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2020-02-11

anond:20200210183214

FCEV(燃料電池) vs BEV(電気自動車)について返答してみる。FCEV水素をいれるよりも、BEVを充電した方が効率が良いという話です。

水素を作る際に投入する電力のうち、数割は熱に変わってしまう。この点をBEV比較しようと思う。Well-to-Wheelではなく「Grid-to-Wheel」で見た場合となっている。

燃料電池車(FCEV)の効率

製造

水素製造する際には電気分解が主流だ。(石油からの生成もあるが、今回は電気分解とさせていただく)

なお電気分解の際は、送電グリッド交流)での変換とすると、まず交流直流に変換する必要がある。この効率92%とする。

92%】

電気分解法としてPEMを考えると、効率が80%であるから、この時点で:

92% * 80% = 74%】

となる。

充填(貯蔵)

燃料が問題なのは、「物質であるために、「貯蔵」と「輸送」が必要になる点だ。

貯蔵に関して言えば、(水素密度が低いので)貯蔵する際に液化または高圧にする必要があり、必ずエネルギーを消費する。

輸送に関して言えば、重さのある物体を動かすわけなので、必ずエネルギーを消費する。

ここで、燃料を貯蔵する際に使うエネルギー効率を見てみると:

まり貯蔵方法として圧縮する場合、今までの効率を掛け合わせると

92% * 80% * 87% = 64%】

となった。タンクに充填する段階までで、投入電力の36%は熱として失われる。

使用

さて、ここまで製造した水素水素タンクに充填した。次はその水素使用するわけだが、ここでもロスが生じる。

燃料電池に貯蔵されたエネルギー直流で取り出される。この効率を95%とする。また、取り出した電流ACに変換する必要がある。例えばMiraiのモーターは交流同期モーターで、DCからACへの変換効率を90%とすると、

92%(ACDC) * 80%(PEM) * 87%(充填) * 95%(FCスタック効率) * 90%(DCAC) = 55%】

となる。

電気自動車(BEV)の効率

バッテリへ充電する際、ACDC変換の効率92%、充電の効率を80-90%、インバータDCACの変換効率を96%とすると

92%(ACDC) * 80-90%(充放電) * 96%(DCAC) = 70-79%】

となる。

すなわち、同じ電力を投入する仮定のもとでは、電気自動車を充電した方が効率が高い。燃料電池車は、「水素製造」〜「燃料電池からの電力を取り出すまで」の間に、投入した電力のうちの45%の熱を出すわけだ。

数字をよくみると、問題なのは PEM電気分解 と 充填 の効率だ。ここが余分に入っているせいでFCEV効率が悪くなっている。これらを再生エネルギーでやればいいのでは?と思うかもしれないが、そういう話ではなく、その再生エネルギーをBEVの充電に使った方が効率が高いよね、という話なのだ

電気分解をしない場合FCEV効率

電気分解をしないケース(石油精製時利用する水素を使うケース)で見ると、

87%(充填) * 95%(FCスタック効率) * 90%(DCAC) = 74%】

となり、まぁ悪くないような感じになる。ただ、このケースではCO2を出している。

水素輸送ロス (anond:20200210183214)

水素燃料の輸送ロスについて」への返答としては、「場合によるが(余り物の水素を使うなら効率が高い)、BEVよりも劣る」だろう。

輸送の際の話は答えていないので答えると、液体水素輸送する場合ボイルオフ(気化していく)によりロスが生じる。圧縮する時にはエネルギーを投入する必要がある。パイプラインを引けばロスはない。

燃料電池寿命

燃料電池スタックにも寿命がある。BEVとの比較データがないので難しいが、ここはおあいこのようだ。

水素貯蔵の安全性について (anond:20200210183214)

Miraiとかはかなり頑丈なプリプレグでタンクを作っており安全性は高い。

リチウムイオン危険性も確かにあるが、今は切ったり突き刺したりしても燃えないように作られている。

安全性を語る時はケース(事故)を色々考えないといけないので論ずるのは難しいが、一般論で言えばどれも極端なケースを除けば安全に作られていることは確かだ。

ガソリンは使い方を間違えれば兵器にもなるわけだし、あれほど危険ものをある程度安全に使えているので、安全性に関しては規制でなんとかなるという見解だ。

蓄電はどうするのか (anond:20200210183214)

EVに蓄電するケースは自然エネルギーとの付き合い方では最も最適だ。EVバッファとして使う。その際にパワーグリッドの需給状況に応じて充電電流などを変える必要があるだろうが、CHAdeMOはすでに遠隔監視のために携帯電話網に接続されたものもあることから、あとは制度次第で可能だろう。

水素で蓄電することももちろんできて、各水素ステーションの改質のタイミングを電力のオフピークに行えば良い。ただ書いたように、同じ電力を使うならEVに充電した方が効率は高い。

水素社会 (anond:20200210183214)

LPG車が細々と残り続けていることからも、こういう形で燃料電池車が使われるのではという確証の無い予想をしている。

現在リチウムイオン電池エネルギー密度が低く、例えばトラックなどがEV化した場合、目指す航続距離にもよるが、トラック自重の半分とかが電池の重さになるだろう。大型トラックでも25tまでしか許されないので、電池ばかりを積むこともできない。航続距離が欲しいなら積載量を削ることになり、積載量を増やしたいなら航続距離を減らすことになる。

リチウムイオン電池ブレークスルーがなければ、燃料電池車もある程度日の目を見るだろう。

ただ、トラックバスEVFCEVにするのはあまりにもコストがかかるわけで、もうしばらくはハイブリッドのままなのでは無いだろうか。

技術はどうなるのか誰にも予測できないので、確証はないけれども。

2020-02-10

anond:20200209170643

ICE効率の点ではEVに遥かに及ばないよ。印象だけでは語るとデマになるので、少し計算した方が良い。

エンジン (ICE: internal combustion engine) 効率

追記: 過小評価していたので熱効率を上げました)

原油⇒精製(90%)⇒輸送(98%)⇒エンジン(30-40%)⇒変速機(80-90%)

=20%-35%程度

効率向上の限界

一番の問題は、熱機関は最良でもカルノーサイクルの壁を超えられないこと。つまり入力と出力の温度差による限界が来るわけ。

エンジンの素材は金属なので、良くても数百度かにしかできないわけで、予算度外視でどんなに効率をよくしても量産車で60%に至ることはありえない。

エンジンアルミか鉄なわけで、そこまで高温にできない。それで30-40%止まりと言うわけ。最近50%近いエンジンができたーとか言うニュースもあるが、もう熱力学上、天井は見え始めている。これは物理学なので、どうしようもならない。

(ちなみに、燃焼温度を上げると今度はNOxなどの問題顕在化してくる。そのため、むしろEGRなどにより温度を下げるのがトレンドエンジン開発はいろいろなトレードオフなのだ。)

ディーゼルエンジン効率比較的高く、CO2排出ガソリンエンジンよりも少ないとされるが、NOx/PMなどの排出が多い問題がある。NOxについてはマツダが頑張って尿素SCRなしのエンジン作ったけど、結局、PMについては、DPFを用いて微粒子を捕獲している。そのDPFの煤焼き運転必要だったりするので、その分の燃料は無駄になるわけだよね。

で、エンジン車の問題として、トルクバンドが上のほうにあるので、クラッチトルクコンバーター等と変速機が必ず必要となる。その際にロスが出てしまう。AT/MT/DCTは段数が少ないとパワーバンドを生かしきれない。段数が多いと重い。CVT滑るし、CVTルードは温まるまで粘度が高くてロスになる(ダイハツCVTサーモコントローラーとかで頑張ってるけど)。

エンジン効率への批判について

エンジンの熱効率50%に達したという記事JSTの「革新的燃焼技術」)で反論する方がいらっしゃるが、そのエンジン実験室の563cc単気筒エンジンだ。もちろん単気筒なんて自動車では振動などで使い物にならないから、最低でも3気筒からとなる。そうしたときに、気筒が増えて動弁系などのフリクションの発生によって効率は下がるはずなので、そのまま量産車に適用することは難しい。実用車では気筒数増加による動弁系の負荷、オルタネーターなど補機系の負荷などもかかってくることも頭に入れておきたい。

日産が45%のエンジンを開発しているとの記事もあるが、これはe-Powerの「発電専用」エンジンだ。ハイブリッドなので、こういう芸当が可能だ。

45%からは数%上げるだけでも相当血のにじみ出るような開発の労力がいるだろう。

燃焼温度についての批判

燃焼温度アルミや鋳鉄の融点よりも遥かに高いと言う指摘があった。その通りです。

しかし、熱力学説明たかっただけで、例えば入口・出口の温度差を数万度にしたならば、熱効率はかなりのものとなるが、そんなものは物性的不可能ということを示したかった。

なので、燃焼温度は限られるという意味

BEV (Battery EV) 効率

原油火力発電(超臨界発電) 50-60%⇒送電 (95%) ⇒バッテリへ充電(90%)⇒変換(96%)⇒モーター(95%)

=39-45%

効率アップの方法

PHEV, BEV場合、上に示したうちで一番効率の悪い「火力発電」の部分を再生エネルギーや水力に転嫁することで、CO2削減を目指せる。もちろん、原発にしてもCO2は減らせる。

なお日本火力発電所のSOx/NOx排出海外に比べてもとても少なく、優秀である

発電所の部分では、現状でも50-60%の効率は稼げる。なぜ熱機関なのにここまで効率が出せるかと言うと、巨大なプラントで高温に耐えるコストの高いタービンを回してるから

それによって熱機関効率が高められるから。車のエンジンは小さくてスケールメリットが働かないよね。でも発電所レベルなら巨大で、コストも充分かけられるのでこう言う芸当ができる。

で、電気輸送に関しては送電線なので一度つなげたらしばらくはCO2を出さない。送電効率も超高圧送電(100万ボルト以上)によって高まっている。

また、インバーターとかモーターに電気を流す部分はパワーデバイス(GaN等)の発展によってどんどん効率が上がっている。

なお、モーターのトルク特性としてエンジン車のように変速不要のため、クラッチトルコン変速機などによるロスはない。将来、インホイールモーターが実用化されれば、モーター→タイヤへの伝達効率さらに上昇する。

回生

ちなみに、xEV回生充電もできるために、ブレーキ時に運動エネルギーICEほど熱に変わらない。

(一方ICEエンジンブレーキを使ったとしてもエネルギーに変えているわけではないので(多少オルタネータの充電制御は入るが)、ブレーキ時には運動エネルギーを熱にしてしまう。せっかく石油を燃やして運動エネルギーを得たのに、そのエネルギーを回収しないで熱に変えるわけ。)

まあxEV回生できるとはいえ回生時にパワーデバイスとかの充電ロスがあるから、実はコースティング回生も何もしない)で空走した方が距離を稼げる。なので、前の信号が赤にかわったときEVに関していえば、ブレーキも何も踏まないで空走状態を維持し、空気抵抗だけで0kmにするのが一番効率が高い。まあ、そんなことしていたらノロノロすぎてウザがられるので、妥協点として回生ブレーキを使ってちょっとはロスするけど、エネルギーを回収しながら止まるってことだね。

ICEだと、エンジンブレーキ積極的に使って、ブレーキを踏まない運転を心がければ良い。やってはいけないのは、Nに入れて空走すること。Nに入れるとエンジンアイドリングを維持するために燃料を消費する。ギアを入れたままエンジンブレーキをかけると、その間は燃料噴射をやめても回転が維持できるので、エンジンは燃料噴射をやめて、実質消費はゼロとなる。)

BEV製造時の負荷は?

製造CO2

バッテリーの製造時の負荷は確かに高い。しかし、製造には電気を使っているので、電力構成によりCO2排出は変わる。つまりグリーンエネルギーを使えば問題なくCO2を減らせると言うこと。

なお id:poko_penマツダのWell-to-Wheel理論を持ち出しているが、あれば古い時代バッテリ製造時のCO2データを使っていて、CO2排出過大評価している。最近テスラLi-ion電池工場では、再エネを利用して製造しているのでCO2は少なくできる。こうした、製造時のCO2排出問題工場や電源構成アップデートしていけば減らせる問題だ。

マツダはBEVよりもICE派で、SPCCI(圧縮着火)とかで頑張ってるからバイアスがかかってるのは仕方ないと思うね。私は内燃機関デザイン周りで頑張るマツダは大好きだけど、SKYACTIV-Xが思ったよりも微妙だったから株売っちゃったわ。)

リチウム採掘

Li-ion電池10%含まれリチウムは、採掘時に水を大量に使ったりする問題はある。ただ、これは「製造時」に限った話であり、内燃機関を使うたび、原油のために油田をあちこち掘り返したり、オイルタンカー座礁して原油を撒き散らしたりするのに比べれば遥かにマシというものだろう。

あと、専門外だけど、海水から抽出する技術研究中とか。

コバルト貴金属

xEVには必要となる貴金属類には依然として供給リスクとか採掘時の「児童労働」とかの問題を孕んでいる。ここら辺は全世界的に解決するしかなさそう。需要が増えれば、世界の目がこう言う問題に向くはずなので、我々技術者はそれを期待するしかない。

地域によるCO2排出量の差

例えば沖縄石炭火力の比率が高いため、EV効率を持ってしてもCO2排出HVとかより高くなる。しかし、それ以外の都道府県ではICEよりBEVの方がCO2が低い。原発が動いていない現時点でもね。

その他xEVとBEVとの比較

HV, PHEV

PHEVはもちろんICEより遥かにCO2を出さないが、BEVには勝てない。ただ、電力構成によっては逆転もありうるが、ほとんどの都道府県ではBEVの方がCO2を出さない。

燃料電池車 (FCEV)

(追記: anond:20200211034316 に FCEV vs BEV効率比較を書いた)

燃料電池車に関していえば、無用の長物と言える。水素製造する場合にも電力が必要だが、まあこれを再エネで行ったとしても、水素輸送タンクに注入する際の水素圧縮時のロスは非常に大きい。その圧縮の際に再エネを使ったとしても、結局そのエネルギーでBEVを充電した方が効率がいいのだ。

そもそもBEVならば、送電線さえあればいいわけで、わざわざ水素のように輸送する必要がない。

また燃料電池化学反応なので、アクセルレスポンスが遅いと言う欠点があり、反応のラグを補うために燃料電池車には結局バッテリーが積まれている。

ただ、航続距離は長いために、俺は現代におけるタクシーとかのLPG車みたいに細々と残るとは思う。航続距離重要トラックバスタクシーなどには燃料電池が使われるかもしれない。

効率以外にも、めんどくさい高圧タンクの法定点検とか、割と問題は多い。水素ステーションは可燃性の水素を貯蔵するわけだからEV充電スタンドよりも法的なめんどくささがあるのも確か。

水素ロータリー

これは燃料電池車より論外。カルノーサイクルに縛られてしまうので、電気分解よりも効率が悪くなる。水素の使い方としては燃料電池よりも悪い。

PHEV, BEVと再エネ

再エネは不安定と言われる。確かに自然相手なので、予測も難しい。しかし将来的にEVが普及すれば、EVバッファとして利用することで、不安定さを吸収しグリッドを安定させられる。

これは再エネを導入する動機にもなる。職場に着いたらEVCHAdeMOを挿しておいて、電力の需給バランスに応じて充電開始、とかが普通になるかもね。

気候

寒さ

BEVは寒さに弱い。リチウムイオン電池特性上、寒くなると容量が可逆的ではあるが減る。そのためテスラにはバッテリーヒーターが搭載されている。(ちなみに、寒いノルウェーでもテスラが爆売れしているし、なんと新車の半分くらいの売り上げがBEVという。もはや寒さは問題ではないのかも?(まぁ優遇政策があるからだけどね))

FCEV寒いと反応が弱まって出力が減るので、そこらへんは考慮されている。

一方ICEも、冬になると燃費悪化するとされる。US DoEによると、理由は、オイルの粘度低下、温度上昇までの暖機、ガソリンの配合が夏と違う(日本でも同じかは謎)など。他には空気密度によるエアロダイナミクス悪化とかがあるがこれはEVでも同じだ。オイルなどが原因となって燃費悪化するのはICE特有だろう。

暑さ

BEVはまた暑さにも弱い。Li-ionは熱によって不可逆的なダメージを受けて、寿命が縮む。そのためテスラにはエアコンを利用する水冷バッテリクーラーが搭載されている。リーフは空冷で、これが問題だったのか、劣化問題でざわついていたリーフオーナーも多かった。今は改善されているらしい。

用語

ソース

URLを多く貼るとスパム認定されるから貼れないけど、US DoEとかCARB、日本だと日本自動車研究所あたりの公開資料を見ればソースに当たれる。

一つだけ、EV vs ICE効率について、13分程度で詳説してある動画URLを貼っておく。英語字幕もないが、割と平易なので、見てみてほしい。論文ソース動画の中でよく書かれている。

製造時の負荷」「化石燃料の発電でEVを使うのは利点あるのか?」「リチウム採掘の負荷」の3つで説明されている。簡単に箇条書きにすると:

https://www.youtube.com/watch?v=6RhtiPefVzM

おまけ&追記

マツダLCAについて

前述のようにマツダEVと自社のICEについて、Well-to-Wheelでライフサイクルアセスメント比較している。その比較におけるLi-ion製造時のCO2排出量のデータだが、2010年〜2013年のデータとなっており古い。しかも、Li-ion製造時のCO2排出量は研究によってばらつきが大きく、いろいろな見方があり正確性があまりないのが現状。また現状を反映していないと考えられる。例えばテスラギガファクトリー」のように太陽電池をのせた自社工場場合などについては考慮されていないのが問題だ(写真を見ると良い、広大な敷地ほとんど太陽光で埋まっている)。

また、マツダ研究バッテリ寿命を短く見積りすぎている点で、EVライフサイクルコストが大きく見える原因となっている。テスラのようにバッテリマネジメントシステムBMS)がしっかりとしたEV寿命が長く、またLi-ionの発展によって将来は寿命を伸ばすことは可能だろう。事実、今まで電極や電解質改善によってサイクル寿命は伸びてきた。

テスラは現時点で最も売れているわけだし、このことを考慮しないのは少々ズルいと言える。

なぜ水素エンジン効率が悪いか ( id:greenT )

"Why Hydrogen Engines Are A Bad Idea" でYouTube検索したらわかりやすいが、噛み砕くと

あと補足すると「エンジン」は爆発によるエネルギーを使っているが、全てを使い切れていないこと。十分に長いシリンダーを使って、大気圧まで膨張させるならエネルギーをかなり取り出せるが、そんなもの実用存在できないので、爆発の「圧力」を内包したまま、排気バルブを開けることになる。この圧力ターボチャージャーで利用することも可能ではあるが、全て使い切れるわけではない。

あーでも、水素エンジンメリットが1つあった。燃料電池(PEFC)は白金必要とするため このエントリーをはてなブックマークに追加ツイートシェア

2017-09-17

はてブやってるようなクズEVを買えないくらいに貧乏か車に興味ないかどっちかなんだよなぁ

はてなブックマーク - 経産相「いきなり電気自動車にいけるわけでもない」 | NHKニュース

車に興味ないなら黙ってろくそはてブ民。

まともなブコメまとめていくが、これ否定できるならやってみろよ。

どうせ経産省批判する流れが出来てからなんとなく乗っかかって物言ってるだけの思考停止したバカはてな民

ほんまお前ら害悪しかないわ。



gokkie 30kWhリーフ買って一月半で2500km乗ったけど、今のトコ不満はない。先行者特権フリーライダーになれるのは限られた期間やろし、格安で買った車でガンガンフリーライドしまくるで

etr そうなんだ・・・とりあえず私、テスラ乗るね。(モデル3予約してます。)

600以上ブクマついてるのに実際に電気自動車を買って乗る人が二人しかいないはてな民wwww




ちゃんと自動車のことわかってる人のコメント

fusionstar 欧州EV 推進は原子力発電前提なんだけど乗っかっていいのかなあ

u-chan ただの腰巾着かと思ったら、まともなこと言ってる。これで「電気自動車ダー!!」なんて言ったら、後、新設の原発何基作る気なんだ?? だしね

raitu 短い航続距離(最大でも600km)および長い充電時間(40分)をすぐどうにか出来るわけでもないから、そんなに変なことは言ってない

mur2 いきなり電気自動車しろという人はリチウムネオジムを筆頭とした大量のレアメタルをどうやって安定的調達する気なんだろうか。エンジン関連パーツ、燃料系統を作ってる下請け死ぬぞ。

otihateten3510 英仏中がやってるのはあくま政治だと思う。技術置き去りの政治に良い印象はない。支援はわかるが規制に便乗するのはおかしいだろ? どちみちメーカー対応しなきゃならないわけで、経産省立場はこれでいい

Earth_f1 EVに関して過度に期待しすぎるのもどうかと思う。HV/PHEV/水素/にだってモーターとバッテリー技術はあるわけだし悲観しすぎでしょ。あとガラパゴスで言ってる人は日本メーカー海外売上比率を見てみてはどうですか?

ukidousan LNG以外の火力発電所を潰すまではHV優位かなあ https://headlines.yahoo.co.jp/hl?a=20170913-00010007-msportcom-moto

moegi_yg トヨタ水素押し、EVにしなきゃ乗り遅れる、ガラパゴス、云々全部的外れ。中印蘭以外はHV, PHVも可、電動化の肝はバッテリー。日系はそこは進んでるし、スバル/マツダですらロードマップに数年後に導入

Dicer あれ?トヨタEV用の高性能電池を開発中じゃなかったの??→ http://jp.techcrunch.com/2017/07/26/20170725toyotas-new-solid-state-battery-could-make-its-way-to-cars-by-2020/

poko_pen インフラ整備が不要プリウスなどHV20年掛けてやっとシェア30%(世界ではもっと低い)。充電スポット新規発電所建設などインフラ整備が必要不可欠な電気自動車がどれだけハードルいか理解して欲しい

dannier インドフランスEV縛り宣言したけど、ドイツは同じ問題抱えてるから実はEV宣言はしてないんだよね。まあ研究開発と充電設備に巨額の投資はしてるけど。あと中国もいつ急に降りるかわからん、という感じなのだ

ryokujya 日産ノートeパワーを見ましょう。リーフを出した日産エンジンを発電に使うノートを出した意味を。今はハイブリッドが適している




もちろん私だって別にEV否定してるわけじゃないぜ。政治的にもアドバンテージを取らないといけない部分があるのはその通りです。

インフラ整備や普及のための補助金標準規格競争など、適切なタイミングを見て国が参加する必要はありますはてブもそのあたりわかってる人をちゃんとフォローしたいですわ。

awkad いかにも日本だ。作る側が神と思ってる。決めるのは需要側なんだよ。中国アメリカEVだっていったらEVだ。日本需要で負けてるんだから決定権なんてない

mamezou_plus2 充電スタンド規格「CHAdeMO」と別規格を欧米に作られ日本外しEVが普及すると充電負荷が高すぎるのでスマート電力のシステムとかサービスとか。内燃車とは特性が違うから交通などデザインし直さなきゃいけない

giyo381 電気自動車時代って言ってる人の中でwell to wheel知ってる人どんくらいいんだろ。石油が連産品とか、発電効率とか知ってるのかしら

石谷久(東京大学教授)による「Well to Wheel」でのCO2排出量( 2005 )/ ガソリン車:193 / ガソリンハイブリッド車:123 / 燃料電池自動車86 / 電池電気自動車:47 / https://blogs.yahoo.co.jp/zaqwsx_29/18278184.html


お前らみたいなアホが、燃料電池の時も同じことを言ってて、

燃料電池がだめになったらその時応援してたことも忘れて手のひらクルーするわけよ。

おまえらどうせEVについても、EVにさっさと乗ろうとしない政府無能とか言っておきながら、

いざ上手く行かなかったら、「誰だよEVに一足飛びに行こうとしたやつは」とかいい出すわけよ。


2040年になった時、さすがにお前らもはてなをやってないとは思うが、

このブックマークページのコメントは保存しておいて「ほーら20年前にこういうバカなことを言ってる人たちがいたんだよ」って晒してやるから覚悟しとけよ。

 
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