Který motor má nejvyšší účinnost? Porovnání spalovacích a elektrických motorů

Přiznejme si to: když se ptáme, který motor je nejefektivnější, většina z nás čeká odpověď, která zní jako reklama na elektromobil. A pravda je taková, že elektrický motor v čistém fyzikálním smyslu vítá s velkým odstupem. Pokud bychom ale začali vykládat pouze čísla bez kontextu, přišli bychom o celou podstatu problému. Účinnost není jen o tom, kolik energie se promění ve pohyb, ale také o tom, odkud ta energie vůbec pochází a jak ji dostaneme do nádrže nebo baterie.

Tento článek neodhalí jen jednoho „vítěze“. Ukážeme vám, proč jsou klasické benzinové motory tak neefektivní, kde skýtají moderní dieselové agregáty překvapivé výsledky a proč je u elektromobilů důležité rozlišovat mezi účinností samotného stroje a účinností celé energetické řetězce. Připravte se na pohled pod kapotu, který změní váš názor na to, co znamená skutečná úspora.

Fyzika proti realitě: Co vlastně měříme?

Předtím, než se pustíme do konkrétních typů pohonů, musíme definovat, co myslíme slovem „účinnost“ (anglicky *efficiency*). V technice jde o poměr užitečné práce k energii, kterou jsme do systému vložíli. Zákony termodynamiky nám však diktují tvrdá pravidla. Žádný stroj nemůže mít účinnost 100 %, protože část energie se vždy ztratí - obvykle ve formě tepla, tření nebo zvuku.

Když hovoříme o spalovacím motoru, řešíme převod chemické energie ze paliva na kinetickou energii kol. U elektrického motoru jde o převod elektrické energie z baterie nebo sítě přímo na otáčky hřídele. Právě tento rozdíl v principu fungování vytváří propastný rozdíl v číslech, které vidíme v testech.

• Termodynamická bariéra: Spalovací motory jsou limitovány Carnotovým cyklem, což znamená, že jejich maximální možná účinnost je vázána na rozdíl teplot mezi výfukem a chlazením.
• Elektromagnetismus: Elektrické motory využívají magnetická pole, která mají mnohem menší ztráty při přeměně energie.

Tato základní fyzikální disproporce je důvodem, proč se automobilový průmysl posouvá směrem k elektrifikaci. Ale pozor, jakmile opustíme laboratorní podmínky a dostaneme se na silnici, začíná být situace složitější.

Vítěz v čistých číslech: Elektrický motor

Když se podíváme pouze na hardware, tedy na samotný stroj, který hnací sílu generuje, je odpověď jednoznačná. Moderní střídavý motor (AC motor) nebo stejnosměrný motor (DC motor) dokáže dosáhnout účinnosti přesahující 90 až 95 %. To znamená, že z každého kilowatthodiny uložené v baterii se na kola dostane devět desetin kilowatthodiny.

Proč je tomu tak? Elektrický motor nemá žádné spalování. Nemusíte ohřívat vzduch, netvoří se výfukové plyny, které unášejí obrovské množství energie ven z výfukového potrubí. Jedinými hlavními ztrátami jsou ztráty vedle (ohřev vinutí elektromagnetem) a mechanické tření v ložiscích. Tyto ztráty jsou minimální.

Tato data jsou nezpochybnitelná. Pokud máte energii zdarma a potřebujete ji co nejefektivněji přeměnit na pohyb, volíte elektřinu. Nicméně, v reálném světě nikdy nemáte energii zdarma. Musíte ji někde vyprodukovat, uložit a transportovat. A tady nastupuje druhá kapitola příběhu.

Spalovací motory: Proč jsou tak neúspěšné?

Klasický benzinový motor je z hlediska fyziky poněkud tragédie. Většina energie obsažené v benzínu se nepoužije k pohybu auta, ale zahřeje okolní vzduch. Průměrná tepelná účinnost benzinového motoru se pohybuje kolem 30 %. To znamená, že 70 % peněz, které zaplatíte za plnění, jednoduše vypustíte do atmosféry jako teplo.

Hlavními viníky této nízké účinnosti jsou:

1. Chlazení: Motor by explodoval, kdyby se nepřerušovaně nechladil vodou nebo chladivem. Tento proces odvádí obrovské množství energie.
2. Výfuk: Horké plyny unikající z výfuku nesou s sebou značnou část chemické energie paliva.
3. Vnitřní tření: Pohyb stotisíce součástí (písty, ventily, vačka) způsobuje trvalé mechanické ztráty.

Situace je mírně lepší u dieselových motorů. Díky vyššímu kompresnímu poměru a jinému principu vznícení (tlak místo jiskry) dosahují diesely tepelné účinnosti až 40-45 %. Jsou tedy efektivnější než benzinové motory, zejména při jízdě po dálnici, kde pracují v optimálních otáčkách. I tak ale polovina energie stále zmizí.

Je zajímavé zmínit i historicky specifický případ Wanklova motoru. Tento rotační motor byl slibován jako budoucnost díky své jednoduchosti a malým rozměrům, jeho účinnost byla však kvůli problémům s těsněním rotoru nižší než u běžných pístových motorů, často se pohybovala kolem 25-30 %.

Hybridní technologie: Chytrost před hrubou silou

Když se snažíme maximalizovat účinnost spalovacího motoru, narazíme na jednu zásadní nevýhodu: spalovací motory jsou efektivní jen v úzkém pásu otáček a zatížení. Jakmile auto stojí ve frontě nebo jede velmi pomalu, účinnost klesá k nule, protože spotřebujete palivo, ale nikam se nedostanete.

Zde vstupuje do hry hybridní pohon. Hybridní vozidla kombinují slabý spalovací motor s elektrickým motorem a baterií. Systém inteligentně řídí, kdy který motor pracuje. Na start a při nízkých rychlostech používá auto elektřinu (kde je motor nejefektivnější). Při stabilní jízdě po dálnici přebírá palubní spalovací motor, který pracuje v režimu, který mu umožňuje blížit se ke své maximální tepelné účinnosti.

Navíc hybridy využívají rekuperaci energie. Když brzdíte, kinetická energie, která by se u klasického auta proměnila v teplo na brzdových kotoučích, se přemění zpět na elektřinu a uloží do baterie. Toto je klíčový moment pro celkovou efektivitu jízdy v městském provozu.

Well-to-Wheel: Skutečná cena energie

Abychom mohli spravedlivě porovnat účinnost, musíme se podívat na celý řetězec dodávky energie. Tento koncept se nazývá Well-to-Wheel (od studny po kolo). Nezáleží jen na tom, jak efektivně auto využije energii v nádrži, ale jak efektivně se ta energie dostala do nádrže.

U spalovacích motorů vypadá tento řetězec takto:

• Vrtání ropy a její rafinace (ztráty energie).
• Transport ropy tankerem a kamiony (další ztráty).
• Spálení v motoru (30-40 % účinnost).

Celková účinnost benzínového vozu od extrakce suroviny po pohyb auta se tedy pohybuje kolem 15-20 %.

U elektrických vozidel je situace složitější a závisí na zdroji elektřiny:

• Uhelná elektrárna: Má nízkou účinnost (cca 35-40 %). Po ztrátách při přenosu energií a nabíjení baterie (cca 90 % účinnost) dopadne celková účinnost kolem 30-35 %. I tak je to dvojnásobek oproti benzínu.
• Plynová elektrárna: Efektivnější výroba (50-60 %). Celková účinnost může dosáhnout 45-50 %.
• Oblíbené obnovitelné zdroje (větrné, solární): Tyto zdroje mají nulové ztráty při „výrobě“ energie (neplatíte za palivo). Ztráty jsou pouze při přenosu a uložení. Efektivita využití primární energie je zde extrémně vysoká.

I když vezmeme v potaz nejhorší scénář výroby elektřiny, elektrický vůz je z pohledu globální energetické bilance efektivnější než ten s benzinovým motorem.

Specifika v praxi: Kdy je který motor nejlepší?

Čistá fyzika říká, že elektrický motor je král. Realita řízení auta nám však nabízí nuance. Existují situace, kdy je „neefektivní" spalovací motor praktičtější a v širším kontextu dokonce ekonomičtější.

Dálkové tranzity: Pokud musíte jet 1000 km bez možnosti dobít baterii, která by vážila půl tuny, spalovací motor má výhodu v hustotě energie. Benzín obsahuje obrovské množství energie v malém objemu. Baterie těžké jako balvan obsahují méně energie než plná nádrž tankéru. Pro tyto případy je diesel stále nenahraditelný.

Městský provoz: Zde je elektrický motor absolutním vítězem. Díky rekuperaci a schopnosti poskytovat maximální točivý moment od nuly otáček je v mestech nejen ekologičtější, ale i levnější na provoz.

Extrémní podmínky: Velmi nízké teploty snižují kapacitu lithiových baterií a zvyšují odpor v elektrických obvodech. V mrazivých dnech může dojít k poklesu dojezdu o 30 % a více. Spalovací motor sice také ztrácí na účinnosti při studeném startu, ale jeho výkon zůstává relativně stabilní.

Budoucnost: Plynové turbíny a vodík

Není nutné se dívat pouze na současnost. Ve specializovaných aplikacích, jako jsou lodě nebo generátory, najdeme plynové turbíny, které mohou dosáhnout účinnosti přes 60 %, pokud jsou použity v kogeneračních jednotkách (kde se teplo z výfuku využívá například k topení). V automobilech se ale neprosadily kvůli špatnému chodu v nízkých otáčkách a vysoké ceně.

Další nadějí je vodíkový palivový článek. Technicky jde o galvanický článek, který produkuje elektřinu reakcí vodíku a kyslíku. Tato elektřina pak pohání klasický elektrický motor. Účinnost palivového článku se pohybuje kolem 40-60 %. Problém však spočívá v tom, že výroba vodíku (elektrolýza vody) je sama o sobě velmi náročná na energii. Pokud není vodík vyroben z obnovitelných zdrojů, je celková účinnost systému horší než u přímého elektrického pohonu.

Závěrečné shrnutí

Odpověď na otázku „který motor má nejvyšší účinnost?“ je tedy dvourozměrná. Pokud se ptáte na účinnost přeměny energie uvnitř stroje, vítězí elektrický motor s výsledky přes 90 %. Pokud se ptáte na účinnost využití primární energie od zdroje po kolo, stále vede elektrifikace, ale s tím, že výsledek závisí na čistotě energetické mixu země, ze které elektřinu čerpáte.

Spalovací motory, ať už benzinové nebo dieselové, zůstávají technologickými zázraky, ale z hlediska účinnosti jsou odsouzeny k postupnému ústupu. Jejich role bude v budoucnu patřit spíše specifickým segmentům, kde je nutná vysoká hustota energie a rychlé doplňování, zatímco pro denní mobilitu se elektrický pohon stane standardem právě díky své bezkonkurenční efektivitě.