И снова об электромобилях...

Читаю AfterShock несколько лет – нравятся мне частенько возникающие жаркие дискуссии по электромобилям. Поскольку работал в прошлом в сфере электроэнергетики, то решил посмотреть на ситуацию по электроповозкам под этим углом зрения (в основном) и написать статейку. Заранее прошу прощения за некоторую скомканность изложения – объем и так получился приличный, поэтому много моментов не раскрыто – старался писать только то, что непосредственно относится к теме. Итак, попунктно:

1. Давайте для начала сравним энергопотоки электромобиля, заправляющегся от газовой тепловой электростанции и обычного автомобиля с ДВС на метане. Почему именно газовая электростанция? АЭС очень не любит изменений мощности, поэтому ими обеспечена базовая (неснижаемая) генерация, а т.к.зарядка/ее прекращение для электромобилей в течение суток имеет случайный, сильно меняющийся характер, то к постоянной нагрузке последняя отнесена быть не может. ГЭС, конечно получше выглядит в этом плане, но проблема в том, что все «вкусные» (экономически и экологически обоснованные) места уже заняты действующими станциями. Ну и, наконец, пример Крыма - когда там понадобилось нарастить мощности по выработке э/э, то построены были именно газовые станции.
   Логика рассуждений следующая: зарядим нашу электроповозку электричеством от одной из газовых электростанций, а с другой стороны, метаном заправим авто с ДВС напрямую – в баллоны. Таким образом имеем одинаковые начальные (природный газ) и конечные (два готовых к поездке авто) условия, а, значит, сравниваться будет подобное с подобным. Для простоты оценки примем КПД трансмиссии (от двигателя до колес) электрокара и классического авто одинаковыми.
   Для начала рассмотрим типовую схему электроснабжения электроприемников 0,4кВ, к которым относится и электромобиль(см. рис 1-1).
   
   Небольшие пояснения по схеме. Электростанция взята обычная паросиловая, т.к. большинство э/э вырабатывается именно на них. ПГУ/ГТУ не рассматривал в силу их малораспространенности, поэтому и КПД турбины принят 35%. Причем он особо не зависит от типа станции КЭС/ТЭЦ, т.к. когда пишут, что КПД ТЭЦ 55%, то имеется ввиду ОБЩИЙ КПД станции (электричество+тепло), а чисто электрический (который нас и интересует в контексте рассматриваемого вопроса), имеет вышеуказанное значение. Турбина крутит генератор с напряжением на выводах ≤20 кВ, поэтому для подачи энергии в сети высокого напряжения используется промежуточный повышающий трансформатор. Далее по линиям электропередач (ЛЭП) 110 кВ (магистрали имеют большую длину в десятки-сотни км, поэтому принят КПД 95%), э/э поступает на подстанцию 110 кВ, после которой сетями среднего напряжения (обычно 6/10кВ и десятки км длины с КПД=0,95) разводится по трансформаторным подстанциям (ТП), установленным возле жилых домов (для городов). Именно с таких ТП-шек электричество поступает в дома. Так вот за точку, куда будет для зарядки подключаться электромобиль, выбрана сторона 0,4кВ (так рекламируемая «зарядка от розетки»). Но переменным напряжением аккумулятор не заряжается (т.к. ему нужен постоянный ток, формируемый по наиболее оптимальному для данного типа аккумуляторов закону), как и не подается напрямую напряжение с аккумулятора на двигатель(т.к. нужны плавный пуск, регулировка оборотов, рекуперация), поэтому используется промежутоный полупроводниковый преобразователь (IGBT) как для зарядки аккумулятора, так и для управления двигателем. КПД аккумулятора взял наибольшее для Li-евых аккумуляторов, которое встречал.
   Что получается в итоге. На схеме указаны КПД каждой части цепи, а, как известно, общий КПД системы равен произведению КПД всех ее частей. Несложный подсчет дает следующий результат: КПД от газа до трансмиссии через электромотор =23%.
   Теперь про вариант №2 – рис.1-2.
   
   Взяли метан с трубы и закачали в баллон (КПД по утечкам газа ~100%), далее этот метан через газовое оборудование (КПД по утечкам газа опять же ~100%) попадает в ДВС и с КПД 35% перемещает нас из пункта А в пункт Б.
   Таким образом сравнение «в лоб» при одной и той же начальной энергии(газе), показывает, что авто с ДВС, несмотря на более низкий КПД самого ДВС по сравнению с электродвигателем, энергетически более выгоден.
2. Среди поклонников электромобилей существует следующее мнение: «Будем заряжаться только ночью по дешевому тарифу и тем самым уменьшать неравномерность суточной загрузки энергосистемы». Давайте разбираться.
   
   На рисунке 2-1 приведен график, по которому хотели бы работать энергетики: идеальная мощность Ридеальная=80÷90% от установленной и неизменная в течение суток. При такой непредельной нагрузке на оборудование оно и служит долго и экономика процесса хорошая. Однако есть два НО, которые портят эту благостную картину:
   а)мгновенные мощность генерации и мощность нагрузки всегда равны (проявление одного из основных законов физики-закона сохранения энергии в его частном виде – законах Кирхгофа). И всевозможные ГАЭС и «супербатарейки Маска» ничего не меняют – они учитываются либо в генерации, либо в потребителях (в зависимости от направления потока мощности);
   б)наиболее активная экономическая деятельность населения приходится все-таки на светлое время суток с соответствующим потреблением электричества. Из-за этого реально загрузка в энергосистеме выглядит примерно как на рис.2-2.
   
   Как видно из рисунка, примерно с 22 часов потребление сильно падает – к этому времени заканчивает работу большинство 1-2 сменных электропотребителей и остаются как нагрузка только круглосуточные (предприятия непрерывного цикла). Примерно к 8 утра начинается активное функционирование всех потребителей (зона II). Для того, чтобы обеспечить выполнение пункта «а», в работу включаются дополнительные маневренные мощности. Если этого не сделать, то произойдет развал энергосистемы: когда нагрузка превышает генерацию, падает частота и напряжение в системе, что приводит к падению производительности механизмов электростанции (тягодутьевых, топливоподачи и т.д.), что еще больше увеличивает дефицит мощности генерации. Эта негативная положительная обратная связь приводит к тому, что в кратчайшие сроки сначала автоматикой частотной разгрузки отключаются малозначительные потребители, а если это не поможет, то действием автоматики частотного деления электростанции вообще могут отделиться от энергосистемы. Так вот, наличие пиков потребления приводит к тому, что все составляющие элементы энергосистемы должны иметь запас по мощности, ну и по цене, соответственно, на 30-40 и больше %% от равномерной суточной нагрузки. Для того, чтобы уменьшить эти проценты, применяются тарифы, дифференцированные по времени суток, где разница в деньгах между ночным и пиковым может достигать 4÷5 и более раз.
   Так вот, возвращаемся к электромобилям. Ну поставили на зарядку все электромобили ночью (по графику с 22 до 8), увеличили потребление, например, на 10% (с 50 до 60%). И что? Да, формально сгладили неровности потребления (140-50>140-60, разница между крайними значениями меньше), но кому от этого легче? Ведь верхний предел 140% не изменился, а именно он, как уже говорилось, определяет мощность и стоимость оборудования. Если бы , к слову, сталеплавильный завод изменил бы график работы так, что плавка осуществлялась бы ночью, а заливка днем, то в-первых, снялась бы нагрузка в наиболее загруженные часы, а во-вторых, поднялась бы в часы минимума, то это было бы выравнивание. А так, получается, купили электричество не по рыночной цене, а лишь немного выше себестоимости (та самая тарифная политика) те потребители, которых быть не должно (если бы не отказались от авто с ДВС). Так что, кмк, этот пункт тоже мимо.
3. Теперь электробусы. Это, в принципе, тоже электромобиль с накопителем, ведь замена аккумулятора суперконденсаторами принципиально ничего не меняет, т.е. все, что говориться об классических электромобилях, применимо и к ним. И еще один нюанс. Мощность двигателя троллейбуса в среднем примерно 150 кВт. Мощность источника, обеспечивающего его электричеством, должна быть примерно такой же. Попробуем сравнить с электробусом. Сама конструкция «сараев» более менее одинакова, т.е. на перемещение в пространстве на одно и то же расстояние, они тратят равное количество энергии. Электробус на одной зарядке проезжает, примем, час (конкретное число будет, конечно, отличаться в разных моделях-просто необходимо провести соответствующую пропорциональную коррекцию), заряжается же примерно 4 минуты. Т.к. электробус и троллейбус тратят одинаковое количество энергии, то за эти 4 минуты электробус должен «загнать» в накопитель те же 150 кВт, которые троллейбус потратит за час (60мин). Поскольку время потребления э/э от сети уменьшается в 60мин/4мин=15 раз, чтобы часовые мощности оказались равными, нужно мгновенную мощность зарядки увеличить в те же самые 15 раз, т.е. 150кВт*15=2250 кВт. Таким образом, энергосистема вместо более –менее равномерного потребителя мощностью 150 кВт, получила «импульсного» с мощностью 2250 кВт. Касательно неравномерности нагрузки – см. п.2, чтобы не повторяться. Но и это еще не все. Допустим, мы поддались на хайповые настроения и заменили ВСЕ автобусы новомодными электробусами. Перевозки пассажиров максимальны примерно в 7-9 утра и 16-19 вечера. На это время выводится на линии максимальное количество единиц транспорта, чтобы справиться с пассажиропотоком. Смотрите как накладываются друг на друга 3 негативных фактора: а) в энергосистеме также в это время пики другой нагрузки (см.рис 2-2); б) множество электробусов потребляют электричество в это же время(ведь когда были автобусы этих потребителей не было и их, естественно, не учитывали); в)как было показано выше, каждый электробус-это очень мощный импульсный потребитель(а если их несколько заряжается одновременно?). Такое наложение во времени трех негативных факторов однозначно потребует реорганизации энергосистемы с соответствующими денежными затратами.
4. Вот езжу я на Ладе Гранте. И заметил одну интересную особенность: при температуре -20С и ниже на прогретой машине (75С) включаю 3 или 4 положение обдува печки и температура начинает сильно падать. То есть, при закрытом термостате (термостат приоткрыт на градусах 72 и выше), «бесполезного» выделения тепла от двигателя не хватает на обогрев салона. Принимая КПД ДВС в 35%, получаем, что для обогрева при таких минусах нужна мощность в два раза больше, чем требуется на перемещение повозки. Учитывая, что теплопотери салона машин одного класса приблизительно равны, получаем, что это соотношение будет верно и для электромобиля. Значит, и пробег электрички зимой сократиться в 3 раза по сравнению с летним режимом (согласно ПДД как высокая, так и низкая температура в салоне отрицательно влияет на время реакции/утомляемость водителя, поэтому микроклимат в машине должен быть комфортным, а, значит ухудшать его в электромобиле для улучшения показателей, недопустимо). Да, можно поставить автономный отопитель на бензине/соляре, но здесь 3 вопроса: а)нефть на НПЗ прогоняется через несколько установок для получения топлив увеличивающих ресурс ДВС (обессеривание, депарафинизация и т.д.) и просто сжечь результат в обычной, по сути, буржуйке. Это точно энергоэффективное и рациональное использование ресурсов (в т.ч. реагентов, катализаторов и т.д.)? б)если все перешли с ДВС на электротягу, то заводы, выпускающие топлива, будут закрыты. А где тогда брать топливо? Или напрямую топить нефтью? в)если электромобили не могут зимой без ископаемого топлива, то являются ли электрички полноценной заменой классическим авто?
5. А заряжаться то где? Одним из существенных преимуществ в расхваливании электричек указывают, что «их можно дешево зарядить от розетки». ОК. Есть у нас Тесла с наполовину разряженным аккумулятором (40кВт*ч из 80), которую нужно к следующему утру для поезки зарядить в ночные часы минимума стоимости э/э (с 22 до 6 = 8ч). Для этого мощность источника должна быть 40кВт*ч/8ч=5кВт. Поскольку у нас урбанизированное общество, то большинство населения живет в городах, значит, заряжаться это большинство будет из собственной квартиры через кабель 30-40-80 метров. Особенно медным кабелям приличного сечения, оставленным без присмотра на всю ночь, будут рады пункты приема цветмета и их клиенты. Но и с частным сектором не все так просто. Для новой застройки 5 кВт это немного, но хватает и древнего наследства. Сварщики знают, какой часто головняк создают слабые сети даже сварочным инверторам, когда приходится последние подбирать специальные, работающие от 160В. Так это 2-2,5 кВт. А что будет с сетью, если на зарядку станут несколько Тесл по 5кВт каждая? Вопрос, наверное, риторический…
6. Рекуперация. Ну давайте рассмотрим на эту модную «фишку». Очевидно, что у любого транспорта есть 3 участка пути: разгон, езда, торможение. Также очевидно, что режим рекуперации (перевода двигателя в генераторный режим) возможен только при торможении. Но торможение в, например, Тесле, насколько мне известно, состоит из трех составляющих:
   а)сила трения во всех узлах и механизмах, включая трение шин об асфальт. Действует на постоянно, пока транспорт движется, в том числе в то время, когда педаль «газа» отпущена, а «тормоз» еще не нажат;
   б)собственно рекуперация; Включается при нажатии педали тормоза; Кстати говоря, оценить на авто с ДВС потенциальную продолжительность этого режима довольно просто: нужно выставить в бортовом компьютере режим отображения мгновенного расхода топлива и смотреть когда расход будет =0, т.е. подача топлива в двигатель отключена, и крутит двигатель большая масса останавливающейся машины (например, на затяжном спуске) с включенной передачей.
   в)тормозные колодки. Подключаются дополнительно при нажатии тормоза от середины до «упора». Включается режим очень редко, поэтому колодки в «электричках» выхаживают действительно долго.
   Так вот, если в «пробке» подъезжать на корпус-другой, то для остановки авто тормозов может не понадобиться - хватит и одного фактора «а» - начал движение, чуть подъехал, встал. При незапланированном торможении скорее всего будут действовать все три способа «а»-«в», т.к. педаль тормоза жмется настолько сильно, чтобы максимально сократить тормозной путь, и в этом случае колодки «съедят» много той энергии, которая могла бы пойти на рекуперацию. Поскольку для любителей «погонять» расход топлива и на авто с ДВС не особо волнует (значит они не будут экономить  и на электротяге т.е. рекуперация - мимо), то остается последний вариант – спокойная езда. Но тут по своему опыту скажу, что если выдерживать баланс «дистанция-скорость», то простой сброс газа дает существенное замедление, и тормозом приходится пользоваться только в самом конце – для фиксации машины. Загородный цикл вообще, наверное, обсуждать не имеет смысла ввиду околонулевой энергии торможения в общем балансе протяженной поездки. Поэтому, кмк, 5%  экономии- это то, что максимум может дать рекуперация. Но и они, эти проценты, могут быть нивелированы, допустим, подспущенными шинами.
7. Дороги, как известно, в зимнее время посыпают песко-соляной смесью для очистки асфальта. Но обратной стороной является то, что все потом движутся в этаком «соляном тумане». Так вот, если для авто с ДВС это просто пятна/коррозия незащищенных мест, то для силового электрооборудования и батареи, которые охлаждаются забортным воздухом, электропроводящая соляная среда будет создавать дополнительные специфические проблемы. Т.е. электрика стандартной калифорнийской Теслы и адаптированной к нашим реалиям, должна будет, кмк, отличаться примерно, как шахтное электрооборудование от электрооборудования обычного исполнения.
8. И вот еще. Приехали мы, значит, на работу, припарковали нашу повозку и в течение рабочего дня пошел сильный ливень. Ливневка может оказаться забитой, либо парковка в низине – неважно. Суть в том, что воды оказалось по середину/верх колес. Авто с ДВС можно отбуксировать/завести и дать просохнуть на сухом месте без особых последствий. Что же будет с электричкой , где все тяжелое (аккумулятор, двигатель, преобразователь) устанавливают ближе к полу для уменьшения высоты центра тяжести, объяснять, я думаю, не надо…

Заметьте, что в пунктах выше я описывал нюансы, которые обязательно будут проявлятся в практике использования электромобилей. И рассматривал я некий идеальный электромобиль с «эльфийским» аккумулятором – типа железная/медная пластины и между ними воздух. Т.е. аккум дешевый, простой, и, самое главное, экологически чистый без всяких сарказмов. Потому, что если взять современные реальные аккумуляторы и рассмотреть их полный жизненный цикл, то это просто ад, как убивается природа как при добыче/переработке необходимых компонентов, так и при «утилизации» по свалкам (100% переработки старья еще никто не достиг) - т.е. при массовом внедрении электричек в таком же количестве, как авто с ДВС, можно легко Землю превратить в Марс по пригодности к проживанию человечества. И еще. Нам постоянно говорят, что аккумуляторы будут дешеветь, становиться более емкими на 5, 10, 20%, и тогда наступит счастье. Хорошо, возьмем аккумулятор на ПОРЯДОК более емкий и на ПОРЯДОК более дешевый. Если пройтись по вышеизложенному попунктно, то что изменилось? Очевидно, что почти ничего (разве что автономный отопитель не понадобится).

Поэтому, учитывая все вышесказанное, для себя я сделал

ВЫВОД:

электромобили на накопителях при массовом внедрении, как замена автосам с ДВС это ЗЛО, причем как потому, что будут выкачивать энергоресурсы планеты быстрее за счет меньшей эффективности и необходимости перестройки если не всей, то значительной части существующих энергосистем, так и потому, что гигантские финансовые ресурсы тратятся впустую. Ведь есть гораздо более перспективные вложения капитала. Смотрите: вбиваем в поисковик «запасы метановых газогидратов в российской арктике» и видим, что по разным источникам этих самых запасов все равно больше чем запасов нефти. Т.е. гораздо выгоднее вложить деньги в исследования по добыче и транспортировке на материк и в приемлимемое по массе/надежности/стоимости газовое оборудование существующих авто с ДВС, т.к. инфраструктура для транспортировки метана в виде почти всеобъемлющих распределительных сетей Газпромауже существует. Заправки можно сделать хоть возле каждого подъезда – труба газовая уже есть, поставил девайс с компрессором и табло для оплаты и вперед. А электричество все-таки лучше оставить для работы стационарных объектов и проводного электротранспорта. Кстати говоря, с учетом перспектив ЗЯТЦ (практически бесконечные запасы ядерного топлива), можно почти всю базовую генерацию сделать атомной. Тем самым снизить потребление газа электростанциями до минимума и оставшихся даже разведанных запасов газа только для езды и газохимии потомкам хватит на многие поколения, а ввиду того, что метан – ресурс возобновляемый (десятки тысяч биореакторов Китая и Индии в пример), то и навсегда.

ПС. Буду рад КОНСТРУКТИВНОЙ критике. Есть одна просьбочка: критикуя/предлагая, исходите из того, что «прогрессивные электрички вытеснят дремучие ДВС полностью». Т.е. если Вася стал дальнобойщиком и вынужден был купить дизельную машину, чтобы заправляться бесплатно, то это не значит, что так смогут абсолютно все владельцы транспорта. Иными словами, если кто-то приобрел электроповозку, и, выезжая на пикник, берет с собой ветрогенератор/СБ для ее подзарядки, то это, конечно хорошо, но это частный случай, который повсеместно и всегда применяться не будет, т.е.решение/опровержение должно быть всеобъемлющим, а не неким частным случаем.