Еволюція потужності: від волів до атомних станцій

Зліт у великому літаку – це захопливо. При повній вазі майже 400 тонн Boeing 747 потребує 90 мегават потужності, щоб піднятися в повітря. Зліт – це найвимогливіша частина польоту, і після досягнення крейсерської висоти споживання енергії зменшується приблизно вдвічі.

Потужні двигуни також використовувалися для руху могутнього судна «Queen Mary», спущеного на воду в 1934 році. Цей 81 000-тонний океанський лайнер довжиною 300 метрів був оснащений чотирма паровими турбінами загальною потужністю 160 000 кінських сил (120 мегават). Корабель перевозив 3000 осіб і рухався зі швидкістю 28,5 вузлів (52 км/год). «Queen Mary» зараз є музеєм у Лонг-Біч, Каліфорнія.

У таблиці нижче ілюструється винахідливість людини у прагненні до влади, шляхом порівняння вола доісторичних часів з новішими джерелами енергії, доступними під час промислової революції, із сучасними супердвигунами, потужність яких, здавалося б, необмежена.

Таблиця 1: Стародавні та сучасні джерела енергії

Таблиця 1: Стародавні та сучасні джерела енергії

Обмеження акумуляторів у порівнянні з ДВЗ

Великі рушійні системи можливі лише з двигунами внутрішнього згоряння (ДВЗ), а викопне паливо служить дешевим і рясним енергетичним ресурсом. Низьке співвідношення енергії до ваги з точки зору чистої теплотворної здатності (ЧТЗ) ставить акумулятор у конкуренцію могутнім ДВЗ, як Давид і Голіаф. Акумулятор є слабшим судном і чутливий до екстремальної спеки та холоду; він також має відносно короткий термін служби.

У той час як викопне паливо забезпечує ЧТЗ 12 000 Вт·год/кг, літій-іонний акумулятор забезпечує лише від 70 до 260 Вт·год/кг залежно від хімічного складу. Навіть за низької ефективності, близько 30 відсотків, ДВЗ перевершує найкращий акумулятор за співвідношенням енергії до ваги. Ємність акумулятора має збільшитися в 20 разів, перш ніж він зможе конкурувати з викопним паливом.

Акумулятори LiFePO4

Надійні літій-залізо-фосфатні акумулятори для сонячних та резервних систем.

LiFePO4 Sacred Sun SCIFP1250 (12В, 50Аг)

Компактний акумулятор із вбудованим BMS для безпечної роботи у сонячних та резервних системах.

Купити

 LiFePO4 Victron Lithium SuperPack 12.8В 100Аг

Сучасна літій-залізо-фосфатна батарея (LiFePO4) з вбудованим BMS і захистом від перевантаження

Купити

LiFePO4 Victron Smart Battery 12.8V/100Ah 

 Високоякісне джерело енергії з довгим терміном служби, високою безпекою та сумісністю з екосистемою Victron Energy

Купити

Подивитися більше

Ще одним обмеженням акумуляторного двигуна порівняно з викопним паливом є його вага. Хоча вага зменшується під час споживання, акумулятор має однакову вагу незалежно від того, повністю заряджений він чи розряджений. Це обмежує запас ходу електромобіля та робить електричний літак непрактичним. Крім того, двигун внутрішнього згоряння забезпечує повну потужність при мінусових температурах, працює в жаркому кліматі та продовжує добре працювати з віком. Це не стосується акумулятора, оскільки кожен наступний розряд забезпечує трохи менше енергії, ніж попередній цикл.

Живлення від первинних батарей

Енергія від неакумуляторної батареї є однією з найдорожчих форм електропостачання з точки зору вартості за кіловат-годину (кВт·год). Первинні батареї використовуються для малопотужних пристроїв, таких як наручні годинники, пульти дистанційного керування, електричні ключі та дитячі іграшки. Військові в бойових умовах, світлові маяки та дистанційні ретрансляційні станції також використовують первинні батареї, оскільки заряджання недоцільне. У картках нижче наведено оцінку потужності та вартості за кВт·год первинних батарей. Одноразове використання робить енергію, що зберігається в первинних батареях, дорогою; вартість зменшується зі збільшенням розміру батареї.

Живлення від вторинних батарей

Електрична енергія від акумуляторних батарей економічніша, ніж від первинних, проте вартість за кВт·год не є повною без розгляду загальної вартості володіння. Це включає вартість циклу, термін служби, остаточну заміну та утилізацію. Хоча літій-іонні дорожчі за свинцево-кислотні, вартість циклу зарядки/розрядки може бути меншою. Нікель-кадмієві працюють за екстремальних температур, мають найкращий термін служби та витримують надшвидку зарядку з невеликим навантаженням.

Таблиця 3: Порівняння енергії та вартості акумуляторних батарей.
 

Живлення з інших джерел

Щоб зменшити споживання викопного палива та знизити викиди, уряди та приватний сектор вивчають альтернативні джерела енергії. У таблиці 4 порівнюється вартість виробництва 1 кВт електроенергії, що включає початкові інвестиції, споживання палива, технічне обслуговування та подальшу заміну.

Таблиця 4: Вартість виробництва 1 кВт енергії.

* Амортизація інвестицій, що дає 200 сонячних днів по 5 годин на день; зниження виробництва з віком не враховується.

Електроенергія з електромережі є найбільш економічно ефективною. Споживачі платять від 0,06 до 0,40 доларів США за кВт⋅год, без додаткових витрат на обслуговування або необхідності заміни застарілого енергетичного обладнання; постачання є безперервним. (Типове щоденне споживання енергії на одне домогосподарство на Заході становить 25 кВт.)

Постачання дешевої електроенергії змінюється, коли енергію необхідно зберігати в акумуляторі, як у випадку із сонячною системою, яка живиться від акумулятора та в електричному силовому агрегаті. Висока вартість акумулятора та відносно короткий термін служби можуть подвоїти вартість електроенергії, якщо вона постачається від акумулятора. Бензин (та еквівалент) є найекономічнішим рішенням для мобільності.

Паливний елемент є найефективнішим у перетворенні палива в електроенергію, але висока вартість обладнання робить це джерело енергії дорогим з точки зору вартості за кВт⋅год. Практично у всіх застосуваннях електроенергія з паливного елемента значно дорожча, ніж з традиційних методів.

Людське тіло як джерело енергії

Наші тіла також споживають енергію, і активній людині потрібно 3500 калорій на день, щоб залишатися у формі. Це приблизно відповідає 4000 ватам за 24 години (1 харчова калорія = 1,16 ват-години). Ходьба проїжджає людину приблизно 40 км на день, а велосипед збільшує відстань у чотири рази до 160 км. З'ївши дві картоплини та ковбасу на обід, велосипедист проїжджає 60 км, що є моїм хобі. Не вся енергія йде лише до м'язів, мозок споживає близько 20 відсотків нашого споживання. 

Людський організм дивовижно ефективно перетворює їжу на енергію; можна було б подумати, що обід з картоплі та ковбаси навряд чи зможе так довго підтримувати роботу ноутбука. У таблиці 5 наведено накопичену енергію калорій, білків та жирів у ват-годинах та джоулях.

* Калорія визначає рівень енергії, який їжа забезпечує організмом. Кілокалорії на упаковках харчових продуктів та пов’язана з ними інформація про харчову цінність зазвичай публікуються в розділі «Калорії з великої літери «К». Приклад: 800 калорій на етикетці харчового продукту по суті є 800 кілокалорій. У таблиці 5 нижче використовується офіційний стандарт 1,16 мВт·год/кал.

Порівняння енергоефективності транспорту

У таблиці 6 порівнюються розрахункові показники потужності та енергії на пасажира/кілометр для завантаженого Boeing 747, списаного океанського лайнера Queen Mary, позашляховика, що витрачає багато пального, підтягнутої людини на велосипеді та пішохідної ходьби.

Таблиця 6: Потреби в енергії різних видів транспорту.

Повітряний транспорт споживає найменше енергії на пасажиро-км при високошвидкісному транспортуванні; човен ефективний для перевезення повільних тоннажів, але велосипед має абсолютно найнижче споживання енергії.