ДВС vs Электричка vs Гибрид

Размышления по поводу преимуществ и недостатков каждой технологии.

ДВС. Ну тут всё понятно. За десятилетия отточенная до совершенства технология. Её, правда, последнее время подпортили упоротые "зеленые", внося такие жесткие требования, которые при незначительном улучшении экологии двигателя существенно усложняют его устройство.
Достоинства: достаточно компактный и легкий двигатель, быстрая заправка топливом, достаточно морозостойкие.
Недостатки: низкий КПД, необходимость коробки передач из-за ограничений по скорости вращения, невозможность рекуперации энергии при торможении.

Электричка. Достаточно новая технология, не совсем понятная.

Достоинства:

1. Высокий КПД двигателя. Он существенно выше, чем у ДВС, тем не менее, достигнуть КПД выше 90% во всем диапазоне оборотов и нагрузки сложно. Технически достижимо, но такие двигатели стоят достаточно дорого.
   Также надо учитывать, что общий КПД определяется не только двигателем, но и потерями при заряде/разряде аккумуляторов и при передачи энергии от электростанции до зарядки автомобиля, а также на подогрев аккумулятора зимой, так как большинство литиевых аккумуляторов могут принимать заряд только при температуре выше ноля.
   На электростанции тоже электроэнергию производят с потерями и, в той или иной форме, загрязнением окружающей среды.
   Несмотря на все это, все же общий КПД электромобиля оказывается существенно выше, минимум процентов на 20, КПД автомобиля на ДВС.
   Для повышения общего КПД использования электромобиля напрашивается строительство электростанции в непосредственной близости от городов, особенно крупных, что бы уменьшить потери эл. энергии при её передачи на большие расстояния.
2. Возможность регенерации энергии при торможении. В отличие от ДВС, в электромобилях есть аккумулятор, который можно подзаряжать при торможении. Именно здесь достигается наибольшая экономия энергии, а не за счет КПД двигателя.
   Правда, работает такая экономия только при движении в городе, когда постоянно приходится разгоняться и тормозить на светофорах. На трассе тормозить негде, поэтому и эффект от регенерации отсутствует и экономия энергии оказывается существенно меньше.
3. Существенно более низкая стоимость эл. энергии по сравнению с бензином или дизельным топливом.
   Правда, тут надо учитывать то, что цена для коммерческих потребителей окажется повыше, чем для физический лиц. А мощные зарядки - это скорее всего коммерческие организации. Насколько выше - зависит от объема и мощности потребления, типа подключения и т. д. Думаю, что минимум будет от 20%, а максимум - в районе 100%, а может и больше. Тем не менее, даже с учетом более высокой стоимости, это все равно дешевле ископаемого жидкого топлива.

Недостатки:

1. Пожалуй самый главный недостаток: низкая скорость зарядки. К сожалению, современные аккумуляторы не умеют очень быстро заряжаться. Ученые и инженеры работают в этом направлении, но насколько мне известно, лучшее, что достигнуто на практике на текущий момент - 60% заряда можно залить за 30 минут.
   Вроде бы не выглядит сильно страшно: например, при дальнем путешествии можно заехать на зарядку и параллельно пообедать. В реальности же все не так гладко: есть не хилая вероятность, что зарядка будет либо занята, либо не будет работать (последнее особенно печально зимой в лютый мороз). И поэтому если вы решили зарядиться где-то посредине двух пунктов назначения в малолюдной местности, вполне вероятно, что ждать вам придется несколько часов вместо 30 минут. Что уже рушит начавшееся автопутешествие.
   Но, допустим, вы всё четко распланировали и заряжаться будет в пунктах интереса своего маршрута. Но, то есть доехали до нужного города, начали отдыхать, а перед этим поставили машину на зарядку. С большой вероятностью, как показывает опыт Норвегии, вы не найдете свободных зарядок. Зато для вашего удобства есть приложение, в котором вы можете зарезервировать себе место на зарядке, как только оно освободиться.
   И вот вы начали отдыхать, в разгар отдыха вам сообщают, что пора ехать на зарядку. Вы подрываетесь, берете машину, едете на зарядку, оставляете её там. И хорошо, если зарядка рядом с местом отдыха, в противном случае вам на такси надо будет назад, а потом еще раз на такси, что бы забрать машину. Такой себе отдых получается, вам не кажется?
   Впрочем, для чисто городской эксплуатации при небольших пробегах это совершенно не критично. Что делать, если вам нужен универсальный вариант? Вижу такой выход: иметь два автомобиля, один электро для перемещения по городу, второй ДВС для поездок на дальние расстояния. Накладно, и не очень удобно.
2. Второй недостаток вытекает из первого. Низкую скорость зарядки можно компенсировать большим запасом ходом. К сожалению, тут электромобилям похвастаться пока не чем.
   Впрочем, все это важно опять же при дальних поездках. Сейчас прикину, какой же запас хода должен быть у электромобиля в российских условиях. Например, расстояние между Новосибирском и Омском - 650 км. При поездке зимой при обычной для этой местности температуры -20, с учетом запаса на непредвиденные обстоятельства в 200 км, а всего значит 850 км, заявленный производителем запас хода (а производители всегда завышают этот параметр и приводят его для теплой погоды) должен быть в 2 раза больше, то есть по-хорошему нужен электромобиль с заявленным запасом хода в 1700 км. А таким электричек в природе пока не существует (см. следующий пункт).
   Почему в два раза? Потому что зимой емкость большинства аккумуляторов падает, а расход эл. энергии увеличивается на обогрев салона.
   Также большой запас хода нужен при движении по плохим дорогам, а тем более - по бездорожью. Энергии в таком режиме тратится больше, а взять её с собой в канистрах не получится. Видимо, поэтому электрические внедорожники не пользуются особой популярностью, несмотря на неплохие внедорожные возможности.
3. Большая масса. Электрички существенно тяжелее, чем машины с ДВС. В недорогих моделях электродвигатели немного тяжелее, чем в ДВС, но основная проблема в аккумуляторе, именно он дает основную прибавку в массе.
   Давайте примерно прикинем. Допустим, у электромобиля батарея на 100 кВт*ч. Удельная энергоемкость самых лучших на текущий момент и доступных в реальности аккумуляторов составляет примерно 300 Вт*ч/кг. С учетом того, что такие аккумуляторы пожароопасны, их заключают в защитный корпус, плюс для холодных климатических условия теплоизоляция, плюс система охлаждения, в реальности с учетом всего сказанного удельная емкость скорее составит 200 Вт*ч/кг.
   И тогда вес такой батареи будет примерно 100 / 0.2 = 500 кг. В полтонны лишнего веса обходятся современные экологически продвинутые технологии. Впрочем, такими большими и тяжелыми батареями обзаводятся крупные машины: кроссоверы и внедорожники. При этом запас хода заявляется в районе 700-800 км, что в два раза меньше, чем требуется для универсальной эксплуатации в условиях востока России (см. предыдущий пункт).
   Реализация таких требований приводит к аккумулятору в 2-2.5 раза тяжелее, то есть больше тонны веса. А это уже получается очень тяжелая, большая и дорогая машина, скорее всего здоровый внедорожник, хотя из-за перегруженности вне дорог ему как раз будет тяжело.
   Перспективы создания более емких батарей вроде просматриваются, но пока из лабораторий не выходят. Если удастся создать батарею удельной емкостью в 1 кВт*ч/кг, то основные проблемы электромобилей, описанные выше, будут, считай, решены.
4. Пожароопасность. Как все уже знают, литиевые аккумуляторы, подобные тем, что рассмотрены в прошлом пункте, пожароопасны, и, что еще хуже, их практически не возможно потушить. Обычно в случае аварии разрушается целостность батареи, а так как для обеспечения высокой емкости в её составе есть металлический литий, то он и воспламеняется при взаимодействии с воздухом. Хоть и не часто, но это приводит к человеческим жертвам.
   Есть технологии и с литием, и на основе натрия, которые практически не возгораются при разрушении. К сожалению, у них есть лишь один, но важный недостаток - у них заметно меньше удельная емкость. А это значит, что либо запас хода будет еще более ограничен, либо машина станет еще более тяжелее.
5. Отсутствие зарядной инфраструктуры и стоимость электроэнергии. Для быстрых зарядок нужна высокая мощность, но инфраструктуры и генерации для массового внедрения электромобилей пока нет. И строится все это не за два дня, на это нужны десятилетия.
   Например, если бы появилась технология, которая могла бы заливать в аккумулятор 100 кВт*ч за 5 минут, то такая зарядка требовала бы как минимум мощность 1.2 МВт, а на самом деле побольше, так КПД зарядки не тоже не 100%. На типичной зарядной станции при такой мощности были бы зарядки на 5 автомобилей, т. е. её мощность составляла бы 6 МВт. На город с численностью населения в полмиллиона человек потребовалось бы сотня таких зарядок, или 600 МВт - а то отдельная крупная электростанция, которых в России не так много.
   Постройка отдельных электростанций для каждого города только для обслуживания личного транспорта требует огромных денег. А где их взять?
   Или другой пример. Если бы сейчас все дружно поменяли бы ДВС на электро и начали бы их заряжать прямо во дворах от бытовой электросети, то местные трансформаторы не выдержали бы такой нагрузки. То есть опять потребуется замена эл. инфраструктуры и на неё нужны деньги.
   Ответ на вопрос "где их взять" очевиден - повышение цен на электроэнергию. Если переход на электромобили будет стремительным, то цены на бытовую электроэнергию могут легко взлететь в три раза и больше. Поэтому подорожает и свет, и банальное приготовление пищи.
   Впрочем, рецепт от подобного подорожание прост - запрет зарядки электромобилей от бытовой электросети, и повышенные цены на эл. энергию на зарядных станциях, которые и пойдут на развитие генерации и инфраструктуры.
6. Недостаток, характерный для стран с суровым холодным климатом. Литиевые аккумуляторы не могут заряжать при температуре ниже 0 Цельсия. А значит, при хранении вне помещения для зарядки они должны будут подогреваться, фактически отапливая улицу. Впрочем, владельца ДВС также частенько включают автозапуск для подогрева авто в сильные морозы, так что тут паритет плюс-минус, но для экологии это минус однозначный.

Гибрид. Компромиссный вариант между ДВС и электричкой.

Достоинства:

1. Возможность быстрой заправки, как и обычного авто. Подключаемые гибриды также позволяют и заряжаться. Впрочем, статистика американских производителей говорит о том, что владельцы подключаемых гибридов практически не пользуются зарядками.
   И в самом деле, при батарее, обеспечивающей пробег на электричестве в районе 100-200 км по заявлению производителя, а в реальности значит, поменьше, причем иногда существенно, особого смысла ехать на зарядную станцию нет - больше времени потратишь
   А вот при наличии гаража с подведенным электричеством и медленной зарядкой - почему бы и нет? В городском режиме эксплуатации это позволит существенно сэкономить.
2. Меньшая масса по сравнению с электроавто. Конечно, за счет менее ёмкого аккумулятора. В обратную сторону, то есть в сторону увеличения массы, работает наличие ДВС, генератора и, в зависимости от типа гибрида, коробки передач.
   Гибридов два типа можно выделить: последовательные и параллельные.
   В последовательных ДВС крутит чисто генератор, от которого заряжаются батареи, а от батарей уже работают два электромотора (в случае полного привода), завязанные на колеса.
   В параллельных ДВС связан с электрическим мотор-генератором, который обычно встроен в коробку передач, поэтому ДВС может использоваться и для генерации электроэнергии, и для привода колес. То есть по сравнения с последовательным вариантом тут меньше на два электродвигателя, но появляется коробка передач. В общем, похоже, что параллельные гибриды при прочих равных должны быть немного полегче.
3. Так как гибридам не нужна сильно уже емкая батарея, то её можно делать в более пожаробезопасном исполнении.

Недостатки:

1. Меньший КПД, чем у чистой электрички. Это понятно, так как в качестве источника энергии используется ДВС, а без существенного, неприемлемого для ТС, увеличения его массы поднять КПД до современных тепловых электростанций не получится.
2. Сложность балансировки мощности ДВС, электродвигателей и ёмкости АКБ, что бы машина и ехала нормально, и регенерация энергии работала с максимальной эффективностью.
   Тут есть одна проблема: аккумуляторы могут отдавать очень большой ток, а принимают его назад в гораздо меньшем размере. То есть они позволяют очень резво разгоняться, но тормозить с той же эффективностью не позволяют. Например, современный 10 кВт*ч аккумулятор в принципе способен выдать до 100 кВт мощности, а вот принять назад может лишь 20 кВт, самые современные модели - 40 кВт.
   Особой проблемы при гражданской эксплуатации это не должно доставлять, но в общем нужно учитывать, что с точки зрения эффективности тормозить лучше заметно менее активно, чем стартовать.
   Второй момент связан с тем, что иногда можно увидеть, что на крупные внедорожники ставят откровенно небольшой ДВС. Есть вероятность, что на длинных перегонах по автостраде его мощности может не хватить, что бы долго двигать большую машину.

Вроде больше недостатков гибридов мне не видится. Похоже, на сегодняшний день это наиболее совершенная форма личного автотранспорта. Однако, несмотря на совершенство, электрифицированный транспорт остается все еще значительно более дорогим по отношению к ДВС. Вопрос в том, сколько вы сможете проехать на разницу в цене на машине с ДВС.