Долгий путь от бензина к электричеству

Переход от двигателей внутреннего сгорания к электромоторам — процесс небыстрый. CHIP расскажет, на каком этапе сегодня находится электрификация автомобилей в глобальном масштабе.

Сегодня еще нет решения, которое действительно можно было бы назвать «автомобилем будущего» — такое мнение высказывают профессионалы отрасли. Консалтинговая компания KPMG провела опрос двухсот топ-менеджеров крупнейших компаний из сферы автомобилестроения по данной теме. Лейтмотив всех ответов оказался примерно таким: в далеком будущем мы будем ездить с использованием электрической энергии, однако как и чем она будет вырабатываться и каким образом поступать в автомобиль, пока еще совершенно непонятно. «Одно можно констатировать со всей определенностью, — заявляет Дитер Цетше, председатель совета директоров компании Daimler AG, — через 50 лет больше не будет никаких двигателей внутреннего сгорания». Сегодня еще производятся и продаются в основном автомобили с классическими бензиновыми или дизельными моторами. Тем не менее расставание с данной технологией передвижения, изобретенной более века назад, — уже на горизонте. Это обусловлено хотя бы тем, что рано или поздно запасы нефти на планете будут исчерпаны. То же самое относится и к альтернативным видам топлива — природному и сжиженному газу. Вот почему практически все автопроизводители сегодня работают над созданием электропривода для своих машин, так как именно электрическая энергия (с этим на данный момент согласно большинство автомобильных концернов) должна прийти на смену энергии, получаемую от ископаемых видов топлива. Переход от двигателей внутреннего сгорания к электромоторам произойдет постепенно. На начальном этапе ключевую роль будут играть гибридные решения.

Идее полностью или частично использовать электрическую тягу практически столько же лет, сколько длится история самого автомобиля. Так, уже в 1888 году, то есть спустя всего два года после получения Карлом Бенцем патента на свой трехколесный автомобиль, фабрика Андреаса Флока в городе Кобурге (Германия) представила собственный «электрокар». Он производился на протяжении 15 лет и был отнюдь не единственным представителем класса транспортных средств с электродвигателем, приводившим в движение колеса машины, и аккумулятором в качестве источника энергии.

Гибридному автомобилю — 112 лет

Впрочем, гибридный автомобиль — это далеко не современное изобретение. Еще в 1901 году первую такую модель представил Фердинанд Порше. Она приводилась в движение двигателем внутреннего сгорания и электрическими моторами в ступицах колес. Однако эта технология оставалась невостребованной в ходе дальнейшего развития автомобильной техники. И лишь в 1989 году конструкторы Audi использовали аналогичный принцип в одном из своих прототипов. Спустя восемь лет — в 1997 году — компания предложила модель DUO с дизельным мотором мощностью 90 л. с. и электрическим силовым агрегатом. Планировалось изготовить 500 экземпляров этой модели, но продать удалось лишь около 100. Возможно, дело было в цене, так как автомобиль стоил в то время в два раза дороже своего прототипа с бензиновым мотором. В отличие от Старого света, в Японии новая технология вызывала исключительно высокий интерес у потенциальных покупателей. В 1997 году компания Toyota начала производство модели Prius — компактного автомобиля с гибридным приводом. Эта машина стала первым из запущенных в крупносерийное производство авто с комбинацией из бензинового и электрического моторов. Она полностью перевернула автомобильный мир. Ведь то, что поначалу производило впечатление всего лишь технологической забавы, теперь считается ключевым решением для обеспечения существенной экономии топлива без каких-либо ограничений на использование автомобилей. Средний расход горючего у современной версии Prius составляет около 3,9 л на 100 км, что соответствует уровню выброса CO2 около 89 г на один километр. Поэтому нет ничего удивительного в том, что эта модель занимает лидирующие позиции в рейтинге самых экологичных автомобилей. Сегодня наряду с Toyota Prius существуют многочисленные гибридные решения и от других производителей. В параллельном гибридном приводе электрический двигатель и ДВС совместно приводят в движение трансмиссию машины. Один только электромотор не в состоянии обеспечить перемещение автомобиля по дороге. Преимущество подобной конфигурации заключается в том, что оба мотора, работающие в паре, могут быть меньше по габаритам и иметь меньшую массу. Недостатком же является то, что теряется удовольствие от езды в режиме исключительно электромобиля, при котором машина движется практически бесшумно, не выбрасывая в атмосферу вредных веществ.

Принципиально иная форма гибридной технологии автомобильных моторов — это последовательный гибридный привод. В этом случае электрическая часть двигателя имеет достаточную мощность, чтобы самостоятельно приводить в движение автомобиль. ДВС начинает работать лишь в том случае, когда требуется полная мощность для ускорения либо когда при движении необходимо вырабатывать электроэнергию для подпитки электромотора. Такой тип гибридного привода называется Range Extender, потому что в данном случае ДВС, в принципе, предназначен лишь для увеличения дальности хода электромобиля и сам по себе не добавляет мощности силовой установке машины. Разумеется, созданы и смешанные формы описанных выше гибридных приводов, так что, в зависимости от типа автомобиля и сферы его применения, в качестве ДВС может выступать как бензиновый, так и дизельный мотор — они комбинируются друг с другом оптимальным способом.

  Без электропривода

Гибридные установки могут различаться и характеризоваться по другим признакам — например, по варианту использования в автомобиле. Так называемые микрогибриды обходятся вообще без электропривода. В данном случае речь идет об автомобилях с  автоматической системой «старт-стоп», включающей специальный генератор для преобразования энергии торможения в электрическую (на профессиональном языке данный процесс называется рекуперацией). Итак, что же происходит в автомобилях, оснащенных  микрогибридными двигателями? Когда водитель останавливается с выключенным сцеплением на перекрестке при запрещающем сигнале светофора либо в дорожной пробке, двигатель внутреннего сгорания выключается. Как только можно продолжать движение, достаточно просто нажать на педаль сцепления, чтобы мотор опять заработал. С технической точки зрения подобная система является простейшим «апгрейдом» автомобиля и позволяет экономить до 5% топлива при езде по городу. В свою очередь рекуперация начинает функционировать в тех  случаях, когда автомобиль движется под уклон или водитель снимает ногу с педали газа и едет по инерции — например, подъезжая к перекрестку, на котором горит красный свет. В подобных ситуациях часть энергии движения используется генератором для выработки электроэнергии. При этом дополнительно не тратится ни капли топлива, в то время как в обычном режиме электричество, необходимое для работы различных систем и агрегатов автомобиля, вырабатывается за счет активности двигателя, который беспрерывно сжигает топливо. Таким образом, и рекуперация помогает — пусть даже незначительно — экономить горючее.

Любой гибридный двигатель обеспечивает определенную экономию топлива, а каждый несгоревший литр бензина или дизельного топлива означает не только пользу для семейного бюджета, но и меньший объем выброса CO2 в атмосферу. Вклад в дело сохранения климата на нашей планете (помимо сбережения энергоресурсов) — это еще один важный повод для расходов на то, чтобы сделать автомобили более экономичными. Другая причина, крупным шрифтом обозначенная на каждой заправке, — стоимость топлива. И пусть время от времени она снижается, общая тенденция такова: цены на бензин и дизельное топливо неуклонно растут. Помимо всего прочего, электродвигатель намного эффективнее двигателя внутреннего сгорания. Коэффициент полезного действия современных ДВС составляет около 35%, для некоторых дизельных моторов этот показатель равен 45%. Применяемые сегодня в автомобилях синхронные электродвигатели преобразуют не менее 95% подаваемой в них энергии в энергию тяги. Особенно очевидным различие в КПД двигателей внутреннего сгорания и электромоторов оказывается при движении в диапазоне частичных нагрузок, когда мотор задействован не полностью. Такое сегодня случается постоянно — например, при неспешной езде за городом или в плотном городском потоке. Другими отличительными особенностями электромоторов является то, что они совсем не потребляют энергии при остановке автомобиля, развивают максимальный крутящий момент с первых оборотов и могут генерировать электрический ток для зарядки аккумулятора при торможении машины.

Следующая после микрогибрида степень электрификации автомобиля — это так называемый «мягкий» гибрид. Автомобили с подобной системой привода имеют как ДВС, так и  электродвигатель, но при этом мощности последнего недостаточно, чтобы в одиночку приводить автомобиль в движение (как в случае с параллельным гибридом). Когда машина движется без ускорения или тормозит, электродвигатель начинает работать как генератор, вырабатывающий электроэнергию, которая при последующем ускорении будет преобразована в энергию движения автомобиля. Экономия топлива у силовых установок подобного типа оценивается в 15–20%.

Конструкция полногибридных силовых установок идентична тем, которые устанавливаются в гибридных автомобилях «мягкого» типа. Разница лишь в том, что мощности электромоторов у полных гибридов достаточно, чтобы машина могла передвигаться за счет одной только электроэнергии. Дальность пробега в режиме электромобиля будет зависеть от емкости аккумулятора, который может обеспечивать либо поездку на расстоянии 1–2 км по жилым кварталам, чтобы добраться до дома, либо кратковременную езду без выброса вредных газов по автобану. Аккумулятор является критичным элементом любого автомобильного электропривода, так как литий-ионные батареи, например, имеют сравнительно большой вес, очень высокую стоимость и к тому же весьма чувствительны к температуре окружающей среды. Зато эффект экономии у полногибридного решения по сравнению с аналогичным, у которого установлен только ДВС, составляет от 20 до 30%.

    Цена — решающий фактор

Для покупателей гибридных или электромобилей решающим фактором, безусловно, станет величина расходов на содержание и эксплуатацию такой машины. Согласно расчетам европейских специалистов, при нынешнем уровне развития технологий и цен на топливо замена бензинового автомобиля на электрический оправдывает себя лишь при очень интенсивной эксплуатации машины — после того, как пробег превысит показатель в 178 500 км. Если же сравнивать электромобиль с дизельными решениями, то водителю первого нужно проехать не менее 270 000 км, чтобы получить эффект экономии. Это связано в первую очередь с невероятно высокой стоимостью аккумуляторов. Однако, по прогнозам экспертов, цены на аккумуляторы в течение ближайших десяти лет должны снизиться вдвое, и тогда электромобили будут окупаться значительно быстрее. Определенный вклад в это могли бы вносить налоговые льготы или финансовое содействие со стороны государства. Итак, появление автомобиля будущего, без сомнения, не за горами. Однако пока мы не знаем, какого типа у него будет силовая установка, окажется ли он дешевле, чем сегодняшние образцы, и будет ли в достаточной мере экологичным.

Победа гибридов на годках: маховик вместо аккумулятора

В этом году в 80-й раз прошли 24-часовые гонки во французском городе Ле-Ман, и впервые победителями стали гибридные автомобили Audi R18 e-tron quattro, опередившие на финише классические болиды. Задние колеса этой модели приводятся в движение дизельным мотором мощностью более 500 л. с., а с передними связан блок моторовгенераторов электрической системы. В фазе торможения генератор эффективнее уменьшает скорость, а полученная при этом энергия помогает автомобилю при разгоне. Изюминкой данной технологии гоночного автомобиля является маховиковый накопитель энергии: в болиде отсутствуют аккумуляторы или конденсаторы — имеется лишь изготовленный из углепластика маховик, вращающийся в вакууме и разгоняемый и затормаживаемый блоком мотора-генератора. Такое необычное технологическое решение обеспечивает для гоночного автомобиля, едущего в непрерывно меняющихся режимах — от резкого ускорения до сильного торможения, определенные преимущества. Маховик легче, чем аккумулятор, и в значительно меньшей степени подвержен воздействию высоких температур или перегрузок. Из-за того, что энергия в маховике может сохраняться лишь непродолжительное время, подобная технология пока неприменима для серийных машин.