Автотранспорт на горючем, электротяге и водороде, что эффективнее?

В последнее время на моей площадке довольно часто появлялась информация о разных современных технологиях, применяемых в автопроме. Речь идет об автомобилях с ДВС, на электрической тяге и водородных топливных элементах. В каждом отдельном случае были рассмотрены преимущества и недостатки каждой технологии.

Учитывая большой интерес читателей к этой теме, настал момент сравнить три технологии и определить какая из них предпочтительная для автолюбителя на сегодняшний день. Такую информацию любезно мне передали мои коллеги блоггеры и не мудрствуя лукаво передаю ее как она есть.  

Далее довольно профессионально в деталях раскрыт смысл, на сколько в той или иной мере эффективна каждая технология исключительно по энергозатратам на передвижение. Не затрагивается экономическая или другая составляющая о стоимости производства транспорта на таком-то приводе, обслуживание, инфраструктура и многое другое.

Начнем с бензина. Что мы знаем? Один литр имеет вес ~750 гр. и около 10 кВт. ч запасенной энергии. Но сколько нужно потратить энергии, что бы 1 литр бензина оказался в баке транспортного средства? Опустим такие вещи как транспортировка, хранение и др., обсудим лишь добычу и переработку. Средний EROI (energy return on investment — соотношение полученной энергии к затраченной, энергетическая рентабельность. Источник Wikipedia) 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 кВт. ч энергии. Но он же имеет около 10 кВт. ч 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 парадокс, сначала затратили 2 кВт. ч энергии на добычу и переработку, потом использовали лишь 2 кВт. ч на передвижение, а остальное потери в виде тепла в атмосферу, включая и выбросы. Еще интересней будет, когда мы сравним расход двух моделей, одна с бензиновым ДВС, другая на электротяге.

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

Ford еще ни метра не проехал, но для 7-ми литров бензина в баке, было уже затрачено от 14 кВт. ч энергии;
электрический форд на этом же количестве энергии проедет около 100км!

Но с электромобилями нужно быть точным до последней детали, экологическую часть в этой статье не затрагиваю, но о ней в случае с электромобилями (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 14кВт. ч/100км из сети нужно около 15,5 кВт. ч 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 20кВт. ч/100км из сети, но и авто на ДВС зимой так же потребляет больше топлива…

Но можно ли на этом ставить точку? Нет! Передача электроэнергии в сети также имеет потери, определить их очень сложно, но сказать об этом стоит. В разных случаях имеем несколько преобразований электричества, — вначале из низкого напряжения в высокое для передачи его на большие расстояния с минимальными потерями, затем понижение напряжения для конечного потребителя. Не осмелюсь высказывать какие-то даже усредненные цифры с потерями, но по официальным отчетам энергоснабжающих компаний, потери на воздушных линиях ЛЭП составляют ~64%, т.е. почти 2/3 от всех потерь. Т.е. чем дальше находится электростанция от потребителя, тем большие потери.

Среднестатичстический график потерь типовой электрокомпании.

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 преодолеет 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, то с ДВС все быстро и далеко. И тут 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) не берется 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 Tesla 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. Да простит читатель мое отступление.

Но на сколько эффективны авто на ТЭ. В среднем, реальный расход находится в пределе 1кг водорода на 100 км. А что это вообще такое 1кг водорода? Для начала необходимо заметить, что в среднем, для 1го кг водорода в баке авто нужно затратить, по информации от разных источников около 50 кВт. ч энергии. Если это так, то это в 2-3 раза менее эффективнее чем передвигаться на электромобиле, ведь авто на ТЭ по сути тоже электромобиль, в котором кстати тоже есть небольшая буферная ВВБ.

Проверим так ли это, что 50 кВт. ч энергии затрачивается на получение 1кг. Н2. Из физики, один литр водорода весит 0,09 гр., а в 1кг водорода имеем около 11,111 литров. Расход электроэнергии на получение 1 м3 Н2 по обычному способу составляет 5,1-5,6 кВт. ч, для производства 5 -7 кг водорода на поездку необходимо затратить примерно 45 кВт. ч. Но что килограммы газа поместить в бак, разумных размеров, водород подвергается сжижению, путем многоступенчатого охлаждения, что так же энергозатратно! Так что 50 кВт. ч для 1 кг водорода похоже на правду.

Да и примерный расход в 1кг/100км по многим расчетам не завышен.

А вот стоимость производства водорода пока высокая. Так, сегодня 1 кг водорода стоит около $8; при расходе 1-1,3 кг на 100 км пути стоимость зачетной «сотни» пробега оказывается около $8-10 – что сравнимо со стоимостью поездки на бензиновом автомобиле, а гибрид или дизель могут оказаться даже выгоднее! В тоже время стоимость поездки на электрокар едва превышает $1-2 за 100 км пути. Причем водород нужно где-то брать – и этим «где-то» будут водородные заправки, которые можно контролировать так, как вздумается нескольким крупным сетевым игрокам рынка: то, что сегодня происходит с продажей бензина и дизельного топлива. Да и сами заправки очень дороги: небольшая водородная АЗС обходится в $250-300 тыс., средняя – в $2-3 млн.

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;
электромобиль на сегодня 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 энергоэфективности. 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, 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-х вплоть до 3-х кВт. ч на 1000л. Во-вторых, поднятие КПД ТЭ, до 75%, тогда на выходе получим от примерно 39 кВт. ч затрат на 1кг водорода (34 кВт. ч на электролиз + около 5 кВт. ч на сжижение), на котором можно будет проехать уже 150 км, т.е. с расходом уже 26 кВт. ч/100км вместо 50 кВт. ч/100км сегодня.

Заключение сделаем такое, что пока на сегодня автотранспорт на электротяге самый эффективный, перспективу имеет водородный транспорт на ТЭ.

Источник:

Спасибо за ваше внимание.smiley Если вам понравилось, пожалуйста, поделитесь с друзьями и в комментариях черкните пару слов своего мнения.