Когда электромобили станут полноправными конкурентами ДВС

Они уже конкурировали на равных в прошлом. Когда новый виток?

Илон Маск, один из самых медийных руководителей корпораций, возродил интерес общественности к электромобилям со своей Tesla, хотя разработкой таких авто занялись еще до него. Задолго до него. На рубеже XIX и XX веков оснастить машину электромотором и аккумуляторами было не сложнее, чем заставить нормально работать капризный ДВС.

Бензиновые и электрические авто конкурировали между собой, но потом разработчики ДВС смогли одолеть «детские болезни», промышленность наладила массовый выпуск ГСМ, а вот создатели электромобилей уперлись в емкость батарей. Как итог, весь XX век царствовали бензиновые и дизельные ДВС. К электрической тяге вернулись лишь в веке XXI, когда прогресс на рынке портативной электроники поспособствовал прогрессу в области аккумуляторов.

Неравная конкуренция

Автогиганты массово осваивают производство новых электромобилей, Tesla наконец смогла наладить серийный выпуск новых моделей в запланированных количествах, но о равной конкуренции речи пока не идет. Электромотор меньше шумит, не коптит воздух (экологи ликуют), имеет большую тягу на малых оборотах (даешь 0-100 км/ч за 3 секунды), не требуют частого обслуживания, и вообще, превосходит ДВС почти по всем фронтам.

Казалось бы, в таких условиях пора сзывать оркестр и репетировать реквием по авто с двигателями внутреннего сгорания. Еще чуть-чуть – и гробовщик в лице того же Маска вколотит последний гвоздь в гроб шумных, дымящих и засаленных ДВС. Но нет, пока что у электромобилей «детских болезней» и недостатков не меньше, чем достоинств.

Главные проблемы электромобилей

Современные электромобили страдают, в основном, теми же недостатками, что и столетие назад. По внутреннему комфорту и оснащению они даже превосходят модели ДВС, а вот аккумуляторы остаются «бутылочным горлышком». Именно с батареями связаны основные минусы электрических авто.

Баланс емкости и веса аккумуляторов

Удельная энергоемкость современных литиевых батарей составляет до 250 Втч/кг. Легковой автомобиль, массой около 1500 кг, для движения по трассе со скоростью около 100 км/ч, без сильного встречного ветра, требует около 20-30 кВт. То есть, для поездки в 100 км необходимо 20-30 кВтч энергии. Эквивалентом полного бака (обычно около 40 литров), достаточным для преодоления 500 км пути, является аккумулятор на 100-150 кВтч.

Электромобилю требуются аккумуляторы, собранные из десятка тысяч таких батареек © Electrek

Если отталкиваться от максимальной для лития цифры в 250 Втч/кг, то обеспечение емкости аккумуляторов 250 кВтч потребует использования батареи, весом в 600 кг! И если полный бак утяжеляет авто примерно на 30-40 кг, то есть, вместо условных 1500 кило мы получим 1540, то аккумуляторы превращают 1,5-тонный седан в 2-тонный, даже с учетом экономии пары сотен кило за счет более легких движка и трансмиссии. А чем больше масса – тем больше энергии нужно, чтобы двигать эту массу. И в итоге с такой батареей мы уже не получим вожделенных 500 кг.

Наращивать емкость батарей бесконечно нельзя. В какой-то момент их вес окажется очень большим, и фактически придется увеличивать емкость батарей только для того, чтобы эти батареи нормально передвигать.

Объем тоже имеет значение. Кубический дециметр (литр) литиевой ячейки вмещает около 300 Втч энергии, то есть 150 кВтч занимают 500 литров. А это, между прочим, объем весьма просторного багажника или около 20% салонного пространства. И я еще не учел, что таких больших банок батарей никто не делает, а корпуса маленьких занимают дополнительное место, да и системы теплорегуляции (охлаждения/подогрева) им нужны.

Батарея Tesla Model S на 85 кВтч весит 540 кг и занимает немало места © CleanTechnica

Итогом нынешней ситуации в области аккумуляторных технологий является невозможность сделать электромобиль, который мог бы проехать 500, 1000 или 2000 км за то же время, что ДВС. Баланс массы и емкости современных литиевых батареек позволяет делать машины с максимальным пробегом от одной зарядки порядка 300-500 км, и это большой недостаток электромобилей.

Заявленные некоторыми производителями цифры больше 500 км обычно приводятся для вождения «пенсионер-стайл», в «сферических в вакууме» условиях, так что на них особо полагаться не стоит.

Цена аккумуляторов

В 2018 году 1 кВтч емкости лития стоит примерно $200, то есть, 100 кВтч обойдутся в $20 тыс. За такие деньги можно взять условный Volkswagen Polo и вдобавок еще более 10000 литров бензина, которых хватит на 200 тысяч км пробега. А я ведь не учитывал стоимости самой машины, без батарей, которая для класса того же «Поло» потянет еще на десятку.

Конкурентов у авто класса VW Polo среди электромобилей пока нет © Автоцентр

Электромобиль за $30 тыс. будет по классу сравним с бюджетной бензиновой или дизельной моделью, но при этом не даст никакой экономии. За те же деньги можно купить аналог с ДВС и запас топлива на весь срок эксплуатации (300 тыс. км). При этом остается открытым вопрос, протянут ли аккумуляторы эти 300 тысяч, да еще в условиях, например, европейской России, Украины или Беларуси, где зимой бывает до -30, а летом – до +40. То же самое касается холодных северных и жарких южных стран.

Из-за стоимости батарей электромобили не могут стать полноценными соперниками моделей с ДВС в массовом сегменте. Это условный Bentley Continental, ценой $300 тыс., при переводе на электрическую тягу станет дороже всего на 10%. А вот машины за $10-30 тыс. (самые популярные) получат прибавку к стоимости от 100 до 300%. Ни о какой конкуренции в таких условиях речи быть не может.

Время зарядки

Когда у авто с ДВС заканчивается топливо – можно заскочить на ближайшую АЗС и за 10 минут залить полный бак горючего. Литиевые батареи на такое не способны, так как они чувствительны к токам зарядки. Подавать на аккумуляторы мощность, превышающую 1C (емкость батареи), можно лишь на ранних этапах зарядки, и непродолжительное время. Даже на специальной станции быстрой зарядки сложно сделать так, чтобы машина заряжалась до 100% менее, чем за 100 минут.

Зарядная станция Tesla Supercharger © Википедия

До 50% можно зарядить гораздо быстрее, примерно за полчаса. К примеру, Tesla заявляет, что Model S с батареей на 85 кВтч заряжается наполовину примерно за 20 минут, до 80% - за 40. Но это, разумеется, не от розетки, а на специальной станции Supercharger. За эти 40 минут можно немного размяться, перекусить, сходить в туалет, перекурить и т.д., получив запас энергии на еще пару сотен километров. Ведь на скорости 100 км/ч по трассе та же Tesla проезжает на 100% заряда около 250 км, значит 80% хватит на 200 км.

Казалось бы, проблема зарядки не так и велика. Но быстро пополнить емкость батарей можно только на станциях быстрой зарядки. Если заряжать машину от розетки в гараже – на это уйдет часов 10. Что же касается «Суперчарджеров» - тут мы упираемся в следующую проблему.

Зарядка Tesla для дома/гаража © Tesla

Инфраструктура

В Штатах и ЕС особых проблем со станциями быстрой зарядки нет, там как раз можно прокладывать маршрут с учетом остановок для подзарядки. Но Запад – это еще не весь мир, и не во всех регионах ситуация аналогична. Это если ехать прямо из Парижа в Мадрид – на пути как раз будут зарядные станции. Но если нужно еще и колесить по окрестностям (а не по международной трассе) – заряд может кончиться в самый неподходящий момент.

Карта быстрых зарядок Tesla в Европе и на Ближнем Востоке © Tesla

Решение проблем: когда?

Начать стоит с того, что инфраструктура – наименьшая из проблем. Нет никакой особой сложности ни в подведении мощной линии электропередачи к гаражному массиву или парковочному комплексу, ни в создании сети зарядных станций. Инфраструктура для электромобилей будет развиваться по мере роста спроса на нее, как это было с АЗС.

Быстрая зарядка – тоже не сильно большая преграда. 20 минут стоянки на каждые 100-150 км или 40 на 200-250 – это уже терпимо. А если еще сильнее сократить это время, неприятность можно считать исчерпанной. Вопрос лишь в том, как это сделать. Тут есть два пути развития: наращивание емкости батарей без существенного их утяжеления и повышение зарядных токов.

Удельная емкость батарей электромобилей сейчас составляет до 250 Втч/кг, в 2013 году – 220 Втч/кг, в 2008 – 190 Втч/кг. То есть, за первые 5 лет обозреваемого периода (2008-2013) прирост составил 30 Втч или около 16%, за следующую пятилетку – те же 30 Втч, но в 13,5% в процентном выражении. Можно сделать вывод, что относительный прирост замедляется, но прирост емкости стабилен и составляет в среднем 6 Втч/кг в год.

Рост удельной емкости батарей © OMICS International

При сохранении роста на нынешнем уровне за 10 лет мы получим прирост емкости в 60 Втч/кг/год. К 2028 стоит рассчитывать на емкость порядка 310 Втч/кг, а в батарею того же веса удастся «закачать» до 25% больше энергии. Вкупе с повышением КПД, использованием более легких материалов и т.д., запас хода электромобилей должен увеличится процентов на 30-40, с 200-250 км от 40 минут зарядки – до 300-350 км на скорости 100 км/ч. Таких показателей уже будет достаточно подавляющему большинству автомобилистов.

Главной проблемой электромобилей остается дороговизна аккумуляторов. Снижение цен на них является основным условием популяризации электрической тяги и вытеснения ДВС. Как уже упоминалось, в 2018 году 1 кВтч емкости батареи обходится в $200. В 2013 этот показатель составлял $600, а в 2008 – почти $1500.

Динамика цен на аккумуляторы © Bloomberg

За первые 5 лет прошедшего десятилетия стоимость батарей упала в 2,5 раза, следующие 5 лет – в 3 раза. Подсчет очень оптимистичный, но если предположить, что такая динамика сохранится, то к 2023 цена может упасть в 3,6 раза относительно нынешней, а к 2028 – еще раза в 4 от показателей 2023. Считаем: 200/3,1=64,5, то есть, в 2023 киловатт-час емкости будет стоить $65.

Батарея на 100 кВтч будет стоить $6,5 тыс., вместо нынешних 20. Уже неплохо, но многовато. Ведь это плюс 35-65% к цене аналога с ДВС в сегменте недорогих авто. Двигаемся дальше, и делим $65 еще на 4 – получаем примерно $17 за кВтч в 2028 году.

При $17 за киловатт-час батарея на 100 кВтч обойдется в $1700 (+17% к самым дешевым авто), что позволит электромобилям стать полноценными конкурентами ДВС. Масса такой батареи составит менее 350 кг, что приемлемо для легковушки класса B+. То есть, по оптимистичным прогнозам, именно году этак к 2028 электромобили дадут настоящий бой ДВС.

Разница в цене порядка пары тысяч долларов – это немного. Если взять цену бензина, равную $1 за литр, то $2 тыс. – это 2000 литров или примерно 30 тыс. км пробега. При стоимости электроэнергии в России около 10 центов за кВтч, и запасе хода от батареи на 100 кВтч около 300 км, за 30 тыс. км будет потрачено около 10 МВтч энергии. В денежном выражении это $1000.

Простая арифметика подсказывает, что электромобиль 2028 года начнет экономить средства владельца, затрачиваемые на энергоносители, уже через 60 тысяч км, без учета сервисных затрат. Ведь покупка самого бюджетного электромобиля за $12 тыс. и еще 2 тыс. на 60 тыс. км пробега – это $14 тыс., а аналогичная ДВС модель за $10 тыс. и бензин на 60 тыс. пробега (4000 литров по доллару) – это те же $14 тыс.

Таким образом, все расчеты сводятся к тому, что примерно 10 лет осталось до того момента, как модели с ДВС начнут уходить в прошлое, проиграв электромобилям. Но, повторюсь, прогнозы оптимистичные, упрощенные, и не учитывают всех факторов. Если на рынке аккумуляторов случится революция, производители освоят новый тип батарей, более дешевых и легких, чем литий – электромобили воссядут на трон раньше.

Если же потенциал литиевых ячеек окажется исчерпанным, а цены сырья вдруг значительно вырастут – то по-настоящему доступные электромобили, стремительно вытесняющие ДВС, появятся только к середине века.

Источник