كفاءة النقل على البنزين والبطاريات والهيدروجين

في هذه المقالة ، أود أن أوضح بالتفصيل مقدار فعالية كل تقنية بدرجة أو بأخرى حصريًا من حيث تكاليف الطاقة للحركة. لا يؤثر على المكون الاقتصادي أو غيره من عناصر تكلفة إنتاج النقل على مثل هذه القيادة والخدمة والبنية التحتية وغير ذلك الكثير.

لذلك دعونا نبدأ بالبنزين. ماذا نعرف؟ لتر واحد وزنه حوالي 750 جرام. وحوالي 10 كيلو واط ساعة من الطاقة المخزنة. ولكن ما مقدار الطاقة اللازمة للحصول على لتر واحد من البنزين في خزان السيارة؟ نحن نتجاهل أشياء مثل النقل والتخزين ، وما إلى ذلك ، ونحن نناقش فقط الإنتاج والمعالجة. متوسط العائد على الاستثمار في الطاقة (EROI) - نسبة الطاقة المستلمة إلى المستهلكة ، وربحية الطاقة. مصدر ويكيبيديا ) إنتاج النفط وتكريره إلى البنزين هو 5 ، أي نعطي الجزء 5 ، وهي 20 ٪. هذا يعني أنه سيتم إنفاق حوالي 2 كيلو واط ساعة من الطاقة لكل لتر من البنزين. لكن لديها أيضًا حوالي 10 كيلو واط من الطاقة المخزنة ، ويبدو أنها مربحة ، ولكن مع الأخذ في الاعتبار كفاءة محرك الاحتراق الداخلي ، ناقل الحركة ، إلخ. الكفاءة الكلية إذا كان سيكون هو نفسه 20 ٪ سيكون جيدا بالفعل. اتضح نوعًا من الجنون ، فقد صرفوا في البداية 2 كيلو واط ساعة من الطاقة للإنتاج والمعالجة ، ثم استخدموا فقط 2 كيلو واط ساعة للحركة ، وفقد الباقي في شكل حرارة إلى الغلاف الجوي ... سيكون أكثر إثارة للاهتمام عندما نقارن استهلاك نموذجين ، أحدهما باستخدام البنزين ICE والآخر مع البطاريات .

على سبيل المثال ، فورد فوكس. في إصدار البنزين ، سيكون الاستهلاك الفعلي حوالي 7l / 100km ، وفي الإصدار الكهربائي سيكون حوالي 14kW / 100km من البطارية (وليس من الشبكة ، سنعود إلى هذا). ما لدينا في نهاية المطاف:

• البنزين لم يقتطع فورد مترًا بعد ، لكن بالنسبة إلى 7 لترات من البنزين في الخزان ، فقد تم إنفاقها بالفعل من 14 كيلو وات في الساعة من الطاقة ؛
• سوف فورد الكهربائية على نفس الكمية من الطاقة يسافر حوالي 100 كم!

لكن مع السيارات الكهربائية ، يجب أن تكون دقيقًا في آخر التفاصيل ، ولا أتطرق إلى الجزء البيئي في هذه المقالة ، لكننا بحاجة أيضًا إلى الحديث عنها في حالة EM. أي أن الشاحن (الشاحن) لديه أيضًا خسائر لإعادة شحن EM من الشبكة. يبلغ متوسط ​​كفاءة الشاحن والبطارية عالية الجهد (VVB) حوالي 90 ٪. أي مع استهلاك 14kWh / 100km من الشبكة ، تحتاج إلى حوالي 15.5kWh لتشغيل 100km. في فصل الشتاء ، بالطبع ، أكثر من ذلك ، ل ينمو الاستهلاك بشكل كبير بسبب الأفران الكهربائية ، على الرغم من أن العديد من الأنظمة الكهرومغناطيسية تستخدم مضخة حرارية ، يمكن أن يكون الاستهلاك أكثر من 20 كيلو واط ساعة / 100 كم من الشبكة ، ولكن السيارات في ICE تستهلك أيضًا المزيد من الوقود في فصل الشتاء ...

ولكن هل يمكن لهذه الغاية؟ لا! ينطوي نقل الكهرباء في الشبكة أيضًا على خسائر ، ومن الصعب جدًا تحديدها ، لكن الأمر يستحق القول عن ذلك. في حالات مختلفة ، لدينا عدة تحويلات للكهرباء إلى جهد عالي لنقلها عبر مسافات طويلة ، ثم خفض الجهد للمستخدم النهائي. لا أجرؤ على التعبير عن أي أرقام متوسطة حتى مع وجود خسائر ، لكنني سأعرض صورة واحدة توضح أن الخسائر في خطوط الطاقة العامة تبلغ 64٪ تقريبًا ، أي ما يقرب من 2/3 من جميع الخسائر. أي كلما ابتعدت محطة توليد الكهرباء عن المستهلك ، كلما زادت الخسارة الطبيعية ...


متوسط ​​جدول الخسائر الإحصائية لشركة طاقة نموذجية. مصدر asutpp.ru

تعمل الطاقة المحلية على تخفيف هذا المؤشر ، وإذا كان لا يزال مصدرًا للطاقة المتجددة (RES) ، فمن الأفضل ، ولكن عن البيئة في وقت آخر. لقد تبين أنه من الصعب للغاية تحديد مقدار الطاقة التي تم إنفاقها على الحركة ، ولكن إذا وضعنا جانباً خسائر في نقل الكهرباء ، تمامًا كما لم نأخذ في الاعتبار التكاليف الإضافية لنقل النفط والبنزين ، سنحصل على الاستنتاج المذكور أعلاه: تقريبا نفس المسافة على نفس كمية الطاقة التي تم إنفاقها لإنتاج X لترا من البنزين لسيارة ICE. "

إذا كنا نتشتت للحظة ونتذكر المدة التي تستغرقها رسوم EM والكيلومترات لكل شحنة لا تناسب الجميع دائمًا ، ولكن إلى أي مدى يكون كل شيء سريعًا وبسيطًا على سيارة مع ICE ، هل تريد معرفة ما إذا كانت سيارة الهيدروجين يمكنها حل جميع المشكلات؟

أنا أفكر في سيارة تستخدم خلايا وقود الهيدروجين (FCs) ، حيث يتم خلط الهيدروجين مع الأكسجين في خلية الوقود ويتم استخدام الطاقة الكهربائية الناتجة في الحركة باستخدام محرك كهربائي ، ولا أختار خيار حقن الهيدروجين في محرك احتراق داخلي كسيارة تحتوي على HBO (الميثان) كمثال.

إذا كانت السيارة قصيرة جدًا على خلية وقود: فيمكنها التزود بالوقود بسرعة (على الرغم من عدم وجود الكثير من التزود بالوقود حتى الآن) ، "خزان ممتلئ" في حوالي 5 دقائق ويبلغ مداه اللائق حوالي 400-500 كم. على الرغم من أن Tesla باهظة الثمن على سبيل المثال وليس لديها أيضًا احتياطي طاقة يتراوح بين 400 و 500 كيلومتر (طرازات 400 كيلومتر منذ عام 2012) ، ولكن في أحسن الأحوال ، تشحن بسرعة 120 كم في 5 دقائق ، ولكن السيارات الموجودة على خلايا الوقود ليست رخيصة أيضًا. آسف لتراجع بلدي.

ولكن مدى فعالية السيارات على خلايا الوقود. في المتوسط ​​، يكون الاستهلاك الحقيقي لكل 100 كيلومتر في حدود 1 كجم من الهيدروجين لكل 100 كيلومتر. وما هو 1 كجم من الهيدروجين؟ أولاً ، دعنا نتحدث عن حقيقة أنه في المتوسط ​​بالنسبة لكل كيلوجرام واحد من الهيدروجين في الخزان ، تحتاج السيارة إلى إنفاق ما يقارب 50 كيلوواط / ساعة من الطاقة ، وفقًا لمعلومات من مصادر مختلفة. إذا كان الأمر كذلك ، فعندئذ تكون أقل من 2-3 مرات من التحرك على BEV ، وهي سيارة كهربائية مزودة ببطاريات ، لأن السيارة الموجودة في خلية الوقود هي أيضًا سيارة كهربائية ، والتي تحتوي أيضًا على VVB عازلة صغيرة.

دعونا نتحقق مما إذا كان ما يصل إلى 50 كيلو واط ساعة من الطاقة لكل كيلوغرام واحد من الهيدروجين. لأن لتر واحد من الهيدروجين يزن 0.09 غرام ، ثم في 1 كجم من الهيدروجين لدينا حوالي 11.111 لتر. على سبيل المثال ، لإنتاج 1000 لتر من الهيدروجين عن طريق التحليل الكهربائي للماء على نطاق صناعي ، هناك حاجة إلى حوالي 4 كيلو واط ساعة من الطاقة ، نحصل على 44.444 كيلو واط في الساعة مقابل 11.111 لتر. ولكن لوضع أكثر من 11 ألف لتر من الغاز في خزان بحجم معقول ، يتم تسخين الهيدروجين عن طريق التبريد متعدد المراحل ، وهو أيضًا يستهلك الكثير من الطاقة! لذلك يبدو أن 50 كيلو واط في الساعة لكل كيلوجرام من الهيدروجين صحيح.

ربما يكون الاستهلاك التقريبي البالغ 1 كجم / 100 كم مبالغًا فيه ، لكنه في الواقع أقل بكثير؟ نحن نتحقق. أثناء تفاعل الهيدروجين مع الأكسجين ، يتم إطلاق حوالي 3 كيلو واط ساعة من الطاقة عند استخدام 1000 لتر من الهيدروجين. لسوء الحظ ، تبلغ كفاءة خلايا الوقود الحديثة حوالي 50٪ ، مما يعني أنه من بين 1 كجم أو 11.111 لترًا من الهيدروجين بدلاً من 33.33 كيلو واط / ساعة من الطاقة المحتملة ، يتم "الاستيلاء" على نصفها فقط ، أي ~ 16.67 كيلو واط ساعة. أي هناك خسائر ، تحتاج أيضا إلى تبريد لائق. هناك خسائر في تكلفة VVB المخزن مؤقتًا ، ونتيجة لذلك ، نحصل على استهلاك فورد نفسه على البطاريات ... لا يمكن خداع الفيزياء كما أن استهلاك 1 كجم من الهيدروجين لكل 100 كيلومتر يشبه أيضًا الحقيقة. لجميع أنواع السيارات هناك مراجعات طويلة ، والاختبارات والقياسات واستهلاك البنزين / الكهرباء / الهيدروجين لم يكن سرا لفترة طويلة.

كما ترون ، لا يوجد شيء مثالي اليوم:

• لا تزال السيارة على محرك الاحتراق الداخلي هي الأكثر ملاءمة ، ولكنها الأكثر فاعلية ؛
• السيارة التي تعمل بالبطاريات هي الأكثر كفاءة ، ولكنها ليست الأكثر ملاءمة ؛
• سيارة خلية الوقود مريحة تقريبًا مثل سيارة الغاز ، إذا كان هناك العديد من محطات غاز الهيدروجين ، ولكن في مكان ما في الوسط من حيث الكفاءة.

دعونا الآن نفكر قليلاً في آفاق المستقبل.

لقد تم ضغط ICE بالفعل في إمكاناته إلى أقصى حد ، وكفاءة المحرك الكهربائي والتحكم به (وحدة التحكم) مرتفعة إلى حد ما ، 90-95 ٪ ولن يؤدي تحسين الكفاءة إلى تحسن ملموس في كفاءة استخدام الطاقة. على سبيل المثال ، حققت السيارة الكهربائية Tesla Model S ، عند التبديل إلى نوع مختلف من المحرك والمواد لجهاز التحكم ، زيادة بسيطة في عدد الكيلومترات على شحنة واحدة بنفس سعة البطارية ، أي انخفاضًا طفيفًا في الاستهلاك ، أعتقد أنه لا يوجد مكان لمزيد من التحسين ، وسوف يتم إجراء مزيد من التحسينات في مجال كيمياء البطارية. لكن السيارات على خلايا الوقود لا تزال لديها إمكانات. أولاً ، انخفاض في تكلفة إنتاج الهيدروجين من 4ex إلى 3ex kWh لكل 1000l. وثانيا ، رفع كفاءة خلية الوقود ، على سبيل المثال ، إلى 75 ٪ على الأقل ، ثم في الناتج نحصل على حوالي 39 كيلو واط ساعة من التكاليف لكل كيلوغرام واحد من الهيدروجين (34 كيلو واط ساعة للتحليل الكهربائي + حوالي 5 كيلو واط ساعة للتسييل) ، والتي سيكون من الممكن بالفعل السفر 150 كم ، أي بمعدل تدفق يبلغ 26 كيلو واط ساعة / 100 كيلومتر الآن بدلاً من 50 كيلو واط ساعة / 100 كيلومتر اليوم.

بالإضافة إلى كل هذا ، يحتاج العالم كل يوم أكثر وأكثر إلى تكنولوجيا تخزين طاقة فعالة وبأسعار معقولة ، ولكن هذا الموضوع مخصص لمقال آخر.

شكرا لاهتمامكم