そろそろEVの時代かな

そろそろEVの時代かな

★この記事は別のサイト「プロジェクトEV」に移植しました。

最近のガソリン価格高騰を受けて、EV(電気自動車)が注目され、TVなどでもよく取り上げられるようになりました。

中でも三菱のi-MiEVは、2009年から発売の予定ですし、スバルもR1ベースのEVがかなりの完成度まで来ているようです。今まではEVというと試作車の域を出ていませんでしたが、いよいよ普及の段階に入ってきたのではないでしょうか。

i-MiEVについては清水和夫氏による試乗インプレッションに詳しいです。

と言っても、僕は最近の殆ど宗教化したエコロジーブームにはうんざりで、EVを評価するのはCO2を出さないからではなく、マシンとしての性能が高いからです。

EV vs ガソリン車、エネルギー効率比較

バイクマニアの僕が言うのもなんですが、内燃機関って恐ろしく乱暴で非効率なマシンなのです。

ガソリンエンジンの熱効率はたった20%足らず(ディーゼルエンジンでも30%程度)です。つまり元のガソリンのエネルギーを100とすると、タイヤを駆動するのに使っているのは20弱で、残りの80強は熱として外に捨てているのです。

原理的に内燃機関で高効率を目指すには、圧縮比を極限まで大きくしないといけないので、非常に厳しい。現在の技術でも1:11くらいがレギュラーガソリンの限界です。100年間も改良を続けてきてもこれですから、もう殆ど改良の余地は無いでしょう。

一方、電気モーターのエネルギー効率は90%以上!もあります。最初から勝負にならないんですよ。

では、クルマ全体のエネルギー効率を比較するとどうなるか?MiEVのプロモーションビデオから抜き出すと次のようになるそうです。

  • ガソリン車:エンジン17.7% x 駆動系92.0%=計16.3%
  • EV:充電効率90.0% x 電池充・放電76.8% x コントローラ96.0% x モーター91.0% x 駆動系92.0%=計55.5%

EVは電池周りで多少ロスがあるものの、ガソリン車に比べて3.5倍も高効率なのです。しかも、ガソリン車の数値は最も効率が高い回転域でのものですから、実際の運転モードではもっと効率は落ちます。

一方、電気モーターは回生ブレーキがありますから(上の数値には多分含まれていない)、ガソリン車ではブレーキローターから熱として放出するだけだったエネルギーを、再利用することが出来ます。

モーター vs エンジン、トルク特性比較

自転車を漕ぐと判るように、加速の最初は大きな力(トルク)が必要で、そのうち軽くなって今度は速く回す必要が出てきます。

ここで、ギアの無いマシンを一定の加速度で加速させたい場合のパワー特性を考えてみます。

パワー(仕事率)=トルク*回転数∝重量*加速度

ですから、加速度は一定なので、右辺は定数になり、

トルク=定数/回転数

となります。つまり、トルクと回転数は反比例するという事です。これをグラフにすると次のようになります。

理想トルクカーブ

では、EVとガソリン車のパワー特性はどうなっているか?MiEVのサイトから拝借すると、次のようになります。

mie_bod_gra_05.gif

EVの方は、冒頭のグラフとほぼ同じですよね。 だから変速機無しでそのまま乗り物に使えるのです。電気モーターは原理的にこの反比例型のトルク特性であり、言ってみれば生まれながらにして乗り物の動力源に適しているという事です。

一方、エンジンの方は、ご存知のように中央付近が高い山形の曲線であり、一定回転数以下は単体で回ることすら出来ません。よって、クラッチやギアを駆使することで、何とか走れるようにしているのです。

走行曲線

これはクルマの走行曲線というもので(カタログなどで見た事があると思います)、駆動力(タイヤに伝わる力)と速度のグラフです。各ギアの曲線を重ね合わせて、先の反比例グラフに近づけていることが判ります。

しかし、実際の加速ではグワッとトルクが盛り上がったと思ったら、シフトアップでカクンと落ちるという、ギザギザのトルク曲線になります。特に、低いギアの時はそれが顕著で、乗ってる人間もギクシャクします。

これを回避するにはCVTしかありませんが、CVTは摩擦抵抗とトルク伝達ロスが大きいのです。 また、エンジン回転が一定で速度だけが上がるような設定にすると、ドライバーにとっては違和感があるので、結局一定範囲内ではギア比は固定するという、従来のミッションと似た制御にしています。
熱効率と言う点でも、最も良いのは大抵トルクピークの少し下あたりの回転なので、それを外すと上記の17%をさらに下回ります。

このように、内燃機関は使える(効率がよく、トルクもある)回転数が限られており、実は加減速に向いていないパワーソースと言えます。

バッテリーの発達とEVの普及

では、何故今までこんなに欠点だらけのエンジン自動車が栄えて、理想的な電気自動車が普及しなかったかと言うと、それはひとえに電池のエネルギー密度が低かったからです。平たく言うと、クルマに搭載できる位の大きさ・重さのバッテリーでは、一回の充電で少ししか走れなかったからです。

逆に言うとガソリンのエネルギー密度は非常に高く、このような燃料が多量に安価に供給されたことが、自動車の発展を支えたのです。しかし、今や安価とは言えなくなってしまった。

ちなみに、自動車メーカーが本気でEV用バッテリーの開発に取り組んできたら、もう少し早く実用化していたかも知れません。しかし、実際にバッテリーの高性能化を促したのは、ノートPCや携帯電話でした。

という訳で今は、リチウムイオン電池の性能向上によって、EVの走行距離も実用レベルになってきています。i-MiEVでは160kmの航続距離を目標としていますが、 それくらい走れば普段乗りには充分ではないでしょうか。また、現時点でそのレベルであれば、ガソリン車並になるのは時間の問題でしょう。

ハイブリッドは繋ぎ、燃料電池車はボツ

プリウスの大ヒットで、トヨタは一躍「エコカー」競争のトップに躍り出ましたが、僕に言わせればハイブリッド車はEVまでの繋ぎ商品位の意味しかありません。

確かに、ガソリン車に比べて燃費は良いですが、それはエンジンの効率の良い回転域を使える事と、回生ブレーキが使えるからです。言ってみれば、「通常のガソリン車よりはマシ」位の話です。

1台のクルマに、エンジンとモーターの2つの動力系があるなんて、無駄も良いところです。そんな複雑な機構ならコストアップは当たり前、ガソリン車以下の値段には絶対になりません。

EVはミッションや燃料系、冷却系、防音装備など全て省けるのが、コストや効率上の利点ですが、ハイブリッド車はそれが全く生かされていません。

さらに、燃料電池車に至っては、殆ど突然変異の恐竜のような代物です。発電所を搭載しながら走る車なんて、一体どういうセンスなのかと。

第一、燃料電池自体がまだ一般に普及しているものではありません。電極の劣化について、根本的な壁にぶつかっていると聞きます。それに、燃料の水素はどこで買えるんですか?水を電気分解するにもエネルギーが要るし、危険な水素を貯蔵する設備をその辺に作るんですかと。

自動車メーカーは電気系の会社になる?

このように回り道をして、なかなかEVに進まなかったのは、「電気自動車なんてバッテリー運搬車だ」とか「歴史的に見て、内燃機関の方が優れているに決まっている」といったクルマ屋の先入観があったのだと思います。

これは裏を返せば、完成車メーカーにとって、エンジンは要素技術としては最後の砦とも言える分野であり、それがなくなると単にサプライヤーの技術を組み合わせるだけの存在になってしまう、という危機感があるのでしょう。

その意味では、元々大した売り上げがない三菱やスバルは、割りきりがしやすかったのかもしれません。

ただ、トヨタにしたって、いつまでも時代に逆らってばかりはいられません。パナソニックなどから大量に出向社員を受け入れたり、電気・電子系の中途採用や新卒採用も増やしているようです。自動車と言えば電気技術という時代が、そう遠くない将来やってくるのかも知れませんね。

Well to Wheel(6/19追記)

燃料電池の話をしていると、色んな物質を介するので、結局全体のエネルギー効率はどうなのよ?という疑問がでてきます。そこで登場するのが、一定量の原油からどれだけクルマの駆動エネルギーが取り出せるか?「well(油井) to wheel(ホイール)」という考え方です。

well to wheelこのwell to wheel を各種電気自動車やハイブリッドカー、ガソリン車などで比較したものが、国立環境研究所のサイトにありました。 また、グラフを拝借します。

これによれば、「ハイブリッド燃料電池車(ガソリン改質)」なるものが最も効率が良いそうです。これって、エンジンと燃料電池(つまりモーター)を併用するんでしょうか?そんなクルマあったっけ?

いずれにしろ、ガソリンハイブリッドと他の電気駆動タイプの効率が、殆ど変わらないではないかと!まあ、原油をベースの計算だから、ガソリンベースの方式が有利になるのは仕方ないでしょうけど。

電気自動車の最大と最小の幅が異様に広いのは、発電所の効率の差でしょうか?それでも最小が0.1以下ってどんな方式なんでしょうね。ちなみに、火力発電の熱効率は最新の日本のもので約43%だそうです⇒読売新聞:火力発電、熱効率を改善

この43%に上記のMiEVの効率55.5%をかけると、トータル約24%って事ですか。これだけ見るとEVのメリットはあまり無いので、あとはもっと効率の良い発電所とのミックスで全体としてどのくらい行くかですね。

それに、時間帯によっては余剰電力があるので、それをうまく使えば電気自動車の分を丸々発電しなくても良いはずです。また、新たな発電所の建設だったそれほど必要ないでしょう。

ちなみに(財)エネルギー総合工学研究所なる組織の電力の話によると、日本の石油発電は10%足らずですね。その代り、天然ガスと石炭が案外多くて、それぞれ20%強あります。あと、夏の昼間と夜間では電力需要に約2倍の差があるんですね。増減を調整するのはほぼ火力のみ。

一方、燃料電池車は、水素にしろメタノールにしろ、そのためだけに燃料生成装置を建設し、末端ユーザに供給する必要があります。クルマたちがそれぞれに、私は水素を飲みます、僕はエタノール、パパはガソリンだ、とか言い出したら収拾つかないでしょう。

電力というエネルギーフォーマットは非常にグローバルで、何にでも使えるというのがポイントです。 だからそこだけ押さえれば、あとは発電方式は自由、蓄電方式も自由、それぞれに効率の良い方法を開発してくださいと言えるのです。

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11 thoughts on “そろそろEVの時代かな

  1. いくずく

    モーターの優位性は大分前から、タイチ殿から聞いてましたが、こうやってグラフを交えて説明すると説得力のある記事になりますね。これはもっと大人数に読んでもらいたい出来の記事だとおもいます。もし、よかったら僕のブログの方でも転載させてもらえませんかね。

    燃料電池はたしかに技術的に、若干暗礁にのりあげているようですね。しかし、ブレークスルーがあれば期待はできると思いますよ。また、燃料電池の燃料供給は、直接水素からでなくメタノールなどから2次的に得るのが主流になると思います。
    いずれにしろ、電気供給の形態はともかくモーター駆動車ということでEVとはかなり技術的に共通部分も多いので、将来的には競合関係というよりむしろ補完の関係にあるように感じます。
    また、蓄電にはキャパシターの利用も考えられますね。

  2. 管理人タイチ

    転載は全然OKですよ。ただ、グラフは一番上のやつ以外は、人のサイトから取って来て加工したものですが(^^;

    いくずく殿は燃料電池を推していたよね。ただ、エタノール⇒水素⇒燃料電池⇒電力までの効率ってどんなもんでしょう?
    発電所は地理的条件にあった大きなやつを回すから効率が良いのであって、小さいやつをクルマに積んで走ると言う発想がどうも僕には解せないのです。

    一方、キャパシタ(コンデンサー)は僕も良いと思いますよ。化学変化を使わずに直接電子を貯めるからロスが無いし、パワーも瞬間的には出ますからね。
    しかし、それが持続しない(エネルギー密度が小さい)のがタマに傷なんですね。でも、イオンタイプの電池と組み合わせたり(スバルがやってるらしい)、単体でも改良されるでしょうから、今後に期待できますね。

  3. いくずく

    うーん、加工しているのならOKなのかな。エタノール⇒水素⇒燃料電池⇒電力といっても全て化学反応の電子伝達系で閉じてしまう話ですからね。もともと効率はいいし、将来的にはさらにあがると思いますよ。
    一方で、現在の発電所というのは原子力でもつまるところ蒸気タービンを回すものですからね。外燃機関は内燃機関よりも相当効率がいいとはいえ、一旦熱にして→運動エネルギー→電力というのは相当アナクロだと思いますよ。
    熱を解すると熱力学的に本質的に高効率は望めないのがはっきりしてますからね。

  4. 管理人タイチ

    グラフは「引用」と言うことで勘弁してください(^^;

    確かに、熱を介すると非効率な機関になりますね。しかし、それなら何故巨大な燃料電池発電所のようなのが出来ないんでしょう?また、エタノールはどうやって精製するんでしたっけ?

    あと僕は、地熱発電とか潮力発電に期待してるんですけどね。それに、人間が歩く衝撃とか、クルマが橋を渡るときの振動を電気にする、なんて言うのも良いですね。

  5. 管理人タイチ

    そうこういってると、ホンダが燃料電池車の量産を開始したそうです。
    http://jp.reuters.com/article/topNews/idJPJAPAN-32286320080616

    写真が多いのはこちら(何故かenjoy korea)
    http://bbs.enjoykorea.jp/tbbs/read.php?board_id=pcar&nid=62932&start_range=62925&end_range=62940

    確かにゴージャスなプリウスといったスタイルで、ハリウッドのセレヴには受けそうですが・・・
    リース料が$600/月で、製造原価は数千万円…一体何年で減価償却するのでしょうか?と言うのは皮肉で、これはもう走る宣伝ツールですね。

    福井社長は「数百キロ走れる電気自動車のバッテリーは現在のところない」と言って、電気自動車には懐疑的だそうですが、それなら原価が1000万円を切る燃料電池車はいつになったら出来るんですかね?

  6. 管理人タイチ

    ちなみに上のホンダは水素が燃料です。トヨタも改造タイプの燃料電池車を作っているようですが、やはりこれも水素が燃料です。

    いくずく殿のいうエタノール(正しくはメタノール)タイプの燃料電池車は殆ど見ませんね。
    調べたら、メタノール改質型とダイレクトメタノール型があるそうですが、前者はシステムが複雑でエネルギーロスも大きい、後者は「メタノールクロスオーバー」(メタノールが電極をスルーしてしまう)などの問題を抱えているそうです。そこまでして、高価な発電機付のクルマやノートPCが欲しいですかね。バッテリーで良いじゃんと(^^

    ちなみに、コジェネとか次世代発電所という意味では、また別の方式が有望なようです。
    http://ja.wikipedia.org/wiki/%E7%87%83%E6%96%99%E9%9B%BB%E6%B1%A0

    いずれにしろ、ただでさえ高価な燃料電池車に、さらに水素取り出しシステムを追加するようなことではコストダウンの夢はさらに遠のきます。だから、とりあえず「水素で走ります」「水素の供給は誰かよろしくお願いします」という他力本願なスタンスでスタートしているのでしょう。

    その裏には通産省の水素・燃料電池実証プロジェクトなるものがあるようです。今時、大の巨大企業が役人主導で技術開発とは情けなくはありませんかね。

  7. いくずく

    もちろん、現在はそんな状態です。
    だから、現時点では暗礁に乗り上げているけど、ブレークスルーがあったなら期待できると書いているわけです。その間、先にEVがくるのは前に書いたように補完の関係にあると思うのでいいと思いますよ。

    この手の開発は実際やってみないとできるかどうかはわからないですね。
    昔、液晶ディスプレイの黎明期にも、初期は反応速度が遅いから、動画にたえられる液晶は無理だというような話もありましたし。もちろん、結局やってもダメだったような技術もあります。

    現在の性能で製品化するならEVの方が目に見えるところに来ているでしょう。ただ、将来の長航続距離と重量の問題を解決するにはバッテリー系では抜本的な革新技術の手がかりがあまりない状態ですし、それに比べれば、燃料電池の改良の可能性は、もう少し目に見えるところにあるような気がします。
    もちろん、改良と量産がうまくいけばバッテリーに比べて、材料の関係上も値段はかなり下がると思います。というかそれを目標にしている開発ですね。

  8. 管理人タイチ

    僕が書いたポイントは、先ずクルマに関しては、いくずく殿の言うメタノール型ではなく、水素供給タイプで進めようとしている(当面ではなく将来も)、みたいですよと言う話。

    そして、電極問題、コスト、水素供給インフラの問題を考えると、「若干の暗礁」どころじゃなく、それこそ何個も技術革新が必要でしょう。確か10年ほど前に、燃料電池車が次世代カーの本命で、あと4-5年もすれば実用化されるみたいに言われてませんでしたっけ?しかし、今だに「将来的には」と言うばかりで、どれも実験室の段階を出ていません。

    一方、バッテリー車なら革新技術なんてなくても、200km台後半の航続距離はおそらく時間の問題でしょう。400kmも500kmも走る必要はありません。今のガソリン車だってそんなに走りませんから。それより、電気(ガス)スタンドの密度の方が問題です。最寄の水素ステーションまで30kmじゃあ洒落になりませんからね。

    重量だって、i-MiEVはベースの軽自動車に比べて、180kgの増加で済んでいます。トルクは軽自動車の比では無いので、加速度はすでに充分です。 今後はEV専用の車体構造の改良によって、さらに軽量化も可能でしょう。

    喩えていうなら、バッテリーEVが液晶で、燃料電池がプラズマだと思います。液晶は応答速度が遅いとか大型化できないなんて言われましたが、今では充分なレベルまで来ています。一方、プラズマはあまり普及せず、一社また一社と撤退してますよね。(それでも商品化されているだけ燃料電池車よりましですが)

    何でもそうですが、大げさ過ぎる技術は成功しないんですよ。多少欠点はあってもとっつき易い技術は先ず実用化され、市場のなかで改良されるのです。まあ、私企業が自費で何を研究しようが勝手ですが、役所が介入して市場を歪めたり、無駄な投資をして税金を浪費しないでもらいたいですね。

  9. 管理人タイチ

    エントリーの本文にwell to wheelについて追記しました。

    ところで、燃料電池車の巨大水素タンクって凄いですね、350気圧ですか。1気圧にしとけば浮くと思いますよ、すばらしい軽量化です。もっともスタイルは飛行船みたいになっちゃいますけど(^^;
    http://www.honda.co.jp/news/2007/4071115a.html

    冗談はさておき、この超高圧タンクの衝突安全性を確保するのは大変でしょうね。おまけに、燃料電池のパワーの立ち上がりが遅い為、EVほどではないにせよ、結構大きなリチウムイオン電池搭載しています。こんな大そうな構造じゃあ、コストでEVやガソリンハイブリッドにかなうはずがありません。

    その見返りにどんな性能かと言えば、 500-600km航続できて、EVより少し軽くて、プリウスより少し効率が良いくらいですか。おまけに、水素ステーションだって身近にあると言う保証は無い。そんなクルマを1000万円もだして誰が買うんでしょうか?

    こんな乗り物を開発する為に、莫大なコストをかけている訳です。僕がメーカーの経営者なら即刻撤退ですね。 何処かの社長さんも、以前「燃料電池車なんて普及しねえよ!」って言ってませんでしたっけ?ホンダさん。

    最後に、教えてGooに興味深い話があったので追加しておきます。
    http://oshiete1.goo.ne.jp/qa3964881.html

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