СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ЭКОБАЛАНС. Реальные перспективы авто- и электромобилей

СРАВНИТЕЛЬНЫЙ ЭКОБАЛАНС. Реальные перспективы авто- и электромобилей

В настоящее время в Европе спрос на «гибриды» и электромобили растёт [1], см. Рис.1. Их производители декларируют ряд преимуществ перед традиционными автомобилями с двигателями внутреннего сгорания (ДВС):

  • высокая экологичность, связанная с полным исключением сжигания топлива на электромобилях;

  • более низкие затраты на электроэнергию, по сравнению с затратами на приобретение топлива для ДВС;

  • высокая надежность вследствие меньшего количества деталей и узлов, а также связанное с этим уменьшение затрат на ремонт;

  • снижение шума и т.д.



Рис. 1. Динамика продаж электромобилей и гибридов (ICCT [1]).

Главным из вышеперечисленных преимуществ электромобилей считается экологичность в зоне их эксплуатации, вследствие чего развитие этого типа транспорта в Европе находит значительную поддержку со стороны правительств и определённых слоёв населения европейских стран. Однако необходимо отметить, что экологическое преимущество электромобилей для некоторых регионов является достаточно спорным. Для многих очевидно, что выбросов вредных веществ (ВВ), а также парниковых газов (ПГ) непосредственно от электромобилей не происходит, так как вместо топлива они потребляют электроэнергию, на что и делают упор производители этих автомобилей. Однако мало кто вспоминает, что большая часть производимой в мире электроэнергии вырабатывается на тепловых электростанциях, где происходит сгорание угля, нефтепродуктов или природного газа, также сопровождающееся выделением ВВ и ПГ. В России на долю таких электростанций приходится 68% вырабатываемой электроэнергии. Р.Л. Петров в своих работах описывает метод WTW-анализа (well-to-wheel – «от скважины до колеса»), применяемый для оценки экологичности того или иного транспортного средства [2,3]. Этот метод позволяет комплексно охватить полную оценку экобаланса при превращении и трансформации энергоносителя из первичного ресурса в полезную энергию движения транспортного средства.

Сравнение экологических свойств автомобилей, работающих на топливе и на электроэнергии, можно провести на основе сравнения удельных выбросов CO2, г/км. Поскольку эмиссия CO2 напрямую зависит от количества сгоревшего топлива, можно легко рассчитать удельный выброс СО2, исходя из расчета количества израсходованного топлива, затраченного на 1 км передвижения автомобиля с учетом энергоэффективности не только двигателя и привода, но и эффективности производства и транспортировки топлива или электроэнергии к транспортному средству. Предлагаем рассчитать количество энергии, которое нужно потратить с учетом всех потерь на 1 км пути движения транспортного средства.

Электромобиль. По данным Р.Л. Петрова [2], полезная энергия, затрачиваемая на передвижение электромобиля, составляет 0,43-0,54 МДж/км пути. КПД электродвигателя составляет 88-95%, а КПД трансмиссии для электромобиля сопоставимо с КПД трансмиссии для автомобиля с ДВС (80-90%). Таким образом, количество израсходованной энергии в электромобиле будет составлять 0,54-0,70 МДж/км.

Вся электроэнергия: бытовая, потребляемая промышленными и городскими объектами, используемая электромобилями, производится на электростанциях различных типов и транспортируется по линиям электропередач (ЛЭП). В РФ на долю атомных электростанций (АЭС) и гидроэлектростанций (ГЭС), которые не потребляют топлива для производства электроэнергии, приходится 32% всей вырабатываемой электроэнергии [4]. Остальную часть (ТЭС=68%) электроэнергии вырабатывают тепловые электростанции (ТЭС), использующие преимущественно уголь, природный газ и нефтепродукты. КПД ТЭС (ТЭС) в среднем составляет 33%. Кроме того, значительная доля потерь (20-40%) приходится на транспортировку электроэнергии, а также при преобразовании напряжения на повышающих и понижающих трансформаторных подстанциях.

В табл. 1 представлены результаты расчета энергии (по методу WTW-анализа), отнесенной к 1 км пути движения электромобиля, выделяющейся при сжигании топлива на электростанциях с учетом эффективности производства и передачи электроэнергии, а также с учетом доли ТЭС в общей выработке электроэнергии. Также в табл. 1 представлены результаты расчета эмиссии СО2 при сжигании топлива на ТЭС в расчете на 1 км движения электромобиля.



Таблица 1. Расчет относительного количества электроэнергии и относительной эмиссии СО2 в расчете на 1 км пути электромобиля.

Относительный расход электроэнергии, потребляемой электромобилем с учетом КПД электродвигателя и трансмиссии (), МДж/км

0,56-0,70

Относительный расход электроэнергии с учетом КПД транспортировки электроэнергии и преобразования напряжения (), МДж/км

0,8-1,0

Относительное количество производимой электроэнергии, приходящейся на долю ТЭС (), МДж/км

0,54-0,68

Топливо, используемое на ТЭС

Природный газ

Уголь

Жидкое топливо

Доля в выработке электроэнергии тепловыми электростанциями () [4], %

71

27,5

1,5

Теплотворная способность топлива (qт) [4], МДж/кг

55

22

39

Относительный расход топлива, сжигаемого на ТЭС с учетом эффективности производства электроэнергии, а также доли конкретного вида топлива в общей выработке электроэнергии (), г/км

21-27

20-26

1

Относительное количество теплоты сгорания, эквивалентное расходу конкретного вида топлива (), МДж/км

1,16-1,46

0,45-0,57

0,02-0,03

Общее количество теплоты, образующееся при сгорании топлива на ТЭС, МДж/км

1,63-2,06

Удельные количество выбросов СО2 (), кг/кг топлива

2,8

3,3

3,1

Относительная эмиссия СО2, эквивалентная удельному расходу конкретного вида топлива (), г/км

59-76

66-86

3

Общая эмиссия СО2, г/км

128-165

Относительное количества теплоты, образующееся при сжигании топлива на ТЭС для выработки электроэнергии составляет 1,63-2,06 МДж/км движения электромобиля. Эмиссия СО2 при этом будет составлять 128-165 г/км. Результаты расчета отражены на рис. 2.



Рис. 2. Структура энергопотребления производства, транспортировки и использования электроэнергии электромобилем, относительная эмиссия СО2.

Автомобиль с ДВС. Согласно данным ICCT [1] и ИНЭИ РАН [5] сегодня удельный расход бензина в автомобилях с ДВС в среднем составляют 6-7 л/100 км или 0,06-0,07 л/км. Теплотворная способность бензина равна 31,2 МДж/л, таким образом, относительное количество тепла, выделившееся при полном сгорании топлива, составит 1,87-2,18 МДж/км движения автомобиля. Суммарное КПД работы автомобилей с ДВС, включающий топливный, термодинамический и механический КПД, составляет в среднем 20-25% [6]. Следовательно, полезная энергия, затрачиваемая на передвижение автомобиля с ДВС, будет равна 0,42-0,49 МДж/км, что вполне сопоставимо с таким же параметром для электромобилей.

Согласно принципам WTW-анализа, необходимо учитывать эффективность производства и транспортировки топлива. Поскольку существуют трудности с оценкой этих параметров для РФ, А.Р. Петров предлагает применить для расчетов данные для США и Канады, согласно которым эффективность производства и транспортировки нефтяных топлив составляет 82% [2]. Таким образом, с учетом расходования энергии на производство и транспортировку бензина условный удельный его расход будет составлять 0,073-0,085 л/км пути (эквивалентный относительный расход энергии – 2,27-2,64 МДж/км). Поскольку при полном сгорании бензина выделяется 2,3 кг СО2, значение удельной эмиссии СО2 для автомобилей с ДВС будет равно 168-196 г/км пути. Результаты расчета отражены на рис. 3.


Рис. 3. Структура энергопотребления производства, транспортировки и использования топлива автомобилем с ДВС, относительная эмиссия СО2.

По результатам проведенных расчетов можно сказать, что при полной или частичной замене традиционного транспорта электромобилями произойдет увеличение нагрузки на электростанции, в том числе на ТЭС, а выбросы ВВ и ПГ будут перераспределены с транспортного сектора на энергетический, возможно, с увеличением. Нужно отметить, что относительная эмиссия ВВ и ПГ у автомобилей с ДВС к 2040 году, скорей всего, будет снижена более чем в 1,5 раза, что будет связано со снижением удельного расхода топлива в среднем до 4 л/км пути вследствие развития машиностроения [5]. Многие компании уже сейчас применяют некоторые технические приемы повышения КПД двигателей и автомобилей в целом, которые позволят снизить удельную эмиссию ВВ и ПГ [7]:

  • применение турбонаддува;

  • прямой впрыск топлива в цилиндры;

  • рециркуляция отработавших газов;

  • применение системы старт-стоп в двигателях.

Снижение удельных выбросов ВВ и ПГ в случае широкого применения электромобилей возможно при увеличении доли ГЭС и АЭС в общей выработке электроэнергии, а также при переводе тепловых электростанций с угля и жидкого топлива на более экологичное – природный газ. Природный газ имеет большую теплотворную способность (по массе) и меньшее значение выбросов СО2 по сравнению с углем и нефтепродуктами. Однако анализ коньюнктуры рынка энергоносителей на ближайшие десятилетия не оставляет надежд на сколько бы то ни было существенный экологический эффект от вышеуказанных мероприятий.

Экономическое преимущество электромобилей и гибридов перед традиционными автомобилями также сомнительно. Это объясняется как высокой их стоимостью (несмотря на значительные дотации со стороны государств, где производятся эти автомобили), так и вероятными изменениями цен на электроэнергию. В настоящее время стоимость 1 кВтч электроэнергии в Москве составляет 1,7 руб. по ночному тарифу и 6,2 руб. по дневному. Таким образом, декларируемая производителями удельная стоимость 1 км пути движения электромобиля будет составлять 0,3-1,2 рублей в зависимости от выбранного времени суток для подзарядки (реально до 2,5 рублей). Цена на бензин в Москве сейчас составляет от 32 руб. (минимальная цена бензина Аи-92) до 41 руб. (максимальная цена бензина Аи-95). Таким образом, удельная стоимость 1 км пути автомобиля с ДВС будет составлять 1,9-2,9 рублей в зависимости от сорта используемого бензина и его удельного расхода. В среднем, относительная стоимость энергии, расходуемой на передвижение в электромобиле, в 1,1-1,3 раза дешевле относительной стоимости топлива, расходуемого на передвижение в автомобиле с ДВС. Однако нельзя забывать, что больше половины стоимости автомобильного топлива – это государственные акцизы и налоги. Вполне логично ожидать повышения тарифов на электроэнергию и снижение стоимости топлива при широком использовании электромобилей в стране (государству всегда нужно с чего-то снимать налоги и акцизы для пополнения казны). Кроме того, необходимо учитывать стоимость дорогостоящих аккумуляторов (25-50% стоимости электромобиля), которые со временем будут требовать замены (срок работы аккумулятора 5-7 лет), и учитывать её в стоимости подзарядки. И снова встает вопрос об экологичности электромобилей: отработанные аккумуляторы требуют утилизации. Схема утилизации аккумуляторов ещё не нашла коммерчески рационального решения. Несмотря на присутствие отдельных проектов в этом направлении (проекты компаний Honda [8], совместный проект GM и Nissan [9] и т.д.)  подобные технологии до сих пор находятся на начальном этапе своего развития. Необходимо также отметить, что при многократном увеличении парка электромобилей могут возникнуть проблемы с сырьевыми ресурсами для производства аккумуляторов (лития, никеля, кадмия и т.д.), цена которых в этом случае вырастет многократно.

Помимо декларируемых достоинств электромобилей существуют и явные их недостатки:

  1. Отсутствие необходимой инфраструктуры. В России сейчас инфраструктура зарядки и сервиса электромобилей находится в зачаточном состоянии. Необходимо отметить, что стоимость одной коммерческой станции, позволяющей заряжать электромобиль, сравнима или даже выше стоимости традиционной АЗС. При этом изменение инфраструктуры одним лишь строительством заправочных станций не обойдется. При значительном развитии парка электромобилей нагрузка на городские сети и электростанции значительно вырастет. Одновременная зарядка десятков тысяч машин в городе средней величины может привести к локальным отключениям существующей энергетической сети, не рассчитанной на такие нагрузки [10]. Таким образом, необходимо будет строить новые электростанции, трансформаторные подстанции и прокладывать новые электрические сети повышенной пропускной способности.

  2. Короткий пробег и ограниченная скорость. Сейчас декларируемый запас хода у электромобилей составляет 200-300 км, хотя отдельные производители (Tesla) заявляют о значении пробега без подзарядки в более чем 400 км для некоторых своих моделей. Необходимо отметить, что демонстрационные пробеги проводятся по ровной горизонтальной дороге при +20оС с выключенными фарами, климат-контролем, радиолой и другим электрооборудованием. В принципе, такой показатель вполне мог бы удовлетворить потребителя, гражданина европейского государства с умеренно-теплым летом и положительными температурами зимой (хотя зима 2016-2017 года показала неоспоримое преимущество внедорожников с мощными ДВС даже в странах Юга Европейского Союза).

В России, с ее суровыми зимними условиями, затраты на обогрев салона, сидений, стёкол, зеркал заднего обзора, работу фар (теперь в соответствии с правилами дорожного движения даже днём), дворников, и другого дополнительного электрооборудования будут составлять не менее 30-60% от общего потребления энергии электромобилем. В условиях мегаполисов (теперь уже и немегаполисов РФ) в «пробках» будет сгорать бесполезно на «второстепенные» нужды ещё больше электричества. [11]. Также нужно отметить, что в холодное время реальная емкость аккумулятора будет ниже, что также будет негативно влиять на запас хода. Таким образом, запас хода электромобиля зимой может быть сокращен до 100-150 км и даже меньше, что в свою очередь с учетом отсутствия инфраструктуры сильно снижает привлекательность использования электромобилей в РФ. Для автомобилей с ДВС такой проблемы не существует, т.к. для обогрева салона используются потери тепловой энергии при сгорании топлива, а штатный аккумулятор постоянно подзаряжается от ДВС.

  1. Длительный цикл зарядки аккумуляторов. Как правило, время зарядки аккумуляторов – от 3 до 7 часов. Например, литий-ионный аккумулятор электромобиля ёмкостью 85 КВт час при зарядке потребляет ток 32А при мощности 11 КВт. Декларируемые «экспресс-зарядки» всегда приводят к значительному сокращению службы сверхдорогого аккумулятора.

Было бы интересно организовать экспериментально-показательный пробег электромобиля (например,Tesla) в реальных условиях не только априори холодной России, но даже Италии или Польши, например, зимой 2017 г., и сравнить с декларируемыми показателями. Также можно было бы организовать рекламный пробег Рим-Варшава или Москва-Сочи даже в благоприятных погодных условиях.

В жарких регионах неизбежны значительные энергозатраты на кондиционирование салона автомобиля – современный потребитель привык к комфорту! Даже в условиях Москвы автолюбители вынуждены включать кондиционеры с мая по сентябрь.

Учитывая вышеизложенное, нужно отметить, что в случае уменьшения запаса хода электромобиля на одной зарядке в два раза, удельный расход электроэнергии вырастет в два раза, а, следовательно, в два раза увеличится и удельное значение выбросов ВВ и ПГ. Таким образом, электромобиль «обгонит» традиционные автомобили по негативному воздействию на окружающую среду. Это касается и удельной стоимости передвижения на электромобиле, которая вырастет до 0,6-2,5 руб/км.

  1. Малая вместимость. Обычно электромобили двухместные. Логично предполагать, что при увеличении количества пассажиров удельный расход энергии будет значительно увеличен.

  2. Высокая стоимость, о которой уже было упомянуто выше.



Электрокары. С шестидесятых годов двадцатого века в СССР и других странах нашли широкое применение электроприводные транспортные средства (электрокары) на железнодорожных вокзалах, различных предприятиях, гостиничных комплексах, зонах отдыха и т.д. Они предназначены для перевозки ограниченных объёмов грузов (как правило, не более 500…1000кг) на ограниченные расстояния (0,5…5 км).После рабочего дня кары ставятся на ночную подзарядку. Также применяются электрокары для перевозки пассажиров (иногда с багажом) на территории гостиничных, спортивных комплексов, зоопарков и т.п.

Электрокары отличаются от электромобилей:

1.Упрощённой конструкцией – нет герметичной кабины водителя и пассажиров, упрощённая коробка передач с одной скоростью;

2.Невысокой стоимостью – во много раз дешевле электромобиля;

3.Ограниченной скоростью – до 20…40 км в час;

4.Ограниченной дальностью пробега.

Благодаря неоспоримым преимуществам в рамках ограниченной территории работы перед другими типами «самодвижущихся экипажей», электрокары и дальше будут надёжно удерживать приоритет в рамках когда-то «захваченных» территорий.

В заключении можно сказать, что, несомненно, электромобили займут свою «нишу» в рынке «самодвижущихся экипажей». Неоспоримым стимулом повышения спроса на электромобили могло бы стать изобретение и освоение широкомасштабного производства конструктивно принципиально новых аккумуляторов, которые имели бы энергоёмкость в 2…3 раза большую, чем современные (при тех же массо-габаритных параметрах). Произойдёт ли это?

Приоритетной территорией использования этих машин будут большие и средние города, где им могут быть предоставлены всяческие преференции со стороны местных властей.

В любом случае реальное количество электромобилей в обозримом будущем не превысит 1…3% от общего числа, поэтому говорить о каком бы то ни было существенном влиянии на снижение объёмов потребления углеводородных топлив преждевременно.


Список литературы

  1. European vehicle market statistics (Pocketbook 2016/17) // ICCT – 63 c.

  2. Р.Л. Петров, Составят ли электромобили и подключаемые к электросети гибридные автомобили PHEV конкуренцию традиционным ДВС? // «Журнал автомобильных инженеров». – 2015. - №6. – С. 12-18.

  3. Р.Л. Петров, Насколько реальны заявленные показатели расхода топлива и эмиссии СО2 для гибридных автомобилей // «Журнал автомобильных инженеров». – 2015. - №2. – С. 45-50.

  4. http://nnhpe.spbstu.ru/struktura-elektroenergetiki-v-rossii/

  5. Прогноз развития энергетики мира и России 2016 // ИНЭИ РАН, Аналитический центр при правительстве РФ – 197 с.

  6. http://carnovato.ru/kpd-dvigatelya-vnutrennego-sgoraniya-poznaem-effektivnost-v-sravnenii/

  7. Р.Л. Петров, Экологическая оценка мирового автотранспорта и прогнозы развития // «Журнал автомобильных инженеров». – 2014. - №5. – С. 56-60.

  8. http://www.hondanews.info/news/en/corporate/c130303eng

  9. https://www.nytimes.com/2015/06/17/business/gm-and-nissan-reusing-old-electric-car-batteries.html?_r=2

  10. С.Н. Ивлев, Электромобиль – будущее автомобилестроения? // «Журнал автомобильных инженеров». – 2010. - №2. – С. 6-9.

  11. О.Ю. Карамян, К.А. Чебанов, Ж.А. Соловьева, Электромобиль и перспективы его развития // «Фундаментальные исследования». – 2015. - №12. – С. 693-696.

  12. https://www.tesla.com/blog/battery-swap-pilot-program

  13. http://battswap.com/


Календарь событий
Совещание Главных Метрологов нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России и СНГ
Дата проведения: 13.02.2018-16.02.2018
http://sovet-npz.ru/
Курс рубля на межбанковском рынке
ПокупкаПродажа
USD/RUB0.000.00
EUR/RUB0.000.00
Данные на

Курсы валют ЦБ РФ
Дата:00:0000:00
Курс доллара0.000.00
Курс евро0.000.00

Forex: Курсы валют
EUR/USD0.000.00
Данные на 00:00 мск

Товарные рынки
BIDASK
Нефть Brent0.000.00
Нефть Лайт0.000.00

LASTCHANGE%
Dow Jones0.000.000.00
FTSE 1000.000.000.00
DAX0.000.000.00
RTS0.000.000.00
Химагрегаты №4 декабрь 2017 г. Скачать PDF
  • «НЕФТЕГАЗ-2018» Оборудование и технологии для нефтегазового комплекса
  • 14-й Российский Нефтегазовый Конгресс / RPGC 2018
  • 15-я Международная выставка «НЕФТЬ И ГАЗ» / MIOGE 2018
  • Российский Нефтегазохимический форум и XXVI Международная выставка «Газ.Нефть.Технологии-2018»
  • 12 международная конференция «Каучуки, шины и РТИ 2017»
  • 10 международная конференция «Минеральные удобрения 2017»
  • 6 международная конференция «Битумы и ПБВ 2017»
  • 11 международная конференция «Ароматика 2017»
  • 20 международная выставка «Химия. Химическая промышленность и наука» 23-26 октября 2017
  • 16-я Международная выставка «Насосы. Компрессоры. Арматура. Приводы и двигатели»
  • Pinkov Sports Projects
  • Башкирская Ассоциация Экспертов
  • Российский Нефтегазохимический форум «Газ.Нефть.Технологии-2017»
  • Выставка ХИМИЯ-2016