Scienty

Пять лет назад перспективы автотранспорта казались очевидными: доступный электромобиль, превосходящий бензиновые аналоги по цене (Tesla Model 3 за 35 тысяч долларов), скоро станет ещё более совершенным и дешевле. Такая машина заметно долговечнее своих бензиновых аналогов, поэтому разница в цене не должна была стать препятствием для перехода на бесхлопной транспорт. Но 2022 год демонстрирует: внешние факторы всё изменили, и электромобили могут оказаться слишком дорогими даже для населения развитых стран. Такая ситуация сохранится ещё как минимум десятилетие. Есть ли альтернативы зелёному переходу? И почему Россия – лучшее место для их реализации?

Необходим зеленый переход в автомобильной отрасли. Научные исследования показывают, что только в США в XXI веке выхлопы машин… убиваютПо 50 тысяч человек в год погибают из-за выбросов автомобилей в некоторых странах. В России авто в шестеро раз меньше, но и стандарты чистоты выхлопов ниже. Поэтому можно с уверенностью утверждать: десятки тысяч наших соотечественников умирают от выбросов ДВС-мобилей ежегодно. Возможно, жертв выхлопной трубы даже больше, чем погибших в ДТП.

Помимо очевидного вреда для здоровья, ДВС-машины не подходят для продолжения активной автомобилизации в России. В 2012 году в стране было куплено 2,94 миллиона легковых и легких коммерческих машин, а в 2021-м — уже только 1,67 миллиона. Спад более чем на 40% произошел не случайно: авторынок страдает от того, что многие просто не готовы купить машину за условный миллион рублей, да еще тратить потом на ее заправку по 0,1 миллиона рублей в год (даже без учета ТО и замен резины).

В крупных странах, таких как США или Россия, автомобиль не просто средство передвижения, а важный фактор экономического роста. Значительная часть жилых строений в обеих странах возводится за пределами городов. Причина этого понятна всем, кто сравнивал цены на квадратный метр в городе и пригороде. Следовательно, люди, не имеющие возможности приобрести автомобиль, не смогут участвовать на российском рынке загородной недвижимости.

Такой рост экономики замедлит: постройка частных домов влечет больший спрос на авто, бытовую технику, мебель и подобное по сравнению с квартирами из-за большей площади. Поэтому в США периоды роста строительства частных домов совпадают со всплесками спроса на перечисленные товары.

Показалось, что требования слишком сложны для выполнения. Для существенного снижения смертности от выхлопов нужно перейти на электрические автомобили. Но из-за резкого роста цен на алюминий, никель и другие материалы стоимость электромобилей значительно возросла. Четыре года назад Tesla Model 3 можно было купить в США за 35 тысяч долларов. Сейчас цена стартует с отметки 47 тысяч долларов. Есть более доступные варианты, но среди них мало таких, у которых запас хода без подзарядки составляет хотя бы 400 километров.

Из опыта видно, что большая часть водителей автомобилей с внутренним сгоранием предпочтет транспорт, не нуждающийся в подзарядке раз в два часа езды. не былоЭлектромобили, выпускаемые в массовом количестве, часто отличаются не очень большим запасом хода. Однако Tesla объединила в своих моделях пробег в 400-500 километров на одной зарядке с другими преимуществами. возможностьюУвеличить запас хода этой модели на 320 километров за 15 минут. Другие электромобили мира пока отстают. Как преодолеть серьёзный кризис, в котором оказалась автомобильная отрасль России?

Увидим ли мы электромобиль за разумные деньги?

Илон Маск недавно заявил о своем расстройстве, если его компания не достигнет цены 100 долларов за киловатт-час емкости литиевых аккумуляторов. Что побуждает самого богатого человека в мире к столь точной цифре?

Независимо от формы кузова и стараний производителей сократить расход энергии, для преодоления 400 километров в обычных условиях электромобилю требуется аккумулятор емкостью 60 киловатт-часов. При стоимости производства аккумуляторов по 100 долларов за киловатт-час к цене авто добавилось бы шесть тысяч долларов. С учётом того, что во всём остальном электромобиль проще и дешевле бензиновых аналогов, разница в цене составила бы около пяти тысяч долларов.

В действительности получилось противоположно тому, что задумывал Маск, и в этом, пожалуй, ему никто не виноват. Причина – 60% цены литиевого аккумулятора составляют материалы: литий, кобальт, никель, алюминий (из которого выполнена часть «упаковки» батареи для снижения веса). Рост цены карбоната лития за последний год показан на графике в разы. Алюминий, никель и прочие ведут себя не лучше. Общая стоимость материалов для электромобильной батареи на 60 киловатт-часов (~Model 3) за последний год… вырослаЦена составляет от 1395 до 7400 долларов. В эту оценку не входят алюминиевые компоненты, составляющие «скелет» для установки элементов аккумулятора.

Можно сколько угодно оптимизировать производственные процессы, но это влияет только на 40% цены литиевого накопителя. Остальные 60% от особенностей производства не зависят от этого. Контролируют их санкции против России и массовый отток капитала из добывающих отраслей в западных странах (мы писали о нем). здесь).

Два фактора, обусловленные особенностями западной культуры, вряд ли исчезнут в обозримом будущем. Следовательно, необходимы иные подходы к решению проблемы.

Чем заменить литий

Стоимость литий-ионных аккумуляторов главным образом формируется ценой лития и материалов электродных покрытий (никель, кобальт) плюс алюминия, из которого изготовлен корпус батареи. Следовательно, наипростейшим решением является отыскание альтернативных материалов.

В теории это просто. Литиевые аккумуляторы — не самый эффективный способ хранения энергии на планете. И уж точно не самый дешевый. Подумаем: если вы мужчина и не увлекаетесь спортом, то 20% вашего веса приходится на жир. Это значит, скорее всего, у вас его не менее 15 килограмм. При этом жир — отличный «аккумулятор»: один килограмм при окислении отдаёт 10,28 киловатт-часа — почти как килограмм бензина.

Один только жировой накопитель в нашем организме хранит более 150 киловатт-часов энергии. Это почти втрое больше, чем у автомобиля Tesla Model 3. Часть энергии жира расходуется на поддержание температуры тела. Тем не менее человек (после тренировок) может пробежать сотни километров без остановок и на длительной дистанции опередить лошадь или антилопу любой степени подготовки за счёт лучшего отвода тепла.

Превращение жира в энергию химически непростое. Из-за этого цивилизация не умеет эффективно получать электричество при расщеплении липидов и быстро синтезировать их после использования. Даже сахар с вдвое меньшей энергоемкостью нам дается труднее.

Рукотворные аккумуляторы лучше всего функционируют с соединениями простых химических элементов: металлов и их оксидов. Атом свинца, например, может присоединять атомы из молекулы серной кислоты, отдавая при этом пару электронов. Подобным образом работают никель и кадмий в аккумуляторах такого же названия, а также литий, который отдаёт часть электронов в химической реакции, создавая ток.

Эффективность подобных простых металлических батарей во многом зависит от веса атома металла, который отдаёт электроны. Литий очень лёгкий, поэтому его батареи запасают 200 ватт-часов на килограмм массы. Это в 50 раз меньше, чем выделяется при расщеплении жира в нашем теле, но втрое больше, чем могут отдать никель и кадмий, так как эти металлы тяжелее. Свинцовые аккумуляторы уступают литиевым минимум впятеро.

Построить электромобиль даже на никель-кадмиевой батарее невозможно. Аккумуляторы Model 3 весили бы полтора тонны вместо нынешних полтонн. Автомобиль массой две с половиной тонны был бы неэффективным в плане расхода энергии, а износ дорог от таких тяжёлых машин слишком велик.

Лидерство лития в этой области понятно: металла легче нет. Единственный способ удешевить литиевые аккумуляторы — менять вспомогательные металлы. Так поступает Илон Маск, заменивший часть кобальта в электродах литиевых батарей на никель. Теперь он собирается заменить и подорожавший до 100 тысяч долларов на тонну в пике — никель на марганец, так как тот пока не успел подорожать.

Литиевые аккумуляторы (вместе с «упаковкой») всё равно стоят 400 долларов за киловатт-час емкости. Полная замена кобальта и лития в них не снизит цену ниже 300 долларов за киловатт-час емкости.

Предположим, что произойдёт невероятное: цены на металлы резко снизятся, или Tesla обнаружит способ сократить стоимость аккумуляторов до двухсот долларов за киловатт-час. Что будет дальше?

Цена батареи Model 3 сохранится на уровне от 11 тысяч долларов – столько стоит бюджетный бензиновый автомобиль класса B. В Соединенных Штатах покупатели могут это принять (хотя не все), в Евросоюзе — только с помощью субсидий. Экономия на топливе до 900 долларов в год, вполне достижимая для электромобиля, окупится лишь через двенадцать лет – для обычных потребителей срок слишком долгий.

В Китае, России и других странах стоимость батареи для электромобиля, рассчитанного на шоссейные поездки, в 11 тысяч долларов не позволяет ему заменить большинство обычных машин. Для этого необходимы цены на аккумуляторы не менее 150 долларов за киловатт-час. В условиях экономической войны между Россией и Западом такие цены на литий, никель и алюминий маловероятны.

Сегодня очевидно, что война может затянуться на десятилетия. Снизить цену электромобилей для проезжающих до 20-25 тысяч долларов невозможно. Без этого во всем мире их просто не купят.

Запад может решить эту проблему просто: напечатают больше долларов и покроют разницу государственными субсидиями. За пределами западного мира печатающие машины для эмиссии не работают, а значит, электромобили останутся слишком дорогими для большинства. Что же делать тем, кто живет далеко от прогретого печатного станка? Как спасти граждан от десятков тысяч смертей в год?

Третий путь: газомобиль

Достигнуть этой задачи можно и другим способом, который, быть может, станет самым подходящим именно для России.

Ключевая причина убийственности ДВС-мобиля — выхлопы двигателя, убивающие микрочастицами, образующимися при сгорании бензина или солярки. Мы не видим эти частицы, но легкие доставляют их в кровь, где те образуют тромбы, провоцируя инсульты и инфаркты. Существуют виды топлива, при сгорании которых образуется намного меньше микрочастиц, чем при сжигании содержимого бака обычных машин. В энергетике давно известно: один триллион киловатт-часов, полученный при сжигании газа, убивает. всего четыре тысячи человек (один Чернобыль). А это в девять раз меньше, чем 36 тысяч человек, погибающихПолучив такое же количество энергии, как при сжигании нефтепродуктов.

Ученые давно понимали все это еще в советское время. Именно поэтому в начале 1980-х годов в СССР запустили программу перевода легковых автомобилей на пропан, а грузовых — на метан. Перестройка и последовавший хаос «обнулили» программу. В 1990-х экономически наивное руководство страны установило правило: метан должен стоить в разы дешевле обычного бензина. И стали ждать массового перехода на метан. Разумеется, из этого ничего не вышло.

Легко догадаться о причинах неудачи, достаточно вспомнить историю Honda Civic GX. Это модификация Honda Civic, целиком переведенная на метан. Японские конструкторы не стремились к нововведениям: вместо разработки чего-то нового они использовали обычный Civic, установив в его багажник метановый баллон для пробега 320 километров, и начали продавать их таксистам. Для них годовой пробег так велик, что заправка газом — значительно дешевле бензина — волновала владельцев больше, чем уменьшение места для багажа.

Предсказуемо, через несколько лет производство Civic GX свернули. Причины были прозрачными. изложилВице-президент компании American Honda Motor Джон Мендель заявил, что инфраструктура для электромобилей не так развита, как для бензиновых машин.

В большинстве государств эту проблему устранить крайне затруднительно. Бензиново-дизельные заправки распространены, это привычный вид деятельности нефтяных компаний. Зачем им массово возводить газовые заправочные станции, если продажи при этом неизбежно снизятся в разы? Ведь даже в Соединенных Штатах кубометр газа в период низких цен может стоить 20 центов, а равный ему по запасе энергии литр бензина никак не купить дешевле 50 центов. В наше время — еще дороже.

Инвестиции в газозаправки будут значительными: в Америке применяют сжиженный природный газ (СПГ), который транспортируют специальными фурами. Такой способ перевозки более дорогой по сравнению с трубопроводным, а оборудование для СПГ на заправках отличается от оборудования для хранения бензина.

В России положение отличается: «Газпрому» не нужно соперничать с собой. Корпорация не получает прибыль от обычных АЗС. Поэтому возведение газовых заправочных станций с ее точки зрения не снижает, а повышает объемы продаж.

Однако есть исключение — отечественные производители автомобилей. Ранее их деление было таким: иностранные компании и условно российские («условно», ведь ВАЗ владели и владеют зарубежные концерны). Ни тем, ни другим метановый автомобиль не был привлекателен. В результате все проекты по строительству метановых заправок сталкивались с низким спросом: на них в основном ездили те, кто самостоятельно установил газовое оборудование.

Зачем крупным производителям из региона отказывались инвестировать в разработку автомобилей на газу?

История Honda Civic GX вновь демонстрирует: создание достойного газомотора не сводится к установке баллонов вместо бензинового двигателя.

Современные ДВС сжимают топливовоздушную смесь всего в 8-12 раз. Природный газ обладает октановым числом 120 — намного выше, чем у бензина. Поэтому горит медленнее и мощность двигателя с «бензиновым» сжатием снижается примерно на 10%. Можно ли это исправить? Да, возможно: нужно увеличить степень сжатия.

Будем честными: это подразумевает переработку мотора с учётом небольшого российского рынка. Зарубежным компаниям это невыгодно: за границей массово не применяют переделки — мало заправочных станций для газа. Местный автопром практически не интересуется всем, что требует слова «перепроектировать». Их любимый метод решения проблем — копирование зарубежных моделей, в идеале без создания новых узлов и импортом их из-за рубежа.

Газомобиль обладает еще одной особенностью: увеличенный объем топливного бака. Бензиновый бак на 45 литров обеспечивает легковушке Model 3 дальность действия на одной зарядке. Метановые баллоны дадут эквивалентные 42 кубометра газа при объеме в 200 литров. Где разместить такую массу? Воровать столь значительный объем из багажника снизит практичность машины. Кроме того, это повышает риск разгерметизации бака при аварии. Чтобы избежать этого, бензиновый бак часто располагают под задним сиденьем. Машины проектируют так, чтобы области спереди и сзади от осей авто сминались при столкновении, гася энергию удара, — чтобы то, что внутри, оставалось целым.

Можно поместить газовые баллоны под задним сиденьем, но для этого нужно сдвинуть заднюю ось и приподнять заднее сиденье (и крышу над ним) на несколько сантиметров. Иначе два баллона диаметром 0,25-0,30 метра не поместятся под сиденьем.

Баллоны для хранения метана объемом 200 литров весят от 60 (пластиковые армированные) до 200 килограммов (стальные). Выбор металлических баллонов потребует усиления подвески автомобиля, а пластиковых — затрат в тысячу долларов. Экономия на метане за полтора года эксплуатации покроет эту сумму, но производитель авто не особо беспокоится об экономии потребителя. Гораздо больше его волнуют дополнительные расходы.

Изменения в конструкции из-за метана незначительны. Тем не менее необходимо перепроектировать не только двигатель, но и кузов. Местный производитель, скорее всего, этого не сделает, а иностранный тем более.

Газ в конце тоннеля

Электромобили пока для нас слишком дорогие, а газовые автомобили нуждаются в активных частных производителях, которых пока нет в России. До февраля 2022 года это означало застой в отрасли и низкие продажи (в полтора раза ниже уровня 2012 года).

Сейчас положение дел принципиально изменилось. Рассмотрим цифры: где в мире больше всего автогазовых автомобилей? Это Иран и Аргентина, там их миллионы. Первый, попав под санкции, осознал необходимость экономии. А метан почти в два с половиной раза дешевле нефтепродуктов. Аргентина долго сталкивалась с проблемами платежного баланса — переход миллионов машин на метан уменьшил ее зависимость от импорта нефти.

Россия может получить сочетание двух факторов: санкции уже сократили реальные доходы населения, рост начнется только в 2023 году, и у страны может ухудшиться платежный баланс. ЕС ввозил до 145 миллиардов кубометров газа в год, но стремление Брюсселя к зеленому переходу может резко сократить этот объем, а затем привести к нулю.

Россия сможет продать Китаю много газа. Но с точки зрения платежного баланса и роста ВВП более выгодно через 10-12 лет перевести местный транспорт на газ, а сэкономленные нефтепродукты экспортировать. Их цена вырастет в разы больше, чем стоимость экспорта газа, замещающего эти продукты. Экспортная выручка также увеличится.

В данном контексте потенциал впечатляюще велик. потребляетПримерно 65 миллионов тонн автомобильного топлива ежегодно — это около 80 миллиардов долларов в год. Замещение может осуществляться 90 миллиардами кубометров газа, средняя экспортная цена которого составляет 30 миллиардов долларов. втроеПотенциально транспорт может увеличит экспорт на 50 миллиардов долларов в год, потребляя меньше энергии, чем бензин и солярка. При этом издержки собственной экономики снизятся на столько же, так как общая стоимость автоперевозок упадет на 50 миллиардов долларов.

Экономический эффект газификации автотранспорта в данном регионе равен примерно одной десятой от общего ВВП за год. В настоящий момент сложно представить другой проект такого масштаба.

Что это дает: техническая сторона вопроса

Переход на газ решит главные экологические и технические трудности автомобильного транспорта. Смертность от выхлопов снизится в шесть раз — с десятков тысяч до тысячи человек ежегодно.

Переход на газ существенно повысил бы эффективность автотранспорта.
Хотя газовые двигатели нуждаются в более высокой степени сжатия, это же является преимуществом для всех, кто готов к изменениям.

Чем больше степень сжатия в цилиндрах, тем выше КПД двигателя. Увеличение степени сжатия позволяет достичь той же температуры сгорания при меньшем расходе топлива в цилиндрах.
Высокий КПД дизеля обусловлен его большой степенью сжатия — 14-23 раза, что почти вдвое больше у бензинового двигателя.

При сжатии бензиновых паров и воздуха в обычном ДВС (цикл Отто) более чем в 13 раз возникает детонация. Быстрый горение превышает скорость звука, что приводит к стуку в цилиндрах и потере мощности. Чтобы избежать детонации, требуется увеличить октановое число, но у бензина без сверхтоксичных присадок это сделать очень сложно.

Октановое число природного газа без добавок составляет 120, что позволяет двигателям с циклом Отто работать с КПД, сопоставимым с дизелем, заметно превышающим стандартный. Расход топлива на сто километров при этом снижается приблизительно на 10%.

При снижении температуры пробег авто без выбросов уменьшается: у электрокаров из-за расхода энергии на подогрев аккумуляторов, а у бензиновых — из-за более высокой плотности воздуха при минус 20 градусов по Цельсию (на 20% выше, чем при плюс 30). Изменение сопротивления воздуха существенно влияет на расход топлива на трассе зимой и затрагивает ДВС-мобили.

В отличие от газа: при понижении температуры с летних +30 до зимних -20 объём метанового баллона… растет на 17%Сжиженный природный газ, на который ещё при СССР планировали переводить грузовики, зимой обладает меньшими потерями при охлаждении.

Газовые автомобили предоставляют большую часть экологических преимуществ электромобилей благодаря сокращению вредных выбросов. Стоимость такой машины лишь немного выше — примерно на тысячу долларов, а не на 15-20 тысяч, как у самых доступных современных электрических автомобилей.

Газомобили позволяют владельцам существенно снизить расходы на заправку. Метановые автомобили эксплуатируются дольше десяти лет, ведь газ уменьшает износ двигателя. Водитель тратит от тысячи долларов в год на заправку бензином, а переходя на метан сэкономит 60%. За свой жизненный цикл метаномобиль сберегает не менее пяти тысяч долларов. В пересчете на полтора-два миллиона новых машин, продаваемых в России ежегодно, это составляет 7-10 миллиардов долларов.

В результате такого подхода к расходам, долговременная задержка развития российского рынка может закончиться. Это связано с тем, что общая цена владения машиной существенно уменьшится.

Оценка возможности государственного управления по корректировке курса.

Новые сложные технологии реализуются сами собой только теоретически. Без жестких государственных мер поддержки электромобилей, даже Маск столкнулся бы с банкротством. В 2013 году его компания едва не обанкротилась, несмотря на субсидии. Пример внедрения электромобилей в Соединенных Штатах Америки указывает на путь внедрения газовых автомобилей в России: государственное регулирование.

Необходимо предложить автопроизводителям разработать двигатели внутреннего сгорания для более высокого метанового уровня сжатия, не смотря на их традиционную предубежденность к новшествам.

Аналогичные меры должны стимулировать создание автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, имеющих больше свободного пространства под задними сиденьями. Там могли бы находиться все 150-200 литровые газовые баллоны вместо размещения в багажнике, что повышает риски при авариях. Учитывая размеры отечественных автомобилей, потребуется увеличение колесной базы, что также увеличит место для коленей пассажиров.

Потребителям новых газовых автомобилей можно предоставить субсидию – например, 15-20% от стоимости (в течение первых 200 тысяч машин). Такие меры способствовали успеху Tesla и стоят не очень дорого – не более 400 миллионов долларов. меньше, чем уже принятые госсубсидии по переводу машин на газ.

В-четвертых, можно заимствовать западную меру выкручивания рук автокомпаниям — zero-emisson credits. В рамках этой меры производители машин на нефтепродуктах должны покупать квоты у тех, кто выпускает «безвыхлопные» машины (в России — газовые).

Установив значительную цену квотирования — допустим, две тысячи долларов, — можно побудить даже традиционно не склонного к новому «АвтоВАЗ» выпускать только автомобили на газе. Чтобы всё это не превратилось в пустую трату, стимулирование не должно действовать на газовые машины с бензиновым баком, иначе субсидии массово пойдут обычным автомобилям.

Строительство газовых заправок необходимо вести с такой же скоростью, как Tesla возводит суперчарджеры. Однако это лишь малая доля проблемы. «Газпром» не оставит без внимания данную ситуацию и постарается обеспечить топливом всех желающих.

При существенном давлении со стороны государства на переработку существующих двигателей внутреннего сгорания и легковых автомобилей под метан потребуется год на проектирование. Производство запустят еще через год, а через три года появится массовое производство.

Других вариантов нет: из начала текста ясно, что при обычном развитии событий электромобили в России не составят большинство среди новых машин ни через десять, ни через пятнадцать лет. У нас сейчас, кажется, остается только один выбор: либо газ, либо экономико-экологическая стагнация авторынка с темпами покупки машин ниже уровня 2012 года.

Может ли российская власть продемонстрировать такой же уровень зрелости в мерах принуждения производителей, как американская? Время покажет. Если нет, то с уверенностью можно утверждать: технического прогресса в этой сфере и не стоит ждать. И не только в ней.