…коли у теперішню глупу ніч українство не буде себе нічим заявляти ясним і голосним, то ніхто не піде за ним, коли настане ранок. А він таки настане неодмінно.
Михайло Драгоманов, український публіцист, історик, філософ, економіст, літературознавець, громадський діяч

Електромобіль — вихід із кризи?

20 серпня, 2010 - 00:00
«РОЗУМНИЙ АВТОМОБІЛЬ» ЗДІЙСНЮЄ СВОЮ ПЕРШУ МІЖКОНТИНЕНТАЛЬНУ ПОДОРОЖ. НЕЩОДАВНО ВІН ПОБУВАВ У КИЄВІ / ФОТО З САЙТА GOOGLE.COM.UA

Улюблена іграшка сучасності — автомобіль. Транспорт в усі часи розвивався за умови реалізації двох завдань: швидше й далі, в авіації, до того ж, і вище. Проте лише автомобіль вирішив два перших завдання та при цьому має з погляду споживача одну безперечну перевагу. Пасажира він може доставити від дверей до дверей. Ні найшвидший поїзд чи надзвуковий літак для масового споживача вирішити це завдання в найближчий період не в змозі. Автомобіль утілює в собі одвічну мрію людства — бути з прийнятними витратами в потрібний час у потрібному місці. Усе минуле століття минуло під знаком стрімкої автомобілізації. Дорогами планети пересуваються мільйони саморушних екіпажів. Які несуть, до речі, із собою та в собі не лише пасажирів та водіїв, а й чимало проблем.

Існує думка, що реально вихід з економічних криз повною мірою відбувається лише з переходом до принципово нових речей, вироблених за новою проривною технологією. На початку й у середині XIX ст. ними стали залізниці й пароплави. Не лише вони, було багато й іншого, але вони набули масового поширення. Їхнє виробництво зажадало небувалого розвитку металургії, хімічної промисловості, машинобудування. Була потрібна принципово нова інфраструктура, наприклад у вигляді вокзалів, товарних складів, депо, портових споруд для прийому великих кораблів. Кінець того століття ознаменувався новим стрибком — автомобілізацією. Усе повторилося спочатку: дороги, автозаправні станції тощо. Навіть виробництво вітрового скла зажадало іншої скляної промисловості. Уже в 1930-х рр. автомобілебудування разом з авіабудуванням вийшло в лідери технічного прогресу. Тільки-но в автомобілебудуванні починався легкий нежить, чхали практично всі галузі промисловості й навіть сільське господарство. Адже не даремно казали: що добре, для «Дженерал моторс» — добре для Америки.

У певний момент кількість автомобілів перейшла в нову якість. Першими це відчули моторизовані американці. Уже в 1920-х рр. з’явилися проблеми з утилізацією автомобільного мотлоху. Щойно вирішили цю проблему, та й то не в повному обсязі, як виникли нові й набагато серйозніші. Забруднення автомобільними вихлопами і нафтові, бензинові та інші проблеми. Вихід відомий з 1841 р. — електромобіль.

Двигун внутрішнього згорання, а потім і дизель мали в автомобілебудуванні досить серйозних конкурентів. У першій чверті минулого століття широкого поширення набули електромобілі й автомобілі з паровою машиною. 1900 року приблизно половина автомобілів у США мали паровий привід, в 1910-х рр. у Нью-Йорку майже 70 тисяч таксі були електромобілями. Значного поширення на початку ХХ ст. набули й вантажні електромобілі та електричні автобуси (електробуси). Бельгійський пілот Каміл Женатці на електромобілі La Jamais Contente (Завжди невдоволена) 1899 року в Ашері під Парижем установив рекорд швидкості 105,8 км/год. Електромобілями займався й знаменитий винахідник Томас Едісон. В енциклопедії Брокгауза й Ефрона написано: «...на конкурсі 1904 року в Парижі був навіть, мабуть, парадоксальний... газоліново-електричний (автомобіль. — Авт.)... У ньому мотор газоліну надавав руху динамо-машині, яка давала струм для електричного двигуна; виявилося, що така електрична трансмісія поглинає відсотків на 20 менше енергії, ніж звичайна механічна і зручна для регулювання швидкості».

Проте на сто років бензиновий і дизельний привід витіснив паровий та електричний з автомобілів, останньому залишився сегмент у вигляді електрокарів, міського й залізничного транспорту. Причини дві: низька ємкість автомобільних акумуляторів і дешева нафта, відповідно бензин і дизельне пальне. І лише після низки нафтових криз у другій половині ХХ ст., стрімкого зростання цін на нафту і з політичних причин інтерес до електромобілів прокинувся знов. До того ж, викиди вуглекислого й чадного газу, шум тощо. Хоч частка автомобільного транспорту в цих незручностях не така й велика, близько 20%, але вона весь час зростає. Автомобільні двигуни стали більш економічними, викидів дають менше, але можливості підвищення їхнього коефіцієнта корисної дії практично вичерпані, а самих машин стає дедалі більше.

Переваги електроприводу для автомобілів на перший погляд очевидні. Тягові характеристики електродвигунів набагато кращі, ніж двигунів внутрішнього згорання й дизелів, останні іноді називають двигунами зовнішнього згорання. Особливо це видно на низьких кутових швидкостях, по-водійському — обертах. Рушення з місця відбувається плавно, розгін здійснюється за менший час, привід малочутливий до частих пусків та зупинок. Можливе електричне (рекуперативне) гальмування, коли на спуску тяговий двигун переходить у генераторний режим і коштом вивільнюваної енергії заряджає акумулятори. Повністю зупинити екіпаж так неможливо, але значно понизити швидкість і втрати енергії на тепло в механічних гальмах можна. До речі, режим рекуперативного гальмування в гібридних автомобілях дає змогу заощаджувати бензин. Так, у Lexus Hybrid Drive використання цього виду гальмування дає змогу економити до 1 л бензину на 100 км. Ефект рекуперативного гальмування є й у місті, де швидкість руху маленька, часті пуски та зупинки. Такий переривчастий режим призводить до вкрай неекономічного режиму роботи ДВЗ, але для електродвигуна він цілком допустимий.

Близько 10% енергії втрачається в механічній коробці передач та інших елементах трансмісії. За допомогою електропривода можна в принципі й на практиці вирішувати завдання сполучення двигуна й рушія, зокрема колеса. Компанія Mitsubishi Motor розробила колесо зі вбудованим електродвигуном. Система отримала назву Mitsubishi In-wheel Motor Electric Vehicle (MIEV). Уже відомі електромобілі, в яких кожне колесо має на валі свій електродвигун. Така конструкція додає екіпажу дуже високу маневреність і такі властивості, які в звичайному автомобілі недосяжні. Під час руху слизькою дорогою, в ожеледь індивідуальний привід кожного колеса надає можливість бортовому комп’ютеру вибрати оптимальний режим гальмування, що запобігає заметам або юзу. Система мотор-колесо дає змогу повертати колеса перпендикулярно осі автомобіля, що значно спрощує паркування. Висока маневреність — важлива якість для руху в містах, де мало простору на здійснення маневрів. І взагалі, електромобіль безпечніший.

Є ще один чинник. Можливості вдосконалення електромобіля дуже великі. Тоді як для його конкурентів вони більш ніж обмежені.

Розглянемо проблеми, які стримують впровадження електромобілів. Перша й очевидна — низька питома ємність (заряд) сучасних акумуляторів. Найчастіше сьогодні застосовують свинцево-кислотні, які мають питому ємність 40—45 Вт г/кг, чого не досить. Нікель-метал-гідридний акумулятор має вищі показники цього параметра — до 60—72 Вт г/кг, але витримує всього до 1000 циклів перезарядки, має високий саморозряд. Енергоємніші акумулятори містять срібло або літій. Вони широко використовуються в космічній техніці та військовій авіації. Їхня якість відповідає всім критеріям, але вони мають високу вартість. Перспективними вважаються акумулятори на основі поліпропілену. Великі надії покладаються на нанотехнології та успіхи хімії високомолекулярних сполучень.

Одержанням акумулятора з високими показниками питомої ємності проблема не вичерпується. За принципом дії вони досить чутливі до пікових навантажень. Під час пуску електродвигуна його струм зростає в кілька разів і зменшується залежно від розгону. Обмеження струму зменшує прискорення. Як вихід — вживання спеціальних стартових систем, наприклад на конденсаторах. Нині винайдені такі, які мають дуже велику ємність і можуть зберігати заряд тривалий час. Конденсатор — фактично той самий акумулятор, але отримати від нього весь накопичений заряд не вдається. Крім того, конденсатор швидко розряджається під навантаженням. Проте така батарея може істотно зменшити навантаження на акумулятор при пуску тягового двигуна.

Третя проблема нинішніх акумуляторів — довготривалість зарядки. За цим параметром електромобілі суттєво програють автомобілям. Заправка повного бака бензином або дизельним пальним займає декілька хвилин. Заряд акумулятора може тривати годинами, а проїхати після цього вдається не більше 200 км. На спеціальних установках час зарядки скорочується до 25—30 хвилин. Але ось тут ми і підходимо до найважливішої причини, що стримує широке впровадження електромобілів, — інфраструктури.

АЗС можна поставити де завгодно. Проблеми доставки пального в принципі немає. Проблема лише в ціні. Зі станціями зарядки акумуляторів складніше. До них потрібно прокладати або кабельні, або повітряні лінії подачі електроенергії. І зробити це в містах аж ніяк легко, оскільки електроенергія фактично підведена. Насправді, проблем тут не менше.

Потужність двигунів усіх автомобілів у Москві становить 245 ГВт, приблизно в 20 разів перевищує встановлену потужність електростанцій ВАТ «Мосенерго». Але не все так страшно. Автомобіль (або електромобіль) у такому місті, як Москва, більше стоїть, аніж працює. Коефіцієнт використання встановленої потужності (КВВП) автомобільних двигунів у російській столиці становить менше 7,5%. Але навіть у цьому разі запит на зарядку акумуляторів електромобілів у півтора рази перевищує встановлену електричну потужність «Мосенерго». Нинішні генеруючі можливості московських мереж забезпечать перехід на електричну тягу лише близько 20% столичних автомобілів. Адже є й інші споживачі електроенергії, вони досить численні, у тому числі такий вид електротранспорту, як метро. Перехід на електротягу вимагає кардинального збільшення виробництва електроенергії та нових електричних розподільних систем. А це процес досить складний і витратний.

Однією з найважливіших проблем систем енергопостачання є нерівномірність графіка навантаження. У денні години використання електроенергії досягає максимального рівня, а вночі є провал, при цьому навантаження падає до 60-70% від добового максимуму. Велика електростанція — організм складний і дуже інерційний. На максимумі навантаження потрібно вводити в дію додаткові генератори, а при спаді — їх виводити. Але це робити досить складно й украй неекономно. Під час роботи генератор доцільно залишити в такому режимі й уночі. Тоді постає питання: куди витрачати надлишок вироблюваної електроенергії? І тут зарядка акумуляторів може дуже допомогти. Саме тоді, коли є надлишок електроенергії в системі, їх і потрібно заряджати. Вирівнюється графік навантаження, і енергетики будуть задоволені. Але вирішивши одну проблему, ми одразу ж стикаємося як мінімум з іншою, і їх може бути декілька. Яким чином це здійснювати технічно? З кожної квартири тягнути дроти до електромобіля? Уявити це в сучасному мегаполісі з будинками в 20 і більше поверхів доволі складно. Вочевидь, що таку мережу потрібно закладати вже при будівництві, аби в підземному гаражі це легко було зробити. Але хто про це думає, навіть сьогодні? Проблема не така проста, як здається. А міські мережі. Не братимемо наші міста. Як розповідали авторові фахівці Європейської комісії з питань енергетики, до вирішення цієї проблеми лише приступають. Але вже є певні напрацювання.

У Німеччині федеральний уряд ставить завдання вивести на німецькі дороги до 2020 року мільйон електромобілів, у Берліні їх має бути не менше 100 тисяч. Сьогодні, коли в німецькій столиці всього близько сотні таких авто, для них уже існує 550 станцій підзарядки. Готуються документи на видачу дозволу використання території колишнього аеропорту Темпельхоф або аеропорту Тегель для створення центру з обслуговування 100 тис. електромобілів та офісу сервісної телефонної служби. Плани на 2020 рік, а реалізовувати їх починають уже нині, тому перехід на електротранспорт, в усякому разі, Німеччину зненацька не застане.

Уже є очевидним, що за всієї економічності електротранспорт вимагає значного збільшення виробництва електроенергії. На визначений проміжок часу її можна отримати в достатній кількості лише завдяки спалюванню органічного палива: вугілля, нафти, газу або на атомних електростанціях.

І тут ми стикаємося з вельми живучим міфом про екологічну безпеку електротранспорту. Справді, електромобіль вихлопів не дає. Але складнощі є. По-перше, найкращі тягові характеристики має двигун постійного струму, але він — непроста річ через наявність колектора якоря. Тому в електромобілях застосовують двигуни змінного струму. У такому разі потрібен відповідний перетворювач (інвертор) постійного струму від акумулятора на змінний для двигуна і регулятор частоти для зміни в широкому діапазоні швидкості обертання ротора. Відразу виникає проблема гармонік високої частоти і захисту від них. Технічно це цілком можна розв’язати, але ускладнень та обтяження машини не уникнути.

Та не це головне. Електростанції димлять. Чим більша потужність їхніх агрегатів, тим більше диму. Якась частина уловлюватиметься, але не вся. І це принципове положення. В атмосферу все ж таки щось потрапляє. Отже, від викидів фосфору, сірки, вуглекислого газу ми не позбавляємося. Лише переносимо з борту електромобіля на електростанцію. Зрозуміло, централізовано боротися з димом і технічно, і організаційно легше, але зростання виробництва електроенергії неминуче призведе до збільшення їх кількості.

За принципом дії будь-яка теплова машина повинна мати холодильник. Це пристрій, у якому відпрацьована пара після турбіни охолоджується. Зазвичай на великих електростанціях це відкриті водоймища. Чим потужніші агрегати, а до цього енергетики прагнуть з технічних, технологічних та економічних причин, тим більше пари потрібно охолоджувати. Частково низькотемпературна пара використовується, наприклад, для опалювання. При цьому виникають інші труднощі, які обмежують таке застосування. Тепло зі ставків потрапляє в атмосферу і справляє ефект теплового забруднення. Відомо, що поблизу великих електростанцій змінюється мікроклімат. Є всі підстави вважати, що саме теплове забруднення буде головним екологічним чинником, який обмежує зростання потужності електростанцій та, відповідно, виробництва електроенергії. Поки що фізика не дає способів промислового видобутку електроенергії, оминаючи теплові машини. Але не виключено, що вони з’являться в майбутньому.

Наступна складність електротранспорту — утилізація відпрацьованих акумуляторів. Вони містять небезпечні для довкілля свинець і токсичні електроліти. Ці елементи підлягають регенерації. Свинець може бути використаний багато разів, так само як електроліти. Але утилізація вимагає розгалуженої інфраструктури й відповідного виробництва. Та це вирішувані проблеми. Набагато небезпечніше випадкове потрапляння цих елементів у ѓрунт або довкілля, наприклад у разі дорожніх пригод. Свинець та електроліт у цьому разі набагато більш небезпечні, аніж розлиті бензин чи дизельне паливо — органічні продукти. Вирішувати цю проблему лише починають, але вже зрозуміло, що вона простою не буде. Витрати на заходи зі збору та утилізації свинцю, електроліту та інших шкідливих речовин, що потрапили в довкілля, будуть великими.

Цей перелік можна продовжувати довго. Але зрозуміло одне — не існує однозначного вирішення транспортної проблеми. Зі зрозумілих причин ми не можемо перейти на один вид транспорту, оскільки кожен з них має свої переваги і недоліки. При цьому потрібно розглядати проблему не з точки зору одного автомобіля з ДВЗ або електромобіля, а весь комплекс, що пов’язаний з ними.

Проте економічні чинники будуть визначальними. За підрахунками фірми компанії «Тесла Моторс», на кожному мегаджоулі первинної хімічної енергії можна проїхати: на електромобілі з літій-іонними акумуляторами — 1,14 км; на гібридному автомобілі (ДВЗ плюс електромотор) — 0,56 км; на автомобілі з ДВЗ або з дизелем — 0,48—0,52 км; на автомобілі на стисненому метані — 0,32—0,35 км; — на автомобілі з воднем і паливними елементами — 0,32—0,35 км. Як бачимо, електромобіль має очевидні, а в майбутньому ще більші переваги, незважаючи на очевидні проблеми.

Транспорт стоїть на порозі суттєвих змін. І ця обставина визначає підвищений інтерес інвесторів. Як пише німецька економічна та фінансова газета Handelsblatt, такі гіганти автомобілебудування як японські Mitsubishi, Toyota, французька Peugeot і американська General Motors починають у все більших масштабах випускати електромобілі. В кінці поточного року остання запускає Chevrolet Volt вартістю тис. Порівняно із серійними вартість досить висока, але вже є понад 25 тис. потенційних покупців. Фірма планує до 2012 р. випускати вже 45 тис. електромобілів. Поки що чистих електромобілів випускатимуть відносно небагато, на середньострокову перспективу основними будуть гібридні. Президент Барак Обама має намір підтримати перехід американців на електротягу за допомогою податкового подарунку в розмірі в 00.

Пильну увагу привертають виробники комплектуючих, наприклад кабелів і бортових систем, та фірми, які займаються інфраструктурою і сервісом. В Ізраїлі фірма Better Place залучила 0 млн. на створення мережі зарядних станцій та мережі, що дає змогу заправляти електромобілі й обмінювати використані акумулятори на заряджені.

Електромобілі стали локомотивом у створенні принципово нових так званих інтелігентних електричних мереж, відомих як Smart Grids. У Німеччині цим серйозно займається електротехнічний гігант Siemens AG. У свою чергу, один з найбільших постачальників газу, компанія RWE спільно з фірмою Daimler, яка виробляє високопопулярні у світі автомобілі марки Mercedes, будує зарядні станції.

Америку в передові країни вивів транспорт — залізничний, морський, автомобільний. Схоже, що Китай хоче піти таким самим шляхом і стати лідером за допомогою електромобілів. У Піднебесній серйозно займаються цією проблемою, а поки купують відповідні за профілем фірми в Європі, Японії та США. Розуміють, де знаходиться магістральна дорога прогресу.

Юрій РАЙХЕЛЬ
Газета: 
Рубрика: