В последнее десятилетие в мире наблюдалось активное развитие и распространение по планете низкоуглеродных технологий, а именно генерации электричества на основе возобновляемых источников энергии и создания электромобилей. Таким образом, существует вопрос: какие структурно-технологические изменения данные технологии способны оказать на экономику? Ввиду того, что ИНП РАН свою работу в значительной степени основывает на системе «затраты-выпуск», то эти изменения можно оценить при помощи наших межотраслевых подходов. Поэтому, основной темой данного доклада является сравнение материалоемкости новых типов генерации и машин с их традиционными аналогами, которое создает задел для последующих макроэкономических расчетов.
Выступление на конференции молодых ученых “Создание дохода, накопление национального богатства, формирующиеся рынки и новые мировые финансы”
Презентация
Тезисы
Доклад посвящен описанию изменений в структуре спроса на продукцию различных отраслей в экономике, вызванных использованием низкоуглеродных технологий в хозяйственной деятельности страны. Представлены сравнительные расчеты изменения выбросов углекислого газа в результате использования электромобиля вместо машин с традиционным ДВС в различных странах, в том числе и в России. Проведено сравнение материалоемкости традиционной генерации электроэнергии и генерации на основе возобновляемых источников энергии.
Материалоемкость ходовой части электромобилей
В последнее десятилетие наблюдался активный рост установленных мощностей на основе новых ВИЭ, ветре и солнце. В связи с тем, что это происходит в самых разных точках земного шара (Европе, Америке, Азии), это способно оказать некоторое влияние и на Россию. В частности, на структуру потребления-производства нашей экономики.
Так же, одним из аргументов в пользу распространения электромобилей является снижение количества выбрасываемых при их использовании парниковых газов, что не является очевидным утверждением для ряда стран.
Замена традиционных автомобилей на их электрические аналоги в разных странах будет оказывать существенно разное влияние на окружающую среду. Расчет карбоноемкости использования электромобилей и автомобилей с ДВС, работающих на бензине и дизельном топливе, был проведен для следующих стран: США, Китай, Германия, Франция, Великобритания, Нидерланды, Норвегия, Индия, Япония, Япония, Корея, Канада.
При создании модели были использованы данные ряда проведенных ранее исследований. Из работы M. Romare, L.Dahllöf [1] получено значение емкости батареи, равное 30 кВт-ч, с энергоемкостью сборки 586 МДж/кВт-ч, а также заимствована таблица, содержащая данные о массе материалов, необходимых для изготовления одной батареи, и выбросов СО2, образующихся в результате добычи этих материалов (все массы указаны в пересчете на одну батарею) (см. Табл.1). При этом, учитывалось следующее: ввиду невозможности разделить первичные и вторичные металлы, их массы, используемые в подсчете, полагали равными; выбросы по марганцу положены равными нулю ввиду того, что марганцевые руды на Земле добываются всегда как часть руд никелевых.
Таблица 1. Масса материалов, используемых при производстве батареи, и выбросов, связанных с их добычей.
| Закупаемые материалы | Масса (кг) | Выбросы СО2-экв, кг |
| Вторичный Алюминий | 23 | 13 |
| Первичный алюминий | 24 | 149 |
| Высокочистый углерод | 3 | 9 |
| Кобальт | 14 | 83 |
| Первичная медь | 19 | 130 |
| Вторичная медь | 19 | 51 |
| Этиленкарбонат | 21 | 25 |
| Графит | 24 | 65 |
| Карбонат лития | 16 | 49 |
| Гексофлуорофосфат лития | 3 | 78 |
| Марганец | 14 | |
| Никель | 14 | 109 |
| Н-метил-2-пирролидон | 23 | 1 |
| Поливинилденфторид | 4 | 31 |
| Полипропеллен | 21 | 34 |
| Сталь | 34 | 63 |
| Всего | 276 | 890 |
Далее, было принято предположение, что батарея изготовлена в Китае, т.к. там создается почти 75% производимой емкости (ещё по 10% в прочих странах Азии и Северной Америке), согласно данным BNEF [2]. Соответственно, для определения количества выбросов при создании самой батареи использовалась структура генерации электроэнергии в Китае (уголь – 72%, газ – 2,5%, нефть – 0,2%) [3]. Таким образом суммарные выбросы, необходимые только для получения готовой батареи, составили 4080 кг CO2.
Следующее предположение заключалось в том, что выбросы CO2 при производстве любого автомобиля, как c двигателем внутреннего сгорания, так и с электрическим двигателем без батареи, составляют 4800 кг на один автомобиль. Данные исследований [9] свидетельствуют об отсутствии существенных различий между этими показателями.
Пробег машин был положен равным 160 тыс. км ввиду того, что в официальных брошюрах 2017 года ряда крупных производителей электромобилей (Nissan, Tesla, BAIC) дается гарантия на батарею на это расстояние. В случае, если пробег будет больше, возможно, потребуется замена батареи, что повлечет за собой дополнительные расходы материалов на её производство и, соответственно, выбросы.
Данные о расходе топлива для разных стран (и соответствующие этому выбросы) у автомобилей с двигателями, работающими на традиционных видах топлива, представлены в Таблицах 2-3. При этом предполагается, что при сжигании 1 кг бензина выбрасывается 3,01 кг СО2, а при сжигании 1 кг дизельного топлива – 3,21 кг СО2. Расход бензина и ДТ приведен в литрах на 100 км, а выбросы – в тоннах на весь предполагаемый пробег.
Таблица 2. Расход бензина и сопутствующие этому выбросы СО2 в разных странах.
| Страны | Расход бензина
(л на 100 км) |
Выбросы СО2 (т) |
| США | 6,4 | 23,7 |
| Китай | 6 | 22,2 |
| Германия | 5 | 18,5 |
| Франция | 5 | 18,5 |
| Великобритания | 5 | 18,5 |
| Нидерланды | 5 | 18,5 |
| Норвегия | 5 | 18,5 |
| Индия | 7 | 26,0 |
| Япония | 6 | 22,2 |
| Корея | 5 | 18,5 |
| Канада | 7 | 26,0 |
| Россия | 7 | 26,0 |
Таблица 3. Расход дизельного топлива и сопутствующие этому выбросы СО2 в разных странах.
| Страны | Расход ДТ (л на 100 км) |
Выбросы СО2 (т) |
| США | 5,5 | 21,8 |
| Китай | 5 | 19,8 |
| Германия | 4,5 | 17,8 |
| Франция | 4,5 | 17,8 |
| Великобритания | 4,5 | 17,8 |
| Нидерланды | 4,5 | 17,8 |
| Норвегия | 4,5 | 17,8 |
| Индия | 6 | 23,7 |
| Япония | 5 | 19,8 |
| Корея | 4,5 | 17,8 |
| Канада | 6 | 23,7 |
| Россия | 6 | 23,7 |
Расход электроэнергии автомобилей с электрическими двигателями на 100 км составляет в среднем 20 кВт-ч.
Для расчета выбросов создаваемых эксплуатацией электромобилей использовалась структура генерации электроэнергии в разных странах с учетом потерь, предложенная в [3], и в итоге были получены следующие результаты (см. Рис. 1).
Рис. 1. Сравнение эксплуатационных и полных выбросов автомобилей с электродвигателями и ДВС в разных странах (г/км).
Как видно из графика (Рис. 1), ситуации для разных стран могут существенным образом различаться. Поэтому все страны были разделены на три группы (здесь и далее по оси ординат отложены г/км): те, в которых использование электромобилей приводит к заметному, но не большому сокращению выбросов по сравнению с автомобилями, использующими жидкое топливо (прежде всего бензин); те, в которых замена в лучшем случае не изменит ситуацию с выбросами; и те, в которых использование автомобилей с электрическими двигателями оправдано с экологической точки зрения.
В США и Великобритании использование электромобиля позволяет сэкономить некоторое количество выбросов на (19,7% и 15,7% соответственно) по сравнению с бензиновыми двигателями. В обеих странах это стало возможным за счет того, что в них сравнительно невелика доля угольной генерации, и суммарная доля углеродной генерации не выше 65% в общей структуре, даже с учетом того факта, что в Соединенных Штатах расход топлива более чем на 20% выше, чем в Германии и Нидерландах. Возможной причиной того, что они не попали в третью группу, является высокая доля потерь генерации (14% и 17%).
В Китае, Индии, Германии, Нидерланды, Японии использование автомобилей явной пользы не принесёт (экономия по сравнению с бензиновыми ДВС в лучшем случае составит 6,5% в Германии), ввиду достаточно высокой доли электростанций, использующих уголь в структуре генерации этих стран (70% в Китае, 81% в Индии, 44% в Германии, 38% в Нидерландах, 37% в Японии). Потери в сетях и СН не оказали существенного влияния на попадание в данную группу (есть страны и с высокими и с низкими потерями).
В третью группу входят Франция, Норвегия, Корея, Россия и Канада с результатами 32,4%, 61%, 47,7%, 29,5% и 48,5% от выбросов бензиновых двигателей соответственно. Подобные результаты в своей основе имеют общей причиной значительную долю безуглеродной генерации в общей структуре и низкую – угольной. Например, в Норвегии это – гидрогенерация, во Франции – атомная генерация, в России – и то, и другое. При этом, Франции с Норвегией даже не помешали сравнительно высокие потери энергии (13% и 15%).
Поэтому в случае распространения электромобилей будет увеличиваться доля использования цветных металлов в экономике (благодаря батареям и электродвигателям, достигающим 20% массы электромобилей), замещающих потребление черных металлов. Эта оценка была сделана с учетом нескольких предположений. Материалы, не относящиеся к черной либо цветной металлургии, не учитывались ввиду их малой доли в массе двигателей.
Исходя из равенства весов двигателей и обслуживающих их частей, было положена общая масса в 610 кг. Для двигателей внутреннего сгорания все это было отнесено к черным металлам. Для электрических двигателей получили из общей массы 540 кг батареи и 70 кг двигателя (взято для автомобиля Tesla model S, соответственно мощности 416 л.с., для которого и подбирался двигатель внутреннего сгорания).
В батареях было положено, что все цветные металлы идут на энергетические ячейки, а на сплавы железа были отнесены все обслуживающие части батареи, что дало 426 кг цветных металлов и 114 кг черных металлов. Расчеты были сделаны на основе данных о массе одной ячейки (60 г) и их общем количестве у данной модели (7104 шт. в одной батарее).
В двигателях для расчета массы использовались данные [10]. Это позволило оценить массу черных металлов, величина которой составила 64,4 кг, и массу цветных металлов – 5,7 кг.
Таблица 4. Содержание цветных металлов в электромобилях.
| Всего | Цветные металлы | Черные металлы | |
| Двигатель | 70 | 5,7 | 64,4 |
| Батарея | 540 | 426 | 114 |
| Итого | 610 | 431,7 | 178,4 |
Материалоемкость ВИЭ
Основой для сравнения материалоемкости возобновляемой и традиционной генерации электроэнергии, представленной парогазовыми установками, являлись описание и характеристики проекта в Швеции [4] для ветровой установки, описание конкретной солнечной электростанции, работающей на фотовольтаике в Индии [5], а также каталог генерирующего оборудования [6,7]. Среди ветровых установок была взята установка с бетонной башней наименьшей высоты, а в каталоге для сравнения была выбрана установка V64.3A производства Siemens и номинальной мощностью в 90 МВт. Считалось, что все установки под открытым небом, без стен, без помещений для персонала, без охранной будки, забора и проч. В дополнение к этому по недостающей информации были сделаны соответствующие предположения.
Нюансом в данном сравнении является то, что целевым параметром сравнения являлось отношение инвестиций (в массовом выражении) и текущих расходных материалов (газ для ПГУ) к выработке электроэнергии на всем жизненном цикле установки. Поэтому, дополнительно было учтено количество часов работы для каждого типа установок – 8760 часов в год. Оценки КИУМ были сделаны на основе данных за 2017 год [8].
Таблица 5. Количество часов работы.
| Тип генерации | Ветер | Солнце | Газ |
| КИУМ | 23% | 12% | |
| Часы работы в году | 2014,8 | 1051,2 | 4000 |
Жизненный цикл ПГУ – 40 лет, из-за этого для солнечных и ветряных станций были использованы соответствующие коэффициенты, т.к. их жизненный цикл полагается равным 25 годам.
Таблица 6. Коэффициент расхода материалов.
| Тип генерации | Ветер | Солнце | Газ |
| Коэффициент | 1,6 | 1,6 | 1 |
Для солнечных станций было учтено снижение выработки с течением времени, оно было положено линейным со 100% номинальной мощности до 80%.
Таблица 7. Выработка на мегаватт мощности за 40 лет, МВт-ч.
| Тип генерации | Ветер | Солнце | Газ |
| Выработка | 80592 | 38642 | 160000 |
Также, для удобства счета было положено, что станции имеют равные установленные номинальные мощности, что потребовало домножить и затраты, и выработку на 30, т.к. мощность возобновляемых станций составляет 3 МВт.
Таким образом, были получены следующие результаты, в максимально доступной степени дезагрегированности. Для солнечной и парогазовых установок масса фундамента полагалась равной массе всего остального.
Таблица 8. Удельная материалоемкость генерации на жизненном цикле, т/МВт-ч.
| Ветер | Солнце | Газ | |
| Полимеры | 33 | 0 | 0 |
| Композиты | 127 | 0 | 0 |
| Бетон | 638 | 0 | 0 |
| Чугун | 26 | 0 | 0 |
| Сталь | 67 | 1425 | 10 |
| Медь | 3 | 0 | 0 |
| ЖС6К | 0 | 0 | 0 |
| Электроника | 0 | 56 | 0 |
| Кремний | 0 | 4286 | 0 |
| Фундамент (бетон) | 1796 | 5767 | 10 |
| Газ | 0 | 0 | 23822 |
| Всего | 2691 | 11534 | 23842 |
Рис. 2. Удельная материалоемкость генерации на жизненном цикле.
Ещё одним существенным различием в инвестициях в традиционную и возобновляемую генерацию является разнесенность по времени самих инвестиций, т.к. газ для парогазовой установки нужен все 40 лет, а конструкционные материалы для ветровых и солнечных станций требуются только в течение 2-3 лет после их возведения.
Эти результаты могут быть использованы институтом при разработке макроэкономических оценок на основе методологии «затраты-выпуск», поскольку позволяют оценить, как будет изменяться спрос на продукцию различных отраслей при распространении низкоуглеродных решений в экономике.
Литература
- «The life cycle energy consumption and greenhouse gas emissions from lithium-ion batteries», M. Romare, L.Dahllöf, May 2017
- Energy and Mobility Transitions, San-Francisco, February 4, 2019
- org
- Tall towers for large wind turbines Report from Vindforsk project V-342 Höga torn för vindkraftverk, S. Engström, T. Lyrner, M. Hassanzadeh, T. Stalin and J. Johansson, July 2010
- A case study of 3-MW scale grid-connected solar photovoltaic power plant at Kolar, Karnataka
- Каталог генерирующего оборудования 2016
- Каталог генерирующего оборудования 2010
- форма Росстата “электробаланс”
- «Конкуренция электротранспорта и транспорта на природном газе на рынке Германии», Бердин Г.В., март 2018г
- http://xlom.ru/vidy-metalloloma/lom-elektrodvigatelej/
