Tema: 1 Eficiența energetică.

Studiind această temă, veți fi capabili :

-          să explicați tendințele actuale în dezvoltarea sistemelor de propulsie auto din perspectiva eficienței energetice;

-          să analizați densitatea energiei și impactul acesteia asupra performanței și autonomiei vehiculelor;

-          să descrieți metodele de stocare a energiei și particularitățile fluxului de energie în automobilele hibride și electrice;

-          să identificați și să evaluați principalele pierderi de energie în diverse tipuri de angrenări mecanice și electrice.

Conform datelor de monitorizare privind emisiile de poluanți în aer ale Agenției de Mediu a Republica Moldova, sectorul transporturilor reprezintă principala sursă de poluare a aerului. Datele statistice indică faptul că emisiile provenite de la sursele mobile (transportul auto) reprezintă 93% din totalul emisiilor. Această situație este cauzată de creșterea semnificativă a numărului de unități de transport – de la 396 de mii de unități în anul 2004 la peste 913 mii de unități în anul 2019 (Figura 1.2).

Cu o situație similară se confruntă și Uniunea Europeană (UE), unde creșterea constantă a numărului de vehicule a contribuit semnificativ la majorarea emisiilor din transporturi. Sectorul transporturilor se numără printre cei mai importanți contributori la emisiile de gaze cu efect de seră (GES) din Uniunea Europeană. Prin urmare, reducerea emisiilor generate de acest sector este esențială pentru atingerea obiectivului UE de neutralitate climatică până în anul 2050. Pentru a-și atinge obiectivele ambițioase în domeniul climei, Uniunea Europeană sprijină cetățenii în adoptarea pe scară largă a vehiculelor cu emisii zero, ceea ce contribuie la îmbunătățirea calității aerului, economisirea energiei și reducerea costurilor pentru proprietarii de vehicule.

Strategia energetică a Uniunii Europene (UE) are ca obiectiv principal reducerea treptată a dependenței de sursele de energie convenționale, precum combustibilii fosili (petrol, cărbune, gaze naturale) și energia nucleară, în favoarea unei tranziții spre surse regenerabile de energie. Această tranziție vizează, în special, valorificarea energiei solare și eoliene, considerate sustenabile și prietenoase cu mediul. Planul prevede ca, până în anul 2100, majoritatea energiei utilizate la nivel global să provină din surse regenerabile (Figura 1.4), asigurând astfel o dezvoltare energetică durabilă, ecologică și cu emisii reduse de carbon CO₂.

Această soluție inovatoare permite reîncărcarea bateriilor în mers, prin tehnologii moderne precum încărcarea inductivă sau prin șine electrificate integrate în carosabil. Scopul principal este extinderea autonomiei vehiculelor, reducerea dependenței de stații fixe de încărcare, scăderea emisiilor de gaze cu efect de seră și sprijinirea tranziției către un sistem de transport ecologic. Această infrastructură este deja testată sau implementată în mai multe țări europene și se află în atenția Uniunii Europene ca parte a direcției strategice pentru mobilitate sustenabilă până în 2050.

1.1.2 Densitatea energiei

Corpul uman nu poate funcționa fără o alimentare corespunzătoare cu energie, iar alimentația zilnică reprezintă sursa principală de energie a acestuia. La fel, un motor cu ardere internă nu poate funcționa fără combustibil, care constituie sursa sa de energie. Un motor electric are nevoie de energie electrică pentru a funcționa, aceasta fiind furnizată de o baterie. Fără energie, nici corpul uman, niciun vehicul nu pot funcționa.

Energia poate fi exprimată în mai multe unități de măsură, în funcție de domeniu:

Tabelul 1.1 Unități de măsură și conversii

Densitatea energetică a combustibililor fosili este standardizată. Aceste valori pot varia ușor în funcție de tipul combustibilului și de condițiile de mediu, însă aceste estimări sunt utilizate ca standarde generale pentru caracterizarea combustibilului. Densitatea energetică este un parametru important în evaluarea performanței combustibililor și a eficienței motoarelor.

Tabelul 1.2 Tabel densitate energetică gravimetrică

Densitatea energetică a unei baterii reprezintă cantitatea de energie furnizată raportată la masa acesteia și se exprimă în kilojouli per kilogram (kJ/kg) sau megajouli per kilogram (MJ/kg).

Pentru a calcula densitatea energetică a unei baterii, trebuie cunoscute:

Tensiunea (în volți, V),

Capacitatea (în amperi ora, Ah),

Masa bateriei (în kilograme, kg).

Energia furnizată de baterie se obține înmulțind tensiunea cu capacitatea, rezultatul fiind exprimat în watt-oră (Wh). Această valoare se convertește apoi în jouli (J) sau kilojouli (kJ), folosind relația:

1 Wh = 3600 J = 3,6 kJ                                                                                                           (1.1)

Exemplu:
O baterie cu o tensiune de 1,2 V, o capacitate de 2 Ah, și o masă de 0,04 kg furnizează:

1,2 V × 2 Ah =2,4 Wh

2,4 Wh = 2,4 × 3,6 = 8,64 kJ

Densitatea energetică a bateriei va fi:

0,04 kg/8,64 kJ​ = 216 kJ/kg = 0,216 MJ/kg

Densitatea energetică volumică a unei baterii se referă la cantitatea de energie stocată per unitate de volum și se exprimă în megajouli pe litru (MJ/l).

Pentru a o calcula, trebuie cunoscut:

·  Volumul bateriei (în litri),

·  Energia totală furnizată (în MJ), obținută în mod similar ca în cazul densității energetice specifice (MJ/kg).

Exemplu:
Continuând exemplul anterior, dacă volumul bateriei este de 0,00006 m³ (echivalent cu 0,06 l), atunci densitatea energetică volumică este:

8,64 kJ​/ 0,06 l = 144 kJ/l =0,144MJ/l

1.1.3 Eficiența energetică

În timpul exploatării unui vehicul, motorul de propulsie trebuie să furnizeze energie mecanică, pentru a depăși rezistența la deplasare.

Eficiența propulsii este raportul dintre energia absorbită și energie mecanică obținută pentru mișcarea vehiculelor. Randamentele la motoarele pe benzina și motorină se mențin scăzute. În cele mai bune cazuri, 60 % din energia combustibilului se vor pierde (în principal sub formă de căldură), iar în unele cazuri pierderea poate ajunge și aproximativ 80 %. Dacă vorbim de motoare electrice sincrone, performanțele lui este mai mare de 90 % (Figura 1.6).

Figura 1.6 Consumul de energie la parcurgerea 50 Km:

a) propulsoare cu combustie internă; b) propulsoare electrice.

Performanța generală a randamentului, trebuie să țină seama de performanța organelor care alcătuiesc lanțul de tracțiune, și anume: motor electric, invertor și baterie de tensiune înaltă. Fiecare din aceste organe are un randament mai mic sau egal cu 90 %:

ηmotor * ηinvertor * ηbaterie= ηgeneral = 0.9 * 0.9 * 0.9 = 0,73  [%]                         (1.2)

Atunci când apăsați pedala de accelerație, motorul oferă lucru mecanic pentru deplasarea automobilului. Pentru a frâna, putem converti această energie cinetică într-o altă formă de energie. Vehicule electrice, hibrid sunt capabile de a recupera o cantitate semnificativă de energie în timpul frânării.

Tabelul 1.3 Eficiența energetică a motoarelor electrice în comparație cu motoarele cu ardere internă la diferite regimuri de funcționare.

1.4. Pierderile de energie în diferite tipuri de angrenări

Motoarele cu combustie internă transformă energia chimică (combustibilul) în energie cinetică (mișcare). Motoarele electrice transformă energia electrică în mișcare, în ambele conversii, au loc pierderi. Pentru motorul cu combustie internă (Figura 1.7 a) putem vorbi de următoarele pierderi:

Figura 1.7 Pierderile de energie în propulsoare:

a - Propulsoare cu combustie internă; b - Propulsoare electrice

Etot - Energia totală dezvoltată de motor prin arderea combustibilului;

Ee - Energia transformată în lucru mecanic efectiv;

Erăc - Energia cedată exteriorului prin sistemul de răcire;

Eev - Energia cedată exteriorului prin gazele de evacuare;

Eu - Energia cedată uleiului prin sistemul de ungere;

Ef - Energia pierdută prin învingerea forțelor de frecare;

Er - Restul de pierderi neluate în considerare;

Ea.c.p. - Energia cedată amestecului proaspăt ce pătrunde în cilindru;

Ep.f și Q`p.f. - Energia cedată sistemului de răcire și ungere de la piesele din mișcare;

Ep.g. - Energia evacuată odată cu evacuarea gazelor arse;

Q`e - Energia pierdută pentru învingerea rezistențelor de frecare a gazelor de evacuare;

Qdisp - Energia pierdută pentru dispersia gazelor.

Pentru motorul electric (Figura 1.7 b), pierderile ar fi:

Erăc - Energia cedată exteriorului, pierderi electrice;

Ef - Energia pierdută prin învingerea forțelor de frecare. 

Întrebări de autoevaluare:

1.   Care este cauza principală a încălzirii globale?

2.   Care este principala cauză a emisiilor de poluanți în aer, conform datelor de monitorizare ale Agenției de Mediu a Republicii Moldova?

3.   Ce obiectiv climatic și-a propus Uniunea Europeană până în anul 2050?

4.   Ce avantaj major oferă vehiculele electrice în comparație cu cele tradiționale, în contextul reducerii emisiilor?

5.   Ce măsuri a adoptat Parlamentul European în iulie 2023 privind infrastructura pentru vehiculele electrice și cu hidrogen?

6.   Care este diferența dintre densitatea energetică gravimetrică și cea volumetrică și în ce aplicații este relevantă fiecare?

7.   Cum se calculează densitatea energetică a unei baterii, exprimată în MJ/kg, și ce informații sunt necesare pentru acest calcul?

8.   De ce, în ciuda unei densități energetice gravimetrice mari, hidrogenul lichid are o densitate energetică volumică mult mai mică decât benzina sau motorina?

9.   Cum se explică faptul că bateriile ocupă mai mult spațiu decât combustibilii lichizi pentru a stoca aceeași cantitate de energie?

10.   Care este diferența de randament energetic dintre motoarele cu ardere internă și cele electrice în regim de funcționare?

11.   Care sunt pierderile de energie la motoarele cu ardere internă?

12.   Care sunt pierderile de energie la motoarele electrice?

BIBLIOGRAFIE

1. Ion Lăcustă, Boris Rusu, Mihail Troian, Victor Jeman, Automobile alternative, Chișinău: Centrul Ed. al UASM, 2017. ISBN 631.158:658.345 (075.8)

2. https://am.gov.md/ro

3. Progrese UE în privința obiectivelor legate de schimbările climatice (infografic)

4. Electude LMS 2024.4.0.

5. Véhicules électriques et hybrides Dossier créé avec la collaboration du Groupement National pour la Formation Automobile Michel Wastraete Formatur expert