Влияние электромобилей на энергетическую систему мегаполиса

О. М. Мамедов, канд. техн. наук, научный редактор реферативного журнала «Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии», ВИНИТИ РАН

Одним из действенных инструментов предотвращения потепления климата на Земле названо¹ широкомасштабное внедрение электромобиля, особенно в условиях мегаполиса. Электромобиль² – это альтернатива автомобилю с двигателем внутреннего сгорания, который является источником загрязнения окружающей среды и на долю которого приходится треть от суммарных выбросов в атмосферу.

В истории развития автомобиля первые модели конструкций, которые можно отнести к электромобилю, были собраны в 1830–1840 годы. Пионерами принято считать британцев Р. Андерсона и Р. Дэвидсона и американца Т. Давенпорта. Конец ХIХ и начало ХХ века можно назвать бумом электромобилестроения (www.электромобили.ru). В этот период было налажено производство электромобилей как в Европе (преимущественно в Англии), так и в США. Выпуск электромобилей к началу ХХ века в США достиг 10 тыс. единиц. В Нью-Йорке в 1910 году работало до 70 тыс. такси на электрической тяге. Прогресс характеризуется ростом скорости электромобиля. В 1899 году во Франции электромобиль достиг скорости 106 км/ч.

После бума на рубеже столетий выпуск электромобилей постоянно сокращался и в 1940-х годах практически прекратился. Электромобили уступили пальму первенства автомобилям с двигателем внутреннего сгорания. Причиной тому стали серьезные минусы, главным из которых явилась недостаточная емкость свинцовых аккумуляторов, которые к тому же были тяжелыми и являлись балластом, требуя повышенного расхода энергии при движении электромобиля.

Возрождение электромобилей произошло в 70-е годы ХХ столетия. Оно было связано с разразившимся мировым энергетическим кризисом и нарастанием остроты экологических вопросов. Мировой энергетический кризис привел к росту цены на сырую нефть, что отразилось на цене на моторное топливо, а выхлопные газы автомобилей стали оказывать все больше влияния на окружающую среду в мегаполисах.

Производством электромобилей стали заниматься различные фирмы, главным образом в США. Так, электромобиль под названием Sity Car был способен проехать до 95 км без подзарядки с максимальной скоростью 71 км/ч. В эти же годы американский инженер В. Воук разработал первый в мире гибридный автомобиль Buick Skylark с электродвигателем мощностью 20 кВт.

В последующие годы автопроизводители стали уделять все больше внимания вопросам охраны окружающей среды. Экологические соображения начали играть все возрастающую роль при разработке новых моделей автомобилей: улучшалась аэродинамика, снижался расход топлива, внедрялись устройства, снижающие токсичность выхлопных газов, а также разрабатывались модели электромобилей с качественно новым типом аккумулятора – литий-ионным с повышенным показателем емкости заряда и меньшим весом по сравнению со свинцовым аккумулятором.

Преимущества электромобиля

Очевидное преимущество электромобиля – отсутствие вредных выбросов и низкая стоимость эксплуатации. Так, модель электромобиля Ford Ranger потребляет 0,25 кВ•ч/км пробега. При среднегодовом пробеге автомобиля в США 15 тыс. миль, что соответствует 24 тыс. км, и стоимости электроэнергии от 5 до 20 цент/кВт•ч в зависимости от штата, стоимость годового пробега составит от 300 до 1200 долл. США, что как минимум в два раза дешевле, чем у автомобиля с двигателем внутреннего сгорания, у которого среднегодовой расход на оплату топлива составляет 2 000 долл. США (www.Recyclemag.ru).

Представленный на международной выставке автомобилей в Лос-Анджелесе осенью 2016 года электромобиль e Golf с литий-ионным аккумулятором емкостью 36 кВт•ч обеспечивает пробег 200 км при полном заряде с удельным расходом 0,18 кВт•ч/км.

Электромобиль Chevrolet Bolt с аккумулятором емкостью 60 кВт•ч обеспечивает пробег 380 км при полном заряде, удельный расход 0,16 кВт•ч/км.

Наименьший показатель удельного расхода – 0,12 кВт•ч/км – у электромобиля Nissan Leaf, который выпускается с 2010 года. Он оборудован литий-ионным аккумулятором со слоистыми элементами емкостью 30 кВт•ч, что обеспечивает пробег до 250 км при полном заряде.

Однако следует обратить внимание на тот факт, что на дальность пробега оказывают влияние условия эксплуатации. Дальность поездки 250 км достигается при поездке за городом на скорости 60 км/ч, при ясной погоде и температуре 20 °C. При повышении скорости до 90 км/ч, а температуры до 35 °C дальность поездки уменьшается до 220 км. В зимних условиях при температуре наружного воздуха –10 °C и поездки в городе со скоростью 25 км/ч дальность пробега сокращается до 150 км.

Городские электрические автобусы характеризуются повышенным удельным расходом энергии. Так, модель низкопольного 12-метрового автобуса Eurobus с литий-фосфатным аккумулятором емкостью 314 кВт•ч имеет запас хода до 300 км при полном заряде, удельный расход 1,25 кВт•ч/км (www.greenevolution.ru).

Если сопоставлять цену на электромобиль со стоимостью автомобиля с двигателем внутреннего сгорания того же класса, электромобиль остается более дорогим. Так, рекомендуемая цена электромобиля Tesla 3, который планируется к выпуску в 2017 году, составляет 35 тыс. долл. США. Рекомендуемая цена фирмы Volkswagen на модель e Golf, планируемую к выпуску в 2020 году, – 36 тыс. евро. Модель Chevrolet Bolt будет стоить 37,5 тыс. долл. США. Модель Nissan Leaf стоит 24 тыс. евро.

Стимулирование роста числа электромобилей

Несмотря на дороговизну, количество электромобилей в мире неуклонно растет, в первую очередь в экономически развитых странах. Так, в США на начало 2015 года насчитывалось 170 тыс. электромобилей. В Норвегии на начало 2017 года насчитывалось 100 тыс. электромобилей при населении 5 млн чел. Правительство страны планирует довести количество электромобилей до 400 тыс. к 2020 году, а с 2025 года запретить продажу автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. Нидерланды решили с 2025 года продавать только электромобили. Германия планирует запретить продажу автомобилей с двигателем внутреннего сгорания с 2025 года, а к 2030 году полностью перейти на электромобиль. С сентября 2016 года введены налоговые льготы при покупке электромобиля: за него выплачивается бонус 4 000, а при покупке гибридной модели электромобиля – 3 000 евро.

Рост числа электромобилей в мире Это связано с политикой, проводимой правительствами государств. В США В 2010 году была введена налоговая скидка при покупке электромобиля от 2 500 до 7 500 долл. в зависимости от емкости аккумулятора: меньшая льгота для меньшей емкости аккумулятора, бoльшая льгота – для большей. Во Франции предусмотрена выплата компенсации в размере 10 тыс. евро за отказ от эксплуатации дизельных автомобилей возрастом свыше 15 лет (www.quto.ru). Согласно оценке консалтинговой компании P&W, к 2028 году доля электромобилей составит 30 % всех продаваемых автомобилей.

Помимо налоговых льгот и компенсаций правительства развитых стран вводят дополнительные стимулы для приобретения электромобиля. Отменяются налоги на регистрацию электромобиля, владельцы могут бесплатно пользоваться сетью зарядных станций, ездить по выделенным полосам для общественного транспорта, бесплатно парковаться. Все это делается с целью максимального снижения выбросов выхлопных газов автомобильным транспортом в рамках построения зеленой экономики. Примером тому могут служить решения мэров четырех крупнейших городов мира – Мехико, Парижа, Мадрида и Афин, – о полном отказе от использования дизельных автомобилей, принятые в 2016 году на конференции глав 40 крупнейших городов мира «Города за сохранение климата».

Масштабное внедрение электромобилей способствует занятости населения, созданию необходимой инфраструктуры. Так, в США на заводах по производству электромобилей трудятся до 700 тыс. чел., в службе сервиса и продаж – до 1 млн чел. С 2009 года создано свыше 113 тыс. новых рабочих мест.

Улучшение параметров аккумуляторов для электромобилей

Аккумулятор для электромобиля имеет чрезвычайную важность. Это устройство определяет технико-экономические показатели электромобиля: длительность пробега, срок циклов зарядки, емкость, цену.

Улучшение параметров эксперты связывают с особенностями литий-ионного аккумулятора, позволяющими расширить возможности и снизить цену на устройство³. Основанием служит тот факт, что за период с 2010 по 2016 год цены на аккумуляторы снизились на 80 % и сейчас составляют 230 долл. за 1 кВт•ч емкости. Так, у модели электромобиля Tesla 3 емкость аккумуляторов 36 кВт•ч, их стоимость 8 280 долл., что составляет 24 % от полной стоимости электромобиля – 35 тыс. долл. Для модели Chevrolet Bolt с аккумуляторами емкостью 60 кВт•ч их стоимость составит 13 800 долл., или 36,8 % от полной стоимости электромобиля (37,5 тыс. долл.). Для модели электромобиля е Golf емкостью 36 кВт•ч стоимость аккумуляторов – 7 740 евро, или 21,5 % от полной стоимости электромобиля – 36 тыс. евро. Как видно из представленных примеров, стоимость аккумуляторов заметно влияет на полную стоимость электромобиля, поэтому улучшению технических параметров аккумулятора уделяется большое внимание. Эксперты прогнозируют снижение удельной стоимости аккумулятора до 100 долл. за 1 кВт•ч емкости к 2030 году.

Один из путей повышения технических характеристик аккумуляторов видится в так называемых «приточных» аккумуляторах, которые вырабатывают энергию на ходу, а процесс заправки свежим электролитом при этом подобен заправке бензобака. Подобные аккумуляторы решают проблемы, связанные с влиянием температуры наружного воздуха на емкость. Зимой расстояние между розетками станций зарядки сокращается. Аккумуляторы не любят холод, а еще они не любят большого количества циклов «заряд–разряд».

В «приточных» аккумуляторах наличие наночастиц способно формировать пространственные структуры на поверхности электродов, многократно увеличивая площадь, на которой происходит электрохимическая реакция. Запас хода данных аккумуляторов может возрасти до 800 км, после чего необходимо залить электролит в аккумулятор. Электролит нетоксичен, что обеспечивает безопасность заправки. В процессе эксплуатации электролит распадается на воду и соли, что требует его замены через каждые 10 тыс. км.

При среднегодовом пробеге электромобиля 24 тыс. км необходимо будет дважды заменить электролит. Общей чертой для всех видов аккумуляторов является необходимость замены через каждые 5 лет и их утилизация.

Система зарядки электромобилей

Для успешной эксплуатации электромобилей необходимо наличие системы зарядки. Зарядка электромобиля может быть быстрая (в течение 1 ч и меньше) и длительная (6 ч и более).

Зарядка электромобиля может осуществляться от станции, подобной АЗС, и от бытовой сети.

Во всех случаях требуется специальное зарядное устройство. Мощность зарядного устройства Р зависит от величины емкости аккумулятора W, длительности заряда Т, коэффициента разряда аккумулятора К и выражается формулой Р = W / ТК, Вт. Из представленного выражения следует, что мощность зарядного устройства обратно пропорциональна времени заряда и коэффициенту разряда аккумулятора. Так, фирма «Tesla» предлагает систему быстрого заряда до 1 ч мощностью 7,2 кВт и стоимостью 3 300 долл. Запас энергии при этом будет достаточным для поездки на расстояние 40 км.

С учетом роста количества электромобилей Еврокомиссия планирует к 2023 году оснащать все новые здания в странах ЕС станциями зарядки электромобилей. Положение будет также распространяться на реконструируемые и капитально ремонтируемые здания. Такая инициатива потребует соответствующих изменений в законодательстве и приведет к дополнительным затратам. В зависимости от мощности стоимость зарядной станции может доходить до 75 тыс. евро.

Электромобили в системе энергоснабжения мегаполиса

Масштабное увеличение числа электромобилей приводит к появлению качественно нового класса потребителей, которые не только увеличивают потребность в электроэнергии, но и меняют характер электропотребления, что оказывает прямое воздействие на систему энергоснабжения мегаполиса (см. справку). В результате потребуется учитывать структуру генерирующих мощностей, характер и объем электропотребления в разрезе года и сезона, усиление городских сетей. Последнее связано с тем, что для станций быстрой зарядки требуются сети более высокого напряжения – 660 В, в отличие от существующих 220 В.

Учет структуры мощностей необходим еще и по той причине, что, несмотря на планируемый рост выработки энергии генерирующими мощностями возобновляемой энергетики до уровня 35 % от суммарного значения к 2030 году, доля угольной генерации остается на уровне до 25 % и рост потребности в электроэнергии за счет электромобилей может быть также удовлетворен угольной генерацией, что приведет к дополнительным выбросам углекислого газа [1].

Так, рост количества электромобилей в США до уровня 14 % (см. справку) может привести к росту выбросов углекислого газа на 92 млн т, а до уровня 21 % – на 235 млн т.

СПРАВКА

Министерство энергетики США рассмотрело два сценария внедрения электромобилей, согласно которым количество электромобилей в стране к 2030 году составит: По сценарию А – 14 % от общего количества автомобилей; по сценарию Б – 21 % от общего количества автомобилей. Согласно расчету рост электропотребления будет равен соответственно 7 и 30 %. При этом рост электропотребления не приведет к росту ввода дополнительных генерирующих мощностей ввиду того, что зарядка электромобилей будет производиться в ночное время, в период падения нагрузки в энергосистеме. Годовое время зарядки составит 400 ч при загрузке 90 % установленной мощности в энергосистеме. Столь высокая загрузка мощностей энергосистемы указывает на выравнивание графика нагрузки, улучшение технико-экономических показателей энергосистемы за счет роста базовой части графика, выравнивание ночного провала. Однако выравнивание ночного провала графика нагрузки приводит к уменьшению ремонтной площади графика, что вызывает необходимость увеличения резервных мощностей, а это дополнительные затраты.

Важность учета структуры генерирующих мощностей в энергосистеме подтверждается на примере Сингапура, где выработка электроэнергии осуществляется в основном угольными электростанциями. Владельцу электромобиля Tesla S был выписан штраф на сумму 11 тыс. долл. США, так как электромобиль, согласно мнению управления наземного транспорта, не укладывался в нормативы по вредным выбросам в окружающую среду [2].

В рамках мегаполиса, где образуется большое количество бытовых органических отходов, исчисляемых сотнями тысяч тонн, компенсация увеличения выбросов углекислого газа угольной генерацией технически возможна в первую очередь за счет биоэнергетических установок. Это позволяет комплексно решить ряд проблем, связанных с ликвидацией и захоронением бытовых отходов, удовлетворить потребность в энергии за счет собственных ресурсов и наличия свободной земли, что является острой проблемой в мегаполисе.

Электромобили в России

На общемировом фоне, когда количество электромобилей составляет до 2 млн единиц, а планируемый рост объема их реализации – до 30 % к 2030 году, в России только намечается движение в этом направлении. На начало 2017 года общее количество электромобилей в стране составляет 960 единиц, в основном в Москве и Санкт-Петербурге.

Отечественный автопром делал попытки в области электромобилестроения. Брались стандартные модели автомобилей с двигателем внутреннего сгорания, которые оснащались электрооборудованием взамен бензинового. Примером может служить модель e Lada на основе серийной бензиновой Lada. Модель выпуска 2012 года на шасси Lada Kalina была изготовлена в количестве 100 единиц. Были использованы литий-железо-фосфатные аккумуляторы емкостью 23 кВт•ч китайского производства Thunder Sky общей массой 240 кг. Полный заряд аккумуляторов обеспечивал пробег 140 км. Срок службы аккумуляторов составлял 3 000 циклов «заряд–разряд».

История выпущенной партии e Lada примечательна тем, что вся партия была закуплена по цене порядка 2 млн руб. за экземпляр администрацией Ставрополя в рамках программы «Чистый город». Новое руководство города посчитало, что содержание парка электромобилей дорого обходится бюджету города, распродав электромобили по остаточной цене 400 тыс. руб.

В 2016 году было выпущено два экземпляра Lada Vesta EV с литий-ионным аккумулятором емкостью 70 кВт•ч, что обеспечивает пробег при полном заряде 150 км. Полная зарядка от сети 220 В занимает 9 ч. Ориентировочная цена электромобиля около 3 млн руб.

Высокие цены на опытные модели отечественных электромобилей вызваны тем, что вся электрика в них – иностранного производства. Но даже если предположить, что отечественные электромобили будут оснащены комплектующими собственного производства и цена на электромобиль снизится вдвое, что будет соответствовать цене 1,0–1,5 млн руб. за электромобиль, нет никакой уверенности в их массовой реализации на потребительском рынке ввиду покупательной способности населения.

Предполагаемая стоимость отечественного электромобиля – от 1 млн руб. – соответствует цене бензинового автомобиля бизнес-класса, который по своим характеристикам, опциям, интерьеру намного превосходит модели Ladа, а если принять во внимание тот факт, что проводятся интенсивные работы по снижению расхода топлива бензиновыми двигателями, производители автомобилей с двигателем внутреннего сгорания будут отчаянно биться за рынок. Примером тому может служить поставленная в США задача достигнуть расхода топлива в один галлон (3,8 л) на 54,5 мили (87 км), что соответствует 23 км на 1 л топлива. Этот показатель более чем в два раза меньше существующих.

В сложившейся ситуации на мировом рынке, когда правительства развитых стран оказывают финансовую поддержку производителям электромобилей, в России без аналогичной поддержки со стороны Правительства РФ прогресса в этом направлении трудно будет достигнуть. Поэтому пока нельзя ожидать появления большого количества электромобилей на дорогах мегаполисов в России.

Литература

1. The Economist. 2015. August 1th. Pp. 23–24.
2. Вредная Tesla // Энергия без границ. 2016. № 2. С. 7.

¹ На саммите по охране окружающей среды, прошедшем в декабре 2015 года в Париже под эгидой ООН.

³Стоимость аккумуляторов заметно влияет на полную стоимость электромобиля.