Однако, так ли всё радужно, как рисуют нам маркетологи Теслы и тому подобных контор? Чтобы в этом деле разобраться с точки зрения инженера, а не рекламщика, нужно проанализировать теоретические возможности и ограничения электрического транспорта на текущем этапе развития соответствующих технологий.
Итак, начнём с теоретических основ источников энергии. Так, например, энергетическая ёмкость бензина легко получается из тепловой энергии сгорания. Для бензина она равна 46 МДж/кг, что соответствует 12,7 кВт-ч энергии на килограмм топлива. Для керосина эта величина составляет 11,9 кВт-ч/кг. Естественно, это теоретическая величина при КПД двигателя ~100%. Такого в жизни не бывает, и в целом для тепловых машин, КПД не превышает таковой у идеальной тепловой машины в цикле Карно, который зависит в первую очередь от разницы между начальной и максимальной температурой газа в тепловой машине. При температуре сгорания топлива 2000 градусов С и наружной температуре воздуха 20 градусов С, КПД составит не более 87%. То есть для бензина это 11,1 кВт-ч/кг и для керосина 10,35 кВт-ч/кг.
Это теоретическая величина, к которой можно стремиться, но нереально достичь. А в реальности, на оптимальном режиме работы дизельный ДВС имеет удельный расход в лучшем случае 0,2 кг/кВт-ч, то есть его КПД составляет чуть менее 50%. Для турбовального двигателя эта величина и вовсе составляет в лучшем случае 0.275 кг/кВт-ч, что соответствует КПД в районе 35%.
Ну, ОК, выяснили, записали, что для дизельного ДВС энергетическая ёмкость носителя составляет примерно 5 кВт-ч/кг, а для ТВД - 3,5 кВт-ч/кг.
Теперь давайте взглянем на соответствующие параметры современных аккумуляторов…
Трррррррр - барабанный бой.
Новейшие образцы в лабораторных условиях дают результаты:
Литий-ионный аккумулятор: до 0,25 кВт-ч/кг
Литий-полимерный аккумулятор: до 0,2 кВт-ч/кг
Остальные типы доступных аккумуляторов по удельной ёмкости не превышают 0,1 кВт-ч/кг.
Смотрим выше, на эти несовершенные, жутко грязные двигатели внутреннего сгорания и понимаем, что лучший аккумулятор хуже керосина в 20 раз для дизеля и в 14 раз для ТВД. И это при том, что сравнение идёт механической мощности на валу ДВС и ТВД с электрической мощностью аккумуляторных батарей. То есть, дальнейший перевод этой мощности в механическую приведёт к потере ещё как минимум 5-10% энергии.
И тут ещё стоит упомянуть общие экономические показатели аккумуляторов.
Так, жизненный цикл литий-ионной батареи, используемой в современных электромобилях, составляет 1000 циклов зарядки-разрядки. Как мы помним из тех же маркетинговых материалов Теслы и ко - одной зарядки хватает на рабочий день. Таким образом мы получаем 2.7 лет ежедневной работы или примерно 3 года обычной эксплуатации. А потом? А потом аккумуляторы нужно менять.
Нормальный ресурс автомобиля рассчитывается из величины никак не меньше 10 лет, а по факту они ездят все 15-20 лет (если раньше не попадут в аварию). То есть на какой-нибудь Тесле придётся сменить аккумуляторы не менее трёх раз.
Прибавьте к этому капризность самих аккумуляторов в эксплуатации - их ёмкость серьёзно меняется от температуры работы, а заморозка приводит к резкой потере номинальной ёмкости, как и случайная полная разрядка.
Кроме того, безопасность литий-ионного аккумулятора оставляет желать многим лучшего - при аварии батарея может устроить фейерверк, который никакому бензину и не снился (вот пример с обычным аккумулятором смартфонов)...
Зачем же тогда вообще вся эта затея с электрическим транспортом? Ну да, углеводороды постепенно кончаются, ну да, воздух загрязняется и т.д., но ведь несоизмеримы параметры. В чём смысл?
А смысл появляется, если проанализировать работу системы источник-двигатель при штатной эксплуатации.
Итак, энергия двигателя автомобиля расходуется на три основных составляющие - начальное ускорение (кинетическая энергия), трение (внутренняя энергия), изменение высоты (потенциальная энергия).
Так, в конечном итоге вся энергия, вырабатываемая ДВС преобразуется во внутреннюю энергию - температурный нагрев деталей конструкции и окружающей среды. Нажали на газ - подняли кинетическую энергию, нажали на тормоз - получили из неё внутреннюю. Поднялись в горку - получили потенциальную энергию, спустились с горки притормаживая - снова получили внутреннюю.
В приведённом графике внутренняя энергия показана без учёта КПД двигателя (в этом случае её величина была бы существенно больше).
Многие уже догадались, что большую часть энергии, которая съедается при торможении, электрический двигатель может преобразовать обратно в электроэнергию и зарядить аккумулятор или вернуть контактной сети (если это троллейбус/трамвай/электричка).
Естественно, этот процесс тоже имеет свой КПД, который при необходимости зарядки аккумулятора весьма невелик, но при этом, если выбирать между полной потерей энергии и частичным её сохранением - второе оказывается существенно полезней. Именно на этом выигрывает транспорт с электрической силовой установкой.
Как вы понимаете, самым слабым звеном здесь по прежнему является аккумулятор. Те самые тысяча циклов - безумно мизерная величина. Как её можно увеличить? Что происходит за этой отметкой - известно из описания производителей - номинальная ёмкость батареи падает на 20%. То есть у нас по-прежнему есть 80% ёмкости, которых, однако начинает нехватать для нормальной эксплуатации электромобиля, у которого и без того запас хода всего около 150 км.
Выходом в данной ситуации может быть гибридная силовая установка. Ей не требуется полная ёмкость аккумуляторных батарей - достаточно запаса хода на 30-40 км. При этом ДВС в гибридном транспорте работает в оптимальном режиме - без резких скачков оборотов - что позволяет выдавить максимальный КПД из его работы. Минусом же подобной ситемы является значительное усложнение конструкции автомобиля - тут присутствует, как ДВС с трансмиссией, так и электродвигатель, с обвеской, аккумулятором и генератором.
И всё это ради того, чтобы снизить расход топлива и отбить в долгосрочной перспективе затраты на производство всех дополнительных агрегатов.
Комментариев нет:
Отправить комментарий