Откуда берётся электричество или КПД электромобилей

Всё больше мировых производителей обещают нам выпустить новые модели электромобилей, даже консервативный Porsche обещает нам Mission E в 2018 году:

Часто при обсуждении электромобилей возникают комментарии, что КПД электродвигателя 95%, а у ДВС КПД всего 55%, но электричество у нас не из розетки же берётся.

Это действительно всё так, но бензин/дизель в двигатель не сам из мирового эфира попадает.

Раз уж мы решили рассматривать потери на полном цикле превращения полезных ископаемых в движение самобеглых повозок, то начнём с самого начала: добычи нефти и газа.

Допущения:

ДВС: рассмотрим дизельный и бензиновый вариант, хотя дизельного транспорта в России в год продаётся не более 7% от общего числа автомобилей, т.к. основной проблемой для владельцев дизельных автомобилей остается плохое качество дизтоплива на российских АЗС. Действительно, примеси в солярке могут вывести из строя дорогостоящую топливную аппаратуру. Из-за этого в России вцелом не более 2-3% дизельных автомобилей (Москва и Питер — привет!), что можно считать статистической погрешностью. Зато у дизеля теоритический КПД выше.
КПД ДВС: заявленные в документации КПД в реальности почти не достигаются из-за узкого диапазона «рабочих» оборотов, и при толкании в городских пробках КПД падает в разы. Но будем оптимистами и применим к идеальным условиям коэффициент 0,5 (Хотя стоило бы взять 0,3).
КПД турбированного дизеля (которых ничтожно мало на наших дорогах) составляет 55% в идеальных условиях.
КПД бензинового ДВС скромнее и составляет 30% в идеальных условиях.

КПД современного электродвигателя достигает 95%. Не плохо, да? Но его ещё зарядить надо, мы это посчитаем.

Топливо:
Для ДВС надо добыть нефть, доставить на НПЗ, переработать, доставить бензин на базу, потом доставить на АЗС, потом наконец продать.

Подробнее тут...

Для электромобиля надо добыть газ, закачать в газопровод, закачать в ТЭЦ, выработанное электричество передать по сети в точку зарядки.

Почему именно газ и газовые ТЭС?

Мы не в Сингапуре живём, а в России, и тут их больше всего:

доля ТЭС – 67%, ГЭС – 21%, АЭС – 11%.

Я бы мог взять АЭС и ГЭС (фактически 1/3 от генерации) — там выбросов вообще 0 экологично и практично, можно принимать КПД аж за 100%, но пожалеем ДВС, будем считать сжигание углеводородов на газовых ЭС.

Теплоэнергетика. В России насчитывается 358 тепловых электростанций большой и средней электрической мощностью более 25 МВт. Их общая установленная мощность равна 158,6 ГВт.

Список тепловых электростанций России

Структура по топливу. Структура по топливу на ТЭС следующая: природный газ 71%, уголь 27,5%, жидкое топлива 1%, прочее 0,5%.

http://nnhpe.spbstu.ru/struktura-elektroenergetiki-v-rossii/

Природный газ, как топливо для электростанций доступен практически во всех промышленных зонах городов России.

Электрический КПД современной газовой электростанции достигает 55–60%. При этом капитальные затраты на 1 МВт/час установленной мощности газовой ТЭЦ составляют всего 50% от угольной, 20% от атомной, 15% от ветровой электростанции.

Строительство тепловых электростанций, работающих на природном газе, требует относительно малых инвестиций — в сравнении с электростанциями, работающих на других видах топлива, таких, как уголь, уран, водород.

Строительство газовой электростанции занимает всего 14–18 месяцев.

Газ экономически эффективнее других видов топлива и альтернативных источников энергии.

Потери:

Добыча ископаемых — нефть надо качать, газ чуть проще.
Транспортировка: Газ по сети газопроводов до электростанции. Нефть по нефтепроводам, транспортом, иногда даже кораблями. Пусть при перекачке теряется пара процентов.
Переработка нефти в бензин отнимает процентов 20 энергии конечного продукта, что весьма оптимистично.
Потери в ЛЭП на дальние расстояния, возьмём значения из нормативной документации: ЛЭП на 750 КВольт длинной 2200 км имеет КПД 0,9 (см. доки...)

Для электромобиля учтём все возможные потери транспортировки электричества:

• Повышающая подстанция
• КПД линии электропередачи 750 КВольт длинной 2200 км
• Понижающая подстанция
• Потери в городе до зарядного устройства
• Потери в зарядном устройстве
• Зарядка батареи с учётом потерь

В трансмиссиях идёт потеря энергии, для АКПП ДВС это коэффициент 0,85.
На электромобилях иногда обходятся без редукторов и прямо подключают двигатель к колёсам, в нашем случае возьмём двухступенчатый редуктор зубчатого зацепления коэффициент 0,95.

Докинем для электромобиля ещё потерь:

• Нагрев салона/батареи тэном и от охлаждения двигателя и батарей
• Потери при извлечении энергии из батареи

Будем считать что в ДВС этих потерь нет.

Так вот если учесть все потери, получаем таблицу с коэффициентами:

Итог:

КПД электромобиля: 26,65%
КПД дизеля: 13,79%
КПД бензинового 7,52%

Бензиновые двигатели просто расточительны с точки зрения эффективности использования природных ископаемых.
Турбодизели в 1,83 раза эффективнее бензиновых двигателей, но их мало и они очень чувствительны к качеству топлива.
Электричесткие двигатели в 3,54 раза эффективнее бензиновых ДВС и в 1,93 раза эффективнее турбодизелей.

Даже если предположить, что Нефть сама телепортируется из недр на НПЗ, а затем телепортируется сразу на АЗС без потерь, то КПД дизеля будет всего 18,70%, а бензинового ДВС 10,20%

Так будет выглядеть расчёт:

То есть даже при таких послаблениях для ДВС, догнать по эффективности электромобили не получается.

Пока электромобили остаются дорогой и экологичной игрушкой для городских пробок и любителей максимального ускорения в любой момент.

Надеюсь было интересно и если есть мотивированные уточнения по формулам или коэффициентам — с удовольствием рассмотрю варианты.

Всё.