Исследование: электро VS дизель – какая технология более эффективна в реальной жизни?

Португальские ученые измерили расход энергии на «живом маршруте» – и результаты оказались красноречивее любых паспортных данных

Почему лабораторные цифры не разрешают спор? 

Дискуссия об эффективности электромобилей давно вышла за рамки научных журналов. Производители приводят впечатляющие цифры КПД, регуляторы принимают стандарты типа NEDC или WLTP, а скептики утверждают, что в реальной жизни все выглядит иначе. Проблема состоит в том, что большинство сравнительных исследований либо оперируют теоретическими моделями, либо опираются на показатели, измеренные в контролируемых лабораторных условиях. Настоящих дорожных тестов, позволяющих сравнить электрический и дизельный автомобиль (а именно дизель наиболее эффективный из двигателей внутреннего сгорания) в одинаковых условиях и на одинаковых маршрутах, было очень мало

Именно этот пробел и попытались восполнить исследователи из университета Минью (Португалия) – Хорхе Мартинс, Франсиско Брито и их коллеги. Их работа, опубликованная в сборнике Grid Electrified Vehicles от Nova Science Publishers, описывает серию тщательно спланированных дорожных испытаний двух подобных автомобилей Renault Fluence Z.E. в электрической версии и Renault Megane с турбодизельным двигателем. Обе машины предоставила Renault Portugal специально для этих тестов. Интересно, что обе модели достаточно популярны и среди украинских автомобилистов

Исследование включает три типа маршрутов: короткие заезды на ровной дороге при постоянной скорости от 40 до 120 км/ч, подъемы на уклоне 6% и длительная поездка протяженностью более 120 км между городами Гимарайнш и Вила-Нова-де-Гая по автомагистрали. Такой набор позволяет проанализировать поведение обоих силовых агрегатов в принципиально разных условиях: от городского ползания до стабильного трассового темпа и тяжелого подъема

Два автомобиля, имеющих принципиальные отличия 

Прежде чем переходить к результатам, следует остановиться на самих машинах, потому что их технические характеристики уже сами по себе иллюстрируют ключевую разницу между двумя технологиями

Renault Fluence Z.E. весит 1605 кг – на 23% больше, чем дизельный Megane с его 1307 кг. Все это различие объясняется просто: аккумулятор. Литий-ионная батарея емкостью 22 кВт-ч и массой в несколько сотен килограммов – необходимая «плата» за возможность ездить без бензина. При этом электрический мотор у Fluence Z.E. выдает 70 кВт, а дизель в Megane – 77 кВт. То есть более легкий автомобиль здесь еще и более мощный, что позволяет ему разгоняться до 100 км/ч за 11,9 секунды против 13,7 секунды у более тяжелого электромобиля

Разница в запасе хода поразительна и в то же время очень показательна. Полный бак дизельного Megane содержит топливо с тепловым эквивалентом 701 кВт-ч – в тридцать раз больше, чем аккумулятор Fluence Z.E. Но при этом дизельный автомобиль может проехать 1363 км, а электрический – всего 185 км, то есть в 7,4 раза меньше. Соотношение между запасом хода и запасом энергии – наглядный показатель эффективности: если бы оба привода имели одинаковый КПД, разница в дальности была бы тридцатикратной, а не семикратной. То, что она значительно меньше, уже априори свидетельствует о существенно более высокой энергоэффективности электрического привода

Эффективность на ровной дороге – двукратное преимущество электрокара! 

Короткие заезды на ровном участке протяженностью 1 км в каждом направлении при фиксированной скорости – самый чистый из возможных сравнительных тестов. Никаких подъемов, никаких изменений скорости, никаких посторонних факторов. Движение контролировалось круиз-контролем обоих автомобилей с точностью до ±2 км/ч

Результат оказался однозначным. На всем диапазоне скоростей от 40 до 110 км/ч дизельный Megane потреблял не менее вдвое больше энергии, чем электрический Fluence Z.E. Причем отношение не оставалось постоянным: на более низких скоростях дизель уступал электромобилю еще более ощутимо. На скорости 40 км/ч разница в расходе энергии достигала 3,5 раза и более, в то время как на 110 км/ч она сокращалась примерно до двух раз

Объяснение этому явлению кроется в принципиальном отличии между электрическим мотором и двигателем внутреннего сгорания. ДВС имеет узкую «зону эффективности» – режим вокруг максимальной нагрузки и умеренных оборотов, где он может достичь 40% КПД. При частичной нагрузке – характерной для невысоких скоростей и ровного рельефа – эффективность дизеля резко падает, нередко до 20% и ниже. Электрический мотор, напротив, хорошо держит эффективность в широком диапазоне режимов и к тому же не страдает холостым ходом и малоэффективными первыми передачами, характерными для автомобилей с ДВС

Интересно, что оба автомобиля демонстрируют квадратичный рост потребления мощности со скоростью, что полностью соответствует физике: аэродинамическое сопротивление и вязкое сопротивление в деталях трансмиссии растут квадратично со скоростью. Но масштаб этих кривых существенно отличается: на осях графиков для дизельного автомобиля и электромобиля между шкалами стоит четкий коэффициент

Долгая дорога, но те же закономерности, только в других условиях 

Длинный маршрут между Гимарайншем и Гаей позволил проверить, сохраняются ли выявленные закономерности на реальной трассе с рельефом, поворотами, пунктами сбора платы и неизбежными ускорениями и торможениями

Маршрут проходил по холмистой местности: перепад высот от 50 до 250 метров. Почти 80% общего расстояния исследователи прошли со скоростью, очень близкой к заданному значению 100 км/ч – круиз-контроль справлялся хорошо. Дорога полностью симметрична в обе стороны, что позволяло корректно сравнивать поездку «туда» и «обратно»

Для электромобиля тестировали скорости от 80 до 120 км/ч, для дизельного – от 90 до 110 км/ч. На всем этом диапазоне дизельный автомобиль снова потреблял более чем вдвое больше энергии, чем электрический: отношение составляло от 2,1 до 2,5 в зависимости от скорости. Цифры несколько ниже, чем на идеально ровном отрезке, но закономерность та же: преимущество электромобиля наглядно в реальной жизни, и лишь подтверждает выводы лабораторных условий

Показательно, что поездка «туда» (вниз по рельефу, с лежащей на высоте 200 м Гимарайнша в Гаю на высоте 50 м) оказалась на 20% экономнее, чем возвращение. Разница между «туда» и «обратно» в дизельном автомобиле должна быть такой же по своей природе. Но электромобиль эту разницу ощущает с определенной особенностью: он не только меньше потребляет на спуске, но и способен возвращать часть энергии из-за рекуперативного торможения. Правда, в рамках этого конкретного исследования рекуперация не измерялась отдельно – автомобиль двигался с постоянной скоростью, и ситуаций для значительного рекуперативного торможения почти не возникало

Подъем в гору — дизель догоняет

Отдельно исследователи анализировали самые стремительные участки маршрута с уклоном 6% – условия, при которых оба двигателя вынуждены работать на более высокой мощности, чем на равнине

Здесь разница между двумя технологиями сокращалась: отношение потребления дизельного автомобиля к электрическому опускалось до 2,1, тогда как на ровной дороге оно могло превышать 3,5. Это вполне логично: на подъеме ДВС приближается к режиму максимальной нагрузки, где его эффективность самая высокая. Классический тепловой двигатель «любит» тяжелую работу – и на подъеме он наконец-то получает условия, близкие к его оптимуму

В то же время, и электрический мотор на подъеме потребляет существенно больше, и здесь у него возникает другая проблема: аккумулятор начинает нагреваться

Нагрев аккумулятора: неожиданная проблема 

Пожалуй, самое интересное и неожиданное открытие исследования связано не с самой ездой, а с происходящим после нее – во время зарядки

В ходе тестов исследователи измеряли не только расход энергии во время движения, но и количество электроэнергии, которую пришлось скачивать из сети, чтобы восстановить уровень заряда батареи до начального. Разница между «израсходованной» и «возвращенной» энергией отражает совокупную эффективность зарядного устройства и самого аккумулятора

При скоростях до 100 км/ч эта разница составляла около 25%: то есть, чтобы «восстановить» килограмм израсходованной движущей энергии, нужно было взять из сети примерно 1,25 кг эквивалента. Это ожидаемые потери в зарядной цепи и батарее – типичные значения эффективности бортового зарядного устройства около 94%, а эффективности самого аккумулятора при зарядке около 85%

Однако при больших скоростях – 110 и 120 км/ч – картина резко изменилась. Для выездов на этих скоростях зарядное устройство требовало не 25, а 47% избыточной энергии по сравнению с израсходованной. Одновременно включался и долго не выключался охлаждающий вентилятор аккумулятора

Исследователи объясняют это тепловой деградацией: при интенсивной езде на большой скорости аккумулятор разогревается до повышенной температуры, при которой и эффективность разрядки, и эффективность дальнейшей зарядки ухудшаются. При этом тепло, выделяемое в результате пониженной эффективности, еще больше нагревает батарею – возникает самоподдерживаемый цикл, из которого штатная система охлаждения Renault Fluence Z.E. выходила с трудом

Ученые говорят, что такое поведение указывает на необходимость более мощной системы термоменеджмента аккумулятора. Впрочем, современные электромобили обычно уже оснащены жидкостным охлаждением батарей, способным поддерживать оптимальную температуру даже при продолжительной езде на автомагистрали

Отдельного рассмотрения заслуживает процесс зарядки как таковой 

Исследователи монтировали анализатор качества питания FLUKE 435 между бытовой сетью и зарядным устройством Fluence Z.E. и фиксировали все параметры: напряжение, ток, активную и реактивную мощность, коэффициент мощности и гармонические искажения

Результаты оказались в основном положительными. Зарядное устройство автомобиля работало с коэффициентом мощности ровно 1,00 и почти синусоидальным потреблением тока – суммарный коэффициент гармонических искажений (THD) составлял всего 5%, что является вполне приемлемым показателем для промышленных потребителей. Напряжение в сети при подключении слегка проседало, но оставалось в пределах ±10%, допустимых по европейскому стандарту EN 50160

Зарядное устройство поддерживало постоянный ток около 10 А в течение всего процесса, переходя на нестабильный режим только в последние 10 минут – во время фазы балансировки. Все это свидетельствует о качественной реализации зарядной схемы и минимальном влиянии на сеть при подключении

Исследователи также отмечают, что при массовом распространении электромобилей регулировка процесса зарядки станет критически важной для поддержания качества питания в сети. Идеальным решением в будущем является smart grid с возможностью не только заряжать автомобили (Grid-to-Vehicle, G2V), но и возвращать накопившуюся энергию обратно в сеть в пиковые часы (Vehicle-to-Grid, V2G). Fluence ZE 2013 года эту возможность не поддерживал – но направление развития было уже очевидно

Обобщенный результат исследования сводится к одному числу – или, точнее, к диапазону чисел: электроэнергия, которую пришлось взять из сети для поездки по электромобилю, составляла от 49 до 61% от теплового эквивалента топлива, потребленного дизельным автомобилем на том же маршруте при той же скорости

Иными словами, даже с учетом всех потерь в зарядной цепи – зарядное устройство, аккумулятор – электромобиль уносит из первичного источника энергии почти вдвое меньше, чем дизельный автомобиль

Этот результат важен еще и потому, что он получен в режиме от розетки до колес (Tank-to-Wheel в традиционной терминологии, или, точнее, Grid-to-Wheel с учетом зарядных потерь) – наиболее реалистичной с практической точки зрения перспективы. В то же время исследователи честно оговариваются: для полного сравнения требуется анализ Well-to-Wheel – то есть с учетом того, каким путем и с какими затратами производится та электроэнергия, идущая из розетки

В Португалии 2012 года, когда проводились тесты, удельные выбросы от производства электричества составляли в среднем 229 г/кВт-ч благодаря значительной доле ветровой генерации. В пиковые месяцы возобновляемого производства этот показатель падал до 100 г/кВт-ч, в «угольные» месяцы – рос до 300 г/кВт-ч. Для сравнения: сжигание дизеля генерирует около 264 г CO₂ на каждый израсходованный киловатт-час тепловой энергии. То есть даже на «грязном» вечернем миксе двукратное преимущество в эффективности перекрывала углеродный след от производства электричества

Исследование опубликовано в 2013 году, и с тех пор рынок изменился кардинально

Renault Fluence Z.E. с батареей 22 кВт-ч и запасом хода до 110 км в реальных условиях – это первое поколение массовых электромобилей, которое сегодня выглядит почти как ретро. Современные электромобили имеют батареи от 40 до 100 кВт-ч, жидкостное охлаждение аккумулятора, тепловые насосы для климат-контроля и значительно усовершенствованные зарядные цепи

Но базовая физика, зафиксированная в этой работе, никуда не делась: электрический мотор фундаментально эффективнее теплового на низких и средних нагрузках. Преимущества электрокара в городе – еще более разительны, чем на трассе, где дизель приближается к своему оптимальному режиму. Нагрев аккумулятора при интенсивной езде – реальная проблема, которую изготовители решили жидкостным термоменеджментом. Потери при зарядке реальны, но даже с их учетом общий баланс на стороне электричества

Португальские ученые вышли из лаборатории на живую дорогу и проверили теорию практикой. Их вывод – более двухкратное преимущество электрического привода в эффективности – остается актуальным и сегодня, просто в современном электромобиле он проявляется еще более отчетливо