​Оценка жизненного цикла. Электрические автомобили против ДВС (ICE)

-
10:09
57
​Оценка жизненного цикла. Электрические автомобили против ДВС (ICE)

Размеры батарей и энергобаланс решающие факторы в реальном воздействии электрических транспортных средств. Является ли электромобиль более дружественным к климату, чем автомобиль с двигателем внутреннего сгорания или нет? И если да, то при каких условиях? Команда из экологического кампуса Биркенфельда в Трире теперь опубликовала новое исследование - не с использованием метаданных, а с использованием реальных испытаний и измерений. Результаты оказались поразительными.

Много обсуждается "реальное" воздействие электромобилей на окружающую среду на протяжении их жизненного цикла. Цифра в 17 тонн CO2 для батареи электромобиля все еще преследует Интернет, достаточно часто увековечиваемая отраслями, связанными с ископаемым топливом. Кроме того, существует бесчисленное множество других исследований, иногда более, иногда менее научных, утверждающих, что они устанавливают, в какой момент электромобиль превосходит автомобиль внутреннего сгорания по воздействию на окружающую среду в течение всего срока службы. Но у них у всех есть что-то общее, они используют метаданные.

"Существует очень мало проектов с оригинальными данными, особенно из Германии", - говорит Экард Хельмерс из экологического кампуса Биркенфельда в Трирском университете прикладных наук. По этой причине профессор кафедры экологического планирования и технологии выбрал другой подход вместе со своими двумя соавторами Йоханнесом Дитцем и Мартином Вайссом: Сравнительная оценка жизненного цикла (LCA) автомобилей с электрическими приводами и двигателями внутреннего сгорания, основанная на условиях, максимально приближенных к реальным. Для работы под названием "Анализ чувствительности в оценке жизненного цикла электромобилей и двигателей внутреннего сгорания в условиях, приближенных к реальным", исследователи собрали как можно больше данных - демонтировав 1,6-литровый VW Caddy с бензиновым двигателем, проанализировав его и восстановив с помощью электрического привода. Они называют это инвентаризацией "от колыбели до могилы". В конце этой статьи есть ссылка на полное исследование.

Результат многолетней работы сложен и вряд ли может быть выражен в одной цифре или утверждении. Однако, нам понравилась эта: Производство батарей с использованием фотоэлектрической энергии вместо китайской электроэнергии на основе угля снижает климатическое воздействие производства батарей на 69%. Однако в игре есть более сложные примеры, так как команда учла энергобаланс и производство батарей. Поэтому печально известный "безубыточный пробег", при котором электромобиль имеет более благоприятный экологический баланс (в немецком смысле Ökobilanz для LCA), чем двигатель внутреннего сгорания, был, конечно, рассчитан исследователями - но в разных сценариях. Если переоборудованный электромобиль - его 25,9 кВт/ч аккумулятор был произведен с использованием энергии ветра - в течение срока службы заряжается только зеленым электричеством, то всего через 17 000 километров электромобиль "чище", чем его аналог, работающий на ископаемом топливе. Транспортное средство с аккумулятором в два раза больше (51,8 кВт/ч) может достигать величин от 20 000 (аккумулятор, работающий от энергии ветра) до 35 000 километров (аккумулятор, работающий от энергии угля) до безубыточной работы при зарядке зеленой электроэнергией. Если, однако, зарядка электроэнергией, которая примерно соответствует текущему среднему европейскому показателю, даже автомобиль с маленькой батареей разобьется только на 50 000 километров или меньше - в зависимости от того, предполагается ли повторное использование или нет. Электромобиль с батареей 51,8 кВт/ч, который производится на угле и заряжается с помощью "грязной" смеси электричества, достигает безубыточности только после 310 000 километров.

Дальность поездки огромна - поэтому не все электрические автомобили одинаковы. В одном случае можно быстро дойти до точки безубыточности, в другом - пробег настолько велик, что до него доберутся лишь несколько автомобилей. Как исследователи пришли к таким цифрам?

Более точные данные с помощью реальных измерений?

Все начинается с производства, и в этом случае исследовательский анализ установки Кадди. Volkswagen Commercial Vehicles, например, дает процентную разбивку девяти групп материалов для Caddy, но не их детальный состав. Исследователи смогли гораздо точнее дифференцировать это - включая транспортные мили отдельных компонентов от их соответствующих производственных площадок до завода в Польше, который собирал Caddy - бензиновый двигатель, например, от Зальцгиттера, коробку передач от Касселя и стартерную батарею от Ганновера.

Все это играет важную роль при рассмотрении воздействия производства на окружающую среду. Однако, при постройке электромобиля электричество для производства аккумуляторных батарей, как известно, является самым значительным фактором. Исследователи Трира смоделировали четыре сценария: Производство аккумуляторных элементов в Китае с высокой долей энергии, сжигаемой на угле, производство в Европе с европейским энергобалансом, производство со 100-процентной солнечной энергией (как Tesla обещал для Gigafactory 1 в Неваде), а также со 100-процентной ветровой энергией. Хотя последний вариант еще не существует, "он может стать будущим вариантом в Европе", насколько известно исследователям.

Результаты показывают огромные различия только в производстве ячеек. В то время как аккумуляторные элементы из Китая составляют 1180 граммов СО2-эквивалента за киловатт-час, в европейской структуре электроэнергии по-прежнему 531 грамм СО2-эквивалента. Два производства с использованием возобновляемых источников энергии намного чище - 92 грамма (солнечная энергия) и 15,8 грамма (ветровая энергия). "В худшем случае, на батарею может приходиться 36 % от общего объема выбросов CO2 электромобиля в течение всего срока его службы", - говорит Хельмерс. "Я думаю, что необходимо подчеркнуть этот аспект накануне миллиардных инвестиций в производство новых батарей".

Углеродное электричество для производства аккумуляторных элементов как шаг назад?

Профессор здесь ссылается, например, на заводы по производству аккумуляторных элементов в Польше, которые производят большинство элементов для европейских электромобилей. "Очень важно, где и с помощью какого электричества работают фабрики по производству аккумуляторных батарей", - говорит Хельмерс. В настоящее время законодательство ЕС игнорирует "углеродный след" энергоснабжения, но это, конечно, должно измениться, если мы будем придерживаться целостного взгляда! Не отстает ли Европа от Элона Маска по уровню знаний примерно десять лет назад?".

Для электризации Caddy, исследователи Трира выбрали ячейки с фосфатом железа лития (LFP) от китайского производителя CALB. Они установили батарею с содержанием энергии 25,9 кВт/ч. Они также имитировали батарею вдвое большего размера с 51,8 кВт/ч и включили в анализ оригинальные материалы элементов батареи (в соответствии со спецификациями производителя CALB). В отличие от технологии никель-кобальт-марганец (NCM), часто используемой в автомобильной промышленности, элементы LFP не содержат кобальта с сопутствующими проблемами добычи, особенно в Конго. Однако, согласно научной литературе, влияние материалов приблизительно одинаково для различных типов химии ячеек, и поэтому ничтожно мало, является ли ячейка ячейкой LFP, NCM или NCMA. Потребность в энергии для производства намного более критична.

Используя все эти данные, исследователи рассчитали воздействие на окружающую среду в течение жизненного цикла с помощью метода характеризации ReCiPe, который учитывает 18 категорий воздействия. Они получили в общей сложности девять различных профилей выбросов, от бензинового, дизельного и газомоторного приводов до электрифицированных вариантов в различных емкостях аккумуляторов и сценариях производства. Основой для этого послужили, в частности, измеренный расход бензина в 8,89 литра на 100 км до переоборудования и измеренный расход электроэнергии в 23,57 кВт/ч/100 км после переоборудования. К этим категориям относятся общий эквивалент CO2 на протяжении 150 000 километров, выбросы PM10, а также высвобождение озона или истощение природных ресурсов в килограммовом железном эквиваленте.

Электрические автомобили не выглядят наилучшим образом в некоторых категориях.

Электрифицированный Caddy имеет явные преимущества перед моделями сгорания только в пяти из 18 категорий, а именно: изменение климата, потенциал смогаобразования, истощение ископаемых ресурсов, преобразование природных земель и истощение озонового слоя. Тем не менее, при общей оценке всех факторов, все электромобили окупаются лучше - в двух случаях даже значительно лучше. Исследователи связывают это с оценочной схемой ReCiPe, которая делает акцент на факторах, связанных с изменением климата.

"Для электромобилей есть некоторые категории, в которых они выглядят не очень хорошо", - говорит Хелмерс. Но он также подчеркивает, что обычное моделирование жизненного цикла все еще недооценивает экологические преимущества электромобилей. Например, доказано, что шумовые выбросы от движения вредны для людей - но экологический LCA обычно не включает в себя это преимущество электромобилей. Или другой пример: По словам Гельмерса, печатные платы, используемые в электронике, оказывают значительное влияние в категории "Токсикология человека" на протяжении всего срока службы автомобиля из-за содержащихся в них металлов. В записях данных электромобилей относительно высокая доля печатных плат в общей электронике точно фиксируется и включается в расчеты. Это необязательно касается ICE. Кроме того, относительно обычный Caddy имеет гораздо меньше таких печатных плат, чем роскошный седан с двигателем внутреннего сгорания с бесчисленными блоками управления и полуавтономными функциями вождения. Так что даже среди ICE есть огромные различия.

Однако, оценка показывает одно: насколько важен источник энергии не только для производства аккумуляторов, но и для зарядки в течение всего жизненного цикла. При преимущественном использовании электроэнергии, получаемой с помощью угля, электромобиль плохо работает в таких категориях, как потенциал образования смога, образование твердых частиц, подкисление земли - и, конечно же истощение ископаемых ресурсов. "Переход с китайской электроэнергии на 100% фотоэлектрическую уменьшает воздействие в 14 категориях в среднем на 43% на каждую категорию воздействия", - говорится в исследовании. "С другой стороны, при использовании 100% энергии ветра в производстве аккумуляторов, несмотря на влияние на истощение минеральных ресурсов, даже это влияние меньше, чем при обеспечении китайской электроэнергией".

Однако прямое потребление энергии при производстве элементов составляет лишь часть эквивалента CO2. И даже эта доля может сильно варьироваться - от 75% в сценарии с угольной электроэнергетикой, 57% в европейском энергобалансе и 0,4% для 100-процентной ветроэнергетики. Иными словами, от очень значительной до практически ничтожной. Остальные акции, т.е. от 25 до 99,6%, приходятся на компоненты ячеек. Таким образом, в производстве аккумуляторов с использованием энергии ветра практически полностью доминирует обеспечение их компонентами. Напротив, в случае электроэнергии, сжигаемой на угле, это лишь четверть от общего эквивалента CO2. Все это показывает, насколько важно производство с использованием возобновляемых источников энергии для оценки жизненного цикла окружающей среды.

Только один вид транспорта чище электрических машин.

Еще одним критическим моментом является размер батареи. В ходе дальнейшего сравнительного анализа исследователи подсчитали общий объем выбросов CO2 в атмосферу в течение срока службы 150 000 километров или 200 000 километров (пробег по фазе использования), сначала с использованием энергобаланса Германии 2013 года (по мнению исследователей, это хорошее сравнительное значение для европейского энергобаланса), а затем с моделированием энергобаланса 2050 года - если Германия будет продолжать расширять использование возобновляемых источников энергии.

При использовании фиктивного энергобаланса 2050 года электромобиль всегда оказывается ниже рассчитанной величины сгорания 263 грамма на километр - независимо от того, была ли в его основе 25,9 или 51,8 кВт-ч аккумуляторная батарея. Даже в "худшем" случае применения EV с 51,8 кВт/ч без повторного использования (что в среднем экономит 15%), моделируемые электромобили с максимальным содержанием 166 граммов СО2-эквивалента остаются значительно ниже величины сгорания. Тем не менее, шлемы не рассматривают возможность дальнейшего математического удвоения размера батареи на основе данных Caddy, допустимых для сравнения электронного автомобиля премиум-класса. Из-за описанного влияния других компонентов, таких как электроника, LCA электронного автомобиля необходимо сравнить с LCA автомобиля премиум-класса.

Иная ситуация складывается при зарядке в 2013 году, думайте, Европа: здесь - в зависимости от источника энергии для производства аккумуляторов - электромобили с энергоемкостью около 50 кВт/ч уже находятся на уровне или выше уровня двигателя внутреннего сгорания. Только автомобили с небольшими аккумуляторами (25,9 кВт/ч в моделировании) стабильно работают лучше, чем двигатель внутреннего сгорания. Легко увидеть, какие шансы у такого (более низкого диапазона) электромобиля в настоящее время есть в продаже. Скажем так: они были бы не очень хороши.

В конце исследования исследователи провели интересное сравнение, определили влияние пройденных пассажирокилометров и сравнили их с другими видами транспорта. Здесь также были рассчитаны различные сценарии производства аккумуляторов, зарядки энергии и занятости транспортных средств. "При оптимальных условиях, - пишут исследователи, - климатически благоприятное воздействие электромобилей на протяжении всего жизненного цикла "даже конкурирует с общественным транспортом, таким как дизельные автобусы, маршрутные такси и поезда". Только одно моторизованное транспортное средство может конкурировать с электромобилями: электрический автобус.

Полный текст исследования - www.mdpi.com (англ)

География:
  • Без привязки
RSS
Нет комментариев. Ваш будет первым!
Загрузка...