Giriş
İçten yanmalı motora sahip araçlar konvansiyonel araç olarak isimlendirilmektedir. Elektrikli araçlar ise araç tahrikinin elektrik motoruyla yapıldığı araçlardır.
Elektrikli araçlar enerji kaynağı olarak batarya (enerji depolama elemanı) ya da yakıt hücresi (fuel cell) kullanabilir. Ancak genel olarak elektrikli araç denildiğinde bataryalı elektrikli araçlar anlaşılmaktadır. Eğer yakıt hücreli araçtan bahsediliyorsa bu araçlara yakıt hücreli araç denilmektedir.
Bu yazımızda elektrikli araçlar ile konvansiyonel araçları farklı yönleriyle inceleyip karşılaştıracağız.
1.Elektrikli Araçların Konvansiyonel Araçlara Göre Avantajları
Elektrikli araçların konvansiyonel araçlara göre mühendislik açısından önemli avantajları vardır. Bunları şöyle sıralayabiliriz.
1.1.Motor ve Güç Aktarma Sistemi Verimi
- Elektrikli Araç: Elektrikli araçlar elektrik motoru ile tahrik edilir ve elektrik motorları çalışma noktasına (hız ve tork) bağlı olarak %75… 95 arasındaki verim değerleriyle çalışır. Elektrik motorları düşük devirlerde yüksek sabit tork, yüksek devirlerde sabit güç verebilmektedir. Bu karakteristik elektrikli motorları araç dinamiğine uygun hale getirir. Böylece elektrikli araçlarda tek kademeli şanzıman yeterli olmaktadır. Genel olarak elektrikli araçların güç aktarma sistemi verimliliği (powertrain efficiency) %70-%90 dolaylarındadır. Bu yönüyle elektrikli araçlar içten yanmalı motora sahip araçlardan çok daha yüksek verimlilikte çalışmaktadır.
- Konvansiyonel Araç: İçten yanmalı bir motorun tipik verimliliği sabit çalışma noktalarında %36…40 arasındadır. Ancak gerçek sürüş şartlarında dinamik manevralar yapıldığından verim değerleri %18-20 civarlarına inmektedir. Dizel motorlar benzinli motordan biraz daha yüksek verimliliğe sahiptir, ancak genel olarak elektrik motorları içten yanmalı motorlardan 4 kat daha verimlidir. Diğer bir deyişle bir elektrik motoruyla karşılaştırıldığında, aynı miktarda tekerlek gücü için, bir içten yanmalı motorun 4 kat daha fazla enerji tüketmesi gerekir. Bunun yanında konvansiyonel araçlarda çok kademeli şanzıman kullanılması gerekmektedir. Aksi halde araçtan istenilen performas ve hız sağlanamaz. Şu anda konvansiyonel araçlarda 5 ila 10 kademeli şanzımanlar kullanmaktadır.
Konuyla ilgili detaylı bilgi için şu yazımıza bakabilirsiniz: Elektrikli Motor ile İçten Yanmalı Motor Karakteristiklerinin Karşılaştırılması
1.2. Performans
- Elektrikli Araç: Yukarıda bahsedilen elektrikli motorun özelliklerinden dolayı (yani düşük devirde yüksek sabit tork, yüksek hızda sabit güç) araç ivmelenmesi ve genel olarak araç performansı çok daha yüksektir. Bu fark özellikle yüksek araç hızlarında ivmelenmede ve ilk kalkışta bariz olarak görülebilir. 0-100 km/h ivmelenme testlerinde elektrikli araçların konvansiyonel araçlardan daha iyi performans göstermesinin sebebi de budur.
- Konvansiyonel Araç: İçten yanmalı motorun maksimum torku verebilmesi için rölanti bölgesinden uzaklaşması yani devrinin artması gerekir. Bunun yanında dinamik manevralarda hava yolundaki gecikmeler, turbo ataleti vb durumlar yüzünden tork üretilmesinde gecikmeler meydana gelmektedir. Bu sebeple elektrikli araca kıyasla konvansiyonel araçların araç performansı daha düşüktür.
1.3. Dayanıklılık
- Elektrikli Araç: Elektrikli araçlarda konvansiyonel araca göre hareketli parça sayısı daha azdır. Ayrıca çok kademeli şanzımanın da kullanılmıyor olması elektrikli araçları daha dayanıklı yapmaktadır, tabi teorik olarak. Pratikte elektrikli araçlarda en önemli dayanım problemi bataryalar ve elektrikli motorlarda ortaya çıkmaktadır. Bataryalar nazaran daha pahalı olduğundan ve araçta yüksek kütlelerde bulunduğundan bataryanın dayanıklılığı elektrikli araç için çok önemlidir. Günümüzde 1 milyon kilometre gibi yüksek kilometreler yapmış elektrikli araçlar vardır (bkz: Tesla Model S 1 Milyon Kilometreyi Geçmiş). Fakat verilen linkteki haber dikkatli okunursa bahsedilen aracın şu an 3. bataryasını ve 4. elektrikli motoru kullandığı görülmektedir. Sonuç olarak elektrikli araçlar her ne kadar mühendislik açısından dayanıklı olsalar da pratikte batarya dayanımı gibi önemli bir sorun vardır. Yapılan çalışmalarla hem batarya kapasitesinin arttırılması hem de batarya ömrünün uzatılması amaçlanmaktadır.
- Konvansiyonel Araç: Konvansiyonel araçlarda yüksek maliyetli arızalar genellikle motor ve şanzıman ünitesinden yani güç aktarma sistemlerinde ortaya çıkmaktadır. İçten yanmalı motorlarda hareketli parça sayısının fazla olması, yakıt sistemi, aşırı doldurma sistemi gibi karmaşık sistemleri barındırması arıza temayülünü arttırmaktadır. Ancak çok uzun yıllardır içten yanmalı motorun var olmasından dolayı dayanımla ilgili ciddi bilgi birikimi ortaya çıkmıştır. Böylece 1 milyon km gibi yüksek kilometreleri sorunsuz aşabilecek motorlar yapılmaktadır. Bu motorlar rutin bakımları yapıldığı sürece uzun yıllar arıza çıkarmadan çalışabilmektedir. Günümüzde birçok motorda ve şanzıman ünitesinde dayanım problemi yoktur. Hatta bazı otomotiv firmaları müşterilerine uzun yıllar 7 yıl gibi motor ve şanzıman garantisi verebilmektedir.
1.4. Tork Kontrolü
- Elektrikli Araç: Araç stabilizasyon sistemi (ESP) gibi sistemlerle aracın yol performansı iyileştirilerek kazalar azaltılmakta ve sürüş güvenliği arttırılmaktadır. Bu ve benzeri sistemlerde aracın kontrolü için tekerleklere uygulanan tork kontrol elemanı olarak kullanılır. Elektrikli motorların tork verme hızı yüksektir; ayrıca negatif tork da verebilmektedir. Böylece tork kontrolüne dayanan sürücü destek sistemlerinde daha iyi kontrol sağlanabilmektedir.
- Konvansiyonel Araç: İçten yanmalı motorun tork verme hızı nazaran düşüktür ve negatif torku ancak mekanik ataleti kadar verebilmektedir (ki bu kontrollü değildir). Bu yüzden tork kontrolü dikkate alınan sistemlerde tork kontrolü nazaran daha zor olmaktadır.
1.5. Satın Alım ve Kullanım Maliyeti
- Elektrikli Araç: Dünya geneli için konuşmak gerekirse birçok ülkede elektrikli araç fiyatları konvansiyonel araçlarla rekabet edebilecek düzeydedir. Hatta bazı ülkelerde elektrikli araçların vergi yükü azaltılarak vatandaşlar teşvik edilmektedir. Kullanım maliyeti düşünüldüğünde ise genellikle daha düşük kullanım maliyetleri vardır. Genellikle daha düşük diyorum çünkü kullanım maliyeti ülkenin elektrik fiyatının yanı sıra ülkede yaygınlaşmış veya kullanılabilen alternatif yakıtlarla da ilgilidir. Bazı durumlarda alternatif yakıtlı araçlar daha tasarruflu olabilmektedir. Konuyla ilgili linki konu başlığının altında bulabilirsiniz.
Ülkemiz özelinde konuşmak gerekirse elektrikli araçların ilk maliyetleri çok yüksek seviyelerdedir. Bunun sebeplerinden biri yüksek döviz kurudur. (Hoş, diğer araçları da aynı kurdan alıyoruz.) Ancak asıl sebep daha düşük fiyatlarda konvansiyonel araçların bulunuyor olmasıdır.
Kullanım maliyeti olarak ise yakıt fiyatlarına kıyasla elektrik enerjisi çok daha ucuzdur. Özellikle şarj istasyonlarından yapılan dolumlar daha ucuza gelmektedir. - Konvansiyonel Araç: İlk maliyetleri açısından hem ülkemizde hem de dünyada çok ucuz araçlardan çok pahalı araçlara kadar çok fazla alternatif vardır. Bu yüzden düşük bütçeli kişiler için ucuz alternatifler vardır.
Kullanım maliyetleri ise görece yüksektir. Bunun sebebi ise (herkes biliyor ancak yine de yazayım) yakıt fiyatlarının çok yüksek olmasıdır. Ülkemizde LPG gibi alternatif yakıtlar kullanılıyor olsa da elektrikli araca göre kullanım maliyetleri hala yüksek kalmaktadır.
Birçok farklı aracın kullanım maliyeti (Euro/km) aşağıdaki linkte detaylı olarak anlatılmıştır. Görüldüğü üzere bazı alternatif yakıtlar elektrikli araçlardan daha ucuz kullanım maliyeti sunabilmektedir: 2019’un En Verimli Otomobilleri
2. Elektrikli Araçların Konvansiyonel Araçlara Göre Dezvantajları
Yukarıda görüldüğü gibi elektrikli araçların konvansiyonel araçlara göre önemli avantajları vardır. Elektrikli araçların dezavantajlı durumda olduğu konular genellikle batarya kaynaklıdır.
2.1. Enerji Depolama Sistemi
Elektrikli araçlar enerji depolama elemanı olarak bataryaları kullanır. Farklı türdeki bataryalar birim hacimde farklı miktarlarda enerji depolamaktadır. En çok satılan Tesla Model S, Nissan Leaf gibi elektrikli araçlar birincil enerji kaynağı olarak Li-Ion batarya kullanmaktadır. Bunun sebebi Li-Ion bataryaların diğer bataryalara göre daha yüksek miktarda enerji depolayabilmesidir. Buna rağmen enerji kapasitesi bakımından hala benzin, dizel gibi yakıtların enerji kapasitesinden çok daha düşük değerlere sahiptir. Kaba bir kıyaslama yapmak gerekirse benzinin enerji kapasitesi 12700 Wh/kg ya da 8760 Wh/litre’dir. Li-Ion bataryanın enerji kapasitesi ise 100-265 Wh/kg ya da 250-670 Wh/litre’dir [1]. Görüldüğü gibi aynı miktarda enerji depolayabilmek için elektrikli araçlarda yüksek kütlelerde ve hacimlerde batarya kullanılması gerekmektedir. Bu sebeple elektrikli araçların hem toplam kütlesi artmakta hem de maliyetleri artmaktadır.
2.2. Şarj Süresi
Bataryaların şarj süresi konvansiyonel araçların yakıt dolum süresine göre oldukça fazladır. Birçok elektrikli araçta %80 şarj oranı için 30-40 dk süreler gerekmektedir. %100 dolumlar için ise saatler mertebesinde süreye ihtiyaç vardır.
Sonuç
Elektrikli araçlar elektrik motorunun karakteristikleri sayesinde teknik açıdan önemli avantajlara sahiptir. Ancak batarya teknolojisindeki yetersizlikler bazı olumsuzluklar ortaya çıkarmaktadır. Konvansiyonel araçlar yüksek parça sayısına, daha karmaşık yapıya sahip olmasına rağmen uzun yıllardır geliştirilmesinden kaynaklı olarak birçok olumsuzluğu gidermiştir.
Batarya teknolojisindeki gelişmeler ile birlikte elektrikli araçlar daha da yaygınlaşacaktır. Otonom araç gibi gelişmiş mobil ulaşım çözümleri için de elektrikli araçlar daha uygundur.
Yararlanılan kaynaklar:
[1] https://www.cei.washington.edu/education/science-of-solar/battery-technology/ erişildi, 24 Nisan 2020
Adem Oruz
24 Nisan 2020