Про инженеров рассказывают много анекдотов, какие-то более удачные, какие-то менее. Недавно у меня читать одна из этих шуток, которая натолкнула меня на мысль о моем сегодняшнем выступлении.
Константин КрангануФото: Горячие новости
Профессор электротехники говорил со студентами о различиях между инженерами и учеными, объясняя, что:
И инженеры, и ученые хотят понимать мир и решать проблемы. Инженеры беспокоятся о том, сколько что-то стоит. Студенты колледжа не беспокоятся о затратах; они просто хотят знать правду. Поэтому разница между инженером и академиком в том, что у инженера есть хоть капля здравого смысла.
Анализируя лучше содержание этого различия, мы сможем заметить, например, что в случае с системами энергоснабжения эта «капля здравого смысла» становится чрезвычайно заметной и важной. Ученые-теоретики (исследователи, преподаватели, академики) могут относиться к энергосистеме с некоторой отстраненностью, но инженеры-практики должны поддерживать ее в рабочем состоянии круглосуточно. Инженеры, решающие проблемы, непосредственно вовлечены в деятельность и обычно сталкиваются с последствиями технологических и человеческих ошибок и недостатков, в то время как ученые и, к сожалению, многие политики более изолированы и ограждены от неприятных последствий. Эта разница была безукоризненно отмечена Томас Соуэлл: Трудно представить более глупый или опасный способ принятия решений, чем отдать эти решения в руки людей, которые не платят никакой цены, когда ошибаются..
Будучи инженером-гибридом, ставшим профессором университета, я нашел в шутке долю правды, когда две категории специалистов обсуждают замену классического транспорта, работающего на ископаемом топливе, на другой, работающий на электричестве, желательно «зеленом». Причины замены были раскрыты университетскими учеными: выбросы CO2 и других газов влияют на глобальную температуру и качество воздуха в районах с интенсивным движением.
Инженеры не оспаривают истину академических теоретиков. Им необходимо найти практические решения, необходимые для наземного, воздушного и морского транспорта в ближайшие несколько лет, чтобы использовать электричество вместо бензина, дизельного топлива, керосина или мазута в качестве источника энергии. И здесь возникает проблема, которую я проиллюстрирую на опубликованных данных США. В той мере, в какой имеются сопоставимые данные и в Румынии, решение проблемы может быть решено и там.
Электрификация транспорта рассматривается американскими учеными как универсальное и императивное лавинообразное сокращение выбросов CO2. Но если перевести весь автопарк на электромобили, откуда возьмется необходимая электроэнергия? Вот в чем вопрос.
В 2022 году, по данным Агентство Рейтерэлектромобили в Америке представляли ничтожную долю – менее 1% от общей суммы 250 млн. автомобили, внедорожники и микроавтобусы. Но ситуация в корне изменится, если верить тому, что он опубликовал Чте Уолл Стрит Джорнал на 1 января 2023 г.: Переход на электромобили спровоцировал крупнейший за последние десятилетия бум строительства автомобильных заводов.:
По данным Center for Automotive Research, некоммерческой организации, базирующейся в Мичигане, в ноябре в США было выделено около 33 миллиардов долларов на новые инвестиции в автомобильные заводы, включая деньги на строительство новых сборочных заводов и заводов по производству аккумуляторов.
…
По данным консалтинговой компании AlixPartners, к 2026 году мировая автомобильная промышленность планирует потратить на электромобили в общей сложности 526 миллиардов долларов.
Крупные производители автомобилей продемонстрировали уверенность в электрическом будущем своей продукции. Например, Дженерал Моторс красноречиво заявляет, что Изменение климата реально, и мы хотим стать частью решения, пересадив всех на электромобили. (до 2035 г.). И Форд плюс: Мы возглавим переход Америки на электромобили (50% к 2030 г.).
О чистых, гибридных или подключаемых электромобилях (EV) я написал несколько статей на этой платформе: Электромобиль = автомобиль будущего? За и против, Электромобили и их зависимость от большой нефти, Тесла Альтруист vs. Тесла Эгоист и притча о добром самаритянине, Переход на 100% “зеленые” энергии – упражнение в магическом мышлении. Нам нужна эволюция или революция?. Мы проанализировали их преимущества и недостатки, в первую очередь с точки зрения многих видов полезных ископаемых и горнодобывающей деятельности, необходимой для извлечения металлов и неметаллов, составляющих АККУМУЛЯТОР – настоящая ахиллесова пята для “зеленой” или “возобновляемой” электроэнергии (Хранение “зеленых” энергий – ахиллесова пята политик Net Zero)
Я беру «зеленый» и «возобновляемый» в кавычки, потому что ни солнечная, ни ветровая энергия на самом деле не являются зелеными и возобновляемыми. Топливо, которое они используют, солнце и ветер, экологически чистое и возобновляемое, но солнечные и ветряные системы в совокупности их конструкции и воздействия на окружающую среду не являются ни зелеными, ни возобновляемыми.
Оставим в стороне вопрос о батареях (сотни миллионов!), которые необходимо будет производить для электромобилей «будущего с нулевым уровнем выбросов», и попробуем оценить количество «зеленой» электроэнергии, необходимой для питания этих автомобилей.
Начну с диаграммы, опубликованной Управлением энергетической информации (EIA), на которой показано распределение общего объема энергии в США в 2021 г. по источникам производства и секторам потребления (рис. 1). Аналогичная диаграмма за 2022 год не публиковалась.
Некоторые ключевые цифры из этого графика стоит подчеркнуть:
– В 2021 году Соединенные Штаты потребляли 73,5 квадриллиона БТЕ (21 541 ТВт-ч) общей энергии.
– Из этого количества 12,9 квадриллионов БТЕ (3781 ТВтч) приходится на электроэнергию, что составляет 17,6% от общего потребления.
– Почти вся электроэнергия потреблялась в промышленном, жилом и коммерческом секторах. Транспорт потреблял очень мало электроэнергии (менее 1%).
– С другой стороны, транспортный сектор потреблял 26,9 квадриллионов БТЕ (7 884 ТВтч) неэлектрической энергии. Эта цифра составляет 37% от общего потребления энергии и более чем вдвое электроэнергии, потребляемой во всех остальных секторах.
Поскольку транспортный сектор включает в себя все наземные, воздушные и морские транспортные средства, а электрификация в ближайшем будущем будет ограничена наземными транспортными средствами, необходимо оценить количество энергии, потребляемой только автомобилями, внедорожниками и микроавтобусами. Электропоезда и грузовики пока не рассматриваем.
И документ опубликовано в 2021 году автором Окриджская национальная лаборатория (составная часть Министерства энергетики) заявляет: (1) В 2020 году на нефть приходилось 90% энергопотребления на транспорте в США. и (2) На легковые и грузовые автомобили приходилось 62% потребления транспортной нефти в США в 2018 году..
В отсутствие более свежих данных предположим, что эти проценты сохраняются для 2021 года. Простой расчет показывает, что легковые и грузовые автомобили потребили 26,9 x 0,9 x 0,62 = 15,0 квадриллионов БТЕ (4398 ТВтч) в виде бензина или дизельного топлива в 2021 году. Ископаемое топливо потребляемая энергия точный на наземный транспорт в США превысило весь объем электроэнергии, произведенной в 2021 году.
Первый предварительный вывод: Преобразование всех легковых и грузовых автомобилей в электромобили будет означать удвоение американской национальной системы производства электроэнергии со всеми вытекающими отсюда последствиями: «зелеными» источниками, линиями электропередач, заправочными станциями.
Но ситуация, представленная выше, требует учета дополнительных факторов, для которых нет «жестких данных», а есть лишь некоторые приближения:
– Электромобили имеют эффективность ~85-90% в преобразовании электрической энергии в энергию движения транспортного средства. Двигатели внутреннего сгорания имеют КПД всего 15-25%.
– Электрические батареи теряют примерно 15% накопленной энергии во время интервала зарядки-разрядки.
– По графику на рис. 1, выход электроэнергии на электростанции составляет 35%, остальное составляют различные потери, в том числе от линий электропередач.
А теперь давайте решим простую арифметическую задачу.
а) Автомобиль внутреннего сгорания, имеющий в баке 10 БТЕ (3 Втч) энергии в виде бензина, будет использовать около 2 БТЕ для движения.
b) Электромобиль, использующий те же 10 БТЕ топлива, будет иметь 10 x 0,35 = 3,5 БТЕ доступной энергии, 3,5 БТЕ x 0,83 = 3,0 БТЕ электроэнергии в аккумуляторе после потерь заряда/разряда и, наконец, 3,0 x 0,87 = 2,6. БТЕ энергии для путешествий.
Получается, что электромобиль может работать примерно на ¾ (2:2,6) количества БТЕ, потребляемого автомобилем внутреннего сгорания. Из этого также следует, что вместо того, чтобы потреблять 15 квадриллионов британских тепловых единиц в год для современного автомобильного парка США, мы могли бы теоретический давайте уменьшим это количество до 11,25 квадриллиона БТЕ, чтобы произвести 11,25 x 0,35 = 3,93 квадриллиона БТЕ (1152 ТВтч) электроэнергии для будущего автопарка.
Второй предварительный вывод: Возвращаясь к данным на рис. 1, производство электроэнергии в 2021 году составило 12,9 квадриллиона БТЕ. 3,93 квадриллиона БТЕ дополнительной энергии, необходимой для «будущего с нулевым уровнем выбросов», представляют собой превышение примерно на 30,5% над текущей мощностью энергосистемы США по выработке электроэнергии.
Какой энергетический план существует в настоящее время в Министерстве энергетики США для решения этой проблемы? Возможный ответ можно получить, изучив рис. 2, еще один график, подготовленный EIA, показывающий прогнозы правительства по увеличению мощностей по производству электроэнергии до 2050 года, когда будет реализована политика Net Zero и будет отмечен (почти) полный отказ от ископаемого топлива в качестве источников энергии.
После постпандемического возобновления производства электроэнергии прирост производства до 2050 года составляет 1% для всех трех сценариев экономического роста (высокий, низкий, регулярный. Сразу следует отметить, что эти приросты охватывают также отрасли промышленности, населения, торговли, не только транспорт. И новые возможности, скорее всего, будут использовать энергию ветра и солнца, а это означает, что батареи автомобильного парка в «будущем с нулевым уровнем выбросов» не смогут заряжаться, если солнце не светит в небе или ветер не дует.
И тогда откуда возьмутся излишки 30% дополнительной электроэнергии, необходимой для электрификации всех наземных транспортных средств (воздушных и морских не учитываются)? И даже если эти дополнительные генерирующие мощности будут добавлены, сколько это будет стоить и кто будет платить за повторную электрификацию Америки?
Кто мог бы ответить лучше, инженеры-практики или академики-теоретики?
Мы нашли возможный ответ в мета-исследовании Обзор систем анализа 100% возобновляемых источников энергии — библиометрическая перспектива, опубликованной в ноябре 2022 года. Авторы библиометрически проанализировали более 600 научных статей, в которых обсуждались системы 100% возобновляемой энергии в контексте растущей озабоченности по поводу изменения климата и глобального потепления, вызванных деятельностью человека и использованием ископаемого топлива. Авторы отметили впечатляющий рост числа ученых и академических публикаций, связанных с переходом к чистому нулю. Начиная с нуля примерно в 2010 году, за 11 лет он достиг 1400 университетских авторов, накопив почти 36 000 цитирований их статей.Прочитайте всю статью и прокомментируйте Contributors.ro
