Борьба шланга с кабелем
Победили ли электрокары в гонке автомобильных технологий?
Ольга Ильинская
В течение последних полутора веков человечество постоянно ищет наиболее подходящее топливо для личного и грузового автотранспорта. Первые модели автомобилей строились даже на паровом приводе, пытались использовать электричество, но доступная нефть в прошлом веке обеспечила, казалось, победу химической тяге – бензиновым двигателям внутреннего сгорания и дизелям. В XXI веке люди обеспокоились проблемами климата, автомобили постепенно начали возвращаться к электроприводу. Но пока непонятно, затянется ли эта топливная революция надолго: возможно, в ближайшие десятилетия литийионные аккумуляторы все же уступят позиции другим технологиям, например, водородному топливу.
Как электричество проиграло бензину, но вернулось
Создание первого электромобиля приписывают разным людям, но известно, что это произошло примерно в те же сроки, что и появление первых машин с двигателями внутреннего сгорания (ДВС). Возможно, даже чуть раньше – примерно в середине XIX века. В США первый успешный проект электромобиля появился только около 1890 года, он развивал максимальную скорость 14 миль в час (22,5 км/ч), но доля электромобилей в стране в какой-то момент даже превысила число машин с двигателем внутреннего сгорания. Парк такси Нью-Йорка насчитывал тогда более 60 электрических машин, а к 1900 году электромобили достигли своего расцвета и составили около трети всех транспортных средств на дорогах.
Правда, продлилась электроэкспансия недолго: примерно до конца 1930-х годов. Дело в том, что, с одной стороны, в начале XX века были открыты большие месторождения нефти, с другой же, в 1908 году автомобильный магнат Генри Форд запустил конвейерное производство знаменитой Ford Model T, чем значительно удешевил машины с ДВС. В то же время электрокары требовали развития специфической инфраструктуры, и в итоге они проиграли бензиновым моделям и почти до конца прошлого столетия оставались технологией ограниченного применения.
Разработки электромобилей на некоторое время также почти остановились, за исключением экспериментов, которые так и не вышли на большой рынок. Так, еще в середине 1960-х годов General Motors занималась концептуальным автомобилем Electrovair на базе уже существующей платформы Corvair: концепт работал от серебряно-цинковой аккумуляторной батареи в 532 вольта. С GM связана и наиболее знаковая история для развития автопрома с электроприводом. Американский концерн сделал первый серийный электромобиль под собственной маркой – модель EV1, разработанную на фоне планов властей Калифорнии по введению нулевого уровня выбросов парниковых газов в атмосферу. EV1 выпускалась с 1996 по 1999 год, всего на рынке оказалось около 1100 штук, а в 2003 году на кладбище Hollywood Forever в Лос-Анжелесе ее поклонники провели похороны машины, возможно, первые и последние в истории автопрома.
Причем некоторые тогда даже подозревали заговор GM против собственного автомобиля, якобы компания пыталась защитить свой традиционный бизнес. На самом деле, помимо огромных расходов на разработку, сама машина имела ряд проблем. Запаса хода EV1 хватало примерно на 100 миль, то есть она подходила исключительно для городских поездок. Кроме того, модель была двухместной, а по дизайну и позиционированию больше напоминала спорткар. При этом электромобиль был быстрым, но из-за аккумуляторов тяжелым, а с задним мостом (более узким, чем передний) его управляемость казалась странной. EV1 оснащалась свинцово-кислотным аккумулятором, и даже сама GM не знала, насколько он безопасен, поэтому и изъяла все автомобили у клиентов. Даже в музей был сдан автомобиль уже с полностью инертной батареей. Ударом для GM стал и выход в 1997 году гибрида Toyota Prius, который, в отличие от традиционных электрокаров, заряжается во время езды от обычного мотора.
Но эти попытки предвосхитили общую стратегию по повышению экологичности транспорта. Именно ее следствием стало появление на рынке уже в нулевых годах Tesla, наиболее продаваемого электромобиля Nissan Leaf, Renault Twizy и других.
Электромобили теперь в целом считаются ключевой технологией для снижения загрязнения воздуха в густонаселенных районах и многообещающим вариантом для диверсификации энергетики и сокращения выбросов парниковых газов. На сегодняшний день 17 стран объявили о планах по достижению нулевого уровня выбросов в транспортных средствах или о поэтапном отказе от двигателей внутреннего сгорания до 2050 года. В декабре 2019 года Франция стала первой страной, которая закрепила это намерение в законодательном порядке со сроком до 2040 года. Уже к 2022 году парк автомобилей с электроприводом в стране должен составить 1 млн экземпляров, из которых 600 тыс. машин будут чистыми электромобилями (а не гибридами).
Статистика
Что из себя представляет рынок электромобилей сегодня
В 2019 году мировые продажи электромобилей выросли на 6 %, до 2,1 млн машин, поставив очередной рекорд. Суммарный электропарк составил 7,2 млн автомобилей, но в общих продажах машин это все еще только 2,6 %, а электрическим является лишь около 1 % мирового парка автомобилей. Ожидается, что ситуация изменится уже к 2030 году. К этому периоду, говорится в отчете Международного энергетического агентства за 2020 год, на дорогах будет примерно 250 млн электромобилей.
Интерес клиентов к электрокарам всячески стимулируют: сегодня субсидируется 60 % мировых продаж таких машин. Субсидии необходимы из-за дороговизны электромобилей по сравнению с аналогами на бензине или дизеле.
Но программы поддержки постепенно идут на спад. Так, на крупнейшем китайском рынке электрокаров в 2019 году субсидии на их покупку, действовавшие с 2016 года, упали примерно вдвое. Также истекла федеральная программа налоговых льгот для ключевых производителей электромобилей General Motors и Tesla в США (концерн может рассчитывать на льготу до выпуска 200 тыс. машин). В итоге это привело к значительному падению продаж электромобилей в Китае во второй половине 2019 года и десятипроцентному падению в США за весь год. А поскольку 90 % мировых продаж электромобилей сосредоточено в Китае, Европе и США, замедлилась и общая динамика роста спроса, даже несмотря на увеличение продаж в ЕС на 50 %.
Устройство электромобиля
Современный электромобиль устроен иначе, чем привычная машина с бензиновым или дизельным двигателем, хотя, возможно, внешне это не очень заметно.
Ключевыми элементами электромобиля являются, например, блок тяговой аккумуляторной батареи – источник всей электроэнергии, используемой для работы большинства компонентов транспортного средства, электрический тяговый двигатель, который преобразует электричество во вращающую силу, электрическая трансмиссия, которая передает механическую энергию от двигателя к колесам. Также требуется значительное количество дополнительных электрических устройств. В частности, для зарядки машины нужен порт и бортовое зарядное устройство: поскольку электричество от внешних источников обычно является переменным током, устройство преобразует его в постоянный для зарядки аккумулятора. Еще оно контролирует характеристики батареи во время зарядки. Также устанавливается преобразователь тока, поскольку традиционно тяговый аккумулятор имеет более высокое напряжение, чем многие другие компоненты автомобиля. Нужна и вспомогательная батарея, которая в большинстве транспортных средств с электроприводом обеспечивает запуск и питание аксессуаров, например, часов, контроллера силовой электроники, который управляет потоком электроэнергии, подаваемой в аккумулятор, и регулирует скорость двигателя, системы термического охлаждения и т. д.
Батареи не той системы
Для современных электромобилей чаще всего используют хорошо известные литийионные батареи. Средний период эксплуатации таких аккумуляторов составляет около восьми лет. Но и у них есть различные стандарты.
Дмитрий Бабанский из SBS Consulting рассказывает, что существуют две основные химии литийионных батарей, которые обеспечивают 74 % от общего объема в натуральном выражении и 71 % в стоимостном. Первый вариант – литий-железофосфатные аккумуляторы (LFP), на долю которых приходится 33 % автомобильных тяговых батарей в натуральном выражении и 27 % в стоимостном. Их развитие стимулировал Китай, который в свое время сделал ставку на этот вариант, и теперь в стране ездит 416 тыс. электробусов (всего в мире 420 тыс. таких машин). Среди преимуществ LFP Дмитрий Бабанский отмечает низкую стоимость и высокую безопасность, среди недостатков – довольно низкую плотность энергии (показатель, указывающий сколько кВт*ч умещается в единице объема аккумулятора).
Другой вариант литиевых батарей – никель-марганец-кобальт (NMC) – занимает 41 % рынка в натуральном и 44 % в денежном выражении. Такая технология набирает популярность прежде всего среди автоконцернов, что связано с более высокой относительно LFP удельной энергоемкостью (и плотностью энергии) – 150-220 Вт*ч/кг для NMC и 90-120 Вт*ч/кг у LFP. К недостаткам NMC-химии можно отнести большую стоимость относительно LFP.
Но NMC имеет значительный потенциал по повышению технико-экономических характеристик за счет изменения пропорции используемых металлов: сейчас используется NMC 622 (6 долей никеля, по две марганца и кобальта), и 56 % рынка батарей для электромобилей приходится на эту химию. В то же время растет доля химии NMC 811 (8 никеля, по одной марганца и кобальта) – 27 % рынка. Также, как отмечает эксперт, сейчас ведутся разработки и испытания NMC 9.5.5 (9 долей никеля, по 0,5 марганца и кобальта). «По нашим оценкам, к 2030 году на долю данной химии будет приходиться 35-40 % рынка», – поясняет Дмитрий Бабанский. Основная идея таких изменений – это замена кобальта на никель, при сопоставимой энергоемкости дефицитный и дорогой кобальт (сейчас его тонна обходится в $32 тыс.) меняется на более дешевый никель (вдвое дешевле – 16 тыс. долларов за тонну).
В компании McKinsey оценивали, что основная доля стоимости машин на электротяге приходится именно на аккумуляторы. Примечательно, что автопроизводители пока только теряют деньги почти на каждом выпущенном на рынок автомобиле, за исключением премиум-класса. Но их продолжают выпускать, поскольку в развитых странах стоит экологическая задача по снижению выбросов, а улучшению экономики машин постепенно способствует эволюция самих батарей: версии 2018–2019 годов некоторых распространенных моделей электромобилей предполагают удельную энергию на 20-100 % выше, чем у их аналогов в 2012 году. Кроме того, с 2010 года стоимость батареи снизилась более чем на 85 %. Предполагается, что бизнес начнет приносить стабильную прибыль через пять-семь лет. За этот период на рынок выйдут еще около 200 новых моделей электрокаров.
При этом на рынок уже начинают попадать выработанные аккумуляторы, и проблему их утилизации или вторичного использования необходимо как-то решать. Если двигатель внутреннего сгорания и большинство других деталей традиционного автомобиля можно, как правило, просто отправить в переплавку, то с аккумуляторами ситуация сложнее. Как предполагается, уже к 2030 году будет выведено из эксплуатации 100–120 ГВт*ч аккумуляторов электромобилей, что примерно эквивалентно их текущему годовому производству. Причем с учетом падающей стоимости выпуска новых батарей и сложным и длительным процессом восстановления старых, бывшие в употреблении аккумуляторы неизбежно проигрывают конкуренцию.
Вторичные схемы их применения в других сферах – более прагматичный вариант. Их уже достаточно много: например, в Японии Nissan установил батареи для питания уличных фонарей, а стадион в Амстердаме запитали от аккумуляторных батарей от Nissan Leaf. Кроме того, есть и более близкие к поддержке развития этого вида транспорта варианты: BMW оснащает своими аккумуляторными батареями быстрые зарядные станции.
Часто замечается, что, помимо проблем с утилизацией, есть некоторое лукавство и в декларации, будто электрокары обеспечивают нулевые выбросы: только в 2019 году при производстве электроэнергии для обеспечения мирового парка электромобилей был выброшен 51 млн тонн CO2-эквивалента. Это, конечно, примерно вдвое меньше, чем было бы выброшено аналогичным парком автомобилей с ДВС, но не дает говорить о полной победе. Как указывают эксперты министерства окружающей среды ФРГ, при таком расчете в отношении выбросов электромобили на 16 % чище дизельных и на 27 % – бензиновых. К 2025 году разрыв увеличится: средний выброс бензиновой машины за всю ее жизнь будет, по этим оценкам, составлять 168 г СО2 на километр, дизельной – 148 г, а на электрической тяге – 101 г. Ситуация будет улучшаться, в частности, по мере сокращения выработки электроэнергии угольными ТЭС и роста альтернативной безуглеродной энергетики.
Что не так с покупкой электромобиля
Электрокары имеют очевидные плюсы по сравнению с традиционными машинами в эксплуатации: у них меньше движущихся частей, они, как правило, дешевле в обслуживании (к примеру, электромобили не нуждаются в замене масла или свечей зажигания). То есть потенциальная экономия в течение длительного периода может сделать такие машины выгодным вложением.
Но возникает вопрос, что будет, когда ресурс батареи закончится, если она составляет большую часть от стоимости машины. Вот типичный пример: владелец Nissan Leaf из Канады, который отмечал удобство эксплуатации и отсутствие поломок, столкнулся с исчерпанием ресурса батареи – автомобиль на полной зарядке теперь мог проехать только около 80 км вместо изначальных 120 км. Дилеры сообщили, что стоимость нового аккумулятора составит $15 тыс., что выше изначальной цены машины в 2013 году. Канадцу предложили просто купить новый электрокар, но базовая модель 2020 года стоит уже $42 тыс., зато может проехать около 240 км при полной зарядке. В зависимости от страны и емкости батареи в среднем заявленные цены на аккумулятор составляют $1,5-5 тыс., однако, как видно, не всегда можно найти батарею именно такой стоимости. В России, где официально электромобили вообще не продаются, дилеры традиционно называют именно фактор необходимости дорогостоящей замены батареи как основное ограничение и отмечают фактическую невозможность осуществления вторичных сделок с электрокарами.
Кроме того, владельца ждут счета за зарядку. Дело в том, что из 7,3 млн зарядных устройств в 2019 году во всем мире около 6,5 млн – это устройства для легковых автомобилей в частных и многоквартирных домах и на рабочих местах. На общедоступные зарядные устройства приходилось лишь 12 % точек. Кроме того, большинство из них являются медленными, то есть процесс полного заряда батареи занимает несколько часов, что непривычно по сравнению с обычной поездкой на бензозаправочную станцию.
Электромобильность городского транспорта
Регулируемая государством сфера общественного транспорта могла бы стать отличным стимулом для развития электромобильности. По данным Международного энергетического агентства, парк электрических автобусов насчитывает около полумиллиона машин, большинство из которых ездит в Китае. Автобусные парки в центральных районах ряда городов КНР почти полностью или полностью электрифицированы и способствуют улучшению качества воздуха. Из-за проблем с экологией (а сейчас именно транспорт – основной источник выбросов в городах) электрификация автобусов также набирает обороты в самых разных регионах: в чилийской столице Сантьяго сейчас введен самый большой парк городских электробусов за пределами Китая. Но развертывание такой сети не универсальный вариант: успешность наращивания городского электропарка зависит от размеров сети, пассажиропотока, степени приватизации сектора и доступности других финансовых потоков, помимо доходов от платы за проезд.
Отметим, что в России при обсуждении новой масштабной программы модернизации общественного транспорта электробусы не рассматриваются для широкого применения. В том числе из-за высокой стоимости такой техники и контрактов жизненного цикла, по которым она реализуется (речь идет о том, что поставщик обязуется также ремонтировать и модернизировать машины в течение нескольких лет эксплуатации). За исключением Москвы, отказавшейся от троллейбусов и массово закупавшей электробусы, обсуждалось лишь встраивание подобной техники в систему общественного транспорта Казани. Дмитрий Бабанский отмечает, что стоимость жизненного цикла электробуса в России на текущем этапе (с учетом замены батареи, стоимости зарядки, цен на энергоносители и прочего) на 10 % выше, чем у дизельного, и на 12 % выше по сравнению с газомоторным вариантом. Поэтому успех городского электротранспорта в разных странах сильно зависит от масштаба государственной поддержки.
По словам аналитика, в целом электротранспорт сейчас более экономически привлекателен по стоимости владения, прежде всего, в сегментах, где есть экономия на инфраструктуре, например, в складской технике или горношахтном оборудовании. То есть при переводе подземной техники с ДВС на аккумуляторы могут быть значительно снижены затраты на вентиляцию шахты.
Возврат от электричества к сгоранию
На самом деле консенсус по выбору топливной технологии для автомобиля будущего все еще не достигнут, а ключевые производители традиционных автомобилей нередко продолжают делать ставку сразу на несколько вариантов – автомобили, работающие на сжатом или сжиженном природном газе, аккумуляторные электромобили и электромобили на топливных элементах.
Наиболее заметен в последнее время спор вокруг жизнеспособности электромобилей в сегменте больших грузовиков. Одним из основных аргументов здесь выступает тот факт, что аккумуляторы значительно увеличивают вес транспортного средства, что отрицательно сказывается на грузоподъемности. Как минимум в ближайшие годы грузовики, работающие на компримированном (КПГ) или сжиженном природном газе (СПГ), кажутся более простыми в использовании. При этом они тоже ограничены топливной инфраструктурой и не способны всесторонне решить проблемы выбросов CO2 (если мы не говорим о биогазе). Но уровень нулевых выбросов они не обеспечивают. Развитию машин на биогазе в ряде сфер способствует и возможность его буквального бесплатного извлечения клиентами: например, в случае заправки мусоровозов свалочным газом (метаном, образующимся при разложении бытовых отходов). По данным Агентства по охране окружающей среды США, крупный мусорный полигон с проектом по производству энергии из газа может заправить 40 мусоровозов, работающих на природном газе. В то же время на многих свалках в стране есть заправочные станции, которые преобразуют биогаз в КПГ, СПГ или электричество, то есть теоретически электротраки могут получить те же выгоды.
Кроме того, в целом в автопроме многими компаниями и литийионные технологии рассматриваются как промежуточные на пути к водородной технике, где энергия для электромотора вырабатывается в ходе реакции H2 с кислородом в топливных элементах. Ряд крупнейших мировых автоконцернов, таких как Toyota, Hyundai, BMW, развивают обе технологии. При этом Volkswagen, Tesla и многие другие, по словам Дмитрия Бабанского, сделали ставку исключительно на электротягу.
В технологическом аспекте на текущем этапе аналитик называет Toyota самой продвинутой компанией. Например, автоконцерн заявлял, что для олимпийской деревни под летнюю Олимпиаду в Токио (перенесена с 2020 года из-за пандемии коронавируса) будут поставлены электромобили на твердотельных аккумуляторах. Дмитрий Бабанский поясняет, что в стандартных литийионных аккумуляторах используются твердые аноды и катоды, погруженные в жидкий электролит, тогда как в твердотельных аккумуляторах все три элемента представлены в твердой форме, что позволяет значительно улучшить показатели. Из водородомобилей компания выпускает Toyota Mirai – водородный гибрид на топливных элементах. Впервые он был представлен публике в ноябре 2013 году на Токийском автосалоне, в 2019 году продано 1502 машины, и тогда же компания представила второе поколение Toyota Mirai на 2021 модельный год.
Отметим, что в европейском подразделении автоконцерна говорили, что рядовому покупателю скорее больше подходят электромобили, так как те имеют время на подзарядку – ночь или время простоя в ходе рабочего дня. У водородной технологии Toyota видела перспективы в профессиональной сфере, где автомобиль должен работать круглосуточно или перевозить грузы. У машины на топливных элементах заправка длится 3-5 минут, а дальность пробега составляет более 500 километров.
Дмитрий Бабанский также отмечает, что технологически и экономически долгосрочная привлекательность водорода обусловлена рядом факторов. В частности, это большая удельная энергоемкость: 1 МВт*ч равен 30 кг водорода, то есть 1 кг водорода – это около 30 кВт*час. В кузове Mirai размещены два бака с водородом, рассчитанных на давление в 700 атмосфер объемом в 5 кг водорода, значит в баках Mirai примерно 150 кВт*ч. При этом сейчас энергоемкость батарей, используемых в Tesla Model 3 составляет 260 Вт·ч/кг. Летом Маск анонсировал появление батарей серийного производства энергоемкостью 400 Вт·ч/кг через 3-4 года. Сейчас же емкость батареи Tesla Model 3 составляет лишь 82 кВт*ч.
Но в ближайшее время машины на водороде обойдутся еще дороже, чем электрокары. Например, цена Toyota Mirai составляет $58 325, а стоимость Tesla Model 3 – $35 тыс. Кроме того, закупать водород значительно дороже: на заправках в Японии 1 кг водорода стоит около 600$, то есть около 2$ за кВт*ч, в то время как электроэнергия в Японии обойдется в 0,2$ за кВт*ч. При этом ожидается, что по мере развития производства водорода в рамках выполнения задач Парижского соглашения его стоимость снизится. По словам Дмитрия Бабанского значительные перспективы снижения стоимости водорода связаны с возможностью использования АЭС, что обусловлено перспективным ростом спроса на водород, произведенного на базе CO2-free технологий. В 2024–2027 годах может быть коммерциализирована технология паровой конверсии метана на АЭС (сейчас самая популярная технология, поскольку она обеспечивает относительно дешевый водород – 1-2,2$/кг). Далее возможна организация высокотемпературного электролиза на АЭС. Это самая экологичная технология, но сейчас в зависимости от стоимости электроэнергии цена водорода варьируется от $3,3 до $17,3 за кг.
