Простое не всегда побеждает сложное

Крымский электрокар, опередивший свое время

Немножко истории: попытки создания экипажа, приводимого в движение электродвигателем, произошли гораздо раньше создания автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (ДВС), и это вполне естественно, так как нет ничего проще привода от электромотора, который конструктивно довольно прост и компактен по сравнению с паровым или ДВС. И это было всегда вплоть до современного времени, а где взять электричество для электромотора? Из проводов, где это электричество водится. Так и сделали: придумали трамваи, электропоезда, троллейбусы и прочее, — поэтому все они имеют такое украшение, как токосъёмник, подводящий электроэнергию к электродвигателям от внешних источников по проводам и контактной сети. Могут и наоборот отдавать энергию в сеть как, например, троллейбусы в Крыму: одни поднимаются от моря в горы и потребляют электричество, а другие наоборот спускаются с гор, тормозят и электричество генерируют.

От гибрида к чистому электричеству

От внешних источников электромоторы тянут разные экипажи надёжно, а вот от внутренних — не очень. Конечно, плавают и ползают разные дизель-электрические и даже атомные монстры, но их не разместить в легковушке. Однако попытки такие имеются, например гибридная трансмиссия автомобиля. Эти агрегаты оснащают разными конструкционными схемами: параллельная с дифференциальным сумматором мощности от ДВС и электромотора, а также последовательная, где ДВС работает только на генератор, заряжающий батарею, от которой в свою очередь работает тяговый электродвигатель. Последняя схема представляется оптимальной, так как ДВС освобождается от резких переменных нагрузок и может работать в режиме максимального КПД. Сам двигатель внутреннего сгорания в данной схеме может иметь значительно меньшую мощность, чем необходимо для полноценного движения автомобиля. Это обусловлено потреблением мощности легкового автомобиля, которая редко достигает 100%, в основном при спокойном движении около 20%, а все динамические нагрузки ложатся на электромотор и аккумулятор.

Существуют и другие схемы гибридов, но все они на момент разработки и создания имели одну цель — снизить расход топлива и увеличить ресурс ДВС и трансмиссии, а также, что самое главное, снизить выбросы СО2. Однако гибриды только снижают вредные выбросы выхлопных газов, но не избавляются от них, — наконец-то на смену им появились полностью электрические автомобили. Произошло это благодаря революционному развитию ёмкости аккумулирующих батарей. В настоящее время во всех развитых странах внедрению электрического автотранспорта придаётся наибольшее значение: считается, что замена ДВС на электротягу полностью очистит воздух в мегаполисах, снизит шумность и загрязнение, а также повысит уровень жизни населения и защищённость от опасных заболеваний.

Однако тут сразу возникают вопросы по поводу производства и утилизации литий-ионных аккумуляторов. Во-первых, если бум производства электромобилей продолжится, то мировые запасы лития и кобальта быстро иссякнут, а повторная добыча этих элементов из отслуживших аккумуляторов не сможет покрыть потребностей в них. Во-вторых, технология переработки старых литий–ионных аккумуляторов не может быть совершенной, пока она не будет связана с их начальным производством. То есть должны существовать определённые стандарты на конструктивные составляющие батарей, а в настоящее время «у кого как получится», поэтому их дробят с кучей грязных остатков, а должны аккуратно разбирать. Другая дискуссионная тема: где взять столько электричества для зарядки электромобилей, когда их будет совсем много. Конечно, из общей электросети, а в сети — от электростанций. Поэтому если электричество генерируется на тепловых электростанциях, которые, например, жгут уголь, им придётся повышать свои мощности, сжигая больше топлива и выбрасывая в атмосферу дополнительное количество СО2, тем самым снижая эффект от чистоты использования электромобилей.

Поэтому конкуренцию литий-ионному или какому-либо другому аккумулятору может составить электромобиль на водородных топливных элементах. Водородные топливные элементы создают электрический ток благодаря химической реакции соединения водорода и кислорода из воздуха (не горения) с получением воды. КПД электромобиля на топливных элементах может достигать 60-70%, что значительно выше отдачи тепловой машины, работающей по оптимальному «циклу Карно» с КПД в 20-40%.

Однако самые большие проблемы при использовании водорода в качестве топлива заключаются в конструкционных системах его хранения, особенно в мобильных. Хранить его можно в специальных баллонах при очень высоком давлении 700 ст. атм. или в криогенной жидкости при температуре -253С. Понятно, что использование такого типа хранения топлива в народных легковушках исключено, но есть надежды, что водород научатся хранить в связанном с химическими элементами безопасном виде. Считается, что водородной энергетике принадлежит будущее, и над её развитием серьёзно работает наука — надо ждать и дерзать!

Норвежское ГОЭЛРО, или первый положительный пример

Сегодня уровень продаж электромобилей переживает взрывной бум в южных странах и в странах с умеренным климатом. Но и северные не отстают! Например, в Норвегии, где грозятся запретить использование ДВС уже к 2025 году. Уже сегодня страна существенно сократила выбросы, так как тепловые электростанции практически отсутствуют, 95% электроэнергии вырабатывается гидроэлектростанциями, а для отопления используется в основном электричество. Такая электрификация Норвегии стала возможна благодаря географическому ландшафту страны, а именно большому количеству ледниковых озер и расположению их в узких горных каньонах, перекрытых естественными плотинами.

В Норвегии самая развитая инфраструктура обслуживания электромобилей. Тем не менее, немаловажным для развития этого вида транспорта остается прямое или косвенное дотирование электромобилей государством: скидка цены при покупке, бесплатная зарядка и парковка, езда по выделенным для общественного транспорта полосам.

Однако при пользовании электромобилями зимой возникают некоторые неудобства, которые в Норвегии оговариваются соответствующими правилами и рекомендациями: держать электрокар желательно в теплом гараже, программно включать зарядку, чтобы она заканчивалась перед самым выездом, помнить, что при температуре -10С ёмкость батарей сокращается в два раза, одеваться теплее, чтобы не включать обогрев салона, ездить плавно, не гонять, тормозить только рекуператором. В общем, ограничений достаточно, а электричество надо экономить!

Дорогу осилит идущий

Норвежский опыт эксплуатации электромобилей в таких климатических условиях для нашей страны, конечно, полезен, но что будет дальше? Представляется, что пока российская промышленность не выпустит свой собственный электромобиль или гибрид, что гораздо сложнее, но предпочтительнее для нашей огромной страны, говорить о каком-либо сравнении бесполезно. Стоит напомнить, что ВАЗ одним из первых сделал электромобиль на водородных топливных элементах. Это было двадцать лет назад, когда создали электромобиль на базе нивы АНТЕЛ. Конечно, он не был рассчитан на серийное производство, и можно говорить о нём, как об игрушке, но, без сомнения, это инженерное достижение, которое свидетельствует, что Россия «в теме».

Напомню, что первые электромобили разрабатывались в нашей стране давно, начиная с дореволюционных времен, активно к этой теме возвращались и в СССР. Машины на электротяге делались всевозможных конструкций, были даже гибриды с дизель-электрическим генератором и электромотором движения. Причём они выпускались серийно в 1947-1950 (например, ЗИС-154 до 1000 шт.) и эксплуатировались до 1960-х годов. Электромобили выпускались и УАЗом на базе УАЗ 451, их главным достоинством было использование электродвигателей переменного тока, систем управления, а также схемы рекуперации для подзарядки тяговых батарей. Электромобили делал завод РАФ — судейские «рафики» к Олимпиаде-80. ВАЗ мелкосерийно выпускал электромобили ВАЗ–2801 на базе серийной модели 2102, кроме того, автозавод разрабатывал и испытывал другие модели электромобилей, например ВАЗ-1801 «Пони» как электромобиль для парковых и спортивных площадей и другие.

В СССР электромобилями занимались в 1970-80 годах очень многие организации и вполне успешно, но в прошлом веке не было литий–ионных батарей, и пробег электромобилей в 40-70 километров был слишком мал.

Замечу, что с инженерной точки зрения сделать электромобиль даже проще, чем бензиновый или дизельный. Если имеется производство литий-ионных батарей, то разработать трансмиссию с электромотором не представляется сложным. При нынешнем развитии силовой электроники и умных микропроцессорных устройств, частотных инверторов, управление асинхронным электродвигателем выглядит на уровне стандартного решения. Поэтому пора уже начинать!

Проблемы города

Первыми в нашей стране пользоваться электромобилями захотят жители мегаполисов с ежедневным пробегом 80-160 км/день. И это правильно, поскольку электротранспорт должен значительно улучшить экологию городов: в основном, для горожан электромобили и создаются. Предлагать такие автомобили путешествующим преждевременно, для них лучше подойдут гибриды — они самодостаточны и экономичны.

Самым главным препятствием для развития электромобилей является их цена, которая продолжает быть заоблачной в основном по причине высокой стоимости литий-ионных аккумуляторов. Цена самых дешевых из предлагаемых в России электромобилей начинается от 2,5 млн руб. Даже КАМАЗ, который грозится выпустить в 2021 году электромобиль «Кама1», называет цену в 1,2 миллиона. Было бы понятно, если бы «Кама1» была бы машиной типа маленького фургона для внутригородских перевозок домашней техники или школьных обедов типа ВАЗ-2801, может быть, тогда организации, занимающиеся развозом покупок из интернет-магазинов, такси, каршеринг и другие увидели бы выгоду от использования электромобилей по сравнению с транспортом на ДВС. Однако «Кама1» — это мини электрокроссовер, не предназначенный для катания в тесноте по городским пробкам. А поехать на нем за город на рыбалку — мало места в салоне и багажнике, да и непонятно, где заряжать аккумуляторы. Из вышесказанного напрашивается вывод, что электромобиль смотрится органично на линиях внутригородских нетяжелых, но интенсивных перевозок, а зарядка их может производиться в организациях-владельцах.

Не только цена отпугивает потенциальных покупателей, но и очень слаборазвитая инфраструктура использования электромобилей. Быстрых (мощных) электрозарядок очень мало, да и сама быстрая зарядка электромобиля в 5-10 раз дольше заправки авто с ДВС. Можно вообразить, какие очереди появятся на зарядных станциях, если электромобили активно расплодятся.

Предположим, вы живете в своём доме в коттеджном посёлке в пригороде и приобрели электромобиль «Тесла», который стоит и заряжается в тёплом гараже всю ночь. Этой зарядки хватает на поездку в город и обратно. Такая ситуация идеально подходит для использования современных электромобилей. Но чаще всего вы живёте в спальном районе в многоэтажном доме на двенадцатом этаже и каждый день, возвращаясь с работы, ищете место, чтобы поставить свою машину поближе к подъезду. Как её еще и заряжать в этой ситуации, непонятно. В итоге пока с массовым внедрением электромобилей для среднего городского класса даже в относительно благополучной с финансовой точки зрения Москве надо подождать, но следить за развитием данного направления машиностроения необходимо, чтобы не остаться в аутсайдерах.

Вадим Дейнего, эксперт научного-исследовательского института строительного и дорожного машиностроения (ВНИИстройдормаш)