Энергетическая эффективность различных видов автомобилей

Побудительной причиной к пересмотру предыдущей статьи “Энергетическая эффективность электромобилей” послужила переписка с некоторыми активными поборниками альтернативных видов транспорта. Мне было справедливо указано на то, что простой перевод GGE (Gas Gallon Equivalent) для автомобилей на природном газе в эквивалент литра бензина может привести к заблуждению читателей. Также было много критики о том, что сравниваются несравнимые по мощности двигателя автомобили. Постараюсь исправиться и на этот раз привести новые данные. Итак, приступим…

Давайте на время отвлечемся от такого эфемерного понятия, как экологическая чистота и бесшумность электромобиля. Попробуем подступить к проблеме с чисто меркантильным интересом – возьмем и сравним параметры расхода энергии различных типов автомобилей на единицу пройденного пути. Для оценки будем использовать не только затраты энергии на передвижение (в этом случае электромобиль, благодаря своему крайне высокому КПД будет многогратно превосходить другие типы автомобилей), но и затраты энергии, необходимые для переработки исходного сырья, доставки энергоносителя и заправки автомобиля.

Методика расчетов
Для сравнения возьмем автомобили Honda различных типов двигательных установок, один из самых экономичных дизелей – VW Jetta Diesel, и спортивный(!) электромобиль Tesla Roadster. Для сравнения выбраны малолитражные автомобили не сильно различающиеся по весу со спортивным электромобилем. Почему выбран именно спортивный вариант электромобиля? – Потому что мы все знаем “прожорливость” спортивных автомобилей и, таким образом, выбрав Tesla Roadster для сравнения, даем фору другим участникам нашего исследования.

Поскольку электромобиль в настоящее время является, в основном, средством внутригородской коммуникации, сравнивать будем расход энергии на передвижение в смешанном цикле. Для всех автомобилей были выбраны минимальные цифры расхода топлива (таким образом в нашем исследовании участвуют самые экономичные двигателя из имеющихся в данной линейке версий автомобиля).

Суммарная эффективность переработки, доставки и заправки взята из статьи: “The 21st Century Electric Car” by Martin Eberhard and Marc Tarpenning, Tesla Motors Inc. Wednesday, July 19, 2006.
Теплота сгорания различных видов топлива взята из книги: “А.С. Енохович. Справочник по физике и технике. Москва, 1989”. Для бензина теплота сгорания принята 30.8 Мдж/л, для дизтоплива – 36,3 МДж/л, водород 120 МДж/кг, природный газ – 45 МДж/кг.

Для водородных топливных элементов получение водорода принято, исходя из наиболее недорогой технологии производства – путем окисления метана природного газа парами воды эффективность данного метода около 61% (на весь процесс от добычи природного газа до заправки в бак автомобиля). Хочу отметить, что в современных установках по электролизу воды КПД процесса составляет чуть более 60%, так что критиков предыдущего метода получения водорода прошу не беспокоиться.

Электроэнергию для зарядки электромобиля можно получить на атомных электростанциях или из возобновляемых источников (при помощи солнечных батарей, гидро- или ветроэлектростанций). Однако трудно рассчитать эффективность этих методов получения электроэнергии, поэтому для рассчетов взята электроэнергия, производимая на ТЭЦ при сжигании природного газа.

Результаты сравнения
Данные расчетов объединены в следующую таблицу:

Выводы
После длительных и нудных объяснений методики расчетов, и приведения результатов, можно переходить к самому интересному – извлечению выводов из имеющейся информации.

Несмотря на довольно жесткую методику рассчетов можно видеть, что суммарная энергоэффективность электромобиля в 2 раза выше ближайших конкурентов – гибридных автомобилей и автомобилей на водородных топливных элементах.

Автомобили с водородными топливными элементами оказались далеко не так хороши, как их рекламируют и активно продвигают. Эффективность самого водородомобиля достаточно высока (0,7 км/МДж – второй результат после электромобиля). Однако ущербность данной технологии показывает суммарная энергоэффективность, сравнимая с эффективностью дизеля при несоизмеримо большей стоимости и сложности.

Энергетическая эффективность самого электромобиля недостижимо высока (1,84 км/МДж) – в этом виноват высокий коэффициент полезного действия электроустановки. Расчеты навевают сомнения в заявленом КПД автомобилей с двигателями внутреннего сгорания – мне неоднократно встречались заявления, что КПД дизельного двигателя достигает 40%, что позволяет говорить о безперспективности электромобилей. Безперспективности – из-за того, что суммарная мощность автомобилей превышает суммарную мощность электростанций, и при замене авто- на электро электроэнергии просто не хватит. Возможно, на оптимальных оборотах дизель и имеет 40% КПД, однако, если брать реальные условия, КПД дизеля не дотягивает до 20% (иначе у электромобиля получилось бы КПД 160% – вечный двигатель, однако). Так что для питания электромобилей потребуется в 4 раза меньше энергии при полном замене современного парка автомобилей.

Поскольку массовый современный электромобиль – средство внутригородской коммуникации, то об увеличении количества электростанций говорить не приходится. Наоборот, электромобили могут стать важным элементом энергосистемы мира, сглаживая ночное падение потребления электроэнергии.

Надеюсь, читатель почерпнул немного полезных сведений о современном мире транспорта. В публикации затронуто много спорных моментов, методика сравнения достаточно приблизительна. Через пару недель я наконец-то выхожу в долгожданный отпуск. Надеюсь, у меня появится несколько свободных часов, чтобы написать калькулятор эффективности различных видов транспорта. Тогда любой желающий сможет путем собственных расчетов подтвердить (или опровергнуть) вышеизложенные выводы.

© Дмитрий Спицын, 2008