Машинобудування

Німеччина прагне бути світовим лідером у переході від ери двигунів внутрішнього згоряння до електромоторів. Нафта рано чи пізно закінчиться, а з нею – бензин і дизельне паливо. Що це означає для Німеччини з її десятками мільйонів автомобілів, можна було відчути 2008 року. Тоді ціни на пальне на автозаправках зростали мало не щодня. Дедалі більше німців були змушені залишати авто в гаражі й добиратися на роботу громадським транспортом. Ті ж, хто не міг собі цього дозволити, був змушений платити рекордні ціни. Ціна бензину марки А-95 тоді впритул наблизилася до 1,60 євро за літр. Найбільше вірогідною альтернативою традиційним двигунам сьогодні називають електромотори.

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. Кошти, які уряд ФРН спрямував у дослідження і підтримку електромобільних технологій, обчислюються сотнями мільйонів євро.  

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.

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.

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.

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.

Тим часом експерти застерігають: електромобіль  стане масовим явищем на німецьких  дорогах ще не скоро. Компанія Price Waterhouse Coopers провела спільно з німецьким  інститутом ім. Фраунгофера опитування на цю тему. Результат такий: дві  третини німців (60 відсотків) лише тоді придбають собі авто з повністю або частково електричним двигуном, коли він не відставатиме в технічному плані від звичайної машини з двигуном внутрішнього згорання. А для цього потрібні багатомільярдні інвестиції.Уряд ФРН вважає, що починати готуватися до електричного майбутнього автомобілів треба вже сьогодні. Канцлер Німеччини Ангела Меркель веде переговори з представниками автомобільної, хімічної та енергетичної промисловості. Всі вони мають дати відповідь на запитання – як можна пришвидшити поширення електромобілів?

Дистанційний  діапазон - поки що велика проблема, оскільки «серце» електроавтомобіля, його акумулятор, ще дуже слабке. На допомогу приходить  так званий «range extender». Це – маленький  запасний двигун, який починає працювати у ті моменти, коли акумулятор під час поїздки підводить. Такі «подовжувачі пробігу» представляє у Ганновері, зокрема, фірма Hatz Diesel з Баварії.

Не  обійтися майбутнім власникам електроавто  і без штекера для підзарядки авто, який мав би не лише підходити до будь-якої розетки, а й бути здатним заряджати акумулятор швидше, ніж звичайний штекер. Для цього необхідно запровадити певний стандарт. Такий штекер, приміром, вже розробила німецька фірма Mennekes з Північного Рейну-Вестфалії. Її голова Вальтер Меннекес поки не впевнений, чи зможе розробка його підприємства стати стандартом у світі, але сподівається, що провідні енергоконцерни та автовиробники достойно її оцінять.

На  успіх сподівається й інше підприємство з регіону: бохумський Bea-tricks представляє у Ганновері такий собі набір інструментів, за допомогою якого звичайнісінький «Смарт» швидко можна переобладнати на... електроавтомобіль.

У автомобільної промисловості вже  є відповідь – грошима. Уряд ФРН  має сприяти продажу електромобілів за рахунок премій. Це можуть бути знижки, безплатна парковка або звільнення від податків, сказав керівник концерну Opel Нік Райлі.

На  сьогоднішній день ведеться розробка проекту інформаційних та комунікаційних технологій з розвитку електромобільності. Частина проекту ухвалена урядом у серпні 2009-го року. Ідеться насамперед про підтримку досліджень, спрямованих на розробку акумуляторів.

На  амбітний план  урядовці покладають великі сподівання. По-перше, очікується різке скорочення обсягів викидів  СО2. По-друге, розвиток галузі передбачає створення нових робочих місць. По-третє, скорочується залежність від традиційних видів палива,  адже поклади нафти і газу у світі скорочуються. І останнє: Німеччина планує стати провідним ринком електромобільності.

Як  і в інших галузях, уряд ФРН  робить ставку на технічні ноу-хау німецьких фірм і їхню поважну репутацію у всьому світі. Крім того, держава інвестує в розвиток  цих технологій гігантські суми.  У рамках програми з підтримки кон'юнктури на це було спрямовано 500 мільйонів євро. Насамперед йдеться про розробку потужних і дуже ефективних акумуляторів, розбудову інфраструктури для електромобілів, пошук рішення вторинної переробки відпрацьованих батарей та підготовку висококваліфікованого персоналу.

За  прогнозами експертів перше електроавто від BMW  з’являться вже 2013 році. До цього часу концерн планує інвестувати у лейпцизьке підприємство 400 мільйонів євро. Як відомо BMW вже давно експериментує з електродвигунами для своїх машин. Так само й інші німецькі автовиробники планують протягом найближчих кількох років стартувати зі своїми електромобілями.

Конкуренти 

Боротьба  за найкращу технологію вже у розпалі. Конкуренти діють передусім у  Китаї та США, де у відповідні програми інвестують мільярди. Німеччина прагне бути нарівні: до 2020 року федеральний уряд Німеччини хоче запустити на вулиці мільйон електромобілів. У багатьох університетах старанно досліджують, а великі автоконцерни разом з енергоконцернами вже випробовують пілотні авто. Кожен хоче урвати свій шматок пирога. Навіть машинобудівники, як приміром, Wittenstein, провідний виробник приводної техніки, запевняє Петер Шустер: «Вже наявний досвід у використанні таких привідних систем. Ми маємо «ноу-хау», як оптимально використовувати такий двигун, як будувати енергоефективні системи. У представленій на ярмарку моделі нам вдалося досягти понад 90-відсоткового рівня ефективності завдяки приводному ланцюгу. Це, звичайно, те, що, з огляду на діапазон, без сумніву, зацікавить і автовиробників».