Презентация: “Влияние низкоуглеродных энергетических технологий на структуру затрат в экономике”

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

  1. «The life cycle energy consumption and greenhouse gas emissions from lithium-ion batteries», M. Romare, L.Dahllöf, May 2017
  2. Energy and Mobility Transitions, San-Francisco, February 4, 2019
  3. org
  4. 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
  5. A case study of 3-MW scale grid-connected solar photovoltaic power plant at Kolar, Karnataka
  6. Каталог генерирующего оборудования 2016
  7. Каталог генерирующего оборудования 2010
  8. форма Росстата “электробаланс”
  9. «Конкуренция электротранспорта и транспорта на природном газе на рынке Германии», Бердин Г.В., март 2018г
  10. http://xlom.ru/vidy-metalloloma/lom-elektrodvigatelej/

Комментарии: