От КПД двигателя до энергоэффективности транспортного комплекса (Оценка энергоэффективности перевозки с учетом знергозатрат всех составляющих транспортного комплекса) РАБОТЫ АВТОРА С ЭЛЕМЕНТАМИ РАЗВИТИЯ (ТС) ТЕОРИИ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ, СИСТЕМНОМУ АНАЛИЗУ ТС И ТРАНСПОРТНОЙ ЭНЕРГЕТИКЕ Ю.Г. КОТИКОВ Ю.Г. КОТИКОВ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО АНАЛИЗА ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ RR ОСНОВЫ ТЕОРИИ ТРАНСПОРТНЫХ СИСТЕМ Санкт-Петербург 2001 UML Санкт-Петербург 2000 Оценка энергоэффективности перевозки должна учитывать все энергозатраты по всем составляющим инфраструктуры и транспортного процесса за весь жизненный цикл элементов структуры и производственных процессов. Это можно осуществить при приведении суммы всех перечисленных составляющих к единице транспортной работы (т-км, или гр.единица, или др.) Общие энергозатраты автотранспортного комплекса на подготовку и реализацию перевозки грузов укрупнено складываются из составляющих энергозатрат следующих сфер действия: • производство автотранспортных средств; • строительство и содержание автомобильных дорог; • обеспечение комплекса топливом и эксплуатационными материалами; • поддержание работы техники и персонала (ТО и Р); • затраты энергии на собственно транспортный процесс; • • • • управление дорожным движением; погрузочно-разгрузочные и транспортно-складские работы; связь и управление транспортно-логистическим процессом; утилизация транспортных средств как завершение их жизненного цикла. Обеспечение комплекса топливом и эксплуатационными материалами (ДО ПОГЛОЩЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ПЕРЕВОЗОК) ВЫРАБОТКА Освоение Выемка ОБРАБОТКА Очистка Обогащение ПЕРЕРАБОТКА Возгонка Ректификация РАСПРЕДЕЛЕНИЕ УТИЛИЗАЦИЯ Базовое хранение Транспортировка Дозировка Смесеобразование Сгорание Хранение Перемещение Сортировка Крекинг Выпуск топлива Точечное хранение Заправка Термомех.преобразование Реализация в движителе Cхема продвижения, реализации потока энергии и управления им в АТС Воздух Топливный O2 бак (CnHm) В О Д И Т Е Л Ь LТ LРК LКП LСц LВ LА ПР φр h РТН ОГ HХЧП HКолП РП ТП ПСц HКузП qц р ТН Дв* ne ne Шум Воздух SТН S SSДв ТН ТН MК Коле- Р ХЧ* Р X ВА са ававтоКП Сц Тр* томо- VA моби VA nСц ne nКП nК биля ля NεА MД MСц MКП SСц SКП SТр HСц HКП HДв SКолА HТр HшП SХЧП SКузП NεП Ко- РXп ХЧ* РВП Кузов NВП леса V приприA при- VA цепа цепа цепа РКр VA ne Дорога NψП SХЧА HКолА NψА N NВП ВА Кузов Кузов j A приавтоцепа моби VA ля SКузА HХЧА HшА HКузА Значения КПД преобразователей энергии Транспорт- Первич- Первичная Линия Тяговый ное средство ное энергоус- энергодвигатопливо тановка передачи тель ? Д Трансмис- Остаток сия на движитель ? Тр Движитель Общий КПД СУ ? Двж ? СУ Паровоз Уголь 0.32 (котел) 0.98 Тепловоз с электропередачей Соляр 0.3 (ДВС), 0.92 (генератор) 0.99 Электровоз Уголь (на электростанции) Бензин 0.3 (паровой двигатель), 0.9 (генератор) _ 0.9 (ЛЭП) _ 0.25...0.32 0.88...0.94 0.23...0.30 0.70...0.92 0.16...0.26 Диз. Грузовой топливо автомобиль _ _ 0.32...0.42 0.85...0.92 0.27...0.37 0.65...0.85 Винтовой Бензин самолет Реактивный Керосин самолет Теплоход Соляр _ _ 0.25 0.95 0.24 0.75 0.18 _ _ _ _ _ _ 0.2 _ _ 0.3...0.4 0.3...0.6 Легковой автомобиль 0.30 (паровая машина) 0.9 0.97 0.1 0.95 0.095 0.98 0.24 0.95 0.23 0.9 0.98 0.23 0.95 0.22 0.34...0.42 0.93...0.97 0.18… ...0.32 0.09...0.24 Строительство и содержание автомобильных дорог Производство материалов Производство полуфабрикатов Добыча сырья Перевозки Содержание и ремонт Строительство ОБОБЩЕННЫЙ КПД ПРОЦЕССА ТРАНСПОРТИРОВАНИЯ (Оценка обобщенного КПД, построенная на базе ЖЦ ТС) Автомобиль КамАЗ-5320, везя 8 т груза со скоростью доставки 40 км/ч и пробегая за год 50 тыс. км, выполняет объем услуг A = 850000×402 = 0,64∙109 тран = 0,64∙77,16∙109 ≈ 50 ГДж∙км. За 7 лет, набегая гарантийный пробег 350 тыс. км, он выполняет объем услуг A = 350 ГДж∙км = 1 МДж×350000 км. То есть, «чистые» энергозатраты, связанные с услугой по перемещению названного груза на расстояние 1 км со скоростью 40 км/ч, равны 1 МДж (и они не зависят от вида ТС, а характеризуют средний уровень рассеиваемой на отрезке 1 км энергии движения массы 8 т в среде обитания при скорости доставки 40 км/ч). Сумма всех энергозатрат WΣ = Wк + WАД + Wт + Wэм + WТОР + Wпсэ Wк – энергия, вложенная в конструкцию при изготовлении WАД – энергии, вложенная в дорогу (приведенная к конкретному АТС) Wт - энергия, содержащаяся в топливе и вложенная при его изготовлении Wэм – энергия, вложенная визготовление эксплуатационных материалов WТОР - энергозатраты на ТО и ремонт, изготовление запчастей Wпсэ - прочие сопутствующие энергозатраты Энергозатраты при изготовлении грузового АТС Энергетический эквивалент материалов на ремонтно-восстановительные нужды автомобиля КамАЗ-5320 (без запчастей) Наименование ГДж % Ходовая часть Кузов Трансмиссия Комплект Кабина Двигатель Остальные Общие затраты 124 115 28,1 68,9 47,8 57,8 81,4 523 23,7 22 5,4 13,2 9,1 11,1 15,5 100 Наименова- г/1000 км кг/350 кВт∙ч/кг ГДж/350 ние пробега тыс.км тыс.км Сталь, чугун 3651,3 1278 15 69 Алюминий 2,6 0,9 58 0,2 Медь 18 6,3 26 0,6 Резина 9,1 3,2 41 0,5 Лаки 279,7 97,9 7 2,5 Химикаты 311,6 109 7 2,7 Топливо 391,7 137,1 3,5 1,7 Всего 77,2 Wк = 523 ГДж Энергетический эквивалент материалов в виде запчастей при выполнении ремонта АТС КамАЗ-5320 Наименование г/1000 км пробега кг/350 тыс.км Сталь, чугун 1027,4 359,6 Алюмнний 12 4,2 Медь 62 21,7 Резина (без 22 7,7 шин) Всего кВт∙ч/кг 23 64 34 45 ГДж/350 тыс.км 29,8 1.0 2,7 1,2 34,7 Энергозатраты при выполнении ТО и ремонта АТС КамАЗ-5320 Наименование кВт∙ч/1000 км кВт∙ч/350 тыс.км ГДж/350 тыс.км Энергозатраты 110,2 38570 139 WТОР = 77,2 + 34,7 + 139 = 251 ГДж Расчет вложенной в дорогу энергии WАД проведем для дороги, имеющей толщину слоев: морозозащитного слоя грунта – 25 см; укрепленного слоя грунта – 15 см; несущего слоя – 15 см; битумно-связующего слоя – 10 см; слоя асфальта – 10 см. Согласно [8], расход энергоресурсов на сооружение 1 м2 такой дороги составляет 535 МДж/м2, а на содержание и ремонт за период 7 лет – 290 МДж/м2. То бишь вложенная в 1 м2 такой дороги энергия с учетом содержания и ремонта ее за ЖЦ рассматриваемого АТС составляет 535 + 290 = 825 МДж/м2. В один погонный метр полосы шириной 4 м вложена энергия 825 МДж/м2×4м = 3300 МДж/м. При условной интенсивности движения по полосе 2000 авт./сут. через сечение полосы за 7 лет пройдет 2000×365×7 = 5110000 АТС. Тогда на 1 автомобиль, проходящий 1 пог.м по полосе, можно отнести энергию дороги 3300 МДж/м / 5110000 авт. = 0,646 кДж/м∙авт. Автомобиль, пробежав 350 тыс. км, утилизирует WАД = 0,646 кДж/м∙авт×350000000 м = 226 ГДж энергии, вложенной в АД. Количество первичной энергии, утилизированное через топливо Wт Пусть расход дизельного топлива автомобиля 35 л/100 км, тогда суммарный расход за 7 лет Qт = 35×3500 = 122500 л. Количество химической энергии, заключенной в топливе: 122500 л×35,3 МДж/л ≈ 4324 ГДж. Кроме того, на изготовление дизельного топлива промышленностью, в соответствии с рис.2 и согласно [9], расходуется энергия 3,5 кВт∙ч/кг топлива. При удельном весе 0,83 кг/л, энергия, затраченная на изготовление всего количества топлива, израсходованного автомобилем за ЖЦ, составит 3,5 кВт∙ч/кг×0,83 кг/л ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 122500 л ≈ 1281 ГДж. Таким образом, суммарное количество первичной энергии, утилизированное через топливо Wт = 4324 + 1281 = 5605 ГДж. Wт = 4324 + 1281 = 5605 ГДж Энергозатраты на эксплуатационные материалы Wэм Эксплуатационные материалы. Расход масла составляет примерно 2 % расхода топлива, т. е. 122500 л×0,02 = 2450 л. На изготовление такого количества масла (при удельных энергозатратах на изготовление масла 50 кВт∙ч/кг [9]) затрачено энергии 50кВт∙ч/кг×0,85 кг/л ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 2450 л ≈ 375 ГДж. Расход антифриза – 200 л, это соответствует (при удельных энергозатратах на изготовление антифриза 4 кВт∙ч/кг [9]) вложенной энергии 4кВт∙ч/кг×1,07 кг/л ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 200 л ≈ 5 ГДж. Расход свинца – 70 кг, это соответствует (при удельных энергозатратах на получение свинца 23 кВт∙ч/кг [9]) вложенной энергии 23кВт∙ч/кг ×3,6 МДж/ кВт∙ч × 70 кг ≈ 6 ГДж. Всего Wэм = 375 + 5 + 6 = 386 ГДж Wэм = 375 + 5 + 6 = 386 ГДж Сумма всех энергозатрат WΣ Сумма всех энергозатрат, вложенных в обеспечение посредством грузового АТС суммарного объема транспортных услуг A = 350 ГДж∙км: WΣ = 523 + 226 + 5605 + 386 +251 ≈ 7000 ГДж (неучтенные Wпсэ использовали для округления). В расчете на 1 км: 7000 ГДж / 350000 = 20 МДж Таким образом, для продвижения в среде обитания груза посредством грузового АТС с неотъемлемой диссипацией в среду со стороны груза на километр его движения энергии 1 МДж требуется вложить в автотранспортный комплекс 20 МДж энергии. Значение η = A / WΣ = 1/ 20 = 0,05 = 5 % и является обобщенным КПД процесса транспортирования, осуществляемого АТК посредством данного типа АТС.