CC BY
71ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Подход к определению
параметров сети зарядных станций для электромобилей
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
электромобиль, зарядная станция, сеть зарядных станций, параметры сети, схемы размещения.
А.В. Камольцева
доцент кафедры «Транспорт» Политехнического института Сибирского федерального университета, Красноярск, к.т.н.,
Г.А. Писарев
аспирант Политехнического института Сибирского федерального университета
Электромобили - общемировая тенденция последних лет. (численность на дорогах современных городов с каждым годом величивается бурными темпами. Связано это с проблемами экологии в современном мире, нестабильными ценами на топливо, а также с более выгодной стоимостью эксплуатации и облуживания электромобилей. Вместе с ростом численности парка необходимо увеличивать и количество зарядных станций, создавая при этом удобную для потребителя зарядную сеть. Неэффективная зарядная инфраструктура не только приведёт к серьёзным экономическим потерям, но и не будет способствовать увеличению числа электромобилей. Исходя из этого разработка методик расчёта и проектирования сетей зарядных станций является актуальной задачей.
Решению этой задачи посвящены работы как российских, так и зарубежных учёных. В данной статье предлагается подход к определению параметров зарядной сети, а именно необходимого количества и типа станций зарядки, мест их установки. Рассматривается пример построения сети зарядных станций, разработанный с использованием предлагаемого подхода.
Транспортная инфраструктура многих стран мира имеет достаточно развитую сеть зарядных станции для электромобилей, что обусловлено бурным увеличением численности парка электрического транспорта. Темпы роста количества зарядных станций в России значительно ниже, так как доля электромобилей в парке страны относительно невелика. Поскольку это взаимозависимые показатели, то для увеличения темпов роста числа электромобилей зарядная инфраструктура должна развиваться с некоторым опережением. В связи с этим задача определения параметров сети зарядных станций является актуальной. В данной статье предложен один из подходов к определению таких параметров и продемонстрированы два варианта сети с его применением.
Перед современным миром возникли очень серьёзные проблемы экологии. Причинами ухудшения экологической обстановки во всём мире являются постоянный рост производства, который подразумевает
>
укрупнение существующих и появление новых предприятий, осуществляющих выбросы вредных веществ в атмосферу, влияние на направление движения воздуха посредством увеличения плотности застройки городов, увеличение парка автомобилей и др. Проблемы экологии имеются практически во всех регионах и городах России, однако особо остро эта проблема стоит в Красноярском крае и городе Красноярске, в частности. Согласно порталу [1], Красноярск регулярно занимает первое место в мире по загрязнённости воздуха.
По данным Роспотребнадзора, транспорт - главный источник загрязнения атмосферы в крупных городах. Доля загрязнения воздуха транспортом достигает 80 % [2]. Принимаемые меры снижения негативного воздействия транспорта на атмосферу не дают желаемого результата. Постоянное ужесточение норм на выбросы не вносит должного вклада в улучшение экологической обстановки ввиду того, что до 80 % приобретаемых автомобилей в России являются «бывшими в употреблении» [3] и в большинстве своём не соответствуют последним нормам выбросов вредных веществ. Газомоторное топливо, как один из альтернативных источников энергии на автомобильном транспорте, тоже не получило значительного распространения в силу ряда причин. Более быстрыми темпами происходит внедрение автомобилей с двигателями, использующими электричество в качестве источника энергии. Согласно данным за 2019 год, количество электромобилей в мире достигло 8,5 млн единиц, поэтому в дальнейшем будем рассматривать электромобили как один из наиболее реальных путей снижения вредных выбросов от транспорта.
Увеличение количества электромобилей и возрастающий к ним интерес со стороны граждан - общемировая тенденция. Лидируют в этом вопросе Китай, США, страны ЕС, Индия, Япония и др. Интерес к электромобилям можно наблюдать и в России, несмотря на отсутствие в продаже новых электромобилей и сложные климатические условия. По данным [3], с середины 2018-го до середины 2019 года численность парка электромобилей возросла с 2530 до 4600 единиц.
Основные причины медленного увеличения количества электромобилей в России описаны в [4]. Одна из них - недостаточный уровень развития зарядной инфраструктуры. Исследованием данного вопроса занимаются учёные во всём мире [5-10]. Работы отечественных учёных [5, 6] описывают лишь отдельные параметры сети и не предлагают комплексного подхода к решению проблем первоначального формирования инфраструктуры с учётом определения наиболее предпочтительных мест установки зарядных станций.
В работе [7] автор исследует возможность сокращения времени зарядки до значения, сопоставимого со временем заправки автомобиля жидким топливом. В работе [8] авторы анализируют возможности внедрения зарядной инфраструктуры в энергосистему «умных городов», что в настоящий момент не подходит для использования на территории России. Авторы работы [9] в первую очередь ориентируются на электрические такси, а в работе [10] сравнивается эффективность зарядок 1-го и 2-го уровней.
Одним из важнейших вопросов при разработке сети зарядных станций является определение необходимого количества точек зарядки.
ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
Нормативных показателей, позволяющих определить их количество, на данный момент не существует. В работе [4] предлагается один из подходов к определению количества электромобилей на точку зарядки. Ввиду того, что технологические процессы заправки автомобиля жидким топливом и зарядки электромобиля схожи, а основное отличие заключается только в продолжительности времени зарядки и заправки, предлагается в качестве отправной точки адаптировать нормы, используемые при определении числа автозаправочных станций. Для расчёта количества точек заправки автомобилей жидким топливом применяется следующая норма - один топливораздаточный пистолет на 1200 автомобилей [11]. Соотношение электромобилей и станций зарядки предлагается определять по формуле
- ТЭ
Хя
Та " Na
где Хэ и Ха - удельное количество электромобилей и автомобилей на одну точку заправки соответственно, ед.; Тэ и Та - время заправки электромобиля и автомобиля, мин; Жэ и - среднее количество заправок за расчётный период, ед.
Время заправки (Тэ и Та) определяется исходя из того, что зарядные станции 3-го уровня заряжают электромобиль на 80 % в среднем за 30 мин, а время заправки автомобиля, согласно [12], составляет около 5 мин.
Среднее количество заправок за расчётный период (Ыэ и Жа) определяем исходя из значений таких показателей как средний пробег (одинаковый для автомобиля с ДВС и электромобиля) за необходимый период, средний расход топлива на 100 км пробега для автомобиля на жидком топливе и средний пробег на одной зарядке для электромобиля. В результате расчёта получены следующие данные: требуется не менее одной зарядной станции 3-го уровня на каждые 134 электромобиля, или не менее одной зарядной станции 2-го уровня на каждые 25 электромобилей. Столь большая разница объясняется существенным различием во времени зарядки станциями 3-го и 2-го уровней.
Для определения потенциально необходимого количества зарядных станций в рассматриваемом регионе необходимо определить перспективную численность парка электромобилей. Существующие прогнозные значения по темпам роста парка электромобилей значительно разнятся. Предлагается для прогнозирования численности парка электромобилей применить подход, использованный в работе [13]. Суть подхода заключается в проведении социологического опроса среди автовладельцев и автолюбителей с целью выявления среди красно-ярцев потенциальных владельцев электромобилей, выделения у них схожих черт и составления портрета потребителя. С помощью этого портрета определяется доля потенциальных владельцев электромобилей в Красноярске и, следовательно, делается прогноз перспективной численности парка электромобилей.
В проведённом опросе приняли участие более 470 человек.
->
По данным опроса составлен портрет потребителя, приведённый в табл. 1.
ТАБЛИЦА 1
Портрет потенциального владельца электромобиля
Семейное положение В браке
Образование Высшее
Место проживания Город
Тип жилья Многоквартирный дом
Средний месячный доход, руб. 40 000.60 000
Характеристика Значение
Возраст, лет 30...40
Пол Мужской
В Красноярске под данный портрет подходит 1,03 % населения или порядка 11 тыс. человек, что и было принято в качестве перспективной численности парка электромобилей при разработке параметров сети зарядной станции.
Важным параметром при разработке сети зарядных станций является определение мест размещения. Особых требований и норм к их размещению не предъявляется. Определение наиболее перспективных мест установки зарядных станций также осуществлялось в процессе социологического опроса автовладельцев и автолюбителей [13].
В ходе опроса респондентам были заданы вопросы, помогающие установить наиболее популярные места, посещаемые потенциальными владельцами электромобилей. Они являются ключевыми точками концентрации потенциальных потребителей зарядной инфраструктуры. Результаты опроса представлены на рис. 1.
45,00% 40,00% 35,00% 30,00% 25,00% 20,00% 15,00% 10,00% 5,00% 0,00%
■ I
РИС. 1
Ключевые точки
концентрации
потенциальных
владельцев
электромобилей
о Ч
о н
ы р
н
е ц
и
е н
р о
н
е ц
р о
е д
о р
>у р
р о
ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ Анализ диаграммы позволяет сделать вывод, что наиболее популяр-
ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ ными местами свободного времяпрепровождения (кроме дома) являют-
ся торговые центры и спортивные/фитнес-центры. Наименее популярные места - театры и кинотеатры. В графу «Другое» вошли ответы -в гараже, на рыбалке, на дачном участке и т.п. - места, на которых невозможно обеспечить потребителя зарядной инфраструктурой.
В качестве примера для демонстрации работоспособности предложенного метода проектирования сети зарядных станций был выбран Советский район Красноярска. Численность жителей Советского района составляет 323783 человека, 1,03% подходящего под портрет потребителя населения в данном районе составляет 3335 человек, принимаем данное значение равным перспективной численности электромобилей в данном районе в обозримом будущем.
Согласно выполненным расчётам по разработанным методикам, для данного количества электромобилей потребуется 25 зарядных станций 3-го уровня. В табл. 2 представлена структура сети зарядных станций 3-го уровня.
ТАБЛИЦА 2
Структура сети зарядных станций 3-го уровня
Спортивные/Фитнес-центры 4
Рестораны, кафе и т.д. 2
На природе 2
Театры/Кинотеатры 2
Итого 25
Место расположения Количество
Жилые массивы 10
Торговые центры 5
Рассмотрим вариант размещения зарядных станций 3-го уровня. Зарядные станции для предполагаемой установки в жилых массивах необходимо размещать в местах с наибольшей концентрацией живущих там людей, при этом охватывая максимальную площадь ввиду того, что невозможно достоверно определить точные места проживания потенциальных клиентов. Схема размещения представлена на рис. 2.
Аналогичным образом необходимо выбрать ключевые точки концентрации потенциальных владельцев электромобилей в соответствии с рис. 1. Среди всех объектов следует выделить наиболее крупные и популярные среди населения с учётом возможных зон покрытия зарядными станциями, расположенными рядом друг с другом. Вариант расположения зарядных станций 3-го уровня предложен на рис. 3.
Таким образом, получаем первый вариант размещения зарядных станций только 3-го уровня в Советском районе города Красноярска. Также целесообразно будет предложить второй вариант с использованием
РИС. 2
Схема размещения зарядных станций 3-го уровня в жилых массивах в рассматриваемом административном районе
РИС. 3
Схема размещения зарядных станций 3-го уровня в рассматриваемом административном районе
9
9 9 9
9
Зарядные станции в жилых массивах Зарядные станции возле ТЦ
Зарядные станции возле спорт.'фитнес-центров
Зарядные станции возле ресторанов: кафе и т.д.
Зарядные станции возле театров/кинотеатров
Зарядные станции в местах отдыха на природе
ИНФРАСТРУКТУРА ДЛЯ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ
РИС. 4
Схема размещения зарядных станций 2-го уровня в жилых массивах в рассматриваемом административном районе
РИС. 5
Схема размещения зарядных станций 2-го и 3-го уровней в рассматриваемом административном районе
9
9
Зарядные станции в жилых массивах
Зарядные станции возле ТЦ
Зарядные станции возле спорт/фитнес-центров
Зарядные станции возле ресторанов.
Г^ кафе и т.д.
о
<2
Зарядные станции возле театров/'кинотеатров
Зарядные станции в местах отдыха на природе
>
зарядных станций 2-го уровня. В связи с длительностью зарядки электромобиля зарядной станцией 2-го уровня их использование предлагается только в местах продолжительного пребывания людей, а именно возле мест проживания. Согласно полученным данным, для обеспечения зарядки в жилых массивах потребуется 54 зарядные станции 2-го уровня. Схема размещения представлена на рис. 4.
При этом другие ключевые точки предполагается обеспечивать зарядными станциями 3-го уровня. Таким образом получаем второй вариант размещения, схема которого представлена на рис. 5.
В итоге с использованием разработанных методик получены два возможных варианта размещения сети зарядных станций в административном районе города Красноярска:
• 1 вариант - 25 зарядных станций 3-го уровня (см. рис. 3);
• 2 вариант - 54 зарядные станции 2-го уровня и 15 станций 3-го (см. рис. 5).
Предлагаемый подход позволил спрогнозировать перспективную численность электромобилей в исследуемом регионе, определить предпочтительные места для установки зарядных станций, определить число зарядных станций разных уровней в сети.
Однако данный подход не лишён недостатков. Он, прежде всего, не учитывает владельцев, заряжающих электромобиль в рабочее время в непосредственной близости от места работы. В дальнейшем планируется использование моделей, учитывающих данную группу пользователей.
Библиографический список
1. Онлайн-карта загрязнения воздуха. URL:https://www.airvisual.com
8. Sanchari Deb, Kari Tammi, Karuna Kalita,
Pinakeswar Mahanta. Charging Station Placement for Electric Vehicles: A Case Study of Guwahati City, India // IEEE Access. - 2019. - № 7. -C. 100270-100282.
2. О санитарно-эпидемиологической обстановке в Российской Федерации в 2010 году: Государственный доклад. - М.: Федеральный центр гигиены и эпидемиологии Роспотребнадзора, 2011. - 431 с.
9. Aiqiang Pan, Teng Zhao, Haidong Yu, Yan Zhang. Deploying Public Charging Stations for Electric Taxis: A Charging Demand Simulation Embedded Approach // IEEE Access. - 2019. - №7. -
3. Аналитическое агентство Автостат. URL:https://www.autostat.ru
С. 17412-17424.
4. Камольцева А.В., Писарев Г.А. Методика определения количества электромобилей на точку зарядки // Вестник научных конференций. - 2019. - № 6-2(46). - С. 56-58.
10. Justine Sears, David Roberts, Karen Glitman. A Comparison of Electric Vehicle Level 1 and Level 2 Charging Efficiency // 2014 IEEE Conference on Technologies for Sustainability (SusTech),
5. Асадов Д.Г. Обоснование оптимального
количества зарядных станций электромобилей // Международный научный журнал. -2011. - № 5. - С. 131-135.
2014. - С. 255-258.
11. Свод Правил 42.13330.2011 Градостроительство. Планировка и застройка городских и сельских поселений. - 2011. - 84 с.
6. Гопаченко Ю.А., Якунин А.Г. Алгоритм модуля программного комплекса для моделирования системы массового обслуживания электрических зарядных станций // Ползуновский альманах. - 2016. - № 2. -С. 58-62.
12. В.С. Оленев, Камольцева А.В. Разработка схемы размещения сети АЗС для административного
района крупного города: магистерская диссертация / Сибирский Федеральный университет Политехнический институт, 2010. - 82 с.
7. Danielle Meyer, Jiankang Wang. Integrating ultra-fast charging stations within the power grids of smart cities: a review // IET Smart Grid. - 2018. - № 1. - C. 3-10.
13. Камольцева А.В., Писарев Г.А. Методика определения перспективной численности парка электромобилей // Научный альманах. -2019. - № 6-1(56). - С. 157-160.
