Производители грузовиков выбирают между батареями и водородом

Мировой парк коммерческого автотранспорта, по данным Statista, на конец 2019 г. составлял более 400 млн единиц. Абсолютным лидером являются США: по данным NationMaster, на конец 2019 г. в стране имелось более 150 млн единиц техники и последние пять лет рынок рос в среднем на 1,8% в год. На 2-м месте с большим отрывом находится Китай: более 32 млн единиц транспорта, а рост рынка составлял в среднем 2,4% в год. Россия расположилась на 8-м месте: около 7,5 млн единиц коммерческого автотранспорта и рост в среднем на 1% в год.

По данным аналитического агентства «Автостат» на 1 января 2020 г. парк грузовиков в России состоял из 3,78 млн единиц. Средний возраст грузовика на российских дорогах составляет 21,2 года, при этом возраст более чем 64,7% всех грузовых автомобилей в стране превышает 15 лет. Грузовики иностранного производства составляют 33% парка (лидер среди иномарок – Volvo, а среди российских брендов – «Камаз»). Около 70% техники укомплектовано дизельными двигателями, а экологическому стандарту «Евро-4» (и выше) соответствует не более 20% машин.

Согласно подсчетам Международного энергетического агентства (IEA), гигантская армада автобусов, тяжелых и средних грузовиков ежегодно выбрасывает в атмосферу планеты около 2,5 Гт парниковых газов. Для сравнения: выбросы легкового и легкого коммерческого транспорта составляют около 1,1 Гт в год, воздушного и водного транспорта – приблизительно по 1 Гт в год на каждый их этих двух видов. Среднестатистический грузовик, например, в США выбрасывает около 260 г СО2 на тонно-километр.

В условиях введения по всему миру все более жестких норм по ограничению вредных выбросов производители коммерческого автотранспорта вынуждены искать альтернативы дизельному двигателю. Так, власти ЕС требуют, чтобы к 2025 г. средний объем выбросов CO2 от тяжелых грузовиков и автобусов был сокращен на 15% по сравнению с уровнем 2019 г., а к 2030 г. – на 30%. Если производитель в период с 2025 по 2029 г. нарушит требование больше чем на 5%, ему придется выплатить штраф в размере 4250 евро за каждый грамм превышения среднего объема выбросов CO2 на тонно-километр на каждую выпущенную единицу транспорта. С 2030 г. штраф увеличится до 6800 евро. В США совокупный объем выбросов коммерческого транспорта 2018–2027 модельных годов должен быть сокращен на 1,1 млрд т.

Если не брать в расчет редкие эксперименты с солнечными панелями и пантографами, на рынке сегодня идут испытания технологий по трем направлениям: добавление электромоторов к дизельным моделям, использование в качестве основного двигателя электромотора, заряжаемого в процессе эксплуатации генератором на альтернативных видах топлива, или электромотора, заряжаемого во время стоянки от электросети.

Частичная электрификация

Американская компания Hyliion предложила комплект для частичной электрификации работающих на дизельном топливе седельных тягачей. Комплект, который может быть установлен как на новые, так и на подержанные грузовики, состоит из батареи, контроллера с ПО для определения оптимальной работы системы и оси с электродвигателем. Система следит за работой дизеля и в нужные моменты подключает электродвигатель, позволяя основному мотору работать в оптимальном режиме и с низким уровнем выбросов. Компания заключила соглашения с американским производителем комплектующих для грузовиков Dana Incorporated и подразделением шведского производителя грузовиков Volvo Trucks в США о производстве и установке своих комплектов с их помощью.

К частичной электрификации можно также отнести гибридные модели, т. е. автотранспорт, оснащенный традиционным ДВС и вдобавок электромотором и батареей. В коммерческом секторе применяется параллельная схема, при которой транспортное средство может приводиться в движение либо ДВС, либо электромотором, либо обеими силовыми установками одновременно. Такой подход может решить проблему движения грузовиков в населенных пунктах, где уже введены ограничения по нормам выбросов СО2. Но запас хода гибридов на одном электричестве невелик – около 40 км.

Зарядка на борту

У Hyliion есть и проект по полной электрификации седельных тягачей, который называется Hypertruck ERX: грузовики приводятся в движение только электромоторами, которые питаются от батарей, заряжаемых в процессе эксплуатации генератором, работающим на биогазе. Это позволяет сократить выбросы вредных газов на 25% по сравнению с дизельными машинами.

Проект Hypertruck ERX, промышленный выпуск которого намечен на 2021 г., отличается от аналогичных разработок других компаний использованием биогаза для работы генератора. Большинство конкурентов предлагают использовать для этой цели водород. Водородные топливные элементы осуществляют превращение химической энергии топлива в электричество, и такая схема уже сокращает вредные выбросы до нуля (система выделяет только обычную воду).

Немецкая Daimler Truck представила в сентябре 2020 г. концепт водородного седельного тягача Mercedes-Benz GenH2 грузоподъемностью 25 т и с запасом хода в 1000 км. Серийная версия появится после 2025 г. и в отличие от водородных разработок других компаний будет работать не на газообразном (хранение под давлением 700 бар), а на жидком водороде (хранение при температуре минус 253 градуса по Цельсию). Это позволит использовать значительно более легкие и меньшие по размерам топливные баки – у GenH2 их будет два, на 40 кг каждый. Недостаток этого варианта – в мире практически нет инфраструктуры заправок жидким водородом.

Японская корпорация Toyota совместно со своим подразделением по производству грузовиков Hino Motors представила в октябре 2020 г. концепт водородного седельного тягача. Прототип, базирующийся на модели Hino XL Series, появится на японских дорогах в 2021 г., а затем начнется серийное производство в США. Южнокорейская Hyundai Motor Company этим летом первой в мире запустила серийное производство тяжелого грузовика на топливных элементах XCIENT Fuel Cell. В 2020 г. компания планирует произвести 60 машин, а к 2025 г. должно быть выпущено в общей сложности 1600 шт. Запас хода составляет 400 км. Hyundai также разрабатывает седельный тягач с запасом хода 1000 км.

Зарядка от сети

Никто не обязывает производителей коммерческого автотранспорта выбирать только одну из трех технологий. Ограничения со стороны властей касаются только совокупного уровня выбросов вредных газов. Та же Daimler Truck, например, помимо водородных разрабатывает и электрические грузовики, в том числе eActros с запасом хода до 200 км и среднемагистральный седельный тягач eActros LongHaul с запасом хода до 500 км. Они будут запущены в серийное производство в 2021 г. и 2024 г. соответственно.

«Грузовики на аккумуляторных батареях будут скорее использоваться для меньшего веса груза и для более коротких расстояний. А грузовики на топливных элементах будут предпочтительным вариантом для более тяжелых грузов и больших расстояний. Наши концепты от Mercedes-Benz – GenH2, eActros LongHaul и eActros, – а также электрические грузовики от брендов Freightliner и FUSO позволят нам предлагать клиентам подходящие под их задачи варианты», – заявил глава Daimler Trucks Мартин Даум. Уже упомянутая Hino Motors разрабатывает электрические грузовики совместно с американским стартапом Xos Trucks.

Американская компания Tesla провела презентацию проекта своего электрического седельного тягача Semi в ноябре 2017 г.: запас хода – до 800 км, разгон до 100 км/ч без груза – 5 секунд, при полной загрузке (36 т) – 20 секунд, время полной зарядки аккумулятора – 40 минут, до 80% – полчаса. Стоимость – от $180 000. Тестирование прототипов Semi на дорогах общего пользования началось в 2018 г. Начало производства планировалось на 2019 г., потом было перенесено на 2020 г., а в конце апреля Tesla заявила, что производство начнется не раньше 2021 г.

Плюсы и минусы

Частичная электрификация не решает проблему загрязнения воздуха коммерческим автотранспортом в целом. Однако даже небольшое увеличение экологичности продукции может дать производителям передышку, для того чтобы они смогли разработать для себя стратегию развития производства на ближайшее будущее.

В качестве плюсов коммерческого автотранспорта на водородном топливе можно отметить достаточный запас хода (400–1200 км) и быстрый процесс заправки (сравнимый с заправкой традиционных машин). Ну а минусы (помимо вопроса о вреде экологии при производстве топливных элементов) заключаются в дороговизне инфраструктуры (производство, хранение, транспортировка и продажа водорода) и относительной опасности технологии (водород взрывоопасен при соприкосновении с воздухом).

Что касается чисто электрического коммерческого автотранспорта, то, хотя в городе применение электрических автобусов и грузовиков уже может рассматриваться в качестве приемлемого варианта, основная проблема применения «электричек» в дальних перевозках заключается в батарее: современные технологии пока не позволяют выпускать батареи с приемлемым для соответствующего коммерческого автотранспорта сочетанием веса, емкости и стоимости. А когда (и если) таковые появятся, останется вопрос времени зарядки: на длинных маршрутах даже 40 минут каждые 800 км играют роль.

Описанные технологии и их проблемы демонстрируют, что производители коммерческого автотранспорта оказались в сложной ситуации. С одной стороны, им необходимо сделать выбор пути дальнейшего развития производства в условиях ужесточения норм по выбросам СО2. С другой – этот выбор ограничен вариантами, из которых выбирать можно только по принципу меньшего из зол.