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.