Электромобили — одна из самых дискуссионных автотем. Сторонники экологичного электрического будущего ожесточенно спорят со скептиками, тогда как правда находится где-то посередине. «Божественная» Тесла серийно выпускается и продается с 2012 года. Так почему же мы за 12 лет еще массово не пересели на эти прекрасные машины, которые как многие утверждают состоят из одних преимуществ и радужных перспектив? Если коротко, то потому что это дорого, очень непрактично и неудобно в нынешних реалиях
Ёмкие и дешевые аккумуляторы
Литий — краеугольный камень современного общества. Без литий-ионных аккумуляторов уровень портативной электроники откатился бы куда-то в конец 1990-х, а об электромобилях можно было бы и не мечтать. К счастью, лития на Земле немало — разведанные запасы достигают 17 млн тонн, потенциальные — 40-60 млн тонн. Мировой спрос на литий составляет около 317 тыс. тонн в год. Учитывая, что в батарее электромобиля содержится около 7-10 кг чистого лития, залежей лития нам хватит надолго. Тем более что в морской воде тоже присутствует литий — его масса оценивается в 260 млрд тонн!
Литий-ионные аккумуляторы могут содержать разные металлы и иметь разные характеристики. Например, в портативной электронике вы обнаружите классическую литий-кобальтовую батарею с полимерным электролитом, в электроинструменте — литий-марганцевую, а в электромобиле литий-никель-марганец-кобальтовую (Nissan), литий-никель-кобальт-алюминий-оксидную (Tesla) или литий-титанатную (Honda, Mitsubishi). Разные комбинации металлов обеспечивают разную энергетическую емкость (мощность на единицу массы), ток разряда (влияет на ускорение) и срок службы аккумулятора, выраженный в числе циклов зарядки. Эти параметры у разных типов батарей различаются не критично, а выбор того или иного типа обуславливается позиционированием автомобиля: будет это дерзкий быстрый спорткар или экономичный компактный хэтчбек для поездок до работы.
В мае 2020 года Илон Маск подогрел интерес публики, заявив, что уже скоро Tesla представит новые аккумуляторы с фантастическим ресурсом до 1,6 млн км пробега и меньшей стоимостью 1 кВт·ч. Но сентябрьский анонс показал, что «революционность» батареи заключалась в банальной смене типоразмера ячеек на более габаритные. И вместо обещанных впечатляющих характеристик Tesla удалось добиться лишь снижения себестоимости аккумулятора на скромные 14%. Вместо революции в мире электромобилей аудитория получила спокойную эволюцию. В 2019 году стоимость батарей Tesla составила порядка $156 за 1 кВт·ч мощности, полная емкость аккумулятора в зависимости от модели составляет 85-100 кВт·ч. Tesla — автомобиль премиальный, но в более доступных электрокарах батарея может формировать 30-40% от всей цены авто. Цена литий-ионных батарей год от года снижается — еще в 2010 году 1 кВт·ч обходился почти в $1200.
Но есть и хорошие новости. Концерн General Motors вложился в разработку твердотельных литий-металлических аккумуляторов, которые имеют вдвое большую энергоемкость в сравнении с другими используемыми в электромобилях батареями. Это позволит уменьшить объем батареи вдвое без потери пробега, а значит и здорово снизить цену автомобиля.
Важно сделать подзарядку такой же быстрой, как заправку жидким топливом
Сколько нужно времени чтобы заправить авто бензином? Примерно минут 5. И приехав на заправку с пустым баком, заправив его до полного, можно ехать в полном комфорте дальше еще 600-800 км, не сомневаясь при этом что где-то там можно будет заправиться так же быстро и без проблем опять и ехать дальше. У электромобилей есть такая массовая сеть заправочных станций? Заправка занимает столь же малое количество времени? Заряд батареи в 50% дает вам гарантию в пробег на заявленное расстояние? Заправка электричеством по стоимости существенно бензина? Нет, нет, нет и нет. Ну и … ?
Самой частой причиной отказа от электромобиля в исследовании называют крайне низкую доступность электрозаправок и невозможность установки быстрой зарядки дома. Процент возврата в стан ДВС среди опрошенных оказался очень неравномерным. Например, владельцы Toyota RAV4 EV и Tesla Model S почти не отказывались от своих машин, тогда как почти половина Fiat 500e и четверть Nissan Leaf начала 2010-х годов выпуска отправилась на перепродажу по причине изношенной или малоемкой батареи. И в этом опросе важно учитывать место проживания опрошенных людей.
Две трети опрошенных никогда не использовали публичные быстрые зарядные станции из-за их неудобного расположения. И, в отличие от традиционных АЗС, на электрозаправочную станцию нельзя заехать на несколько минут. Самые быстрые станции в мире — это Tesla Supercharger с постоянным током и напряжением 480 В. Самая массовая версия — V2 с пиковой мощностью 150 кВт — заряжает Tesla Model S с батареей на 85 кВт·ч (около 480 км пробега) с почти нуля до максимума за 75 минут. По всему штату установлено 203 Tesla Supercharger, и, по мнению владельцев электрокаров, этого категорически недостаточно — для удобства владельцев авто с ДВС в Калифорнии построено более 10 тыс. топливных АЗС. Следующим по количеству фирменных станций Tesla следует штат Флорида с всего лишь 61 зарядкой.
В начале электрохайпа проблема зарядки выглядела вроде бы уже решенной: в 2013 году Tesla предполагала на своих станциях не заряжать автомобили, а менять севшие аккумуляторы на готовые. Автоматическая замена батареи на дне авто занимала около 95 секунд и стоила столько же, сколько 57 литров бензина. Но проект свернули, толком не начав, — стоимость станций начиналась от $500 тыс., а затраты пугали очень длинным сроком окупаемости, ведь порядком изношенные батареи, снятые со старых Tesla на такой заправке, становились «головной болью» самой Tesla, а не покупателей.
Решение проблемы быстрой зарядки электромобилей выглядела бы очень красиво: унификация батарей, сокращение разнообразия их форм-факторов и инвестиции в универсальные станции зарядки. Типа заехал на заправку, вынул севший аккумулятор, сдал на склад, купил новый заряженный, поставил и поехал дальше. Но для наступления этого прекрасного будущего конкурирующим автопроизводителям придется договариваться, а это долгий и не всегда успешный процесс. Есть подозрение, что такое не произойдет никогда.
Необходимо перепроектировать шины под особенности электромобилей
Одна из главных задач производителей электромобилей — увеличить пробег без наращивания массы батареи. То есть электромобили имеют очень ограниченные возможности по увеличению пробега. Если вот так просто повысить емкость аккумулятора нельзя, значит, можно попробовать снизить массу всего автомобиля и тем самым снизить расход. Дело в том, что для электромобилей обычные шины подходят с натяжкой из-за особенностей работы самих электрокаров. У них шины подвергаются повышенному износу: электромоторы дали автомобилям возможность разгоняться до 100 км/ч менее чем за 3 секунды (Tesla Model S Performance «делает» первую сотню за 2,3 секунды). При таких колоссальных нагрузках один комплект шин «сгорает» за сезон.
Придётся полностью обновить энергосети
Вопрос «А трансформатор выдержит?» прост и одновременно очень актуален в свете растущего спроса на электромобили. Городские электросети проектировались и модернизировались с учетом растущего населения и энергопотребления, но оба этих показателя увеличиваются равномерно, а появление электромобилей вызывает резкий рост нагрузки на энергосеть. Если четверть всех автомобилей в определенном регионе заменить электрическими, то блэкаута в отдельно взятом городе не произойдет при учете, что владельцы будут заряжать свои авто «медленным» способом от обычной домовой розетки. А вот появление общественных «быстрых» зарядных станций из десятков постов, общая мощность которых составляет несколько мегаватт, способно пошатнуть энергетическую стабильность региона. Проблема усугубится, если домовладельцы захотят проводить «быструю» зарядку у себя дома, подключив трехфазное электроснабжение, которое также увеличит предельное энергопотребление. Обновление энергосетей будет очень долгим и очень дорогим. Чтобы растянуть этот процесс во времени, сделав его менее затратным для потребителей, ученые предлагают распределять временные слоты на зарядку автомобилей между домохозяйствами. Например, кто-то сможет активировать «быструю» зарядку в ночное время, кто-то ранним утром, кто-то в середине рабочего дня. Это не кажется удобным, особенно в сравнении с возможностью за несколько минут заправить автомобиль с ДВС топливом. Но пока будет вестись глубокая модернизация энергосистем, владельцам электромобилей придется пойти на компромисс, который поможет избежать блэкаутов.
Пора разобраться с углеродным следом электромобилей
Но в 2020 статистика продаж автомобилей порвала прошлогодний шаблон: продажи электромобилей всего за год увеличились втрое, а подзаряжаемых гибридов — в 4,5 раза! Каждый четвертый новый автомобиль, выехавший на дороги Германии в 2020 году, имел двигатель, полностью или частично работающий на электричестве. Впечатляющий рост всего за один год? Электромобили начинали свой путь из США, но теперь самый крупный рынок электрокаров — не Северная Америка и даже не Европа, а Китай. В прошлом году в США было продано 328 тыс. электрокаров и заряжаемых гибридов, а в Китае 1,33 млн. Когда в России наступит эпоха электромобилей, скорее всего, по отечественным дорогам будут колесить не Tesla, а доступные китайские машины. При этом отдельные хорошо осведомленные специалисты ставят под сомнение экологическую пользу от перехода на электромобили. Так, Институт экономических исследований (ifo) в Дрездене, Германия, сравнил углеродный след от дизельного седана Mercedes-Benz C220d и от Tesla Model 3. Оказалось, что добыча и переработка лития, кобальта, марганца и других используемых в батареях материалов требует больше энергии и продуцирует больше парниковых газов, чем производство стали, алюминия и чугуна, применяемых в авто с ДВС.
Больше половины электричества в Германии добывается из экологичных возобновляемых источников (ВИЭ). В скандинавских странах доля ВИЭ еще выше, чего не скажешь о Китае, США, Украине, России. В Китае 68% электричества приходится на угольные, мазутные и газовые ТЭС, в США — около 60%, в России — 67%, Украине — 57%. АЭС в некотором роде можно отнести к экологичным источникам из-за отсутствия постоянного выброса. Показателен пример Франции, в которой более 70% электричества производится «мирным атомом» и менее 10% приходится на ТЭС, что делает энергию в стране весьма «зеленой». Выработка электричества в России такова, что большинство электромобилей всё равно будут питаться энергией, полученной от сжигания газа (около 72% выработки ТЭС) и угля (около 25%). И всё же на текущем этапе развития промышленности электромобили — это не метод снижения выбросов углекислого газа в атмосферу, а лишь не совсем этичный способ переноса своей доли выхлопов в другое государство, занятое производством аккумуляторов и экспортируемой электроэнергии. Сейчас электромобили помогают очистить воздух городов, но не всей планеты. Так что вслед за электрокарами человечеству необходимо найти менее энергетически затратные и вредные способы производства.
Всё будет хорошо. Наверное. Но когда-нибудь потом
Эволюция — процесс всегда затяжной. Между появлением первого серийного автомобиля с ДВС Benz Patent-Motorwagen и выходом первого по-настоящему популярного автомобиля Ford T прошло 23 года. На пути аккумуляторных электромобилей стоит больше препятствий, чем перед двигателем внутреннего сгорания на заре его становления, а потому подождать наступления прекрасного будущего придется чуть дольше. При этом не нужно забывать, что электромобили исторически появились намного раньше авто с ДВС. Тем не менее, ведущие автоконцерны мира не просто так приняли решение о постепенном переходе на электромобили, хотя и каждый по своим причинам. Настоящая же революция может произойти только в случае получение человечеством какого-то нового источника энергии.
По материалам Драйв2