ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

УДК 65

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЭЛЕКТРОТРАНСПОРТА

Фомин Семён Анатольевич, магистрант, Гусев Александр Васильевич, магистрант; ФГБОУ ВО РГАУ - МСХА имени К.А. Тимирязева, Москва, Российская Федерация

Аннотация: В данной статье описаны последние тенденции развития автомобилей с применением гибридных электрических силовых установок, где особое внимание уделено экологическим аспектам. Проведен анализ по исследованию загрязнения атмосферного воздуха автомобильным транспортом. Приводятся статистические данные «Автостата» по состоянию на 2020 г., на основании которых приведены объемы среднесуточных выбросов основных компонентов вредных веществ различных видов транспорта города Москвы. Представлен анализ потребления энергии на разных этапах жизненного цикла транспортного средства, а также цикл Карно. Исследовано влияние режима движения автомобилей на эмиссию вредных веществ. Рассмотрены переходные процессы, происходящие в автомобиле во время движения. Определена характеристика требуемой мощности ДВС в ездовом цикле движения. Проведён сравнительный анализ работы автомобиля ДВС и электромобиля на предмет экологической безопасности

Ключевые слова: загрязнение атмосферного воздуха; выработка электроэнергии; экологическая эффективность; ДВС; электротранспорт.

ENVIRONMENTAL JUSTIFICATION OF THE USE OF ELECTRIC TRANSPORT

Fomin Semyon Anatolyevich, master's student, Gusev Alexander Vasilievich, master's student; Timiryazev Russian State Agrarian University, Moscow, Russia

Abstract: This article describes the latest trends in the development of cars using hybrid electric power plants, where special attention is paid to environmental aspects. The analysis of the study of atmospheric air pollution by road transport is carried out. The statistical data of "Autostat'' as of2020 are given, on the basis of which the volumes of average daily emissions of the main components of harmful substances of various modes of transport of the city of Moscow are given. The analysis of energy consumption at different stages of the vehicle life cycle, as well as the Carnot cycle, is presented. The influence of the driving mode of cars on the emission of harmful substances is investigated. The transients that occur in the car while driving are considered. The characteristic of the required power of the internal combustion engine in the driving cycle of movement is determined. A comparative analysis of the operation of an internal combustion engine and an electric car for environmental safety is carried out.

Keywords: air pollution; power generation; environmental efficiency; internal combustion engine; electric transport.

Для цитирования: Фомин, С. А. Экологическое обоснование применения электротранспорта / С. А. Фомин, А. В. Гусев - Текст : электронный. // Наука без границ. - 2021. - № 4 (56). - С. 69-77. - URL: https:// nauka-bez-granic.ru/№-4-56-2021/4-56-2021/

For citation: Fomin S.A., Gusev A.V. Environmental justification of the use of electric transport // Scince without borders, 2021, no. 4 (56), pp. 69-77.

Доля автомобилей в Москве по загрязнению атмосферного воздуха достигает 85-90 %. Транспортный комплекс сохраняет лидирующие позиции в области шумового воздействия на население. Половина жителей города проживают в зонах чрезмерного загрязнения атмосферного воздуха, а большая часть из них ещё и в зонах с чрезмерно допустимым уровнем шума 5-30 дБА [1].

По статистическим данным количество людей, предрасположенных к злокачественным заболеваниям (особенно заболеваниям верхних дыхательных путей) из-за загрязнения воздуха выбросами транспорта, составляет несколько миллионов человек. Объемы среднесуточных выбросов основных составляющих вредных веществ различными видами транспорта в городе Москва приведены в табл. 1.

По данным «Автостат», в январе 2020 года автопарк России вырос до 52,9 млн автомобилей. 44,5 млн шт., или 84 %, от общего автопарка составляют легковые автомобили, более 4,2 млн шт., или 8 %, приходится на легкие коммерческие автомобили, почти 3,8 млн шт., или 7 %, составляют

грузовые автомобили и менее 0,4 млн шт., или около 1 %, приходится на автобусы.

Рост показали практически все сегменты автопарка, кроме мотоциклов и автобусов. При этом количество мотоциклов уменьшилось на 14 % до 2,4 млн ед., а автобусы, на которые приходится самая малая доля в общем автопарке, остаются на прежнем уровне в 0,4 млн ед.

Самую большую долю в автопарке транспортных средств занимают легковые автомобили: за 10 лет их количество увеличилось с 31,8 до 44,5 млн ед.

На дорогах России стало больше коммерческого автотранспорта: по состоянию на начало 2020 года его насчитывалось 4,2 млн ед., что в свою очередь на 31 % больше по сравнению с 2010 годом. Грузовые автомобили демонстрируют более скромный рост (+ 9 %), при этом их численность также выросла, хоть и незначительно: с 3,5 до 3,8 млн ед. Рекордсменами по динамике роста (+ 55 %) являются прицепы. Если в прошлом их количество составляло 2,2 млн ед. то теперь эта цифра составляет 3,4 млн ед [1].

Таблица 1

Объемы среднесуточных выбросов основных компонентов вредных веществ различных видов транспорта города Москвы в 2020 году

Среднесуточный валовой выброс т/сутки

Тип автомобиля СО СН х х N0 х Тв. частиц Итого по видам транспорта

Легковые 1382 268,7 142,4 - 1793,1

Грузовые 471,5 50,3 109,3 4,8 635,9

Автобусы 254,3 38,4 96,7 6,2 395,6

Итого по компонентам 2107,8 357,4 348,4 11,0 2824,6

На основе статистической отчетности ГИБДД ГУВД г. Москвы можно утверждать, что доля автотранспортных средств, соответствующих требованиям Евро-3 и выше, составляет менее 20 %; структура топливопотре-бления легковыми автомобилями с бензиновыми двигателями составляют

Состав автомобильного

94 % парка, с дизелями - 1 %; грузовые автомобили / автобусы с бензиновыми двигателями - 60 % / 24 %, с дизелями

- 38 % / 75 %; с газовыми двигателями

- 2 % /1 %; государственный экологический контроль охватывает около 90 % парка автотранспортных средств (табл. 2).

Таблица 2

парка города Москвы

Тип автомобиля Топливо Годовой пробег, км Средние выбросы вредных веществ г/км

СО СН NO х тв. ч.

Легковые бензин 16000 16 3,5 2 0

Грузовые бензин 40000 84 13 8 0

Грузовые дизельное 40000 9,5 3,5 16 0,6

Автобус бензин 54000 84 13 8 0

Автобус дизельное 54000 9,5 3,5 16 0,6

Источник [2]

Проблема слабой организации утилизации и использования брошенных и разобранных транспортных средств обостряет проблему загрязнения городов, почв и водоемов автомобильными отходами [2].

На рис. 1 показано потребление энергии на разных этапах жизненного цикла транспортного средства (ЖЦТС). Наибольшее потребление энергии приходится на фазу эксплуатации автомобиля. Потребление энергии на этапе производства (включая добычу сырья, производство материалов, топливо и производство автомобилей) составляет 45 % от потребления энергии во время эксплуатации автомобиля [3].

Согласно циклу Карно только третья часть энергии, получаемой от

сгорания топлива, идет на полезную работу (рис. 2). При этом лишь 22 % энергии современного двигателя доходит до колес, остальная часть теряется на регулирование и маховик [3].

Известно (табл. 3), что при эксплуатации автомобиля преобладает неустановившиеся работа двигателя, она составляет 90 ... 97 % в условиях интенсивного городского движения, 90 ... 95 % при движении по грунтовым дорогам, общее время вождения по загородным трассам составляет 30 ... 35 %. Используемая мощность двигателя составляет 13 ... 78 % от номинальной.

Более строгие экологические требования способствуют экологизации транспорта и переходу на альтернативные виды топлива, такие как газ, спирт, биомасса и электричество.

9000000 8000000 .3 7000000 §6000000 5000000 Ё4000000 зЗОООООО П2000000

юооооо о

Переработка Производство Эксплуатация

Рисунок 1 - Энергия на осуществление отдельных стадий ЖЦТС

\Л

Ииг'вшлу^а1'

ицк'и'ит1 3,5? МДя 0(н.1хк,ц'И11г Я.К \|Дя;

а Htt4.ii>]) и.б ли*

шипнзя'зн[рг111) В,71 л

Рисунок 2 - Схема экологического и энергетического распределения бензина

как топлива

Таблица 3

Влияние режима движения автомобилей на эмиссию вредных веществ

Режим работы ДВС Доля режимов, %

По времени По объемам ОГ По расходу топлива СО СН N0 X

Холостой ход 39,5 10 15 13-25 15-18 -

Разгон 18,5 45 35 29-32 27-30 75-86

Установившееся движение 29,2 40 37 32-43 19-35 13-23

Торможение 12,8 5 13 10-13 23-32 0-1,5

Источник [2]

Переходные процессы, происходящие в автомобиле во время движения, описываются тягово-динамическим расчетом. Чтобы двигаться с постоянной скоростью, двигатель внутреннего сгорания должен производить необходимую энергию, при которой эффективная номинальная мощность соответствует минимальным выбросам выхлопных газов в окружающую среду и минимальному расходу топлива. Работа с постоянной мощностью в стационарном режиме наиболее эффективна. Однако во время ускорения

v, км/ч

необходимо сообщать транспортному средству мощность, равную увеличению кинетической энергии в зависимости от изменения скорости и энергии, затрачиваемой на преодоление сопротивления. Эта мощность может быть в 2 ... 3 раза выше и зависит от требуемой динамики [4].

Независимо от типа топлива автомобиль использует одну и ту же энергию для завершения цикла движения (рис. 3). Однако эта энергия получается с разной эффективностью и бережным отношением к окружающей среде.

55

затрачиваемая Р, кВт

л мощность

/ скорость движения /

L

С с

Рисунок 3 - Характеристика требуемой мощности ДВС в ездовом цикле

движения

Было установлено, что электрические приводы и суперконденсаторы обычно используются в качестве альтернативы стандартного топлива, а также применяются совместно для улучшения экологических характеристик, снижения расхода топлива, повышения безопасности и удельного веса.

Электропривод и суперконденсатор, с одной стороны, наиболее эффективно компенсируют динамическую нагрузку, возникающую в результате выполнения ездовых циклов во время разгона и технологи-

ческих операций, а с другой стороны, накапливают энергию во время рекуперативного торможения. Работа ДВС в этих режимах наименее эффективна. Эксплуатация чистого электромобиля с батареями также в несколько раз дешевле, чем у традиционного автомобиля с двигателем внутреннего сгорания. В первую очередь это связано с более эффективной передачей электроэнергии от места производства

Автомобиль!

с две А

Э1Л-9»ВгчЛы

145-270 г/ш СО,

КПД

ло вт-ч/кы (газ) Эге^ро* № (угол,; мобипь Я г/ци соа [газ]

135 Г/ЫНООЛУГСАЬ]

кпд

м

J I

1

Энергия до бензобака

9096

=0

1ЫЗ Вгч/йш

г

20 35% ] 6-29Й

1Н) Вт ч/км

35%

Энерп* я от бен зобака

дохлее <— >

Рисунок 4 - Эффективность расхода энергии

По экспертным данным, анализ жизненного цикла транспортных средств, проводимый с учетом энергозатрат на получение сырья и материалов, производство, поставку дилерам, эксплуатацию и техническое обслуживание, топлива, а также вывоз и утилизацию отходов, обеспечить сложнее. На 227 кг тяжелее базового автомобиля с массой 1160 кг), а полная комплектация электромобиля с никель-металлогидридным аккумуля-

тором требует на 25 % меньше энергии, чем аналогичный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания [5]. Наибольшую часть общей энергии в течение жизненного цикла составляет энергия, потребляемая при эксплуатации: 89 % - для автомобиля (общее потребление энергии 729 ГДж) и 70 % - для электромобиля (551 ГДж) [5].

В настоящее время КПД современных электростанций составляет: ТЭЦ -40 %, ГЭС - 60 % и АЭС - 30 % (табл. 4).

Таблица 4

Структура производства электроэнергии в мире и в отдельных регионах в 2020 г.

Регионы Произведено на ТЭС

Весь мир 63 20 17

Россия 67 17 16

ЕЭС 58 17 25

Северная Америка 65 18 17

Постепенное снижение выбросов загрязняющих веществ в атмосферу от электроэнергии в последнее десятилетие (табл. 5) объясняется увеличением доли малосернистого газа, золы и угле-

рода в топливном балансе, снижением содержания серы в топочном мазуте для уменьшения образования оксидов азота в топочных камерах котлов и повышения эффективности золоулавли-

вающего оборудования [6]. IV классу опасности (малоопасность).

Наибольшая часть (99,7 %) образую- Доля отходов I класса (особо опасные) щихся токсичных отходов относится к невелика - 0,03 %.

Таблица 5

Основные показатели, характеризующие воздействие электроэнергетики

на окружающую среду

Выбросы загрязняющих веществ в атмосферу Выброшено в атмосферу, тыс. т Уловлено и обезврежено, %

2020 г. 2020 г. в % к 2019 г. 2020 г. 2019 г.

Всего загрязняющих веществ 3655,8 94,8 87,4 87,4

в том числе: твердых 1092,6 95,5 95,9 95,9

жидких и газообразных 2563,2 94,5 1,5 1,7

802 1403,9 92,7 2,7 2,7

СО 219,4 99,2 0,1 0,1

N0 X 886,8 95,7 0,1 0,1

углеводороды (без ЛОС) 4,2 130,2 - -

ЛОС (летучие орган. соед.) 1,4 76,0 0,1 -

Источник [2]

Производство электроэнергии в 2020 году составило 303,6 млрд кВтч (5 % от уровня 2020 года), тепловой энергии (отпущено) - 1179 млн Гкал (102 %) или 1371,18 млрд кВтч, при этом в атмосферу выброшено 3655,8 тыс. тонн загрязняющих веществ (табл. 5). Продажи бензина в 2020 г. также составили 23,8 млн т, дизеля -50,1 млн т [6]. Рассчитав энергоемкость всего бензина и дизельного топлива в кВтч с учетом КПД ДВС на уровне 40 %, получаем всего ~ 218 млрд кВтч.

Подводя итог, мы обнаруживаем, что энергия, производимая на электростанциях, в 16 раз более экологична, чем топливо, вырабатываемое двигателями внутреннего сгорания отечественных автомобилей. И это без

учета тепловой энергии электростанций.

Сравним автомобиль Smart с общей массой 990 кг, которую он потребляет в загородном цикле - 4,3 литра на 100 км, т.е. он тратит 1,36 МДж на 1 км пути, в то время как только 22 % лучшего двигателя внутреннего сгорания идет на колеса. В тех же условиях интеллектуальный электромобиль использует энергию станции, в среднем 40 % и 5 % этой энергии теряется при передаче и 5 % на зарядной станции, хотя бензин также не производится на заправочной станции. Другими словами, электромобиль, затрачивающий на станции 1,36 МДж, проедет 1,36 км. На дальность 100 км электромобилю хватает энергии от никель-металлоги-

дридной батареи массой 350 кг (при ДВС на парциальных режимах, чего

разряде 20 %). Если сравнивать эти ав- нет в электроприводе, но можно сэко-

томобили при движении в городском номить энергию аккумулятора за счет

цикле, то энергопотребление первых рекуперативного торможения до 15 %

увеличивается на 30 % за счет работы (рис. 5).

Рисунок 5 - Схема энергетического сопоставления эффективности энергоисточников при загородном и городском движении автомобиля

По данным Международного союза автомобильных инженеров, средний в мире легковой автомобиль массой 1390 кг имеет пробег около 190 000 км и срок службы 12 лет. Если принять это во внимание для рассматриваемых Smart, мы получим: автомобиль Smart с двигателем внутреннего сгорания с таким пробегом потребляет 258 400 МДж (71,8 МВтч) энергии, что эквивалентно 8170 литрам или примерно 6 тоннам бензина (вне городского цикла), а электрический автомобиль Smart - 190 000 МДж (52,8 МВтч) [7].

Для этого расчета мы взяли небольшой автомобиль, который экономно расходует топливо, так как они наиболее популярны в европейских странах при практически равных климатических условиях. Эти расчеты изменяют различные предположения относи-

тельно километров на литр и эффективности производства энергии, но не таким образом, чтобы сделать главный вывод: электромобили обеспечивают экономию энергии, особенно в городе, даже если эта энергия поступает от атомной электростанции. Главное не столько расход топлива, сколько экология.

Поэтому электромобиль можно назвать экологическим транспортным средством только с определенными оговорками. Но он, несомненно, способен избавить город от выхлопных газов и значительно снизить уровень транспортного шума, экономический эффект от которого не просчитан. Однако если аккумуляторы электромобиля заряжать энергией из возобновляемых источников, он станет полностью экологически чистым.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Асадов, Д. Г. О. Обоснование срока службы электромобилей / Д. Г. О. Асадов, Е. П. Парлюк, А. С. Гузалов. - Москва: ООО "Автограф", 2020. - 110 с. - Текст : непосредственный.

2. Асадов, Д. Г. О. Методы повышения срока службы источников энергии электромобилей / Д. Г. О. Асадов, А. С. Гузалов, Н. А. Большаков. - Москва: ООО "Автограф",

2019. -100 с. - Текст : непосредственный.

3. Асадов, Д. Г. О. Теория проектирования транспортных средств с комбинированными энергоустановками / Д. Г. О. Асадов, С. А. Иванов, А. С. Гузалов, Н. А. Большаков. - Москва: ООО "Автограф", 2019. - 119 с. - Текст : непосредственный.

4. Дидманидзе, О. Н. Перспективы создания электрического трактора / О. Н. Дидма-нидзе, А. С. Гузалов. - Текст : непосредственный // Доклады ТСХА. - 2019. - С. 3-6.

5. Рукавишникова, И. В. К вопросу о необходимости формирования нового подхода к оценке экологического ущерба / И. В. Рукавишникова, М. В. Березюк, Д. Н. Макарова. - Текст : непосредственный // Экология и промышленность России. - 2013. - № 4. - С. 62-64.

6. Ивлева, Т. В. Методы снижения потерь нефтепродуктов в АПК / Т. В. Ивлева, Н. Н. Пуляев. - Текст : электронный // Наука без границ. - 2020. - № 4 (44). - С. 46-54.

7. Столяров, Д.М. Анализ современных двигателей внутреннего сгорания с электросиловыми установками / Д. М. Столяров, Ю. С. Коротких, Н. Н. Пуляев. - Текст : электронный // Наука без границ. 2019. - № 6 (34). - С. 56-59.

REFERENCE

1. Asadov D.G.O., Parliuk E.P., Guzalov A.S. Obosnovanie sroka sluzhby elektromobilei [Justification of the service life of electric vehicles]. Moscow, OOO "Avtograf", 2020, 110 p.

2. Asadov D.G.O., Guzalov A.S., Bol'shakov N.A. Metody povysheniia sroka sluzhby istochnikov energii elektromobilei [Methods for increasing the service life of energy sources of electric vehicles]. Moscow, OOO "Avtograf", 2019, 100 p.

3. Asadov D.G.O., Ivanov S.A., Guzalov A.S., Bol'shakov N.A. Teoriya proektirovaniya transportnyh sredstv s kombinirovannymi energoustanovkami [Theory of design of vehicles with combined power plants]. Moscow, OOO "Avtograf", 2019, 119 p.

4. Didmanidze O.N., Guzalov A.S. Perspektivy sozdaniya elektricheskogo traktora [Prospects for creating an electric tractor]. Doklady TSKHA, 2019, pp. 3-6.

5. Rukavishnikova I.V., Bereziuk M.V., Makarova D.N. K voprosu o neobkhodimosti formirovaniia novogo podkhoda k otsenke ekologicheskogo ushcherba [To the question of the need to form a new approach to assessing environmental damage]. Ekologiia i promyshlennost' Rossii, 2013, no. 4, pp. 62-64.

6. Ivleva T.V., Puliaev N.N. Metody snizheniia poter' nefteproduktov v APK [Methods for reducing the loss of oil products in the agro-industrial complex]. Science without borders.

2020, no. 4 (44), pp. 46-54.

7. Stolyarov D.M., Korotkih Yu.S., Pulyaev N.N. Analiz sovremennyh dvigatelej vnutrennego sgoraniya s elektrosilovymi ustanovkami [Analysis of modern internal combustion engines with electric power plants]. Sciences without borders, 2019, no. 6 (34), pp. 56-59.

Материал поступил в редакцию 25.04.2021 © Фомин С.А., Гусев А.В., 2021