνοντας το γκάζι)
• Δημιουργούν μικρότερη θερμική επιβάρυνση στον πλανήτη, καθώς δεν διαθέτουν το σύστημα ψύξης των μηχανών εσωτερικής καύσης.

Μειονεκτήματα

• Υψηλές δαπάνες κατασκευής, με αποτέλεσμα την υψηλή τιμή πώλησης.
• Περιορισμένη απόσταση ταξιδιού μεταξύ κάθε επαναφόρτισης της μπαταρίας. Στο παρελθόν κάθε 60 – 100 χιλιόμετρα χρειάζονταν επαναφόρτιση. Ωστόσο, τα πιο σύγχρονα μοντέλα επιτυγχάνουν αυτονομίες που ξεκινούν από 100 έως 120 χιλιόμετρα στα αυτοκίνητα πόλης. Τέλος, φτάνουν στα 250 – 300 χιλιόμετρα ή και παραπάνω, σε αυτοκίνητα μεγάλης ισχύος ( Τesla Model S: 630 χλμ).