В июле 2006 года компания Tesla показала Roadster – свою первую модель электромобиля. Двуместная спортивная машина с приятным дизайном и всем необходимыми для комфортной езды изменила представление публики о машинах на электротяге. Одной зарядки хватало на три сотни километров, а электромотор размером с дыню, разгонял Roadster до ста километров в час меньше чем за четыре секунды. Ни один электромобиль за всю историю не совершал ничего подобного. Да и среди бензиновых авто мало кто мог повторить такое. Это была настоящая молния!
Tesla Roadster 2006 года
А потом грянул и гром. В 2009 году все та же Tesla представила Model S. Роскошный семиместный седан с регулируемой подвеской, двумя багажниками, климат-контролем и огромным 17-ти дюймовым дисплеем мультимедийной системы не только не уступал по уровню комфорта породистым моделям своего класса, он еще и разгонялся быстрее, чем подавляющее большинство серийных спортивных автомобилей. И делал это практически бесшумно.
Tesla Model S произвела фурор. И хотя серийное производство было налажено только в 2012 году, уже к концу первого квартала 2013 года в США продали 4750 экземпляров. Model S стал самым продаваемым седаном класса люкс, опередив Mercedes-Benz и BMW. К 2015 году по всему миру продали около 50 тысяч машин.
Tesla Model S 2012 года
Американская Tesla ворвалась на полуживой рынок электромобилей, полностью преобразив его. Интерес покупателей, восторги экспертов и журналистов вкупе со все более жесткими экологическими требованиями за несколько лет заставили крупнейшие автоконцерны обратить внимание на электромобили и начать разработку своих «машин на батарейках».
Сейчас есть возможность приобрести электромобиль практически на любой вкус: от относительно дешевых Nissan LEAF и Renault Zoe до шикарных Porsche Taycan и BMW i8. Во многих странах предусмотрены льготы и налоговые послабления для владельцев электромобилей. В крупных городах развиваются сети зарядочных станций. А недавно правительство Великобритании заявило, что намерено ввести запрет на продажи автомобилей с двигателями внутреннего сгорания к 2035 году. Подобные планы есть у Швеции, Франции, Норвегии и Финляндии.
Похоже, эпоха двигателя внутреннего сгорания преодолела свой пик развития и быстро идет к закату. Будущее автомобильной промышленности выглядит уже вполне определенным.
Но… Так ли все однозначно?
Способны ли электромобили полностью удовлетворить транспортные потребности человечества? Действительно ли их достоинства компенсируют недостатки? Да и на самом ли деле двигатель внутреннего сгорания безнадежно устарел?
В этой статье мы попробуем ответить на эти вопросы. Но, сперва…
Небольшой экскурс в историю
Сейчас это кажется невероятным, но в истории транспорта уже был период, когда электромобили на равных конкурировали с машинами, оснащенными двигателем внутреннего сгорания. И даже выигрывали в этой борьбе.
В ходе научно-технической революции второй половины девятнадцатого века стало очевидно, что лошади, в качестве средства передвижения, необходимо искать замену. К началу двадцатого века реальные перспективы имели три варианта двигателя для будущего транспорта: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания и электромотор.
Паровая машина была известна еще с конца семнадцатого века, а один из первых прототипов четырёхтактного двигателя внутреннего сгорания был запатентован немецким инженером Николаусом Отто в 1876 году.
Между тем, первый электромобиль появился в Венгрии еще в 1841 году. Аньос Джедлик создал примитивную, но, как оказалось, не лишенную будущего конструкцию, напоминавшую небольшую тележку с электромотором. В течении короткого времени нечто подобное произошло и в других странах.
Примерно со второй половины девятнадцатого века электромобили активно развивались: производились легковые и грузовые «экипажи», локомотивы и даже самокаты. В России получили распространение пассажирские омнибусы, в Вашингтоне с 1897 года работали такси на электротяге.
В целом, на начало двадцатого века, электромобили удовлетворяли транспортные запросы. Простые по конструкции, тихие, бездымные и довольно быстрые, они выглядели гораздо привлекательнее бензиновых машин, которые тогда еще страдали от множества «детских болезней». Моторы и коробки передач были сложны в обслуживании и ремонте, а их производство трудоемким. Кроме того, автомобили с двигателями внутреннего сгорания были очень шумными и ненадежными. А по своим ходовым характеристикам часто проигрывали электромобилям. Впрочем, бензин был дешев и продавался повсеместно, а заправка опустевшего бака занимала считанные минуты.
В свою очередь недостатки были и у электромобилей. Их главный элемент – аккумуляторы – были чрезвычайно дороги и сложны в производстве. При этом они обеспечивали пробег порядка 80 километров, в лучшем случае, а их подзарядка занимала по 8-10 часов.
Шло время, конструкция бензиновых автомобилей совершенствовалась. Двигатели становились все более мощными и надежными, а топливо для них было все так же дешево и доступно. Электромобили же так и не смогли преодолеть свои главные недостатки: ограниченный пробег и долгую подзарядку. И, несмотря на широкое распространение электричества, они стали сдавать позиции. Окончательную точку в этом противостоянии поставил Генри Форд, внедривший конвейерное производство в двадцатых годах двадцатого века. Это позволило снизить цену на автомобиль и сделать его доступным для широкой аудитории.
Первыми грядущий конец ощутили электрические такси. Пока они теряли время на подзарядку батарей, машины с бензиновыми моторами работали по 24 часа в сутки, заправляясь прямо во время смены водителей. Преимущество бензина в качестве топлива для транспорта стало очевидно.
За следующие несколько лет производство электромобилей практически полностью сошло на нет. Бензиновые и дизельные двигатели стремительно развивались, продемонстрировав свой потенциал, в том числе, во время Второй мировой войны, которую также называли «Войной моторов».
Последней в бою с «бензинками» пала американская компания Detroit Electric. Это произошло в 1942 году. Примечательно, что в 1907 году этой компанией был выпущен и первый серийный электромобиль.
На пару десятилетий про электромобили почти забыли.
Но в 60-е годы рост цен на нефть и набирающая популярность риторика экологов о грядущей катастрофе дали электромобилю второй шанс. Впрочем, реализовать его так и не получилось.
Время от времени различные компании представляли свои варианты электромобилей. Принципиальных отличий от моделей начала века у них не было, а дизайн некоторых был, мягко говоря, не самым привлекательным. По своим ходовым характеристикам они также недалеко ушли от своих предков (поскольку использовали практически те же технологии), и конкуренцию мощным, быстрым и комфортабельным машинам с двигателями внутреннего сгорания составить были не в состоянии. Запас хода и максимальная скорость лучших из электромобилей не превышали 90 километров, а время зарядки все еще было слишком большим. Электромобили просто не воспринимали всерьез!
К относительным успехам «дотесловой эры» можно отнести электромобиль EV1 разработанный в 1996 году General Motors. Это весьма перспективная машина с оригинальным дизайном, во многом опередила свое время. В конструкции широко использовался алюминий, а кузовные панели были пластиковыми, что позволило существенно снизить вес. EV1 имел систему рекуперации, однако все еще использовал устаревшие свинцово-кислотные аккумуляторы, так что, запас хода составлял всего около 160 километров. Тем не менее, динамические характеристики были вполне приемлемыми: до ста километров в час EV1 разгонялся за 9 секунд, а максимальная скорость составляла 130 километров в час. Заряжать электромобиль можно было от обычной бытовой розетки, для чего требовалось 10-12 часов.
С 1997 года EV1 выпускался серийно и даже пережил полноценную модернизацию, увеличив свой запас хода вдвое. Эксперты и публика довольно тепло отзывались о машине, но в 2003 году проект был полностью свернут. Истинные причины произошедшего до сих пор будоражат умы неравнодушных. В 2006 году даже вышел документальный фильм «Кто убил электромобиль?», где недвусмысленно намекали на причастность нефтяных корпораций к его «смерти».
Объективно же EV1 так и не смог избавится от главных недостатков электромобиля: зависимости от инфраструктуры и слишком маленького запаса хода. Качественного технического прорыва в области аккумулирования энергии добиться не удалось, при этом стоимость производства даже устаревших батарей оставалась высокой. Да и развивать сеть зарядных станций концерн GM был не готов.
Тем не менее, опыт EV1 показал, что у потребителя есть интерес к электромобилю, и некоторые автопроизводители сочли возможным развивать это направление.
Но, несмотря на их усилия, до 2006 года рынок электромобилей оставался хоть и специфичным, но довольно скучным: дюжина ничем не примечательных моделей, часто, по не вполне адекватным ценам. Особняком стояли машины с гибридными силовыми установками (во главе с ToyotaPrius), но это уже тема для отдельной статьи.
Ну, а в 2006 году мир увидел Tesla Roadster. Электромобили взяли очередной реванш. И в этот раз, кажется, у них есть все шансы на победу.
Впрочем, сперва все еще придется решить ряд серьезных проблем.
Электромобиль сегодня и его проблемы
Первая и важнейшая проблема для электромобиля – инфраструктура.
Все той же Tesla для полного заряда батарей от обычной бытовой розетки на 220 вольт требуется около 15 часов. Специальная зарядная станция делает это за 75 минут. Кроме того, Model S имеет возможность быстрой замены всего блока батарей. На специальных автоматизированных станциях эта операция занимала примерно 90 секунд, а стоила около 70 долларов. Это сопоставимо с заправкой полного бака обычного автомобиля.
Тем не менее, от такой автоматической системы замены батарей компании пришлось отказаться, сосредоточившись на развитии сети зарядных станций. И зарядные станции наиболее наглядно демонстрируют суть главной проблемы инфраструктуры.
Для начала, немного цифр.
Пространство, необходимое для зарядки одного легкового автомобиля составляет примерно 20 кв. метров (площадка размерами 4 на 5 метров, где помимо машины находится еще и «колонка» зарядной станции).
Время, за которое мощная зарядная станция сможет подзарядить аккумуляторы хотя бы наполовину – 30 минут.
Средней запас хода современного электромобиля около 200 километров (это усредненное значение, из расчета, что 200 километров в реальной дорожной обстановке может преодолеть практически любой электромобиль).
А теперь, возьмем какою-нибудь не самую загруженную российскую автомобильную дорогу, например, трассу М-11 «Нева». Ее общая протяженность составляет 669 километров, а за сутки по ней проезжает, примерно 70 тысяч машин.
Представим, что все эти машины – на электрической тяге.
Первый вывод очевиден: каждому электромобилю необходимо минимум четыре подзарядки (не менее 30 минут каждая), чтобы преодолеть этот маршрут. За сутки одна зарядная станция может обслужить 48 автомобилей. Чтобы никому не пришлось стоять в очереди (еще минимум 30 минут), потребуется 1458 зарядных станций. Они займут площадь в 29 160 кв. метров. И это без учета съездов, подъездов и выездов.
В России, США и Канаде такие пространства найдутся. Но в Европе дефицит свободного места есть уже сейчас. Конечно, 30 квадратных километров не так уж и много. Но, напоминаю, что в примере рассматривалась не самая загруженная трасса. По старому Ленинградскому шоссе в разгар туристического сезона проезжает до 190 тысяч машин в сутки при сопоставимой протяженности. Добавьте низкие температуры и сложные дорожные условия (дождь, туман), и вот, постоянно включенные дворники, фары и отопление заставят тратить по полчаса на подзарядку аккумуляторов уже значительно чаще.
Но даже в идеальных условиях, поездка по М-11 на электромобиле выйдет минимум на два часа дольше, чем на машине с двигателем внутреннего сгорания. Довольно сомнительное достижение, не правда ли?
Во сколько государству (а, в конечном счете, налогоплательщикам) обойдется возведение абсолютно новой дорожной инфраструктуры,, предположить трудно. И как это повлияет на цену электричества – тоже. А без развитой сети зарядных станций – использование электромобиля бессмысленно.
И еще пара штрихов к портрету текущей электромобильной инфраструктуры.
Единого стандарта для зарядного разъема у электромобилей до сих пор нет. А значит, приехав на зарядку, можно обнаружить, что ее «вилка» не подходит к вашей «розетке». Пойдут ли производители электромобилей по пути унификации штекеров? Возможно, что нет. По крайней мере, у производителей мобильных телефонов на это ушло много лет…
В октябре 2018 года европейские производители электромобилей объявили, что будут снимать авто с гарантии за зарядку не на официальных станциях. Информация о зарядках фиксируется бортовым компьютером и отправляется через Интернет производителю. Такую позицию понять можно: аккумуляторы – самая дорогая часть электромобиля, а испортить их скачками напряжения в сети, не рассчитанной для таких задач, проще простого. Скорее всего, тенденцию поддержат и остальные производители.
Вторая проблема – сами аккумуляторы и дефицит сырья для их производства.
Аккумуляторы – важнейший элемент электромобиля. Они формируют основную часть его стоимости и обеспечивают автономность передвижения. Раньше использовались свинцово-кислотные элементы питания. Относительно недорогие и надежные, они не обладали достаточной емкостью, что ограничивало дальность поездки и динамические характеристики машины. Во многом именно использование устаревших элементов питания не позволили электромобилю развиваться на равных с бензиновыми машинами.
В современных электромобилях (как и во многих мобильных телефонах) используются литий-ионные аккумуляторы. Они имеют хорошую емкость, способны выдавать высокое напряжение, выдерживают около тысячи циклов разряд/заряд. Тем не менее, недостатки есть и у них. При низких температурах емкость аккумулятора существенно снижается (наверняка, многим владельцам мобильных телефонов знакома эта проблема), а на жаре он работает нестабильно. Кроме того, при разгерметизации есть риски взрыва таких элементов питания (кажется, владельцы мобильников сталкивались и с этой проблемой).
В июле 2018 года в цехе нефтегазоперерабатывающего управления «Лянторнефть» взорвался дефектоскоп для проверки промышленных труб. Он работал от литиевых батарей, одна из которых разгерметизировалась и при взаимодействии с воздухом взорвалась. Пострадали семеро рабочих, двое из них получили тяжелые травмы, один скончался на следующий день.
Современный электромобиль несет на себе около 500 килограмм литий-ионных элементов питания, установленных, как правило, в днище. От дорожного покрытия их отделяет пара десятков сантиметров. А от ног пассажиров и того меньше. Водителю следует быть особенно внимательным, что бы случайный сюрприз на дороге не повлек существенных затрат на ремонт. Или лечение…
Литий-ионным аккумуляторам есть несколько альтернатив. Например, литий-полимерные аккумуляторы полностью безопасны, однако, выдерживают всего около 300 циклов разряд/заряд. Такие аккумуляторы уже устанавливаются в Hyundai Ionic Electric и Kia Soul EV. Еще есть литий-серные, литий-железо-фосфатные, литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы.
Для производства таких батарей необходимы определенные материалы и химические элементы. Главные это медь, никель, кобальт и литий.
В среднем, для производства миллиона электромобилей в год необходимо около 10 000 тонн лития. Для полной замены производства во всем мире легковых бензиновых автомобилей на машинами на аккумуляторах (а это, примерно, 100 миллионов машин) потребуется 1 миллион тонн лития в год. В 2020 году производство лития составило более 400 000 тонн.
Безусловно, при резком увеличении производства электромобилей определенный дефицит лития вполне возможен. Однако литий – довольно распространенный металл, и его общие мировые запасы оцениваются в 80 миллионов тонн.
Похожая ситуация с медью и никелем.
Сложнее дела обстоят с кобальтом. Для производства одного электромобиля требуется от 15 до 30 килограмм кобальта (зависит от модели и типа используемого аккумулятора), а его мировые запасы оцениваются гораздо скромнее – всего в 25,5 миллионов тонн. Этот металл стремительно дорожает, а его нехватку промышленность может ощутить уже в самое ближайшее время.
Теоретически все это – решаемые проблемы. Ключевое слово «теоретически».
После того, как существующие производственные мощности себя исчерпают, а спрос на металлы останется высоким, потребуется разведка новых месторождений. А потом и организация их разработки. Все это потребует немалых затрат, и цена на металлы может стать неоправданно высокой. И, как следствие, цена на электромобили, тоже.
Конечно, проблема может быть решена и другим способом. Уже сейчас исследуются новые способы добычи того же кобальта из вод океанов, разрабатываются принципиально новые типы элементов питания (например, металл-воздушные аккумуляторы). Однако на это тоже необходимы средства, а насколько эффективным (читай: прибыльным) окажутся перспективные технологии, сказать пока трудно.
Таким образом, с точки зрения бизнеса, производство электромобилей сейчас выглядит, в лучшем случае, как авантюра. И это – третья проблема.
Себестоимость электромобиля крайне высока, и, судя по всему, продолжит расти в любом случае. Рано или поздно, производитель встанет перед выбором: продавать в убыток или поднимать цену на свою продукцию, лишаясь все большего количества покупателей. Оба варианта имеют крайне сомнительные перспективы.
Тем не менее, пока это может казаться неочевидным.
В начале 2010-х годов многие государства вводили разнообразные меры как для поддержки производителей электромобилей, так и для поощрения покупателей. Евросоюз и США предоставляли субсидии на покупку электромобиля. А владельцы освобождались от транспортных налогов, во многих городах парковка для них была бесплатна, а в Ирландии даже проезд по платным дорогам.
Однако последние несколько лет заметна обратная тенденция. В США размер субсидий уменьшается пропорционально увеличению числа электромобилей. Также, как и налоговые вычеты. За 2019 год в США они сократились вдвое, составив сумму в 7500 долларов. В первой половине 2020 года с налога вернут 3750 долларов, во второй половине — только 1875 долларов. В дальнейшем, покупатели электромобилей будут вообще лишены права на налоговый вычет.
Сокращение государственной поддержки ставит и компании-производители на грань выживания. Лучше всего это заметно на примере все той же Tesla. За 2018 год компания понесла убытки на сумму 976 миллионов (это почти один миллиард!) долларов. За убытками последовали массовые сокращения, закрытия офисов и заметный рост безработицы. С января 2019 цены на зарядках Tesla повысились на 33%.
Цены на электроэнергию в странах Евросоюза также выросли за 2019 год в среднем на 28%.
Логично, что чем дальше, тем меньше электромобиль похож на выгодную покупку. Но рынок таких машин, тем не менее, рос и в 2019 и в 2020 годах.
Отчасти, это объясняется усилиями автопроизводителей. Стремясь выполнить нормативные требования по снижению выбросов углекислого газа, они планомерно увеличивают выпуск электромобилей, одновременно стараясь не слишком повышать на них цены.
Крупные автоконцерны еще могут компенсировать убытки от производства электромобилей за счет продаж машин с двигателями внутреннего сгорания. Причем, в Европе, после «дизельгейта» 2015 года, надежда осталась только на бензиновые моторы. Которым год от года все сложнее вписываться в экологические требования…
Кстати, экология – это четвертая проблема электромобиля. Как это ни странно. Точнее, электромобиль – это проблема для экологии.
Для передвижения электромобилю нужны заряженные аккумуляторы. А для их зарядки нужна, условно, электростанция. Ну, или достаточно мощный источник электроэнергии. Увеличение числа электромобилей приведет к росту энергопотребления.
Сейчас, более 35% мировой электроэнергии производятся угольными электростанциями. На атомные электростанции приходится около 10%, нефтяные и газовые дают еще 25%. На экологически чистые источники энергии (солнечные, ветровые, гидро- и геотермальные) приходятся остальные 30%, что не так уж и мало.
Однако, «зеленые технологии» сами по себе довольно затратные, и их невозможно применять повсеместно. Кроме того, их «экологичность» довольно относительна. Те же ветрогенераторы (и даже солнечные электростанции!) не так уж и безопасны для природы.
По какому пути пойдет человечество, когда нужно будет быстро увеличить количество производимой электроэнергии? Ждет ли нас рост числа простых, дешевых, но загрязняющих атмосферу электростанций, сжигающих уголь и газ, или ставка будет сделана на атомную энергетику с миллионами тонн радиоактивных отходов в перспективе?
Но даже если планета будет обеспечена необходимым количеством «чистого» электричества, остается проблема с аккумуляторами.
Объективно, производство и эксплуатация аккумуляторов вредит экологии не так уж и сильно. Конечно, в тех же литий-ионных батареях используются токсичные материалы (бористый литий, кобальт, никель), однако, готовый аккумулятор представляет собой герметичный контейнер и угрозы для окружающей среды не несет.
Проблемой аккумулятор становится, завершив свой жизненный цикл. Ядовитые вещества внутри него могут отравить почву и грунтовые воды, если герметичность корпуса нарушится.
Технологии утилизации таких элементов питания развиты очень слабо, в то время как производство стремительно растет, удовлетворяя спрос. Все это может превратить целые регионы планеты в могильники, наподобие китайского города-свалки Гуйюй.
Хотя, скорее всего, отработавшие свое батареи будут просто топить в океане.
Еще немого цифр.
Блок аккумуляторов современного электромобиля весит полтонны, а стоит, примерно 15 000 долларов. Он выдерживает 1000 циклов заряд/разряд, однако, если не заряжать его на специальной станции, то срок службы может существенно сократиться. Таким образом, его будет необходимо менять каждые 3-4 года, а с учетом эксплуатации в неидеальных условиях, возможно, и чаще.
Конечно, в странах с развитой экономикой автомобили меняют примерно с такой периодичностью. Но бензиновый автомобиль не оставляет по 500 килограмм ядовитых отходов каждые 4 года.
И последнее. Пока цена утилизации не входит в стоимость новых батарей, а следовательно – в стоимость электромобиля. Если это изменится, электромобиль окончательно потеряет привлекательность в глазах покупателя. А если этого не произойдет, нас ждет экологическая катастрофа.
Ну, а что же ДВС?
А он сейчас на пике своей формы. За полтора века развития ДВС прошел огромный путь и способен выдавать мощность, экономичность, экологичность и долговечность почти в любых сочетаниях.
Проблема в том, что в глазах обывателя двигатель внутреннего сгорания – это, обязательно, что-то сжигающее бензин или дизель, и выпускающее вонючий ядовитый дым. Но это очень узкий взгляд на технологию.
Сама концепция двигателя внутреннего сгорания (особенно, в дизельном варианте) допускает использование практически любого топлива. Практически в любом виде: жидком, твердом и газообразном. Ключевых условий всего два: в цилиндре должно быть что-то, что можно поджечь и что-то, что может поджечь. А значит, экологически чистое топливо, например, этанол, тоже подойдет.
Этанол в двигателях внутреннего сгорания начали использовать едва ли не раньше, чем бензин. Все тот же Ford T был приспособлен для езды на этом горючем. И даже сейчас этанол выглядит перспективным. Он существенно снижает количество вредных веществ в выхлопе, соответствует бензину с высоким октановым числом, а в производстве обходится дешевле.
Из конкретных примеров. В 2003 году автомобиль, сконструированный студентами и преподавателями технического колледжа из французского города Сен-Себастьен, проехал 3794 километра на одном литре этанола, приготовленного из обычной кукурузы. Конечно, это был эксперимент, но результаты его впечатляют.
Другим вариантом экологичного топлива для двигателя внутреннего сгорания может быть водород. Разработки этой технологии ведутся довольно давно и небезуспешно. Тем не менее, все еще существует ряд трудностей, преодолеть которые пока не получается. Главным образом – высокая стоимость производства и сложности транспортировки и хранения такого топлива.
Выводы
Мы наблюдаем третье пришествие электромобилей. И хотя в этот раз они явились в ослепительном ореоле спасителей экологии и предвестников светлого будущего, в действительности ситуация может оказаться противоположной.
Электромобили так и не смоги избавится от главных своих недостатков, лишь отчасти компенсировав один из них использованием более совершенных батарей. Во всем остальном – это технологии начала прошлого века, не имеющая реальных перспектив.
Но даже в таком виде эта технология небесполезна. Электромобили могут стать прекрасным городским или специализированным транспортом, где раскроется весь их потенциал. Например, выдающиеся динамические характеристики будут полезны для пожарного автомобиля или «скорой помощи». Но для этого необходима инфраструктура. И речь идет не только о сети зарядных станций, но и о технологии утилизации или переработки аккумуляторов, новых безопасных способах добычи редкоземельных металлов и дополнительной электроэнергии.
Сейчас же позиционирование электромобиля как безальтернативного транспорта будущего выглядит довольно странно… И подозрительно.
Для полноты картины осталось только написать в статье про вред, наносимый окружающей среде при добыче лития и никеля.
Ну, это уже отдельная тема. Хотя, пока материал собирал, начитался про разные ужасы, связанные с добычей ресурсов...