CC BY
14
УДК 620.9.004.18
Глушкова Д.В., Ермоленко Б.В.
ЗАДАЧА РАЗРАБОТКИ РЕГИОНАЛЬНОЙ ПРОГРАММЫ РАЗВИТИЯ СЕТИ АВТОЗАПРАВОЧНЫХ СТАНЦИЙ С СИСТЕМАМИ ЭНЕРГОСНАБЖЕНИЯ НА ОСНОВЕ ВОЗОБНОВЛЯЕМЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ
Глушкова Дарья Валерьевна, студент 1 курса магистратуры факультета биотехнологии и промышленной экологии, glush-dasha@mail.ru;
Ермоленко Борис Викторович, к.т.н., доцент кафедры промышленной экологии, 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 систем энергоснабжения автозаправочных станций технологиями, ориентированными на использование возобновляемых источников энергии. Предложена структура систем электро- и теплоснабжения автозаправочных станций, использующих энергию низкопотенциального тепла земли, энергию ветра, солнца, а также резервных когенерационных дизельных энергоустановок. Сформулирована задача разработки региональной программы как задачи оптимального эколого-экономического проектирования региональной сети автозаправочных станций на стадии обоснования инвестиций.
Ключевые слова: автозаправочные станции, математические модели, возобновляемые источники энергии, системы энергоснабжения, ресурсосбережение, окружающая среда, электромобили
THE TASK OF DEVELOPMENT REGIONAL PROGRAMMES NETWORK CREATION OF AUTO FILLING STATIONS, ENERGY SUPPLY SYSTEMS BASED ON RENEWABLE ENERGY SOURCES
Glushkova D.V., Ermolenko B.V.
D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia
Ecological and resource justification of expediency of replacement of traditional systems of power supply of auto filling stations with the technologies focused on use of renewable energy sources was carried out. The structure of systems of electric and heat supply of auto filling stations using energy of low - grade heat of the earth, energy of wind, sun, and also reserve cogeneration diesel power plants is offered. The task of development of the regional program as a problem of optimal ecological and economic design of the regional network of auto filling stations at the stage of investment justification is set.
Keywords: auto filling stations, mathematical model, renewable energy, system energy supply, resource saving, environment, electromobiles.
Автомобильный транспорт является одним из наиболее мощных источников загрязнения окружающей среды вредными химическими веществами. Наряду с продуктами сгорания органических топлив в воздух из баков автомобилей и топливных резервуаров автозаправочных станций и топливных баз попадают пары бензинов и дизельных топлив. Увеличение парка автомобилей привело к тому, что доля загрязнений, вносимых в атмосферу этими источниками, возросла с 13 % в начале 70-х годов до 50 % в настоящее время. Особенно сложная экологическая ситуация складывается в городах и промышленных центрах, где в общем объеме выбросов в атмосферу выбросы загрязняющих веществ автомобилями составляют 70 % и более. Негативное воздействие на окружающую среду автотранспортной отраслью не ограничивается эмиссией выхлопных газов автомобильными двигателями. Загрязняют окружающую среду и нефтеперерабатывающие заводы, производящие автомобильное топливо, и
специализированные транспортные средства, используемые для транспортировки этого топлива на базы и АЗС, и электрические станции, поставляющие электрическую энергию,
необходимую для обеспечения функционирования АЗС и других элементов транспортной инфраструктуры.
Стремлением снизить локальное и глобальное загрязнение атмосферы традиционными
автотранспортными средствами обусловлен
интерес мирового сообщества к производству и использованию электромобилей. Кроме того, при достаточно высоких ценах на эту экологически чистую технику пользователей привлекает существенное снижение затрат на ее эксплуатацию, что связано с меньшей стоимостью электроэнергии по сравнению со стоимостью бензина и дизельного топлива.
Под влиянием этих экологических и экономических факторов рынок электромобилей и количество компаний, занимающихся их
производством, растет с каждым годом. В 2017 году в мире было продано около 1,2 миллионов новых машин на электрической тяге, а в 2018 западные эксперты прогнозируют увеличение объема продаж до 1,9 млн. единиц без учета электрифицированных автобусов и коммерческой техники. По оценке шведской компании EV-Volumes, к концу 2018 года по дорогам мира будут передвигаться более 5,1 млн. электрических автомобилей, а вместе с автобусами -6 млн. машин. Однако, электромобили при всех их достоинствах пока не вытеснили с рынка автомобили с двигателями внутреннего сгорания. Причины три - они стоят заметно дороже своих бензиновых собратьев, запас хода электромобиля от одной зарядки достаточно мал и во многих странах отсутствуют необходимая электрозаправочная инфраструктура. Учитывая темпы развития технологий и то, какие средства брошены на устранение этих причин, уже в ближайшие несколько лет электромобили станут полностью конкурентоспособными.
Современные модели, особенно поступающие в продажу, оснащены комбинированной системой зарядки, позволяющей использовать как терминал (с высокой силой тока, что позволяет уложиться в 2535 минут), так и обычную бытовую розетку (длительность процесса при этом составляет 8-15 часов). В идеальных условиях одна зарядка обеспечивает запас хода в 200 - 300 км, но при наличии многочисленных пробок и в условиях холодного климата заряда аккумулятора может не хватать и на одну поездку в пределах крупного города.
Мировые фирмы-производители поставят на автомобильный рынок в 2018 году несколько новых моделей. Диапазон изменения технических и стоимостных параметров этих моделей достаточно широк. Так мощность большинства двигателей находится в пределах от 39 до 400 лошадиных сил. Исключение представляет электрокроссовер американо-китайские фирмы Faraday Future, мощность которого достигает 1055 л. с. Емкость аккумуляторных батарей от 15 кВтчас до 70 кВтчас (исключение 130 кВтчас) обеспечивает максимальный пробег на одной зарядке от 150 до 500 км (исключение 700 км). Продолжительность зарядки от обычной бытовой электросети колеблется от 7 до 15 часов, от специальных устройств (зарядка на 50 - 100 %) - от 10 минут до 1 часа. Для многих автомобилистов важным показателем является максимальная скорость движения машины. Для разных моделей эта скорость изменяется в диапазоне 100 - 220 км/час. Стоимость электромобиля относится к самым существенным ограничением для потенциального покупателя. Цена наиболее дешевого электромобиля - 3500 долларов, средняя цена - около 35000 долларов, цены наиболее дорогих моделей начинаются с 160000 долларов. Ориентируясь на минимальную стоимость, покупатель получает машину с максимальным пробегом на одну зарядку в 150 км и максимально возможной скоростью 100 км/час.
В 2017 году наибольший объем продаж электромобилей отмечен в Китае. Там было продано 601 тысяча автомобилей такого типа, что на 72 % превысило показатели 2016 года. В 2018 году планируется увеличить объем их производства до 1 миллиона единиц, а в 2020 году - до 3 миллионов.
В автопарке Российской Федерации к началу 2018 года числилось примерно 43 млн. 540 тыс. легковых автомобилей, из которых только 1171 автомобиль использует электрический двигатель. Территориально эти транспортные средства зарегистрированы: в Приморском крае - 415 шт., в Москве и Московской области - 404 шт., в Хабаровском крае - 163 шт., в Краснодарском крае -125 шт. и менее сотни электромобилей в других достаточно теплых регионах страны. Количество бензозаправочных станций на территории страны превышает 29000. Существующая российская электрозаправочная инфраструктура развита крайне слабо. Премьер-министр России Дмитрий Медведев подписал постановление, в соответствии с которым каждая АЗС на территории РФ до 1 ноября 2016 года должна быть оборудована станцией для зарядки электромобилей. Однако к началу 2017 года в федеральной сети было немногим более 130 электрозаправок. К концу года планировалось их увеличение до 190 единиц. Оператором энергетических сетей в России разработана и уже реализуется всероссийская программа развития зарядной инфраструктуры, предусматривающая установку и обслуживание сети зарядных станций для электротранспорта в 77 субъектах федерации. Создание электрозарядной инфраструктуры должно стимулировать расширение рынка электромобилей на территории России.
Развитие электромобильного транспорта и электрозаправочной инфраструктуры не решает проблемы загрязнения окружающей среды автомобильной отраслью, поскольку электрическая энергия, используемая для обслуживания электромобилей и автозаправочных станций, производится главным образом на тепловых электрических станциях, сжигающих органическое топливо. При расходе около 20 кВтчас электроэнергии на 100 км пробега электромобиля, среднем годовом пробеге одного легкового автомобиля 17 тыс. км (данные «Автостата») и ожидаемом росте количества электромобилей до 1 млн. единиц потребуется около 3,4 млрд. кВт-час/год электроэнергии. 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 [1].
Реконструкция действующих
топливозаправочных станций и создание новых АЗС с топливо- и электрозаправкой, ориентированных на использования для электро- и теплоснабжение возобновляемых источников энергии, позволит повысить уровень ресурсосбережения и снизить негативное воздействие автотранспортной отрасли на окружающую среду.
В связи с этим, актуальной является задача разработки оптимальных региональных программ развитии сетей станций заправки автомобилей
Постановка задачи разработки оптимальной программы развития региональной сети автозаправочных станций с системами энергоснабжения на основе ВИЭ звучит следующим образом:
при заданных:
- местах расположения действующих АЗС;
- множестве потенциальных мест размещения строящихся АЗС;
- параметрах потенциальных площадок размещения;
- интенсивности движения автотранспорта по автотрассе в рассматриваемых точках;
- средней доле автотранспорта, заходящего на заправку из общего потока;
топливом и электроэнергией с системами энергоснабжения АЗС на основе ВИЭ. Разработку программ предполагается проводить с использованием оптимизационных экономико-математических методов и моделей.
Структура оптимизируемых систем электро- и теплоснабжения АЗС, использующих энергию низкопотенциального тепла земли, энергию ветра, солнца, а также резервных когенерационных дизельных энергоустановок, представлена на рис. 1 вместе с потребителями энергии.
- оценочной структуре потребления топлива по видам топлива;
- федеральных программах развития электромобильного транспорта;
- природно-климатических условиях, влияющих на потребность АЗС в тепловой и электрической энергии в точках размещения строящихся и действующих объектов, с дифференциацией по месяцам года;
- информации о технических энергетических потенциалах низкопотенциальных источников тепла, энергии ветра и солнца в точках размещения строящихся и действующих АЗС с дифференциацией по месяцам года;
Рис. 1. Схема энергоснабжения АЗС
- показателях экологической ситуации в точках размещения строящихся АЗС и составе реципиентов в зоне их влияния;
- технико-экономических, экологических и других характеристиках имеющегося на рынке технологического, топливозаправочного, электрозаправочного и энергетического оборудования, пригодного для использования на строящихся и реконструируемых АЗС;
- технико-экономических характеристиках зданий и сооружений, которые могут быть использовании при строительстве АЗС в точках их потенциального размещения;
- технико-экономических, технологических, территориальных, экологических, финансовых и других ограничениях,
выбрать:
- точки (площадки) размещения новых строящихся АЗС топливных и электрических автомобилей с энергоснабжением АЗС на основе ВИЭ;
- действующие АЗС, на которых традиционные системы энергообеспечения будут заменены на системы, использующие ВИЭ, и для заправки электромобилей будет установлено специализированное оборудование;
- ВИЭ существующая централизованных источников электрической и тепловой энергии (генерирующих мощностей), тип энергетических объектов, их установленную мощность, вид используемого возобновляемого энергетического ВИЭ;
- виды топлива, которыми будут заправлять автомобили на стрящихся АЗС;
- виды, мощность и количество топливозаправочного, электрозаправочного, энергетического и другого оборудования, а также резервуаров для хранения топлива, используемых для оснащения строящихся АЗС;
- виды, мощность и количество электрозаправочного, энергетического и другого оборудования используемых для оснащения действующих АЗС
- характеристики основных и вспомогательных зданий и сооружений строящихся АЗС;
- годовые объемы заправки топливом;
- годовые объемы заправки электрической энергией;
- годовые объемы расхода электрической энергии на обслуживание АЗС;
- инвестиции в строительство и реконструкцию АЗС в рамках программы развития региональной сети автозаправочных станций с системами энергоснабжения на основе ВИЭ;
- операционные затраты, связанные с эксплуатацией построенных АЗС и систем заправки электромобилей и энергоснабжения реконструированных АЗС;
- срок окупаемости инвестиций в реализацию программы развития региональной сети автозаправочных станций с системами энергоснабжения на основе ВИЭ
обеспечивающие:
максимум интегрального эффекта (чистого дисконтированного дохода) от инвестирования средств в программу развития региональной сети автозаправочных станций с системами энергоснабжения на основе ВИЭ.
Исходя из специфики объекта и изложенной выше постановки задачи для ее решения предлагается использовать методы и модели частично целочисленного линейного
программирования и существующие эффективные специализированные программные продукты, реализующие эти методы. Учитывая имеющие заделы в области разработки математических моделей для оптимального проектирования топливозаправочных станций и создания гибридных систем энергоснабжения, формирование на их основе моделей для решения сформулированной задачи вряд ли должно занять много времени.
Разрабатываемые модели и методы могут быть полезны администрации регионов и
проектировщикам, действующим в сфере совершенствования топливо- и электрозаправочной инфраструктуры автотранспортной отрасли, при решении задач энерго- и ресурсосбережения и активизации развития электромобильного и гибридного транспорта на территории Российской Федерации.
Список литературы
1. Глушкова Д.В., Ермоленко Б.В. Гибридные системы электро- и теплоснабжения
автономных автозаправочных станций. МКХТ-2017: XIII Международный конгресс молодых ученых по химии и химической технологии, Москва, Россия, РХТУ им. Д.И. Менделеева, 16
- 20 октября 2017 г. том 31, № 9, с. 71-74.
