Городская среда неразрывно связана с наземным транспортом, подавляющую часть которого на сегодняшний день составляет автотранспорт на ископаемом топливе (бензин, газ, дизельное топливо). Однако последние годы нарастают усилия по замене двигателя внутреннего сгорания (далее ДВС) на электротягу. Данные усилия не новы, но, если раньше упор по распространению делался на электрификацию общественного транспорта, то сейчас все больше усилий направлено в область личного транспорта.
Попробуем разобраться в широко продвигаемом тезисе об «экологически чистом» транспорте с точки зрения потребления топлива в сравнении с обычным автомобилем на ДВС со схожими характеристиками. Здесь не стоит удивляться такому сравнению, поскольку в структуре электрогенерации любого крупного города до сих пор превалирует ископаемое топливо, чаще всего это природный газ, но встречается и мазут, и уголь, причем последний в общей структуре мировой генерации занимает лидирующие позиции. Следовательно, электромобиль при восстановлении своего заряда батарей, по сути, потребляет то же самое топливо, но сгоревшее уже не на борту автомобиля в ДВС, а на электростанции.
В настоящей статье будет оцениваться только прямой расход топлива, необходимый для преодоления расстояния в стандартные 100 км пути.
Предвосхищая замечания о развитии альтернативной энергетики, сразу следует указать, что в годовом выражении, например в Германии, несомненно, показатели выработки в целом по стране растут, однако есть объективные замечания. Ветрогенераторы и солнечные электростанции по большей части локализованы вдалеке от крупных городов, основная генерация осуществляется днем по причинам, как физическим (наличие собственно ветра и солнца), так и законодательным, например, ограничения на работу ветрогенераторов в ночное время из-за низкочастотного шума. Поэтому зарядка аккумуляторов ночью и в неблагоприятные дни, по сути, будет производится за счет ископаемого топлива. Кроме того, при массовом переводе личного транспорта на электротягу нагрузки на сети и генерацию значительно возрастут, что потребует, как новых традиционных мощностей (не забываем о физических ограничениях альтернативной энергетики), так и глобальной реконструкции всего электрохозяйства под новые условия. Переводя вопрос в наши (да и не только в наши) крупные города, мы увидим, что развитие ветрогенерации, например, в Подмосковье, весьма затруднительно по объективным климатическим причинам. Ветер преобладает слабый, до 2-3 м/с, с единичными кратковременными случаями повышения до 15-20 м/с во время непогоды, тогда как типовой промышленный ветрогенератор требует стабильного ветра около 10-12 м/с. Поэтому развитие альтернативной энергетики у нас весьма затруднено. Исходя из этого сравнение ДВС и электротяги по ископаемому топливу на сегодня имеет право на жизнь.
Для наглядности сравнения будем использовать единую единицу измерения энергии МДж/100 км.
Поскольку мы не ставим себе задачу сравнивать конкретные марки автомобилей, будем использовать усредненные значения расходов топлива (энергии) для бензиновых, дизельных и электрических автомобилей, при этом не будут рассматриваться «прожорливые» внедорожники и пикапы. Согласно [1] для автомобилей на бензине средний нормативный расход топлива составит около 8,9 л/100 км, для автомобилей на дизельном топливе – 7,7 л/100 км. По данным [2] расход энергии для электромобиля в среднем составит 22,86 кВт.ч/100 км. Стоит отметить, что заводы-изготовители приводят свои цифры по расходам топлива/энергии, которые занижены относительно указанных на величины до 10% для ДВС и до 30% для электромобилей. В дальнейших оценках будем опираться на данные полевых испытаний независимых экспертов и нормативную документацию [1,2].
При теплоте сгорания бензина и дизельного топлива 32,7 МДж/л и 36,45 МДж/л соответственно, а также при переводе кВт.ч в МДж (МВт.ч = (МДж/с)*3600 с) получаем прямые затраты энергии для преодоления автомобилем расстояния в 100 км:
ДВС на бензине – 291 МДж/100км
ДВС на дизельном топливе – 280,7 МДж/100км
Электромобиль – 82,3 МДж/100 км
Сейчас менеджеры-распространители идеи электромобилей скажут «ага, вот она выгода!», однако их разочарует одна деталь, всегда упускаемая из вида (намеренно или по незнанию гадать не будем). Многие экологические рекламные презентации упускают из вида то, что электроэнергия не берется «в розетке» из неоткуда, кроме того, при зарядке батареи энергия частично неминуемо теряется за счет физических и электрохимических процессов. Рассмотрим отдельно все составляющие потерь, возникающие по пути электрического тока в полностью заряженный аккумулятор, начиная с его зарядки, заканчивая топливом, сожженным на электростанции.
Потери при зарядке батарей можно выразить, как сумму из нескольких составляющих, основными будут являться потери в зарядном устройстве (ток промышленной/домашней сети нужно выпрямить и преобразовать до нужных параметров заряда), потери на нагрев проводников и компонентов батареи при зарядке, потери, связанные с электрохимическими процессами. Суммарно, при сочетании различных неблагоприятных условий, эти потери могут достигать величины в 30% [3], для своих расчетов примем величину в 10%, предполагая, что условия для зарядки аккумуляторов приближены к идеальным.
Между розеткой, куда мы подключаем зарядное устройство, и выводами с генератора электростанции располагаются повышающий трансформатор, транзитные линии электропередач, ряд понижающих трансформаторов, распределительные устройства и распределительные сети потребителя. На каждом перечисленном этапе по пути электрического тока возникают потери, которые могут достигать 20-25% [4]. При этом допустимыми потерями считаются 10-12%, а оптимальными 4-6%. В дальнейших расчетах примем величину в 8%.
КПД электростанций по отпуску с шин электроэнергии в первую очередь зависит от типа электростанции. Если это ТЭС, работающая по паро-газовому циклу, то можно рассчитывать на 55%, но если это угольная конденсационная ЭС, то больше 35-38% на выходе не будет, в среднем же по энергосистеме России за 2019 год КПД по отпуску электроэнергии составил 40,1% [5].
Исходя из выше сказанного получаем искомую цифру затрат энергии топлива на преодоление 100 км пути электромобилем будет потрачено порядка 247,9 МДж/100 км. Таким образом расход энергии/топлива для различных транспортных средств получается следующий:
Исходя из полученных результатов понятно, что в существующих условиях электромобиль с точки зрения затрат энергии первичного топлива выигрывает крайне не значительно, что при изменении внешних условий может привести даже к проигрышу относительно ДВС. К таким негативным условиям может, например, привести повышенный расход заряда батареи в жару/холод, увеличенные потери в сетях и при заряде аккумулятора, снижение КПД выработки электроэнергии (большое количество угольных и неэкономичных ТЭС), а также повышение экономичности ДВС.
Стоит упомянуть еще один документ [6], на который часто ссылаются эксперты в части продвижения электромобилей, упоминая о как минимум 25% экологической выгоде электромобилей по отношению к дизельным ДВС. Данная статья ссылается на первоисточник [7], где сравниваются традиционные автомобили (ICEV) и электромобили различных модификаций: гибридные автомобили (HEV), подключаемые гибридные автомобили (PHEV) и электромобили (BEV). Показателем оценки здесь является выбросы СО2 на 1 км пути, причем оценивается весь цикл, включая производство автомобилей и аккумуляторов. Одним из основных выводов статьи является то, что электромобиль с точки зрения экологии оправдывает себя только в том случае, если генерация электроэнергии для цикла использования электромобиля осуществляется без использования ископаемого топлива, особенно угля. В противном случае выгода от перехода на электромобили мала, либо отсутствует вовсе.
Для чистоты оценки переведем полученные данные по расходам энергии в г СО2/км, для этого используем данные [7, 8, 9] по выбросам СО2 на выработку кВт·ч электроэнергии в целом по энергосистеме России, при сжигании угля, при сжигании природного газа, средние величины выбросов СО2 при сгорании бензина и дизельного топлива. Таким образом при углеродоемкости выработки электроэнергии 358 г CO2/кВт·ч, 1080 г CO2/кВт·ч, 642 г CO2/кВт·ч и среднем выходе СО2 на уровне 2200 г СО2/л и 2700 г СО2/л для бензина и дизельного топлива соответственно получаем:
ДВС на бензине – 196 г СО2/км
ДВС на дизельном топливе – 208 г СО2/км
Электромобиль (среднее по энергосистеме) – 82 г СО2/км
Электромобиль (уголь) – 247 г СО2/км
Электромобиль (природный газ) – 147 г СО2/км
Очевидно, что при угольной электрогенерации ни о какой экологической выгоде электромобиля говорить не приходится, при этом при «газовой» электрогенерации наблюдается только 25-30% выгода по выбросам. Однако не стоит также забывать, что производство и утилизация аккумуляторных батарей электромобилей весьма энергозатратно (вспоминаем, откуда берется электроэнергия), а процесс утилизации и рециклинга отработавших батарей до сих пор не налажен из-за высокой стоимости и значительной энергоемкости. Поэтому если добавить к полученным результатам энергозатраты, а также связанные с ними выбросы СО2, на производство аккумуляторной батареи, достигающие по данным [7] величины до 70 г СО2/км, то выгода от использования электротяги не только практически исчезает при электрогенерации на природном газе, но и значительно сокращается при средней углеродоемкости генерации по системе.
Хорошие результаты по выбросам СО2 для среднего показателя по энергосистеме России объясняются тем, что в нашей структуре генерации существенную долю занимает гидроэнергетика, а также атомная энергетика (суммарно не менее 35%), при этом доля «газовой» выработки превысила 48%.
Делая вывод, отмечу, что продвигаемая идея о экологической и энергетической выгоде электромобиля в текущих условиях весьма спорна. На мой взгляд, она будет иметь право на жизнь только при выполнении ряда условии:
- обеспечение генерации электроэнергии без использования ископаемого топлива, в особенности угля;
- кардинальное снижение энергозатрат на производство, утилизацию и рециклинг аккумуляторных батарей;
- снижение потерь в цикле заряд/разряд батареи.
- снижение потерь при производстве и передаче (распределении) электроэнергии.
Использованная литература:
1. «Нормы расхода топлива и смазочных материалов на автомобильном транспорте»// Распоряжение Минтранса РФ от 14.05.2014 N НА-50-Р «О внесении изменений в методические рекомендации.
2. What Car? Real Range: which electric car can go farthest in the real world?//https://www.whatcar.com.
3. Анализ и сравнение характеристик аккумуляторов основных типов.// http://inerton.ucoz.ru.
4. Воротницкий В.Э. «Норматив потерь электроэнергии в электрических сетях. Как его определить и выполнить?//Новости электротехники 2003 г. №6 (24).
5. Бобылев П.М. «По итогам 2019 года удельный расход условного топлива на отпуск электроэнергии в России составил 306,2 грамма на кВт.ч»// Министерство энергетики РФ. https://minenergo.gov.ru/node/16935.
6. Transport & Environment. «Electric vehicle life cycle analysis and raw material availability»// https://www.transportenvironment.org.
7. Environmental impacts of hybrid, plug-in hybrid, and battery electric vehicles—what can we learn from life cycle assessment?// https://link.springer.com.
8. ЦДУ ТЭК «Снижение углеродоемкости электроэнергии»// http://www.cdu.ru.
9. Cаморегулируемая организация Некоммерческое Партнерство «МЕЖРЕГИОНАЛЬНЫЙ АЛЬЯНС ЭНЕРГОАУДИТОРОВ» Методика расчета выбросов парниковых газов (CO²-эквивалента). Расчет парниковых газов от энергетической деятельности предприятий (сжигание топлива).// https://sro150.ru.
