CC BY
73
УДК 620.9.004.18
Глушкова Д.В., Ермоленко Б.В.
ГИБРИДНЫЕ СИСТЕМЫ ЭЛЕКТРО- И ТЕПЛОСНАБЖЕНИЯ АВТОНОМНЫХ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ
Глушкова Дарья Валерьевна, студент 4 курса факультета биотехнологии и промышленной экологии; Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии, e-mail: [email protected]; Российский химико-технологический университет им. Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д. 20
Проведено экологическое и ресурсное обоснование целесообразности замещения традиционных технологий энергоснабжения автозаправочных станций технологиями, ориентированными на использование возобновляемых источников энергии и включение в функции АЗС операций заправки электромобилей. Предложены схемы электро-и теплоснабжения автономной автозаправочной станции. С учетом энергетического потенциала солнца, ветра и низкопотенциального тепла земли в точке размещения объекта осуществлен выбор генерирующего, аккумулирующего и другого оборудования разрабатываемой системы энергоснабжения. Оценены потенциальные эффекты ресурсосбережения и снижения негативного воздействия на окружающую среду в результате реализации предлагаемых решений.
Ключевые слова: автозаправочные станции, возобновляемые источники энергии, гибридные системы энергоснабжения, ресурсосбережение, окружающая среда
ELECTRICAL AND HEAT SUPPLY HYBRID SYSTEMS OF AUTONOMOUS AUTO FILLING STATIONS
Glushkova D.V., Ermolenko B.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Keywords: auto filling stations, renewable energy, hybrid system, energy supply, resource saving, environment
Использование больших объемов ископаемого органического топлива для производства электрической и тепловой энергии и обеспечения функционирования транспорта вносит
существенный вклад в локальное и глобальное загрязнение окружающей среды и приводит к быстрому истощению ресурсов ценного химического сырья. В 2015 году в мире в единицах нефтяного эквивалента было израсходовано около 13271 млн.т н э энергии. На сжигание органических топлив в энергетических целях пришлось свыше 99% выбросов SOx и КОх, а также 85% выбросов твердых веществ. [1] В 2015 году энергетические процессы сопровождались эмиссией в атмосферу 31761 млн. тонн парниковых газов в С02-эквиваленте.
С учетом этого, и исходя из соображений энергетической безопасности, надежности энергоснабжения и необходимости улучшения качества жизни населения большинство стран мира активно переходят от традиционной грязной «углеродной» к альтернативной экологически чистой возобновляемой энергетике. По состоянию на 2015 год 164 из 194 государств мира официально декларировали участие в развитии и использовании технологий возобновляемой энергетики. Так, в 2015 году в эксплуатацию было введено 147 ГВт электрогенерирующих и 38 ГВт теплогенерирующих мощностей на основе возобновляемых источников энергии (ВИЭ). В 2015 году Германия произвела всего 5682 млрд. кВт*час электроэнергии, из которых 19,6 % было получено за счет энергии
ветра и солнца, Великобритания - 4324 млрд. кВт*час и 14 % соответственно, США - 1368 млрд. кВт*час и 14% за счет ВИЭ, КНР - 569 млрд. кВт*час и 4,1%. Российская Федерация в мировом рейтинге оказалась на седьмом месте с конца по доле 0,04% выработки электрической энергии с использованием ветроэнергетических установок и фотоэлектрических солнечных панелей из 232 млрд. кВт*час ее годового суммарного производства.[2]
Одной из важных причин ухудшения состояния окружающей среды является непрерывно растущий автомобильный парк. В настоящее время в мире эксплуатируется более 800 млн. автомобилей, в Европе — свыше 100 млн., в России — 33,4 млн. Из них 83—85 % составляют легковые автомобили и 15—17 % — грузовые и автобусы. Они ежегодно потребляют 2,1 млрд. т топлива и выбрасывают в атмосферу ~700 млн. т вредных веществ.
Жидкое биотопливо и биометан позволяют снизить потребление бензинов и дизельного топлива и уменьшить негативное воздействие на окружающую среду. Доля использования ВИЭ на транспорте в 2015 году достигла 4%. Активно развивается и производство электромобилей. Появились сообщения о существенном улучшении качества и повышении эффективности легковых и грузовых автотранспортных средств большой грузоподъемности, работающих на электричестве. [3] В своем новом отчете Международное энергетическое агентство (МЭА) приводит информацию о том, что в 2015 году число
электромобилей в мире составило 1,26 млн. [4] В 2015 году их было продано 549 тысяч штук, тогда как в 2014 - всего 317 тысяч. Рост продаж — 73%! Динамику роста парка автомобилей на электрических двигателях в пяти ведущих странах мира и в России можно наблюдать на графиках рис.
1- [5]
¿Ш
Динамика парка электромобилей в России и в мире \fPiSfJSSrZ™
«Китай I V 146,7 ВЦ
Продажи электромобилей в 2015 году, тыс. штук
США 71,0
«
Норвегия
Л й
Франция 17,3
Япония Рш
а"'5 а"
о Парк электромобилей в 2010 - 2015 годах, тыс. штук
^^ Китай
о & .
^ США
„ ^ Япония ^¡^ Норвегия
II Франция о М Россия
1225,7
/р 210,3
/
____ 70,9
-а 60,7
о 45,2
-»
Продолжаются исследования и в области использования технологий возобновляемой энергетики на станциях зарядки электромобилей.
В качестве одного из направлений развития возобновляемой энергетики в Российской Федерации может выступить перевод энергоснабжения автозаправочных станций традиционными источниками энергии к их энергообеспечению от местных ВИЭ и включения в состав электропотребителей АЗС заряжаемых
электромобилей. Число автозаправочных станций в России увеличивается с каждым днем и по последним данным на конец 2016 года их насчитывалось 29028 . Таблица 1 дает представление об их количестве в федеральных округах Российской Федерации.[6]
2015
- www.autostat.ru
Рис. 1. Динамика парка автомобилей в России и мире
Таблица 1. Количество АЗС по округам Российской Федерации
Регионы Всего АЗС Федерального значения Регионального значения Местного значения
Центральный федеральный округ 6590 1639 2767 2184
Северо-Западный федеральный округ 2186 371 1006 809
Южный федеральный округ (без Крыма) 2988 433 873 1682
Крым ( в составе ЮФО) 567 - 289 278
Северо-Кавказский федеральный округ 3246 579 1244 1423
Приволжский федеральный округ 5425 858 1623 2944
Уральский федеральный округ 2335 304 698 1333
Сибирский федеральный округ 4421 541 1167 2713
Дальневосточный федеральный округ 1270 182 290 798
Российская Федерация 29028 4907 9957 14164
Средний расход электроэнергии на одной АЗС составляет около 150 000 кВт*ч - 800 000 кВт*ч в год. В связи с этим, затраты электроэнергии на АЗС в стране будут находиться в диапазоне от 4,35 до 23,22 млрд. кВт-час/год, что при потреблении электричества по России в целом в 2016 году 1054,4 млрд. кВт^час/год соответствует 0,22 - 1,19 %. Для производства такого количества электроэнергии расходуется примерно 418 - 2261 тысяч тонн условного топлива в год, происходит локальное загрязнение атмосферы выбросами в количестве примерно 8100 - 43700 т/год загрязняющих веществ.
Автотранспортный комплекс потребляет
большое количество бензина, дизельного топлива, сжиженных и компримированных газов, что влечет за собой значительное негативное воздействие на окружающую среду и человека. Годовое потребление топлива автомобильным транспортом страны (64 млн. тонн) имеет следующую структуру: расход бензина - 60%, дизельного топлива - 37,5 %, газомоторного топлива - 2,5 %.
По данным Росстата и Росприроднадзора, валовый объем выбросов загрязняющих веществ в атмосферу при сжигании этого топлива составил 13815 тыс.т в год - 45% от суммарного объема выбросов в России. [7]
Электрические и гибридные автомобили, заряжаемые с использованием возобновляемых источников энергии, смогли бы способствовать решению задач ресурсосбережения и снижения негативного воздействия на окружающую среду. Стабильный рост мирового рынка электромобилей и гибридов, наблюдающийся в последние годы, а также постоянное совершенствование
соответствующих технологий позволяют считать этот вид транспорта перспективным и для России. Согласно данным аналитического агентства «АВТОСТАТ», в России на 1 июля 2016 года насчитывается всего 722 электромобиля, представленных семью моделями. Развитие электромобильного транспорта в стране сдерживается отсутствием развитой заправочной
инфраструктуры. К решению этой проблемы подключилось Министерство промышленности и торговли. Первым его шагом в этом направлении была разработка проекта программы развития электрического транспорта в России до 2025 года. Для создания развитой зарядной сети ведомство предложило внести изменения в правила технической эксплуатации автозаправочных станций. С целью формирования условий для массового использования электромобилей в России подписано соглашение "О взаимодействии в сфере создания и развития электрозарядной инфраструктуры для электротранспорта на территории Российской Федерации" между концерном "Радиоэлектронные технологии" и компанией "Россети". К 2022 году эксперты ориентируются на расширение парка электромобилей до 200 тысяч штук. [8]
В качестве региона, в котором особенно целесообразен переход от тепловой энергетики, базирующейся на поставках топлива из центральной России через территорию зарубежной страны, к энергетике, ориентированной на использование местных возобновляемых источников энергии, может выступать Калининградская область. Здесь наряду с экологическими, ресурсосберегающими и социальными задачами должна решать и задача обеспечения энергетической безопасности российского анклава. Основанием для такого выбора являются следующие особенности региона:
1. Связь энергосистемы Калининградской области с ЕЭС России осуществляется через энергосистемы прибалтийских государств.
2. Калининградская ТЭЦ-2 - единственный крупный генерирующий источник в региональной энергосистеме, обеспечивающий 96,9-98,6% от суммарного производства электроэнергии в энергосистеме Калининградской области.
3. Функционирование Калининградская ТЭЦ-2 полностью зависит от внешних поставок газа через территорию Литвы.
4. Имеет место высокая степень износа сетевого, трансформаторного и другого оборудования, требующего комплексной модернизации.
5. Высоки потери при передаче электрической энергии.
6. Уровень газификации малых и средних населенных пунктов не превышает 10%.
7. Развитие на территории Калининградской области курортных зон требует минимизации негативного воздействия хозяйственной деятельности и, в частности, энергетики и автотранспортного комплекса на окружающую среду.
Сформулирована задача проектирования системы электро- и теплоснабжения автономных автозаправочных станций с возможностью зарядки электромобилей на калининградском участке автодороги Е28 европейской маршрутной сети, соединяющей Берлин с Минском. АЗС оснащается четырьмя бензозаправочными колонками, три из которых предназначены для заправки автомобилей
бензинами АИ-95, Премиум Евро -95, Супер Евро -98 и одна - бензином АИ-92 и дизельным топливом. Предусмотрена зона для замены и подзарядки аккумуляторных батарей электромобилей, а также три розетки для непосредственной электрозаправки.
Проведен расчет потребности в тепловой (22,5 кВт) и электрической энергии (69,5 кВт) для всех помещений и оборудования АЗС. Принято решение об использовании энергии солнца и ветра для обеспечения электрической энергией
проектируемого объекта и низкопотенциального тепла земли для его теплоснабжения.
Спутниковая метеорологическая информация базы данных NASA позволила оценить электроэнергетический потенциал и коэффициенты использования мощности (КИУМ) солнечной и ветровой энергии в точке строительства АЗС в разные месяцы года с дифференциацией по трехчасовым интервалам суток. На основе этой информации для электроснабжения объекта осуществлен выбор одной ветроэнергетической установки VESTAS V-29 мощностью 225 кВт высотой 40 м, ста солнечных фотоэлектрических панелей Exmork ФСМ-300П общей площадью 200 м2 мощностью 300 Вт каждая и таких необходимых элементов системы энергоснабжения, как управляемый выпрямитель, блок балластных нагрузок, конверторы и инверторы напряжения. Для резервирования энергоснабжения будет
использоваться дизельный генератор генератор FG Wilson F72-1 номинальной мощностью 57,6 кВт и максимальной 72 кВт. Структура гибридной ветро-солнце-дизельной системы электроснабжения АЗС представлена на рис. 2.
Рис. 2. Структура системы электроснабжения АЗС
С учетом вероятности штиля, пасмурной погоды и суточных графиков расхода электроэнергии подобраны литий-железо фосфатные аккумуляторы типа WB-LYP10000AHA емкостью 10000 А-час каждый в количестве 96 штук.
Для автономного снабжения АЗС теплом и горячей водой предложено использовать грунтовый тепловой насос VaillantgeoTHERM 220/3 с тепловой производительностью 21,5 кВт и коэффициентом преобразования энергии 4,4 и накопительный буферный бак «АНДИ Групп» PS400-R1 объемом 500 литров с послойным нагревом для комбинированного использования различных источников тепла.
Применение возобновляемых источников энергии позволит сберечь при строительстве 100 АЗС рассмотренного типа около 63 тыс. тонн условного топлива в год. Эквивалентные объемы
Результаты оценки показателей
ресурсосбережения и снижения негативного воздействия на окружающую среду свидетельствуют о ресурсной и экологической целесообразности замещения традиционных систем энергоснабжения автозаправочных станций автономными системами, использующими энергию экологически чистых возобновляемых источников.
Список литературы
1. Энергетический бюллетень. Аналитический центр при Правительстве Российской Федерации, №42, Ноябрь 2016. [Электронный ресурс]. URL: http://ac.gov.ru/files/publication/a/10956.pdf (дата обращения: 10.03.2017).
2. Мировая энергетическая статистика Ежегодник 2016. Enerdata. [Электронный ресурс]. URL: https://yearbook.enerdata.ru/CO2-emissions-data-from-fuel-combustion.html#wind-solar-share-electricity-production.html (дата обращения: 25.02.2017).
3. Состояние возобновляемой энергетики 2016. Глобальный отчет. REN21, 2016. [Электронный ресурс]. URL: http://www.ren21.net/wp-content/uploads/2016/10/REN21_GSR2016_KeyFindin
ресурсосбережения в натуральных единицах и предотвращаемое снижение локального и глобального загрязнения атмосферы представлены в таблице 2.
gs_RUSSIAN.pdf, 2НЫЙ (дата обращения: 10.03.2017).
4. Возобновляемая энергия в России: от возможности к реальности /Изд. МЭА. [Электронный ресурс]. URL: http://www.iea.org/russian/pdf/RenewRussian2003.pdf (дата обращения: 13.03.2017).
5. Динамика парка электромобилей в России и мире. [Электронный ресурс]. URL: https://mediaspy.ru/tag.php?id=4313 (дата обращения: 15.03.2017).
6. Автотрансинфо. Справка: количество АЗС в регионах России.[Электронный ресурс]. URL: http://ati.su/Media/News.aspx?ID=108719&HeadingID =11 (дата обращения: 13.04.2017).
7. Государственный доклад «О состоянии и об охране окружающей среды Российской Федерации в 2015году». - М.: Минприроды России; НИА-Природа. - 2016. - 603 с.
8. Тысяча верст до розетки. Российская Газета, 01.11.2016. [Электронный ресурс]. URL: https://rg.ru/2016/11/01/eksperty-predskazali-rost-prodazh-elektromobilej-k-2020-godu.html (дата обращения: 15.04.2017).
Таблица 2. Экономия топлива и снижение загрязнения атмосферы при строительстве 100 АЗС
Название показателя Дизельное топливо Печной мазут Природный газ* Уголь
Эквивалентные объемы сберегаемого топлива, т/год (тыс. м3/год)* 12 000 13 000 15 000 23 000
Предотвращаемые выбросы, т СО-экв./год 88 000 35 500 3 200 534 000
Предотвращаемые выбросы, т СО2-экв./год 37 600 38 200 30 300 59 100
