Денис ХИТРЫХ
Директор центра исследований
и разработок, директор по маркетингу, MBA, «КАДФЕМ Си-Ай-Эс»
e-mail: denis.khitrykh@cadfem-cis.ru
Введение
В мировом машиностроении сегодня наблюдается тенденция постепенного смещения интереса ведущих автопроизводителей и потребителей от автомобилей с традиционными бензиновыми и дизельными двигателями к автомобилям, использующим в составе силовой установки двигатели на альтернативных источниках энергии, в частности, электромобили. Совокупные продажи гибридных (HEV) и полностью электрических автомобилей (EV), согласно оценкам Международного энергетического агентства, превысили в 2019 году 2 млн единиц, что составило около 2,4–2,6 % мирового рынка новых автомобилей. Пандемия и глобальный карантин, спровоцировавшие экономический кризис, поставили ведущих мировых автопроизводителей электромобилей в очень сложные условия. В большей степени это затронуло европейских автопроизводителей, перед которыми встала возможная угроза штрафных санкций за несоответствие «зеленой» программе Евросоюза. С 1 января 2020 года в ЕС вступили в силу новые нормы выбросов углекислого газа автомобилями. Согласно новым правилам, автопроизводители с 2020 года должны выпускать 95 % автомобилей с уровнем выбросов в 95 г/км, с 2021 года такой показатель выбросов должен быть у всех впускаемых машин. Кроме того, для стимуляции производства электромобилей с 2020 года каждый проданный автомобиль с выбросом менее 50 г/км засчитывается автопроизводителям за 2 автомобиля с низким уровнем выбросов, с 2021 года – за 1,67 и с 2022 года – за 1,33. Предполагалось, что такой постепенный переход и серьезная господдержка даст автопроизводителям время на «мягкую» модернизацию производства под выпуск более «зеленых» моделей. Теперь предстоит начать дело фактически с чистого листа, а тотальный и ускоренный переход на гибриды и электромобили потребует от европейских автопроизводителей беспрецедентного уровня инвестиций. При этом они подвергаются риску потери доли рынка в пользу электромобилей компании Tesla, альянса Renault – Nissan – Mitsubishi и т. д., а в менее дорогом сегменте им придется конкурировать с автомобилями китайских автопроизводителей JAC, Zotye и др.
Вокруг электромобилей сегодня накопилось огромное количество мифов, а экспертное сообщество разделилось на два противоположных лагеря – электроскептиков и электрооптимистов. Как правило, первую точку зрения отстаивают производители традиционных автомобилей с двигателями внутреннего сгорания, а вторую – сторонники «зеленых» технологий. Я не отношу себя ни к первым, ни ко вторым, но меня настораживает один факт – как при такой многолетней и массированной поддержке со стороны государства до сих пор не наступил массовый рыночный взлет электромобилей?
Текущий уровень развития технологий
Термин «электрический автомобиль» (EV), как правило, означает транспортное средство, которое приводится в движение электродвигателем, питающимся от автономного источника электроэнергии. По своему типу электромобили подразделяются на гибридные (HEV), заряжаемые двигателем внутреннего сгорания (в подобных автомобилях пробег на электротяге крайне ограничен), и гибридные с возможностью зарядки от сети (PHEV). Подключаемые гибриды (плагины-гибриды) разделяются на несколько типов: параллельные – они совмещают работу электрического и бензинового двигателей и допускают зарядку батареи от сети; последовательно-параллельные – способны работать как последовательные, так и как параллельные гибридные автомобили с электромотором в качестве основного привода; последовательные (REEV/REX) – электромобили с увеличенным запасом хода. В таком типе гибрида автомобиль всегда приводится в действие электрическим двигателем, который питается непосредственно от батареи, однако сама батарея заряжается во время движения встроенным топливным генератором. И, наконец, полностью электрические автомобили (EV/BEV) и автомобили на топливных ячейках (FCV), в состав которых входит электрохимический генератор для преобразования водорода в электрическую энергию.
Автономность или дальность пробега современных гибридных автомобилей достигает 750 км и более. В ближайшем будущем она может достигнуть одной тысячи километров. Серийные полностью электрические автомобили, как правило, имеют автономность на уровне 250–300 км. Заявленная автономность топовой модификации Tesla Model 3 приближается к 500 км, а максимальная автономность Tesla Model S, согласно данным EPA (Агентство по охране окружающей среды США), превышает 600 км. Такая высокая автономность электромобилей Tesla достигнута в первую очередь за счет использования аккумуляторных батарей повышенной емкости, а также посредством оптимизации системы управления аккумуляторными батареями. Однако следует отметить, что американская компания Tesla уже неоднократно попадалась на завышении технических характеристик своих автомобилей.
В 2015 году Институт транспортных исследований Калифорнийского университета (ITS-Davis) провел сравнительное исследование автономности гибридных (PHEV) и электрических автомобилей (EV) [1] (см. рис. 1).
Сравнивая эти цифры с данными, которые мы имеем к 2020 году, можно смело утверждать, что до сих пор не устранен основной недостаток электромобилей, связанный с их невысокой автономностью. Таким образом, недостаточная емкость, большое время заряда, малая удельная энергия аккумуляторов ограничивают уже много лет усилия конструкторов электромобилей. Кроме того, растущая популярность электромобилей требует использования все большего количества аккумуляторных батарей, являющихся компонентами сложных систем, которые должны работать оптимально, чтобы обеспечить безопасное и эффективное использование энергии.
Вместе с тем, постепенно уходит в прошлое другой ключевой недостаток электромобилей, связанный со стоимостью аккумуляторов (см. рис. 2). Если в 2005 году аккумуляторы стоили в среднем 1300–1500 долларов за кВт·ч, то уже к 2015 году цена упала почти в 3 раза, до 500 долларов. Согласно оптимистичным прогнозам [2], в 2025 году цена может приблизиться к отметке 100 долларов за кВт·ч.
При этом надо понимать, что конкурентоспособность электромобиля напрямую зависит от стоимости нефти. Так, при цене 240 долларов за кВт·ч, литий-йонные аккумуляторы конкурентоспособны при стоимости нефти в 75 долларов за баррель. При цене нефти 50 долларов за баррель стоимость батарей не должна превышать 150 долларов за 1 кВт·ч.
Определенные основания для оптимизма дает совершенствование технологии аккумуляторных батарей. Если в 1980‑е годы никель-металлгидридные батареи имели удельную емкость до 120 Вт·ч/кг, то современные литий-ионные батареи, применяемые на электромобилях, способны вмещать до 2,6 кВт·ч на килограмм собственного веса (таблица 1).
Во-вторых, они допускают более глубокий заряд и разряд. Если для никель-металлгидридного аккумулятора оптимальный диапазон зарядки составляет от 40 до 60 %, то есть всего 20 % общей емкости, то для литий-ионного аккумулятора она в 2,5 раза больше: от 25 до 75 % [3].
Однако у литий-ионных аккумуляторов есть и существенные недостатки. В отличие от большинства электронных интегральных схем и микрочипов, оптимальный диапазон температур для литий-ионных аккумуляторных батарей довольно узкий (от 25 до 45 ˚C) и варьируется в зависимости от поставщика, режима зарядки и других факторов. Чтобы обеспечить нормальную работу и избежать необратимых повреждений, средняя температура ячеек и разница температур между ними должны находиться в пределах целевого диапазона. Длительная эксплуатация батарей при температурах ниже –15 ˚C может снизить емкость батарей и количество возможных циклов зарядки вдвое. Этот факт следует учитывать при эксплуатации электромобилей в России. Кроме того, батарея электромобиля испытывает деградацию приблизительно на 0,007–0,01 % при каждом цикле разряда и заряда за счет уменьшения активного вещества анода, катода и электролита.
Регулирование температуры ячеек и аккумуляторных блоков в заданном диапазоне может увеличить количество циклов зарядки аккумулятора, что, в свою очередь, повысит надежность работы устройства. Кроме того, эффективное тепловое решение поможет снизить вероятность катастрофического отказа батареи.
Аккумуляторные блоки имеют разделители, чтобы электроды не касались друг друга и не выделяли тепло. Однако разделители могут выйти из строя по ряду причин. В частности, они могут повредиться при боковом ударе, а также ударе электрическим током. Кроме того, экстремальные температуры окружающей среды или связанные с работой автомобиля также могут привести к повреждению разделителей. Любая из указанных ситуаций может привести к перегреву, в результате чего аккумулятор может даже взорваться. Чтобы избежать таких проблем, современный электромобиль оснащен надежной и экономичной системой контроля температуры аккумуляторной батареи, которая фиксирует повышение температуры в отсеке батарей и мгновенно прерывает электрическую цепь.
Поскольку литий-ионная аккумуляторная батарея представляет собой сложную мультифизичную систему, при ее проектировании в настоящее время инженеры используют технологии компьютерного и системного моделирования, а также цифровых двойников. Так специалисты компании Electronic Cooling Solutions использовали ПО Ansys для оптимизации конструкции тепловой системы аккумуляторной батареи [4]. На рис. 3 показано объемное поле температур аккумуляторного модуля, смоделированное в ПО Ansys.
Специалисты Electronic Cooling Solutions получили хорошую корреляцию результатов электротеплового расчета с экспериментальными данными. Расчет теплового режима батареи, как правило, включает трехмерное CFD-моделирование с высоким разрешением, позволяющее получить объемное распределение температур в аккумуляторном блоке (рис. 4).
Что касается перспектив развития батарей, то они в первую очередь связаны с изменением стехиометрического состава электродов аккумуляторов на основе NMC (LiNixMnyCozO2 – литий-никель-марганец-кобальт-оксидные аккумуляторы) в сторону увеличения содержания никеля и марганца в составе NMC (см. рис. 5), а также с исследованием возможности увеличения электропроводности катода на основе NMC при использовании углеродных покрытий различной природы, в том числе – графена. Анализ литературных данных показывает, что в последнее время появилось много публикаций по модификации катодных материалов графеном [6, 7]. Некоторые аналитики считают, что использование графена позволит сократить на треть стоимость батареи и увеличить ее емкость до 1000 Вт∙ч/кг [8].
Также важно отметить, что большинство экспертов сходятся во мнении, что существующие литий-ионные батареи (ЛИБ) практически достигли предела своей эффективности, и в ближайшие 5 лет могут нарастить ее не более чем на 20–30 %.
Твердотельные ЛИБ – еще одна из перспективных технологий в ближайшие 5–10 лет. В теории энергоемкость твердотельных аккумуляторов может достигать 1000 кВт·ч на 1 кг и более. Компания Toyota планирует в начале следующего года представить электромобиль с новым твердотельным аккумулятором, который обеспечит 10‑минутную быструю зарядку и дальность пробега до 500 км.
Инфраструктура зарядки, замены и утилизации аккумуляторных батарей
Одной из проблем современных электромобилей является достаточно низкая дальность пробега на одной зарядке. При этом среднее время зарядки батарей электромобиля составляет около 8–12 часов в зависимости от емкости батареи и величины зарядного тока. По данным Международного энергетического агентства, на начало 2020 года в мире насчитывалось чуть более 860 тысяч точек подключения на зарядных станциях. И только треть из них имеют возможность быстрой зарядки. В России сейчас, по данным аналитического агентства «АВТОСТАТ», зарядная сеть состоит из 251 станции. Группа «Россети» планирует к 2024 году расширить сеть зарядных станций до 1 тысячи единиц, и рассматривает возможность предоставления специальных тарифов для зарядки электромобилей. На первом этапе планируется охватить сетью зарядных станций для электромобилей все крупные города с населением более 1 млн человек. На втором этапе сеть будет в городах с населением от 500 тыс. до 1 млн жителей [9].
Качественно новым этапом развития индустрии электромобилей стала разработка в начале 2000‑х концепции Vehicle‑2-Grid (V2G) (см. рис. 6). Технология V2G подразумевает возможность организации контролируемого и двунаправленного потока электрической энергии между транспортным средством и электрической сетью. Электрическая энергия поступает от сети к электромобилю для того, чтобы зарядить батарею. И наоборот, когда электрической компании необходима энергия, например, для обеспечения пиковой мощности, транспортное средство возвращает электрическую энергию обратно в сеть.
Исследования показывают, что транспортные средства не используются для активных перевозок более 90 % времени [6], поэтому в это время батареи электромобиля могут без ущерба использоваться для обслуживания рынков электроэнергии. Согласно оценкам Navigant Research, мировая выручка от решений на основе V2G вырастет до 190 млн долларов к 2020 году [10], а к 2025 году глобальный рынок систем накопления энергии составит 80 млрд долларов.
Сейчас автоконцерны, крупнейшие производители аккумуляторов и зарядных устройств, международные энергетические компании, активно ищут пути внедрения технологической концепции V2G. Компании Nissan Motor и EDF Group в начале 2019 года подписали соглашение о сотрудничестве по ускорению развития электрической мобильности посредством внедрения контролируемой (интеллектуальной) зарядки для электромобилей. Данное соглашение распространяется на территории Великобритании, Франции, Бельгии и Италии. Оно должно вывести EDF Group к 2022 году в лидеры по зарядной инфраструктуре для электромобилей на этих рынках. В рамках соглашения о сотрудничестве Nissan отвечает за продажу V2G-совместимых электромобилей, а EDF Group отвечает за развертывание сети зарядных станций. Таким образом, технологии контролируемой зарядки очень важны для распространения электрического транспорта. Они позволяют встроить в энергосистему большое количество электрических машин без существенного увеличения мощностей электростанций.
Согласно данным отчета, подготовленного фондом «Центр стратегических разработок» [11], Россия существенно отстает от других стран в формировании национальной системы накопления электроэнергии (СНЭ) на промышленном уровне. При этом страны-лидеры ведут проактивную политику по данному направлению. Например, Китай относит накопление энергии к одной из 8 ключевых сфер развития энергетики, и планирует до 2021 года ввести 46 ГВт СНЭ. По самым оптимистичным оценкам, максимальный объем российского рынка СНЭ к 2025 году составит 8,6 млрд долларов в год, более реалистичный прогноз дает цифру в 1,5–3 млрд долларов в год.
Возвращаясь к вопросу, который я поставил в начале: почему при активной поддержке со стороны государства, например, в виде субсидий, мы не наблюдаем массового проникновения электромобилей на рынок? Причин здесь несколько. Во-первых, многие эксперты уже сейчас прогнозируют вероятность возникновения дефицита металлов, используемых в изготовлении аккумуляторов. Как отмечают аналитики Wood Mackenzie [12], в ближайшем будущем из-за повышения выпуска электромобилей, спрос на металлы будет повышаться столь быстро, что поставщикам не удастся успевать за ним. Поскольку на планете запасы лития, кобальта и никеля исчерпываются, их может просто не хватить, чтобы удовлетворить будущий спрос автоконцернов. В современных аккумуляторах стоимость лития формирует 12–15 % его цены, а 14 % всего добываемого лития достается электромобилям. Ожидается, что к 2025 году эта доля вырастет до 40 %.
Еще одним сдерживающим фактором для массового выхода электромобилей на рынок является отсутствие жизнеспособной и рентабельной бизнес-модели. Если посмотреть на лидеров-автопроизводителей электромобилей, компании GM, Tesla, Mercedes-Benz, то эти производители покрывают убыточность своих электропроектов доходами от продаж традиционных машин с двигателями внутреннего сгорания. В 2020 году компания Ford Motor отказалась от планов по выпуску электрического кроссовера под премиум-маркой Lincoln, понеся убытки в размере 500 млн долларов. Еще ранее компания Dyson планировала вложить в новое направление 2,7 млрд долларов и приобрела несколько стартапов в области разработки технологий для электромобилей. Компания даже разработала прототип, но в итоге закрыла проект. «Команда Dyson разработала потрясающий электромобиль. Но мы просто не видим, как сделать его производство коммерчески обоснованным», – заявил исполнительный директор компании Джеймс Дайсон.
Наконец, полный или частичный отказ от обычных машин с двигателями внутреннего сгорания может спровоцировать значительный рост цен на электричество и его дефицит. Согласно исследованию BloombergNEF, повсеместное распространение электромобилей приведет к росту электропотребления по всему миру на 6,8 % уже к 2040 году, что соответствует 1350 дополнительным ТВт∙ч, необходимым для зарядки электромобилей [13]. Также дополнительное электричество потребуется для добычи редкоземельных металлов, используемых в батареях.
Все приведенные факты указывают на то, что государству отводится важная, но не определяющая роль в расширении рынка электрического транспорта. В эпоху глобальной экономики необходимо учитывать множество факторов при разработке стратегии выхода инновационного продукта на рынок, который претендует даже на смену парадигмы городской мобильности и решение экологических проблем.
Заключение
Развитие электромобильного транспорта сегодня рассматривается многими странами мира как способ решения существующих экологических проблем, возможность формирования новых рынков инновационной продукции и потому активно поддерживается государством различными способами. При этом основными барьерами развития «зеленого» транспорта являются стоимостные (высокая цена на электромобили) и инфраструктурные (отсутствие необходимой структуры зарядки, замены и утилизации аккумуляторных батарей). К основным драйверам роста мирового рынка электромобилей специалисты относят меры государственной поддержки спроса на экологически чистые виды транспорта, принятые во многих странах Европы, в США и Китае, а также технологические достижения в производстве батарей, позволяющих снизить стоимость самого дорогого элемента электромобиля – аккумулятора.
Российский рынок электромобилей в настоящее время практически не поддерживается никакими мерами государственного регулирования и развивается спонтанно. Однако интерес к электрификации транспортных средств в России начинает постепенно расти в соответствии с мировыми трендами.
