Ταχύτητα φόρτισης vs χωρητικότητα, τι είναι σημαντικότερο σε ένα ηλεκτρικό όχημα;

Εάν υπήρχε αυτή τη στιγμή μπαταρία που να μπορεί να φορτίζει στο πεντάλεπτο και ταυτόχρονα να χαρίζει αυτονομία 500 χλμ. τότε το ένα από τα τρία μεγαλύτερα προβλήματα της ηλεκτροκίνησης θα είχε λυθεί! Πιθανά θα έρθει η στιγμή για κάτι τέτοιο, όχι όμως μέσα στην επόμενη δεκαετία. Οπότε, με δεδομένο ότι δεν μπορούμε να έχουμε και την πίτα ολόκληρη και το σκύλο χορτάτο, τι μετράει περισσότερο; Να μπορούμε να φορτίζουμε γρήγορα το αυτοκίνητό μας ή να έχουμε μεγάλη αυτονομία;

Οι περισσότερες αυτοκινητοβιομηχανίες αυτή τη στιγμή έχουν ήδη καταλήξει. Ποντάρουν κυρίως στην ταχύτητα φόρτισης, για ένα και βασικό λόγο. Την αυτονομία για την κάλυψη των καθημερινών αναγκών την έχουν όλοι, λίγο έως πολύ, εξασφαλίσει (με το ανάλογο τίμημα σε θέματα όγκου και βάρους). Τα αυτοκίνητα μπορούν κάλλιστα να φορτίζουν σε «νεκρές» ώρες, το βράδυ ή κατά τη διάρκεια της εργασίας. Η ικανότητα όμως για μακρινότερα ταξίδια είναι απαγορευτική, σε ο,τι αφορά στα ηλεκτρικά αυτοκίνητα. Δεν μπορεί κάποιος να ξεκινήσει από την Αθήνα για τη Θεσσαλονίκη και στη Λάρισα να περιμένει 8 ώρες για να φορτίσει…

Μία γρήγορη φόρτιση, ακόμα και αν δεν είναι πλήρης αλλά φτάνει στο μισάωρο στο 80% ενός μοντέλου με αυτονομία άνω των 400 χλμ. μπορεί να δώσει τη λύση. Γι’ αυτό ακριβώς και οι περισσότεροι μηχανικοί υποστηρίζουν ότι είναι σημαντικότερη η γρήγορη φόρτιση από τη συνολική χωρητικότητα ενός συσσωρευτή. Εδώ όμως υπάρχει μία μεγάλη παγίδα. Η μέγιστη ταχύτητα φόρτισης που ανακοινώνει ένας κατασκευαστής δεν συνεπάγεται και σταθερότητα στη συγκεκριμένη τιμή. Τα kWh που λαμβάνει μία μπαταρία αυτοκινήτου ανά λεπτό, συνήθως μεταβάλλονται ανάλογα με το ποσοστό της φόρτισης, όπως δείχνει και το αντίστοιχο σχεδιάγραμμα. Ένας ισχυρός ταχυφορτιστής 150 kW ή και ανώτερος, δεν σημαίνει ότι θα γεμίσει σε 20 λεπτά ένα συσσωρευτή 50 kWh. Όσο ο βαθμός φόρτισης είναι μικρός, τόσο πιο γρήγορη θα είναι η φόρτιση. Από το 50-60% και πάνω, ο ρυθμός αυτός συνήθως πέφτει.

Το διάγραμμα που προαναφέραμε προέρχεται από την Audi και διαφημίζει πρακτικά την ανωτερότητα του νέου e-Tron, έναντι των «ανταγωνιστών». Όπως βλέπετε, μπορεί το peak του ρυθμού φόρτισης να ανήκει σε κάποιο άλλο μοντέλο, στην πράξη όμως το e-Tron φορτίζει πολύ ταχύτερα, αφού καταφέρνει να διατηρεί υψηλότερο μέσο όρο. Ενδεικτικά, από το 5% έως το 70% η φόρτιση προσεγγίζει το μέγιστο δυνατό ρυθμό του φορτιστή. Σε μισή μόλις ώρα έχει γεμίσει το 80%, κάτι που εξασφαλίζει αρκετές εκατοντάδες χιλιόμετρα, λαμβάνοντας υπόψη ότι μιλάμε για ένα μεγάλο συσσωρευτή ιόντων λιθίου, 95 kWh.  

Μία εύλογη ερώτηση είναι γιατί συμβαίνει αυτό. Γιατί να μην μπορεί ένας συσσωρευτής να γεμίσει γρήγορα, με σταθερό ρυθμό; Η απάντηση περιλαμβάνει μία σειρά παραμέτρους που έχουν να κάνουν με τα χημικά χαρακτηριστικά αυτού αλλά και με άλλους, εξωγενείς παράγοντες. Επαναλαμβάνουμε ότι από ένα συσσωρευτή ηλεκτρικού αυτοκινήτου επιθυμούμε να πληροί μία σειρά χαρακτηριστικών. Να φορτίζει γρήγορα, να έχει μεγάλη χωρητικότητα, να κοστίζει όσο το δυνατόν λιγότερο και αντίστοιχα να έχει και μεγάλη διάρκεια ζωής.

Ξεκινώντας από το τέλος προς την αρχή, τα τελευταία χρόνια έχουν γίνει μεγάλες πρόοδοι ως προς τη διάρκεια ζωής αυτών. Τα πρώτα ηλεκτρικά αυτοκίνητα οριακά μπορούσαν να εξασφαλίσουν ότι οι συσσωρευτές τους ήταν ικανοί να αντέξουν ολόκληρο τον κύκλο ζωής του ίδιου του αυτοκινήτου. Κατά κανόνα δεν το κατάφερναν αυτό. Τα τελευταία χρόνια οι συσσωρευτές επιτυγχάνουν εύκολα διάρκεια ζωής 100.000 χιλιόμετρα, ενώ αντέχουν και για παραπάνω, με σταδιακή ή απότομη όμως πτώση στην απόδοσή τους (συνήθως συμβαίνει το δεύτερο…) Τώρα συζητάμε ότι οι επόμενης γενιάς συσσωρευτές θα αντέχουν για 1.000.000 χιλιόμετρα! Τουλάχιστον αυτό υποστηρίζει η Tesla…

Σε θέματα κόστους, από εκεί που ένας συσσωρευτής κόστιζε κάποτε πάνω από το μισό αυτοκίνητο, το ποσό αυτό -χρόνο με το χρόνο- μειώνεται. Βέβαια, οι αυτοκινητοβιομηχανίες επιλέγουν συνειδητά -και καλά κάνουν- να μην μειώνουν τις τιμές των ηλεκτρικών αυτοκινήτων αλλά να ρίχνουν αυτό το επιπλέον έσοδο στην έρευνα, ώστε να παράγουν μεγαλύτερης χωρητικότητας συσσωρευτές, στον ίδιο όγκο. Ενδεικτικά, το κόστος ανά κιλοβατώρα το 2010 ήταν περίπου 1.600 ευρώ, ενώ το 2020 έχει πέσει στα 200-400…

Πηγαίνοντας τώρα στο θέμα της φόρτισης, ένα πρώτο βασικό πρόβλημα είναι η διαχείριση της θερμότητας. Με τη ροή της ενέργειας, είτε προς τον ηλεκτροκινητήρα είτε, πολύ περισσότερο, κατά τη διαδικασία της φόρτισης, αυξάνεται αισθητά η θερμοκρασία του συσσωρευτή, με αποτέλεσμα να κινδυνεύει να καταστραφεί, εάν δεν υπάρχει έλεγχος. Αρκετές εταιρίες όπως η Tesla και η Audi επιλέγουν να εφοδιάζουν τους συσσωρευτές τους με εσωτερικά συστήματα υδρόψυξης. Ενδεικτικά, το e-Tron διαθέτει 22 λίτρα ψυκτικό υγρό ειδικά για την μπαταρία του, το οποίο διοχετεύεται σε τέσσερις διαφορετικές γραμμές ψύξης, έτσι ώστε να διατηρεί μία ιδανική θερμοκρασία 25-35 βαθμούς Κελσίου. Άλλα μοντέλα, όπως το πολύ δημοφιλές Nissan Leaf, βασίζονται στην αερόψυξη, η οποία όμως υστερεί ελαφρά, έναντι της υδρόψυξης.

Ένας αντίστοιχα αδύναμος κρίκος, στο θέμα του ρυθμού φόρτισης, είναι η ίδια η τεχνολογία των ηλεκτρολυτικών κελιών. Στις μέρες μας μιλάμε συνήθως για συσσωρευτές ιόντων λιθίου, καθώς αυτοί προσφέρουν συνολικά καλύτερα χαρακτηριστικά από τους συσσωρευτές λιθίου-υδριδίου του μετάλλου και άλλους. Όπως κάθε μπαταρία, για να συγκρατήσει ένα ποσοστό ενέργειας το οποίο και θα αποδώσει όταν της ζητηθεί, χρησιμοποιεί μία σειρά ηλεκτρολυτικών κελιών.

Το μεγαλύτερο στοίχημα των ερευνητών είναι να καταφέρουν να αυξήσουν την ενεργειακή πυκνότητα αυτών των κελιών (το πόση ενέργεια χωράνε ανά μονάδα όγκου) και ταυτόχρονα να αυξήσουν και το ρυθμό φόρτισης. Για το λόγο αυτό πειραματίζονται με διαφορετικά gel ηλεκτρολυτών, όπως και με άλλα υλικά για τις ανόδους και τις καθόδους. Αρχικά όλοι χρησιμοποιούσαν μία κάθοδο λιθίου-κοβαλτίου και μία άνοδο γραφίτη. Αυτές όμως αρνούνταν να φορτίσουν ή να διατηρήσουν την ενέργειά τους σε μεγάλο ψύχος… ΄Ετσι, με τα χρόνια, οι μηχανικοί εξέλιξης στράφηκαν σε άλλα υλικά ή διαφοροποιημένες δομές. Πλέον υπάρχουν εκδοχές με άνοδο από διοξείδιο του τιτανίου, άλλες από αλουμίνιο, ενώ κάποιες ιδιαίτερα εξελιγμένες κάθοδοι χρησιμοποιούν λίθιο-φωσφορικό σίδηρο.

Δεν έχει νόημα να μπούμε σε περαιτέρω ανάλυση, θα πρέπει όμως να καταλάβουμε αυτό που αναφέραμε και πριν. Η κάθε προσέγγιση, κάπου κερδίζει και κάπου χάνει. Όλοι οι μεγάλοι κατασκευαστές δαπανούν σοβαρά ποσά επάνω στην εξέλιξη των συσσωρευτών. Μάλιστα, δεν δουλεύουν επάνω σε μία μόνο τεχνολογία αλλά ταυτόχρονα σε αρκετές, αφού κανένας δεν ξέρει τι θα λειτουργήσει πραγματικά στο μέλλον. Ήδη τα πιο σύγχρονα ηλεκτρικά αυτοκίνητα αρχίζουν να γίνονται κάπως πρακτικά, στο θέμα της φόρτισης (απέχοντας προφανώς πολύ από τα 2 λεπτά που κάνει ένα συμβατικό όχημα να γεμίσει με καύσιμο). Αντικειμενικά, οι κινητήρες εσωτερικής καύσης έχουν ακόμα το πάνω χέρι. Η ψαλίδα, όμως, αρχίζει να κλείνει.