Технологии топливных элементов: терминология, методы оценки эффективности, требования безопасности. Часть 4

Некоторые аспекты цивилистики рабочих характеристик

Начало в № 5–7/2018

Визитная карточка

Александр Юрьевич Раменский, к.т.н.

Президент Национальной ассоциации водородной энергетики (НАВЭ РФ)

Вице-президент Международной ассоциации водородной энергетики (IAHE)

Председатель технического комитета РОССТАНДАРТА «Водородные технологии» (ТК 029)

В настоящее время в нашей стране введено более 30 национальных стандартов, идентичных международным стандартам ИСО и МЭК, охватывающих по тематике практически все стороны инновационной деятельности в этой области (см. наши предыдущие статьи).

Некоторые страны, включая Россию, осуществляют имплементацию международных стандартов в области ВТ и ТЭ опережающими темпами. Это значит, что инновационные технологии в этой области науки техники еще не вышли на национальный рынок, а стандарты для их продвижения уже введены. Такая позиция вполне объяснима исходя из того, что гармонизация НПБ позволяет установить единообразную терминологию, методы испытаний, требования безопасности, международную кооперацию в рамках развития глобальной водородной экономики.

Этим можно объяснить, что Технический комитет ТК 029 «Водородные технологии» и Национальная ассоциация водородной энергетики (НАВЭ), как наиболее известные разработчики национальных стандартов в области ВТ и ТЭ, при поддержке Минэкономразвития России и Миннауки России активно продвигают применение национальной системы стандартизации при организации и проведении технологических конкурсов в целях реализации Национальной технологической инициативы и критериев предоставления субсидий из федерального бюджета на организацию и проведение указанных конкурсов. В первую очередь это касается технологического конкурса «Национальной технологической инициативы (НТИ) «Первый элемент. Воздух» и «Первый элемент. Земля», проводимый АО «РВК» совместно с рядом других организаций, об организации которого «Известия» от 12 марта 2018 года опубликовали подробный материал. Как сообщают «Известия» конкурсы, общий призовой фонд которых будет составлять 200 млн руб. (конкурс «Первый элемент. Воздух» – 60 млн руб. и конкурс «Первый элемент. Земля» – 140 млн руб.).

Если вернуться к рассуждениям о цивилистике с точки зрения «философии» электрического транспорта и обратиться к определению электромобиля по ГОСТ Р 54811–2011 «Электромобили. Методы испытаний на активную и пассивную безопасность», можно увидеть, что указанный национальный стандарт, определяя электромобиль (ЭМ) как транспортное средство, приводимое в движение электрическими двигателями, получающими энергию от аккумуляторных батарей, емкостных накопителей и (или) топливных элементов, предназначенное для эксплуатации на автомобильных дорогах, не закрывает принадлежность гибридных автомобилей с ДВС и электрической системой привода к «дружной» к семье ЭМ.

В свою очередь, ГОСТ Р 41.83–2004 «Единобразные предписания, касающиеся сертификации транспортных средств в отношении выбросов вредных веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей» однозначно относит гибридные автомобили к электрическим ТС. В частности, п. 2.21.2 ГОСТ Р 41.83–2004 дает следующее определение гибридного электрического транспортного средства, ГЭТС (hybridelectricvehicles): «Транспортное средство, которое с помощью механического двигателя тянет энергию из следующих источников с двумя различными конвертерами энергии:

– потребляемое топливо;

– электрическое запоминающее устройство энергии (аккумулятор, конденсатор, генератор и т. д.)».

Это обстоятельство подчеркивает принадлежность системы технического регулирования к общей теории устойчивого (гармоничного) развития и является ключевым элементом формирования национальной технической политики в области развития электрического транспорта. Следует обратить также внимание на то, что ГОСТ Р 54811–2011 вводит отдельное понятие аккумуляторного электрического дорожного транспортного средства (ТС). Такое ТС представляет собой аккумуляторный ЭМ, «приводимый движение одним или несколькими электродвигателями, получающими энергию от тяговых аккумуляторных батарей, установленных на этом ТС».

Таким образом, говоря об электромобилях ближайшей перспективы, надо понимать, что это очень широкий спектр автомобильной техники, в котором найдут свое место ЭМ с аккумуляторными батареями (АКБ), ГЭТС с бензиновыми, дизельными и газовыми ДВС, а также транспортные средства с топливными элементами (ТСТЭ).

Следует учитывать, что с точки зрения повышения технического уровня автомобиля, вызванного необходимостью улучшения экономической эффективности и повышения экологической безопасности, степень электрификации ТС будет непрерывно возрастать.

Перспективам коммерциализации электромобилей в настоящее время уделяется большое внимание. Современные экономисты и политики различного уровня в настоящее время активно обсуждают экономическую, экологическую и социальную целесообразность внедрения электрического транспорта. Вместе с тем в оценках современных экспертов наблюдается существенная неопределенность суждений, которая имеет место даже на стадии формирования предмета и целей коммерциализации, не только технологий ВТ и ТЭ, но перспектив применения электрического транспорта в целом. Например, рассуждая о перспективах внедрения электрического транспорта в качестве предмета коммерциализации, часть экспертов рассматривает технико-экономические аспекты внедрения только аккумуляторных электрических транспортных средств, в которых аккумуляторная батарея заряжается исключительно от внешнего зарядного устройства, а выводы делаются по всему семейству ЭМ, в том числе в отношении электрических гибридных транспортных средств с двигателями внутреннего сгорания, работающими на бензине, дизельном топливе и различных видах сжиженного и природного газа. В некоторых случаях это приводит к тому, что экспертные оценки о высоких темпах продвижения на мировом автомобильном рынке электротранспорта, с учетом активного внедрения ГЭТС, ставятся под сомнение.

Иногда такая неразбериха навязывается потребителю намеренно, например американский производитель электрических аккумуляторных транспортных средств И. Р. Маск, пренебрегая всей сложившейся международной системой стандартизации, продвигая свой товарный бренд TESLA утверждает, что другие типы электромобилей, в том числе ГЭТС и ТСТЭ, та­ко­вы­ми не являются. Имеются сторонники такой «философии» и в России (см. часть 1).

В учет также не идут разнообразные технологии топливных элементов нового поколения, в которых могут использоваться кроме водорода и другие указанные выше топлива. Безусловно, эти технологии связаны с отдаленной перспективой, однако НИОКР в этом направлении в различных странах, в том числе и в Российской Федерации, проводится. По существующим прогнозам такие инновационные технологии могут получить развитие в ближайшее время.

Говоря о структуре производства электроэнергии, эксперты также часто ссылаются на то, что в мире к качестве первичного топлива для производства электроэнергии используется уголь, мазут и др. Вместе с тем в России много лет успешно проводятся работы по переводу электростанций на природный газ, активно развивается атомная энергетика, гидроэнергетика, ВИЭ и др. Предполагается, что внедрение топливных элементов, основанных на применении природного газа, может дать в нашей стране, энергетика которой ориентирована на расширение использования природного газа, мощный импульс, связанный с освоением этой инновационной энергетической технологии. Следует также рассмотреть внедрение технологий на основе высокотемпературных ТЭ в большой энергетике. В этом случае КПД ТЭЦ может быть повышено до 50–70%.

Рассмотрим несколько направлений в этом споре сторонников и противников электромобилей, а также сделаем сравнительную оценку эффективности их применения.

Наглядно сравнение можно осуществить, опираясь на технологии, связанные с применением природного газа в качестве первичного топлива для различного типа автомобилей, который рассматривается в нашей стране как реальная альтернатива развитию электрического транспорта.

В таблице приведены сравнительные характеристики использования природного газа в качестве топлива для газобаллонных автомобилей с ДВС, электрических гибридных газобаллонных автомобилей и аккумуляторных электромобилей, для работы которых используется электроэнергия, полученная на ТЭС, работающих на природном газе.

В качестве критерия оценки эффективности применения газового топлива для различных энерготранспортных цепочек был использован так называемый конечный КПД (к) технологического цикла. Значение конечного КПД (к) складывается из произведения промежуточных КПД по всей цепочке использования газового топлива, от его добычи до выполнения транспортной работы автомобилем. Значение промежуточных КПД определялось с учетом энергозатрат на транспортирование, очистку, осушку и компримирование, а также КПД энергоустановок и потерь при распределении полученной электроэнергии:

1) КПД (дпг) доставки природного газа от места добычи к потребителю (ТЭЦ, АГНКС и др.) оценивался на уровне 85–90%;

2) КПД (ппг) производства автомобильного топлива на АГНКС (очистка, осушка, компримирование и др.) оценивался на уровне 80–90%, для ТЭЦ подготовка топлива требует меньших затрат, таким образом КПД (ппг) оценивался на уровне 95–98%;

3) КПД (пээ) производства электроэнергии на ТЭЦ (с учетом использования теплосодержания ОГ турбины и др.) оценивался на уровне 35–40%;

4) КПД (рс) распределительных электрических сетей оценивался на уровне 90–95%;

5) эффективный КПД (двс) ДВС при скорости движения автомобиля на ровной горизонтальной дороге со скоростью 60 км/ч оценивался на уровне 12–15%;

6) КПД (кэу) комбинированной ЭУ ГЭТС при скорости движения автомобиля на ровной горизонтальной дороге со скоростью 60 км/ч оценивался на уровне 27–32%, КПД (эу) аккумуляторной ЭУ на тех же режимах – на уровне 0,90–0,95%;

7) механический КПД (мех) ТС с ДВС и ГЭТС при скорости движения автомобиля на ровной горизонтальной дороге со скоростью 60 км/ч оценивался на уровне 85–90%;

8) КПД (аэм) аккумуляторного ЭМ при скорости 60 км/ч с учетом тепловых потерь при заправке, использования электрического тока для освещения, кондиционирования, обогрева, приборов навигации и др. оценивался на уровне 80–85%.

В качестве контрольного показателя был принят режим движения автомобиля при постоянной скорости, равный 60 км/ч, в какой-то степени соответствующий движению транспортных средств в условиях городской эксплуатации. Следует обратить внимание на то, что принятые допущения позволяют оперировать полученными данными только на уровне общих рассуждений и не могут быть положены в основу каких-либо бизнес расчетов и ТЭО.

Как следует из таблицы, при использовании газобаллонных автомобилей на основе двигателей внутреннего сгорания современного типа «слабым звеном» является силовая установка такого автомобиля.

Имея максимальный эффективный КПД газового двигателя в диапазоне 33–35%, на режимах, близких к максимальной мощности, на частичных нагрузках, свойственных эксплуатации такого автомобиля в условиях городского движения, значение этого показателя существенно снижается. Так например, при скорости движения равной 60 км/ч КПД ДВС может опускаться до 12–15%. Кроме того, в реальных условиях эксплуатации для газобаллонных автомобилей используются двухтопливные двигатели внутреннего сгорания, работающие на бензине и газовом топливе. При этом конструкция таких ДВС, как правило, разрабатывается под по бензин, а моторные качества газового топлива в расчет в этом случае не принимаются. Это обстоятельство отрицательно сказывается на технико-экономических и экологических показателя таких автомобилей.

Применение комбинированных энергоустановок, состоящих из ДВС и электрического двигателя с маршевой аккумуляторной батареей, может существенно повысить КПД таких силовых установок. Вместе с тем для газобаллонных автомобилей это более далекая перспектива, чем для бензиновых транспортных средств, массовое производство которых уже освоено некоторыми мировыми автопроизводителями. Тем не менее с высокой долей вероятности газобаллонные ГЭТС могут появиться в самое ближайшее время.

Высокое значение КПД электрических гибридных транспортных средства, в которых вращательное движение коленчатого вала ДВС преобразуется в энергию электрического тока и аккумулируется в маршевой аккумуляторной батарее, обусловливается особенностями электрического привода. При малых нагрузках, свойственных работе автомобиля в условиях интенсивного городского движения, КПД комбинированной энергоустановки не снижается и может поддерживаться на максимально возможном уровне, независимо от режимов работы таких автотранспортных средств.

Повышение КПД комбинированной энерго­установки электрических гибридных автомобией до максимально возможного уровня делает такие автомобили с точки зрения конечного КПД сопоставимыми с конечным КПД (к) аккумуляторных электромобилей, заряжающихся от зарядных станций, получающих ток от ТЭЦ, работающих на газовом топливе. В связи с этим, опираясь на критерии оценки, связанные с термодинамической составляющей получения транспортной работы, при использовании различных энергетических цепочек, при условии их уровня эффективности, близкого к максимальному значению, КПД (к) изменяется не значительно.

Вместе с тем следует отметить, что дальнейшее увеличение КПД комбинированных энергоустановок электрических гибридных ТС с ДВС весьма ограничено, в то время как повышение КПД производства электроэнергии на ТЭЦ имеет определенные перспективы, связанные с применением более совершенных технологий.

Однако, необходимо учитывать, что сами электрические аккумуляторные транспортные средства имеют ряд технологических недостатков, которые в настоящее время существенно влияют на темпы коммерциализации таких ТС. Это в первую очередь касается хранения электрической энергии, в том числе на автомобиле. К таким недостаткам в первую очередь следует отнести высокую стоимость в производстве таких ТС, повышенную длительность зарядки аккумуляторов, относительно малый, в сравнении в ДВС, моторесурс и сложность в техническом обслуживании аккумуляторных батарей (АКБ).

В какой-то степени указанные недостатки должно компенсировать применение водородных электромобилей с системами топливных элементов и баллонами высокого давления на борту. Однако водородные электромобили на топливных элементах пока не получили на рынке массового применения, так как сами обладают существенными недостатками, связанными с организацией производства и заправки электромобилей водородом.

Таким образом, на рынке инновационной продукции, связанной с применением электрических транспортных средств, определились основные тенденции развития таких транспортных средств на ближайшую перспективу, однако риски, связанные с инвестиционной деятельностью в эту отрасль, продолжают быть высокими.

Следует иметь в виду, что по мере выхода на массовое производство, с увеличением объема продаж электрических транспортных средств затраты по всей цепочке технологических процессов могут быть значительно снижены. Кроме того, решающим фактором, определяющим темпы внедрения ЭМ, может оказаться экологический фактор, связанный с сокращением выброса парниковых газов, ресурсосбережением ископаемого топлив, а также выходом технологий ВИЭ на конкурентоспособный уровень технологического развития по отношению к ископаемым энергетическим ресурсам.

В России организация массового производств гибридных ЭМ, аккумуляторных ЭМ и ТСТЭ находится в начальной стадии. Московское правительство в 2018 году провело конкурс на поставку для нужд г. Москвы нескольких сотен аккумуляторных электробусов. Поставка городских электробусов и ультрабыстрых зарядных станций к ним с оказанием услуг по их последующему сервисному обслуживанию и ремонту в течение 15 лет для нужд ГУП «Мосгортранс» в количестве 200 единиц обошлось городскому бюджету в 13 млрд руб. Конкурс выиграли две российские компании ГАЗ и КАМАЗ, так что в ближайшее время на улице города можно будет увидеть эти экологически чистые транспортные средства.

Еще одна тема может заинтересовать уже любителей отечественных гибридов. На инаугурации Президента Российской Федерации В. В. Путина в 2018 годы широкой общественности был представлен правительственный лимузин на базе «Единой модульная платформа» («Кортеж»). Семейство автомобилей, созданных в рамках проекта «Кортеж», получило торговую марку «Аурус». В этой линейке также представлены седаны под названием «Сенат», микроавтобусы «Арсенал» и внедорожник «Комендант». В настоящее время открытая информация по данной разработке НАМИ, ведущих отечественных и иностранных компаний очень ограничена. По слухам, «Единая модульная платформа» предусматривает применение электрической гибридной силовой установки. В открытой печати степень электрификации гибрида по ГОСТ Р 54811–2011 не разрывается. Можно ли назвать семейство автомобилей «Аурус» первым российским электромобилем, пока не известно, однако первый отечественный ГЭТС, можно сказать, уже «поехал». С учетом общего тренда развития отечественного автопрома электрическая составляющая в конструкции семейства автомобилей на базе единой модульной платформы «Кортеж» будет возрастать, и, не мудрствуя лукаво, можно предположить, что разработчики единой модульной платформы уже приглядывались к использованию ее работы на других видах топлива, например природном газе, а в перспективе и водороде, при условии замены ДВС на систему ТЭ.

Библиография

1. Постановление Правительства Российской Федерации от 18 апреля 2016 года № 317 «О реализации Национальной технологической инициативы».

2. Постановление Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2018 года № 402 «Об утверждении Правил предоставления субсидий из федерального бюджета на финансовое обеспечение реализации некоммерческими организациями, осуществляющими функции инфраструктурных центров, программ по развитию отдельных направлений Национальной технологической инициативы и Положения о проведении конкурсного отбора для финансового обеспечения реализации некоммерческими организациями, осуществляющими функции инфраструктурных центров, программ по развитию отдельных направлений Национальной технологической инициативы».

3. Постановление Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2018 года № 403 «Об утверждении Правил организации и проведения технологических конкурсов в целях реализации Национальной технологической инициативы и Правил предоставления субсидий из федерального бюджета на организацию и проведение технологических конкурсов в целях реализации Национальной технологической инициативы и внесении изменения в перечень международных, иностранных и российских премий за выдающиеся достижения в области науки и техники, образования, культуры, литературы, искусства, туризма и средств массовой информации, суммы которых, получаемые налогоплательщиками, не подлежат налого­обложению».

4. Зубов Н. «Дизельгейт» может обезглавить Volkswagen // Коммерсантъ. 2015. 22 сентября.

5. Чем скандал Volkswagen обернется для автомобилестроителей // Интерфакс. 2015. 24 сентября.

Александр Раменский, президент Национальной ассоциации водородной энергетики (РФ), канд. техн. наук