Если не электромобили, то паромобили? Часть 1
Сегодня — 12 октября, отмечается Международный день вопля разочарования (Когда что-то не получается, кто-то подводит и не оправдывает наших ожиданий, тогда очень хочется выплеснуть весь полученный негатив, все накопившиеся разочарования из себя, чтобы стало легче и спокойнее. Вот для этого самого дела и был придуман этот праздник)
…праздник в полной мере отображает смысл данной статьи.
В наше время на фоне экологических требований электромобили выглядят безальтернативным вариантом транспорта на будущее. Это положение вызывает бурные реакции адептов как традиционных ДВС, так и вновь возрожденного движения сторонников электромотора.
Но так ли это однозначно, или есть еще альтернативы обоим?
Статья является продолжением размышлений после темы «Разбираемся с электрокарами и ДВС» опубликованной ранее.
И для лучшего понимания обратимся к самой очевидной теме аналогий и совпадений в истории двигателей внутреннего сгорания, электрического и парового привода.
1. Чистота выхлопных газов
У ДВС проблема выхлопов отработанных газов стоит очень остро в данный момент. Дело тут даже не в нормах выбросов СО, а в самих фундаментальных физических процессах протекающих при сгорании в моторе.
Большинство автовладельцев слышала про нормы ЕВРО 1, 2, 3, 4, 5, 6 и будущие ЕВРО 7 и привычно клянут экологов в слишком предвзятом отношении к двигателям внутреннего сгорания.
Очевидный вред выхлопов, как правило, многим не известен, по причине не знания массы других параметров выбросов ДВС, а они значительно более вредны именно в данный момент для самих людей чем тающие льды в Антартике.
Состав выхлопов разнообразен.
Тут есть и практически побежденный во многих странах тетраэтилсвинец (ответственный за повреждения мозга детей, увеличение шансов расстройств внимания, низкого IQ). И традиционно самый обсуждаемый оксид углерода или угарный газ, который не имеет вкуса и запаха, но при высокой концентрации вызывает головокружение, головную боль, тошноту, может приводить к обморокам. Сернистый бензин и создаваемый им при сгорании оксид серы — одна из причин сильного запаха выхлопных газов. Молекулы диоксида серы очень хорошо воздействуют на обонятельные рецепторы.
Мало известные канцерогены — сажа и бензопирен способствуют развитию опухолей, и особенно — злокачественных.
Актуальные на наше время Оксиды азота (NO, NO2, N2O, N2O3, N2O5, в дальнейшем Nox) — причина воспаления слизистой оболочки глаз, носа, разрушающего воздействия на легкие человека по причине взаимодействия с влагой верхних дыхательных путей и образования азотной и азотистой кислоты. Причем, как правило, отравление организма человека NOx проявляется не сразу, а постепенно и каких либо нейтрализующих средств нет!
А не прошедшие полную реакцию окисления углеводородные соединения в выхлопе при попадании в человека оказывают наркотическое действие на центральную нервную систему, могут являться причиной хронических заболеваний, а некоторые ароматические CH обладают отравляющими свойствами.
Всего в выхлопных газах насчитывается свыше двухсот различных компонентов: одни существуют всего несколько минут, другие же разлагаются годами и витают в воздухе долгое время! Вредные вещества из воздуха при попадании в дыхательные пути всасываются в кровь и меняют её состав, например, значительно снижают концентрацию кислорода. Также опасные соединения проникают во все ткани и органы, а некоторые способны в будущем вызывать перерождение и мутацию клеток, их разрушение.
Поэтому переживания за экологию это уже давно не только про потепление, а про банальное снижение затрат и рисков здоровья самого населения опасность для которого практически не зависит от статуса и места проживания «клиента».
Все автомобили выбрасывают в воздух канцерогены и токсичные вещества. Состав выхлопных газов автомобиля может меняться в зависимости от уровня совершенства двигателя, используемого топлива, однако основной набор остается прежним.
Причем это справедливо даже для газовых и… водородных ДВС. Подобный недостаток заложен конструктивно в ДВС по причине высокого давления и малого промежутка времени для сгорания в топлива вредные выбросы всегда будут присутствовать. Угар масла при работе ДВС всегда будет добавлять неизменный коктейль опасных веществ в выхлоп состоящий из целой гаммы химически сложных молекул, продуктов износа и последствий высокотемпературных реакций этих веществ.
Но беда в том что подобное положение лишь часть проблем автопроизводителей. Будущий стандарт ЕВРО 7 к 2025 году потребуетчтобы новые автомобили с ДВС должны были быть оснащены бортовой системой диагностики, которая будет контролировать двигатель, чтобы гарантировать, что он остается в соответствии с правилами новых ограничений выбросов на протяжении 250 000 км. Что с точки зрения производителя намного более худшая перспектива чем очередное снижение норм выбросов, потому что проконтролировать это будет намного сложнее чем просто формально выпустить дорогие двигатели с требуемыми катализаторами с подогревом, двумя 1,0-литровыми обычными трехкомпонентными катализаторами, и 2,0-литровым фильтром твердых частиц и впрыском аммиака (для дизеля).
Ранее проблема экологии легко решалась перекладыванием ответственности друг друга. Производители бензина выпускали более чистое и дорогое топливо, на основании которого ДВС проходил новые ограничения без особых проблем. Иногда приходилось жульничать со стороны автопроизводителей, как в истории «дизельгейта». В мире же в целом ситуация не сильно менялась в сторону «позеленения».
Как видим ЕВРО 7 имеет все перспективы так и не добраться до ОСНОВНОЙ ЧАСТИ АВТОПАРКА, который и ответственен за самые токсичные выбросы.
Поэтому у ДВС все печально на перспективу… даже если учесть все административные, технологические и идеологические меры правительств, производителей и владельцев машин, перспектива платить дороже и больше на протяжении всей контролируемой жизни такого популярного продукта потребления как автомобиль с ДВС мягко говоря не радует.
И если бы не было альтернатив…
Но что же остается?
Электромобили?! При просмотре споров об вредных выбросах электрокаров, явно не покидает ощущение, что это похоже на обсуждение извечной темы «Что было раньше — курица или яйцо?». Если ввязываться в полемику можно быстро уйти в обсуждение теорий и перспектив будущего, поэтому лучше опираться на факты.
Факт №1 — выбросов от электромобиля НЕТ! Непосредственно сама машина их не производит, а значит все окружающее пространство при использовании этого вида транспорта не страдает.
Факт №2. Выбросы от электрокара если считать зарядку от «розетки» общей сети нужно считать не по факту использования, а по фактическому времени использования. При таком подходе вскоре выяснится что процесс заряда, как и объем потребляемой энергии приходится на ночной период времени.
Что это дает? Очевидно больший КПД всей общей энергосистемы, так как выравнивает знаменитую «пилу потребления» электроэнергии, позволяя, повысить окупаемость подобной схемы снабжения энергией автомобилей. Тут все аналогично истории с нефтью в начале 20х годов прошлого века. Лишь тогда когда добываемое «черное золото» стало разделяться на различные продукты с одного вещества добыча и цена стали доступными. То же ждет и электроэнергетику при повышенном спросе на электроэнергию круглосуточно при практически постоянном объеме.
Факт №3. «Если где-то убыло значит, где-то прибыло» — такой простой поговоркой можно описать сам факт снижения спроса на нефть, и как следствие перехода кривой спроса на производство из нее топлива для… той же электроэнергетики для зарядки электромобилей. Самый простой пример это системы автономного питания дома, которые могут работать как на производство тепла, так и электроэнергии. В варианте питания от газовой трубы процесс доставки может быть еще более упрощен, и это вовсе не теория, а вполне реализуемая практика уже наших дней. Цена таких решений сейчас высока, но и само потребление электроэнергии электромобилями пока не достаточно высоко для высокой рентабельности таких решений.
Факт №4. Альтернативные источники энергии и масштаб электромобилизации. Тут все просто и очевидно. Помимо Китая, где подобный тренд скорее отчаянный ответ на самую худшую экологическую ситуацию с выхлопами лидерами являются и США (где значительный вклад вносит атомная энергетика, которой необходима стабильность в потреблении для безопасности и большего КПД). Франция в этом плане так же похожа на США.
Так же есть Норвегия; Швейцария; Исландия; Швеция лидеры в области выработки «зеленой» энергии, а среди будущих стран лидеров роста продаж электромобилей — Германии; Италии; Нидерландов; Великобритании; Финляндии; и Австрии доля чистой энергетики так же непрерывно растет.
Поэтому считать выбросы через исключительно топливную составляющую сейчас уже не так актуально, ведь не напрямую в среднем выхлоп может состоять уже из целого букета ядерной, гидро и ветроэнергии.
Но бесспорно «выхлоп» остается! Его не может не быть сейчас, и тем более в ближайшем будущем.
Остается рассмотреть последний вариант… автомобили с паровым приводом, или как их еще иногда называют машины с двигателем внешнего сгорания (ДВС).
Паромобили несмотря на свой чисто стимпанковский имидж в наше время успешно передвигаются по дорогам и в наше время. В Калифорнии с самыми жесткими нормами по выхлопу в мире именно паровые автомобили на жидком и газообразном топливе разрешены к использованию на дорогах общественного пользования наравне в электромобилями!
т. е. Без ограничений исходя из чистоты конечного выхлопа, по причине полного сгорания топлива и отсутствия выбросов оксидов азота.
Более того проблемы экологии выхлопа не чужды были и 100 лет назад. Причем тогда рассматривался не их физиологический аспект, а чаще эстетический… ведь машина с двигателем внутреннего сгорания при движении в начале 20 века своим выхлопом буквально покрывала слоем сажи и грязи улицы и дома в городе.
Паровой автомобиль был лишен подобного недостатка, ведь паровые машины того времени на жидком топливе сжигали его полностью в горелке при высоких температурах и низких давлениях, что приводило к очень низкому уровню загрязнения.
В интервью с автором самой совершенной паровой машины Абнером Доблом было написано буквально следующее.
УОЛТЕР К. БЕЙКЕР: Чисты ли выхлопные газы при использовании керосина?
АБНЕР ДОБЛ: Да. Весь углерод потребляется при 1800 град. F. Температура камеры сгорания при нормальных условиях работы составляет около 2450 град. Подача устанавливается так, чтобы топливо расходуется полностью. Выхлоп дымит иногда при запуске, до нагрева камеры сгорания до температуры 1800 град. Ф.
Дополнительным плюсом использования двигателей внешнего сгорания (так называются научно паровые моторы) является их всеядность несмотря на качество. Это качество лучше всего оценить на примере бензина.
В традиционном автомобильном топливе всегда присутствуют присадки:
Антидетонационные. От запрещенного тетраэтилсвинеца до более распространенных МТБЭ — метилтретбутиловый эфир и ЦТМ, МЦТМ это составы, содержащие марганец и железо. Так же с той же целью повышения октанового числа сейчас иногда добавляют спирт.
В меньшей степени используются антиокислители и деактиваторы металлов (для сохранения характеристик топлива длительное время), дегидраторы (удаление воды), красители (маркировка бензина по цвету), очищающие присадки (чистка системы от отложений).
Все эти присадки созданы в большинстве своем для работы в сложных условиях двигателей внутреннего сгорания с их перепадами температур и давлений, поэтому отсутствие этих добавок при использовании в паровом двигателе мало повлияет на конечную эффективность работы.
Резюмируя все выше сказанное несмотря на схожесть в плане выбросов всех трех типов приводов наиболее простым и эффективным стоит признать именно паровой.
Следующий пример не менее важный, и главное один из самых обсуждаемых.
2. Пробег автомобилей
У ДВС мы привыкли считать преимуществом неограниченный пробег на одном баке. С этим трудно спорить в наше время с одной стороны вопроса, но достаточно легко опровергнуть с точки зрения больших цифр и реальности нашего времени. Ведь с одной стороны приятно осознавать что пробег твоей машины практически не ограничен физически, ведь ты можешь взять топлива на борт такое количество что можно ехать весь день без остановки!
Но если серьезно… кто из нас в здравом уме и памяти будет ехать более 2400 км в день на автомобиле каждый день? А более хотя бы 1000 км?
Вот именно поэтому максимальный пробег на одном баке автомобиля сейчас равен 1786 км для автомобиля Porsche Panamera Diesel 3.0D при объеме бака 100 л.
Зачем? Сложно сказать, но учитывая что автомобиль не дешевый любые максимальные характеристики тут оправданы.
Другое дело обычные машины. Тут уже литраж бака скромнее и максимальный пробег варьируется в промежутке от 40 до 70 литров. Вопрос пробега при таких цифрах может отличатся в меньшую сторону либо даже практически равняться лидеру (Дизельный Ford Mondeo 1730 км при объеме бака 62 литра) что еще более ярко отображает очевидную бессмысленность такого запаса пробега.
Куда привычнее данные километража пробега среднестатистического водителя согласно которым существует вилка отсчитываемая от цифры в 3 часа движения на автомобиле в день. Исходя из временного ограничения, правил ПДД и условий на местности пробеги среднестатистического автомобиля не могут превышать в большинстве случаев 300 км, а зачастую они даже ниже 150 км.
Поняв естественную границу средней границы пробегов автомобилей лучше осознается реальная картина потребностей автомобилистов, что фактически делает переизбыток возможностей таким же излишеством, как и моторы миллионики (приятно им владеть, но фактически по сумме затрат в долгосрочном периоде выгоды мало).
А что же у электромобилей? Тут как раз обратная картина — эти автомобили только подбираются к средней границе ежедневного пробега.
Так пробег более 300 км на одной зарядке сейчас уже становится нормой для многих электромобилей 5 летней давности, при том что официально заявленный всегда выше этого значения. Поэтому 300 км это реальный пробег сейчас с учетом всех тех факторов которые привычны для бензинового аналога.
Однако назвать это распространенной характеристикой пока нельзя, так как большинство выпущенных электрокаров 10 летней давности по-прежнему имеют реальные пробеги около 150 км. На данный вид электромобилей сейчас уже возможно доработать установив более емкий блок батарей или дополнив стандартную батарею съемной.
1000 и более километров пробега на электрическом приводе сейчас уже теоретически возможное достижение, но по-прежнему имеет не больше смысла чем тот же пробег у конкурентов от ДВС. Разница лишь в скорости и уровне комфорта при таком пробеге, но какой смысл это имеет для большинства автолюбителей которые просто не передвигаются за сутки на такие расстояния?
В ключе максимального пробега стоит отметить и конкурентов из прошлого века…
Паромобили практически 100 лет назад имели схожие пробеги (до 150 км, около 300 км и 2400 км). Причем в данном случае можно говорить в легковом сегменте лишь о небольшом количестве марок машин.
Самый совершенный из паровых автомобилей — Doble Model E и Doble Model F имел заявленный пробег 2400 км. Реальный пробег если судить по объему топливного бака был в районе тех же 300 км на одной заправке, а максимальный который любят упоминать отсчитывался от объема бака с водой (110л).
А если взглянуть ранее до появления марки Doble средний пробег паровых машин достигал максимума в 150 км.
Таким образом усредняя показатели мы приходим к выводу, что все три типа привода сейчас равны по потребности пробега автомобиля за сутки.
3. Цена машины
У ДВС, электромобилей и паромобилей стоимость на данный момент могут совпадать в средней и высшей ценовой категории. Эта граница весьма условна если речь идет о самом факте покупки автомобиля с выбранной силовой установкой и различия могут быть лишь в стоимости содержания и обслуживания, если не учитывать другие характеристики.
У автомобилей с ДВС и электрокаров стоимость содержания и цены по прогнозам экспертов сравняется к 2022 году, а по многим позициям сейчас электромобили уже выигрывают в краткосрочной перспективе.
Динамика затрат тут следующая. ДВС как более распространенный привод выигрывает при краткосрочной эксплуатации, за счет сохранения ресурса и меньшей потери рыночной стоимости.
Электромобиль выигрывает в среднесрочной стратегии использования за счет меньших затрат на обслуживание и «заправку».
Если оценивать риски обоих типов приводов, то ДВС выигрывает за счет меньшей подверженности отказа дорогостоящих агрегатов в теории, и иногда проигрывает в рамках малой прогнозируемости поломок множества взаимосвязанных систем в автомобиле влекущих за собой непредсказуемые затраты.
Что важнее… критичные риски выхода из строя АКБ электромобиля или постоянные мелкие и средние затраты на ремонт агрегатов ДВС сейчас с трудом могут ответить даже эксперты автомобильного рынка.
С уверенностью можно сказать лишь одно — граница неопределенности в этом десятилетии будет преодолена, и скорее всего не в пользу ДВС.
А что же паромобили? Тут с учетом отставания технологии на полвека и раритетности примеров машин можно найти примеры высокой цены ремонта агрегатов в четверть и более стоимости автомобиля. 10 тысяч за ремонт котла и горелки это не предел с учетом ручной работы и отсутствия промышленного подхода к обслуживанию и ремонту снятых с производства механизмов.
Тем не менее пробег таких машин, как правило, равен цифрам знаменитых «миллиоников» от ДВС. Время эксплуатации и обслуживания превышает у многих 100 лет.
Если учитывать эти факторы, то стоимость содержания машин можно приравнять к средним по стоимости конкурирующим машинам на ДВС и электроприводе. Важным отличием будет лишь то что технология прошлого века не содержит электроники и сложных в ремонте материалов, а значит потенциал снижения стоимости содержания тут высок.
Объединяющим фактором всех типов приводов можно считать стремление к потенциальной универсальности стоимости обслуживания машин среднего класса в связи с требованиями экологии и вторичного использования. Поэтому ремонт и обслуживание все больше сдвинут в сторону замены и своевременной диагностики неисправностей.
4. Мотор без КПП, сцепления
У ДВС единственным примером такого автомобиля может служить гибридный гиперкар Koenigsegg Regera. В трансмиссии машины нет КПП, а есть единый привод с одним передаточным числом 2.85:1
Трансмиссия получила название Koenigsegg Direct Drive (KDD).
До 50 км/ч у машины используется для движения лишь электродвигатели, а после превышения лимита включается напрямую ДВС. Само подключение происходит через соединительный элемент в виде гидромуфты с изменяемой степенью проскальзывания (поэтому «сцепление» в классическом виде так же отсутствует).
Большинство остальных проектов автомобилей с ДВС, но без КПП и Сцепления представлены в виде последовательной гибридной схемы (Nissan Kicks, и другие).
У электрокаров большая часть выпускаемых сегодня машин оборудованы лишь одноступенчатыми редукторами, без КПП — сцепления. Что обусловлено изначально высокими характеристиками крутящего момента не нуждающимся в коррекции. Впрочем, назвать электромобили машинами лишенными необходимости использовать КПП и сцепление нельзя.
Причина тут в границе эффективности крутящего момента зависящего от оборотов электромотора. Коэффициент полезного действия мотора с переменным током составляет около 80% (при 2000–12 000 об/мин), с постоянным током при последовательном возбуждении — 70% (при 2000–5000 об/мин). Коэффициент полезного действия бесколлекторного агрегата постоянного тока выше — 85% (при 3000–8000 об/мин).
Существующие виды электромоторов часто работают при постоянном моменте на валу до 5000 об/мин, с увеличением оборотов происходит падение момента. Таким образом, эффективно электромотор работает, когда обороты свыше 2000 в мин., а электромобиль на скорости 105 км/ч выдаёт сейчас около полтысячи, и для этого электромобили оснащены механическими КПП с передаточными отношениями 4:1, 8:1. Так же наличие КПП повышает эффективность рекуперации энергии, за счет такой же зависимости эффективности от оборотов при рекуперативном торможении.
Паро-мобили так же не нуждаются в КПП и сцеплении.
Причем в автомобилях Tesla и Doble схема заднего привода мотор — редуктор — колеса выполнена похожим образом, и не имеет режима отключения привода от колес.
В более простых паромобилях роль редуктора выполнял ременной и цепной привод, а в электромобилях так же часто приходят к использованию металлического ремня в виде бесступенчатой коробки передач (Вариатор CVT на Nissan Leaf).
Если бесступенчатые КПП признать как функционально отличную коробку передач от классической КПП, то этот параметр объединяет ДВС, электро и паро-привод.
Продолжение в части №2.
