Эквивалент бензина: Сравнение энергетической ценности альтернативных видов топлива.

Введение

Количество альтернативного топлива, необходимое для получения энергии, эквивалентной одному жидкому галлону бензина.

Галоновый эквивалент бензина (GGE) или бензиновый эквивалент галлона (GEG) – это количество альтернативного топлива, необходимое для получения энергии, эквивалентной одному жидкому галлону бензина. GGE позволяет потребителям сравнивать энергетическую ценность различных видов топлива, используя в качестве эталона широко известный бензин. Сравнить стоимость бензина с другими видами топлива сложно, если они продаются в разных единицах измерения и физических формах. GGE призван решить эту проблему. Один GGE сжатого природного газа (СПГ) и один GGE электроэнергии содержат столько же энергии, сколько один галлон бензина. Таким образом, GGE обеспечивает прямое сравнение бензина с альтернативными видами топлива, включая те, которые продаются в виде газа (природный газ, пропан, водород) и в виде электроэнергии, измеренной счетчиком.

Определение

В 1994 году Национальный институт стандартов и технологий США (NIST) определил "эквивалент одного галлона бензина (GGE) [как] 5,660 фунтов природного газа". Сжатый природный газ (CNG), например, является газом, а не жидкостью. Его можно измерять по объему в стандартных кубических футах (ft3) при атмосферных условиях, по весу в фунтах (lb) или по энергетическому содержанию в джоулях (J), британских тепловых единицах (BTU) или киловатт-часах (kW·h). CNG, продаваемый на заправочных станциях в США, продается по цене в долларах за GGE. Использование GGE для сравнения запаса энергии различных видов топлива, используемых в двигателях внутреннего сгорания, – это лишь один из факторов, которые учитывают потребители. Как правило, их больше интересует годовая стоимость эксплуатации автомобиля, что требует оценки количества полезной работы, которую можно получить из определенного количества топлива. Эта величина определяется общей эффективностью автомобиля. В контексте GGE реальным показателем общей эффективности является экономичность или расход топлива, заявленные производителями автомобилей.

Эффективность и потребление

Для начала, лишь часть накопленной энергии в данном топливе (измеряемой в BTU или кВт⋅ч) может быть преобразована в полезную работу двигателем транспортного средства. Мерой этого является эффективность двигателя, часто называемая тепловой эффективностью в случае двигателей внутреннего сгорания. Дизельный двигатель может быть эффективен на 40–50% при преобразовании топлива в работу, в то время как типичный автомобильный бензиновый двигатель имеет эффективность около 25–30%. Как правило, двигатель рассчитан на работу на одном виде топлива, и замена топлива может повлиять на тепловую эффективность. Каждая комбинация топлива и двигателя требует регулировки смеси воздуха и топлива. Это может быть ручная регулировка с использованием инструментов и измерительных приборов, или автоматическая в автомобилях с компьютерным управлением, использующих впрыск топлива и работающих на нескольких видах топлива. Принудительная подача воздуха в двигатель внутреннего сгорания с помощью нагнетателя или турбокомпрессора также может повлиять на оптимальную топливно-воздушную смесь и тепловую эффективность. Общая эффективность преобразования единицы топлива в полезную работу (вращение ведущих колес) включает в себя учет тепловой эффективности, а также динамических потерь, которые присущи и специфичны для конструкции конкретного транспортного средства. На тепловую эффективность влияют как трение, так и тепловые потери; в двигателях внутреннего сгорания часть накопленной энергии теряется в виде тепла через выхлопную или систему охлаждения. Кроме того, трение внутри двигателя возникает вдоль стенок цилиндров, подшипников коленчатого вала и основных подшипников, подшипников распределительного вала, приводных цепей или шестерен, а также на других различных и незначительных поверхностях подшипников. Другие динамические потери могут быть вызваны трением вне двигателя, включая нагрузки от генератора/альтернатора, насоса гидроусилителя руля, компрессора кондиционера, трансмиссии, раздаточной коробки (если привод полный), дифференциалов и карданных валов, а также сопротивление качению пневматических шин. Внешний дизайн автомобиля влияет на его аэродинамическое сопротивление, что также является динамической потерей, которую необходимо учитывать при оценке общей эффективности. В аккумуляторных или электрических транспортных средствах расчет общей эффективности полезной работы начинается с скорости заряда-разряда аккумуляторной батареи, обычно 80–90%. Затем следует преобразование накопленной энергии в пройденное расстояние. В целом, электродвигатель гораздо эффективнее двигателя внутреннего сгорания в преобразовании накопленной потенциальной энергии в полезную работу; в электромобиле эффективность тягового двигателя может достигать 90%, поскольку от деталей двигателя выделяется минимальное количество тепла, а от радиатора охлаждающей жидкости и выхлопной системы – вообще никакого. Электродвигатель обычно имеет внутреннее трение только в подшипниках главной оси. Дополнительные потери повлияют на общую эффективность, аналогично обычному автомобилю с двигателем внутреннего сгорания, включая сопротивление качению, аэродинамическое сопротивление, мощность вспомогательных устройств, климат-контроль и потери в трансмиссии. См. таблицу ниже, переводящую розничные цены на электроэнергию в эквивалент GGE в BTU. Общая эффективность измеряется и сообщается, как правило, государственными испытательными лабораториями, путем эксплуатации транспортного средства в стандартизированном цикле вождения, предназначенном для имитации типичного использования, обеспечивая при этом согласованную основу для сравнения между транспортными средствами. Автомобили, продаваемые в Соединенных Штатах, рекламируются по их измеренной общей эффективности (экономичности топлива) в милях на галлон (mpg). Показатель MPG для конкретного транспортного средства определяется тепловой эффективностью топлива и двигателя, за вычетом всех вышеперечисленных элементов трения. Расход топлива является эквивалентной мерой для автомобилей, продаваемых за пределами Соединенных Штатов, обычно измеряется в литрах на 100 км; в целом, расход топлива и миль на галлон являются величинами, обратными друг другу, с соответствующими коэффициентами пересчета, но поскольку разные страны используют разные циклы вождения для измерения расхода топлива, экономичность топлива и расход топлива не всегда напрямую сопоставимы.

To start, only a fraction of the stored energy of a given fuel (measured in BTU or kW hr) can be converted to useful work by the vehicle's engine. The measure of this is engine efficiency, often called thermal efficiency in the case of internal combustion engines. A diesel cycle engine can be as much as 40% to 50% efficient at converting fuel into work, where a typical automotive gasoline engine's efficiency is about 25% to 30%. In general, an engine is designed to run on a single fuel source and substituting one fuel for another may affect the thermal efficiency. Each fuel–engine combination requires adjusting the mix of air and fuel. This can be a manual adjustment using tools and test instruments or done automatically in computer controlled fuel injected and multi fuel vehicles. Forced induction for an internal combustion engine using supercharger or turbocharger may also affect the optimum fuel–air mix and thermal efficiency. The overall efficiency of converting a unit of fuel to useful work (rotation of the driving wheels) includes consideration of thermal efficiency along with dynamic losses that are inherent and specific to the design of a given vehicle. Thermal efficiency is affected by both friction and heat losses; for internal combustion engines, some of the stored energy is lost as heat through the exhaust or cooling system. In addition, friction inside the engine happens along the cylinder walls, crankshaft rod bearings and main bearings, camshaft bearings, drive chains or gears, plus other miscellaneous and minor bearing surfaces. Other dynamic losses can be caused by friction outside the motor/engine, including loads from the generator / alternator, power steering pump, A/C compressor, transmission, transfer case (if four wheel drive), differential(s) and universal joints, plus rolling resistance of the pneumatic tires. The vehicle's external styling affects its aerodynamic drag, which is another dynamic loss that must be considered for overall efficiency. In battery or electric vehicles, calculating the vehicle's overall efficiency of useful work begins with the charge–discharge rate of the battery pack, generally 80% to 90%. Next is the conversion of stored energy to distance traveled under power. Generally speaking, an electrical motor is far more efficient than an internal combustion engine at converting the stored potential energy into useful work; in an electric vehicle, traction motor efficiency can approach 90%, as there is minimal waste heat coming off the motor parts, and zero heat cast off by the coolant radiator and out of the exhaust. An electric motor typically has internal friction only at the main axle bearings. Additional losses will affect the overall efficiency, similar to a conventional internal combustion car, including rolling resistance, aerodynamic drag, accessory power, climate control, and drivetrain losses. See table below translating retail electricity costs for a GGE in BTU. Overall efficiency is measured and reported, typically by government testing, through operating the vehicle in a standardized driving cycle designed to replicate typical use, while providing a consistent basis for comparison between vehicles. Cars sold in the United States are advertised by their measured overall efficiency (fuel economy) in miles per gallon (mpg). The MPG of a given vehicle starts with the thermal efficiency of the fuel and engine, less all of the above elements of friction. The fuel consumption is an equivalent measure for cars sold outside the United States, typically measured in litres per 100 km traveled; in general, the fuel consumption and miles per gallon would be reciprocals with appropriate conversion factors, but because different countries use different driving cycles to measure fuel consumption, fuel economy and fuel consumption are not always directly comparable.

Мили на галлон бензинового эквивалента (MPGe)

Метрика MPGe была введена в ноябре 2010 года Агентством по охране окружающей среды США (EPA) на этикетке Monroney электромобиля Nissan Leaf и подключаемого гибрида Chevrolet Volt. Оценки основаны на формуле EPA, согласно которой 33,7 киловатт-часа электроэнергии эквивалентны одному галлону бензина (с тепловой ценностью), и на потреблении энергии каждым транспортным средством в ходе пяти стандартных тестов EPA, имитирующих различные условия вождения. Все новые автомобили и легкие грузовики, продаваемые в США, обязаны иметь эту этикетку с указанием оценки EPA расхода топлива транспортного средства.

Таблицы галонов бензина

Расчет GGE для бензина в американских галлонах при: Топливо: жидкость, американские галлоны GGE GGE % BTU/гал kWh/гал л.с. ч/гал ккал/литр Бензин (базовый) 1.0000 100.00% 114 000 Бензин (обычный, летний) % 112 000 Дизельное топливо #2 % 129 500 Биодизель (B100) % 118 700 Реактивное топливо (керосин) 1.0000 галлоны (США) /галСША Сжатый природный газ (CNG) при стандартных условиях фунт /фунт Сжатый природный газ (CNG) при условиях окружающей среды фунт /фунт Водород при атмосферных условиях фут3 /фут3 Водород по весу кг /кг Электричество 33.40 киловатт-часа kWh

+ Стоимость электричества за 1 GGE 1 GGE = 33.40 kWh Для местного тарифа за кВтч $/галлон эквивалента $0.03 $1.000 $0.04 $1.333 $0.05 $1.667 $0.06 $2.000 $0.07 $2.338 $0.08 $2.670 $0.09 $3.006 $0.10 $3.340 $0.11 $3.674 $0.12 $4.000 $0.13 $4.342 $0.14 $4.670 $0.15 $5.010 $0.16 $5.344 $0.17 $5.678 $0.18 $6.012 $0.19 $6.346 $0.20 $6.680 $0.25 $8.350 $0.27 $9.018 $0.28 $9.352 $0.29 $9.686 $0.30 $10.020
Тарифы за кВтч для бытового электричества в США варьируются от $0.0728 (Айдахо) до $0.166 (Аляска), $0.22 (Сан-Диего, уровень 1, а уровень 2 - $0.40) и $0.2783 (Гавайи).

Сжатый природный газ

Один ГГЭ природного газа соответствует стандартным условиям. Этот объем природного газа обладает той же энергетической ценностью, что и один американский галлон бензина (исходя из нижних значений теплотворной способности: для природного газа и для бензина). Один ГГЭ СНГ под давлением в 2400 psi соответствует. Этот объем СНГ при давлении 2400 psi обладает той же энергетической ценностью, что и один американский галлон бензина (исходя из нижних значений теплотворной способности: для СНГ и для бензина). Когда потребители заправляют свои автомобили на СНГ в США, СНГ обычно измеряется и продается в единицах ГГЭ. Это достаточно удобно для сравнения с галлонами бензина.

Этанол и смешанные виды топлива (E85)

Энергетическая ценность этанола эквивалентна энергетической ценности бензина. Энергетическое содержание этанола составляет , по сравнению с для бензина. (см. график выше) Автомобиль с гибким топливным двигателем продемонстрирует примерно 76% пробега на галлоне (MPG) при использовании топлива E85 (85% этанола) по сравнению со 100% бензином. Простые вычисления теплотворной способности этанола и бензина показывают снижение тепловой энергии, доступной для двигателя внутреннего сгорания. Чистый этанол обеспечивает 2/3 тепловой ценности чистого бензина. В наиболее распространенном расчете, сравнивающем теплотворную способность чистого бензина и бензина с 10% этанола, последний имеет чуть более 96% теплотворной способности чистого бензина. Теплотворная способность бензина варьируется в зависимости от давления насыщенных паров (давление пара Рида), что облегчает испарение в зимних смесях, содержащих этанол (этанол затрудняет запуск автомобиля в холодную погоду), а также от противодетонационных присадок. Такие присадки снижают теплотворную способность.