ЭКиП № 2. ЭЛЕКТРИЧЕСКОЕ БУДУЩЕЕ ТРАНСПОРТА
Наверное, с ранних времён своего существования человек стремился двигаться быстрее, чем ему дано природой. Сначала это был гужевой транспорт (вид упряжного транспорта), в котором транспортные средства приводятся в движение животными (лошади, волы, ослы, собаки, олени). Однако скорость передвижения такого транспорта оказалась весьма ограниченной. Это заставило человечество изыскивать транспортные средства, основанные совсем на других принципах. Пожалуй, первые примеры таких изысканий восходят в Европе к личности Леонардо да Винчи. С его именем история связывает изобретение велосипеда, идеи аэроплана и автомобиля с пружинным двигателем. Правда чертежи этих изобретений не сохранились — всё-таки они были сделаны в начале XVI в., но в 2004 г. энтузиасты смогли изготовить автомобиль с пружинным двигателем и показать, что он может двигаться. Вероятно, главная идея, которая зародилась в средние века и была положена в основу современных транспортных средств, заключается в необходимости источника энергии на борту такого устройства.
Вначале это была механическая энергия (пружинный двигатель, XVI в.), затем паровой двигатель (XVII–XVIII вв.). Следующим, немного неожиданным этапом в развитии автомобильного транспорта стало изобретение в середине XIX в. первого электромобиля. Именно электромобиль появился раньше автомобиля с двигателем внутреннего сгорания (конец XIX в.). Первый электромобиль мог проехать на одной зарядке батареи всего 64 км, но специально разработанный быстроходный электромобиль в 1899 г. уже достигал скорости 100 км/ч! Популярность электромобилей в начале XX в. можно охарактеризовать следующими цифрами. В США в 1910 г. из всех автомобилей 40 % приходилось на электромобили, 40 % на паровые средства автотранспорта и лишь 20 % составляли автомобили с двигателями внутреннего сгорания.
Стремительное развитие двигателей внутреннего сгорания и совершенствование углеводородных топлив для них (высокооктановый бензин, дизельное топливо) привели в XX в. к вытеснению с рынка автомобилей на электричестве. Однако к концу XX в. этот процесс достиг своих предельных возможностей как с энергетической, так и с экологической точки зрения.
В настоящее время в мире эксплуатируется около 1,5 млрд автомобилей с двигателями внутреннего сгорания. И каждый такой автомобиль является источником загрязнения атмосферы. В нее выбрасывается углекислый газ и оксид углерода, оксиды азота и продукты неполного сгорания бензина и дизельного топлива (сажа, формальдегид, углеводороды, канцерогенные вещества). Теперь уже каждый автомобиль оснащается специальным каталитическим блоком для очистки выхлопных газов, но это не делает его полностью экологически безопасным. Кроме того, шум от работающих двигателей стал постоянным звуковым фоном больших городов.
Все это заставило вернуться к идеологии электромобильного транспорта. Для прогресса в сфере автомобильного транспорта нужно было решить основную задачу — обеспечить на борту наличие компактного и надёжного источника энергии. Для двигателей внутреннего сгорания — это бензин или дизельное топливо, а для электромобиля — накопленное в батареях электричество. Революционным шагом в совершенствовании электромобилей явилась разработка литиевых батарей. Современные литиевые батареи обладают рядом рекордных характеристик. Их максимальная электрическая ёмкость уже достигает 700 Вт·ч/кг. Это позволяет электромобилю на одной зарядке проезжать до 800 км! Температурный интервал работы современных батарей уже устойчиво составляет от –60 до +60 °С. Зарядить такую батарею можно за 15 мин, а количество циклов "зарядка–работа" достигает 15 000!
В настоящее время развитие электромобилей идёт по двум направлениям. С одной стороны — гибридные автомобили, имеющие на борту как двигатель внутреннего сгорания, так и электродвигатели с литиевой батареей. Этот вариант служит переходным вариантом к чисто электрическому автомобилю. Для условий России с низкотемпературным климатическим режимом пока более пригоден гибридный автомобиль. С другой стороны, многие проблемы могут быть решены в самое ближайшее время благодаря модернизации батарей и условий их эксплуатации (например, путём автоматического подогрева батарей).
Темпы роста электрического транспорта в мире поражают. В Китае за два года с 2020 по 2022 гг. количество продаваемых электромобилей выросло в 5 раз и достигло почти 4,5 млн/год! Близкие темпы увеличения продаж характерны и для США. Сейчас в Китае из всех ежегодно реализуемых автомобилей примерно 1/4 часть составляют электромобили. В ряде крупнейших городов (например, Шанхай) уже невозможно зарегистрировать вновь купленный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания. Впечатляет и количество электрических "заправок" в Китае. Оно уже превысило 5 млн штук. Потрясающе выглядит ситуация в Норвегии, где 80 % всех ежегодных покупок автомобилей приходится на электротранспорт. Доля электромобилей в общем парке автотранспорта в мире сейчас составляет всего 1,5 %, однако с учётом объемов их производства и продаж уже к 2030–2035 гг. они могут стать преобладающим видом транспорта на улицах городов.
Один из ключевых факторов быстрого распространения электромобилей в крупных городах — их экологическая безопасность. Если подходить строго к этому вопросу, то загрязнение атмосферы при производстве электрической энергии и выбросы в атмосферу автотранспортом с двигателями внутреннего сгорания вполне сопоставимы. Но стоит обратить внимание на два фактора. Во-первых, это возможность развития экологически безопасных для атмосферы секторов — солнечная, атомная, ветровая энергетика. Кроме того гораздо легче очищать выбросы одной трубы тепловой электростанции, чем отходящие газы 100 тыс. автомобилей. Во-вторых, стоит также обратить внимание на отсутствие при использовании электромобилей шумового загрязнения. На улицах городов станет тихо!
Ещё одной движущей силой развития электротранспорта выступает экономика. При современной эффективности электромобилей расход электроэнергии составляет 0,2–0,25 кВт·ч/км. С учетом стоимости электроэнергии в России и стоимости бензина на автозаправках затраты на поездки на электрическом автотранспорте оказываются в 6–7 раз меньше, чем на типовом автомобиле с двигателем внутреннего сгорания. Если посмотреть на перспективы авторынка, то можно ответственно уже сейчас прогнозировать, что ближайшие 10–15 лет приведут к существенному изменению автомобильного парка в пользу электромобилей. В значительной степени на скорость этого перехода будет влиять экономическая политика государства (например, дотации на приобретение электромобилей) и ужесточение экологических требований в больших городах. Гарантиями движения автотранспорта в "электрическом" направлении станут, прежде всего, научно-технологические успехи в области устройств аккумулирования энергии сейчас и реализация данного технического потенциала в недалеком будущем.
А.С. Носков
Руководитель научного направления
"Промышленный катализ",
ФИЦ "Институт катализа
им. Г.К. Борескова СО РАН",
член-корр. РАН, главный редактор
журнала ЭКиП