El vinder over benzin

Af Rolf Ask Clausen

Trods tab i transmissionsnettet er el-biler mere energiøkonomiske end benzinkonkurrenterne Hvor meget bedre er en el-bil til at udnytte energien? Dagens el-biler bruger ca. 200 watttimer på at køre en kilometer. Det gælder de el-biler på markedet og dem, der er på vej. Ude i horisonten kan skimtes biler med et forbrug på 150 watttimer pr. km. For eksempel opgiver Citroën, at modellen Saxo kan køre ca. 80 kilometer på en opladning. Saxo er den el-bil vi formentlig kommer til at se flest af her i landet - snart. Der er 12 kilowatttimer i bilens batterier, så det bliver til 150 watttimer pr. kilometer. Men - for der et men - til en op- ladning kræves der 16 kilowatttimer, fremgår det af fabrikkens materiale.

Reelt bruger bilen altså også ''standardtallet'' på 200 watttimer pr. kilometer. Den første fjerdedel er tabt allerede under opladningen af bilen. Men hvad er det så i sammenligning med en benzinbil? En liter benzin rummer ca. ni kWh, dvs. at 200 watttimer pr. kilometer kan omregnes til at svare til ca. 45 km pr. liter benzin. Hvortil kommer tabet i kraftværkerne, som koster op til halvdelen af energien. Et state of the art kraftværk som det planlagte Avedøre II, vil en have el-virkningsgrad på ca. 50 procent fyret med kul. Medregnes varmeproduktionen ligger moderne kraftværker under optimale omstændigheder på en udnyttelse på 90 procent - men kun når man kan udnytte varmen, dvs. om vinteren. Altså vil en el-bil køre, hvad der svarer til et sted mellem 22 og 45 kilometer pr. liter benzin, energimæssigt. Så høj energiudnyttelse kan benzinbiler ikke præstere i dag. Energifordelen ved el-bilerne er altså ganske stor, selv hvis strømmen kommer fra et ikke-optimalt kraftværk.
BATTERIET ER DET SVAGE LED

Der er luget ud i forventningerne til el-bilbatterier Benzin fra tankstationernes standere er en stærkt koncentreret energiform. Så koncentreret, at energiindholdet i et kilogram benzin er flere hundrede gange større end i ét kilogram af de batterier, der kan komme på tale til el-biler. Men forskellen bliver mindre, fordi batterierne bliver bedre - selvom der ikke er udsigt til, at forskellen nogensinde vil forsvinde. - Som billedet ser ud i dag, er det realistisk at gå ud fra, at batterier havner på omkring 150 watttimer pr. kg, siger Ole Stig Nissen, der er direktør i odenseanske Danionics, som udvikler lithium/polymer-batterier.
FAKTOR 400

Lavt energiindhold i forhold til batterivægten er den gode gamle forklaring på, at el-biler ikke kan køre særlig langt på en ''batterifuld'' strøm. Batterierne bliver alt for tunge, hvis bilerne skal køre lige så langt pr. opladning, som benzinbiler gør pr. optankning. Udtrykt i tal er energiindholdet i benzin knapt 12 kilowatttimer pr. kg. Batterierne ligger langt lavere. De velkendte bly/syrebatterier rummer f.eks. i den udgave, General Motors anvender i deres kommercielle el-bil Saturn (omtalt i Ingeniøren 50/96) 30 watttimer pr. kg. Dvs. at GM's bat- terier rummer 400 gange mindre energi pr. kg. end benzin. I den anden ende af skalaen lyder buddet, at der med lithium/Iion- eller lithium/polymer-batterier kan opnås en energitæthed på 150 watttimer pr. kg, dvs. fem gange bedre end blybatterierne. Den vurdering står at læse i et paper udgivet af franske Saft (et batteriproducerende datterselskab til Alcatel) i oktober sidste år på den 13. internationale el-bil konference i Osaka, Japan, og den deles af Ole Stig Nissen. I givet fald vil der kun være en faktor 80 mellem energiindholdet i benzin og energiindholdet i batterier pr. kg. egenvægt. Det er stadig en ganske stor forskel.
FRA MANGE TIL FIRE

Når benzinbiler alligevel ikke kører 80 gange længere end el-biler, skyldes det, at de er temmelig dårlige til at udnytte brændstoffet. Og at el-biler omvendt er meget mere økonomiske med den energi, de trods alt kan slæbe rundt på. - Det, der er sket i løbet af de sidste par år, er, at vi er gået fra at have en lang række bud på batterityper, som måske ville kunne bruges. Og til en situation nu, hvor der er en fire hovedtyper, som det er værd at tale om, siger Ole Stig Nissen. De fire typer er: #Bly/syre. Det klassiske bilbatteri, velkendt teknik, lav pris. Men ikke særlig høj kapacitet. Er på markedet. #Nikkel/cadmium. Lidt bedre end bly/syre, også på markedet. #NiMH og Na/NiCl2. Batterityper findes på demonstrationsniveau til el-biler. #Lithium/ion og lithium-polymer. Batterityper under udvikling, forventningerne er store.
BENZIN BLIVER TIL VARM LUFT

Forbrændingsmotoren har dårlig effektivitet i normal drift Hvor bliver energien af i en benzin- eller dieselbil? Svaret er trist: Den bliver til varme og ryger ud af udstødningsrøret og køleren. Kun en lille del af den benzin, bilisterne betaler for, bliver omsat til fremdrift. Langt det meste bliver ikke til noget konstruktivt, bare til belastning af miljøet. Især for benzinbiler er problemet, at godt nok kan motorerne være meget gode i deres ''optimalpunkt''. Men de kommer næsten ikke i nærheden af optimalpunktet ved typisk kørsel. Og derfor ligger motorernes evne til at få noget fornuftigt ud af brændstoffet dramatisk lavere end det teoretisk muligt. En tur gennem tallene kan belyse problemet. Vi leger med en almindelig bil - tallene bygger ikke på nogen bestemt, men er nogenlunde gyldige for en VW Golf med 1,4 liters motor. Den har en rimelig, men ikke fantastisk lav luftmodstand og skal bruge ca. 13 kilowatt for at køre 100 kilometer i timen. Vi skal altså have motoren til at yde 13 kW, hvilket er ca. en fjerdedel af, hvad motoren maksimalt kan levere. Da vi snakker runde tal, tillader vi os at glemme alle tab i bilens transmission. For at finde ud af, hvad motoren bruger for at yde de 13 kW, må vi ind i en motorkarakteristik - et såkaldt muslingediagram. Muslingediagrammet er et x-y diagram med omdrejningstal på x-aksen og som regel motorens såkaldte effektive middeltryk på y-aksen. Diagrammet består så af en række ''mus- lingeagtige'' kurver, der udtrykker dens forbrug ved givne middeltryk og omdrejningstal. Det effektive middeltryk er i familie med effekten delt med omdrejningstallet. Hvilket kort fortalt betyder, at man kan tegne en 13-kW kurve ind i diagrammet og derefter aflæse motorens forbrug som en funktion af, hvor hurtigt den roterer.
FAKTOR TO

Diagrammet viser, at det stort set gælder om at hente ydelsen ved et så lavt omdrejningstal som muligt. Jo hurtigere motoren roterer for at levere den nødvendige effekt, jo mere bruger den. Typisk. Hvilket økonomikørselsvante bilister kan nikke genkendende til. Det gælder om at køre i højest mulige gear. I eksemplet kan vi tage de 13 kW ud helt nede i nærheden af 2000 omdrejninger pr. minut. Her er motorens forbrug omkring 290 gram brændstof pr. kilowatttime. Ved 6000 o/min. er det et godt stykke over 500 gram brændstof pr. kWh. Altså næsten en faktor to mellem det bedste sted at hente de 13 kW og det dårligste. Forbruget i gram pr. kilowatttime kan omsættes til et udtryk for motorens virkningsgrad. Der er ca. 12 kilowatttimer i et kilogram benzin - og holdes det sammen med motorens forbrug viser det, at ca. 28 procent af benzinens energi bliver til kørsel i den gode ende af skalaen. I den dårlige ende er udnyttelsen nede på 16 procent. Forbruget kan omregnes en gang til, nemlig til kilometer pr. liter benzin. Og dér havner vi ved små 20 kilometer pr. liter brændstof, hvis altså motoren fik lov at yde de 13 kW ved 2000 omdrejninger/minut. Og på ca. 17 kilometer pr. liter, hvis ydelsen hentes ved 4000 omdrejninger pr. minut. Vi kan komme helt ned på 10,5 kilometer pr. liter ved at lade motoren rotere hurtigst muligt.
HØJST 33 PROCENT

På det allerbedste sted bruger den aktuelle motor 254 gram benzin pr. ydet kilowatttime. Det svarer til en bedste udnyttelse af brændstoffets energiindhold på ca. 33 procent. Men i det arbejdspunkt kommer motoren ikke under normale omstændigheder, det sker kun ved maksimalt sejtræk. Jo oftere motoren ligger på dette punkt, jo bedre ud fra et økonomisynspunkt. I praksis sker det oftere, jo mindre motoren er. Det var turen gennem tallene. Meget forenklet, for i praksis kører biler ikke med konstant fart, og tages det med i billedet, bliver hele regnestykket meget mere komplekst. Men den virkelige udnyttelse af brændstoffet kommer hurtigt ned på noget i retning af 15 procent. Hovedforudsætninger for regnestykkerne: Motoren er en VW Golf 1,4 liter. Der er regnet med en egenvægt på 1000 kg, en luftmodstandskoefficient på 0,35 og et frontareal på to kvadratmeter.
ING:9705