Электромобиль — выход из кризиса?

Транспорт во все времена развивался при реализации двух задач: быстрее и дальше, в авиации еще и выше. Однако только автомобиль решил первые две задачи и при этом имеет с точки зрения потребителя одно неоспоримое преимущество. Пассажира он может доставить от двери до двери. Ни самый быстрый поезд, ни сверхзвуковой самолет решить эту задачу для массового потребителя в обозримый период не в состоянии. Автомобиль воплощает в себе извечную мечту человечества — быть с приемлемыми затратами в нужное время в нужном месте. Весь прошлый век прошел под знаком стремительной автомобилизации. По дорогам планеты передвигаются миллионы самодвижущихся экипажей. Несущих, кстати, с собой и на себе не только пассажиров и водителей, но и массу проблем.

Есть такое мнение, что выход из экономических кризисов в полной мере происходит только с переходом к принципиально новым изделиям, производимых на новой прорывной технологии. В начале и середине XIX в. такими изделиями стали железные дороги и пароходы. Было и много другого, но именно они получили массовое распространение. Их производство потребовало небывалого развития металлургии, химической промышленности, машиностроения. Потребовалась принципиально новая инфраструктура, например, в виде вокзалов, товарных складов, депо, портовых сооружений для приема больших кораблей. Конец того века ознаменовался новым скачком — автомобилизацией. Все повторилось сначала: дороги, автозаправочные станции и т.д. Даже производство ветрового стекла потребовало другой стекольной промышленности. Уже в 1930-х гг. автомобилестроение наряду с авиастроением вышло в лидеры технического прогресса. Как только в автомобилестроении начинался “легкий насморк”, чихали практически все отрасли промышленности и даже сельское хозяйство. Не зря ведь говорили: что хорошо для “Дженерал моторс” — хорошо для Америки.

В какой-то момент количество автомобилей перешло в новое качество. Первыми это почувствовали моторизированные американцы. Уже в 1920-х гг. появились проблемы с утилизацией автомобильного хлама. Только-только решили эту проблему, да и то не в полном объеме, как возникли новые и гораздо более серьезные. Загрязнение автомобильными выхлопами и нефтяные, бензиновые и другие сложности. Выход известен с 1841 г. — электромобиль.

Двигатель внутреннего сгорания, а затем и дизель имели в автомобилестроении весьма серьезных конкурентов. В первой четверти прошлого века широкое распространение получили электромобили и автомобили с паровой машиной. В 1900 г. примерно половина автомобилей в США имели паровой привод, в 1910-х гг. в Нью-Йорке почти 70 тысяч такси были электромобилями. Значительное распространение в начале ХХ в. получили и грузовые электромобили, а также электрические автобусы (электробусы). Бельгийский пилот Камил Женатци на электромобиле La Jamais Contente (Всегда недовольная) в 1899 г. в Ашере под Парижем установил рекорд скорости 105,8 км/ч. Электромобилями занимался и знаменитый изобретатель Томас Эдисон. В энциклопедии Брокгауза и Ефрона говорилось: “...на конкурсе 1904 г. в Париже был даже, по-видимому, парадоксальный... газолиново-электрический (автомобиль. — Авт.)... В нем газолиновый мотор приводил в движение динамо-машину, которая давала ток для электрического двигателя; оказалось, что такая электрическая трансмиссия поглощает процентов на 20 меньше энергии, чем обыкновенная механическая, и удобна для регулирования скорости”.

Однако на сто лет бензиновый и дизельный привод вытеснил паровой и электрический из автомобилей, последнему остался сегмент в виде электрокаров, городского и железнодорожного транспорта. Причины две: низкая емкость автомобильных аккумуляторов и дешевая нефть, соответственно — бензин и дизельное топливо. И только после ряда нефтяных кризисов во второй половине ХХ в. и стремительного роста цен на нефть, а также по политическим причинам интерес к электромобилям проснулся вновь. К тому же, начали вызывать беспокойство выбросы углекислого и угарного газа, шум и т.д. Хотя доля автомобильного транспорта в этих неприятностях не так и велика, около 20%, но все время возрастает. Автомобильные двигатели стали более экономичными, выбросов дают меньше, но возможности повышения их коэффициента полезного действия практически исчерпаны, а самих машин становится все больше.

Преимущества электропривода для автомобилей, на первый взгляд, очевидны. Тяговые характеристики электродвигателей гораздо лучше, чем двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и дизелей, последние иногда называют двигателями внешнего сгорания. Особенно это видно на низких угловых скоростях (по-водительски — оборотах). Трогание с места происходит плавно, разгон осуществляется за меньшее время, привод малочувствителен к частым пускам и остановкам, Возможно электрическое (рекуперативное) торможение, когда на спуске тяговый двигатель переходит в генераторный режим и за счет высвобождающейся энергии заряжает аккумуляторы. Полностью остановить экипаж так невозможно, но значительно снизить скорость и потери энергии на тепло в механических тормозах можно. Кстати, режим рекуперативного торможения в гибридных автомобилях позволяет экономить бензин. Так в Lexus Hybrid Drive использование этого вида торможения позволяет экономить до 1 л бензина на 100 км. Эффект рекуперативного торможения есть и в городе, где скорость движения маленькая, часты пуски и остановки. Такой прерывистый режим приводит к крайне неэкономичному режиму работы ДВС, но для электродвигателя он вполне допустим.

Около 10 % энергии теряется в механической коробке передач и других элементах трансмиссии. Электропривод позволяет и в принципе, и на практике решить задачу сопряжения двигателя и движителя, в частности, колеса. Компания Mitsubishi Motor разработала колесо со встроенным электродвигателем. Система получила название Mitsubishi In-wheel motor Electric Vehicle (MIEV). Уже известны электромобили, в которых каждое колесо имеет на валу свой электродвигатель. Такая конструкция придает экипажу очень высокую маневренность и такие свойства, которые в обычном автомобиле недостижимы. При движении по скользкой дороге, в гололед индивидуальный привод каждого колеса позволяет бортовому компьютеру выбрать оптимальный режим торможения, предотвращающий заносы или юз. Система мотор-колесо позволяет поворачивать колеса перпендикулярно оси автомобиля, что значительно упрощает парковку. Высокая маневренность — важное качество для движения в городах, где пространства на совершение маневров мало. И вообще, электромобиль более безопасен.

Есть еще один фактор. Возможности совершенствования электромобиля очень велики. В то время как для его конкурентов они более чем ограничены.

Рассмотрим проблемы, сдерживающие внедрение электромобилей. Первая и очевидная — низкая удельная емкость (заряд) современных аккумуляторов. Наиболее применяемые сейчас свинцово-кислотные имеют удельную емкость 40 — 45 Вт•ч/кг., что недостаточно. Никель-металл-гидридный аккумулятор имеет более высокие значения этого параметра, до 60—72 Вт•ч/кг, но выдерживает всего до 1000 циклов перезарядки, имеет высокий саморазряд. Более энергоемкие аккумуляторы содержат серебро или литий. Они широко используются в космической технике и военной авиации. Всем они подходят, но у них высокая стоимость. Перспективными считаются аккумуляторы на основе полипропилена. Большие надежды возлагаются на нанотехнологии и успехи химии высокомолекулярных соединений.

Получением аккумулятора с высокими показателями удельной емкости проблема не исчерпывается. По принципу действия они весьма чувствительны к пиковым нагрузкам. При пуске электродвигателя его ток возрастает в несколько раз и уменьшается по мере разгона. Ограничение тока уменьшает ускорение. Выходом является применение специальных стартовых систем, например, на конденсаторах. Сейчас получены такие, которые имеют очень большую емкость и могут хранить заряд достаточно долго. Конденсатор фактически тот же аккумулятор, но получить от него весь запасенный заряд не удается. Кроме того, конденсатор быстро разряжается под нагрузкой. Тем не менее, такая батарея может существенно уменьшить нагрузку на аккумулятор при пуске тягового двигателя.

Третья проблема нынешних аккумуляторов — большое время зарядки. По этому параметру электромобили сильно проигрывают автомобилям. Заправка полного бака бензином или дизельным топливом занимает несколько минут. Заряд аккумулятора может продолжаться часами, а проехать после этого удается не более 200 км. На специальных установках время зарядки сокращается до 25—30 минут. Но вот здесь мы и подходим к важнейшей причине, сдерживающей широкое внедрение электромобилей, — инфраструктуре.

АЗС можно поставить где угодно. Проблемы доставки топлива, в принципе, нет. Дело только в цене. Со станциями зарядки аккумуляторов сложнее — к ним нужно прокладывать либо кабельные, либо воздушные линии подачи электроэнергии. И не нужно заблуждаться, что в городах это сделать легко, так как подвод электроэнергии фактически сделан. На самом деле здесь проблем не меньше.

Мощность двигателей всех автомобилей в Москве составляет 245 ГВт, примерно в 20 раз превышает установленную мощность электростанций ОАО “Мосэнерго”. Но не все так страшно. Автомобиль (или электромобиль) в таком городе, как Москва, больше стоит, чем работает. Коэффициент использования установленной мощности (КИУМ) автомобильных двигателей в российской столице составляет менее 7,5%. Но даже в этом случае запрос на зарядку аккумуляторов электромобилей в полтора раза превосходит установленную электрическую мощность Мосэнерго. Нынешние генерирующие возможности московских сетей обеспечат перевод на электрическую тягу только около 20% столичных автомобилей. А ведь есть и другие потребители электроэнергии, их достаточно много, в том числе и такой вид электротранспорта, как метро. Переход на электротягу требует кардинального увеличения производства электроэнергии и новых электрических распределительных систем. А это процесс довольно сложный и затратный.

Одной из важнейших проблем систем энергоснабжения является неравномерность графика нагрузки. В дневные часы потребление электроэнергии достигает максимального уровня, а ночью имеется провал, при этом нагрузка падает до 60 — 70% от суточного максимума. Крупная электростанция — организм сложный и очень инерционный. На максимуме нагрузки нужно вводить в работу дополнительные генераторы, а при спаде их выводить. Но это делать довольно сложно и крайне неэкономично. Работающий генератор целесообразно оставить в таком режиме и ночью. Тогда вопрос: куда девать избыток производимой электроэнергии. И здесь зарядка аккумуляторов может очень помочь. Именно тогда, когда есть избыток электроэнергии в системе, их и нужно заряжать. Выравнивается график нагрузки, и энергетики будут довольны. Но решив одну проблему, мы тут же порождаем как минимум другую, а то и больше. Как технически это осуществлять? Из каждой квартиры тянуть провода к электромобилю? Представить это в крупном мегаполисе с домами в 20 и более этажей довольно сложно. Очевидно, что такую сеть нужно закладывать уже при строительстве, чтобы в подземном гараже это было сделать легко. Только кто об этом думает даже сейчас? Проблема не такая простая, как кажется. А городские сети? Не будем брать наши города, приведем другой пример: как рассказывали автору специалисты Европейской комиссии по вопросам энергетики, к решению этой задачи там пока только приступают. Но уже есть определенные наработки.

В Германии федеральное правительство ставит задачу вывести на немецкие дороги к 2020 г.миллион электромобилей, в Берлине их должно быть не менее 100 тысяч. Сейчас, когда в германской столице всего около сотни таких машин, для них уже существует 550 станций подзарядки. Готовятся документы по выдаче разрешения на использование территории бывшего аэропорта Темпельхоф или аэропорта Тегель для создания центра по обслуживанию 100 тыс. электромобилей и офиса сервисной телефонной службы. Планы — на 2020 г., а реализовывать их начинают уже сейчас, поэтому переход на электротранспорт, во всяком случае, Германию врасплох не застанет.

Уже очевидно, что при всей своей экономичности электротранспорт требует значительного увеличения производства электроэнергии. На обозримый промежуток времени ее можно получить в достаточном количестве только сжиганием органического топлива: угля, нефти, газа или на атомных электростанциях.

И здесь мы сталкиваемся с весьма живучим мифом об экологической безопасности электротранспорта. Действительно, электромобиль выхлопов не дает. Но сложности есть. Во-первых, наилучшие тяговые характеристики имеет двигатель постоянного тока, но он весьма капризен из-за наличия коллектора якоря. Поэтому в электромобилях применяют двигатели переменного тока. Раз так, то нужен соответствующий преобразователь (инвертор) постоянного тока от аккумулятора в переменный для двигателя и регулятор частоты для изменения в широком диапазоне скорости вращения ротора. Сразу возникает проблема гармоник высокой частоты и защиты от них. Технически это вполне разрешимо, но усложнения и утяжеления машины не избежать.

Но не это главное. Электростанции дымят. Чем больше мощность их агрегатов, тем больше дыма. Какая-то часть будет улавливаться, но не вся. И это принципиальное положение. В атмосферу все равно что-то попадает. Так что от выбросов фосфора, серы, углекислого газа и т.д. мы не избавляемся. Только переносим с борта электромобиля на электростанцию. Конечно, централизованная борьбы с дымом и технически, и организационно легче, но рост производства электроэнергии неминуемо приведет и увеличению их количества.

По принципу действия любая тепловая машина должна иметь холодильник. Это устройство, в котором отработанный пар после турбины охлаждается. Обычно на крупных электростанциях это открытые водоемы. Чем мощнее агрегаты, а к этому энергетики стремятся по техническим, технологическим и экономическим причинам, тем больше пара нужно охлаждать. Частично низкотемпературный пар используется, например, для отопления. При этом возникают другие сложности, ограничивающие такое применение. Тепло из прудов попадает в атмосферу и возникает эффект теплового загрязнения. Известно, что вблизи крупных электростанций меняется микроклимат. Есть все основания считать, что именно тепловое загрязнение будет главным экологическим фактором, ограничивающим рост мощности электростанций и, соответственно, производства электроэнергии. Пока физика не дает способов промышленной добычи электроэнергии без тепловых машин. Но не исключено, что они появятся в будущем.

Следующая проблема электротранспорта — утилизация отработанных аккумуляторов. Они содержат опасные для окружающей среды свинец и токсичные электролиты. Эти элементы подлежат регенерации. Свинец может быть использован многократно, также и электролиты. Но утилизация требует разветвленной инфраструктуры и соответствующего производства. Однако это проблемы разрешимые. Гораздо опаснее случайное попадание этих элементов в почву или окружающую среду, например, при дорожных происшествиях. Свинец и электролит в этом случае гораздо опаснее, чем разлившийся бензин или дизельное топливо — органические продукты. К решению этой задачи только приступают, но уже ясно, что она простой не будет. Затраты на мероприятия по сбору и утилизации попавшего в окружающую среду свинца, электролита и других вредных веществ будут велики.

Перечень трудностей можно продолжать долго. Но ясно одно — не существует однозначного решения транспортной проблемы. По понятным причинам мы не можем перейти на один вид транспорта, так как каждый из них имеет свои преимущества и недостатки. При этом нужно рассматривать проблему не с точки зрения одного автомобиля с ДВС или электромобиля, а охватывать весь комплекс, с ними связанный.

Тем не менее, экономические факторы будут определяющими. По подсчетам фирмы компании “Тесла Моторс”, на каждом мегаджоуле первоначальной химической энергии можно проехать: на электромобиле с литий-ионными аккумуляторами — 1,14 км; на гибридном автомобиле (ДВС плюс электромотор) — 0,56 км; на автомобиле с ДВС или с дизелем — 0,48—0,52 км; на автомобиле на сжатом метане — 0,32—0,35 км; — на автомобиле с водородом и топливными элементами — 0,32—0,35 км. Как видим, электромобиль имеет очевидные и в будущем еще бОльшие преимущества, несмотря и на очевидные проблемы.

Транспорт стоит перед лицом значительных изменений. И это обстоятельство определяет повышенный интерес инвесторов. Как пишет немецкая экономическая и финансовая газета Handelsblatt, такие гиганты автомобилестроения, как японские Mitsubishi, Toyota, французская Peugeot и американская General Motors начинают во все бОльших масштабах выпускать электромобили. В конце текущего года последняя запускает Chevrolet Volt стоимостью 41 тыс. долларов. По сравнению с серийными, стоимость довольно высокая, но уже есть более 25 тыс. потенциальных покупателей. Фирма планирует к 2012 г. выпускать уже 45 тыс. электромобилей. Пока чистых электромобилей будут выпускать относительно немного, на среднесрочную перспективу основными будут гибридные. Президент Барак Обама намерен поддержать переход американцев на электротягу с помощью налогового подарка размером в 7500 долларов.

Пристальное внимание привлекают производители комплектующих, например, кабелей и бортовых систем, а также фирмы, занимающиеся инфраструктурой и сервисом. В Израиле фирма Better Place привлекла 750 млн. долларов в создание сети зарядных станций и сети, позволяющей заправлять электромобили и обменивать использованные аккумуляторы на заряженные.

Электромобили стали локомотивом в создании принципиально новых так называемых интеллигентных электрических сетей, известных как Smart Grids. В Германии этим серьезно занимаются электротехнический гигант Siemens AG. В свою очередь, один из крупнейших поставщиков газа компания RWE совместно с фирмой Daimler (производящая любимые некоторыми автомобили марки Mercedes) строит зарядные станции.

Америку в передовые страны вывел транспорт — железнодорожный, морской, автомобильный. Похоже, что Китай хочет пойти по такому же пути и стать лидером с помощью электромобилей. В Поднебесной серьезно занимаются этой задачей, а пока покупают подходящие по профилю фирмы в Европе, Японии и США. Понимают, где находится магистральная дорога прогресса.

Юрий РАЙХЕЛЬ