CC BY
2937 (244) - 2011
Инновации и инвестиции
УДК 629.113: 656.13
ситуационный анализ освоения электрифицированного автомобильного транспорта
И. К. АЛЕКСАНДРОВ,
доктор технических наук, заведующий кафедрой безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии E-mail: alex@mh.vstu.edu.ru
В. А. РАКОВ,
ассистент кафедры безопасности жизнедеятельности и промышленной экологии E-mail: vyacheslav. rakov@mail.ru Вологодский государственный технический университет
В статье рассматриваются перспективы замены транспортных средств с экологически опасными и энергетически неэффективными двигателями внутреннего сгорания на электромобили с учетом тенденций развития топливно-энергетического сектора России.
Ключевые слова: транспорт, электроэнергетика, электромобиль, гибридный автомобиль.
Состояние и развитие промышленного производства в стране достоверно отражают такие интегральные показатели, как объем потребляемой электрической энергии и объем транспортных потоков, в том числе осуществляемых за счет автомобильного транспорта.
Потребление электроэнергии в России за последние годы характеризуется непрерывным ростом (рис. 1). Динамика этого процесса определяется линейной
зависимостью с достоверностью аппроксимации 98 %. Если сохранится существующий темп роста, то величина энергопотребления к 2020 г. возрастет приблизительно на 20 %, что соответствует прогнозу Института проблем естественных монополий [4].
Эта непрерывная тенденция роста энергопотребления, которая характерна не только для РФ, но и для мировой экономики в целом, чревата глобальными негативными последствиями: опасным воздействием на природную среду в виде вредных выбросов, техногенных катастроф и нарушением теплового баланса планеты. Очевидна необходимость ограничения этой опасной тенденции путем существенного снижения удельных энергетических затрат в промышленном производстве.
В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 года [7] планируется масштабное снижение удельных энергозатрат в
2
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: жеб7>ЪЯ -и ЪРЛЖкЫ
1 200
1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 Рис. 1. Динамика потребления электроэнергии в РФ в 1999-2010 гг. и прогноз до 2020 г, млрд кВт*ч
экономики и энергетике (в 2,1-2,3 раза) при существенном увеличении (в 1,4-1,6 раза) количества потребителей и роста экспорта электроэнергии (в 1,1-1,2 раза). Согласно принятой стратегии темп роста энергопотребления должен быть замедлен, а к 2020 г. этот показатель предполагается даже понизить до значений 2008 г., что на рис. 1 представлено полиномиальной зависимостью.
Достижение таких значений на фоне реальной потребности в энергетических ресурсах развивающегося производства представляется достаточно сложной задачей.
Одним из существенных факторов, определяющих увеличение потребности в производстве электрической энергии, является перспектива качественного изменения конструктивного вида автомобильного транспорта. А именно как в России, так и в мире в целом наметилась четкая тенденция развития автомобильной промышленности в направлении отказа от применения в качестве энергетической установки экологически опасного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и перехода на электрифицированные транспортные средства.
В связи с этим становится насущной проблема развития элек-троснабжающих объектов и параллельно возникает совершенно новая задача - принципиального расширения электрических сетей транспортной инфраструктуры. В этом отношении интересно отметить международный проект Better Place [3] по развертыванию сети электрических заправок, в
котором участвуют Австралия, Канада, Израиль, Дания, Япония, США и другие страны. Корпорация General Motors развивает электрификацию Китая -ведется строительство атомных электростанций. Введено в эксплуатацию 11 реакторов, около 20 проектируется [6].
С учетом указанных тенденций важным вопросом является оценка возможностей России по полной электрификации автомобильного транспорта. В связи с этим необходимо исследовать существующую энергетическую инфраструктуру России, оценить ее готовность к масштабному внедрению электромобилей.
Ориентировочно дополнительный объем электроэнергии, необходимый для перспективного электрифицированного автомобильного транспорта, может быть определен на основе существующего потребления автомобильным транспортом жидкого углеводородного топлива.
Динамика производства бензина и дизельного топлива в России показана на рис 2 [5].
Рис. 2. Динамика производства дизельного топлива (левый ряд) и бензина (правый ряд) в РФ в 1999-2010 гг., млн т
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: жгорш % 1гР/ГКтс&4
3
Рис. 3. Динамика потребляемой в РФ электрической энергии (левый ряд), тепловая энергия от сгорания дизельного топлива (средний ряд), тепловая энергия от сгорания бензина (правый ряд), в 1999-2010 гг., 109 МДж
Сопоставление объемов тепловой энергии, выделяемой при сгорании жидкого углеводородного топлива, с объемом вырабатываемой электрической энергии представлено на рис. 3.
При построении диаграммы (рис. 3) использованы известные физические соотношения. В качестве примера приведем расчет показателей для 2010 года.
Количество произведенной электрической энергии Жэ э = 1 023 млрд кВт^ч = 3 683 • 109 МДж. Количество произведенного бензина Qб = 36 • 109 кг. Удельная теплота сгорания бензина Нб = 41,87 • 106 Дж/кг. Энергия сгорания произведенного бензина Жб = 0б Нб = 1 507 • 109 МДж.
Те же показатели по дизельному топливу составляют: 0д т = 69,9 • 109 кг, Нд т = 43,5 • 106 Дж/кг, Жд т = 3 041 • Ш9 МДж.
Как видно, суммарный объем тепловой энергии, выделяемой при сгорании жидкого углеводородного топлива, существенно превышает объем вырабатываемой электрической энергии, что на первый взгляд ставит под сомнение саму проблему полномасштабного перевода автомобильного транспорта на электрическую тягу в обозримом будущем.
Однако следует учесть некоторые особенности сгорания углеводородов в ДВС, вероятность эффективного применения альтернативных энергоустановок, развитие которых активизировалось в последнее десятилетие, а также принятую стратегию развития энергетики. Эти обстоятельства в определенной степени способствуют решению поставленной задачи совершенствования автомобильного транспорта.
Дизельного топлива используется практически в два раза больше, чем бензина, что отчетливо видно на
рис. 2. Однако на основе имеющихся статистических данных определить объем дизельного топлива, используемого конкретно автомобильным транспортом, затруднительно, так как потребителями этого вида топлива помимо автомобильного транспорта являются железнодорожный, водный транспорт, агропромышленный комплекс и т. д. Для проведения такого анализа потребуются дополнительные исследования.
Поэтому на данном этапе проведем анализ только применительно к транспортным средствам, использующим бензин. Известно, что основными потребителями бензина являются легковые автомобили и грузовые автомобили малой и средней грузоподъемности.
Часть топлива, сгорающего в ДВС, реализуется в качестве полезной (транспортной) работы, а большая часть в виде тепловой энергии бесполезно выбрасывается в атмосферу. Соотношение между тепловой энергией топлива и энергозатратами на транспортный процесс определяется эксплуатационным КПД транспортного средства.
Как показали экспериментальные исследования, проведенные в Вологодском государственном техническом университете [1], а также исследования других экспериментаторов [2], при движении автомобиля в реальных условиях возможности ДВС реализуются в среднем только на одну треть. Таким образом, если ДВС загружен на 100 % (т. е. работает на внешней скоростной характеристике, что может быть осуществлено только на стенде) и его КПД при этом чуть более 30 %, то при совершении транспортной работы в реальных условиях эксплуатационный КПД составляет всего 10-12 %о. А значит, пропорционально возрастает и удельный расход топлива на единицу транспортной работы.
Следовательно, энергетические затраты на совершение полезной транспортной работы р могут быть определены по формуле
Ш = 0,1. (1)
т. р б ' V /
Применительно к 2010 г. это составит Жт. = = 1 507 • 109 • 0,1 = 150,7 • 109 МДж.
Таким образом, на основании объема израсходованного автомобильным транспортом бензина
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ЖВОРЪЯ ъюжтскл
(рис. 2), используя зависимость (1), определяем объем совершенной им транспортной работы (рис. 4).
Теперь представим, что указанный объем транспортной работы выполняется электрифицированными транспортными средствами, эксплуатационный КПД которых составляет приблизительно 0,65. Зная это, можно определить затраты электрической энергии, необходимые на привод электрифицированных транспортных средств.
Необходимый дополнительный объем электрической энергии в случае замены транспортных средств, использующих бензин, на гипотетические электромобили представлен на рис. 5.
Из представленного анализа следует, что в случае электрификации части автомобильного транспорта (использующего бензиновые двигатели) увеличивается нагрузка на энергодобывающие объекты и электрические сети приблизительно на 5 %. Следовательно, массовый перевод транспортных средств с бензиновыми двигателями на электрическую тягу вполне достижим в ближайшие годы. И все же этот
Рис. 4. Динамика полезной транспортной работы, совершенной бензиновыми ТС
в 1999-2010 гг., 109 МДж
Рис. 5. Гипотетические затраты электрической энергии в 1999-2010 гг. в случае замены транспортных средств с бензиновым двигателем на электромобили (серым цветом выделены реальные затраты, черным - дополнительные), 109 МДж
процесс следует осуществлять поэтапно по мере увеличения объема выработки электроэнергии (в частности, путем использования альтернативных источников) или экономии ее за счет внедрения энергоэффективных технологий в соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 г.
Осуществить перевод на электрическую тягу большегрузных автотранспортных средств, использующих дизельные двигатели, намного сложнее. При этом возникают две весьма серьезные проблемы.
Во-первых, до настоящего времени отсутствуют компактные, достаточно энергоемкие и относительно дешевые накопители электрической энергии, которые обеспечивали бы снижение собственной массы грузового электромобиля до приемлемых значений. По авторским расчетам, при совершении одной и той же транспортной работы, необходимой для перевозки заданного количества груза в течение смены, суммарная масса гибридной установки с накопителями электроэнергии существенно (в разы) меньше, чем масса автономного накопителя электроэнергии без
ДВС, необходимого для совершения той же транспортной работы. Иными словами, создание грузового электромобиля на базе современных накопителей электроэнергии в принципе нерационально. Образно говоря, такой электромобиль будет перевозить в основном самого себя, что допустимо для легкового автомобиля, но абсолютно неприемлемо для грузового.
Во-вторых, наличие дефицита электрической мощности существующих энергодобывающих предприятий и электрических сетей.
В результате можно сделать вывод о том, что для полной электрификации автотранспорта необходим достаточно длительный переходный этап, в течение которого на транспортных средствах рационально будет применять гибридные
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: ЖВ&РТсЯ к 71Р&<ЖЪСЪ4
энергоустановки, обеспечивающие возможность использования углеводородного топлива. Применение таких комбинированных энергоустановок на автомобильном транспорте создает возможность планомерного развития системы электроснабжения с окончательным переходом в перспективе на электромобили.
Наличие переходного этапа оправдано также и с экологических позиций. Опыт эксплуатации
Список литературы
показывает, что уже существующие гибридные транспортные средства обладают гораздо более высокими экологическими показателями, чем обычные автомобили с ДВС. Кроме того, при ограниченном суточном пробеге допускается применение гибридных транспортных средств в качестве электромобилей, получающих питание только от внешней электрической сети, что дополнительно снижает потребность в углеводородном топливе.
1. Александров И. К. Оценка энергетической эффективности ДВС в условиях неустановившегося режима работы / И. К. Александров, О. Л. Белков, В. А. Раков // Вестник машиностроения. 2008. № 6.
2. Говорущенко Н. Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. М.: Транспорт, 1990.
3. Инфраструктура зарядки электромобилей // Википедия: электронная энциклопедия. URL: http://ru. wikipedia.org/wiki/Better_Place.
4. Прохорова Н. Социально-экономическое развитие 2020: инновационная утопия // Нефтегазовая вертикаль. 2008. № 5.
5. Статистические данные по производству топлива в России // Официальный сайт Росстата. URL: http://www.gks.ru/dbscripts/Cbsd/DBInet. cgi.
6. Электрификация Китая // Информационный портал Футурика Инфо. URL: http://futurika.info/history/ elektrifikaciya-gibrid-avtomobü.
7. Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: распоряжение Правительства Российской Федерации от 13.11.2009 № 1715-р.
6
ЭКОНОМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ: жгвТЪсЯ те ЪРЛЖкЫ
