Ищем экономические и экологические преимущества у электромобилей: текущая ситуация и прикидки на будущее
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 гибридов тоже, нет. При этом многие стараются доказать обратное. Попробуем и мы внести в эти рассуждения свои «пять копеек».
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. 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%. КПД газовых ТЭЦ составляет примерно 20–35% — именно столько в теории дойдет до розетки потребителя, а в реальной ситуации чуть не вдвое меньше. 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.
Изображение: «Деловая газета «Взгляд»
В противном случае нужно вооружиться калькулятором и учесть много различных нюансов. Что мы и попробуем сделать.
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. В отношении дальнейших аналогичных расчетов для ТЭЦ будем считать, что добыча и транспортировка газа и угля (как некая средняя величина) примерно эквивалентна таковой для нефти. Разумеется, это некоторые условности, которые на начальном этапе позволят нам упростить подсчеты.
Итак, в качестве примера возмем энергозатраты на перемещение некоего современного автомобиля класса В на расстояние в 100 км со скоростью движения в 90 км/ч. Типичный средний расход топлива при аккуратном стиле вождения в этом случае составит около 6,5 литров бензина. Его удельная теплота сгорания составляет около 43 МДж на килограмм. При плотности в 710 кг/м³ получаем суммарные энергозатраты в 198,5 МДж. Теперь к этой цифре 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 22,7 МДж. На всякий случай приведем этот расчет в цифрах: (60 × 41 / 500) × 6,5 × 0,71 = 22,7058.
Итоговые энергозатраты на нашу условную поездку составят 198,5 + 22,7 = 221,2 МДж. А теперь посчитаем аналогичную цифру для электромобиля.
Электромобиль
Для расчета энергозатрат перемещения электромобиля возьмем не какой-то условно-обобщенный пример, а вполне конкретную модель — Nissan Leaf. При движении на скорости 90 км/ч он, согласно замерам наших коллег из Авторевю, расходует 24,8 кВт·ч. На преодоление 100 километров потребуется 27,6 кВт·ч. Перевод между физическими величинами даст нам цифру в 99,4 МДж (1 кВт·ч = 3,6 МДж). Теперь обратимся к процессу зарядки. 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. В итоге мы уже имеем 116,9 МДж.
Далее обратим свой взор на ТЭЦ. Для выработки одного киловатта электроэнергии на установках АВТ в среднем нужно сжечь 300 граммов топлива. Удельная теплота сгорания каменного угля и природного газа примерно одинакова, но уголь нужно предварительно подготовить (измельчить), что требует отдельных энергозатрат. Мы их также не будем учитывать. В качестве удельной теплоты сгорания возьмем цифру в 30 МДж на один килограмм. Таким образом, на получение 1 кВт·ч электроэнергии нужно затратить 9 МДж, что как раз и соответствует типичному КПД установок на ТЭЦ в 30–35%. В итоге для того, чтобы израсходовать электромобилем 117 МДж, нужно сжечь топлива на ТЭЦ на 390 МДж! Причем выхлоп угольной ТЭЦ далек от норм Евро-5. Но это еще не все. Реальная цифра энергозатрат может оказаться намного выше! Чтобы понять причину, нужно рассмотреть принцип работы ТЭЦ.
Плановая энергетика
Для начала глянем на суточный график энергопотребления, позаимствованный нами на сайте ОАО «СО ЕЭС» за ничем не примечательный будний октябрьский день:
График относительный. Минимум и максимум различаются примерно на 50%. Разница между уровнем генерации и потребления отражает потери, а также экспорт энергии в соседние регионы. А ключевой момент для понимания — это то, что энергоблоки на ТЭЦ — не переносные бензогенераторы. Тут нельзя поддать «газку», если вдруг понадобилось прибавить мощности. Они всегда работают в одном и том же режиме, выдавая заданный максимум. Снижать мощность в течение суток нельзя. Возможно только сезонное регулирование. Это означает, что генерирующие мощности работают на расчетном максимуме постоянно, а все излишки тепла уходят в атмосферу на градирнях.
В итоге к нашим реальным затратам на пробег в 390 МДж стоит прибавить еще как минимум 20% неиспользованной мощности в течение суток, которая просто выбрасывается в атмосферу. И мы уже получаем цифру в 468 МДж! Вот вам и экономия на электричестве вместе с заботой об экологии. Машины с ДВС оказываются вдвое экологичнее.
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 312 МДж. Но эта цифра приведена скорее для любопытства, поскольку практическое значение у нее весьма условное. Тем не менее, его можно сопоставить с таковым у ДВС. И тут мы опять получаем выигрыш бензиновых моторов в 1,4 раза. Так что наполнив страну электромобилями, мы увеличим выбросы в атмосферу от «автотранспорта» почти в полтора раза.
Кстати, в Соединенных Штатах структура ТЭК практически аналогична нашей, 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. Неужто у них КПД старых угольных электростанций вдвое выше наших?
И еще одну тему мы умышленно не стали трогать — энергозатраты на производство электромобилей. Они даже по подсчетам американцев заметно выше, чем таковые для авто с ДВС.
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%.
Что касается работы ТЭЦ, то тут ситуация также вполне оптимистичная. Современные энергоблоки имеют КПД чуть не вдвое 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.
Фото: Ридус
Также в московском регионе с 1987 начался ввод в эксплуатацию Загорской ГАЭС (гидроаккумуляторной электростанции), а в этом году, после успешного восстановления просевшего здания новой станции, должно продолжиться строительство второй ГАЭС. Обе станции предназначены для оперативной компенсации недостатков мощности в энергосистемах московского региона. Принцип их работы таков: в периоды возникновения избыточных мощностей в энергосистеме (читай, в ночные часы) ГАЭС начинает перекачку воды из нижнего аккумулирующего водоема в верхний. В периоды пиковой нагрузки в системе запускается обратный процесс, при котором станция работает уже как обычная ГЭС.
В сутки может быть до 30 циклов запуска и остановки, что позволяет оперативно реагировать на колебания нагрузки и покрывать пики. Дальнейшее развитие подобных систем позволит сделать энергосистему региона более экономичной.
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 все же грязнее, если брать среднее значение выбросов для всей страны. Вдобавок обойдутся они заметно дороже. Единственное, 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. В итоге электромобили можно считать лишь игрушками для увлеченных. А учитывая отсутствие инфраструктуры зарядных станций — так и вовсе делом спорным или даже вредным.
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 заметно экологичнее или экономичнее. А следовательно, если электромобили к тому времени сравняются по цене со своими бензиновыми собратьями, то 5–10% рынка им, вполне может быть, и перепадет.
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 concept и i3 concept
Полный текст статьи читайте на iXBT
