Текст книги "Автоутопия. Будущее машин"

Гибриды

К счастью тех из нас, кому нравится слышать рев мотора, автомобили с двигателями внутреннего сгорания стали создавать гораздо меньше выхлопов и повысили производительность. Более того, хоть они и выпускают углекислый газ, их вклад в глобальные выбросы сейчас меньше, чем можно подумать.

Основной способ, с помощью которого ДВС становится более экологичным, – комбинирование двигателя с энергией аккумулятора. Хоть производители автомобилей с политиками и заявляют, что на дорогах не будет двигателей внутреннего сгорания, стоит прочитать оговорки и станет понятно, что они ограничиваются лишь новыми машинами, которые используют только бензин или дизель. Почтенная технология не теряет своих позиций в гибридных системах или применяется в дополнительном двигателе.

В следующие 10 лет все большее число водителей будут делать выбор в пользу бензиновых гибридов.

Насколько в действительности вредны машины

Можно решить, что на автомобили приходится большая часть выбросов углекислого газа, но это не так. По данным Агентства по охране окружающей среды США, только 6 % выбросов парниковых газов во всем мире приходится на автомобили и фургоны. Правда, некоторые страны по этому показателю опережают другие (в США – 19 %). Тем не менее электричество, отопление, сельское хозяйство и промышленность наносят заметно более ощутимый ущерб.

Соответственно, часть ограничений, которые наложила Всемирная организация здравоохранения и другие учреждения, необходимо пересмотреть. По данным исследования Колорадского университета в Боулдере, из-за приготовления рождественского ужина количество взвешенных частиц дома может увеличиться до такого объема, который превышает лимиты ВОЗ в 20 раз, и оставаться в воздухе более 8 часов. Научные сотрудники Института общества Фраунгофера в Германии подсчитали предельно допустимый уровень NO_x при включении газовой плиты. Исследователи выяснили, что загрязнение воздуха взвешенными частицами на станциях лондонского метро в 30 раз выше, чем рядом с оживленными дорогами больших городов.

Покойный Тони Фрю (до недавнего времени он выступал советником британского правительства по вопросам медицинских последствий загрязнения воздуха) предложил взвесить риски и выгоды. Он поддерживал мысль о том, что высокие уровни загрязнения в городах типа Пекина и Дели нужно рассматривать отдельно. Но Фрю интересовал вопрос, сколько политических усилий и финансовых вложений потребуется на то, чтобы привести города вроде Лондона, Лос-Анджелеса или Найроби (во всех них уровень загрязнения гораздо ниже) под нормативы ВОЗ.

«Если избавиться от всего транспорта в Лондоне, получится уменьшить концентрацию частиц примерно на 2 микрограмма на кубический метр, – заметил он. – Сейчас средняя продолжительность жизни миллениалов – более 90 лет. Если избавиться только от одного источника загрязнения и ничего не делать с остальными, можно прожить [на месяц дольше]. Следует задуматься, а стоит ли этот дополнительный месяц того, чтобы отказаться от машин, общественного транспорта и автомобилей службы доставки».

Сэр Дэвид Шпигельхолтер работает в Уинтонском центре изучения риска и доказательств при Кембриджском университете. Он говорит: «Все меры воздействия загрязнения воздуха окружает множество неопределенностей. На смену недостаточным знаниям приходят новые экспертные заключения. Следует уделять больше внимания этим неопределенностям в ходе общественных обсуждений».

И хотя в том или ином виде гибридная технология используется уже давно (первые поезда, работающие на дизеле и электричестве, появились в 1920-е годы), она получила наибольшее распространение после презентации Toyota Prius в Японии в 1997 году.

Модель Prius до сих пор считается самой популярной среди гибридных автомобилей. Ее часто называют «полным» гибридом: машина движется за счет как бензинового, так и электрического двигателя. Высокотехнологичный блок управления безупречно распределяет энергию от разных источников к колесам с помощью автоматической трансмиссии. Toyota продала 6 миллионов автомобилей этой модели, так что скорее всего вы ездили на ней хотя бы раз. К примеру, в Лондоне они пользуются большой популярностью у водителей Uber. Разумеется, Toyota не единственная компания, которая выпускает полные гибриды. Их производством занимаются также Audi, BMW, Citroen, Land Rover, Lexus, Mercedes, Peugeot, Porsche, Volkswagen и другие.

Использование двух двигателей с попеременной работой может показаться нерациональным, но здесь есть свои преимущества. Идея в том, что каждый из двигателей используется там, где он наиболее эффективен. Электроэнергия лучше подходит для отправления с места и движения с частыми остановками на низких скоростях, потому что тогда задействуется крутящий момент электродвигателя. Бензиновый двигатель обеспечивает большую мощность, поэтому лучше подходит для езды на относительно высоких скоростях. Когда требуется максимальная мощность, начинают работать оба двигателя (при этом бензиновый двигатель может быть чуть меньше). Принципиальным моментом является то, что как и автомобили с аккумуляторами или на водородном топливе, полные гибриды способны рекуперировать энергию при торможении и использовать ее для заряда батарей.

Обычно машина переключается на бензиновый двигатель на скорости около 40 км/ч. Вместе оба двигателя работают лишь в том случае, когда требуется максимальное ускорение. (Это можно увидеть на приборной панели, но по моему опыту, ощущение новизны быстро исчезает.) Аккумуляторы в большинстве гибридов меньше по размеру чем те, что установлены в классических электромобилях. Дальность поездки при использовании одного только электродвигателя обычно ограничивается 2–3 километрами. Машины просто на это не рассчитаны. Они уже составляют конкуренцию дизельным автомобилям и вскоре смогут похвастаться такой же производительностью, при этом обладая лучшими показателями ускорения. Гибридные двигатели становятся нормой в средних по размеру автомобилях для повседневных задач.

Среди более компактных автомобилей все чаще будут встречаться мягкие (или умеренные) гибриды. В них относительно небольшой двигатель задействует электромотор, который установлен «параллельно» между двигателем и коробкой передач, в тех случаях, когда требуется дополнительная помощь. Главное отличие состоит в том, что электромотор не способен самостоятельно снабжать машину энергией. Аккумуляторы восстанавливают энергию во время движения автомобиля и обеспечивают небольшую, но заметную поддержку при отправлении с места. Идея, опять же, состоит в том, чтобы поместить в автомобиль бензиновый двигатель меньшего размера ради большей экономии. Мягкие гибриды позволят увеличить топливную экономичность бензинового двигателя на 10–20 %, что сделает их привлекательнее дизельных автомобилей. Эта технология, безусловно, заменит небольшие двигатели с турбонаддувом, которые выделяют слишком много оксида азота и не так экономичны в реальной жизни, как показывают испытания в лабораториях.

Подключаемые гибриды (или плагин-гибриды) ближе всего к электромобилям. Помимо усиления с помощью двигателя и торможения во время движения, эти автомобили можно подключать к сети для зарядки аккумуляторов, чтобы они могли дольше ехать только на батареях. Аккумуляторы в них обычно крупнее, чем в полных гибридах. В некоторых моделях можно проехать от 50 до 80 километров исключительно на электродвигателе. Подключаемый гибрид Mitsubishi Outlander приобрел особую популярность в Европе. В последних моделях есть возможность использовать двигатель для зарядки аккумулятора. Так что во время длинной поездки из одного города в другой можно сперва использовать аккумулятор, затем, выехав на шоссе, переключиться на двигатель внутреннего сгорания, одновременно с этим заряжая батареи, и вернуться к электродвигателю при въезде в черту города, чтобы не загрязнять среду отработавшими газами.

Зачастую было сложно оправдать покупку более дорогого гибрида, потому что экономия на топливо была незначительной. Но автомобили с двигателем внутреннего сгорания все с большим трудом проходят строгие проверки состава отработанных газов. Со временем разница в цене, вероятно, исчезнет. Тем не менее, как нередко показывает статистика по автомобилям, топливная экономичность гибридов, о которой заявляется в рекламе, способна вводить в заблуждение. Более того, если не подключать батареи или ездить на машине только по шоссе, топливо будет расходоваться даже больше. По сути, вы ездите на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания, который отягощен блоком батарей.

Взять хотя бы популярный Mitsubishi Outlander. В 2018 году в Великобритании среди подключаемых гибридов он пользовался наибольшим спросом. Официальный показатель расхода топлива – удивительные 55,7 км/л, а выбросы углекислого газа – 46 грамм на 100 километров. За счет этого владелец освобождается от лондонского сбора за использование транспортного средства в центре города и получает налоговые льготы. Но на самом деле это попытка обыграть систему.

Эти показатели выведены из испытательного цикла, который начинается с полностью заряженной батареей. В таких условиях Outlander может проехать лишь 45 километров. Затем подключается силовой агрегат, работающий на бензине, и Outlander превращается в крупный автомобиль, который в дополнение ко всему везет два тяжелых мотора и аккумулятор. В реальной жизни автомобиль наносил бы минимальный вред окружающей среде только при условии, что на нем совершаются короткие поездки (до 45 километров), а между ними проходит зарядка аккумулятора. Сколько людей готовы на это?

Эксперт по вопросам загрязняющих выбросов Ник Молден признает, что гибрид может быть как паинькой, так и сорванцом. «Даже произнося слово „гибрид“, нужно быть осторожным, потому что за ним скрывается множество грехов. Пожалуй, модель Prius – лучшая в своей категории. Автомобили Prius четвертого поколения невероятно умные. [Toyota] всего за одно поколение улучшила расход топлива сразу на 10 %. Насколько я понимаю, для каждого оборота двигателя принимается решение – что лучше: запустить двигатель или использовать электричество. Дьявол в деталях. А на чем основана ваша гибридная технология? Все это напоминаем ситуацию с двигателями внутреннего сгорания: есть хорошие, есть плохие. Нам следует судить о гибридах по конкретной модели, а не вообще. Подход „гибрид – это всегда хорошо“ неверный».

Если разговоры о выбросах углекислого газа и экономичности кажутся вам скучными, не переживайте. Существует вид гибрида, который заслуживает того, чтобы его вынесли в отдельную категорию, – гибридный гиперкар. Первым стал Porsche 918 Spyder. Благодаря сочетанию V-образного восьмицилиндрового двигателя объемом 4,6 литра и двух электромоторов автомобиль может похвастаться мощностью 887 л. с. В Porsche объявили, что машина разгоняется до 100 км/ч за 2,5 секунды. Стоимость – 624 000 фунтов стерлингов, а максимальная скорость – 345 км/ч. Но при этом, если верить официальным данным, после выхода в 2014 году автомобиль был признан настолько экономичным, что его владельцев освободили от уплаты сбора за использование транспортного средства в центре Лондона. Максимальная скорость только на электроприводе – 150 км/ч.

За Porsche последовали другие производители с такими же ценами, от которых на глаза наворачиваются слезы: McLaren P1 – 866 000 фунтов стерлингов и 727 л. с., Ferrari LaFerrari – 1 150 000 фунтов и 950 л. с. Концепт гибридного гиперкара доводят до крайности. Модель McLaren Speedtail обладает мощностью 1035 л. с. и стоит 1,75 миллиона фунтов стерлингов. В нем установлен V-образный восьмицилиндровый двигатель, но поразительные 309 л. с. приходятся на долю электромотора, который при этом не может самостоятельно приводить автомобиль в движение. Конструкторы специально вытянули заднюю часть машины, чтобы улучшить ее аэродинамические качества на максимальной скорости в 400 км/ч. Aston Martin предлагает модель Valkyrie стоимостью 2,5 миллиона фунтов стерлингов и с суммарной мощностью 1160 л. с.: 1000 л. с. обеспечивает V-образный 12-цилиндровый двигатель объемом 6,5 литра, а оставшиеся 160 л. с. – электромотор.

Самые амбициозные цели у Mercedes-AMG: подразделение планирует перенести гибридные технологии «Формулы-1» на обычные дороги с помощью модели Mercedes-AMG One. Задние колеса приводятся в движение шестицилиндровым двигателем TDI объемом 1,6 литра. Скорость вращения – до 11 000 оборотов в минуту. Автомобиль оснащен четырьмя электромоторами. Два из них приводят в движение передние колеса, к тому же один двигатель напрямую соединен с коленчатым валом для ускорения. Оставшиеся два электромотора встроены в турбонагнетатель для сокращения запаздывания. Коэффициент полезного действия у двигателя высокий, но через каждые 50 000 километров его потребуется снимать и перебирать, чтобы убедиться в целостности элементов. Уже продано 275 автомобилей стоимостью 1,9 миллиона фунтов стерлингов каждый. Mercedes получила более 1000 заказов, но решила ограничить производство, чтобы машины оставались эксклюзивными.

Влюбиться в дизель заново… Может, хоть ненадолго?

А нужны ли нам гибриды? Если кратко, то похоже, что лучший друг скупого автомобилиста – дизель – возвращается. Наконец, после многих лет пустых обещаний топливо стало более экологичным. Кажется, «Дизельгейт» побудил производителей устранить практически все недостатки.

«ДИЗЕЛЬГЕЙТ», или афера автоконцерна Volkswagen

Как только государство стало проводить тесты на выбросы вредных газов, производители попытались их обойти. Однако на фоне скандала 2015 года, в центре которого оказался концерн Volkswagen, все остальные случаи начали казаться мелким хулиганством. VW продавал большое количество дизельных автомобилей в США, а представители компании постоянно твердили о низких показателях выбросов, которых удавалось чудесным образом достичь без дорогостоящих и неудобных баков с жидкостью для очистки от выхлопов. В действительности же VW выпустил 11 миллионов дизельных автомобилей, оснащенных «нейтрализующими устройствами». Это программное обеспечение активировалось во время испытаний в лабораторных условиях и уменьшало объем выбросов. На дорогах устройство, контролирующее загрязнения, отключалось, а уровень NO_x превышал допустимый лимит в 40 раз.

Исследователи обнаружили обман, когда изучили разницу между лабораторными тестами и реальными выхлопами. Последствия были очень серьезными. В США компания согласилась выкупить или отремонтировать 475 000 автомобилей и выплатить каждому владельцу компенсацию в размере до 10 000 долларов. Семь сотрудников получили сроки, в том числе топ-менеджер Оливер Шмидт. Его осудили на семь лет лишения свободы, а также назначили штраф 400 000 долларов после того, как он признал свою причастность к обходу законов, направленных на охрану окружающей среды. Скандал обошелся компании в сумму более 30 миллиардов долларов. В более широком смысле эта ситуация вскрыла тот факт, что производители повсеместно приукрашивают результаты тестов. Во многих странах воздух загрязнен гораздо сильнее, чем должен быть в теории. Больше никто не верит данным, которые озвучивают представители автомобильной отрасли. Как это ни парадоксально, но скандал, вероятно, послужил последним толчком, которого не хватало для очистки «грязного» топлива.

Пока человечество ждет перехода на электромобили и машины на водородном топливе, дизельные автомобили помогут свести к минимуму влияние на окружающую среду благодаря относительно низкому уровню выбросов CO₂ (во многих случаях лучше, чем у бензиновых гибридов).

Реальное (а не мнимое) очищение автомобилей на дизеле сделало их более дорогими и сложными в производстве. Вместе с противосажевыми фильтрами в дизельные автомобили последних моделей устанавливают бак с реагентом AdBlue. Это бесцветный нетоксичный раствор мочевины и деминерализованной воды. Небольшое количество реагента через инжектор впрыскивается в поток отработавших газов. Под воздействием высоких температур происходит химическая реакция, в результате которой вредные оксиды азота распадаются на безопасные азот и воду.

Это работает. В реальных условиях вождения количество NO_x уменьшается до 20 миллиграмм на километр. Нормативный предел – 80 миллиграмм. Даже автомобили последнего поколения регулярно выдавали 800 миллиграмм. Более того, исследователи из Университета Лафборо заявляют, что они изобрели технологию, которая снизит выбросы NO_x у дизельных машин до 13 миллиграмм на километр. Вероятно, в этом нет большой необходимости.

Хотя 20 миллиграмм – все еще не ноль, мы сталкиваемся с другими, более серьезными проблемами, которые касаются загрязнения городов: например, с дровяными печами, строительной техникой, отоплением, бытовыми приборами и даже скромными свечами.

Современные машины на дизеле производят меньше твердых частиц, чем электромобили, которые, будучи зачастую тяжелее, создают шинную пыль и сильнее изнашивают тормоза. Сейчас противосажевые фильтры настолько хороши, что во время поездки по городу с загрязненным воздухом автомобиль собирает больше частиц, чем выделяет. Воздух, выходящий из выхлопной трубы, чище того, что в нее попадает. Ник Молден называет это «отрицательным уровнем выбросов». Электромобиль, напротив, не может похвастаться таким очищающим свойством, потому что у него нет выхлопной трубы и фильтров. Новые, более экологически чистые дизельные автомобили выделяют меньше вредных частиц, чем самые современные машины с бензиновыми двигателями.

Вопрос заключается в том, что делать со старыми автомобилями, в которых установлены дизельные двигатели, загрязняющие окружающую среду. В Европе приняли новые стандарты, включающие тесты на дорогах, но для утверждаемых моделей они действуют лишь с 1 сентября 2017 года, а для новых регистраций – с 1 сентября 2019 года. Очищение дизеля только началось.

Во время действия предыдущего стандарта с 2014 года были зарегистрированы как хорошие, так и очень плохие транспортные средства. Сочетание нестрого режима тестирования и желания производителей его обойти привело к тому, что в Европе прошли регистрацию машины с очень высоким уровнем выбросов, хотя формально закон никто не переступал. В настоящий момент владельцы дизельных автомобилей, соответствующих стандарту Euro 6, не платят взносы в зоне сверхнизких выбросов в Лондоне, а также им не запрещен въезд в немецкие города. Но если ситуация с загрязнением воздуха не улучшится, ездить по дорогам им осталось недолго. Многие придут в ярость. Ник Молден полагает, что производители захотят защитить свою репутацию – они станут предлагать владельцам недавно купленных автомобилей с вредными дизельными двигателями заменить их на новые машины.

Новенькие дизельные автомобили тоже нужно тщательно обслуживать. Чтобы они наносили столь малый вред окружающей среде, в них установлены сложные системы. Стоит какому-то элементу выйти из строя, как машина вновь становится такой же токсичной, как любитель сигар в пабе. Возможно, ежегодный техосмотр будет проводиться более тщательно. Также есть вероятность введения так называемого обнаружения по видимому контуру. Полицейские на патрульной машине будут следовать за автомобилем и физически фиксировать то, что выходит из выхлопной трубы во время езды. Процесс займет около 30 секунд. Это напоминает работу автоинспекторов, но вместо измерения скорости ручным радаром они будут обследовать выхлопные трубы.

Топливо будущего

Другие виды топлива тоже способны сделать двигатель внутреннего сгорания более экологически безвредным. Одна из амбициозных идей – синтетическое топливо. В нем углекислый газ, собранный из воздуха, соединяется с водородом, что создает возобновляемое электричество. В тех уголках планеты, где существует переизбыток солнечной энергии, построят огромные перерабатывающие заводы. Большие вентиляторы для вытяжки CO₂ будут втягивать окружающий воздух через пластмассовые гофрированные листы, покрытые гидроксидом калия. Каждый завод в среднем должен получать миллион тонн в год. Это равняется объему CO₂, который выделяют примерно 250 000 машин.

Идеальным местом для таких предприятий послужат пустыни. Профессор Джейми Тернер работает на факультете машиностроения в центре исследований силовых агрегатов и транспортных средств при Университете Бата. Ученый считает, что 2000 квадратных километров в Сахаре хватит для того, чтобы полностью удовлетворить транспортные потребности европейцев. И хотя синтетическое топливо в процессе горения будет выделять углекислый газ, процесс замкнется, потому что для самого топлива используют CO₂, который уже находится в воздухе.

Основная проблема в том, что этот процесс крайне неэффективен. Из-за того, что водород получают из воды, а углерод – из воздуха, сейчас уровень эффективности равен лишь 15 %. Следовательно, стоимость 1 литра синтетического топлива будет превышать стоимость обычного в несколько раз даже при массовом производстве.

Вольфганг Зиберт сказал мне, что «синтетические виды топлива будут использоваться там, где удельная энергоемкость – это главный показатель». Он не сомневается, что в будущем самолеты станут заправлять синтетическим топливом, так как оно выдает больше всего энергии на килограмм. Специалисты Mazda пытаются создать синтетическое топливо биологическими методами в лабораториях, чтобы снизить его стоимость. Пока что им удалось изготовить его в небольшом количестве.

Сжиженный углеводородный газ (СУГ), или пропан-бутан автомобильный, также поможет заполнить пробел, пока транспорт на водороде и электричестве не распространится повсеместно. Это топливо используется с конца 1920-х годов. Оно считается побочным продуктом при переработке природного газа. Сейчас СУГ применяют в качестве топлива лишь для 3 % автомобилей, но в некоторых странах он пользуется большой популярностью. В Армении от 20 до 30 % машин ездят на автомобильном пропан-бутане. В Турции – 10 %. Польша, Италия и Япония тоже не отстают. По некоторым подсчетам в Великобритании 170 000 автомобилей были переделаны таким образом, чтобы заправляться СУГ. За все время было построено 1400 станций, поэтому заправиться не составляет труда.

Большинство бензиновых двигателей можно перевести на другое топливо. Независимые тесты показали, что выбросы CO₂ в таком случае на 20 % меньше, чем в среднем от бензиновых двигателей. Тем не менее существуют причины, по которым такая практика не приобретет больших масштабов. Автомобили во время разогрева все еще лучше работают на неэтилированном топливе, поэтому оригинальный топливный бак и топливную систему нужно сохранить. Обычная машина расходует один бак неэтилированного бензина на каждые пять баков пропан-бутана. Дополнительный топливный бак посягает на место в багажнике, а сама услуга перевода на новое топливо стоит немало – около 2000 фунтов стерлингов. Отбить вложения получится только после того, как автомобиль проедет 50 000 километров. Кроме того, СУГ тяжелее воздуха, а значит, он будет оседать в углублениях. По этой причине он считается взрывоопасным и запрещен на многих стоянках и в тоннеле под Ла-Маншем. Так что лучше переплыть на пароме. Будем надеяться, что он не загорится.

У природного газа тоже есть свои недостатки. Сейчас этот источник энергии доступен в больших количествах благодаря открытию и разработке месторождений сланцевого газа. По данным организации NGV Global, которая собирает статистику в этой области, к 2024 году количество транспорта на газе достигнет отметки 30 миллионов единиц. Большие фуры можно заправлять сжиженным природным газом (СПГ), который вряд ли попадет в топливный бак вашего автомобиля, только если вы не живете в стране с очень холодным климатом. Это криогенная жидкость, получаемая при сжатии и охлаждении природного газа до температуры −160 °C. Компримированный природный газ (КПГ) более применим к обычным автомобилям, так как его можно хранить в баках под высоким давлением. Объем выбросов CO₂ машин на КПГ обычно равняется 60–80 % от объема выбросов автомобилей на бензине. Кроме того, они выделяют гораздо меньше NO_x. Однако топливный бак таких машин занимает больше места и заправлять его придется чуть дольше. Автомобили на газовом топливе могут стать временным решением, пока весь мир не перейдет на электромобили, но вряд ли они смогут задержаться надолго.