Kitkahäviöt henkilöautoissa energiankäytön ja CO 2 -päästöjen vähentämismahdollisuudet Holmberg, Andersson & Erdemir VTT 12.1.2012
2 Lähtökohta Paljonko kuluu energiaa kitkaan autoissa? Paljonko voidaan säästää? Suomessa? Maailmassa? Mitä pitäisi tehdä?
3 Henkilöautojen kitkahäviöt eri ulottuvuustasoilla 10 12 10 9 10 6 10 3 1 10-1 10-3 10-6 10-9 Tm Gm Mm Km m dm mm m nm Globaali taso Kansallinen taso Kehittyneet teollisuusmaat, teollisesti kehittyvät maat, maatalousmaat Yhteiskuntatoimintotaso Kuljetus, voimalaitokset, teollisuus, rakennukset ym. Yhteiskunnan alasektoritaso Esim. kuljetus: tie-, raide-, meri-, lentoliikenne Konetaso Esim. tieliikenne: moottori, vaihdelaatikko, pyörät, jarrut ym. Komponenttitaso Esim. moottori: laakerit, hammaspyörät, tiivisteet, männänrenkaat ym. Kitkalähdetaso Raja-, EHD-, HD-voitelu, vierintä, liukuminen, kyntäminen ym.
4 Energian kulutuksen kohteet auton käytön eri vaiheissa Nopeus Vakionopeus (a) Liike-energia (b) Moottorin ja voimansiirron kitka (c) Pyörien kitka ja ilmanvastus (d) Jarrutuskitka Kiihdytys Jarrutus Tyhjäkäynti b a+b+c b+c b+c+d-a Aika
5 Menetelmä kitkahäviöiden laskemiseksi henkilöautoille globaalitasolla 1. Globaali raakaöljyn käyttö henkilöautoissa 2009: 1083 Mtoe/v 2. Globaali polttoaine-energian käyttö autoissa 2009: 22 085 000 TJ/v 12. Maailmanlaajuiset säästömahdollisuudet käyttäen parasta kaupallista ( 350 000 M ), parasta laboratorio- ( 575 000 M ) ja tulevaisuuden parasta ( 660 000 M ) ratkaisua 3. Autoja maailmassa yhteensä: 612 milj. autoa 4. Energiankäyttö yhdessä keskivertoautossa: 36 000 MJ/a 5. Energia kitkan voittamiseen yhdessä keskivertoautossa: 11 860 MJ/v = 340 l/v 6. Kitkahäviöt auton alajärjestelmissä: renkaat, moottori, vaihdelaatikko, jarrut 13. Säästömahdollisuudet Euroopassa käyttäen parasta kaupallista( 60 200 M ), parasta laboratorio- ( 99 600 M ) ja tulevaisuuden parasta ( 114 000 M ) ratkaisua 11. Energian säästöpotentiaali yhdelle keskivertoautolle käyttäen parasta kaupallista ( 37% ), parasta laboratorio- ( 61% ) ja tulevaisuuden parasta ( 70% ) ratkaisua 10. Kitkanvähennyksen potentiaali erilaisissa kitkalähteissä 9. Arvio kitkatehokkuudesta (= kitkakerroin) erilaisissa kitkalähteissä auto 2000:lle, auto 2010:lle, lab 2010:lle ja auto 2020:lle 7. Kitkahäviöt auton komponenteissa: hammaspyörät, laakerit, tiivisteet, männät, pumppaus ym. 8. Kitkahäviöt erilaisissa kitka- ja voitelukohdissa: HD, EHD, BL, ML, VL ym.
6 Globaali keskivertohenkilöauto ja keskimääräiset ajo-olosuhteet Globaali keskivertohenkilöauto: valmistettu vuonna 2000 nelisylinterinen nelitahtimoottori: 75 kw moottorilla 1,7 dm 3 iskutilavuus paino 1500 kg 70 % bensiini- ja 30 % dieselkäyttöinen keskimääräinen kulutus 8 litraa/100 km Keskimääräiset globaalit ajo-olosuhteet: vuosittaiset ajokilometrit: 13 000 km keskinopeus: 60 km/t ajo keskivertotiellä 300 g/kwh polttoainetehokkuus / 12 kw CO 2 -päästöjä 2,5 kg/ polttoainelitra
7 Polttoaine-energian muuttuminen henkilöautoissa 60 km/t ajonopeudella POLTTOAINE Potentiaalienergia (kemiallinen) Pakokaasut Jäähdytys Ilmanvastus Kitka 33 % => lämmön ja kaasujen siirtyminen 29 % => lämpöhukka ja johtuminen 5 % => kaasun leikkautuminen => lämpö 33 % => lämpö & materiaalin muunnos Muutos: - liike-energiaksi - lämpöenergiaksi - erilaiseen olomuotoon
8 Henkilöauton energiankäyttö POLTTO- AINEEN ENERGIA PAKO- KAASUT 33% JÄÄH- DYTYS 29% Hyödytön hukkaenergia Kokonaisenergiahäviöt 100% MEKAANI- NEN VOIMA 38% KITKA- HÄVIÖT 33% ILMANVAST. 5% MOOTTORI 11.5% VOIM.SIIRT 5% VIERINTÄ- VASTUS 11.5% JARRUT 5% ILMANVAST 5% ENERGIA AUTON SIIRTOON 21.5%
9 Kitkahäviöt auton eri komponenteissa Pyörät 35 % RF Moottori 35 % Vaihdelaatikko 15 % - hammasvälitys 55 % EHD - laakerit 20 % EHD - viskositeetti 20 % VL - tiivisteet ym. 5 % ML Jarrut 15 % - kampimekanismi 15 % ML - laakerit, tiivisteet 30 % HD - mäntä-sylinteri 45 % => - HD, purs. 40 % - EHD 40 % - ML 10 % - BL 10 % - pumppaus ja hydr. 10 % VL
10 Vuosittaiset kitkahäviöt keskivertohenkilöautossa kitka- ja voitelumekanismien mukaisesti jaoteltuna Kitkan voittamiseen käytetty 11 863 MJ energiamäärä jakautuu: - 4 152 MJ (35 %) pyörien vierintävastukseen - 4 152 MJ (35 %) moottorijärjestelmään, joka jakautuu: - 1 868 MJ (45 %) mäntäjärjestelmään, joka jakautuu: - 747 MJ (40 %) HD voitelukontaktiin - 747 MJ (40 %) EHDS voitelukontaktiin - 187 MJ (10 %) ML voitelukontaktiin -187 MJ (10 %) BL voitelukontaktiin - 1 246 MJ (30 %) laakereihin, tiivisteisiin ym., pääasiallisesti HD - 623 MJ (15 %) kampijärjestelmään, pääasiallisesti HD - 415 MJ (10 %) pumppaukseen ja hydrauliikkahäviöihin -1 779 MJ (15 %) vaihdelaatikkoon, joka jakautuu: - 356 MJ (20 %) viskoosihäviöihin - 979 MJ (55 %) hammaspyöriin, EHDS voitelukontakti - 356 MJ (20 %) laakereihin, EHDR voitelukontakti - 89 MJ (5 %) tiivisteisiin ym., ML voitelukontakti - 1 779 MJ (15 %) jarruhin jarrutusvoiman aikaansaamiseksi
Kitkan vähentämismahdollisuudet eri kitka- ja voitelumekanismien osalta 11
12 Uusia teknisiä ratkaisuja kitkan vähentämiseksi henkilöautoissa Uudet pinnoiterakenteet: DLC, TS, nanokomposiitit ym. (tyhjiössä superlubricity = 0.001; voideltuna 10-50 % kitkan vähennys) Pinnan teksturointimenetelmät: laser-teksturointi (25-50 % kitkan vähennys; 4 % polttoainekulutuksen vähennys) Uudet rajavoitelulisäaineet ja nesteet: glyserolimono-oleaatti PAO vs DLC kosketuksessa (0.005 glyserolissa); nanomateriaalit lisäaineena kuten WS 2, MoS 2 and H 3 BO 3 Matalan viskositeetin voiteluaineet Ioniset nesteet: 25-50 % kitkan vähennys Biomimetiikka: biomolekulaariset proteiinilisäaineet, sähkövaraus polyelektrolyyttiharjat, porcine gastric musiini, glykoproteiinimusiini =0.001-0.04) Matalakitkarenkaat: korkeampi paine, kapeammat renkaat jne.
13 Mahdolliset maailmanlaajuiset säästöt kitkan vähentämisestä henkilöautoissa Polttoaineen kulutus kitkan voittamiseksi Energian kulutus kitkan voittamiseksi 208 000 milj. litraa/v 7.3 milj. TJ/v Säästöt parhaalla kaupallisella ratkaisulla Säästöt tämän päivän parhaalla ratkaisulla Säästöt tulevaisuuden (10 v.) parhaalla ratkaisulla 348 000 M /v 576 000 M /v 659 000 M /v Tehotoimenpiteiden ja tuotekehityksen tuloksena (5 10 vuoden aikana): Realistiset polttoainesäästöt (18 % vähennys) 117 000 milj. litraa/v Realistiset CO 2 -päästövähennykset 290 milj. tonnia/v Realistiset taloudelliset säästöt lyhyellä aikavälillä 174 000 milj. /v
14 Mahdolliset säästöt kitkan vähentämisestä lyhyellä aikavälillä (5 10 vuotta; 18 %) eri maissa Energian säästö (TJ/v) Taloudelliset säästöt (10 6 Euro/v) Polttoainesäästöt (10 6 litraa/v) CO 2 -päästövähennykset (10 6 kg/v) Maailma 4 086 000 174 000 117 000 290 000 Teollistuneet maat 2 452 000 104 000 70 200 175 000 Teollisesti kehittyvät maat 1 430 000 61 000 41 000 102 000 Maatalousmaat 204 000 8 700 5 900 14 600 EU 707 000 30 100 20 200 50 400 USA 887 000 37 800 25 400 63 300 Kiina 424 000 18 100 12 200 29 300 Japani 204 000 8 700 5 900 14 600 Iso-Britannia 81 000 3 500 2 300 5 800 Etelä-Afrikka 25 600 1 100 740 1 800 Suomi 10 200 430 300 700
15 Keinoja vähentää autojen energiankulutusta Kitkan vähentämiseen liittyvät: - 10 % vierintävastuksen vähennys => 3 % energiansäästö - 10 % moottorin kitkavähennys => 3 % energiansäästö - 10 % vaihdelaatikon kitkavähennys => 1.5 % energiansäästö Painoon ja muotoiluun liittyvät: - 10 % painon vähennys => 8.3 % energiansäästö - 10 % auton etupinta-alan vähennys => 2.2 % energiansäästö Käyttäjään liittyvät: - 10 % nopeuden pudotus (110 >100 km/t) => 16 % energiansäästö - 2 bar > 2.5 bar renkaan ilmanpaine => 3 % energiansäästö
16 Yhteenveto 612 miljoonaa henkilöautoa käytössä maailmassa tänään kolmasosa polttoainekulutuksesta menee kitkaan globaali keskivertoauto ajaa 13 000 km vuodessa ja käyttää 340 litraa polttoainetta, mikä maksaa 510, kitkan voittamiseksi uusi teknologia voi vähentää kitkaa 10-80 % 18 % vähennys on saavutettavissa polttoaineen kulutuksessa ja CO 2 -päästöissä lyhyellä aikavälillä (5-10 v) ja 61 % pitkällä aikavälillä (15-25 v) uudella teknologialla sähköauton kitkahäviöt ovat ½ polttomoottoriauton häviöistä
17 Maailman energian tuotanto ja kulutus 2009 Hiili 27 % Energian tuotanto yhteensä 12150 Mtoe Öljy 33 % Raakaöljyn kulutus yhteensä 3460 Mtoe Henkilöautot 28 % Raakaaineena 17 % Kaasu 21 % Ydinvoima 6 % Vesivoima 2 % Uusiutuvat 11 % Kuljetus 62 % Kuormaautot 12 % Bussit 4 % Laivat 8 % Muu 12 % Teollisuus 9 % Junat 3 % Lentokoneet 7 % Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia
18 Tutkimuksen rahoittajat FIMECC Oy Metallituotteet ja koneenrakennusalan strategisen huippuosaamisen keskittymän DEMAPP-tutkimusohjelma Tekes VTT Argonne National Laboratory, Department of Energy, Chicago, USA
19 VTT luo teknologiasta liiketoimintaa