Автомобили - Электрическая жажда

Автомобили - Электрическая жажда

Трезвые прогнозы
Хорошая новость: машины будущего в обслуживании станут удобнее мобильных телефонов. Если у владельца автомобиля не хватает времени на обычную подзарядку, он сможет быстро заправить его бензином. Плохая новость: в будущем машины будут дороже, чем сейчас.

Когда с десяток лет назад наши мобильные внезапно «похудели», это был лишь легкий намек. Потом появились беспроводные инструменты, и стало понятно, что однажды литий-ионные аккумуляторы доберутся до автомобилей. «Однажды» не заставило себя ждать: уже сегодня в Штатах владельцы гибридных автомобилей могут без особых проблем дооснастить свою машину комплектом емких литий-ионных батарей и электрической вилкой. Если не выезжать за город и не забывать подзаряжать аккумуляторы, то ваше чудо техники скоро забудет запах бензина. До недавнего времени переделкой обычных гибридных автомобилей (HEV, hybrid electric vehicle) в машины с возможностью подзарядки от сети (PHEV, plug-in HEV) занимались в основном гаражные гуру, но грядет новый этап: возможностью производства таких машин заинтересовались автомобильные концерны. Сегодня подобные работы выполняют уже несколько автомобильных концернов, в число которых входят Ford, DaimlerChrysler, Toyota, Nissan… А концерн General Motors собирается освоить выпуск серийных PHEV уже в 2010 году – раньше всех остальных.

Учитывая, что в отличие от водородных машин гибриды с возможностью подзарядки и без нее не потребуют создания новой инфраструктуры и сопутствующих ей миллиардных инвестиций, можно признать, что риск GM вполне оправдан.

Главной сложностью на пути к популяризации гибридов и электромобилей продолжают оставаться аккумуляторы. Говорят, что сто лет назад, когда Томас Эдисон безуспешно пытался изобрести идеальную батарейку для массового производства, он однажды заявил коллеге из General Electric: «Я не думаю, что природа будет так к нам недобра, что не позволит нам раскрыть секрет батареи с высокой емкостью, если мы действительно постараемся узнать его». Несмотря на все наши дерзкие попытки, природа продолжает быть недоброй. Тем не менее нельзя не признать: за последнее десятилетие аккумуляторы заметно прогрессировали и продолжают улучшаться. Большинство специалистов, занимающихся разработками в этой области, уверены – будущее в транспорте за электромоторами, работающими от литий-ионных аккумуляторов.

Рик Фалуп, выпускник Массачусетсского технологического института (MIT) и вице-президент компании A123Systems, – один из представителей новой аккумуляторной интеллигенции. Сегодня его фирма является единственным поставщиком литий-ионных аккумуляторов компании Black & Decker и попутно занимается разработкой аккумуляторов для будущих PHEV по заказу «автомобилистов». Работа в фирме Рика кипит: ведь если именно его компании среди десятка таких же небольших фирм удастся создать наиболее долговечные, безопасные и емкие аккумуляторы для автомобилей, его ждет завидное будущее.

Сегодня среди 230 млн. легковых и грузовых машин, зарегистрированных в США, можно насчитать всего 700 000 машин с колесным приводом от электромоторов. Это всего лишь треть одного процента, но, учитывая миллионные инвестиции автомобильных компаний в создание экологически чистых машин, можно не сомневаться: диковинкой гибриды будут оставаться недолго. Причем, если на первом этапе лучше всего будут покупаться обычные гибриды, не исключено, что в скором времени по объемам продаж гибриды с вилкой их опередят. Опросы общественного мнения в США показывают, что если в 2005 году только 17% опрошенных были готовы переплатить $4000 за гибрид с возможностью подзарядки от сети вместо обычного, то в 2006 году их число увеличилось до 26%.

PHEV отличается от обычного гибрида впечатляющей экономичностью: машина приличных размеров может расходовать всего 2–3 л бензина на 100 км. Сегодня добиться такого расхода владельцы обычных гибридных автомобилей могут самостоятельно – для этого им потребуется потратить $5000 на комплект оборудования и провести какое-то время в гараже, занимаясь доработкой своей машины. Но скоро все желающие смогут получить PHEV более цивилизованным путем: калифорнийская фирма EDrive Systems и компания Hymotion из Торонто будут сами переделывать HEV в PHEV, дополняя штатные никель-металлгидридные батареи более емкими литий-ионными с соответствующей заменой управляющей электроники. Правда, стоить такая цивилизованная доработка будет вдвое больше самостоятельной.

Первые серийные PHEV обещают появиться в продаже в 2010 году. General Motors собирается представить сразу два таких автомобиля – GM E-Flex и Saturn Vue Green Line. Любопытно, что Vuе, подобно нынешним машинам из этой серии, будет гибридом параллельного типа, то есть бензиновый двигатель и электромотор будут одновременно или по отдельности вращать колеса автомобиля. А E-Flex станет гибридом последовательного типа: колеса будут вращаться только электромотором, а когда аккумуляторы сядут, маленький ДВС – бензиновый или дизельный (а когда-нибудь на смену ДВС могут прийти топливные элементы) – будет вращать генератор, подзаряжая аккумуляторы. Такая схема имеет меньший КПД по сравнению с параллельной из-за потерь при переходе механической энергии в электрическую и в обратном направлении, но она удобна с точки зрения компоновки при конструировании и производстве.

Стоит упомянуть и об электромобилях (EV, electric vehicle). Этой осенью в продаже должен появиться Tesla Roadster ценой в $93 000, который способен разгоняться до 100 км/ч с места за 4 секунды и проезжать около 400 км без подзарядки. Огромный прогресс по сравнению с более ранними электромобилями, но для путешествий такая машина не подойдет. Вице-президент GM Боб Лутц метко заметил: «Вам не удастся взять канистру и на заправке наполнить ее электричеством на пять баксов».

«Один вопрос не дает мне спать по ночам, – признается Боб Лутц, – как нам сделать аккумуляторы. Ведь требования к аккумуляторам для электронных устройств и автомобилей совершенно разные. Но полагаю, что мы сможем их сделать».

Самый главный вопрос здесь надежность. Обычно производители гибридных машин дают гарантию на батареи на 8 лет или 120 000 км. В тех американских штатах, которые следуют более высоким калифорнийским стандартам, цифры внушительней – 10 лет и 220 000 км. Это высокие стандарты для литий-ионных батарей, но слишком сложно предсказать, сколько могут прослужить недавно разработанные аккумуляторы. Небольшие компании, такие как Hymotion, могут предложить более короткую гарантию, но большим автопроизводителям придется придерживаться заданных стандартов.

Еще один важный параметр – безопасность. Вы, наверное, слышали о самовоспламеняющихся аккумуляторах ноутбуков? Но если возгорание батареи опасно для компьютера, то для автомобиля это настоящая трагедия. Компания A123, разрабатывающая аккумуляторы для GM; Reno; невадская фирма Altair Nanotechnologies, которая поставляет литий-полимерные батареи фирме Phoenix Motorcars, выпускающей электромобили; французская компании Saft, также разрабатывающая аккумуляторы для GM, – все эти инноваторы уверяют, что их батареи долговечны и безопасны. Например, катоды батарей компании A123 изготовлены из нанофосфата с низким сопротивлением, который в случае короткого замыкания не нагревается так быстро, как обычный кобальтовый катод. Рик Фалоп уверен, что его компания сможет выполнить требования GM, и очень скоро. «На уровне элементарных элементов питания наши аккумуляторы готовы, – говорит он. – Они могут выдерживать более 7000 циклов зарядки». Ресурс такого элемента больше 10 лет. Но одним элементом не обойтись: для PHEV потребуется аккумуляторная батарея емкостью 9 кВтч, чтобы можно было проехать на ней более 60 км. Для этого потребуется соединить между собой около 200 отдельных элементов, что увеличит размер, вес и количество электроники, необходимой для управления уровнем разрядки и другими факторами. Фалуп говорит, что аккумулятор PHEV может занимать объем всего 110 литров и весить 180 кг. Но пока непонятно, как долго он сможет прослужить.

Автопроизводители считают, что самое главное в аккумуляторах – это цена. Согласно правилу буравчика автомобилистов, каждый кВт/ч добавляет примерно $1000 к стоимости батареи. Получается, что E-Flex, например, будет стоить на $9000–10 000 тысяч больше обычного бензинового автомобиля. По крайней мере, в начале.

«Если речь зайдет о производстве 100 000 аккумуляторов в год, цена будет меньше», – рассуждает Алан Готчер, глава компании Altair Nanotechnologies. Другие производители аккумуляторов называют схожие цифры: они полагают, что через несколько лет цена обычного аккумулятора для PHEV упадет до $5000 и в конце концов снизится до $3000.

Но сделать технологию доступной – только половина дела. Что произойдет, когда тысячи, а затем десятки и сотни тысяч автомобилистов начнут заправлять свои машины от домашней сети? «Не стоит волноваться, – успокаивают эксперты, – благодаря гибким тарифам можно сделать так, что большинство людей будут подзаряжать свои машины ночью, когда сеть сильно недозагружена. Подсчеты показывают, что, ничего не меняя в электроснабжении, в США при гибком подходе уже сегодня 73% легковых автомобилей можно перевести на зарядку от сети. Это бы позволило сократить ежедневное потребление нефти на 6,5 млн. баррелей, или на одну треть. Выбросы углекислого газа при таком подходе обещают снизиться на 27% для каждого автомобиля (учитывая выбросы углекислоты при выработке электроэнергии на заводах) и до 40% в Калифорнии с ее экологически чистыми электростанциями.

Может возникнуть и такой вопрос: хватит ли запасов лития, если все перейдут с нефти на электричество? Но и тут данные обнадеживающие. Металла на планете достаточно: разведанные мировые запасы составляют 12 млн. т. Теоретически этого достаточно, чтобы построить 3,6 млрд. гибридов с зарядкой от сети. Однако, если PHEV появятся в течение ближайших нескольких лет и будут пользоваться успехом, спрос на металл может временно превысить возможности его добычи, особенно учитывая постоянный рост потребности в нем у производителей электроники. В 2000 году на производство аккумуляторов ушло менее 10% добытого лития, в 2005-м – уже 20%, и этот процент растет год от года. Но добывающие шахты и перерабатывающие компании расширяются и их число увеличивается, так что, если спрос на PHEV не будет лавинообразным, в этой области не намечается никаких затруднений.

Выходит, что PHEV – благо по всем показателям. Так что Рик Фалуп, похоже, прав. Несложно представить, как через пару десятилетий миллионы машин смогут подзаряжаться так же, как телефоны, – ночью, от домашней сети. А днем они будут тихо ездить, проезжая мимо заправок... Спустя сто лет забвения электромобили снова возвращаются.

Минувшим летом мне вместе с Nissan удалось опередить время: на Challenge Bibendum в Париже я ездил на водородном Nissan X-Trail – одном из самых прогрессивных FCV в мире. В Лондоне мне показалось, что я снова с Nissan отправился в путешествие по времени, но только в прошлое. Когда господин Мицухико объявил о намерении к 2010 году выпустить на рынок небольшой семейный автомобиль, расходующий 3 л топлива на 100 км, я был уверен, что он говорит о дизельном гибриде. Но оказалось, что это будет обычный бензиновый автомобиль. Чтобы добиться такой экономичности, машину оснастят передовым турбомотором, работающим по циклу Аткинсона, вариатором нового поколения и системой Stop & Go, автоматически отключающей двигатель при стоянке перед светофором или в пробке. Это, вероятно, будет самый доступный серийный автомобиль такого класса экономичности. Между тем дизельных гибридов Nissan разрабатывать не будет. «Дизель – это дорого, гибрид – тоже дорого, дизельный гибрид – очень дорого», – поясняет Ямасита. Если бы те же слова были сказаны в Париже, где «солярка» в моде, они могли бы показаться спорными. Но в Лондоне кажутся единственно верными: европейский дизельный бум до Великобритании не добрался, в том числе из-за местной ценовой политики. Литр ДТ в апреле здесь стоил около 94 пенсов – на 3 пенса дороже бензина. В отношении бензиновых гибридов компания Nissan придерживается консервативной точки зрения: к 2010 году в ее модельном ряду появятся обычные HEV. Уже сейчас Nissan разрабатывает машины с зарядкой от сети (PHEV) и давно занимается конструированием машин на топливных элементах и электромобилей. Но в каком году Nissan выпустит первый серийный PHEV, Мицухико не знает. «Когда люди будут готовы покупать эти машины», – говорит он. Начиная с 1996 года компания самостоятельно разрабатывает литий-ионные аккумуляторы. С тех пор они стали намного совершеннее: компактнее, легче и дешевле при прежней емкости. Но останавливаться на достигнутом в Nissan не намерены. С переходом на гибридную тягу в автомобильном мире намечается грандиозный передел. Место под солнцем достанется тем, у кого будут лучшие аккумуляторы. Мицухико не сообщил журналистам, каких результатов они собираются достичь в этой области. Секретная информация. Но по его довольному виду можно заключить: хорошие аккумуляторы уже на подходе.

GM Volt: как он устроен

Volt, новый концепт-кар Chevrolet, представляет собой гибридный автомобиль нового типа. В привычном «параллельном» гибриде, таком как, например, Toyota Prius, колеса вращаются как от бензинового двигателя, так и от электромотора или от них обоих. Концепт Volt построен на «последовательном» гибридном шасси GM E-Flex: колеса здесь вращаются только электромотором. Тогда как бензиновый двигатель может крутить только генератор, который заряжает аккумуляторы и при необходимости питает электромотор.

Бензиновый двигатель. Трехцилиндровый литровый бензиновый турбомотор начинает крутить генератор при необходимости. Ожидается, что на машине будут также использоваться дизельные моторы и топливные элементы, работающие на водороде.

Генератор. Аппарат мощностью 53 кВт работает от ДВС и полностью заряжает аккумулятор за полчаса. В некоторых режимах генератор направляет электроэнергию прямо на электромотор.

Розетки. Розетки с каждой стороны машины позволяют водителю подзаряжать его аккумуляторы от сети примерно за 6,5 часа.

Электромотор. При мощности 120 кВт (160 л.с.) электромотор может разогнать автомобиль до 190 км/ч.

Топливные баки. Два топливных бака суммарным объемом около 40 литров жидкости рассчитаны на бензин и E85 (смесь, на 85% состоящую из этанола и на 15% – из бензина).

Аккумуляторные батареи. Литий-ионная батарея емкостью 16 кВтч обеспечивает запас хода до 65 км.

Какая альтернатива лучше?

Ряды обычных гибридов, таких как Toyota Prius, в скором времени пополнят PHEV и электромобили. Мы решили сравнить машины различных типов.

Toyota Prius

Как ездит: Prius движется от 76-сильного бензинового двигателя, который дополняет электромотор мощностью 50 кВт. Аккумуляторы: NiMH, 201,6 В, 1,3 кВтч. ИСТОЧНИКИ электроэнергии: батареи заряжаются при торможении, а также генератором, который работает от ДВС. Запас хода: около 1000 км. Расход топлива, л/100 км: 3,92 (город), 4,61 (трасса). Доступность: с 1997 года Toyota продала более 700 000 автомобилей этой модели в разных странах мира. Цена (в США): $22 175 (базовая модель).

Hymotion Plug-In Prius

Как ездит: используется несколько решений, чтобы превратить обычный гибрид в PHIV. Компания Нymotion оборудует Prius дополнительной Li-Ion батареей и розеткой для зарядки от сети. Аккумуляторы: NiMH, 201,6 В, 1,3 кВтч + Li-Ion, 5 кВтч. Источники электроэнергии: батареи подзаряжаются от сети, а также при торможении и от бортового генератора. Запас хода: Более 1000 км. РАСХОД ТОПЛИВА, Л/100 КМ: в течение первых 50 км после полной зарядки от сети – менее 1,18 (город) / 2,35 (трасса), затем 3,92 (город) / 4,61 (трасса). Доступность: пока модернизация предлагается только корпоративным клиентам, но с лета будет доступна и частным владельцам. Цена (в США): менее $32 175: цена Prius + стоимость модернизации (до $10 000).

Tesla Roadcadster

Как ездит: Tesla – обычный электромобиль. Его мотор развивает 185 кВт (248 л.с.) Аккумуляторы: Li-Ion, 375 В, 56 кВтч. Источники электроэнергии: батареи заряжаются как от сети 110 или 220 В, так и при торможении. Запас хода: 400 км. Расход топлива, л/100 км: топливо не расходуется. Доступность: Tesla планирует продать 100 первых родстеров этой осенью. Цена (в США): $92 950 (базовая модель).

GM Volt Concept

Как ездит: колеса E-Flex приводятся от электромотора мощностью 120 кВт (160 л.с.). На борту установлен также ДВС или топливные элементы для вращения генератора. Аккумуляторы: Li-Ion, 320–350 В, 16 кВт/ч. Источники электроэнергии: батареи заряжаются от сети или от бортового генератора. ЗАПАС ХОДА: более 1000 км. Расход топлива, л/100 км: 4,7. Доступность: GM планирует начать продажи машины в 2010 году. Цена (в США): менее $30 000.

Nissan зеленого цвета

В апреле в лондонском центре Nissan Design Europe прошел круглый стол с вице-президентом и руководителем отделения технологий компании Nissan Motor Мицухико Ямасита. В ходе него Ямасита-сан рассказал о «Зеленой программе» Nissan и поделился с редактором «ПМ» Николаем Корзиновым своим видением будущего автомобиля.

Электромобиль

Двухместная малолитражка Nissan Hypermini была выпущена в 1999–2001 гг. в 219 экземплярах. На одной зарядке машина способна проехать 115 км, развивая скорость до 100 км/ч. В начале следующего десятилетия согласно «Зеленой программе» у электромобиля должен появиться прeемник.

Гибридомобиль

Экспериментальный Nissan Almera Tino Hybrid появился в 2000 году. Он был выпущен в 100 экземплярах. Сейчас в США продается седан Nissan Altima Hybrid, в котором используется лицензионная система Toyota. C 2010-го Nissan планирует производить гибриды собственной конструкции.

На топливных элементах

Такие машины Nissan проектирует с 1996 г. FCV 2001 года проезжал на одной заправке 160 км, разгоняясь до «сотни» за 25 секунд, а FCV 2005 года уже проезжает 500 км, развивая 100 км/ч за 14 секунд. К 2010 году будет разработан новый опытный автомобиль с еще лучшими характеристиками.