Vi har i de to forrige artikler om elektrisk motorsport konstateret, at det efterhånden begynder at ligne et holdbart format, at underholdningsværdien måske rent faktisk er til stede på trods af den manglende motorlyd, og vi har også fået et par vink med en vognstang om, at det nok bliver en del af motorsporten, om vi så vil det eller ej.

Fra den første artikel blev udgivet og til nu har vi ikke hørt mange positive kommentarer til elbilernes komme – men det har ikke været til at få nogen til at sætte ord på hvorfor det er skidt. Ikke andet end at en racerbil skal brumme højlydt. Dén holdning kan undertegnede sagtens genkende. Ikke desto mindre tager denne artikel dig med ind under skallen på elbilen. For hvordan kan vi afvise en racerbil, hvis vi ikke har sat os ind i teknikken bag?

Annonce:

130 år gammel teknologi

Den teknologi, som mange elbilsproducenter anvender i dag, er baseret på den serbisk-amerikanske videnskabsmand, Nikola Tesla’s induktionsmotor, som han opfandt i 1888. Ja, så fandt du i øvrigt også ud af hvorfor, Tesla hedder Tesla: alle Tesla-modeller frem til den nye Model 3 er nemlig drevet af en induktionsmotor.

Årsagen til at valget i begyndelsen faldt på Tesla’s – opfinderens – vekselstrømsmotor er simpel: Den er hamrende effektiv og stabil, og så koster den ikke meget at producere. Motoren består af en brøkdel af det antal komponenter, en traditionel forbrændingsmotor har i sig, og alene dét minimerer fejlrisici betragteligt.

Inden vi går helt i dybden får du lige lidt grundlæggende viden om elmotorer. Det hele handler nemlig om elektromagnetisme – opdaget af danske H.C. Ørsted, da han ved at føre strøm gennem en ledning tæt på et kompas fik nålen til at bevæge sig.

I korte træk opdagede han, at der dannes et magnetfelt rundt om en strømførende ledning, og at magnetfeltets tiltrækningskraft bliver stærkere jo stærkere strøm som sendes gennem ledningen.

Det var dog først da Michael Faraday i 1831 bevægede en magnet frem og tilbage i en spole og dermed lavede strøm – groft sagt det omvendte af Ørsted’s opdagelse – at videnskabsfolkene så lyset. Nu var der pludselig en kilde til elektricitet. I dag bruges den induktionsbaserede produktion af strøm blandt andet i generatorer, dynamolygter og vindmøller.

Ingen sliddele eller tab af energi

Forståelsen for de to opfindelser dannede grundlaget for de første større, elektriske opfindelser. Den elektriske motor var med i strømmen af nye påfund, og Tesla’s (altså opfinderen) idé satte ekstra fart på udviklingen.

En tidlig prototype på Nikola Tesla’s induktionsmotor kan i dag ses på Museum of Science and Industry i Chicago. Foto: Wikipedia

Den oprindelige elmotor er en kompleks sag med et “hylster” af magneter, som omkranser et armatur bestående af kobbertråd med en aksel i midten. Sætter man strøm til armaturet vil der opstå et magnetfelt, som vil begynde at bevæge sig i forhold til magneterne på ydersiden – og dermed er der rotation på akslen. Af en opfindelse fra 1837 at være, er det ganske imponerende. Til gengæld er konstruktionen udfordret af at strømforsyningen går gennem to små stykker kul, som er i konstant kontakt med armaturet, der jo altså roterer og dermed slider kullet ned.

Løsningen kom i form af vekselstrøm. Hvor jævnstrøm, som navnet antyder, er en konstant og jævn strøm, veksler strømmen i et vekselstrømsanlæg mellem at være positivt og negativt ladet. Når strømmen skifter polaritet 50 gange i sekundet (også kaldet frekvens) skabes et magnetfelt.

Opfinder-Tesla serieforbandt to spoler, hvor ledningen på den ene var viklet i urets retning og på den anden mod urets retning. På den måde skabte han to magneter med henholdsvis positiv og negativ ladning. “Magneterne” blev monteret på hver deres side af en rotor – altså en aksel – og ved hjælp af de to modsatrettede kræfter fik han akslen til at rotere. Vel at mærke uden en eneste bevægelig del i hele opbygningen – andet end naturligvis akslen.

Til gengæld er udfordringen med induktionsmotoren, at den lider under en voldsom varmeudvikling. Hvis du har hørt om Tesla Model S og de utallige begrænsninger når den får lidt at leve af … så er dét forklaringen. Når der for alvor ryger strøm igennem ledningerne (vindingerne, red.) i motoren, bliver varmeudviklingen voldsom. Det kan de færreste motorer tåle. Det var dog induktionsmotoren som Tesla-fabrikken brugte til deres første bil, Tesla Roadster.

Bonusinfo: Motoren i Tesla Roadster kom faktisk fra den amerikanske elbil, tZero … som virkelig ikke var køn.

Firmaet AC Propulsion stod bag denne tZero, som er den tekniske forfader til Tesla Roadster. Foto: Wikipedia

DC Brushless, derimod…

Et stigende antal producenter har derfor kastet deres kærlighed på brushless-teknologien, der som navnet antyder kører på jævnstrøm og som induktionsmotoren skaber rotation i akslen ved hjælp af magnetfelter. Har du kørt med fjernstyrede biler, har du stiftet bekendtskab med brushless-motorerne allerede – her har de været brugt i mange år.

Forskellen mellem de to er, at hvor rotoren i induktionsmotoren principielt er en ren stålkonstruktion, så er brushless-rotoren en permanent magnet. Når man så på skift sender strøm igennem spolerne udenom rotoren, skabes rotationen. Denne gang uden varmeudvikling.

Der er til gengæld én udfordring ved den børsteløse konstruktion. En udfordring, som først har kunnet løses med nyere teknologi end 1800-tallets opfindere havde til rådighed. På grund af sit design kan motoren nemlig ikke bare starte, selvom den får masser af strøm at leve af. Indtil rotoren er i bevægelse vil den altid være parkeret i en position hvor den ene magnetiske pol har “låst” den fast til sig. Da man i 1960’erne opfandt inverteren – en elektrisk komponent, som præcist kan styre strømmen mellem komponenter – kunne man derfor begynde meget præcist at styre hvor strømmen skulle gå, og dermed også magnetfeltet.

Her ses forskellen på en almindelig jævnstrømsmotor og en børsteløs. Foto: ThinkRC.com

Den hysterisk nøjagtige kontrol med rotorpositionen har udviklet sig fra at være en ulempe til at være den børsteløse motors store fordel. Med den præcise kontrol over rotoren kan man med computerkraft beregne den mest effektive måde at drive motoren på, og det er medvirkende til at en børsteløs motor i dag har en effektivitet på omkring 80% – til sammenligning er effektiviteten på en traditionel forbrændingsmotor på den kedelige side af 50% effektivitet.

Stik imod hvad beskrivelserne af tidens elbiler på producenternes hjemmesider lader os tro, er der altså masser af teknik og ingeniørkunst bag den motorpower, der er i elbiler. I disse år sker der også en masse tekniske gennembrud, som kommer til at gøre elmotoren endnu mere effektiv og miljøvenlig – for det er den altså ikke endnu.

Fremtiden ligger ikke i batterierne

Som el-pessimist ved du, kære læser, allerede at en elbil som Teslas nye Model 3 skal køre over 500.000 kilometer, før dens samlede CO2-aftryk er lavere end en tilsvarende dieselbil. En amerikansk rapport fra 2017 anslår, at CO2-udledningen fra en elbil i gennemsnit svarer til en benzinbil, som kører 25 km/l (I Danmark kan vi måske hive et pænere tal op af hatten pga. brug af sol- eller vindenergi, red.) – det er jo ikke dårligt, men vi har ikke taget produktionen af de store lithium ion-batterier med i ligningen endnu.

Udvinding af grundstoffet lithium og produktionen af batterierne betyder, at det udleder op mod 68% mere CO2 at producere end elbil end en konventionelt drevet bil. Og så har vi slet ikke taget højde for at det danske elnet slet ikke er dimensioneret til opladning af elbiler. En elbil bruger lige så meget strøm som et helt parcelhus, og i størstedelen af landets kommuner vil det kræve en bekostelig opgradering af elkabler og transformatorstationer, hvis mere end blot et par husejere skifter benzinbilen ud med en elbil.

Det er givet, at teknologien og produktionsmetoderne bliver bedre med det store fokus, producenterne har på at udvikle sig. Til gengæld er lithium en knap ressource – måske endda i højere grad end råolie – så hvad pokker foregår der?

Toyota har lavet brintbilen Mirai, som der kører enkelte udgaver af rundt i Danmark. Foto: Toyota.

Svaret findes i et andet grundstof. Brint. Vi har set forskellige forsøg på brintbiler i de sidste 15 år, men den mest oplagte løsning er aldrig helt slået igennem. Og hvis du virkelig stadigvæk sidder og læser med, så er her en hurtig opridsning af det første grundstof:

Hydrogen, som grundstoffet rigtigt hedder, findes oftest i vand, og anslås at udgøre omkring 3/4 af universets samlede masse. Så der er altså nok af det… Ved at udsætte vand for elektrolyse (teknik, hvor man bruger elektricitet til at adskille et stof, red.) kan man udskille brinten i gasform – og det er også i gasform at brint skal hældes på bilen.

Bonusinfo: Elektrolysen blev opfundet af Michael Faraday, samme mand som opdagede at man kunne producere strøm ved at bevæge en magnet…

Hydrogen er det letteste atom i det periodiske system; det består af bare to ioner: én proton (positivt ladet) og én elektron (negativt ladet). I bilens brændselscelle splittes de to ad og sendes i hver deres retning som elektricitet (elektricitet er en strøm af elektroner, red.), der driver en eller flere … elmotorer. Ja, den er god nok. Elmotoren er kommet for at blive.

Dér, hvor brint er smart, er at den positive ion igennem systemet på magisk vis bliver til et brintatom med positiv ladning, og den slags har det med at tiltrække oxygen-ioner. Når brint og ilt mødes sker der en kemisk reaktion, som resulterer i helt ren vanddamp, der bliver blæst ud af bilen som det (næsten) eneste affaldsstof.

Men brint er da farligt?

Hop blot ud af tankerne om brintbomber og Hindenburg-ulykken. Meget er sket siden Anden Verdenskrig, og i virkeligheden er brint en mere sikker energikilde end benzin. Brint er 16 gange lettere end den luft, vi indånder, og i en brintbil er brinten komprimeret til et tryk på omkring 700 bar. I tilfælde af en punkteret beholder vil brinten derfor fise ud i atmosfæren hurtigere end du kan nå at stryge en tændstik.

Bonusinfo: Branden og eksplosionerne på Hindenburg i 1937 skyldtes primært dieselen fra de Daimler-motorer som drev luftskibet frem – og at lakken på skibet var decideret brandfarlig…

Derudover bliver selve tanken konstrueret i en særlig kulfibervævning, som efterfølgende gennemgår omfattende tests for at teste holdbarheden. I bilens styresystem er der også sensorer, som sørger for at lukke for alle brintforbindelser i tilfælde af et uheld.

Skåret helt ud i pap ser brintbilen således ud indvendigt. Illustration: kinooze.com

Jo, brint ser ud til at være fremtiden. Især i et land som Danmark, hvor brint kan udvindes direkte af naturgas, og hvor både sol- og vindenergi kan bruges til elektrolyse. I dag koster en liter brint mere end en liter benzin, men det vil ændre sig i de kommende år, for fokus er allerede på at raffinere produktionsmetoderne.

Brint bliver en succes fordi…

Der er mange gode årsager til at vi alle kommer til at køre på brint. Vi har konstateret at forbrændingsmotoren beklageligvis ikke er hverken effektiv, bæredygtig eller praktisk. Elmotoren er markant bedre til at udnytte den energi, man hælder i den, men lithium-batterierne gør det til en dårlig idé for miljøet. Brint er en næsten uendelig ressource, som er relativt nem at udvinde.

Det kommer også til at glæde olieselskaberne, som ellers vil stå tilbage med tusindvis af tankstationer som aldrig bliver besøgt for andet end optankning af sprinklervæske og tarvelige franske hotdogs af tvivlsom karakter. Med brintbiler kan de nøjes med at bygge tankanlæggene om til at kunne håndtere brint, og så fortsætter deres forretning som hidtil.

Netop optankning er også en vigtig parameter for brintbilen. Hvor man i dag ser Tesla’er (og Kona’er og iPace’r, og, og…) linet op ved ladestanderne i halve og hele timer, kan man fylde sin brintbil op blot en smule langsommere end på en konventionel benzinbil. Kombineres dén detalje med rækkevidden på brintbilerne, så er det svært at være modstander.

Også i motorsporten går det i brintens retning. BMW Motorsport har allerede meddelt at de ikke bygger nye biler til GT- eller prototyperacing, før reglementet åbner for brug af brint som brændstof. Hvis vi spørger ACO, så kommer det til at ske i 2024 med LMP2HG-klassen, der blev præsenteret på Spa Francorchamps i september 2018. Her kørte en brintbil baseret på en Adess LMP3-bil flere demonstrationsomgange på banen med Yannick Dalmas bag rattet. Han var imponeret over bilen – endnu mere imponerende var det, da udstødningsgassen, altså vand, blev tappet på flasker og drukket af de tilstedeværende tilskuere.

Hvorfor bilproducenterne bruger så mange kræfter på at udvikle og producere elbiler er ikke til at få et konkret svar på. Et bud fra Boxengasse er, at mens der arbejdes på at forfine udvindingsprocessen og brændselscellerne, så køres der millioner af kilometer med elmotorerne for at få teknikken helt på plads inden den ny verdensorden tager over.

Vi har 10-15 år tilbage med den gode, gamle, brummende benzinmotor. Nyd det mens du kan…

I løbet af foråret vil vi her på siden teste en elbil med det formål at finde ud af, om det i virkeligheden er så slemt at køre i en bil som ikke siger noget, men som bestemt kan trække skindet af en kop lunken kakao.

Annonce:

Forfatter: Kim Gripping

Motorsportsfotograf og forhenværende PR-ansvarlig for flere kørere og teams i ind- og udland, blandt andet Morten Dons under hans år i European Le Mans Series. Brænder for den gode historie og de skæve vinkler.

Skriv et svar