Ищем экономические и экологические преимущества у электромобилей


В данную статью 10.12.2014 был внесен ряд изменений и уточнений, которые также частично повлияли на итоговые выводы. Вдобавок был произведен более точный расчет на базе цифр из реальной практики.


Случается, что попытки рационально взглянуть на те или иные вещи в нашем мире обречены на провал. Не все можно померить линейкой, но иногда очень хочется. Хотя бы для самоуспокоения. Вот и тема электромобилей весьма неоднозначна. Сколько уже копий сломано в кулуарных обсуждениях экологичности и экономичности данного типа авто. И при беглом взгляде на ситуацию нетрудно заметить, что никаких экономических и экологических преимуществ у электромобилей, да и подзаряжаемых гибридов тоже, нет. При этом многие стараются доказать обратное. Попробуем и мы внести в эти рассуждения свои «пять копеек».

tesla model s

С экономическим подходом все просто: экономия на разнице в стоимости бензина и электричества сможет покрыть наценку за новизну технологий или гибридность лишь при пробегах в сотни тысяч километров. К тому времени ресурс авто будет в значительной степени выработан. Не стоит забывать, что для производителей сами электромобили и гибриды — это не столько подготовка к будущему и забота об экологии, сколько источник дополнительного заработка. Вдобавок ценообразованием занимаются отделы маркетинга с таким расчетом, чтобы не навредить продажам основных моделей, а лишь расширить спрос за счет освоения нового сегмента. Единственное, за что сегодня можно хоть как-то зацепиться — тема покупки подержанных «праворуких» электромобилей из Японии и экономия на техобслуживании.

А вот с экологией не все так однозначно. Максимальный КПД современных ДВС находится в диапазоне 30-45%. Электрический КПД энергетических установок на ТЭЦ и КЭС составляет примерно 25-40% — именно столько в теории дойдет до розетки потребителя. Однако даже в этом случае эксплуатация электромобилей может оказаться экологически выгодной. Но для этого нужно увидеть всю картину целиком.

Скажет ли природа спасибо за электромобиль?

Начнем с того, что лежит на поверхности — структуры энергетического комплекса нашей родины. Две трети электроэнергии в стране (63-68%) вырабатывается на тепловых электростанциях, где основным топливом служит газ или уголь. А оставшаяся треть — на атомных станциях и ГЭС, что можно условно считать экологически чистым. И если электромобиль эксплуатируется в регионе с подобной «экологичной энергетикой», то можно считать цель достигнутой.

карта атомных станций
Изображение: «Деловая газета «Взгляд»

карта гидроэлектростанций

В противном случае нужно вооружиться калькулятором и учесть много различных нюансов. Что мы и попробуем сделать, рассчитав общие энергозатраты на передвижение автомобиля с ДВС и электромобиля.

Автомобиль с ДВС

Для начала посчитаем, сколько энергии надо потратить на то, чтобы некий автомобиль с бензиновым двигателем преодолел определенный участок пути. Свой расчет ограничим моментом поступления сырой нефти на нефтеперерабатывающий завод, а все дальнейшие энергозатраты будем округлять и давать им приблизительную оценку. Таким образом мы откинем в сторону энергозатраты на добычу, первичную очистку и транспортировку энергоресурсов. В отношении дальнейших аналогичных расчетов для ТЭЦ и ГРЭС будем считать, что добыча и транспортировка газа и угля (как некая средняя величина) примерно эквивалентна таковой для нефти. Разумеется, это некоторые условности, которые позволят нам упростить подсчеты.

Итак, в качестве примера возьмем энергозатраты на перемещение автомобиля класса B+ с автоматической коробкой передач в городе и на автомагистрали со скоростью 120 км/ч. Пусть это будет новый Honda Civic с двигателем 1,8 л и гидромеханическим автоматом. В первом случае расход топлива мы возьмем из тестового цикла ARDC наших коллег из Авторевю, который имитирует городскую езду и создавался с учетом российских реалий. Подробности по соответствующей ссылке. В нем Civic показал расход в 10,17 л. на 100 км. В случае для автомагистрали - некое усредненное значение по отзывам владельцев, которое не превышает 7 л. на сотню. Эту цифру и будем использовать для дальнейших расчетов.

Итак, удельная теплота сгорания бензина составляет около 43 МДж на килограмм. При плотности в 710 кг/м³ получаем суммарные энергозатраты на пробег в 100 километров в 305 МДж для городского цикла ARDC и 214 для автомагистрали.

Теперь к этим цифрам нужно добавить затраты на переработку нефти. На самом деле они весьма невелики. Для обеспечения полного процесса переработки одной тонны нефти на старом НПЗ требуется энергия, эквивалентная сжиганию 60 кг сырой нефти (данные взяты из доклада сотрудников компании Sulzer AG). При удельной теплоте сгорания 1 кг нефти в 41 МДж и 50%-ном выходе бензина получим прибавку к энергозатратам на перемещение авто в 35 МДж и 25 МДж соответственно. На всякий случай приведем этот расчет в цифрах для автомагистрали: (60 × 41 / 500) × 7 × 0,71 = 24,4524.

Итоговые энергозатраты на наши поездки составят 305 + 35 = 340 МДж и 214 + 25 = 239 МДж соответственно. А теперь посчитаем аналогичные цифры для электромобиля.

Электромобиль

Для расчета энергозатрат перемещения электромобиля возьмем новую экономичную модель Kia Soul EV. В цикле ARDC ей требуется 23,7 кВт*ч. При движении по автомагистрали со скоростью 120 км/ч расход повышается до 30,9 кВт*ч на 100 км. Эти цифры получены в теплое время года без учета работы отопителя. Потому осмелимся сделать предположение, что 5-киловатный отопитель в годовом цикле в среднем добавит к расходу энергии электромобиля примерно 10%. В итоге у нас получаются цифры 26 и 34 кВт*ч.

А теперь обратимся к зарядке тяговой батареи. Типичный КПД этого процесса для литий-ионных аккумуляторов составляет 80-85%. Это подтверждается нашими замерами при тесте Mitsubishi Outlander PHEV. Часть энергии при этом идет на нагрев батарей и инверторов, а также их принудительное охлаждение. Добавив 15% потерь, у нас получится 30 и 39 МДж для каждого типа пробега.

Далее обратим свой взор на ТЭЦ и ГРЭС. В качестве живого примера возьмем данные из пресс-релиза Минэнерго Белоруссии. В нем есть цифры реального расхода топлива для выработки 1 кВт*ч на Лукомльской ГРЭС. Топливо - природный газ, для которого средняя удельная теплота сгорания равна 31 МДж на килограмм. С учетом маневренности расход составляет примерно 313 грамм. На станции имеется восемь энергоблоков, половина из которых была модернизирована в период 2006-2010 годов. Таким образом, для выработки 1 кВт*ч надо сжечь оплива с выделением 9,7 МДж. Однако эта цифра выражает выход энергии непосредственно на самом энергоблоке. Далее электричество нужно довести до потребителя, где на преобразования и передачу потеряется 5-10%. Если взять по минимуму, то 9,7 МДж превращаются в 10,2 МДж.

Применительно к электромобилю это означает, что для преодоления 100 км в цикле ARDC надо сжечь на станции топлива на 306 МДж и 398 МДж для автомагистрали.

Тут надо добавить, что для расчета мы взяли самый оптимистичный вариант - относительно современную ГРЭС с энергоблоками, работающими на газе. Если в качестве топлива используется уголь, то примерно 6% электричества уходит на обслуживание самих энергоблоков (уголь надо измельчать, подать). Ну а про устаревшие энергоблоки и их различные типы - отдельный сказ. Там КПД станций может быть заметно ниже.

Теперь давайте усредним полученные цифры для циклов ARDC и автомагистрали. Таким образом энергозатраты на перемещение автмобиля с ДВС у нас получаются на уровне 290 МДж на 100 км. В случае с электромобилем в самом оптимистичном варианте - 352 МДж. В итоге бензиновые авто в энергетическом плане пулучаются на 20% экономичнее.

Финальным аккордом можно вычислить «среднюю температуру по больнице», т. е. энергетическую рентабельность электромобилей с учетом усреднения структуры энергетического комплекса России, где треть энергии «экологична», а две трети — нет. Таким образом мы получим значение в 235 МДж. Но эта цифра приведена скорее для любопытства, поскольку практическое значение у нее весьма условное. Тем не менее, ее можно сопоставить с таковой у ДВС. И тут уже можно констатировать, что электромобили на 23% менее затратны.

Кстати, в Соединенных Штатах структура ТЭК практически аналогична нашей (имеется ввиду то, что 2/3 электроэнергии производится на тепловых блоках), но государственное Агентство по защите окружающей среды уже выпустило не один «циркуляр», где все модели электромобилей с учетом затрат на получение электроэнергии признаны более экологичными, чем бензиновые аналоги. В общем, мы тоже так можем сказать.

Но есть еще одна тема, которую мы умышленно не стали трогать — энергозатраты на производство электромобилей. Они по подсчетам вышеупомянутого американского агентства заметно выше, чем таковые для авто с ДВС. И вывод, который они делают, таков: электромобили за время своей службы по общим энергозатратам, включая производство, выходят вровень с бензиновыми собратьями.

Будущее

В будущем не стоит ждать кардинального изменения ситуации. Во-первых, за счет развития как самих ДВС, так и сопряженных узлов, их экономичность будет постоянно повышаться. Очевидно, что в ближайшие годы нас ждет повальный переход на турбированные моторы, которые изначально на 15% экономичнее своих атмосферных собратьев аналогичной мощности. Плюс имеют более высокий крутящий момент в весьма широком диапазоне. Вдобавок производителями ведутся непрерывные исследования по части повышения компрессии и улучшения смесеобразования. Так что, может, чудес тут и не случится, но эволюционное развитие будет идти непрерывно. Причем экономичность новых моделей двигателей зачастую отличается от предшественников на вполне заметные 10-15% каждые 7-8 лет.

Что касается работы ТЭЦ, то тут ситуация также вполне оптимистичная. Современные энергоблоки имеют КПД в полтора раза больший, чем у тех, которые сейчас находятся в массовой эксплуатации. Например, на московской ТЭЦ-26 был недавно запущен новый парогазовый блок на 420 МВт, КПД которого может достигать 60% против 30-45% у других. Причем новые блоки будут приходить на замену старым, которые во многих случаях близки к выработке своего ресурса, а значит, их замена не за горами.

В итоге мы затрудняемся сказать, в какой области эффективность будет расти быстрее, и станут ли электромобили менее энергозатратными по сравнению с авто с ДВС.

современный парогазовый блок ТЭЦ
Фото: Ридус

В сухом остатке

Итак, при сегодняшнем состоянии ТЭК в России в экологическом и экономическом плане замена бензиновых автомобилей электромобилями — это как поменять шило на мыло. Хотя электромобили формально получаются чище, если брать среднее значение выбросов с учетом структуры ТЭК всей страны. Но обойдутся они заметно дороже. А вот чем можно себя утешить — что выбросы вредных веществ будут концентрироваться не внутри мегаполисов (80% загрязнения воздуха в них именно «на совести» автотранспорта), а рассеиваться по округе. Что есть некоторый плюс. Хотя их общее количество в случае с ТЭЦ возрастет! Правда, тут надо учесть, что большинство ТЭЦ находятся в черте городов, и выбросы происходят в тех же самых местах. В итоге электромобили можно считать лишь игрушками для увлеченных. А учитывая отсутствие инфраструктуры зарядных станций — так и вовсе делом спорным.

Если заглянуть лет на 10 вперед, то будет очевидно, что двигатели внутреннего сгорания продолжат повышать свою экономичность. Равно как местами будут модернизироваться ТЭЦ (вон, в Бирюлево таки установили новый экономичный энергоблок) и достраиваться новые АЭС. Но логика подсказывает, что «средняя температура по больнице» останется прежней. И на данный момент нет никаких предпосылок к тому, чтобы российский ТЭК стал радикально экологичнее или экономичнее.

Что осталось за кадром

Иррациональность! Ведь эмоциональное восприятие электромобиля сугубо отличается от типичного авто. Его сила — в простоте. Тут нет ДВС, живущего своей собственной жизнью и отделенного от колес сложной трансмиссией. Бензиновый двигатель надо сначала завести, прогреть, держать обороты в определенном диапазоне, чтобы отдача была максимальной или чтобы соблюсти приемлемую экономичность. Конечно, тут многие возразят, что, мол, современные трансмиссии и так незаметно перещелкивают передачи, а коробки с двумя сцеплениями и вовсе меняют их практически без разрыва тяги. Вариаторы также научились дозировать усилие, чтобы езда была максимально комфортной. Но в любом случае остается ощущение, что есть двигатель, а есть — машина. И приходится восхищаться тем, как создатели мастерски и ювелирно все «закрутили», и тем, что оно работает настолько великолепно, а не простотой и естественностью конструкции в случае электромобилей. И если вернуться к самим электромобилям, то тут ощущение целостности совсем иное — более полное. «Газ» в пол — и машина пошла вперед. Тут не надо ждать, пока двигатель наберет обороты и оглушит всех вокруг, а коробка подберет нужную передачу. Максимальная тяга у электромоторов доступна практически с нуля оборотов, и все это происходит практически бесшумно. Нажатие на тормоз — замедление и остановка. При этом нет ничего лишнего — например, работающего двигателя при езде накатом или под сброс газа. Электромобиль в этот момент уже занимается рекуперацией, и это выглядит вполне естественным процессом: при ускорении энергия расходовалась, а тут хотя бы незначительная ее часть возвращается в «баки», в то время как обычный авто практически целиком сбрасывает ее в виде тепла на колодках и тормозных дисках, что воспринимается как отдельный вид варварства. В итоге электромобиль ощущается более естественным и простым, и при этом более правильным. И, пожалуй, это весьма весомый козырь.

bmw i8 i3
BMW i8 concept и i3 concept

Также мы не затрагивали вопросы стоимости эксплуатации и обслуживания электромобилей. При кажущейся внешней экономии на стоимости "топлива" и регламентированном техническом обслуживании, пользователи столкнуться с проблемой сокращения ресурса тяговой батареи и ее периодической заменой. Но это тема для отдельного разговора.


Статья изменена 10.12.2014




Дополнительно

Нашли ошибку на сайте? Выделите текст и нажмите Shift+Enter

Код для блога бета

Выделите HTML-код в поле, скопируйте его в буфер и вставьте в свой блог.