CC BY
9
УДК 62-835
ПРОБЛЕМЫ ПРОИЗВОДСТВА И ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕКТРОМОБИЛЕЙ И РАЗВИТИЯ, СООТВЕТСТВУЮЩЕЙ ГОРОДСКОЙ ИНФРАСТРУКТУРЫ
Ф.О. Трегубов1, И.М. Трегубова2
Тюменский индустриальный университет, Россия, 625000, г.Тюмень, ул. Володарскго , 38
В статье проанализированы основные проблемы, связанные с увеличением количества производства электромобилей и их эксплуатации, а также возможностью расширения сети зарядных станций в городской инфраструктуре для обеспечения комфорта использования транспортных средств.
Ключевые слова: электроэнергия, электромобиль, электрические зарядные станции, аккумуляторная батарея.
PROBLEMS OF PRODUCTION AND OPERATION OF ELECTRIC VEHICLES AND DEVELOPMENT OF RELATED URBAN INFRASTRUCTURE
F.O. Tregubov, I.M. Tregubova
Industrial University of Tyumen, Russia, 625000, Tyumen, st. Volodarsky, 38 The article analyzes the main problems associated with increasing the production of electric vehicles and their operation, as well as the possibility of expanding the network of charging stations in urban infrastructure to ensure the comfort of using vehicles.
Keywords: electricity, electric vehicle, electric charging stations, battery.
Введение
Интенсивное производство электромобилей вызывает всё больший интерес к изучению проблем, связанных с эксплуатацией, обслуживанием данного типа автотранспортных средств.
Актуальность темы обусловлена увеличением выпуска и спроса населения на электромобили.
На сегодняшний день развитие технического прогресса приводит к появлению изделий в том числе и автомобилей, со всё более сложными технологическими и конструкционными свойствами. И для эффективной их эксплуатации и поддержания работоспособности необходимы не только, соответствующее обслуживание, но и специфическая инфраструктура.
Основная часть
В данной работе объектом исследования является - зарядная станция, как объект необходимой инфраструктуры в населенном пункте.
Предмет исследования - развитие сети зарядных станций.
Цель работы - проектирование доступной городсткой зарядной станции, размещенной в разных местах города и используемой для нужд потребетелей, например зарядки электромобилей,
а также возможности питания любого другого объекта.
Для достижения цели, на начальном этапе исследований необходимо решить следующие задачи:
- проанализировать потребительские требования к общественной зарядной станции;
- выявить проблемы электроэнергетики и эектротранспорта в частности.
В ходе решения первой задачи выявлено, что наиболее важным для потребителей оказалось требование - «Надежность конструкции зарядной станции»; на втором месте - «Отсутствие вреда для заряжаемой машины» и «Защита от самовозгорания зарядной станции». Также установлен размер цены, которую готовы заплатить потребители за электроэнергию: примерно 10 рублей за 1 КВт/ч быстрой зарядки и около 4 рублей за 1 КВт/ч медленной зарядки.
Анализ состояния вопроса при решении второй задачи позволил выявить основные проблемы электроэнергетики в целом:
1. Поиск альтернативного топлива для автомобилей, позволяющий снизить степень загрезнения окружающей среды в резултате выхлопов газов при работе двигателя внутреннего сгорания на бензине и дизельном топливе привел к тому, что сначала повсеместно стали
EDN BSEFZR
1 Трегубов Фёдор Олегович - студент кафедры технологии машиностроения института промышленных технологий и инжиниринга, тел.: +7(929)264-96-18, e-mail: [email protected];
2Трегубова Ирина Михайловна - кандидат технических наук, доцент кафедры сервиса автомобилей и технологических машин института транспорта, e-mail: [email protected];
64
СПбГЭУ
переходить на газовое топливо, но его использование очень часто приводит к увеличению износа и ухудшению эксплуатационных качеств автомобиля. Но с развитеим технологий и в поиске наиболее экологическичистых вариантов одним из рещений проблемы стал -электромобиль.
2. Городская инфраструктура в сегодняшнем мире требует комфорта и безопасности для граждан во всех ситуациях жизнедеятельности. Возникают ситуации, требующие наличия электроэнергии в определенном месте: в зонах отдыха, когда требуется зарядка личных устройст; в местах высокой проходимости населения, где установлены различные "пункты на колесах", требущие электроэнергии для своего функционирования и т.п.
3. Территория Российской федерации многообразна по своим климатическим особенностям. В районах страны, с температурой воздуха опускающейся ниже -20°С, население сталкивается с проблемой запуска автомобиля. А так как для запуска дизельных автомобилей используют предпусковой подогреватель, то подключить его можно прямо на месте хранения или стоянки к розетке от зарядной станции.
Что касается проблем электротранспорта, то установлены следующие проблемы:
1. Важнейший компонент электромобилей -аккумуляторная батарея и первоочередной проблемой является емкость батареи. Так как функция любого автомобиля - это доставка из начального места в конечное, а также возможны промежуточные точки, то особое внимание, уделяется тому, чтобы заряд автомобиля позволил выполнить вышеуказанную функцию, а это будет зависеть от емкости аккумулятора.
2. Время зарядки электромобиля. Если сравнивать время заряда автомобиля с ДВС и электромобиля, то первый конечно выигрывает, так как на его зарядку потребуется не более нескольких минут, чем не отличается процесс заряда электротранспорта, требующий продолжительного времени иногда до нескольких часов, для более устаревших марок. Внедрение новейших технологий на автомобилях позволяет сократить время заряда приблизительно до часа.
3. Если предположить, что обладателю не самого нового электромобиля необходимо оставить его на зарядке, а после окончания, вернуться за машиной, возникает вопрос где это сделать? И соответственно появляется третья проблема - размещение зарядных станций.
Количество и размещение зарядных станций зависит от развитости инфраструктуры в конкретном городе. На данный момент в Москве, общедоступных зарядных станций около 330, а в Тюмени всего около 14.
4. Важнейшим фактором является не только количество зарядных станций, но и их мощность, что прямым образом сказывается на времени зарядки.
5. Суровый климат с низкими температурами окружающего воздуха тоже должен быть учтен, так как в основном все аккумуляторные батареи имеют оптимальный диапазон работы и хранения, который находится в пределах +5 +25 °С, вне данного диапазона уменьшается эксплуатационный ресурс и емкость батареи. Поэтому в зимнее время необходимо хранить и заряжать автомобиль в теплых помещениях, но не у всех автовладельцев есть такая возможность.
Владельцы автомобилей предпочитают решать проблему следующим образом: ночью, при понижении температуры, автомобиль подключают к зарядной станции. Для корректной работы аккумулятора, в процессе зарядки часть энергии уходит на нагревание и поддержание минимально допустимой температуры аккумулятора не ниже 0 °С. При температурах меньше этой происходит деградация аккумулятора в процессе зарядки.
6. Высокая стоимость аккумуляторной батареи и экологические проблемы, связанные с их производством и утилизацией. Цена и труднодо-ступностью необходимых материалов для производства, оплата труда специалистов, недостаточные производственные мощности и добавочная стоимость обуславливают высокую стоимость аккумуляторов. Аккумуляторная батарея имеет средний срок службы, который составляет от 800 до 1500 циклов зарядка-разрядка. Количество циклов зависит от ряда факторов, в числе которых условия эксплуатации и зарядки, во временном интервале -это порядка 10 лет. К использованным батареям необходимо применять особую утилизацию, это связано с рядом причин:
а) хранение использованных батарей представляет угрозу и вред окружающей среде;
б) из-за дорогостоящей и трудоемкой добычи сырья, используемого в аккумуляторных батареях, предпочтительно использовать повторно аккумуляторы, отслужившие свой срок эксплуатации.
Компания ишюоге в результате переработки батарей от исходного содержания извлекает примерно 70% кобальта никеля и меди для повторного использования. Что касается лития, то он не извлекается.
На данный момент стоит острая проблема переработки и утилизации батарей, так как их захоронение небезопасно, а способы эффективной переработки еще не обнаружены. Существует так же огромная опасность, связанная с разборкой использованных аккумуляторов и ручным демонтажем, сопровождающимися образованием вредных побочных продуктов или взрывом элементов.
Ф.О. Трегубое, И.М. Трегубова
Исходя из вышеизложенного, для безопасной и эксплуатации электро -автотехники, следует рассмотреть решить множество проблем.
По данным Международного энергетического агентства, на начало 2020 года в мире насчитывалось чуть более 860 тысяч точек подключения на зарядных станциях. И только треть из них имеют возможность быстрой зарядки. В России сейчас, по данным аналитического агентства «АВТОСТАТ», зарядная сеть состоит из более 250 станции. Группа «Россети» планирует к 2024 году расширить сеть зарядных станций до 1 тысячи единиц, и рассматривает возможность предоставления специальных тарифов для зарядки электромобилей. На первом этапе планируется охватить сетью зарядных станций для электромобилей все крупные города с населением более 1 млн человек. На втором этапе сеть будет в городах с населением от 500 тыс. до 1 млн жителей.
Так как запасы лития, кобальта и никеля исчерпываются учеными прогнозируется возникновение дефицита металлов, используемых в изготовлении аккумуляторов, так как из-за увеличения выпуска электромобилей в ближайшем будущем, спрос на необходимые для производства материалы литий, алюминий, композит будет повышаться. Но не следует забывать об особенностях добычи и производства этих материалов.
В современных аккумуляторах стоимость лития формирует 12-15 % его цены, а 14% всего добываемого лития достается электромобилям. Ожидается, что к 2025 году эта доля вырастет до 40 %.
Литий при взаимодействии с водой детонирует с выделением колоссального количества тепла. Пока есть вода - он будет. Один из минусов - он умеет отнимать воду отовсюду, за счет чего является самым сильным щелочным металлом. Человек обожжется даже золой аккумулятора. А приняв его внутрь, в том числе в микродозах -отравится.
Там, где добывают литий, природа понесла сильный ущерб. К сожалению, количество нанесенного вреда будет только увеличиваться, так как пока что нет такого способа, позволяющего в достаточной степени и с нужным качеством перерабатывать то количество батарей, которое поступает в утиль.
Алюминий является очень дешевым металлом. Но его производство предполагает большие затраты электроэнергии. Для этого, зачастую, перерабатывающие предприятия располагают рядом с ГЭС или АЭС.
При производстве композитов используется углеродное волокно. Любое производство углеродного волокна несет за собой мельчайшую пыль. Чаще всего для ее сбора используют раз-
личные фильтры, но, на данный момент нет способа, с помощью которого можно переработать эти фильтры и избавиться от пагубного влияния частиц пыли на природу.
Отходы от этих производств уже в ближайшее время начнут серьезно влиять на экологию, даже больше, чем выхлоп автомобиля. Отличие состоит в том, что бензиновый автомобиль несет немного вреда в городе, а производства — за городом, где городской житель зачастую не бывает и не видит всех последствий.
Таким образом, препятствием развития электрического транспорта являются: высокая стоимость электромобили и соответственно розничная цена; инфраструктурные проблемы, а именно отсутствие необходимой структуры зарядки; производство, замена и утилизации аккумуляторных батарей.
К основным факторам, сопутствующим росту мирового рынка электромобилей, специалисты относят: экологичность и технологические достижения в производстве батарей, позволяющих снизить стоимость самого дорогого элемента электромобиля - аккумулятора (рисунок 1).
1000 900 800 т 700 600 500 400 300 200 100 0
т
с; с; о ч
00 22
II....
0 2
0 2
<
9
0 2
2 0 2
о гм
0 2
о гм о гм
Рисунок 1 - Стоимость литий-ионных аккумуляторов для электромобилей
Для того, чтобы техника работала так, как от нее требуется, нужно обеспечить бесперебойное производство и доставку электроэнергии. На данный момент существует множество способов ее добычи. Ее источники делятся на невозобнов-ляемые источники энергии и возобновляемые источники энергии. К невозобновляемым источникам относится тепловая генерация. К возобновляемым источникам - гидрогенерация, ветровая генерация, солнечная генерация, геотермальная генерация. Электрическая энергия, чаще всего, образуется благодаря механической энергии от вращения турбины, большая часть отличия заключается в том, за счет чего приводится в движение турбина.
66
СПбГЭУ
При использовании тепловой генерации добычи электроэнергии, генерация происходит за счет тепловой энергии в виде пара, который приводит в движение турбину. В качестве топлива используются для сжигания органическое сырье, такое как природный газ, уголь, мазут и так далее.
Гидрогенерация осуществляется на гидроэлектростанциях за счет вращения турбины под воздействием потока воды. С точки зрения экологии у данного метода так же существуют недостатки, основные из них: уничтожение пахотных земель, невозможность миграции рыб. В России лидером в гидрогенерации является «РусГидро».
Ветряная генерация осуществляется на ветряных электростанциях (ВЭС) на которых в движение турбину приводит ветер. Данная технология также не является безвредной для окружающей среды: не существует подходящих технологий утилизации композитных материалов; шум создаваемый ветряными генераторами отпугивает животных с их мест обитания. На российском рынке лидирующую позицию занимает «Энел Россия».
Таблица 1 - Мощности основных генерирующих ком
Солнечная генерация осуществляется солнечными электростанциями (СЭС), состоящих из большого количества батарей, которые преобразующих солнечную энергию в электрическую. В этом случае также существует проблема утилизации солнечных панелей, отработавших свой эксплуатационный ресурс. Данный способ не получил на территории России большого распространения, так как, помимо большой площади, необходимой для приемлемого уровня выработки электроэнергии, требуются определенные погодные условия.
Главным сырьем для геотермальной энергии на геотермальных электростанциях (ГеоГЭС) является тепловая энергия из недр Земли. Принцип работы тот же, что и у тепловых электростанций. Отличительной особенностью будет отсутствие необходимости в сжигании топлива, так как тепловая энергия уже имеется, благодаря гейзерам.
Мощности всех основных генерирующих Российских компаний предоставлены в таблице 1.
Мощность, МВт «Интер РАО» «РусГидро» «Юнипро» «Мосэнерго» «ОГК-2» ТГК-1
Теплогенерация 31390 8506 11245 12825 19012 4062
Гидрогенерация 439 29366 0 0 0 2856
Ветрогенерация 32 5 0 0 0 0
Солнечная генерация 0 3 0 0 0 0
Геотермальная генерация 0 74 0 0 0 0
Общая мощность, МВт 31860 37954 11245 12825 19012 6918
Таким образом, можно сделать вывод, что растущий выпуск и спрос на электромобили, создает предпосылки для развития и совершенствования городской инфраструктуры, с внедрением в нее зарядных станций, позволяющих владельцам электромобилей безопасно и комфортно эксплуатировать свои транспортные средства. В ходе изучения вопроса выяснилось, что необходимо учесть определенные факторы, как например климатические условия и решить множество проблем, связанных с экологией, выработкой электроэнергии, конструкцией непосредственно самих автомобилей, а также конструкцией и размещением зарядных устройств.
Литература
1. Трегубов Ф.О., Трегубова И.М., Гаваев А.С. Выявление наиболее существенных требований для проектирования городской электрической зарядной станции // Технико-технологические проблемы сервиса.2023. №2(64) С. 7-13 URL:
https://www.elibrary.ru/item.asp?id=53931385
2. Прусова В.И., Рахматулин Л., Пчелина М.В., Оси-пова Д.А. Современные тенденции и перспективы развития легкового транспорта в Москве // Экономика и бизнес: теория и практика. 2022. №1-1 (83). URL: https://cyberleninka.ru/article/n/sovremennye-tendentsii-i-perspektivy-razvitiya-legkovogo-transporta-v-moskve.
3. Цыпулев Денис Юрьевич Электротранспорт и его интеграция в интеллектуальные сети будущего // Транспорт на альтернативном топливе. 2013. №1 (31). URL: https://cyberleninka. ru/article/n/elektrotransport-i-ego-integratsiya-v-intellektualnye-seti-buduschego.
4. Растущее число электромобилей [Электронный ресурс]. - URL: https://ruslom.com/rastuschee-chislo-elektromobiley-tait-v-sebe-sereznuyu-problemu-utilizatsii-po-okonchanii-sroka-ih-ekspluatatsii/
5. Исследование: при производстве электромобилей выделяется на 63% больше CO2, чем при выпуске машин с ДВС [Электронный ресурс]. - URL: https://news.drom.ru/CO2-81750.html
6. Утилизация батарей электромобилей: проблемы и перспективы в мире [Электронный ресурс]. - URL: https://e-cars.tech/zakony-pro-elektromobili/utilizatsiya-batarey-elektromobiley-problemy-i-perspektivy-v-mire
7. Основные способы генерации электроэнергии в России [Электронный ресурс]. - URL: https://conomy.ru/education/articles/147
