Teknologi Apa yang Menjembatani Transisi dari Mesin Pembakaran ke Motor Listrik?

Kendaraan bermotor listrik semakin penting dalam transisi transportasi. Energinya dapat berasal dari baterai, sel bahan bakar hidrogen, atau sistem lainnya. Namun, kecepatan penggantian mesin pembakaran internal (ICE) bergantung pada kebutuhan penggunaan, biaya, kebijakan, dan infrastruktur.

Perubahan tidak terjadi sekaligus. Banyak negara telah lama membangun jaringan untuk bensin dan diesel, sementara penelitian material dan rekayasa masih dapat meningkatkan mesin pembakaran. Karena itu, teknologi pembakaran dan listrik dapat tetap digunakan berdampingan dalam berbagai aplikasi.

Sebuah laporan pasar yang tersedia ketika artikel ini terbit pada 2023 memproyeksikan pertumbuhan dari sekitar 55,18 miliar dolar AS pada 2020 menjadi 73,84 miliar dolar AS pada 2028, dengan laju pertumbuhan tahunan majemuk sekitar 3,7%. Ini adalah proyeksi pasar yang diteliti, bukan jaminan keuntungan investasi.

Berikut beberapa inovasi yang berpotensi meningkatkan mesin pembakaran selama peralihan menuju transportasi yang semakin elektris.

Produsen dan pengembang

Porsche dan Tesla memberi contoh dua pendekatan teknologi yang berbeda. Uraian perusahaan berikut menyediakan konteks, bukan kepastian hasil investasi.

Porsche (P911)

Porsche mengembangkan teknologi untuk kinerja dan efisiensi kendaraan, termasuk mendukung bahan bakar sintetis.
Porsche AG berkantor pusat di Stuttgart, Jerman. Pada tahun buku 2022, perusahaan membukukan pendapatan sekitar 37,6 miliar euro. Mata uang laporan tersebut adalah euro, bukan dolar AS.

Tesla (TSLA)

Tesla (TSLA ) menggunakan sel baterai dari pemasok sekaligus mengembangkan produksi selnya sendiri dan memproduksi atau merakit paket baterai. Perusahaan ini merupakan salah satu pendorong inovasi kendaraan listrik, bersama banyak produsen, pemasok, dan peneliti lain.

Artikel ini terbit pada 2023 setelah penurunan saham Tesla pada 2022. Angka kenaikan 55,48% sejak awal tahun yang disebut dalam versi awal merupakan catatan pada waktu penulisan, bukan imbal hasil terkini. Pendapatan Tesla pada 2022 sebesar sekitar 81,46 miliar dolar AS.

Tesla berkantor pusat di Texas, Amerika Serikat.

Kecerdasan buatan

Bantuan mengemudi dan pengendalian berbasis kecerdasan buatan (AI) berpotensi memperbaiki efisiensi operasi kendaraan, termasuk kendaraan ICE. Manfaatnya bergantung pada kemampuan sistem dan kondisi penggunaan.

Pengaturan kecepatan yang lebih halus dapat mengurangi akselerasi dan pengereman berulang. Komunikasi antarkendaraan dan pengelolaan lalu lintas juga dapat membantu mengurangi kemacetan. Namun, AI tidak otomatis menghilangkan kesalahan, dan komunikasi antarkendaraan bukan kemampuan bawaan semua sistem mengemudi otomatis.

Perbaikan tersebut dapat menekan konsumsi energi dan emisi dalam kondisi tertentu. Manfaat serupa juga dapat diterapkan pada kendaraan listrik.

Bahan bakar sintetis

Kendaraan ICE konvensional bergantung pada bahan bakar fosil yang pembakarannya menghasilkan emisi gas rumah kaca dan polutan. Produksi serta pengolahannya juga berdampak pada lingkungan.

Bahan bakar sintetis atau e-fuel dikembangkan sebagai salah satu pilihan untuk mesin pembakaran. Pada Maret 2023, Uni Eropa mengadopsi aturan pengurangan emisi CO₂ untuk mobil dan van baru, serta menyebut rencana proposal terpisah bagi kendaraan yang hanya memakai bahan bakar netral karbon setelah 2035. Itu bukan pengecualian tanpa syarat yang sudah berlaku untuk semua kendaraan pembakaran.

E-fuel dibuat menggunakan energi listrik dan bahan baku seperti air serta karbon dioksida. Produk tertentu dapat menggantikan bensin jika memenuhi spesifikasi mesin dan bahan bakar. Beberapa jalur pembuatannya meliputi:

• Elektrolisis air, H₂O, untuk menghasilkan hidrogen. Hidrogen kemudian direaksikan dengan CO₂ yang bersumber dari penangkapan karbon untuk menghasilkan metanol. Dengan katalis dan proses lanjutan, metanol dapat diubah menjadi bensin sintetis.
• Jalur lain menyintesis hidrokarbon melalui gas sintesis yang diperoleh dari CO₂ dan H₂

. E-fuel tetap memerlukan banyak energi untuk diproduksi dan tetap menghasilkan emisi knalpot saat dibakar. Dampak iklim sepanjang siklus hidup dapat berkurang jika CO₂ yang digunakan berasal dari sumber yang sesuai dan prosesnya memakai energi rendah emisi. Namun, pengambilan karbon dan energi terbarukan tidak otomatis membuat seluruh rantai produksi, transportasi, dan pembakaran bebas emisi.

Porsche mendukung pengembangan bahan bakar ini untuk kendaraan pembakaran yang masih digunakan, sementara perusahaan seperti HIF mengembangkan fasilitas serta proses produksinya.

Gesekan: manfaat dan kerugian

Gesekan antara ban dan jalan diperlukan untuk menyalurkan gaya, mengerem, dan berbelok. Sebaliknya, gesekan pada komponen mesin dan sistem penggerak mengubah sebagian energi mekanik menjadi panas yang tidak dimanfaatkan untuk menggerakkan kendaraan.

Dua pendekatan untuk mengurangi kerugian tersebut adalah rekayasa tekstur permukaan dan penggunaan pelumas sintetis yang sesuai.

Penelitian mengenai tekstur permukaan menelaah alur dan cekungan pada komponen seperti dinding silinder untuk memperbaiki pelumasan dan mengurangi gesekan. Hasil bergantung pada desain permukaan, beban, kecepatan, dan kondisi pelumasan; tidak semua tekstur selalu lebih baik.

Pelumas sintetis telah lama digunakan. Formulasi dan aditif dapat memperbaiki pelumasan, ketahanan terhadap keausan, serta kestabilan pada berbagai suhu. Penelitian material dan kimia terus menghasilkan pelumas yang lebih sesuai dengan kebutuhan mesin tertentu, bukan satu jenis oli yang selalu unggul untuk semua kendaraan.

Tekstur permukaan dan pelumas dapat mengurangi sebagian kerugian akibat gesekan. Namun, banyak energi mesin pembakaran juga hilang sebagai panas pembakaran dan gas buang. Efisiensi motor listrik tidak boleh dibandingkan langsung dengan seluruh rantai energi kendaraan ICE. Karena itu, angka kehilangan 5% versus hampir 50% bukan perbandingan setara untuk semua kendaraan.

Merancang ulang mesin pembakaran

Selain pengendalian, bahan bakar, dan pelumasan, perancang juga meneliti perubahan mekanisme mesin itu sendiri. Salah satu contohnya adalah prototipe Avadi MA-250.

Avadi Engines pernah menawarkan penggalangan dana melalui StartEngine. Untuk penjelasan umum, lihat panduan penggalangan modal . Artikel awal menyebut dana terkumpul lebih dari 210.000 dolar AS. Angka tersebut merupakan laporan historis, bukan penawaran aktif atau pendapatan penjualan mesin. Avadi mengklaim desainnya mengurangi komponen bergerak dan menghasilkan mesin yang ringan, ringkas, serta bertorsi tinggi; klaim itu perlu dinilai sebagai keterangan pengembang.

Desain Avadi menggunakan piston berputar dan sepasang batang penghubung. Mekanisme putar membuka serta menutup jalur masuk dan buang tanpa sistem katup konvensional yang digerakkan poros nok. Ini bukan sekadar menambahkan katup biasa pada kepala silinder. Perusahaan menyatakan dalam materi uji internalnya:

“Menurut pengujian internal, Avadi MA-250 kami memiliki berat sekitar setengah dan torsi serta tenaga dua kali mesin pesaing terdekat, sambil menggunakan sekitar 30% lebih sedikit bahan bakar.”

Versi awal artikel menyebut spesifikasi prototipe sekitar 15 hp, torsi 22 lb-ft, dan berat 26 lb. Ini merupakan angka pengembang pada waktu itu, bukan sertifikasi independen atau spesifikasi produk massal yang dijamin.
Avadi juga menggambarkan kemungkinan mengubah ukuran desain untuk kebutuhan berbeda. Mesin pembakaran digunakan pada traktor kebun, kendaraan segala medan, mesin pencacah kayu, pembangkit, dan berbagai peralatan lain. Kemungkinan penerapan tersebut memerlukan pengembangan serta pengujian tersendiri.

Prospek transisi

Kendaraan listrik terus berkembang, sementara rekayasa masih dapat meningkatkan mesin pembakaran untuk penggunaan tertentu. Tidak ada satu jadwal penggantian yang berlaku untuk seluruh negara dan seluruh jenis mesin.

Infrastruktur, biaya, aturan, keandalan, dan kebutuhan energi menentukan pilihan teknologi. Bahan bakar modern, pelumas, serta desain baru dapat menciptakan peluang usaha, tetapi pertumbuhan pasar atau keberhasilan prototipe tidak menjamin keuntungan investor.

Kendaraan yang menggabungkan pengendalian otomatis, mesin baru, e-fuel, pelumas, dan tekstur permukaan tetap merupakan kemungkinan pengembangan. Efisiensi serta kelayakannya harus dibuktikan dalam pengujian dan penggunaan nyata.