Эпоха электромобиля начинается

Сто с небольшим лет назад двигатели внутреннего сгорания были очень несовершенны, поэтому электрических экипажей выпускали больше, чем бензиновых. Тогда электромобили установили массу рекордов: надёжности, мощности, скорости. Лишь одного рекорда они установить не могли – рекорда дальности пробега. Не было компактного источника энергии. По этой причине автомобильный мир продолжал использовать углеводородное топливо. Тем временем электромоторы и электроника вывели промышленность на не виданный ранее уровень. Конструкторам прочих средств передвижения полностью отказаться от электротяги не давали её неоспоримые преимущества: экологичность, то есть полное отсутствие выхлопа; лёгкость в обслуживании; усилия на старте, превышающие номинал электромотора; заправка от обычной электророзетки. Поэтому в прошлом столетии электротяга совершенствовалась на общественном транспорте, но оставалась на вторых ролях. Весь XX век разработчики электродвигателей и электромобилей с минуты на минуту ожидали появления новых компактных источников электроэнергии. Двигатель или электромотор? Электромобиль намного эффективнее автомобиля использует энергозапас. КПД электродвигателя превышает 90 процентов, КПД бензинового двигателя внутреннего сгорания составляет 30 с небольшим процентов, КПД дизельного – в полтора раза больше. Суммарный же КПД автомобиля в разы ниже КПД его двигателя внутреннего сгорания из-за сложных механических трансмиссий и неоптимальных по эффективности режимов передвижения. Двигатель часто работает на холостом ходу, в режиме стоп-старт, с перегазовками, на неправильно выбранной передаче. Электромотор гораздо эластичнее двигателя, то есть выдаёт почти постоянный крутящий момент и сохраняет свою эффективность при любых режимах движения. Он не требует коробки передач, что упрощает управление электромобилем, у которого обычно всего две педали – газ и тормоз. Многие электромоторы имеют так называемую экскаваторную характеристику мощности. То есть усилие на валу достигается при нулевых и малых оборотах, при начале движения. Тот, кто ездил на троллейбусе, хорошо знает, какая это мощная машина. При старте, продавливая одну правую педаль, водитель не опасается, что заглохнет мотор, а пассажиры частенько ощущают рывок. Кроме прочего, электромобили конструктивно проще автомобилей. У них нет сложных трансмиссий, не надо менять масло и фильтры, рекуперация энергии при торможении даёт не менее десятка процентов экономии, а тормозные системы почти не требуют обслуживания. Для дальнего путешествия по маршруту, на котором не будет электрозаправочных колонок, ничто не мешает положить в багажник электромобиля бензогенератор. Таким образом электромобиль превращается в последовательный гибрид. Именно так называется электромобиль с питающим электромоторы встроенным электрогенератором на углеводородном топливе и не очень ёмкими батареями. По такой схеме сегодня выпускают свои гибридные автомобили многие крупные производители. Батарейный вопрос Десятилетия назад на электромобилях применяли свинцово-кислотные батареи. Основной их недостаток состоит в том, что энергоёмкость батареи значительно снижается, если регулярно разряжать её более чем на четверть. Этого минуса не было у никель-металл-гидридных аккумуляторов, которые, однако, значительно дороже. Сегодняшние литий-ионные батареи по удельному запасу энергии примерно на 70 процентов превосходят свинцово-кислотные и на килограмм веса запасают десятую киловатт-часа электроэнергии. Но это всё равно в 70 раз меньше энергозапаса бензина. С десяток лет назад в дополнение к батареям, сохраняющим электроэнергию в результате химических превращений, массово появились очень ёмкие конденсаторы, в которых подобных превращений не происходит. Суперконденсаторы, или ионисторы, не имеют ограничений на скорость извлечения электроэнергии очень большими токами. Поэтому ионисторы можно использовать как управляемый, быстро перезаряжаемый буфер между химическим аккумулятором и электромотором. Так успешно решается проблема энергопитания электромобилей. Первый массовый Первым массовым электромобилем должен был стать EV1 от фирмы General Motors. Он получился выдающимся по КПД. Его двигатель в 140 л.с. (7 тысяч об/мин) позволял за восемь секунд ускоряться с места до 100 км/ч. Разработчики реализовали ряд пионерских технологий, которые затем пошли в серию на других моделях. В конструкции рамы использовали лёгкий алюминий. Панели кузова были сделаны из пластика, что снизило его вес и не давало ему сминаться. Вес уменьшили и за счёт лёгких магниевых дисков и сидений. Всего было выпущено немногим более тысячи электромобилей двух поколений со свинцово-кислотными и никель-металл-гидридными аккумуляторами. General Motors вела разработки и четырёхместной модификации, но в серию она не пошла. EV1 и сегодня задаёт уровень потребительских характеристик и служит ориентиром для производителей. Проект EV1 развития не получил, однако его опыт был использован при конструировании нового последовательного гибрида Chevrolet Volt. Весной на автосалоне в Нью-Йорке он был признан «самым экологичным автомобилем 2011 года». А лучшим автомобилем 2011 года на том же автосалоне стал японский электромобиль Nissan Leaf, появившийся на рынке в конце прошлого года. Этим летом его презентовали и в Москве (см. фотоальбом STRF.ru). Активных водителей привлекает появившийся в 2006 году в США небольшой электрический спорткар Tesla Roadster, шасси и рулевое управление которого заимствованы у английского Lotus Elise. Суммарный КПД родстера составляет 88 процентов. В прошлом году была представлена его обновлённая версия. Tesla Roadster стал результатом успешного стартапа американской фирмы. Уже продано около двух тысяч этих спорткаров по цене свыше 100 тысяч долларов. Производитель возвратил почти полмиллиарда долларов инновационного займа Министерству энергетики США и запустил новую фабрику в калифорнийском Фремонте. Фирма уже получила 220 миллионов долларов на предварительных заявках на новый электрический седан со сменным блоком батарей. По словам руководства Tesla, новая Model S появится к середине 2012 года по цене среднеразмерного германского седана класса люкс. Европейские автопроизводители не отстают от американских лидеров. Хорошо известны Mercedes-Benz E-cell и Volvo G30 EV. К началу этого года поступили в продажу такие модели, как REVAi, Buddy, Th!nk City, Mitsubishi i MiEV, Smart ED. В этом году и начале следующего появятся Wheego Whip LiFe, CODA Sedan, REVA NXR, Renault Fluence Z.E., Ford Focus Electric, Hyundai BlueOn, BMW Active E и пр. Есть и концепт-модели, созданные на основе известных моделей с двигателем внутреннего сгорания, есть демонстрационные разработки. Это, например, Mini E, BYD e6, Volvo C30 DRIVe Electric. На последний Детройтский автосалон фирма Audi привезла электрический концепт E-Tron. Это заднеприводный вариант. Cиловой каркас его кузова изготовлен из алюминия, кузовные панели армированы углеволокном. У E-Tron два электромотора по сотне лошадей, способные разогнать машину до «сотни» за 5,9 секунды. При этом запас его хода без подзарядки составляет 250 километров. А на Женевском автосалоне этого года компания Rolls-Royce, которая производит роскошные и элегантные лимузины высшего класса, анонсировала единственный в своём роде концепт электромобиля 102EX. Название электрического лимузина происходит от английского слова experiment. Судя по всему, фирма решила выяснить потребности и мнение самых богатых покупателей. Русский вариант В России история электромобилестроения начиналась ещё при царе. В 1899 году изобретатель Ипполит Романов построил двухместный электромобиль, похожий на небольшую конную повозку, называемую в народе «кукушкой», с двигателем и аккумуляторами собственной конструкции. При мощности мотора в шесть лошадей и весе в 750 килограммов, половина которого приходилась на аккумуляторы, она пробегала на одной зарядке 65 километров на скорости 40 км/час. Конструкция по всем параметрам превосходила зарубежные. В 1901 году был создан омнибус на 17 мест и предложен к испытанию Думе Санкт-Петербурга для организации десяти городских линий. Заключение комиссии было положительным, но изобретателю поставили заведомо невыполнимые условия для производства. Отрицательную роль сыграли и извозопромышленники, распустившие слухи о вреде электричества для русского организма. Во второй половине прошлого века отечественная электротехника больших мощностей позволяла изготовлять надёжные электровозы для железной дороги и успешно производить крупноразмерную автотехнику. Массово выпускали карьерные самосвалы, троллейбусы и электрические вилочные погрузчики. На многочисленных гражданских и военных предприятиях было налажено производство самых разнообразных электромоторов. Возможность производить их есть и сейчас. Так, в подмосковном Королёве изготавливают отличные мотор-колёса. В Ликино по схеме последовательного гибрида группа «ГАЗ» производит экологичные пассажирские автобусы ЛИАЗ-5292, которые предполагается задействовать во время сочинской Олимпиады. Отечественный автопром периодически порывался сделать электромобиль. В конце XX века был изготовлен автомобиль ВАЗ-1111 Ока «Электро» с 25-киловаттным двигателем постоянного тока и никель-кадмиевыми аккумуляторами. Этот регулярно демонстрировавшийся на столичных автосалонах электромобиль развивал 90 км/ч и пробегал немногим более сотни километров на одной зарядке. До развала АЗЛК была выпущена партия электромобилей на базе народной модели «Москвич-2141». Электродвигатели с них до сих пор гуляют по электромобилям российских самодельщиков. В начале века на ВАЗе разработали электрическую «Ниву» (ВАЗ-2121), но не с батареями, а с топливными водородными электрогенераторами с российских космических кораблей (см. статью «Водородная нива» в «Авторевю» № 16, 2001 год). Есть у нас и современные аккумуляторы. Сегодня налажено производство ионисторов-суперконденсаторов, например в подмосковном Троицке или удмуртском Сарапуле. На базе «Норильского никеля» строится российско-китайский завод по производству литий-ионных батарей. Так что опыт и возможности есть. Осталось собрать всё это вместе и сделать доступный городской электромобиль. Экономический расчёт Цифры свидетельствуют, что лучшие электромобили тратят на 100 километров пробега около 20 кВтч электроэнергии. По нынешним расценкам, это около 70 рублей, что, конечно, выгоднее, чем затраты на бензин. Траты (а точнее удельный расход энергозапаса) легко контролировать – они высвечиваются на дисплее любого качественного электромобиля. На той же панели можно нажатием кнопки перенастроить его на разные режимы движения по расходу энергозапаса. Всё идёт к тому, что электромобиль можно будет и программировать, как компьютер. Постепенно он превращается в надёжный и послушный электронный прибор. Как это было когда-то с сотовыми телефонами и компьютерами, электромобили нынче дороги, в основном из-за современных батарей. Сделать их дешёвыми сможет только массовое производство. Как показывает опыт электронной техники, на это потребуется не так много времени – порядка десятилетия. И здесь важно решение государства. Некоторые страны уже помогают продвижению электромобилей на рынок льготными кредитами и снижением налогов для их владельцев и продавцов. Так, в Израиле, где уже развёрнута сеть электрозаправок, налог на ввоз электромобилей в семь раз ниже такового для обычных автомобилей. Инфраструктура наряду с модельным рядом – основная составляющая рынка электромобилей. Это, прежде всего, сеть электрозаправок. При её наличии и, возможно, стандартизованных пунктов замены батарей, электромобиль уже сейчас мог бы стать реальным конкурентом автомобиля. Другая идея облегчения доступа потребителя к дорогим электромобилям состоит в организации их лизинга через посреднические фирмы. При выгодных условиях пользователь, особенно городской, станет массово арендовать их. Появление электромобилей, связанных в единую сеть, означает изменение распределения энергии и даже новую экономику. Идеи интегрировать электромобили в единую энергосистему с помощью установки двусторонних счётчиков в гаражах и использовать их как сеть подстанций сходны с применением сети персональных компьютеров для распределённых вычислений. Такие подстанции, кроме прочего, могли бы разгрузить энергосети, послужить дополнительным демпфером и аккумулятором энергии. Электроэкология будущего Статистика двухлетней давности говорит о том, что в США автомобили потребляют большую часть бензина, выделяют более 60 процентов CO и около 20 процентов парниковых газов (wiki). Хотя электромобиль решает этот вопрос очевидным образом, не всё так просто. Проблемы экологии производства электроэнергии никуда не исчезают. Все они окажутся на местах расположения электростанций, потребуют совершенствования последних. Эффективность производства электроэнергии должна будет вырасти. Но локальная нагрузка на города снизится, они перестанут сильно страдать от вредных выбросов. У электромобилей есть и «родимые пятна». Во-первых, их конструкции не отработаны десятилетиями и могут быть опасны, в той же степени, что и электроприборы с большими токами. Во-вторых, аккумуляторы могут возгораться, особенно если производится их частая смена. В-третьих, воздействие сильных электромагнитных полей на человека признаётся опасным. И всё же достоинства электромобилей перевешивают недостатки. Новый вид транспорта оказался не только экологичнее – он позволяет экономить ресурсы в нашем энергозависимом мире. И он даёт возможность снижать бремя этой зависимости. Поэтому начавшееся шествие электромобиля победно продолжится. И всевозможные экономические проблемы и кризисы будут только подхлёстывать его. Источник: “Наука и технологии РФ”