IV. Результаты и обсуждения
А. ОПТИМИЗИРОВАННЫЕ ФРОНТЫ ПАРЕТО
Предлагаемые двигательные установки оптимизированы в соответствии с четырьмя вышеуказанными эксплуатационными профилями. Рис. 14 дает фронты Парето потребления дизельного топлива относительно капитальных затрат. В целом, потребление дизельного топлива снижается при увеличении капитальных затрат. Это легко объяснить использованием аккумуляторов и топливных элементов, которые дороже дизельных двигателей. Еще одну вещь, которую мы могли наблюдать из рис. 14 заключается в том, что вариант эксплуатационного профиля II снижает потребление дизельного топлива более эффективно, чем три других сценария в начале. Это будет объяснено в следующем разделе.
На рис. 15 показаны эксплуатационные расходы по отношению к капитальным затратам для всех сценариев. Представленные здесь эксплуатационные расходы включают только стоимость дизельного топлива, водорода и береговой зарядки электроэнергии для маршрута в один конец. Затраты на техническое обслуживание и амортизацию не учитываются. Операционные расходы могут варьироваться в зависимости от цен за единицу продукции на разных рынках. В этой статье операционные расходы далее обсуждаться не будут, но будет показан компромисс между операционными и капитальными затратами. Источники электроэнергии требуют меньших затрат на эксплуатацию и техническое обслуживание, чем традиционные дизельные двигатели, что может привести к интересному исследованию с экономической точки зрения. Вместо того, чтобы указывать общие капитальные затраты, на рис. 16 показывает номинальную мощность дизельных двигателей и топливных элементов, а также энергетическую мощность аккумуляторов для различных рабочих профилей. На первый взгляд, тенденции во всех четырех ситуациях схожи. Дизельные двигатели становятся меньше, а топливные элементы и батареи становятся больше, когда снижается расход дизельного топлива. Однако подробные рекомендации по определению размеров и проектированию различаются в зависимости от эксплуатационных профилей и целевых показателей сокращения выбросов.
Б. НЕБОЛЬШОЕ СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ
Обсуждаемое здесь небольшое снижение выбросов составляет около 10% по сравнению с исходными механическими двигательными установками. Инжир.16 указывает на то, что номинальная мощность топливных элементов очень мала и ниже 10% сокращения выбросов. Фактически это означает, что топливные элементы могут не потребоваться для сокращения выбросов на 10%, по крайней мере, в этом тематическом исследовании. Это могло бы упростить практические гибридные силовые установки, если рассматривать только дизельные двигатели и аккумуляторы. Чтобы доказать вышесказанное, двигательные установки с дизельными двигателями и аккумуляторами оптимизируются по той же методике, разработанной в предыдущем разделе. На рис. 17 показаны результаты сравнения оптимизированных фронтов с топливными элементами и без них. В каждом случае два фронта совпадают слева, что означает, что более практично задействовать батареи только для достижения небольшой цели по сокращению выбросов. Однако в данном тематическом исследовании это не справедливо для более высокого снижения, превышающего 10%. Гибридные силовые установки с батареями и топливными элементами более перспективны для достижения более высоких целей по сокращению выбросов.
Таблица 7 суммирует оптимальные решения по фронтам Парето для с целью сокращения выбросов на 10%. Рис. 18 показывает графики мощности выбранной конструкции для каждого рабочего профиля. Во всех сценариях батареи обеспечивают часть энергии для поездок туда и обратно, чтобы уменьшить размер дизельных двигателей. Для рабочих профилей I и III батареи обеспечивают полную мощность в течение периода от 4 до 10 часов, за исключением того, что дизельные двигатели поддерживают три пика мощности для рабочего профиля III. Для рабочих профилей II и IV это может привести к использованию огромных батарей, если только батареи обеспечивают электроэнергию в рабочей зоне. Поэтому можно наблюдать из рис. 18 (b) и (d) что дизельные двигатели и аккумуляторы работают попеременно. Хотя частота поочередной работы для профиля II выше, чем для профиля IV, в основе лежит аналогичная идея – заставить дизельные двигатели работать на высокой мощности, что в конечном итоге приводит к более высокому КПД.
На рис. 19 показана эффективность дизельных двигателей оригинальной механической силовой установки. За исключением рабочего профиля IV, дизельные двигатели работают много времени с низким КПД. На рис. 20 показана эффективность двигателей, выбранных гибридных силовых установок, приведенных в таблице 7. Дизельные двигатели работают с высокой эффективностью в течение большей части времени после включения, за исключением режима работы профиля II. Выбранная гибридная силовая установка для profile II уже позволила снизить расход дизельного топлива примерно на 10%, хотя эффективность двигателей можно было бы повысить еще больше. Однако, как упомянуто на рис. 17, внедрение топливных элементов могло бы быть более экономичным для дальнейшего повышения эффективности двигателя для эксплуатационного профиля II.
Подводя итог, можно сказать, что гибридные силовые установки, включающие дизельные двигатели и аккумуляторы, являются наиболее экономичными и практичными для достижения небольшой цели по сокращению выбросов (например, ≈10% в данном примере). Общей идеей для различных эксплуатационных профилей является повышение эффективности дизельных двигателей. Аккумуляторы обеспечивают всю малую мощность для сценариев с низким энергопотреблением, а двигатели включаются только для поддержания кратковременных пиков мощности (т.е. I и III). В случаях с высокой потребностью в энергии (например, II и IV) дизельные двигатели обеспечивают большую часть мощности и энергозатрат. Однако аккумуляторы помогают двигателям работать на более высокой мощности, что приводит к повышению КПД.
C. СРЕДНЕЕ СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ
Среднее снижение выбросов, обсуждаемое здесь, составляет около 50% по сравнению с оригинальными механическими силовыми установками. На рис. 20 показано, что для повышения эффективности дизельного двигателя для эксплуатационных профилей I, III и IV остается мало места. Следовательно, для достижения этой цели по среднему снижению выбросов требуется определенное количество топливных элементов и аккумуляторов большой емкости, как показано на рис. 16. Одно исключение относится к эксплуатационному профилю II. Это можно объяснить на рис. 20 (b). Эффективность двигателя еще можно было бы повысить, прежде чем переходить на более крупные топливные элементы и аккумуляторы.
В таблице 8 приведены оптимальные решения с точки зрения Парето для достижения целевого показателя сокращения выбросов на 50%. Первые три сценария имеют примерно одинаковые размеры компонентов. В четвертом сценарии используются топливные элементы большего размера, поскольку снижению выбросов в основном способствует не повышение эффективности двигателя.
На рис. 21 показаны графики электропитания выбранной конструкции для каждого эксплуатационного профиля. Для этих четырех эксплуатационных профилей все источники питания обеспечивают питание совместно во время движения в путь и обратно. Это помогает уменьшить размер отдельных компонентов при меньших капитальных затратах. Более того, дизельные двигатели по-прежнему обеспечивают более половины мощности и энергии для движения и возврата. Хотя номинальная мощность топливных элементов различна для разных режимов работы, они работают примерно на постоянном уровне мощности в течение большей части рабочего времени в каждом сценарии.
Это помогает топливным элементам работать с высокой эффективностью, что приводит к снижению эксплуатационных расходов. Для рабочей зоны с низким энергопотреблением (т.е. I и II) дизельные двигатели выключаются, и вся мощность обеспечивается только топливными элементами. Аналогичное явление наблюдается для эксплуатационного профиля III. Однако кратковременные пики мощности поддерживаются батареями, а не двигателями, как в предыдущем разделе о малом снижении выбросов. Для рабочей зоны с высокой мощностью и энергопотреблением (т.е. IV) питание обеспечивают как дизельные двигатели, так и топливные элементы.
Подводя итог, можно сказать, что гибридные силовые установки, включающие двигатели, аккумуляторы и топливные элементы, являются более экономичными для достижения цели по среднему снижению выбросов (например, ≈50% в данном примере). На этом уровне, скорее всего, трудно дополнительно повысить эффективность дизельных двигателей. Сокращение выбросов в основном зависит от количества водорода и электроэнергии, используемой для подзарядки двигателя на берегу, по сравнению с потребляемым дизельным топливом. В данном примере дизельные двигатели и аккумуляторы обеспечивают примерно половину общей мощности, соответственно, для рейсов в путь и обратно. Топливные элементы обеспечивают относительно низкую и примерно постоянную мощность в течение всего путешествия. Единственным исключением является сценарий с высокой потребностью в мощности и энергии (т.е. IV). Дизельные двигатели и топливные элементы обеспечивают примерно половину мощности, необходимой в рабочей зоне в течение всего рейса, в то время как аккумуляторы поддерживают запас энергии для перехода и возвращения.
D. ОКОНЧАТЕЛЬНОЕ СОКРАЩЕНИЕ ВЫБРОСОВ
Обсуждаемое максимальное снижение выбросов означает безэмиссионные силовые установки. В таблице 9 приведены схемы решений для систем без выбросов для всех эксплуатационных профилей. В результатах по-прежнему присутствуют дизельные двигатели чрезвычайно малой мощности. Однако они всегда выключаются, если мы проверяем их графики мощности. Поэтому разумно проигнорировать их в следующем обсуждении. Аналогично предыдущему разделу о сокращении выбросов в окружающую среду, первые три случая примерно имеют схожие размеры компонентов. По сравнению с четвертым сценарием, первые три гибридные системы имеют относительно меньшие топливные элементы, но более крупные батареи.
На рис. 22 приведены графики энергопотребления выбранной конструкции для каждого рабочего профиля. Первые три сценария практически соответствуют одной и той же схеме. Топливные элементы обеспечивают небольшое количество (≈25%) максимальной мощности в начале и в конце, чтобы уменьшить размер батарей. Аккумуляторы обеспечивают большую часть общей мощности и удовлетворяют временную потребность в электроэнергии для поездок на работу и обратно. В рабочей зоне топливные элементы обеспечивают почти всю мощность, за исключением того, что батареи берут на себя кратковременные пики мощности для рабочего профиля III. В последнем сценарии ситуация противоположная. Топливные элементы обеспечивают большую часть (≈80%) мощности для поездок в путь и обратно, в то время как аккумуляторы поддерживают некоторую мощность для уменьшения размера топливных элементов. В рабочей зоне только топливные элементы обеспечивают всю мощность. Еще один интересный факт можно обнаружить, если сравнить среднюю мощность с номинальной мощностью топливных элементов. Средняя мощность составляет 398 кВт, 346 кВт, 465 кВт и 865 кВт соответственно для каждого рабочего профиля. Помимо последнего, первые три значения близки к номинальным значениям мощности топливных элементов, приведенным в таблице 9. Это соответствует нашему общему мнению о том, что топливные элементы примерно обеспечивают долговременную постоянную мощность при высоком КПД, в то время как аккумуляторы используются для увеличения мощности и выравнивания энергопотребления.
Подводя итог, можно сказать, что гибридные силовые установки, включающие аккумуляторы и топливные элементы, являются общими для целей без выбросов. В большинстве случаев номинальная мощность топливных элементов может быть приблизительно выбрана на основе средней мощности. Но она может быть больше для эксплуатационного профиля с высокой потребностью в мощности и энергии. Затем можно было бы оценить размер батареи в соответствии с максимальной мощностью и потребностью в энергии на весь рейс.