Рассчёты эмиссии парниковых газов для разных форм городской мобильности
Для электрических транспортных средств приводятся выбросы от эксплуатации по пессиместическому варианту (всё электричество из угля) и по оптимистическому (зарядка производится от сети Великобритании, которая близка к средневзвешенной европейской
( Read more... )
Ну тут несколько факторов (примерные, но довольно точно оцененные «средневзвешенный» значения): КПД тепловой станции 0.32, средний КПД линий передачи и распределения электроэнергии 0.93, КПД системы хранения энергии (батареи) 0.85, средний КПД всей системы трансмиссии электромашины 0.85 (мотор(ы), инвертор(ы), коробка передач). Перемножаем: 0.32*0.93*0.85*0.85 = 21.5%. Добавим (щедро) еще четверть на регенеративное торможение, получаем ~27%. Теперь вспоминаем, что 1 тепловой кВтч из угля выбрасывает 300 грамм углекислого газа, а из нефти/бензина 250 грамм.
У обычных машин последних 10-15 лет средний КПД сидит на уровне 25-28%, но мы помним, что у бензина собственная эффективность типа 80%
Ну то есть тут в контексте выбросов углекислого газа, исходя из того, что дополнительная электроэнергия идущая на эксплуатацию электромашины, поступает туда из угля - это шило на мыло. Но основной грех обоих типов машин: неадекватные размер, масса, скорость, мощность, тянущие расход энергии вверх.
Теперь если вспомнить, что на производство электромашины нужна по сути неустранимая на данном этапе разница в эмиссиях в 6-7 тонн (30-40 тысяч км бензинового пробега), массовый переход с того, что мы имеем сейчас, это просто растранжиривание углеродного бюджета без какого-либо ощутимого позитивного эффекта на глобальное потепление.
Кстати, сращу скажу, вегетарианские диеты принципиально не особо отличаются от привычных по энергетической эффективности. Я тебе чуть позже пришлю несколько статей на тему в месенджер ФБ (ну или кинь мне туда свой мейл).
Reply
>> Теперь если вспомнить, что на производство электромашины нужна по сути неустранимая на данном этапе разница в эмиссиях в 6-7 тонн (30-40 тысяч км бензинового пробега), массовый переход с того, что мы имеем сейчас, это просто растранжиривание углеродного бюджета без какого-либо ощутимого позитивного эффекта на глобальное потепление.
Т.е. это разница в эмиссиях при производстве электромобиля и обычной машины? Ничего себе.
>> Кстати, сращу скажу, вегетарианские диеты принципиально не особо отличаются от привычных по энергетической эффективности. Я тебе чуть позже пришлю несколько статей на тему в месенджер ФБ (ну или кинь мне туда свой мейл).
Ага, присылай, ты у меня в ФБ зафренжен.
Reply
18-20% было в 80-х и 90-х, с тех пор технология с помощью последовательных маргинальных улучшений (в т.ч. за счет умной электроники) дотянулась до ~25% и даже немного больше, но так как это значение уже близко к теоретическим пределам, дальнейшие улучшения без фундаментального изменения принципа работы едва ли возможны.
Эффективность топлива включает в себя расход энергии на извлечение, производство, транспортировку, розничную продажу. У бензина для частного автотранспорта это что-то типа 80%. У электричества в среднем 97% (от электростанции до розетки). У угля для ТЭС что-то вроде 97%.
Reply
Это мягко говоря не так. Современные машины с инжекторным впрыском тотплива оптимизированы на уменьшение эмиссий, т.е. доли в выхлопе несгоревших углеводородов, сажи, окислов азота, карбонильных соединений и т.д. Это достигается за счет стехиометрического соотношения топлива к воздуху в цилиндре - инжектор впрыскивает ровно столько, сколько воздух в цилиндре может окислить в СО2 и Н2О. Хорошо известно что обедненная топливная смесь - где воздуха больше чем топлива - повышает кпд двигателя. Это происходит за счет снижения теплоемкости рабочего тела при разбавлении многоатомных выхлопных газов азотом у которого C_v ~ 5/2 kT. Этот способ к сожалению имеет худшую эмиссию, в основном за счет кислородсодержащей органики, которая потом участвуют в образовании смога. В принципе, ее можно потом доокислить или уловить перед выхлопом, но для этого потребуются более дорогие системы чем на инжекторных машинах.
Второй очевидный способ повышения кпд - увеличение степени сжатия с нынешних 10-12 до уровня дизелей, т.е 20 и выше. Работа которую выполняет газ в термодинамическом цикле, равна площади контура на диаграмме P-V. Увеличив максимальное давление, мы заставим рабочее тело выполнять больше полезной работы, т.е. опять же увеличим кпд. Предполагается что HCCI за счет высокой степени сжатия сможет совмещать экономичность дизеля и более щадящие режимы работы свечевых двигателей. Исследования по HCCI ведутся, насколько я знаю, есть прототипы машин с таким двигателем.
Еще один вариант - гонять ДВС на постоянных оборотах с оптимальным КПД, а для вращения колес использовать электротрансмиссию, небольшую батарею, и по мере необходимости ее подзаряжать. На выходе имеем гибридный автомобиль. Комбинация из всего вышеперечисленного способна серьезно снизить углеродный след автомобиля, особенно если использовать биотопливо.
Reply
А ты попробуй все это в реальности реализовать - включая увеличение степени сжатия, не упираясь в проблему тепловых потерь. На практике поднять эффективность дальше почти невозможно. То есть можно теоретизировать, но практическая теплотехника уже уперлась в предел. По-крайней мере я не вижу серьёзных причин думать, что можно кардинально улучшить эффективность ДВС. Было бы здорово ошибиться, в этом вопросе - можно тогда было бы и тепловые электростанции строить на этом принципе. Но пока что 32% это лучшее, чего добилась тепловая инженерия. 55% в случае комбинированного цикла - и вот это конечно круто.
Но получить систему пропульсии на ДВС с кардинально улучшенной эффективность - скажем, в два раза: у меня имеется на эту тему вполне обоснованный скепсис. И исходя из термодинамических соображений, и глядя фактическую на историю развития технологии.
Что касается последнего - ну Приус же так работает. У нас такой, например. Причем он не просто последовательный, как ты это описал, - он последовательно-параллельный с очень тонким и сложным алгоритмом принятия решения какой источник механической работы передает крутящий момента на колеса в данный момент. Это позволило поднять эффективность системы на треть в сравнении с обычными бензиновыми машинами. Примерно за 15-20 лет они смогли улучшить показатели топливной экономии своих гибридов с 4.4 до 3.9 л/100 км (по паспорту). Это для машин более или менее человеческого размера, все равно мы говорим про 95 грамм СО2 на км из выхлопной трубы и это только по паспорту. По факту с учетом потерь на производство топлива, кондиционер, и реальные условия езды - 125-135 грамм. И это опять де мы говорим не про трехтонных монстров а относительно небольшие по современным меркам седаны и лифт/хэтч-бэки с вылизанной до совершенства аэродинамикой.
Что касается биотоплива первого поколения - при тех темпах расхода энергии, которого требует современная цивилизация, биотопливо первого поколения это обезлесение с лишними шагами, не более. Мало того, что биоэтанол из скажем кукурузы дичайше контрпродуктивноеттопоиво, но даже этанол или биодизель из сахарного тростника требуют огромных площадей и ведут к истощению почвы. Возобновляемые - да, устойчивые и экологичные - совершенно нет.
Причем выращивание биотоплива приходит в прямой конфликт с производством еды (в частности корма для скота), а даже текущее сельское хозяйство без большого вклада биоэнергетики уже заняло примерно половину всех плодородных земель и непрерывно давит на окружающую среду: потеря леса, потеря биоразнообразия, переудобрение почв и водоёмов и всякие прочие плюшки. Если все в мире начнут есть так, как индустриализованный мир, нужна будет как минимум еще одна планета. А теперь добавь сюда выращивание биотоплива для машин в таких же масштабах.
Есть хорошая оценка: представь себе двухполосное шоссе, по которому в два направления едут машины со скоростью 80 км/ч и интервалом между ними в 3 секунды. Какой ширины нужно пристроить поле с топливной культурой (сахарным тростником), чтобы обеспечить топливом непрерывное функционирование этой дороги. Ответ 8 км. Увеличь скорость до 110 км/ч и ширину поля придется удвоить. И это только для двух полос движения. Как ты ни играй с эффективностью тепловых двигателей, но биотопливо первого поколения это путь в никуда.
При том скажем если у тебя там едут более или менее эквивалентные электромашины, а током их обеспечивает солнечная ферма - её ширина будет примерно в 10 раз меньше, чем у лучших биокультур. Природа очень неэффективна в конвертации энергии и запасении химической энергии.
Но тут снова встает вопрос того, что электромашины надо производить, солнечные фермы строить, и адекватно ли на данном этапе гонять огромные машины, расход энергии которых (механической работы на перемещение) заведомо в разы больше минимально необходимых.
Кстати вариант заметного увеличения эффективности системы это отказ от 5-6 кратного запаса мощности и/или крутящего момента. Но никто из современных водителей на это не согласится - парадокс Жевонса силён.
Так что я твоего оптимизма разделить ее могу.
Reply
Кто-то поумнее меня уже реализовал это в реальности. Разработки HCCI на инженерном уровне давно идут в ведущих автомобильных компаниях, на данный момент у нескольких (Mazda, Nissan) есть работающие прототипы и планы по внедрению. Они показывают ровно то, о чем я говорю - повышение топливной эффективности на 20-30% по сравнению с аналогичными свечевыми.
>> Было бы здорово ошибиться, в этом вопросе - можно тогда было бы и тепловые электростанции строить на этом принципе. Но пока что 32% это лучшее, чего добилась тепловая инженерия.
Подожди, а как же дизель? У дизеля ведь выше эффективность, что-то порядка 40-45% они показывают.
>> Что касается биотоплива первого поколения - при тех темпах расхода энергии, которого требует современная цивилизация, биотопливо первого поколения это обезлесение с лишними шагами, не более.
А что насчет биотоплива второго поколения? Если делать топливо из древесины, есть какой-то выигрыш? Или зачем это все вообще предлагают?
>> Есть хорошая оценка: представь себе двухполосное шоссе, по которому в два направления едут машины со скоростью 80 км/ч и интервалом между ними в 3 секунды. Какой ширины нужно пристроить поле с топливной культурой (сахарным тростником), чтобы обеспечить топливом непрерывное функционирование этой дороги. Ответ 8 км.
Да, интересная оценка.
>> Так что я твоего оптимизма разделить ее могу.
У меня его и нет. Я просто немного в курсе работ по HCCI и биотопливам - первый постдок у меня был в CRF Сандии. Так то понятно, что существующая система использования личного транспорта ущербна в принципе, и никакими повышениями эффективности на 20-30-40% ее не сделать "зеленой". Тем более, вот этот парадокс Жевонса - механизм социальной энтропии, съедающий любой прогресс в области экономии - не позволяет сократить расходы энергии. Понятно, что проблемы выброса СО2 требуют принципиально иных механизмов общественного контроля, которых человечества пока не выработало.
Reply
Я изучу детально тему, но с термодинамческой точки зрения сразу возникает масса вопросов: во-первых когда ты это всё собираешь в индивидуальную машину, не выйдет ли так, что для того, чтобы показывать такие исключительные эффективности - скажем 45% средний КПД для всей машины на системно уровне не выйдет так, что машине нужно весить на тонну больше, и снова съедать карбоновый бюджет на её производство и вырастет расход энергии просто на то, чтобы её передвигать.
Нечто похожее на ложную эйфорию по поводу того, что раз у электродвигателей пиковый КПД может достигать 95-96%, значит электромашины это наше техноспасение и на их эксплуатацию нужно в 3-4 раза меньше энергии. Реальность, как мы видим намного сложне и менее оптимистична. Чтобы добиваться в серийных машинах такой производительности теплового двигателя, нужен исключительный уровень теплоизоляции для обеспечения адиабатичности сжатия, иначе все снова зря. Я тут не пытаюсь высасывать из пальца возражения конечно, просто мой опыт приучил меня принимать неформальную формулировку второго начала термодинамики: "ты не можешь выиграть".
Опять же, когда мы смотрим скажем американский флот индивидуального автотранспорта - расход энергии этих машин в три раза больше того, чем можно было бы удовлетвориться с чисто утилитарной точки зрения, поэтому когда есть очевидное (но непопулярное) решение для проблемы потенциально дающее эффект в 3 (а то и больше раз), попытки увеличить производительность системы в 1.5 раза (с кучей оговорок для применения в массовом производстве) выглядят как-то совсем грустно. Как попытки реанимировать покойника. Опять же, если эта штука работает, особенно на больших масштабах с КПД типа газотурбинных установок комбинированного цикла, это конечно находка. Но как её применять это не вопрос физики или инженерии.
Что касается дизеля. Если ты просто посмотришь на фактическое потребление топлива дизельными машинами, учтешь плотность/энергосодержание топлива, расходы на его производство, и потом оценишь сколько парноиковых газов вылетает из выхлопной трубы прямо и с учетом расходов на производство топлива, какой-то принципиально разницы с их свечевыми аналогами ты не найдёшь. 40-45% это, вероятно, снова пиковый КПД самого двигателя. Дизель это вовсе не какая-то магическая пуля, так же, как и электромашины. Особенно занятно, когда производители зелёный "эко-листик" на дизельные машины ставят, чтобы владельцы огромных внедорожников чувствовали себя лучше. Обрати внимание на разницу в плотности бензина и дизельного топлива, я не думаю, что это ты, но многие люди думают, что раз машина потребляет меньше литров топлива, чем аналогичная бензиновая, значит она зеленее :)
Биотопливо "второго поколения" это отходы: зеленые отходы от сельского хозяйства, говно (городская канализация), щепа, пищевые отходы и т.п. Понятно, что на них далеко не проедешь, первый закон термодинамики тебе не позволит роскошно жить на твоих же отходах, ну можно вытягивать оттуда пару процентов нашего общего энергопотребления и на самом деле мы обязаны это делать, если опять же у нас как у цивилизации общая цель - сохранение окружающей среды. Т.к. при некотролируемом гниении ("биоразложении"), это всё вместо углекислого газа генерирует много метана, который уходит в атмосферу со значительно большим нагревающим потенциалом. Но у биотоплива из отходов в идеальном мире есть особая функция (в идеале это конечно свалочный газ) - его можно жечь на газотурбинных установках комбинированного цикла с высокой эффективностью и (очень важно) упарвляемостью и использовать как элемент, дающий более высокую управляемость сетям, в которых основное электричество производится от неуправляемых дешевых источников - ветра и солнца.
Reply
Почему биотопливо всерьез предлагают как экологическую меру - я не знаю, это уже находится за пределами науки и техники. Очевидно, что мы не можем поддерживать современный уровень жизни на дровах, природа слишком медленно запасает энергию - именно поэтому в ход пошли ископаемые топлива, на запасение которых у природы уходят многие миллионы лет. Почему индивидуальные "игроки" и политики предлагают контрпродуктивные "экологические" прожекты? Разобщенность "свободного рынка" масса конфликтующих интересов, неприспособленность политической системы с координированным действиям, учитывающим не только политические и финансовые, но ещё и общие (например, экологические, публичное здравоохранение, благосостояние масс).
Возможно ещё потому что "гринвошинг" в последние 20 лет стал мейнстримовой методикой политиков и бизнесменов для продолжения бизнеса как обычно. При этом у политиков и "десижмейкеров" нет даже близко необходимой для принятия таких решений компетенции и кругозора. А, как видишь, когда человеческая цивилизация надавила на глобальную экосистему до предела, всё в привычных методах хозяйствования стало взаимосвязано настолько, что любые действия требуют учёта огромной массы параметров - это тришкин кафтан с 20 рукавами. А обычная говорящая голова из телевизора в состоянии оперировать максимум двумя-тремя и при этом над ней довлеет идеология представляемого ей политического движения и, возможно, финансовые интересы определенной группы, которую она представляет.
Политические элиты по сути-обычные обыватели как правило, так что вырывают одну-две громких темы из очень сложного и перепутанного контекста и потом демократические механизмы поворачивают изберателя в нужную им сторону. Биотоплива, электромашины, иммигранты, сильная Россия, великая Америка - такое. Причём те ограниченные и вырванные из контекста "экологические" действия, выбранные правительствами как мейнстрим, ещё помогают большим корпорациям получать дотации от правительства - по сути деньги налогоплательщиков. Возможно это одна из причин.
Почему, например, солнечная энергетика, которая в 10-20 раз превосходит биотопливную по эффективности использования площади земли и имеющая намного меньший экологический след не предлагается вместо совершенно абсурдного биотоплива? И те и другие используют один и тот же первичный источник энергии, только полупроводники делают это на порядок более эффективно. У меня нет рационального объяснения в контексте защиты окружающей среды.
Эта система принятия решений ущербна точно так же, как и упомянутая тобой ущербность системы владения индивидуальным автотранспортом. Причём результат, который мы видим сейчас (с очень сильной дерегуляцией рынков почти по всему миру), был достигнут далеко не сразу - это лет тридцать-сорок движения "корпоративного освбождения", лоббирования. Вот Трамп в своё президенство старательно добивал остатки регулирований.
А началось это всё, как только мы родились: яркие представители движения это Рональд Рейган старший, Маргарет Тэтчер. Так что в общем тут вопрос уже не термодинамики или даже не физиологии и метаболических расходов на перемещение и эффективности человеков, с которой на меня практиечески лично напал тут мужчина в соседней ветке. Это вопрос того, что сохранение окружающей среды требует "принципиально иных механизмов общественного контроля".
Reply
В общем если честно, какой-то серьезной надежды на то, что повявятся новая энергетическая, хозяйственная а, вместе с ними естественно политическая и социальная парадигмы. Это всё зашло слишком далеко и зависимость от выбранного пути огромная.
Reply
Кстати занятно, что машины из 90-х обычно тратили меньше топлива, несмотря на то, что из эффективность была на треть меньше современных. За последние 30 лет машины выросли в размере совершенно непотребно и все улучшения эффективности съелись увеличением размера, массы, уменьшением времени разгона до 100 км/ч. Все эти малозначимые хотелки водителей привели к тому, что и без того расточительные транспортные средства стали еще расточительнее (и смертоноснее).
Это парадок Жевонса в действии.
А что касается расходов на производство - да: на обычную современную машину (уже заведомо расточительную) нужно что-то вроде 7 тонн из карбонового бюджета, на её электрический аналог - 12-13 тонн. Плюс электромашины конкурируют с возобновляемой энергетикой за ценные ресурсы: медь, электрические стали, батареи, силовая электроника и, собственно, структурные материалы: сталь и алюминий.
Reply
Leave a comment