Φιλικότερα στο περιβάλλον. Με μεγαλύτερη απόδοση και οικονομία χρήσης. Με ανυπέρβλητη παθητική και ενεργητική ασφάλεια. Περισσότερο “fun to drive”. Με ανέση και χώρους. Με μεγαλύτερη πρακτικότητα και ευχρηστία. Με μικρότερο κόστος κτήσης και συντήρησης.
Αυτές είναι οι απαιτήσεις των καταναλωτών και των κυβερνητικών οργανισμών από τις αυτοκινητοβιομηχανίες. Η αντίδραση; Εξέλιξη και προσαρμογή των διαθέσιμων τεχνολογιών στις ανάγκες της αυτοκινητοβιομηχανίας και ανάπτυξη νέων όπου η εξέλιξη δεν αρκεί.
Η ανάπτυξη τεχνολογιών για την χρήση εναλλακτικών καυσίμων, την ηλεκτροκίνηση, η εξέλιξη των κινητήρων εσωτερικής καύσης, η ανάπτυξη τεχνολογιών διασύνδεσης των οχημάτων, η βελτίωση της αεροδυναμικής, η μείωση των αντιστάσεων κύλισης, είναι το ένα κομμάτι του παζλ. Το άλλο κομμάτι όμως αφορά τα ίδια τα υλικά με τα οποία κατασκευάζεται ένα αυτοκίνητο. Το αλουμίνιο και το πλαστικό έχουν αντικαταστήσει σε μεγάλο βαθμό το ατσάλι και τα άλλα «συμβατικά» υλικά.
Σήμερα, ένα ακόμα υλικό έρχεται να προστεθεί στις διαθέσιμες εναλλακτικές. Δεν είναι άλλο από τα carbon fibers ή ανθρακονήματα.
Carbon Fibers και Carbon Fiber Reinforced Polymers
Τι είναι τα ανθρακονήματα; Είναι ένα υλικό, το οποίο αποτελείται από ίνες άνθρακα διαμέτρου 5 ως 10 μm (1 μm = 1 χιλιοστό του χιλιοστού του μέτρου) οι οποίες σχηματίζουν έναν θύσανο. Δομικό στοιχείο των ινών αυτών είναι τα άτομα του άνθρακα. Στη συνέχεια οι ίνες αυτές υφαίνονται για το σχηματισμό «υφασμάτων» από ανθρακόνημα με αντίστοιχο τρόπο όπως οι ίνες βάμβακα ή μαλλιού χρησιμοποιούνται για την παραγωγή υφασμάτων.
Η πρώτη εφαρμογή των ανθρακονημάτων χρονολογείται στο 1879, όταν ο Thomas Edison μέσα από μία σειρά χημικών διεργασιών με πρώτη ύλη ίνες βαμβακιού και λεπτές επιμήκεις λωρίδες μπαμπού, “ανθρακοποίησε” τις πρώτες αυτές ύλες ώστε να παράγει ίνες καθαρού άνθρακα που χρησιμοποίησε στη συνέχεια για την κατασκευή των νημάτων των λαμπτήρων πυράκτωσης.
Ίνα άνθρακα διαμέτρου 6μm που διατρέχει την εικόνα από κάτω αριστερά προς τα άνω δεξιά σε σύγκριση με ανθρώπινα τρίχα.
Ύφασμα Ανθρακονημάτων.
Σήμερα ως πρώτη ύλη για την παραγωγή ανθρακονημάτων χρησιμοποιούνται βαρέα κλάσματα του αργού πετρελαίου (πχ. πίσσα) ή πολυακριλονιτρίλιο (PolyAcryloNitrile PAN – (C3H3N)n) ένα ημι-κρυσταλλικό οργανικό πολυμερές. Η πρώτη ύλη μετατρέπεται σε ίνες άνθρακα μέσω πυρόλυσης (διαδικασία διάσπασης οργανικών ενώσεων, απουσία οξυγόνου), μία σχετικά αργή διαδικασία που απαιτεί μεγάλες ποσότητες ενέργειας, σε συνδυασμό με μηχανική επεξεργασία ώστε το τελικό προϊόν να αποκτήσει τις επιθυμητές μηχανικές ιδιότητες.
Οι μηχανικές ιδιότητες των ανθρακονημάτων συνοψίζονται ως: Υψηλό μέτρο ελαστικότητα, μεγάλη αντοχή σε εφελκυσμό, μεγάλη αντοχή σε χημικούς παράγοντες, μεγάλη αντοχή σε υψηλές θερμοκρασίες, μικρός συντελεστής θερμικής διαστολής.
Λόγω της μορφής τους, δεν είναι δυνατή η ανάληψη θλιπτικών φορτίων, κάτι που αντιμετωπίζεται με την ύφανση τους εντός κάποιου άλλου υλικού που παίζει το ρόλο της μήτρας για τη δημιουργία Carbon Fiber Reinforced Polymers (ενισχυμένα πολυμερή με ίνες άνθρακα). Σε άλλες περιπτώσεις τα υφάσματα από ανθρακονήματα χρησιμοποιούνται στη διαμόρφωση σύμμεικτων διατομών για βελτίωση των μηχανικών ιδιοτήτων και της αντοχής των επιμέρους εξαρτημάτων.
Βασικό μειονέκτημα είναι το υψηλό κόστος. Οι υψηλές απαιτήσεις σε ενέργεια κατά τη φάση κατασκευής και η αργή διαδικασία παραγωγής έχουν ως αποτέλεσμα την αύξηση του κόστους που αυτή τη στιγμή κυμαίνεται στα 20$/kgr (8$/lb), 20 φορές περισσότερο από τον απλό χάλυβα.
CFRP και αυτοκίνηση
Η χρήση CFRPs είναι ευρεία στην αεροπορική βιομηχανία. Η πρώτη εφαρμογή των ανθρακονημάτων στην αεροπορική βιομηχανία ήταν κατά τη δεκαετία του 1960 όταν και χρησιμοποιήθηκαν στην κατασκευή των πτερυγίων του συμπιεστή του RB211. Τα Airbus A350XWD και Boeing 787 Dreamliner σήμερα, αποτελούν παράδειγμα της ευρείας χρήσης των υλικών αυτών σε τομείς όπου η μείωση του βάρους παίζει πολύ σημαντικό ρόλο.
Οι λάτρεις της F1 γνώρισαν το «εξωτικό» υλικό μέσω της McLaren MP4/1 στις αρχές της δεκαετίας του 80. Ο νεοτερισμός αυτός μετά από λίγα χρόνια μετετράπη σε κοινό τόπο στο χώρο των αγώνων καθώς τα πλεονεκτήματα του μονοκόκ από CFRP σε σχέση με τα μονοκόκ από αλουμίνιο ήταν προφανή.
Ως και πρόσφατα, η χρήση CFRP ήταν, στην καθημερινή αυτοκίνηση, προνόμιο των πολύ ακριβών αυτοκινήτων. Οι McLaren F1, Ferrari F50, Lamborghini Sesto Elemento κλπ, δεν ήταν οχήματα για τους κοινούς θνητούς αλλά υπέρ-αυτοκίνητα που αφορούσαν τους λίγους και εκλεκτούς. Η Alfa Romeo 4C ήταν ένα από τα πρώτα αυτοκίνητα περιορισμένης παραγωγής, που παρουσιάστηκε με σασί και ζώνες παραμόρφωσης εμπρός και πίσω από CFRP και η τιμή του δεν είναι για μόνον ολίγους και εκλεκτούς.
BMW i3 και i8
Η πρώτη εφαρμογή των CFRP ως βασικού υλικού κατασκευής του σασί σε όχημα κανονικής παραγωγής είναι η περίπτωση των BMW i3 και BMW i8 που αποτελούν και την πρεμιέρα στο χώρο της αμιγούς ηλεκτροκίνησης της Βαυαρικής Εταιρείας μέσω του πρώτου.
Στην περίπτωση του BMW i8 εφαρμόζεται εκτενώς η χρήση των CFRP αν και πρόκειται για ένα plug-in υβριδικό όχημα επιδόσεων περιορισμένης παραγωγής όπως και η Alfa Romeo 4C. Αυτό όμως δεν ισχύει για το BMW i3. Ως και τον Σεπτέμβριο του 2014, η BMW έχει πουλήσει, για το έτος αυτό, πάνω από 10,000 BMW i3 με τιμή στην Ευρώπη ~35,000€ και στης ΗΠΑ ~43,000$. Αυτό επετεύχθη μέσω της μείωσης του κόστους αλλά και το χρόνου παραγωγής.
BMW i3 – Σασί – Τμήμα Επιβατών
BMW i3 – Σασί – Λεπτομέρεια δομής (φάση παραγωγής)
“2013 IAA BMW i3 Honeycomb structure” by youkeys – Flickr: DSC01710_DxO. Licensed under CC BY 2.0 via Wikimedia Commons.
BMW i3 – Λεπτομέρεια δομής
ΒMW i8 – Σασί – Τμήμα Επιβατών
Το μέλλον
Η σύμπραξη 88 Εταιριών, Πανεπιστημίων και Ερευνητικών Κέντρων υπό την επωνυμία MAI Carbon, στην οποία συμμετέχουν οι BMW και Audi έχει ως βασικό στόχο να εισάγει στο χώρο της αυτοκινητοβιομηχανίας τη χρήση των CFRP.
Σύμφωνα με τη σύμπραξη βασικός στόχος είναι ως το 2020, το κόστος του CFRP να πέσει από τα 20$/kgr στα 2$/kgr ώστε το υλικό αυτό να μπορεί να ανταγωνιστεί το ατσάλι και αλουμίνιο στην κατασκευή των δομικών στοιχείων ενός οχήματος. Τα προφανή οφέλη από τη μείωση του βάρους είναι: α) η μείωση της κατανάλωσης ενέργειας, β) η βελτίωση της οδηγικής συμπεριφοράς, γ) η μείωση των απαιτήσεων σε ισχύ, δ) μείωση των απαιτήσεων σε ενέργεια για την κάλυψη της ίδια απόστασης. Επιπλέον η υψηλή αντοχή του υλικού σε διάβρωση έχει ως αποτέλεσμα να μειωθούν και οι απαιτήσεις αντί-διαβρωτικής προστασίας κάτι που απλουστεύει περαιτέρω τη διαδικασία παραγωγής ενώ η βελτίωση των δυναμικών χαρακτηριστικών του οχήματος θα έχει και ως αποτέλεσμα την αύξηση του επιπέδου ενεργητικής ασφάλειας.
Αλλά η BMW δεν είναι η μόνη εταιρεία που δραστηριοποιείται στον τομέα αυτό. Πρόσφατα η στα πλαίσια του προγράμματος Visio.M το Τεχνικό Πανεπιστήμιο του Μονάχου (Technische Universität München) σε σύμπραξη με διάφορες εταιρείες, με τις BMW και Daimler να συμμετέχουν στη σύμπραξη αυτή, παρουσίασε ένα αμιγώς ηλεκτρικό όχημα με αυτονομία της τάξης των 160 km, βάρους 450kgr με το χώρο των επιβατών από CFRP το οποίο εξοπλίζεται με μία συστοιχία συσσωρευτών χωρητικότητας 13,5kWh και έναν κινητήρα ισχύος 15kW. Το χαμηλό βάρος και η εξαιρετική αεροδυναμική του (συντελεστής οπισθέλκουσας Cd=0.24, μετωπική επιφάνεια Α=1.69m2, CdxA=0.4056), του επιτρέπουν να κινηθεί με δύο επιβάτες με ταχύτητα ως και 120km/h. Αρωγοί στην αποτελεσματικότητα της όλης υλοποίησης είναι α) το ενεργό διαφορικό με δυνατότητα ελέγχου του ποσοστού της ροπής που στέλνεται σε κάθε τροχό, β) η χρήση εναλλακτικών υλικών όπως το Lexan για την κατασκευή των παραθύρων και γ) η αποθήκευση της παραγόμενης θερμότητας από τα διάφορα συστήματα για το σύστημα κλιματισμού του οχήματος.
Η χρήση των CFRP δεν περιορίζεται στα δομικά στοιχεία του σασί ή στις ζώνες παραμόρφωσης. Πριν περίπου 1 έτος, η Volvo σε συνεργασία με το Imperial College of London και άλλους 8 βασικούς συνεργάτες παρουσίασε ένα τροποποιημένο Volvo S80 όπου τα κύρια στοιχεία του αμαξώματος (πόρτες, οροφή, καπώ κλπ.) που συνήθως κατασκευάζονται από λεπτά φύλλα χάλυβα, έχουν αντικατασταθεί από στοιχεία κατασκευασμένα από δύο στρώσεις CFRP οι οποίες διαχωρίζονται από μία στρώση Glass Reinforced Plastic – GRP (πολυμερές ενισχυμένο με ίνες υάλου το γνωστό σε όλους Fiberglass). Με βάση τα στοιχεία που έχουν γίνει γνωστά η στρώση από GRP που διαχωρίζει τις δύο στρώσεις CFRP λειτουργεί ως μονωτής. Οι δύο στρώσεις από CFRP λειτουργούν ως οι δύο πόλοι ενός διηλεκτρικού πυκνωτή αποθηκεύοντας ενέργεια όταν αυτή συλλέγεται κατά την επιβράδυνση και την αποδίδουν στο σύστημα όταν αυτή ζητηθεί. Αν και η ενέργεια που αποθηκεύεται δεν είναι επαρκής για να αντικαταστήσει τις συστοιχίες συσσωρευτών ενός αμιγώς ηλεκτρικού οχήματος, είναι δυνατό με τα τμήματα αυτά να αποθηκευθεί επαρκής ενέργεια ώστε να αντικατασταθεί η συμβατική μπαταρία.
Σημειώνεται ότι η χωρητικότητα των πυκνωτών είναι μικρό μέρος της αντίστοιχης χωρητικότητας σε ενέργεια των κλασσικών συσσωρευτών. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι η χωρητικότητα ενός συσσωρευτή σε ενέργεια είναι ανάλογη του όγκου. Στην περίπτωση των πυκνωτών η χωρητικότητα είναι ανάλογη της επιφάνειας των δύο πλακών του πυκνωτή. Η αντοχή των πυκνωτών όσον αφορά τους κύκλους φόρτισης – εκφόρτισης είναι πολύ μεγαλύτερη από αυτή των συσσωρευτών. Και παρουσιάζουν πολύ υψηλό λόγο ισχύος προς βάρος. Αλλά δεν προβλέπεται στο ορατό μέλλον να αποτελέσουν ανταγωνιστές των κλασσικών συσσωρευτών όσον αφορά την ποσότητα ενέργειας ανά μονάδα βάρους που είναι και το ζητούμενο στην αυτοκινητοβιομηχανία.
Κατά την Volvo, η αντικατάσταση των σημερινών εξαρτημάτων του ηλεκτρικού κυκλώματος ενός αυτοκινήτου από τα τμήματα αυτά θα οδηγήσει σε μείωση του συνολικού βάρους του οχήματος κατά 15% περίπου.
Συνέργειες – Ανακατατάξεις – Το μέλλον
Το ενδιαφέρον της Tesla για ένα όχημα με τιμή που θα της δώσει τη δυνατότητα να εκμεταλλευτεί το παραγωγικό δυναμικό του Gigafactory την οδήγησε πρόσφατα σε συνομιλίες με την BMW για τη χρήση της τεχνολογίας της τελευταίας όσον αφορά τα CFRP.
Η προοπτική αυτή προκάλεσε, κατά τους επενδυτές, την αντίδραση της Daimler καθώς πούλησε το σύνολο του 4% των μετοχών της Tesla. H συνεργασία της Daimler και της Tesla συνεχίζεται, με την τελευταία να τροφοδοτεί την Mercedes με τη συστοιχία συσσωρευτών για το Mercedes B-Class Electric drive και το Smart ForTwo Electric Drive. Η Toyota πούλησε μέρος του 2.4% των μετοχών που κατείχε στην Tesla από το 2010. Αυτό σε μία, όπως η εταιρεία δήλωση, κίνηση μετά την επανεξέταση του χαρτοφυλακίου της. Πάντως τόσο η Daimler όσο και η Toyota από τις κινήσεις αυτές αποκόμισαν σημαντικά κέρδη εξαιτίας και της πορείας της μετοχής της αμερικανικής εταιρείας.
Παραμένει ασαφές, για την Daimler τουλάχιστον, αν η κίνηση αυτή σχετίζεται με τον «ξαφνικό έρωτα» της Tesla με την BMW ή αν είναι μία κίνηση μείωση της έκθεσης της Daimler στην ευμεταβλητότητα της μετοχής μίας νέας εταιρείας σε έναν χώρο όπου δεν ευνοεί την εμφάνιση νέων παικτών. Στα μέσα του καλοκαιριού, ο Jeff Gundlach ιδρυτής της DoubleLine Capital προέτρεψε τον Elon Musk και την Tesla να εγκαταλείψουν την κατασκευή αυτοκινήτων και να επικεντρωθούν σε αυτό που ξέρουν να κάνουν καλά. Την κατασκευή συσσωρευτών. Πρόσθεσε ακόμα ότι “…αν ήμουν στο τιμόνι της BMW, ή της GM, ή της FORD, θα ήμουν ανοιχτός σε μία πρόταση να αγοράζω απλά μπαταρίες από την Tesla…”. Υπό το σκεπτικό αυτό, η κίνηση των Daimler και Toyota θα μπορούσε να ερμηνευτεί ως αποδοχή της προτροπής του Jeff Gundlach. Για την ώρα όμως, μόνον εικασίες μπορούν να γίνουν.
Ανακεφαλαιώνοντας
Ένα αμιγώς ηλεκτρικό όχημα, που θα μείωνε τις απαιτήσεις σε ενέργεια κατά 20%~30% λόγω της εκτενούς χρήσης του CFRP σε συνδυασμό με τις οικονομίες κλίμακας από την μαζική κατασκευή εξελιγμένης τεχνολογίας συσσωρευτών από την οποία αναμένεται μείωση κόστους κατά 30% ανά kWh θα είχε ως αποτέλεσμα, το κόστος των συσσωρευτών σε ένα αμιγώς ηλεκτρικό όχημα, να μειωθεί στο 55% περίπου του σημερινού κόστους. Κάτι τέτοιο θα μείωνε το κόστος του Tesla S κατά 20,000$. Ή θα επέτρεπε την κατασκευή αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων σε ικανούς αριθμούς ώστε για τιμή από 30,000$-40,000$ να επιτυγχάνεται αυτονομία της τάξης των 300~400km. Υπό τις συνθήκες αυτές η επιλογή ενός αμιγώς ηλεκτρικού οχήματος θα ήταν οικονομικά βιώσιμη και συμφέρουσα, χωρίς την απαίτηση οικονομικών ενισχύσεων από πλευράς των τοπικών κυβερνήσεων. Ένα από τα μεγαλύτερα προβλήματα των αμιγώς ηλεκτρικών οχημάτων είναι η περιορισμένη αυτονομία τους. Υπό το καθεστώς αυτό και το πρόσθετο κόστος κατά την αγορά, θα αποσβενόταν από τη μείωση του μεταβλητού κόστους. Οι απαιτήσεις συντήρησης ενός αμιγώς ηλεκτρικού οχήματος είναι πολύ μικρότερες των συμβατικών. Το κόστος της ηλεκτρικής ενέργειας είναι περίπου μία τάξη μεγέθους μικρότερο από το κόστος των καυσίμων ενός συμβατικού αυτοκινήτου. Κάτι που θα σήμαινε ότι το συνολικό κόστος για τον ιδιοκτήτη θα είναι μικρότερο. Αυτό σε συνδυασμό με τα προφανή πλεονεκτήματα της ηλεκτροκίνησης, μηδενική ρύπανση υπό προϋποθέσεις, πολύ χαμηλό επίπεδο θορύβου, ροπή από μηδενικές στροφές, εξαιρετική ποιότητα κύλισης, θα σήμαινε και το τέλος των συμβατικών αυτοκινήτων τουλάχιστον όσον αφορά την απλή καθημερινή μετακίνηση.
Ένα είναι βέβαιο. Όποια εταιρεία ή σύμπραξη εταιρειών (consortium) βρεθεί στη πρωτοπορία θα δρέψει τους καρπούς αυτής. Και όπως συνέβη με την επιτυχία του Toyota Prius, ο πρωτοπόρος στην μαζική ηλεκτροκίνηση θα αποτελέσει τον κολοσσό της αυτοκίνησης και του personal mobility για τα πρώτα σαράντα έτη του 21ου αιώνα.
