Журнал прикладной химии. 2021. Т. 94. Вып. 6

ВОДОРОДНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

УДК 629.113.001.25:628.5

ОЦЕНКА ЖИЗНЕННОГО ЦИКЛА СИЛОВЫХ УСТАНОВОК

НА АККУМУЛЯТОРНОЙ БАТАРЕЕ, ВОДОРОДНЫХ ТОПЛИВНЫХ ЭЛЕМЕНТАХ,

ДВИГАТЕЛЕ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ДЛЯ ГОРОДСКИХ АВТОБУСОВ

В УСЛОВИЯХ МОСКОВСКОГО РЕГИОНА

А. С. Теренченко¹, М. А. Горин⁴, А. Н. Тихонов⁵, К. В. Милов¹

¹ ГНЦ РФ ФГУП «НАМИ», 125438, г. Москва, Автомоторная ул., д. 2

² Институт проблем химической физики РАН,

142432, Московская обл., г. Черноголовка, пр. Академика Семенова, д. 1

³ АО «Группа компаний ИнЭнерджи»,

115201, г. Москва, 2-й Котляковский пер., д. 18

⁴ Департамент транспорта и развития дорожно-транспортной инфраструктуры г. Москвы,

125993, г. Москва, 1-й Красногвардейский пр., д. 21, стр. 1

⁵ ООО «УК «РОСНАНО»,

114292, г. Москва, пр. 60-летия Октября, д. 10А

E-mail: a.kozlov@nami.ru

Поступила в Редакцию 27 апреля 2021 г.

После доработки 29 апреля 2021 г.

Принята к публикации 25 мая 2021 г.

Проведен сравнительный анализ в жизненном цикле силовых установок на двигателях внутреннего

сгорания, работающих на дизельном топливе и природном газе, аккумуляторных батареях и водо-

родных топливных элементах. Собрана инвентаризационная информация для силовых установок по

стадиям жизненного цикла: производство конструкционных материалов и сбор компонентов силовых

установок, получение топлива и энергии, эксплуатация и утилизация по окончании срока службы.

Представлены результаты комплексной оценки затрат энергии и выбросов СО₂ в жизненном цикле.

Для комплексной оценки показателей использована структура производства электрической энергии,

сложившаяся в Московском регионе. Проведена оценка стоимости водорода, при которой силовые

установки на топливных элементах становятся экономически конкурентоспособными.

Ключевые слова: автобусы; силовые установки; топливные элементы; водород; двигатель внутрен-

него сгорания; аккумуляторная батарея; жизненный цикл

DOI: 10.31857/S004446182106013X

Урбанизация приводит к значительному концен- ления в мире проживало в городах, в 2018 г. — 55%.

трированию населения в городах. В 1950 г. 30% насе- Согласно прогнозам, к 2050 г. уже 68% населения

784

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

785

будет проживать в городах.* Аналогичная тенденция

телен в сравнении с легковыми автомобилями, по-

отмечается и в Российской Федерации — в городских

скольку в этом случае количество выбросов вредных

агломерациях проживает более половины населения

веществ и СО₂ в пересчете на одного пассажира зна-

[1], причем постоянно происходит миграция насе-

чительно меньше [3-5]. Также важно, чтобы в общей

ления из малых городов в города с более высокой

структуре общественного транспорта увеличивалась

численностью населения.

доля транспорта с «нулевым» выбросом, к которому

Одновременно с урбанизацией происходит устойчи-

можно отнести электрический транспорт (в данном

вый рост автомобилизации. В Российской Федерации

контексте под «нулевым» выбросом подразумевается

количество легковых автомобилей на 1000 человек с

отсутствие выбросов вредных веществ и СО₂ только

2000 по 2019 г. выросло в 2.5 раза. Автомобильный

в процессе эксплуатации транспорта).

транспорт в городах — основной источник выбро-

В сегменте общественного транспорта основные

сов вредных веществ в атмосферу. Доля выбросов

источники выбросов вредных веществ — дизельные

вредных веществ от автомобильного транспорта в

автобусы. Планы об отказе использования дизельных

городах с населением более 1 млн чел. составляет

автобусов с последующей их заменой на автобусы с

36-94%, в городах курортного значения — 69-98%.**

«нулевым» выбросом объявлены муниципалитета-

К вредным веществам, приводящим главным об-

ми многих столиц Европы и мира, включая Москву.

разом к парниковому эффекту, относятся монооксид

К автобусам с «нулевым» выбросом относятся авто-

углерода, оксиды азота N_xO_y, углеводороды, а также

бусы с электрической силовой установкой на основе

дизельная и бензиновая сажи, выбрасываемые в ат-

перезаряжаемых энергоаккумулирующих систем,

мосферу в виде твердых частиц с большим количе-

аккумуляторных батарей или суперконденсаторов, а

ством адсорбированных на них углеводородов [2].

также с водородными топливными элементами (ТЭ)

Несмотря на широкое применение каталитических

(автобусы на ТЭ) [3, 6, 7]. В силовых установках для

систем очистки отработавших газов и повышение

применения на транспортных средствах распростра-

эффективности систем очистки, полностью снизить

нение получили низкотемпературные топливные эле-

эмиссию вредных веществ не удается.

менты на базе протонообменных мембран, перспек-

Обеспокоенность изменением климата планеты

тивы применения которых представлены в обзоре [8].

из-за роста выбросов парниковых газов антропоген-

Существует мнение, что в случае перехода к ав-

ного происхождения привлекла внимание в первую

томобильному транспорту с электрической силовой

очередь к выбросам СО₂. В мировой экономике на

установкой в целом выбросы вредных веществ не

долю энергетики, транспорта и промышленности

сокращаются, а возможно, и возрастают. При заряд-

приходится выбросов СО₂ соответственно 41.7, 24.6,

ке аккумуляторной батареи и получении водорода,

18.4%.*** В Российской Федерации доли выбросов

используемого в топливных элементах в качестве

СО₂ от этих же секторов экономики соответственно

топлива, потребляются сырьевые ресурсы и энергия,

составляют 57.8, 18.7 и 18.1%.****

в результате чего выбросы вредных веществ про-

Общепризнано, что при обеспечении пассажир-

сто «переносятся» от автомобиля и локализуются в

ских потоков общественный транспорт предпочти-

местах получения энергии и водорода, переработ-

ки сырьевых ресурсов. Для некоторых случаев это

действительно справедливо. Однако такое мнение,

* United Nations. Department of economic and so-

если оно не подтверждается комплексным исследо-

cial affairs. World Urbanization Prospects 2018. Highlights.

https://population.un.org/wup/Publications/Files/WUP2018-

ванием и расчетами, является упрощенным и может

Highlights.pdf

приводить к неверным выводам. На протяжении по-

** ФГБУ «Главная геофизическая обсерватория

следних 40 лет в мире активно развивались научные

им. А. И. Воейкова», Росгидромет. Ежегодник. Состояние

методы для комплексной оценки на основе анализа

загрязнения атмосферы в городах на территории России

жизненного цикла транспортного средства, который

за 2018 г. С. 84-164. http://voeikovmgo.ru/download/

включает в себя добычу сырья для производства

publikacii/2019/ejegodnik_zagr_atm_2018.pdf

*** Международное энергетическое агентство

транспортного средства и его частей, использование

(International Energy Agency). Data and statistics. https://www.

транспортного средства, переработку и утилизацию

iea.org/data-and-statistics?country=WORLD&fuel=CO2%20

транспортного средства по окончании срока службы

emissions&indicator=CO2BySector

[9-17]. Оценка жизненного цикла (ОЖЦ) продук-

**** Международное энергетическое агентство

ции используется для определения ее воздействия на

(International Energy Agency). Data and statistics. https://www.

окружающую среду, потребления энергии, стоимо-

iea.org/data-and-statistics?country=RUSSIA&fuel=CO2%20

emissions&indicator=CO2BySector

сти продукции. Методология ОЖЦ унифицирована

786

Козлов А. В. и др.

в виде международных стандартов и идентичных

Структуры генерирующих мощностей различных

стандартов Российской Федерации.*

государств, а также различных регионов в пределах

В свою очередь технологические процессы, при-

одного государства значительно отличаются друг

меняемые на стадиях от добычи сырья до утилиза-

от друга и зависят от климатических и географиче-

ции транспортного средства, являются основными

ских условий, доступности углеводородного топлива,

составляющими жизненного цикла продукции. ОЖЦ

природных ресурсов, уровня технологического раз-

применяется в отдельности по отношению к каждому

вития и др. Поэтому не существует единой модели,

из технологических процессов и открывает возмож-

приемлемой для всех случаев (стран, регионов), для

ности их оптимизации. На стадии использования

обеспечения снижения выбросов парниковых газов,

транспортного средства при ОЖЦ особое место зани-

необходимость которого декларируется в Парижском

мают химические процессы получения углеводород-

Соглашении.

ных топлив и водорода. Одним из основных способов

К настоящему времени опубликовано большое

получения водорода является паровая конверсия при-

число исследований, посвященных автобусам, с ге-

родного газа [18]. Для хранения и транспортировки

ографической привязкой к тому или иному регио-

полученного водорода привлекательными являются

ну, например для Испании (Мадрид) [26], Швеции

технологии с использованием носителей водорода,

(Стокгольм) [4], Польши, Чешской Республики [27],

основанных на жидких органических соединени-

Канады (четыре провинции) [28], Китая [29], США

ях [19]. В частности, ОЖЦ химических процессов,

[30], Аргентины, Бразилии и Чили [31].

относящихся к теме нашей работы, используется

Так, в исследовании [4], посвященном использова-

для нефтепереработки [20], производства водорода

нию электрических автобусов в Стокгольме, показано,

паровой конверсии природного газа газификацией

что переход на электрические автобусы необязательно

угля, с использованием термохимических циклов, с

приводит к снижению эмиссии парниковых газов в

улавливанием СО₂ [21, 22], газификацией биомассы

жизненном цикле. Эмиссия парниковых газов автобу-

[23], переработки отработавших аккумуляторных

сами с аккумуляторными батареями ниже, чем эмис-

батарей [24].

сия дизельных автобусов, работающих на биотопливе

Пожалуй, наибольшее влияние на выбросы парни-

первого поколения. В то же время применение биото-

ковых газов в жизненном цикле транспортного сред-

плива второго поколения, полученного, например, с

ства оказывает вид используемого топлива, а также

помощью гидрообработки растительных масел, может

количество и вид потребленной первичной энергии

дать дизельным автобусам конкурентное преимуще-

при производстве электрической энергии и водорода.

ство перед автобусами на аккумуляторных батареях.

Выбросы парниковых газов на 1 кВт·ч произве-

В настоящее время в Китае, где угольная гене-

денной энергии могут различаться в 100 раз в зави-

рация в общей генерации энергии составляет поч-

симости от вида первичной энергии. Например, для

ти 68%, автобусы на аккумуляторах и топливных

ветровой генерации на 1 кВт·ч произведенной энер-

элементах уступают дизельным автобусам в жиз-

гии выбросы парниковых газов составляют 9 г СО_2е,

ненном цикле по потреблению энергии и по выбро-

для солнечной энергетики — 32 г СО_2е, для геотер-

сам парниковых газов [29]. Моделирование измене-

мальной — 38 г СО_2е, для атомной энергетики — 66 г

ния структуры электрогенерирующих мощностей,

СО_2е, при сжигании угля — 1050 г СО_2е [25] (СО_2е —

при котором увеличивается доля возобновляемых

обозначение эквивалента диоксида углерода конкрет-

источников энергии (солнечной энергии, энергии

ного количества парникового газа, вычисляемого как

ветра, геотермальной энергии) и доля угольной ге-

масса данного парникового газа, умноженная на его

нерации снижается до 7%, показывает, что выбросы

потенциал глобального потепления**).

парниковых газов могут быть снижены более чем в

5 раз. В Канаде в провинциях Квебек и Британская

Колумбия преобладает гидроэнергетика; в Онтарио

* ISO 14040:2006. Environmental Management — Life

примерно одинаковые доли занимают тепловая

cycle assessment — Principles and framework (ГОСТ Р ИСО

14040-2010. Экологический менеджмент. Оценка жиз-

энергетика, атомная энергетика и гидроэнергетика; в

ненного цикла. Принципы и структура). ISO 14044:2006

Альберте преобладает тепловая энергетика.

Environmental management — Life cycle assessment —

Для получения водорода в исследовании [28] бы-

Requirements and guidelines (ГОСТ Р ИСО 14044-2019.

ло рассмотрено три способа: электролиз воды, тер-

Экологический менеджмент. Оценка жизненного цикла.

мохимическое разложение воды в медно-хлорном

Требования и рекомендации).

термохимическом цикле и паровая конверсия метана.

** ГОСТ Р 56276-2014 /ISO/TS 14067:2013. Газы пар-

никовые. Углеродный след продукции.

Выбор термохимического цикла основан на развитии

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

787

данной технологии в Канаде в комбинации с исполь-

нимально. На отопление энергии расходуется больше,

зованием энергии от ядерного реактора [32]. ОЖЦ

чем на кондиционирование, когда температура окру-

автомобиля показывает, что только в одном способе

жающей среды отклоняется от 20°С на одинаковое

переход от двигателей внутреннего сгорания (ДВС)

количество градусов в меньшую и большую сторону,

к автомобилям на топливных элементах приводит к

и включается отопление или кондиционирование.

увеличению оксидов серы (SO_x), оксидов азота (NO_x)

При температуре 0°С на отопление и на вентиляцию

и твердых частиц. Это случай получения водорода

расходуется 9 кВт мощности, при -25°С — примерно

электролизом в провинции Альберт, где в структу-

23 кВт. Увеличение потребления энергии на венти-

ре генерирующих мощностей преобладает тепловая

ляцию, отопление и кондиционирование приводит к

энергетика, в которой используется главным образом

увеличению потребления водорода и, как следствие,

уголь (55%) и природный газ (40%). При этом вы-

к увеличению выбросов парниковых газов в жизнен-

бросы СО и летучих органических веществ (ЛОВ)

ном цикле.

снижаются в 10 раз и более. Получение же водорода

Наименьшее воздействие на окружающую среду

разложением воды в термохимическом цикле обе-

можно получить, если в структуре генерирующих

спечивает наименьшее количество выбросов всех

мощностей преобладает возобновляемая энергетика,

вредных веществ (SO_x, NO_x, ЛОВ, СО, твердые ча-

гидроэнергетика, ядерная энергетика. Если преобла-

стицы) для всех провинций независимо от структуры

дающей является угольная энергетика, то очевидно,

генерирующих мощностей этих провинций.

что замена дизельных автомобилей на автомобили с

Другой пример того, как структура генерирую-

электрической силовой установкой приведет к увели-

щих мощностей влияет на удельные выбросы пар-

чению выбросов парниковых газов.

никовых газов, представлен в работе [33]. Удельные

Единая энергетическая система России состоит из

выбросы парниковых газов на 1 МДж произведен-

семи Объединенных энергетических систем (ОЭС).*

ной энергии составляют: в США — 0.214 г СО_2е, в

Структура производства электрической энергии всей

Италии — 0.178 г СО_2е, во Франции — 0.026 г СО_2е.

Единой энергетической системы РФ следующая (про-

Представленный ряд коррелирует с уменьшением

гноз на 2022 г.): 20.9% — атомные электростанции,

доли ископаемого топлива, используемого в общем

17.4% — гидроэлектростанции, 61.4% — тепловые

производстве электроэнергии в стране: чем меньше

электростанции, возобновляемые источники энер-

доля, тем меньше удельные выбросы.

гии — 0.3%.** ОЭС отличаются друг от друга по

Комплексное исследование воздействия на окру-

структуре производства электрической энергии, ино-

жающую среду при использовании автобусов на то-

гда очень значительно. Например, доля гидроэнерге-

пливных элементах на территории США было про-

тики в ОЭС Сибири за счет полноводных сибирских

ведено в исследовании [30]. Результаты показали,

рек составляет 51.2%, тогда как в ОЭС Урала — 1.9%.

что воздействие зависит от способа производства

Структура производства электрической энергии ОЭС

водорода и структуры региональных электрогене-

Центра, в которую входит 19 субъектов Российской

рирующих мощностей, температуры окружающего

Федерации, в том числе Москва и Московская об-

воздуха, режимов эксплуатации автобусов и даже

ласть: 43.5% — атомные электростанции, 2.0% —

индивидуальной манеры вождения водителя. Переход

гидроэлектростанции, 54.5% — тепловые электро-

от дизельных автобусов к автобусам на топливных

станции (из них газовые — 48. 3%, угольные — 2.6%,

элементах приводит к существенному снижению вы-

другие — 3.6%), возобновляемые источники энер-

бросов парниковых газов, включая ЛОВ, СО, NO_x,

гии — 0%. Доля угольной генерации электрической

твердые частицы. Суммарное снижение выбросов

энергии незначительна: примерно столько же, сколько

парниковых газов составляет от 22 до 80%, если во-

и у ГЭС. Таким образом, структура производства

дород централизованно производится из природного

электрической энергии ОЭС Центра вполне перспек-

газа методом паровой конверсии, и от 54 до 97%, если

тивна с той точки зрения, что переход к автомобиль-

водород производится электролизом. Исключение

ному транспорту с электрической силовой установкой

составляют оксиды серы SO_x, выбросы которых воз-

растают при получении водорода паровой конвер-

* Единый системный оператор единой энергетической

сией природного газа. При эксплуатации автобуса

системы. Единая энергетическая система России. https://

so-ups.ru/functioning/ees/ees-2020/

минимальный расход водорода наблюдается в тем-

** Министерство энергетики Российской Федерации.

пературном диапазоне окружающей среды 20 ± 5°С,

Об утверждении схемы и программы развития единой

когда потребление энергии на вентиляцию, отопление

энергетической системы России на 2016-2022 гг. https://

и кондиционирование кабины и салона автобуса ми-

minenergo.gov.ru/node/5021

788

Козлов А. В. и др.

не должен приводить к увеличению выбросов парни-

LTO-аккумуляторы занимают около 2%.* Кроме того,

ковых газов (вредных веществ).

их низкая удельная энергоемкость ограничивает запас

Благодаря прогрессу, достигнутому за послед-

хода автобусов. В то же время безопасность, высокий

ние 30 лет, в настоящее время наибольшее распро-

ресурс и способность работать в широком темпера-

странение в качестве перезаряжаемой энергоакку-

турном диапазоне делают LTO-аккумуляторы привле-

мулирующей системы в электромобилях получили

кательными для использования на автомобилях, в том

литий-ионные аккумуляторы. В состав электриче-

числе на автобусах. Способность LTO-аккумуляторов

ской силовой установки электромобиля на ТЭ так-

работать при отрицательных температурах повы-

же входит литий-ионная аккумуляторная батарея,

шает надежность обеспечения пассажирских пере-

емкость которой обычно в несколько раз ниже, чем

возок в холодных зимних условиях. В свою очередь

на электромобиле, поскольку аккумуляторная ба-

быстрый заряд позволяет использовать стратегию

тарея (АКБ) периодически подзаряжается во время

заряда аккумуляторов непосредственно на маршру-

движения электромобиля от батареи топливных эле-

те, например на конечных остановках. Автобусы на

ментов. В силу того что стоимость, масса и энерге-

LTO-аккумуляторах в комбинации с инфраструкту-

тические затраты на производство АКБ составляют

рой для быстрого заряда эксплуатируются в Японии,

значительную долю от величин соответствующих

Малайзии, Европе,** Объединенных Арабских

характеристик всего электромобиля, аккумуляторная

Эмиратах (в Абу Даби),*** США (в Помоне).****

батарея является неотъемлемой частью при оценке

Надежность пассажирских перевозок — одно из

жизненного цикла как электрических автобусов, так

главных условий жизнедеятельности любого мега-

и автобусов на ТЭ.

полиса. Москва является крупнейшим городом на

Итоги развития литий-ионных аккумуляторов

Европейском континенте, в котором температура

представлены в ряде обзоров [34-37]. Известно, что

ниже -20°С не редкость. В московских электриче-

характеристики литий-ионных аккумуляторов — ем-

ских автобусах (электробусах) используются элек-

кость и напряжение единичного элемента, количество

трические силовые установки на основе литий-

циклов заряда-разряда, удельная энергоемкость, диа-

титанатной аккумуляторной батареи. В настоящее

пазон рабочих температур и др. — определяются хи-

время более 40 маршрутов Москвы обслуживают

мическим составом катода и анода. В настоящее время

около 500 автобусов с электрической силовой уста-

в автомобилях используются аккумуляторы в основ-

новкой.***** Все маршруты обеспечены необходи-

ном с углеродным анодом и с катодами следующих

мой инфраструктурой для быстрого заряда аккуму-

составов: LiFePO₄ (LFP), LiNi_0.8Co_0.15Al_0.05O₂ (NCA),

ляторных батарей.

LiNi_1/3Mn_1/3Co_1/3O₂ (NMC) [38]. Основные недостат-

Очевидно, что небольшой запас хода московских

ки литий-ионных аккумуляторов — снижение емкости

электрических автобусов (50-60 км) ограничивает их

в процессе заряда-разряда; длительный процесс заря-

использование территорией, где имеются зарядные

да аккумуляторов; саморазряда при хранении при по-

станции. Автобусы на водородных топливных эле-

ниженных температурах; склонность к саморазогреву

ментах имеют запас хода 300-450 км и могут быть

в результате нарушения температурного режима (так

использованы не столько как альтернатива электриче-

называемый тепловой разгон). Начавшийся тепловой

ским автобусам на аккумуляторных батареях, а скорее

разгон практически невозможно остановить, в итоге

как еще один вариант при обеспечении пассажирских

он приводит к возгоранию и даже взрыву АКБ.

перевозок.

В качестве альтернативы углеродному аноду на

рынке доступен пока только литий-титанатный анод

* The rechargeable battery market and main trends

Li₄Ti₅O₁₂ (LTO). Достоинства аккумуляторов с ли-

2016-2025. P. 43. http://www.watersmark.com/wp-content/

uploads/2017/09/Pillot_Christophe2016-2025.pdf

тий-титанатным анодом (LTO-аккумуляторов): ши-

** Toshiba. Electric bus. https://www.global.toshiba/

рокий рабочий температурный диапазон -30÷+60°С

ww/products-solutions/battery/scib/application/ev-bus.html

(даже при -30°С может быть доступно 80% его пол-

*** Gulf Business. Abu Dhabi unveils fleet of electric

ной емкости [38]); способность выдерживать более

buses. https://gulfbusiness.com/abu-dhabi-unveils-fleet-of-

20 000 циклов заряда-разряда; возможность заряда

electric-buses/

батареи большими токами — ультрабыстрый заряд

**** Foothill Transit Agency Battery Electric Bus

Progress Report Data Period Focus. 2020. NREL/PR-5400-

в течение 15-20 мин [39]; высокая термическая ста-

76259. https://www.nrel.gov/docs/fy21osti/76259.pdf

бильность [40]; устойчивость к тепловому разогреву

***** Green car congress. Moscow launches its 500th

[41]. Главное препятствие для широкого применения

electric bus; largest electric bus fleet in Europe. https://www.

LTO-аккумуляторов — их высокая цена. На рынке

greencarcongress.com/2020/11/20201114-moscow.html

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

789

Цель работы — проведение сравнительного анали-

ФГУП «НАМИ» на основе международных стандар-

за в жизненном цикле показателей силовых установок

тов по оценке экологической безопасности продукции

на водородных топливных элементах, на литий-тита-

в жизненном цикле, методики оценки показателей

натной аккумуляторной батарее, а также на двигате-

силовых установок и топлив в жизненном цикле [16,

лях внутреннего сгорания, работающих на дизельном

17]. Математическая модель, используемая в мето-

топливе и природном газе. Силовые установки пред-

дике, описывает материальные и энергетические по-

назначены для городского автобуса большого класса

токи, а также экономические затраты в жизненном

в Московском регионе. Сравниваемые показатели

цикле.

силовых установок: затраты энергии, выброс СО₂,

Любой единичный процесс, стадию жизненного

экономические затраты.

цикла или продукционную систему в целом можно

схематически представить в виде «черного ящика»

(рис. 1).

Методическая часть

Процесс имеет «Вход», т. е. входные потоки ве-

В качестве критериев оценки выбраны три пока-

ществ и энергии, и «Выход», т. е. выходные потоки

зателя оценки жизненного цикла (ОЖЦ):

веществ и энергии. При моделировании любого про-

— расход энергии — характеризует суммарные

цесса должны соблюдаться законы сохранения массы

затраты энергии в жизненном цикле;

и энергии:

— выброс СО₂ — характеризует суммарный вы-

M_pnoci = Mproc,

(1)

брос СО₂ в жизненном цикле;

— экономические затраты — характеризуют об-

E_prnci

= Eoutproc,

(2)

щие расходы на приобретение и эксплуатацию ав-

тобуса.

где M — поток массы; E — поток энергии (включая

При проведении оценки жизненного цикла учиты-

энергию, вносимую или выносимую с топливом или

вались следующие стадии:

сырьем для его получения, а также затраты энергии

— стадия производства, которая включает процес-

на процесс и потери энергии в окружающую среду);

сы получения конструкционных материалов, их об-

индексы: in — входной поток, out — выходной поток,

работки, сборки компонентов и транспортного сред-

proc — идентификатор процесса. Эти законы должны

ства; производства эксплуатационных материалов и

соблюдаться на любом уровне иерархии процессов —

запасных частей;

от единичных, до жизненного цикла в целом.

— стадия производства топлив, электрической

Для каждого единичного процесса, стадии и жиз-

энергии;

ненного цикла в целом рассчитываются показатели

— стадия эксплуатации, которая включает про-

по следующей схеме:

цессы эксплуатации автобуса, когда он совершает

— рассчитывается входной поток материалов,

транспортную работу; процессы технического обслу-

— определяется входной поток энергии,

живания и ремонта, в том числе замены компонентов,

— рассчитывается выходной поток материалов,

вышедших из строя;

— определяется выходной поток энергии,

— стадия утилизации, включающая процессы де-

— рассчитываются экономические затраты.

композиции транспортного средства, переработку

(рециклирование) материалов и захоронение отходов

по окончании срока службы автобуса.

Объекты исследования

При проведении оценки жизненного цикла ис-

пользована методика оценки показателей автомо-

Расчеты проведены для пяти вариантов автобусов

билей и их силовых установок, разработанная во

большого класса, различающихся силовыми установ-

ками. Учитывая тот факт, что кузов и шасси автобуса,

элементы салона и многие другие компоненты во

всех сравниваемых вариантах практически идентич-

ны либо имеют очень близкие параметры, оценку

проводили, принимая во внимание только силовые

установки и отличительные компоненты, использу-

емые в комплексе с соответствующими силовыми

установками. Ниже представлены варианты силовых

Рис. 1. Схема единичного процесса.

установок с компонентами:

790

Козлов А. В. и др.

— силовая установка на основе дизельного ДВС

базы данных оценки жизненного цикла топлив и

с системами охлаждения, питания, включая бак для

транспортных средств GREET*^,**^,*** [49], евро-

топлива, системы впуска воздуха и выпуска с нейтра-

пейской справочной базы данных жизненного цик-

лизатором отработавших газов, коробку перемены

ла (EPLCA)****, а также других опубликованных

передач;

источников по получению топлив*****,****** [50-

— силовая установка на основе газового ДВС,

52], топливным элементам [53, 54], возобновляемой

работающего на природном газе, с системами охлаж-

энергетике [55, 56]. Были получены данные по затра-

дения, питания, включая баллоны для хранения ком-

там энергии и удельным выбросам CO₂ в процессах:

примированного газа на борту и газовую арматуру,

— получения электроэнергии,

системы впуска воздуха и выпуска с нейтрализатором

— производства топлив,

отработавших газов, коробку перемены передач;

— получения конструкционных материалов,

— силовая электрическая установка на основе

— обработки материалов и сборки узлов в

LTO-аккумулятора емкостью 77 кВт·ч, включающая

том числе аккумуляторных батарей,

инвертор, электродвигатель с редуктором, систему

— производства эксплуатационных материалов,

термостатирования аккумуляторной батареи, систему

— утилизации отходов по окончании срока

охлаждения электродвигателя и электронных компо-

службы.

нентов; используемый LTO-аккумулятор обеспечи-

В рамках данной работы принято то, что электри-

вает запас хода 50-60 км; данный вариант обладает

ческую энергию получают из Объединенной энерге-

характеристиками, близкими к характеристикам ав-

тической системы Центра со структурой производ-

тобуса, используемого в Москве;

ства энергии: на атомных электростанциях — 43.5%;

— электрическая силовая установка на основе

на гидроэлектростанциях — 2.0%; на тепловых элек-

LTO-аккумулятора емкостью 460 кВт·ч, включающая

тростанциях — 54.5%, в том числе на газовых ТЭС —

инвертор, электродвигатель с редуктором, систему

48.3%; на угольных ТЭС — 2.6%; на других — 3.6%.

термостатирования аккумуляторной батареи, систему

Удельные затраты энергии при получении электроэ-

охлаждения электродвигателя и электронных компо-

нергии составляют 6.87 МДж·кВт^-1·ч^-1, а удельные

нентов. Используемый LTO-аккумулятор обеспечива-

выбросы CO₂ — 356 г·кВт^-1·ч^-1. При оценке жиз-

ет запас хода автобуса около 250 км. Данный вариант

ненного цикла электрическая энергия расходуется

рассмотрен для сравнения с силовыми установками

главным образом на заряд аккумуляторных батарей

на основе двигателей внутреннего сгорания, обеспе-

и на получение водорода методом электролиза.

чивающих соизмеримый запас хода автобуса;

Рассмотрены три варианта получения водорода

— электрическая силовая установка на основе

на крупнотоннажном производстве с последующей

водородных топливных элементов, включающая

систему топливных элементов, LTO-аккумулятор,

инвертор, электродвигатель с редуктором, системы

* Argonne National Laboratory. GREET Model:

термостатирования аккумуляторной батареи и охлаж-

The Greenhouse Gases, Regulated Emissions, and Energy Use

дения топливного элемента, двигателя и электронных

in Transportation Model. 2019. https://greet.es.anl.gov/

** Dai Q., Dunn J., Kelly J. C., Elgowainy A. Update

компонентов, системы подачи воздуха и водорода,

of Life Cycle Analysis of Lithium-Ion Batteries in the GREET

включая баллоны для хранения водорода на борту.

Model. 2017. https://greet.es.anl.gov/publication-Li_battery_

Силовая установка на основе дизельного ДВС

update_2017

используется в качестве базового варианта для срав-

*** Kelly J., Dai Q., Elgowainy A. Vehicle Materials:

нения. Для корректного сравнения всех вариантов

Fuel Cell Vehicle Material Composition Update. 2016 //

автобусов в жизненном цикле принят одинаковый

Argonne National Laboratory. https://greet.es.anl.gov/files/

fcv-composition-2016

период эксплуатации для всех автобусов, равный

**** European Platform on Life Cycle Assessment.

12 годам, с пробегом около 800 тыс. км. Схема жиз-

https://eplca.jrc.ec.europa.eu/LCDN/datasetList.xhtml

ненного цикла автобусов с потоками веществ и энер-

***** Canete V. I., Thunman H., Hanarp P., Mag-

гии представлена на рис. 2.

nusson I. Synthesizing LCA reports on fuels for heavy duty

trucks // F3 report. 2018. V. 12. https://f3centre.se/app/uploads/

f3-21-17_Magnusson-et-al_final_180829.pdf

Инвентаризационный анализ

****** Range sourced from JEC «Well-to-Tank

Appendix 4 — Version 4a: Description, results and input

Сбор инвентаризационных данных проведен из

data per pathway» from «Well-to-Wheels Analysis of Future

опубликованных источников [42-47] и баз данных

Automotive Fuels and Powertrains in the European Context».

инвентаризации жизненного цикла Ecoinvent [48],

2014. http://iet.jrc.ec.europa.eu/about-jec/downloads

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

791

Рис. 2. Схема жизненного цикла автобусов с потоками веществ и энергии.

ТЭС — тепловая электростанция, АЭС — атомная электростанция, ГЭС — гидроэлектростанция.

доставкой водорода автомобильным транспортом в

Аналогичным образом были подготовлены исход-

емкостях в компримированном состоянии:

ные данные по массе материалов, входящих в состав

— паровая конверсия природного газа без улавли-

рассматриваемых вариантов силовых установок. На

вания СО₂ (H₂ из ПГ),

рис. 5 представлена структура по составу конструк-

— паровая конверсия природного газа с улавлива-

ционных материалов для традиционной дизельной

нием СО₂ (H₂ из ПГ/CCUS*),

силовой установки, для электрической установки на

— электролиз воды с использованием электриче-

основе аккумуляторных батарей и для водородной

ской энергии от ОЭС Центра (H₂-электролиз).

установки на базе топливных элементов (с учетом

Удельные затраты энергии на получение 1 кг во-

перечня компонентов, приведенного выше).

дорода из природного газа в 12 раз выше, а при по-

лучении методом электролиза в 46 раз выше, чем

при производстве 1 кг дизельного топлива (рис. 3).

Удельные выбросы СО₂ при производстве водорода

из природного газа без улавливания СО₂ примерно в

30 раз выше, а методом электролиза в 46 раз выше,

чем при производстве дизельного топлива (рис. 4).

Производство водорода из природного газа с улав-

ливанием СО₂ позволяет снизить удельные выбросы

СО₂ примерно в 10 раз по сравнению с производ-

ством водорода из природного газа без улавливания

СО₂ (рис. 4), при этом удельные затраты энергии

возрастают в 1.7 раза (рис. 3).

* CCUS — Общепринятая международная аббревиату-

ра для процесса улавливания, использования и хранения

Рис. 3. Удельные затраты энергии при производстве 1 кг

диоксида углерода (Carbon capture, use, and storage).

топлива.

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

793

Таблица 1

Принятые для расчета расходы топлив, электроэнергии и выбросы СO₂ при эксплуатации городских автобусов

с различными вариантами силовых установок

Вариант силовой установки

Расход топлива (электроэнергии) на 100 км

Выброс СО₂, г·км^-1

На дизельном двигателе

36.2 л

975

На газовом двигателе

48 м³

938

Электрическая на АКБ

180 кВт·ч

—

На водородных ТЭ

9.0 кг

—

медь.* Использование водородных топливных эле-

около 1.5 кВт·ч·км^-1 [58]. Потребление электриче-

ментов также изменяет распределение материалов:

ской энергии на отопление и вентиляцию составляет

35% массы всех материалов приходится на алюми-

25 кВт при -10°С [59], что в пересчете для средней

ний, 10% — на сталь и 9% — на пластики.

скорости автобуса 20 км·ч^-1 составляет примерно

Эксплуатационный период для всех автобусов,

1.3 кВт·ч·км^-1. В настоящей работе принята модель

сравниваемых в настоящей работе, одинаков и со-

работы дизельного обогревателя салона, в которой в

ставляет 12 лет.

среднем обогреватель работает на мощности 6.8 кВт

Оценка затрат энергии и выбросов на стадии экс-

в течение семи холодных месяцев. В этом случае

плуатации производилась по данным о среднеэксплу-

средний выброс CO_2е в течение жизненного цикла

атационном расходе топлива и потреблении электро-

составляет 84 г·км^-1.

энергии городскими автобусами. Исходные данные

Для расчета экономических затрат использовали

по дизельным и газовым автобусам были получе-

цену дизельного ДВС, равную 933 800 руб., цену

ны на основании эксплуатации автобусов в Москве.

газового ДВС, равную 1 251 200 руб.

При движении электрического автобуса, согласно

Цены на системы хранения топлив составили:

исследованию [57], потребление электроэнергии со-

для дизельного топлива — 8 380 руб., для КПГ —

ставляет от 0.76 до 2.79 кВт·ч·км^-1. В настоящей

530 тыс. руб., для водорода — 1020 тыс. руб.

работе для ОЖЦ использован расход электрической

Стоимость LTO-аккумуляторной батареи, согласно

энергии 1.8 кВт·ч·км^-1. Согласно опубликованному в

данным Международного энергетического агент-

2020 г. отчету об испытаниях автобусов на топливных

ства, колеблется от 473 до 1260 $/кВт·ч.*** В другом

элементах в рамках европейских проектов, средний

источнике стоимость LTO-аккумуляторной батареи

расход водорода составляет 9 кг на 100 км.** Это

составляет 563 $/кВт·ч [60]. С учетом прогнозиру-

значение принято в настоящей работе для ОЖЦ.

емого снижения стоимости LTO-аккумуляторов в

Данные по расходам топлив и электроэнергии и

расчетах принята стоимость 540 $/кВт·ч. В середине

выбросам СО₂ представлены в табл. 1.

12-летней эксплуатационной стадии в электриче-

На электрических автобусах в Москве для ото-

ском автобусе и в автобусе на топливных элементах

пления салона в зимнее время используются обо-

осуществляется замена аккумуляторной батареи на

греватели, работающие на дизельном топливе,

новую с идентичными техническими характеристи-

мощностью 35 кВт. Использование подобного обо-

ками. При этом возможное снижение стоимости ак-

гревателя в настоящее время является нормальной

кумуляторной батареи не учитывается.

мировой практикой для регионов с холодным кли-

Прогноз стоимости систем топливных элементов

матом. Такая мощность соответствует по величине

затруднителен из-за отсутствия массового производ-

данным, опубликованным в исследованиях [58, 59].

ства и недостатка информации. Согласно данным

Потребление электрической энергии вспомогатель-

Министерства энергетики США, опубликованным в

ными системами при температуре -20°С составляет

2021 г., приведенная себестоимость систем ТЭ при

* Update of Life Cycle Analysis of Lithium-Ion Batteries

in the GREET Model. https://greet.es.anl.gov/publication-

*** Международное агентство по возобновляе-

Li_battery_update_2017

мым источникам энергии (Internal Renewable Agency).

** JIVE D3.24/JIVE 2 D3.7 Best Practice Report. https://

IRENA. 2017. Electricity storage and renewables: costs and

www.fuelcellbuses.eu/sites/default/files/documents/Best_

markets to 2030. https://www.irena.org/-/media/Files/IRENA/

Practice_Report_January_2020__JIVE_D3.24_JIVE_2_

Agency/Publication/2017/Oct/IRENA_Electricity_Storage_

D3.7.pdf

Costs_2017.pdf

794

Козлов А. В. и др.

их массовом производстве составляет 76 $/кВт.*

зон стоимости водорода составляет****: 0.9-3.2 $/кг

Приведенная себестоимость в данном случае озна-

при получении водорода паровой конверсией природ-

чает, что она пересчитывается к ресурсу системы

ного газа без улавливания СО₂; 1.5-2.9 $/кг при полу-

ТЭ, равному 8000 ч, с учетом того что придется из-

чении водорода паровой конверсией природного газа

менять систему ТЭ и отдельные ее компоненты, ес-

с улавливанием СО₂. В настоящей работе принята

ли реальный ресурс системы ТЭ будет меньше этой

стоимость водорода: 2.0 $/кг для паровой конверсии

величины. Пробег автобуса 800 тыс. км при 12-лет-

природного газа без улавливания СО₂; 3.0 $/кг для

ней эксплуатации примерно эквивалентен 30 тыс. ч.

паровой конверсии природного газа с улавливанием

Приведенная себестоимость к ресурсу 30 000 ч, по-

СО₂. Стоимость электрической энергии, использу-

лученная умножением 76 $/кВт на коэффициент 3.75

емой для получения водорода электролизом воды и

(3.75 = 30000:8000), составляет 285 $/кВт. В иссле-

заряда аккумуляторов, принята на основании теку-

довании [61] себестоимость системы ТЭ автомобиля

щей цены электрической энергии для предприятий в

Mirai оценивается в диапазоне 220-245 $/кВт. На

Московском регионе. Цены на используемые топлива

основе данных другого источника, в котором произ-

и электроэнергию представлены в табл. 2.

веден детальный анализ стоимости систем ТЭ и ее

компонентов, себестоимость блока топливных эле-

Обсуждение результатов

ментов (без учета вспомогательного оборудования)

составляет примерно 330 $/кВт.** С учетом того

Наименьшие затраты энергии на стадии производ-

что себестоимость вспомогательного оборудования

ства силовых установок — у силовых установок на

будет стоить примерно столько же, себестоимость

дизельном ДВС, на газовом ДВС и на водородных ТЭ

всей системы ТЭ можно оценить на уровне 660 $/кВт.

(рис. 6). Основной вклад в затраты энергии у сило-

Поскольку к себестоимости необходимо добавить

вых установок на ДВС вносит собственно двигатель

прибыль, а также затраты, связанные с продажей,

внутреннего сгорания с его системами — около 40%.

стоимость системы ТЭ будет выше. Согласно отчету

У электрических силовых установок на АКБ основ-

консалтинговой компании Deliotte, через 5 лет ожи-

ная доля затрат энергии приходится на производство

дается снижение стоимости систем ТЭ для автобу-

аккумуляторной батареи — 40-48%. У силовой уста-

сов, учитывающее необходимую замену компонентов

новки на ТЭ около 28% расхода энергии приходится

системы ТЭ, примерно до 700-800 $/кВт.*** В на-

на производство системы топливных элементов и

стоящей работе расчеты выполнены для стоимости

16% на аккумуляторную батарею.

системы ТЭ в диапазоне 300-800 $/кВт.

В отношении выброса СО₂ на стадии производ-

Данные о стоимости водорода, полученные

ства водородных силовых установок наблюдается по-

из разных источников, имеют большой разброс и

хожее распределение между типами силовых устано-

могут отличаться друг от друга в несколько раз.

вок (рис. 7). По сравнению с силовыми установками

Стоимость водорода зависит от способа получения

на ДВС для водородных силовых установок выбросы

водорода, от стоимости используемой первичной

СО₂ выше на 7%, для силовых установок на АКБ ем-

энергии и используемого сырья. Согласно данным

костью 77 кВт·ч — на 35%, для силовых установок

Международного энергетического агентства, диапа-

на АКБ емкостью 460 кВт·ч — в 7 раз.

В стадию производства силовых установок также

включены компоненты и материалы, которые исполь-

* DOE Hydrogen and fuel cells program. Record

зуются для проведения технического обслуживания,

#21001. 2021. Durability-Adjusted Fuel Cell System Cost.

ремонта и замены вышедших из строя узлов в течение

https://www.hydrogen.energy.gov/pdfs/21001-durability-

всего срока службы. В стадию производства электри-

adjusted-fcs-cost.pdf

ческих и водородных силовых установок включены

** U.S. Department of Energy. Manufacturing cost

аккумуляторные батареи, которые устанавливаются

analysis of 100 and 250 kW fuel cell systems for primary

на автобусы при их первоначальной сборке, и акку-

power and combined heat and power applications. 2017.

P. 40-41. https://www.energy.gov/sites/prod/files/2018/02/

муляторные батареи, устанавливаемые при замене

f49/fcto_battelle_mfg_cost_analysis_100_250kw_pp_chp_fc_

примерно в середине стадии эксплуатации.

systems_jan2017.pdf

*** Deliotte China. Fueling the Future of Mobility

Hydrogen and fuel cell solutions for transportation. https://

**** Международное энергетическое агентство

www2.deloitte.com/content/dam/Deloitte/cn/Documents/

(International Energy Agency). The future of hydrogen. Seizing

finance/deloitte-cn-fueling-the-future-of-mobility-en-200101.

todayʹs opportunities. https://www.iea.org/reports/the-future-

pdf

of-hydrogen

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

795

Таблица 2

Цены на топлива и электрическую энергию (на март 2021 г.), использованные в расчетах жизненного цикла

Вид топлива/электроэнергия

Цена

Дизельное топливо, руб./л

47.09

Компримированный природный газ, руб./м³

19.5

Электроэнергия, руб./кВт·ч

5.54

Водород (паровая конверсия природного газа без улавливания СО₂), руб./кг

150.0*

Водород (паровая конверсия природного газа с улавливанием СО₂), руб./кг

225.0*

* Пересчет стоимости водорода, принятой в расчетах в американских долларах, в стоимость, выраженную в рублях,

сделан по курсу 75 руб./$.

Рис. 6. Затраты энергии на стадии производства силовых установок.

ДВС-Д — силовая установка на базе дизельного ДВС; ДВС-КПГ — силовая установка на базе ДВС, работающего на

компримированном природном газе; АКБ-77 — силовая установка на базе аккумуляторной батареи емкостью 77 кВт·ч^-1;

АКБ-460 — силовая установка на базе аккумуляторной батареи емкостью 460 кВт·ч^-1; Н₂-ПГ — силовая установка на

ТЭ, работающая на водороде, полученном из природного газа (без улавливания СО₂); Н₂-ПГ/CCUS — силовая установка

на ТЭ, работающая на водороде, полученном из природного газа с улавливанием СО₂; Н₂-ЭЛ — силовая установка на

ТЭ, работающая на водороде, полученном электролизом воды.

Рис. 7. Выбросы СО₂ на стадии производства силовых установок.

796

Козлов А. В. и др.

Затраты энергии на стадии производства электро-

производстве топлив составляют 30 и 46 (рис. 4).

энергии для электрических силовых установок на

Значительное снижение относительных различий

АКБ примерно в 4 раза выше, чем при производстве

между выбросами СО₂ при переходе от удельных

дизельного топлива (рис. 8). Затраты энергии на по-

выбросов СО₂ к выбросам в стадии производства

лучение водорода паровой конверсией природного

объясняется следующим. Благодаря более высокой

газа примерно в 3 раза больше, а при улавливании

удельной теплоте сгорания водорода по сравнению

CO₂ — в 5.5 раза больше, чем на получение дизель-

с удельной теплотой сгорания дизельного топлива

ного топлива. Наиболее высокие затраты энергии

и более высоким КПД силовой установки на ТЭ по

наблюдаются при получении водорода методом элек-

сравнению с КПД силовой установки на ДВС для

тролиза воды, которые почти в 12 раз выше, чем при

12-летней эксплуатационной стадии автобуса не-

получении традиционного дизельного топлива.

обходима меньшая масса водорода, чем дизельного

Выбросы СО₂ при производстве электроэнергии

топлива. Тем не менее выбросы СО₂ на стадии произ-

для электрических силовых установок на АКБ при-

водства водорода остаются значительно выше, чем на

мерно в 3.6 раза выше, чем при производстве топлив

стадии производства дизельного и газового топлива.

для силовой установки на дизельном ДВС и на газо-

Улавливание CO₂ при производстве водорода из

вом ДВС (рис. 9).

природного газа обеспечивает самый низкий выброс

В сравнении с производством дизельного топлива

CO₂ на стадии производства топлив и на 21% ниже,

при производстве водорода из природного газа (без

чем при производстве дизельного топлива.

улавливания СО₂) СО₂ выделяется больше в 7.6 раза,

В связи с тем что в ДВС преобразование энергии

при производстве водорода электролизом — в 12 раз.

топлива в механическую работу производится с КПД

Как было показано выше, соответствующие относи-

30-38%, самым низким по сравнению со всеми дру-

тельные различия для удельных выбросов СО₂ при

гими рассматриваемыми вариантами, затраты энер-

Рис. 8. Затраты энергии на стадии производства топлив и производства электроэнергии в количестве, необходимом

для 12-летней эксплуатационной стадии.

Рис. 9. Выбросы СО₂ на стадии производства топлив и производства электроэнергии в количестве, необходимом

для 12-летней эксплуатационной стадии.

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

797

гии у данных вариантов наиболее высокие (рис. 10).

отходов по окончании срока службы автобуса. В рас-

Использование водородных топливных элементов по-

четах для стадии утилизации также учитывается ути-

зволяет снизить затраты энергии на стадии эксплуата-

лизация компонентов, использованных для ремонта

ции на 27% в сравнении с дизельной силовой установ-

и технического обслуживания силовых установок

кой, что объясняется более высоким КПД топливного

на протяжении жизненного цикла. На рис. 12 и 13

элемента (около 50-60%). В случае использования

представлены результаты оценки для этой стадии.

электрической силовой установки запасенная элек-

Наибольшие затраты энергии связаны с утилизацией

трическая энергия преобразуется в механическую

аккумуляторных батарей, которые выше, чем затраты

работу с наиболее высоким КПД (до 90%), что по-

энергии на утилизацию дизельной силовой установ-

зволяет снизить затраты энергии более чем в 2.4 раза

ки, для АКБ емкостью 77 кВт·ч^-1 в 34 раза, для АКБ

в сравнении с дизельной силовой установкой.

емкостью 460 кВт·ч^-1 — в 200 раз. Затраты энергии

Выбросы СО₂ на стадии эксплуатации у силовых

на утилизацию водородной силовой установки при-

установок на базе ДВС примерно одинаковы, так как

мерно в 9 раз выше, чем у дизельной, и также связаны

меньший удельный выброс СО₂ при сжигании метана

с необходимостью утилизации АКБ.

компенсируется более низким КПД газовых двига-

Выбросы CO₂, связанные с утилизацией сило-

телей (рис. 11). Выброс СО₂ в период эксплуатации

вых установок с АКБ, примерно в 4.6 и 27 раз выше

у электрических автобусов связан с применением

для АКБ емкостью 77 и 460 кВт·ч^-1 соответственно,

дизельного обогревателя салона, который в процессе

чем при утилизации дизельной силовой установки.

работы сжигает дизельное топливо. Применение во-

Относительно более высокие выбросы CO₂ при ути-

дородных топливных элементов позволяет полностью

лизации водородной силовой установки (на 25%)

исключить выбросы вредных веществ и парниковых

также связаны с утилизацией АКБ.

газов в процессе эксплуатации автобуса.

В жизненном цикле затраты энергии на электри-

Стадия утилизации связана с переработкой кон-

ческие силовые установки на базе АКБ, а также на

струкционных материалов, из которых была изго-

силовую установку на ТЭ, работающую на водороде

товлена силовая установка, а также с захоронением

из природного газа (без улавливания СО₂), сопоста-

Рис. 10. Затраты энергии на 12-летней стадии эксплуатации автобусов.

Рис. 11. Выбросы СО₂ на 12-летней стадии эксплуатации автобусов.

798

Козлов А. В. и др.

Рис. 12. Затраты энергии на стадии утилизации.

Рис. 13. Выбросы СО₂ на стадии утилизации.

вимы с затратами энергии на традиционной сило-

остальных типов силовых установок — на стадии

вой установке на дизельном ДВС (рис. 14). Затраты

производства топлив и электрической энергии и на

энергии на силовую установку на ТЭ возрастают в

стадии эксплуатации.

зависимости от выбранной технологии получения

В жизненном цикле достигается снижение выбро-

водорода в ряду паровая конверсия природного газа

са СО₂ в сравнении с дизельной силовой установкой:

без улавливания СО₂-паровая конверсия природного

при применении электрической силовой установки

газа с улавливанием СО₂-электролиз воды. Затраты

на АКБ емкостью 77 и 460 кВт·ч^-1 на 44 и 34% со-

энергии на силовую установку на ТЭ при получении

ответственно; при применении силовой установки

водорода методом электролиза в 2.5 раза выше, чем

на ТЭ (вариант Н₂-ПГ/CCUS) — в 8.6 раза (рис. 15).

на дизельную силовую установку.

Если улавливание СО₂ при паровой конверсии при-

В жизненном цикле основной вклад в затраты

родного газа не осуществляется (вариант Н₂-ПГ), то

энергии на силовые установки на базе ДВС вносят

его выброс в жизненном цикле силовой установки на

затраты энергии на стадии эксплуатации; для всех

ТЭ сопоставим с выбросом для дизельной силовой

Рис. 14. Затраты энергии в жизненном цикле.

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

799

Рис. 15. Выбросы СО₂ в жизненном цикле.

установки. У силовых установок на ДВС выброс СО₂

ниже, чем у дизельных автобусов. Экономические

преимущественно происходит на стадии эксплуата-

затраты в жизненном цикле на силовую установку

ции, у силовых установок на АКБ и ТЭ — на стадии

на АКБ емкостью 77 кВт·ч^-1 по величине находятся

производства топлив и электрической энергии, что

между экономическими затратами на дизельную си-

связано с большой долей производимой электроэнер-

ловую установку и газовую силовую установку.

гии на газовых ТЭС в общей структуре производства

Экономические затраты на силовую установку

электрической энергии ОЭС Центр.

на ТЭ состоят из двух составляющих: стоимости

Наибольшими экономическими затратами ха-

силовой установки и затрат на стадии эксплуата-

рактеризуется силовая установка на АКБ емкостью

ции. Увеличение стоимости системы на топливных

460 кВт·ч^-1 (рис. 16), так как АКБ имеет очень вы-

элементах в пересчете на 1 кВт мощности с 300

сокую стоимость и требует замены в процессе экс-

(рис. 16, вариант А) до 800 $/кВт (вариант B) при-

плуатации. Это приводит в итоге к увеличению эко-

водит к увеличению стоимости силовой установки

номических затрат в сравнении с дизельной силовой

на 3.7 млн руб. и соответствующему увеличению

установкой в 2.9 раза. Наиболее экономически эффек-

экономических затрат в жизненном цикле. Затраты

тивны газовые автобусы, что связано с относительно

на стадии эксплуатации включают затраты на то-

низкой ценой природного газа (табл. 2), экономиче-

пливо, эксплуатационные жидкости, запасные части

ские затраты в их жизненном цикле примерно на 40%

для технического обслуживания и ремонта силовой

Рис. 16. Экономические затраты в жизненном цикле для различных типов силовых установок.

Варианты для стоимости системы ТЭ в пересчете на 1 кВт мощности: A — 22 500 руб./кВт (300 $/кВт),

B — 60 000 руб./кВт (800 $/кВт); пересчет стоимости рубль-доллар сделан по курсу 75 руб./$.

800

Козлов А. В. и др.

установки. Наиболее экономически эффективно при-

стоимости системы ТЭ 60 000 руб./кВт (800 $/кВт) —

менение водорода, полученного методом паровой

при 85 руб./кг.

конверсии природного газа. В этом случае экономиче-

ские затраты в жизненном цикле автобуса на ТЭ при-

Выводы

мерно на 5 (вариант А) и 29% (вариант B) выше, чем

у дизельного автобуса. Увеличение затрат на стадии

При переходе на городском автобусе большого

эксплуатации в ряду Н₂-ПГ → Н₂ПГ/CCUS → Н₂-ЭЛ

класса от силовых установок на дизельном ДВС

связано с увеличением затрат на производство водо-

и газовом к силовым установкам на аккумулятор-

рода. Использование технологий улавливания СО₂

ных батареях и топливных элементах происходит

повышает стоимость водорода и приводит к увеличе-

существенное перераспределение затрат энергии и

нию экономических затрат на силовую установку на

выброса СО₂ между стадиями жизненного цикла.

ТЭ в жизненном цикле соответственно на 37 и 59%, а

Значительная доля затрат энергии и выброса СО₂

использование метода электролиза воды увеличивает

смещается от стадии эксплуатации к стадии произ-

экономические затраты на 68 и 92% в сравнении с

водства топлива и электроэнергии. При этом сложив-

силовой установкой на дизельном ДВС.

шаяся структура производства энергии Объединенной

Затраты на стадии эксплуатации для всех вари-

энергетической системы Центра, обеспечивающей

антов силовых установок на ТЭ вносят наибольший

электрической энергией Московский регион, позво-

вклад в экономические затраты в жизненном цикле.

ляет снизить в жизненном цикле суммарный выброс

Для уменьшения экономических затрат на силовую

СО₂ электрических автобусов с силовыми установ-

установку на ТЭ в жизненном цикле необходимо

ками на аккумуляторных батареях. Затраты энергии

в первую очередь снизить стоимость водорода.

для силовых установок на АКБ в жизненном цикле

Экономические затраты в жизненном цикле также

соизмеримы с затратами для силовых установок на

сильно зависят и от стоимости системы ТЭ. При мас-

ДВС.

штабировании водородных технологий и крупно-

Из-за того, что в автобусах с силовыми установ-

тоннажном производстве водорода прогнозируется

ками на АКБ для отопления салона используется

снижение стоимости водородного топлива. При сто-

обогреватель, работающий на дизельном топливе, на

имости системы ТЭ 22 500 руб./кВт (300 $/кВт) эко-

стадии эксплуатации имеются выбросы СО₂, такие

номические затраты на ее применение сравняются

автобусы нельзя отнести к автобусам с «нулевым

с затратами на дизельную силовую установку при

выбросом». Электрический автобус с аккумуляторной

стоимости водорода около 140 руб./кг (рис. 17), а при

батареей емкостью 77 кВт имеет небольшой запас

хода (50-60 км), что ограничивает выбор маршрутов

для такого автобуса существующей зарядной инфра-

структурой. Дополнительный расход электрической

энергии от АКБ кратно снижает запас хода автобуса

из-за резкого возрастания потребления электрической

энергии на отопление пассажирского салона и каби-

ны водителя, а также вспомогательными системами

в зимних условиях, вследствие чего электрический

вариант отопления неприемлем. Увеличение же ем-

кости литий-титанатной аккумуляторной батареи до

460 кВт·ч^-1 приводит к значительному увеличению

стоимости силовой установки.

Количество выброса СО₂ в жизненном цикле си-

ловых установок на ТЭ зависит от способа получения

водорода. При получении водорода паровой конвер-

сией природного газа без улавливания СО₂ затраты

Рис. 17. Влияние стоимости водорода на экономические

энергии, выброс СО₂, а также экономические затраты

затраты в жизненном цикле для силовой установки

в жизненном цикле отличаются незначительно от

на ТЭ, работающей на водороде, полученном паровой

соответствующих параметров для дизельной силовой

конверсией природного газа без улавливания СО₂.

установки. Затраты энергии и экономические затра-

1 — стоимость системы ТЭ 60 000 руб./кВт (800 $/кВт),

ты возрастают в следующей последовательности:

2 — стоимость системы ТЭ 22 500 руб./кВт (300 $/кВт);

паровая конверсия природного газа без улавливания

3 — силовая установка на дизельном ДВС (для сравнения).

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

801

СО₂-паровая конверсия природного газа с улавлива-

вентаризационный анализ экономических показате-

нием СО₂-электролиз воды. Использование водорода,

лей топлив и силовых установок — А. Н. Тихонов,

получаемого паровой конверсией природного газа

А. В. Порсин, А. М. Кашин; проведение расчет-

с улавливанием СО₂, обеспечивает минимальный

ных исследований — А. В. Козлов, А. М. Кашин,

выброс СО₂ в жизненном цикле для всех рассмотрен-

К. В. Милов; анализ и обсуждение результатов рас-

ных вариантов силовых установок. Использование

четных исследований — все авторы; написание тек-

водорода, полученного электролизом воды, приводит

ста статьи, подготовка иллюстрационного материа-

также к значительному увеличению выбросов СО₂,

ла — А. В. Козлов, А. В. Порсин.

что связано с относительно большой долей генерации

электрической энергии на ТЭС в ОЭС Центр.

Информация об авторах

В целом экономические затраты в жизненном ци-

Горин Максим Андреевич,

кле на силовые установки, работающие на топливных

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-7961-6577

элементах, определяются стоимостью водорода и сто-

Добровольский Юрий Анатольевич, д.х.н.,

имостью системы топливных элементов. Прогнозы

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2163-6863

стоимости водорода и стоимости системы топлив-

Кашин Алексей Михайлович,

ных элементов характеризуются большим разбросом,

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7940-0001

что связано с различным технологическим уровнем,

Козлов Андрей Викторович, д.т.н.,

различной стоимостью и доступностью первичных

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-9915-7379

источников энергии и сырьевых ресурсов в разных

Милов Константин Владимирович,

странах. Экономические затраты на силовые установ-

ORCID: htps://orcid.org/0000-0002-3668-8850

ки на ТЭ выше, чем экономические затраты на сило-

Порсин Андрей Викторович, к.х.н.,

вые установки на ДВС и аккумуляторных батареях.

ORCID: https://orcid.org/000-0002-6928-1950

Однако на выбор типа силовой установки влияют

Теренченко Алексей Станиславович, к.т.н.,

не только экономические затраты. Силовые установки

ORCID: https://orcid.org/0000-0002-1371-3179

на ТЭ имеют большой потенциал в части улучшения

Тихонов Алексей Никитович,

качества воздуха и снижения выброса СО₂. При ис-

ORCID: https://orcid.org/0000-0001-6563-7078

пользовании силовой установки на топливных эле-

ментах возможно полное исключение выброса СО₂

на стадии эксплуатации за счет отказа от дизельного

Список литературы

обогревателя в сравнении с автобусом на дизельной

[1] Устойчивое развитие городов. Коллективная моно-

силовой установке. Преимуществом автобуса на ТЭ

графия / Под ред. К. В. Папенова, С. М. Никонорова,

перед автобусом на АКБ емкостью 77 кВт·ч^-1 явля-

К. С. Ситкиной. М. : Экономический факультет МГУ

ется более высокий запас хода, который определяется

им. М. В. Ломоносова, 2019. 288 с.

количеством водорода, заправляемого в топливные

[2] Collura S., Chaoui N., Azambre B., Finqueneisel G.,

емкости. Более высокий запас хода делает автобус на

Heintz O., Krzton A., Koch A., Weber J. V. Influence of

ТЭ более гибким с точки зрения определения марш-

the soluble organic fraction on the thermal behaviour,

рутов и позволяет расширить ареал использования

texture and surface chemistry of diesel exhaust soot //

автобусов с «нулевым» выбросом.

Carbon. 2005. V. 43. N 3. P. 605-613.

https://doi.org/10.1016/j.carbon.2004.10.026

[3] Logan K. G., Nelson J. D., Hastings A. Electric and

Конфликт интересов

hydrogen buses: Shifting from conventionally fueled

cars in the UK // Transportation Research. Part D. 2020.

Авторы заявляют об отсутствии конфликта инте-

V. 85. ID 102350.

ресов, требующего раскрытия в данной статье.

https://doi.org/10.1016/j.trd.2020.102350

[4] Xylia M., Leduc S., Laurent A.-B., Patrizio P., Meer Y.,

Информация о вкладе авторов

Kraxner F., Silveira S. Impact of bus electrification on

carbon emissions: The case of Stockholm // J. Cleaner

Разработка концепции исследования — А. С. Те-

Production. 2019. V. 209. P. 74-87.

ренченко, Ю. А. Добровольский; разработка методи-

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.10.085

ческой части расчетных исследований — А. В. Коз-

[5] Spreafico C., Russo D. Exploiting the scientific

лов, А. С. Теренченко; инвентаризационный анализ

literature for performing life cycle assessment about

технических и экологических показателей силовых

transportation // Sustainability. 2020. V. 12. ID 7548.

установок — М. А. Горин, А. С. Теренченко; ин-

https://doi.org/10.3390/su12187548

802

Козлов А. В. и др.

[6] Thomas C. E. Fuel cell and battery electric vehicles

Автотракторное электрооборудование. 2004. № 10.

compared // Int. J. Hydrogen Energy. 2009. V. 34.

С. 27-32.

N 15. P. 6005-6020.

[17]

Звонов В. А., Козлов А. В., Кутенев В. Ф. Экологи-

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2009.06.003

ческая безопасность автомобиля в полном жизнен-

[7] Liu X., Reddi K., Elgowainy A., Lohse-Busch H., Wang

ном цикле. М.: НАМИ, 2001. 248 с.

M., Rustagi N. Comparison of well-to-wheels energy

[18]

Потемкин Д. И., Усков С. И., Горлова А. М., Ки-

use and emissions of a hydrogen fuel cell electric

риллов В. А., Шигаров А. Б., Брайко А. С., Рогож-

vehicle relative to a conventional gasoline-powered

ников В. Н., Снытников П. В., Печенкин А. А.,

internal combustion engine vehicle // Int. J. Hydrogen

Беляев В. Д., Пименов А. А., Собянин В. А. Низко-

Energy. 2020. V. 45. P. 972-983.

температурная паровая конверсия природного газа

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2019.10.192

в метано-водородные смеси // Катализ в пром-сти.

[8] Стенина И. А., Сафронова Е. Ю., Левченко А. В.,

2020. Т. 20. № 3. С. 184-189.

Добровольский Ю. А., Ярославцев А. Б. Низкотем-

https://doi.org/10.18412/1816-0387-2020-3-184-189

пературные топливные элементы: перспективы

[19]

Макарян И. А., Седов И. В., Максимов А. Л. Хране-

применения для систем аккумулирования энер-

ние водорода с использованием жидких органиче-

гии и материалы для их разработки (Обзор) //

ских носителей (обзор) // ЖПХ. 2020. Т. 93. № 12.

Теплоэнергетика. 2016. № 6. C. 4-18.

С. 1716-1733.

https://doi.org/10.1134/S0040363616060072

https://doi.org/10.31857/S0044461820120038

[9] MacLean H. L., Lave L. B. Evaluating automobile fuel/

[Makaryan I. A., Sedov I. V., Maksimov A. L. Hydrogen

propulsion system technologies // Progress Energy

storage using liquid organic carriers // Russ. J. Appl.

Combust. Sci. 2003. V. 29. P. 1-69.

Chem. 2020. V. 93. P. 1815-1830.

https://doi.org/10.1016/S0360-1285(02)00032-1

https://doi.org/10.1134/S1070427220120034 ].

[10] McKenzie E. C., Durango-Cohen P. L. Environmental

[20]

Liu Y., Lu S., Yan X., Gao S., Cui X., Cui Z. Life cycle

life-cycle assessment of transit buses with alternative

assessment of petroleum refining process: A case study

fuel technology // Transportation Research. Part D.

in China // J. Clean. Prod. 2020. V. 256. ID 120422.

2012. V. 17. P. 39-47.

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.120422

https://doi.org/10.1016/j.trd.2011.09.008

[21]

Cetinkaya E., Dincer I., Naterer G. F. Life cycle

[11] Мазурова О. В. Оценка сравнительной эффектив-

assessment of various hydrogen production methods

ности использования автомобильных топлив и

// Int. J. Hydrogen Energy. 2012. V. 37. P. 2071-2080.

электроэнергии для автомобильного транспорта

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2011.10.064

// Экономика региона. 2019. Т. 15. Вып. 2. С. 493-

[22]

Salkuyeh Y. K., Saville B. A., MacLean H. L. Techno-

505. https://doi.org/10.17059/2019-2-14

economic analysis and life cycle assessment of

[12] Sacchi R., Bauer C., Cox B. L. Does Size Matter? The

hydrogen production from natural gas using current

Influence of Size, Load Factor, Range Autonomy,

and emerging technologies // Int. J. Hydrogen Energy.

and Application Type on the Life Cycle Assessment

2017. V. 42. P.18894-18909.

of Current and Future Medium- and Heavy-Duty

https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.05.219

Vehicles // Environ. Sci. Technol. 2021. V. 55. N 8.

[23]

Koroneos C., Dompros A., Roumbas G. Hydrogen

P. 5224-5235. https://doi.org/10.1021/acs.est.0c07773

production via biomass gasification — A life cycle

[13] Hawkins T. R., Singh B., Majeau-Bettez G.,

assessment approach // Chem. Eng. Processing:

Strømman A. H. Comparative environmental life cycle

Process Intensification. 2008. V. 47. N 8. P. 1261-

assessment of conventional and electric vehicles // J.

1268. https://doi.org/10.1016/j.cep.2007.04.003

Ind. Ecol. 2013. V. 17. N 1. P. 53-64.

[24]

Mohr M., Peters J. F., Baumann M., Weil M. Toward

https://doi.org/10.1111/j.1530-9290.2012.00532.x

a cell-chemistry specific life cycle assessment of

[14] Li T., Liu Z. C., Zhang, H. C. Jiang Q. H.

lithium-ion battery recycling processes // J. Ind. Ecol.

Environmental emissions and energy consumptions

2020. V. 24. P. 1310-1322.

assessment of a diesel engine from the life cycle

https://doi.org/10.1111/jiec.13021

perspective // J. Clean. Prod. 2013. V. 53. P. 7-12.

[25]

Sovacool B. K. Valuing the greenhouse gas emissions

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2013.04.034

from nuclear power: A critical survey // Energy Policy.

[15] Луканин В. Н., Трофименко Ю. В. Экологические

2008. V. 36. P. 2950-2963.

воздействия автомобильных двигателей на окру-

https://doi.org/10.1016/j.enpol.2008.04.017

жающую среду // Итоги науки и техн. ВИНИТИ.

[26]

Sanchez J. A. G., Martinez J. M. L., Martin J. L.,

Сер. Автомобильный и городской транспорт.1993.

Holgado M. N. F., Morales H. A. Impact of Spanish

Т. 17. С. 1-136.

electricity mix, over the period 2008-2030, on the

[16] Корнилов Г. С. Эколого-экономическая оценка авто-

life cycle energy consumption and GHG emissions

мобильных дизелей в полном жизненном цикле //

of electric, hybrid diesel-electric, fuel cell hybrid

Оценка жизненного цикла силовых установок на аккумуляторной батарее, водородных топливных элементах...

803

and diesel bus of the Madrid transportation system

[Yaroslavtsev A. B., Kulova T. L., Skundin A. M.

// Energy Conversion and Management. 2013. V. 74.

Electrode nanomaterials for lithium-ion batteries //

P. 332-343.

Russ. Chem. Rev. 2015. V. 84. N 8. P. 826-852.

http://dx.doi.org/10.1016/j.enconman.2013.05.023

http://dx.doi.org/10.1070/RCR4497 ].

[27]

Burchart-Korol D., Jursova S., Folega P., Korol J.,

[38] Ding Y., Cano Z. P., Yu A., Lu J., Chen Z. Automotive

Pustejovska P., Blaut A. Environmental life

Li-Ion batteries: Current status and future perspectives

cycle assessment of electric vehicles in Poland and

// Electrochem. Energy Rev. 2019. V. 2. P. 1-28.

the Czech Republic // J. Clean. Prod. 2018. V. 202.

https://doi.org/10.1007/s41918-018-0022-z

P. 476-487.

[39] Zhang X., Peng H., Wang H., Ouyang M. Hybrid

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2018.08.145

lithium iron phosphate battery and lithium titanate

[28]

Ahmadi P., Kjeang E. Comparative life cycle

battery systems for electric buses // IEEE Transactions

assessment of hydrogen fuel cell passenger vehicles

Vehicular Technol. 2018. V. 67. N 2. P. 956-965.

in different Canadian Provinces // Int. J. Hydrogen

https://doi.org/10.1109/TVT.2017.2749882

Energy. 2015. V. 40. P. 12905-12917.

[40] Yi T.-F., Xie Y., Zhu Y.-R., Zhu R.-S., Shen H. Structural

http://dx.doi.org/10.1016/j.ijhydene.2015.07.147

and thermodynamic stability of Li₄Ti₅O₁₂ anode

[29]

Ren L., Zhou S., Ou X. Life-cycle energy consumption

material for lithium-ion battery // J. Power Sources.

and greenhouse-gas emissions of hydrogen supply

2013. V. 222. P. 448-454.

chains for fuel-cell vehicles in China // Energy. 2020.

http://dx.doi.org/10.1016/j.jpowsour.2012.09.020

V. 209. ID 118482.

[41] Belharouak I., Sun Y.-K., Lu W., Amine K. On the safety

https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118482

of the Li₄Ti₅O₁₂/LiMn₂O₄ lithium-ion battery system

[30]

Lee D.-Y., Elgowainy A., Vijayagopal R. Well-to-wheel

// J. Electrochem. Soc. 2007. V. 154. N 12. P. A1083-

environmental implications of fuel economy targets

A1087.

for hydrogen fuel cell electric buses in the United

[42] Wolff S., Seidenfus M., Gordon K., Alvarez S., Kalt S.,

States // Energy Policy. 2019. V. 128. P. 565-583.

Lienkamp M. Scalable life-cycle inventory for heavy-

https://doi.org/10.1016/j.enpol.2019.01.021

duty vehicle production // Sustainability. 2020.

[31]

Correa G., Munoz P. M., Rodriguez C. R. A

V. 12 (13). ID 5396.

comparative energy and environmental analysis of

https://doi.org/10.3390/su12135396

a diesel, hybrid, hydrogen and electric urban bus //

[43] Zhou B., Wu Y., Zhou B., Wang R., Ke W., Zhang S.,

Energy. 2019. V. 187. ID 115906.

Hao J. Real-world performance of battery electric

https://doi.org/10.1016/j.energy.2019.115906

buses and their life-cycle benefits with respect to

[32]

Rosen M. A. Advances in hydrogen production by

energy consumption and carbon dioxide emissions //

thermochemical water decomposition: A review //

Energy. 2016. V. 96. P. 603-613.

Energy. 2010. V. 35. N 2. P. 1068-1076.

https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.12.041

https://doi.org/10.1016/j.energy.2009.06.018

[44] Faria R., Marques P., Moura P., Freire F., Delgado J.,

[33]

Lombardi L., Tribioli L., Cozzolino R., Bella G.

de Almeida A. T. Impact of the electricity mix and use

Comparative environmental assessment of

profile in the life-cycle assessment of electric vehicles

conventional, electric, hybrid, and fuel cell powertrains

// Renewable Sustainable Energy Rev. 2013. V. 24.

based on LCA // Int. J. Life Cycle Assess. 2017. V. 22.

P. 271-287. https://doi.org/10.1016/j.rser.2013.03.063

P. 1989-2006.

[45] Dunn J. B., Gaines L., Kelly J. C., James C.,

https://doi.org/10.1007/s11367-017-1294-y

Gallagher K. G. The significance of Li-ion batteries

[34]

Whittingham M. S. Lithium batteries and cathode

in electric vehicle life-cycle energy and emissions and

materials // Chem. Rev. 2004. V. 104. P. 4271-4301.

recyclingʹs role in its reduction // Energy Environ. Sci.

https://doi.org/10.1021/cr020731c

2015. V. 8. P. 158-168.

[35]

Li M., Lu J., Chen Z., Amine K. 30 Years of lithium-

https://doi.org/10.1039/C4EE03029J

ion batteries // Adv. Mater. 2018. V. 30. ID 1800561.

[46] Zackrissona M., Avellan L., Orlenius J. Life cycle

https://doi.org/10.1002/adma.201800561

assessment of lithium-ion batteries for plug-in hybrid

[36]

Kim T., Song W., Son D.-Y., Ono L. K., Qi Y. Lithium-

electricvehicles — Critical issues // J. Clean. Prod.

ion batteries: Outlook on present, future, and

2010. V. 18. N 15. P. 1517-1527.

hybridized technologies // J. Mater. Chem. A. 2019.

https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2010.06.004

V. 7. P. 2942-2964.

[47] Golroudbary S., Calisaya-Azpilcueta D., Kraslawski A.

https://doi.org/10.1039/c8ta10513h

The life cycle of energy consumption and greenhouse

[37]

Ярославцев А. Б., Кулова Т. Л., Скундин А. М.

gas emissions from critical minerals recycling: Case

Электродные наноматериалы для литий-ионных

of lithium-ion batteries // Procedia CIRP. 2019. V. 80.

аккумуляторов // Успехи химии. 2015. Т. 84. № 8.

P. 316-321.

С. 826-852. http://dx.doi.org/10.1070/RCR4497

https://doi.org/10.1016/j.procir.2019.01.003

804

Козлов А. В. и др.

[48] Wernet G., Bauer C., Steubing B., Reinhard J.,

[56]

Usui T., Hondo H. Life cycle CO₂ emission analysis

Moreno-Ruiz E., Weidema B. The ecoinvent database

of hydrogen storage and battery for Wind power

version 3 (part I): Overview and methodology // Int.

generation // J. Jpn Inst. Energy. 2010. V. 89. P. 551-

J. Life Cycle Assess. 2016. V. 21. P. 1218-1230.

561.

https://doi.org/10.1007/s11367-016-1087-8

[57]

Deliali A., Chhan D., Oliver J., Sayess R.,

[49] Ahmed S., Nelson P. A., Gallagher K. G., Susarla N.,

Pollitt K. J. G., Christofa E. Transitioning to

Dees D. W. Cost and energy demand of producing

zero-emission bus fleets: State of practice of

nickel manganese cobalt cathode material for lithium

implementations in the United States // Transport Rev.

ion batteries // J. Power Sources. 2017. V. 342. P. 733-

2021. V. 41. N 2. P. 164-191.

740. https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2016.12.069

https://doi.org/10.1080/01441647.2020.1800132

[50] Wolff S., Fries M., Lienkamp M. Technoecological

[58]

Shtang A. A., Yaroslavtsev M. V., Dedov S. I.,

analysis of energy carriers for long-haul transportation

Xiaogang W. Comparison of energy consumption

// J. Ind. Ecol. 2019. V. 24. N 1. P. 165-177.

of different types of passenger public transport in

https://doi.org/10.1111/jiec.12937

Russian operational conditions. 20 Int. conf. of young

[51] Barbir F., Basile A., Veziroglu T. N. Compendium of

specialists on micro/nanotechnologies and electron

Hydrogen Energy: Hydrogen Enenrgy Conversion.

devices. EDM 2019. Altai Republic, Erlagol, 2019.

Cambridge, UK: Woodhead Publishing, 2015.

P. 705-710.

[52] Landinger H. International Perspectives for Fuel

https://doi.org/10.1109/EDM.2019.8823400

Cells for Materials Handling Vehicles (MHVs) //

[59]

Basma H., Mansour C., Haddad M., Nemer M.,

Proceedings of the 10th Int. Colloquium Fuels —

Stabat P. Comprehensive energy modeling

Conventional and Future Energy for Automobiles.

methodology for battery electric Buses // Energy.

Stuttgart, Germany, 22 January 2015.

2020. V. 207. ID 118241.

[53] Mori M., Jensterle M., Mrzljak T., Drobnic B. Life-

https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.118241

cycle assessment of a hydrogen-based uninterruptible

[60]

Martins J., Miles J. A techno-economic assessment of

power supply system using renewable energy // Int. J.

battery business models in the UK electricity market

Life Cycle Assess. 2014. V. 19. P. 1810-1822.

// Energy Policy. 2021. V. 148. ID 111938.

https://doi.org/10.1007/s11367-014-0790-6

https://doi.org/10.1016/j.enpol.2020.111938

[54] Melideo D., Cebolla O. R., Ronnefeld W. E. Life cycle

[61]

Thompson S. T., James B. D., Huya-Kouadio J. M.,

assessment of hydrogen and fuel cell technologies,

Houchins C., DeSantis D. A., Ahluwalia R.,

EUR 29986 EN, Publications Office of the European

Wilson A. R., Kleen G., Papageorgopoulos D. Direct

Union, Luxembourg, 2020, ISBN 978-92-76-13185-4

hydrogen fuel cell electric vehicle cost analysis:

(online). JRC116599. https://doi.org/10.2760/434747

System and highvolume manufacturing description,

(online)

validation, and outlook // J. Power Sources. 2018.

[55] Franzitta V., Curto D., Milone D., Trapanese M.

V. 399. P. 304-313.

Energy saving in public transport using renewable

https://doi.org/10.1016/j.jpowsour.2018.07.100

energy // Sustainability. 2017. V. 9. N 1. ID 106.

https://doi.org/10.3390/su9010106

Научное редактирование проведено научным редактором журнала «Нефтехимия» к.х.н. Н. В. Шелеминой.