Экономическая эффективность применения электропривода наземного транспортного средства

(Щ

Транспорт и экология

Экономическая эффективность применения электропривода наземного транспортного средства

В.И. Ерохов,

профессор МГТУ «МАМИ», д.т.н., А.В. Николаенко,

ректор МГТУ «МАМИ», к.э.н.

Проведена оценка технико-экономической целесообразности применения современного электромобиля нового поколения. Разработан метод оценки социально-экономического ущерба от выброса вредных веществ современной гибридной силовой установкой. Разработаны критерии оценки эффективности гибридного автомобиля на локальном и глобальном уровнях. Определены материальные и финансовые затраты на производство и эффективность эксплуатации электропривода. Приведены результаты экономической и экологической оценки эффективности электрического привода в полном жизненном цикле гибридной силовой установки.

Ключевые слова: эффективность электрического привода, нормирование вредных выбросов, агрессивность отработавших газов, гибридный автомобиль, жизненный цикл, парниковый эффект, диоксид углерода.

Economic efficiency of application of an electric drive of a ground vehicle

V.I. Erokhov, A.V. Nikolaenko

The estimation of technical and economic expediency of application of a modern electromobile of new generation is lead. The method of an estimation of social and economic damage of emission of harmful substances of a modern hybrid power-plant is developed. Criteria of an estimation of efficiency of the hybrid car at a local and global level are developed. Material and financial expenses of manufacture and efficiency of operation of the electric drive are certain. Results of an economic and ecological estimation of efficiency of an electric drive in full life cycle of a hybrid power-plant are resulted.

Keywords: efficiency of an electric drive, normalization of harmful emissions, harm and aggression of the fulfilled gases, the hybrid car, life cycle, a hotbed effect, carbonic gas.

Применение моторного углеводородного топлива неизбежно сопровождается повышенными выбросами диоксида углерода СО2, характеризующими технический уровень современных наземных транспортных средств (НТС). Снижение выбросов СО2 традиционными методами не обеспечивает выполнение жестких экологических требований и является серьезной проблемой автомобилестроения.

Использование 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.

Достигнутые результаты ведущих зарубежных фирм позволили решить концептуальные технические проблемы электрического привода. Наступил важный этап практической реализации электропривода, связанный с переходом от затратного метода финансирования к механизму, ориентированному на возвратные инвестиции.

Широкое внедрение электрического привода на АТ, имеющее стратегическое значение для современного индустриального общественного развития, сопряжено с повышенными затратами потребителя. Актуальной задачей на данном этапе является разработка метода оценки экономической и социально-экологической эффективности применения электропривода на автомобильном транспорте.

Технико-экономическое обоснование применения современных электромобилей

Наиболее распространенным энергоносителем электромобилей являются традиционные свинцово-кислотные, никель-железные, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые и серебряно-кадмиевые аккумуляторные батареи (АБ). По основным энергетическим характеристикам наиболее распространенные свинцово-кислотные АБ недостаточно эффективны и долговечны.

Запас хода электромобилей со свинцово-кислотными батареями минимальный. Применение никель-железных батарей сопровождается ростом запаса хода. В перспективе ожидается значительный рост запаса хода электромобилей с литий-серными АБ.

Традиционные электромобили имеют ряд принципиальных недостатков: малый запас хода, повышенную массу электропривода, ограниченный срок службы источника электроэнергии и высокую стоимость, которые сдерживают их применение в народном хозяйстве.

Наибольшую удельную энергоемкость имеют серебряно-цинковые батареи (88 Вт^ч/кг), но одновременно с этим они в 20 раз дороже свинцово-кислотных.

Положительный многолетний опыт эксплуатации электромобилей в Москве позволил сделать некоторые обобщения [1-6]. Опытная партия отечественных электромобилей выполнена на базе автомобиля УАЗ-451 ДМ. Электромобили У-131 снабжены системой электродвигателя на

переменном токе. Их грузоподъемность составляет 500 кг. На экспериментально-производственном предприятии при московском автокомбинате № 34 была организована опытная эксплуатация электроавтобуса РАФ-22038 и легкового автомобиля «Жигули» ВАЗ-2801.

Результаты работы позволили определить рациональную область применения электромобилей, эффективность перспективных технических решений и вопросы организации их эксплуатации в условиях мегаполиса. Обобщенные данные по легковым и грузовым электромобилям позволили определить их максимальный пробег в условиях города. Недостаточная продолжительность работы обычных АБ ограничена заложенными в их конструкцию активными веществами, после использования которых гальванические элементы выходят из строя. Традиционные АБ требуют зарядки от внешнего источника электроэнергии для восстановления запаса активных веществ.

Производительность грузового Wr (т • км) и легкого (автобус) Wа (пасс • км) автомобилей можно представить следующими зависимостями:

Wr = а L ^

W = а L q,

аа

где а, аа - постоянные коэффициенты пробега для грузового автомобиля и автобуса; L - запас хода, км; q - номинальная грузоподъемность, т (для грузового автомобиля), пасс. (для автобуса).

Размеры и массу аккумуляторной батареи определяют из условий обеспечения необходимого запаса хода и максимальной скорости движения электромобиля. Традиционный электромобиль оснащен аккумуляторной батареей с повышенной массой, снижающей его грузоподъемность в 1,5 раза по сравнению с ДВС.

Важной задачей является повышение энергоемкости батареи, предопределяющей запас хода электромобиля. Для электромобиля, эквивалентного по мощности современному автомобилю малого класса, в городских условиях эксплуатации достаточно иметь мощность электродвигателя 15 кВт. При такой мощности электродвигателя масса АБ не превышает 300 кг.

Расчеты Института комплексных транспортных проблем (ИКТП) показали, что для крупных городов требуется 100...120 тыс. грузовых электромобилей с расчетным дневным пробегом 65.70 км [5].

Электромобиль наиболее эффективен для перевозки грузов различного назначения небольшими партиями на сравнительно небольшие расстояния. В перспективе стоимость электромобилей должна возрасти не более чем на 25 % базовой комплектации. В шестидесятые годы прошлого века [5] была создана серия зарядных станций АБ. Ускоренную подзарядку проводили в местах погрузки или разгрузки, совмещая ее с технологическими операциями. Продолжительность подзарядки батареи не превышала 1 ч.

Запас хода электромобиля зависит от отношения массы батареи к полной массе электромобиля. Увеличение массы АБ при постоянной полной массе ведет к уменьшению грузоподъемности. Электромобиль легко управляется, его электродвигатель способен к кратковременным перегрузкам и имеет хорошую тяговую характеристику. Поэтому

гибридная установка может иметь менее мощный электродвигатель. К перспективным направлениям в вопросах развития электромобиля относится использование электродвигателя с автономным источником электрического тока. Основные усилия в области электрохимии направлены на совершенствование имеющихся в эксплуатации АБ и поиск эффективных и дешевых источников тока.

Эффективность гибридной силовой установки

Существующие комбинированные энергоустановки уступают перспективным установкам на топливных элементах. Схема гибридной установки повторяет схему традиционной силовой установки электромобиля, дополненной генератором с приводом от ДВС, работающим в зоне максимальной топливной экономичности. Электрический ток, вырабатываемый генератором, обеспечивает зарядку АБ и поступает в обмотки тягового электродвигателя.

Частота вращения ротора электродвигателя пропорциональна напряжению, определяющему скорость движения электромобиля. Скорость движения электромобиля регулируют изменением напряжения в обмотках электродвигателя.

Производительность ГСУ в значительной степени зависит от режимов движения в целом и отдельных его фаз.

• Начало движения. При трогании с места и движении на малых скоростях используется 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 двигатель также снабжает энергией генератор. Характеристика крутящего момента электродвигателя является определяющей для разгона электромобиля, продолжительность которого достигает 45 % в общем балансе.

• Движение. При движении автомобиля в нормальном режиме привод колес осуществляется за счет бензинового двигателя и электромоторов. Энергия двигателя распределяется между колесами и электрическим генератором, приводящим в движение электромоторы. При необходимости генератор выполняет зарядку батареи, отдавая ему излишки энергии.

• Торможение. При торможении электромотор работает как генератор. Он преобразует кинетическую энергию в электрическую, накапливающуюся в батарее. Бензиновый ДВС автомобиля работает в обычном режиме. Делитель мощности в гибридной трансмиссии направляет необходимый поток мощности, обеспечивающей эффективный режим движения.

• Остановка. Эта фаза сопровождается автоматическим выключением ДВС, обеспечивая экономию топлива. В этом случае работают только электродвигатели. Основой устройства распределения энергии является компактный

Таблица 1

Сравнение параметров НТС с различными источниками энергии

Тип автомобиля Полная масса, кг Максимальная скорость, км/ч Запас хода, км

Автомобиль с бензиновым двигателем 815 110 400

Электромобиль

на свинцовых батареях 1145 80 160

на топливных элементах 875 80 240

механизм планетарной передачи, управляющий взаимодействием бензинового ДВС, электромотора и генератора [3].

Мощная батарея обеспечивает энергией электрические системы электромобиля. Гибридная силовая установка использует в своей работе высокопроизводительную ни-кель-гидридную АБ. Генератор и электродвигатель являются устройствами переменного тока, а АБ - постоянного тока. Выходное напряжение АБ трансформируется в выходное напряжение генератора. При торможении генератор используется для замедления движения автомобиля. Он вырабатывает электроэнергию, которая хранится в АБ.

Инвертор представляет собой устройство, преобразующее постоянный ток от АБ в трехфазное переменное напряжение с изменяемой частотой. При запуске электромобиль начинает работать от своего электродвигателя при достаточной зарядки АБ. Чтобы привести в движение автомобиль с использованием электроэнергии, двигатель сначала запускается от генератора, и одновременно система рассчитывает энергию, необходимую для всего автомобиля. На малых скоростях большее количество энергии поступает от электромоторов.

Энергетическая установка на топливном химическом элементе (ТХЭ) позволяет получать электрическую энергию из ТХЭ, минуя стадия сгорания. ТХЭ работает без остановок длительное время и позволяет коренным образом повысить технический уровень современного электромобиля. Предпочтение отдают топливным элементам на водородном топливе.

Напряжение 200 В трансформируется в напряжение 380 В. Пластина ТХЭ площадью 1 м2, содержащая 40 г платины, способна вырабатывать 5 кВт электроэнергии. Использование электрохимического генератора (ЭХГ) позволяет получить КПД до 90...95 % по электроэнергии (табл. 1).

Пробег электромобиля по городскому циклу при глубине разряда литий-ионных и литий-полимерных батарей 70 % составляет 145 км [4]. Максимальная скорость -130 км/ч. Время разгона до 100 км/ч достигает 13,2 с. Средний пробег между зарядками составляет 130.140 км при 70%-ной глубине циклирования. Суммарный пробег автомобиля на одном комплекте АБ насчитывает 200 тыс. км. Масса АБ с системой обслуживания для автомобиля массой 1300 кг составляет 300 кг. Номинальная мощность литий-ионной АБ достигает 100 А^ч при номинальном напряжении 270 В, срок службы - 1000 циклов (не менее 5 лет).

Жизненный цикл гибридного автомобиля

Жизненный цикл гибридного автомобиля закладывается на стадии конструирования, обеспечивается технологией и поддерживается в эксплуатации. Инвестиционная

привлекательность сдерживается высокими начальными затратами в жизненном цикле гибридного автомобиля.

Суммарные затраты С1 инвестиционного проекта гибридного автомобиля определяют по следующей формуле С7 = С + М + С ,

I эз эу пар'

где Сэз - суммарные приведенные затраты изготовления и эксплуатации электрического привода, руб/кВт • ч; Мэу - суммарный ущерб социально-экономической среде от выбросов N0^ СО, СтНп, СН4, ^О, руб/кВт • ч; Спар - суммарный ущерб от выбросов парниковых газов СО2, СН4 и ^0, руб/кВт • ч.

Для продвижения проекта создания ГСУ нужны экономические методы оценки затратного и возвратного механизмов финансовых вложений. Создание опытных образцов гибридных автомобилей носит преимущественно поисковый инициативный характер. Стоимость созданной продукции может быть оценена по фактическим затратам (издержкам). Экономические оценки результатов различных фирм существенно отличаются.

Капитальные вложения в реализацию проекта определяются в соответствии с технологическими принципами проектирования гибридной установки. Они включают традиционные затраты на строительно-монтажные работы, закупку компонентов ГСУ и технологического оборудования, установку и его наладку. Структура и содержание статей затратного механизма не вызывают сомнения.

Модель определения экономической эффективности проекта ГСУ включает капитальные вложения, годовой пробег автомобиля, трудоемкость, удельные затраты и себестоимость работ. Срок окупаемости капитальных вложений по существующим методикам необходимо рассчитывать с учетом национальных и глобальных особенностей развития экономики.

Для предприятий, располагающих научным потенциалом, но при отсутствии материально-технической базы для создания опытных образцов и промышленных партий, удобна лизинговая форма или система льготного кредитования. Суммарные инвестиционные затраты проекта создания гибридного автомобиля представлены зависимостью

СИЗ = (^0+А^Д) + (С0+АСД), где Ко и ДКд - основные и дополнительные капитальные вложения; Со и ДСд - основные и дополнительные эксплуатационные расходы, связанные со снижением ущерба, наносимого окружающей среде.

Дополнительные капитальные вложения (ДКд) и эксплуатационные расходы (ДСд) по абсолютной величине могут быть выше показателей базовой модели.

Минимальные приведенные затраты, учитывающие текущие расходы в сфере эксплуатации транспорта, и капитальные вложения на создание эффективных

транспортных коммуникаций, представлены зависимостью

Сш=(Ст+ЕвКк), где С - текущие эксплуатационные затраты; Ен - нормативный коэффициент эффективности капиталовложений; Кк -капитальные затраты на создание ГСУ.

Экономическая эффективность перевода автомобилей на ГСУ позволяет оценить затраты на приобретение компонентов ГСУ, суммарные эксплуатационные затраты, экономию и затраты на топливо, срок окупаемости всех затрат от внедрения ГСУ, срок окупаемости затрат на переоборудование, суммарные затраты на переоборудование базовых автомобилей.

Экономический анализ создания ГСУ учитывает основное ее преимущество, связанное с экологической безопасностью. Продвижение проекта ГСУ включает финансовые затраты на приобретение новых автомобилей, дополнительные вложения на подготовку предприятия к использованию ГСУ, увеличение затрат на техобслуживание и текущий ремонт, инвестиции в создание зарядной станции. Экологические фонды располагают достаточными ресурсами для решения проблем ГСУ.

Возвратный механизм вложенных средств базируется на снижении расхода топлива и текущих издержек при эксплуатации ГСУ. Окупаемость проекта по этим статьям займет многие годы. Получение кредитных средств на приобретение ГСУ в условиях низкой рентабельности проекта и кредитоспособности предприятия также проблематично.

Улучшение качества окружающей среды носит общечеловеческий характер. В центральной части крупных городов продолжительность жизни сокращается на 10 лет. Экологический аудит вложенных средств является надежным инструментом целевого расходования финансовых средств. Потребитель не заинтересован в приобретении ГСУ, существенно превышающей стоимость базового автомобиля. Государство берет на себя часть финансовых затрат в виде компенсации и предоставления владельцу ряда дополнительных льгот. Возвратный механизм включает возврат средств путем компенсации затрат со стороны государственных органов. Цена ГСУ не должна превышать 25 % цены автомобиля базовой модификации.

Инвестиционная привлекательность создания гибридных установок при существующих методах оценки эффективности для бизнеса не представляет практического интереса. Привлечение бюджетных средств для внедрения ГСУ обеспечивает перевод НТС на экономически чистое топливо. Развитие проекта требует поддержки со стороны муниципальных властей.

Система поддержки создания парка автомобилей с ГСУ должна предусматривать обеспечение заказами на выполнение транспортных услуг такими автомобилями. И в этом большая роль отводится городским властям, которые могут способствовать повышению объема транспортной работы и коэффициента использования этого парка. Важным этапом является предоставление льгот на налоговые платежи в период реализации проекта ГСУ.

Одной из форм инвестирования проекта внедрения ГСУ на данном этапе может стать система лизинга

предприятий с государственной собственностью. Это позволит решить важную задачу национальной экономики без значительных капитальных затрат. Лизинговая форма дает возможность решить многое вопросы налогообложения на государственном и муниципальном уровнях.

При технико-экономическом обосновании различных этапов создания ГСУ необходимо учитывать отечественный и зарубежный опыт применения электропривода НТС. Стоимость современного топливного элемента в 20 раз выше свинцово-кислотных батарей. Пористые электроды с высокоразвитой поверхностью (до 100 м2/г) позволяют снизить плотность тока и поляризацию электродов. Катализаторы, обеспечивающие ускорение химических реакций в ТХЭ, используют платину, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материалы в достаточно больших объемах. Для создания эффективных топливных элементов (ТЭ) необходимо резко сократить или полностью исключить применение драгоценных металлов, а также повысить удельную мощность ЭХГ. 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 электромобиля может быть ориентирована на конверсию метанола.

Готовые к широкому применению водород-кислородные элементы ориентированы на использование твердых полимерных электролитов. Серьезным препятствием на пути широкого распространения ТЭ является также сравнительно высокая цена получаемой с их помощью электроэнергии - 3.8 тыс. долл. США/кВт.

В Японии специалисты считают, что широкому проникновению на рынок ТХЭ препятствуют высокая стоимость и необходимость их замены через пять лет. В перспективе стоимость компонента ТХЭ может составить 0,02 долл. США/кВт-ч. Наиболее перспективным источником энергии на АТ является электрохимический генератор, содержащий твердооксидные и твердополимерные ТЭ. Щелочные ТЭ, созданные на Новоуральском электрохимическом комбинате, имеют определенную перспективу на автотранспорте.

В Институте катализа им. Г.К. Борескова СО АН СССР 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. Институт электрофизики и Институт высокотемпературной электрохимии Уральского научного центра АН СССР разработали методы получения нанопорошков и наноке-рамики 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 Москве демонстрировали автомобиль «Лада» с электродвигателем

(Щ

Транспорт и экология

и электрохимическим генератором «Фотон». В системе питания использовали хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти автомобили могут проехать 300 км.

Проникновение ТЭ на рынок сдерживается высокой себестоимостью электроэнергии и малым ресурсом. Наибольший ресурс отмечен у твердополимерных ТЭ -2.5 тыс. ч работы. Требуемый же срок службы составляет 20.30 тыс. ч.

Потребности АТ в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15.100 кВт) составляют 500 тыс. в год. Стоимость одного такого генератора - более 3 тыс. долл. США.

Самое большое воздействие на окружающую среду оказывает транспорт, нанося значительный экономический и социальный ущерб. Наибольшее распространение получила методика оценки валовых выбросов. Эколого-экономический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха определяется по обобщенной зависимости

М = уа/ М ,

эу ' ^ вв'

где у = 40 руб./усл. т - нормирующая константа, переводящая уровень загрязнения территории в денежный эквивалент при оценке годовых выбросов ВВ; а - показатель относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха в зависимости от типа территории (а=46,67 для различных территорий в 2005 г., а = 8 для жилых районов города с высотной застройкой, включая улицы, магистрали и парки, а=4 для территорий промышленных предприятий); /=12 - коэффициент, учитывающий характер рассеивания примеси в атмосфере; Мвв - приведенная к СО масса ВВ годового выброса от источника (с учетом относительной агрессивности), усл. т/год [1].

Приведенная масса годового выброса ВВ системных источников может быть определена по формуле

п

Мвв='ЕА{Пц,

где А. - показатель относительной агрессивности (относительно оксида углерода) различных примесей, поступающих в атмосферу, усл. т/т выброса; т:. - масса годового

Таблица 2

Агрессивность вредных веществ при различных ПДК

Компонент ОГ Относительная среднесуточная агрессивность ВВ, усл. т/т

Оксид углерода СО 1

Углеводороды СД 2

Оксиды азота NOx -

Диоксид азота NO2 35,29

Двуокись серы SO2 60

Сероводород Н^ 375

Сажа С 60

Бензапирен С20Н12 3 000 000

Акролеин СН2СНСНО 100

Формальдегид Н2СО 250

Соединения свинца РЬОх (в пересчете на РЬ) 4285,71

ТЧ (дизелей) 200

выброса /-го ВВ транспортным средством, т/год; п - общее число ВВ, поступающих в атмосферу.

Относительная агрессивность /-го компонента по отношению к СО определяется как отношение ПДКСО к ПДК. для основных компонентов (табл. 2).

Показатель относительной агрессивности учитывает относительную опасность присутствия примеси в воздухе. Массу годового выброса /-го вредного вещества т. можно найти по зависимости

H ^

dim,.

1000 ti

где Н - годовая наработка автомобиля, км; mik - выброс i-го вредного компонент на k-м режиме, г/км; ак - коэффициент, учитывающий продолжительность работы НТС на k-м нагрузочном режиме; k- число учитываемых нагрузочных режимов.

Зная объем отработавших газов и определяя концентрацию i-го компонента на каждом режиме, можно найти m.k. Значения показателя относительной опасности загрязнения атмосферного воздуха над различными территориями изменяются в диапазоне 1.300.

Величина суммарного базового выброса ВВ выбрана постоянной и соответствует среднесуточной ПДК СО (мг/м3) населенных пунктов. Сравнивая эту величину с санитарными нормами можно составить уравнение

Ai = gi тот Тот со > где д. - плотность i-го компонента; тОГ - масса ОГ; ТОГ СО -относительная среднесуточная вредность компонента ОГ.

В ОГ ДВС при работе на метане наряду с традиционными ВВ (NOx, СО, СН и твердые частицы) присутствуют парниковые газы (С02, СН4 и N2O). Если С02 оказывает только парниковый эффект, то СН4 и №,О дополнительно и вредное воздействие.

Парниковый эффект

Разработанный метод позволяет оценивать ущерб от традиционных нормируемых компонентов ОГ, включая парниковых газы СО2, СН4 и N-Д Существуют две модели оценки ущерба: «FUND IVM» (г. Амстердам) и «Ореп Framework» (Оксфорд). В качестве единицы измерения используется выброс 1 т СО2. Результат расчетов показывает потенциал, выраженный в эквивалентом выбросе СО2. Ущерб от глобального потепления можно определить зависимостью

п

У га = YC02 S Fnap, ГГЦ,

где Упэ - парниковый эффект от выброса 1 т СО2, рекомендуемое к использованию значение составляет 32 евро/т СО2; уСО - коэффициент приведения компонентов к СО2, F - потенциал изменения климата от выбросов i-го газа; т. - масса выброса загрязнителя, кг; n - число ВВ, обладающих парниковым эффектом.

Плату за нормативные и сверхнормативные выбросы ВВ перечисляют в экологические фонды. Расчет экологических затрат, содержащих ориентировочную прогнозную стоимостную оценку риска, является определяющим при экологическом страховании. Выбросы парниковых газов

ДВС можно представить в виде суммы выбросов ВВ, приведенных к эквивалентному выбросу СО2:

Мпг = Мог у ОТ + Мкг Укг + Тти Ути >

где Мпг - эквивалентный выброс парниковых газов; Мог - суммарные выбросы ВВ, приведенные к СО2; Мкг- выбросы картерныхгазов;Тти- топливныеиспа рения; уог, укг, ути - коэффициенты приведения компонентов к СО2.

Склонность ОГ к формированию парникового эффекта - условный показатель для сравнительной оценки вредных выбросов. В качестве единицы измерения используют выброс 1 т СО2, принимаемый для расчета парникового эффекта. В атмосферу, кроме С02, выбрасываются также N,0 и СН4. Потенциал ОГ НТС к возникновению парникового эффекта можно рассчитать по зависимости [7]

'пар = Щ:о2 + 320/и^о + 25тсщ, где , т с ти - выбросы ВВ, т; числовые значения

С02 N20 СН4

(1, 320 и 25) характеризуют относительную опасность выбрасываемых ВВ.

Результаты расчетов показывает потенциал, выраженный в эквивалентном выбросе С02. Метан, имеющий значительный потенциал парникового эффекта, превышает в 25 раз С02. Влияние СО2 на парниковый эффект выражается в способности поглощать инфракрасные лучи, испускаемые поверхностью Земли.

Фактор характеризации Рпар показывает относительную опасность попадания вещества в окружающую среду. Для количественной оценки поглощения теплового излучения Земли используют следующее выражение

Агар ^^-^пар/'

где - выброс /-го вещества.

Оценка кратковременных прогнозов парникового эффекта произведена за период (табл. 3) 20 и 50 лет, а долговременных - 100 и 500 лет. Для оценки жизненного цикла автомобиля рекомендуется использовать период 100 лет.

Наибольший вклад в образование парникового эффекта вносит выброс СО2, хотя он имеет минимальный фактор характеризации. Заметный вклад вносит Шх [7]. Уровень показателей легкового автомобиля при жизненном цикле

продолжительностью 10 лет позволил определить фактор характеризации (табл. 4).

Если тенденция роста выбросов С02 сохранится, то удвоение количества С02 в атмосфере может произойти в середине XXI в. Оптимистические модели предсказывают такое удвоение лишь к 2100 г. Грузовые автомобили на КПГ и дизельные выбрасывают на 25.30 % СО2 меньше в сравнении с бензиновыми автомобилями. Метан в 25 раз более активный парниковый газ по сравнению с СО2.

Оценка экологической эффективности энергоносителя может быть определена по приведенному выбросу ВВ, представляющему выброс 1 кг ВВ на 1 т израсходованного топлива. При переводе грузовых автомобилей на газовое топливо приведенные выбросы сокращаются вдвое в сравнении с жидким углеводородным топливом.

Расчет показателя С1 (руб./кВт • ч), учитывающего ущерб от парниковых газов С02, СН4 и N„0, проводится по формуле:

С1 = ССО2 + С^0 + ^СИ4 .

Высокое содержание водорода в газовом топливе обеспечивает более полное сгорание горючей смеси. Для расчета С1 необходимо определить цену единицы выброса СО2 (табл. 5).

Снижение содержания О2 на отдельных участках крупного города сопровождается ростом содержания СО2 до 0,8 %, превышающим в 20 раз уровень фона. Содержание О2 является достаточно стабильной величиной, не имеющей суточной зависимости. В летнее время года содержание О2 уменьшается на 2,3 %, а в зимнее - на 1,0 %. Наибольший вклад (95 %) в образование парникового эффекта вносят выбросы СО2. Заметный вклад, составляющий 4,8 %, вносит ^0.

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 топливно-химические элементы приняты

Таблица 3

Потенциал образования парникового эффекта

Вещество Фактор характеризации Япар изменения климата, кг С02/кг вещества

20 лет 100 лет 500 лет

Диоксид углерода С02 1 1 1

Метан СН4 62 25 7,5

Гемиоксид азота 1\120 290 320 180

Таблица 4

Вклад различных веществ в изменение климата

Вещество Выброс вещества, шр кг Факт°р ^ кг С02/кг вещества ш. Я . 1 пар 1 Вклад вещества, %

Диоксид углерода С02 35000 1 35000 94,8

Метан СН4 6,2 25 155 0,4

Гемиоксид азота 1\120 5,4 320 1728 4,8

Итого (/„„) - - 36883 100

Таблица 5

Показатель агрессивности и цена СО2, СН4, N2О

Парниковые газы Показатель агрессивности Цены, евро/т

СО2 1 32

СН4 23 161

N.,0 296 2072

Таблица 6

Сопоставительный анализ эффективности гибридного автомобиля

Техническая характеристика Автомобиль

Гибридный На СУГ Дизельный

Тип кузова / число дверей / мест Хетчбек / 5/5 Седан / 5/5 Универсал / 5/5

Снаряженная масса, кг 1370 1790 1270

Тип двигателя Бензиновый В4 Газовый, бензиновый В4 Турбодизель, В4

Рабочий объем, см3 1798 2300 1582

Максимальная мощность, кВт

Максимальный крутящий момент, Нм

Привод трансмиссии Передний, бесступенчатый, автомат Задний, 5-ступенчатый, механический Передний, 4-ступенчатый, автомат

Максимальная скорость, км/ч 180 173 176

Пробег 350 км, л 16 21

Время разгона, с 10,4 13,5 11,9

Расход топлива, л/100 км 3,9 5,1 5,5

Объем топливного бака, л 45 55 48

Гарантия, год/км 3/100 000 3/100 000 5/150 000

Межсервисный пробег, тыс. км 10 15 15

Заводская гарантия на кузов, год 3 3 5

Содержание СО2 в ОГ, г/км 120 104 170

Розничная цена, руб. 1 117 000 628 000 659 000

следующие положения. Разрабатываемая энергетическая установка на ТХЭ позволяет получать электрическую энергию из топливных элементов водорода и кислорода, минуя стадию сгорания (табл. 6).

В мировой практике автомобилестроения широко ведутся работы по созданию эффективных гибридных автомобилей. Ограниченный запас энергии в аккумуляторной батарее вынуждает специально проектировать двигатели с наибольшим соотношением между мощностью и массой и 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. 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 мероприятий по улучшению качества окружающей среды. ГСУ позволяет существенно снизить содержание парникового газа СО2 в сравнении с известными энергетическими установками на автомобильном транспорте.

Литература

1. Ерохов В.И., Николаенко А.В. Оценка экологической безопасности современных автотранспортных средств // Транспорт на альтернативном топливе. - 2009. - № 1. - С. 66-70.

2. Теоретические основы проектирования автомобилей нового поколения, работающих на химических топливных элементах. Карунин А.Л, Ерохов В.И., 2007 г. Отчет № 01 200 962 746, НИР МГТУ «МАМИ». - 2007. - 69 с.

3. Карунин А.Л., Бахмутов С.В., Селифонов В.В., Круташов А.В., Карпухин К.Е., Авруцкий Е.В. Экспериментальный многоцелевой гибридный автомобиль // Автомобильная промышленность. - 2006. - № 7.

4. Мирзоев Г.К., Казаров А.П. Разработка электромобилей ОАО «АвтоВаз» // Журнал Автомобильных инженеров. - 2010

- № 1. - С. 18-25.

5. Ставров О.А. Электромобили. Изд-во «Транспорт», 1968.

- 100 с.

6. Васильев И.П. Методика оценки ущерба, наносимого отработавшими газами ДВС при использовании в качестве топлива метана // ДВС. - 2009. - № 2. - С. 94-96.

7. Сравнительная оценка различных типов испарителей топлива для питания автомобильных двигателей. Звонов В.А., Корнилов Г.С., Козлов А.В. Проблемы конструкции двигателей // Сб.научн. тр. НАМИ. - 1998. - С. 239-254.