Costurile energetice ale bicicletelor electrice și motorizate de om - BringaLap - Unde să mergi cu bicicleta

Cine are o nevoie energetică mai mare pentru o bicicletă electrică sau un biciclist? Rezultatul este surprinzător!

Acest articol nu mai este destul de recent, originalul său a fost publicat în 2004 și discută contextul regulii, precum și costurile din Canada. Metoda și descoperirile sale sunt totuși destul de generale și interesante, mi s-a părut oportun să le traduc și să le citesc, așa că public.

Karlovitz "Pupu" Kristóf

fundal

Ciclismul asistat electric este în creștere, deoarece combină beneficiile de sănătate și mediu ale ciclismului cu confortul unui autovehicul. Conform ultimului amendament la Legea privind siguranța autovehiculelor, o motocicletă auxiliară poate avea o putere electrică maximă de 500 de wați, care este echivalentă cu un vehicul alimentat de om.
(Gazeta Canada 658-659).

Comparativ cu alte moduri de transport, bicicleta tradițională este una dintre cele mai eficiente forme de relocare umană. Ciclismul de un kilometru costă aproximativ 5-15 wați oră (Wh) de energie, în timp ce mergeți la aceeași cantitate până la 15-20, călătoriți cu trenul 30-40 și conduceți singur 400 de wați oră. Se poate presupune că impactul general asupra mediului al bicicletei electrice ar fi, de asemenea, de ordinul mărimii mai favorabil decât conducerea, autobuzul și alte forme de transport urban. Cu toate acestea, fac rezerve și în cazul unei persoane care folosește o bicicletă electrică care altfel ar putea călători cu bicicleta obișnuită. Ei susțin că, dacă o persoană se poate deplasa cu simplă putere musculară, atunci bateria și electricitatea vor crește doar daunele și costurile mediului. Cu toate acestea, aceasta este o opinie pripită, deoarece nu ia în considerare faptul că motorul electric declanșează munca umană, ceea ce, la rândul său, costă o nutriție crescută. Astfel, durabilitatea bicicletelor electrice și obișnuite poate fi comparată doar cu o analiză completă a ciclului de viață.

Ipoteze

Pentru a simplifica comparația ciclului de viață, introducem mai multe ipoteze. Primul este că consumul de energie pe kilometru al unei biciclete electrice și obișnuite este similar. Acest lucru este acceptabil deoarece caracteristicile aerodinamice ale celor două sunt similare, iar greutatea suplimentară a motorului electric și a bateriei este neglijabilă în raport cu masa totală a vehiculului uman. Este invalid dacă mergeți mai repede pe o bicicletă electrică decât atunci când pedalați, deoarece atunci rezistența aerului crește brusc, dar din moment ce asistența electrică este limitată la 32 km/h, adică viteza unui ciclist cu experiență, putem neglija acest factor în prima aproximare.

În comparație, sunt luate în considerare doar cheltuielile celor două moduri de transport. Bicicleta electrică este alcătuită din aceleași elemente structurale ca cea obișnuită, plus există motorul, comanda, bateria și încărcătorul. Prin urmare, are un cost de producție mai mare, dar motorul, comanda și încărcătorul nu necesită întreținere și au o durată de viață foarte lungă, deci nu generează costuri suplimentare după producție. Doar bateria trebuie înlocuită și acest lucru este luat în considerare în calcule.

Cu toate acestea, ignorăm efectele secundare, cum ar fi beneficiile pentru sănătate și costul antrenamentului, precum și substanțele toxice din baterii atunci când le eliminăm. Primul ar fi foarte greu de cuantificat, în timp ce al doilea și-ar pierde relevanța pe măsură ce reciclarea bateriilor se extinde.

Cu aceste ipoteze, am redus analiza ciclului de viață la o simplă comparație energetică. Este suficient să se determine energia primară necesară pentru a produce hrana necesară pentru a acoperi o anumită muncă musculară. Aceasta este apoi comparată cu cererea de energie primară pentru aceeași cantitate de muncă efectuată de motorul electric și baterie.

Energia primară este definită ca surse de energie produse de om, cum ar fi cele obținute din rețeaua electrică sau prin arderea combustibililor fosili. Exclude radiația solară utilizată în producția de culturi. În studiul de față, unitatea de energie primară este mega-julii (MJ), în timp ce conținutul de energie al unei baterii încărcate este exprimat în wați-oră (Wh), iar conținutul de energie al alimentelor este exprimat în calorii (kcal).
1 MJ = 1.000.000 Jouli
1 kcal = 4.200 Jouli
1 w-h = 3.600 Jouli

Cererea de energie pentru producția de alimente

Producția de alimente este un consumator major de energie în societățile occidentale. Potrivit unui studiu cuprinzător realizat de Canadian Food Production, acest sector reprezintă 11% din consumul total de energie al Canadei. Include utilizarea directă a energiei din industria agricolă, precum și nevoile energetice ale producției de îngrășăminte, pesticide și mașini agricole, precum și producția, ambalarea, transportul și pregătirea alimentelor. Pe cap și pe zi este de 56 MJ sau 13.400 kcal.

Prin comparație, aportul caloric mediu al unei persoane de peste vârsta sa este de aproximativ 2.000 kcal pe zi. Deci, putem calcula că eficiența producției de alimente în Canada este de 2: 13,4, deci au fost necesare 7 calorii pentru a produce fiecare calorie alimentară. Acest raport 1: 7 este același ca în Suedia și similar cu Statele Unite (1:11) și media în societățile occidentale.

Eficiență metabolică

Eficiența metabolică a unui ciclist este remarcabil de bună. Măsurătorile arată că un atlet bine antrenat lucrează cu o eficiență de 22 până la 26%, în funcție de ritmul de pedalare și de performanță. Acest lucru înseamnă că toate caloriile energiei mecanice cheltuite pentru ciclism trebuie să fie răscumpărate cu 4 calorii energie nutritivă. Dacă comparăm acest lucru cu eficiența producției de alimente, obținem eficiența netă a performanței umane.

N uman = 1: 7 * 1: 4 = 1:28

Cu alte cuvinte, prețul unei unități de energie mecanică exercitată de un motociclist pe o pedală este de 28 de unități de energie primară (de exemplu, combustibil fosil).

Fabricarea bateriilor

Sursa de energie pentru o bicicletă electrică este o baterie reîncărcabilă. În prezent, sunt utilizate patru tipuri de baterii pe bază de produse chimice. Bateriile de plumb (PbA) sunt cele mai frecvente, bateriile de nichel-cadmiu (NiCad) sunt folosite ocazional, în timp ce bateriile de nichel metalic (NiMH) și bateriile litiu-ion (Li-ion) se răspândesc ca soluție pentru viitor. Bateriile litiu-ion și hidrură de nichel-metal (NiMH) au o densitate ridicată a energiei, o baterie plumb-acid este ieftină, iar NiCad are o durată lungă de viață. Impactul general asupra mediului al fiecărui tip a fost neglijat până acum. Prin urmare, examinăm utilizarea energiei ciclului de viață al fiecăruia dintre ele în mod individual. Este dificil să găsești o comparație a energiei necesare pentru a le produce. Cea mai precisă este rezumată în Tabelul 1. Arată câte mega-jouli sunt necesari pentru a produce o capacitate a bateriei de un watt-oră. Se bazează pe date din fabrică și oferă costul materiilor prime originale și reciclate. Aici ne ocupăm doar de primele, deși materialul reciclat poate costa mult mai puțin.

Cifrele includ livrarea materiilor prime către uzina de producție și livrarea bateriei finite către utilizatorul final. În prezent, bateriile electrice pentru biciclete sunt fabricate în mare parte în China sau Taiwan și expediate pe calea aerului către America de Nord. Tabelul 2 prezintă costul energetic al transportului bateriilor pe baza densității lor de energie pe o distanță de 10.000 km (Taiwan-> Vancouver) și presupunând o eficiență de 20 MJ/tonă-kilometru pentru transportul aerian. Se poate observa că pentru ionul de litiu și NiMH, energia de transport și de fabricație este comparabilă, în timp ce transportul bateriei cu plumb costă de aproape șapte ori mai multă energie decât producția.

Ciclul de viață al bateriei

Cantitatea totală de energie care poate fi îndepărtată de la o baterie depinde de capacitatea exprimată în wați-oră și de numărul posibil de cicluri de încărcare-descărcare ale bateriei. Energia mecanică furnizată bicicletei este prima înmulțită cu eficiența motorului.

Energia utilizată pentru încărcarea bateriei este mai mare decât energia furnizată motorului, deoarece există pierderi în sistemul de încărcare între rețea și baterie. Aceste două figuri sunt prezentate în ultimele două coloane ale Tabelului 3. Numărul redus de cicluri de baterii NiMH și PbA se bazează pe experiența practică a utilizatorilor de biciclete electrice. Cele 500 de cicluri raportate în mod normal par optimiste pentru utilizarea ciclismului. Bateriile NiCad testate au rezistat mai mult de 2.000 de cicluri cu o întreținere perfectă, astfel încât pare realist să numeri 1.000 de cicluri pentru o bicicletă electrică. Bateria litiu-ion este încă prea nouă pentru a oferi o estimare fiabilă a ciclului de viață, așa că ne bazăm pe cele 500 de cicluri specificate de producători.

Eficiența de încărcare este coeficientul energiei extrase din baterie și a energiei electrice furnizate. Litiul este aproape perfect în această privință, în timp ce celelalte suferă reacții celulare secundare care jefuiesc multă energie în timpul încărcării. Cu electronica de putere de ultimă generație, se obține o eficiență de încărcare de aproximativ 85%, iar majoritatea motoarelor pentru creierul bicicletelor ating o eficiență de 75%. Presupunem că eficiența furnizării de energie electrică a companiei este de 50% - în Canada, aceasta provine din energie termică, nucleară și hidroenergetică.

Luând în considerare toate datele, determinăm bilanțul energetic al bicicletei electrice: datele Energy Out din Tabelul 3 sunt împărțite la suma Energiei In și a energiei de transport preluate din Tabelul 2 și a energiei de producție conform Tabelului 1. Raportul fiecărui tip de baterie este prezentat în Figura 1, împreună cu costul calculat anterior al muncii umane.

Rezultatul arată că bateria litiu-ion este de departe cea mai eficientă, deoarece are o greutate redusă la transport, este ieftină de fabricat și are o eficiență ridicată de încărcare. Bateria NiCad rămâne în urmă datorită numărului mare de cicluri de încărcare pentru a compensa costurile ridicate de fabricație și expediere. Bateriile cu plumb sunt mult mai rele, trebuie să investiți de 17 ori mai mult pentru a extrage o unitate de energie, cea mai mare parte pentru a transporta o structură grea. Dar bateria plumb-acid consumă încă cu o treime mai puțină energie decât un ciclist.

Numerele de mai sus au fost obținute presupunând cazuri tipice. Din motive de corectitudine, trebuie să se recunoască faptul că ciclistul se poate hrăni în întregime cu alimente produse neprocesate produse la nivel local. Atunci raportul poate fi 1: 1. Ținând cont de eficiența metabolică de 25%, raportul de eficiență energetică umană este 1: 4, deci este puțin mai bun decât bicicleta bateriei litiu-ion.

Este posibil să ne imaginăm o situație similară optimă pentru baterie. În Vancouver, electricitatea rețelei provine de la hidrocentrale cu o eficiență de aproape 100%. Există, de asemenea, producători locali de baterii, de la baterii cu litiu și plumb. Similar cu figura anterioară, Figura 2, care se bazează pe achiziționarea bateriei locale și generarea de energie hidroelectrică și, în cazul motociclistului, pe alimentele produse local.

Cele mai favorabile costuri energetice pentru baterie și om

Interesant este că cea mai bună situație pentru propulsia electrică și puterea umană este similară. În acest caz, NiMH necesită cea mai mare intrare de energie, în timp ce bateriile cu plumb și NiCad sunt aproape la fel cu bateriile litiu-ion, raportul

rezumat

În ciuda presupunerii instinctive că ciclismul electric necesită mai multă energie decât ciclul obișnuit, analiza ciclului de viață arată că folosește de 2-4 ori mai puțină energie primară decât un ciclist care mănâncă normal. Acest lucru se datorează faptului că producția și transportul de alimente costă multă energie în societățile occidentale.

În ceea ce privește durabilitatea, cea mai bună baterie pentru o bicicletă electrică este ionul litiu. În mod optim, puteți transfera aproape o treime din energia utilizată pentru fabricarea și încărcarea roții bicicletei. De asemenea, este avantajos faptul că pachetul de baterii plasat pe bicicletă este ușor. Păcat că este scump și, prin urmare, este mai puțin avantajos din punct de vedere economic decât alte tipuri de baterii.