July 20th, 2013

Сможет ли человечество пересесть на электромобили?

По интернету гуляет расхожее мнение, что для замены автомобилей с ДВС на электромобили необходимо увеличить производство электроэнергии в 2, в 5 или даже в 10 раз...
Попробуем разобраться, так ли это.

Для рассмотрения возьмем предельно крайний и сложный для перехода случай, т.е. страну в которой больше всего ездят на авто - США.
Потому что даже в тех немногих странах, где количество автомобилей на душу населения выше, средний пробег значительно ниже, чем в Америке.
http://www.fhwa.dot.gov/ohim/onh00/bar4.htm

Итак, согласно официальному отчету Департамента Транспорта, совокупный пробег всех автомобилей в США в 2012 составил 2,938.5 миллиардов миль.
http://www.fhwa.dot.gov/policyinformation/travel_monitoring/12dectvt/12dectvt.pdf
Округлим вверх, до 3 триллионов миль.

Средний современный электромобиль максимально потребляет около 1 kwh на 3 мили.
http://news.consumerreports.org/cars/2011/12/leaf-volt-tests-show-electric-cars-cost-less-per-mile-to-operate.html
Предвижу возражения, что неучтено использование кондиционеров, печек и агрессивная манера езды, увеличивающая потребление энергии.
Однако нет, согласно источнику (в данном случае рассмотрен Nissan Leaf):
http://www.plugincars.com/nissan-leaf-finally-gets-official-epa-label-106486.html
Based on the EPA 5-cycle testing procedure, the LEAF will only return 2.94 miles per kWh (mpkWh)—derived from the listed 34 kWh used per 100 miles. As those of us that understand the ins and outs of electric cars will tell you, 2.94 mpkWh is a low-ball number for a vehicle designed from the ground up as an EV and would require you to be driving with absolutely no mind to saving energy in an aggressive manner. Sure it will happen occasionally, but it won't be the average. Nissan believed its hands were tied on this rating. "The EPA took the LEAF through same 5 cycle test they use to test gas engine cars—so air conditioning on and biased more highway driving than city," said Perry. "It's the law, the EPA couldn't change it and we couldn't petition them to change it."
Вольный перевод:
EPA тест для Nissan Leaf дал цифру потребления - 2.94 мили на kwh - что является нижним пределом, который был достигнут за счет теста агрессивной манеры вождения с максимальным потреблением энергии, другими словами автомобиль гонялся на высоких скоростях по фривеям с включенным на полную кондиционером. Понятно, что в реальной жизни такое случается иногда, но не постоянно.

Данное заявление подтверждается отчетами владельцев Nissan Leaf (http://www.pluginamerica.org/surveys/batteries/leaf/vehicles.php), которые показывают потребление и в 4 miles/kwh, и в 5 miles/kwh, и даже более 6 miles/kwh, что явно зависит от температуры за бортом, манеры вождения владельца и его желания сохранить энергию.

Но в случае, как и с выбором страны для анализа, сохраним завышенную цифру энергопотребления в 3 miles/kwh, как верхнюю предельную границу энергопотребления .

Теперь считаем.
Для того, чтобы проехать 3 триллиона миль в год, нужно около 1000 Twh.
Сейчас США потребляет около 3856 Twh э/э электроэнергии в год (http://www.eia.gov/energyexplained/index.cfm?page=electricity_use) , что является самым высоким в мире и одним из самых высоких на душу населения (http://data.worldbank.org/indicator/EG.USE.ELEC.KH.PC) - т.е. еще один предельный случай).
Таким образом, необходимое для ПОЛНОГО перехода Америки на электромобили количество электроэнергии составляет около 25% текущего потребления электроэнергии.

А теперь более подробно разберем наш "сфероконный" случай, который включал:
а) тотальный перевод всего движущегося на колесах по дорогам на электричество
б) максимальный пробег авто на душу населения
в) максимальное потребление энергии на единицу длины пробега автомобиля
г) максимальное потребление э/э на душу населения

Приблизим его к реальной жизни, не сильно увлекаясь:
а) О тотальности перехода.
Полный 100% переход скорее не состоится, поскольку он, вообще-то и не нужен. Автомобили служат для разных задач и вкусы у владельцев разные... Поэтому, скорее всего, останется какое-то небольшое количество авто на традиционных ДВС(бензин/дизель), возможно в виде нынешних гибридов. Какой-то процент перейдет, возможно, на ДВС, работающие на газе, метаноле или чем-то подобном. Какое-то процент авто перейдет на использование топливных ячеек (fuel cells), работающих на водороде, природном газе, метаноле и т.д.
б) О пробеге.
СТОЛЬКО ездить, как ездили американцы до 2005 года, уже не будет никто и никогда. Это совершенно уникальный случай, связанный с некоторыми уникальными факторами. Действие этих факторов закончилось в прошлом десятилетии, Америка прошла свой пик пробега, и с 2005 года общий пробег стагнирует, несмотря на рост населения. (http://www.advisorperspectives.com/dshort/updates/DOT-Miles-Driven.php)
Связано это в том числе не только с ценами на бензин, но и с растущим процентом удаленных рабочих мест, урбанизацией и самое главное, уменьшением у молодого поколения американцев той тяги к автопоездкам, которая была у их родителей.
Вот исследование, которое это демонстрирует.(http://deepblue.lib.umich.edu/bitstream/handle/2027.42/86680/102764.pdf)
Заметим, что исследование, зафиксировавшее резкое падение процента обладателей водительских прав среди группы 16-34 лет, датировано 2008 годом(для США), то есть указанная молодежь не хотела получать права все 18 предкризисных лет. То есть о влиянии кризиса на процент водителей не может быть и речи... (И еще отметим, что и в некоторых других странах мира тенденция такая же.)
Кроме того, помимо резкого падения процента молодежи с водительскими правами в США имеет место еще и глубокое падение количества накатанных теми миль: так, в 2009 году общий пробег авто в возрастной группе владельцев 16-34 года упал аж на 23% по сравнению с 2001 годом.
Вот интересный отчет (http://uspirg.org/sites/pirg/files/reports/A%20New%20Direction%20vUS.pdf) с кучей графиков и кучей картинок, который предсказывает продолжение этой любопытной тенденции, и как наиболее вероятный сценарий, падение общего пробега в США с 3 трлн. миль до 2.5 трлн. миль до 2040 года...
Это составляет минус 16.5% от нынешнего общего пробега авто.
в) Пробег на kwh
Хотя мы взяли 3 мили/kwh как максимальное потребление электромобиля сейчас, не стоит забывать, что, по мере развития, электромобили будут становится все более и более "навороченными", включать все больше различных устройств (типа автопилота) и потреблять все больше и больше энергии. Так что, возможно, средняя цифра пробега на милю через десяток-другой лет "уедет" как раз к взятой нами цифре 3 мили/kwh.
г) Потребление электроэнергии.
Потребление электроэнергии в США стагнирует, несмотря на рост населения и начавшуюся реиндустриализацию. (http://www.eia.gov/forecasts/steo/report/electricity.cfm)
Это связано с увеличением энергоэффективности потребления.
В то же время только-только началась очень интересная трансформация энергорынка, в которой потребители электроэнергии начинают устанавливать собственную генерацию, чтобы уменьшить потребление из сети.
Коттеджи, магазины, муниципальные и офисные здания, заводы и т.д. - устанавливают ветряки, солнечные панели, топливные ячейки и т.д., чтобы уменьшить потребление электроэнергии из сети.
Вот здесь (http://www.rmi.org/RFGraph-US_electricity_demand) находится интересное исследование, которое утверждает, что при продолжении такой трансформации (сценарий Transform), потребление электричества из сети к 2040 году в США сократится приблизительно на 1000 Twh, то есть на 25%.
Что с запасом (см.предыдущие пункты) перекрывает объем электроэнергии, необходимый  для "электромобилизации".

Итак, мы взяли для анализа регион с максимально неблагоприятными для перехода условиями. Использовали самые осторожные оценки.
В результате получили, что этого перехода, ЕСЛИ он в ближайшие пару десятилетий все-таки состоится, Америка с энергетической точки зрения и не заметит.
Ну а в других регионах Земли переход должен быть еще проще, особенно в развивающихся странах, где электро-инфраструктуру надо будет не перестраивать, а строить с нуля, с учетом использования электромобилей.
Исключение составляют регионы с очень низкой зимней температурой воздуха, где несколько месяцев могут держаться морозы ниже 20C, но в таких регионах проживает менее 0.5% населения планеты, поэтому на общую картинку планетарной "электромобилизации" они практически не повлияют.

Вернемся к слову "ЕСЛИ" в предыдущем абзаце. Почему подчеркнуто "ЕСЛИ" переход состоится?
Потому что исполнение давнего прогноза о грядущем пике нефти опять, к огромному сожалению, перенесено на несколько десятков лет вперед.... куда-то за 2040-50 год...
А раз так, то в отсутствии такой угрозы, служащей драйвером развития EV в последнее десятилетие, инвестиции в развитие самих EV, так и инфраструктуры их применения могут быть отложены, или как минимум замедлены на несколько десятков лет.
Но это уже совершенно отдельный разговор, выходящий за рамки темы о электромобилях.