витрати

У кого більша потреба в енергії для електричного велосипеда чи велосипедиста? Результат дивує!

Ця стаття вже не зовсім актуальна, її оригінал був опублікований у 2004 р., Де обговорюється передумова правила, а також витрати на Канаду. Проте його метод і висновки досить загальні та цікаві, я вважав за доцільне перекласти та прочитати їх, тому публікую.

Карловіц "Пупу" Крістоф

Передумови

Велосипед з допоміжним електричним сполученням зростає, оскільки він поєднує переваги для здоров’я та навколишнього середовища від їзди на велосипеді та комфорт автомобіля. Згідно з останньою поправкою до Закону про безпеку автомобільних транспортних засобів, допоміжний мотоцикл може мати максимальну електричну потужність 500 Вт, що еквівалентно транспортному засобу, що працює від людини.
(Канадський вісник 658-659).

Порівняно з іншими видами транспорту, традиційний велосипед є однією з найефективніших форм переселення людей. Велосипед на одному кілометрі коштує близько 5-15 ват-годин (Вт-год) енергії, під час ходьби стільки ж до 15-20, поїздки на поїзді 30-40 та самотнього руху 400 ват-годин. Можна припустити, що загальний вплив електричного велосипеда на навколишнє середовище також буде на порядок вигіднішим, ніж водіння, автобуси та інші види міського транспорту. Однак вони також роблять застереження щодо випадку, коли людина користується електричним велосипедом, яка в іншому випадку могла б їздити на звичайному велосипеді. Вони стверджують, що якщо людина може рухатися лише за допомогою м’язової сили, то акумулятор та електрика лише збільшать екологічну шкоду та витрати. Однак це поспішна думка, оскільки вона не враховує, що електричний двигун спричиняє людську працю, що, в свою чергу, коштує збільшення харчування. Таким чином, стійкість електричних та звичайних велосипедів можна порівняти лише з повним аналізом життєвого циклу.

Припущення

Для спрощення порівняння життєвого циклу ми вводимо кілька припущень. По-перше, споживання енергії на кілометр електричного та звичайного велосипеда схоже. Це прийнятно, оскільки аеродинамічні характеристики обох подібні, а додаткова вага електродвигуна та акумулятора незначна щодо загальної маси автомобіля. Хоча це неприпустимо, якщо людина їде швидше на електричному велосипеді, ніж при крученні педалей, оскільки в цьому випадку опір повітря раптово збільшується, але оскільки електрична допомога обмежена 32 км/год, тобто швидкість досвідченого велосипедиста, ми можемо нехтувати цим фактором у першому наближенні.

При порівнянні беруться до уваги лише витрати двох видів транспорту. Електричний велосипед складається з тих же конструктивних елементів, що і звичайний, плюс є двигун, регулятор, акумулятор та зарядний пристрій. Отже, він має більш високі виробничі витрати, але двигун, регулятор та зарядний пристрій не потребують технічного обслуговування і мають дуже тривалий термін служби, тому він не створює додаткових витрат після виробництва. Потрібно замінити лише акумулятор, і це враховується при розрахунках.

Однак ми ігноруємо вторинні ефекти, такі як користь для здоров'я та вартість навчання, а також токсичні речовини в батареях під час утилізації. Кількість кількісно визначити було б дуже складно, тоді як друга втратила б свою актуальність у міру поширення переробки акумуляторів.

З урахуванням цих припущень ми звели аналіз життєвого циклу до простого порівняння енергії. Досить визначити первинну енергію, необхідну для виробництва їжі, необхідної для покриття даної роботи м’язів. Потім це порівнюється з первинною потребою в енергії того самого обсягу роботи, виконаної електродвигуном та акумулятором.

Первинна енергія визначається як техногенні джерела енергії, такі як ті, що отримуються з електромережі або при спалюванні викопного палива. Виключається сонячне випромінювання, яке використовується в рослинництві. У цьому дослідженні одиницею первинної енергії є мега-джоулі (МДж), тоді як енергетичний вміст зарядженої батареї виражається у ват-годинах (Вт), а енергетичний вміст їжі - у калоріях (ккал).
1 МДж = 1 000 000 Джоулів
1 ккал = 4200 Джоулів
1 ш-в = 3600 джоулів

Потреба в енергії для виробництва продуктів харчування

Виробництво їжі є основним споживачем енергії в західних суспільствах. Згідно з всебічним дослідженням канадського виробництва продуктів харчування, на цей сектор припадає 11 відсотків загального споживання енергії Канадою. Вона включає безпосереднє використання енергії сільськогосподарською промисловістю, а також енергетичні потреби виробництва добрив, пестицидів та сільськогосподарської техніки, а також виробництва, упаковки, транспортування та приготування їжі. На одну голову і на день це 56 МДж або 13400 ккал.

Для порівняння, середня калорійність споживання їжі людиною за їх вік становить приблизно 2000 ккал на день. Отже, ми можемо підрахувати, що ефективність виробництва їжі в Канаді становить 2: 13,4, тож для виробництва кожної калорії їжі було потрібно 7 калорій. Це співвідношення 1: 7 є таким самим, як у Швеції та подібне до Сполучених Штатів (1:11), і середнє значення для західних суспільств.

Ефективність метаболізму

Ефективність метаболізму велосипедиста надзвичайно добра. Вимірювання показують, що добре підготовлений спортсмен працює з коефіцієнтом корисної дії від 22 до 26 відсотків, залежно від темпу кручення педалей та продуктивності. Це означає, що кожна калорія механічної енергії, витрачена на їзду на велосипеді, повинна бути викуплена 4 калоріями поживної енергії. Якщо порівняти це з ефективністю виробництва продуктів харчування, ми отримаємо чисту ефективність роботи людини.

N людини = 1: 7 * 1: 4 = 1:28

Іншими словами, ціна одиниці механічної енергії, яку байкер здійснює на педалі, становить 28 одиниць первинної енергії (наприклад, викопне паливо).

Виробництво акумуляторів

Джерелом живлення для електричного велосипеда є акумуляторна батарея. В даний час використовуються чотири типи батарей на хімічній основі. Свинцеві батареї (PbA) є найпоширенішими, нікель-кадмієві батареї (NiCad) використовуються зрідка, тоді як нікель-метал-гідридні (NiMH) та літій-іонні батареї (Li-ion) поширюються як рішення на майбутнє. Літій-іонні та нікель-метал-гідридні (NiMH) акумулятори мають високу щільність енергії, свинцево-кислотна батарея дешева, а NiCad має тривалий термін служби. Поки що загальним впливом на довкілля кожного типу нехтували. Тому ми досліджуємо використання енергії життєвого циклу кожного з них окремо. Важко знайти порівняння енергії, необхідної для їх виробництва. Найточніше узагальнено в таблиці 1. Це показує, скільки мега-джоулів потрібно для виробництва однієї ват-години ємності акумулятора. Він базується на фабричних даних і містить вартість оригінальної та переробленої сировини. Тут ми маємо справу лише з першими, хоча перероблений матеріал може коштувати набагато дешевше.

Цифри включають доставку сировини до виробничого заводу та доставку готового акумулятора до кінцевого споживача. В даний час електричні велосипедні акумулятори здебільшого виробляються в Китаї чи на Тайвані і транспортуються повітряним транспортом до Північної Америки. У таблиці 2 наведено енергетичні витрати транспортування акумуляторів на основі їх щільності енергії на відстані 10 000 км (Тайвань -> Ванкувер) та припущення ефективності повітряного транспорту 20 МДж/т-кілометр. Можна бачити, що для іонів літію та NiMH транспорт і виробнича енергія порівнянні, тоді як транспортування свинцевих акумуляторів коштує майже в сім разів більше енергії, ніж виробництво.

Життєвий цикл акумулятора

Загальна кількість енергії, яку можна вивести з батареї, залежить від ємності, вираженої у ват-годинах, і можливої ​​кількості циклів заряду-розряду батареї. Механічна енергія, яка подається на велосипед, помножується на ефективність двигуна.

Енергія, яка використовується для зарядки акумулятора, перевищує енергію, що подається на двигун, оскільки в системі зарядки є втрати між електромережею та акумулятором. Ці дві цифри показані в останніх двох колонках Таблиці 3. Низька кількість циклів батарей NiMH та PbA базується на практичному досвіді користувачів електричних велосипедів. Зазвичай повідомляється про 500 циклів, які здаються оптимістичними для використання на велосипеді. Випробувані акумулятори NiCad витримали понад 2000 циклів при ідеальному обслуговуванні, тому представляється реальним порахувати 1000 циклів для електричного велосипеда. Літій-іонний акумулятор все ще занадто новий, щоб забезпечити надійну оцінку життєвого циклу, тому ми розраховуємо на 500 циклів, визначених виробниками.

Ефективність зарядки - це частка енергії, витягнутої з акумулятора, та поданої електричної енергії. Літій майже ідеальний у цьому відношенні, тоді як інші зазнають вторинних клітинних реакцій, які позбавляють багато енергії під час зарядки. Завдяки найсучаснішій силовій електроніці ефективність зарядки досягає близько 85 відсотків, а більшість моторних двигунів досягають 75 відсотків ефективності. Ми вважаємо, що ефективність постачання електроенергії комунальним підприємством становить 50 відсотків - у Канаді джерелом є теплова, атомна та гідроелектростанція.

Беручи до уваги всі дані, ми визначаємо енергетичний баланс електричного велосипеда: дані енерговиходу в таблиці 3 діляться на суму енергії In та транспортної енергії, взятої з таблиці 2, та енергії виробництва відповідно до таблиці 1. Співвідношення кожного типу батареї показано на рисунку 1 разом із раніше розрахованою вартістю людської праці.

Результат показує, що літій-іонний акумулятор на сьогоднішній день є найефективнішим, оскільки він має малу вагу при транспортуванні, дешевий у виготовленні та має високу ефективність зарядки. Акумулятор NiCad відстає через велику кількість циклів зарядки, щоб компенсувати високі витрати на виготовлення та доставку. Свинцеві батареї набагато гірші, вам доведеться вкласти в 17 разів більше, щоб витягнути одиницю енергії, більшу частину якої транспортувати важку конструкцію. Але свинцево-кислотна батарея все одно споживає на третину менше енергії, ніж велосипедист.

Вищезазначені цифри були отримані, приймаючи типові випадки. Справедливості заради слід визнати, що велосипедист також може повністю харчуватися непереробленою їжею місцевого виробництва. Тоді співвідношення може бути 1: 1. Включаючи 25-відсоткову ефективність метаболізму, коефіцієнт енергетичної ефективності людини становить 1: 4, що трохи краще, ніж літій-іонний акумулятор.

Можна уявити собі таку ж оптимальну ситуацію для акумулятора. У Ванкувері електрична мережа надходить з гідроелектростанцій з ефективністю майже 100 відсотків. Є також місцеві виробники акумуляторів з літієвих та свинцевих акумуляторів. Подібно до попереднього малюнка, малюнок 2, який розраховує на місцеві закупівлі акумуляторів та вироблення гідроенергії, а у випадку з байкером - на продукти місцевого виробництва.

Найвигідніші витрати енергії для батареї та людини

Цікаво, що найкраща ситуація з електричним приводом і енергією людей схожа. У цьому випадку NiMH вимагає найбільшого споживання енергії, тоді як свинцеві та NiCad-батареї майже однакові з літій-іонними батареями, співвідношення

Резюме

Незважаючи на інстинктивну гіпотезу про те, що електричний велосипед вимагає більше енергії, ніж звичайний велосипед, аналіз життєвого циклу показує, що він використовує в 2-4 рази менше первинної енергії, ніж велосипедист, який нормально їсть. Це пов’язано з тим, що виробництво та транспортування їжі коштує багато енергії у західних суспільствах.

З точки зору стійкості, найкращим акумулятором для електричного велосипеда є іон літію. В оптимальному варіанті ви можете передати майже третину енергії, витраченої на виготовлення та зарядку велосипедного колеса. Також вигідно, що акумулятор, розміщений на велосипеді, є легким. Шкода, що це дорого і тому економічно менш вигідно, ніж інші типи акумуляторів.