Побудительной причиной к пересмотру предыдущей статьи «Энергетическая эффективность электромобилей» послужила переписка с некоторыми активными поборниками альтернативных видов транспорта. Мне было справедливо указано на то, что простой перевод GGE (Gas Gallon Equivalent) для автомобилей на природном газе в эквивалент литра бензина может привести к заблуждению читателей. Также было много критики о том, что сравниваются несравнимые по мощности двигателя автомобили. Постараюсь исправиться и на этот раз привести новые данные. Итак, приступим.
Давайте на время отвлечемся от такого эфемерного понятия, как экологическая чистота и бесшумность электромобиля. Попробуем подступить к проблеме с чисто меркантильным интересом — возьмем и сравним параметры расхода энергии различных типов автомобилей на единицу пройденного пути. Для оценки будем использовать не только затраты энергии на передвижение (в этом случае электромобиль, благодаря своему крайне высокому КПД будет многогратно превосходить другие типы автомобилей), но и затраты энергии, необходимые для переработки исходного сырья, доставки энергоносителя и заправки автомобиля.
Методика расчетов.
Для сравнения возьмем автомобили Honda различных типов двигательных установок, один из самых экономичных дизелей — VW Jetta Diesel, и спортивный(!) электромобиль Tesla Roadster. Для сравнения выбраны малолитражные автомобили не сильно различающиеся по весу со спортивным электромобилем. Почему выбран именно спортивный вариант электромобиля? — Потому что мы все знаем «прожорливость» спортивных автомобилей и, таким образом, выбрав Tesla Roadster для сравнения, даем фору другим участникам нашего исследования.
Поскольку электромобиль в настоящее время является, в основном, средством внутригородской коммуникации, сравнивать будем расход энергии на передвижение в смешанном цикле. Для всех автомобилей были выбраны минимальные цифры расхода топлива (таким образом в нашем исследовании участвуют самые экономичные двигателя из имеющихся в данной линейке версий автомобиля).
Суммарная эффективность переработки, доставки и заправки взята из статьи: «The 21st Century Electric Car» by Martin Eberhard and Marc Tarpenning, Tesla Motors Inc. Wednesday, July 19, 2006.
Теплота сгорания различных видов топлива взята из книги: «А. Енохович. Справочник по физике и технике. Москва, 1989». Для бензина теплота сгорания принята 30. 8 Мдж/л, для дизтоплива — 36,3 МДж/л, водород 120 МДж/кг, природный газ — 45 МДж/кг.
Для водородных топливных элементов получение водорода принято, исходя из наиболее недорогой технологии производства — путем окисления метана природного газа парами воды эффективность данного метода около 61% (на весь процесс от добычи природного газа до заправки в бак автомобиля). Хочу отметить, что в современных установках по электролизу воды КПД процесса составляет чуть более 60%, так что критиков предыдущего метода получения водорода прошу не беспокоиться.
Электроэнергию для зарядки электромобиля можно получить на атомных электростанциях или из возобновляемых источников (при помощи солнечных батарей, гидро- или ветроэлектростанций). Однако трудно рассчитать эффективность этих методов получения электроэнергии, поэтому для рассчетов взята электроэнергия, производимая на ТЭЦ при сжигании природного газа.
Результаты сравнения
Данные расчетов объединены в следующую таблицу:
Сравнительная таблица энергоэффективности различных типов автомобилей
ТехнологияАвтомобильИсходный источник энергииЭффективность переработки, доставки и заправки (суммарно)Расстояние, проходимое на единицу топливаЭнергетическая эффективность автомобиляПолная энергетическая эффективность
Двигатель на природном газе
Honda CNG
Природный газ
86,0%
17,5 км/кг
0,39 км/МДж
0,32 км/МДж
Водородные топливные элементы
Honda FCX
Природный газ
61,0%
84 км/кг
0,7 км/МДж
0,43 км/МДж
Дизельный двигатель
VW Jetta Diesel
Нефть
90,1%
17,2 км/л
0,47 км/МДж
0,42 км/МДж
Бензиновый двигатель
Honda Civic VX
Нефть
81,7%
14,2 км/л
0,46 км/МДж
0,38 км/МДж
Гибридный автомобиль (Бензин/Электро)
Honda Civic Hybrid
Нефть
81,7%
17,3 км/л
0,56 км/МДж
0,46 км/МДж
Электро
Tesla Roadster
Природный газ
52,5%
151 Вт*ч/км
1,84 км/МДж
0,97 км/МДж
Выводы
Уфф. После длительных и нудных объяснений методики расчетов, и приведения результатов, можно переходить к самому интересному — извлечению выводов из имеющейся информации.
Несмотря на довольно жесткую методику рассчетов можно видеть, что суммарная энергоэффективность электромобиля в 2 раза выше ближайших конкурентов — гибридных автомобилей и автомобилей на водородных топливных элементах.
Автомобили с водородными топливными элементами оказались далеко не так хороши, как их рекламируют и активно продвигают. Эффективность самого водородомобиля достаточно высока (0,7 км/МДж — второй результат после электромобиля). Однако ущербность данной технологии показывает суммарная энергоэффективность, сравнимая с эффективностью дизеля при несоизмеримо большей стоимости и сложности.
Энергетическая эффективность самого электромобиля недостижимо высока (1,84 км/МДж) — в этом виноват высокий коэффициент полезного действия электроустановки. Расчеты навевают сомнения в заявленом КПД автомобилей с двигателями внутреннего сгорания — мне неоднократно встречались заявления, что КПД дизельного двигателя достигает 40%, что позволяет говорить о безперспективности электромобилей. Безперспективности из-за того, что суммарная мощность автомобилей превышает суммарную мощность электростанций, и при замене авто- на электро электроэнергии просто не хватит. Возможно, на оптимальных оборотах дизель и имеет 40% КПД, однако, если брать реальные условия, КПД дизеля не дотягивает до 20% (иначе у электромобиля получилось бы КПД 160% — вечный двигатель, однако). Так что для питания электромобилей потребуется в 4 раза меньше энергии при полном замене современного парка автомобилей. Поскольку массовый современный электромобиль — средство внутригородской коммуникации, то об увеличении количества электростанций говорить не приходится. Наоборот, электромобили могут стать важным элементом энергосистемы мира, сглаживая ночное падение потребления электроэнергии.
Надеюсь, читатель почерпнул немного полезных сведений о современном мире транспорта. В публикации затронуто много спорных моментов, методика сравнения достаточно приблизительна. Через пару недель я наконец-то выхожу в долгожданный отпуск. Надеюсь, у меня появится несколько свободных часов, чтобы написать калькулятор эффективности различных видов транспорта. Тогда любой желающий сможет путем собственных расчетов подтвердить (или опровергнуть:) вышеизложенные выводы.
Прикрепленный файлРазмер
21st century EV article447. 58 кб
Общая характеристика метода повышения энергоэффективности
Действенное управление энергоэффективностью транспортных систем, обеспечение долгосрочного сокращения расхода топлива, установление целевых показателей, а также мониторинг выполнения намеченных мероприятий и оценка результатов требуют сбора и анализа данных.
Важным элементом программы, направленной на обеспечение эффективности использования топлива, являются следующие четыре шага:
— организация системы сбора данных;
— обеспечение точности и достоверности собираемых данных;
— очистка и стандартизация данных;
— анализ и интерпретация данных.
Существуют следующие основные варианты сбора данных об использовании топлива:
— сбор данных вручную с последующим занесением в электронную таблицу или базу данных;
— автоматизированный сбор данных от топливных насосов на заправочной стации с загрузкой в электронную таблицу или базу данных;
— использование топливных карт в сочетании с непосредственным анализом данных в системе, поддерживающей применение карт, или выгрузкой данных из системы в электронную таблицу или базу данных;
— мониторинг количества топлива, потребляемого двигателем, при помощи бортовой аппаратуры. Многие современные автомобили, имеющие электронную систему управления двигателем, могут быть оснащены дополнительной системой для сбора такой информации;
— установка расходомера для топлива, подключенного к специализированному бортовому компьютеру, фиксирующему информацию о потреблении топлива.
В сочетании с адекватными методами доступа к данным, а также программным обеспечением два последних варианта в списке позволяют собирать данные об особенностях расхода топлива для отдельных автомобилей или водителей. Кроме того, эти методы позволяют получать информацию о количестве топлива, непосредственного поступившего в двигатель, а не отпущенного из резервуара на заправочной станции. Однако этим подходам присущи и некоторые ограничения – они не позволяют отслеживать баланс объемов топлива на уровне резервуаров и заправочных станций. Так, с их помощью невозможно сопоставить количество топлива, полученное от поставщика, с количеством, использованным для заправки автомобилей.
Кроме того, такой подход является весьма затратным, поскольку вместо одной общей системы мониторинга расхода топлива такая система фактически устанавливается на каждом автомобиле. Поэтому целесообразным может оказаться использование бортовых измерительных систем на отдельных автомобилях в качестве дополнения к системе учета отпуска топлива на заправочной станции, а не в качестве замены такой системы.
Важно сохранять исходные данные (т. расход топлива и пробег) во избежание ошибок при последующих расчетах. Иными словами, при расчете среднего расхода топлива за любой период следует использовать общий пробег и расход топлива за этот период, а не средние значения за меньшие периоды, даже если такие значения были рассчитаны ранее.
На расход топлива влияют следующие основные факторы:
— характеристики самого автомобиля: несомненно, они являются одним из важнейших факторов, определяющих расход топлива (к этим характеристикам относятся, в частности, производитель и модель, спецификации автомобиля, его возраст и состояние, особенности эксплуатации, используемое оборудование и материалы, например, смазочные, аэродинамические свойства и т
— качество вождения: считается, что оно является фактором, в наибольшей степени влияющим на расход топлива. Работа с водителями, которая начинается с этапа подбора и найма персонала, затем продолжает осуществляться по таким направлениям, как обучение, поддержание мотивации и вовлечение в деятельность по повышению энергоэффективности;
— перевозимый груз: важным фактором в этом контексте является общий вес автомобиля с грузом, который может меняться в ходе поездки по мере доставки грузов различным получателям;
— оптимизация размера, формы и размещения в кузове тары с перевозимыми грузами;
— погодные условия: их влияние следует учитывать, сравнивая данные о расходе топлива, собранные в различных условиях. Особенно большое влияние могут оказывать такие явления, как сильный ветер, дождь, снег, гололед и т
— тип дороги: на узких извилистых дорогах расход топлива выше, чем на прямых автострадах с хорошим покрытием. Медленная езда по извилистой дороге в холмистой местности приводит к значительному увеличению расхода топлива даже у самых эффективных автомобилей;
— характеристики топлива. Два основных свойства топлива, значимые в данном контексте – теплота сгорания (зависящая от плотности топлива) и легкость воспламенения.
Можно выделить пять основных элементов мониторинга эффективности использования топлива:
Регулярное измерение расхода топлива: как правило, это подразумевает ведение регулярных (например, еженедельных) записей о расходе топлива каждого автомобиля.
Соотнесение затрат с полезным результатом: как правило, для этой цели используется отношение пробега автомобиля к расходу топлива (выражаемое, например, в км/л), но этот показатель может уточняться при помощи поправочных коэффициентов, вводимых для учета различных факторов. Другие используемые показатели включают, например, расход топлива на тонно-километр (т. расход топлива на перевозку одной тонны полезного груза на расстояние, равное одному километру).
Определение существующего уровня результативности: анализ данных по расходу топлива для автомобилей одного типа, осуществляющих перевозки сходного типа, за период времени, обеспечивающий репрезентативность результата. В итоге получается примерный уровень расхода топлива для каждого типа автомобилей. Следует отметить, что эта величина не является уровнем «эффективного» потребления, но отражает существующее положение дел.
Доведение данных до сведения ответственных лиц: данные по расходу топлива должны регулярно доводиться до сведения лиц, способных тем или иным образом повлиять на эффективность использования топлива. Как правило, к таким лицам относятся водители, инженеры, а также менеджеры среднего и высшего звена.
Принятие мер по сокращению расхода топлива: нередко систематический анализ использования топлива сам по себе приводит к возникновению идей по снижению его расхода. Сопоставление уровней расхода топлива для различных автомобилей с большой вероятностью выявит значительные различия и даже, возможно, некоторые аномалии. Исследование причин этих различий и аномалий способно пролить свет на то, какие подходы к эксплуатации приводят к высокому или низкому расходу топлива. Это, в свою очередь, позволит выделить наилучшие практические подходы, заслуживающие распространения, и неэффективные методы эксплуатации, которые должны быть исключены.
Подобное совершенствование практики эксплуатации и технического обслуживания автомобилей во многих случаях ведет к снижению расхода топлива даже без принятия каких-либо технических мер.
Историческая информация по расходу топлива чрезвычайно полезна при планировании, реализации и оценке мер по энергосбережению. Исходные данные о расходах топлива для каждого автомобиля, а также записи о техническом обслуживании должны храниться на протяжении всего срока его службы.
Для целей обеспечения эффективности использования топлива полезны следующие типичные отчеты:
— баланс объемов топлива на уровне заправочных станций/резервуаров;
— расход топлива по отдельным автомобилям и волдителям;
— сообщения об исключительных ситуациях.
Для целей анализа данные по автомобилям могут группироваться по различным характеристикам последних, например:
— одиночный грузовой автомобиль/тягач с полуприцепом;
— полная масса автомобиля с грузом;
— характер использования.
Данные по водителям также могут группироваться, например, по сменам, типу работы и уровню обучения. Данные могут приводиться по неделям, месяцам или годам.
Полезным является сравнение полученных данных с:
— целевыми показателями;
— данными по предыдущим периодам для анализа тенденций;
— аналогичным периодом прошлого года;
— другими автохозяйствами, с учетом региональных различий и различий в характере деятельности;
— данными по аналогичным автомобилям;
— отраслевыми средними и ориентирами (например, результатами испытаний и опубликованными таблицами).
Полученные данные могут использоваться, как минимум, следующими категориями лиц:
— высшим руководством (краткий обзор, сводки и сообщения об исключительных ситуациях);
— руководством транспортных подразделений (инициативы по снижению расхода топлива, изучение ситуации, индивидуальная оценка работы водителей);
— лицами, ответственными за подготовку учебных программ и обучение водителей (планирование учебной программы, направленной на сокращение расхода топлива; обсуждения с водителями призванные побудить их к самостоятельному отслеживанию качества их работы);
— инженерно-техническим персоналом (мониторинг и анализ данных по расходу топлива).
Существует множество аспектов использования топлива, которые могут быть положены в основу показателей результативности и целевых показателей (определения задач). Простейшими в применении являются показатели, оценка которых не связана со сложностями и слабо зависит от разнообразных внешних факторов. Так, потери топлива между получением от поставщика и заправкой автомобилей могут быть легко оценены на основе баланса объемов. Соответствующие данные могут фиксироваться на еженедельной основе, и может быть введено требование об обязательном проведении расследования в случае потерь, превышающих заданный уровень, и устранении причин этих потерь.
Более сложные меры могут приниматься на основе данных по расходу топлива для конкретных автомобилей. Простейший подход состоит в том, чтобы оценить существующий уровень расхода топлива и поставить задачу его снижения на определенную величину. Однако этот метод, основанный на фактически достигнутых показателях, не учитывает того, какой уровень эффективности является достижимым в принципе.
Если маршруты, загрузка автомобилей и другие параметры являются в значительной степени постоянными, можно задать стандартные уровни расхода топлива для конкретных маршрутов, используя данные лучшего водителя в качестве целевых показателей для всех остальных водителей. Очевидно, однако, что такой подход не учитывает сезонных и других внешних факторов, вследствие чего его применение требует тщательной интерпретации данных.
Более сложный подход состоит в использовании такого показателя, как энергоемкость перевозок. Для грузового транспорта эта величина определяется как отношение затрат топлива к произведению массы перевезенных грузов и прогона. Как правило, эта величина измеряется в литрах на тонно-километр.
Сокращение расхода топлива непосредственно связано со снижением воздействия на окружающую среду, поскольку оно ведет к снижению выбросов парниковых газов и других вредных веществ.
Стиль вождения, обеспечивающий эффективное использование топлива, отличается также более высоким уровнем безопасности и меньшими нагрузками на трансмиссию, тормоза и покрышки. Поэтому переход к такому стилю может также привести к снижению затрат, связанных с ДТП, техническим обслуживанием, ремонтом и простоями.
Некоторые операторы даже демонстрируют достигнутое снижение расхода топлива в качестве результата экологической деятельности.
Условием результативной программы по повышению эффективности использования топлива является интенсивный обмен информацией между водителями и руководством. Хорошая организация этого процесса может привести к дополнительным положительным результатам, поскольку в процессе взаимодействия может быть достигнут более высокий уровень взаимопонимания и устранены некоторые барьеры. Некоторые организации используют вопросы эффективного использования топлива в качестве отправной точки для изменения культуры водителей.
Данный подход может применяться в организациях, располагающих парком грузовых автомобилей.
Оценка совокупной энергетической эффективности автотранспортных перевозок на основе понятия «полезной работы». Эффективность использования моторного топлива, автотранспортного средства и перевозочного процесса. Показатели ресурсной эффективности.
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Критерии энергетической эффективности автотранспорта
Ларюшкин-Железный — д-р хим. наук, проф
Блохин — аспирант
Проведены оценки совокупной энергетической (ресурсной) эффективности автотранспортных перевозок на основе понятия «полезной работы» при перевозке — доли работы по преодолению сопротивления внешней среды, равной доле полезной нагрузки в общей массе автотранспортного средства (АТС). Оценка энергетической эффективности проведена на трех уровнях: эффективность использования моторного топлива, эффективность использования АТС и эффективность перевозочного процесса в целом. Полученные значения совокупной энергетической эффективности находятся в пределах от единиц до десятых долей процента.
Generalized resource effectiveness of motor transport in terms of cumulative energy consumption is evaluated on the base of conception of “useful work”. This is defined as the part of the work done by motorcar to overcome the environment resistance to motion (road, air, gravity, inertia). Three levels of effectiveness are defined and evaluated: effectiveness of motor fuel use, of motor car use, and of transportation process in general. The data obtained demonstrate rather low effectiveness of motor transport: the range is ~ 9 ч 0,5 %.
Автотранспорт в некоторых странах совершает более 2/3 грузопассажирских перевозок; на моторное топливо расходуется большая часть добываемой в мире нефти. Королевская роль автотранспорта в современной экономике обусловлена его удобством — возможностью быстрой доставки грузов и пассажиров почти в любую точку суши. Однако с точки зрения использования природных ресурсов автотранспорт является весьма расточительным средством передвижения.
Нами проведена оценка ресурсной эффективности автотранспорта на трех уровнях: на уровне использования моторного топлива, на уровне использования автотранспортного средства (АТС) и на уровне перевозочного процесса в целом. Для оценки эффективности использовались энергетические критерии, сформулированные на основе физического понятия «полезной работы» при перевозке грузов. Введенное нами понятие «полезной работы» не связано напрямую с «тонно-километрами» перевозок — величиной, обычно используемой в настоящее время при экономической оценке эффективности грузоперевозок.
Полезную работу (Рпол) при грузоперевозке определим как работу по преодолению неизбежного сопротивления внешней среды с учетом относительно массы перевозимого груза
Рпол = m /М ?Fсос dL, (1)
где Fсос — сила сопротивления внешней среды при движении АТС; dL — элемент проходимого пути; m — масса груза; М — полная масса АТС с грузом. Сопротивление внешней среды, которое считается «неизбежным», складывается из трения качения колес по дороге (Fкач), сопротивления воздуха (Fвзд), противодействия сил тяжести (Fтяж) при подъеме в гору и противодействия сил инерции (Fинц) при ускорении АТС
Fсос = Fкач + Fвзд + Fтяж + Fинц. (2)
Последние две составляющие в (2) могут иметь отрицательный знак (при спуске с горы и при движении по инерции, соответственно).
«Относительную эффективность использования моторного топлива» (зтп) определим как отношение полезной работы конкретного АТС за его жизненный цикл или более короткий отрезок времени к эксергии расходуемого моторного топлива за тот же период
зтп = Рпол / mтНu, (3)
где Нu — теплотворная способность моторного топлива, mт — масса топлива и моторного масла, израсходованных за рассматриваемый период.
«Совокупную относительную эффективность использования АТС» (зтн) определим как отношение полезной работы, совершаемой транспортным средством за весь период его эксплуатации, к совокупному потреблению эксергии за весь жизненный цикл АТС (Еатс). Величина Еатс включает в себя совокупные энергетические затраты, связанные с производством АТС, техническим обслуживанием, текущим и капитальным ремонтом АТС в период эксплуатации, расходом моторного топлива за весь пробег и т
зтн = Рпол / Еатс. (4)
«Совокупную относительную эффективность перевозочного процесса» (зтэ) определим как отношение полезной работы за весь период эксплуатации АТС к сумме совокупных затрат эксергии на создание и эксплуатацию и самого АТС (Еатс), и некоторой доли (i) транспортной инфраструктуры, которая может быть условно отнесена к данному АТС:
зтэ = Рпол/(Еатс + iЕи), (5)
где Еи — совокупные затраты эксергии на создание и поддержание транспортной инфраструктуры (дорог, автозаправочных станций и т.
Если оценка величины Еатс не вызывает принципиальных затруднений, то оценка значений Еи, i в (5) неизбежно связана с некоторой условностью. В качестве одного из возможных вариантов можно предложить такое формальное определение этих величин: Еи — совокупное потребление эксергии на поддержание и развитие транспортной инфраструктуры региона, где используется АТС, за период эксплуатации последнего, i — отношение собственной массы АТС к средней (за период эксплуатации данного АТС) суммарной массе автотранспортного парка региона. Такое определение величин Еи, i, с одной стороны, учитывает изменение транспортной инфраструктуры и автопарка региона со временем, с другой — отражает тот факт, что нагрузка на транспортную инфраструктуру от конкретного АТС (в частности, износ дорожного покрытия) возрастает с массой последнего.
Примерные значения энергетических показателей ресурсной эффективности автотранспорта
Категория автотранспортных средств
Показатель ресурсной эффективности
зтп, %
зтн, %
зтэ, %
Грузовой автотранспорт
5 ч 9
1,5 ч 3
1 ч 2
Легковой автотранспорт
2 ч 5
0,7 ч 1,5
0,5 ч 1
энергетический ресурсный эффективность автотранспортный
Следует отметить, что приведенные значения величины зтп ниже средних значений эффективного теплового КПД двигателей внутреннего сгорания, это связано в основном с тем, что полезной работой, согласно определению по (1), считается лишь часть общей работы по преодолению сопротивления внешней среды, пропорциональная доле полезной нагрузки в полной массе АТС.
В заключение позволим себе высказать крамольное мнение по поводу перспектив развития автотранспорта. Возможно, многим такая точка зрения покажется одиозной, но, на наш взгляд, «всеобщая автомобилизация населения», проводимая в настоящее время в «развивающихся» странах (странах БРИК и др. ), — это путь в никуда, точнее, прямой путь к экологической и экономической пропасти, по которому человечество несется, «очертя голову, закусив удила, закрыв на все глаза и надеясь на авось». «American dream» — когда у каждой семьи несколько автомобилей, свой загородный дом и т. — эта мечта в принципе недостижима для всего населения Земли: ресурсы закончатся и эколого-экономическая катастрофа произойдет раньше. Уже сейчас, например, в г. Москве «не пройти и не продохнуть» от легковых автомобилей, в прямом и переносном смысле. По оценкам МАДИ, Москва ежегодно теряет «в автомобильных пробках» порядка 40 млрд долл. США, это не считая нервов и здоровья водителей и населения.
Вот почему строительство многочисленных автозаводов по сборке импортных легковых автомобилей в развивающихся странах — это выгодный бизнес для автопроизводителей развитых стран-экспортеров, но едва ли разумная экономическая политика для самих развивающихся стран. Крах американского автогиганта «General Motors» — это лишь первая ласточка, точнее, «первая фишка» падения домино мирового автопроизводства. Что может прийти на смену современному легковому автомобилю? Об этом сейчас можно только догадываться. Но это может прийти достаточно скоро и совсем неожиданно.
Стуканов В. Основы теории автомобильных двигателей и автомобиля. — М. : ФОРУМ: ИНФРА-М, 2005. 368 с.
Луканин В. , Трофименко Ю. Промышленно-транспортная экология. /Под ред. Луканина. — М. : Высшая школа, 2002. 273 с.
Немчинов М. , Систер В. , Силкин В. Охрана окружающей природной среды при проектировании и строительстве автомобильных дорог. — М. : Изд-во АСТ, 2004. 240 с.
Григорьев М. , Долгов А. , Уваров С. Логистика. — М. : Гардарики, 2007. 475 с.
Размещено на Allbest