Электромобиль в городском режиме езды - пробег, потребление энергии, потери при зарядке, выбросы

Ранее я уже писал про потребление энергии электромобилем при движении по шоссе (см. 900 км в день на электромобиле).  Теперь давайте подробно разберем потребление энергии в городском движении.  Ради этого, я в течение почти 3 месяцев подробно измерял и записывал километраж, потребление энергии, расход энергии для зарядки, и множество других параметров.




Для этого эксперимента я основательно подготовился.  Установил, снаружи дома, розетку 240 вольт/30 ампер.



Также, я купил зарядное устройство, с переменным током зарядки 16/24/32 ампера и со счетчиком потребляемой энергии.




Ну и купил сканнер (OBD II Scaner) для считывания внутренних параметров автомобиля, таких как скорость, потребляемая мощность, температура батареи, и множества других.


1. Потребление энергии.

Энергия тратится на движение автомобиля.  Энергия тратится как для придания ускорения автомобилю, так и при равномерном движении, для преодоления трения качение, и сопротивления воздуха.  График скорости и потребляемой энергии (мощности) в города выглядит вот так.  В целом, при движении в городе, мощность редко превышала 20 кВт.  При снижении скорости, мощность становится отрицательной.  Это рекуперация энергии. Часть кинетической энергии автомобиля превращается обратно в электрическую, которая сохраняется в батареях.  Эффективность этого преобразования - около 50-70%.



Помимо движения, энергия также тратится на все аксесурары автомобиля. Я попытался примерно измерить сколько уходит энергии на разные вещи.

•  
• Неподвижный включенный автомобиль, работающее радио, экраны, и телефон на зарядке - около 100 ватт.  Вентилятор (без кондиционера) + 100 ватт.
  
   

•  
• Включенные фары + 400 ватт.
  
   

•  
• Кондционер на полную мощность с минимальной тепературой 18 градусов - около 2.7 кВт.
  
   

•  
• Кондиционер с внутренней температурой +22, и минимальной мощностью, около 600 ватт.
  
   

•  
• При стоянии в пробке, с работающим кондиционером (температура снаружи +35, внутри +22), с фарами, радио, и зарядкой телефона, потребление энергии было около 1.1 кВт.
  
   

•  
• Подогрев руля - около 50 ватт.  Подогрев руля + 4 сидений - около 300 ватт.
  
   

•  
• Я попытался включить нагреватель на полную мощность, максимальная температура +30. Максимальная мощность на обогрев салона была около 6 кВт.
  
   

•  
• Разморозка передних и задних стекл (дефрост) - около 2 кВт.
  
   

2.  Дальность пробега в городском цикле.

По паспорту, дальность пробега на одной зарядке составляет 238 миль (около 380 км), но это основано на комбинированном городском/загородном цикле.  При езде в городе, пробег должен быть значительно выше.  Я решил это проверить.

•  
• Суббота, 5 мая, утро, я начал с полной зарядкой.
  
   

•  
• Понедельник, 7 мая, утро, проехал 141 км, около 70% заряда осталось.
  
   

Пятница, 11 мая, вечером, проехал 273 км, потратил 33.8 кВтч, осталось около 45%.

•  
• Понедельник, 14 мая, вечер, проехал 399км, потратил около 49 кВтч, осталось около 15% заряда.  Тут я поставил машину на зарядку.
  
   

Итого, около 400 км в городе на одной зарядке можно проехать без проблем.  В реальной жизни я просто ставлю на зарядку и подзаряжаю до 88% каждый вечер или через день.

По мере езды без ежедневной позарядки, я обнаружил что эффективность росла по мере снижения заряда батареи.  В начале езды эффективность была около 14 кВтч/100км, а к концу достигла 11 кВтч/100км.  Точно не знаю почему так, но у меня есть несколько предположений.

•  
• Возможно рекуперация энергии лучше работает при полупустой батарее.  Может быть максимальная мощность зарядки выше, и меньше энергии теряется при зарядке.
• Возможно снижается максимальная мощность двигателя, и может быть снижается ускорение.  Я этого при езде не заметил, но возможно оно небольшое и незаметно в большинстве случаев.
  
   

3. Измерение потерь при зарядке

Затем, я решил измерить потери электроэнергии при зарядке.  Часть электроэнергии теряется при преобразовании переменного тока в постоянный.  Также, при зарядке батареи, часть энергии теряется и превращается в тепловую энергию.  Я думал что потери при зарядке будут как-то зависеть от тока зарядки и от мощности зарядки, поэтому я сделал много измерений с разными мощностями. Но как окалось, при зарядке от розетки с напряжением 240 вольт, вне зависимости от тока зарядки, потери составляли около  6-7%.  Вот табличка со всеми (почти) зарядками.





Зарядка с током 32 ампера превышает номинальную допустимую мощность розетки и предохранителя, поэтому я не буду ее использовать.  Буду заряжаться с 24 амперами.

4. Измерение стоимости и энергоэффективности

Общий расход энергии на зарядку (с учетом потерь при зарядке) в городком режиме составил 14.44 кВтч/100 км.   При стоимости электроэнергии у нас в 13 центов за кВтч, стоимость топлива на 100км составляет около $1.88.   Ранее я измерял потреблениее на трассе, и оно составило 16.81 кВтч/100км (стоимость $2.19 за 100км).  Для сравнения я взял один из самых экономичных ДВС автомобилей - Хонда Цивик 1.5Л.  У нее расход 7.4 литра в городе, и 5.6 литров на автотрассе. При стоимости бензина у нас около 79 центов за литр, стоимость пробега Цивика - $5.85 за 100 км в городе, и $4.43 на 100 км по автотрассе.  Разница в цене топлива - 2-3 раза.

Расход энергии можно расчитать зная что у нас примерно 6% электроэнергии терятся при передаче.  Электрогенерация в нашем штате вся тепловая, и состоит из АЭС (14%), угольных станций (18%), и газовых станций (67%).  На выработку 1кВтч энергии тратится 8727 кДж тепловой энергии. Соответственно, для того чтобы мой электромобиль проехал 100 км по городу, на электростанциях должны сжечь 133.6 кДж топлива, и на 100 км по автотрассе, электростанции должны сжечь 155.5  кДж топлива.  Если мы сравним с нашим Цивиком, то в литре бензина около 35 кДж энергии. Цивик потребляет 259 кДж в городе (почти в 2 раза больше), и 196 кДж по автотрассе (на 25% больше).  Из этого следует что общее КПД электротранспорта значительно выше чем КПД ДВС транспорта, даже если все электричество берется из тепловых электростанций.

5. Измерение выбросов вредных веществ.

Электростанции в нашем штате выбрасывают около 450г. CO2 на 1 кВт энергии.   При сжигании одного литра бензина, производится около 2.27 кг CO2.  Соответственно, выбросы CO2 в атмосферу у электромобиля значительно ниже - в 2.5 раза ниже в городском резжиме, и в 1.5 раза ниже в загородном режиме. И это при нашей 86% углеродной генерации. В местах где доля АЭС и ВИЭ выше, выборы СО2 будут ниже.

Но может вы из тех чудаков, которые верят что CO2 полезный для планеты газ, и его выбросы сокращать не надо.  В таком случает можно сравнить выбросы NOx (оксидов азота).   NO не имеет запаха, но при вдыхании может связываться с гемоглобином, подобно угарному газу переводя его в форму, не способную переносить кислород. NO2 раздражает лёгкие и может привести к серьёзным последствиям для здоровья. NO2 соединяется с водой, хорошо растворяется в жире и может проникать в капилляры лёгких, где он вызывает воспаление и астматические процессы.  Итак, выбросы электростанций 0.2 грамма на кВтч, или около 3 граммов на 100 км моей езды в городе.  Это примерно столько же сколько бензиновые автомобили, и раз в 10 ниже чем дизельные автомобили  И в отличая от ДВС автомобилей, эти выбросы NOx будут вдали от людей.

Если сравнить выборсы остальных вредных вещества (летучих органических веществ, приповерхностного озона, свинца, ртути, угарного газа, оксидов серы и пылевых частиц), то результаты будут похожими. Выбросы на электростанциях будут раз в 5-10 ниже чем выбросы ДВС автомобилей.


6.  Сравнение с газомоторным толивом

Есть некоторые люди которые ошибочно считают что использование природного газа в качестве топлива более выгодно и более экологически чисто, чем использование электромобилей.  Вот пример одного такого человека:

Владимир Путин, президент РФ: «Для нашей страны, конечно, использование газомоторного топлива является даже более приоритетным, имею в виду в том числе и вопросы экологического характера, потому что для того, чтобы получить электроэнергию, нужно сначала ее выработать. И значительная часть электроэнергии вырабатывается на углях. Это очень серьезное обстоятельство, которое мало кем учитывается».

Это ошибочное мнение.  В России от угля вырабатывается не более 15% электроэнергии. Современные газовые электростанции достигают эффективности использования тепловой энергии, которая недостижима для автомобилей с ДВС.  Так, например, КПД современных газотурбинных станций с комбинированым циклом превышает 50%.  Так, для производства 1 кВтч энергии (3600 кДж энергии) на электростанции надо сжечь около 7200 кДж газа.  Для генерации электроэнергии на 100 км пути в городе, на электростанции надо сжечь 110 мДж газа (129 мДж для 100 км на трассе).

А если газовый ДВС автомобиль заправлять природным газом, то средний расход топлива будет около 280 мДж (6м3/100км) при езде в городе, и около 210 мДж (8м3/100км) на трассе.  Как видим, разница в 2.5 раза в городском режиме, и 1.6 раза в загородном режиме.  У электростанций также есть еще потенциал для когенерации (использования тепловых отходов в полезных целях), тогда как у автомобиля когенерация ограниченна обогревом салона. Ну и выбросы газовой электростанции будут вдали от населения.

Как видим, как не крути, газ выгоднее сжигать на электростанции, и заряжать электромобиль электричеством произведенным от этого газа.

Выводы

Электротранспорт значительно более эффективен чем транспорт с ДВС двигателем, даже когда электричество берется из источников на ископаемом топливе.

P.S.

1.  Для тех кто кого волнует откуда возьмется лишнее электричество.

В США в 2017 году электромобили проехали 5.8 миллиарда миль (0.18% от общего не грузового транспорта)  и потребили 1.94 ТВтч электроэнергии (0.048% от общего потребления электроэнергии).  Следовательно, для перевода ВСЕГО не грузового транспорта на электричество, понадобится увеличить генерацию на 27%.  В реальной жизни, за счет постоянного повышения энергоэффективности в других областях, потребление электроэнергии снижается, и скорее всего ничего повышать не понадобится.

2.  Для тех кого очень волнует эффективность в холодном климате

Да, расход энергии растет при снижении температуры.  График максимального пробега, в зависимости от температуры и скорости, выглядит вот так.  При температуре -12 градусов и скорости 80 км/ч, потребление энергии растет на 26%, и максимальный пробег падает на эти 26%, по сравнению с температурой в 21 градус.

Но у ДВС автомобилей также падает эффективность. Согласно канадскому министерству транспорта, при температуре -7, эффективность ДВС-мобилей падает на 20%.