Электрический УАЗ, водородный Аурус: как Россия будет отказываться от ископаемого топлива
Пока в это верится с трудом, но через несколько десятков лет России, в рамках общемирового тренда на углеродную нейтральность, придется отказаться от использования в автомобилях своего главного ресурса - ископаемого топлива - либо значительно уменьшить его потребление. Насколько реалистичны такие планы?
Углеродная нейтральность, отраженная в европейском климатическом законе, означает обязанность компаний сократить выбросы углекислого газа и его аналогов, как в процессе производственной деятельности, так и за счет низкой углеродной емкости отдельных видов продукции. Крупнейшие европейские автопроизводители спешно корректируют производственные планы. Например, Volvo Trucks в рамках принятых на себя обязательств по Парижскому соглашению по климату намерена планомерно увеличивать долю электрогрузовиков в своем продуктовом портфолио, а к 2040 году полностью отказаться от двигателей, использующих в своей работе ископаемое топливо.
Казалось бы, какое нам дело до Евросоюза? Хотят вводить дополнительные обременения в отношении своих компаний — их право. Но для нашей страны важно не быть статистом, начать активные действия. Самый известный пример таких действий — сфера городского общественного транспорта.
Столичная электрификация
Власти Москвы внедряют комплексную программу электрификации наземного городского пассажирского транспорта. По словам заместителя руководителя столичного Дептранса Дмитрия Пронина, парк электробусов в Москве вырастет с 1000 единиц в 2021 году до 2300 в 2023‑м, число электрозаправочных станций за этот же период увеличится с 168 до 449 единиц. Через 8–10 лет в столице останется только электрический наземный транспорт. Москва уже стала европейским лидером по числу электробусов. Сегодня подобные машины обслуживают 61 маршрут. «Столичные электробусы тише автобусов на 30 %, срок их службы на условиях сервисного контракта — 15 лет, что на 5 лет дольше, чем у троллейбуса. Затраты на эксплуатацию по сравнению с троллейбусом ниже на 10 %, к тому же отечественные электробусы дешевле зарубежных аналогов на 30 %. С 2023 по 2030 год Москва планирует приобретать по 700–800 электробусов ежегодно», — рассказал Дмитрий Пронин.
А вот в Международной ассоциации предприятий городского электрического транспорта уверяют, что электробус КАМАЗ-6282 с зарядкой на конечной станции и автономным ходом до 50 км обходится дороже троллейбуса минимум на 31 %, автобуса — на 37 % (при низком пассажиропотоке), трамвая — на 51 %. Так, если обслуживание одного дизельного автобуса стоит 879,6 тыс. руб. в год, газового аналога — 1 млн руб., троллейбуса — 795,7 тыс. руб., то электробуса — 2 млн рублей. Даже в транспортном ведомстве Москвы признали, что суммарные расходы на содержание одного электробуса оцениваются в 8,1 млн руб., троллейбуса — 7,1 млн руб., дизельного и газового автобусов соответственно — 6,7 и 6,3 млн. А еще электробусы в среднем вдвое дороже троллейбусов. Одна только АКБ в электробусе стоит 10–15 млн руб., а через 7,5 лет ее надо менять за счет средств «Мосгортранса». Вот почему эксперты уверены, что троллейбусы и трамваи остаются наиболее выгодным городским транспортом.
Химия и жизнь
Одним из актуальных трендов автомобилестроения является использование в качестве энергоносителей водородных топливных элементов (ТЭ). Спрос на транспортные ТЭ за последние 13 лет вырос в 166 раз — с 6 МВт в 2007 году до 993,5 МВт в 2020‑м. Причина в том, что в ТЭ, в отличие от традиционных тепломеханических преобразователей, процесс трансформации химической энергии топлива в электрическую выполняется в одну стадию с минимальными потерями, более эффективно и без вреда для экологии. Неудивительно, что на передний план выходят электрохимические генераторы (ЭХГ) с водород-воздушными топливными элементами. По прогнозам, их удельная стоимость с 2017 по 2029 год снизится с $1700 до $650/кВт, а срок службы возрастет с 600 до 30 000 часов.
Достоинства гибридных энергетических установок с топливными элементами заключаются в экологической чистоте по выбросам и шуму, высокой экономичности, меньшей требуемой установленной мощности, увеличенных межсервисных интервалах и низкой стоимости обслуживания в сравнении с механическими решениями, простом масштабировании мощности под требование заказчика, отсутствии привязки к контактной сети.
По словам главного конструктора ГК «ИнЭнерджи» Андрея Голодницкого, на транспорте происходит вытеснение традиционных видов топлива возобновляемыми источниками энергии. По инициативе «ИнЭнерджи» разработана программа развития новых мобильных источников энергии. Она содержит три направления: генерация, накопители энергии, водород и зеленая химия. Упор делается на использование российских технологий и развитие отечественной науки и производства.
В части транспортных энергетических установок стоит отметить работы по городскому электробусу КАМАЗ с ЭХГ на водород-воздушных топливных элементах и с буферным аккумулятором. Номинальная мощность ЭХГ — 36 кВт, емкость буферной АКБ — 43,8 кВт·ч, расход водорода в режиме номинальной мощности — 2,9 кг/ч, масса ЭХГ — 200 кг. Запас водорода в количестве 32 кг хранится в 8 композитных баллонах массой 1360 кг под давлением 350 бар. Ресурс ЭХГ достигает 60 тыс. часов, ресурс ТЭ — 20 тыс. часов.
Водоробус выигрывает у электробуса по стоимости владения и обладает потенциалом ее снижения. По данным департамента транспорта Москвы, НАМИ и расчетам «ИнЭнерджи», стоимость владения автобусом с энергоустановкой типа водород + АКБ составляет 155,9 руб./км, с АКБ — 178,6 руб./км, с газовым двигателем — 114,9 руб./км, с дизельным двигателем — 113,6 руб./км. Сразу видно, что экономическая эффективность эксплуатации машин с электрическими и водородными силовыми установками заметно отстает от их газовых и дизельных собратьев. Решение этой проблемы — дело не из простых.
Основными способами производства водорода являются электролиз воды, паровая конверсия воды и пиролиз ископаемых топлив. Первый способ характеризуется экологичностью, но высокими затратами на электроэнергию. Два других отличаются дешевизной, однако требуют нейтрализации СО2. Таким образом, экологически чистый водород в России сейчас возможно производить только в ограниченных количествах.
Кстати, водород втрое калорийнее традиционных топлив на единицу массы, в 10 раз легче природного газа и в 10 000 раз — жидких автомобильных топлив. При транспортировке масса водорода составляет проценты от массы баллона. Поэтому производить водород выгоднее прямо в местах заправки транспорта.
Себестоимость отпускаемого водорода, производимого с помощью паровой конверсии из метана/пропана, составляет без НДС и с НДС соответственно 290/348 и 371/445 руб./кг. У водорода, получаемого из воды, аналогичные показатели — 770/924 руб./кг.
УАЗ и электромобильность
Главный конструктор Ульяновского автозавода Олег Крупин остановился на деятельности предприятия, связанной с электрификацией модельного ряда. Отправной точкой стало превращение серийной модели УАЗ «Хантер» специалистами чешской фирмы MW Motors в электромобиль Spartan EV для работы в природных заповедниках. Оставив трансмиссию без изменения, вместо штатного ДВС в мотоотсеке УАЗа смонтировали 120‑киловаттный электромотор с крутящим моментом 600 Нм, а также навесное оборудование для привода тормозной системы и рулевого управления. Топливные баки заменили тремя блоками литий-ионных тяговых батарей емкостью 62 кВт·ч, размещенными в багажнике и по обоим бортам. Пространство между решеткой радиатора и электродвигателем занял блок коммутации высоковольтного напряжения, регулирующий работу батарей. Жгуты высоковольтных проводов проложили вдоль несущей рамы.
В таком исполнении автомобиль на полной зарядке проезжает 245 км, а его максимальная скорость — 130 км/ч. Выросли величина преодолеваемого подъема и тяговые качества. Чтобы зарядить батареи до 80 %, требуется один час. На сегодняшний день на базе Spartan EV изготовили два прототипа электро-«Хантеров», один из которых с правым рулем — для заказчиков из Великобритании.
Воплощение проекта в жизнь будет происходить в четыре этапа. Заключительный этап подразумевает выпуск опытно-промышленной партии электрического УАЗ «Хантер», анализ результатов выполненных работ и распространение опыта создания электро-«Хантера» на действующую производственную линейку УАЗа.
По словам Олега Крупина, уже в недалеком будущем электрический статус получат УАЗ «Патриот», которому отводят роль энергичного городского SUV, и УАЗ «Профи» как экономичный грузовик с мотором повышенной мощности для решения задач региональной логистики.
Культурная автономия
Одним из основных потребителей углеродно-нейтральных силовых установок будет автономный транспорт, считают эксперты. В России уже есть несколько примеров запуска опытно-промышленной эксплуатации беспилотного грузового транспорта. Так, компания «Эвокарго» с 2017 по 2021 год разработала и протестировала ряд беспилотных автомобилей. Об этом участникам конференции рассказал генеральный конструктор «Эвокарго» Илья Федичев.
Ядром системы являются четыре транспортные платформы: базовая малотоннажная версия EVO-1F, образец с откидывающимися бортами EVO-1P, модель с закрытым кузовом EVO-1V, перспективный базовый большегрузный тягач EVO-3S.
Модели серии EVO-1 грузоподъемностью 1,5 тонны оснащены гибридной системой питания от электрических батарей и водородных топливных элементов. Мощность электродвигателя составляет 40–60 кВт, запас хода — 250 км, емкость батареи — 36 кВт·ч. Электрохимический генератор, преобразующий водород из баллонов в электрическую энергию, развивает мощность 5 кВт при напряжении 210 В, энергоемкость со штатными баллонами — 40 кВт.
Беспилотная платформа EVO-1 успешно работала на территории крупного логистического оператора, выполняя грузоперевозки между двумя складами по заранее согласованному маршруту, а также использовалась в нефтедобывающей компании для перевозок от зоны разгрузки с вагонов до склада хранения.
Сегодня в «Эвокарго» разрабатывают магистральный беспилотный тягач EVO-3 с гибридной энергоустановкой (такой же, что и на EVO-1) для работы в составе автопоезда полной массой 44 тонны. Запас хода машины в условиях холодной погоды и максимальной загрузки достигает 250 км. От обычной сети электробатареи грузовика заряжаются за 10 часов, при быстрой зарядке — за 3 часа, при сверхбыстрой — за 10 минут.
По утверждению Ильи Федичева, использование водорода весьма актуально для увеличения пробега автомобиля. Полная заправка газом занимает 3–5 минут, после чего EVO-3
может проехать еще 750 км, дополнительно перевозя 300 кг груза. Благодаря этому в 2022 году компания запускает услугу перевозки грузов на расстояние до 1000 км.
Подводя итоги форума, можно отметить, что в России до сих пор на национальном уровне не определились с приоритетами в транспортной отрасли. В самом деле, одновременно активно разрабатываются госпрограммы развития как электрических, так и водородных автомобилей. Имеет место и тот факт, что сегодня в нашей стране не установлены цели по снижению токсичности автотранспорта, которые пока не нашли свое отражение даже в перспективных планах. Несмотря на это, власти энергично обсуждают локализацию низкоуглеродных решений, а также формирование заправочной и зарядной сетей параллельно для компримированного и сжиженного природного газа, транспортных средств, работающих с использованием электрических и водородных источников энергии.