Источник энергии Носитель энергии на транспорте Преобразователь Энергоустановка

	Нефть(без присадок)		КЭУ на базе ДВС			Батарея		Электроиндикация

	КЭУ на базе ДВС с подзарядкой

Рис. 2.18. Источник энергии, носители энергии на транспорте и энергоустановки на транспорте

Ассоциация JAMA (Япония) в своих прогнозных материалах, рассматривая будущие аспекты автомобильной технологии до 2030 года, также в большей степени уделяет внимание электромобилям (рис. 2.19), хотя следует отметить, что рассматривается и биодизельное толиво.

Года
ТАБ	Автотранс-портные средства (АТС) с КЭУ (гибрид)
Электро- мобили (ЭМ)
ЭМ с зарядкой
АТС с топлив- ным элементом (ТЭ)
Био-топлива	Био-бензин Водородный био дизель Биотопливо
АТС с чистой дизельной установкой
Интеллектуальные транспортные системы (ИТС)	Этапы реализации ИТС

Рис. 2.19. Будущие автомобильные технологии

Ассоциация JAMA приводит различное видение долгосрочной перспективы развития транспорта как со стороны частного сектора, так и со стороны государственных организаций (таблица 2.4 и таблица 2.5).

Таблица 2.4

Обобщенное мнение частного сектора по перспективе транспортной энергетики

Таблица 2.5

Обобщенное мнение государственного сектора по транспортной энергетике

Приводится дорожная карта (рис. 2.20), подготовленная фирмой «Bosch» (Германия), где рассмотрено развитие энергоустановок транспортных средств в долгосрочной перспективе. Как видно, в перспективе ориентация идет на применение электрического транспорта.

Рис. 2.20. Дорожная карта

Альянс «Рено-Ниссан» выдвигает более конкретные предложения. Уже выпущены серийные образцы автомобиля «Нисан-Лиф» и теперь альянс рассматривает стратегию по регионам мира, где предлагается внедрение электромобилей (рис. 2.21). В частности, в 2012 году планируется организация их продаж в России.

Рис. 2.21. Промышленная стратегия Рено-Ниссан

В этом плане рассматриваются различные бизнес модели реализации электромобилей, в том числе через аренду и другие условия (рис. 2.22).

Бизнес модель = аренда ТАБ + покупки

Рис. 2.22

В любом случае можно говорить, что мировое автомобилестроение делает ещё один шаг, приближая время широкого внедрения электромобилей, хотя есть ещё ряд технико-экономических аспектов, которые необходимо решать для этого.

Правительства многих европейских стран стимулируют покупку экологически более чистых автомобилей, вводя систему скидок и наценок при покупке в зависимости от уровня эмиссии CО₂. Например, в Бельгии на все автомобили с выбросом СО₂ менее 105 г/км дается скидка 15% с покупной цены, а в регионе Валлония действует еще и система скидок и наценок согласно таблице 2.6.

Таблица 2.6

Система скидок и наценок в Бельгии (регион Валлония)

Направление развития электромобилей является сегодня наиболее оптимальным с точки зрения решения проблемы экологии крупных мегаполисов (города с населением более 5 млн. чел.), а также мегарегионов (курортных зон) и мегакоридоров с интенсивным движением транспорта с учетом все более ужесточающихся требований по выбросу вредных веществ и снижению парниковых газов − СО₂

Сегодняшнее соотношение экологических и экономических характеристик электромобилей (ЭМ) позволяют прогнозировать в ближайшие 20 лет их возможный рост в общем парке автотранспортных средств. Так, планируются инвестиции по 1 млрд. долларов ежегодно в течение ближайших 5-10 лет ведущими автомобильными странами в развитие экологичного транспорта. США, Китай и Европа в ближайшие 5-10 лет могут стать крупнейшим в мире рынком для электромобилей. Аналитики из Калифорнийского отделения I.D.Power прогнозируют, что общий рынок автомобилей к 2020 году в Европе составит более 23 млн. штук, а ЭМ займут примерно 3% или более 700 тысяч штук. Вторым по величине рынком ЭМ ожидается Китай, примерно 350 000 штук или 1,9% от общего объема. США − отводится третье место с объемом более 100 000 ЭМ, или 0,6% от общего рынка в 2020 году. Однако существуют и другие аналитические прогнозы, которые прогно­зируют рост объемов производства ЭМ на уровне 7-10% от ожидаемого общего мирового объема производства около 70 миллионов автомобилей в 2020 году.

Многие страны имеют национальные программы по развитию ЭМ, а ряд ведущих автомобильных и электротехнических фирм конкретные планы производства, приведенные в таблице 2.7.

Таблица 2.7

Планы организации производства ЭМ в разных странах

Японские компании видят в электричестве следующий этап эволюции автопрома, заявляя о перспективе захвата до 90% рынка легковыми автомобилями с комбинированными (гибридными) энергоустановками (КЭУ), которые планируют в дальнейшем трансформировать в развитие конструкций электромобилей. Планом предусматривалось в 2010-2011 годах начать в Японии массовое производство двухместных электромобилей с дальностью пробега 80 км на одной зарядке.

Главной проблемой, опять же, остается тяговый источник тока, технические параметры которого требуют значительного улучшения.

В этой связи интересен материал, представленный фирмой «GM»
(рис. 2.23), где приведены параметры плотности энергии автомобильных топлив, в том числе и тяговых источников тока.

Рис. 2.23. Плотность энергии автомобильных топлив и тяговых источников тока

Как видно плотность энергии нефтяных автомобильных топлив на несколько порядков превышает плотность энергии тяговых источников тока и это надо учитывать в прогнозных материалах по перспективе развития энергоустановок АТС.

Повышение плотности энергии тяговых источников тока остается одной из главных проблем, препятствующих широкому внедрению автомобилей.

На сегодня можно рассматривать ряд типов тяговых источников тока, которые доминируют на рынке (таблица 2.8).

Таблица 2.8

Мировые производители тяговых источников тока постоянно продолжают работы по улучшению параметров (SAFT, Electric Fuel limited, Electric de France, Nissan Research Center, Selectria Corp, Ovonic LLC, Varta Batlary AG и др.).

На рисунке 2.24 представлены основные технологии накопителей, а в таблице 2.9 технические параметры различных типов аккумуляторов.

Удельная энергоемкость Втч/кг

Рис. 2.24. Диаграмма для разных батарей
(чистые ЭМ, гибридные с подзарядкой, чистые гибриды).

Таблица 2.9

Технические параметры различных типов батарей

а…гель электролит температура от 60 до 70оC

b…температура от 250 до 300оС

с…в зависимости от активного материала и электродов (анода)

d…значение для раствора (электролит желеоюразный)

Например, фирма «Бош» (Германия) прогнозирует перспективу развития технических параметров Li-ионных батарей (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Развитие технических параметров тяговых батарей (ТАБ),

фирма «Бош»

Опубликована информация о разработках перспективных тяговых источниках тока фирмы «IBM» (Li-воздух), которые предположительно будут иметь параметры во многом превосходящие существующего параметры Li-ионных батарей.

Развитию ЭМ в нашей стране будет способствовать организация серийного производства литий-ионных аккумуляторов на совместном предприятии ООО «Лиотех», китайской номинации «Thunder Sky Limited» и Российской государственной корпорации нанотехнологий. Серийное производство таких батарей должно быть запущено в конце 2011 года.

Ожидается, что активные разработки в области повышения безопасности и сроков службы аккумуляторов, а также снижения стоимости минимум в 2 раза в ближайшие годы приведут к тому, что литий-ионная батарея станет серьезным конкурентом для свинцовых Ni-MH батарей, поскольку она объединяет преимущество обеих этих систем.

На рисунке 2.26 приведены данные по прогнозу развития электротранспорта и рынка продаж литий-ионных аккумуляторов.

Рис. 2.26. Прогноз развития электротранспорта и

рынка литий-ионных аккумуляторов

Итак, легковые электромобили прогнозируются специалистами мировых автопроизводителей как в наибольшей степени отвечающие экологическим требованиям (экочистый автомобиль; «зеленый» автомобиль).

Анализ достоинств и недостатков внедрения электромобилей показал преимущества электромобильного транспорта в части:

Экология:

- сохранение воздушного пространства, т.к. даже с учетом загрязнений от электростанций, расположенных вне города, электромобиль сегодня почти на 97% «чище» автомобиля с ДВС;

эксплуатация электромобиля исключает выделение токсичных; окиси
углерода, окислов азота, углеводородов, а также твердых частиц с канцерогенными свойствами;

исключаются выделения моторных масел, топлива и охлаждающей жидкости, что способствует охране почвы, грунтовых вод и зеленых насаждений;

снижается уровень шума от транспортного средства на 2-3 дБА от ЭМ по сравнению с ДВС;

улучшение условий труда водителя в связи с облегчением управления транспортным средством и исключения проникновения в кабину отработавших газов и паров топлива.

Экономика.

Преимущества:

- сокращается расход нефтяного топлива и других энергетических затрат при совершении транспортных работ, т.к. КПД автомобиля с ДВС составляет в условиях движения в городском транспортном потоке не более 15%, а электромобиля − 25% и выше, по мере повышения эффективности источников тока, электропривода и зарядных устройств. Электромобиль не расходует энергии на остановках (на холостом ходу) и имеет возможность рекуперации энергии при торможении;

- простота техобслуживания, большой межсервисный пробег. Трудозатраты на техническое обслуживание и текущий ремонт электромобиля на 50% ниже, чем для автомобиля с ДВС. В случае возникновения отказов, замена блоков может быть выполнена на месте, без буксировки электромобиля;

заряд источников тока электромобиля может выполняться в ночное время, что способствует равномерности загрузки промышленной электросети с повышением эффективности суточной работы электростанций. Возможность подзарядки аккумуляторов во время рекуперативного торможения;

простота конструкции (простота электродвигателя и трансмиссии; отсутствие необходимости в переключении передач ввиду высокой приспособляемости крутящего момента ТЭД к изменению внешней нагрузки, низкой устойчивости чистоты вращения вала электродвигателя, возможности реверсирования электродвигателя) и управления; высокая надежность и долговечность кузовной (салонной) части (до 20-25 лет) в сравнении с обычным автомобилем;

- ТЭД имеют коэффициент полезного действия до 90-95% по сравнению с 22-42% у ДВС;

- возможность торможения самим электродвигателем (режим электромагнитного тормоза) без использования механических тормозов − отсутствие трения и, соответственно, износа тормозов;

простая возможность реализации полного привода колес.

- значительно меньшие затраты на ЭМ при его эксплуатации (по материалам зарубежной технической литературы на примере сравнительных эксплуатационных затрат ЭМ «Smart» и автомобиля «Smart» показано, что расход энергии на «Smart» с ДВС на 30% больше, чем у ЭМ «Smart»). Аналогично, по оценке американских специалистов, эксплуатационные расходы ЭМ, приведенные в таблице 2.10, при их опытно-промышленной серии по улучшенной технологии, на 20-30% меньше, чем у АТС с ДВС.

Таблица 2.10

Эксплуатационные расходы электроавтомобилей

Недостатки:

- аккумуляторы за полтора века эволюции так и не достигли характеристик, позволяющих электромобилю на равных конкурировать с автомобилем по запасу хода и стоимости, несмотря на значительное усовершенствование конструкции.

Имеющиеся высокоэнергоёмкие аккумуляторы либо слишком дороги из-за применения драгоценных или дорогостоящих металлов (серебро, литий), либо работают при слишком высоких температурах (рабочая температура натрий-серного аккумулятора − более 300 °С). Кроме того, такие аккумуляторы отличаются высоким саморазрядом. В настоящее время наиболее массовыми для ЭМ являются литий-ионные батареи. Одним из перспективных направлений стала разработка никель-металл-гидридных аккумуляторов с оптимальным соотношением энергоёмкости и себестоимости. Значительно повысить отдачу от аккумуляторов позволяет применение электронных систем оперативного контроля за состоянием и зарядкой-разрядкой АКБ. Возможно, выходом из этой ситуации будет применение топливных элементов, в частности дешевеющих РЕМ-элементов;

- аккумуляторы хорошо работают при движении электромобиля на постоянных скоростях и при плавных разгонах. При резких стартах тяговые АКБ теряют много энергии. Для увеличения пробега электромобиля необходимы специальные стартовые системы, например, на конденсаторах, а также применение систем рекуперации энергии (экономия до 25 %);

- проблемой является производство и утилизация аккумуляторов, которые часто содержат ядовитые компоненты (например, свинец или литий) и кислоты;

- часть энергии аккумуляторов тратится на охлаждение или обогрев салона автомобиля, а также питание прочих бортовых энергопотребителей (например, свет или воздушный компрессор). Предпринимаются усилия, чтобы решить эту проблему с использованием топливных элементов, ионисторов и фотоэлементов;

- для массового применения электромобилей требуется создание соответствующей инфраструктуры для подзарядки аккумуляторов («автозарядные» станции);

- при массовом использовании электромобилей в момент их зарядки от бытовой сети возрастают перегрузки электрических сетей «последней мили», что чревато снижением качества энергоснабжения и риском локальных аварий сети;

- длительное время зарядки аккумуляторов по сравнению с заправкой топливом;

- малый пробег от одного заряда. Литиевая батарея ёмкостью 24 кВт∙ч при средних условиях движения (60-90 км/ч, ближний свет фар (фары на светодиодах), без отопления салона (без кондиционера) позволяет электромобилю проехать около 160 км. Использование кондиционера отопителя салона; движение с частым разгоном/торможением уменьшают пробег автомобиля;

- ухудшение характеристик (емкости, при зарядке и расходе энергии) батарей на холоде;

- деградация литиевых и других батарей с возрастом. В лучших моделях литиевых батарей через 5-8 лет остается менее 80% емкости.

Производство:

- технология производства электромобилей проще, чем автомобилей аналогичного типажа, и по мере роста объемов потребуются существенно меньшие капиталовложения для малых линий сборки с гибкой и быстрой переналадкой при менее сложном оборудовании, снижению себестоимости ЭМ способствует принятие за базовые платформы автомобилей действующего производства;

- освоение производства электромобилей создаст новые рабочие места на предприятиях машиностроения, электротехники и электроники, а также в области инфраструктуры.

Сложности внедрения электромобилей связаны со значительными пер­вичными капиталовложениями на исследовательские работы (особенно, в части разработки высокоэффективных энергоисточников), на создание конструкций и освоение их производством, создание необходимых элементов инфраструктуры в эксплуатации.

Удорожание в производстве и владении ЭМ в настоящее время и на ближайшую перспективу составляет ориентировочно в 2 раза.

Следует отметить, что прогнозы зарубежных специалистов сходятся на реальной возможности снижения стоимости электромобиля при совершенствовании конструкции и технологии его составных частей и росте годового объема производства более 20 000 штук (удорожание может составлять примерно до 60% от стоимости автомобиля с ДВС).

Определяющим фактором ускоренного и масштабного использования электромобилей является комплектование ЭМ перспективными источниками тока − литий-ионными аккумуляторами, производство которых в настоящее время не освоено в РФ, а закупка по импорту существенно увеличит стои­мость ЭМ.

В отношении ЭМ существует ряд специфических требований по транспортным перевозкам, связанным с ограниченным запасом хода по ездовому циклу (в пределах 80-150 км пробега за одну зарядку аккумуляторных батарей), ог­раничениями по преодолеванию подъемов, относительно невысокой динами­кой разгона с места, затратной статьей расходов на организацию инфра­структуры (в первую очередь − это сеть зарядных пунктов для аккумулято­ров, теплые боксы для ЭМ в зимний период) и др.

Создание ЭМ на основе автомобилей серийного производства сущест­венно упрощает решение этой задачи, а отсутствие ДВС, его систем и меха­нической трансмиссии снижают себестоимость ЭМ. Однако размещение ак­кумуляторных батарей с достаточно большими массо-габаритными парамет­рами уменьшает массу перевозимого груза и полезные объемы фургона (ку­зова).

К числу принципиальных вопросов, ограничивающих широкое использование ЭМ, является высокая первоначальная стоимость приобретения легкового электромобиля, ограничения в эксплуатации из-за отсутствия разветвленной сети электрозарядных станций, климатические условия (значительная территория РФ с отрицательной температурой в течение года требует хранения в теплых боксах).

Крайне важно обеспечить участие государства в области развития электротранспорта.

Например, правительство США выделяет 2,4 млрд. долларов на программу создания автомобилей с электрической двигательной установкой; 8,5 млрд. долларов − компаниям, переоборудующим автомобили в электрические. Приобретение электромобилей субсидируется из федерального бюджета в размере 50% от стоимости, но не более 7500 долларов из бюджетов штатов (для Калифорнии − 8000 долларов, Колорадо − 6000 долларов, Джорджии − 5000 долларов).

В Китае, который является одним из лидеров по количеству выпускаемых и используемых электромобилей, государством субсидируется приобретение ЭМ в размере 8500 долларов США.

Несомненно, перспективный транспорт, благоприятно воздействующий на человека и природу, – это электромобиль.

Большинство зарубежных компаний, работающих над созданием легковых электромобилей, осуществляют разработки в классах, ориентированных на потенциальных обеспеченных покупателей, т.к. заявляемая продажная стоимость ЭМ существенно выше традиционных конструкций с ДВС (на 20% ÷ 50% и даже более). Соответственно это в основном автомобили класса C, D и E, цена которых превышает 40 тыс. долларов.

Хотя фирма Mercedes в линейке легковых электромобилей ведет разработки и в классе А – Ecell с двигателем переменного тока с постоянными магнитами мощностью 70 кВт; запас хода до 135 км. Изготовлено в г. Раштатте 500 шт., которые сдаются в лизинг по 900 Евро в месяц.

Несмотря на очевидность предпринимаемых шагов многими странами (Япония, США, Китай, ЕС) по внедрению экологичных транспортных средств и наличие национальных и международных программ в этом направлении, в России нет сегодня ни региональной программы, ни федеральной программы разработки и внедрения экологичного транспорта (АТС на альтернативном топливе, АТС с КЭУ и электромобили), о чем следует сожалеть поскольку проводимые сегодня работы различными министерствами проводятся бессистемно и не имеют общей координации ввиду отсутствия единой идеологии.

Анализ эколого-экономической эффективности внедрения экологичного транспорта в крупных мегаполисах (таких как Москва, Санкт-Петербург, Нижний Новгород, Екатеринбург, Казань, Ростов-на-Дону, Сочи и т.п.) подтверждает первоочередную реализацию семейства электробусов и экологичного коммунального транспорта; а также экологичного легкого коммерческого транспорта (почта, маршрутное такси и т.п.), а также создание инфраструктуры, обеспечивающей эксплуатацию ЭМ, что должно найти отражение, например, в разрабатываемой в настоящее время программе «инновационная Москва». Но в любом случае реализация ЭМ должна быть технически и экономически обоснована с учетом методики оценки эффективности транспортного средства в его полном жизненном цикле.