Текст книги "Инновационная деятельность: проблемы, практика коммерциализации (сборник)"

Ситуационный анализ перспектив развития электромобилей в России

Игорь Константинович Александров

д. т.н., профессор, зав. кафедрой БЖД и промышленной экологии ФГОУ ВПО ВоГТУ

Вячеслав Александрович Раков

инженер ФГОУ ВПО ВоГТУ e-mail: [email protected]

Анна Александровна Щербакова

младший научный сотрудник ИСЭРТ РАН e-mail: [email protected]

Развитие и состояние промышленного производства в стране достоверно отражают такие интегральные показатели, как объёмы потребляемой электрической энергии и транспортных потоков, в том числе осуществляемых за счёт автомобильного транспорта.

Потребление электроэнергии в России за последние годы характеризуется непрерывным ростом (рис. 1), динамика которого определяется линейной зависимостью с достоверностью аппроксимации 98 %. Если сохранится существующий темп роста, то энергопотребление к 2020 г. вырастет приблизительно на 20 %, что соответствует прогнозу Института проблем естественных монополий[13]13
  Прогноз развития энергетической отрасли страны // Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утв. 13.11.09. – М.: Правительство Российской Федерации.


[Закрыть].

Рис. 1. Динамика потребления электроэнергии в РФ с прогнозом развития до 2020 года

Непрерывная тенденция роста энергопотребления, которая характерна не только для РФ, но и для мировой экономики в целом, чревата глобальными негативными последствиями – опасным воздействием на природную среду в виде вредных выбросов, техногенных катастроф и нарушением теплового баланса планеты. Очевидна необходимость в ограничении этой опасной тенденции путём существенного снижения удельных энергетических затрат в промышленном производстве.

В соответствии с Энергетической стратегией России на период до 2030 г. планируется масштабное снижение удельных энергозатрат в экономике и энергетике (в 2,1–2,3 раза) при существенном увеличении (в 1,4–1,6 раза) числа потребителей и росте экспорта электроэнергии (в 1,1–1,2 раза)[14]14
  Прохорова Н. Социально-экономическое развитие 2020: Инновационная утопия // Нефтегазовая вертикаль. – 2008. – № 5. – С. 58–59.


[Закрыть]. Согласно принятой стратегии темп роста энергопотребления должен замедлиться, а к 2020 г. даже понизиться до значений 2008 г. (на рис. 1 этот вид прогноза представлен полиномиальной зависимостью). Реализация указанной стратегии на фоне реальной потребности в энергетических ресурсах развивающегося производства представляется достаточно сложной задачей.

Одним из существенных факторов, определяющих увеличение потребности в производстве электрической энергии, является перспектива качественного конструктивного изменения автомобильного транспорта. Как в России, так и в мире в целом наметилась чёткая тенденция в направлении отказа от использования в качестве энергетической установки экологически опасного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и перехода к электрифицированным транспортным средствам.

В связи с этим становится насущной проблема развития электроснабжающих объектов и параллельно возникает совершенно новая задача – принципиального расширения электрических сетей транспортной инфраструктуры. В этом отношении интересен международный проект Better Place по развёртыванию сети электрических заправок, в котором участвуют Австралия, Канада, Израиль, Дания, Япония, США и другие страны[15]15
  Инфраструктура зарядки электромобилей [Электронный ресурс] // Википедия: электронная энциклопедия. – Режим доступа: http://ru.wikipedia.org/wiki/Better_Place


[Закрыть]. Корпорация General Motors развивает электрификацию Китая (строительство атомных электростанций), сегодня 11 реакторов введено в эксплуатацию, около 20 проектируется[16]16
  Электрификация Китая [Электронный ресурс] // Информационный портал Футурика Инфо. – Режим доступа: http://futurika.info/history/elektrifikaciya-gibrid-avtomobil


[Закрыть].

С учётом указанных тенденций важным вопросом является оценка возможностей России полностью электрифицировать автомобильный транспорт.

Дополнительный объём электроэнергии, необходимый для перспективного электрифицированного автомобильного транспорта, ориентировочно может быть определён на основе существующего потребления автомобильным транспортом жидкого углеводородного топлива. На рисунке 2 показана динамика производства бензина и дизельного топлива в России[17]17
  Статистические данные о производстве топлива в России [Электронный ресурс] // Официальный сайт Росстата. – Режим доступа: http://www.gks.ru/dbscripts/Cbsd/DBInet.cgi


[Закрыть].

Объём тепловой энергии, выделяемой при сгорании производимого в стране углеводородного топлива, сопоставим с объёмом вырабатываемой электрической энергии. На рисунке 3 представлено это соотношение.

Рис. 2. Динамика производства дизельного топлива (левый ряд) и бензина (правый ряд) в РФ

При построении диаграмм использованы известные физические соотношения.

В качестве примера приведём расчёт показателей для 2010 г.

Количество произведенной электрической энергии:

W_{эл. эн.} = 1023 млрд. кВт ч; 1 кВт • ч = 3,6 МДж;

W_{эл. эн.} = 1023 10⁹ 3,6 = 3683 • 10⁹ МДж.

Количество произведенного бензина: Q_Б = 36 10⁹ кг.

Удельная теплота сгорания бензина: Н_Uб = 41,87 10⁹ Дж/кг.

Энергия сгорания произведённого бензина:

W_Б = Q_Б Н_Uб = 36 • 10⁹ • 41,87 • 10⁶ = 1507 • 10⁹ МДж.

Количество произведённого дизельного топлива (см. рис. 2):

Q_Д = 69,9 10⁹ кг.

Удельная теплота сгорания дизельного топлива [6]:

Н_u = 43,5 10⁶ Дж/кг.

Энергия сгорания произведённого дизельного топлива:

W_Б = Q_Д H_u = 69,9 • 10⁹ • 43,5 • 10⁶ = 3041 • 10⁹ МДж.

Рис. 3. Динамика потребляемой в РФ электрической энергии (левый ряд), тепловая энергия от сгорания дизельного топлива (средний ряд) и тепловая энергия от сгорания бензина (правый ряд)

Как видим, суммарный объём тепловой энергии, выделяемой при сгорании жидкого углеводородного топлива, существенно превышает объём вырабатываемой электрической энергии, что на первый взгляд ставит под сомнение саму проблему полномасштабного перевода в обозримом будущем автомобильного транспорта на электрическую тягу.

Однако следует учесть следующее:

– некоторые особенности сгорания углеводородов в ДВС;

– вероятность эффективного применения альтернативных энергоустановок, развитие которых активизировалось в последнее десятилетие;

– принятую Правительством РФ стратегию развития энергетики.

Эти обстоятельства в определённой степени способствуют решению поставленной задачи совершенствования автомобильного транспорта.

Из диаграмм (см. рис. 2) видно, что дизельного топлива используется практически в два раза больше, чем бензина.

Однако определить объём дизтоплива, используемого только автотранспортом, на основе располагаемых нами статистических данных затруднительно, так как его потребителями являются также железнодорожный транспорт, судоходство, строительные и дорожно-строительные машины, аграрно-промышленный комплекс и др. Для проведения такого анализа потребуются дополнительные исследования. Поэтому на данном этапе проведём анализ только применительно к транспортным средствам, использующим бензин.

Известно, что основными потребителями бензина являются легковые автомобили и грузовые автомобили малой и средней грузоподъёмности. Часть топлива, сгорающего в ДВС, реализуется в качестве полезной (транспортной) работы, а большая часть в виде тепловой энергии бесполезно выбрасывается в атмосферу. Соотношение между тепловой энергией топлива и энергозатратами на транспортный процесс определяется эксплуатационным КПД транспортного средства.

Как показали экспериментальные исследования, проведённые в ВоГТУ[18]18
  Александров И.К., Белков О.Л., Раков В.А. Оценка энергетической эффективности ДВС в условиях неустановившегося режима // Вестник машиностроения. – 2008. – № 6. – С. 17–20.


[Закрыть], а также исследования других экспериментаторов[19]19
  Говорущенко Н.Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте. – М.: Транспорт, 1990. – 135 с.


[Закрыть], при движении автомобиля в реальных условиях возможности ДВС реализуются в среднем только на треть. Таким образом, если ДВС загружен на 100 % (то есть работает на внешней скоростной характеристике, что может быть осуществлено только на стенде!) и его КПД при этом чуть более 30 %, то при совершении транспортной работы в реальных условиях эксплуатационный КПД ДВС составляет всего 10–12 %. А значит, пропорционально возрастает и удельный расход топлива на единицу транспортной работы.

Следовательно, энергетические затраты на совершение полезной транспортной работы (рис. 4) могут быть определены по формуле:

W_ТР = 0,1 · W_Б

В 2010 г. это составляло W = 0,1 · 1507 · 109 = 150,7 · 109 МДж.

Рис. 4. Динамика полезной транспортной работы, совершённой бензиновыми ТС

Теперь представим, что указанный объём транспортной работы выполняется электрифицированными транспортными средствами, эксплуатационный КПД которых составляет приблизительно[20]20
  Александров И.К. Энергетический КПД машины с частичной рекуперацией энергии // Вестник машиностроения. – 2007. – № 9. – С. 17–18.


[Закрыть] 0,65. Тогда затраты электрической энергии, необходимые на привод электрифицированных ТС (рис. 5), будут равны.

На рисунке представлен необходимый дополнительный объём электрической энергии в случае замены транспортных средств, использующих бензин, на гипотетические электромобили.

Из анализа следует, что при электрификации части автомобильного транспорта, использующего бензиновые двигатели, увеличивается нагрузка на энергодобывающие объекты и электрические сети приблизительно на 5 %. Следовательно, массовый перевод ТС с бензиновым двигателем на электрическую тягу вполне достижим в ближайшие годы. И всё же этот процесс следует осуществлять поэтапно, по мере увеличения объёма выработки электроэнергии (в частности, путём использования альтернативных источников энергии) или экономии её за счёт внедрения энергоэффективных технологий в соответствии с Энергетической стратегией РФ.

Рис. 5. Гипотетические затраты электрической энергии в случае замены ТС с бензиновым двигателем на электромобили

Необходимо указать, что осуществить перевод на электрическую тягу большегрузных АТС, использующих дизельные двигатели, намного сложнее. При этом возникают две весьма серьёзные проблемы.

1. До настоящего времени отсутствуют компактные, достаточно энергоёмкие и относительно дешёвые накопители электрической энергии, которые обеспечивали бы снижение собственной массы грузового электромобиля до приемлемых значений.

По нашим расчётам, при совершении одной и той же транспортной работы, необходимой для перевозки заданного количества груза в течение смены, суммарная масса гибридной установки с накопителями электроэнергии существенно (в разы) меньше, чем масса автономного накопителя электроэнергии без ДВС, необходимого для совершения той же самой транспортной работы. Иными словами, создание грузового электромобиля на базе современных накопителей электроэнергии в принципе нерационально. Образно говоря, такой электромобиль будет перевозить в основном самого себя, что допустимо для легкового автомобиля, но абсолютно неприемлемо для грузового.

2. Наличие указанного выше дефицита электрической мощности существующих энергодобывающих предприятий и электрических сетей.

В результате представленных исследований приходим к выводу о том, что для полной электрификации автотранспорта необходим достаточно длительный переходный этап, в течение которого на транспортных средствах рационально будет применять гибридные энергоустановки, обеспечивающие возможность использования углеводородного топлива. Применение таких комбинированных энергоустановок на автомобильном транспорте создаёт возможность планомерного развития системы электроснабжения с окончательным переходом в перспективе на электромобили.

Переходный этап оправдан и с экологических позиций. Опыт эксплуатации показывает, что уже существующие гибридные транспортные средства обладают гораздо более высокими экологическими показателями, чем обычные ТС с ДВС. Кроме того, при ограниченном суточном пробеге допускается применение гибридных ТС в качестве электромобилей, получающих питание только от внешней электрической сети, что дополнительно снижает потребность в углеводородном топливе.

Литература

1. Прогноз развития энергетической отрасли страны // Энергетическая стратегия России на период до 2030 года: утв. 13.11.09. – М.: Правительство Российской Федерации.

2. Прохорова Н. Социально-экономическое развитие 2020: Инновационная утопия // Нефтегазовая вертикаль. – 2008. – № 5. – С. 58–59.

3. Инфраструктура зарядки электромобилей [Электронный ресурс] // Википедия: электронная энциклопедия. – Режим доступа: ru.wikipedia.org/wiki/Better_Place

4. Электрификация Китая [Электронный ресурс] // Информационный портал Футурика Инфо. – Режим доступа: http://futurika.info/history/elektrifikaciya-gibrid-avtomobil

5. Статистические данные по производству топлива в России [Электронный ресурс] // Официальный сайт Росстата. – Режим доступа: www.gks.ru/dbscripts/Cbsd/DBInet.cgi

6. Автомобильный справочник: пер. с англ. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: ЗАО «КЖИ «За рулем», 2004. – 992 с.

7. Александров, И.К. Оценка энергетической эффективности ДВС в условиях неустановившегося режима работы / И.К. Александров, О.Л. Белков, В.А. Раков // Вестник машиностроения. – 2008. – № 6. – С. 17–20.

8. Говорущенко, Н. Я. Экономия топлива и снижение токсичности на автомобильном транспорте / Н.Я. Говорущенко. – М.: Транспорт, 1990. – 135 с.

9. Александров, И.К. Энергетический КПД машины с частичной рекуперацией энергии / И.К. Александров // Вестник машиностроения. – 2007. – № 9. – С. 17–18.

Николай Владимирович Подхомутов
Инновационные технологии для пищевой промышленности

к. т.н., директор ООО «Астор-С»

e-mail: [email protected]

В докладе отражены перспективные направления использования новых видов подвода энергии в производстве продуктов питания, показаны новые технологии и оборудование для реализации в промышленности. Даны основные характеристики, области применения и эффективность использования технологий. Отмечена возможность изготовления и поставки оборудования для оснащения пищевых производств.

Основное направление деятельности предприятия – разработка и производство аппаратуры, обеспечивающей нанопреобразование пищевых сред за счет новых видов подвода энергии: электро– и сонохимии, электро– и магнитных полей, СВЧ и волновых технологий.

Наши технологии и оборудование успешно применяются во всем ряду пищевой переработки с целью улучшения свойств сырья и повышения за счет этого качества производимых из него продуктов, исключения из их состава синтетических добавок и маргарина, увеличения объема выпуска продуктов, продления срока их годности, сокращения и упрощения технологических процессов, снижения себестоимости производства.

На данный момент созданы аппараты и технологии для производства эмульсий из СО₂-экстрактов для использования во всех областях пищевой переработки. Вологодский мясокомбинат и ряд предприятий мясопереработки Санкт-Петербурга уже используют при производстве колбас и деликатесов эмульсии «черный перец», «мускатный орех», «душистый перец», «кардамон», «кориандр». Работа по расширению ассортимента эмульсий продолжается, и уже в мае 2011 года он будет включать более 3000 наименований.

Эмульсии состоят из воды и СО₂-экстрактов натурального пряно-ароматического сырья. 100 мл эмульсии заменяют 100 г молотой сухой пряности. При производстве мясопродуктов на 100 кг мясного сырья требуется 100 мл эмульсии.

Преимущества использования:

– стабильный стойкий аромат в течение всего срока хранения или использования;

– удобство употребления: эмульсия добавляется в рассол перед шприцеванием и не требует предварительной подготовки;

– эффективное распределение придает копчено-вареным изделиям аромат пряностей, равномерно распределенный по всему продукту;

– бактериостатический и антиокислительный эффект;

– применение эмульсий позволяет производителю существенно расширить ассортимент мясопродуктов без изменения существующей технологии.

Наноэмульсии могут избавить людей от проблемы неизлечимого генетического ожирения, которая в США, Англии и других странах, «подсаженных» на американские и другие пищевые добавки, уносит здоровье и жизни людей. Полученные из «сердца» растительной клетки, они улучшают аппетит, снабжают организм сбалансированным набором витаминов, микроэлементов, биологически активными веществами, антиоксидантами, защищающими человека от старения, и, являясь сами по себе натуральными консервантами, могут полностью избавить людей от вредных синтетических добавок.

Наноэмульсии понижают содержание сахара, соли и растительного масла во всех продуктах, сохраняя у них традиционные для человеческого восприятия органолептические качества. И это избавит людей от риска опасных заболеваний, провоцируемых их избыточным употреблением. В 2004 году 57 сессия ВОЗ поставила задачу сократить потребление соли, жира и сахара, до сих пор она не решена. Наноэмульсии создают предпосылку для решения этой проблемы.

Технология производства пищевых эмульсий

Применение технологии кавитации в обработке белково-жировых эмульсий позволяет создавать комбинированные смеси из животного и растительного сырья, повышая биологическую ценность колбасных продуктов, а также создавать новые диетические и функциональные продукты. Переработка ягод, фруктов, овощей и корнеплодов позволяет получать без термообработки гомогенизаты с размерами частиц 5–100 мкм, сохранять витамины и минеральные элементы без потерь, расширить ассортимент за счет привлечения местного и нетрадиционного видов сырья, вторичных ресурсов.

Технические характеристики аппарата (рис. 1):

– производительность аппарата составляет не менее 100 л/ч;

– напряжение питания трехфазное 380±5 % В, 50 Гц;

– потребляемая мощность – 5 кВт, не более;

– уровень звукового давления – 80 дБ(А), не более;

– расход воды при давлении на входе – 0,02 – 0,3 м3/ч, не более;

– вес – 150 кг.

Рис. 1. Аппарат для производства пищевых эмульсий

Технология струйного посола мясного сырья

Для струйного посола мясного сырья активированными многокомпонентными рассолами был сконструирован и внедрен в производство аппарат «Туман».

Посол мясного сырья на аппарате типа «Туман» основан на явлениях гидродинамической и акустической кавитации. Предварительно подготовленный рассол заправляется в расходную емкость аппарата с температурой от -5 °C до -10 °C. Необходимая доза задается на пульте управления аппаратом. Слив дозы производится непосредственно в куттер или другое оборудование, в котором происходит измельчение мясного сырья.

На Вологодском мясокомбинате осуществляется струйный посол мясного фарша с использованием кавитации. Получаемые продукты превосходят сделанные по традиционной технологии по органолептике, имеют увеличенный срок годности, содержание влаги в них не превышает установленных норм.

Технология производства жироводных эмульсий

В основу работы аппарата заложен принцип акустической кавитации, что позволяет получать мелкодисперсные устойчивые эмульсии без применения химических эмульгаторов.

Добавление жира в тесто в виде «хлебной эмульсии» увеличивает гидратацию клейковины и газоудерживающую способность теста. Тесто становится более пластичным, что благоприятно сказывается на его физических свойствах.

Замена растительного масла и маргарина на «хлебную эмульсию» в рецептуре хлеба и хлебобулочных изделий позволяет отказаться от применения в приготовлении теста специальных улучшителей, получить экономию жирового сырья до 10 % без уменьшения нормы содержания жира в готовом изделии, увеличить выход готового продукта не менее чем на 3 % за счет более равномерного распределения жира в тестовой системе и влагоудерживающих свойств эмульсии. При этом одновременно улучшается качество выпекаемых изделий, предотвращается биологическая порча хлеба, увеличивается пористость мякиша и удельный объем хлеба, улучшается их структура, увеличивается срок сохранения выпекаемых изделий – не менее 120 часов.

Характеристики эмульсии:

– однородная по внешнему виду жидкость белого цвета;

– размер жировых шариков от 5 до 20 мкм;

– стойкость в нормальных цеховых условиях не менее 36 часов;

– стойкость при хранении при температуре +5 °C до 10 суток;

– одержание масла в эмульсии может регулироваться от 10 до 50 % в зависимости от требований производства.

Технология кондиционирования зерна

Способ интенсивного кондиционирования зерна пшеницы кавитационно-активированной водой с использованием аппаратов «Сиринкс» позволяет:

– снизить время отволаживания зерна пшеницы в 2–3 раза за счет интенсификации проникновения воды внутрь зерновок;

– увеличить количество клейковины в товарных сортах муки на 1,0–2,5 % в зависимости от состава помольных смесей за счет лучшего отделения оболочек;

– снизить удельный расход электроэнергии при помоле на 3–5кВт/ч на тонну зерна;

– увеличить выход продуктов помола высшего качества на 2 % за счет лучшего разрыхления эндосперма на стадии отволаживания;

– улучшить характеристики выпекаемого хлеба (объемный выход до 50 см³/г, формоустойчивость до 0,7) вкусовые качества.

Возможна выработка муки из зерна с примесью зерна пониженного качества:

– с низким содержанием клейковины (в помольной смеси она возрастает до 22–24 %);

– пораженного клопом-черепашкой;

– проросшего зерна.

В целом пшеничная мука, выработанная из указанной смеси с применением новой технологии, соответствует пшеничной муке высшего сорта по ГОСТ 26574-85.

Результаты сравнительных технологических испытаний обычных помольных партий с активированной водой дают:

– увеличение удельного объема хлеба на 15–20 %;

– увеличение формоустойчивости подовых изделий на 25 %;

– увеличение показателя пористости на 2–3 % и улучшение ее структуры;

– увеличение сжимаемости мякиша на 15–25 %.

Технология водоподготовки

Цех водоподготовки на Вологодском мясокомбинате спроектирован на базе установки «Изумруд-500» и предназначен для повышения качества воды для производства колбасной

продукции и полуфабрикатов, что позволяет выпускать продукцию стабильно высшего качества без применения синтетических добавок и улучшителей, в т. ч. из мяса с пониженным pH. Станция водоподготовки может быть установлена на птицефабриках, свинокомплексах для поения животных, санитарной обработки помещений и оборудования.

Технология производства молочных и рекомбинированных продуктов

Технология кавитации обеспечивает процесс гомогенизации молока, повышает термоустойчивость, снижает бактериальную обсемененность, повышает растворимость сухих молочных продуктов, повышая выход готовых продуктов не менее чем на 10 % за счет более рационального использования белков молока.

Технология позволяет производить рекомбинированные молочные продукты широкого ассортимента в потоке.

Технические характеристики аппарата (рис. 2):

– производительность до 1000 л/час;

– потребляемая мощность до 4 кВт;

– напряжение питания трехфазное 380 В, 50 Гц;

– масса 150 кг;

– габаритные размеры 600х600х900 мм.

Рис. 2. Аппарат для производства молочных и рекомбинированных продуктов

Технология обработки молока

Технология реализуется на основе эффекта омагничивания молока магнитным полем в проточном режиме, что позволяет уменьшить образование молочного камня в 2–3 раза, поверхностного натяжения – на 10–15 %, сократить количество колоний до 50000 К.О.Е./г.

Обработка сливок позволяет увеличить их вязкость на 16–18 %, удельную электропроводность на 14–16 %.

Конструкция аппарата модульная, в зависимости от производительности подбирается количество модулей, монтаж выполняется непосредственно в молокопроводе, специального обслуживания не требуется, для работы аппарата не требуется дополнительной энергии (рис. 3).

Рис. 3. Аппарат для обработки молока

Технические характеристики:

– магнитное поле с индукцией до 120 мТс;

– производительность до 1000 л/час;

– габаритные размеры 150 х 500мм;

– масса 10 кг, не более;

– магнитное поле создают постоянные магниты, дополнительной энергии не требуется.

Технология раскисления молочной сыворотки при производстве молочных продуктов.

Для применения в производстве молочных продуктов молочная сыворотка подвергается раскислению методом униполярной электроактивации, что позволяет сохранить витамины, белки, клетчатку, минеральные вещества и др. и перейти на безотходное производство в молочной промышленности, используя сыворотку вместо воды, как это делается по существующим технологиям для производства молочных продуктов.

Технология осуществляется на аппарате для электрохимического раскисления, после обработки сыворотки ее кислотность снижается до 90Т с гарантированным сохранением биологической ценности.

Производительность – до 2000 л/час.

Технология производства инвертного сиропа

Аппарат предназначен для ультразвуковой кавитационной обработки жидких сред с большой степенью вязкости, используемых в продуктах питания (рис. 4).

В основе технологии лежит ультразвуковая обработка сахарного сиропа, которая переводит сахар в молекулярное состояние с последующим его расщеплением до моносахаров, осуществляя процесс инверсии сахарозы только за счет эффекта кавитации.

Получаемый инвертный сироп содержит 80 % сухих и редуцирующих веществ. Традиционные технологии позволяют получать не более 50 %, они также значительно более энергозатратны.

Рис. 4. Аппарат для производства инверторного сиропа

Техническая характеристика:

– производительность до 750 кг/час;

– напряжение питания 380 В, 50 Гц;

– потребляемая мощность 8кВт, не более;

– габаритные размеры 700х1200х1450 мм;

– масса 320 кг.