Потужність, енергія та споживання; МОБІЛЬНА ШКОЛА; стабільно мобільний
ЩО ВИ МОЖЕТЕ ДІЗНАТИСЯ
Продуктивність, енергія та споживання
Наскільки ефективно чи марнотратно різні типи транспортних засобів використовують енергію? Який найефективніший спосіб дістатися з А в Б, не докладаючи зусиль? Більшість людей можуть мати відношення до ПС. Але що означають кіловат-години та кіловати в електричному автомобілі?
У главі "Основи електромобільності" подано огляд агрегатів, що стосуються електромобіля. Потужність двигуна наведена в кіловатах (кВт). Ємність акумулятора та споживання зазвичай мають одиницю кіловат-години (кВт-год). Під час зарядки розрізняють змінний струм (змінний) та постійний (постійний). Потужність зарядної станції також подається в кіловатах.
Електродвигун не має робочого обсягу. Балонів немає, ні тиск масла, ні коефіцієнт впорскування. Суть полягає в тому, що електричний автомобіль набагато легше зрозуміти, навіть якщо ключові показники та одиниці все ще незнайомі.
потужність
"Мій новий 3-серійний BMW має шість циліндрів і 200 к.с.!" Роблячи це, більшість людей мають уявлення про те, що робить машина. При цьому, мабуть, мало хто говорить: "Мій новий Nissan Leaf має 110 кВт і акумулятор на 40 кВт-год!" може щось розпочати.
BMW звучить якось потужніше, і все ж він, мабуть, потягне коротку соломинку до Nissan, коли почнеться світлофор. Оскільки для електроприводів цифри набувають нового значення.
Знизу трохи тонкий
У випадку двигуна внутрішнього згоряння потужність подається в к.с. або в кВт. У проспекті поруч завжди є щось на зразок «при 3000 об/хв». Оскільки у двигуна внутрішнього згоряння - незалежно від того, бензин, дизель чи газ - проблема. Йому потрібна певна швидкість, щоб розвинути свою силу. Якщо він повертається занадто повільно, це навряд чи розвиває силу. Тому йому потрібна механічна або автоматична коробка передач. Якщо ви не звернете уваги при запуску, ви заглушите двигун. Потужності, що розвивається двигуном, недостатньо для руху автомобіля. Замість того, щоб скочуватися, двигун зупиняється і гасне.
Поки дизель розвиває свою потужність на відносно низьких швидкостях, бензиновим двигунам зазвичай потрібна більша швидкість. Електродвигун насправді не хвилює. Тому що він може розвивати свою повну потужність майже у всьому діапазоні швидкостей і навіть з місця. Тому електромобілі не мають ні зчеплення, ні механічної, ні автоматичної коробки передач.
І тому нібито слабший Nissan залишає BMW на світлофорі. Оскільки, хоча двигун BMW вперше набирає обороти і повинен подавати потужність на дорогу через зчеплення або автоматичну коробку передач, електродвигун рухає вісь безпосередньо всією своєю потужністю.
Чому немає двотактних викруток?
Сила, яку двигун може чинити на вісь, називається крутним моментом. Крутний момент подано в ньютонах (Нм). І це ключове значення тут. Це пов’язано з тим, що двигун внутрішнього згоряння досягає повного крутного моменту за відносно невеликих швидкостей. Багато досліджень та зусиль було спрямовано на те, щоб зробити це вікно якомога більшим для двигуна внутрішнього згоряння. Електричний двигун має повний крутний момент від нуля обертів на хвилину майже у всьому діапазоні швидкостей - просто тому, що він може. Ось чому ви можете використовувати хорошу акумуляторну викрутку, щоб дуже повільно вкручувати і викручувати жорсткі гвинти.
Якби викрутка мала двигун внутрішнього згоряння, її спочатку потрібно було б довести до швидкості, щоб потім повернутися до необхідної швидкості за допомогою зчеплення та коробки передач. Ось чому існують акумуляторні викрутки, а двотактних - не.
енергія
Щоб щось обернутися, потрібна енергія. Ця енергія може надходити від коня, який тягне візок. Ми можемо передавати енергію колесу велосипеда за допомогою педалей і ланцюга. Кінь і людина отримують енергію від їжі. Дуже грубо можна сказати, що організм спалює в м’язах цукор і кисень, утворюючи вуглекислий газ та енергію. Ефективність у людини становить близько 25 відсотків. Це означає, що 25 відсотків використаної енергії - наприклад, у вигляді цукру - насправді перетворюється на рух. Решта втрачається як тепло. Якщо ми докладаємо зусиль, наш кулер запускається, і ми починаємо потіти.
Якщо тіло більше не постачається енергією через їжу, а всі запаси спалюються, людська машина зупиняється. Поки в дихальних і серцевих м’язах не закінчиться паливо.
Люди навчились використовувати іншу енергію, крім м’язової. Протягом тисячоліть вітер і вода рухають млини та насоси як природні джерела енергії.
Вогонь для руху
З винаходом парової машини на початку 18 століття людям вдалося перетворити енергію пожежі в рух. Цей винахід все змінив і став початком промислової революції. У паровій машині дров’яний або вугільний вогонь нагріває чайник. Водяна пара окропу розширюється, тому пара може приводити в рух поршень. Клапани в поршні створюють рух вперед-назад. Потім цей рух перетворюється на обертальний рух за допомогою планетарної шестерні.
Ефективність парової машини - це катастрофа. Парова машина Ватта досягла лише трьох відсотків. Отже, 97 відсотків енергії, що використовується у вигляді деревини або вугілля, "втрачається" у вигляді тепла.
Енергія залишається енергією
Чому "губляться" у лапки? Тому що, коли ви придивляєтесь, енергія не втрачається. Енергія лише перетворюється. Хімічна енергія, що зберігається в цукрі, перетворюється на кінетичну та теплову енергію. Хімічна енергія, що зберігається в деревині та вугіллі, перетворює паровий двигун у невеликий рух та багато тепла. Оскільки паровий двигун стосується руху, теплова енергія в основному марна, і тому повсякденною мовою кажуть, що енергія "втрачається".
Отто і Дизель
Наприкінці XIX століття Ніколаус Август Отто, серед інших, виступив з ідеєю використовувати силу вогню безпосередньо для генерування руху. Тож не проходячи через пару. Замість повільного горіння йому потрібен вибух. Паливо потрібно лише раптово розширити в камері, щоб запустити поршень. Про дерево та вугілля не могло бути й мови. Однак, якщо ви змішаєте світловий газ з повітрям і запалите його іскрою, він раптово згорить у вибуху. Алкоголь, гас та бензин також згоряють цим способом.
Прокатні нагрівачі
Ці двигуни внутрішнього згоряння були не тільки потужнішими, ніж парові машини, вони також могли бути побудовані набагато менше, були надійнішими, набагато гнучкішими та простішими в експлуатації. На вулицях вже стояли машини з паровим двигуном. Але сісти і поїхати було неможливо. Зрештою, в котлі спочатку мала утворюватися пара. Тож вам довелося розпалювати багаття під чайником за кілька годин до того, як ви поїхали. Тоді в 1886 році у Готліба Даймлера виникла блискуча ідея встановити вибуховий двигун на дорожній машині - народження машини.
Двигун вибуху також був набагато ефективнішим, ніж паровий. Але все-таки понад 90 відсотків енергії було втрачено як тепло. Крім того, у вибухового двигуна спочатку була проблема з електроживленням. Оскільки ранні двигуни не могли генерувати майже стільки потужності - тобто потужності - як паровий двигун. Тому океанські лайнери та локомотиви спочатку продовжували рухатися з потужністю пари.
В даний час понад 130 років досліджень та розробок укладено в двигун внутрішнього згоряння. Це зробило горіння чистішим та ефективнішим. Один літр бензину, дизеля чи газу дає вам набагато більше фізичних вправ сьогодні, ніж тоді. Незважаючи на це, двигуни внутрішнього згоряння все ще в основному виробляють тепло. Деякі двигуни досягають на випробувальному стенді коефіцієнта корисної дії 40 відсотків, але в повсякденному житті це в середньому лише 20 відсотків. Отже, машини з двигунами внутрішнього згоряння - це, в основному, прокатні нагрівачі.
Рух від електрики
На початку XIX століття датський фізик Ганс Крістіан Ерстед відкрив магнітний ефект електричного струму. Коли струм протікає через провідник, створюється магнітне поле. Це магнітне поле притягує або відштовхує інші магнітні поля або магнітні матеріали, такі як залізо. Потрібно було трохи експериментувати та досліджувати, але лише через кілька років у 1832 році перший електричний двигун керував транспортним засобом. Потім це сталося швидко. Винахідники та майстри постійно вдосконалювали електродвигун та використовували нові функціональні принципи. У 1888 році, лише через два роки після патентованого автомобіля Бенц № 1, машинобудівний завод Кобурга А. Флоккен побудував перший відомий німецький електромобіль.
Але в чому перевага електродвигуна перед двигуном внутрішнього згоряння? Відповідь полягає в тому, що він багато в чому перевершує двигун внутрішнього згоряння. Як ми вже дізналися вище, електродвигун може набагато краще та легше розвивати свою потужність. Він порівняно компактний і простий у побудові. Замість сотень рухомих частин насправді в двигуні є лише одна рухома частина. Але це показує свою найбільшу перевагу в своїй ефективності. Оскільки, на відміну від парової машини чи двигуна внутрішнього згоряння, електричний двигун має ефективність понад 90 відсотків. Двигун майже повністю перетворює використану енергію в рух, і мало відпрацьованого тепла.
І проблема накопичення енергії також вирішується дедалі краще. Зараз є електромобілі, такі як Tesla Model S 100D, які можуть проїхати 450 кілометрів у повсякденному житті і завдяки власній мережі швидкої зарядки ‘можуть зарядити достатньо електроенергії на 270 кілометрів за 30 хвилин. Навіть менші машини, як Renault ZOE, можуть щодня долати 300 кілометрів. Автомобілям потрібна лише частка енергії, яка потрібна машині з двигуном внутрішнього згоряння.
Як це виглядає в цифрах?
Калорійність бензину становить близько 8,5 кВт-год на літр. У випадку з дизелем теплотворна здатність становить близько 9,8 кВт-год на літр. На 100 кілометрів гольфу потрібно 7,3 літра бензину або 5,6 літра дизеля. EGolf зі схожою продуктивністю потребує 16,6 кіловат-годин на 100 кілометрів (джерело: Spritmonitor).
- Споживання енергії Golf Diesel на 100 км: 5,6 * 9,8 кВт-год = 54,88 кВт-год
- Споживання енергії бензиновим двигуном Golf на 100 км: 7,3 * 8,5 = 62,05 кВт-год
- Споживання енергії Golf Elektro на 100 км: 16,6 кВт-год
Отже, електропривод набагато енергоефективніший, ніж двигун внутрішнього згоряння.
А як щодо водню?
Часто можна почути, що паливний елемент, який перетворює водень та кисень у воду та електрику, може бути альтернативою акумуляторному електромобілю. Але чи насправді є сенс встановлювати паливний елемент в машині, коли технологія акумуляторів тепер дозволяє все більше і більше діапазонів, придатних для повсякденного використання? Для цього ми хочемо поглянути на енергетичний баланс паливного елемента.
Паливний елемент в автомобілі має ККД 60 відсотків. Отже, лише 60 відсотків енергії, що зберігається у водню, насправді перетворюється на електрику. Решта - тут теж тепло.
На практиці Toyota Mirai потребує близько одного кілограма водню на 100 кілометрів. Гідроген має теплотворну здатність 33,33 кВт-год.
Усі цифри враховують лише споживання від бака або акумулятора. Для виробництва бензину або дизеля потрібна додаткова енергія. Точні цифри того, скільки енергії потрібно викопному паливі від свердловини до резервуара, важко знайти. ADAC дає еквівалент CO2 425 грамів на літр для бензину та 525 грамів на літр для дизеля для одного літра бензину.
Біо та електронне паливо
Бензин та дизель також можна отримати у вигляді так званого біопалива або електронного палива. Що стосується біопалива, бензин або дизель зараз зазвичай отримують з рослин з високим вмістом крохмалю, таких як кукурудза. З одного боку, виробництво палива, звичайно, конкурує з виробництвом продуктів харчування. З іншого боку, інтенсивне сільське господарство виділяє СО2 та оксиди азоту та споживає цінний ґрунт.
Спроби отримати паливо за допомогою бактерій і сьогодні перебувають на стадії експерименту.
У випадку електричного палива або палива, паливо виробляється з електрики, води та вуглекислого газу з повітря. За допомогою електролізу вода розщеплюється на свої елементарні компоненти - водень та кисень. Потім водень реагує з вуглекислим газом з повітря, утворюючи бензин. Процес також називають подачею рідини (P2G, PtL).
Цей процес дуже енергоємний. В даний час виробництво рідкого палива для автомобілів не має ні економічного, ні енергетичного значення. У Німеччині ми не могли виробляти достатньо електроенергії, щоб задовольнити попит на рідке паливо. Тож ми знову були б залежними від імпорту.
Звідки береться електрика?
Звичайно, якщо ми переключимо свою мобільність з викопного палива на електроенергію, ми не повинні просто перекласти вихлопні гази з автомобіля на електростанцію. Тож важливо, звідки береться електрика.
У Німеччині, як і в багатьох країнах, електроенергія надходить з різних джерел. У Німеччині найважливішими джерелами є викопне паливо, таке як кам'яне вугілля та буре вугілля або природний газ, атомна енергетика та відновлювані джерела енергії.
У Баден-Вюртемберзі електромережа складається в основному з кам'яного вугілля, атомної енергетики та відновлюваних джерел енергії. Як в Баден-Вюртемберзі, так і в Німеччині можна спостерігати, що частка відновлюваних джерел енергії в електромережі зростає.
Все більше і більше електроенергії зелене
У 2007 році лише 14 відсотків електроенергії в Німеччині надходило з відновлюваних джерел, таких як сонячна, вітрова та водна енергія, у 2015 році - 30 відсотків. Перш за все, частка кам’яного вугілля та атомної енергетики в електромережі зменшилась.
У Баден-Вюртемберзі з історичних причин частка відновлюваних джерел енергії дещо нижча. У той час як у 2007 році південний захід ще був на рівні 14%, ніж федеральний уряд, у 2015 році ця частка зросла до трохи менше 24 відсотків. Це також пов’язано з тим, що Баден-Вюртемберг почав розвивати енергію вітру дуже пізно.
Зробіть власний енергетичний перехід
З лібералізацією ринку електроенергії кожен може зробити свій внесок у перехід до енергетики. Кожен може вільно вибрати свого постачальника електроенергії. Існує майже некерований діапазон різних тарифів. Сюди також входить багато тарифів на зелену електроенергію. Однак тут не вся зелена електрика є такою ж, як зелена.
Справжня зелена електроенергія доступна лише у постачальників, які, з одного боку, самі виробляють відновлювану електроенергію, а з іншого боку активно розширюють відновлювані джерела енергії. Найвідоміші представники - Energiewerke Schönau (EWS), Lichtblick, Naturstrom, Greenpeace Energy та Bürgerwerke. Незалежно від того, є у вас електричний автомобіль чи ні - будь-хто, хто хоче керувати енергетичним переходом, повинен перейти на одного з цих постачальників.
Звичайно, перехід енергії ще більш прямий від вашого власного даху із власною сонячною системою. Ті, хто не має власного даху, можуть брати участь у вітрових електростанціях або сонячних парках через громадський кооператив. Це те, як ви стабільно інвестуєте в енергетичний перехід і отримуєте вигоду від розподілу прибутку.