Приоритеты энергоперехода на транспорте: электротяга или повышение экологического класса углеводородного топлива?

Введение

Климатическая повестка является одним из ключевых факторов, оказывающих влияние на развитие мировой экономики в настоящее время. Снижение выбросов парниковых газов, в первую очередь углекислого газа (СО2), рассматривается в качестве основного направления в борьбе с изменением климата на Земле. В соответствии с Рамочной конвенцией ООН об изменении климата каждая страна «проводит национальную политику» с целью ограничения выбросов парниковых газов в атмосферу.
В последние несколько лет Европейским союзом анонсируются различные амбициозные программы в разных секторах экономики по снижению выбросов парниковых газов. Одной из таких программ является переход на электротранспорт. С 2035 г. вводится требование нулевых выбросов углекислого газа для новых легковых автомобилей и микроавтобусов, что фактически вводит запрет на продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС) на территории ЕС.

Электромобиль Marilyn Murphy
Источник: amsterdam-916561 / Pixabay

Необходимо с определённым скептицизмом относиться к достижению поставленных Европейским союзом целей по углеродной нейтральности к 2050 г. [1] и снижению к 2030 г. выбросов парниковых газов на 55% относительно уровня 1990 г. [2], так как в настоящее время данные цели не подтверждаются ни наличием ресурсов, ни фактическими действиями [3]. Ввод в промышленную эксплуатацию ветровых и солнечных электростанций в ЕС составляет менее 10% от необходимого годового объёма [3].
Активное развитие ВЭС и СЭС в энергосистеме Германии в совокупности с выводом из эксплуатации АЭС не привело к снижению выбросов парниковых газов за период с 2000 по 2018 гг. [4]. Если бы реальной целью являлось снижение выбросов парниковых газов, то кратного снижения выбросов углекислого газа в энергосистеме Германии за рассматриваемый период можно было достигнуть путём инвестирования средств не в ВЭС и СЭС, а в переход с бурого угля на природный газ, развитие комбинированной выработки электрической энергии и тепла. Развитие ВЭС и СЭС в отсутствии накопителей энергии не может считаться эффективным путём снижения выбросов парниковых газов в энергосистеме и значительно проигрывает вариантам развития комбинированной выработки электроэнергии и тепла [4].
На климатической конференции в Глазго были озвучены планы по запрету продаж автомобилей с ДВС в США к 2035 г. В РФ на период до 2030 г. принята концепция по развитию производства и использования электрического автомобильного транспорта [5]. Москва с 2006 г. является участником партнёрства крупных городов – климатических лидеров в борьбе с изменением климата С40 [6]. Перевод наземного городского пассажирского транспорта на электротягу является частью обязательств, взятых на себя Москвой в рамках подписанной в 2019 г. декларации «Зеленые и здоровые улицы», инициированной партнерством. В рамках этого соглашения Москва заявила о своих намерениях к 2032 г. полностью заменить городской автобусный парк на электробусы.
Переход на электромобили предполагает отказ от бензина и дизельного топлива. Необходимо отметить, что в РФ функционирует 37 крупных НПЗ с объемами переработки более 1 млн т в год, а также мини-­НПЗ (МНПЗ). Суммарная мощность нефтеперерабатывающих предприятий в России оценивается на уровне 328 млн т в год [7]. Отказ от бензина и дизельного топлива окажет негативное влияние на отечественную экономику. Таким образом, анализ требуемых изменений в электроэнергетической системе страны и экологических эффектов в результате отказа от ДВС является актуальной задачей.

Потребность в электроэнергии и мощности в ЕЭС России для перехода на электротранспорт

Оценка дополнительных объёмов электроэнергии в ЕЭС России, требуемых для зарядной инфраструктуры, выполнена на основании:
годового расхода топлива автотранспорта на ДВС;
характеристик зарядных станций;
суточной и сезонной неравномерности потребления электрической энергии (мощности).
Для анализа выбраны европейская часть, Урал и Западная Сибирь (три часовых пояса: мск, мск+1 и мск+2). Для выполнения оценки предположим, что количество автотранспорта и потребление топлива на территории РФ пропорционально численности населения (таблица 1). Количество автотранспорта в РФ оценивается в 54 млн единиц, которые потребляют 64 млн т бензина и дизельного топлива [8].

Таблица 1. Исходные данные для оценки

Количество проживающих на рассматриваемой территории составляет около 82,5% от общей численности населения РФ.
Оценка на основании годового расхода топлива автотранспортом с ДВС. Сопоставление расхода электроэнергии электрическим транспортом с расходом топлива бензиновыми аналогами приведены в таблице 2.

Таблица 2. Сравнение расхода электроэнергии электрическим транспортом с их бензиновыми аналогами

Для оценки расхода электроэнергии электрическим транспортом от расхода топлива их бензиновыми аналогами принято соотношение 2,28 кВт∙ч/л. Годовой расход топлива для автомобилей на рассматриваемой территории РФ составляет около 52,8 млн т (таблица 1). Для замещения автотранспорта на электротранспорт потребуется обеспечить годовой заряд аккумуляторов электротранспорта в количестве 160,8 млрд кВт∙ч.
Электроэнергия для заряда электротранспорта будет дополнительно произведена на электростанциях. Оценка потребления дополнительной мощности в энергосистеме для перевода существующего транспорта на электротранспорт рассчитывается по формуле:
(1)

где: ЭАБ – годовая энергия заряда батарей электротранспорта; – число часов в году; ΔэАБ – потери при преобразовании электроэнергии на ЭЗС [9]; Δэсети – потери электроэнергии при передаче в электрических сетях [10]; Δэс.н. – расход электроэнергии на собственные нужды электростанции.
Среднегодовая электрическая мощность, потребляемая зарядными станциями, может составить 23,4 ГВт без учета сезонной и суточной неравномерности потребления.
Таким образом, данная оценка является минимально возможным значением при замене всех автомобилей с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) на электромобили.
Оценка на основании характеристик зарядных станций. В реальных условиях в течение года может потребоваться зарядка каждого автомобиля раз в сутки. Такая ситуация вполне возможна в холодный или жаркий периоды времени, когда аккумуляторные батареи имеют наихудшие показатели, а также в эти периоды будет повышенное потребление энергии дополнительными системами электромобиля [9,11,12]. Дополнительные генерирующие мощности в этом случае можно оценить следующим образом:

Nср. = nэл.моб. × N1.ЭЗС × Tзар. ⁄ 24 =
44,6 млн шт. × 22 кВт × 2 ч ⁄ 24 ч = 81,7 ГВт (2)

где: nэл.моб. – количество единиц автотранспорта; N1.ЭЗС – мощность зарядки одного автомобиля на ЭЗС; Tзар. – время зарядки одного автомобиля.
Таким образом, без учета суточной неравномерности потребления средняя электрическая мощность, потребляемая зарядными станциями в энергосистеме Москвы, может составить 81,7 ГВт.
Оценка на основании максимальной пиковой нагрузки при единовременной зарядке всех электромобилей. Единовременная зарядка всех электромобилей крайне маловероятна, но условно возможна при включении всех медленных зарядных устройств в вечерние пиковые часы после рабочего дня в жилых районах. Для электрической зарядки мощностью 7 кВт предельная пиковая мощность, потребляемая зарядными станциями в рассматриваемой части ЕЭС России, может достигнуть 312 ГВт, для электрической зарядки 22 кВт – 980 ГВт.
Необходимо отметить, что установленная мощность всех электрических станций в ЕЭС России на 1 января 2023 г. составляла 247,6 ГВт [13].
Оценка на основании суточной и сезонной неравномерности потребления электрической энергии (мощности). На основании фактических суточных графиков потребления электрической энергии существующими зарядными станциями на территории Москвы в январе и июне 2023 г. выполним оценку суточного максимума электрической мощности на зарядку электротранспорта в рассматриваемой части ЕЭС России (при условии, что суточные графики для трёхчасовых поясов соответствуют графику Москвы). На рис. 1–4 представлен прогноз потребления электрической мощности зарядными станциями в течение суток в январе и июне для вариантов среднегодового потребления 23,4 ГВт (вариант 1) и 81,7 ГВт (вариант 2).

Рис. 1. Прогноз потребления электрической мощности зарядными станциями
в течение суток для варианта 1 (на базе данных января 2023 г.)

Для варианта 1 совмещённые суточные максимумы для января и июня составят 42 ГВт и 34 ГВт соответственно. Для варианта 2 суточные максимумы для января и июня составят 148 ГВт и 120 ГВт соответственно. Выполненные оценки с учётом суточной неравномерности показывают, что совмещённый суточный максимум электрической мощности на зарядку электротранспорта в рассматриваемой части ЕЭС России может находиться в диапазоне от 34 до 148 ГВт.
Рост потребления электрической энергии на зарядку электротранспорта в энергосистеме приводит не только к росту потребляемой мощности, но к ухудшению электрических режимов загрузки генерирующего оборудования. Требуемый дополнительный регулировочный диапазон, размещённый на включённом генерирующем оборудовании, может составить от 32 ГВт до 37 ГВт (вариант 1) и от 112 ГВт до 130 ГВт (вариант 2) (таблица 3). Для сравнения, существующая суточная неравномерность потребления электроэнергии в ЕЭС России составляет около 20 ГВт как в зимние, так и летние месяцы.

Рис. 2. Прогноз потребления электрической мощности зарядными станциями
в течение суток для варианта 1 (на базе данных июня 2023 г.)

Рис. 3. Прогноз потребления электрической мощности зарядными станциями
в течение суток для варианта 2 (на базе данных января 2023 г.)

Учитывая ограниченное количество единиц электротранспорта в настоящее время по сравнению с общим числом транспортных средств, прогноз суточного максимума электрической мощности на зарядку электротранспорта на базе фактического суточного графика нагрузки нужно рассматривать, как предварительный.
Потери при зарядке и ресурс аккумуляторных батарей. Снижение потери заряда и сглаживание потребления электрической энергии внутри суток на зарядку являются необходимыми условиями для развития электрического транспорта.

Рис. 4. Прогноз потребления электрической мощности зарядными станциями
в течение суток для варианта 2 (на базе данных июня 2023 г.)

Основная причина потери заряда заключается в преобразовании переменного тока от электросети в постоянный для хранения в аккумуляторе [8, 11]. В процессе заряда электрическая энергия тратится на работу ряда блоков управления электромобиля, контролирующих процесс зарядки. Более высокая мощность зарядки сокращает время работы блоков управления. Чем выше мощность зарядки, тем короче процесс зарядки, тем меньше потери заряда [9]. Часть энергии тратится на поддержание температуры аккумулятора в разрешённом диапазоне.
Зимой электромобилям требуется значительно больше энергии, чем летом. В среднем на 20–30% больше расход топлива, а на коротких дистанциях на 50% [12].

Таблица 3. Совмещённые суточные максимум и минимум потребления
электрической энергии электрическими заправочными станциями

Потери электрической энергии для электромобилей Renault Zoe, VW ID.3, Tesla Model 3, Fiat 500e при использовании зарядного устройства мощностью 2,2 кВт составили от 12,7 до 24,2%, для зарядного устройства мощностью 11 кВт от 6,3 до 9,7% [9]. При пониженной мощности заряда со стороны транспортного средства в результате распределения нагрузки системой управления между несколькими транспортными средствами для зарядного устройства мощностью 11 кВт потери заряда составили от 9,2 до 13,9% [9], что в 1,5–2 раза выше, чем при номинальной мощности.
Необходимо отметить, что использование быстрой зарядки для электромобилей означает большие токи и, соответственно, больший нагрев аккумуляторной батареи, из-за чего ее работоспособность (SOH) заметно снижается. Так, при использовании быстрой зарядки даже несколько раз в месяц скорость деградации аккумуляторной батареи в 4–5 раз выше, чем при отсутствии быстрой зарядки [14]. Таким образом, с одной стороны быстрая зарядка сокращает потери электрической энергии, с другой сокращает срок службы аккумуляторных батарей и дальность пробега на одной зарядке.

Водородомобили

Производимая электроэнергия в топливных элементах водородомобилей, как и электроэнергия аккумуляторных батарей электромобилей, используется для работы электромоторов и обеспечения электроэнергией систем прочего оборудования. Оценка требуемой годовой выработки электроэнергии электростанциями для перехода на водородный транспорт в рассматриваемой части ЕЭС России выполнена на основании ранее полученного годового заряда аккумуляторных батарей для замещения топливного транспорта на электротранспорт, который составил 160,8 млрд кВт∙ч.
Для оценки затрат электроэнергии при производстве водорода принято, что с учетом режима работы и затрат электроэнергии на вспомогательное оборудование на выработку 1 кг водорода расходуется 69,04 кВт∙ч электрической энергии [3, 15], а эффективность преобразования химической энергии водорода в электрическую в топливном элементе равна 60% [16]. В расчетах не учтены потери и сопутствующие затраты энергии при хранении и доставке водорода с места производства на водородные заправочные станции.
По формулам (3) – (6) выполнены расчет требуемого количества годовой выработки электроэнергии на электростанциях в рассматриваемой части ЕЭС России:

где: ЭАБ – годовой заряд аккумуляторов при замене топливного транспорта на электротранспорт; WН2 – годовая химическая энергия, содержащаяся в водороде для производства равного количеству электроэнергии годового заряда аккумуляторов электромобилей; – эффективностью преобразования химической энергии водорода в электрическую энергию в топливном элементе; МН2 – масса водорода, производимая за год; – удельная теплота сгорания водорода; ЭН2 – годовой расход электроэнергии на электролизерах для производства водорода; эН2 – удельный расход электроэнергии на выработку 1 кг водорода; ЭЭС – годовая выработка электроэнергии на электростанции для производства водорода.
Среднегодовая электрическая мощность выработки электроэнергии на электростанциях в рассматриваемой части ЕЭС России для производства водорода:

где: Тг – количество часов в году.

Выбросы вредных веществ транспортом

Обеспечение конституционных прав граждан «на благоприятную окружающую среду» (статья 42 Конституции РФ) является одной из приоритетных задач государства.
Автотранспорт является одним из основных источников загрязнения атмосферного воздуха в городах. Воздействие автотранспорта на окружающую среду в процессе эксплуатации в городской среде связано не только с выбросами вредных веществ (ВВ) отработавшими газами (ОГ), но также ВВ, образуемыми вследствие истирания шин, деталей тормозной системы и дорожного покрытия [18–21]. Стирание шин, тормозных механизмов и дорожного покрытия являются причиной выбросов свинца, цинка и меди вдоль транспортных магистралей [20].
В настоящее время в литературе и средствах массовой информации пристальное внимание оказывается только выбросами ВВ с ОГ двигателей. С 1 июля 2016 г. в России и других странах Таможенного союза запрещен выпуск в гражданский оборот автомобильного бензина экологическим классом ниже пятого (К5 или евро‑5). На дизельное топливо К5 страна перешла с начала этого года [17].
Доля выбросов ВВ с ОГ (СН, СО, NOх и твердых частиц (ТЧ) в валовых выбросах ВВ транспортом в Москве в 2020 г. оценивается около 10,4%, в 2030 г. прогнозируется снижение до 7,2% [18]. Снижение выбросов ВВ с ОГ до 2020 г. связано с ужесточением нормативов евро‑3, евро‑4, евро‑5 и евро‑6 в соответствии с требованиями на выброс вредных веществ с отработавшим газом легковыми автомобилями по правилам № 83 ООН и автомобилями массой более 3,5 т по правилам № 49 ООН. Для выполнения нормативных требований выбросов ВВ с ОГ легковыми автомобилями по правилам № 83 ООН в автомобилях используются системы нейтрализации отработавших газов.
Доля выбросов ВВ от износа шин, тормозных механизмов и дорожного покрытия составляет около 90%. Выбросы ВВ от стирания шин, тормозных механизмов и дорожного покрытия осуществляются у поверхности земли на высоте до 2 метров, которые содержат выбросы РМ2,5 и РМ10, включающие ряд тяжёлых металлов [18, 20].
Показатели усредненной интенсивности износа протектора шин на 1 км пробега представлены в таблице 4 [19].
При увеличении массы транспортного средства увеличивается интенсивность износа протектора его комплекта шин. Износ протектора комплекта шин грузовых автомобилей в 150 раз превышает нормы выбросов ТЧ с отработавшим газом для евро‑6 по правилам № 49 ООН [21]. Аналогичный показатель износа протектора комплекта шин для легкового транспорта в 26 раз выше выбросов ТЧ с ОГ для евро‑6 по правилам № 83 ООН. Таким образом, объём валовый выбросов ВВ от износа шин, колодок и дорожного покрытия значительно превосходит выбросы с ОГ на топливе евро‑5 – евро‑6.

Таблица 4. Интенсивность износа протектора комплекта шин в зависимости от типа транспорта

Таблица 5. Сравнение снаряженной массы для транспортного средства с электроприводом
и с двигателем внутреннего сгорания

Сравнение функциональных показателей электротранспорта с традиционным с ДВС. Современные автомобили, работающие на углеводородном топливе (бензине и дизельном топливе), на сегодняшний день, имеют существенно лучшие массогабаритные показатели по сравнению с массогабаритными показателями электромобилей (BEV – электромобиль на аккумуляторных батареях) и водородомобилей (FCEV – электромобиль на топливных элементах).
Сравнение снаряженной и полной массы транспорта с двигателем внутреннего сгорания и с электроприводом показано в таблице 5, в которой использованы следующие обозначения: Mдвс – снаряженной масса транспорта с ДВС; ΔMэл. – превышение снаряженной массы электротранспорта над Mдвс. Снаряженная масса электромобилей выше топливных аналогов ~ 20%, а допустимый общий вес на ~ 14%. Снаряженная масса электробуса выше автобуса на 10,6%. Равенство полной массы для электробуса и автобуса обеспечена меньшей полезной массой, поэтому при перевозке равного количества пассажиров потребуется использовать большее количество электробусов.
В таблице 6 приведено сравнение массогабаритных показателей разных типов легковых машин на примере компании Toyota [22]. Снаряженная масса электро- и водородомобилей при равных условиях больше соответствующих масс автомобилей на углеводородном топливе более 12%. На электро- и водородомобилях используются шины большего размера для снижения давления шин на дорожное покрытие. Следует также отметить более низкий пробег на одной заправке для легковых электро- и водородомобилей по сравнению с легковыми автомобилями на углеводородном топливом.

Таблица 6. Сравнение массогабаритных показателей транспорта

В грузовых электро- и водородомобилях для обеспечения сопоставимого пробега на одной заправке с грузовыми автомобилями на углеводородном топливе приходится снижать полезную массу, перевозимого груза. Таким образом, для перевоза равного количества грузов потребуется больше грузовых электро- и водородомобилей по сравнению с традиционными грузовыми автомобилями на углеводородном топливе. Как было показано выше, при увеличении массы транспортного средства увеличивается интенсивность износа протектора его комплекта шин, а, следовательно, увеличивается количество выброс твердых частиц при его использовании.
Учитывая что выбросы ВВ от износа шин, тормозных механизмов и дорожного покрытия для существующего парка автомобилей составляют около 90% от валовых выбросов ВВ, в результате роста массы электро- и водородомобилей объём валовых выбросов ВВ от электротранспорта превысит значения для автотранспорта на топливе евро‑5 – евро‑6 даже без учёта выбросов из-за роста расхода топлива для производства электроэнергии на электростанциях.

Выводы

Отказ от автотранспорта с ДВС и переход на электро- и водородомобили не может считаться абсолютно обоснованным как с точки зрения экологии, так и с точки зрения негативного влияния на энергосистему.
Воздействие автотранспорта на окружающую среду в процессе эксплуатации в городской среде связано не только с выбросами вредных веществ отработавшими газами, но также с мелкими частицами, образуемыми вследствие истирания шин, деталей тормозной системы и дорожного покрытия. Доля выбросов с отработавшими газами не превышает 10% от валовых выбросов вредных веществ от транспорта.
В результате роста массы электромобилей и водородомобилей объём валовых выбросов ВВ от электротранспорта превысит значения для автотранспорта на топливе евро‑5 – евро‑6 даже без учёта выбросов из-за роста расхода топлива для производства электроэнергии на электростанциях.
Выполненные оценки с учётом суточной неравномерности показывают, что суточный максимум электрической мощности на зарядку электротранспорта в европейской части, Урале и Западной Сибири, при переходе с бензина и дизельного топлива на электричество может находиться в диапазоне от 34 до 148 ГВт.
Потребление электроэнергии для ЭЗС является пиковым, при преобразовании переменного тока в постоянный формируются дополнительные потери до 30% и ухудшается качество электроэнергии в сети.
Для Российской Федерации целесообразно сохранить отечественную нефтепереработку и сконцентрироваться в краткосрочной и среднесрочной перспективе на переходе к экологическому классу бензина и дизельного топлива евро‑6.