Ф едералното правителство иска да освободи „високоефективните“ дизелови и бензинови двигатели от „забраната за двигатели с вътрешно горене“. Но колко ефективен може да бъде всъщност един двигател с вътрешно горене?
Отговорът на този въпрос се дава от идеален физически модел, който е на почти 200 години – процесът на Карно. Той определя теоретичната горна граница за ефективността на всеки топлинен двигател. И по този начин също така изяснява къде дори най-добрите двигатели достигат своите физически граници.
В основата си процесът на Карно описва идеалния цикъл, при който газ осцилира между два топлинни резервоара. Топлината се абсорбира при висока температура, част от нея се преобразува в механична сила, а останалата част се освобождава при ниска температура. Ефективността е резултат единствено от температурната разлика – или по-точно от съотношението на температурата на горещото и студеното гориво в Келвини. Колкото по-голяма е разликата, толкова по-добра е ефективността.
За реални агрегати това означава, че висока ефективност не може да бъде постигната без високи температури на горене и ниски загуби на отработени газове. Но точно тук се крие дилемата – защото високите температури водят до по-високо износване, по-лош екологичен баланс и нарастващи изисквания към материалите и охлаждането.
Високи загуби на ефективност в реална експлоатация
Теоретично, един перфектен двигател с вътрешно горене би могъл да постигне ефективност от доста над 60% при идеални термодинамични условия. На практика дори най-модерните двигатели остават далеч под тези нива. Ефективен дизелов двигател постига около 40%, докато бензиновите двигатели обикновено се представят още по-зле. В реален трафик на пътя се очакват допълнителни загуби на ефективност.
Технически оптимизации като турбокомпресор, променливо газоразпределение или директно впръскване значително подобриха ефективността през последните десетилетия – но бариерата си остава: ефективността на Карно бележи абсолютния максимум, който не може да бъде надминат дори с най-голямо количество инженерни решения.
Електрификацията под формата на плъг-ин хибриди или удължаващи пробега двигатели може само да подобри ефективността на цялостната система, но ефективността на двигателя с вътрешно горене винаги остава препъни-камък.
В настоящия дебат относно постепенното изваждане от употреба на двигателите с вътрешно горене често се споменават така наречените високоефективни двигатели, които биха могли да работят климатично неутрално със синтетични горива. Но дори и те достигат своите термодинамични граници. Дори ако производството е CO₂-неутрално, е-горивата изискват много енергия за производство – значително повече, отколкото двигателят в крайна сметка може да превърне в движение.
Процесът на Карно се прилага и за изгарянето на синтетично гориво. Той показва, че всяко преобразуване на топлина в мощност е свързано с неизбежни загуби – и че границата на ефективност се определя единствено от физични закони, а не от политически цели. В същото време сравнението с други задвижващи технологии илюстрира защо електрическите мотори са толкова привлекателни: те почти напълно заобикалят обходния път чрез топлина.
Вместо първо да преобразуват енергията в топлина и след това в движение, те работят директно с електричество – и по този начин постигат ефективност над 90%. Процесът на Карно вече не се прилага тук, защото няма класическа топлинна система. Именно затова електрическите мотори са толкова термодинамично превъзходни – не защото са по-„модерни“, а защото използват различен физичен принцип.