Sila, energia a spotreba; ŠKOLA MOBILITY; udržateľne mobilný
ČO SA NAUČÍTE
Výkon, energia a spotreba
Ako efektívne alebo zbytočne využívajú rôzne typy vozidiel energiu? Aký je najefektívnejší spôsob, ako sa dostať z bodu A do bodu B bez námahy? Väčšina ľudí sa môže týkať PS. Čo však znamenajú kilowatthodiny a kilowatty v elektromobile?
Kapitola „Základy elektromobility“ poskytuje prehľad jednotiek týkajúcich sa elektrických automobilov. Výkon motora sa udáva v kilowattoch (kW). Skladovacia kapacita batérie a spotreba majú zvyčajne jednotku kilowatthodinu (kWh). Pri nabíjaní sa rozlišuje striedavý prúd (AC) a jednosmerný prúd (DC). Sila nabíjacej stanice sa udáva aj v kilowattoch.
Elektrický motor nemá žiadny zdvihový objem. Nie sú tam žiadne valce, ani tlak oleja, ani pomer vstrekovania. Záverom je, že elektromobil je oveľa ľahšie pochopiteľný, aj keď kľúčové postavy a jednotky nie sú stále známe.
moc
„Moje nové BMW radu 3 má šesť valcov a 200 koní!“ Pri tomto vyhlásení má väčšina z nich v mysli predstavu o tom, čo auto robí. Aj keď len veľmi málo ľudí hovorí „Môj nový Nissan Leaf má 110 kW a 40 kWh batériu!“ môže niečo začať.
BMW znie akosi potentnejšie, a napriek tomu pravdepodobne po začiatku semaforu potiahne krátku slamku proti Nissanu. Pretože u elektrických pohonov dostávajú čísla nový význam.
Dole trochu riedke
V prípade spaľovacieho motora sa výkon udáva v HP alebo v kW. V prospekte je vždy niečo ako „pri 3 000 ot./min.“. Pretože spaľovací motor - bez ohľadu na to, či ide o benzín, naftu alebo plyn - má problém. Aby mohla rozvinúť svoju silu, potrebuje určitú rýchlosť. Ak sa točí príliš pomaly, ťažko vyvinie akúkoľvek silu. Preto potrebuje manuálnu alebo automatickú prevodovku. Ak pri štartovaní nebudete dávať pozor, odstavíte motor. Sila vyvinutá motorom nestačí na pohyb vozidla. Namiesto odvalenia sa motor zastaví a zhasne.
Zatiaľ čo nafta vyvíja svoj výkon pri relatívne nízkych otáčkach, benzínové motory zvyčajne potrebujú vyššie otáčky. Elektromotor to vlastne nezaujíma. Pretože dokáže vyvinúť svoj plný výkon takmer v celom rozsahu rýchlostí a dokonca aj z pokoja. Preto elektromobily nemajú ani spojku, ani manuálnu alebo automatickú prevodovku.
A preto údajne slabší Nissan necháva BMW na semafore. Pretože zatiaľ čo motor BMW najskôr dosiahne rýchlosť a musí prenášať silu na vozovku prostredníctvom spojky alebo automatickej prevodovky, elektromotor poháňa nápravu so všetkou silou priamo.
Prečo neexistujú dvojtaktné skrutkovače?
Sila, ktorú môže motor vyvinúť na os, sa nazýva krútiaci moment. Krútiaci moment je udávaný v newtonmetroch (Nm). A to je tu kľúčová hodnota. Je to tak preto, lebo spaľovací motor dosahuje plný krútiaci moment pri relatívne malom rýchlostnom okienku. Vyvinuli sme veľa úsilia a úsilia, aby sme toto okno čo najviac zväčšili pre spaľovací motor. Elektromotor má plný krútiaci moment od nulových otáčok za minútu takmer v celom svojom rozsahu otáčok - jednoducho preto, že dokáže. Preto môžete použiť dobrý akumulátorový skrutkovač na veľmi rýchle zatáčanie a vypínanie tuhých skrutiek.
Ak by bol skrutkovač vybavený spaľovacím motorom, bolo by ho treba najskôr nastaviť na rýchlosť, aby sa potom so spojkou a prevodovkou dostal späť na požadovanú rýchlosť. Preto nie sú k dispozícii akumulátorové skrutkovače a dvojtaktné skrutkovače.
energie
Potrebuje energiu, aby sa niečo otočilo. Táto energia môže pochádzať z koňa, ktorý ťahá vozík. Energiu môžeme prenášať na koleso bicykla pomocou pedálov a reťaze. Kone aj ľudia získavajú energiu z potravy. Veľmi surovým spôsobom sa dá povedať, že telo spaľuje cukor a kyslík vo svaloch a vytvára oxid uhličitý a energiu. Účinnosť u ľudí sa pohybuje okolo 25 percent. To znamená, že 25 percent použitej energie - napríklad vo forme cukru - sa skutočne premení na pohyb. Zvyšok sa stráca ako teplo. Ak sa posnažíme, naštartuje sa náš chladič a my sa začneme potiť.
Ak telo už nie je zásobované energiou prostredníctvom potravy a všetky zásoby sa spaľujú, ľudský stroj sa zastaví. Až do vyčerpania paliva dýchacích svalov a srdcového svalu.
Ľudia sa naučili využívať inú energiu ako svalovú silu. Po tisícročia poháňali vietor a voda mlyny a pumpy ako prírodné zdroje energie.
Oheň pre pohyb
Vďaka vynálezu parného stroja na začiatku 18. storočia sa ľuďom podarilo premeniť energiu ohňa na pohyb. Tento vynález zmenil všetko a bol začiatkom priemyselnej revolúcie. V parnom stroji ohrieva drevo alebo uhlie rýchlovarnú kanvicu. Vodná para vriacej vody sa rozširuje, takže para môže uviesť piest do pohybu. Ventily v pieste vytvárajú pohyb tam a späť. Tento pohyb sa potom pomocou planetového prevodu premení na rotačný pohyb.
Účinnosť parného stroja je katastrofa. Wattov parný stroj dosiahol iba tri percentá. 97 percent energie použitej vo forme dreva alebo uhlia sa preto „stratí“ ako teplo.
Energia zostáva energiou
Prečo je „stratený“ v úvodzovkách? Pretože keď sa pozriete pozorne, energia sa nestratí. Energia sa iba premieňa. Chemická energia uložená v cukre sa premieňa na kinetickú energiu a tepelnú energiu. Chemická energia uložená v dreve a uhlí, premení parný stroj na malý pohyb a veľa tepla. Pretože parný stroj je o pohybe, tepelná energia je z veľkej časti zbytočná, a preto sa v bežnom jazyku hovorí, že energia sa „stráca“.
Otto a Diesel
Na konci 19. storočia prišiel okrem iných aj Nicolaus August Otto s myšlienkou priameho použitia sily ohňa na vytvorenie pohybu. Takže bez toho, aby ste prechádzali parou. Namiesto pomalého spaľovania potrebuje výbuch. Na to, aby sa piest dal do pohybu, stačí v komore dostatočne náhle expandovať palivo. Drevo a uhlie neprichádzali do úvahy. Ak však zmiešate svetelný plyn so vzduchom a zapálite ho iskrou, náhle zhorí pri výbuchu. Týmto spôsobom sa spaľuje aj alkohol, petrolej a benzín.
Rolovacie ohrievače
Tieto spaľovacie motory boli nielen výkonnejšie ako parné stroje, ale mohli byť vyrobené aj oveľa menšie, boli spoľahlivejšie, oveľa flexibilnejšie a ľahšie ovládateľné. V uliciach už boli vozidlá na parný pohon. Ale nastupovanie a rozjazd neboli možné. Koniec koncov, v kotle sa najskôr musela vytvárať para. Hodiny pred odchodom ste teda museli pod kanvicou urobiť oheň. Potom v roku 1886 dostal Gottlieb Daimler geniálny nápad nainštalovať do cestného vozidla výbuchový motor - zrod automobilu.
Výbuchový motor bol tiež oveľa efektívnejší ako parný stroj. Stále sa však viac ako 90 percent energie stratilo ako teplo. Navyše výbuchový motor mal spočiatku problém s napájaním. Pretože prvotné motory nemohli generovať takmer toľko energie - teda výkonu - ako parný stroj. Zaoceánske lode a lokomotívy preto spočiatku jazdili s parou.
Viac ako 130 rokov výskumu a vývoja sa v súčasnosti týka spaľovacích motorov. Vďaka tomu je spaľovanie čistejšie a efektívnejšie. Jeden liter benzínu, nafty alebo benzínu vám dnes dá oveľa viac pohybu ako vtedy. Aj napriek tomu spaľovacie motory stále produkujú hlavne teplo. Niektoré motory dosahujú na testovacej stolici účinnosť 40 percent - ale v každodennom živote je to v priemere iba 20 percent. Autá so spaľovacím motorom sú preto predovšetkým valivé ohrievače.
Pohyb z elektriny
Na začiatku 19. storočia objavil dánsky fyzik Hans Christian Ørsted magnetický efekt elektrického prúdu. Keď prúd preteká vodičom, vytvára sa magnetické pole. Toto magnetické pole priťahuje alebo odpudzuje iné magnetické polia alebo magnetické materiály, napríklad železo. Stále to trvalo trochu experimentovania a výskumu, ale len o pár rokov neskôr, v roku 1832, viedol vozidlo prvý elektromotor. Potom sa to stalo v rýchlom slede. Vynálezcovia a drotári neustále zdokonaľovali elektrický motor a využívali nové funkčné princípy. V roku 1888, len dva roky po patentovom automobile Benz číslo 1, vyrobila továreň na výrobu strojov Coburg A. Flocken prvý známy nemecký elektromobil.
Aká je však výhoda elektromotora oproti spaľovaciemu motoru? Odpoveď je, že v mnohých ohľadoch je lepší ako spaľovací motor. Ako sme sa už dozvedeli vyššie, elektrický motor môže vyvinúť svoju silu oveľa lepšie a ľahšie. Je porovnateľne kompaktný a ľahko zostaviteľný. Namiesto stoviek pohyblivých častí je v motore v skutočnosti iba jedna pohyblivá časť. Najväčšiu výhodu však ukazuje vo svojej účinnosti. Pretože na rozdiel od parného alebo spaľovacieho motora má elektromotor účinnosť nad 90 percent. Motor premieňa použitú energiu takmer úplne na pohyb a je málo odpadového tepla.
A tiež sa čoraz lepšie rieši problém so skladovaním energie. V súčasnosti existujú elektromobily ako Tesla Model S 100D, ktoré môžu v každodennom živote prejsť 450 kilometrov a vďaka vlastnej sieti rýchleho nabíjania ‘nabiť dostatok elektriny na 270 kilometrov za 30 minút. Aj menšie autá, ako napríklad Renault ZOE, môžu každý deň prejsť 300 kilometrov. Autám stačí iba zlomok energie, ktorú potrebuje auto so spaľovacím motorom.
Ako to vyzerá v číslach?
Benzín má výhrevnosť okolo 8,5 kWh na liter. Pri nafte je výhrevnosť okolo 9,8 kWh na liter. Golf potrebuje 7,3 litra benzínu alebo 5,6 litra nafty na 100 kilometrov. EGolf s porovnateľným výkonom vyžaduje 16,6 kilowatthodín na 100 kilometrov (zdroj: Spritmonitor).
- Spotreba energie Golf Diesel na 100 km: 5,6 * 9,8 kWh = 54,88 kWh
- Spotreba energie Benzínový motor Golf na 100 km: 7,3 * 8,5 = 62,05 kWh
- Spotreba energie Golf Elektro na 100 km: 16,6 kWh
Elektrický pohon je preto oveľa energeticky efektívnejší ako spaľovací motor.
A čo vodík?
Jeden často počuje, že palivový článok, ktorý premieňa vodík a kyslík na vodu a elektrinu, môže byť alternatívou k akumulátorovému elektromobilu. Má však skutočne zmysel inštalovať palivový článok do automobilu, keď technológia batérií umožňuje čoraz viac rozsahov vhodných na každodenné použitie? Aby sme to dosiahli, chceme sa pozrieť na energetickú bilanciu palivového článku.
Palivový článok v automobile má účinnosť 60 percent. Takže iba 60 percent energie uloženej vo vodíku sa skutočne premení na elektrinu. Zvyšok je tu tiež teplo.
V praxi potrebuje Toyota Mirai asi jeden kilogram vodíka na 100 kilometrov. Vodík má výhrevnosť 33,33 kWh.
Všetky údaje berú do úvahy iba spotrebu z nádrže alebo batérie. Na výrobu benzínu alebo nafty je potrebná ďalšia energia. Presné čísla, koľko energie potrebujú fosílne palivá z vrtu do nádrže, je ťažké nájsť. ADAC udáva ekvivalent CO2 425 gramov na liter pre benzín a 525 gramov na liter pre naftu na jeden liter benzínu.
Biopalivá a e-palivá
Benzín a naftu je možné získať aj ako takzvané biopalivá alebo e-palivá. V prípade biopalív sa dnes benzín alebo nafta zvyčajne získavajú z rastlín s vysokým obsahom škrobu, ako je kukurica. Na jednej strane výroba paliva samozrejme konkuruje výrobe potravín. Na druhej strane intenzívne poľnohospodárstvo uvoľňuje oxidy CO2 a dusíka a využíva hodnotnú pôdu.
Pokusy o získanie paliva pomocou baktérií sú dodnes v experimentálnej fáze.
V prípade elektrických palív alebo ePalív sa palivo vyrába zo elektriny, vody a oxidu uhličitého zo vzduchu. Pomocou elektrolýzy sa voda štiepi na základné zložky, vodík a kyslík. Vodík potom reaguje zo vzduchu s oxidom uhličitým za vzniku benzínu. Tento proces sa tiež nazýva Power to Liquid (P2G, PtL).
Tento proces je veľmi energeticky náročný. V súčasnosti nie je výroba kvapalných palív pre automobily ekonomicky ani energeticky zmysluplná. V Nemecku sme nedokázali vyrobiť toľko elektriny, aby sme uspokojili dopyt po kvapalných palivách. Tu by sme teda boli opäť závislí od dovozu.
Odkiaľ pochádza elektrina?
Samozrejme, ak prepneme našu mobilitu z fosílnych palív na elektrinu, nemali by sme iba presúvať výfukové plyny z automobilu do elektrárne. Je preto dôležité, odkiaľ elektrina pochádza.
V Nemecku, rovnako ako v mnohých krajinách, elektrina pochádza z rôznych zdrojov. V Nemecku sú najdôležitejšími zdrojmi fosílne palivá ako čierne uhlie a lignit alebo zemný plyn, jadrová energia a obnoviteľné energie.
V Bádensku-Württembersku sa elektrická energia skladá predovšetkým z čierneho uhlia, jadrovej energie a obnoviteľných energií. V Bádensku-Württembersku aj Nemecku možno pozorovať, že podiel obnoviteľných energií na skladbe elektriny rastie.
Čoraz viac elektriny má zelenú farbu
V roku 2007 pochádzalo v Nemecku iba 14 percent elektrickej energie z obnoviteľných zdrojov, ako sú slnečná, veterná a vodná energia, v roku 2015 to bolo 30 percent. Predovšetkým sa znížil podiel čierneho uhlia a jadrovej energie na skladbe elektriny.
V Bádensku-Württembersku je z historických dôvodov podiel obnoviteľných energií o niečo nižší. Zatiaľ čo v roku 2007 bol juhozápad stále na rovnakej úrovni ako federálna vláda na úrovni 14 percent, v roku 2015 tento podiel stúpol na necelých 24 percent. Je to spôsobené aj skutočnosťou, že Bádensko-Württembersko začalo s vývojom veternej energie veľmi neskoro.
Vytvorte si svoj vlastný prechod energie
Liberalizáciou trhu s elektrinou môže každý prispieť k transformácii energetiky sám. Každý si môže slobodne zvoliť svojho poskytovateľa elektriny. Existuje takmer nezvládnuteľný rozsah rôznych taríf. Patrí sem aj veľa taríf za ekologickú elektrinu. Tu však nie je všetka zelená elektrina rovnaká.
Skutočnú zelenú elektrinu majú k dispozícii iba poskytovatelia, ktorí na jednej strane sami vyrábajú elektrinu z obnoviteľných zdrojov a na druhej strane aktívne rozširujú energiu z obnoviteľných zdrojov. Najznámejšími predstaviteľmi sú Energiewerke Schönau (EWS), Lichtblick, Naturstrom, Greenpeace Energy a Bürgerwerke. Bez ohľadu na to, či máte elektrický automobil, alebo nie - každý, kto chce viesť prechod na energiu, by mal prejsť na niektorého z týchto poskytovateľov.
Samozrejme, prechod energie je ešte priamejší z vašej vlastnej strechy s vlastnou slnečnou sústavou. Kto nemá vlastnú strechu, môže sa prostredníctvom občianskeho družstva zúčastňovať veterných elektrární alebo solárnych parkov. Takto udržateľne investujete do prechodu na energiu a máte úžitok z podielu na zisku.