Χ. Βάρβογλης: Αυτοκίνητα και Ενέργεια: Ποια Είναι η Καλύτερη Επιλογή για το Περιβάλλον;

του καθηγητή Φυσικής του ΑΠΘ Χ. Βάρβογλη

Πιστεύω ότι οι μαθητές ενδιαφέρονται για τη φυσική και τη χημεία, όταν αντιληφθούν ότι αυτές οι επιστήμες μπορούν να δώσουν απαντήσεις σε καθημερινά προβλήματα που τους απασχολούν. Ένα τέτοιο πρόβλημα είναι και το τι είδους αυτοκίνητα θα πρέπει να οδηγούμε για να μην επιδεινωθεί η κλιματική αλλαγή που βιώνουμε σήμερα. Θα παρουσιάσω λοιπόν σύντομα και απλά τις σημαντικότερες παραμέτρους του προβλήματος.

Όλα ξεκινούν από την ίδια τη λέξη «αυτοκίνητο»: κάτι που μπορεί να κινηθεί από μόνο του, άρα μεταφέρει μαζί του την ενέργεια που απαιτείται για την κίνησή του. Οι υδρογονάνθρακες αποδείχθηκαν μια πολύ καλή αρχική επιλογή, επειδή έχουν μεγάλη ενεργειακή πυκνότητα (45 MJ/kg η βενζίνη- 55 MJ/kg το φυσικό αέριο), και απόδοση περίπου 35%, δηλαδή για κάθε joule θερμότητας από την καύση τους παίρνουμε 0,35 joule έργου. Επιπλέον υπάρχουν (ακόμη) άφθονοι στη φύση, και είναι εύκολη η μεταφορά, η διανομή και η αποθήκευσή τους. Δυστυχώς κατά την καύση τους παράγεται, όπως γνωρίζουμε, το αέριο διοξείδιο του άνθρακα, που είναι η αιτία της παρατηρούμενης κλιματικής αλλαγής. Βέβαια το φυσικό αέριο παράγει 30% μικρότερες ποσότητες διοξειδίου του άνθρακα από τη βενζίνη (ΕΦΑΡΜΟΓΗ: Υπολογισμός από τις αντιδράσεις καύσης και την ενέργεια καύσης του μεθανίου και του οκτανίου. 1 mole μεθανίου εκλύει 890.4 kJ θερμικής ενέργειας κατά την αντίδραση CH 4 + 2 O 2 → CO 2 + 2 H 2O , δηλαδή 1,12 μόρια διοξειδίου του άνθρακα / MJ. 1 mole οκτανίου εκλύει 5470 kJ θερμικής ενέργειας κατά την αντίδραση 2 C8H18 + 25 O2 → 16 CO2 + 18 H2O, δηλαδή 1,45 μόρια διοξείδιου του άνθρακα / MJ), αλλά δεν λύνει το πρόβλημα. Πώς θα πρέπει να το αντιμετωπίσουμε λοιπόν; Σήμερα στην αγορά είναι διαθέσιμα αυτοκίνητα που κινούνται με ηλεκτρική ενέργεια, ενώ έχει προταθεί και η χρήση υδρογόνου ως καυσίμου, επειδή το μοναδικό προϊόν της καύσης του είναι το νερό.

Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα έχουν το πλεονέκτημα του ήδη διαθέσιμου δικτύου μεταφοράς και διανομής, αλλά δυστυχώς υστερούν στην αποθήκευση, αφού οι μπαταρίες τους υστερούν σημαντικά στον τομέα της ενεργειακής πυκνότητας: 1kg μπαταρίας μπορεί να αποθηκεύσει μόλις 1 MJ ενέργειας. Δηλαδή ακόμη κι αν λάβουμε υπόψη μας την απόδοση της μετατροπής της χημικής ενέργειας των υδρογονανθράκων σε μηχανική, οι μπαταρίες έχουν ισοδύναμη πυκνότητα ενέργειας 20 φορές χειρότερη από αυτήν της βενζίνης, του πετρελαίου και του μεθανίου (φυσικού αερίου). Μια τυπική μπαταρία ηλεκτρικού αυτοκινήτου ζυγίζει 300 kg αλλά δεν έχει αρκετή ενέργεια για να πάμε από την Αθήνα στη Θεσσαλονίκη, οπότε απαιτούνται συχνοί ανεφοδιασμοί, οι οποίοι όμως είναι χρονοβόροι. Η φόρτιση μιας μπαταρίας αυτοκινήτου απαιτεί σήμερα περίπου μισή ώρα. ΕΦΑΡΜΟΓΗ. Μια τυπική μπαταρία αυτοκινήτου έχει χωρητικότητα 40 kWh (1 kWh = 1.000x60x60 = 3,6 MJ), οπότε χρειάζεται 20 ώρες φόρτισης από μια κοινή οικιακή πρίζα τάσης 220 V με ασφάλεια 10 Α και -άρα- ισχύ 2,2 kW. Οι σταθμοί ταχυφόρτισης της TESLA χρησιμοποιούν συνεχές ρεύμα 300 A και τάσης 400 V, επιτυγχάνοντας παρεχόμενη ισχύ 120 kW, οπότε ο χρόνος φόρτισης μιας τέτοιας μπαταρίας περιορίζεται στα 20 λεπτά. Τέτοιοι φορτιστές υπάρχουν στα βενζινάδικα αλλά και στα σούπερ μάρκετ, επειδή μπορούμε να φορτίσουμε το αυτοκίνητό μας όσο κάνουμε τα ψώνια μας. Υπάρχουν ηλεκτρικά αυτοκίνητα με μπαταρίες χωρητικότητας μέχρι και 120 kWh, αλλά η επέκταση της ακτίνας δράσης δεν είναι πολύ σημαντική, επειδή ένα μέρος της ενέργειας της μπαταρίας καταναλώνεται στις επιταχύνσεις της σημαντικά μεγαλύτερης μάζας της.

Τα αυτοκίνητα που χρησιμοποιούν υδρογόνο ως καύσιμο φαίνεται ότι υπερτερούν των βενζινοκίνητων, αφού η ενεργειακή πυκνότητα αυτού του αερίου, 140 MJ/kg, είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτήν των υδρογονανθράκων (~50 MJ/kg). Το πλεονέκτημα αυτό γίνεται σημαντικότερο αν για την «καύση» του χρησιμοποιήσουμε κύτταρα καυσίμου, η απόδοση των οποίων είναι μεγαλύτερη από αυτήν των μηχανών εσωτερικής καύσης, που περιορίζεται από το δεύτερο θερμοδυναμικό αξίωμα. Δυστυχώς αυτό το πλεονέκτημα μειώνεται σημαντικά αν λάβουμε υπόψη την ποσότητα του καυσίμου που μπορεί να μεταφέρει ένα αυτοκίνητο. Το πρόβλημα οφείλεται στο ότι το υδρογόνο υγροποιείται πολύ δύσκολα, και άρα πρέπει να αποθηκεύεται υπό αέρια μορφή σε υψηλή πίεση, όπως συμβαίνει και με το φυσικό αέριο. Το τελευταίο αποθηκεύεται σε κυλινδρικά δοχεία υπό πίεση 200 atm. ΕΦΑΡΜΟΓΗ. Αν εφαρμόσουμε τον νόμο των ιδανικών αερίων, PV = nRT, και για τα δύο αέρια, βλέπουμε αμέσως το πρόβλημα: αν χρησιμοποιήσουμε την υπάρχουσα τεχνολογία αποθήκευσης, τα P και V παραμένουν τα ίδια, όπως και η θερμοκρασία Τ και η σταθερά των αερίων R. Άρα στις δύο περιπτώσεις μπορούμε να αποθηκεύσουμε τον ίδιο αριθμό γραμμομορίων, n. Αλλά το μοριακό βάρος του υδρογόνου είναι 2 ενώ το μοριακό βάρος του μεθανίου 16, οπότε με τη σημερινή τεχνολογία μπορούμε να μεταφέρουμε 8 φορές μικρότερη μάζα υδρογόνο από ό,τι φυσικού αερίου, και έτσι η τριπλάσια ενεργειακή πυκνότητα του υδρογόνου -έναντι του φυσικού αερίου- παύει να είναι πλεονέκτημα!

Τελικό συμπέρασμα: το υδρογόνο -με τη σημερινή τεχνολογία αποθήκευσης- δεν είναι πρακτικό καύσιμο αυτοκινήτων. Μένουν λοιπόν οι υδρογονάνθρακες και οι μπαταρίες. Τα ηλεκτρικά αυτοκίνητα είναι ιδανικά για αυτοκίνητα πόλης, επειδή η μικρή ακτίνα δράσης δεν αποτελεί πρόβλημα και η φόρτισή τους μπορεί να γίνει εύκολα ενόσω τα σταθμεύουμε, π.χ. στα σούπερ μάρκετ ή στο σπίτι μας. Για μεγάλες αποστάσεις όμως ιδανικά είναι τα υβριδικά αυτοκίνητα, που έχουν τόσο ηλεκτροκινητήρα όσο και μηχανή εσωτερικής καύσης -τον ηλεκτροκινητήρα για την πόλη και τη μηχανή εσωτερικής καύσης για τον αυτοκινητόδρομο.

Θα ήθελα να τελειώσω με μια σύντομη αναφορά στο όφελος -ως προς τις εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα- ενός ηλεκτρικού ως προς ένα συμβατικό αυτοκίνητο. Πολλοί προβάλλουν το επιχείρημα ότι η κατασκευή των μπαταριών παράγει και αυτή διοξείδιο του άνθρακα, οπότε το κέρδος από την αποφυγή καύσης υδρογονανθράκων είναι μόνο φαινομενικό. Έχει όμως υπολογιστεί ότι μια μπαταρία μπορεί να «κρατήσει» για 250.000 km, και σε αυτή την απόσταση ένα συμβατικό αυτοκίνητο παράγει συνολικά διπλάσια ποσότητα διοξειδίου του άνθρακα, ακόμη κι αν ληφθούν υπόψη οι εκπομπές κατά την κατασκευή της μπαταρίας.