Дослідження: електро VS дизель — яка технологія більш ефективна у реальному житті?

Португальські вчені виміряли витрату енергії на «живому маршруті» – і результати виявилися красномовнішими за будь-які паспортні дані

Чому лабораторні цифри не вирішують суперечку? 

Дискусія про ефективність електромобілів давно вийшла за межі наукових журналів. Виробники наводять вражаючі цифри ККД, регулятори ухвалюють стандарти на кшталт NEDC або WLTP, а скептики стверджують, що в реальному житті все виглядає інакше. Проблема полягає в тому, що більшість порівняльних досліджень або оперують теоретичними моделями, або спираються на показники, виміряні в контрольованих лабораторних умовах. Справжніх дорожніх тестів, що дозволяють порівняти електричний і дизельний автомобіль (а саме дизель найбільш ефективний із двигунів внутрішнього згорання) в однакових умовах і на однакових маршрутах, було надзвичайно мало

Саме цю прогалину і спробували заповнити дослідники з університету Мінью (Португалія) – Хорхе Мартінс, Франсіско Брито та їхні колеги. Їхня робота, опублікована у збірнику Grid Electrified Vehicles від Nova Science Publishers, описує серію ретельно спланованих дорожніх випробувань двох схожих автомобілів: Renault Fluence Z.E. в електричній версії та Renault Megane з турбодизельним двигуном. Обидві машини надала Renault Portugal спеціально для цих тестів. Цікаво, що обидві моделі досить популярні і серед українських автомобілістів

Дослідження охоплює три типи маршрутів: короткі заїзди на рівній дорозі при постійній швидкості від 40 до 120 км/год, підйоми на ухилі 6% і тривала поїздка протяжністю понад 120 км між містами Гімарайнш і Віла-Нова-де-Гая по автомагістралі. Такий набір дає змогу проаналізувати поведінку обох силових агрегатів у принципово різних умовах: від міського повзання до стабільного трасового темпу і важкого підйому

Два автомобілі, які мають принципові відмінності 

Перш ніж переходити до результатів, варто зупинитися на самих машинах, бо їхні технічні характеристики уже самі по собі ілюструють ключову різницю між двома технологіями

Renault Fluence Z.E. важить 1605 кг – на 23% більше, ніж дизельний Megane з його 1307 кг. Вся ця різниця пояснюється просто: акумулятор. Літій-іонна батарея ємністю 22 кВт-год та масою кількасот кілограмів – необхідна «плата» за можливість їздити без бензину. При цьому електричний мотор у Fluence Z.E. видає 70 кВт, а дизель у Megane – 77 кВт. Тобто легший автомобіль тут іще й потужніший, що дозволяє йому розганятися до 100 км/год за 11,9 секунди проти 13,7 секунди у важчого електромобіля

Різниця в запасі ходу разюча і водночас дуже показова. Повний бак дизельного Megane містить паливо з тепловим еквівалентом 701 кВт-год – у тридцять разів більше, ніж акумулятор Fluence Z.E. Але при цьому дизельний автомобіль може проїхати 1363 км, а електричний – лише 185 км, тобто в 7,4 рази менше. Співвідношення між запасом ходу і запасом енергії – наочний показник ефективності: якщо б обидва приводи мали однаковий ККД, різниця в дальності була б тридцятикратною, а не семикратною. Те, що вона значно менша, вже апріорі свідчить про суттєво вищу енергоефективність електричного приводу

Ефективність на рівній дорозі – двократна перевага електрокара! 

Короткі заїзди на рівній ділянці протяжністю 1 км у кожному напрямку при фіксованій швидкості – найчистіший з можливих порівняльний тест. Жодних підйомів, жодних змін швидкості, жодних сторонніх факторів. Рух контролювався круїз-контролем обох автомобілів із точністю до ±2 км/год

Результат виявився однозначним. На всьому діапазоні швидкостей від 40 до 110 км/год дизельний Megane споживав щонайменше вдвічі більше енергії, ніж електричний Fluence Z.E. Причому відношення не залишалося постійним: на нижчих швидкостях дизель поступався електромобілю ще відчутніше. На швидкості 40 км/год різниця у витраті енергії сягала 3,5 рази і більше, тоді як на 110 км/год вона скорочувалася приблизно до двох разів

Пояснення цьому явищу криється в принциповій відмінності між електричним мотором і двигуном внутрішнього згоряння. ДВЗ має вузьку «зону ефективності» – режим навколо максимального навантаження та помірних обертів, де він спроможний досягти 40% ККД. При частковому навантаженні – характерному для невисоких швидкостей і рівного рельєфу – ефективність дизеля різко падає, нерідко до 20% і нижче. Електричний мотор, навпаки, добре тримає ефективність у широкому діапазоні режимів і до того ж не страждає від холостого ходу і малоефективних перших передач, характерних для автомобілів із ДВЗ

Цікаво, що обидва автомобілі демонструють квадратичне зростання споживання потужності зі швидкістю, що цілком відповідає фізиці: аеродинамічний опір і в’язкий опір в деталях трансмісії зростають квадратично зі швидкістю. Але масштаб цих кривих суттєво відрізняється: на осях графіків для дизельного автомобіля та електромобіля між шкалами стоїть чіткий коефіцієнт 2

Довга дорога, але ті самі закономірності, лише в інших умовах

Довгий маршрут між Гімарайншем і Гаєю дозволив перевірити, чи зберігаються виявлені закономірності на реальній трасі з рельєфом, поворотами, пунктами збору плати та неминучими прискореннями і гальмуваннями

Маршрут проходив по холмистій місцевості: перепад висот від 50 до 250 метрів. Майже 80% загальної відстані дослідники пройшли зі швидкістю, дуже близькою до заданого значення 100 км/год, – круїз-контроль справлявся добре. Дорога повністю симетрична в обидва боки, що дозволяло коректно порівнювати поїздку «туди» і «назад» 

Для електромобіля тестували швидкості від 80 до 120 км/год, для дизельного – від 90 до 110 км/год. На всьому цьому діапазоні дизельний автомобіль знову споживав більш ніж удвічі більше енергії, ніж електричний: відношення становило від 2,1 до 2,5 залежно від швидкості. Цифри дещо нижчі, ніж на ідеально рівному відрізку, – але закономірність та сама: перевага електромобіля наочна в реальному житті, і лише підтверджує висновки лабораторних умов

Показово, що поїздка «туди» (вниз по рельєфу, з Гімарайнша, що лежить на висоті 200 м, до Гаї на висоті 50 м) виявилася на 20% економнішою, ніж повернення. Різниця між «туди» і «назад» у дизельному автомобілі мала б бути такою самою за своєю природою. Але електромобіль цю різницю відчуває з певною особливістю: він не тільки менше споживає на спуску, але й здатний повертати частину енергії через рекуперативне гальмування. Щоправда, у рамках цього конкретного дослідження рекуперація не вимірювалася окремо – автомобіль рухався з постійною швидкістю, і ситуацій для значного рекуперативного гальмування майже не виникало

Підйом у гору – вдизель наздоганяє 

Окремо дослідники аналізували найстрімкіші ділянки маршруту з ухилом 6% – умови, при яких обидва двигуни змушені працювати на значно вищій потужності, ніж на рівнині

Тут різниця між двома технологіями скорочувалася: відношення споживання дизельного автомобіля до електричного опускалося до 2,1, тоді як на рівній дорозі воно могло перевищувати 3,5. Це цілком логічно: на підйомі ДВЗ наближається до режиму максимального навантаження, де його ефективність найвища. Класичний тепловий двигун «любить» важку роботу – і на підйомі він нарешті отримує умови, близькі до його оптимуму

Водночас і електричний мотор на підйомі споживає суттєво більше, і тут у нього виникає інша проблема: акумулятор починає нагріватися

Нагрів акумулятора: несподівана проблема 

Мабуть, найцікавіше і найнеочікуваніше відкриття дослідження пов’язане не з самою їздою, а з тим, що відбувається після неї – під час зарядки

У ході тестів дослідники вимірювали не лише витрату енергії під час руху, але й кількість електроенергії, яку довелося закачати з мережі, щоб відновити рівень заряду батареї до початкового. Різниця між «витраченою» і «поверненою» енергією відображає сукупну ефективність зарядного пристрою та самого акумулятора

При швидкостях до 100 км/год ця різниця становила близько 25%: тобто щоб «відновити» кілограм витраченої рушійної енергії, потрібно було взяти з мережі приблизно 1,25 кг еквіваленту. Це очікувані втрати в зарядному ланцюзі та батареї – типові значення ефективності бортового зарядного пристрою близько 94%, а ефективності самого акумулятора під час зарядки близько 85%

Однак при більших швидкостях – 110 і 120 км/год – картина різко змінилася. Для виїздів на цих швидкостях зарядний пристрій вимагав не 25, а 47% надлишкової енергії порівняно з витраченою. Одночасно вмикався і довго не вимикався вентилятор охолодження акумулятора 

Дослідники це пояснюють тепловою деградацією: при інтенсивній їзді на великій швидкості акумулятор розігрівається до підвищеної температури, при якій і ефективність розрядки, і ефективність подальшої зарядки погіршуються. При цьому тепло, що виділяється внаслідок зниженої ефективності, ще більше нагріває батарею – виникає самопідтримуваний цикл, з якого штатна система охолодження Renault Fluence Z.E. виходила з трудом 

Вчені кажуть, що така поведінка вказує на потребу в потужнішій системі термоменеджменту акумулятора. Втім, сучасні електромобілі зазвичай вже оснащені рідинним охолодженням батарей, здатним підтримувати оптимальну температуру навіть при тривалій їзді на автомагістралі

Окремого розгляду заслуговує процес зарядки як такий 

Дослідники монтували аналізатор якості живлення FLUKE 435 між побутовою мережею та зарядним пристроєм Fluence Z.E. і фіксували всі параметри: напругу, струм, активну та реактивну потужність, коефіцієнт потужності та гармонічні спотворення

Результати виявилися здебільшого позитивними. Зарядний пристрій автомобіля працював із коефіцієнтом потужності рівно 1,00 і майже синусоїдальним споживанням струму – сумарний коефіцієнт гармонічних спотворень (THD) складав лише 5%, що є цілком прийнятним показником для промислових споживачів. Напруга в мережі при підключенні злегка просідала, але залишалася в межах ±10%, допустимих за європейським стандартом EN 50160

Зарядний пристрій підтримував постійний струм близько 10 А протягом усього процесу, переходячи на нестабільний режим лише в останні 10 хвилин – під час фази балансування. Все це свідчить про якісну реалізацію зарядної схеми і мінімальний вплив на мережу при підключенні

Дослідники також зазначають, що при масовому поширенні електромобілів регулювання процесу зарядки стане критично важливим для підтримки якості живлення в мережі. Ідеальним рішенням у майбутньому є smart grid з можливістю не лише заряджати автомобілі (Grid-to-Vehicle, G2V), але й повертати накопичену енергію назад у мережу в пікові години (Vehicle-to-Grid, V2G). Fluence ZE 2013 року цю можливість не підтримував – але напрям розвитку був уже очевидний

Узагальнений результат дослідження зводиться до одного числа – або, точніше, до діапазону чисел: електроенергія, яку довелося взяти з мережі для поїздки електромобілем, становила від 49 до 61% від теплового еквіваленту пального, спожитого дизельним автомобілем на тому самому маршруті при тій самій швидкості

Іншими словами, навіть з урахуванням усіх втрат у зарядному ланцюзі – зарядний пристрій, акумулятор – електромобіль забирає з первинного джерела енергії майже вдвічі менше, ніж дизельний автомобіль

Цей результат важливий ще й тому, що його отримано у режимі «від розетки до коліс» (Tank-to-Wheel у традиційній термінології, або, точніше, Grid-to-Wheel з урахуванням зарядних втрат) – найбільш реалістичній з практичної точки зору перспективи. Водночас дослідники чесно обмовляються: для повного порівняння потрібен аналіз Well-to-Wheel – тобто з урахуванням того, яким шляхом і з якими витратами виробляється та електроенергія, що йде з розетки

У Португалії 2012 року, коли проводилися тести, питомі викиди від виробництва електрики складали в середньому 229 г/кВт-год – завдяки значній частці вітрової генерації. У пікові місяці відновлюваного виробництва цей показник падав до 100 г/кВт-год, у «вугільні» місяці – зростав до 300 г/кВт-год. Для порівняння: спалювання дизеля генерує близько 264 г CO₂ на кожну витрачену кіловат-годину теплової енергії. Тобто навіть на «брудному» вечірньому міксі двократна перевага в ефективності перекривала вуглецевий слід від виробництва електрики

Дослідження опубліковане у 2013 році, і з того часу ринок змінився кардинально

Renault Fluence Z.E. з батареєю 22 кВт-год і запасом ходу до 110 км у реальних умовах – це перше покоління масових електромобілів, яке сьогодні виглядає вже майже як ретро. Сучасні електромобілі мають батареї від 40 до 100+ кВт-год, рідинне охолодження акумулятора, теплові насоси для клімат-контролю і значно вдосконалені зарядні ланцюги

Але базова фізика, зафіксована у цій роботі, нікуди не поділася: електричний мотор фундаментально ефективніший за тепловий на низьких і середніх навантаженнях. Переваги електрокару у місті – ще більш разючі, ніж на трасі, де дизель наближається до свого оптимального режиму. Нагрів акумулятора при інтенсивній їзді – реальна проблема, яку виробники вирішили рідинним термоменеджментом. Втрати при зарядці – реальні, але навіть з їх урахуванням загальний баланс на боці електрики

Португальські вчені вийшли з лабораторії на живу дорогу і перевірили теорію практикою. Їхній висновок – понад двократна перевага електричного приводу в ефективності – залишається актуальним і сьогодні, просто в сучасному електромобілі він проявляється ще виразніше