Teljesítmény, energia és fogyasztás; MOBILITÁS ISKOLA; fenntarthatóan mobil
AMIT TANULHAT
Teljesítmény, energia és fogyasztás
A különböző típusú járművek mennyire hatékonyan vagy pazarlóan használják az energiát? Hogyan lehet a leghatékonyabban A-ból B-be jutni anélkül, hogy megerőltetnéd magad? A legtöbb ember kapcsolatba hozható a PS-vel. De mit jelentenek a kilowattórák és a kilowattok egy elektromos autóban?
Az "Elektromobilitás alapjai" című fejezet áttekintést nyújt az elektromos autók szempontjából releváns egységekről. A motor teljesítményét kilowattban (kW) adják meg. Az akkumulátor tárolókapacitása és a fogyasztás általában az egység kilowattóra (kWh). Töltés közben megkülönböztetik a váltakozó áramot (AC) és az egyenáramot (DC). A töltőállomás teljesítményét kilowattban is megadják.
Az elektromos motornak nincs elmozdulása. Nincsenek hengerek, sem olajnyomás, sem befecskendezési arány. A lényeg az, hogy az elektromos autó sokkal könnyebben érthető, még akkor is, ha a kulcsfigurák és egységek még mindig ismeretlenek.
erő
"Az új 3-as BMW-m hat hengerrel és 200 LE-vel rendelkezik!" Ennek a kijelentésnek a megfogalmazásakor a legtöbbjüknek van egy ötlete a fejében, hogy mit csinál az autó. Bár nagyon kevesen mondják: "Az új Nissan Leafem 110 kW-os és 40 kWh-s akkumulátorral rendelkezik!" elkezdhet valamit.
A BMW valahogy erőteljesebben hangzik, és valószínűleg a rövid lencsét a Nissan ellen fogja húzni, amikor a lámpa beindul. Mivel az elektromos hajtásoknál a számok új jelentést kapnak.
Alul egy kicsit vékony
Belső égésű motor esetén a teljesítményt HP-ban vagy kW-ban adják meg. A tájékoztatóban mindig van valami „3000 fordulat/perc sebességgel” mellett. Mivel a belső égésű motornak - függetlenül attól, hogy benzin, dízel vagy gáz - van-e problémája. Bizonyos sebességre van szüksége az ereje fejlesztéséhez. Ha túl lassan fordul, akkor alig fejlődik erő. Ezért kézi vagy automatikus váltóra van szüksége. Ha nem figyel az indításkor, leállítja a motort. A motor által kifejlesztett teljesítmény nem elegendő a jármű mozgatásához. Gurulás helyett a motor leáll és kialszik.
Míg a dízel viszonylag alacsony fordulatszámon fejleszti teljesítményét, a benzinmotorok általában nagyobb sebességre szorulnak. Az elektromos motor nem igazán érdekel. Mert szinte teljes sebességtartományában, sőt álló helyzetből is képes teljes teljesítményének fejlesztésére. Ezért az elektromos autóknak nincs sem tengelykapcsolója, sem kézi vagy automata sebességváltója.
És ezért állítja az állítólag gyengébb Nissan a BMW-t a lámpáknál. Mivel míg a BMW motorjának fel kell gyorsulnia és tengelykapcsolóval vagy automata sebességváltóval kell az utat juttatnia az útra, az elektromos motor teljes erővel közvetlenül hajtja a tengelyt.
Miért nincsenek kétütemű csavarhúzók?
Az erőt, amelyet egy motor képes kifejteni a tengelyen, nyomatéknak nevezzük. A nyomaték Newton méterben (Nm) van megadva. És ez itt a legfontosabb érték. Ugyanis egy belső égésű motor teljes nyomatékát viszonylag kis sebességű ablakban éri el. Sok kutatás és erőfeszítés történt annak érdekében, hogy ez az ablak a lehető legnagyobb legyen az égésű motor számára. Az elektromos motor teljes nyomatéka percenkénti fordulatszámtól kezdve szinte teljes fordulatszám-tartományában van - egyszerűen azért, mert képes. Ezért használhat egy jó vezeték nélküli csavarhúzót a merev csavarok nagyon lassú ki- és befordításához.
Ha a csavarhúzónak belső égésű motorja van, akkor először fel kell gyorsítani a sebességet, hogy aztán kuplunggal és sebességváltóval vissza lehessen térni a kívánt sebességre. Ezért vannak vezeték nélküli csavarhúzók és nincsenek kétütemű csavarhúzók.
energia
Energia kell ahhoz, hogy valami megforduljon. Ez az energia származhat abból, ha egy ló szekeret húz. Az energiát pedálokon és láncon keresztül továbbíthatjuk a kerékpár kerekébe. A ló és az ember egyaránt táplálékából nyeri energiáját. Nagyon durva módon azt mondhatjuk, hogy a test cukrot és oxigént éget el az izmokban szén-dioxid és energia képzése céljából. Az embereknél a hatékonyság körülbelül 25 százalék. Ez azt jelenti, hogy a felhasznált energia 25 százaléka - például cukor formájában - valójában mozgássá alakul. A többi hőveszteségként elvész. Ha erőfeszítéseket teszünk, elindul a hűtőnk és izzadni kezdünk.
Ha a testet táplálékkal már nem látják el energiával, és minden tartalék elégetésre kerül, az emberi gép leáll. Amíg a légzőizmok és a szívizom el nem fogy az üzemanyagból.
Az emberek megtanultak más energiát használni, mint az izom erejét. Évezredek óta a szél és a víz hajtják a malmokat és a szivattyúkat, mint természetes energiaforrásokat.
Tűz a mozgásra
A 18. század eleji gőzgép feltalálásával az embereknek sikerült a tűz energiáját mozgássá alakítani. Ez a találmány mindent megváltoztatott, és az ipari forradalom kezdete volt. A gőzgépben egy fa vagy szén tüzet melegít egy vízforraló. A forrásban lévő víz vízgőze kitágul, így a gőz mozgásba hozhatja a dugattyút. A dugattyú szelepei előre-hátra mozgást hoznak létre. Ezt a mozgást ezután egy bolygókerekes hajtáson keresztül forgó mozgássá alakítják.
A gőzgép hatékonysága katasztrófa. Watt gőzgépe csak három százalékot ért el. A fa vagy szén formájában felhasznált energia 97 százaléka tehát hőveszteségként "elvész".
Az energia marad energia
Miért "veszett el" idézőjelben? Mert ha jól megnézed, az energia nem vész el. Az energia csak átalakul. A cukorban tárolt kémiai energia kinetikus energiává és hőenergiává alakul. A fában és a szénben tárolt kémiai energia egy kis mozgássá és sok hővé alakítja a gőzgépet. Mivel a gőzgép a mozgásról szól, a hőenergia nagyrészt használhatatlan, ezért a mindennapi nyelvben azt mondják, hogy az energia "elveszett".
Ottó és Dízel
A 19. század végén többek között Nicolaus August Otto azzal az ötlettel állt elő, hogy a tűz erejét közvetlenül használja a mozgás előidézésére. Tehát anélkül, hogy átmenne a gőzön. Lassú égés helyett robbanásra van szükség. Az üzemanyagnak csak hirtelen kell kitágulnia egy kamrában ahhoz, hogy a dugattyút mozgásba hozza. A fa és a szén szóba sem jöhetett. Ha azonban a világító gázt összekeveri a levegővel, és egy szikrával meggyújtja, az hirtelen robbanás közben megég. Az alkohol, a kerozin és a benzin is így ég.
Forgó melegítők
Ezek a belső égésű motorok nemcsak erősebbek voltak, mint egy gőzgépek, sokkal kisebbek is voltak, megbízhatóbbak, sokkal rugalmasabbak és könnyebben kezelhetők. Az utcákon már voltak gőzüzemű járművek. De be- és leszállni nem volt lehetséges. Végül is először a kazánban kellett gőzt képezni. Tehát órákkal az indulás előtt tüzet kellett gyújtania a vízforraló alatt. Aztán 1886-ban Gottlieb Daimler ragyogó ötlete támadt egy robbanómotor közúti járműbe történő felszerelésére - az autó születésére.
A robbanómotor is sokkal hatékonyabb volt, mint a gőzgép. De az energia több mint 90 százaléka hőveszteségként elveszett. Ezenkívül a robbanómotor kezdetben áramellátási problémákkal küzdött. Mivel a korai motorok közel sem tudtak annyi energiát - vagyis teljesítményt - előállítani, mint a gőzgépek. Ezért az óceánjárók és a mozdonyok kezdetben tovább működtek a gőz erejével.
Több mint 130 éves kutatás és fejlesztés fordult elő az égésű motorral. Ez az égést tisztábbá és hatékonyabbá tette. Egy liter benzin, dízel vagy gáz ma sokkal többet edz, mint akkor. Ennek ellenére az égésű motorok továbbra is elsősorban hőt termelnek. Egyes motorok 40 százalékos hatékonyságot érnek el a próbapadon - de a mindennapi életben átlagosan csak 20 százalék. A belső égésű motorral felszerelt autók ezért elsősorban gördülő melegítők.
Mozgás az áramtól
A 19. század elején Hans Christian Ørsted dán fizikus felfedezte az elektromos áram mágneses hatását. Amikor egy áram áramlik át egy vezetőn, mágneses mező jön létre. Ez a mágneses mező vonzza vagy taszítja más mágneses mezőket vagy mágneses anyagokat, például vasat. Még egy kis kísérletezés és kutatás kellett, de csak néhány évvel később, 1832-ben az első elektromos motor vezetett járművet. Aztán gyors egymásutánban történt. A feltalálók és a bütykösök folyamatosan fejlesztették az elektromos motort, és új funkcionális elveket alkalmaztak. 1888-ban, alig két évvel az 1-es Benz szabadalmi autó után, az A. Cockuri gépgyár megépítette az első jól ismert német elektromos autót.
De mi az előnye az elektromos motornak a belső égésű motorral szemben? A válasz az, hogy sok szempontból felülmúlja a belső égésű motort. Amint azt már fentebb megtudtuk, az elektromos motor sokkal jobban és könnyebben fejlesztheti teljesítményét. Viszonylag kompakt és könnyen felépíthető. Több száz mozgó alkatrész helyett valójában csak egy mozgó alkatrész van a motorban. De a legnagyobb előnyét a hatékonyságában mutatja. Mivel a gőzgéppel vagy az égésmotorral ellentétben az elektromos motor hatékonysága meghaladja a 90 százalékot. A motor szinte teljesen mozgássá alakítja a felhasznált energiát, és kevés a hulladékhő.
És az energiatárolás problémáját is egyre jobban megoldják. Vannak olyan elektromos autók, mint a Tesla Model S 100D, amelyek 450 kilométert képesek megtenni a mindennapi életben, és a saját gyors töltőhálózatának köszönhetően ’270 perc alatt elegendő áramot tölthetnek fel 30 perc alatt. Még a kisebb autók is, mint a Renault ZOE, napi 300 kilométert képesek megtenni. Az autóknak csak az energia töredékére van szükség, amelyre egy belső égésű motorral rendelkező autónak szüksége van.
Hogyan néz ki ez számokban?
A benzin fűtőértéke körülbelül 8,5 kWh/liter. Dízelüzem esetén a fűtőérték literenként 9,8 kWh körül mozog. Egy Golfnak 7,3 liter benzinre vagy 5,6 liter gázolajra van szüksége 100 kilométerenként. Egy hasonló teljesítményű eGolfnak 16,6 kilowattórára van szüksége 100 kilométerre (forrás: Spritmonitor).
- Energiafogyasztás Golf Diesel 100 km-re: 5,6 * 9,8 kWh = 54,88 kWh
- Energiafogyasztás Golf benzinmotor 100 km-re: 7,3 * 8,5 = 62,05 kWh
- Energiafogyasztás Golf Elektro 100 km-en: 16,6 kWh
Az elektromos hajtás ezért sokkal energiatakarékosabb, mint a belső égésű motor.
És mi van a hidrogénnel?
Gyakran hallani, hogy az üzemanyagcella, amely a hidrogént és az oxigént vízzé és villamos energiává alakítja, alternatívát jelenthet az akkumulátoros elektromos autó számára. De vajon van-e értelme üzemanyagcellát telepíteni egy autóba, amikor az akkumulátortechnika ma már egyre több, mindennapi használatra alkalmas tartományt tesz lehetővé? Ehhez szeretnénk egy pillantást vetni az üzemanyagcella energiamérlegére.
Az autó üzemanyagcellájának hatékonysága 60 százalék. Tehát a hidrogénben tárolt energia csupán 60 százaléka válik valójában villamos energiává. A többi itt is melegség.
A gyakorlatban a Toyota Mirai-nak kb. Egy kilogramm hidrogénre van szüksége 100 kilométeren keresztül. A hidrogén fűtőértéke 33,33 kWh.
Minden adat csak a tartályból vagy az akkumulátorból származó fogyasztást veszi figyelembe. A benzin vagy gázolaj előállításához további energiára van szükség. Annak pontos számát, hogy mennyi energiára van szüksége a fosszilis tüzelőanyagoknak a fúrástól a tartályig, nehéz megtalálni. Az ADAC CO2-egyenértéke 425 gramm/liter benzin esetében és 525 gramm/liter dízel esetén liter liter benzin esetén.
Bio- és e-üzemanyagok
A benzin és a gázolaj úgynevezett bio- vagy e-üzemanyagként is beszerezhető. A bioüzemanyagok esetében a benzint vagy a dízelt általában magas keményítőtartalmú növényekből, például kukoricából nyerik. Egyrészt az üzemanyag-termelés természetesen versenyben van az élelmiszer-előállítással. Másrészt az intenzív mezőgazdaság CO2- és nitrogén-oxidokat bocsát ki, és értékes talajt használ fel.
Az üzemanyag baktériumok segítségével történő megszerzésére irányuló kísérletek ma is a kísérleti szakaszban vannak.
Elektromos üzemanyagok vagy e-üzemanyagok esetében az üzemanyag villamos energiából, vízből és a levegőből származó szén-dioxidból készül. Elektrolízissel a vizet elemi alkotórészekre, hidrogénre és oxigénre osztják fel. Ezután a hidrogént a levegőből származó szén-dioxiddal reagáltatva benzint állítanak elő. A folyamatot folyadékfogyasztásnak is nevezik (P2G, PtL).
Ez a folyamat nagyon energiaigényes. Jelenleg a folyékony üzemanyagok gyártása az autók számára sem gazdaságilag, sem energetikailag nem értelmes. Németországban nem tudtunk annyi áramot előállítani, hogy kielégítsük a folyékony üzemanyagok iránti keresletet. Tehát itt ismét importtól függnénk.
Honnan származik az áram?
Természetesen, ha a fosszilis üzemanyagokról az áramra váltunk, akkor nem csak az autó kipufogóját kellene az erőműre cserélnünk. Ezért fontos, honnan származik az áram.
Németországban, mint sok más országban, az áram különböző forrásokból származik. Németországban a legfontosabb források a fosszilis tüzelőanyagok, mint például a szén és a lignit vagy a földgáz, az atomenergia és a megújuló energiák.
Baden-Württembergben a villamosenergia-összetételt elsősorban a szén, az atomenergia és a megújuló energiák alkotják. Baden-Württembergben és Németországban egyaránt megfigyelhető, hogy a megújuló energiák aránya a villamosenergia-összetételben növekszik.
Egyre több az elektromos áram
2007-ben Németországban a villamos energia mindössze 14 százaléka származott megújuló forrásokból, például nap-, szél- és vízenergiából, 2015-ben 30 százalék. Mindenekelőtt a kőszén és az atomenergia részesedése csökkent a villamosenergia-összetételben.
Történelmi okokból a megújuló energiák aránya Baden-Württembergben valamivel alacsonyabb. Míg 2007-ben dél-nyugat még mindig a szövetségi kormánnyal azonos szinten állt, 14 százalékkal, addig ez az arány 2015-ben valamivel kevesebb mint 24 százalékra emelkedett. Ez annak is köszönhető, hogy Baden-Württemberg nagyon későn kezdte el fejleszteni a szélenergiát.
Végezze el saját energiaátmenetét
A villamosenergia-piac liberalizálásával mindenki hozzájárulhat az energia-átmenethez. Mindenki szabadon választhatja áramszolgáltatóját. A különböző tarifák szinte kezelhetetlenek. Ez magában foglalja a sok zöld villamosenergia-tarifát is. Itt azonban nem minden zöld áram azonos a zöld villamos energiával.
A valódi zöld áram csak olyan szolgáltatóktól kapható, akik egyrészt megújuló áramot termelnek maguk, másrészt pedig aktívan bővítik a megújuló energiákat. A leghíresebb képviselők az Energiewerke Schönau (EWS), a Lichtblick, a Naturstrom, a Greenpeace Energy és a Bürgerwerke. Függetlenül attól, hogy van-e elektromos autója, vagy sem - mindenkinek, aki az energiaátmenetet akarja vezetni, át kell váltania ezen szolgáltatók egyikére.
Természetesen az energiaátmenet még közvetlenebb a saját tetőről a saját naprendszerével. Azok, akiknek nincs saját tetőjük, egy polgári szövetkezeten keresztül vehetnek részt szélerőművekben vagy napelemes parkokban. Így tartósan fektet be az energiaátmenetbe, és profitál a profitmegosztásból.