Эволюция мощности: от волов до атомных станций

Взлет на большом самолете – это захватывающе. При полном весе почти в 400 тонн Boeing 747 требуется 90 мегаватт мощности, чтобы подняться в воздух. Взлет – самая энергозатратная часть полета, и после достижения крейсерской высоты потребление энергии уменьшается примерно вдвое.

Мощные двигатели также использовались для приведения в движение величественного судна «Queen Mary», спущенного на воду в 1934 году. Этот 81 000-тонный океанский лайнер длиной 300 метров был оснащен четырьмя паровыми турбинами общей мощностью 160 000 лошадиных сил (120 мегаватт). Корабль перевозил 3000 человек и двигался со скоростью 28,5 узлов (52 км/ч). «Queen Mary» сейчас является музеем в Лонг-Бич, Калифорния.

В таблице ниже показана изобретательность человека в стремлении к мощности, путем сравнения вола доисторических времен с более новыми источниками энергии, доступными во время промышленной революции, и с современными супердвигателями, мощность которых, казалось бы, безгранична.

Таблица 1: Древние и современные источники энергии

Ограничения аккумуляторов по сравнению с ДВС

Крупные двигательные системы возможны только с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), а ископаемое топливо служит дешевым и обильным энергетическим ресурсом. Низкое соотношение энергии к весу с точки зрения низшей теплоты сгорания (НТС) ставит аккумулятор в конкуренцию с мощными ДВС, как Давида и Голиафа. Аккумулятор — более слабое звено, он чувствителен к экстремальной жаре и холоду, а также имеет относительно короткий срок службы.

В то время как ископаемое топливо обеспечивает НТС 12 000 Вт·ч/кг, литий-ионный аккумулятор обеспечивает всего от 70 до 260 Вт·ч/кг в зависимости от химического состава. Даже при низкой эффективности, около 30 процентов, ДВС превосходит лучший аккумулятор по соотношению энергии к весу. Емкость аккумулятора должна увеличиться в 20 раз, прежде чем он сможет конкурировать с ископаемым топливом.

Аккумуляторы LiFePO4

Надежные литий-железо-фосфатные аккумуляторы для солнечных и резервных систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Ач)

Компактный аккумулятор с встроенным BMS для безопасной работы в солнечных и резервных системах.

Купить

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Современная литий-железо-фосфатная батарея (LiFePO4) со встроенным BMS и защитой от перегрузки

Купить

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

Высококачественный источник энергии с длительным сроком службы, высокой безопасностью и совместимостью с экосистемой Victron Energy

Купить

Посмотреть больше

Еще одним ограничением аккумуляторного двигателя по сравнению с ископаемым топливом является его вес. В то время как вес топлива уменьшается по мере потребления, аккумулятор имеет одинаковый вес независимо от того, полностью он заряжен или разряжен. Это ограничивает запас хода электромобиля и делает электрический самолет непрактичным. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания обеспечивает полную мощность при отрицательных температурах, работает в жарком климате и продолжает хорошо работать с возрастом. Это не относится к аккумулятору, поскольку каждый последующий разряд обеспечивает немного меньше энергии, чем предыдущий цикл.

Питание от первичных батарей

Энергия от неперезаряжаемой батареи является одной из самых дорогих форм электроснабжения с точки зрения стоимости за киловатт-час (кВт·ч). Первичные батареи используются для маломощных устройств, таких как наручные часы, пульты дистанционного управления, электрические ключи и детские игрушки. Военные в боевых условиях, световые маяки и удаленные ретрансляционные станции также используют первичные батареи, поскольку зарядка нецелесообразна. В карточках ниже приведена оценка мощности и стоимости за кВт·ч для первичных батарей. Одноразовое использование делает энергию, хранящуюся в первичных батареях, дорогой; стоимость уменьшается с увеличением размера батареи.

Питание от вторичных батарей

Электроэнергия от аккумуляторных батарей экономичнее, чем от первичных, однако стоимость за кВт·ч не является полной без учета общей стоимости владения. Это включает стоимость цикла, срок службы, окончательную замену и утилизацию. Хотя литий-ионные аккумуляторы дороже свинцово-кислотных, стоимость цикла зарядки/разрядки может быть ниже. Никель-кадмиевые работают при экстремальных температурах, имеют лучший срок службы и выдерживают сверхбыструю зарядку с небольшой нагрузкой.

Питание от других источников

Чтобы уменьшить потребление ископаемого топлива и снизить выбросы, правительства и частный сектор изучают альтернативные источники энергии. В таблице 4 сравнивается стоимость производства 1 кВт электроэнергии, что включает первоначальные инвестиции, потребление топлива, техническое обслуживание и последующую замену.

* Амортизация инвестиций, из расчета 200 солнечных дней по 5 часов в день; снижение выработки с возрастом не учитывается.

Электроэнергия из электросети является наиболее экономически эффективной. Потребители платят от 0,06 до 0,40 долларов США за кВт·ч, без дополнительных затрат на обслуживание или необходимости замены устаревшего энергетического оборудования; поставка является непрерывной. (Типичное ежедневное потребление энергии на одно домохозяйство на Западе составляет 25 кВт).

Поставка дешевой электроэнергии меняется, когда энергию необходимо хранить в аккумуляторе, как в случае с солнечной системой, питающейся от аккумулятора, и в электрическом силовом агрегате. Высокая стоимость аккумулятора и относительно короткий срок службы могут удвоить стоимость электроэнергии, если она поставляется от аккумулятора. Бензин (и эквивалент) является самым экономичным решением для мобильности.

Топливный элемент является самым эффективным в преобразовании топлива в электроэнергию, но высокая стоимость оборудования делает этот источник энергии дорогим с точки зрения стоимости за кВт·ч. Практически во всех применениях электроэнергия из топливного элемента значительно дороже, чем из традиционных методов.

Человеческое тело как источник энергии

Наши тела также потребляют энергию, и активному человеку нужно 3500 калорий в день, чтобы оставаться в форме. Это примерно соответствует 4000 ваттам за 24 часа (1 пищевая калория = 1,16 ватт-часа). Ходьба позволяет человеку пройти около 40 км в день, а велосипед увеличивает расстояние в четыре раза до 160 км. Съев две картофелины и колбасу на обед, велосипедист проезжает 60 км, что является моим хобби. Не вся энергия идет только в мышцы; мозг потребляет около 20 процентов нашего потребления.

Человеческий организм удивительно эффективно преобразует пищу в энергию; можно было бы подумать, что обед из картофеля и колбасы вряд ли сможет так долго поддерживать работу ноутбука. В таблице 5 приведена накопленная энергия калорий, белков и жиров в ватт-часах и джоулях.

* Калория определяет уровень энергии, который пища обеспечивает организму. Килокалории на упаковках пищевых продуктов и связанная с ними информация о пищевой ценности обычно публикуются в разделе «Калории с большой буквы «К». Пример: 800 калорий на этикетке пищевого продукта по сути являются 800 килокалориями. В таблице 5 ниже используется официальный стандарт 1,16 мВт·ч/кал.

Сравнение энергоэффективности транспорта

В таблице 6 сравниваются расчетные показатели мощности и энергии на пассажира/километр для загруженного Boeing 747, списанного океанского лайнера Queen Mary, внедорожника, расходующего много топлива, подтянутого человека на велосипеде и пешей ходьбы.

Воздушный транспорт потребляет меньше всего энергии на пассажиро-километр при высокоскоростной транспортировке; лодка эффективна для перевозки медленных грузов, но велосипед имеет абсолютно самое низкое потребление энергии.

Велосипед является, безусловно, самым эффективным видом транспорта. Сравнивая велосипед с автомобилем, велосипедист потребляет всего 0,4 литра топлива на 100 км (630 миль на галлон). Ходьба также эффективна; она использует около 1 литра на 100 км (228 миль на галлон). Проблема с автономным движением заключается в ограниченном запасе хода до наступления усталости.

Что касается потребления энергии, автомобили являются одним из наименее эффективных видов транспорта. Большинство двигателей внутреннего сгорания используют только 25 процентов чистой теплотворной способности топлива для движения. Математика выглядит еще хуже, если учесть вес транспортного средства и одного пассажира – водителя. Соотношение машины к человеку составляет примерно десять к одному, а на большом транспортном средстве оно выше. При разгоне 1,5-тонного транспортного средства менее 2 процентов энергии перемещает водителя весом 75 кг (165 фунтов), его портфель и сумку с обедом; 98 процентов уходит на тепло и трение. Даже современный реактивный самолет имеет лучшую топливную эффективность, чем автомобиль. Загруженный Airbus 340 тратит 3,4 л/100 км (70 миль на галлон), двигаясь со скоростью 950 км/ч (594 мили в час).

Поезда являются одним из самых эффективных видов транспорта. 36-километровая кольцевая линия Яманотэ, соединяющая основные городские центры Токио, перевозит 3,5 миллиона пассажиров в день. В час пик 11-вагонный поезд курсирует каждые 150 секунд. Такой пассажиропоток был бы немыслим для частных автомобилей на городских улицах.

Современные поезда менее навязчивы для перевозки людей и товаров, чем автострады. Построение эффективных систем общественного транспорта вернуло бы города людям, которые являются их законными владельцами. Самые желанные города были построены до появления автомобиля, поскольку конструкторы заботились о благополучии людей. Поезда также экономичны для перевозки грузов. Перевозка одной тонны груза тратит всего 0,65 литра топлива на 100 км (362 мили на галлон).