Плюсы и минусы электрокаров

Популярная на форуме тема, часто с расчетами и доводами. Решил присоединиться к обсуждению.
О любви так много песен слажено, я слажаю вам сейчас еще одну. (C)

Для начала про энергоэффективность электрокаров. Сколько электроэнергии потребуется, что перевести все транспортные средства в России с ДВС на электричество. Проведем небольшой расчет. Вот данные по использованию моторного топлива за 2015 год

Расчитаем энергию, ведяляемую от сжигания этого топлива. Берем удельную теплоту сгорания отсюда - Удельная теплота сгорания топлива и горючих материалов 

Килограмм бензина  АИ-93 дает 43,6 МДж, дизельного топлива 43,5 МДж, пропана-бутана 46 Мдж.
Переводим тонны топлива в  килограммы, умножаем на удельную теплоту сгорания и получаем
бензин 4,36*10⁷ * 3,86*10¹⁰ = 16,8*10¹⁷ Дж
ДТ 4,35*10⁷ * 2,4*10¹⁰ = 10,4*10¹⁷ Дж
газ 4,6*10⁷ * 0,14*10¹⁰ = 0,6*10¹⁷ Дж

Итого 27,8*10¹⁷ Дж.
Переводим в кВт*ч, получаем 7,72*10¹¹ кВт*ч или 772 млн МВт*ч

Для сравнения, выработка электроэнергии в России в 2018-м году составила 1092 млн Мвт*ч.

Правда 772 млн МВт*ч - это тепловая энергия. Столько энергии выделяется при сгорании топлива. Рабочую мощность рассчитываем с помощью КПД. КПД современного ДВС примерно 25%. После двигателя горячие газы еще вырабатывают электричество в генераторе и греют воздух в обогревателе. Общий КПД в пике потребления может превышать 30%. Среднегодовой КПД рассчитать точно невозможно, возьмем условно 27%. Получаем полезную энергию от сжигания этих 64 млн топлива в  210 млн МВт*ч.

КПД электродвигателя 80-90%. Плюс отсутствие необходимости в поддержке холостого хода, отсутствие потерь на коробке передач и возврат энергии при торможении. Кроме электродвигателя нужно рассчитать все дополнительные затраты на питание бортовой электрики и обогреватель. Получаем требуемую электрическую мощность порядка 240-260 млн МВт*ч.

В принципе не так много. Выработка энергии должна будет увеличиться всего на четверть. 

Если рассматривать электрокар в модели сверхъемкого аккумулятора, то он превосходит авто на ДВС по всем параметрам. Конструкция проще, компактней, безопасней, экономичней и экологичней.  Энергоэффективность также выше. Даже если дополнительную энергию нарастить исключительно за счет ТЭС, цепочка электростанция - электродвигатель будет иметь КПД в 1,5-2 раза выше чем у ДВС. КПД современных парогенераторов 40-45%, парогазовых установок 50-60%.  В качестве топлива для ТЭС можно использовать природный газ, что экологично, или уголь, что дешево. В любом случае источник загрязнения уходит из мест скопления людей за города, а утилизовать выбросы на электростанциях проще, чем на миллионах авто. Наращивать же мощность можно и за счет ГЭС и АЭС.

Остается только одна проблема - как передавать эту энергию. Провода не вариант, с передачей по воздуху тоже пока не складывается. Остаются только химические аккумуляторы. И вот тут, увы, вся идиллия сходит на нет. Удельная емкость химических аккумуляторов слишком мала. Для сравнения вернемся к энергетическим характеристикам. При сгорании 1 кг бензина (1,25 л) выделяется 43,6 МДж энергии, или 12100 Вт*ч. Емкость самых совершенных литий-полимерных аккумуляторов - 270 Вт*ч/кг. Разница в 45 раз при низком токе и ограниченном числе циклов перезарядки. Сильноточные литий-ионные аккумуляторы с большим количеством циклов перезарядки имеют удельную емкость около 100 Вт*ч/кг. Разница более чем в 100 раз. Т.е. 1 кг бензина можно заменить 120 кг аккумуляторов. А бензобак в 40 л (32 кг бензина) примерно 4 тоннами аккумуляторов. Такая масса сама по себе уже увеличивает энергопотребление. Это в дополнение к сильной температурной зависимости и деградации по мере работы.

Обычно все уповают на научно-технический прогресс. Мол думал ли кто еще 30 лет назад, в эпоху свинцовых аккумуляторов, что можно будет в маленькую батарею впихнуть многие амперчасы. Вообще-то думали. Свинец далеко не самый легкий металл, и замена его на металлы с меньшей удельным весом должна была резко увеличить емкость в пересчете на массу. В итоге пришли к самому легкому металлу - литию. Это третий элемент таблицы Менделеева, легче него только гелий и водород. Чистый литий в качестве катода и анода использоваться не может, нужны соединение с другими, более тяжелыми элементами, например титаном, железом и марганцем. Все разработки в последнее время идут в направлении как подобрать более легкие элементы для катода и анода и более легкие электролиты. Резервы в этом направлении еще есть, но уже ограниченные. Возможен рост емкости в десятки процентов, может даже в несколько раз. Но это уже физический и химический предел.

Из химических аккумуляторов практически выжали все что можно, а что-то качественно превосходящее на горизонте не просматривается. Топливные ячейки - геморройно, дорого и на порядок уступают бензину по энергоэффективности. Ядерные батарейки на бета-распаде пока очень дороги и маломощны. Плазменные накопители - это еще скорее из фантастики. Так что хотелось бы верить в прорыв, но непонятно откуда он возьмется.

Ну и отдельная история это производство батарей. Нужно сначала добыть литий и прочие ингридиенты, включая редкоземельные катализаторы, транспортировать все это, изготовить батареи, упаковать в пластмассовый корпус, а после выработки ресурса утилизировать. Экологам в данный процесс лучше вообще не вникать во избежании сердечного приступа. А вот если рассчитать затраты топлива, полимеров из углеводородов, электричества в процессе производства, то хорошо если аккумулятор за все свои циклы разрядки сможет выдать столько энергии. Проще говоря, если просто сжигать нефть как топливо, будет экологичней и энергоэффективней.

Но любители экологии обычно в такие вещи не вникают.