Разработки электротранспорта и транспорта на водородных топливных элементах

Нужно понять, что стадо потребителей ещё не готово к транспортной революции и ждёт решающего слова от гуру автопроизводителей. К этому их подталкивает обывательская логика. Они доверяются лишь концернам с солидным реноме. Потребитель вкладывается в стартапы, но полагается на проверенные фирмы как минимум со 100-летней историей. Главный конкурент Илона Маска Daimler Trucks North America (DTNA) этим только и занимается: информирует, показывает и устраивает пробные эксплуатации.

Даймлер с приставкой «Е-»

На американской конференции корпорации Daimler AG, посвящённой перспективам внедрения электрогрузовиков, прошла встреча президента компании Daimler Trucks North America (DTNA) – Роджера Нильсена (Roger Nielsen) с 30 клиентами, которым были предоставлены электромобили на тестирование. Этому предшествовала презентация электротягачей Freightliner eCascadia и среднетоннажного электрофургона Freightliner eM2. В сентябре 2018-го концерн Daimler AG объявил, что инвестирует $155 млн в фирму Proterra Inc. (высоковольтные системы зарядки АКБ). Все разработки уже обозначены многозначительной приставкой «Е-».

На встрече Нильсен сообщил, что после испытаний школьного электробуса Self-T-Liner C2 Electric фирмы Thomas Built Buses он был впечатлён технологией Proterra и скоростными возможностями школьного автобуса.

В ответ на вопрос о возможной задержке до 2020 года (появление ожидалось в 2019-м) выхода на рынок седельного тягача Tesla Semi, Нильсен заявил, что это не простое соревнование. «Потребитель в итоге получит лучшее батарейное решение», – загадочно добавил он. И всё для того, чтобы осуществить «плавный переход от дизельного грузовика к электрическому».

Срывая маски

Больше года минуло, как руководитель компании Tesla, Inc. Илон Маск провёл презентацию электроприводного седельного тягача Tesla Electric Semi. Расхваливая новинку Маск обещал, что операционные расходы для тягача Semi на 1 милю составят всего $1,26 в то время, как у дизельного аналога они достигают $1,51. То есть выигрыш в эффективности получился всего 16,6%.

Как-то скромно это прозвучало, если учесть, что КПД электротрансмиссии достигает 97%, а у ДВС всего – 34%. При этом стоимость электроэнергии в разы ниже, чем солярки, да и выигрыш в расходах на ТО и ремонты электрики тоже общеизвестны. Но по факту у Маска всё вышло очень скромненько на фоне того, что детальные ТТХ будущего электротягача так и остались тайной, а некоторые аспекты и спецификации компания Tesla сохраняет в секрете.

До сих пор нам известны лишь фрагментарные данные: седельный тягач получит одну из двух Li–Io батарей фирмы Tesla Gigafactory 1 (шт. Невада, США) с ячейками Panasonic. Диапазон действия первой модели будет ограничен 300 миль (480 км), а у второй – 500 миль (800 км). Тип батареи, ёмкость, вес и самое главное её стоимость не раскрыты, хотя это основные параметры любого электромобиля.

Фокус внимания Илон Маск концентрирует на таких второстепенных вещах, как коэффициент лобового сопротивления C_x= 0,36 или разгон до сотни за 20 секунд. Но дальнобойщик не суперкар покупает, а средство для зарабатывания денег! Ему интереснее характеристики тормозного пути и коэффициент тары.

В скудной спецификации на сайте указано, что на каждую милю пути расход энергии у грузовика не будет превышать 2 кВт·ч. Берём Tesla Semi с АКБ ёмкостью, рассчитанной на 500 миль пути, умножаем на 2 кВт·ч и получаем полную ёмкость батареи в 1000 кВт·ч. Но таких ёмких АКБ в серийно никто не производит и подобных !

Джулия Фарбер, директор по развитию электротрансмиссий в корпорации Cummins:

«Сегодняшняя технология аккумуляторных батарей просто не готова для интенсивной работы на шоссе. То есть там, где тяжёлым грузовикам приходится преодолевать до 20 000 км ежемесячно. Наши специалисты провели несколько довольно грубых расчётов, и они показали, что магистральному автопоезду, учитывая его полную массу (36 т для США), среднюю скорость движения и ежедневный режим работы, понадобится батарея весом примерно 10 т».

Маркетинговая тяга

Продолжим дальше наши следственные действия. Популярная легковая Tesla S с японской батареей Panasonic имеет плотность заряда 250 Вт·ч/ кг. Поскольку революции в изготовлении АКБ пока никто не объявил, то представим, что в грузовик попадет именно АКБ с подобными параметрами в 250 Вт·ч/кг. Тогда общую ёмкость в 1000 кВт·ч поделим на плотность 250 Вт·ч/кг и получим массу аккумулятора 4000 кг.

Но аккумулятор – не просто куча спаянных батареек. Кроме электрохимических элементов здесь мощная изоляция, прочный металлический корпус, трубопроводы системы охлаждения и другие компоненты, которые значительно увеличивают конечный вес батареи. В паспортных значениях АКБ первого родстера Tesla указана плотность энергии в районе 211 Вт·ч/кг, но в реальности этот аккумулятор весит 450 кг, и фактическая плотность энергии опускается до скромных 118 Вт·ч/кг

Не будем идеалистами при оценке АКБ. Так батарея тягача ёмкостью в 1000 кВт·ч при её реальной плотности 118 Вт·ч/кг будет весить уже 8,5 т! Надо сказать, что это очень грубый приблизительный расчёт, ведь расход энергии может превышать заявленный. Вес корпуса и изоляции могут быть выше, чем у легкового АКБ. Но в любом случае параметры аккумулятора получились не маленькими, и они, как оказалось, коррелируются со словами специалистов моторостроительной корпорации Cummins, которые определили массу аккумуляторов в 10 т.

Цена всех вопросов

Летом 2017 года в журнале Wired вышла провокационная статья за подписью Эрика Адамса. Он, ссылаясь на расчёты двух специалистов университета Карнеги-Меллона, сделал предварительный расчёт батареи для Tesla Semi. Помножив удельную энергоёмкость 243 Вт·ч/кг на 800 км пути (без остановки на зарядку), масса АКБ у него вышла 11,5 т. Предварительно была оценена и стоимость такой батареи, исходя из текущих цен на литий-ионные АКБ: от $240 тыс. до $375 тыс.!

Аккумулятор – очень тяжёлая штука и негативно сказывается на транспортной эффективности. Не потому ли Маск был столь загадочен и не афишировал этот параметр. В пресс-релизе Tesla говорилось, что в конструкции грузовика Tesla Semi будут обильно применять углепластик. Он очень лёгок, прочен, что позволит компенсировать высокую снаряжённую массу тягача. Но кевлар – это дорого, очень дорого! Их цена сопоставима с кабинами, сделанными вручную.

Но Илон Маск сумел анонсировать и рыночную стоимость тягача – $180 000, что уже сопоставимо с дизельным аналогом! Цена не отталкивает. Но возникает вопрос: это за весь автомобиль, шасси без АКБ или вариант с самой слабой АКБ?

Информацию компания Tesla постоянно дозирует. Сначала была шумиха в прессе. Затем презентация, куда собрали 1200 журналистов, специалистов и перевозчиков из всех штатов. После рассказов (ах, какой у нас быстрый грузовик, да он ещё и электрический!), предлагается уже внести аванс за машину в размере $5000, а через три дня он уже вырастает до $20 000. Как такое может быть, если берут предоплату, но всех технических характеристик автомобиля не сообщают? В цене не были указаны даже такие элементарные атрибуты поставки, как EXW (цена из ворот завода).

Конечно, если выложить все карты на стол с полной спецификацией и обнародовать реальный прайс, то грузоперевозчики поулыбаются и покрутят пальцем у виска. А интрига с запуском в серию Tesla Semi в 2019-м году, теперь уже отложена на 2020 год и ставки будут только расти.

Nicola, ни двора

Тем временем другой американский производитель Nikola Motor Company (NMC), заявил, что обнаружил большой интерес со стороны европейских клиентов. Ранее эта фирма разработала собственный оригинальный проект магистрального тягача Nikola One c полным электроприводом, работающим на водородных топливных элементах. Правда, за 2 года до реального производства дело не вышло из виртуального прожекта, хотя только в Калифорнии к распоряжению копании в августе 2018-го уже действовало 35 зарядных станций. Основатель и генеральный директор NMC Тревор Милтон рекомендует запастись терпением до 2022–2023 гг. Тут же он анонсировал презентацию на 16 апреля этого года на шоу Nikola World-2019 нового прототипа тягача Nikola Tre в американском Фениксе. Там же будут показаны полноприводный джип Nikola NZT 4x4 и полноразмерный макет Nikola Two.

Модельный ряд Nikola Tre будет представлять собой седельные тягачи в конфигурации 6x4 или 6x2 с тяговыми электродвигателями мощностью от 380 до 760 кВт в нескольких вариантах запаса водорода, для покрытия расстояния от 500 до 1200 км с одной заправки. Европейские испытания планируется начать в Норвегии к 2020 году, для чего уже привлечён норвежский разработчик водородной технологии Nel Hydrogen of Oslo.

Планы у NMC просто наполеоновские. Так, к 2028 году они собираются построить более 700 водородных станций, вместо планировавшихся 364, по всей территории США и Канады. Каждая станция будет в сутки вырабатывать от 2 до 8 т водорода. Европейские станции планируется ввести в эксплуатацию не раньше 2022 года и к 2030-му их сеть будет охватывать большую часть Европы. На III квартал 2018 года компания насобирала примерно $11 млрд в качестве авансов на предзаказы. Милтон рекомендует европейским клиентам, которые хотят зарезервировать 10 и более грузовиков, отправить сообщение на его личную электронную почту, тогда как остальным интересантам предложено заказать водородное авто на сайте.

Перспективен ли водород?

На этот вопрос бельгийская компания Van Hool уже дала ответ, начав серийный выпуск городских 12-метровых электробусов Van Hool A330. Они оборудованы новейшими водородными топливными элементами FCvelocity-HD85 Fuel Cell канадской фирмы Ballard Power Systems и синхронным электромотором переменного тока Siemens PEM мощностью 210 кВт. Кроме этого в конструкции присутствует блок Li–Io АКБ суммарной ёмкостью 70 кВт·ч. Это позволяет рекуперировать и сохранять энергию торможения, а также периодически питать электротрансмиссию от АКБ. Запас водорода 38,2 кг хранится под давлением 70 МПа в специальных ёмкостях и его хватает на 350 км пробега. Пассажировместимость салона рассчитана на перевозку 75 человек, включая 29 мест для сидения и двух инвалидов на колясках.

Для заправки водородных машин концерн Shell в течение полутора лет сдаст 4 станции в Амстердаме, Гааге и в Пессе. В Германии же запустили целую программу создания 400 водородных АЗС, которые построят к концу 2023 года. Подобные планы уже есть в Великобритании, Бельгии (проект H2Benelux).

Водородный тренд не исключает развитие электробусов. Голландская компания VDL Bus & Coach модернизировала городской 140-местный VDL Citeas SLF-120 Electric под технологию ускоренной 10-минутной зарядки батарей через пантограф Schunk 250 kW.

Для питания применены Li–Io аккумуляторы Akasystem Nano NMC суммарной мощностью 122 кВт·ч. АКБ ёмкостью 72 или 92 кВт·ч заряжается через 22-кВт бортовую систему подзарядки и обеспечивает пробег в 300 км. Электродвигатель Siemens 1DB2022 мощностью 210 кВт развивает максимальный крутящий момент 3800 Н.м, чего хватает с лихвой для скоростного разбега.

Тренд на зарядку

Примечательно, что VDL Bus & Coach, получив технологии для электробусов, не преминула представить и седельный 18-тонный электротягач на шасси DAF CF 4х2 для работы в составе автопоезда полной массой 37 т. Он оборудован электродвигателем Siemens мощностью 210 кВт и блоком тех же батарей Akasystem Nano NMC с суммарной мощностью 170 кВт·ч, которых хватает на пробег 100 км. Из-за особенностей конструкции перезарядка АКБ будет длиться около получаса за счёт встроенного высоковольтного (750 В) зарядного устройства Schunk.

Неожиданно в электрическом сегменте проявил себя концерн Robert Bosch GmbH. В этом году он разворачивает производство целой серии лёгких коммерческих электромобилей eCityTruck полной массой от 2,0 до 7,5 т. В зависимости от конфигурации диапазон действия с одной подзарядки будет достигать 200 км. Модульный принцип позволит повысить эффективность электромобилей, упростит конструкцию электрического привода и сделает его менее дорогим.

Сейчас концерн Bosch предпринимает усилия на формирование рынка тяжёлых грузовиков с водородными топливными элементами и готов взять в партнёры Nikola Motor Co., а в Китае договорился о стратегическом партнёрстве с Weichai.

Камерная проблема

Экология из привилегии становится повинностью. Мы в начале пути и нулевые налоги закончатся сразу, как упадёт спрос на автомобили с ДВС. Компании уже сейчас начали снижать аппетиты на разовый пробег. В восточных и северных провинциях Китая местные власти уже вводят налог на электромобили, не оборудованные системами слежения. Когда в Шанхае прошла презентация инновационной концептуальной платформы Q-Truck, чьи блоки Li–Io батарей за 2 часа могут обеспечить пробег до 150 км, прозвучал вопрос: правда ли что эта машина станет шпионом? Дело в том, что концепт оборудован камерами, фиксирующими все активные объекты в радиусе 50–150 м. Они установлены в верхней точке тягача и отслеживают рядность движения, другие транспортные средства, пешеходов, распознаёт лица и читает все дорожные знаки. По бортам автомобиля смонтированы 2 камеры с дальностью действия 40 м и углом обзора в 160°. Ужас в том, что стабильная работа систем гарантирована при любых погодных условиях и в температурном диапазоне от –35 до +60 °С.

Стимулируя экономию

Едва только раскрывается новый пласт технологий, так тут же появляются и учителя и надзорные органы. Американская компания New Flyer из Алабамы разработала тренажёр Xcelsior CHARGE Bus Simulator для подготовки водителей электробусов. По мнению экспертов, обученный шофёр может сэкономить до 15% энергии в сравнении с необученным водителем. В рамках США экономия составит $128 млн.

Спрос на тренажёр уже обеспечен: компания Blue Bird летом 2018-го получила большой заказ на новую модель школьного электробуса All American RE Electric. Новинка оборудована электродвигателем мощностью 200 кВт и блоком Li–Io АКБ суммарной ёмкостью 228 кВт·ч. Этого заряда будет достаточно, чтобы школьный электробус смог покрыть расстояние 190 км пути. Полная зарядка АКБ будет продолжаться в течение 6–8 часов. Высоковольтный блок ускоренной зарядки батарей в конструкции пассажирской машины не предусмотрен по причинам безопасности. Пассажировместимость электробуса составляет 84 человека (три ученика на одном диване). Полная масса составляет 16,5 т. В Нью-Йоркском комитете образования замена дизельных автобусов на электробусы позволит сократить их ежегодные транспортные расходы примерно на $350 тыс., но при этом совокупные расходы на топливо для электробуса All American RE Electric будут на 90% меньше, чем у сопоставимого с ним дизельного аналога.