Где взять электроэнергию для сотен миллионов электромобилей через 20 лет?

15 September 2020
10k full reads
26k story viewsUnique page visitors
10k read the story to the endThat's 41% of the total page views
6,5 minutes — average reading time

В Мире автомобилестроения идёт смена парадигмы - всё больше автоконцернов предлагают в своих модельных рядах электромобили.

Так, автоконцерн Вольво ещё в 2017 году завил, что откажется от выпуска автомобилей с ДВС, полностью перейдя с 2019 года на электротягу и гибридные решения.

Ничего подобного, конечно, не произошло. И тому есть причины.

Первый серийный электромобиль Volvo XC40 Recharge появился в 2020 году.
Первый серийный электромобиль Volvo XC40 Recharge появился в 2020 году.
Первый серийный электромобиль Volvo XC40 Recharge появился в 2020 году.

Современный легковой электромобиль имеет запас хода в 350-400 км при батарее ёмкостью 80 кВт·ч. Несмотря на каждодневные обещания повысить эксплуатационные и емкостные характеристики современных литий-ионных аккумуляторов, ничего подобного в реальности не происходит. Всё идёт по пути наилучшей адаптации аккумуляторов к условиям эксплуатации.

Один из таких примеров - это переход на 800-вольтовую архитектуру, как сделали специалисты Порше в своём электромобиле «Порше Тайкан». Это позволило повысить эксплуатационные характеристики силовой батареи, избавив её от перегрева при интенсивном разгоне электромобиля.
Электрическое 4-дверное купе Porsche Taycan.
Электрическое 4-дверное купе Porsche Taycan.
Электрическое 4-дверное купе Porsche Taycan.

Электромобили имеют огромное преимущество перед традиционными автомобилями с ДВС по следующим критериям:

1. электромобиль не имеет активных выбросов загрязняющих веществ при эксплуатации;

2. электромобиль способен решить проблему шумового загрязнения крупных городов.

Это два основных пункта, почему электромобили получают льготы и субсидирование со стороны государств, стремящихся увеличить их долю в транспортном потоке на дорогах общего пользования.

По данным автомобильного журнала “Ward's”, в 2018 году в мире насчитывалось более 1,2 миллиарда автомобилей. В 2020 году к их числу прибавилось 4,5 миллиона электромобилей. По расчётам экспертов, уже через 20 лет количество ежедневно эксплуатируемых электромобилей может превысить 400 миллионов.

И тут возникает одна гигантская проблема: какой бы прогресс с аккумуляторами ни происходил, насколько бы сильно они ни увеличили свою ёмкость и насколько сильно ни уменьшили бы время зарядки - в любом случае на всё это электромобилям потребуется невероятное количество электроэнергии.

Сегодня, чтобы зарядить аккумулятор ёмкостью 80 кВт·ч, потребуется 85 кВт·ч электроэнергии. А это уже количество электроэнергии, которое хватает с избытком одному среднестатистическому человеку в месяц.

Потери при зарядке: Первый столбик номинал, второй реальные затраты на зарядку. Согласно данным ADAC (EFAHRER.com)
Потери при зарядке: Первый столбик номинал, второй реальные затраты на зарядку. Согласно данным ADAC (EFAHRER.com)
Потери при зарядке: Первый столбик номинал, второй реальные затраты на зарядку. Согласно данным ADAC (EFAHRER.com)

Согласно данным мировой статистики энергопотребления, за 2019 год в мире произведено 26914 Тераватт-часов электроэнергии (ТВт·ч), а потреблено 23105 ТВт·ч, то есть 14% всей произведённой энергии составили естественные потери.

Динамика выработки электроэнергии за последние 20 лет.
Динамика выработки электроэнергии за последние 20 лет.
Динамика выработки электроэнергии за последние 20 лет.

Динамика потребления электроэнергии за последние 20 лет.
Динамика потребления электроэнергии за последние 20 лет.
Динамика потребления электроэнергии за последние 20 лет.

Учитывая подобные потери и потребность электромобилей в электроэнергии, можно резюмировать, что для гарантированной каждодневной (свободной) эксплуатации требуется генерировать первичную электроэнергию не меньше 80 кВт·ч в сутки на каждый электромобиль.

При генерации первичной энергии в 80 кВт·ч, с учётом всех потерь и преобразований, батарея электромобиля запасёт максимум 65 кВт·ч энергии. Лёгкая и маленькая “Tesla Model 3”, используя подобную ёмкость аккумулятора, сможет проехать до 300 км пути. А вот уже большой электрический кроссовер “Audi E-tron” проедет всего 250 км.

Но через 20 лет количество электромобилей может превысить 400 миллионов, а это потребует дополнительной генерации 32 ТВт·ч электроэнергии в сутки! И это только на удовлетворение энергетических потребностей электромобилей. Сегодня это более 43% всей электроэнергии, генерируемой человечеством за сутки. И это чрезвычайно много.

К 2040 году мы сможем совокупно нарастить необходимые мощности, но тут требуется выделить эту энергию исключительно на потребности электромобилей.

Но где вообще взять сколько энергии? Может быть, всё решит альтернативная энергетика?

Современная ветряная электростанция (ВетроЭлектрическая Установка) имеет коэффициент использования установленной мощности (КИУМ), равный 25%. Это означает, что ВЭУ мощностью 3 МВт может обеспечить суточную потребность в электроэнергии 225 электромобилей. Кажется, что очень даже неплохо. Но к 2040 году нужно будет построить более 1,7 миллиона таких ВЭУ, что выглядит утопично, ведь на данный момент построено всего не более 20 тысяч подобных ВЭУ.

Доля общемировой электрогенерации ВЭУ стабильно превышает долю электрогенерации солнечными панелями в 2 раза! Поэтому с солнечной энергетикой всё ещё более печально в этом плане.
Доля ветряных и солнечных станций в производстве электричества в 2019 году
Доля ветряных и солнечных станций в производстве электричества в 2019 году
Доля ветряных и солнечных станций в производстве электричества в 2019 году

Тогда, может быть, нам поможет атомная энергия? Посмотрим.

Один современный атомный энергоблок мощностью 1,2 ГВт обеспечит потребность в электроэнергии 360 тысяч электромобилей. И всё равно, нужно за 20 лет построить более 1100 энергоблоков. Это тоже не обнадёживает, учитывая тот факт, что за всю историю освоения атомной энергии построено около 600 атомных энергоблоков.

Для справки: 1,2 ГВт = 1200 МВт; 1200 МВт · 24 часа = 28800 МВт·ч; 28800 МВт·ч = 28 800 000 кВт·ч; 28 800 000 кВт·ч/80 кВт·ч = 360 000 автомобилей.

Опять уголь, нефть и газ?

Ведь для обеспечения 400 миллионов электромобилей энергией, нужно не просто нарастить выработку электроэнергии в общем мировом балансе на 50% от сегодняшнего уровня, но заложить в установочные мощности возводимых электростанций соответствующий суточный резерв потребления в десятки ТВт·ч.

В противном случае будет постоянная угроза «обрушения» электросети при слишком большом количестве одновременных потребителей.

Так в 2012 году подобное аварийное отключение произошло в Индии из-за превышения норм энергопотребления северных штатов. Это привело к настоящему энергетическому кризису, который затронул 600 миллионов человек.

Решение подобной задачи на сегодня - это очень большая проблема. А всё потому, что в мире лоббируются экологически чистые проекты и настроения. Это накладывает очень жесткие ограничения на способны выработки электроэнергии. Однако здравый разум начал потихоньку преобладать над экологической истерией, и в мире началась диверсификация источников энергии.

Например, в мире эксплуатируется 449 атомных энергоблоков и ещё 55 энергоблоков находятся в стадии строительства (36 из них строит “Росатом”). Выработка электроэнергии на угольных электростанциях (36 % от общемирового производства по всем источникам энергии в 2019 году) сократилась на 3,5 % на фоне роста выработки электроэнергии из газа (+3,2 %), ядерного топлива (+3,6 %), ветра (+12 %) и солнечного излучения (+24 %)

Это конечно обнадёживает, но проблему не решает. А проблема потребности в энергии с развитием электромобильной отрасли станет настолько острой, что даже неэффективная альтернативная энергетика будет более чем востребована.

Но это ещё не все «плохие» новости. Электромобиль сегодня можно условно отнести к полноценному конкуренту для автомобиля с ДВС. Технология хорошо отработана, электромобили безопасны, да и “топливо” в каждой розетке имеется. Вместе с тем, в мире начался новый тренд – водородная энергетика. Но в плане безопасной эксплуатации подобной альтернативе очень далеко даже до электромобилей 2000-х годов.

Вероятно, всё дело опять в диверсификации, чтобы хоть как-то влезть в рамки острой проблемы энергопотребления.

Водородное топливо позволит контролировать и регулировать энергопотребности автомобильного транспорта.

Но водородное топливо - это дико неудобно. Электроэнергия куда практичнее. Водородом просто так не заправишься, сделать это можно только на специализированной заправочной станции.

Выдержка из принятой Германией в 2020 году водородной стратегии, согласно которой к 2050 году, Германия полностью перейдет на водород в качестве энергоносителя.
Выдержка из принятой Германией в 2020 году водородной стратегии, согласно которой к 2050 году, Германия полностью перейдет на водород в качестве энергоносителя.
Выдержка из принятой Германией в 2020 году водородной стратегии, согласно которой к 2050 году, Германия полностью перейдет на водород в качестве энергоносителя.

А, например, в Японии – самой прогрессивной стране с точки зрения внедрения водородных технологий в автотранспорт - заправить водородный автомобиль может только специально обученный инженер-заправщик, и больше никто.

Серийный водородный автомобиль Toyota Mirai (1 из 2)

И тут можно предсказать тенденцию развития автотранспорта.

В 2040 году будут в большей степени распространены гибридные водородные автомобили, нежели полностью электрические. У них будет и аккумулятор, но меньшей ёмкости (до 50 кВт·ч), и баки с газообразным водородом (либо с гидридом металла, в котором запасён водород), преобразуемым в электроэнергию с помощью топливных элементов. Будет и квота на зарядку автомобилей от домашней сети, лимитирующая месячное энергопотребление. Будут и зарядные станции без ограничений в энергопотреблении, но с абонентской платой за использование и значительно более дорогим тарифом за электроэнергию (по сравнению с заправкой из домашней розетки).

Кроссовер Mercedes GLC F‑Cell. Первый в мире водородный гибрид:  Оснащен водородным топливным элементом, двумя баками для хранения 4,4 кг водорода  и литий-ионной тяговой батареей емкостью 13,8 кВт∙ч. Можно подзаряжать от бытовой сети, его хватит на 40 км свободного пробега. Суммарно запас хода составляет 437 км на электричестве и водороде.
Кроссовер Mercedes GLC F‑Cell. Первый в мире водородный гибрид: Оснащен водородным топливным элементом, двумя баками для хранения 4,4 кг водорода и литий-ионной тяговой батареей емкостью 13,8 кВт∙ч. Можно подзаряжать от бытовой сети, его хватит на 40 км свободного пробега. Суммарно запас хода составляет 437 км на электричестве и водороде.
Кроссовер Mercedes GLC F‑Cell. Первый в мире водородный гибрид: Оснащен водородным топливным элементом, двумя баками для хранения 4,4 кг водорода и литий-ионной тяговой батареей емкостью 13,8 кВт∙ч. Можно подзаряжать от бытовой сети, его хватит на 40 км свободного пробега. Суммарно запас хода составляет 437 км на электричестве и водороде.

В общем, те эксперты, которые спрогнозировали массовую электромобилификацию, забыли учесть их потребность в энергии.

И снова мечта человечества о свободе передвижения на своём автомобиле натыкается на энергетический барьер.

Но не всё так плохо, ведь есть страны, которые потребляют меньше энергоресурсов, чем производят. Например, Россия. Для России проблема электромобилификации к 2040 году стоит не столь остро и, возможно, мы будем чуть ли не единственной страной, где будут отсутствовать ограничения на зарядку электромобилей от домашней сети.

Ну вот и приехали...
Ну вот и приехали...
Ну вот и приехали...