Ежегодно в мире производится около 80 млн единиц автомобильного транспорта и порядка 100 тыс. электромобилей. При всех разговорах об экологии жители крупных городов не спешат переходить на «безвыхлопный» транспорт. Причина - не только сравнительно небольшой запас хода и малая мощность. Главный сдерживающий фактор - цена. Даже недорогие для гибридных автомобилей модели вроде Toyota Prius покупают обеспеченные люди -- в основном для создания имиджа социально ответственного человека, заботящегося об окружающей среде. Ведь экономия топлива на фоне высокой цены покупки практически не снижает совокупную стоимость владения машиной. Впрочем, по некоторым прогнозам, новые технологии смогут изменить расклад сил в мировом автопроме в пользу электромобилей. В России подобный инновационный проект развивает резидент кластера энергоэффективных технологий фонда «Сколково» ООО «Товарищество энергетических и электромобильных проектов» (ТЭЭМП). По словам генерального директора и научного руководителя Анатолия Долголаптева, столь дешевых решений, как предлагаемые ТЭЭМП, в мире не существует: если электромобиль Tesla стоит за $70 тыс., то разработки ТЭЭМП позволят произвести гибрид такого же класса за $30-40 тыс.
Энергоэффективное торможение
Основатель и руководитель проекта Анатолий Долголаптев – выпускник МВТУ им. Баумана, доктор технических наук, долгие годы занимался изучением интенсивных электромагнитных воздействий на многокомпонентные среды и разработкой технологий на их основе. В 1990-х уходил из науки в большую политику: был Председателем Мособлсовета, вице-губернатором Московской области, заместителем председателя Совета Федерации. Потом вернулся в науку. И с 2008 года руководит проектами по созданию электромобилей нового поколения на основе высокоэнергосберегающих приводов.
«Шесть лет назад я увидел, что в России наработан ряд решений, позволяющих создать конкурентоспособный электромобиль. Для этого необходимо утилизировать космические технологии для жизни», -- замечает Долголаптев. Компания ТЭЭМП создана в 2011 году. Долголаптев, по его собственным словам, собрал команду со всего постсоветского пространства. Некоторые перешли из закрывшегося проекта Ё-мобиль. Сегодня в компании около 100 человек, из которых 60 в статусе ведущих специалистов по своим направлениям. ТЭЭМП стал одним из первых резидентов «Сколково», разрабатывающим не просто глобальный проект, но и максимально приближенный к реализации. «Для масштабных и социально ориентированных проектов подобных нашему, когда требуется государственная поддержка, участие в «Сколково» - в первую очередь возможность обратить на себя внимание правительства и первых лиц страны», -- говорит Долголаптев. Группа компаний Ренова поверила в проект и выступила частным инвестором.
Основные отличия экомобиля ТЭЭМП от обычного – в энергосберегающих системах электродвигателя и накопления электроэнергии. Соответственно, в ТЭЭМП два инжиниринговых направления. Первое традиционно базируется на площадках РКК «Энергия», где занимаются, так сказать, ходовой частью.
На первый взгляд, на стенде стоит обычное колесо с уже надетой резиной. Вот только это не простой литой или штампованный диск, а нечто самостоятельное без насадки на вал. «А оно само крутится, без вала», - смеются инженеры. Это так называемое мотор-колесо, -- оно без редуктора и без механической передачи: электродвигатель стоит прямо в колесе. Соответственно, в переднеприводном автомобиле таких будет два, в полноприводном - четыре. Оригинальная запатентованная магнитная схема колеса в обычном автобусном диске позволяет развивать максимальный момент: 6000 Нм.
Отказ от редуктора (передачи) позволяет сэкономить 8-15% энергии. Но дело не просто в безредукторной схеме. Ее удалось реализовать, только применяя сплав ниодима с железом и бором – магниты, разработанные в 1980-е в НПО «Композит».
Следующее энергосберегающее решение, которое хоть и не является новым само по себе, пока мало где применяется - рекуперация энергии при торможении. А говоря понятнее, сохранение кинетической энергии автомобиля в момент торможения - перевод ее не в нагрев тормозных колодок, а в дополнительный заряд электронакопителя. Рекуперация позволяет сэкономить еще 15-25% энергии. Выглядит это следующим образом: при нажатии на педаль тормоза мотор-колесо становится генератором, отбирающим мощность у колеса, в результате чего последнее замедляется. Если же педаль утопить до конца -- то есть в случае аварийного экстренного торможени -- тут уже включатся и обычные колодки. Но, учитывая, что при езде на автомобиле 99% нажатий на тормоз производится именно для замедления, а не резкой остановки, тормозные колодки в таком автомобиле практически не изнашиваются -- еще одна мелочь снижения стоимости владения.
За счет безредукторной передачи и рекуперации суммарная экономия энергии получается 25-35%. Однако в этом случае на те же проценты можно снизить вес батареи автомобиля или уменьшить размер двигателя внутреннего сгорания - это даст в гибриде еще 20-30% экономии энергии. В итоге инновационное решение позволяет фактически в два раза повысить эффективность потребления энергоносителей по сравнению с обычным электромобилем или гибридом.
Преимущества чистого поля
Второе направление работ, которое было поддержано грантом Сколково, ТЭЭМП реализует в партнерстве с «Московским институтом Стали и сплавов» и «Объединенным институтом высоких температур РАН». В рамках проекта разработаны электронакопители, или, как их здесь называют, супер-конденсаторы. Развитие этого направления инноваций -- в повышении емкости конденсаторной батареи на фоне снижения ее веса и стоимости. Например, для легкового гибридного автомобиля традиционная батарея стоит около $10 тыс., а для гибридного автобуса – более $30 тыс. Снижение стоимости даже на 10% - уже успех, а у ТЭЭМП удешевление батарей получается на 50-60%. Автомобильный модуль состоит из ряда конденсаторов. В лаборатории мне демонстрируют элементы этого модуля, применяемые сегодня за рубежом: классические тяжелые цилиндрические конденсаторы, вроде тех, что используются в лампах дневного света, но крупнее. Каждый, помимо электролита, состоит из металлического корпуса, пластмассовых заглушек, резиновых уплотнителей, винтиков -- всего девять мелких деталей. И тут же рядом разработка ТЭЭМП: лёгонькая пластинка, чуть меньше половины листа А4 и толщиной 10 мм, запечатанная в пленку: конденсатор, в конструкции которого нет ни одной сложной детали, изготавливаемой на станке. По словам Технического директора ТЭЭМП Владимира Туманова, технология изготовления всех необходимых деталей изначально предполагает штамповку, позволяющую максимально автоматизировать процесс производства. «Если взять 80-килограмовый модуль иностранного производства и такой же наш, то в нашем на 800 деталей меньше, -- замечает он. -- Японцы, когда увидели эти конденсаторы, были потрясены простотой решения». Звучит удивительно, если вспомнить произведения сатириков о том, что наша страна производит «самые большие в мире микросхемы». Но, как мне объяснили, за рубежом разработками электромобилей и конденсаторов для них занимаются давно, сложилась своя школа, технологическая база. Развернута индустрия, которую разом перевести на новые технологии невозможно. «Мы же не обременены имеющейся базой, не связаны необходимостью окупить построенные заводы, выкупленные патенты -- технологию серийного выпуска создаем с нуля в чистом поле. В данном случае это преимущество», -- замечает Туманов.
Но самую важную роль играет не конструкция, а наполнение суперконденсатора: электроды из активированного угля. В одной из лабораторий ТЭЭМП мне демонстрируют установки для измельчения и смешивания, вакуумные сушки, печки для спекания, установки пиролиза для активации угля. Задача получить уголь, имеющий необходимую пористость, максимальную свободную поверхность для соприкосновения с электролитом -- от этого зависит емкость конденсатора. Активированный уголь с необходимыми свойствами на Западе получают из специфического, сравнительно дорогого сырья вроде шелухи кокосовых орехов. В ТЭЭМП экспериментируют с доступным сырьем -- обычным мангальным углем, березовым или ольховым. В итоге стоимость активированного угля падает в три раза. Лучший японский модуль суперконденсаторов выдерживает 1 млн циклов зарядки/разрядки. В ТЭЭМП меня уверяют, что их модуль не менее долговечен. Назвали его СКАТ, и не только по аналогии с одноименным суперконденсатором в живой природе – это Супер Конденсатор Альтернативной Технологии.
Социальный рынок
Компания ТЭЭМП завершает подготовку технической документации для строительства заводов по производству мотор-колес и суперконденсаторов. Теоретически, можно продать патент иностранным игрокам рынка электромобилей и гибридов (права на инновации принадлежат ТЭЭМП). Можно и продолжать разработки по заказу иностранных покупателей, но выгоднее продавать реализованную технологию (для инвесторов в завод), а еще выгоднее - продукцию этого завода. По словам Долголаптева, обсуждается строительство завода в ближайшие 2 года. Стоимость всего проекта, включая НИОКР и само строительство, около 70 млн евро. В России до сих пор электромобили серийно не производились вообще. «Мы пытаемся создать этот рынок, -- рассказывает Долголаптев. -- Муниципальный транспорт составляет менее 10% всего потока автомобилей, зато выхлоп автобусов и грузовиков -- 50% всех газов. Если сделать экологически чистыми городские автобусы, это уже гигантское снижение нагрузки на экологию. Это – улучшение здоровья людей, а любой проект становится значимым только тогда, когда он социален». Долголаптев показывает мне график, из которого следует, что если обычный дизельный 12-метровый автобус стоит около 8 млн руб, то гибридный с инновациями ТЭЭМП - около 9 млн руб. Но зато общие затраты с учетом расходов на энергию и запчасти уравниваются через полтора года эксплуатации, а за десять лет разница в стоимости владения составит 2 млн руб. - гибрид получается дешевле. Сейчас ведутся переговоры о создании производства таких экологически чистых автобусов, в том числе с участием КАМАЗа. Если реализация проекта окажется удачной, то это открывает для инноваций ТЭЭМП огромные рынки, и не только автомобильные. «Электровелосипеды с нашим колесом-двигателем тяжеловаты, но уже сейчас делаются самые эффективные электроколяски для инвалидов. Наши технологии позволяют сделать дешевыми и экологичными гибриды: скутеры и трехколесные такси – «тук-туки». А сегодня, между прочим, полмиллиарда людей в Индии и Китае ездят именно на них – это гигантский рынок», - замечает Долголаптев.