Пока не хватит батарейки

Обсуждение радужных перспектив электромобильной индустрии сейчас занимает немалую часть научно-технологических рубрик в средствах массовой информации. Многочисленные эксперты дают бодрые прогнозы: уже совсем скоро производство электрических транспортных средств станет массовым, постепенно они достигнут количественного паритета с традиционными автомобилями, оснащенными двигателями внутреннего сгорания (ДВС).

Так, по свежим оценкам известной футурологической компании TechCast Global (Вашингтон, США), объем мирового рынка электромобилей в течение одного-двух ближайших десятилетий может достичь 1–2 трлн долларов, а компания Navigant Research считает, что рынок литий-ионных батарей благодаря резкому росту спроса на них со стороны производителей электромобилей уже к 2024 году вырастет более чем до 30 млрд долларов (по итогам 2016-го он достиг 7,8 млрд долларов).

Однако, несмотря на все эти оптимистические прогнозы, текущий уровень рыночного проникновения электромобилей пока остается очень низким. В Европе в 2016 году на долю полностью электрифицированных авто пришлось всего 0,2% общего объема продаж, немногим больше (около 1%) был и удельный вес электромобилей, проданных в прошлом году на американском рынке.

Инкрементный рост

Безусловно, массовому распространению электрических транспортных средств прежде всего препятствует несовершенство современных технологий производства автомобильных аккумуляторных батарей.

Для того чтобы электромобили (в английском языке для их коллективного обозначения традиционно используется аббревиатура EV — electric vehicles) стали основным наземным средством передвижения, необходимо, чтобы стандартная емкость аккумуляторов, обеспечивающих их работу, была сравнима с ресурсом бензиновых двигателей, то есть позволяла проехать на одном полном цикле, без дополнительной зарядки, порядка 500–600 километров — столько же, сколько проезжает машина с ДВС при полном баке.

За последние несколько лет, примерно с 2013 года, средний ресурс пробега большинства выпускаемых EV-моделей в процентном отношении вырос достаточно ощутимо. Например, у Nissan Leaf он увеличился с 75 миль в 2013 году до 107 миль в 2017-м, а у дорогой Model S от Tesla за то же время — с 208 до 249 миль (относительное приращение от 20 до 40%). Этот прогресс был достигнут главным образом благодаря увеличению общей емкости аккумуляторов: у Nissan Leaf — с 24 до 30 кВт⋅ч, а у Model S — с 60 до 75 кВт⋅ч.

Стандартным ориентиром для дальнейшего выхода производства электромобилей на устойчивый поток многие эксперты считают достижение 300-мильного (примерно 480 км) ресурса пробега на одной полной зарядке.

Новые аккумуляторные батареи для Chevrolet Bolt тестируются в техническом центре General Motors (ноябрь 2016 года)

Фотография:AP/TASS

У флагманской Tesla Model 3 в ее усовершенствованном варианте (он стоит 44 тыс. долларов, в то время как базовый — 35 тыс. долларов) такой пробег уже «прописан». Максимум же (335 миль при полной зарядке) в существующей линейке электромобилей Tesla сейчас обеспечивает Model S P100D, которая пока стоит астрономические 94 тыс. долларов.

Немецкая Porsche тоже недавно объявила, что дальность пробега ее новой модели Mission E превысит 300 миль. Запуск этой модели в серийное производство намечен на 2019 год, она, в частности, должна порадовать будущих владельцев 15-минутной турбозаправкой (впрочем, о том, где можно будет найти такие сверхскоростные зарядные установки, компания пока не сообщает; подробнее о проблеме с электрозарядными станциями см. ниже).

Наконец, в минувшем сентябре на Франкфуртском автосалоне корейская Samsung впервые представила свою революционную разработку — новый многофункциональный аккумуляторный блок с кодовым обозначением 21700, который, по официальным заверениям его создателей, при полной зарядке сможет обеспечить дальность пробега до рекордных 430 миль. Никаких технических деталей сенсационной новинки компания пока не представила, а эксперты на основании беглого осмотра отметили, что она подозрительно похожа на последний аккумуляторный блок главного законодателя мировой электромобильной моды, американской Tesla, устанавливаемый на ее новые машины серии Model 3 (его кодовое обозначение… 2170, которое отражает стандартные размеры ячейки — 21×70 мм).

Тем не менее возможность устойчивого повышения эффективности самых популярных литий-ионных аккумуляторных батарей в среднесрочной перспективе большинство специалистов пока считают не слишком очевидными. Даже сам Илон Маск, главный апологет литий-ионного направления, недавно заявил, что, возможно, его технологический потенциал в скором времени будет исчерпан.

Причем, по оценкам одного из ведущих экспертов в области автомобильных батарейных технологий директора Joint Center for Energy Storage Research при Аргоннской национальной лаборатории США Джорджа Крэбтри, «более 90% общего объема финансирования исследований в настоящее время приходится на различные проекты, ориентированные именно на постепенные (инкрементные) улучшения существующих технологий» (литий-ионных батарей).

Кроме того, возможность доступа многочисленных «батарейных» стартапов и к этим инкрементно ориентированным инвестициям до сих пор крайне ограничена.

Как отмечает другой известный специалист, профессор материаловедения Калифорнийского Университета в Беркли Герд Седер, «для того чтобы создать небольшую производственную линию и обеспечить при этом должный технологический уровень и исследовательские компетенции, сегодня требуется изыскать не менее 500 млн долларов… Очень трудно привлечь такие инвестиции в производство, когда [среднестатистический] стартап может рассчитывать от силы на несколько миллионов долларов собственных средств в год».

Многие из базовых научных инструментов, необходимых для детального изучения различных химических реакций, которые теоретически могут повысить мощность батарей, пока слишком дороги для небольших исследовательских стартап-проектов.

Основные надежды на этом научно-исследовательском фронте сегодня связываются со специализированными компьютерными базами данных (такими, например, как Materials Genome Initiative), которые создаются при обильной господдержке. Их использование позволяет исследователям существенно ускорить эксперименты с новыми химическими материалами и компонентами батарей.

В свою очередь создание принципиально новой «батарейной архитектуры», не базирующейся на литий-ионных технологиях, активно развивающихся последние два с лишним десятилетия, большинство специалистов пока считают делом относительно далекого будущего. В англоязычных изданиях это альтернативное направление исследований часто называют технологиями step changes, то есть скачкообразных, в отличие от инкрементных усовершенствований, качественных эффективных изменений. В частности, это батареи с твердыми электролитами (solid-state batteries; в литий-ионных батареях используются жидкие электролиты), но для успешной рыночной конкуренции с литий-ионными технологиями им, по мнению большинства экспертов, потребуется еще как минимум лет десять.

Впрочем, относительно недавно, в июле, о значительных успехах

на направлении solid-state объявила японская Toyota. Принципиально новая технологическая линейка электромобилей Toyota с батареями на твердых электролитах якобы может быть запущена уже в 2022 году.

По неофициальной информации, новые батареи Toyota на твердых электролитах должны обеспечить значительно большую дальность пробега, чем литий-ионные, и, что особенно важно, стандартное время их перезарядки составит всего несколько минут.

А уже в конце сентября о планах выхода на EV-рынок неожиданно заявил новый потенциальный игрок — британская компания Dyson, которая известна прежде всего своими пылесосами и прочей бытовой техникой. По официальным заявлениям руководства этой компании, она рассчитывает уже к 2020 году наладить серийное производство неких «батарейных электромобилей» (в оригинале было буквально сказано о battery electric vehicle) и намерена инвестировать в это не менее двух миллиардов фунтов стерлингов». Dysonрассчитывает достичь прогресса исключительно собственными усилиями, без привлечения внешних экспертов, и создает для реализации проекта специальное исследовательское подразделение численностью 400 человек.

Правда, известно, что в 2015 году Dyson приобрела американскую компанию Sakti3, батарейный спин-аут-проект исследователей Мичиганского университета США, и, судя по всему, смогла получить необходимый базовый опыт на этом технологическом направлении. Пока детали этого амбициозного проекта британцев неизвестны широкой публике, но, по мнению многих аналитиков, Dyson, как и Toyota, делает ставку именно наsolid-state-батареи.

Как бы то ни было, очевидно, что разработка более эффективных батарейных технологий (причем как ориентированных на инкрементные улучшения, так и на step changes) — это игра вдолгую. Именно поэтому стартапам в этой области приходится очень тяжело. Для существенного прогресса необходим мощный приток инвестиций со стороны крупных производственных компаний (прежде всего автогигантов), а в идеале и дополнительные стимулы со стороны государства. И, судя по публикуемым в последнее время многочисленным анонсам в СМИ, крупнейшие мировые автопроизводители наконец созрели для того, чтобы в массовом порядке последовать заразительному примеру Tesla, вкладывающей в совершенствование батарейных и прочих электромобильных технологий миллиарды долларов.

О наполеоновских планах создания специализированных автономных подразделений по производству электромобилей стали объявлять даже те автокомпании, которые считались убежденными консерваторами, приверженцами ДВС-мейнстрима, в том числе GM и Ford.

Батарейная экономика

Недостаточная зрелость нынешних аккумуляторных технологий непосредственно отражается и на сильно хромающей «батарейной экономике». Сегодня пока еще относительно немногочисленные серийные производители электромобилей фактически работают «в красной зоне» (их убытки частично покрываются благодаря стимулирующим госсубсидиям).

Себестоимость одного киловатт-часа работы средней аккумуляторной батареи сейчас составляет порядка 227 долларов (оценочные данные на конец прошлого года, приведенные, в частности, в недавнем исследовании McKinsey & Company). Более того, по заявлениям главы Tesla Илона Маска, сделанным еще в 2016 году, благодаря запуску завода по производству аккумуляторных батарей Gigafactory, главного производственного объекта компании, построенного в штате Невада в кооперации с Panasonic, среднюю себестоимость уже удалось снизить до 190 долларов за киловатт-час.

Безусловно, это очень серьезный прогресс по сравнению с тем, что было шесть-семь лет назад, когда киловатт-час стоил порядка 1000 долларов. Но, как отмечают аналитики, достижение желанного ценового паритета с ДВС-автомобилями, которое будет возможным, когда себестоимость киловатт-часа работы EV-батареи снизится примерно до 100 долларов, по всей видимости, произойдет примерно в 2030 году (по альтернативным оценкам — в период между 2025 и 2030 годами).

А пока удельный вклад стандартного аккумуляторного блока в общую стоимость электромобиля составляет около 15 тыс. долларов (при его общей емкости в районе 60 кВт⋅ч). И это без учета стоимости дополнительных систем энергообеспечения, таких как электронные двигатели, высоковольтная проводка, встроенные зарядные устройства и инверторы.

Кроме того, нельзя забывать, что производители автомобилей с ДВС тоже не почивают на лаврах и продолжают повышать их эффективность. По прикидкам экспертов той же McKinsey, примерный потенциал снижения средней стоимости традиционных автомобилей в течение ближайших десяти лет) составляет порядка 25%.

Отдельная важная тема — сильная зависимость новой электромобильной экономики от целого ряда критических сырьевых материалов и металлов. Так, по оценкам Bloomberg New Energy Finance, общий объем спроса на графит, широко используемый сегодня в анодах литий-ионных батарей, к 2030 году может вырасти до 852 тыс. тонн по сравнению с 13 тыс. тонн по данным за 2015 год.

Схожие темпы роста спроса прогнозируются и по другому критическому для EV-индустрии металлу — кобальту, рыночная стоимость которого в последнее время выросла примерно на 80%. Наконец, для обеспечения спроса со стороны растущей электромобильной отрасли производство лития и марганца должно в ближайшее десятилетие вырасти в десятки раз.

Нюансы инфраструктуры

Вторая ключевая проблема EV-индустрии — инфраструктурная: для эффективного развития глобального рынка электромобилей необходимо открывать все больше зарядных станций.

По прогнозам аналитиков, число частных и государственных электрозаправок в мире может вырасти с 2 млн в 2016 году более чем до 12 млн в 2020-м. Только в США с 2010 по 2016 год количество станций увеличилось почти на два порядка — с 500 с небольшим почти до 43 тысяч.

Благодаря активной господдержке очень быстро создается зарядная инфраструктура и в Китае: менее чем за пять лет, с 2011-го по 2015-й, число зарядных установок там возросло с 8 тыс. до 110 тыс. (примерно половина из них — государственные).

Кроме того, сам процесс подзарядки предполагается полностью автоматизировать. Акцент будет делаться на беспроводные технологии (индуктивную зарядку), будущие электромобили и роботакси в идеале смогут перезаряжаться вообще без участия людей (многочисленные проекты развития сервиса автономных роботакси — это отдельная сверхпопулярная тема).

Но пока очень серьезным недостатком большинства уже существующих зарядных станций остается низкая средняя скорость подзарядки.

Сейчас принято использовать трехуровневую градацию скорости зарядки, напрямую зависящей от входного напряжения. Первый уровень (Level 1, L1) — стандартные бытовые розетки с напряжением 110–120 V, при использовании которых среднее время полной зарядки аккумуляторной батареи электромобилей составляет более суток (средняя скорость зарядки — 1–2 кВт в час).

Второй уровень (Level 2, L2) — розетки с напряжением 220–240 V, которые наиболее распространены на электрозарядных станциях в США. Средняя скорость зарядки составляет порядка 6,6 кВт в час, то есть для электромобилей с общей емкостью аккумуляторов несколько десятков кВт⋅ч общее время полной зарядки составляет четыре-пять часов и более.

Наконец, третий уровень (L3) — так называемые станции DC Fast Charge (DCFC), станции быстрой зарядки. Общее число таких современных установок в США пока относительно невелико — чуть более двух тысяч. Их традиционный диапазон — 400–480 V, средняя скорость зарядки — около 50 кВт в час и выше, что позволяет полностью заправить стандартную батарею менее чем за час.

Однако далеко не все модели электромобилей сегодня позволяют использовать быстрые зарядные установкиL3: без надлежащей технологической оснастки высокие уровни тепло- и электропроводности, обеспечиваемые быстрыми зарядными устройствами, могут повредить двигатель. Дополнительные механизмы для обеспечения надлежащего уровня безопасности при быстрой зарядке очень дорого стоят, поэтому дешевые EV-модели, как правило, производятся без подобных систем.

Но общий текущий тренд, безусловно, заключается в массовом инкорпорировании таких механизмов в новые модели, а также в предоставлении различных схем технологического апгрейда для уже произведенных low-cost-электромобилей.

Кроме того, практически все новые проекты сетей электрозарядных станций сегодня жестко ориентированы на третий уровень.

Патронируемые Tesla сети зарядных станций под брендом Supercharger (в США их насчитывается около тысячи) могут подавать 120–150 кВт в час, что делает их наиболее мощными зарядными устройствами, доступными владельцам электромобилей (уточним, что Илон Маск в одном из своих недавних твитов пообещал, что будущие Superchargers должны выйти на уровни зарядки, значительно превышающие 150 кВт в час). Teslaпланирует уже в следующем году довести общее число этих станций в своей сети до 18 тыс., однако уSuperchargers есть один специфический нюанс: все они будут предоставлять свои услуги только для автомобилей Tesla, то есть владельцам электромобилей других производителей придется искать альтернативные зарядные точки.

Одна из новых электрозарядных станций (Maxi Autohof) для Tesla в немецком Вильнсдорфе

Фотография:Imago/TASS

В свою очередь лидер массового американского электрозарядного рынка калифорнийский частный стартапChargepoint, у которого в США более 33 тыс. зарядных точек (по большей части L2), недавно начал предлагать сервис Express Plus для владельцев АЗС. Согласно официальным обещаниям ChargePoint, новый сервис сможет обеспечить скорость подзарядки электромобилей до 400 кВт в час.

В Европе ряд крупнейших автопроизводителей (в том числе BMW, Daimler, Volkswagen, Porsche, Ford) объединили усилия и решили совместно развернуть сети сверхмощных зарядных станций (со скоростью 350 кВт в час) вдоль основных континентальных автострад. По заявлению руководства Porsche, уже к 2020 году планируется создать порядка тысячи таких станций.

Тем не менее, констатируют аналитики CB Insights, возможности легкого доступа к сверхбыстрой зарядке (800V / 350 кВт) владельцам новых электромобилей, по всей видимости, придется ждать еще много лет.