Для развития электротранспорта запретят двигатели внутреннего сгорания? - Статьи :: Международный Электротехнический Журнал Электрик
Рубрика

Производство и ресурсы

919
Для развития электротранспорта запретят двигатели внутреннего сгорания?

Осенью 2015 г. в Париже на Всемирной конференции по климату, которую проводило ООН, прозвучало громкое заявление: Великобритания, Германия, Нидерланды и Норвегия, а также несколько американских штатов после 2050 года готовы запретить использование и продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. Речь идет не только об обычных автомобилях, использующих в качестве топлива бензин, дизельное топливо, но и перспективных автомобилях работающих на водородном топливе. Т.е. это заявление направлено, в том числе, и против водородных автомобилей использующих «водород – топливо будущего» как об этом часто говорят.

Таким образом, к 2050 г. в перечисленных выше странах будет разрешены продажи только электромобилей, и автомобилей с двигателями внешнего сгорания, например, паровыми. Ура, да здравствует паровоз! Интересно, но именно таким образом, не так давно, в странах ЕС избавились от столь совершенного, но не экономичного источника искусственного освещения как лампы накаливания – их просто запретили. Как видим, с автомобилями история опять повторяется.

Итак, самый распространенный на транспорте, поршневой двигатель внутреннего сгорания (ДВС), который используется уже почти 200 лет, приговорили к смерти, а точнее к казне. Причём привычным для ЕС административным способом – не потому, что он экономически невыгоден, а потому что так захотелось производителям дорогих и неудобных в эксплуатации электромобилей.

Однако часто повторяемый в последнее время тезис о том, что «Транспорт будущего — это электромобили» крайне спорный, да и сами электромобили окружены множеством мифов. Чтобы их объективно оценить, обратим вначале свое внимание на электромобиль Nissan Leaf.

 

Электромобиль Nissan Leaf

Особое внимание в статье будет уделено самому распространенному в мире электромобилю хетчбеку Nissan Leaf (их продажи превышают 40% от всех продаж электромобилей в мире). Производят его с 2010 г. в его конструкцию неоднократно вносились усовершенствования, и у автовладельцев накопился определенный опыт его эксплуатации.

Основные технические характеристики Nissan Leaf таковы:

1. Мощность двигателя                                109 лошадиных сил.

2. Крутящий момент                                                         280 н/м.

3. Запас хода машины на одной зарядке                          175 км.

4. Полная зарядка аккумулятора осуществляется                   

                                                                      примерно за 9 часов.

5. Разгон 0-100 км/ч                                                               11,9 с.

6. Максимальная скорость                                                140 км/ч.

7. Вместо коробки передач                одноступенчатый редуктор.

8. Привод                                                         на передние колеса.

9. Тормоза                                              дисковые вентилируемые.

10. Колесная база                                                                    2,7 м.

11. Снаряженная масса                                                        1600 кг.

12. Запах хода                                                                        175 км.

Под днищем Nissan Leaf располагается литий ионная батарея. Её емкость составляет 24 кВт, и она весьма массивная (300 кг), поэтому масса Nissan Leaf практически вдвое больше, чем у других автомобилей его класса. Также, из-за этого центр тяжести автомобиля сместился вниз, если сравнивать с обычными автомобилями одноклассниками Nissan Leaf.

По официальным данным, запас хода автомобиля составляет 175 км. К сожалению, эта цифра очень условная. Реальное количество километров зависит от того, какой стиль вождения будет выбран водителем, использует ли он кондиционер, как часто едет в горку или с горки, а также от состояния батареи. На самом деле, в среднем водителю нужно рассчитывать не более чем на 120 км пробега по городу при полностью заряженной батарее.

Если же хочется поездить более агрессивно, то батарея электромобиля разрядится гораздо быстрее. Быстрая и динамичная езда – не та стихия, для которой был создан Nissan Leaf. В принципе, Nissan Leaf – это самый обычный 5-дверный хэтчбек C-класса с длиной кузова порядка четырех с половиной метров.

Рассмотрим самые распространенные мифы об электромобилях, и попробуем разобраться, что, в них правда, а что – нет.

Для повсеместного использования электромобилей надо значительно увеличить мощность существующих электростанций

По существующим подсчётам, для того чтобы перевести весь транспорт на электротягу, мощность существующих электростанций надо увеличить в 3 раза. Однако эксперты компании Nissan, активно продвигающие свой электромобиль Leaf утверждают, что это не так.

На рис.1 показано видение компанией Nissan электросетей будущего, доставляющих электроэнергию в ваши дома. При этом предполагается интеграция электромобиля в электросеть. Т.е. аккумуляторная батарея электромобиля будет не только получать электроэнергию от сети, но и отдавать её в нужное время.

При аварии в электросети аккумулятор Nissan Leaf может осуществлять электроснабжение дома в течение примерно 2 дней. При этом, в дневное время, для обеспечения электроснабжения предлагается использовать солнечные батареи. Подключенный к сети аккумулятор Nissan Leaf также поможет сгладить пиковые нагрузки. Заряжать аккумулятор Nissan Leaf следует ночью, когда потребление электроэнергии минимально. Т.е. получаем этакую личную запасную электростанцию на колесах.

Эксперты компании Nissan утверждают, что, для всеобщего перехода на электромобили, строить новые электростанции не надо. Так в США, по их подсчётам, если весь автопарк из 250 млн. автомобилей сегодня перевести на электротягу, то ночью (в период так называемого провала нагрузки) энергии хватит, чтобы зарядить 79% этих автомобилей.

А днём? Дневной спад энергопотребления тоже существует, и по мнению экспертов компании Nissan суммарно «свободной энергии» хватит на те же 79% автомобилей, однако важно, чтобы автомобили приезжали на зарядку не когда-нибудь, а в нужные часы. Этот вопрос предлагается решать использованием приложения для смартфона, которое подскажет оптимальное время для «заправки» электричеством.

Т.е. владелец электромобиля постоянно должен быть в готовности бросить все дела и поставить свое транспортное средство на долгожданную зарядку. К тому же здесь заметно явное передергивание фактов просто по совпадению цифр – электроэнергии хватит на 79% автомобилей и днём и ночью. Разумеется, такого быть просто не может.

Иначе обстоит ситуация в странах ЕС. Так в Дании и Норвегии, как и в некоторых других странах, внедрение энергосберегающих технологий и развитие возобновляемой энергетики привело к проблеме не недостатка а, напротив, избытка генерации электроэнергии. Т.е. часть автопарка в таких странах можно перевести на электротягу без строительства новых электростанций.

А вот утверждение экспертов Nissan о том, что из-за энергосберегающих технологий потребление электричества во всём мире постоянно падает, и поэтому высвободившиеся мощности можно будет использовать для зарядки батарей электромобилей более чем спорное. Уменьшение потребления электроэнергии в странах ЕС ни о чём не говорит – там прошла деиндустриализация, закрылась масса таких основных потребителей электроэнергии как промышленные предприятия. Общемировая тенденция как раз противоположна – потребление электроэнергии на душу населения во всём мире непрерывно растет (см. рис.2), в том числе и в США.

По итогам 2015 г. мировое производство электроэнергии выросло по сравнению с 2014 г., в в частности на АЭС и на ГЭС. Производство электроэнергии на АЭС росло темпами выше средних и увеличилось на 1,8%. Благодаря этому, впервые с 2009 г., атомная энергия увеличила свою долю в общем мировом энергобалансе. Рост выработки электроэнергии на АЭС в Южной Корее, Китае и Франции превысил снижение её выработки в таких странах как Япония, Бельгия и Великобритания.

За этот же период мировое производство электроэнергии на ГЭС увеличилось на 2. При этом доля ГЭС составила рекордные 6,8% мировой выработки энергии. Рост выработки энергии на ГЭС в Китае (+15,7%) обеспечил весь прирост в мировой гидроэнергетике.

На рис.3 показан прогноз изменения мирового энергопотребления в 2012-2035 гг. составленный группой BPEnergyoutlook. Как видно из рис.3 потребление энергии во всём мире будет непрерывно расти, исключение составляют только страны ЕС, однако и там уменьшение энергопотребления за указанный период составит всего лишь около 5%, что совершенно несущественно.

Таким образом, никаких свободных генерирующих мощностей для зарядки электромобилей нет, и в перспективе не предвидится.

Аккумулятор электромобиля заряжается очень долго

По мнению экспертов, для развития электротранспорта, необходимо строительство зарядных станций нескольких типов: «медленных» и «быстрых» (например, типа CHAdeMO). При этом соотношение между их количеством должно составлять 2,5:1. В настоящее время, во всем мире имеется примерно 9800 зарядных станций типа CHAdeMO, и, за последние 4 года, их количество выросло со 150 до 9800 единиц, т.е. в 65 раз. Из них 1400 находится в США, 2900 в странах ЕС и 5500 в Японии, где компания Nissanих активно развивает. На рис.4показано распределение зарядных станций типа CHAdeMO в Европе. Размещение зарядных станций для электромобилей в США и Западной Канаде показано на рис.5.

На таких «быстрых» зарядных станциях батарея электромобиля Nissan Leaf зарядится на 80% за 30 мин. Однако зарядка её до 100% займет ещё дополнительно 1,5 часа. Это совершенно неприемлемо. Ещё хуже ситуация состоит с медленной зарядной станцией. В этом случае батарея Nissan Leaf зарядится только за 4-9 часов (в зависимости от заданной величины зарядного тока). Процесс зарядки электромобиля Nissan Leaf показан на рис.6.

Конечно, компания Nissan обещает уменьшить время зарядки, и в том и в другом случае, более чем двое, но пока это все только разговоры.

Электричество, на самом деле, это довольно «грязная» энергия

Конечно, использовать электричества очень удобно, и в быту оно воспринимается как «чистый» источник энергии. Однако, во всём мире 60% всей электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, т.е. чтобы получить «чистое» электричество, нужно сжечь «грязные» уголь, мазут или газ. В итоге, перевод транспорта на электротягу сделает воздух в городах чище, а все вредные выбросы сосредоточатся на территории вокруг ТЭС, но этих выбросов станет не меньше, а больше чем в настоящее время. Таким образом, вредное воздействие на экологию только усилится, следовательно, гордая надпись, имеющаяся на электромобиле Nissan Leaf, «Zeroemission» не что иное, как маркетинговый ход.

По мнению экспертов ассоциации CHAdeMO, ТЭС выбрасывает, в пересчёте на километр пробега электромобиля, гораздо меньше углекислого газа, чем ДВС. И эти эксперты утверждают, что в итоге электромобиль оказывается в 3 раза менее вредным для экологии, чем автомобиля с бензиновым двигателем. Само собой, что эти западные эксперты и экологи ангажированы производителями электромобилей и властями ряда европейских стран и выдают желаемое за действительное.

Подсчитаем суммарный КПД всей системы питания электромобиля от ТЭС работающей на мазуте (ближайший аналог дизельного топлива) и сравним его с КПД дизельного двигателя.

Итак, КПД электромобиля будет представлять собой произведение КПД следующих устройств:

- ТЭС работающей на мазуте;

- повышающего трансформатора;

- линии электропередач;

- понижающего трансформатора (возможно нескольких);

- распределительных сетей;

- инвертора зарядной станции;

- аккумулятора (в него надо «влить» гораздо больше электроэнергии, чем он потом отдаст);

- автомобильного электропривода;

- электродвигателя электромобиля (либо «электроколеса»).

В этом перечне специально не указаны конкретные значения того или иного показателя, т.к. они могут существенно отличаться в разных странах и при различном построении системы электроснабжения. Отметим только, что КПД ТЭС, как правило, составляет 35…40%, а нормативные потери электроэнергии в сети компании «Киевэнерго» (входит в компанию ДТЭК) составляют 13,4%.

Подсчитав все это, мы получим примерно 10…15%. В то же время КПД бензинового двигателя легкового автомобиля составляет примерно 30%, а дизельного – 35…40%. Правда, как утверждают эксперты, во время медленной езды по городу, КПД бензинового двигателя снижается до 15%, но это всё равно больше, чем у электромобиля.

Как видим, в настоящее время, электромобиль имеет очень низкий КПД и представляет собой весьма неэффективное транспортное средство.

Аккумуляторы для электромобилей недолговечны

Компания Nissan декларирует, что аккумулятор на её автомобиле Leaf рассчитан на 5000 циклов разряд заряд. При этом на одной зарядке он может проехать 120…150 км (при попутном ветре), т.е. около 600 тыс. км за весь срок службы батареи. При этом для достижения максимального пробега на одной зарядке аккумулятора электромобиль должен двигаться со скоростью около 30 км/ч [1].

По пробегу до капремонта автомобиля вроде бы всё очень хорошо, однако форсированная зарядка аккумулятора на станциях быстрой зарядки уменьшает максимальное число его циклов заряд-разряд. Сокращает ресурс аккумулятора также и его неполные циклы заряда и разряда (те самые пресловутые 30 минутные заряды до 80% емкости батареи). В итоге уменьшается как срок службы аккумулятора, так и его емкость, т.е. дальность пробега на одной зарядке. В итоге литий ионные автомобильные аккумуляторы уменьшают свою емкость вдвое за 5 лет эксплуатации, после чего подлежат замене, а аккумулятор – это самая дорогая часть электромобиля.

Да и необходимость постоянно, как минимум ежедневно, следить за уровнем зарядки аккумулятора очень осложняет жизнь владельца электромобиля. Забыл вечером поставить аккумулятор на зарядку – утром поедешь на работу на общественном транспорте или на такси.

Очень остро также стоит вопрос с утилизацией отработавших автомобильных аккумуляторов – ведь они очень вредны для окружающей среды. В связи с этим компания Nissan предлагает использовать отработавшие автомобильные аккумуляторы в быту как накопитель электроэнергии для дома. Идея заключается в том, что ночью электроэнергия стоит дешевле, чем днём. Так вот, старые автомобильные аккумуляторы будут ночью заряжаться от питающей сети, а днём, когда электроэнергия дорога, отдавать свой заряд в домовую сеть. Разумеется, когда автовладельцы начнут массово заряжать свои электромобили ночью расход электроэнергии, в это время суток резко вырастет, и электроснабжающие компании увеличат ночной тариф. Т.е. никакой экономии средств своим владельцам такая зарядка электромобилей приносить не будет.

В настоящее время Nissan, при поддержке компании Eaton, выводит на рынок продукт «Vehicle-to-Grid» — буферные станции, которые продлевают срок службы батарей вдвое. При этом утверждается, что батарея будет 10-12 лет служить на автомобиле (что уже само по себе мало вероятно), и за это время потеряет (о чудо!) только 20% своей емкости, а потом ещё 12 лет будет служить как буферный источник электроэнергии. Т.е. срок её службы составит 25 лет. Очень хотелось бы в это верить, но каждый, кто пользуется мобильным телефоном или смартфоном, знает, что литий ионная батарея больше 3, максимум 5 лет не служит, и ни о каких 10 или тем более 25 годах её работы не может быть и речи.

Использовать электромобили невыгодно

Произведем некоторые расчеты для сравнения стоимости пробега одного км для электромобиля и обычного автомобиля с бензиновым двигателем. Для сравнения возьмем пару хэтчбэков производства Nissan – электрический Leaf (109 л.с.) и бензиновый Tiida (117 л.с.). В смешанном цикле движения Leaf расходует 15 кВт·ч/100 км (это если сильно не нажимать на акселератор), Tiida в этом режиме имеет средний расход 6,4 л / 100 км. По ныне действующему тарифу на электроэнергию для населения на Украине 15 кВт·ч (1,56 грн. / 1 кВт•ч) обойдутся в 23,4 грн. (около 1 USD), а 6,4 л бензина марки А-95 (при цене 23 грн. / л) в 147,2 грн. (5,84 USD).

Таким образом, на «заправке» электромобиля, казалось бы, можно сильно сэкономить. Однако тут надо принять во внимание, что цены на электроэнергию постоянно повышаются (с 1.03.2017 на Украине тариф составит уже 1,68 грн. / 1 кВт•ч при расходе электроэнергии более 100 кВт•ч в месяц), а цена бензина падает в соответствие с падением цены на нефть, которая продолжает дешеветь. Т.е. никакой особой выгоды с точки зрения стоимости «заправки» электромобиля извлечь не удастся.

Ещё один неприятный факт – это достаточно высокие цены на электромобили, по сравнению с обычными дизельными или бензиновыми автомобилями. Так в Германии за электромобиль Leaf просят 35 тыс. евро, а бензиновый Pulsar (аналог широко известной в странах СНГ «Тииды») можно купить за 18 тыс. евро.

При этом важно отметить, что официально компания Nissan свою модель Leaf в России, на Украину и в другие страны СНГ не поставляет. В компании считают, что в этих странах нет подходящих условий для эксплуатации этого электромобиля. Таким образом, на нашем рынке присутствуют только подержанные электромобили, либо поставленные по «серым» схемам и не имеющие официальной гарантии от автопроизводителя.

Чтобы стимулировать спрос на легковые электромобили, на Западе часть их высокой цены пытаются компенсировать субсидиями и доплатами из госбюджета. Так во Франции, если сдать дизельный автомобиль старше 14 лет, можно получить 10 тыс. евро дотации для приобретения нового электромобиля.

У электромобилей есть один козырь – в странах ЕС всё время ужесточают экологические требования к выхлопным газам автомобилей. И многие автопроизводители утверждают, что выполнить требования новых, пока еще не вступивших в силу, норм «Евро 7» по выбросам вредных веществ будет просто невозможно. Ужесточение экологических норм неизбежно приводит к удорожанию бензиновых и дизельных автомобилей, и если при этом электромобили будут дешеветь, то их цена в автосалонах может сравниться с ценой бензиновых и дизельных авто.

Так для выполнения требований норм «Евро 6» семь европейских производителей грузовых автомобилей и автобусов марок (DAF, Iveco, Mercedes-Benz, MAN, Renault, Volvo, Scania) вложили значительные финансовые средства в подготовку новых серий тягачей и другой техники, соответствующих нормам Евро-6, которые уже успешно эксплуатируются на дорогах EC. Так, известно, что немецкому концерну Daimler AG вывод на рынок четвертого поколения Mercedes-Benz Actros обошелся в миллиард евро. Итальянская компания Iveco потратила на свое детище Stralis Hi-Way 300 млн. евро, а французская Renault Group в создание автомобилей стандарта Евро-6, в том числе магистрального тягача Renault Trucks серии Т, инвестировала 2 млрд. евро. Разумеется, всё это отразилось на конечной цене автомобилей, которая ощутимо выросла.

Надо отметить, что самым уязвимым, дорогостоящим и недолговечным элементом конструкции электромобиля является аккумуляторная батарея. В настоящее время за каждый её кВт•ч надо заплатить около 200 евро. Вот и получается, что аккумулятор базовой версии Nissan Leaf на 24 кВт·ч стоит примерно 5 тыс. евро

 

Перевод грузовиков на электротягу, в настоящее время, невозможен

Не так давно компания Scania начала испытания странного гибридно-электрического грузовика-троллейбуса. Этот гибридный автомобиль кроме обычного дизельного двигателя оснащен аккумулятором большой емкости (как у гибридных автомобилей) и троллейбусным пантографом. При движении по электрифицированному участку дороги этот автомобиль получает электричество не только для работы тягового электромотора, но и для зарядки аккумуляторной батареи. За пределами электрифицированного участка дороги, автомобиль вначале движется благодаря энергии запасенной в аккумуляторной батареи, а, после её разряда, переключается на дизельный двигатель.

В самой компании Scania признают, что говорить об электрификации магистральных тягачей (они, как правило, движутся по автобанам со скоростью более 100 км/ч) пока рано. Дело в том, что такой электрический автопоезд будет стоить примерно на 200 тыс. евро дороже дизельного. При этом запас хода у него (для автопоезда массой 12 тонн) не превысит 100 км.

Не отстает от компании Scania и концерн Mercedes-Benz, который также разрабатывает свою версию электрического грузовика (рис.7).

В 1970-80-е годы по дорогам советских городов массово ездили грузовые троллейбусы (рис.8). Потом от них отказались из-за неудобства эксплуатации и отсутствие, каких либо, преимуществ перед обычными грузовыми автомобилями. Сыграло свою роль и то, что грузовые троллейбусы могут передвигаться только на электрифицированных участках дорого, а электрифицировать все дороги – очень дорого и экономически нерационально. Поэтому старая идея о насыщении наших городов троллейбусами грузовиками вряд ли получит широкое распространение.

Дальние поездки не для электромобилей

Эксперты компании Nissan утверждают, что во всём мире 90% водителей ежедневно проезжают не более 90 км. Однако сама возможность проехать без подзарядки аккумулятора хотя бы 300 км должна быть, ведь не так редко автомобилист проезжает за день 800 км и более.

Ещё одна проблема – повышенный расход энергии аккумулятора электромобиля с увеличением скорости движения. Здесь происходит то же самое, что и с любым другим автомобилем. При увеличении скорости (как правило, более 70 км/ч) сопротивления воздуха движению автомобиля увеличивает и у него растет расход топлива. В случае электромобиля – быстрее разряжается аккумулятор. В случае с Nissan Leaf цифры будут просто удручающие. При скорости 90 км/ч Leaf расходует до 20 кВт·ч на 100 км пробега. Т.е. заряда его стандартного аккумулятора хватит немногим более чем на 1,2 часа поездки.

Над этой проблемой работает множество специалистов. В частности есть разработки, позволяющие вдвое повысить емкость аккумуляторной батареи при неизменных габаритах и массе. Однако стоят такие батареи очень дорого. Производители электромобилей уповают также на то, что массовое появление станций «быстрой зарядки» нивелирует скромный запас хода электромобиля.

В холодном климате электромобилям не место

Производители утверждают, что на электромобилях можно ездить при температуре до -30°С. Но при этом включенная на максимальный нагрев электропечка электромобиля будет потреблять мощность примерно 5-6 кВт в час, резко сокращая и так не большой запас хода электромобиля.

Ещё один недостаток – при отрицательных температурах емкость литий ионного аккумулятора падает и его надо подогревать. А на подогрев уходит энергия этого же самого аккумулятора, опять таки, сокращая запас хода электромобиля.

Говоря о литий ионных аккумуляторах, нельзя не отметить тот факт, что с 1 апреля 2016 г., по рекомендациям ICAO (Международной организации гражданской авиации) они были запрещены к перевозке в багажных отделениях авиалайнеров. Причина – их повышенная пожароопасность, которая в январе 2016 г. дважды привела к задымлению на борту пассажирского самолета Boieng 787. В обоих случаях задымление было вызвано литий ионными батареями. Разумеется, литий-ионный аккумулятор может загореться и на электромобиле. Производители электромобилей как-то не очень охотно рассказывают, как ведут себя аккумуляторы их изделий, при краш-тестах и в реальных ДТП.

Выводы

Безусловно, будущее легкового автотранспорта за автомобилями на водородном топливе и электромобилями. Однако для того чтобы электромобили стали базовым транспортным средством надо решить ряд проблем:

- значительно увеличить мощность существующих в мире электростанций;

- создать разветвленную сеть станций «быстрой» зарядки аккумуляторов электромобилей;

- доработать аккумуляторную батарею для получения запаса хода хотя бы 400-500 км;

- существенно снизить цены на электромобили.

Ну а пока пользоваться электромобилем элементарно неудобно. Надо постоянно следить за зарядом его аккумулятора, а то иначе не выедешь из дома или застрянешь посреди дороги. Да и сама «быстрая» зарядка аккумулятора электромобиля длительностью минимум в 2 часа (как у Nissan Leaf) совершенно неприемлема.

К тому же, сеть «электрозаправок» развита очень слабо (даже в США и ЕС) и электромобилями, в настоящее время можно пользоваться только для коротких поездок по городу. Т.е. для рядового потребителя возникает необходимость приобретать два автомобиля: электромобиль для города, и обычный автомобиль для загородных поездок. В итоге возникает законный вопрос: «А зачем мне вся эта головная боль с электромобилем?».

Любопытно, но именно так считает большинство автовладельцев в США. В США весьма распространены гибридные автомобили, т.е. автомобили, объединяющие в себе бензиновый или дизельный двигатель, аккумулятор и электромотор. Так вот по статистике, когда приходит время менять гибридный автомобиль на новый, более 70% автовладельцев в США покупают не новый гибридный автомобиль, а обычный с бензиновым или дизельным двигателем.

 

Литература

1. Слипченко Н. И., Письменецкий В. А., Гуртовой М. Ю., Махлова В. О. Определение оптимальной дальности пробега электромобиля с учетом его основных параметров // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. 2013. - Выпуск № 4 (64). - том 4.

Понравилась статья? Расскажите друзьям!
ПОХОЖИЕ СТАТЬИ
comments powered by Disqus