Сколько нужно электричества чтобы отказаться от бензина?

Ответ на часто возникающий на АШ вопрос: «Сколько нужно электричества чтобы отказаться от бензина?». На моей памяти этот вопрос обсуждался многократно и в последний раз тут  Тоже подсчитал как-то эту цифру. Увеличивать производство электроэнергии придётся в два раза. Об этом и моя статья.

Понимаю, что тема эта то по количеству комментариев весьма благодатная, может быть тему эту многократно поднимали в погоне за популярностью, но меня не количество комментариев волнует, а истина. Предлагаю в последний раз обсудить этот вопрос и зафиксировать результат.

 

Тезаурус:

КПД – коэффициент полезного действия, %

ДВС – двигатель внутреннего сгорания

ЭЭ – электроэнергия, кВт*часов

МТ – моторное топливо для ДВС

Т – потребление МТ в стране за год, тонн

ПЭ – годовое производство электроэнергии в стране за год, кВт*часов

Э – годовая выработка электроэнергии, требуемая для замены всего моторного топлива на транспорте в течении года с учётом КПД автомобилей с ДВС и КПД электромобилей, кВт*часов

 

Итак, представим, что власти обязали всех автомобилистов утилизировать свои автомобили с ДВС и приобрести вместо оных электромобили сопоставимой мощности в течении года. Тут и возникает вопрос о том сколько нужно дополнительно произвести электричества в стране чтобы полностью отказаться от использования бензина и дизельного топлива и обеспечить зарядку эквивалентного количества электромобилей.  Попробуем подсчитать это количество энергии Э. Наиболее точный способ подсчёта этого  количества электроэнергии – это метод энергетического баланса.

Действительно, во всех автомобилях с ДВС сжигается известное количество моторного топлива которое имеет известную теплотворную способность с известным КПД. Пришедшие на замену автомобилям с ДВС электромобили, в свою очередь, тоже имеют свой КПД использования электроэнергии затраченной на зарядку своих аккумуляторов.

Неоднократно наблюдались попытки рассчитать вышеупомянутое количество электроэнергии Э методом оценки годового среднего пробега автомобиля, его средней массы, степени гористости дорог в стране, количества пробок в городах страны и тому подобные данные.  Тут следует сказать, что данные по пробегам и массам автомобилей суть данные вторичные и неточные. Гораздо проще оценить количество электроэнергии по количеству сожжённого моторного топлива, его теплотворной способности и КПД процессов.

 

Вопрос:

Сколько за один год понадобится дополнительной электроэнергии Э для замены всего транспорта в РФ или в США с потребляющих моторное топливо автомобилей с ДВС на электромобили типа Тесла?

 

Дано:

В РФ за 2016-й год произведено за год электроэнергии ПЭ = 1 триллион кВт*часов.

В РФ транспорт поглотил за 2016-й год примерно Т = 100 миллионов тонн моторного топлива (МТ), в каждой тонне которого примерно 12000 кВт*часа.

1 триллион кВт*часов = 1*10¹² кВт*часов = 1*10¹⁵ Вт*часов = 1000 ТВт*часов = 1 ПВт*часов

1 кВт*час = 3,6 МДж

 

Таблица соотношения единиц измерения:

величина     название      обозначение

10³ Вт          киловатт        кВт     kW

10⁶ Вт          мегаватт         МВт    MW

10⁹ Вт          гигаватт         ГВт     GW

10¹² Вт        тераватт         ТВт     TW

10¹⁵ Вт        петаватт         ПВт    PW

 

Решение:

Автомобиль с ДВС вынужден прогревать двигатель перед началом движения и работать на холостом ходу когда он стоит в пробке. Оценочно примем долю бесполезной траты МТ на вышеперечисленные нужды в 10 % от потреблённого МТ, то есть КПД использования МТ в автомобиле с ДВС от прогревов и пробок составит 90 %.

 

Средний КПД транспорта с ДВС на МТ без учёта затрат на производство и транспортировку этого МТ:

КПД авто с ДВС = 30 % ( КПД ДВС 35 % * КПД трансмиссии 95 % * КПД от прогревов и пробок 90 % )

Оценочно допустим, что массы равных по мощности ДВС и электродвигателя примерно одинаковы, но электромобиль вынужден возить дополнительно большую массу аккумуляторов. В то же время в современных электромобилях реализована схема частичной рекуперации энергии при торможении. Оценочно примем, что сэкономленная энергии при рекуперации полностью потратится на перевозку дополнительной массы аккумулятора.

 

Средний КПД электромобиля без учёта затрат на производство и транспортировку этой ЭЭ:

КПД электромобиля = 60 % (КПД заряда-разряда аккумулятора 70 % * КПД электромотора 90 % * КПД трансмиссии 95 % )

 

Составим энергетический баланс. Для замены сожжённого моторного топлива в автомобилях с их КПД авто с ДВС = 30 % надо потратить Э в электромобилях с их КПД электромобиля = 60 %.

Из энергетического баланса  Т*30%*12000=Э*60%, где 12000 -- теплотворная способность МТ, следовательно:

Э=6000T кВт*часов, где:

Э -- годовая выработка ЭЭ, требуемая для замены моторного топлива на транспорте, кВт*часов

6000 -- коэффициент, зависящий от КПД транспортных средств и теплотворной способности жидкого топлива

Т -- годовое потребление жидкого топлива на транспорте, тонн

 

Ответ:

Подставляя полученные значения, для РФ полный переход на электромобили потребует:

Э=6000*100*10в6=6*10¹¹=0,6 триллиона кВт*часов при годовой выработке в РФ в 1 триллион кВт*часов.

То есть для РФ переход полностью на электротранспорт потребует увеличения на 60% существующей в РФ генерации ЭЭ.

 

Что с США:

Для США так же надо взять годовую выработку ЭЭ и годовое потребление жидкого топлива. КПД для РФ и США одинаковые.

Автомобилей в РФ 280 авто на 1000 чел при населении 150 млн, что соответствует примерно 40 млн. авто.

Автомобилей в США 800 авто на 1000 чел при населении 320 млн, что соответствует примерно 250 млн авто.

Электроэнергии за год вырабатывается в РФ 1000 ТВт*час.

Электроэнергии за год вырабатывается в США 4300 ТВт*час.

Для РФ переход полностью на электротранспорт потребует увеличения на 60% существующей в РФ генерации ЭЭ.

По пропорции 40 -- 1000 -- 60% и 250 -- 4300 -- Х%

Х = (250*1000*60%)/(40*4300) = 87,2% = примерно 90 %

Для США получается, что, переход полностью на электротранспорт потребует 90% от существующей в США генерации ЭЭ.

 

Дополнительные соображения:

Следует учитывать потери на передачу энергии по проводам для электромобилей и соответствующие потери при производстве и транспортировке МТ для автомобилей с ДВС.

Рассмотрим два пути сожжения нефти.

Первый путь – существующий. Их нефти произвели МТ, доставили его до заправки Дальнейший процесс энергопотребления посредством автомобиля с ДВС уже рассмотрен в этой статье.

Второй путь – альтернативный. Нефть сожгли на электростанции, выработали ЭЭ, передали её по проводам к электромобилю и зарядили аккумулятор последнего. Дальнейший процесс энергопотребления посредством электромобиля тоже рассмотрен в этой статье.

Автор знаком со способами производства ЭЭ на атомных, гидро, приливных, угольных тепловых, ветряных и солнечных электростанциях, но здесь эти способы не рассматриваются.

Оценочно примем:

КПД производства и доставки МТ к авто с ДВС =  90 % ( КПД производства МТ из нефти = 95% * КПД транспортировки МТ = 95% )

КПД транспортировки ЭЭ к электромобилю = 80% ( КПД транспортировки и трансформации ЭЭ = 85 % * КПД преобразования ЭЭ на зарядной станции = 95 % )

КПД электростанции на нефти = 50 %

Сравним, где выгоднее сжечь нефть, по первому или по второму пути. Итак:

Затраты на добычу и перевозку нефти на нефтезавод или электростанцию оценочно примем одинаковыми.

КПД первого пути = 27 % (КПД производства и доставки МТ к авто с ДВС =  90 % * КПД авто с ДВС = 30 % )

КПД второго пути = 24 % (КПД электростанции на нефти = 50 % * КПД транспортировки ЭЭ к электромобилю = 80% * КПД электромобиля = 60 % )

То есть нефть немного выгоднее сжигать в автомобилях с ДВС, чем производить из нефти ЭЭ для электромобилей.

 

Выводы:

1) Нефть выгоднее сжигать в автомобилях с ДВС, чем производить из нефти ЭЭ для электромобилей. Суммарный КПД использования энергии нефти в автомобиле с ДВС 27 %, а в электромобиле 24 %.

2) Замена автомобилей с ДВС на электромобили потребует кратного увеличения мощностей генерации ЭЭ. Для РФ потребуется увеличить годовую выработку ЭЭ на 70 %, а для США такая замена потребует увеличения годовой выработки ЭЭ на 90 %. Кратное увеличение мощности генерации в РФ и в США потребует десятилетий упорного труда.

3) Массовые электромобили потребуют ещё не существующего в данный момент количества лития и РЗМ для своих аккумуляторов и электромоторов. Месторождения лития и РЗМ ещё только предстоит найти и разведать.

4) Массовые электромобили потребуют большое количество меди для своих электромоторов и кратного увеличения пропускной способности линий электропередач, трансформаторов и преобразователей, что потребует дополнительного производства меди, алюминия и стали, которое в свою очередь потребует дополнительных мощностей генерации ЭЭ. Таким образом, можно принять, что в РФ и США для перехода на массовый электромобиль потребуется увеличение мощности генерации в 2 ( два ) раза.