Некоторые технико-экономические аспекты электрификации массовых автомобилей в США

УДК 629.113.(6+7)

Д.М. Эткин, эксперт Объединения автопроизводителей России, Чикаго-Москва

По публикациям в американской прессе, 15.12.2009

В последнее время в США, как в средствах массовой информации, так и в специальных изданиях, заметно возросло число публикаций, посвященных использованию электрической энергии для движения автомобилей с допустимым полным весом преимущественно до 10 тыс. фунтов (~ 4,5 т), обеспечивающих транспортные потребности населения. Наблюдается также увеличение таких транспортных средств как экспонатов, особенно среди перспективных прототипов, на наиболее крупных и авторитетных в мире автомобильных выставках (в частности, на Франкфуртской и Токийской автовыставках 2009 года).

Видимо, отмеченная тенденция не является случайной. Дело в том, что в большинстве стран повышается стремление к сокращению потребления нефтяного автомобильного топлива и на основе этого к существенному уменьшению своей зависимости от нефтедобывающих стран, со всеми вытекающими последствиями в международных отношениях. Кроме того, нефтедобывающие страны изменением квот поставки нефти, особенно на фоне увеличения её потребления развивающимися странами (в первую очередь, Китаем и Индией), имеют реальную возможность влиять на цену продаваемой на мировом рынке нефти, что зачастую сказывается на состоянии экономики отдельных стран.

Например, в США (рис. 1) по данным за период с 1970 г. наблюдается заметная обратная корреляция, часто с некоторым лагом (задержкой по времени) между изменением уровня мировой цены на нефть и темпами роста валового внутреннего продукта (Gross Domestic Product). Поэтому повсеместно в мире большое внимание уделяется проблеме повышения топливной экономичности автомобилей, поскольку на их долю приходится значительная часть общего потребления нефти (в США до 60%). Повышение топливной экономичности массовых автомобилей оказывает и прямое положительное влияние на экологическую обстановку.


Двигагатели внутренего сгорания (ДВС), используемые в качестве автомобильной силовой установки вот уже более 100 лет, постоянно улучшались, что в совокупности с совершенствованием конструкции, технологии и структуры применяемых материалов самих автомобилей обеспечивает непрерывное повышение топливной экономичности последних. Например, показатель средней корпоративной топливной экономичности (CAFE) продаваемых в США легковых автомобилей 2009 модельного года возрос до 32,6 миль/галлон (7,3 л/100 км), что в сравнении с аналогичным показателем автомобилей 1974 модельного года означает рост топливной экономичности в 2,3 раза.

Однако легко реализуемые резервы повышения топливной экономичности традиционных автомобилей исчерпываются. Дальнейшее её повышение достигается всё более и более дорогой ценой. Так, эксперты считают, что достижение поэтапного повышения топливной экономичности массовых автомобилей в США к 2016 г. в среднем на 40%, (предусмотренное принятым в 2009 г. стандартом), потребует увеличения затрат на их изготовление, что вызовет рост цены массовых автомобилей различных категорий не менее, чем на 700-1300 долларов США.

В таких условиях всё более заманчивой становится идея замены в индивидуальных транспортных средствах энергии сгорания нефтяного топлива на электрическую энергию, производство которой, в основном, базируется на местных источниках (уголь, газ, атомная энергетика, возобновляемые источники). Причём, идея эта отнюдь не является совершенно новой. Более века назад, в начальный период появления автомобилей как индивидуальных транспортных средств, на них в качестве источника энергии, наряду с ДВС, применялись электрические аккумуляторные батареи и даже, в отдельных случаях, паровые машины. Например, в первом в Америке автопробеге, который прошёл в 1895 году в пригороде Чикаго, приняли участие более 10 самоходных экипажей, среди которых около половины в качестве источника энергии использовали аккумуляторные батареи (говоря современным языком — были электромобилями). По характеристикам движения они ничем не уступали своим собратьям с ДВС.

В начале ХХ века в Нью-Йорке в качестве такси использовалось до 70 тыс. электромобилей. Однако в дальнейшем более простым оказалось совершенствование ДВС, что в совокупности с относительно невысокой ценой нефти сделало традиционные автомобили наиболее конкурентоспособными и обеспечило их абсолютное распространение. Применение электромобилей в качестве специальных небольших и упрощённых по конструкции пассажирских экипажей сохранилось только в тех местах, где запрещено использование выделяющих выхлопные газы ДВС (закрытые помещения, места массового скопления людей, и т.п.).

Автомобили с «гибридными» силовыми установками

Общеизвестно, что основными причинами, препятствовавшими до последнего времени массовому применению электромобилей являются:

- недостаточная ёмкость современных массовых аккумуляторных батарей, что вызывает малый запас хода или необходимость чрезмерного увеличения собственного веса экипажа;

- большая продолжительность подзарядки (не менее 6-8 часов) аккумуляторных батарей;

- высокая цена современных аккумуляторных батарей, что делает электромобили не конкурентоспособными на рынке по сравнению с традиционными автомобилями, даже при существующей повышенной цене нефтяного топлива.

Поэтому электрификация массовых автомобилей, которая сама по себе создаёт предпосылки для некоторого повышения их топливной экономичности (на основе замены механических и пневмогидравлических систем привода на электрические, принципиально характеризующиеся меньшим энергопотреблением), пошла с конца ХХ века по пути применения т.н. «гибридных» силовых установок. В них небольшой ДВС (независимо от принятого конкретного алгоритма использования) обеспечивает выработку электроэнергии, которая в процессе движения подзаряжает бортовые аккумуляторные батареи, являющиеся временным дополнительным (преимущественно, в перид разгона) или постоянным источником энергии для привода механизмов и систем автомобиля.

Автомобили с такими «гибридными» силовыми установками (гибридные автомобили — ГА), как следует из многочисленных рекламных публикаций, позволяют повысить топливную экономичность на 25-30%. Однако, рекламируемый уровень их топливной экономичности — 40 и более миль/галлон (5,9 л/100 км), в реальной эксплуатации часто не реализуется, что, видимо, вызвано значительно большим влиянием конретной индивидуальной манеры вождения ГА на потребление топлива, чем в случае автомобилей с обычными ДВС. Кроме того, распространение ГА сдерживается более высокой ценой, окупаемость превышения которой (за счет сокращения затрат на топливо) составляет не менее 3-5 лет, что не всегда приемлемо для основной массы потребителей. При таких противоречивых условиях начавшаяся в США продажа ГА с 9 тыс. шт. в 2000 г. увеличилась до 315 тыс. в 2008 г. (рис. 2).


Их рыночная номенклатура, вначале насчитывавшая две специально спроектированные модели малого размера ("Honda Insight" и "Toyota Ptius"), сегодня дополнительно включает 20 типоразмеров, являющихся модификациями соответствующиих базовых моделей традиционных массовых автомобилей с ДВС (табл. 1). По итогам за 10 месяцев (январь-октябрь) 2009 г. продажа таких автомобилей составила примерно 250 тыс. шт. или 2,8% всей продажи массового авторынка. Детальный анализ показывает, что наблюдаемые внутригодовые «всплески» их продажи происходят в периоды резкого увеличения цены нефтяного топлива.

Таблица 1. Модификации базовых моделей автомобилей США, оснащаемых «гибридными» силовыми установками (по сост. на 2009 г.)


(По данным U.S. Department of Energy, Alternative Fuels & Advanced Vehicles Data Center)

Следует отметить, что достигнутый в США уровень продажи автомобилей с «гибридной» силовой установкой примерно в 2 раза ниже тех оптимистических прогнозов, которые делались в начале ХХI века. Объясняется это, главным образом, указанными экономическими причинами (продолжительным сроком окупаемости превышения цены автомобиля) при пока сохраняющейся, в силу осуществляемой здесь налоговой политики, относительно невысокой розничной цене нефтяного топлива. Результаты опросов свидетельствуют, что покупателями таких автомобилей преимущественно являются проживающие в крупных городских агломерациях образованные люди с доходами, не менее чем в 1,5 раза превышающими средний уровень. К сказанному нужно добавить, что даже самое широкое применение ГА принципиально не решает, а лишь несколько смягчает проблему потребления нефтяного топлива индивидуальными транспортными средствами. Поэтому многими экспертами такой тип силовой установки рассматривается как временный, промежуточный этап на пути создания и развития производства «чистых» («чистокровных») электромобилей (Pure Electric Car). Распространение такой точки зрения расширяется, благодаря полученным в последнее время технологическим достижениям в области аккумуляторных батарей.

Постоянное техническое совершенство позволило за прошедшее 100-летие увеличить в 4 раза удельную ёмкость традиционных свинцово-кислотных аккумуляторных батарей (до 40-45 Ватт · часов на кг). Это позволяет хранить на борту до 2-3 килоВатт·часов (кВт · ч) электороэнергии, что может обеспечить пробег небольшого автомобиля в пределах примерно 10–15 миль (16–24 км). Такие батареи с использованием последних усовершенствований устанавливаются на большинстве моделей автомобилей с «гибридной» силовой установкой.

Дальнейшее технологическое развитие привело к появлению никель-металлогидридных аккумуляторных батарей, обладающих более высокой удельной электроёмкостью (до 90 Ватт·часов на кг). Их использование позволяет хранить на борту автомобиля 4-6 кВт·ч электроэнергии и даже насколько больше, обеспечивая пробег до 30, а в некоторых случаях и до 40 миль (64 км). Эти батареи создали реальные предпосылки для создания новой, более экономичной разновидности «гибридной» силовой установки, в которой батареи подзаряжаются не только во время движения автомобиля (от работающего на генератор небольшого ДВС), но и при стоянке автомобиля, при подключении к стационарным источникам электроэнергии. Подзарядка, продолжительность которой составляет до 6-8 часов, может осуществляться ночью, когда принадлежащие населению автомобили, как правило, не применяются. Такая разновидность автомобильных «гибридных» силовых установок получила в английском языке название «Plug-in Hybrid», что можно перевести как «Подзаряжаемая от электросети «гибридная» силовая установка» (буквально — включаемая в сеть, ибо в переводе с английского Plug — это штепсельная вилка, а in — включение). Автомобили, оборудованные указанной силовой установкой (ПГА), могут первые 30-40 миль (48-64 км) «пробежать», потребляя лишь электроэнергию батареи, заряженной от стационарного источника электроэнергии, не используя ДВС и не расходуя нефтяное топливо. При последующем пробеге начинает работать небольшой ДВС, который обеспечивает автомобиль энергией, как обычная «гибридная» силовая установка.

В связи с указанным, представляет интерес распределение по дальности (длине) поездок, которые совершаются на принадлежащих населению автомобилях. В США периодически проводятся опросы домашних хозяйств о разнообразных аспектах использования принадлежащих им автомобилей (National Household Travel Survey). Такие опросы в США проводятся государственной организацией (U.S. Census Bureau), а окончательную обработку их материалов и публикацию результатов осуществляет Центр транспортных исследований Национальной Лаборатории (принадлежащей Министерству Энергетики) в штате Теннесси — Oak Ridge National Laboratory. (Здесь уместно отметить, что охватывавший широкий круг проблем опрос «индивидуальных» владельцев автомобилей был проведён в СССР в начале 80-х годов; его проводили ОТЭП НАМИ совместно с ВНИИКС Минторга, а опросные анкеты распространялись через журнал «За Рулём»). В табл. 2 и табл. 3 приведены некоторые результаты указанных опросов, из которых следует, что примерно 85% всех поездок и не менее 70% поездок на работу, совершаемых населением с использованием своих автомобилей, имеют дальность в пределах 15 миль (24 км) в один конец.

Таблица 2. Характеристика поездок на принадлежащих населению США автомобилях


Таблица 3. Распределение по дальности поездок на принадлежащих населению США автомобилях в 2001 г.


Из этого следует, что существенная часть поездок населения США принципиально могла бы осуществляться ПГА только за счёт энергии батарей, подзаряжаемых от стационарных источников электроэнергии, без использования ДВС и без потребления нефтяного топлива. Однако, реальный спрос на такие автомобили зависит от затрат, связанных с их применением. Опубликованные в октябре 2009 г. результаты проведенного Университетом штата Мичиган опроса показывют, что вероятность приобретения населением ПГА при разных вариантах первоначальных затрат и стабильной экономии затрат на энергию в размере 75% от существующего уровня (при использовании традиционных автомобилей) характеризуется следующими данными (см. табл. 4).

Таблица 4


Следует отметить, что степень распространения ПГА зависит не только от традиционно учитываемых в таких случаях возможностей снижения производственных издержек (и связанным с этим снижением цены) и условий использования автомобилей (в первую очередь, от дальности поездок). Она зависит и от размера предоставляемых государством финансовых льгот при покупке таких автомобилей (они сегодня в США составляют 7,5 тыс. долл. как налоговая льгота), что влияет на величину связанных с приобретением затрат. Она зависит также и от розничной цены нефтяного топлива, величина которой определяется не только мировой ценой нефти, но и включаемыми в неё налогами (налог в розничной цене галлона бензина в США составляет примерно 40 центов, а в странах Западной Европы — зачастую не менее 4-5 долларов). Поэтому, некоторыми экспертами высказываются предположения о возможности более интенсивного применения ПГА в странах Европы, где меньше расстояния поездок, выше налоги в цене бензина и более интенсивно используются меры, стимулирующие улучшение экологических условий.

В настоящее время в США не продаются промышленно выпускаемые ПГА. Имеющееся их некоторое количество (порядка пары сотен штук) представляет собой кустарно дооборудованные обычные ГА, преимущественно "Toyota Prius". В зависимости от условий использования (в первую очередь, от дальности поездок), такие автомобили обеспечивают топливную экономичность от 65 до 95 миль на галлон (от 2,5 до 3,6 л/100 км). В настоящее время ряд фирм активно проводит дорожные испытания своих опытных образцов ПГА, подготавливая их серийное производство в ближайшем будущем (табл. 5).

Таблица 5. Перечень автомобилей ПГА (Plug-in Hybrid), намечаемых к продаже в США в ближайшее время


Во многих публикациях высказывается соображение, что производство ПГА не будет продолжительным. Такие автомобили многими экспертами также рассматриваются как временный, промежуточный этап электрификации массовых автомобилей: они в будущем будут полностью заменены совершенно не потребляющими нефтяное топливо электромобилями (ЭМ) и автомобилями с топливными элементами (АТЭ). Такие утверждения, в первую очередь, вызваны продолжающимися технологическими достижениями в области аккумуляторных батарей, в частности, основанных на применении лития.

Продолжение читайте в следующем номере