Sollte ein Elektroauto gegenüber einem mit Verbrennungsmotor nicht thermodynamisch benachteiligt sein?

Ich habe größten Respekt vor der Arbeit des Rocky Mountain Institute, aber dieser kürzlich erschienene Blogbeitrag hat meine allgemeine Skepsis gegenüber Elektroautos, oder genauer gesagt, ihrer Kraftstoffeffizienz, ausgelöst. So berechnet das RMI die Amortisation für einen Nissan LEAF:

RMI Vergleich E-Autos

Ich gehe davon aus, dass ihre Zahlen für mpg und kWh/mi sowie die jeweiligen Kraftstoffpreise solide sind. Dann weist eine Kostenersparnis von fast 75 % beim Kraftstoff auf eine weit überlegene Kraftstoffeffizienz des Elektroautos hin. Dies erscheint mir sehr kontraintuitiv, da ich denken würde, dass die Erzeugung des Stroms, der Transport und die Speicherung und die Verwendung zum Antrieb der Räder auf dem Weg viel Energie verlieren, verglichen mit dem direkten Übergang von thermischer zu kinetischer Energie.

Wenn wir jetzt die gleiche Art von Kraftstoff verwenden, um die Welle im Kraftwerk und die im Motor des Autos anzutreiben, kann der große Motor im Kraftwerk wahrscheinlich effizienter gebaut werden, aber ich kann mir das nur schwer vorstellen wiegt alle Verluste bei der Energieverteilung des Kraftwerks über Kabel und Batterien auf.

Wenn wir umgekehrt das Elektroauto nehmen und nur seinen Motor durch den effizientesten Verbrennungsmotor ersetzen, den wir haben, würde das die gleiche Überlegenheit gegenüber herkömmlichen Autos zeigen, was bedeutet, dass der Vorteil des Elektroautos nicht in der Motortechnologie liegt, sondern dass es im Allgemeinen effizienter ist?

Intuitiv würde ich denken, dass die Verteilung des Kraftstoffs und die Erzeugung des Stroms im Auto thermodynamisch sinnvoller sind.

Beachten Sie, dass ich mir der Tatsache bewusst bin, dass es andere Gründe für Elektroautos geben könnte (weniger Umweltverschmutzung vor Ort, die Möglichkeit, Dinge wie Windkraftanlagen als Energiequelle zu nutzen usw.). Aber wenn wir uns nur auf die Fuel-to-Motion-Analyse konzentrieren, sind Elektroautos nicht viel weniger effizient?

Da der Vergleich ein finanzieller ist, was könnten Gründe für den großen Preisunterschied sein, wenn der elektrische thermodynamisch tatsächlich weniger effizient ist?

Es klingt wirklich eher so, als wäre hier eine Frage für Physics.se als für Skeptiker.
"... wenn wir die gleiche Art von Kraftstoff verwenden würden, um die Welle im Kraftwerk und die im Motor des Autos anzutreiben ..." Ich denke, das ist der Kern des Problems. Die Kosten für die Erzeugung einer bestimmten Energiemenge aus einem (im Allgemeinen) Kohlekraftwerk sind sehr viel niedriger als die Kosten für Energie aus Benzin, das raffiniert, zu einer Tankstelle transportiert und an den Verbraucher verkauft wird.
Der Brennstoff ist selten derselbe, und die interne Verbrennung verwendet keine Wärme, um ihre Machenschaften anzutreiben. Es nutzt Druckunterschiede, die durch Explosionen angetrieben werden. Wenn der ICE wesentlich effizienter wäre als heute, hätten Sie recht. So wie es ist, verliert es viel Energie, indem es Benzin in kinetische Energie umwandelt.
Zumindest hier in Deutschland sind etwa 55 % des Benzinpreises Steuern, verglichen mit etwa 25 % beim Strom. Das wäre ein ziemlich großer Faktor in diesem Vergleich und völlig unabhängig von der "echten" Effizienz.
Der Kraftstoffverbrauch des Nissan Leaf soll 99 MPG entsprechen - fueleconomy.gov/feg/noframes/32154.shtml
Siehe auch meinen Beitrag zur Sustainability.SE , der auch die sogenannte Well-to-Wheels- Effizienz thematisiert.
Es ist schwierig, diese Fahrzeuge zu vergleichen, da die Elektro- und Hybridautos auf Bundes- und Landesebene stark subventioniert werden. Darüber hinaus kennen wir die Margen, die der Hersteller für diese Autos akzeptiert, nicht, EVs könnten mit geringem Gewinn oder Verlust verkauft werden, um ihren „grünen“ Ruf zu verbessern oder eine CAFE-Kraftstoffstrafe für die Marke zu vermeiden. Es spielt auch eine Rolle, aus welcher Stromquelle das Stromnetz gespeist wird, an das der EV/Hybrid angeschlossen ist.
@geoO Obwohl in letzterem Punkt argumentiert werden kann, dass die Verbesserung der Stromerzeugung nur den Bau von (relativ) wenigen neuen großen Kraftwerken erfordert und alle bestehenden Elektroautos rückwirkend davon profitieren werden; Selbst wenn ein radikal neuer Weg zur Verbesserung der Benzineffizienz entdeckt würde, müssten alle bestehenden Autos wahrscheinlich immer noch ihre Motoren aufrüsten, um davon profitieren zu können ...

Antworten (2)

Die kurze Antwort lautet: Nein, Elektroautos sind thermodynamisch definitiv nicht im Nachteil gegenüber einem Verbrennungsmotor . Ganz im Gegenteil, sie sind im Vorteil.

Elektroautos sind etwa 4x so effizient wie fossil betriebene Verbrennungsmotoren, Tank-to-Wheel: ICE-Motorwirkungsgrad liegt bei etwa 20 %. Elektromotoren machen in der Regel etwa 80-90% aus . Und die Kraftstoffpreise im Artikel sind Tankpreise, Tank-to-Wheel ist in diesem Fall also die richtige Maßnahme. Wenn Sie an der Energieeffizienz des gesamten Zyklus interessiert wären (auf die sich Ihre verknüpfte Behauptung nicht bezieht), dann wäre Well-to-Wheel die Effizienz, nach der Sie suchen, und dann wäre es sehr empfindlich, wie Ihr Strom sein würde generiert.

Einzelheiten zum Energieverbrauch von Elektro-, fossilen und Wasserstoffautos finden Sie in diesem Papier von George Wallis von der Claverton Energy Group (pdf, 317 kb).

Beachten Sie, dass so ziemlich alle Elektroautos von regenerativem Bremsen profitieren und nur sehr wenige fossile Autos.

Die Effizienz hängt vom Fahrzyklus ab: Und während Verbrennungsmotoren in der Regel für Geschwindigkeiten um 85 km/h optimiert sind, nimmt die Effizienz von Elektroautos mit zunehmender Geschwindigkeit ab, so wie es die Kernphysik erwarten lässt:

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

(Quelle)

Weitere Informationen zu den Wirkungsgraden von Elektrofahrzeugen vom Kraftwerk zum Rad, nach denen Sie fragen, auf die sich die von Ihnen zitierte Behauptung jedoch nicht bezieht, finden Sie auf der Website der US-Regierung zum Kraftstoffverbrauch .

Und bitte kommen Sie zum neuen Sustainability Stack Exchange , wo wir auch solche Fragen beantworten.

Nützliche Antwort - und danke, dass Sie mich auf die Sustainability SE hingewiesen haben!
Danke, die Effizienz der beiden Motortypen war das fehlende Glied in meinem Bild. Außerdem, ja, die Nachhaltigkeits-SE wird für mich nützlich sein.
Wäre die kurze Antwort angesichts Ihrer Informationen nicht "nein", nicht "ja"? Die Frage ist, ob Elektroautos einen Effizienznachteil haben.
Bemerkenswert ist auch, dass die Benzinherstellung auch Energie in Form von Strom und Erdgas verbraucht. In Staaten wie Kalifornien, die Erdgas zur Stromerzeugung verwenden, ist es fast wahr, dass die Einsparungen bei der Benzinproduktion ihre Elektroautos antreiben könnten.
Warum spricht die Antwort hier nicht davon, dass die Energiedichte von Benzin 100-mal besser ist als die einer Batterie? Dies macht Ihre gespeicherte Energie in einem Elektroauto viel schwerer, der Kompromiss, den Designer normalerweise wählen, ist die Entfernung pro "Tank". en.wikipedia.org/wiki/Energy_density
@daniel, weil das für die spezifische Frage, die gestellt wurde, völlig irrelevant ist. Wir führen hier keine allgemeinen sinnlosen Diskussionen - versuchen Sie es mit Reddit. Wir geben spezifische Antworten auf spezifische Fragen, die sich auf spezifische bemerkenswerte Behauptungen beziehen.
@EnergyNumberse Sie sind blind für die Nachteile des Herumschleppens einer großen Batterie in einem Auto. Ein brandneuer Tesla wiegt ziemlich schwer und legt etwa die Hälfte der Strecke zurück wie ein normales Benzinauto mit einem Tank. Aus thermodynamischer Sicht wähle ich zwischen 40 kg Benzin oder 40 kg Batterien, um sie in mein System einzuführen, um das Problem des Reisens zu lösen, und das Benzin lässt mich so viel weiter reisen.
@EnergyNumbers Ich gebe sogar zu, dass ein Hybrid an einem guten Tag 1,5-mal so effizient sein kann wie ein normales Auto, aber Sie sprechen von Elektroautos. Elektromotoren sind großartig an Orten, an denen wir sie sehen, in Straßenbahnen, Klimaanlagen in Fabriken. Diese haben aber alle den Vorteil einer permanenten Verbindung zum Stromnetz, die ein Auto nicht hat.
@daniel: Ein Elektroauto benötigt nirgendwo die Energiedichte eines Benzinautos, da ein Elektroauto nicht fast die gesamte gespeicherte Energie verschwendet, indem es heiße Luft aus dem Kühler und dem Auspuffrohr bläst.

Ich komme mit ein paar Jahren Verspätung in diese Diskussion, aber ich wollte ein Problem ansprechen, das andere nicht haben:

Sie sprechen von der Thermodynamik eines Benzinmotors gegenüber einem Elektromotor. Hier sind die physikalischen Gründe, warum Elektromotoren effizienter sind als Benzinmotoren:

Einfach ausgedrückt nimmt ein Benzinmotor chemische Energie (das Benzin), wandelt sie in Wärme um, indem er sie verbrennt, und wandelt diese Wärme dann in mechanische Energie um. Im Allgemeinen verlieren Sie jedes Mal, wenn Sie eine Umwandlung zwischen Energieformen durchführen, einen Teil dieser Energie an Entropie. Insbesondere Wärmeenergie ist eine sehr unorganisierte Energieform, und es ist sehr schwierig, sie direkt in andere Energieformen umzuwandeln. Sie können auch nicht die gesamte Energie aus Wärme verbrauchen, indem Sie sie in mechanische Energie umwandeln, und dadurch wird viel Wärme verschwendet. Dies wird am deutlichsten durch die Notwendigkeit eines Kühlers für einen Benzinmotor - dort wird die Abwärme in die Luft abgegeben.

Elektrische Energie hingegen ist sehr organisiert. Es ist einfach, Elektrizität direkt in mechanische Energie umzuwandeln, indem ein Elektromagnet gegen einen anderen Elektromagneten drückt, und dabei wird nur sehr wenig Energie als Wärme verschwendet. Es gibt nur eine Energieumwandlung – von Elektrizität in mechanische Energie, statt zwei wie bei einem Benzinmotor, und der Prozess beinhaltet keine absichtliche Erzeugung von Wärme (die mit einem Kühler abgeführt werden muss), um sie in einer zweiten Umwandlung zu verwenden mechanische Energie.

Aufgrund dieser Unterschiede haben Elektromotoren einen Wirkungsgrad von etwa 85-95 % bei der Umwandlung von elektrischer Energie in mechanische Energie, während Gasmotoren nur (höchstens) 35 % und Dieselmotoren thermodynamisch gesehen einen Wirkungsgrad von etwa 45 % haben.

Wenn Sie sich den Rest der Energieversorgungskette ansehen wollten, spielen natürlich noch andere Faktoren eine Rolle, aber selbst dann ist die Produktion von Strom und Benzin hocheffizient, wenn auch mit eigenen Verlusten. Jeder, der für die ultimative Effizienz eines fossilen Brennstoffs argumentieren möchte, würde jedoch sofort von der Effizienz der direkten Umwandlung der Sonnenstrahlen in Strom mit Solarmodulen mit nahezu beliebiger Effizienz an den Rand gedrängt werden, anstatt den Weg der Umwandlung zu gehen die Sonnenstrahlen in Pflanzenmaterial, lässt das meiste davon verrotten und gibt seine Energie wieder an den Boden ab, fügt den verbleibenden 1% ein paar hundert Millionen Jahre hinzu und lagert es für die Dauer sorgfältig unterirdisch.

Die ultimative Effizienz der Produktion fossiler Brennstoffe ist unglaublich schrecklich und zeitaufwändig.

Die Frage ist wirklich nicht die Effizienz eines Elektromotors gegenüber einem Benzinmotor. Es geht um die Erzeugung, Übertragung, Speicherung und Nutzung von Strom im Vergleich zu Benzin in einem Auto. Zum größten Teil verbrennen wir irgendwo in dieser Kette auf der elektrischen Seite immer noch fossile Brennstoffe, um Strom zu erzeugen – aber es ist in einem Kraftwerk im Versorgungsmaßstab, das weitaus effizienter ist – und viel billigeren Kraftstoff verbraucht – als der Benzinmotor.
Bitte geben Sie einige Referenzen an, um Ihre Behauptungen zu untermauern. Ihr Fachwissen reicht nicht aus, um hier zu überzeugen.
In der Frage wird gefragt, warum es effizienter ist, von fossilen Brennstoffen -> Strom -> Getriebe -> Batteriespeicher -> Elektromotor -> Rad zu gehen, als von fossilen Brennstoffen -> Transport -> Kraftstofftanklagerung -> Verbrennungsmotor Motor -> Rad. Sie adressieren in der Antwort nur die letzte Konvertierung.
Hitze hat nichts damit zu tun, wie ein Verbrennungsmotor funktioniert. Expansives Gas tut es; Wärme ist ein Nebenprodukt. Tatsächlich ist Überhitzung ein ernsthaftes Problem, daher wird etwas mechanische Energie zum Pumpen des Kühlmittels aufgewendet, nicht zum Bewegen der Räder. Deshalb läuft ein Auto immer noch, wenn Sie es starten. Sie müssen nicht warten, bis sich etwas erwärmt hat, bevor Sie daraus kinetische Energie gewinnen können.
@fredsbend: Die Kombination von einem Mol C7H16 mit elf Mol O2 ergibt sieben Mol CO2 und acht Mol H2O. Somit würde das PV-Produkt aufgrund von Änderungen in der molekularen Zusammensetzung um 20 % zunehmen, aber das verblasst im Vergleich zum Temperaturunterschied zwischen dem Gas im Kolben an jedem Punkt des Verdichtungshubs und seiner Temperatur an dem entsprechenden Punkt im Kraftstoß.
@supercat Ich verstehe nicht, was Sie sagen. ICEs machen sicherlich viel Wärme, aber das ist ein Nebenprodukt des Kompressionshubs. Der ICE ist so ausgelegt, dass er den Krafthub, dh die Expansion, nutzt.
@fredsbend: Wenn die Reaktionen, die C7H16 und 11O2 in 7CO2 und 8H20 umwandeln, keine Wärme erzeugen würden, sondern sofort am oberen Ende des Kompressionshubs stattfinden würden, wäre dies die maximale Energie, die während des aus dem System entnommen werden könnte Arbeitstakt nur um 20 % größer als die Menge, die über den Verdichtungstakt eingebracht wurde. Die meiste Energie, die beim Arbeitstakt erzeugt wird, entsteht dadurch, dass beim Verbrennen von Kraftstoff Wärme entsteht. Weniger als die Hälfte der Wärmeenergie wird in mechanische Energie umgewandelt, aber der Großteil der mechanischen Energie...
...ist umgewandelte Wärmeenergie. Der Grund, warum Autos schnell starten, liegt darin, dass die Verbrennung das Arbeitsmedium direkt erwärmt, ohne dass zuerst die Wände eines Wärmetauschers erwärmt werden müssen. Wenn mechanische Energie kein Ergebnis von Wärmekonvention wäre, auf welche Weise würde sie erzeugt werden?
Sollte ein Elektroauto gegenüber einem mit Verbrennungsmotor nicht thermodynamisch benachteiligt sein?
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