Frihet och effektivitet

Utvecklingen drivs sällan framåt av fantastiska nya uppfinningar. Både för elektronik och bilar är effektivisering och optimering bättre än att hoppas på nya fantastiska energikällor. En deciliter bränsle per mil räcker långt.

På förra veckans S.E.E.-mässa träffade jag många som varit länge i branschen och vi kom ofta in på vad som hänt under de senaste trettio åren. För det mesta var vi överens om att utvecklingen varit otrolig, men att grundtekniken egentligen inte ändrats särskilt mycket över tiden. De fantastiska tekniksprång som skulle förändra världen försvann ofta på vägen.
Halvledartekniken de senaste trettio åren domineras i stället av kisel och CMOS och inte mycket tyder på att det skall förändras. Också på områden som lagring, belysning och till och med solceller är grundteknikerna förvånansvärt gamla och det handlar ofta mer om optimering och lägre produktionskostnad än om helt nya sätt att lösa problemen. På det här sättet har man kunnat förbättra systemens energieffektivitet på ett fantastiskt sätt och det skall vi vara väldigt glada för. Om vi hade litat på alla löften om nya, fantastiska och billiga batterier hade vi stått där med våra tvättade halsar.

Cykel och frihet
Och vad har det att göra med bilar och andra fordon? Väldigt mycket faktiskt. Jag har alltid varit intresserad av energieffektiva fordon, ända sedan jag kände den fantastiska frihetskänslan i att kunna dra iväg på min egen cykel. Plötsligt var avstånd på en eller ett par mil inget problem längre. I första och andra klass kunde jag snabbt ta mig två kilometer till den lokala skolan och från och med tredje klass kunde jag då och då cykla den dryga milen till den större centralskolan. Jag cyklade faktiskt så mycket att jag inte såg någon anledning att köpa moped när jag fyllde femton. Det var annars landsbygdsbarnens stora frihetsredskap (och bensinen var ju billig).

Att cykla ”på riktigt” öppnade mina ögon för det här med energieffektivitet. Min första cykelsemester gjorde jag tillsammans med en kompis samma år som jag gick ut nionde klass. Den gången cyklade vi Danmark runt och eftersom vi bägge hade cyklat vansinnigt mycket före resan kunde vi klara dagsetapper mellan tio och tjugo mil. Däremot var planeringen lite sisådär, så sista dagen blev det bråttom och vi sträckcyklade från Köpenhamn till Tjörn. Jag vill minnas att det var 33 mil (i motvind). Så långt har jag senare aldrig cyklat på en dag. Däremot har det blivit många cykelsemestrar, till Holland, till Rumänien och förstås till Gotland, Åland och andra mera närliggande platser.

Cykeln ger en härlig frihet och det är ganska fantastiskt att man med bara ca 50 W (den effekt en människa klarar att generera i många timmar i sträck) kan ta sig fram två eller tre mil per timme. Energiförbrukningen ligger alltså någonstans mellan 20 och 25 Wh per mil med en bra cykel.

Med samma 50 W kan man driva fram en kajak i sådär fyra knop. Det gör ungefär 70 Wh per mil, alltså klart sämre än en cykel, men otroligt mycket bättre än vanliga motorbåtar. Kajaken ger samma frihet till havs som cykeln ger på land.

Segla och flyga
Nästa stora intresse blev segling. Min Stjärnbåt var väl inte riktigt lika effektiv som en cykel, men vinden är ju gratis och havet är stort. Min bror och jag ägnade många timmar åt att diskutera seglingsteori och hur den optimala segelbåten borde se ut. Också här handlar det om att få ut så mycket som möjligt från en begränsad mängd energi. Och återigen handlar det om frihet.

Alla pojkar är väl intresserade av att flyga och steget från segling till flyg är inte så stort. Aerodynamiken är ungefär densamma. När jag fick chansen skaffade jag flygcertifikat och flög med gamla beprövade Cessna-plan. Men egentligen låg intresset redan då på extremt effektiva hembyggda plan och boken Homebuilt Aircraft av Burt Rutan är en favorit. Burt Rutan ligger bakom hembyggda flygplan som VariEze, Long-EZ och Quickie. Den första ensitsiga versionen av Quickie gjorde dryga 200 km/h med en motor på 18 hästkrafter och drog sådär en kvarts liter milen.

Burt Rutan var för övrigt den förste att flyga jorden runt utan att tanka (tillsammans med Jeana Yeager) med sitt extremt effektiva flygplan, Voyager. Planet väger bara ett ton, men kan tanka tre ton bränsle, vilket gav tillräcklig räckvidd (4 220 mil). Planet finns numera på the Smithsonian National Air & Space museum i USA.

Det blev aldrig något hembyggt flygplan för mig, men lådorna är fulla  av ritningar. En del av dem köpte jag vid en biltur ut i Mojaveöknen för att besöka Rutan Aircraft Factory och några andra liknande företag.

Bil och frihet
Med tiden blev det förstås också både körkort och bil. Bilen är en fantastisk uppfinning och ett fantastiskt frihetsverktyg. Det är bara att titta på efterkrigshistorien i västvärlden för att se hur mycket bilen har betytt. I Sverige har den för de allra flesta inneburit en frihet som tidigare vore otänkbar.

För den som är intresserad av energieffektivitet har däremot bilhistorien hittills varit ganska sorglig. Under många år sågs det som fullständigt acceptabelt med en bensinförbrukning på en dryg liter per mil. Varje förbättring av motortekniken användes till ökade prestanda och ökad bilstorlek.

Idag har nya regler pressat ner energiförbrukningen en del och i biltidningarna kan man läsa om hur fantastiskt det är med bilar som klarar sig under halvlitern per mil och ändå har sportbilsprestanda. Och där vet ”alla” att man måste gå över till eldrift för att komma ner ytterligare.

Men, för oss som nalkats problemet från andra hållet ser det lite annorlunda ut. Vi har aldrig imponerats av de bilar som finns på marknaden och vi ser den otroliga skillnaden mellan de extremt effektiva experimentbilar som visas på Shell ECO-marathon (369 mil på en liter bensin eller 9 Wh per mil, läs här om senaste tävlingen) och det som är kommersiellt tillgängligt. Då blir plötsligt Volkswagens tal om en deciliter per mil betydligt mera realistiskt.

En deciliter milen
Går det då att bygga en bil som drar en deciliter bränsle eller mindre per mil?

Den frågan brukar komma upp till ytan varje gång Volkswagen visar upp en bil som gör just det. Första gången var 2002, när Volkswagenchefen Ferdinand Piech körde mellan Wolfsburg och Hamburg till ett aktieägarmöte i en tidig prototyp av en ”enlitersbil” (1 l per 100 km). Sedan dess har nya versioner av enlitersbilen lanserats 2009 och senast 2011. Den senaste versionen är en laddhybrid, med en bränsleförbrukning strax under decilitern per mil och 3,5 mils aktionsradie på enbart eldrift. Koldioxidutsläppen blir, med de något säregna kalkyler som används för hybridbilar, 24 g per kilometer. Det är hälften jämfört med den ”supermiljöbilsgräns” som gäller i Sverige sedan årsskiftet.

Volkswagen har alltså på ett övertygande sätt visat att det går att minska bränsleförbrukningen för små, aerodynamiska bilar med relativt små och effektiva motorer.

Hur det här kan vara en överraskning för någon är mycket svårt att förstå. Ändå talar motortidningarna om ”framtidsteknik som knappast går att använda i praktiken”. Man hänger upp sig på användningen av kolfiber och magnesium och förutser prislappar som är fantastiskt höga.

Och det är klart – Volkswagen har säkert inget emot att deras projekt ses som ”rocket science”. Om dessutom bilen kan säljas med en härlig vinstmarginal är det ännu bättre. Det lustiga är bara att tekniken bakom en sådan här bil inte alls behöver vara särskilt komplicerad. Eftersom jag har varit intresserad av sådant här så länge jag kan minnas har jag samlat på mig en hel del fakta, men det hela är faktiskt inte särskilt krångligt.

Linjärt rullmotstånd
Låt oss börja från början. För att driva fram en bil måste man i första hand ta hänsyn till två faktorer, nämligen rullmotstånd och luftmotstånd. Rullmotståndet varierar med hjuldiameter, olika typer av däck etc och multipliceras med bilens vikt. En av mina favoritböcker, Bicycling Science, anger energiförbrukningen på grund av rullmotstånd till ca 0,3 Wh per kg och mil och det stämmer ganska hyfsat med vad man hittar på andra ställen. Det innebär att en bil som väger ca 1500 kg har knappt 0,5 kWh per mil att ”dras med” på grund av rullmotstånd. Energiförbrukningen per mil är i stort sett densamma oberoende av hastighet.

Det finns två sätt att minska rullmotståndets andel av energiförbrukningen. Man kan minska bilens massa och/eller minska friktionen. Effektivare däck och relativt högt lufttryck är förstås bra, men här är det svårt att göra så ruskigt mycket mer. Fordonsvikten är betydligt intressantare. En halverad fordonsvikt halverar också den energiförbrukning som beror på rullmotståndet.

Luftmotståndet ökar exponentiellt
Luftmotståndet varierar inte med bilens vikt, utan beror enbart på bilens aerodynamik och på bilens ekvivalenta frontarea. Hur pass bra strömlinjeform en bil har anges av luftmotståndskoefficienten, Cw, som brukar ligga mellan 0,3-0,5 för en vanlig bil och ner till 0,2 för sportbilar (Opels elbil, Ampera, har Cw = 0,2).

Man kan reducera luftmotståndet genom att förbättra strömlinjeformen och/eller minska frontarean. Av någon outgrundlig anledning har de flesta biltillverkare valt att göra sina små bilar relativt höga, vilket gör att småbilar ofta har lika högt eller till och med högre luftmotstånd än större bilar. De har mindre frontarea, men sämre strömlinjeform.

Luftmotståndet beräknas som luftmotståndskoefficienten gånger frontarean multiplicerat med kvadraten på hastigheten. I SI-systemet skall det hela sedan divideras med två, men det spelar mindre roll i sammanhanget.

Det viktiga är i stället att luftmotståndet (och energiförbrukningen beroende på luftmotståndet) ökar med kvadraten på hastigheten. I låga hastigheter är luftmotståndet oviktigt, medan det är helt avgörande vid höga hastigheter. För ett tungt fordon, till exempel en långtradare, blir alltid rullmotståndet dominerande. För ett lätt fordon, till exempel en cykel, blir luftmotståndet avgörande redan vid hastigheter under 20 km/h. Cykeln har dessutom en sällsynt usel strömlinjeform (Cw runt 0,9), även om frontarea bara är ca 0,35 kvadratmeter. Energiförbrukningen beroende på luftmotstånd blir därför i stort sett lika för en racercykel och en Volkswagen XL1.

Var ”brytpunkten”, alltså den hastighet där energiförbrukningen beroende på rullmotstånd och luftmotstånd är lika, ligger för en bil beror framför allt på hur mycket bilen väger. Ju tyngre bil, desto större inverkan av rullmotståndet. Brytpunkten kan vara så låg som 50 km/h för en relativt lätt bil med inte alltför god aerodynamik, ända upp till 100 km/h för en tung och aerodynamiskt effektiv bil. Över brytpunkten stiger energiförbrukningen kvadratiskt (och effektbehovet kubiskt).

Effektiv motor
Till syvende och sist gäller det att ha en motor och en kraftöverföring som kan leverera energi till hjulen utan att alltför mycket försvinner på vägen. Elmotorn har den bästa verkningsgraden om vi inte behöver tänka på hur energin skall genereras. Den har också fördelen av att ha bra verkningsgrad oberoende av effektuttag. Däremot är energilagringen tung, dyr och hopplös på många andra sätt. Ett annat problem är att man inte får någon ”gratis” överskottsvärme som kan användas för att värma bilen (och batteriet).

Den moderna dieselmotorn har förvånansvärt hög verkningsgrad över ett ganska stort område. Problemet idag är framför allt att hitta en tillräckligt liten och ändå modern motor. Volkswagen löste problemet genom att ”såga av” den fyrcylindriga motor som används till VW Golf Bluemotion och göra den tvåcylindrig. Den ger 800 kubikcentimeter och 48 hästkrafter i sin senaste version.

Vid landsvägshastighet kan vi kanske anta att en modern bil i Golf-klassen har en energiförbrukning på drygt 0,5 kWh per mil beroende på rullmotståndet och 1 kWh beroende på luftmotståndet. Motorns effektivitet är här som högst, med kanske 40 eller till och med 50 procent. Det kan översättas till tre eller fyra kWh per mil eller 0,3 – 0,4 dl dieselbränsle per mil. Siffrorna är grovt tillyxade, men fungerar ganska hyggligt som utgångspunkt.

Tvåsitsig
Låt oss då ”uppfinna” en billig bil i samma stil som Volkswagens XL1.

Till att börja med gör vi bilen tvåsitsig, på samma sätt som XL1 och ser till att aerodynamiken är bra och vikten låg. Genom att göra bilen smal och låg får vi både bra luftmotståndskoefficient (0,25 eller bättre) och liten frontyta (1,5 kvadratmeter eller mindre är lätt att nå med tandemkonfiguration). Här ligger nyckeln till bra effektivitet på landsväg i motorvägshastigheter. En såpass smal bil kommer att ha stolarna i tandem (effektivast) eller ett stycke förskjutna i förhållande till varandra (som XL1).

För att inte rullmotståndet skall bli alltför dominerande behövs en låg vikt. En tjänstevikt på ca 750 kg räcker långt och kräver inte särskilt avancerade konstruktionsmetoder. Det är i klass med gamla billiga tvåsitsiga sportbilar som t ex Triumph Spitfire. Idag går det dessutom att göra en sådan bil tillräckligt säker.
Vill man göra bilen ännu lättare är det fullt möjligt, men då krävs mera avancerade material, som till exempel kolfiber. Då kan man i bästa fall halvera vikten.

Att få tag i en bra motor är inte lätt. En avsågad tvåcylindrig Golf-motor är lämplig, men det är väl tveksamt om Volkswagen vill sälja sin tvåcylindriga motor. I vilket fall som helst är den ganska billig och hyfsat lätt och den kombineras lämpligen med en vanlig manuell växellåda. Dessutom kan vi rationalisera bort den energikrävande servostyrningen, eftersom bilen inte väger så mycket.

Om vi jämför med välkända Volkswagen Golf har vi nu nästan halverat tjänstevikten och nästan halverat luftmotståndet. Tillsammans med en tvåcylindrig motor bör man kunna nå en halvering av energiförbrukningen i alla hastigheter, alltså mindre än två deciliter per mil.

Vi ser naturligtvis till att alla lampor, helst även strålkastare, är LED-baserade. Det spar energi och gör det lättare att nå bra aerodynamik. Vill vi vara riktigt futuristiska byter vi backspeglar och bakruta mot kameror och displayer. Idag är det inte alltför dyrt och det gör en del på aerodynamiken.

XL1 är tjusigare
Om vi jämför vårt hemmabygge med Volkswagen XL1 ser vi att Volkswagen har lyckats få ner luftmotståndet ytterligare en del, kanske så mycket som 20 procent (Cw = 0,19, frontarea 1,5 kvadratmeter). Det gör ca 43 procent av luftmotståndet hos en Golf. Bilen är dessutom betydligt mera futuristisk och drivs av en dieselhybrid med den ”avsågade” Golf-motorn plus en elmotor. Batteriet tillåter 3,5 mils elektrisk körning.

Laddhybrider ligger i tiden och Volkswagen vill förstås hänga med. Samtidigt kostar batteri och elektrisk drivlina mycket vikt. Volkswagen har lyckats få in alltsammans i en tjänstevikt på 795 kilo, vilket är imponerande. Det är ändå en dramatisk viktökning från enlitersbilen 2009, som bara vägde 380 kg. Säkerhetskarossen i kolfiber vägde då bara 124 kg.

XL1 är alltså lätt för att vara en laddhybrid och den har massor av fantastiska tekniska detaljer och höga tekniska prestanda. Den kan mycket väl vara värd det pris som Volkswagen väljer att sätta när/om bilen kommer i massproduktion.

Inte så svårt
Men, om man inte hänger upp sig på de exklusiva materialen och de häftiga detaljerna visar egentligen Volkswagen att det inte är så ruskigt svårt att utveckla en effektiv liten bil. Det handlar mest om att acceptera att alla inte behöver fem sittplatser, att en liten bil inte behöver ha taskig aerodynamik och att en tvåsitsig bil inte behöver ha monsterprestanda. Går vi tillbaka till femtio- och sextiotalet hittar vi flera populära och motorsvaga tvåsitsiga bilar på det här konceptet, till exempel tidigare nämnda Triumph Spitfire. De var i och för sig långt ifrån säkra, men det gällde alla bilar på den tiden. Idag kan vi bygga små säkra bilar, som till och med har fabriksmonterade säkerhetsbälten.

En liten tvåsitsig bil för landsvägskörning blir ganska lätt dubbelt så effektiv som dagens effektivaste femsitsiga bilar. Den blir i och med det också det energieffektivaste alternativet när det gäller att transportera människor, också om vi jämför med järnväg och buss.

En laddhybrid á la Volkswagen XL1 är bra för stadstrafik, eftersom den flyttar utsläppen bort från staden. Däremot är den inte nödvändigtvis energieffektivare än en ren dieselbil. Den är också utmärkt för landsvägskörning, med sin låga bränsleförbrukning. Den lägre tjänstevikten gör förstås också att partikelutsläppen från däcken minskar.

Det ”häftigaste” är nog ändå att kunna köra tur och retur Stockholm-Göteborg på tio liter bränsle.

Comments are closed.