Электромобильные сказки

Если спросить у дегенеративного ИИ «Почему электромобиль эффективнее автомобиля с двигателем внутреннего сгорания» — он вам ответит нечто вроде вот такого:

Благодаря принципу работы электродвигателя, высокому коэффициенту полезного действия (КПД) и преимуществам эксплуатации.

Под «преимуществами эксплуатации» ИИ понимает следующее три основных пункта:

1. Мгновенный крутящий момент — электродвигатель передаёт мощность напрямую на колёса, что позволяет быстрее реагировать на нажатие педали акселератора.
2. Меньшее количество подвижных деталей — это снижает износ и повышает срок службы.
3. Система рекуперации энергии — позволяет возвращать часть энергии, затраченной на движение, обратно в батарею. При торможении или снижении скорости электродвигатель работает в генераторном режиме, преобразуя кинетическую энергию в электрическую и заряжая батарею.

Мы их все разберем по пунктам, но начнем пока что с конца — с тезиса про рекуперацию энергии при торможении.

На самом деле рекуперативное торможение на автомобилях дает просто смехотворную экономию энергии — настолько мало, что с этим по большому счету вообще нет смысла возиться.

Дело в том, что рекуперация возвращает энергию, потраченную на разгон массы. И только на разгон массы. Поэтому если на разгон массы за время поездки тратится 1% энергии двигателя, а остальные 99% тратятся на проталкивание машины через воздух и преодоление сопротивления качению резиновых колес — то рекуперацией ты вернешь обратно тот же 1%, и ни долей больше (а реально — еще меньше).

Это не только давно просчитано, но и экспериментально подтверждено.

Рекуперативные тормоза относительно хорошо работают на электрифицированной железной дороге — там, где энергию можно отдавать прямо в провода, и где потери энергии на качение очень малы, а масса состава (и соответственно его кинетическая энергия) — велики.

А сказки про рекуперацию в автомобилях — вам лили в уши маркетолухи электромобил. При этом используя цифры, полученные на ж-д электровозах.

Максимальной эффективности рекуперативное торможение достигло в поездах метро — вы наверняка догадываетесь, почему.

Да-да — потому что энергоэффективная циклограмма движения поезда метро при достаточной плотности станций состоит, фактически, только из разгона и торможения. Половину пути поезд метро разгоняет свою массу, а затем половину пути — постепенно её тормозит. Ну и схема с отдельным контактным рельсом и большим количеством поездов на линии позволяет эффективно сбрасывать энергию в сеть метрополитена — в которой в любой момент времени около трети поездов разгоняются, то есть могут эффективно потребить рекуперативную энергию.

И даже в таких ультра-тепличных условиях эффективность рекуперации не превышает 20%.

На пригородных электричках эффективность рекуперации не превышает 5% и очень сильно зависит от плотности станций и рельефа пути (подъемов-спусков). Чем бОльшую часть пути поезд идет с постянной скоростью по горизонтальному пути — тем меньшую долю энергии вернет в сеть рекуперация при торможении. Это настолько очевидно, что в большинстве пригородных «электричек» вообще нет рекуперативного торможения — при том, что они тормозят в основном электромоторами, но полученную энергию рассеивают на тормозных резисторах (реостатах), то есть греют ей окружающую среду, а не отдают её обратно в электросеть.

Вот это на фото — тормозные резисторы (реостаты) на крыше вагонов электропоезда ЭР2Р (производства Рижского завода):

Скажу вам больше — высокоскоростные поезда, в том числе электропоезда TGV и ICE (как и советский ЭР-200), тоже имеют реостатное торможение (по целому ряду причин, включая соображения безопасности). И даже на российских метровагонах не только советских серий Е, но и современных 81-717/714 также стоят тормозные реостаты. Потому что даже в метро эта «экономия» не окупается, от неё в основном только геморой.

На импортных электропоездах ЭВС1/ЭВС2 «Сапсан» и ЭС1 «Ласточка» (как и на ряде отечественных электровозов постоянного тока) применяется комбинированная схема — реостатно-рекуперативное торможение. Рекуперация происходит при торможении с высокой скорости (и движении с высокой скоростью под уклон), а на небольших скоростях используется реостатное торможение.

Но вернемся к электромобилям. В относительно честных описаниях пишется нечто вот такое:

Рекуперативное торможение в электромобилях экономит 60–70% кинетической энергии торможения. Это означает, что из каждых 100 единиц кинетической энергии 60–70 единиц возвращается при торможении в аккумулятор в виде электрической энергии.

Естественно, идиоты (а большинство потребителей современных электромобилей — идиоты) пропускают слово «кинетической» мимо своего мозга (или что там у них между ушами находится вместо мозга). Они думают, что экономится 60–70% всей энергии.

Но давайте же посмотрим — сколько кинетической энергии имеет реальный автомобиль, о каком вообще порядке цифр идет речь:

Допустим, автомобиль массой 1000 кг (Лада Гранта) движется со скоростью 20 м/с (72 км/ч). И мы тормозим его до полной остановки рекуперативным тормозом. При этом выделится 200 000 Дж энергии, из которых 65% удастся закачать обратно в аккумулятор для последующего использования. 200.000*0,65=130.000 джоулей.

130.000 джоулей равно 0.036111 киловатт*час. При цене в 7 рублей за киловатт-час вы сэкономили себе на этом 25 копеек.

А поскольку кинетическая энергия пропорциональна КВАДРАТУ скорости — использование рекуперативного торможения, когда вы дергаетесь в пробке на малых скоростях, вообще дает ничтожный эффект. А много ли раз за поездку вы оттормаживаетесь до нуля с полной скорости — при этом не применяя энергичного торможения (которое рекуперация не обеспечивает — и электромобиль тормозит обычным образом, механическими тормозами, перегоняя кинетическую энергию в тепло)?

Вот то-то и оно. Эксперименты показывают, что рекуперация энергии на электромобиле имеет смысл только при поездках в горах — когда вам надо гасить скорость на затяжных спусках. В равнинной местности рекуперативное торможение электромобиля дает 1-1.5% экономии энергии, то есть добавляет к вашему пробегу, скажем, в 200 км — еще 2-3 дополнительных километра. Это — ниочём. Вы больше растянете пробег, если просто будете ехать спокойнее и с меньшей скоростью. Например, примерно такую же экономию заряда батареи и прирост пробега — дает снижение скорости движения с 80 км/ч на 2 километра в час. Разницу вы даже не заметите.

При этом «возвращение энергии в аккумулятор», вообще-то — очень неполезно для аккумулятора. Внезапно для покупателей электромобилей, их батарея — это РАСХОДНИК, она имеет очень ограниченное количество циклов заряд-разряд, и дрочить её импульсами зарядного тока от рекуперативного торможения — означает быстро сокращать срок её службы.

Конструкторы электромобилей, когда они еще проектировали их как конструкторы, а не как забитые рабы маркетолухов — прекрасно об этом знали, и ставили для рекуперативного торможения накопители на суперконденсаторах (которые имеют почти бесконечное чисто циклов заряд-разряд). Вариантом также были кинетические накопители на супермаховиках.

Но всё это было выброшено ради удешевления. И теперь система рекуперативного торможения не экономит ваши деньги — а наоборот, тянет деньги из вашего кармана, преждевременно изнашивая батарею.

Другими словами, «Система рекуперации энергии» в электромобиле — это маркетинговый лохотрон и панама.

Ну и, в качестве приложения — при сгорании 1 литра бензина выделяется 34 МДж энергии. Да-да — 34 миллиона джоулей.

Понятно, что ДВС не всю эту энергию превращает в механическую энергию. Но у китайцев КПД бензиновых турбомоторов на вполне серийных машинах достиг уже 45% — то есть расход 1 литра бензина дает 34*0,45=15,3 мегаджоуля.

Как вы помните (еще помните?), рекуперативное торможение гипотетической электрической Лады Гранта со скорости 72 кмч до полной остановки позволит вернуть в аккумулятор 130 килоджоулей. Нетрудно подсчитать, что это эквивалентно экономии 8,5 граммов бензина. Граммов, Карл!

Вам всё еще не смешно? Тогда чтобы стало смешно, я вам сообщаю, что банальное увеличение давления в шинах на +0.2 атмосферы от рекомендуемого оптимального значения для машин с атмосферным мотором 1,6 литра может дать экономию до 1 литра бензина на 100 км пути (для машин с эффективными моторами меньшей кубатуры экономия меньше — но она тоже заметна, например, для пресловутого Чери Кимо с мотором 1.3 литра 83 кобылы она составляет около 0.5 литра — что вообще-то дохрена, ведь расход по трассе там около 6.5 литров, пол-литра это почти 8% расхода — никакая рекуперация торможения вам никогда не даст столько). Причем эта экономия наиболее эффективна как раз на экономических скоростях движения в 60-80 кмч.

Да — перекачка шин несколько ухудшает торможение, снижает срок службы шин и делает подвеску более жесткой. Но это элементарная мера экономии — а главное, что она демонстрирует вам, насколько расход энергии (то есть топлива) зависит от состояния машины. Не выведено в ноль схождение передних колес — машина будет жрать энергию. Не следите за накачкой колес — машина будет жрать энергию. Наконец, у вас тупо стоят мягкие шины — и машина будет жрать лишнюю энергию, да столько, что все эти подпрыгивания с рекуперациями становятся просто смешны.

Эх, хорошо электровозам — у них колёса железные.