Електрификация на транспорта

Основни изводи

• Електрификацията на транспорта заменя бензиновите, дизеловите, петролните и газовите двигатели с електрически двигатели, задвижвани с електричество, като по този начин се намаляват въглеродните емисии и замърсяването на въздуха на местно ниво.
• През 2023 г. автомобилният транспорт ще генерира около 17% от световните емисии на CO₂; електрическите автомобили, автобуси, камиони и микробуси за доставки са основни решения за борба с изменението на климата.
• Ползите зависят от чистата електроенергия: мрежите, в които се използват слънчева, вятърна, водна, ядрена и друга възобновяема енергия, осигуряват най-големи намаления.
• Електрификацията на автопарка изисква съвместна работа на инфраструктурата за зареждане, интелигентното управление на енергията, комуналните услуги и операторите на автопаркове.
• Текущите изследвания в IEEE Transactions on Transportation Electrification, ieee transactions, ieee xplore и конференциите на IEEE подобряват батериите, зареждането и интегрирането в мрежата.

Какво представлява електрификацията на транспорта?

Електрификацията на транспорта е преходът от двигатели с вътрешно горене, работещи с изкопаеми горива, към електрически задвижвания в пътните превозни средства, влаковете, някои кораби, самолетите, самолетите и обществения транспорт. Тя включва електрически превозни средства с батерии, хибриди с възможност за включване към електрическата мрежа и водородни горивни клетки, когато водородът се произвежда с чиста електроенергия.

На практика електрификацията на транспорта включва преминаването на личните автомобили, търговските автопаркове и обществения транспорт от превозни средства, задвижвани с изкопаеми горива, към такива, задвижвани с електроенергия, което коренно променя транспортните и енергийните системи. Тя включва също така мрежи за зареждане, свръхбързи станции за зареждане, размяна на батерии, интегриране на интелигентни мрежи, технологии за връзка между превозните средства и мрежите.

Целта е проста: да се намалят емисиите на парникови газове и замърсители от транспортния сектор, който от около 2016 г. насам е най-големият източник на емисии на CO₂ в САЩ.

Електрификация на транспорта и изменение на климата

Електрификацията на транспорта е основна стратегия за ограничаване на затоплянето до 1,5-2°C, наред с енергийната ефективност и декарбонизацията на енергийния сектор. През 2022-2023 г. транспортът е произвел около една четвърт от свързаните с енергетиката емисии на CO₂ в световен мащаб, като пътните превозни средства са отговорни за повечето емисии.

Транспортният сектор е вторият по големина източник на емисии на CO2 в световен мащаб, като леките превозни средства са отговорни за по-голямата част от емисиите от транспорта в САЩ, което представлява 29% парникови газове. Електрическите превозни средства могат бързо да намалят това количество: В зависимост от източника на електроенергия, използван за зареждането им, електрическите превозни средства отделят от два до пет пъти по-малко парникови газове в сравнение с автомобилите с бензинови двигатели.

Рецензираните анализи и моделирането в стил IPCC показват, че емисиите от жизнения цикъл на електрическите превозни средства могат да бъдат с 50-80% по-ниски при мрежи с ниски нива на въглеродни емисии. Електрическите превозни средства произвеждат по-ниски емисии през целия си живот от бензиновите автомобили, дори когато се зареждат от мрежи, използващи някои изкопаеми горива. Общото намаление на емисиите от електрификацията зависи значително от източника на електроенергия; с декарбонизацията на мрежите електрическите превозни средства ще доведат до по-ниски общи емисии на CO2 в сравнение с автомобилите с двигатели с вътрешно горене.

Понастоящем много правителства си поставят за цел до 2035-2040 г. да продадат почти изцяло превозни средства с нулеви емисии.

Потенциал за намаляване на емисиите от транспорта

Автомобилите, камионите, автобусите, железопътните линии, корабите и самолетите имат различен потенциал за електрификация. Пътните превозни средства предлагат най-бърз напредък, тъй като милиони електрически автомобили вече се продават всяка година, а градските автобусни паркове се увеличават в Китай, Сантяго, Делхи, Мексико, Индия, Япония, Европа и САЩ.

Преходът към електрически превозни средства може да намали общите въглеродни емисии от наземния транспорт с над 75% до 93% до 2050 г. с помощта на чисти енергийни мрежи. Електрифицирането на общинските автобусни паркове и разширяването на електрифицираните железопътни мрежи са ключови стратегии в областта на електрификацията на транспорта.

Средните и тежкотоварните камиони са по-трудни, защото теглото, пробегът, скоростта на зареждане и графиците за обслужване са от значение. Все пак регионалните доставки, пристанищните превози и превозите по коридори са силни пазари в началото. За корабите и самолетите алтернативният път в близко бъдеще често съчетава ефективност, водород, биогорива и електронни горива.

Ролята на чистата електроенергия за електрификацията на транспорта

Електрическата мрежа определя доколко чисто е зареждането на електромобили. Чиста електроенергия означава енергия от възобновяеми енергийни източници, като слънчева, вятърна, водна, геотермална, ядрена и изкопаема с улавяне на въглерод.

От средата на 2010 г. насам Китай, Европейският съюз, Съединените щати и Индия разшириха използването на слънчева и вятърна енергия. Ползите от електрификацията на транспорта се увеличават с преминаването на енергийните мрежи към възобновяеми енергийни източници като вятърната и слънчевата енергия. При мрежа с високо съдържание на въглища електрическите превозни средства все още често надминават бензиновите автомобили през целия им живот, но разликата е по-малка; при мрежа с високо съдържание на възобновяеми енергийни източници емисиите от кладенеца до колелото рязко намаляват.

Интелигентното зареждане също помага. Електрическите паркове могат да съхраняват излишната слънчева и вятърна енергия, генерирана извън пиковите часове, а ценообразуването по време на ползване измества търсенето от пиковите часове и прави енергийната система по-ефективна.

По-широки предимства на електрификацията на транспорта

Електрификацията осигурява екологични, икономически, мрежови и здравни предимства. Електрификацията подобрява качеството на въздуха на местно ниво, което е от полза за общественото здраве в гъсто населените райони. Премахването на емисиите от ауспуха подобрява качеството на въздуха в градовете, като намалява местните замърсители като азотни оксиди и фини прахови частици.

Широкото въвеждане на електрически превозни средства може да предотврати приблизително 150 000 до 550 000 преждевременни смъртни случая годишно благодарение на подобреното качество на въздуха. Електрическите двигатели произвеждат по-ниски нива на шум в сравнение с двигателите с вътрешно горене, което допринася за по-тиха градска среда, особено около училища, автобусни спирки и гъсто населени квартали.

Операторите на електрически превозни средства се възползват от по-ниски експлоатационни разходи поради по-евтината електроенергия и намалените разходи за поддръжка в сравнение с двигателите с вътрешно горене. Технологията "превозно средство към мрежата" (Vehicle-to-grid - V2G) позволява на електрическите превозни средства да се зареждат в извънпиковите часове и да връщат електроенергия в мрежата по време на пиковото търсене, като по този начин спомагат за стабилизирането на мрежата и управлението на потреблението на енергия. Електрическите превозни средства могат да служат като разпределени батерии за електропреносната мрежа по време на пиковите натоварвания чрез протоколи за V2G и управлявано зареждане.

Нови технологии за зареждане на средно и тежкотоварни превозни средства

Електрифицирането на MHDV се нуждае от по-висока мощност, по-безопасни кабели и нови архитектури на депата. Напредъкът в технологиите за зареждане на средно- и тежкотоварни електрически превозни средства включва комунални услуги със средно напрежение, централизирано разпределение на постоянен ток, кабели с течно охлаждане и безжично зареждане, които повишават скоростта на зареждане и мащабируемостта.

Инфраструктурата за зареждане на електрически превозни средства включва статични щепсели за променлив ток в жилищата и високоволтови центрове за бързо зареждане с постоянен ток, както и бъдещи динамични системи за безжично зареждане, вградени в пътищата. Литиево-йонната технология с висока плътност е настоящият промишлен стандарт за батериите за електрически превозни средства, докато разработването на твърдотелни устройства може да намали времето за престой по-късно.

Планиране и управление на енергията за електрифициране на автопарка

Електрификацията на автопарка не е само закупуване на превозни средства. Ръководителите на програми трябва да прегледат:

• Маршрути, време за престой, пробег, полезен товар, метеорологични условия и топография
• Местоположения на депата, капацитет на мрежата, тип зарядно устройство и резервно захранване
• Възможности за зареждане на обществени места, депа и по маршрута
• Разграждане на батерията, тарифи и оперативна готовност

Електроснабдителните предприятия играят решаваща роля в преодоляването на пречките пред електрификацията, като помагат за изграждането на стабилна мрежа от станции за зареждане и гарантират, че електрическите превозни средства са добре интегрирани в електрическата мрежа. Интелигентните системи за управление на енергията са от съществено значение за електрификацията на автопарка, като позволяват на операторите да оптимизират графиците за зареждане и да балансират използването на енергия по време на зареждане, за да защитят мрежата.

Текущ пазарен пейзаж и движещи сили на политиката

Пазарите на електрически превозни средства се разшириха бързо след края на 2010 г., тъй като батериите поевтиняха, стимулите се подобриха, а потребителите станаха по-удобни. Според IEA, глобалните продажби на електрически автомобили ще достигнат около 17 милиона през 2024 г.

Политическите фактори включват:

• Мандати за превозни средства с нулеви емисии
• Стимули за закупуване, данъчни кредити и отстъпки
• Стандарти за икономия на гориво и емисии
• Обществени коридори за бързо зареждане
• Програми за общности с ниски доходи, селски райони и многофамилни жилища

Организациите и правителствата се насърчават да инвестират в инфраструктура, която да направи прехода по-бърз и по-справедлив. Забавянето на обновяването на капиталовите запаси означава, че са необходими десетилетия, за да се изтеглят от употреба съществуващите превозни средства, базирани на изкопаеми горива, и да бъдат заменени с електрически алтернативи, което усложнява прехода към електрификация.

Научни изследвания, иновации и стандарти в областта на електрификацията на транспорта

Напредъкът зависи от научните изследвания, стандартите и интегрираните системи. Академичните лаборатории, комуналните услуги, производителите и органите по стандартизация на IEC работят по двигатели, батерии, киберсигурност, комуникации, топологии на задвижването, подсистеми и оперативна съвместимост.

IEEE Transactions on Transportation Electrification and related IEEE Xplore Публикациите обхващат двупосочното зареждане, състоянието на батериите, стандартите за зареждане и планирането на системите. Тези технологии помагат на автопарковете да отделят по-малко емисии, като същевременно подобряват надеждността.

Основни бариери и как да ги преодолеем

Въпреки нарастващата динамика на електрификацията на транспорта, все още съществуват няколко пречки, които затрудняват прехода към електрически превозни средства и инфраструктура. Сред тях са ограничените зарядни устройства, дългите срокове за свързване, по-високите първоначални разходи, безпокойството за пробега, опасенията, свързани с батериите, недостигът на работна ръка и рисковете, свързани с доставките на литий, никел и кобалт.

За намаляване на триенето:

• Политиците трябва да съгласуват стимулите, разрешителните, правилата за рециклиране и инвестициите в мрежата.
• Компаниите за комунални услуги и операторите на автопаркове трябва да планират навреме, да обменят данни и да подготвят модернизацията, преди да се появи търсенето.

Преминаването към електрически превозни средства носи значителни ползи за икономиката, околната среда и общественото здраве, като по-бързият преход води до по-бързи ползи за общностите.

Често задавани въпроси (ЧЗВ)

Колко бързо електрификацията на транспорта намалява въглеродните емисии?

Намаляването на емисиите започва веднага след като електрическите превозни средства заменят бензиновите или дизеловите автомобили. Най-големите печалби идват, когато автопарковете се сменят и мрежата се обогатява с чиста електроенергия.

Наистина ли електромобилите са по-чисти през целия си жизнен цикъл?

Да. Анализът на жизнения цикъл включва производство, производство на батерии, шофиране, доставка на гориво или електроенергия и рециклиране. Според повечето проучвания електромобилите са по-чисти от сравнимите бензинови автомобили в повечето мрежи.

Какво се случва с батериите на електромобилите в края на живота им?

Много батерии могат да се използват повторно за стационарно съхранение преди рециклиране. При рециклирането се възстановяват материали като литий, никел, кобалт, мед и алуминий.

Могат ли съществуващите електропреносни мрежи да се справят с широко разпространената електрификация на транспорта?

Често да, с планиране. Управляваното зареждане, контролът на депата, целенасочените подобрения и V2G намаляват напрежението в пиковите часове.

Конкурент или допълнение на акумулаторния транспорт е водородът?

Водородът може да допълни акумулаторно-електрическите технологии за превоз на камиони на дълги разстояния, транспорт и някои видове извънпътна техника. За повечето леки автомобили и градски автопаркове електрическите системи с акумулаторни батерии понастоящем са по-ефективни и развити.