专栏/谈谈未来(3.4)——补充和预告

谈谈未来(3.4)——补充和预告

2018年04月23日 23:22--浏览 · --点赞 · --评论
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就Up最近手上两篇论文的进度和惨不忍睹的工作效率,估计是很难腾出太多闲工夫来写杂文了。按照原先的计划,这个系列的下一篇为太阳能普及的篇章。而这个篇章逻辑很论证较为简单,比较值得一说的可能更多的是现在全世界范围内太阳能快速发展的实例,那样可能找起资料来相对费时。

这里先简短的写一篇简短的承前启后,概况下思想,以后再尽可能详细地(抵抗懒癌)来填坑。

首先这里对前一篇——电动交通时代中的内容做一些改正和补充:

  1. 全球范围内特斯拉车主因事故死亡的次数应该至少有四次(算上2018年3月这次)。按照算法不同,这个数字可能会到七次或者更多。因为其中包括2014年一个偷车贼在警匪追击中事故死,一个2014年疑似自杀的坠崖事故,一次后座小女孩因被追尾事故重伤去世的等。但原文论点保持不变,所有车祸死因皆是因为故事中激烈的冲击致死,没有一起死因于起火有关,特斯拉的车辆在消防安全性上仍然原高于燃油车。感谢特斯拉汽车吧内ID为“Iqking_2000”的指正。另外应其要求补充:燃油车往往在火灾发生时的强度也高于电动车,逻辑其实很简单,即更大的化学内能在更短的时间内被释放,因而大部分情况火势更猛,无非汽油往往烧不了多久。电池火灾在持续时间上往往更久,也意味着能量放出更缓慢。(嘛,虽然笔者觉得都很危险能烧死人。所以更重要的差别还是在于电池火灾有更长的抢救时间这一点更为重要)

  2. 补充:为什么从能量效率上说电动汽车更清洁。笔者其实本以为这点还是比较广为人知的,但上篇还是有人提问。这里就更清楚地解释下:即使我们假设最糟糕的情况,即来自电网的电力全部来自火力发电站,电动车其等效的排放量也远低于燃油车。 内燃机其热效率是比较低的,即使是最理想的工作条件下,效率也很少有能到达40%的,而因为实际工作情况下,平均效率往往只有15-25%(其实根本到不了25%);而相比而言电动车使用的电动发动机,其能量转化效率往往在85-95%之间,且现阶段做的比较好的几家,正逐渐把这个数字推进95以上的领域。当然,电动车的实际损耗更大的是在发电段和传输上。 现代的火力发电站其热效率可以达到45-50%左右(烧煤的话),烧气则效率更高,可以达到55-60%之间。而一般电厂到用户之间的输电损耗在8-15%之间,即85-92%的效率。再考虑最后一个部分,是给车充电时的效率,这个数据暂时还是比较少,且根据充电设备的不同有比较大的变动,主要在输电线和电池内阻上有损耗。从特斯拉社区用户贡献的经验数据表明这一块的效率浮动范围在75-96%之间,平均大约在85-90%之间。 我们这里计算下电动车最糟糕的情况的能量效率(从燃料到发动机输出)为0.85*0.45*0.85*0.75 = 24.4%,仍然高于绝大部分内燃机的热效率。如果我们取相对中间值的话,则为0.9*0.5*0.885*0.87=34.6%就比燃油机要高出很多了。除此以外,笔者还没有算另外两笔账:一来是燃油运输到各个加油点其实这里有额外的能源和排放消耗;二来燃油车内部可动部件远远多于电动车,因而因为变速箱、传动装置还有噪音等等的内部损耗要高出电动车许多。

    当然,笔者这里的估算只是比较简单和粗糙的(且有些保守)。感兴趣的读者稍稍动手应该就能找到更多对此更专业的分析。这里简单的留下几个可以参看的资料:

    https://www.fueleconomy.gov/feg/evtech.shtml (美国EPA--Environmental Protection Agency, 他们的算法就很激进了)

    https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/1433231/

    https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/5729082/ (这两篇就是IEEE上的论文了,啃起来会费些功夫,嘛,愿意的话直接看结论部分就好了。剧透:还是比我的数字激进。)

  3. 不少人对电动车的一大担忧是电池的衰退,这是非常合理的担忧,笔者认为这连同一次充电里程、安全评级、性能这几点都应该成为选购电动汽车的重要考量。而电池的衰退率并不是一个容易测量的指标参数,估计未来会成为品牌评估的一部分。在目前的市场上,据笔者所了解特斯拉确实在这一点上目前还是独领风骚,暂无人能及。特斯拉自己宣传他们的电池组能达到平均寿命25年,远超一辆私家车的平均使用寿命。听着是比较离谱的,但这两点逐渐被用户数据落实,似乎并不是吹牛逼。这边给大家链接一些报道:

    https://www.greencarreports.com/news/1110149_tesla-model-s-battery-life-what-the-data-show-so-far

特斯拉model s用户贡献的行驶里程和电池最大容量数据分布(蓝色),红线为拟合

    https://www.youtube.com/watch?v=Gb_i4ihsJ1w

    https://cleantechnica.com/2018/04/16/tesla-batteries-have-90-capacity-after-160000-miles-may-last-for-500000-miles/

    https://electrek.co/2018/04/14/tesla-battery-degradation-data/

    其中2018年的这份数据在一个礼拜前为多份媒体报导,最近如果你听到“行驶10万公里电池衰退不到5%”,“行驶30万公里电池衰退约为10%”之类的,大都是出于这份数据的分析。另外https://electrek.co/2018/04/14/tesla-battery-degradation-data/ 这一文中还指出了尼桑新一代的大容量电池却比旧型号的电池衰减更快。所以看来,电池的设计和管理里面学问很大,厂商之间这点其实可能存在不小的差距。电池容量的衰退率和寿命相信会成为未来电动车竞争的一个焦点之一。而特斯拉作为行业标杆,其实大概地已经让世界了解到,一辆电动车在不更换电池的情况下,寿命能有多顽强。所以笔者相信,电池衰退在未来并不会成为阻挡电动车发展的阻碍,而会是淘汰不良电动车厂商的又一把标尺。


最后,其实上面补充的第二点其实已经触到了下一篇的核心观点——即使我们完全实现了交通的电动化,如果我们不能摆脱化石能源。而幸运的是,属于太阳能的时代已经悄悄地拉开了输于它的序章。笔者将会在下篇,按照Tony Seba的论述框架给读者们讲述,为什么太阳能的爆发式普及将势不可挡,全球在未来短短15年左右间将实现绝大部分能源供应的太阳能化。结合上电网的拓扑结构,他甚至像人们论述为什么小型局部化自给自足型的电网结构将很大程度上取代大电网时代。这也意味着即使核聚变能够实现,且零成本地实现,仍然在大部分情况下不具备和太阳能竞争的实力。


其实我知道你们在想什么,太阳能这么low的东西,都不知道是多老的东西了,怎么可能突然间就迎来春天,占领世界,甚至把超级高大上的核聚变都比下去呢?其实道理很单纯,就是因为——便宜,贼便宜。太阳能至始至终以来都被认为是最为清洁,若能实用化将是最为理想的能源形势,但五十多年来,一个字阻挡了它的进军——贵。Tony Sobe是这么说的,“自1970s以来太阳能的价格一直稳步地呈指数下降,都没有经历什么大的技术突破,就这样一直在降。到现在(2017年),每一度电的太阳能发电成本和1970年代相比已经降低了300多倍”。“全球太阳能总装机瓦数在2000年至2015年间,一直稳步地以41%的速度在增长。这是两年翻一翻的速度啊!” (笔者:中国2016年一年的太阳能装机量相当于历史总和的三倍,令人颤抖的速度。)“在美国2016年年底时,平均的太阳能发电成本已然跌破传统能源,之后的发展必然会进一步加速。” 2016年时全球太阳能能源比重大约为1%左右,如果真是保持每两年翻一翻的增长的话,那么2018年2%,2020年4%,2022年8%,2024年16%,2026年32%,2028年64%,2030年128%……当然这个S曲线的数学模型并不是这么单纯。但这种粗糙的估算相信能给读者一个大概的印象,在未来12年到15年间,太阳能占领能源市场并不是那么疯狂的估计。

当然,我们可以在草稿纸上算出整个宇宙进化史,但面临实际的情况就更为复杂。太阳能的不稳定性,和用电需求的时差等,怎样应用日益进步的锂电池技术和新型的电网结构来解决这些问题,从而取得更高的效率。事实上,世界各地发展的进展是怎么样的,就让我们留到下篇正式讲述吧。

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