08.01.2020

Эффективность транспорта на бензине, электричестве и водороде

Рассмотрим эффективность технологий по энергозатратам на передвижения. Не будем касаться экономической составляющей производства транспорта на таком то приводе, обслуживание, инфраструктура и многое другое.

Итак начнем с бензина. Что мы знаем? Один литр имеет вес ~750 г и около 10 кВтч запасенной энергии. Но сколько нужно потратить энергии, что бы 1 литр бензина оказался в баке транспортного средства? Опустим такие вещи так транспортировка, хранение и др., обсудим лишь добычу и переработку.

Средний EROI (energy return on investment — соотношение полученной энергии к затраченной, энергетическая рентабельность) добычи нефти и переработки в бензин равен 5, т.е. отдаем 5-ую часть, а именно 20%. Это означает, на каждый литр бензина будет затрачено около 2 кВтч энергии. Но он же имеет около 10 кВтч запасенной энергии, вроде бы как выгодно, но с учетом КПД ДВС, трансмиссии и т.д. суммарный КПД если и будет тех же 20% то уже будет хорошо. Получается какой-то маразм, сначала затратили 2 кВтч энергии на добычу и переработку, потом использовали лишь 2 кВтч на передвижение, а остальное потери в виде тепла в атмосферу… Еще интересней будет, когда мы сравним расход двух моделей, одна с бензиновым ДВС, другая на батарейках.

Например Ford Focus. У бензиновой версии реальный расход будет около 7 л/100км, а у электрической около 14 кВтч/100км с батареи (не из сети, к этому еще вернемся). Что мы в итоге имеем:

● бензиновый форд еще ни метра не проехал, но для 7-ми литров бензина в баке, было уже затрачено от 14 кВтч энергии;

● электрический форд на этом же количестве энергии проедет около 100 км!

Но с электромобилями нужно быть точным до последней детали, экологическую часть в этой статье не затрагиваю, но о ней в случае с ЭМ говорить тоже нужно. А именно, у зарядного устройства (ЗУ), для подзарядки ЭМ от сети также есть потери. Среднее КПД ЗУ и высоковольтной батареи (ВВБ) около 90%. Т.е. с расходом 14 кВтч/100 км из сети нужно около 15,5 кВтч для 100 км пробега. Зимой естественно еще больше, т.к. расход растет ощутимо из-за электропечки, хотя во многих ЭМ используется тепловой насос, расход может быть и больше 20 кВтч/100 км из сети, но и авто на ДВС зимой так же потребляет больше топлива…

Но можно ли на этом заканчивать? Нет! Передача электроэнергии в сети также имеет потери, определить их очень сложно, но сказать об этом стоит. В разных случаях имеем несколько преобразований электричества на высокое напряжение для передачи его на большие расстояния потом понижение напряжения для конечного потребителя. Не осмелюсь высказывать какие-то даже усредненные цифры с потерями, но покажу одну картинку, на которой видно, что потери на воздушных линиях ЛЭП составляют ~64%, т.е. почти 2/3 от всех потерь. Т.е. чем дальше находится электростанция от потребителя, тем прилично больше естественно потери…

Локальная энергетика смягчает этот показатель, а если это еще возобновляемый источник энергии (ВИЭ) то еще лучше, но об экологии в другой раз. Получается с электромобилем очень тяжело сказать, сколько именно было затрачено энергии на передвижение, но если мы отбросим потери на передаче электроэнергии, как и не брали в расчет дополнительные затраты на траспортировку нефти и бензина, то получаем вывод, о котором говорили выше:

«ЭМ проедет примерно то же расстояние на том же количестве энергии, которое было затрачено для получения Х литров бензина для авто на ДВС».

Если на секундочку отвлечься и вспомнить о том, как долго заряжаются ЭМ и пробег на одном заряде далеко не всегда всем подходит, а как все быстро и далеко на авто с ДВС, то хочется разобраться, может авто на водороде решение всех проблем?

Рассматриваю авто на водородных топливных элементах (ТЭ), где водород смешивается с кислородом в ТЭ и получаемую электроэнергию используют для передвижения с помощью электромотора, вариант с впрыском водорода в ДВС, как на авто с ГБО (метаном) я не беру в пример.

Если совсем коротко то авто на ТЭ: может быстро заправляться (хотя заправок пока не много), «полный бак» за ~5 мин и имеет приличный запас хода, около 400–500 км. Хотя например дорогущие Теслы и не только тоже имеют запас хода 400–500 км (400 км модели еще с 2012 года), но заряжаются в лучшем случае на 120 км за 5 мин, но авто на ТЭ тоже не дешевые. Простите за мое отступление.

Но на сколько эффективны авто на ТЭ. В среднем реальный расход на 100 км находится в пределе 1 кг водорода на 100 км. А что это вообще такое 1 кг водорода? Для начала поговорим о том, что в среднем для 1 кг водорода в баке авто нужно затратить, по информации от разных источников около 50 кВтч энергии. Если это так, то это в 2–3 раза менее эффективней чем передвигаться на BEV, электромобиле с батарейками, ведь авто на ТЭ по сути тоже электромобиль, в котором кстати тоже есть небольшая буферная ВВБ.

Проверим так ли это, что аж 50 кВтч энергии на 1 кг водорода. Т.к. один литр водорода весит 0,09 г то в 1 кг водорода имеем около 11.111 литров. Например для получения 1000 литров водорода путем электролиза воды в промышленных масштабах нужно около 4 кВтч энергии, получаем 44,444 кВтч для 11.111 литров. Но что бы больше 11 тысяч литров газа поместить в бак, разумных размеров, водород подвергается сжижению, путем многоступенчатого охлаждения, что так же энергозатратно! Так что 50 кВтч для 1 кг водорода похоже на правду.

Может тогда примерный расход в 1 кг/100 км завышен, а на самом деле он намного ниже? Проверяем. При реакции водорода с кислородом выделяется около 3 кВтч энергии при использовании 1000 л водорода. КПД современных ТЭ, к сожалению, около 50%, что означает — из 1 кг или 11.111 л водорода вместо 33,33 кВтч потенциальной энергии «улавливается» лишь половина, т.е. ~16,67 кВтч. Т.е. есть потери, нужно еще и прилично охлаждать. Есть потери на заряде буфферной ВВБ и в итоге получаем примерно расход того же форда на батарейках… Физику не обмануть и расход в 1 кг водорода на 100 км так же похож на правду. На все виды авто есть давно обзоры, тесты, замеры и расход бензина/электричества/водорода давно не секрет.

Как видим, нет ничего идеального на сегодняшний день:

● автомобиль на ДВС остается пока самым удобным, но самым неэффективным; ● автомобиль на батарейках самый эффективный, но не самый удобный; ● автомобиль на ТЭ практически такой же удобный как и автомобиль на ГБО, если бы еще и водородных заправок было бы столько же, но по эффективности где-то посередине.

Давайте теперь немного поразмышляем о перспективах на будущее.

ДВС уже выжат по своему потенциалу практически до максимума, КПД электромотора и его управления (контроллера), находятся на достаточно высоком уровне, 90–95% и улучшение КПД не приведет к ощутимой улучшения энергоэффективности. Например электромобиль Тесла Модел S при переходе на другой тип двигателя и материалов для контроллера добились небольшого увеличения пробега на одном заряде с такой же емкостью батареи, т.е. немного снизили расход, думаю дальше улучшать уже некуда и дальнейшие улучшения будут в области химии аккумуляторов. Но вот у авто на ТЭ пока еще есть потенциал. Во-первых, снижение затрат на добычу водорода с 4-ех вплоть до 3-ех кВтч на 1000 л. Во вторых поднятие КПД ТЭ, например до хотя бы 75%, тогда на выходе получим от примерно 39 кВтч затрат на 1 кг водорода (34 кВтч на электролиз + около 5 кВтч на сжижение), на котором можно будет проехать уже 150 км, т.е. с расходом уже 26 кВтч/100 км вместо 50 кВтч/100 км сегодня.

Помимо всего этого мир с каждым днем все больше нуждается в эффективной и доступной технологии хранения энергии, но это тема уже для другой статьи.

Источники:

1. nanonewsnet.ru

гелевые батареи на погрузчик