Технико-экономическое обоснование внедрения электромобиля

Технико-экономическое обоснование внедрения электромобиля

Московский автомобильно - дорожный государственный технический университет

Факультет логистики и общетранспортных проблем

Кафедра: «Менеджмент высоких технологий»

Курсовой проект

по дисциплине: «Инновационный технологии в области колесных транспортных средств и их компонентов»

Технико-экономическое обоснование внедрения электромобиля

Москва 2013

Содержание

1.      Реферат

.        Введение

.        Устройство электрического автомобиля

.        Технико-экономическое обоснование применения современных электромобилей

.        Эксплуатация электромобиля

.        Современное применение электромобиля

.        Перспективы развития транспорта с электродвигателем

.        Отечественный и зарубежный опыт создания и внедрения электромобиля

.        Модели электромобилей и их стоимость

.        Заключение

.        Список литературы

Реферат

Отчет 30 с., 3 табл., 4 рис., 7 источников.

Автотранспортное средство (АТС), автомобиль с электроприводом, экологические требования, эксплуатация электромобиля, альтернативные энергоносители, топливные элементы (ТЭ), аккумуляторная батарея (АБ).

Объектом исследования являются автотранспортные средства с электродвигателем, их разница с автомобилем с ДВС и влияние на экологию.

Цель работы - разработка методики оценки экономической и экологической эффективности применения электрического привода в полном жизненном цикле современного электромобиля.

В данном курсовом проекте была обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изучены факторы, определяющие экологическую безопасность автомобиля, рассмотрен и проанализирован российский и зарубежный опыт внедрения АТС с электродвигателем.

В результате исследований были выявлены достоинства и недостатки электромобиля.

Введение

Применение моторного углеводородного топлива неизбежно сопровождается повышенным выбросом диоксида углерода (СО2), регламентирующим технический уровень современных АТС. Снижение выбросов СО2 традиционными методами не обеспечивает выполнение жестких экологических требований и является серьезной проблемой автомобилестроения.

Применение электропривода позволяет наиболее эффективно решить проблему повышения экологической безопасности АТС. Основным препятствием на пути широкого внедрения электропривода на автомобильном транспорте (АТ) является несовершенство традиционного источника электрической энергии и электронной системы его управления. Применяемые технологии проектирования электромобиля сопряжены с высокими материальными и финансовыми затратами. В нашей стране и за рубежом ведется поиск оптимальных решений по созданию принципиально новых транспортных силовых установок. В сложившейся ситуации необходимы новые стимулирующие экономические механизмы практической их реализации.

Достигнутые результаты ведущих зарубежных фирм позволили решить концептуальные технические проблемы электрического привода. Достоверные сведения материальных и финансовых затрат составляют стратегическую коммерческую тайну. Наступил важный коммерческий этап практической реализации электрического привода, связанный с переходом от затратного метода финансирования к механизму, ориентированному на возвратные инвестиции Промышленность и крупные частные компании проявляют повышенный интерес к фундаментальным разработкам в автомобилестроении, существенно повышающих конкурентоспособность электрического привода на автомобильном транспорте.

Широкая реализация электрического привода на автомобильный транспорт, имеющего стратегическое значение для современного индустриального общественного развития, сопряжена с повышенными финансовыми и материальными затратами индивидуального потребителя высокотехнологической продукции. Актуальной задачей на данном этапе является разработка метода оценки экономической и социально-экологической эффективности результатов применения электропривода на автомобильном транспорте.

Целью работы является разработка методики оценки экономической и экологической эффективности применения электрического привода в полном жизненном цикле современного электромобиля.

Задачами настоящей работы является:

·        технико-экономическое обоснование целесообразности применения современного электромобиля нового поколения;

·        рассмотреть основные преимущества и недостатки эксплуатации электромобиля;

·        определение материальных и финансовых затрат производства и эффективности эксплуатации электропривода;

·        показать отечественный и зарубежный опыт внедрения электромобиля;

·        оценить перспективы развития транспорта с электродвигателем;

Устройство электрического автомобиля

В отличие от автомобиля с двигателем внутреннего сгорания электромобиль имеет более простую конструкцию, включающую минимальное количество движущихся частей, а значит более надежную.

Основными конструктивными элементами электрического автомобиля являются:

·              аккумуляторная батарея;

·              электродвигатель;

·              трансмиссия;

·              бортовое зарядное устройство;

·              инвертор;

·              преобразователь постоянного тока;

·              электронная система управления.

Схема электрического автомобиля

1.      датчик давления в тормозной системе;

2.      электроусилитель рулевого управления <#"732314.files/image002.jpg">

Полученные результаты свидетельствуют об экономических преимуществах эксплуатации электромобилей при интенсивной работе (высоком годовом пробеге), однако их первоначальная стоимость в настоящий период достаточно высока.

Современное применение электромобиля

В 2004 году <#"732314.files/image003.jpg">

Рисунок 1 - Эффективность использования электромобилей в зависимости от типа аккумуляторных батарей: 1- свинцово-кислотные батареи; 2 - литий-серные; 3 - железо-никелевые.

Запас хода электромобилей со свинцово-кислотными батареями (кривая 1) минимальный. Применение железоникелевых батарей сопровождается ростом запаса хода (кривая 3). В перспективе ожидается значительный рост запаса хода электромобилей с литий-серными АБ (кривая 2).

Наибольшую удельную энергоемкость имеют серебряно-цинковые батареи (88 Вт*ч/кг), но одновременно с этим они и дороже в 20 раз свинцово-кислотных.

Положительный многолетний опыт эксплуатации электромобилей в г. Москве позволил сделать некоторые обобщения. Опытная партия отечественных электромобилей выполнена на базе автомобиля УАЗ-451 ДМ. Электромобили У-131 снабжены системой электродвигателя на переменном токе. Грузоподъемность упомянутых электромобилей составляет 500 кг. В ЭПАХГ лавмосавтотранса при автокомбинате № 34 г. Москвы была организована опытная эксплуатация электроавтобуса РАФ-22038 и легкового автомобиля «Жигули» ВАЗ-2801.

Результаты работы позволили определить рациональную область применения электромобилей, эффективность перспективных технических решений и вопросы организации эксплуатации автомобилей в условиях мегаполиса. Обобщенные данные по легковым и грузовым электромобилям позволили определить максимальный пробег их в условиях города. Они могут быть востребованы в современных условиях на более высоком технологическом уровне развития электромобилей. Недостаточная продолжительность работы обычных АБ ограничена заложенным в их конструкцию активных веществ, после использования которых гальванические элементы выходят из строя. Традиционные АБ требуют заряда от внешнего источника электроэнергии для восстановления запаса активных веществ. Зависимость производительности от запаса хода и грузоподъемности электромобиля от веса аккумуляторной батареи приведена на рис. 2.

Рисунок 2 - Влияние веса аккумуляторной батареи на показатели электромобиля: l − при удельном весеаккумуляторов60 кг/кВт*ч; 2 - при удельном весе аккумуляторов 45 кг/кВт*ч;z - отношение веса батареек полному весу электромобиля; L - запас хода электромобиля, км.

Производительность автомобиля можно представить зависимостью для грузового и легкового (автобусов)автомобиля

км/сутки (1)

Где Wг - суточная производительность автомобиля т*км/сутки;

aг - постоянный коэффициент пробега, км;

q - номинальная грузоподъемность,

км/сутки (2)

Размеры и массу аккумуляторной батареи определяют из условий обеспечения необходимого запаса хода и максимальной скорости движения электромобиля. Традиционный электромобиль оснащен аккумуляторной батареей, обладающей повышенной массой и снижающей грузоподъемность электромобиля в 1,5 раза по сравнению с ДВС.

Важной задачей является повышение энергоемкости батареи, предопределяющая недостаточный запас хода электромобиля. Для электромобиля, эквивалентного современному автомобилю малого класса, в городских условиях эксплуатации достаточно иметь мощность электродвигателя15 кВт. При такой мощности электродвигателя масса АБ не превышает 300 кг.

Расчеты Института комплексных транспортных проблем (ИКТП) показали, что для крупных городов требуется 100…120 тыс. ед. грузовых электромобилей с расчетным дневным пробегом 65…70 км. Методология формирования парка электромобилей представляет практический интерес. Электромобиль наиболее эффективен для перевозки мелкопартионных грузов различного назначения на сравнительно небольшие расстояния.

В перспективе стоимость электромобилей должна быть выше не более 25 % базовой комплектации.

Была создана серия зарядных станций АБ. Ускоренную подзарядку проводили в местах погрузки или разгрузки, т.е. ее совмещали с технологическими операциями. Продолжительность подзарядки батареи не превышала 1 час.

Перспективным направлением электромобиля является использование электродвигателя с автономным источником электрического тока. Основные усилия в области электрохимии направлены на совершенствование имеющихся в эксплуатации АБ и поиск эффективных и дешевых источников тока.

При проведении технико-экономических обоснований различных этапов создания ГСУ полезном является информация обобщения отечественного и зарубежного опыта применения электропривода НТС. Стоимость современного топливного элемента в 20 раз выше по сравнению со свинцово-кислотными батареями.

Катализаторы, обеспечивающие ускорение химических реакций ТХЭ, используют платину, палладий, никель и некоторые полупроводниковые материалы в достаточно больших объемах. Для создания эффективных ТЭ необходимо резко сократить или полностью исключить применение драгоценных металлов, а также повысить удельную мощность ЭХГ. Целесообразно использовать наиболее перспективный твердооксидный ТЭ. В качестве источника энергии ТХЭ можно использовать любое органическое топливо.

Разработанная технология получения и хранения водорода и окислителя на борту электромобиля может быть ориентирована на конверсию метанола.

При разработке экономической модели стоимостных показателей ГСУ можно ориентироваться на известные результаты в отечественной и зарубежной практике экономической оценки технических решений ГСУ. Готовые к широкому применению водород-кислородные элементы ориентированы на использование твёрдых полимерных электролитов.

Серьёзным препятствием на пути широкого распространения ТЭ является также сравнительно высокая цена получаемой с их помощью электроэнергии 3…8 тыс. долл/кВт.

В Японии специалисты считают, что широкое проникновение на рынок ТХЭ снижает высокая стоимость и их замена через пять лет. В перспективе стоимость компонента ТХЭ может составить 2 цента/кВтч. Наиболее перспективным источником энергии на АТ является электрохимический генератор, содержащий твердооксидные и твердополимерные ТЭ. Щелочные ТЭ, созданные в Новоуральском электрохимическом комбинате, имеют определенную перспективу на автотранспорте.

В Институте катализа им. Г.К.Борескова СО РАН изучена возможность использования металлов платиновой группы (палладия, платины и др.) для получения водорода. Создан ряд катализаторов для получения водорода из метана с последующей его очисткой с помощью мембран.

В Институте электрофизики УрО РАН по совместной программе с Институтом высокотемпературной электрохимии УрО РАН разработаны методы получения нанопорошков и нанокерамики путем магнитного прессования.

Уральский электрохимический комбинат в 1971 г. разработал электрохимический генератор «Волна» (мощность 1.2 кВт) на щелочном ТЭ для отечественной лунной программы.

Полезным является обобщение отечественного опыта по созданию ТХЭ. В 1982 г.

НПО «Квант» впервые снабдил автомобиль «РАФ» водородным щелочным топливным элементом. В 2001…2003 гг. Уральский электрохимический комбинат, РКК «Энергия» и «АвтоВАЗ» на автосалонах в г. Москве демонстрировали автомобиль «Лада» с электродвигателем и электрохимическим генератором «Фотон». В системе питания использовали хранящийся в баллонах водород. На одной заправке эти автомобили могут проехать 300 км.

Потребности АТ в электрохимических генераторах на топливных элементах (мощность 15…100 кВт) составляет 500 тыс. ед. в год. Стоимость одного такого генератора более 3 тыс. долл., приемлемая цена составляет 50…100 долл. РФ на уровне системного понимания проблемы уступает западных технологий.

Отечественная компания «Пластполимер» предполагает построить в Европе один из заводов по производству полимерной пленки для твердополимерных топливных элементов. В РФ изготавливают полимерную пленку по высокой технологии, соответствующей мировым стандартам.

Существующие комбинированные энергоустановки уступают перспективным установкам на топливных элементах по экологической чистоте в 40 раз.

Загрязнение атмосферы наносит значительный социально-экономический и материальный ущерб. Экономический ущерб от загрязнения атмосферного воздуха для отдельного источника, разработанный авторами стать, определяется по обобщенной зависимости

руб/т (7)

В ОГ ДВС при работе на метане наряду с традиционными ВВ (NOx, СО, СН и твердые частицы) присутствуют парниковые газы (СO2, СН4 и N2O). Если СO2 оказывает только парниковый эффект, то СН4 и N2О дополнительно оказывают вредное воздействие.

Парниковый эффект

Разработанный метод позволяет оценивать ущерб от традиционных нормирующих компонентов ОГ, включая парниковые газы СО2, СН4 и N2О.

Ущерб от изменения климата представляет собой одну из наиболее важных категорий, связанных с использованием органического топлива. Существуют модели оценки двух моделей«FUND IVM» (г. Амстердам) и «Ореn Framework» (Оксфорд). В качестве единицы измерения используется выброс 1 кг СО2, а также приводят выбросы, связанные с парниковым эффектом. Результат расчетов показывает потенциал, выраженный в эквивалентом выбросе кг СО2.

Ущерб от глобального потепления можно определить зависимостью

где Упэi − ущерб от выбросав атмосферу 1 т СО2 рекомендуемое к использованию значение составляет 32 EURO/т СО2; Fпар.i −потенциал изменения климата для i−го газа, mi − масса выброса загрязнителя, кг. n - количество ВредныхВыбросов, обладающих парниковым эффектом.

Плата за нормативные и сверхнормативные выбросы ВВ перечисляют в экологические фонды. Расчет экологических затрат, содержащих ориентировочную прогнозную стоимостную оценку риска, позволяет принять его одним из основных

контролируемых параметров при экологическом страховании.

Величину эффекта парниковых газов ДВС можно представить в виде суммы выбросов ВВ, приведенных к эквивалентному выбросуСО2

где Мог - суммарная величина выбросов ВВ, приведенных кСО2; Мгг, Мги, Миг - количество выбросов ВВ в виде ОГ и КГ, а также топливных испарений; γог ,γкг, γти - коэффициенты приведения компонентов к СО2.

Склонность ОГ к формированию парникового эффекта характеризуется «потенциалом к возникновения парникового эффекта», представляющим условный показатель для сравнительной оценки вредных выбросов. В качестве единицы измерения используют выброс 1 кг СО2, принимаемый для расчета парникового эффекта. В атмосферу, кроме CO2, выбрасываются также N2O и CH4.

Потенциал ОГ НТС к возникновению парникового эффекта можно рассчитать по зависимости

где CO2 m , mN2O и CH4 m выбросы ВВ, кг; числовые значения 1, 320 и 25 - факторы характеризации для данных веществ.

Результаты расчетов показывает потенциал, выраженный в эквивалентном выбросе (кг, CO2). Метан, имеющий значительный потенциал парникового эффекта, превышает в 25 раз CO2. Влияние СО2 на парниковый эффект выражается в способности поглощать инфракрасные лучи, испускаемые Землей. Фактор характеризации Fпарн показывает относительную опасность попадания веществав ОС. Для количественной оценки поглощения теплового излучения земли используют следующее выражение.

Таблица 2. Потенциал к образованию парникового эффекта

Наибольший вклад в образование парникового эффекта вносит выброс СО2, хотя он имеет минимальный фактор характеризации. Заметный вклад вносит NOx. Уровень показателей легкового автомобиля при жизненном цикле продолжительностью 10 лет позволил определить фактор характеризации в табл.3.

Таблица 3.Фактор характеризации (Fпар) изменения климата

Модели электромобилей и их стоимость

электрический автомобиль транспорт электродвигатель

Наиболее известными серийно выпускающимися моделями электромобилей можно считать: Toyota RAV4 EV <#"732314.files/image013.jpg">

Многие солидные автомобильные концерны бросают своих лучших инженеров на разработку электромобилей, поскольку понимают - за ними будущее. Современные электромобили могут проехать без подзарядки даже до 1000 км, при средней скорости около 50 км/ч, хотя их максимальная скорость (для экспериментальных болидов) достигает 515 км/ч.

Заключение

Отечественные технологии автомобилестроения заметно отстают от традиционных западных технологий. Повторение западных технологий не имеет перспективы. Совершенствование традиционных технологий не приносит заметных успехов. Гибридные технологии позволяют принципиально решить современные проблемы автомобилестроения.

Применение подобного электропривода позволяет принципиально решить экологические и энергетические проблемы современных транспортных систем.

Крупнейшие автомобильные компании мира ведут разработку электромобилей.

Ограниченный запас энергии в аккумуляторной батарее вынуждает выбирать или специально проектировать двигатели с наибольшим соотношением между мощностью и массой и максимальным КПД. Применение подобного электропривода позволяет принципиально решить экологические и энергетические проблемы современных транспортных систем.

Достоинства топливных элементов побуждают многочисленные компании вкладывать огромные средства в их разработку. Многочисленные преимущества топливных элементов не могут в настоящее время перевесить их единственный недостаток - высокую стоимость.

Развитие технологии транспорта с электродвигателем позволяет повысить технический уровень современного электромобиля.

В результате выполненного комплекса исследований разработаны критерии и параметры оценки эффективности мероприятий качества окружающей среды.

Литература

1. Ерохов В.И., Николаенко А.В. Оценка экологической безопасности современных автотранспортных средств. Жур. «Трансп. На альтер. топл.», N1.-2009. -c.66-70

. Теоретические основы проектирования автомобилей нового поколения, работающих на химических топливных элемента. Карунин А.Л, Ерохов В.И., 2007 г. Отчет N 01 200 962 746, НИР МГТУ «МАМИ».- 2007 г, - 69 с.

.А.Л.Карунин, С.В. Бахмутов, В.В.Селифонов, А.В.Круташов, К.Е.Карпухин, Е.В.Авруцкий. Экспериментальный многоцелевой гибридный автомобиль,Жур. Автомоб. промышл., 2006 год, № 7.

. Мирзоев Г.К., Казаров А.П. Разработка электромобилей ОАО «АвтоВаз». Журнал Автомобильных инженеров, N1 - 2010.-с.18-25.

. Ставров О.А. Электромобили. Изд-во «Транспорт», 1968 г, -100 с.

. И.П.Васильев. Методика оценки ущерба, наносимого отработавшими газами ДВС при использовании в качестве топлива метана. ДВС N2,- 2011.-94-96 с.

. Сравнительная оценка различных типов испарителей топлива для питания автомобильных двигателей.//Звонов В.А., Г.С. Корнилов, А.В.Козлов,//Проблемы конструкции двигателей: Cб.научн. тр. НАМИ. −М. −1998. −с.239−254.