Transport ludzi i towarów pochłania większość światowego zużycia ropy i odpowiada za 22% światowych emisji gazów cieplarnianych. Koszt paliwa stanowi często prawie połowę ceny transportu, dlatego każde ograniczenie jego zużycia jest w cenie. Przyjrzyjmy się, gdzie generowane są największe straty energii i jak można je ograniczyć.
Aby poruszyć pojazd mechaniczny poruszający się na kołach, trzeba pokonać trzy rodzaje oporów: opór toczenia kół, opór aerodynamiczny powietrza i tarcie między elementami układu napędowego. Najniższe tarcie toczne mają pojazdy o twardych kołach, poruszające się po równej nawierzchni. Współczynnik tarcia dla kół standardowego wagonu kolejowego wynosi ok. 0,002, co oznacza, że aby móc ciągnąć wagon o masie 50 ton, trzeba wywierać na niego siłę równą co najmniej 100 kg ciężaru. Współczynnik tarcia dla opon samochodu, czy ciężarówki jest 3-8 razy większy, czyli aby pchać samochód o masie 1,5 t trzeba wywierać na niego siłę 9-24 kg. Współczynnik tarcia nie zmienia się znacząco ze wzrostem prędkości, ale może istotnie wzrosnąć, jeśli ciśnienie w oponach jest zbyt niskie, nawierzchnia jest nierówna, lub podłoże ugina się pod pojazdem (na drogach gruntowych).
Drugim składnikiem oporów ruchu jest opór aerodynamiczny, wynikający z przepychania obiektu przez nieruchome powietrze. Opór aerodynamiczny zależy od kształtu ciała, jego powierzchni czołowej, gęstości powietrza, a przede wszystkim prędkości. Siłę oporu obliczamy ze wzoru:
F = Współczynnik kształtu *Powierzchnia Czołowa * gęstość powietrza * Prędkość2
Zauważmy, że siła oporu, a więc i zużycie energii, zależą przede wszystkim od prędkości. Dwukrotne zwiększenie prędkości powoduje czterokrotne zwiększenie siły oporu. Dwukrotnie szybszy pojazd na pokonanie tej samej trasy potrzebuje czterokrotnie więcej paliwa, a moc jego silnika musi być aż 8 razy większa (moc = siła * prędkość). To właśnie dlatego szybkie samochody i pociągi potrzebują silników o tak ogromnej mocy.
Zanim energia mechaniczna zostanie przekazana z silnika do kół, część jest tracona w wyniku tarcia w rozrządzie, skrzyni biegów i mechanizmach tocznych kół. Dla nowoczesnego samochodu z manualną skrzynią biegów poruszającego się ze stałą, umiarkowaną prędkością, straty te są względnie niewielkie, rzędu kilku procent.
Kolejnym czynnikiem wpływającym na zużycie paliwa jest obecność innych niż silnik odbiorników mocy. Włączona klimatyzacja w samochodzie pobiera dużo energii i podnosi spalanie o ok. 1-2 litry na sto kilometrów (zależnie od mocy chłodzenia i średniej prędkości). Pozostałe odbiorniki mocy (radio, oświetlenie, nawiew), podnoszą spalanie tylko w niewielkim stopniu.
W przypadku większości pojazdów największy udział w zużyciu energii ma opór aerodynamiczny. Można go minimalizować poprzez zmniejszenie powierzchni czołowej pojazdu (np. większość sportowych samochodów jest bardzo niska), polepszenie aerodynamiki, lub zmniejszenie prędkości. Metody te stosuje się z powodzeniem m.in. w transporcie kolejowym. Ciąg wagonów poruszających się jeden za drugim, stawia powietrzu znacznie mniejszy opór, niż konwój ciężarówek oddzielonych kilkudziesięciometrowymi odstępami. W przypadku szybkich pociągów pasażerskich dodatkowo projektanci starają się nadać lokomotywie opływowy kształt oraz zmniejszyć turbulencje powstałe na stykach wagonów i wystających elementach pociągu. Przewóz pociągiem jest najefektywniejszym obecnie stosowanym sposobem transportu lądowego ludzi i towarów w swojej klasie prędkości. Możliwe jest stworzenie bardzo szybkich i efektywnych energetycznie środków transportu, opartych np. na rurach próżniowych, nie zostały one jednak jeszcze zaimplementowane w praktyce.
Ciężarówki są z reguły szybsze i mniej aerodynamiczne niż pociąg, stąd możliwości zmniejszenia oporu powietrza są w ich przypadku znacznie większe. Najprostszym sposobem jest zmniejszenie prędkości – redukcja prędkości z 90 km/h do 70 km/h oznacza zmniejszenie oporu powietrza o 40%, o tyle samo spada też ilość energii potrzebnej na napędzanie pojazdu. Jeśli zmniejszenie prędkości jest niepożądane, można starać się zmniejszyć współczynnik oporu pojazdu, np. poprzez zastosowanie owiewki nad kabiną kierowcy, lub wydłużenie przodu ciężarówki. Problem z oporem powietrza można też zmniejszyć poprzez uformowanie konwoju z kilku pojazdów, które poruszają się jeden za drugim w niewielkich odległościach. W Australii od lat stosuje się ciężarówki z kilkoma przyczepami, znane jako „pociągi drogowe”. W Europie krętość dróg uniemożliwia ruch tradycyjnych pociągów drogowych, można jednak zastosować nowoczesną technikę i sprząc ze sobą kilka ciężarówek w sposób elektroniczny, tak, aby kolejne poruszały się automatycznie tuż za pierwszą.
Ilustracja 1. Przedstawiony na zdjęciu pojazd łączy kilka cech umożliwiających obniżenie zużycia paliwa, zwłaszcza na długich trasach: Łagodnie pochylony przód (po zdjęciu zderzaka) stawia niewielki opór powietrzu, przyczepy umieszczone jedna za drugą pozwalają na przewiezienie dużej ilości ładunku przy niewielkiej powierzchni czołowej, a niższa prędkość zmniejsza straty energii na opór powietrza i rozpędzenie pojazdu. Źródło.
Transport towarów statkiem jest znacznie tańszy i bardziej efektywny energetycznie od jakiejkolwiek formy transportu lądowego. Statki są znacznie większe i powolniejsze od ciężarówek, więc do wykonania tej samej pracy przewozowej potrzebują wielokrotnie mniej energii. Ponad 90% mocy napędowej przekazywanej przez śrubę jest zużywane na przezwyciężenie oporów stawianych przez wodę. Opór ten jest wynikiem wzrostu ciśnienia w miejscu, gdzie kadłub przecina wodę, tarcia wody o kadłub, oraz wirów powstających za rufą. Przy niewielkich prędkościach moc potrzebna do napędzania statku jest proporcjonalna do trzeciej potęgi prędkości, lecz potem rośnie coraz szybciej i bywa, że zwiększenie prędkości statku o 10% wymaga zwiększenia mocy silnika o połowę.
Przed kryzysem finansowym z 2008 roku, w epoce taniej ropy, większość statków pływała ze swoją nominalną, dość wysoką prędkością, co zapewniało szybkie dostawy towarów, jednak za cenę bardzo wysokiego zużycia (wtedy znacznie tańszego niż obecnie) paliwa. W 2009 roku przyszła ogólnoświatowa recesja i zapotrzebowanie na transport morski spadło. Przedsiębiorstwa żeglugowe poradziły sobie z tym w prosty sposób – zmniejszyły prędkość statków, dzięki czemu zaoszczędziły miliardy dolarów na paliwie. Od tego czasu cena ropy znacząco wzrosła, a stawki za fracht wciąż są zbyt niskie, aby wynagrodzić pływanie z pełną prędkością. Dlatego większość statków pływa z prędkością znacznie niższą od projektowej, a nowe kontenerowce projektowane są do pływania z mniejszą prędkością niż ich poprzednicy.
Ilustracja 2. Nowa seria kontenerowców firmy Maersk łączy w sobie kilka cech pozwalających osiągnąć niespotykaną wcześniej efektywność w transporcie towarów. Statek jest zaprojektowany do pływania z niższą prędkością, niż jego poprzednicy, dzięki czemu stawia wodzie znacznie mniejszy opór. Jest wyposażony w dwa silniki o stosunkowo małej mocy, które napędzają dwie wolnoobrotowe, wysokoefektywne śruby. Jest to również największy na świecie kontenerowiec. Ma 400 metrów długości i zabiera ponad 9000 40-stopowych kontenerów. Źródło.
Wśród pojazdów poruszających się po mieście największym źródłem strat energii jest potrzeba wielokrotnego rozpędzania i hamowania pojazdu przed światłami, lub przystankami. Aby rozpędzić samochód do 70 km/h potrzeba takiej samej ilości energii, jak do podniesienia go na wysokość 20 metrów. Najłatwiej można obniżyć te straty poprzez zmniejszenie prędkości – obniżenie jej o połowę pozwoli zaoszczędzić 3/4 energii na rozpędzenie pojazdu. Tam, gdzie wymagana jest większa szybkość, np. w komunikacji miejskiej, można próbować odzyskać część energii poprzez przesłanie jej z powrotem do sieci elektrycznej (powszechnie stosowane w tramwajach), lub zgromadzenie przy użyciu koła zamachowego, lub sprężonego powietrza. Na jednej z linii francuskiego metra stacje położone są wyżej niż odcinki między nimi, dzięki czemu za każdym razem, gdy pociąg rusza, rozpędza się z górki.
Inną metodą zmniejszenia strat na rozpędzanie pojazdu jest takie zaplanowanie infrastruktury, aby pojazd musiał hamować i przyspieszać jak najrzadziej. W Wiedniu zielone światło dla samochodów zaczyna mrugać na kilka sekund przed zapaleniem się żółtego światła, więc kierowca wie odpowiednio wcześnie, czy będzie musiał zatrzymać się przed skrzyżowaniem, czy nie. Dzięki temu nie tylko oszczędza się na paliwie, ale też poprawia bezpieczeństwo na drodze, bo nikt nie musi nagle hamować przed światłami.
Dobrym pomysłem jest też skorelowanie cykli świateł z ruchem komunikacji miejskiej, tak, aby dla autobusu, lub tramwaju zawsze zapalało się zielone światło, gdy podjeżdża do skrzyżowania. Do systemu można również włączyć ciężarówki, dla których zielone światło będzie się włączać nocą, oraz pojazdy uprzywilejowane, które będą miały absolutne pierwszeństwo przed wszystkimi innymi.
System transportowy przyszłości musi być nie tylko energooszczędny, ale też szybki i elastyczny. Odkąd wprowadzone zostały powszechnie kontenery transportowe, coraz częściej korzysta się z transportu intermodalnego, czyli przewozu przy użyciu wielu środków transportu po kolei. Kontener z Chin może dopłynąć do Rotterdamu kontenerowcem, tam zostać przeładowany na barkę płynącą do Kolonii, a następnie ruszyć w głąb kraju na wagonie kolejowym, a ostatnie kilometry pokonać na ciężarówce. Dzięki temu na każdym etapie wybrany zostaje ten środek transportu, który jest w tym miejscu najefektywniejszy, a koszty przeładunku są zredukowane do minimum. To, co jest oczywiste w Europie, nie zawsze jest stosowane w Polsce. Niewiele polskich miast ma stacje kolejowe dostosowane do rozładunku kontenerów, więc wiele towarów, które mogły by być przewiezione pociągiem, podróżuje setki kilometrów TIRami, a transport wodny, który odgrywa dużą rolę m.in. w Niemczech i USA, w naszym kraju upada. Skierowanie transportu z powrotem na tory i rzeki pozwoliło by znacznie zmniejszyć wydatki na transport, utrzymanie dróg i leczenie ofiar wypadków, a także poprawiłoby jakość powietrza i bezpieczeństwo energetyczne państwa.
Trzeba przyznać uczciwie, że w ostatnich latach coraz więcej się robi, aby ograniczyć zużycie energii i emisje zanieczyszczeń w transporcie. Nowym pojazdom nadaje się coraz bardziej aerodynamiczny kształt nie po to, aby zwiększyć ich prędkość maksymalną (z której bardzo rzadko się korzysta), lecz w celu zredukowania zużycia paliwa w codziennej eksploatacji. Przy zakupie nowego środka transportu, czy będzie to samochód, odrzutowiec pasażerski, czy kontenerowiec, coraz bardziej zwraca się uwagę na zużycie paliwa, którego koszt w czasie życia pojazdu/statku/samolotu może wielokrotnie przekroczyć jego cenę. Bardzo dużo paliwa można zaoszczędzić poprzez bardziej ekonomiczną jazdę samochodem lub ciężarówką. W wielu firmach transportowych pracownicy są szkoleni w zakresie oszczędnej jazdy, a w pojazdach montowane są urządzenia kontrolujące styl jazdy kierowcy. Choć wiele udało się już osiągnąć, ciągle można jeszcze znacznie poprawić efektywność wykorzystania paliw w transporcie.
Zmniejszenie energochłonności transportu jest jedyną metodą, aby zachować konkurencyjność europejskiej gospodarki wobec rosnącej ceny paliw kopalnych i potrzeby ograniczenia emisji CO2. Rezerwy ropy naftowej w krajach stabilnych i przyjaznych kurczą się w oczach, a paliwa alternatywne, takie jak biodiesel, czy prąd z energii słoneczna, wciąż jeszcze są drogie albo trudne do zastosowania w transporcie. Jeśli zmniejszymy zapotrzebowanie na energię w transporcie, łatwiej będzie nam będzie zbudować niskoemisyjną gospodarkę opartą na odnawialnych źródłach energii.
Bernard Swoczyna
