История развития электромобиля

Аннотация

Общая постановка проблемы

В последние десятилетия в связи с быстрым развитием автомобильного транспорта существенно обострились проблемы воздействия его на окружающую среду. Транспортно – дорожный комплекс является мощным источником загрязнения природной среды. Из 35 млн.т вредных выбросов 89% приходится на выбросы автомобильного транспорта и предприятий дорожно-строительного комплекса. Существенна роль транспорта в загрязнении водных объектов. Кроме того, транспорт является одним из основных источников шума в городах и вносит значительный вклад в тепловое загрязнение окружающей среды. [1]

Известно, что топливо сгорает в камере при взаимодействии с кислородом воздуха. Этот процесс сопровождается интенсивным выделением тепла, которое и преобразуется в работу. Теоретически для сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха, однако на практике этого количества оказывается недостаточно. Дело в том, что воспламенение и сгорание бензино-воздушной смеси (ее еще называют горючей) длится тысячные доли секунды, и к такому быстрому процессу она недостаточно хорошо подготовлена. В смеси остаются газы от предыдущего цикла, препятствующие доступу кислорода к частицам топлива; кроме того, не удается добиться ее идеального перемешивания по объему цилиндра, особенно у непрогретого двигателя и на переходных режимах. В результате не все топливо окисляется до конечных продуктов, и для нормального протекания процесса сгорания его приходится добавлять. Если в горючей смеси количество топлива больше расчетного, смесь называется богатой, если меньше - бедной. При средних нагрузках главное внимание обращается на экономичность, поэтому в камеру сгорания подается несколько обедненная смесь. При небольшом обогащении смеси скорость ее сгорания увеличивается, в камере развиваются более высокие температура и давление. Для максимальных нагрузок или резкого перехода с малой нагрузки на большую требуется богатая смесь. Большое количество топлива подается в цилиндры и при пуске холодного двигателя, когда горючую смесь образуют только самые легкие фракции топлива. В этих случаях из-за недостатка кислорода топливо сгорает не полностью. Двигатель хотя и развивает большую мощность, но работает не экономично и выбрасывает в атмосферу токсичные продукты неполного сгорания.

Наиболее токсичными компонентами отработавших газов бензиновых двигателей являются: оксид углерода (СО), оксиды азота (NОx), углеводороды (СnHm), а в случае применения этилированного бензина - свинец. Состав выбросов дизельных двигателей отличается от бензиновых. В дизельном двигателе происходит более полное сгорание топлива. При этом образуется меньше окиси углерода и несгоревших углеводородов. Но, вместе с этим, за счет избытка воздуха в дизеле образуется большее количество оксидов азота. Дизельные двигатели, кроме всего прочего, выбрасывают твердые частицы (сажу). Сажа, содержащаяся в выхлопе, нетоксична, но она адсорбирует на поверхности своих частиц канцерогенные углеводороды. При сгорании низкокачественного дизельного топлива, содержащего серу, образуется сернистый ангидрид. [2]

В последние годы в Федеративной Республике Германии, а также в других странах Европы и всего мира были приняты постановления и законы, направленные на снижение выброса вредных веществ в атмосферу. Естественно, что при этом особое внимание должно быть обращено на автомобильный транспорт. В ответ на ужесточение норм на токсичность в США и Европе, автомобильная промышленность проводит новые разработки, направленные на снижение и полное предотвращение выброса вредных веществ с ОГ.

Однако, исключением в этом развитии является ситуация с выбросом двуокиси углерода CO2. Выброс двуокиси углерода CO2 зависит непосредственно от расхода топлива автомобилем. Новые разработки позволили снизить расход топлива, но увеличение зарегистрированных автомобилей и продолжающаяся тенденция к увеличению мощности двигателей и массы автомобилей сводят все последние достижения на нет. Прирост выбросов CO2 в последнее время замедлился и появилась тенденция к его будущему снижению. [3]

Основную роль в формировании тепловой ловушки в верхних слоях атмосферы играет углекислый газ. Тепловые станции, транспорт и городское хозяйство производят примерно 1/3 всего углекислого газа, выбрасываемого в атмосферу Земли. Леса планеты частично поглощают углекислый газ. Однако количество выбрасываемого в атмосферу углекислого газа в результате роста объемов потребления сжигаемого топлива так велико, что «зеленые легкие планеты» уже не могут полностью переработать его. Подавляющая доля выбросов приходится на развитые страны Северной Америки и Европы, стремительно индустриализирующиеся развивающиеся страны Дальнего Востока.[4]

Для автомобиля на ДВС цепочка преобразований включает в себя добычу нефти, ее транспортировку на НПЗ, переработку в топливо, транспортировку топлива до АЗС и, наконец, эффективность работы двигателя внутреннего сгорания и трансмиссии автомобиля. Для электромобиля аналогичная цепочка включает добычу ископаемого топлива, его доставку до электростанции, преобразование в электроэнергию, передачу электроэнергии до зарядной станции, процесс зарядки аккумуляторной батареи и эффективность работы тягового инвертора с электроприводом. В зависимости от сделанных допущений, итоговая энергоэффективность электромобилей оценивается на уровне 30-40%, в то время как эффективность автомобиля на ДВС в городском цикле движения лежит в пределах 14 – 18% [5]

Энергетическая эффективность электромобиля, как следствие, определяет его экологическую эффективность. Помимо того факта, что локальное использование электромобилей вместо автотранспорта на углеводородном топливе позволяет резко сократить уровень загрязнения окружающей среды различными опасными химическими соединениями, применение электромобилей также позволяет снизить уровень выброса парниковых газов. Сравним объем выбросов парниковых газов для разных типов транспортных средств в современных условиях, исходя из следующих фактов и допущений:

• среднее потребление топлива современного легкового автомобиля при движении в городском цикле – 8 л/100 км;
• среднее потребление электроэнергии для электромобиля – 0,18 кВт. ч/100 км;
• доля тепловой энергетики в структуре электрогенерации – 66,7%;
• доля природного газа в топливном балансе тепловой электрогенерации – 73%;
• средний расход условного топлива на производство электроэнергии – 335 г/кВт.ч; • коэффициент перевода каменного угля в условное топливо по массе – 0,7;
• коэффициент перевод природного газа в условное топливо – 1,15 кг у.т./м3 ;
• содержание углерода в каменном угле по массе – 82%; • содержание углерода в природном газе по массе – 75%;
• содержание углерода в бензине по массе – 84,2%;
• масса углекислого газа, образующегося при сжигании 1 кг углерода – 3,67 кг;
• плотность природного газа – 0,75 кг/м3 ;
• плотность бензина – 0,75 кг/л;
• энергозатраты на производство бензина от добычи нефти до продажи на АЗС – около 15% от энергоемкости бензина;
• средний уровень потерь в электросетях – 10%;
• КПД процесса зарядки аккумулятор на электромобиле – 85%.

КПД процесса зарядки аккумулятор на электромобиле – 85%. На 100 км пробега традиционный автомобиль с бензиновым ДВС затратит 8 л бензина. Масса сгоревшего при этом углерода составит: 8 . 0,75 . 0,842 = 5,05 кг. Суммарные выбросы СО2 с учетом энергозатрат на добычу нефти, производство, транспортировку и сбыт бензина составят: 5,05 . 3,67 . 1,15 = 21,3 кг. Оценим выбросы углекислого газа для электромобиля. С учетом доли тепловой генерации в структуре выработки электроэнергии равной 66,7%, и принимая для расчета, что производство электроэнергии на ГЭС и АЭС практически не создает выбросов парниковых газов, будем учитывать только 18 . 0,667 = 12 кВт. ч из потребляемой электромобилем энергии при пробеге в 100 км. Для производства 12 кВт. ч электроэнергии потребуется 0,335 . 12 = 4 кг условного топлива. Используя распределение газа и угля в топливном балансе тепловой электроэнергетии, а также коэффициенты для перевода условного топлива в уголь и природный газ, получим, что для производства 12 кВт. ч электроэнергии на тепловых станциях необходимо затратить 1,91 кг угля и 1,8 кг природного газа. Сжигание этого топлива приведет к образованию СО2 : (1,91 . 0,82 + 1,8 . 0,75) . 3,67 = 10,7 кг. Учтем затраты на добычу и доставку топлива на электростанцию (7% от энергоемкости), интегральные потери в электросетях (около 10%) и КПД процесса зарядки автомобильного аккумулятора (85%). Получим итоговое количество произведенного СО2 , связанное с пробегом электромобиля 100 км: 10,7 . 1,07 . 1,1 / 0,85 = 14,8 кг. Таким образом, в современных условиях замена традиционного автомобиля с ДВС на электромобиль приводит в конечном итоге к сокращению уровня выбросов парниковых газов на транспорте примерно на 30%.[6]

Автотранспорт создает в крупных городах обширные зоны с долей загрязнения воздуха в 70–90 %. В связи с ростом количества личного автотранспорта смог над большими городами стал приметой времени. Автомобили с двигателями внутреннего сгорания производят много шума, много дыма. Часто наблюдаются «пробки» на дорогах, в этих пробках длительное время простаивают автомобили, отравляя окружающую среду не меньше чем при нормальном режиме езды, но при этом передвигаясь со скоростью пешехода. В автомобильном выхлопе содержится большое количество вредных веществ, но большинство из них влияют на экологию локально — в месте выброса, отравляя самого водителя и окружающих его людей. Также при сжигании топлива выделяется большое количество парниковых газов, которые являются одной из причин глобального потепления. Одним из путей решения проблемы внутригородского транспорта является внедрение электромобилей. Многие сравнительные характеристики экологической эффективности показывают явное превосходство электромобилей перед другими видами автотранспорта. Для внутригородского автотранспорта в ближайшее время нет более экологически чистой и недорогой альтернативы электромобилям. [7]

Реальная динамика цен на электромобили, даже при резком удешевлении аккумуляторных батарей, будет определяться и производственными возможностями компаний-изготовителей электромобилей, и государственной политикой по субсидированию приобретения экологически чистых автомобилей, и реальным спросом на электромобили. Однако в случае, если приведенный прогноз по уровню цены на аккумуляторные батареи окажется близким к реальности, то ценовой барьер, препятствующий в настоящее время возникновению массового спроса на электромобили, может быть практически ликвидирован. В отношении удельных энергетических показателей аккумуляторных батарей, определяющих запас хода и динамику разгона, за последние несколько лет произошел значительный прогресс.[8]

Первый электромобиль появился в 1841 году в виде тележки, на которую был установлен электромотор. Возможность создания такого электромобиля появилась после открытия Фарадеем электромагнитной индукции.

Электромагнитная индукция – это явление, связанное с возникновением электродвижущей силы в замкнутом контуре при изменении магнитного потока.

Только в 1851 году (через 10 лет) был изобретён двигатель внутреннего сгорания для использования его в традиционных автомобилях, а первый автомобиль с бензиновым двигателем был создан только через 50 лет после создания первого электромобиля.

С 1899 года одновременно в разных странах стали изобретать электромобили, которые могли проехать без подзарядки только от 60 до 160 километров. Поэтому в то время главной проблемой электромобилей была сложная система подзарядки. Но, несмотря на сложности, в 1899 году электромобиль смог превзойти рубеж в 100 км/ч и достиг скорости в 105 км/ч. Такой электромобиль весил 1 тонну, и на нём было установлено 2 электродвигателя. Это был мировой рекорд.

В начале 20 века в мире было очень много электромобилей, например, в Нью – Йорке в 1910 году в такси работало 70 тысяч электромобилей. Число электромобилей в 10-х годах 20 века в полтора раза превышало количество обычных бензиновых автомобилей. Но аккумуляторы по-прежнему слишком часто требовали подзарядки, хотя теперь зарядки хватало на большее количество времени. Конструкции и характеристики электромобилей улучшались, и количество выпускаемых электромобилей увеличивалось.

Электромобили в первом десятилетии 20 века были тихие, чистые, тяжёлые и очень простые в эксплуатации, но, при этом, стоили значительно дороже, чем традиционные бензиновые автомобили. Само производство традиционных автомобилей было дешевле, чем производство электромобилей.

Автомобили с двигателями внутреннего сгорания в то время издавали сильный шум, пахли маслом и мазутом, их нужно было заводить вручную, но они тоже продолжали модернизироваться и всё – таки постепенно вытеснили электромобили. Это произошло из-за того, что открытие богатых нефтяных месторождений повлекло за собой производство дешевого бензина. Также развитие автомобильных дорог позволяло совершать дальние путешествия, а электромобили были не способны ездить на дальние расстояния на одной зарядке аккумулятора. Так к 30 – м годам 20 века электромобили перестали выпускаться серийно.

Интерес к электромобилям возобновился в 60 – е годы 20 века из-за подорожания стоимости топлива. Постепенно стали создаваться различные виды электромобилей, но процент их использования населением Земли был по-прежнему не высок.

В 90 – х годах 20 века в США и в ряде других развитых стран издаются законы, согласно которым несколько процентов продаваемых автомобилей в стране не должны производить выхлопов. И авто-производители опять заинтересовались производством электромобилей. Также восстановление интереса к электромобилям произошло из-за проблемы загрязнения окружающей среды и из-за перспективы истощения запасов нефти на планете. [9]

Поборники экологии называют электромобили единственными видом транспорта, способным спасти нашу планету. Владельцы автомобилей с двигателями внутреннего сгорания – модными игрушками. Однако технологии не стоят на месте, и с каждым днем моделей на электрической тяге становится все больше, цены на устаревшие решения постепенно снижаются и такие машины перестают быть лишь концептами, непригодными для повседневного использования. Электромобили появились в линейках всех ведущих автопроизводителей. Современные электрокары содержат массу передовых технических идей, представляя собой шедевры инженерной мысли, и очень интересны с точки зрения IT – технологий.

Мировой финансово-экономический кризис начала XXI века, проблема транспортного коллапса и обеспокоенность вопросами экологии заставили производителей первого эшелона отказаться от «прожорливых» внедорожников и посмотреть в сторону небольших городских автомобилей, гибридов и электромобилей. Одним из бестселлеров начала XXI века стал электромобиль Mitsubishi i-MiEV, продажи которого стартовали в 2009 году. В Европе данный электромобиль более известен как Peugeot iOn и Citroen C-Zero. В феврале 2011 года Mitsubishi i MiEV стал первым электромобилем, который разошелся тиражом в 10 000 штук. [10]

Если электротранспорт станет основным средством передвижения, объем CO2 в атмосфере может значительно сократиться. Это первичный экологический эффект замены традиционных видов топлива электричеством. Вторичного эффекта можно достичь благодаря развитию неуглеродной энергетики, в том числе возобновляемой энергетики, тогда и выбросов от транспорта станет меньше, а эмиссия парниковых газов при производстве электроэнергии значительно сократится.

Еще одним преимуществом станет снижение шумового воздействия. Города станут не только чище, но и тише – электромобили практически бесшумны. Для безопасности пешеходов автопроизводители даже разработали специальную систему оповещения.

Помимо экологического эффекта у электрокаров есть еще и экономический. Отказ от бензина или дизеля может оказаться выгодным. По подсчетам российских аналитиков, проезжая на электромобиле 20 000 км в год, водитель тратит на его зарядку всего 41 рубль в сутки. Для сравнения, владелец традиционного автомобиля, по примерным подсчетам, расходует на топливо 191 рубль в сутки, что в сумме за год может составить около 2% от средней заработной платы. Качественно новым этапом развития индустрии электромобилей стало появление технологической концепции Vehicle – 2 –Grid (V2G). Все началось с идеи двустороннего обмена энергией между автомобилем и городской сетью, по сути, это дает возможность водителям, полностью зарядив электромобиль, вернуть излишки энергии в сеть и получить за это деньги. Впервые о V2G заговорили в начале нулевых, но на тот момент еще не было готовых к использованию технологических решений.

Жизнь владельца V2G-мобиля выглядит так: ночью, когда нагрузка на электросеть минимальна и тарифы на электроэнергию невысоки, электромобиль заряжается. Утром в пиковые часы, добравшись до рабочего места, водитель продает неиспользованную энергию по высокому тарифу. После обеда, в часы средней нагрузки, транспортное средство можно дозарядить, а вечером продать излишки энергии по высокому тарифу. Такая простая схема не только выгодна, но и может помочь стабилизировать работу городской энергосети. Технология V2G применима не только на личном автотранспорте: корпоративные автомобили и общественный транспорт с крупными батареями, оставаясь ночью подключенными на парковках и в депо, могут поддерживать мощность и безопасность сети.

Сегодня электротранспорт – это торжество инновационных технологий энергетической и машиностроительной отраслей. Электромобили способны значительно улучшить качество жизни человека. Сейчас автоконцерны, крупнейшие производители аккумуляторов, батарей и зарядных устройств, международные энергетические компании, не исключая нашу, активно ищут пути внедрения технологической концепции V2G. Ее потенциал огромен: согласно прогнозу экспертов Navigant Research, мировая выручка от решений на основе V2G к 2020 году вырастет с $900 000 до $190 млн ежегодно. Эта многообещающая цифра способна не только привлечь компании из самых различных индустрий в открытие новых перспективных сфер применения V2G, но и со временем убедить водителей сделать выбор в пользу электротранспорта. [11]

Список используемых источников:

1. Адам А. М. Природные ресурсы и экологическая безопасность Западной Сибири. - М.: НИА-Природа, 2001.--172 с
2. http://avtonov.svoi.info/euro.php#sthash.3NPeCKWy.dpbs
3. https://www.autodela.ru/assets/files/books/VW/230_Vibros%20OG.pdf
4. http://climategroup.org.ua/upl/WWFpost-2012ru.pdf
5. http://www.energystrategy.ru/press-c/source/Timatkov_ep_6-14.pdf
6. https://matter2energy.wordpress.com/2013/02/22/wells-to-wheels-electric-car-efficiency/
7. http://xn--d1alhgbl1g.xn--p1ai/blog/ekologicheskaya-effektivnost-elektromobilya
8. 8. http://human.ucoz.com/publ/avtomobili_i_motocikly/ehlektromobili_istorija_i_sovremennost/ehlektromobili_istorija_i_sovremennost/40-1-0-45
9. https://www1.udel.edu/V2G/V2Gconcept.html
10. http://climategroup.org.ua/upl/WWFpost-2012ru.pdf
11. http://www.forbes.ru/biznes/338511-elektromobili-budushchee-uzhe-zdes