Kitkahäviöt henkilöautoissa– energiankäytön ja CO2-päästöjen

vähentämismahdollisuudet

Holmberg, Andersson & ErdemirVTT ja Argonne National Laboratory (USA)12.1.2012

2

ESITYKSENI AIHEET

1. Kitka – ja sen vaikutus yhteiskunnassamme2. Kitkahäviöt henkilöautoissa, VTT:n ja ANL:n

uusi selvitys3. Uusin tutkimus kitkan vähentämiseen4. Kitkan säästöt maailmanlaajuisesti

3

” Tiede ja teknologia, joka tutkii kosketuksessa olevia liikkuvia pintoja ”

KITKA, KULUMINEN JA VOITELU = TRIBOLOGIA

4

KONEET TOIMIVAT HIUSTAKIN OHUEMMAN KALVON VARASSA

Voitelukalvon paksuus = 2–4 mHiuksen halkaisija = 50 m

Sisääntulo alue Hertzin alue Ulostulo alue

Paine

SISÄÄNNopeudetKuormatMateriaalitVoiteluaineLämpötilaGeometriaYmpäristö

ULOSKitkaKuluminen

5

AutotMoottoritLentokoneetTyökalutEnergiateknologiaLääkintäteknologiaKulutustuotteetLääketuotantoMoottoriurheiluPakkaaminenElintarvikkeet

Kuvat verkosta: Baltzers, Savcor, Diarc, Teer

HANKAAVAT PINNAT OVAT HAASTE

6

KITKA PYSÄYTTÄÄ ISOTKIN KONEET

7

SEISOKKIKUSTANNUKSET NOUSEVAT MILJOONIIN

VIIKON SEISOKKIKUSTANNUKSET• 80.000 € - Rahtialus• 400.000 € - Öljyjalostamo• 800.000 € - Kemian tehdas• 800.000 € - Hiilivoimala• 1.500.000 € - Paperi- tai sellutehdas• 2.200.000 € - Ydinvoimalaitos

8

Öljy 33 %

Ydin-voima 6 %

Vesivoima 2 %Uusiutuvat 11 %

Kaasu 21 %

Hiili 27 %

Raaka-aineena 17 %

Muu12 %

Teollisuus9 %

Junat 3 %Lentokoneet 7 %

Laivat 8 %Bussit 4 %

Kuorma-autot 12 %

Henkilöautot 28 %

Kuljetus62 %

Energiaa kuluu kitkan voittamiseksi

Energian tuotanto 2009yhteensä 12150 Mtoe

Raakaöljyn kulutus 2009yhteensä 3460 Mtoe

Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

9

VTT:n ja Argonne National Laboratorynhenkilöauton kitkatutkimuksen lähtökohta

Paljonko kuluu energiaa kitkaan autoissa?

Paljonko voidaan säästää? Suomessa? Maailmassa?

Mitä pitäisi tehdä?

10

Globaali taso

Kansallinen tasoKehittyneet teollisuusmaat, teollisesti kehittyvät maat, maatalousmaat

YhteiskuntatoimintotasoKuljetus, voimalaitokset, teollisuus, rakennukset ym.

Yhteiskunnan alasektoritasoEsim. kuljetus: tie-, raide-, meri-, lentoliikenne

KonetasoEsim. tieliikenne: moottori, vaihdelaatikko, pyörät, jarrut ym.

KomponenttitasoEsim. moottori: laakerit, hammaspyörät, tiivisteet, männänrenkaat ym.

KitkalähdetasoRaja-, EHD-, HD-voitelu, vierintä, liukuminen, kyntäminen ym.

1012

109

106

103

1

10-1

10-3

10-6

10-9

Tm

Gm

Mm

Km

m

dm

mm

m

nm

Henkilöautojen kitkahäviöt eri ulottuvuustasoilla

11

Energian kulutuksen kohteet auton käytön eri vaiheissa

Nopeus

Aika

Tyhjäkäynti

Kiihdytys

Vakionopeus

Jarrutus

(a) Liike-energia(b) Moottorin ja voiman-

siirron kitka(c) Pyörien kitka ja ilman-

vastus (d) Jarrutuskitka

b a+b+c b+c b+c+d-a

12

Menetelmä kitkahäviöiden laskemiseksi henkilöautoilleglobaalitasolla

3. Autoja maailmassa yhteensä: 612 milj. autoa

1. Globaali raakaöljyn käyttöhenkilöautoissa 2009: 1083 Mtoe/v

2. Globaali polttoaine-energiankäyttö autoissa 2009: 22 085 000 TJ/v

5. Energia kitkan voittamiseenyhdessä keskivertoautossa: 11 860 MJ/v = 340 l/v

9. Arvio kitkatehokkuudesta (= kitkakerroin) erilaisissa kitkalähteissä auto 2000:lle, auto 2010:lle, lab 2010:lle ja auto 2020:lle

8. Kitkahäviöt erilaisissa kitka- ja voitelu-kohdissa: HD, EHD, BL, ML, VL ym.

7. Kitkahäviöt auton komponen-teissa: hammaspyörät, laakerit,tiivisteet, männät, pumppaus ym.

6. Kitkahäviöt auton alajärjes-telmissä: renkaat, moottori,vaihdelaatikko, jarrut

10. Kitkanvähennyksen potentiaali erilaisissa kitkalähteissä

11. Energian säästöpotentiaali yhdelle keskivertoautolle käyttäen parasta kaupallista ( 37% ), parasta laboratorio- ( 61% ) ja tulevaisuuden parasta ( 70% ) ratkaisua

12. Maailmanlaajuiset säästömahdollisuudet käyttäen parasta kaupallista ( 350 000 M€ ), parasta laboratorio- ( 575 000 M€ )ja tulevaisuuden parasta ( 660 000 M€ ) ratkaisua

13. Säästömahdollisuudet Euroopassa käyttäenparasta kaupallista( 60 200 M€ ), parasta laboratorio-( 99 600 M€ ) ja tulevaisuuden parasta ( 114 000 M€ )ratkaisua

4. Energiankäyttö yhdessäkeskivertoautossa: 36 000 MJ/a

13

Globaali keskivertohenkilöauto ja keskimääräiset ajo-olosuhteet

Globaali keskivertohenkilöauto: • valmistettu vuonna 2000• nelisylinterinen nelitahtimoottori: 75 kW• moottorilla 1,7 dm3 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• CO2-päästöjä 2,5 kg/ polttoainelitra

14

Polttoaine-energian muuttuminen henkilöautoissa60 km/t ajonopeudella

POLTTOAINE

Pakokaasut 33 % => lämmön ja kaasujen siirtyminenJäähdytys 29 % => lämpöhukka ja johtuminenIlmanvastus 5 % => kaasun leikkautuminen => lämpöKitka 33 % => lämpö & materiaalin muunnos

Potentiaali-energia(kemiallinen)

Muutos:- liike-energiaksi- lämpöenergiaksi- erilaiseen olomuotoon

15

Henkilöauton energiankäyttö

POLTTO-AINEEN

ENERGIA

100%

MEKAANI-NEN

VOIMA38%

JÄÄH-DYTYS

29%

PAKO-KAASUT

33%

ENERGIAAUTON

SIIRTOON21.5%

KITKA-HÄVIÖT

33%

ILMANVAST. 5%

MOOTTORI11.5%

VOIM.SIIRT 5%

VIERINTÄ-VASTUS 11.5%

ILMANVAST 5%

JARRUT 5%

Hyödytönhukka-energia Kokonais-

energia-häviöt

16

Kitkahäviöt auton eri komponenteissa

Pyörät 35 % RFMoottori 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

17

Vuosittaiset kitkahäviöt keskivertohenkilöautossakitka- 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

18

Kitkan vähentämismahdollisuudet eri kitka- javoitelumekanismien osalta

19

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 WS2, MoS2 and H3BO3

Matalan viskositeetin voiteluaineetIoniset nesteet: 25 - 50 % kitkan vähennysBiomimetiikka: biomolekulaariset proteiinilisäaineet, sähkövarauspolyelektrolyyttiharjat, porcine gastric musiini, glykoproteiinimusiini

=0.001 - 0.04)Matalakitkarenkaat: korkeampi paine, kapeammat renkaat jne.

20

Mahdolliset maailmanlaajuisetsäästöt kitkan vähentämi-sestä henkilöautoissa

Polttoaineen kulutus kitkan voittamiseksi 208 000 milj. litraa/vEnergian kulutus kitkan voittamiseksi 7.3 milj. TJ/v

Säästöt parhaalla kaupallisella ratkaisulla 348 000 M€/vSäästöt tämän päivän parhaalla ratkaisulla 576 000 M€/vSäästöt tulevaisuuden (10 v.) parhaalla ratkaisulla 659 000 M€/v

Tehotoimenpiteiden ja tuotekehityksen tuloksena (5–10 vuoden aikana):Realistiset polttoainesäästöt (18 % vähennys) 117 000 milj. litraa/vRealistiset CO2-päästövähennykset 290 milj. tonnia/vRealistiset taloudelliset säästöt lyhyellä aikavälillä 174 000 milj. €/v

21

Mahdolliset säästöt kitkan vähentämisestä lyhyelläaikavälillä (5–10 vuotta; 18 %) eri maissa

Energian säästö(TJ/v)

Taloudellisetsäästöt

(106 Euro/v)

Polttoaine-säästöt

(106 litraa/v)

CO2-päästö-vähennykset

(106 kg/v)

Maailma 4 086 000 174 000 117 000 290 000

Teollistuneetmaat

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

22

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

23

Yhteenveto henkilöauton kitkan tutkimuksesta

612 miljoonaa henkilöautoa käytössä maailmassa tänäänkolmasosa polttoainekulutuksesta menee kitkaanglobaali keskivertoauto ajaa 13 000 km vuodessa ja käyttää340 litraa polttoainetta, mikä maksaa 510 €, kitkan voittamiseksiuusi teknologia voi vähentää kitkaa 10 - 80 %18 % vähennys on saavutettavissa polttoaineen kulutuksessa jaCO2-päästöissä lyhyellä aikavälillä (5 - 10 v) ja 61 % pitkälläaikavälillä (15 - 25 v) uudella teknologiallasähköauton kitkahäviöt ovat ½ polttomoottoriauton häviöistä

24

Öljy 33 %

Ydin-voima 6 %

Vesivoima 2 %Uusiutuvat 11 %

Kaasu 21 %

Hiili 27 %

Raaka-aineena 17 %

Muu12 %

Teollisuus9 %

Junat 3 %Lentokoneet 7 %

Laivat 8 %Bussit 4 %

Kuorma-autot 12 %

Henkilöautot 28 %

Kuljetus62 %

Maailman energian tuotanto ja kulutus 2009

Energian tuotantoyhteensä 12150 Mtoe

Raakaöljyn kulutusyhteensä 3460 Mtoe

Mtoe = miljoona tonnia öljy ekvivalenttia

25

Arvio yhteiskunnan kaikkien kitkakohteidensäästöpotentiaalista

Suomi Maailma

Energiaa kitkan voittamiseen, 31% (TJ/v) 192 000 77 milj.

Energian säästömahdollisuudet, 18% (TJ/v) 35 000 14 milj.

CO2:n vähentämismahdollisuudet, 18% (milj.t/v) 7,6 3 045

Taloudelliset säästömahdollisuudet, 18% (milj.€/v) 4 500 1 830 000

Helsingin kaupungin energiankulutus 2010 (TJ/v) 43 200

Ison ydinvoimalan (880MW) vuosituotanto (TJ/v) 25 200

Suomen valtion budjetti (milj.€) 50 000

26

Tutkimuksen rahoittajat

FIMECC Oy Metallituotteet ja koneenrakennusalan strategisen huippuosaamisen keskittymän DEMAPP-tutkimusohjelma

Tekes

VTT

Argonne National Laboratory, Department of Energy, Chicago, USA

27

VTT luo teknologiasta liiketoimintaa