ЭНЕРГЕТИКА И ЭКОЛОГИЯ
ENERGY AND ECOLOGY
Статья поступила в редакцию 09.03.11. Ред. рег. № 956 The article has entered in publishing office 09.03.11. Ed. reg. No. 956
УДК 621.352.6
КАКИМ БЫТЬ ЭКОЛОГИЧЕСКИ ЧИСТОМУ ГОРОДСКОМУ АВТОМОБИЛЮ (Аналитический обзор перспектив использования ТОТЭ)
1 2 С.И. Нефедкин , А.С. Липилин
Московский энергетический институт (технический университет) 111250 Москва, ул. Красноказарменная, д. 14 E-mail: snefedkin@mail.ru 2Институт электрофизики УрО РАН 620016 Екатеринбург, ул. Амундсена, д. 106 E-mail: lipilin@iep.uran.ru
Заключение совета рецензентов: 25.03.11 Заключение совета экспертов: 10.04.11 Принято к публикации: 15.04.11
Проведен анализ развития и совершенствования автотранспортных средств с использованием в качестве движителя двигателя внутреннего сгорания, электромотора и их комбинации. Рассмотрена возможность применения бортовых энергосистем на топливных элементах с использованием в качестве топлива водорода и углеводородов. Предложено определение КПД и эмиссии тепличных газов автомобиля по полному циклу, учитывая добычу, транспорт и переработку топлива. КПД автомобиля с ДВС (на метане) до 9% с эмиссией в СО2 эквиваленте до 805 г/кВтч, электромобиля с тяговой аккумуляторной батареей, заряжаемой от централизованной электросети - 4,1% (550 г/кВтч), электромобиля с энергоустановкой на твердо-полимерных топливных элементах - 14,4% (660 г/кВтч), гибридного автомобиля (ДВС + электромотор) - 17,3% (590 г/кВтч) и электромобиля с энергоустановкой на твердооксидных топливных элементах - 37,6% (410 г/кВтч). Проведенный анализ подтвердил, что в переходный период гибридные автомобили и электромобили будут доминировать в нише городского автотранспорта, а с позиции максимальной энергоэффективности и экологичности наиболее перспективным является гибридный автомобиль с энергоустановкой на твердооксидных топливных элементах и газовом топливе.
Ключевые слова: экологически чистый городской автомобиль, коэффициент полезного действия, двигатель внутреннего сгорания, отходящие газы автомобиля, топливные элементы, водород, автомобиль на топливных элементах, гибридный автомобиль, электромобиль, аккумуляторная батарея, суперконденсатор, топливные элементы с твердооксидным электролитом.
WHAT SHOULD BE ENVIRONMENTALLY FRIENDLY CAR (Analytical review of prospects for SOFC)
S.I. Nefedkin1, A.S. Lipilin2
'Moscow Power Engineering Institute (Technical University) 14 Krasnokazarmennaya str., Moscow, 111250, Russia E-mail: snefedkin@mail.ru 2Institute of Electrophysics UD RAS 106 Amundsena str., Ekaterinburg, 620016, Russia E-mail: lipilin@iep.uran.ru
Referred: 25.03.11 Expertise: 10.04.11 Accepted: 15.04.11
The analysis of the development and improvement of road vehicles was conducted, using of internal combustion engine, electric motor, and their combinations as an engine. The possibility of on-board fuel cell power applying was considered where hydrogen and hydrocarbon are used as fuel. It was suggested to calculate efficiency and emission of greenhouse gases by car on a full cycle, taking into account the mining, transportation and reprocessing. Car efficiency with the internal combustion engine (for methane) is from 0 to 9% with emission of greenhouse gases in CO2 equivalent to 805 g/kW-h, for electromobile with electric traction battery, charged by a centralized power - 4.1% (550 g/kW-h), with for electromobile with electric power systems on PEM fuel cell - 14.4% (660 g/kW-h), for a hybrid car (ICE + electric motor) - 17.3% (590 g/kW-h) and for a car with electric power systems on solid oxide fuel cells - 37.6% (410 g/kW-h). This analysis confirmed that the transitional hybrid cars and electric cars will dominate the niche of urban transport, and from a position of maximum energy efficiency and ecological perspective is a hybrid car with a power plant on the solid oxide fuel cells and gas fuel.
Keywords: environmentally friendly city car, coefficient of efficiency, combustion engine, automobile exhaust, fuel cells, hydrogen, fuel cell car, hybrid car, electric car, battery, super capacitor, fuel cells with solid oxide electrolyte.
Сергей Иванович Нефедкин
Сведения об авторе: д-р техн. наук, профессор Московского энергетического института (технического университета), директор центра коллективного пользования «Водородная энергетика и электрохимические технологии».
Образование: факультет промышленной теплоэнергетики МЭИ (1977 г.), аспирантура (1980 г.) и докторантура (2004 г.) МЭИ.
Область научных интересов: прикладная электрохимия, водородная и электрохимическая энергетика, электрокатализ, электрохимический мониторинг водных технологических сред, экологически чистый автомобильный транспорт.
Публикации: более 100 научных работ и 11 патентов.
Сведения об авторе: канд. техн. наук, ведущий научный сотрудник лаборатории прикладной электродинамики Института электрофизики Уральского отделения РАН.
Образование: физический факультет СГПИ (1968 г.), аспирантура Уральского отделения РАН (1975 г.).
Область научных интересов: физическая химия, электрохимия, разработка высокотемпературных электрохимических устройств с твердым электролитом, твердооксидные топливные элементы, разработка ТОТЭ для различного применения с использованием наноматериалов и нанотехнологий.
Публикации: более 250 научных работ и 60 изобретений.
Александр Сергеевич Липилин
Введение
Существенная часть мировых топливных ресурсов (30-40% объема добываемой нефти) потребляется автотранспортом. Количество транспортных средств в мире превысило 700 млн ед. и ежегодно растет почти на 50 млн ед., увеличиваются и цены на углеводородное топливо. В процессе эксплуатации автомобиля в атмосферу выбрасывается целый спектр токсичных веществ, ухудшающих экологическую обстановку, особенно в крупных городах. Например, в Москве доля автотранспорта в загрязнении атмосферного воздуха более 80% [1].
Транспортный сектор является одним из важнейших элементов в энергетической и экологической политике ведущих государств в области снижения зависимости от нефти и выбросов парниковых газов (ПГ). Несмотря на принимаемые меры в соответствии с Киотским протоколом к Рамочной конвенции Организации Объединенных Наций об изменении климата, в период 1990-2004 гг. глобального сотрудничества выбросы СО2 увеличились на 27%, с 20463 до 26079 млн тонн, а спрос на энергию в транспортном секторе увеличился на 37% [2-3]. Развитые страны первые почувствовали экологическую угрозу от широкомасштабного использования автотранспорта на нефтяном топливе и стали предпринимать реальные шаги. С 1992 г., когда был введен стандарт ЕВРО-1, регламентирующий выброс токсичных веществ автотранспортом, Западная Европа последовательно ужесточала экологические нормы. Согласно
Директиве Евросоюза 70/220/ЕЕС уже с 2009 года все продаваемые новые автомобили должны соответствовать нормам ЕВРО-5, а с 2014 г. - нормам ЕВРО-6 [4]. Сегодня, кроме СО, СиНт, N0 стали нормироваться и выбросы СО2 и СН4. Кроме законодательной активности используются и экономические рычаги. В Германии, например, начиная с 2009 года владельцы автомобилей, соответствующих нормам ЕВРО-5 и ЕВРО-6, освобождаются от транспортного налога.
Россия присоединилась к Женевскому соглашению и обязана выполнять европейские нормы на выброс вредных веществ автотранспортом. Специальным техническим регламентом, утвержденным Правительством РФ 12.10.2005, установлен порядок введения в действие нормативов выбросов в отношении автомобильной техники: экологического класса 3 (ЕВРО-3) - с 1 января 2008 г.; экологического класса 4 (ЕВРО-4) - с 1 января 2010 г.; экологического класса 5 (ЕВРО-5) - с 1 января 2014 г. [5]. Таким образом, Россия в этом вопросе значительно отстает от Европы и не справляется с предложенным графиком.
Особое место занимает использование возобновляемых источников энергии. Заслуживает внимания принятая Европейским Парламентом директива в области возобновляемой энергии, согласно которой государство-член ЕС должно обеспечить к 2020 году производство из возобновляемых источников по крайней мере 10% от конечного потребления энергии на всех видах транспорта [6]. При этом имеется в
International Scientific Journal for Alternative Energy and Ecology № 3 (95) 2011
© Scientific Technical Centre «TATA», 2011
виду и использование водорода в качестве экологически чистого топлива для автомобилей, поскольку водород будет производиться электролизом воды из возобновляемых источников. Европейский парламент утвердил регламент по безопасной эксплуатации механических транспортных средств с использованием водорода в качестве топлива [ 7 ]. США и Канада в ответ на такую инициативу поставили для себя цель по сокращению выбросов парниковых газов на 17% к 2020 г. по сравнению с уровнем 2005 года [8].
Очевидно, что доля водородных транспортных средств в общей численности парка будет увеличиваться в ближайшем будущем. Однако пока не ясно, будут ли это автомобили с двигателем внутреннего сгорания (ДВС) на водородном топливе или автомобили на водород-воздушных топливных элементах, т.к. оба эти варианта имеют свои преимущества и недостатки [9, 10].
Анализ патентной и научно-технической литературы показывает, что сегодня в мире наметилось несколько направлений по созданию автомобиля, отвечающего самым высоким требованиям по нормам токсичности. Рассмотрим основные.
Совершенствование автотранспортных средств с двигателем внутреннего сгорания
Следует отметить, что за более чем 120-летнюю эксплуатацию ДВС их конструкция доведена до высокого уровня совершенства. Использование относительно недорогих материалов и огромные объемы выпуска позволили снизить коммерческую стоимость ДВС до 15-30 $/кВт. Принципиальная особенность эксплуатации ДВС как энергоустановки заключается в том, что только на режимах максимальной нагрузки он имеет приемлемые значения как по КПД (до 30% для бензиновых ДВС с искровым зажиганием и до 35% для дизельных ДВС), так и по удельным выбросам токсичных веществ в отработанных газах (ОГ). При снижении нагрузки КПД ДВС снижае
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.