Взлет на большом самолете всегда волнует. При полном весе почти 400 тонн Boeing 747 требует 90 мегаватт мощности, чтобы подняться в воздух. Взлет - самая сложная часть полета, и когда самолет достигает крейсерской высоты, потребление энергии снижается вдвое.

Мощные двигатели использовались также при спуске на воду могучей Королевы Марии в 1934 году. Океанский лайнер водоизмещением в 81 000 тонн и длиной 300 метров (1000 футов) приводился в движение четырьмя паровыми турбинами общей мощностью 160 000 л.с. (120 мегаватт). Во время эксплуатации корабль перевозил 3000 душ и двигался со скоростью 28,5 узлов (52 км / ч). Queen Mary теперь вышел в отставку в Лонг - Бич, штат Калифорния.

Большие силовые установки применимы только с двигателями внутреннего сгорания, а ископаемое топливо служит дешевым и легкодоступным источником энергии. Низкое соотношение энергии к массе с точки зрения низшей теплотворной способности (NCV), а также относительно короткий срок службы делают батареи непригодными для использования за пределами данного применения. В то время как ископаемое топливо обеспечивает NCV 12000 Втч / кг, литий-ионная батарея марганцевого типа предлагает 120 Втч / кг, что в сто раз меньше на единицу веса. Даже при низком КПД в 25 процентов двигатель внутреннего сгорания превосходит лучшие батареи по соотношению энергии к весу. Емкость батареи необходимо увеличить в двадцать раз, прежде чем она сможет конкурировать с ископаемым топливом.

Еще одно ограничение аккумуляторной тяги по сравнению с ископаемым топливом - это топливо по весу. Несмотря на то, что вес уменьшается по мере потребления, аккумулятор имеет одинаковый дедвейт независимо от того, полностью он заряжен или разряжен. Это накладывает ограничения на дальность проезда электромобиля и делает электрический самолет непрактичным. Кроме того, двигатель внутреннего сгорания обеспечивает полную мощность при отрицательных температурах и продолжает хорошо работать с возрастом, что недостижимо с аккумулятором. Аккумулятор, которому несколько лет, может обеспечить только половину номинальной емкости.

Питание от первичных батарей

Энергия от неперезаряжаемых батарей является наиболее дорогой с точки зрения стоимости киловатт-часов (кВтч). Первичные батареи используются для устройств с низким энергопотреблением, таких как наручные часы, пульты дистанционного управления, электрические ключи и детские игрушки. Военные в бою, световые маяки и удаленные ретрансляционные станции также используют первичные передачи, поскольку зарядка нецелесообразна. В таблице 1 оценивается емкость и стоимость киловатт-часа первичных батарей.

Ячейка AAA

Ячейка AA

Ячейка C

D Cell

9 Вольт

Емкость (щелочная)

1100 мАч

2,500 мАч

7000 мАч

14000 мАч

600 мАч

Энергия (одна ячейка)

1,4 Втч

3 Втч

9 Втч

18 Втч

4,2 Втч

Стоимость за ячейку (долл. США)

1,25 доллара США

1 доллар США

1,60 $

1,60 $

3,10 доллара США

Стоимость за кВтч (долл. США)

890 долл. США

330 долларов США

180 долларов США

90 долларов США

730 долл. США

Таблица 1: Сравнение энергии и стоимости первичных щелочных элементов. Энергия от первичных батарей самая дорогая; стоимость увеличивается с меньшими размерами батарей.

Питание от вторичных батарей

Увеличенное время работы, более низкая цена за единицу и удобство подзарядки сместили многие портативные приложения, ранее предназначенные для первичных батарей, на аккумуляторные батареи. В таблице 2 сравнивается стоимость энергии с аккумуляторными батареями. Стоимость зависит от цены аккумулятора и количества возможных циклов разрядки / зарядки. Анализ не включает электричество для зарядки или стоимость покупки и обслуживания зарядного оборудования. В таблице сравниваются коммерческие аккумуляторные батареи, используемые для связи, вычислительных или медицинских устройств.

Свинцово-кислотный

NiCd

NiMH

Литий-ионный

Вместимость

2000 мАч

600 мАч

1000 мАч

1,200 мАч

Напряжение батареи

12 В

7,2 В

7,2 В

7,2 В

Энергия за цикл

24 Втч

4,5 Втч

7,5 Втч

8,6 Втч

Количество циклов

250

1000 *

500

500

Стоимость батареи (оцен.)

50 долларов США

50 долларов США

70 долларов США

100 долларов США

Стоимость за кВтч ($ США)

8,50 долл. США

11,00 долларов США

18,50 долл. США

24,00 $

Таблица 2: Сравнение энергии и затрат при использовании аккумуляторных батарей. Старые технологии имеют более низкую стоимость киловатт-часа, чем новые системы; ячейки большего размера наиболее рентабельны. Стоимость указана в коммерческих упаковках по ориентировочным внебиржевым ценам.

* Срок службы зависит от технического обслуживания аккумулятора.

Энергия из других источников

В связи с сокращением предложения ископаемого топлива правительства и частный сектор изучают альтернативные источники энергии. В таблице 3 сравнивается стоимость выработки 1 кВт электроэнергии с учетом первоначальных инвестиций, добавления расхода топлива и возможной замены системы. Электроэнергия от электросети является наиболее экономичной; потребители в промышленно развитых странах платят от 0,05 до 0,25 доллара США за кВтч. (Типичное ежедневное потребление энергии на семью составляет 25 кВт.) Бензин (и его эквивалент) является наиболее экономичным переносным топливом.

Тип топлива

Оборудование
для выработки 1кВт

Срок жизни

Стоимость топлива
за кВтч

Общая стоимость
за кВтч

Литий-ионный
для автомобильного использования

1000 долларов США / кВт
(на основе батареи 10 кВт по цене 10 000 долларов США)

2500 ч (стоимость замены 0,40 долл. США / кВт)

0,10 доллара США
 

0,50 доллара США
(замена и 0,10 доллара США / кВтч)

Бензиновый двигатель для автомобильного транспорта

30 долларов США / кВт
(на основе двигателя
внутреннего сгорания из расчета 3000 долларов США / 100 кВт)

4000 ч
(стоимость замены 0,01 доллара США / кВт)

0,33 доллара США

0,34 доллара США
 

Топливный элемент
- портативное использование
- мобильное использование
- стационарное использование

3000–7500 долларов США


2,000
ч
4,000 ч 40,000 ч

0,35 доллара США
        ->
        ->
        ->


1,85 - 4,10
$ 1,10 - 2,25
$ 0,45 - 0,55

Электросеть
электрическая сеть

Все включено

Все включено

0,10 доллара США

0,10 доллара США

Таблица 3: Стоимость производства 1 кВт энергии
Таблица включает начальные инвестиции, расход топлива, техническое обслуживание и возможную замену оборудования. Цифры являются приблизительными на момент написания.

Топливный элемент наиболее эффективен при преобразовании топлива в электричество, но высокая стоимость оборудования делает этот источник энергии дорогим с точки зрения стоимости одного кВтч. Практически во всех приложениях энергия топливного элемента значительно дороже, чем при использовании традиционных методов.

Теперь посмотрим на энергию, потребляемую нашим телом. Активному мужчине требуется 3500 калорий в день, чтобы оставаться в форме, что соответствует примерно 4000 ватт в сутки (1 калория еды = 1,16 ватт-час). Путешествие пешком составляет около 40 км (25 миль) в день, а велосипед увеличивает расстояние в четыре раза до 160 км (100 миль). Съедая на обед две картофелины и колбасу, велосипедист может продвинуться на весь день, преодолев 40 км (25 миль), как я сам убедился. Человеческое тело удивительно эффективно превращает пищу в энергию.

В таблице 4 сравнивается энергия на пассажира / километр для загруженного Boeing 747, бывшего океанского лайнера Queen Mary , внедорожника, потребляющего много бензина, здорового человека на велосипеде и человека, идущего пешком. Цифры приблизительные.


 Функция


Джамбо-джет Боинг 747

Океанский лайнер Queen Marry

Внедорожник
или большая машина

Велосипед

Пешком

Вес (загруженный)

369 тонн
 

81000 тонн

2,5 тонны

100 кг (220 фунтов)

80 кг 
(176 фунтов)

Крейсерская скорость

900 км / ч
(560 миль / ч)


52 км / ч (32 миль / ч )

100 км / ч
(62 миль / ч )

20 км / ч
(12,5 миль / ч )

5 км / ч
(3,1 миль / ч )

Максимальная мощность

77000 кВт
(100000 л.с.)

120,000 кВт
(160,000 л.с.)

200kW
(275hp)

2000 Вт
(2,7 л.с.)

2000 Вт
(2,7 л.с.)

Мощность в крейсерском режиме

65000 кВт
(87000 л.с.)

90000 кВт
(120 000 л.с.)

130 кВт
(174 л.с.)

80 Вт
(0,1 л.с.)

280 Вт
(0,38 л.

Пассажир

450

3000

4

1

1

Мощность на пассажира

140кВт

40кВт

50кВт

80 Вт

280 Вт

Энергия на пассажира

580 килоджоулей *

2800 килоджоулей *

1800 килоджоулей *

14,4 килоджоулей *

200 килоджоулей *

Таблица 4: Энергетические потребности различных видов транспорта. Что касается высокоскоростных перевозок, то воздушные перевозки потребляют наименьшее количество энергии на пассажиро-километр. Лодка удобна для медленных и тяжелых грузов. Абсолютно самое низкое энергопотребление у велосипеда.

* 1 джоуль - это энергия 1 А при 1 В в течение 1 секунды, или 1 ватт / с, или 0,238 калорий / с; 4,186 джоулей повышают температуру 1 г воды на 1 ° Цельсия; 1000 джоулей - это 0,277 Втч.

Велосипеды - безусловно, самый эффективный вид транспорта. Сравнивая потребление энергии велосипедом и автомобилем, велосипедист потребляет всего 0,4 литра топлива на 100 км (630 миль на галлон). Ходьба также эффективна; он расходует около одного литра на 100 км (228 миль на галлон). Проблема с автономным двигателем заключается в ограниченном диапазоне хода до наступления усталости.

С точки зрения энергопотребления автомобили - один из наименее эффективных видов транспорта. Двигатель внутреннего сгорания использует только 25 процентов низшей теплотворной способности топлива для обеспечения движения. Еще хуже выглядит расчет, если учесть вес автомобиля с единственным пассажиром - водителем. Соотношение машины и человека обычно десять к одному. При ускорении 1,5-тонного транспортного средства менее двух процентов энергии перемещается на водителя весом 75 кг (165 фунтов), его портфель и сумку с обедом; 98 процентов идет на тепло и трение. Даже современный реактивный самолет имеет лучшую топливную экономичность, чем автомобиль. Полностью загруженный Airbus 340 имеет расход 3,4 л / 100 км (70 миль на галлон) при крейсерской скорости 950 км / ч (594 миль в час).

Поезда - один из самых эффективных способов передвижения. 36-километровая кольцевая линия Яманотэ, соединяющая основные городские центры Токио, перевозит 3,5 миллиона пассажиров в день. В час пик поезд из 11 вагонов курсирует каждые 150 секунд. Такое количество пассажиров было бы немыслимо для частных автомобилей на улицах города. Поезда также экономичны для перевозки грузов. Для перевозки одной тонны груза требуется всего 0,65 литра топлива на 100 км (362 миль на галлон).

Состоятельным обществам нужен личный транспорт, но с большой критической массой транспортных средств на финансируемых государством автомагистралях с минимальным участием водителей и без установленных ограничений, этот образ жизни в свободном роуминге сказывается на наших энергетических ресурсах. Развивающиеся страны также хотят личного транспорта. Когда автомобили станут для них доступными, они тоже начнут потреблять ископаемое топливо, а это еще больше увеличит потребность в углеводородах. По данным Министерства энергетики США, 71 процент нефти, потребляемой в США, идет на транспорт. Из них 51 процент приходится на легковые и малотоннажные грузовики. Меньшие транспортные средства и разработка эффективных железнодорожных систем могут вдвое сократить потребление энергии для транспортировки. Подробнее о бесплатной энергии ... Почти!

Альтернативные виды топлива для транспорта

Правительства изучают способы уменьшить зависимость от ископаемого топлива и снизить выбросы. Они делают это, продвигая электромобиль. Это сделано добросовестно, но, глядя на рисунок 5, мы можем столкнуться с невыполнимой задачей. Многие читатели согласятся, что успех личного транспорта стал возможен только благодаря обилию масла по очень низкой цене с точки зрения низшей теплотворной способности. Идея вождения большого транспортного средства на большие расстояния не может быть перенесена с использованием аккумуляторной тяги, даже при государственных субсидиях. Сегодняшние аккумуляторы - слабый соперник нефти, и диаграмма ниже демонстрирует это. Литий-ионный аккумулятор, используемый для электромобиля, почти не заметен; 90-процентный КПД электродвигателя не компенсирует низкую низшую теплотворную способность.