Экономическая и экологическая эффективность применения

Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
Экономическая и экологическая эффективность применения
электрического привода НТС
д.т.н. проф. Ерохов В.И., к.э.н., доц.Николаенко А.В.
МГТУ «МАМИ
Применение моторного углеводородного топлива неизбежно сопровождается
повышенным выбросом диоксида углерода (СО2), регламентирующим технический
уровень современных НТС. Снижение выбросов СО2 традиционными методами не
обеспечивает выполнение жестких экологических требований и является серьезной
проблемойавтомобилестроения.
Применение электропривода позволяет наиболее эффективно решить проблему
повышения экологической безопасности НТС. Основным препятствием на пути
широкого внедрения электропривода на автомобильном транспорте (АТ) является
несовершенство традиционного источника электрической энергии и электронной
системы его управления. Применяемые технологии проектирования электромобиля
сопряжены с высокими материальными и финансовыми затратами. В нашей стране и за
рубежом ведется поиск оптимальных решений посозданию принципиально новых
транспортных силовых установок. В сложившейся ситуации необходимы
новыестимулирующие экономические механизмы практической их реализации.
Достигнутые результаты ведущих зарубежных фирмпозволили решить
концептуальные технические проблемы электрического привода. Достоверные сведения
материальных и финансовых затрат составляют стратегическую коммерческую тайну.
Наступил важный коммерческий этап практической реализации электрического привода,
связанный с переходом отзатратного методафинансирования к механизму,
ориентированномуна возвратные инвестиции
Промышленность и крупные частные компании проявляют повышенный интерес
к фундаментальным разработкам в автомобилестроении, существенно повышающих
конкурентоспособность электрического привода на автомобильном транспорте.
Широкая реализация электрического привода на АТ, имеющего стратегическое
значение для современного индустриального общественного развития, сопряжена с
повышенными финансовыми и материальными затратами индивидуального потребителя
высокотехнологической продукции. Актуальной задачей на данном этапеявляется
разработка методаоценки экономической и социально-экологической эффективности
результатов применения электропривода на автомобильном транспорте.
Целью работы является разработка методики оценки экономической и
экологической эффективности применения электрического привода в полном жизненном
цикле современногоэлектромобиля.
Задачаминастоящей работы является:
• технико-экономическое обоснование целесообразности применения современного
электромобиля нового поколения;
• разработка метода оценкисоциально-экономического ущерба выброса вредных
веществ современного гибридного автомобиля; разработкакритериев
оценкиэффективности гибридного автомобиля на локальном и глобальном уровне;
• определение материальных и финансовых затратпроизводства и эффективности
эксплуатацииэлектропривода;
• оценка эффективностиэлектрического привода в полном жизненном цикле
гибридного автомобиля.
Технико-экономическое
обоснование
применения
современных
электромобилей.Наиболее
распространенным
энергоносителем
электромобилей
являются традиционные свинцово-кислотные, железоникелевые, никель–кадмиевые,
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
548
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
серебряно–цинковые и серебряно-кадмиевые АБ. По основным энергетическим
характеристикам традиционные наиболее распространенные свинцово-кислотные АБ
недостаточно эффективны и долговечны. Область эффективного использования
традиционных
электромобилей
в
зависимости
от
типа
АБ
и
их
грузоподъемностиприведена на рис.1.
Рисунок 1 - Эффективность использования электромобилей в зависимости от типа
аккумуляторных батарей: 1– свинцово-кислотныебатареи; 2 – литий-серные; 3 – железоникелевые.
Запас хода электромобилей со свинцово-кислотными батареями (кривая 1)
минимальный. Применение железоникелевых батарей сопровождается ростом запаса
хода (кривая 3). В перспективе ожидается значительный рост запаса хода
электромобилей с литий-сернымиАБ (кривая 2).
Традиционный электромобиль имеет рядпринципиальных недостатков,
препятствующих широкому их применению на протяжении вековой истории. Малый
запас хода электромобилей, повышеннаямасса электропривода, ограниченныйсрок
службы источника электроэнергии и высокая стоимость сдерживают применение их в
народном хозяйстве.
Наибольшую удельную энергоемкость имеют серебряно-цинковые батареи (88
Вт*ч/кг), но одновременно с этим они и дороже в 20 раз свинцово-кислотных.
Положительный многолетний опыт эксплуатации электромобилей в г.
Москвепозволил сделать некоторые обобщения [2]. Опытная партия отечественных
электромобилей выполнена на базе автомобиля УАЗ–451 ДМ. Электромобили У–131
снабжены системой электродвигателя на переменном токе. Грузоподъемность
упомянутых электромобилей составляет 500 кг. В ЭПАХГлавмосавтотранса при
автокомбинате № 34 г. Москвы была организована опытная эксплуатация
электроавтобуса РАФ–22038 и легкового автомобиля «Жигули» ВАЗ–2801.
Результата работы позволили определить рациональную область применения
электромобилей, эффективность перспективных технических решений и вопросы
организации эксплуатации автомобилей в условиях мегаполиса. Обобщенные данные по
легковым и грузовым электромобилям позволили определить максимальный пробег их в
условиях города. Они могут быть востребованы в современных условиях на более
высоком технологическом уровне развития электромобилей. Недостаточная
продолжительность работы обычных АБ ограничена заложенным в их конструкцию
активных веществ, после использования которых гальванические элементы выходят из
строя. Традиционные АБ требуют заряда от внешнего источника электроэнергии для
восстановления запаса активных веществ. Зависимость производительности (1) от запаса
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
549
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
хода и грузоподъемностиэлектромобиля от весааккумуляторнойбатареи [2] приведена на
рис. 2.
Рисунок 2 - Влияние веса аккумуляторной батареина показатели электромобиля: l − при
удельном весеаккумуляторов60 кг/кВт*ч; 2 – при удельном весеаккумуляторов45
кг/кВт*ч;z – отношение весабатареик полному весу электромобиля; L – запас
ходаэлектромобиля, км
Производительность автомобиляможно представить зависимостью для грузового
и легкового (автобусов)автомобиля
(1)
т*км/сутки
Где Wг – суточная производительность автомобиля т*км/сутки;aг – постоянный
коэффициентпробега, км; q – номинальная грузоподъемность, т
(2)
пасс*км/сутки
Размеры и массу аккумуляторной
обеспечениянеобходимого запаса хода и
электромобиля. Традиционный электромобиль
обладающей повышенной массой и снижающей
разапо сравнению с ДВС.
батареи определяют из условий
максимальной скорости движения
оснащен аккумуляторной батареей,
грузоподъемностьэлектромобиля в 1,5
(3
Важной
задачей
является
повышение
энергоемкости
батареи,
предопределяющаянедостаточный запас хода электромобиля. Для электромобиля,
эквивалентного современномуавтомобилю малого класса, в городских условиях
эксплуатации
достаточноиметь
мощность
электродвигателя15
кВт.
При
такоймощностиэлектродвигателя масса АБне превышает 300 кг.
Расчеты Института комплексных транспортных проблем (ИКТП) показали, чтодля
крупных городов требуется 100…120 тыс. ед. грузовых электромобилей с расчетным
дневным пробегом 65…70 км [5]. Методология формирования парка электромобилей
представляет практический интерес. Электромобиль наиболее эффективен для перевозки
мелкопартионных грузов различного назначения на сравнительно небольшие расстояния.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
550
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
В перспективе стоимость электромобилей должна быть выше не более 25 % базовой
комплектации. В те годы [5] была создана серия зарядных станций АБ. Ускоренную
подзарядку проводили в местах погрузки или разгрузки, т.е. ее совмещали с
технологическими операциями. Продолжительностьподзарядкибатареи не превышала 1
часа.
Запас ходаэлектромобиля зависит от отношения веса батареи к полному
весуэлектромобиля. Увеличение веса АБ при постоянном полном весе ведет к
уменьшению грузоподъемности. Электромобиль легко управляется, его электродвигатель
способен к кратковременным перегрузкам и имеет хорошую тяговуюхарактеристику.
Поэтому гибридная установка можетиметьменее мощный электродвигатель.
Перспективным направлением электромобиля является использованиеэлектродвигателяс
автономнымисточникомэлектрического тока. Основные усилия в области электрохимии
направлены на совершенствование имеющихся в эксплуатации АБ ипоиск эффективных
и дешевыхисточников тока.
Эффективность гибридной силовой установки(ГСУ). Тенденция развития
электропривода на АТ связана с разработкой электромобиля нового поколения,
создаваемого на основе современной технологии электрохимического генератора
энергии и электронной системы управления. Существующие комбинированные
энергоустановки уступают перспективным установкам на топливных элементах.
Схема гибридной установкиповторяет схему традиционной силовой установки
электромобиля, дополненной генератором с приводом от ДВС, работающим в зоне
максимальной топливной экономичности. Электрический ток, вырабатываемый
генератором, обеспечивает зарядкуАБ и поступаетв обмотки тягового электродвигателя.
Частота вращения ротора электродвигателя пропорциональна напряжению,
определяющему скорость движения электромобиля. Изменяя напряжение в обмотках
электродвигателя,регулируют скорость движения электромобиля.
Производительность ГСУ в значительной степени зависит от режимов движения в
целом и отдельных фаз дорожного движения.
Начало движения. При трогании с места и движении на малыхскоростях
используются электродвигатель.В загородных условиях ДВС и электродвигатель
работают одновременно.При необходимости генератор подзаряжает АБ за счет
избыточной мощности двигателя.
Разгон. АБ отдает энергию, дополняющую мощность ДВС,обеспечивая
интенсивный разгон. Бензиновый ДВС при разгоне работает в нормальном режиме. Для
улучшения динамики ГСУ дополнительная энергия поступает от электродвигателя. При
работе в нормальном режиме бензиновый двигательтакже снабжаетэнергией генератор.
Характеристика крутящего момента электродвигателя наиболее благоприятна для
обеспечения разгонов электромобиля,продолжительность которых достигает 45 % в
общем балансе.
Движение. При движении автомобиля в нормальном режиме привод колес
осуществляетсяза счет бензинового двигателя и электромоторов. Энергия двигателя
распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение
электромоторы. При необходимости генератор осуществляет зарядку батареи, отдавая
ему излишки энергии.
Торможение. При торможенииэлектромотор работает как генератор. Он
преобразует кинетическую энергию в электрическую, накапливающуюся в батарее.
Бензиновый ДВС автомобиля работает в обычном режиме. Делитель мощности в
гибридной трансмиссиинаправляет поток мощности в соотношении, обеспечивающим
эффективный режим движения.
Остановка сопровождается автоматическим выключением ДВС, обеспечивая
экономию топлива. В этом случае работают только электромоторы. Основой устройства
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
551
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
распределения
энергии
является
компактныймеханизмпланетарной
передачи,
управляющийпроцессомвзаимодействия бензинового ДВС, электромотора и генератора
[3].
Мощная батареяобеспечивает энергией электрические систем электромобиля.
Гибридная силовая установка использует в своей работе высокопроизводительную
никель-гидридную АБ. Генератор иэлектромотор являются устройствамипеременного
тока, а АБпредставляет собой устройство постоянного тока. Выходное напряжение АБ
трансформируется в выходное напряжение генератора. При торможении генератор
используетсядля замедлениядвижения автомобиля. Он вырабатывает электроэнергию,
которая хранитсяв АБ.
Инвертор представляет собой устройство,преобразующеепостоянный ток от АБв
трехфазное переменное напряжение с изменяемойчастотой. При начальном запуске
электромобиль начинает работать от своегоэлектродвигателя придостаточной зарядки
АБ. Чтобы привести в движение автомобиль с использованиемэлектроэнергии, двигатель
сначала запускается от генератора и одновременносистема производитрасчетэнергии,
необходимойдля всего автомобиля. На малых скоростях большее количество
энергиипоступаетот электромоторов.
Топливный химический элемент.Энергетическая установка на ТХЭ позволяет
получать электрическую энергию из ТЭ, минуя стадия сгорания.ТХЭ работают без
остановок длительное время. Развитие технологии ТЭ позволяет коренным образом
повысить технический уровеньсовременного электромобиля. Предпочтениеотдают ЭХТ
на водородном топливе.
Вырабатываемый ток напряжением 200 В трансформируется в напряжение 380 В.
Пластина ТЭ площадью 1 м2, содержащая 40 г платины, способна вырабатывать5 кВт
электроэнергии. Использование ЭХГ позволяет получить КПД до 90…95 % по
электроэнергии. Сравнение традиционного автомобиля и электромобиля приведены в
табл.1.
Таблица 1. Сравнение параметровНТС с различными источниками энергии
Тип автомобиля
Полная масса, кг
Максимальная
скорость км/ч
110
Запас хода, км
Автомобиль с бензиновым 815
400
двигателем
Электромобиль
на 1145
80
160
свинцовых батареях
Электромобиль
на 875
80
240
топливных элементах
Пробег по городскому циклу при глубине разряда литий-ионные и литийполимерные батареи70 % составляет 145 км [4]. Максимальная скорость достигает 130
км/ч. Время разгона до 100 км/ч составляет 13,2 с. Средний пробегмежду зарядками
поставляет 130…140 км при70 % глубине циклирования. Суммарный пробег автомобиля
на одном комплекте АБ составляет 200 000 км. Масса АБ с системой обслуживаниядля
автомобиля массой 1300 кг составляет 300 кг. Номинальная мощность литий ионной АБ
составляет 100 А-ч при номинальном напряжении 270 В, срок службы1000 циклов (не
менее 5 лет).
Жизненный цикл гибридного автомобиля закладывается на стадии
конструирования, обеспечивается технологией и поддерживается в эксплуатации.
Инвестиционная привлекательность высокотехнологичной технологии сдерживается
высокими начальными затратами в жизненном цикле гибридного автомобиля.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
552
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
Суммарные затраты ( ) инвестиционного проекта гибридного автомобиля
включаетматериальные затраты и финансовые издержки(
экономический (
)иклиматической среде (
), ущерб социально-
)
(4)
где
– суммарные инвестиционные затраты проекта гибридного автомобиля;
– суммарные приведенные капитальные и эксплуатационные затраты изготовления и
эксплуатации электрического привода, руб/кВтч;
– суммарный ущерб социальноэкономической среде от выбросов NOx, СО, СmНn, СН4, N2О, руб/кВтч;
– суммарный
ущерб парниковых газовСО2, СН4 и N2O, руб/(кВтч).
В условиях сложившегося хозяйственного механизма создание новой техники и
технологии весьма проблематично. В инициативном порядке этими вопросами
занимаются фирмы независимо от их организационно-правовой собственности и объема
производства. Для продвижения проекта ГСУ нужны экономические методы оценки
затратного и возвратного механизма финансовых вложений. Создание опытных образцов
гибридных автомобилейносят преимущественно поисковый инициативный характер.
Создавать индустриальную базу на данном этапе технически сложно и экономически
нецелесообразно. Стоимость созданной продукции может быть оценена по фактическим
затратам (издержкам). Экономические оценки результатов различных фирм существенно
отличаются.
Капитальные вложения реализации проекта определены в соответствии с
технологическими принципами проектирования гибридной установки. Они
включаюттрадиционные затраты на проведение строительно-монтажных работ, закупку
компонентов ГСУ и технологического оборудования, установку и его наладку. Структура
и содержание статей затратного механизма не вызывают сомнения.
Модель определения показателей экономической эффективности проекта
ГСУвключаеткапитальныевложения, годовой пробегавтомобиля, трудоемкость и
себестоимость работ, удельные затраты и себестоимость работ с удельным расходом.
Срок окупаемостикапитальных затрат по существующим методикам не может быть
результативным. Эффективность проекта необходимо учитывать на национальном и
глобальном уровне.
Для предприятий располагающих научным потенциалом при отсутствии
материально-технической базы для создания опытных образцов и промышленных
партийудобна лизинговая форма или система льготного кредитования. Суммарные
инвестиционные затраты проекта гибридного автомобиля представлены зависимостью
(5)
С ээ = ( К о + ∆К су ) + (С э + ∆С эсу )
где Ко и ∆Ксу− основные и дополнительные капитальные вложения; Сэ и ∆Сэсу −
основные и дополнительные эксплуатационные расходы, связанные со снижением
ущерба,наносимого окружающей среде;
Дополнительные капитальные вложения (∆Ксу) и эксплуатационные расходы
(∆Кэсу) по абсолютной величине могут быть выше для получения народнохозяйственного
и экологического эффекта. Величина минимальных приведенных затрат, учитывающих
текущие затраты в сфере эксплуатации транспорта, и капитальные затраты на создание
эффективных транспортных коммуникаций, представлена выражением.
(6)
С пз = (С тз + Ен ⋅ К кз )
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
553
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
где Спз − приведенныезатраты; Стз − текущие эксплуатационные затраты; Ен −
нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; Ккз − капитальные
затраты на создание ГСУ.
Экономическая эффективность перевода автомобилей на ГСУ позволяет
оценитьзатраты на приобретение компонентов ГСУ, суммарные эксплуатационные
затраты; экономиюизатраты на топливо;срок окупаемостивсех затратот внедрения
ГСУ;срок окупаемости затрат на переоборудование; суммарные затраты на
переоборудование базовых автомобилей.
Экономический анализ ГСУ включает основное ее преимущество, связанное с
экологической безопасностью.Продвижение проекта ГСУ включает финансовые затраты
наприобретениеновых автомобилей, дополнительныхвложений на приспособление
предприятия, увеличение затрат на ТО и ТР, инвестиции на организацию зарядной
станции. Экологические фонды располагают достаточными ресурсами для решения
проблему ГСУ.
Возвратный механизм вложенных средствбазируется на снижении расхода
топливаиснижениетекущих издержекпри эксплуатации ГСУ. Окупаемость проекта по эти
статьям займет многие годы. Получениекредитных средствна приобретение ГСУв
условиях низкой рентабельности проектаи кредитоспособностипредприятия также
проблематично.
Решение проблемы задача национального престижа. Решения проблемы за счет
бюджетные средств недостаточно.
Улучшение качества среды носит общечеловеческий характер. В центральной
части крупных городов мегаполисов продолжительность жизни сокращается до 10 лет.
Частный бизнес при аргументированной подобной ситуации будет заинтересован в
нормализации экологической ситуации. Экологический аудит вложенных средств
является надежным инструментом целевого расходования финансовых средств.
Потребитель на индивидуальном уровне не заинтересован в приобретении ГСУ,
существенно превышающей стоимость базового автомобиля. Государство берет на себя
часть финансовых затрат в виде компенсации и предоставлении владельцу ряда
дополнительных льгот. Возвратный механизм включает возврат средств путем
компенсации затрат со стороны государственных органов.Превышение цены ГСУ не
должно превышать 25 % цены базовой модификации.
Инвестиционная привлекательность в создание гибридных установок при
существующих методах оценки эффективности длябизнеса не представляет
практического интереса.
Привлеченные бюджетные средства дляГСУобеспечиваетпереводНТС на
экономически чистое топливо. Развитие проекта ГСУ требует поддержки со
сторонымуниципальных властей.
В систему поддержкивторого этапа проекта, созданного паркаГСУ, должны быть
включены
расходы
пообеспечению
заказамина
выполнение
транспортных
услуг.Городские власти должны способствоватьповышениюобъематранспортнойработыи
коэффициентаиспользования
парка
ГСУ.
Важным
этапом
является
предоставлениельготпо налогами налоговым платежам на период реализации проекта
ГСУ.
Одной из форм инвестирования проекта ГСУ на данном этапе может быть система
лизинга предприятий с государственной собственностью. Это позволит решить важную
задачу
национальной
экономики
путем
использования
технологии,машини
оборудованиябез значительных капитальных затрат. Лизинговая форма позволит решить
многое вопросы налогообложения на государственном и муниципальном уровне.
При проведении технико-экономических обоснований различных этапов создания
ГСУ полезном является информация обобщения отечественного и зарубежного опыта
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
554
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
применения электропривода НТС. Стоимость современного топливного элемента в 20 раз
выше по сравнению со свинцово-кислотными батареями. Пористые электроды, имеющие
высокоразвитую поверхность (до 100 м2/г), позволяют снизить плотность тока и
поляризацию электродов.
Катализаторы, обеспечивающие ускорение химических реакций ТХЭ, используют
платину, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материалы в достаточно
больших объемах.Для создания эффективных ТЭ необходимо резко сократить или
полностью исключить применение драгоценных металлов, а также повысить удельную
мощность ЭХГ. Толщина ячейки ТЭ не превышает 0,2…0,5 мм. Пакет элемента снабжен
двумя графитовыми пористыми электродами и ортофосфорной кислотой в качестве
электролита.Целесообразно использовать наиболее перспективный твердооксидный ТЭ.
В качестве источника энергии ТХЭ можно использовать любое органическое топливо.
Разработанная технология получения и хранения водорода и окислителя на борту
электромобиляможет быть ориентирована на конверсию метанола.
При разработкеэкономической модели стоимостных показателей ГСУ можно
ориентироваться на известные результаты в отечественной и зарубежной
практикеэкономической оценки технических решений ГСУ. Готовые к широкому
применению водород-кислородные элементы ориентированы наиспользование твёрдых
полимерных электролитов. Серьёзным препятствием на пути широкого распространения
ТЭ является также сравнительно высокая цена получаемой с их помощью электроэнергии
3…8 тыс. долл/кВт.
В Японии специалисты считают, что широкое проникновение на рынок ТХЭ
снижает высокая стоимость и их замена через пять лет. В перспективе стоимость
компонента ТХЭ может составить2 цента/кВтч. Наиболее перспективным источником
энергии на АТ являетсяэлектрохимический генератор, содержащий твердооксидные и
твердополимерные ТЭ. Щелочные ТЭ, созданные в Новоуральском электрохимическом
комбинате, имеют определенную перспективу на автотранспорте.
В Институте катализа им. Г.К.Борескова СО РАН изучена возможность
использования металлов платиновой группы (палладия, платины и др.) для получения
водорода. Создан ряд катализаторов для получения водорода из метана с последующей
его очисткой с помощью мембран. В Институте электрофизики УрО РАН по совместной
программе с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработаны
методы получения нанопорошков и нанокерамики путем магнитного прессования.
Уральский электрохимический комбинат в 1971 г. разработал электрохимический
генератор «Волна» (мощность 1.2 кВт) на щелочном ТЭ для отечественной лунной
программы.
Полезным является обобщение отечественного опыта по созданию ТХЭ. В 1982 г.
НПО «Квант» впервые снабдил автомобиль «РАФ» водородным щелочным топливным
элементом. В 2001…2003 гг. Уральский электрохимический комбинат, РКК «Энергия» и
«АвтоВАЗ» на автосалонах в г. Москве демонстрировали автомобиль «Лада» с
электродвигателем и электрохимическим генератором «Фотон». В системе
питанияиспользовали хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти
автомобили могут проехать 300 км.
Проникновение ТЭ на рынок сдерживается высокой себестоимостью по
электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс наблюдается у
твердополимерных ТЭ(2…5) тыс. час работы, требуемый же срок службы (20…30) тыс.
час.
Потребности АТ в электрохимических генераторах на топливных элементах
(мощность 15…100 кВт) составляет 500 тыс. ед. в год. Стоимость одного такого
генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена составляет 50…100 долл. РФ на уровне
системного понимания проблемы ТЭне уступает западных технологий.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
555
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
Отечественная компания «Пластполимер» предполагает построить в Европе один
из заводов по производству полимерной пленки для твердополимерных топливных
элементов. В РФ изготавливают полимерную пленку по высокой технологии,
соответствующей мировым стандартам.
Существующие комбинированные энергоустановки уступают перспективным
установкам на топливных элементахпо экологической чистоте в 40 раз.
Загрязнение атмосферы наносит значительный социально-экономический и
материальный ущерб. Экономическийущерб от загрязнения атмосферного воздуха для
отдельного источника, разработанный авторами стать,определяется по обобщенной
зависимости
(7)
руб/т
где γ − нормативная константа (размерный коэффициент), переводящая условную
оценку ВВ в денежную при оценке годовых выбросов ВВ, γ = 0,0497 руб./усл. т; σ −
показатель относительной опасности загрязнения атмосферы над различными
территориями, равный 46,67 для различных территорий на период 2001 г для (для жилых
районов города с высотной застройкой, включая улицы, магистрали и парки σ = 5); f –
поправка, учитывающая характер рассеивания примесей в атмосфере, равная 12; Мвв –
приведенная к СО масса ВВ годового выброса из источника (с учетомотносительной
агрессивности), год [1].
Приведеннаямасса годового выбросаВВсистемных источников может быть
определена по формуле
(8)
где mi− масса годового выбросаi−го ВВ транспортным средством. т/год; n – общее
число выбросов ВВ, поступающих в атмосферу; Аi – коэффициент относительной
агрессивности различных примесей, поступающих в атмосферу.
учитывает
Показатель
относительной
агрессивности
Аi
относительнуюопасностьприсутствия примесив воздухе (аI)и действие на природу,
включаячеловека (δI). Значения Аi для токсичных компонентов, содержащихсяв ОГ
исследуемогодвигателя. Массу годового выброса i−говредного веществаmi можно найти
по зависимости
(9)
H k
mi =
ai ⋅ miγ , т. / год
∑
1000 i =1
где Н – годовая наработка автомобиля, км;
− выброс i−го вредного компонент
на γ − режиме, г/км; аi −коэффициент учитывающий продолжительность работы НТС на
i−том нагрузочном режиме; К − количествоучитываемых нагрузочных режимов.
Зная Vог и определяяконцентрацию i−го компонента на каждом режиме,можно
найти
Значения показателя относительной опасности загрязнения атмосферного
воздуха над различными территориями изменяется в диапазоне 1…300.
Величина суммарного базового выброса ВВ выбрана постоянной и соответствует
среднесуточному ПДК населенных пунктов значению СО (мг/м3). Сравнивая эту
величину с санитарными нормами можно составить уравнение
(10)
где
− удельный вес компонента; mог − масса ОГ; Т ccco − относительная
вредность компонента ОГ.
В ОГ ДВС при работе на метане наряду с традиционными ВВ (NOx, СО, СН и
твердые частицы) присутствуют парниковые газы (СO2, СН4 и N2O). Если СO2 оказывает
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
556
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
только парниковый эффект, то СН4 и N2О дополнительно оказывают вредное
воздействие.
Парниковый эффект. Разработанный метод позволяет оценивать ущерб от
традиционных нормирующих компонентов ОГ, включаяпарниковых газы СО2, СН4 и
N2О. Ущерб от изменения климата представляет собой одну из наиболее
важныхкатегорий, связанных с использованием органического топлива. Существуют
модели оценки двух моделей«FUND IVM» (г. Амстердам) и «Ореn Framework»
(Оксфорд). В качестве единицы измерения используется выброс 1 кг СО2, а также
приводятвыбросыВВ, связанные с парниковым эффектом. Результат расчетов показывает
потенциал, выраженный в эквивалентом выбросе кг СО2. Ущерб от глобального
потепленияможно определить зависимостью
(11)
У пэ i − ущерб от выбросав атмосферу 1 т СО2 рекомендуемое к
использованиюзначение составляет 32 EURO/т СО2; Fпар.i −потенциал изменения климата
для i−го газа, mi − масса выброса загрязнителя, кг. n – количество ВВ,
обладающихпарниковым эффектом
Плата за нормативные и сверхнормативные выбросы ВВ перечисляют в
экологические фонды. Расчет экологических затрат, содержащих ориентировочную
прогнозную стоимостную оценку риска, позволяет принять его одним из основных
контролируемых параметров при экологическом страховании. Величину эффекта
парниковых газов ДВС можно представить в виде суммы выбросов ВВ, приведенных
кэквивалентному выбросуСО2.
(12)
M пг = M ог ⋅ γ ог + M кг ⋅ γ кг + Tти ⋅ γ ти
где
где Мог – суммарнаявеличинавыбросов ВВ, приведенных кСО2; Мгг, Мги, Миг –
количество выбросов ВВ в виде ОГ и КГ, а такжетопливных испарений; γог ,γкг, γти –
коэффициенты приведения компонентовк СО2.
Склонность ОГ к формированию парникового эффекта характеризуется
«потенциалом к возникновения парникового эффекта», представляющим условный
показатель для сравнительной оценки вредных выбросов. В качестве единицы измерения
используют выброс 1 кг СО2, принимаемый для расчета парникового эффекта. В
атмосферу, кроме CO2, выбрасываются также N2O и CH4. Потенциал ОГ НТС к
возникновению парникового эффекта можно рассчитать позависимости [7].
(13)
I парн = mCO + 320mN O + 25mCH
2
где mCO2 ,
mN2O
2
4
и mCH 4 выбросы ВВ, кг; числовые значения 1, 320 и 25 – факторы
характеризации для данных веществ.
Результаты расчетов показывает потенциал, выраженный в эквивалентном
выбросе (кг, CO2). Метан, имеющий значительный потенциал парникового эффекта,
превышает в 25 раз CO2. Влияние СО2 yна парниковый эффект выражается в способности
поглощать инфракрасные лучи, испускаемые Землей.
Фактор
характеризации
Fпарн
показывает
относительную
опасность
попаданиявеществав ОС. Для количественной оценки поглощения теплового излучения
земли используют следующее выражение.
(14)
I парн = ∑ mi Fпарн ,i
i
где mi – выброс i вещества, кг; Fпарн,i – фактор характеризации изменения климата.
Оценка кратковременных прогнозов парникового эффекта произведена за период
20 и 50 лет, а долговременных прогнозов 100 и 500 лет. Для оценки жизненного
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
557
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
циклаавтомобиля рекомендуется использовать период равный 100 л. Значения фактора
Fпарндля некоторых парниковых газов приведены в табл.2.
Таблица 2. Потенциал к образованию парникового эффекта
Химическая
Фактор характеризации Fпарнизменения
Вещество
формула
климата, кгCO2/кг вещества
20 лет
100 лет
500 лет
Диоксид углерода
CO2
1
1
1
Метан
CH4
62
25
7,5
Оксид азота
N2O
290
320
180
Наибольший вклад в образование парникового эффекта вносит выброс СО2, хотя
он имеет минимальный фактор характеризации. Заметный вклад вносит NOx [7]. Уровень
показателейлегкового автомобиля при жизненном цикле продолжительностью 10 лет
позволил определить фактор характеризации в табл.3.
Таблица 3.Фактор характеризации (Fпар) изменения климата,
ФорВыброс
Вклад
Фактор Fпарн,, кг ПроизведеВещество
мула
вещества,
CO2/кг
веществе- ние,mi×Fпарн,I
mi, кг
ва, %
щества
Диоксид
CO2
35000
1
35000
94,8
углерода
Метан
CH4
6,2
25
155
0,4
Оксид азота
N2O
5,4
320
1728
4,8
Итого (Iпарн)
–
–
–
36883
100
Вклад парниковых газов в изменениеклимата оценивают величиной СО2 − 60 %,
СН4 − 15 %, фторхлоруглероды – 12 %, О3 − 8 % и NO3 − 5 %. Если тенденция роста CO2
в последующие десятилетия сохранится, то удвоение количества CO2 в атмосфере может
произойти в середине XXI в. Оптимистические модели предсказывают такое удвоение
лишь к 2100 г.Грузовые автомобили на КПГ выбрасывает на 25…30 % СО2 меньше по
сравнению с бензиновыми автомобилями, а дизельные – на 25…30 %.Метан в 25 раз
более активный парниковый газ по сравнению с СО2.
Оценка экологической эффективности энергоносителя может быть определенапо
приведенному выбросу ВВ, представляющему выброс 1кг ВВна 1т израсходованного
топлива. При работе на бензине приведенный выброс ВВ на бензине составляет 2273
кг/т, а наКПГ-1314 кг/т. При переводе грузовых автомобилей на газовое топливо
приведенные выбросы сокращаются вдвое по сравнению с жидким углеводородным
топливом.
Расчет показателя
, учитывающего ущерб от парниковых газов СO2, СН4 и
N2O проводится по формуле:
(15)
=
+
Где
– ущерб от парникового газа СО2, руб/кВт.ч;
– ущерб от
парникового газа N2О, руб/кВт.ч;
– ущерб от парникового газа СН4, руб/кВтч.
Процесс образования СО2 в ДВС происходит по следующему механизму.
(16)
C n H m + (n + m / 4) ⋅ O2 → n ⋅ CO2 + (m / 2) ⋅ H 2 O
Высокое содержание водородав газовом топливе обеспечивает более полное
сгорание горючей смеси. Для расчета
необходимо определить цену единицы
СО2.По разным источникам она в разные годы колебалась от 1 до 100 долларов за 1 т [6].
Сейчас она составляет 32 евро/т Показатели агрессивности и цены СО2, СН4, N2О
приведеныв табл.4.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
558
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
Таблица 4. Показатели агрессивности и цены СО2, СН4, N2О
Парниковые
Показатель агрессивности
газы
СО2
1
СН4
23
N2О
296
Цены евро/т
32
161
2072
Снижение содержания О2 на отдельных участках крупного города
сопровождаетсяростомсодержания СО2 до 0,8 %,превышающимв 20раз уровеньфона.
Уровень содержания О2 является достаточно стабильной величиной, не имеющей
суточной зависимости. В летнее время года содержания О2 уменьшением на 2,3 %, а в
зимнее на 1,0 %.
Наибольший вклад (95 %) в образование парникового эффекта вносит выброс
СО2, хотя он имеет минимальный потенциал вещества к образованию парникового
эффекта. Заметный вклад, составляющий4,8 %, вносит N2O.
Результаты расчетов показывает потенциал, выраженный в эквивалентном
выбросе (кг,CO2). Метан, имеющий значительный потенциал парникового эффекта,
превышает в 25 раз CO2. Влияние СО2 выражается в способности поглощать ин
фракрасные лучи, испускаемые Землей и увеличивающие парниковый эффект.
Перевод автомобиля на ТХЭ обеспечивает потребление экологически чистого
топлива; экономию нефтяного топлива; снижение эксплуатационных затрат на топливо;
сокращение выбросов ВВ двигателей; уменьшение затрат на природоохранные
мероприятия.
При расчете экономической эффективности перевода автомобиля на топливнохимические элементы приняты следующие положения.
Разрабатываемая
энергетической
установкинаТХЭ
позволяет
получать
электрическую энергию из топливных элементов водорода и кислорода, минуя стадию
сгорания. Анализ эффективности гибридного автомобиля приведен в табл.5
Таблица 5. Сопоставительный анализ эффективности гибридного автомобиля
NNп/п Техническая
характеристика
1
Тип кузова/число
дверей/ мест
2
Снаряженная
масса, кг
Тип двигателя
3
4
5
6
7
8
Рабочийобъем, см3
Максимальная
мощ-ность, л.с.( n
мин-1)
Максимальный
крутящий момент,
Н*м. (при n мин-1)
Тип
привода
трансмис-сии
Максимальная
Гибридный
автомобиль
Хетчбек 5/5
Газ (СНГ)
Дизель
Седан 5/5
Универсал 5/5
1370
1790
1270
БензиновыйR4
Турбодизель,
R4
1798
99(5200)
Газовый,
Бензиновый
R4
2300
110,3 (1500)
142(4000)
206 (4000)
1582
128(4000)
2600
(1900…2750)
Передний
Задний
5-и Передний, 4бесступенчатыйавтомат ступенчатый,
x,
механический ступенчатый
автомат
180
173
176
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
559
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
9
10
11
12
13
14
15
16
17
скорость, км/ч
Пробег 350 км, л
(руб)
Время разгона, с
Расход
топлива,
л/100 км
Объем топливного
бака,л
Гарантия, год (км)
Межсервисный
пробег, тыс. км
Заводская гарантия
на кузов, л
Содержание СО2 в
ОГ, г/км
Розничная
цена,
руб
16(380)
(115)
21(420)
10,4
3,9
13,5
5,1
11,9
5,5
45
55
48
3/100 000
10
3/100 000
15
5/150 000
15
3
3
5
120
104
170
От 1 117 000
От 628 000
659 000
Выводы
Отечественные
технологии
автомобилестроения
заметно
отстают
от
традиционных западных технологий. Повторение западных технологий не имеет
перспективы. Совершенствование традиционных технологий не приносит заметных
успехов. Гибридные технологии позволяют принципиально решить современные
проблемы автомобилестроения.
Применение подобного электропривода позволяет принципиально решить
экологические и энергетические проблемы современных транспортных систем.
За рубежом не созданы ТХЭ коммерческого уровня. В РФ создан хороший задел в
области нанотехнологий и тонкопленочных технологий.
В мировой практике автомобилестроения широко ведутся работы по созданию
эффективных гибридных автомобилей. Крупнейшие автомобильные компании мира
ведут разработку электромобилей. Ограниченный запас энергии в аккумуляторной
батарее вынуждаетвыбирать или специально проектировать двигатели с наибольшим
соотношениеммежду мощностьюи массойи максимальным КПД. Применение подобного
электропривода позволяет принципиально решить экологические и энергетические
проблемы современных транспортных систем.
Достоинства топливных элементов побуждают многочисленные компании
вкладывать огромные средства в их разработку. Многочисленные преимущества
топливных элементов не могут в настоящее время перевесить их единственный
недостатоквысокую стоимость. Развитие технологии ТЭ позволяет повысить технический
уровень современного электромобиля.Предпочтение следует отдавать ЭХТ на
водородном топливе.
В результате выполненного комплекса исследований разработаны критерии и
параметры оценки эффективности мероприятийкачества окружающей среды. ГСУ
позволяет существенно снизить содержание парникового газа СО2 по сравнению с
известными энергетическими установками на автомобильном транспорте.
Литература
1. Ерохов В.И., Николаенко А.В. Оценкаэкологической безопасностисовременных
автотранспортных средств. Жур. «Трансп. наальтер. топл.», N1.-2009. -c.66-70
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
560
Секция 1 «АВТОМОБИЛИ, ТРАКТОРЫ, СПЕЦИАЛЬНЫЕ КОЛЕСНЫЕ И ГУСЕНИЧНЫЕ МАШИНЫ»,
подсекция «Колесные и гусеничные машины».
2. Теоретические основы проектирования автомобилей нового поколения,
работающих на химических топливных элемента. Карунин А.Л, Ерохов В.И., 2007 г.
Отчет N 01 200 962 746, НИР МГТУ «МАМИ».- 2007 г, - 69 с.
3.А.Л.Карунин, С.В. Бахмутов, В.В.Селифонов, А.В.Круташов, К.Е.Карпухин,
Е.В.Авруцкий.Экспериментальный многоцелевой гибридный автомобиль,Жур. Автомоб.
промышл., 2006 год, № 7.
4. Мирзоев Г.К., Казаров А.П. Разработка электромобилей ОАО «АвтоВаз».
Журнал Автомобильных инженеров, N1 - 2010.-с.18-25.
5. Ставров О.А. Электромобили. Изд-во «Транспорт», 1968 г, -100 с.
6. И.П.Васильев.Методика оценки ущерба,наносимого отработавшими газами
ДВС при использовании в качестветоплива метана.ДВС N2,- 2009.-94-96 с.
7. Сравнительная оценка различных типов испарителей топлива для
питанияавтомобильных
двигателей.//Звонов
В.А.,
Г.С.
Корнилов,
А.В.Козлов,//Проблемыконструкции двигателей: Cб.научн. тр. НАМИ. −М. −1998.
−с.239−254.
Материалы международной научно-технической конференции ААИ «Автомобиле- и
тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию
МГТУ «МАМИ».
561