Utfasningen av den fossila energin från transportsektorn – del 1

Läs Lars Berns första krönika i sin serie om den förestående elektrifieringen av bilparken.

publicerad 16 november 2017

Ingen fråga brukar väcka så starka känslor som när jag skriver om den förestående elektrifieringen av bilparken. Icke desto mindre är detta ett oundvikligt paradigmskifte som på många plan kommer att ändra vårt samhälle och den geopolitiska maktfördelningen i världen. Paradigmskiftet ligger bara ett par år bort och om tio år har det på allvar börjat förändra geopolitiken. Ämnets stora betydelse gör att jag tar risken att här försöka analysera hela frågan ur olika perspektiv i några krönikor framöver.

Elmotorn är totalt överlägsen förbränningsmotorn
En bensindriven förbränningsmotor har under idealiska driftsförhållanden en verkningsgrad (genererad rörelseenergi/tillförd energi) på ungefär bara 30 procent och de vanliga dieselmotorerna kan möjligen nå upp till 45 procent i bästa fall med hänseende till bränslenas kemiska sammansättning. Stora, långsamtgående dieselmotorer som används i större fartyg kan uppnå en verkningsgrad på cirka 50 procent. Elektriska motorer och generatorer har större verkningsgrad, uppåt 95 procent är normalt. Den energi som går förlorad omvandlas till spillvärme som måste kylas bort för att hindra överhettning av motorerna. Man kan mellan tummen och pekfingret säga att elmotorn är 3 gånger så effektiv som bensinmotorn och dubbelt så effektiv som dieselmotorn. Men det slutar inte där.

Den vanliga förbränningsmotorn av fyrtaktstyp är av en helt annan natur än elmotorn och kan bäst beskrivas som en vevande rörelse som drivs av en massa små explosioner. Den frigjorda energin i bränslet förs över till motoraxeln normalt via 4 till 12 kolvar monterade på lika många vevar på motoraxeln som därför kallas för vevaxel.

Varje kolv rör sig fram och tillbaka i en cylinder när motoraxeln vrids runt. Det fungerar så att när kolven dras ut ur cylindern så öppnas en ventil via vilken en blandning av bensin och luft sugs in i cylindern (alt sprutas bränslet in i cylindern separat). När veven sedan vänder stängs ventilen och kolven rör sig åter in i cylindern och komprimerar därvid luft/bensinblandningen till ett högt tryck. När kolven åter vänder så antänder ett tändstift bränsleblandningen som exploderar och med stor kraft trycker ut cylindern igen tills veven vänder kolven som åter trycks upp i cylindern samtidigt som en annan ventil öppnas och släpper ut avgaserna från explosionen. Om motorn är byggd för dieselbränsle behövs inget tändstift utan bränslet sprutas direkt in i cylindern sedan förbränningsluften komprimeras och självantänder av kompressionstrycket.

Det är lätt att inse att dessa upprepade vevrörelser och explosionsstötar innebär betydande påkänningar på lagren mellan kolven och vevaxeln och mellan vevaxeln och motorblocket. De gör även motorn känslig för vibrationer. De höga lagertrycken som orsakas av dessa ständiga vevrörelser (0 till 6000 per min) gör att man under tryck måste tillföra smörjolja till lagren för att de inte skall överhettas och skära ihop. Därför har förbränningsmotorn en viktig oljepump som pumpar runt smörjolja till utsatta lager. Den dyra smörjoljan måste bytas med jämna mellanrum.

Ett problem med förbränningsmotorn när man jämför den med elmotorn är att den har ett väldigt lågt vridmoment under uppstarten, den är i princip helt kraftlös under 500 varv per minut. Därför måste förbränningsmotorn i en bil kopplas till bilens drivlina via en slirmekanism som kallas koppling. Den består av lameller som slirar mot varandra tills man fått upp varvtalet på motorn så att den orkar dra igång bilen. Om man låter kopplingen greppa för snabbt tjyvstannar bilen. Ett alternativ är att slira med en hydraulisk momentomvandlare som används av automatväxlade bilar.

Förbränningsmotorn har till skillnad från elmotorn ett vridmoment som varierar starkt genom varvtalsregistret och är mycket svagt i början. Detta medför att denna typ av fordon måste vara utrustade med en växellåda för att anpassa vridmomentet till den hastighet man vill uppnå på utgående drivaxel. Moderna bilar har från 4 till 9 olika växellägen beroende på typ av växellåda.

Allt detta gör förbränningsmotorn till en ytterst komplicerad maskin som behöver massor med luft, omfattande kylning och som genererar en stor volym förorenade avgaser. Motorn består av mängder av komplicerade delar (drygt 100 ggr så många som en elmotor) som flertalet slits och som därför ger höga underhållskostnader och kräver regelbunden service. Motorerna orsakar vibrationer som måste dämpas och oljud från förbränningen som måste strypas med ljuddämpare. Mycket av den moderna förbränningsmotorns stora komplexitet hänger samman med att försöka kontrollera och minimera alla dess svagheter på bästa sätt för god komfort och driftssäkerhet.

Den grundläggande principen på vilken de vanliga elmotorerna i dagens elbilar bygger, är att en kraftverkan utövas på en strömförande ledare som är innesluten i ett magnetiskt fält. Kraften beskrivs av den s.k. Lorentzkraften enligt vilken den genereras vinkelrät mot både ledare och det magnetiska fältet. Vanliga elektriska motorer som åsyftas här är av roterande typ. Den roterande delen på motoraxeln kallas rotor och den stillastående delen kallas stator. Rotorn roteras på grund av att de elektriska ledningarna och magnetiska fälten är så arrangerade att ett jämnt vridmoment, proportionellt mot inmatad el, utvecklas via Lorentzkraften kring rotorns axel från stillastående. Belastningen på elmotorns axel är jämn runt hela rotationsvarvet och inte stötig som hos en vevaxel, vilket är gynnsamt för lagerslitaget, komforten och för kontroll av drivningen.

Den moderna elbilens drivlina består av två huvudkomponenter, dels en vanlig induktionsmotor av växelströmstyp med en rörlig del, dels en solid växelriktare – inverter som omvandlar batteriernas likström till växelström. Motorn drar från noll till omkring 15.000 varv per minut med ett jämnt vridmoment och utvecklar en långt större motoreffekt per kg motor än den gamla förbränningsmotorn. Det behövs inga borstar för elöverföring och inga permanentmagneter. Motorn saknar avgassystem, katalysatorrening, turboladdare, oljepump, tändspole, tändfördelare, luftfilter, komplexa vibrationsdämpare och värmeskydd. Inte heller har den kolvar, ventiler, stötstänger, kamaxlar, ventillyftar, luftspjäll och reläer för att styra avgasrening etc..

Trots senare tiders ytterst sofistikerade system för att rena avgaserna från förbränningsmotorerna med bl.a. katalysatorer visar sig detta inte tillräckligt. Hälsoproblemen på grund av luftföroreningar i många av världens storstäder är fortfarande oacceptabla. I t.ex. Kina har luftföroreningarna från bensin/dieselbilarna blivit ett mycket stort problem i takt med den snabbt växande biltrafiken. Främst dieselmotorerna släpper ut små partiklar som blir bärare av cancerogena PAH-föreningar, av virus och bakterier. Nyligen har forskare i Göteborg visat hur man kunnat kraftigt minska sjukligheten på daghem i staden genom ett sinnrikt system för att rena inomhusluften från denna typ av sotpartiklar. Motorerna släpper även ut kväveoxider som leder till övergödning och till bildande av marknära ozon som är skadligt för andningsorgan och växtlighet.

Elmotorn är samtidigt en generator, när man slutar mata in ström växlar motorn över till generatorläge som drivs av bilens rörelseenergi. Efter att ha gasat sig upp för en kulle återvinner motorn en stor del av den använda elen i nedförbacken på andra sidan och återför den energin till batterierna. Motsvarande för en förbränningsmotorbil är att rörelseenergin omvandlas till spillvärme och går förlorad. Elmotorn sköter på detta sätt en stor del av bromsbehovet, varför elbilen sliter långt mindre på bromsklossarna än de gamla förbränningsmotorbilarna. Det finns exempel på t.ex. eltaxibilar som gått uppåt 20.000 mil på samma bromsklossar.

Slutresultatet för den moderna elbilen är en avgasfri, mjuk, helt jämn och ljudlös men brutal acceleration som vid behov tar en bil på 2 ton från noll till hundra km/tim på under fyra sekunder, som vilken supersportbil som helst. En modern inverter kan styra motorns vridmoment inom millisekunder, så att fördelningen av kraften på de olika hjulen blir långt mer exakt än för förbränningsmotorn med sin fördröjning av förbränningen och knyck från växlingar. Detta innebär en långt säkrare körning på halkiga underlag. Det innebär även långt bättre möjligheter till självkörande bilar och andra avancerade stödsystem för körningen.

 

Fortsättning följer

 

Lars Bern

 

Krönikan har tidigare publicerats på Anthropocene



Lars Bern är en svensk teknologie doktor, företagsledare, författare och samhällsdebattör. Han är ledamot av Stiftelsen Svenska Dagbladet som är minoritetsdelägare i SvD, av Kungl. Ingenjörsvetenskaps- akademien sedan 1988 och Etikkollegiet.

Han har bland annat författat boken Varför försvinner våra kronjuveler? : dikeskörningar i svensk industri och driver opinionssajten Anthropocene




Ladda ner Nya Dagbladets mobilapp!

Välkommen att diskutera! NyD vill uppmuntra till en saklig och kvalitativ debatt vilken genomsyras av god ton och respekt för andra åsikter. Du är själv juridisk ansvarig för vad du skriver. Läs våra fullständiga kommentarsregler här.