Сила двух сердец

Гибриды — машины, в которых есть и традиционный двигатель внутреннего сгорания, и электромотор, — для современного западного мира уже давно не новинка. Ведущие мировые концерны последние три-четыре года продают по 100—200 тыс. таких автомобилей ежегодно. В посткризисный период они планируют довести объемы продаж гибридных аналогов своего традиционного модельного ряда до 15—20% от общего размера рынка. К 2015 г. объемы продаж должны превысить $200 млрд, что составит более четверть всех продаж авто в мире. В некоторых странах, например Японии, правительство ставит задачу довести долю гибридов к этому времени до 50% рынка.

Давняя история

Прототипы гибридных авто — электромобили — появились еще в середине XIX века. Самый первый из них, который использовал в качестве движущей силы электрическую энергию, в 1839—1841 гг. сконструировал шотландец Роберт Андерсон. В 1905 г. бельгиец Генри Пайпер запатентовал гибридную схему для авто, которая предусматривала использование электромотора наряду с бензиновым двигателем. Помешал дальнейшему развитию гибридных технологий Генри Форд со своим конвейером, значительно удешевивший автомобильное производство. Его машины были гораздо мощнее и быстрее “электровозов”, а также имели намного больший запас хода на одной заправке.

Вернуться к разработкам конструкторов заставил стремительный рост цен на нефть и газ в 70-х годах XX века. Однако реальное промышленное производство началось лишь в 1990-х, когда с конвейера сошел флагман современного гибридостроения Toyota Prius. Уже в первый год продаж было реализовано 20 тыс. этих автомобилей. На сегодняшний день продажи гибридных машин в мире достигают 1 млн штук в год. Практически каждая пятая наиболее популярная модель Toyota, Honda, Hyundai, General Motors, Ford, Volkswagen, Citroen, Daimler-Chrysler (Mercerdes-Benz) имеет гибридный аналог.

Как это работает

В гибридном авто обязательно должны присутствовать три составляющих — двигатель внутреннего сгорания (ДВС), электромотор и аккумуляторная батарея. Главным в этой связке может выступать либо ДВС, либо электромотор, либо оба одновременно. Упрощенно суть работы заключается в том, что двигатель внутреннего сгорания через генератор заряжает батарею. А та в свою очередь после полного заряда способна не только питать электроприборы в салоне, но и через электромотор двигать весь автомобиль.

Управляет обоими моторами бортовой компьютер. Он глушит ДВС и электромотор во время остановок, во время торможения заряжает аккумулятор (рекуперативное торможение) и использует электродвигатель преимущественно для разгона. То есть до определенной скорости (а в пробках ее можно так за весь день и не достичь) работает либо только электромотор, либо в качестве вспомогательного ему “подыгрывает” ДВС. Заряда аккумулятора обычно хватает, чтобы тронуться с места и разогнаться до 40—50 км/ч. Далее батарея отключается и заряжается от работы включившегося ДВС. В критические минуты, например, при резком обгоне, на подъеме, когда водитель нуждается в усилении мощности двигателя до максимума (выжимает педаль газа), оба мотора работают параллельно.

В авто может быть как один электромотор (“вспомогательный”), используемый и для подзарядки батареи, и в качестве дополнительного двигателя (применяется на гибридах Honda и General Motors), так и два. В этом случае один из них работает как генератор тока, а второй — как электромотор (Toyota, Ford).

Бонусы для природы

Главное преимущество гибридных автомобилей — это пониженное потребление топлива. Поскольку во время разгона машина вовсе не потребляет бензина, то в городском цикле экономия топлива составляет 25-35%. На одном только электроприводе гибрид эконом-класса может проехать до 80 км, а разогнаться — до 50—60 км/ч. Такие показатели позволяют уменьшить почти на треть количество заездов на заправку. В режиме загородной трассы этот показатель достигает половины заездов. А это, помимо значительной экономии топлива, приводит к сокращению времени в пути. К примеру, на одном 45-литровом баке гибридной Тойота Prius можно проехать до 1000 км.

Во-вторых, за счет того, что в авто, по сути, два двигателя, для достижения мощности негибридного аналога достаточно установить менее мощный бензиновый мотор. Как правило, экономия достигает 30—50% от мощностей традиционной модификации. Например, мощность двухлитрового автомобиля достигается в гибриде за счет работы 1,5-литрового мотора на пару с электродвигателем, коэффициент полезного действия которого составляет 90—95%. Сумма этих факторов приводит к тому, что гибридный среднеклассник потребляет не более 5—6 л/100 км в городском режиме, в то время как его негибридный собрат выходит в среднем на 11—12 л/100 км. Естественно, снижение потребления влечет за собой уменьшение выбросов вредных веществ в атмосферу. Гибриды выбрасывают в атмосферу на 90% меньше сажи и углеводородов, а оксидов азота — на 50%. Но подобный эффект достигается только при “среднестатистической” эксплуатации автомобиля, то есть на скорости не выше 70—80 км/ч в городском режиме и не более 120—130 км/ч — на трассе.

Еще одно преимущество, связанное с экологией, состоит в том, что во время простоя в пробке автомобиль вообще не генерирует выхлопов за счет работы от аккумуляторной батареи. Электродвигатель обеспечивает мгновенный запуск и остановку, не имеет необходимости в холостом ходе, что дает еще одно важное преимущество — отсутствие механизма сцепления. В теории такой механизм вовсе может быть размещен непосредственно в колесе. И такие разработки уже существуют. Кроме того, на обогрев салона не тратится ресурс традиционной для негибридных авто печки, работающей на том же топливе, что и ДВС.

Недостатки для кошелька и здоровья

Основным недостатком гибридов сегодня, при всех выгодах и будущих экономиях, является их цена. В сравнении с аналогами “экологические” машины стоят на 15—20% дороже. Окупить эту разницу за счет экономии на топливе можно лишь за четыре-семь лет в зависимости от мощности (и, соответственно, “прожорливости”) двигателя и интенсивности эксплуатации. Поэтому наиболее развитыми сегментами гибридных автомобилей являются бизнес-класс и люкс. Чем экономичнее гибрид, тем он дороже. Ведь чтобы сдерживать “прожорливость” ДВС как можно эффективнее, нужны более крупные батареи. А именно их цена — главная составляющая стоимости данных автомобилей.

Второй пункт, на который пока не очень обращают внимание, но который может остро встать на повестке дня уже через несколько лет интенсивной эксплуатации гибридов, — утилизация аккумуляторов. Батареи рано или поздно изнашивают свой ресурс перезарядов. Конечно, сегодняшние несколько десятков тысяч возможных “паспортных” перезарядок (около 100 000 км пробега) не идут ни в какое сравнение с несколькими сотнями, которыми обладали первые серийные батареи каких-то 15 лет назад. Однако даже такие долговечные аккумуляторы все равно когда-нибудь нужно будет утилизировать.

Среди бытовых “неурядиц”, которые сулят гибридным авто, — потенциальная невозможность работать в условиях сравнительно суровой зимы. Дескать, если температура будет ниже -15С, машина откажется заводиться. Впрочем, практическая эксплуатация показала, что максимальным неудобством, которое может принести зимняя погода, для гибрида является увеличение расхода топлива, что в принципе характерно и для обычного автомобиля.

В поисках идеальной батареи

Несмотря на растущую популярность гибридных автомобилей, их производители не оставляют мысли о следующем этапе — переходе на полностью электрические авто. Но для этого в первую очередь необходимо решить проблему размера батареи и ее емкости. Сегодня одной зарядки аккумулятора хватает максимум на 150—200 км. Уменьшение его размеров должно привести к увеличению грузоподъемности машины. Сейчас каждые 100 кг батареи по мощности являются приблизительным эквивалентом 1 л объема двигателя внутреннего сгорания. Кроме того, нужно искать пути снижения ее стоимости и сокращения времени полной зарядки. Сейчас оно составляет минимум 30 мин. от сети 220 В или 15 мин. от 440 В. Основная проблема — материал. Пока самая оптимальная по емкости и отдаче мощности — это литий-ионная батарея. Из этого материала сделаны аккумуляторы, например, в ноутбуке. Использование другого вида батарей, отдаленно похожих по характеристикам, — никель-металлгидридных — в автомобилестроении запрещено до 2014 г. Для того чтобы электромобили не развивались слишком интенсивно, патент выкуплен у General Motors нефтяным гигантом Texaco/Chevron.

Цена автомобильного “подвида” литий-ионных батарей — около $2 тыс. за каждый киловатт-час мощности — слишком высока для массовой технологии. Чтобы автомобиль мог проехать 140 км без подзарядки, необходим аккумулятор мощностью 20 кВт-ч, а это $40 тыс. По расчетам Boston Consulting Group, к 2020 г. стоимость производства таких батарей может снизиться до $700—800 за кВт-ч, но все равно $14—16 тыс. за один только аккумулятор будет слишком высокой ценой.

Увеличения емкости и длительности работы литий-ионных батарей собираются добиться в Массачусетском технологическом университете, заменив материал электрода с графита на “железный фосфат лития”. Суть изменения заключается в том, что электроны и ионы начнут двигаться намного быстрее, чем в обычных литий-ионных аккумуляторах. Это позволит батареям дольше не разряжаться и накапливать в 10 раз больше энергии. Впрочем, вопрос цены остается нерешенным, такой источник электроэнергии будет все еще сравнительно дорогим. Стоимость каждого кВт-ч мощности колеблется в пределах $1—2 тыс.

Еще одно направление усовершенствования литий-ионных батарей — изготовление электродов из кремний-углеродных материалов с применением нанотехнологий. За счет более эффективного впитывания ионов лития на увеличивающейся поверхности электродов (более мелкие частицы имеют больше граней, а значит, большую полезную площадь) емкость аккумулятора может вырасти в 10 раз. Приблизительно такое же увеличение емкости прогнозируется и в разрабатываемых литий-воздушных батареях. Однако пока говорить об их массовости не приходится. Ученые еще не нашли замены золоту и платине, являющимся катализаторами в электродах таких аккумуляторов. Вопросы веса, цены и работы при низких температурах способны решить пока что экспериментальные серно-литиевые батареи. Однако их главный недостаток —небольшое количество перезарядок (до 60).

Прорывной обещает стать технология использования так называемых нанобатарей на основе лития и оксида титана. Время зарядки новых аккумуляторов, испытываемых компанией AltairNano, до 100% составляет 10—15 мин. До 80% емкости они заряжались примерно за 1 мин. Такие батареи выдерживают нагревание до 240 градусов, тогда как обычные взрываются при 140 градусах. Экспериментальные аккумуляторы выдержали свыше 15 тыс. циклов полной перезарядки, сохранив 85% своих характеристик, в то время как обычные литий-ионные батареи резко теряют их после 300—500 циклов перезарядки. Но и здесь цена пока зашкаливает. Sport Utility Truck от Phoenix Motorcars, в котором используются такие аккумуляторы, стоит 120 тыс. фунтов стерлингов преимущественно из-за использования данной нанотехнологии.

Необходимо также решать проблемы с инфраструктурой для зарядки электромобилей. Создание сети СТО или отдельных “колонок” с розеткой на заправках будет идти параллельно с увеличением продаж электромобилей, которое сделает бизнес электросервиса рентабельным. Производители и сами готовы обеспечивать поддержку таких машин. Например, Toyota намерена оборудовать розетками заправки в тех регионах, где продажи электромобилей будут наиболее интенсивными, а власти Роттердама и Утрехта в Голландии инициировали создание за коммунальный счет сети сервисов для “электровозов”, чтобы стимулировать улучшение экологии в городах за счет уменьшения процента эксплуатации автомобилей на традиционном топливе.

Сам себе электрик

Важный вопрос, который задают электроскептики, не видящие будущего в электромобилях, —действительно ли их эксплуатация уменьшает выбросы парниковых газов? Ведь при производстве используемой этими машинами электроэнергии все равно происходят выбросы. По данным Boston Consulting Group, несмотря на то что в ЕС или США “электрификация” автопрома даст снижение выбросов на 55—60%, для таких крупных рынков, как Индия или Китай, сокращение эмиссии при полном переходе на электромобили может вовсе равняться нулю, настолько интенсивны там выбросы в электрогенерации. Поэтому перед учеными встает вопрос о радикально новом подходе к производству электроэнергии для приведения автомобиля в движение. Идея заключается в том, чтобы генерировать ток в самом авто либо с помощью солнечных батарей, либо применяя в качестве топлива водород.

Машины, в которых ток генерируется от батарей на солнечных элементах, имеют два подвида: те, в которых такая батарея лишь вспомогательная, и те, которые полностью снабжают двигатель энергией солнца. В контексте развития автомобилестроения в сторону дальнейшей максимальной экологизации именно “солнечные” автомобили имеют больше перспектив. Правда, пока автопроизводители смогли наладить серийный выпуск лишь миниатюрных версий. Например, один из тайваньских прототипов, являющихся одним из наиболее прогрессивных “солнцемобилей”, оснащен литиевыми батареями, солярного заряда которых хватает на три часа езды. Его вес —250 кг, а скорость — около 70 км/ч. Стоимость такой машины — не более $25 тыс. Менее мощные, но более дешевые авто начали серийно производить в Поднебесной. Автомобиль, способный после 30 ч зарядки проехать 150 км, стоит $5 тыс.

Еще одно направление развития автомобильных технологий — авто, работающие на водороде. Водородный двигатель безвреден для окружающей среды, так как в результате химической реакции как “побочный продукт” образуется простая вода. Происходят такие реакции в топливных камерах — керамических ячейках. Каждая из них перегорожена на две секции тончайшей полимерной мембраной, покрытой тонким слоем платинового катализатора. В одну секцию поступает кислород, в другую — водород. Протоны просачиваются сквозь мембрану и, теряя электроны, вступают в реакцию с кислородом, образуя воду. В обычной ситуации реакция носит взрывной характер, но в топливной камере протекает спокойно благодаря тому, что идет не во всем объеме ячейки, а только на поверхности мембраны. Электроны, отобранные мембраной у протонов, стекают по подведенному к ячейке проводнику, создавая электрический ток. Дальше эту энергию можно использовать для питания электродвигателя.

Существенными препятствиями для достижения массовости данной технологии являются дороговизна платины, применяемой в качестве катализатора топливных элементов, и недостаточная мощность топливных элементов для работы в современных моделях автомобилей.

Другой подвид — машины с двигателем внутреннего сгорания на водороде. Преимущество такого ДВС в том, что он обладает более широким по сравнению с бензином диапазоном пропорций смешивания с воздухом, при которых еще возможен поджиг смеси. Водород полнее сгорает в сравнении с бензином. Некоторым экспериментальным моделям килограмма водорода достаточно для преодоления 300 км. Такое авто разгоняется до скорости 48 км/ч всего за 5,5 сек. Максимальная скорость — чуть более 80 км/ч.

Основной недостаток водорода как топлива — его высокая цена (около $5 за кг.). Ведь получают его в основном из постоянно дорожающего природного газа. Помимо этого, проблемой является хранение водорода в автомобиле. Самый перспективный вариант — это металл-гидриды (емкости со специальными сплавами, которые впитывают водород в свою кристаллическую решетку и отдают его при нагревании). Так достигаются самые высокие безопасность хранения и плотность упаковки топлива. Водород должен храниться в баке под высоким давлением либо в жидком виде, но при сверхнизких (менее -253С) температурах. Соответственно, в первом случае нужен баллон, рассчитанный на высокое давление, а во втором — сильная теплоизоляция. Первый вариант более опасен, но водород может храниться долго. Во втором случае безопасность выше, но топливо будет постепенно нагреваться и растворяться в атмосфере.

Среди производителей автомобилей на водороде — Honda (FCX Clarity, продажи с 2009 г.), BMW (Hydrogen, 7100 экземпляров для известных людей), General Motors (Chevy Volt, продажи с осени 2010 г.), Mazda. Средняя их стоимость — $35—40 тыс.