CC BY
136
ЭКОНОМИЧЕСКИЕ ОЦЕНКИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В АВТОТРАНСПОРТЕ АЛЬТЕРНАТИВНЫХ МОТ ОРНЫХ ТОПЛИВ НА БАЗЕ ПРИРОДНОГО ГАЗА1
В статье рассматриваются возможные подходы к сопоставлению традиционных и альтернативных моторных топлив. Приведены оценки экономической эффективности использования топлив в зависимости от возможных ценовых соотношений, ожидаемого экологического ущерба при эксплуатации автотранспорта в городском и загородном циклах, прогнозируемых технико-экономических параметров сравниваемых технологий. Показано, что в перспективе 2020-2030 гг. альтернативные топлива могут найти массовое применение в легковом автотранспорте, особенно в городских условиях при высоких ценах на сырую нефть.
Глубокая модернизация технологий автомобильного транспорта в силу своей массовости и разнообразия условий эксплуатации требует всестороннего анализа с учетом ресурсных ограничений (не только по моторному топливу), влияния на экологию и здоровье человека, энергетической безопасности, трендов и динамики формирования цен на энергоресурсы. В перспективе ближайших десятилетий для стран, богатых запасами природного газа, основой такой модернизации могут стать альтернативные топлива на базе природного газа и электроэнергии.
Как показано в [1], сегодня вполне реально выглядят перспективы удорожания жидкого моторного топлива в связи с истощением запасов дешевой нефти и приближением объемов мировой нефтедобычи к историческому максимуму. Возрастают требования к экологической чистоте энергоносителей, используемых на транспорте, особенно в городах. В этих условиях необходимо объективно оценить возможные альтернативные варианты снабжения автотранспорта энергией. Наиболее вероятными направлениями являются нижеследующие.
Ничего не меняя в технологии автомобильного транспорта, постепенно переходить к использованию нетрадиционных источников сырой нефти, мировые запасы которых, по самым осторожным оценкам, составляют около 150 млрд. т. Это отодвинет наступление пика добычи нефти лишь на одно-два десятилетия и не решит проблему в долгосрочной перспективе. Однако затраты на добычу такой нефти и производство жидкого топлива возрастут кратно. При этом неизбежен рост вредных выбросов в окружающую среду.
Перейти к новому способу получения моторных топлив. Это направление подразумевает использование технологий производства синтетических моторных топлив (СЖТ2) из природного газа (Gas-to-Liquid) или угля (Coal-to-Liquid), которые по мере освоения в перспективе нескольких десятилетий будут требовать меньших затрат на их получение, чем жидкие топлива из сырой нефти. При этом практически не придется вносить серьезных изменений ни в устройство автомобиля и его двигатель, ни в существующую инфраструктуру по хранению и доставке моторных топлив к потребителю. Экологическая опасность в центрах потребления моторных топлив останется высокой.
Кардинально изменить вид энергоносителя и тип двигателя автомобиля, чтобы полностью ликвидировать зависимость автотранспорта от жидкого углеводо-
1 Начало см. № 1, 2012.
2 Синтетического жидкого топлива.
родного топлива. Это возможно реализовать, прежде всего, за счет применения электроэнергии как движущей силы автомобиля двумя путями:
1) электроэнергия производится централизованно в энергосистеме и хранится на борту автомобиля в аккумуляторе;
2) электроэнергия вырабатывается децентрализованно, непосредственно на борту автомобиля в топливном элементе, работающем на водороде, который может быть получен как централизованным путем, так и децентрализованным на базе различных энергоресурсов [2].
Оценка альтернативных моторных топлив относится к группе задач по укрупненному выбору стратегических направлений в использовании новых технологий. В таких задачах известны только приблизительные параметры технологий и возможны гипотезы уровней цен на продукцию и конкурирующие энергоносители. Поэтому вполне допустимо использование упрощенного метода оценки экономической эффективности инвестиционных проектов, основанного на расчетах стоимости полезного эффекта.
В последние 10-15 лет подходы к оценке эффективности новых технологий были существенно расширены благодаря возросшему интересу к вопросам защиты окружающей среды. Это потребовало внесения уточнений в процедуры, применяемые при обосновании новых технологий. Ниже использован современный подход к оценке эффективности новых технологий, общие принципы которого даны в [3-5].
Во-первых, в условиях динамичности ряда факторов (цен на энергоносители, стоимости рабочей силы и др.) целесообразно относить затраты и эффекты не к одному году, а в целом к сроку службы технологии, т. е. к жизненному циклу технологии. Этот новый раздел в методологии анализа новых технологий получил название Life-Cycle Analysis. Особенно широко он применяется в зарубежной практике для оценки новых энергетических технологий.
Во-вторых, интерес представляет сравнение отдельных интегральных показателей технологий (совокупный расход энергии, выбросы отдельных загрязнителей в окружающую среду, занятость и др.) по этапам трансформации энергии от добычи топлива до его конечного использования, т.е. рассматривается весь топливный цикл. Такие интегральные показатели позволяют рассмотреть отдельные аспекты внедрения технологии и выделить элементы технологической цепочки, которые в основном определяют эффективность новых технологий.
В-третьих, интегральный показатель может быть расширен за счет включения в него затрат на стадии производства оборудования для сравниваемых технологий, т.е. сопутствующих расходов энергии в процессе изготовления оборудования для технологии.
В-четвертых, рыночные механизмы, хорошо работающие во взаимоотношениях продавца и покупателя, не учитывают косвенных эффектов. Это может быть проиллюстрировано ситуациями в энергетике, когда использование энергоносителя в технологическом процессе сопровождается выбросами загрязнителей в окружающую среду. В результате возникают ущербы, которые никак не отражаются на экономической эффективности при рыночных способах расчета. Поэтому целесообразно включать стоимостную оценку таких ущербов в затраты на использование энергоносителей. Поскольку органические топлива, ядерная и возобновляемые виды энергии имеют принципиально различный состав загрязнителей, то и ущербы, возникающие при их использовании, будут отличаться в пользу более чистых источников энергии. В результате, выводы о выборе рационального энергоносителя для технологических процессов становятся более обоснованными за счет дополнительного учета экономических и социальных факторов, т.е. учитывается социальная стоимость энергии.
Метод расчета социальной стоимости энергии позволяет оценить полезность энергоносителя с общественной точки зрения. Он привязан к определенным территориям, где технологии находят применение. Поэтому для тех же рыночных условий социальная стоимость энергии может принимать различные значения. Например, в городах с большой плотностью населения социальная стоимость энергии будет выше, чем в сельской местности, где плотность населения существенно ниже. Описание методологии и примеров расчета показателей социальной стоимости энергии можно найти в [6-9]. К сожалению, в России эти подходы малоизвестны и почти не применяются, что сужает объективность выводов о полезности отдельных технологий.
Оценка полных затрат (З) при обосновании новых энергетических технологий в автотранспорте в общем виде может быть представлена выражением:
З = З + З + З (1)
«_>эн 1 '-'нэ 1 '-'эк?
где Зэн - энергетические затраты на эксплуатацию транспортного средства за жизненный цикл технологии; Знэ - неэнергетические затраты, связанные с поддержанием и эксплуатацией технологии в течение ее жизненного цикла; Зэк - интегральные ущербы от загрязнения окружающей среды и ухудшения здоровья людей в результате применения технологии по всей технологической цепи от «скважины до колеса» и в процессе изготовления автомобиля.
В качестве показателя использования энергоносителя в автотранспорте обычно используется его удельный расход на 100 км пробега. В этом случае интегральные оценки энергетических затрат определяются за весь срок жизненного цикла технологии (Т):
З„ =£с>1и -Ь,, (2)
г
где Сэн>, - цена энергоносителя в период ,; Ъэн, - расход энергоносителя на 100 км пробега; Ь, - пробег автомобиля в период ,.
Величина неэнергетических затрат в общем виде включает стоимость используемых в процессе производства автомобиля материалов, энергоносителей, расходуемых на вспомогательные нужды (электроэнергии, тепла, сжатого воздуха и пр.), заработную плату, амортизацию основного и вспомогательного оборудования, расходы на текущие ремонты оборудования, расходы, связанные с обеспечением требуемых санитарно-гигиенических условий труда, расходы по охране окружающей среды, страховые риски и т. п.
В наиболее простом случае возможно определять неэнергетические затраты для легкового автотранспорта некоммерческого назначения как долю в капитальных затратах в транспортное средство:
Знэ = К (1+ Х а, +£ в,) - КоСТ, (3)
г=1 г=1
где К - начальная стоимость автомобиля; Кост - остаточная стоимость автомобиля в конце жизненного цикла (в дальнейших расчетах принята равной 0); Т - жизненный цикл автомобиля (далее принят для всех типов одинаковым); а, - годовая доля расходов на техническое и ремонтное обслуживание за период ,; в, - страховая премия.
Включение в расчеты ущербов окружающей среде и здоровью людей является новым в методологии анализа сравнительной эффективности технологий. Оценка ущербов предполагает следующие этапы:
1) оценку полных выбросов загрязняющих веществ в окружающую среду по трем компонентам жизненного цикла технологии: получение энергоносителя («от скважины до раздаточной колонки»), его использование непосредственно в транспортном средстве («от колонки до колеса») и в процессе изготовления транспортного средства;
2) расчет трансформации выбросов в концентрацию вредных компонентов в приземном слое атмосферы;
3) расчет физического ущерба окружающей среде и здоровью людей в результате превышения концентрации вредных выбросов по сравнению с нормальными (стандартными) условиями;
4) расчет экономических ущербов от отклонения концентрации вредных веществ от нормальных условий.
В общем случае социальная стоимость технологии определяется по формуле:
где У]і - стоимость удельного ущерба от загрязнителя вида ] в период і; - вы-
бросы загрязнителя вида_/ в топливном цикле «от скважины до раздаточной колонки» в период і; У2;і - то же, при непосредственной работе технологии; У3]- - то же, при производстве оборудования для технологии.
В итоге величина затрат, по которой оценивается эффективность различных транспортных технологий, принимает следующий вид:
где Ь, - интегральный пробег транспортной технологии в течение ее жизненного цикла (Т).
Упрощенный метод оценки применим на стадии прогнозных и предпроектных расчетов, когда невозможно (а часто и не нужно) точно определить параметры технологического процесса изготовителя (производительность и т.п.) и окружающей обстановки (температура наружного воздуха, местоположение и.п.). Он дает ориентировочные оценки эффективности в пределах принятых допущений. Для увеличения достоверности выводов, получаемых на основе упрощенных расчетов, целесообразно дополнительно проводить постанализ влияния ожидаемых рисков.
Существует ряд принципиальных спецификаций, которые определяют сферу применимости оценок эффективности и их достоверность. К наиболее важным факторам можно отнести: выбор параметров сравниваемых технологий, прогнозы стоимости энергоносителей и оценку экологического ущерба в результате загрязнения окружающей среды.
В качестве базовых технологий автомобильного транспорта приняты легковые автомобили среднего класса с двигателем внутреннего сгорания, работающие на бензине, дизельном топливе, природном газе. Средние расходы топлива в литрах на 100 км пробега в автомобилях рассматриваемых типов составляют: бензин - 6,5; дизельное топливо - 5,5; природный газ - 8. Для автомобилей на СЖТ принято, что СЖТ является практически полностью взаимозаменяемым с бензином или дизельным топливом.
Радикальный путь сокращения вредных выбросов транспортными средствами состоит в переходе на водород или электроэнергию. Использование электроэнергии в качестве движущей силы позволяет сделать автомобиль простым, надежной конструкции, экологичным, бесшумным и энергетически эффективным.
Перспективы водородной энергетики на автотранспорте, прежде всего, зависят от успехов в области разработки и создания топливных элементов (ТЭ) (см., например, [2]), являющихся источником электроэнергии в водородном автомобиле. Современные разработки ТЭ позволяют осуществлять химическое преобразование энергии водорода в электрическую энергию с КПД около 60-70% и последующую трансформацию в механическую энергию в электромоторе с КПД более 85-90%. В результате КПД на колесе автомобиля может достигать около 50-65%. Для срав-
(4)
т
(5)
і=1
нения: КПД самого эффективного дизельного автомобиля с турбонаддувом и промежуточным охлаждением не превышает 50%, а бензинового - 30%.
Расход водорода в ТЭ достигает 1 кг H2/100 км [10]. В автомобилях с ТЭ водород может находиться в одном из двух состояний: газ под давлением 200-800 атм. или сжиженном (при -253°С). Это требует разработки специальных контейнеров повышенной безопасности. Допустимая емкость контейнера для хранения водорода может составить: для газообразного водорода при 300 атм. около 3 кг Н2, а жидкого водорода - около 7 кг Н2, что гарантирует соответственно около 300 и 700 км пробега на одной заправке.
В начале XXI в. цены ТЭ были чрезмерно высокими (2000-4000 долл./кВт) из-за расхода до 20 г/кВт платины для производства электродов ТЭ. В настоящее время ее расход снизился до 0,8 г/кВт. Благодаря этому и другим усовершенствованиям в устройстве ТЭ стоимость ТЭ сегодня оценивается в 100-120 долл./кВт при их массовом производстве [11]. К этому следует добавить стоимость бака для хранения нескольких килограммов водорода в газообразном или сжиженном виде.
Анализ исследований показывает, что при переходе к коммерческому использованию возможное удорожание автомобиля на сжатом водороде оценивается в размере не более 20-25%, а на жидком водороде - до 40% относительно стоимости бензиновых автомобилей среднего класса - 20-23 тыс. долл. США (2010 г.)3 [12].
Основным элементом электромобиля является аккумулятор, который должен обеспечить расход электроэнергии, достаточный для сопоставимого пробега электромобиля с традиционным автомобилем с двигателем внутреннего сгорания. При этом средний удельный расход электроэнергии не должен превышать 20 кВт-ч/100 км пробега.
До недавнего времени в производстве находились лишь свинцово-кислотные аккумуляторы, имеющие относительно низкую энергоемкость на единицу массы (30-40 Вт- ч/кг), время зарядки до 12 часов, ограниченную дальность пробега на одной зарядке, короткий срок службы (не более четырех лет) по сравнению с жизненным циклом автомобиля.
Коммерциализация новых литий-ионных аккумуляторов открывает новые перспективы в развитии электромобилей. Потенциал литиевых батарей достигает 250 Вт-ч/кг (300 Вт/кг) по сравнению с 80 Вт-ч/кг (70 Вт/кг) для никель-кадмиевых батарей и 20 Вт-ч/кг (20 Вт/кг) для свинцово-кислых батарей. Характеристики литий-ионных аккумуляторов втрое превышают показатели свинцово-кислотных и хорошо ведут себя при больших токах нагрузки. У них достаточно низкий саморазряд: не более 5-10% в месяц от изначально запасенной энергии.
Стоимость литий-ионных аккумуляторов еще несколько лет назад составляла более 1400-1600 долл. /кВт-ч [14]. Сегодня электрическая батарея в Chevy Volt стоит уже около 625 долл./кВт-ч. Ожидается, что за счет массового производства ее стоимость может снизиться на 65-70% [15]. По прогнозам Министерства энергетики США, стоимость литий-ионных аккумуляторов к 2015 г. снизится до 300 долл./кВт-ч, а к 2030 г. не будет превышать 100 долл./кВт-ч [16].
Преполагается, что к середине 2020-х годов вес аккумуляторных батарей будет снижен на 75%, а срок службы увеличен до 14 лет. Это позволит сохранять один аккумулятор в течение всего срока службы электромобиля [17]. Снижению цены аккумуляторов на половину может способствовать, например, замена оксида кобальта на более дешевые аналоги. Согласно данным [18], разработан материал на
3 Уже сегодня цены водородных автомобилей ряда ведущих компаний вполне сопоставимы с ценами бензиновых аналогов. Так, компания Honda предлагает в Калифорнии (США) машину с вполне приемлемыми характеристиками FCX Clarity за 21,6 тыс. долл., а Mercedes-Benz там же B-Class F-Cell за 30,5 тыс. долл. [13]. Аналогичного класса гибриды и электромобили стоят несколько дороже.
3S
основе олова для отрицательного электрода, который способен увеличить электрическую емкость аккумулятора в полтора раза. При этом его прогнозная стоимость будет составлять не более 10-15% стоимости всего автомобиля [19]. Это позволяет ожидать, что электромобиль при массовом производстве будет сопоставим по стоимости с традиционным автомобилем на бензине.
По оценкам, выполненным на основании детального рассмотрения компоновочных схем водородного автомобиля и электромобиля [20], конкурентоспособность альтернативных технологий по сравнению с традиционным автомобилем на бензине возможна только при снижении стоимости топливных элементов до 50-70 долл./кВт, т.е. в 1,5-2,0 раза (планы к 2015 г. еще амбициознее - 30 долл. /кВт). Для аккумуляторов стоимость должна быть менее 150-200 долл./кВт- ч, что в 3-4 раза ниже современных показателей. Вполне резонно предположить, что разрыв между достигнутыми и допустимыми показателями топливных элементов может быть сокращен гораздо быстрее, чем в производстве электроаккумуляторов.
В табл. 1 приведены характеристики традиционных и новых транспортных средств, использованные при анализе эффективности альтернативных моторных топлив.
При сопоставлении энергоносителей естественно сравнивать альтернативные моторные топлива с традиционными, полученными из сырой нефти. В качестве базовых значений мировых цен нефти нами приняты оценки, приведенные в [21], согласно которым мировые цены на сырую нефть к 2030-2035 гг. могут быть (в ценах 2009 г.) от 90 долл./барр. (Scenario 450) до 115 долл./барр. (New Policy Scenario) и 140 долл./барр. (Current Policy Scenario).
Таблица 1
Технико-экономические параметры сравниваемых типов автомобилей
Параметр Автомобиль с двигателем внутреннего сгорания, л Автомобиль с ТЭ (водородный), кг Н2 Электромобиль, кВт ч
бензин дизельное топливо природный газ СЖТ сжатый водород жидкий водо- род электро- энергия
Расход топлива на 100 км, л в том числе в городском б, 5 5,5 8,0 б,5 1,0 1,0 20
цикле, % Стоимость автомобилей, 125 125 125 125 125 125 100
тыс. долл.* в том числе стоимость си- 20 22 21,4 20 25**) 28,75** 25**
ловой установки, % Эксплуатационные издержки (условно), в стоимости 1S 25 23 1S 32-35 42-45 32-34
автомобиля, % 3 3,5 3 3 3,5 3,5 3
* В современных ценах; для альтернативных топлив — при массовом производстве после 2020 г. ** При пробеге на одной зарядке (заправке) не менее 500 км.
Примечание: для всех технологий: годовой пробег—20 тыс. км, срок службы —10 лет, страховая премия — 5%.
Для перехода к ценам жидких моторных топлив можно использовать соотношения оптовых цен высококачественных бензинов, дизельного топлива и сырой нефти на европейском рынке (ФОБ Роттердам). По данным OPEC Bulletin, они на протяжении достаточно длительного времени составляют: для высококачественного бензина - 1,16-1,20, для дизельного топлива - 1,04-1,07 [22]. Эти оценки соответствуют оптовым ценам на европейском рынке и не содержат налоговых платежей. Для перехода к ценам потребителя жидкого моторного топлива нами введены 20-процентные наценки к оптовой цене, учитывающие расходы на транспортировку нефтепродуктов до заправочных станций (сбытовые надбавки).
Цена природного газа может быть привязана к цене сырой нефти. Исторически сложилось так, что стоимости единицы энергии, получаемой на базе сырой нефти и природного газа, примерно равнозначны. Однако в последние годы это соотношение было нарушено из-за больших избытков свободного природного газа, появившихся на рынке вследствие быстрого развития добычи сланцевого газа в США. В результате цены на природный газ существенно снизились, и образовался заметный разрыв между ценой единицы энергии в сырой нефти и в природном газе. Ожидается, что к 2020 г. этот разрыв лишь несколько сократится. Как показано в [23], к 2030 г. он может достигать 2-2,2 раза в пользу сырой нефти. Это соотношение принято нами для оценки цены природного газа. Наценка на внутрирегиональный транспорт природного газа условно принята в размере 20% к оптовой цене газа.
Стоимость СЖТ, получаемого на базе природного газа, рассчитана в соответствии с оценками, приведенными нами в [1]. По аналогии с традиционными моторными топливами учтены затраты на транспорт СЖТ до заправочной станции.
Стоимость водорода, получаемого методом прямой конверсии метана из природного газа, принята в соответствии с расчетами, приведенными в [2]4. В случае централизованного производства водорода на заводах производительностью около 10 т Н2/сут. доставка на заправочные станции осуществляется автотранспортом в газообразном виде под давлением или в сжиженном виде в криогенных танках. Радиус доставки не превышает 50 км. В случае децентрализованного производства водорода непосредственно на заправочных станциях (500 кг/сут.) рассматривается только газообразный водород, получаемый из природного газа5. Капитальные затраты на одну раздаточную колонку с одним краном для сжатого водорода оцениваются в размере 70 тыс. долл., а для сжиженного водорода - 130 тыс. долл. [24]. Принято, что среднесуточная загрузка раздаточных колонок составляет по времени 50%. Срок службы раздаточных устройств для сжатого водорода - 10 лет, а для сжиженного -8 лет. При этих данных стоимость водорода у потребителя возрастает на 0,6 долл./кг Н2 для сжатого водорода и на 2,15 долл./кг Н2 для жидкого.
Стоимость электроэнергии в расчетах принята в размере от 12 ц/кВт ч для варианта с минимальными ценами на энергоносители до 20 ц/кВт ч с максимальными ценами. Эти оценки вполне соответствуют прогнозному диапазону цен на электроэнергию для периода 2020-2030 гг. в развитых странах (см. [25]).
Зарядка аккумуляторов может производиться в ночные периоды провалов суточного графика нагрузки энергосистем, когда дифференцированный тариф на электроэнергию в 1,5-2 раза ниже среднесуточного. Современные литий-ионные аккумуляторы пока рассчитаны на ежедневную зарядку в течение 4-8 часов. Это приведет к суточным затратам на электроэнергию в 1-1,5 долл. на электромобиль.
В табл. 2 приведены прогнозные оценки стоимости сравниваемых энергоносителей, принятые в расчетах эффективности использования традиционных и альтернативных технологий в автотранспорте.
Для оценки вредных выбросов от применения различных технологий автомобильного транспорта была использована модель GREET [26], разработанная в Argonne National Laboratory (USA)6. Модель позволяет выполнять развернутые расчеты выбросов по трем технологическим циклам в течение срока эксплуатации технологии (life-cycle). Они включают: топливный цикл, обеспечивающий расчет расходов энергии и выбросов по технологической цепочке от добычи топлива до
4 Здесь мы рассматриваем только технологию получения водорода из природного газа.
5 Предполагается, что такой вариант будет целесообразен только в регионах, имеющих развитую систему газоснабжения.
6 В процессе расчетов в модель GREET были введены коррективы в соответствии с долгосрочными прогнозами развития ТЭК России, которые приводятся в [27].
заправочной станции ^еПЧо-те'Ьее^; цикл производства автомобиля, где учитываются выбросы на стадии производства материалов и изготовления автомобиля и собственно цикл эксплуатации автомобиля, где рассчитываются выбросы непосредственно в результате использования автомобиля.
Таблица 2
Прогнозные оценки стоимости энергоносителей в период 2020-2030 гг. (в ценах 2009 г.)
Показатель Минимальные Средние Максимальные
Сырая нефть, долл./барр. (долл./т) 90 (660) 115(840) 140(1025)
Традиционные моторные топлива (с учетом затрат на доставку до АЗС), долл./т: высококачественный бензин 950 1210 1475
дизельное топливо 830 1060 1290
Природный газ (с учетом доставки до потребителя), долл./1000 куб. м 300 385 465
СЖТ из природного газа (с учетом доставки СЖТ до АЗС), долл./т 1085 1280 1465
Водород из природного газа, долл./кг централизованное производство газообразный 2,30 2,75 3,15
сжиженный 5,10 5,60 6,00
децентрализованное производство газообразный 5,00 5,50 5,95
Электроэнергия, долл./МВт- ч 12 15 20
Источник: оценки и расчеты авторов на основе [1; 2; 21].
В табл. 3 приведены результаты расчетов полных выбросов вредных веществ в окружающую среду по сравниваемым технологиям автотранспорта для двух крайних режимов эксплуатации (в городском и загородном циклах).
Как следует из расчетов, альтернативные варианты характеризуются меньшими выбросами загрязнителей, чем традиционные моторные топлива. Особенно это относится к использованию транспортных средств в городах, где выбросы наносят максимальный ущерб здоровью населения.
Наиболее сложной и проблематичной является экономическая оценка ущерба от загрязнения окружающей среды. Эти оценки зависят от большого числа факторов и имеют широкий диапазон значений, приводимых в зарубежных источниках. Ниже использован условный подход, примененный в [2], для иллюстрации значимости экологических факторов при оценке эффективности новых технологий в автотранспорте.
Как показано в ряде исследований, в экономическом ущербе от загрязнения атмосферы доля, связанная с влиянием на здоровье людей, достигает 75-80% суммарного ущерба от выбросов автотранспорта [28]. В приводимых ниже расчетах значения ущербов для здоровья людей приняты по данным для условий США начала 90-х годов прошлого века.
Для приведения оценок ущербов к ценам 2000-х годов был произведен пересчет показателей путем использования соответствующего дефлятора потребительских цен в США. Учитывая, что экономические параметры здравоохранения в США и России существенно различны, в расчетах были использованы только минимальные оценки ожидаемого ущерба в среднем по США. Они были масштабированы по фактору х10 (для средних городских поселений) и х100 (для крупных городов-мегаполисов). Такой подход хотя и условен, однако в первом приближении достаточно хорошо отражает зависимость ущерба от характера территории, где происходят выбросы загрязняющих веществ.
Таблица 3
Расчетные значения полных выбросов в окружающую среду сравниваемых технологий автотранспорта при эксплуатации в городском и загородном циклах (г/100 км)*
Показатель Бензин Природный газ Дизельное топливо СЖТ из ПГ Элек- тромо- биль Сжатый водород из ПГ Сжиженный водород из ПГ
0% городского цикла
СО2 22313 19447 19545 21268 17538 15878 21325
Летучие органические соеди-
нения (УОС) 30 23 20 21 14 14 15
СО 252 252 51 53 19 17 20
МОХ 23 19 21 26 18 13 16
РМ10** 8 8 8 10 19 10 9
РМ2,5*** 4 3 4 6 6 5 4
ЭОх 13 13 12 14 37 22 21
100% городского цикла
СО2 26903(70) 23301(66) 23470(68) 25609(61) 21001(0) 21001(0) 18752(0)
Летучие органические соеди-
нения (УОС) 31(38) 23(38) 20(28) 21(27) 15(0) 15(0) 14(0)
СО 253(93) 252(93) 52(66) 54(63) 20(0) 20(0) 17(0)
МОХ 25(39) 21(45) 23(42) 29(34) 21(0) 21(0) 15(0)
РМ10** 8(22) 8(22) 8(23) 10(19) 22(7) 22(13) 11(15)
РМ2,5*** 4(25) 3(28) 4(27) 6(18) 7(8) 7(10) 5(10)
SOx 14(1,9) 14(0,4) 13(0,7) 15(0) 43(0) 43(0) 23(0)
* В скобках указаны доли выбросов непосредственно в пределах городов, %. ** РМ10 — твердые частицы размером 10 мкм и более. *** РМ2,5 — то же размером от 2,5 до 10 мкм.
В табл. 4 показаны оценки ущербов для здоровья людей, использованные для расчета влияния выбросов автотранспорта на стоимость пробега. Условно принято, что категория I соответствует загрязнениям в условиях загородной местности, категория II в средних населенных пунктах и категория III в крупных городах. Предполагается, что все выбросы топливного цикла производятся в загородной местности (категория I); производство автомобиля - в средних населенных пунктах (категория II), а эксплуатация автомобиля может осуществляться как в загородном цикле (категория I), так и в городском (категории II, III). Как показывают модельные расчеты7, потребление энергии в расчете на 1 км пробега в загородном цикле, как правило, оказывается на 20% ниже, чем в городском цикле (рис. 1 и 2). При использовании традиционных моторных топлив доля топливного цикла в полном потреблении энергии не превышает 11-15% в загородном и 13-16% в городском циклах. Расходы энергии на производство материалов и изготовление транспортных средств достигают 12-14%. Остальные 70-75% приходятся непосредственно на эксплуатацию автомобиля.
В случае применения альтернативных моторных топлив доля топливного цикла существенно возрастает, составляя 36-37% для СЖТ из природного газа, около 50% для электромобиля и сжиженного водорода и около трети для газообразного водорода.
7 Стоимостные оценки эффективности использования рассматриваемых технологий автотранспорта были выполнены на основе интерактивной модели, разработанной одним из авторов совместно с В. Петровым [2] применительно к выше изложенным допущениям относительно параметров технологий, стоимости энергоносителей и оценок экологического ущерба для здоровья людей.
Таблица 4
Экономические оценки ущербов для здоровья людей в результате воздействия основных загрязнителей, принятые в расчетах, долл./кг выбросов
Загрязнитель Категория ущерба
I (х1)* II (х10)* III (х100)*
СО2** 0,055 0,055 0,055
УОС 0,14 1,42 14,17
СО 0,01 0,14 1,42
т 1,56 15,59 155,86
РМ10 0,38 3,83 38,26
РМ2.5 4,56 45,62 456,24
ЭОх 3,97 39,67 396,73
* Принято условно на основании данных [28]. ** По данным [29], в долл. 2007г.
кКал/км
1200
Рис. 1. Распределение полных затрат энергии при различных технологиях автомобильного транспорта для условий 0% и 100% городского цикла:
0 эксплуатация; ■ производство; |Щ] топливный цикл
Максимальная доля расходов на производство автомобиля приходится на электромобиль - 14-21% полного расхода энергии на технологию. При этом доля потребления энергии при эксплуатации автомобилей с альтернативными вариантами топлива оказывается заметно ниже, чем с традиционным топливом.
Структура потребления энергии по видам первичных энергоносителей существенно зависит от используемой технологии. При традиционных жидких топливах -бензине и дизельном топливе - доля нефти составляет около 80% в полном потреблении энергии технологией. Такая же доля природного газа присуща технологии использования компримированного природного газа. В технологии СЖТ на базе природного газа доля природного газа в полном расходе энергии возрастает до 90% и более. Для электромобиля доля природного газа достигает почти 50% при
учете перспективной структуры производства электроэнергии в России. В водородных технологиях на базе природного газа структура будет сильно зависеть от режима эксплуатации автомобиля.
кКал/км
1200
0% 100% 0% 100% 0% 100% 0% 100% 0% 100% 0% 100% 0% 100%
Бензин Природный Дизельное ОТЪ Электромобиль Сжатый Сжиженный
газ топливо водород водород
Рис. 2. Распределение полных затрат энергии по видам энергоресурсов для различных технологий автотранспорта для условий 0% городского цикла и 100% городского цикла ШЭ уголь; 0 природный газ; ^ нефть; ■ прочие
В табл. 5 приведены расчеты полной стоимости пробега автомобилей на традиционных и альтернативных топливах для условий, рассмотренных выше. Они включают оценки затрат на топливо, содержание автомобиля (страховка, амортизация, прочие расходы) и оценки экологического ущерба для здоровья людей в результате вредных выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Расчеты выполнены для трех вариантов цен на энергоносители и двух режимов эксплуатации транспортных средств в условиях городского и загородного циклов. Как следует из расчетов, эффективность альтернативных топлив по сравнению с традиционными возрастает по мере увеличения цен нефтепродуктов.
В загородном цикле при минимальном росте цен на энергоносители наибольший выигрыш следует ожидать от непосредственного использования компримиро-ванного природного газа в тех местах, где можно организовать трубопроводные поставки газа на заправочные станции. Если такой возможности нет, то транспорт целесообразно ориентировать на дизельное топливо.
Минимальный ущерб для здоровья людей - при использовании электромобилей. Он в вдвое ниже, чем при использовании автомобилей на остальных топливах, но этого недостаточно для приоритета в загородном цикле применения. При максимальных ценах на топливо природный газ сохраняет свое лидирующее положение в загородном цикле. Однако сжатый водород и электроэнергия становятся наиболее эффективными, опережая традиционные моторные топлива и СЖТ.
В городском цикле при низких ценах на моторные топлива наименьшие затраты также имеет технология использования сжатого природного газа, а там, где его нет -сжатый водород или электромобиль. Значительную роль в продвижении альтернативных топлив в городских условиях будут играть экологические факторы.
Таблица 5
Полная стоимость 100 км пробега при использовании различных технологий автотранспорта, долл./100 км (годовой пробег 20 тыс. км)
Вид моторного топлива Стоимость топлива Стоимость авто* Экологический ущерб Всего а в и л п от с о м и о т С Стоимость авто* Экологический ущерб го с В
0% городской цикл 100% городской цикл
Минимальные оценки стоимости энергоресурсов
Традиционные моторные топлива
Бензин 6,2 8,5 1,8 16,5 7,7 8,5 5,0 21,2
Дизельное топливо 4,6 8,5 1,7 14,7 5,7 8,5 4,5 18,5
Природный газ 2,4 8,8 1,7 12,9 3,0 8,8 4,6 16,4
СЖТ из природного газа 7,1 8,5 1,8 17,3 8,8 8,5 4,4 21,7
Электромобиль 5,6 10,0 0,8 16,4 6,0 10,0 1,0 17,0
Сжатый Н2 (из природного газа) 3,1 10,6 1,9 15,5 3,8 10,6 2,1 16,6
Сжиженный Н2 (из природного газа) 8,3 12,2 2,1 22,6 10,3 12,2 2,4 24,9
Децентрализованный сжатый Н2 (из ПГ) 5,6 10,6 1,8 18,0 7,0 10,6 2,0 19,6
Средние оценки стоимости энергоресурсов
Традиционные моторные топлива
Бензин 7,9 8,5 1,8 18,2 9,8 8,5 5,0 23,3
Дизельное топливо 5,8 8,5 1,7 16,0 7,3 8,5 4,3 20,1
Природный газ 3,1 8,8 1,7 13,6 3,9 8,8 4,6 17,2
СЖТ из природного газа 8,3 8,5 1,8 18,6 10,4 8,5 4,4 23,3
Электромобиль 6,0 10,0 0,8 16,8 6,4 10,0 1,0 17,4
Сжатый Н2 (из природного газа) 3,6 10,6 1,9 16,1 4,5 10,6 2,1 17,2
Сжиженный Н2 (из природного газа) 9,3 12,2 2,1 23,7 11,6 12,2 2,4 26,2
Децентрализованный сжатый Н2 (из ПГ) 6,2 10,6 1,8 18,6 7,7 10,6 2,0 20,4
Максимальные оценки стоимости энергоресурсов
Традиционные моторные топлива
Бензин 9,6 8,5 1,8 19,9 12,0 8,5 5,0 25,4
Дизельное топливо 7,1 8,5 1,7 17,3 8,9 8,5 4,3 21,7
Природный газ 3,7 8,8 1,7 14,2 4,7 8,8 4,6 18,0
СЖТ из природного газа 9,5 8,5 1,8 19,8 11,9 8,5 4,4 24,8
Электромобиль 6,5 10,0 0,8 17,3 7,1 10,0 1,0 18,1
Сжатый Н2 (из природного газа) 4,1 10,6 1,9 16,6 5,2 10,6 2,1 17,9
Сжиженный Н2 (из природного газа) 10,7 12,2 2,1 25,1 13,4 12,2 2,4 28,0
Децентрализованный сжатый Н2 (из ПГ) 6,8 10,6 1,8 19,2 8,5 10,6 2,0 21,2
* Включает амортизацию, страховку, обслуживание и непредвш Генные расходы.
По нашим оценкам, ущербы для здоровья людей при использовании электромобильного транспорта оказываются в 5 раз ниже, чем бензиновых автомобилей, а при водородном топливе - практически в 2 раза ниже. Это делает указанные альтернативные топлива приоритетными в городском цикле. При высоких ценах на моторные топлива конкурентоспособность альтернативных топлив еще более возрастает, что делает затраты на эксплуатацию водородных автомобилей и электромобилей практически равными с двигателем внутреннего сгорания на природном газе. Все остальные традиционные топлива и СЖТ значительно уступают по экономичности сжатому водороду и электроэнергии.
Увеличение годового пробега автотранспорта приводит к существенной экономии затрат в альтернативных вариантах, главным образом, за счет сокращения доли затрат на содержание автомобиля. Особенно это ощутимо при использовании дорогих автотранспортых средств в городском цикле.
Представленные результаты получены при использовании оптовых цен на энергоресурсы, не включающих налоговую нагрузку и розничные надбавки. Они могут достигать значительной величины (в некоторых странах 50% и более к оптовой цене). Это
может заметно повысить конкурентоспособность альтернативных топлив за счет корректировки допустимой налоговой нагрузки. С учетом налогового фактора сжатый водород при его централизованном производстве, электроэнергия и СЖТ будут более предпочтительны, чем традиционные бензин и дизельное топливо.
Однако пока преждевременно делать окончательный вывод о предпочтительности водорода или электроэнергии в легковом автотранспорте. Конкурентоспособность новых технологий в сравнении с традиционным бензиновым автомобилем очевидна, но пока нет ясности, какая из них первой сможет занять заметную нишу в автопарке будущего. Как показано в [30], обе технологии находятся в стадии освоения, и многое зависит от технологического прогресса в разработке топливных элементов для водородных автомобилей или накопителей электроэнергии для электромобилей. Однако совершенно очевидно, что та из них, которая первой будет коммерчески эффективной, станет основой развития автомобильного транспорта в перспективе до середины XXI в.
Альтернативные моторные топлива начинают уверенно пробивать себе дорогу на рынке жидких нефтепродуктов из сырой нефти. По оценкам PriceWaterHouseCoopers ЬЬС, к 2017 г. глобальное производство гибридных и электромобилей может составить около 9 млн., т.е. около 9% мирового выпуска легковых автомобилей [31]. Производство водородных автомобилей к 2020 г. оценивается примерно в 400 тыс. в год [32]. Все это означает, что рынок моторных топлив начинает изменяться в сторону альтернативных топлив. Россия должна готовиться к этим изменениям, чтобы они не оказались слишком «неожиданными» в связи с неподготовленностью соответствующей инфраструктуры.
Литература
1. Синяк Ю.В., Колпаков А.Ю. Эффективность производства синтетических моторных топлив из природного газа//Проблемы прогнозирования. 2012. №1.
2. Синяк Ю.В., Петров В.Ю. Экономические условия появления водорода как энергоносителя на энергетическом рынке России. Открытый семинар «Экономические проблемы энергетического комплекса», 27мая 2009г. ИНПРАН.
3. Environmental Protection Agency. Office of Research and Development. Life Cycle Engineering Guidelines. EPA/600/R-01-101, 2001.
4. Jensen A.A., et al. Life Cycle Assessment (LCA): A guide to approaches, experiences and information sources. Report to the European Environment Agency. Copenhagen. Denmark. 1997.
5. Sonnemann G., et al. Integrated Life-Cycle and Risk Assessment for Industrial Processes. CRC Press. 2003.
6. Extern E. Externalities of Energy. European Commission. Directorate General XII. Science, Research and Development. Luxembourg. 1995.
7. Voss A. LCA and External Costs in Comparative Assessment of Electricity Chains/ Decision Support for Sustainable Electricity Provision, in "Externalities and Energy Policy. The Life Cycle Analysis Approach”. OECD. Workshop Proceedings. Paris. 15-16 Nov. 2001.
8. External Costs. Research Results on Socio-Environmental Damages due to Electricity and Transport. European Commission. EUR 20198. 2003.
9. OECD. Nuclear Energy Agency. Externalities and Energy Policy. The Life Cycle Analysis Approach, Workshop Proc., Paris. France. 2001.
10. http://www.hydrogencarsnow.com.
11. Dr. Sunita Satyapal. Fuel Cell Cost Reduction and R&D Progress through the U.S. Department of Energy's Hydrogen Program //Hydrogen Program U.S. Department of Energy. Washington. DC. June 2007.
12. Thomas С.E. (Sandy), James B.D., Lomax F.D., Jr. and Kuhn I.F. Integrated Analysis of Hydrogen Passenger Vehicle Transportation Pathways // Proceedings of the U.S. DOE Hydrogen Program Review. 1998.
13. www.fuelcells.org/info/ElectricVehicles.pdf.
14. http://www.electroflyer.com/prices.html
15. http://www.futurepundit.com/archives/005905.html
16. http://www.reuters.com/article/2010/07/15/autos-batteries-idUSN1521310320100715
17. The Recovery Act: Transforming America's Transportation Sector. Batteries and Electric Vehicles. DOE. 2010.
July 14.
18. Buchmann I. Batteries in a Portable World: A Handbook on Rechargeable Batteries for Non-Engineers. Cadex Electronics. 2001.19. Rishi S., Stanley B., Gyimesi K. Automotive 2020 Clarity beyond the chaos // IBM Global Business Services. IBM Institute for Business Value. August 2008.20. Ogden J., Williams R., Larson E. Societal lifecycle costs of cars with alternative fuels/engines // Energy Policy. 32. 27 July 2004.21. World Energy Out-
look 2010. OECD/IEA. 2010. 22. OPEC Bulletin. 2011. №1-2.23. Sweetnam G. The Evalution of Global Gas Market. 2009. 28 Jrn. EIA. International Energy Outlook.
24. Wienert J., Liu Shaojun, Jgden J., Ma Jianxin. Hydrogen Refueling Station Costs in Shanghai. February 2006. Tongji University and University of California Davis.
25. US EIA. Annual energy outlook 2010 with projections to 2035. April 2010.
26. The Greenhouse Gases. Regulated Emissions, and Energy Use in Transportation (GREET) Model. Argonne National Laboratory. USA. http://greet.es.anl.go~v/
27. Некрасов А.С., Синяк Ю.В. Перспективы развития топливно-энергетического комплекса России на период до 2030 года //Проблемы прогнозирования. 2007. №4.
28. Donald R. McCubbin, Mark A. Delucchi. The Health Costs of Motor-Vehicle-Related Air Pollution // Journal of Transport Economics and Policy. September 1999. Vol. 33 Part 3. P. 253-286
29. Todd Alexander Litman. Transportation Cost and Benefit Analysis. Techniques, Estimates and Implications // Victoria Transport Policy Institute. 17May 2007.
30. Синяк Ю.В., Петров В.Ю. Оценка влияния ущербов от загрязнения окружающей среды на конкурентоспособность водорода как моторного топлива // Проблемы прогнозирования. 2009. №2.
31. PriceWaterHouseCoopers LLC, EV Survey: Charging Forward. April 2011.
32. Pike Research LLC. Fuel Cell Vehicles. Executive Summary. Published 2Q. 2011.
