CC BY
75Электротранспорт и его интеграция в интеллектуальные сети будущего
Д.Ю. Цыпулев, зам. руководителя дирекции ОАО «МОЭК», к.т.н.
Освещены различные аспекты массового использования электромобилей в условиях современного мегаполиса и описаны его энергосистемы. Рассмотрены преимущества перехода на электротранспорт с точки зрения экологической обстановки, повышения энергоэффективности, снижения стоимости жизненного цикла транспорта и балансирующего воздействия на энергосистему мегаполиса. Указаны основные недостатки электротранспорта. Оценены перспективы и возможные сдерживающие факторы роста парка электромобилей.
Ключевые слова: электромобили, гибриды, график сетевой нагрузки, зарядные станции, инфраструктура для зарядки электромобилей, сетевые компании.
Значимыми тенденциями развития транспортной отрасли являются популяризация и массовый запуск электромобилей. А это, в свою очередь, является очень серьезным вызовом для энергетической отрасли. Сегодняшний уровень развития технологий позволяет создавать и серийно производить практически полный спектр электромобилей, охватывающий все сегменты авторынка, в частности:
• персональные средства передвижения;
• легковые электромобили и вседорожники;
• микроавтобусы;
• автобусы;
• грузовые автомобили;
• спецтехника.
При этом наибольшей популярностью сегодня пользуются электромобили (EV - Electric Vehicle) и подключаемые гибридные электромобили(PHEV - Plug-in Hybrid Electric Vehicle). Среди PHEV наиболее перспективными считаются модели, в которых двигатель внутреннего сгорания (ДВС) приводит в действие генератор. Последний в свою очередь заряжает батарею, от которой питается электромотор, приводящий PHEV в движение. Такая
схема называется последовательным гибридом, или электромобилем с увеличенным пробегом (REEV - Range Extender Electric Vehicle).
В области коммерческого транспорта EV имеют уже достаточно длительную историю использования, прежде всего в виде небольших автобусов и грузовых автомобилей, используемых для служб доставки персонала компаний и товаров. Также они очень популярны в качестве складского и аэропортового транспорта (рис. 1).
С 2010 г. крупные мировые концерны Renault-Nissan, GM, Mitsubishi, Ford и др. приступили к серийному производству легковых EV, рассчитанных на массового потребителя. В результате многолетних многомиллиардных вложений в исследования и разработки в области EV свет увидели такие модели как Nissan Leaf, Chevrolet Volt, Mitsubishi i-MiEV, Renault Fluence ZE и Renault Kangoo ZE. Примечательно, что это первые образцы массовых электромобилей, которые успешно конкурируют со своими собратьями, оснащенными ДВС, практически по всем показателям - комфорту, динамике, экономичности, удобству эксплуатации и в ближайшей перспективе
цене. При этом благодаря развитым программам стимулирования их приобретение становится еще и очень выгодным для жителей Европы и США за счет целевых субсидий и экономии на налогах.
Рассмотрим главные преимущества этих электромобилей.
1. Отсутствие загрязнения окружающей среды. Важно отметить, что сам по себе электромобиль является экологически чистым на 100 %, так как не производит никаких выбросов в атмосферу. Однако при выработке электроэнергии, необходимой для зарядки его батареи, происходят выбросы вредных веществ и парниковых газов в атмосферу, если речь идет о газовой или угольной генерации. В тех регионах, где превалирует атомная или гидрогенерация, такие выбросы отсутствуют полностью. Возможность использовать возобновляемую микрогенерацию (ветер и солнце) непосредственно в местах зарядки машин, например, на крышах паркингов, в тех регионах, где инсоляция и скорость ветра достаточны, позволяет говорить о полной безопасности для окружающей среды.
К сожалению, далеко не везде есть ветер и солнце в достаточном
НРв ЙЯ1ВВ9 ЯШИ ^É^^a. 01 фЩ «Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (31) февраль 2013 г.
Электромобили
Рис. 1. Электромобили: а - Mitsubishi i-MiEV; б - Nissan Leaf; в - Chevrolet Volt; г - Smith Electric Edison Panel Van
количестве, поэтому было проведено сравнение экологичности электромобиля и машины с двигателем внутреннего сгорания для конкретной территории (Москва и Московская обл.), где при генерации в основном используется газ. Расчет проводился по следующей методике: были взяты официальные данные по выбросам на электростанциях, находящихся в Московской обл., затем по каждому вредному веществу было рассчитано удельное количество выбросов на 1 кВт-ч выработанной энергии. Далее при известном среднем расходе энергии на 1 км при движении
электромобиля сравнивались выбросы и удельные затраты энергии.
Как видно из табл. 1, электромобиль даже с учетом выбросов на электростанции все равно остается в среднем в 2 раза экологичнее своих аналогов с ДВС. При этом надо отметить, что сравнивались машины компакт-класса. С увеличением габаритов электромобиля его экономичность (расход энергии) возрастает незначительно, но в то же время для автомобилей с ДВС верно обратное - чем больше машина, тем более мощный двигатель, как правило, в ней установлен, и она расходует
существенно больше топлива, чем машина меньших габаритов.
По данным JHFC (Mitsubishi Motors), экономия на выбросах углекислого газа еще более существенна (рис. 2).
Завершая тему экологичности, стоит отметить, что основной источник загрязнения атмосферы в крупных городах - автотранспорт с двигателями внутреннего сгорания. На его долю приходится до 90 % загрязнений. Выбросы от автотранспорта происходят в приземном слое атмосферы, что наиболее губительно для человека, в то время как выбросы от электростанций имеют гораздо больший радиус
Таблица 1
Показатели Электромобиль Mitsubishi i-MiEV Mitsubishi Colt Chevrolet Spark
Объем двигателя, л - 1,1 1
Мощность двигателя, кВт 49 55 50
Расход энергии, Втч/км топлива, кг у.т./100 км 150 6,23 641,7 10,43 650,8 10,58
Выбросы, г/100 км СО2 СО 10070 10,57 0 21040 18 200 17740 18 200
Рис. 2. Выбросы СО2 на 1 км пробега с учетом выбросов на ТЭС при выработке дополнительной электроэнергии и производстве самого электромобиля
рассеивания и начальную высоту выхода в атмосферу, что в итоге дает гораздо меньшие концентрации в приземном слое атмосферы, которым дышат жители. Поэтому электромобили могут помочь не только существенно снизить количество вредных выбросов, но и уменьшить их вредное влияние на жителей городов.
2. Высокая энергоэффективность EV. Существенно более высокая эффективность электромобилей обусловливает более низкую стоимость 1 км пробега по сравнению с аналогами, оборудованными ДВС. КПД электромотора существенно выше ДВС, что в экономическом выражении дает очень большое преимущество электромобиля по стоимости 1 км пробега.
Результаты расчетов сравнения стоимости 1 км пробега (на 1 июня 2012 г.) приведены в табл. 2 *.
Из расчета видно, что 1 км пробега на электромобиле дешевле в 23 раза (при зарядке по ночному тарифу в Москве).
3. Существенно более низкая стоимость обслуживания и владения. В электромобиле очень мало движущихся частей, система управления двигателем существенно проще, нет сложной коробки передач, масла в двигателе, масляных фильтров,
громоздкой системы охлаждения двигателя и т.д. Все обслуживание электромобиля сводится к компьютерной диагностике батареи, регламентным работам по подвеске и замене тормозных колодок, что требуется гораздо реже из-за рекуперативного торможения.
4. Отсутствие шумового загрязнения. Электромобили практически бесшумны, лишь на значительной скорости появляется шелест от покрышек и аэродинамический гул, поэтому при движении по городским улицам они создают минимум шума. А ведь именно постоянный повышенный шумовой фон наиболее негативно сказывается на психике людей и может вызывать переутомление или депрессию.
5. Возможность повышения эффективности использования сетевой инфраструктуры. Электромобили способны увеличить коэффициент загрузки сети, заряжаясь ночью, когда происходит спад потребления, и таким образом повысить
эффективность всей энергосистемы (рис. 3).
Важно отметить, что в большинстве стран производство электромобилей воспринимается как новая высокотехнологичная отрасль, которая является симбиозом транспорта, энергетики и информационных технологий. Целенаправленные инвестиции в этот вид транспорта как в новую отрасль во многих государствах создают новые виды товаров/услуг и, как следствие, новые рабочие места, при этом решаются важные экологические и социальные проблемы.
Если говорить о недостатках ЕУ, препятствующих их повсеместному распространению, то на сегодняшний день можно выделить следующие.
1. Отсутствие развитой инфраструктуры зарядных станций. Отсутствие зарядной станции в радиусе ближайшего квартала создает определенный дискомфорт для пользователей ЕУ, сокращая эффективную продолжительность поездок.
2. Длительное время зарядки. Сегодня полная зарядка электромобиля занимает б...8 ч, что для ночного времени вполне приемлемо, однако это серьезное ограничение при необходимости подзарядиться днем. Продолжительность зарядки лимитируется двумя основными факторами: мощностью инвертора в машине (зарядка от станции переменного тока) и мощностью зарядной станции.
В настоящее время в Москве и Московской обл. развивается универсальная зарядная инфраструктура с
Таблица 2
Показатели Аи-95 Тариф электроэнергии
дневной ночной
Цена бензин, руб./л электроэнергия, руб./(кВтч) 29 3,8 0,67
Стоимость пробега, руб./км 2,32 0,57 0,10
* Материалы проекта МОЭСК ЕУ (Режим электронного доступа: http://revolta.ru/ru/ тое$к).
Примечание. Расход для ДВС принят 8 л/100 км в городском цикле; стоимость бензина Аи-95 взята усреднено.
Электромобили
т
Рис. 3. График суточной нагрузки: - без использования электромобилей; — - с использованием электромобилей
мощностью зарядных станций - переменного тока до 22 кВт и постоянного тока до 50 кВт. При этом в серийных электромобилях сегодня используются инверторы мощностью 3,3 кВт. Из этих цифр понятно, что не станция зарядки и не сама батарея являются ограничивающим фактором, а всего лишь инвертор, находящийся на борту машины и отвечающий за преобразование переменного тока от зарядной станции в постоянный ток для зарядки батареи. Но уже в следующем поколении электромобилей мощность инвертора будет увеличена до 7,2 или 12 кВт (у разных производителей разные планы). При средней емкости батарей 16...26 кВт-ч подзарядить батарею скоро можно будет в 2-3 раза быстрее, чем это происходит сейчас. В то же время уже сегодня станции быстрой зарядки постоянным током позволяют за 15.20 мин зарядить батарею до 80 % емкости. В этом случае батарея получает постоянный ток напрямую от зарядной станции, и инвертор не используется. Такая возможность существует, например, у Mitsubishi i-MiEV и Nissan Leaf.
Альтернативой также является использование технологий быстрой смены батарей на специализированных зарядных станциях, где разряженную батарею меняют на заряженную в течение 1.3 мин, что сопоставимо со временем заправки обычного
автомобиля, оснащенного ДВС. Однако такая инфраструктура очень дорога, и не все электромобили поддерживают такую возможность.
3. Относительно малый пробег на одной зарядке. Большинство легковых серийных электромобилей сегодня имеют эффективный пробег на одной зарядке от 80 до 300 км. Этот параметр зависит от стиля и условий езды, температуры воздуха, использования кондиционера и обогревателя салона. В среднем в год емкость вновь производимых батарей увеличивается на 7 %, то есть даже при отсутствии технологических рывков в течение 5 лет электромобили вполне могут сравняться с транспортными средствами, оснащенными ДВС, по дальности пробега на одной зарядке. Для электромобилей класса ЯЕЕУ этой проблемы вообще не существует, их дальность пробега не уступает обычным машинам.
4. Все еще высокая стоимость. Так как серийный выпуск ЕУ только начался, то на первом этапе (2.4 года) их стоимость будет выше
аналогов с ДВС, однако потом неизбежно ее снижение, поскольку электромобили конструктивно существенно проще и состоят из меньшего числа деталей (табл. 3). Кроме того, в цене ЕУ сегодня существенную долю составляет стоимость батареи. По мере внедрения новых типов аккумуляторных батарей, а также расширения их производства будет снижаться и их стоимость.
5. Поведенческая модель использования электромобиля. Это, пожалуй, является одним из самых серьезных барьеров на пути развития электротранспорта. Для водителей привычнее понятие «бак», а не «батарея». Часто водители ездят до того момента, пока не загорается лампочка на указателе топлива, и лишь тогда едут на заправку, заливают полный бак и ездят до следующего «пустого бака». С электромобилем такой метод не подходит. К машине с батареями следует относиться так же, как к ноутбуку или к сотовому телефону. Обычно эту электронную технику подзаряжают, когда под рукой есть зарядка (на работе на столе, дома около кровати, в машине от прикуривателя).
Современные литий-ионные аккумуляторы лишены проблемы эффекта памяти, поэтому не нужно их полностью разряжать, а потом полностью заряжать, это даже вредно для батарей этого типа. Оптимальный режим эксплуатации для них - пополнение и поддержание зарядки в границах 50.80 %. В таких условиях срок службы батарей будет максимальным, а скорость деградации - минимальной. Именно таким образом следует
Таблица 3
Электромобиль Стоимость Государственная субсидия
аналога с ДВС электромобиля с учетом субсидии
Nissan Leaf $ 19910 $ 32750 $ 7500
Chevrolet Volt $ 16525 $ 32780 $ 7500
Renault Fluence ZE € 20150 € 21300 € 5000
обращаться и с электромобилем, подзаряжая его каждый раз, когда есть такая возможность. Зарядку можно прерывать в любой момент, это не вредит батарее, и раз в несколько дней заряжать ее полностью. Не следует ездить до тех пор, пока батарея полностью не разрядится, - этот способ не для электромобилей.
Прогнозы развития рынка электромобилей в мире
Сегодня все прогнозы развития рынка EV носят достаточно консервативный характер. Есть общее понимание, что основным сдерживающим фактором его роста является отсутствие инфраструктуры для эксплуатации электромобилей, прежде всего - развитой сети заправочных станций. В этих прогнозах, в частности, фигурируют следующие цифры по числу EV (млн ед.) на 2015 г.:
• США - 1;
• Великобритания - 0,48;
• Китай - 0,5.
Есть оценка, что в Италии к 2020 г. количество EV или PHEV составит 15 % всех новых автомобилей.
Все проекты развития инфраструктуры для EV на первом этапе основываются на том, что на каждый EV должно приходиться в среднем 2.4 заправочные станции. Так, один из самых крупных проектов по созданию инфраструктуры EV в США - The EV Project на 8500 ед. - предполагает создание 14 960 зарядных станций всех типов в дополнение к тем, что уже существуют на территории 16 вовлеченных в проект штатов.
Во всем мире в создании инфраструктуры для электромобилей участвуют энергокомпании, прежде всего те, которые занимаются распределением электроэнергии. Например, общеевропейский проект G4V по созданию универсальной инфраструктуры для электротранспорта объединяет компании ENEL, ENDESA, VATTENFALL,
EDF, EDP и RWE, то есть крупнейших европейских игроков на рынке распределения электроэнергии.
Для них электромобиль может стать новым видом бизнеса или потенциальным источником проблем, связанных с нехарактерными нагрузками на сеть. Но у них не остается выбора, кроме как возглавить процесс популяризации электротранспорта.
При правильном проектировании и запуске инфраструктуры для электромобилей она строится на принципах smart grid, где зарядные станции, система управления зарядкой и сами EV связаны с энергокомпанией и могут ею управляться для решения следующих задач энергосистемы:
• повышения эффективности использования сетевой инфраструктуры;
• выравнивания пиковых нагрузок;
• развития сетевой интеллектуальной инфраструктуры в соответствии с будущими потребностями EV (smart charging).
Если развитие EV будет проходить без активного участия энергокомпаний в создании инфраструктуры, то эта инфраструктура и новые виды незапланированных нагрузок могут существенно повлиять на надежность и качество энергоснабжения.
Существует еще одно опасение, часто озвучиваемое скептиками. Они говорят, что в какой-то момент при определенном числе электромобилей не хватит существующих генерирующих мощностей и пропускной способности электрических сетей для того, чтобы заряжать аккумуляторы электромобилей. И даже приводятся расчеты на эту тему. Хотелось бы развеять эти мифы и привести несколько цифр.
Не имеет смысла ориентироваться на емкость батарей электромобилей, она, безусловно, будет расти, однако это не играет роли с точки зрения энергосистемы. Также нерелевантно значение мощности, которую
способны передать зарядные станции в батарею электромобиля, так как это значение либо ограничивается возможностями электромобиля принять эту энергию, либо может быть ограничено путем технологического управления сетью зарядных станций со стороны сетевой компании. Единственные цифры, которые можно принимать в расчет, это энергозатраты на 1 км пробега. На сегодня эта цифра для легковых электромобилей составляет 150.300 Вт-ч на 1 км пробега в зависимости от стиля езды, температуры окружающего воздуха и включенных отопителя или кондиционера. Если принять, что в среднем машина проезжает 20 тыс. км/год, то такая машина будет потреблять от 3000 до 6000 кВт-ч/год. Если в целом за год потребность в этой энергии будет равномерна, то необходимо около 17 кВт-ч/сут. Если большую часть энергии батареи машин будут получать именно во время ночной зарядки, то за 6 ночных часов нужно подвести всего 3 кВт для зарядки электромобиля.
В настоящее время в московской энергосистеме не востребовано около 5,5 ГВт мощности, которую можно использовать для зарядки электромобилей. Ее достаточно (по самому консервативному расчету) для зарядки более 1,8 млн электромобилей. С учетом того, что число машин в столице превышает 4 млн, дефицит в мощности появится очень и очень нескоро.
В заключение хотелось бы отметить, что существующие мировые тенденции четко указывают на то, что электромобили становятся частью повседневной жизни. И единственное, что будет отличать разные страны, это лишь скорость проникновения этого вида транспорта на дороги, которая напрямую будет зависеть от мер государственной поддержки,инициативы энергокомпаний и смелости потребителей, готовых к использованию новых технологий.
ÜÜÜÜSPUffiQä.^¡^^¡o,вфЩ^к^С «Транспорт на альтернативном топливе» № 1 (31) февраль 2013 г.
