ยานยนต์ของสหรัฐฯสามารถทำงานบนพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ได้หรือไม่?

ยานยนต์ของสหรัฐฯสามารถทำงานบนพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ได้หรือไม่?

ฉันชอบทำการทดลองทางความคิด ฉันมักจะใช้มันเพื่อช่วยฉันจินตนาการถึงพารามิเตอร์ของปัญหาที่ซับซ้อน ตัวอย่างเช่นเมื่อหลายสิบปีก่อนฉันพยายามคำนวณพื้นที่ที่ต้องใช้ในการจ่ายไฟฟ้าทั้งในสหรัฐอเมริกาด้วยพลังงานไฟฟ้าโซลาร์เซลล์แสงอาทิตย์ (PV) รีวิวเกม Peach Banquet

เป็นที่ยอมรับว่าการทดลองทางความคิดเหล่านี้ต้องการการทำให้เข้าใจง่าย การจะใช้พลังงานแสงอาทิตย์ในสหรัฐอเมริกาได้อย่างสมบูรณ์นั้นจะต้องใช้พลังงานสำรองหรือพื้นที่เก็บข้อมูลจำนวนมากเมื่อดวงอาทิตย์ไม่ส่องแสง

ฉันยังรู้ด้วยว่าการคำนวณ Solar PV ของฉันอยู่ภายใต้สมมติฐานมากมายดังนั้นคำตอบอาจใหญ่เกินไป 50% หรือน้อยเกินไป 50% แต่จำนวนที่ฉันคำนวณ - พื้นที่น้อยกว่า 100 ไมล์คูณ 100 ไมล์ - อย่างน้อยก็ให้จุดอ้างอิงสำหรับขนาดของงานดังกล่าว

ฉันอยากจะนึกภาพว่ามันจะต้องใช้พื้นที่เท่าไรและการคำนวณนั้นทำให้ฉันเห็นภาพสนามเบสบอล ห้องปฏิบัติการพลังงานทดแทนแห่งชาติ (NREL) เคยคำนวณว่ามีพื้นที่ที่เหมาะสมประมาณ 2,000 ตารางไมล์สำหรับการสร้าง PV บนหลังคาของสหรัฐฯ ดังนั้นมันจึงไม่ได้เป็นความคิดที่ผิดปกติ

ในช่วงหลายสิบปีที่ผ่านมานับตั้งแต่ที่ฉันคำนวณเช่นนั้นการผลิตไฟฟ้าพลังงานแสงอาทิตย์ของสหรัฐฯเพิ่มขึ้น 66 เท่าการผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลมของสหรัฐฯซึ่งเริ่มต้นจากฐานที่ใหญ่ขึ้นในเวลานั้นได้เพิ่มขึ้นถึงห้าเท่า จำนวนรถยนต์ไฟฟ้า (EV) บนท้องถนนก็เพิ่มขึ้นอย่างทวีคูณในทศวรรษที่ผ่านมา

นั่นทำให้ฉันสงสัยว่าความต้องการน้ำมันเบนซินของสหรัฐจะถูกแทนที่ได้มากแค่ไหนถ้าการผลิตพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์ทั้งหมดเข้าสู่การขับเคลื่อน EV ในทางกลับกันนั่นทำให้ฉันสงสัยเกี่ยวกับขนาดของการแทนที่การใช้น้ำมันเบนซินทั้งหมดของสหรัฐฯด้วยพลังงานลมและพลังงานแสงอาทิตย์

ฉันจะสังเกตอีกครั้งว่านี่เป็นเพียงการทดลองทางความคิด ไม่ได้ถูก จำกัด ด้วยปัญหาต่างๆเช่นจำนวน EV ที่มีหรือจำนวนพื้นที่จัดเก็บที่ต้องการเพื่อให้แน่ใจว่ากำลังไฟฟ้าพร้อมใช้งานตามความต้องการเสมอ ด้วยคำเตือนเหล่านั้นฉันจะลองคำนวณโดยไม่รู้มาก่อนว่ามันจะออกมาเป็นอย่างไร

ตามข้อมูลของ Energy Information Administration (EIA) ในปี 2019 สหรัฐฯใช้น้ำมันเบนซิน 142 พันล้านแกลลอน ค่า EIA สำหรับปริมาณพลังงานของน้ำมันเบนซินหนึ่งแกลลอนคือ 120,286 หน่วยความร้อนบริติช (Btu) ดังนั้นในปี 2019 สหรัฐฯใช้น้ำมันเบนซิน 17 ล้านล้าน Btu (สี่เท่า)

ฉันสามารถแปลงตัวเลขนั้นเป็นค่าเทียบเท่าไฟฟ้าได้โดยตรง แต่เครื่องยนต์สันดาปภายในมีประสิทธิภาพน้อยกว่ามอเตอร์ไฟฟ้า ดังนั้นแม้ว่าน้ำมันเบนซิน 17 สี่ตัวจะเทียบเท่ากับ 5 ล้านล้านกิโลวัตต์ - ชั่วโมง (กิโลวัตต์ - ชั่วโมง) แต่ฉันก็ต้องทำการปรับเปลี่ยนเนื่องจากความแตกต่างของประสิทธิภาพ

มีรายงานการประหยัดน้ำมันเชื้อเพลิงโดยเฉลี่ยของกองทัพเรือสหรัฐฯในปี 2562 ประมาณ 25 ไมล์ต่อแกลลอน (MPG) ปริมาณการใช้น้ำมันเบนซิน 142 พันล้านแกลลอนจะเปลี่ยนเป็นการเดินทางบนทางหลวงของสหรัฐ 3.55 ล้านล้านไมล์ซึ่งสูงกว่าจำนวนไมล์ของรถที่รายงานจริงในปี 2019 ประมาณ 10% (นี่อาจเป็นข้อบ่งชี้ว่าการประหยัดเชื้อเพลิงของกองเรือสหรัฐฯนั้น คุยโว แต่ยังสะท้อนถึงยอดขายน้ำมันเบนซินที่เข้าสู่แอปพลิเคชันเช่นเรือและเครื่องตัดหญ้า)

Environmental Protection Agency (EPA) ใช้ปัจจัยการแปลง 33.7 กิโลวัตต์ชั่วโมงต่อแกลลอนน้ำมันเบนซิน สิ่งนี้สอดคล้องกับปัจจัยการแปลงที่ฉันใช้ข้างต้น เพื่อให้สะท้อนถึงประสิทธิภาพที่เพิ่มขึ้นของ EVs EPA จะให้คะแนนตามค่าเทียบเท่า MPG (MPGe) MPGe ของ EV หมายถึงระยะทางที่รถสามารถเดินทางด้วยไฟฟ้า 33.7 กิโลวัตต์ชั่วโมง (เทียบเท่าน้ำมันเบนซินหนึ่งแกลลอน)

กระทรวงพลังงาน (DOE) รายงานว่า EV รุ่นปี 2020 หลายรุ่นได้รับอย่างน้อย 120 MPGe ในการขับขี่บนทางหลวงและในเมืองรวมกัน นั่นคือการประหยัดเชื้อเพลิงเกือบห้าเท่าของกองเรือเบนซินของสหรัฐฯ

อย่างไรก็ตามมีข้อแตกต่างอย่างมากเมื่อ EV ไม่ได้ใช้การเบรกแบบปฏิรูปซึ่งจะดึงพลังงานจากโมเมนตัมของรถ ตัวอย่างเช่น Nissan Leaf ปี 2019 รายงาน 110 MPGe เมื่อใช้การเบรกแบบปฏิรูป แต่จะลดลงเหลือ 30 MPGe เมื่อไม่ได้ใช้งาน

ฉันจะถือว่าคนขับ EV ใช้การเบรกแบบปฏิรูปเป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตามเพื่อเป็นการอนุรักษ์นิยมฉันใช้ค่าเฉลี่ยของสองโหมดในทุกรุ่น 2019 EV ในฐานข้อมูลของ DOE ตัวเลขนั้นคือ 70 MPGe สำหรับการขับขี่บนทางหลวงและในเมืองรวมกัน

ดังนั้นหากเราเปลี่ยนกองเรือเบนซินทั้งหมดที่ 25 MPG โดย EVs ได้ 70 MPGe เราสามารถทำได้โดยมีพลังงาน 35.7% (คิดเป็นอัตราส่วน 25/70) นั่นหมายความว่าน้ำมันเบนซิน 5 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงสามารถแทนที่ด้วยไฟฟ้า 1.8 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงที่ขับเคลื่อน EV

ตอนนี้ฉันสามารถคำนวณส่วนสุดท้ายได้แล้ว สำหรับมุมมองตามการทบทวนสถิติของ BP ปี 2020 สหรัฐอเมริกาผลิตไฟฟ้าได้ 4.4 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงในปี 2562 การเพิ่มขึ้น 1.8 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงจะแสดงถึงการเพิ่มขึ้น 41% ของกระแสไฟฟ้าที่ผลิตจากแหล่งทั้งหมด

สหรัฐอเมริกาผลิตไฟฟ้าจากพลังงานแสงอาทิตย์ได้ 0.108 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมงในปี 2562 และผลิตไฟฟ้าจากพลังงานลม 0.303 ล้านล้านกิโลวัตต์ชั่วโมง ตามลำดับแหล่งที่มาเหล่านี้คิดเป็น 2.5% และ 6.9% ของการผลิตไฟฟ้าในสหรัฐฯทั้งหมด