Сравнительная эффективность транспорта на бензине, электричестве и водороде

БЕНЗИН, АККУМУЛЯТОР или ВОДОРОД?

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.


raznie vidi topliva dlya avtomobilya
Какое топливо будет популярным в будущем?


Эффективность топлива



Итак начнем с бензина. Что мы знаем? Один литр имеет вес ~750гр. и около 10кВтч 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. Источник Wikipedia) добычи нефти и переработки в бензин равен 5, т.е. отдаем 5-ую часть, а именно 20%.


zena topliva dlya avtomobilya
Это означает, на каждый литр бензина будет затрачено около 2кВтч энергии. Но он же имеет около 10кВтч 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 2кВтч энергии на добычу и переработку, потом использовали лишь 2кВтч 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.


Авто-электрификация совсем уже близко!Китайская GROVE - сразу три водородных автомобиля


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

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

Но с электромобилями нужно быть точным до последней детали, 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 14кВтч/100км из сети нужно около 15,5кВтч для 100км 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 20кВтч/100км из сети, но и авто на ДВС зимой так же потребляет больше топлива…


Но можно ли на этом заканчивать? Нет! 


solnechnaya elektrostanciya
Солнечная электростанция | фото: depositphotos

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.


Технологии: едем и заряжаемся. Без проводов!

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?


kolonka dlya zapravki avto vodorodom
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 400-500км. Хотя например дорогущие теслы и не только тоже имеют запас хода 400-500км (400км модели еще с 2012 года), но заряжаются в лучшем случае на 120км 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 100км находится в пределе 1кг водорода на 100км. А что это вообще такое 1кг водорода? Для начала поговорим о том, что в среднем для 1го кг водорода в баке авто нужно затратить, по информации от разных источников около 50кВтч 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 50кВтч энергии на 1кг водорода. Т.к. один литр водорода весит 0,09гр то в 1кг водорода имеем около 11.111 литров. Например для получения 1000 литров водорода путем электролиза воды в промышленых масштабах нужно около 4кВтч энергии, получаем 44,444кВтч для 11.111 лтров. 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 50кВтч для 1кг водорода похоже на правду.

Может тогда примерный расход в 1кг/100км завышен, а на самом деле он намного ниже? Проверяем. При реакции водорода с кислородом выделяется около 3кВтч энергии при использовании 1000л водорода. КПД современных ТЭ, к сожалению, около 50%, что означает — из 1кг или 11.111л водорода вместо 33,33кВтч потенциальной энергии «улавливается» лишь половина, т.е. ~16,67кВтч. Т.е. есть потери, нужно еще и прилично охлаждать.

ekologichnie vidi topliva avto
Есть потери на заряде буфферной ВВБ и в итоге получаем примерно расход того же форда на батарейках… Физику не обмануть и расход в 1кг водорода на 100км 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.

Перспективы на будущее


zapravka elektromobilya
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, 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 4ех вплоть до 3ех кВтч на 1000л. Во вторых поднятие КПД ТЭ, например до хотя бы 75%, тогда на выходе получим от примерно 39кВтч затрат на 1кг водорода (34кВтч на электролиз + около 5кВтч на сжижение), на котором можно будет проехать уже 150км, т.е. с расходом уже 26кВтч/100км вместо 50кВтч/100км сегодня.

Источник: BTech