Экология и электротранспорт: так ли экологичны электромобили будущего, какими их нам представляют
Экологичность как преимущество на рынке
Ключевое конструктивное отличие электромобилей от традиционных автомашин с бензиновыми, дизельными или газовыми моторами — это электрический тип двигателя, работающего на энергии подзаряжаемых аккумуляторных батарей. Несмотря на то что электромобили могут потреблять энергию в том числе от солнечных панелей или топливных элементов, их конструкции в любом случае включают такие батареи.
Впрочем, модели на солнечной тяге и с применением топливных элементов в настоящее время не получили большого распространения в силу своей дороговизны или несовершенства технологий. Многие подобные разработки находятся ещё на этапе опытной эксплуатации. Сейчас преобладающее большинство электромобилей, выпускающихся серийно и широко представленных на рынке, оснащены аккумуляторами, которые подзаряжаются от стандартной электрической сети.
Примечательно, что первый автомобиль в истории, появившийся в 1841 году, работал на аккумуляторах и лишь потом появились машины с двигателями внутреннего сгорания. Электромобили на заре автомобилестроения утратили популярность в основном из-за трудностей технического характера — по причине сложной на тот период системы зарядки батарей.
С развитием технологий, а также на фоне заявлений экологов о загрязнении атмосферного воздуха автомобильными выхлопами интерес к электромобилям возродился в шестидесятые годы двадцатого века. Популярность электромобилей не прекращалась и в семидесятые, когда к экологическим проблемам прибавились экономические, связанные с удорожанием нефтепродуктов. После обвала цен на «чёрное золото» в 1982 году тотальное увлечение электромобилями, характеристики которых были ещё достаточно слабы, спало на нет.
С девяностых годов и по настоящее время популярность электромобилей постепенно набирает силу. Старт воскрешению идеи перехода на электромоторы дали власти штата Калифорния, которые ввели требование поставок автовладельцам региона машин без выхлопов в количестве не менее 10% от суммарного объёма продаж. Пронедра писали ранее, что инвесторы вложили $1 млрд в замену дизельных автомобилей электрокарами в калифорнийском регионе.
Идея сохранения экологии путём перехода на электромобили распространяется по всему миру, однако по мере развития такой тенденции научное сообщество всё более активно задаёт вопрос о том, на самом ли деле электрокары сохраняют окружающую среду, или же это просто миф, распространяемый производителями.
Электромобиль и выбросы
Как заверяют современные производители электромобилей, главным преимуществом таких машин является высокая экологичность, поскольку отсутствуют выхлопы, не используются нефтепродукты, антифризы, масла — как моторные, так и трансмиссионные. Несомненно, с таким доводом можно было бы согласиться, поскольку, на первый взгляд, очевидным плюсом автомобилей на электрической тяге является отсутствие выбросов в городской воздух.
В то же время, степень экологической безопасности автомобиля стоит определять не только лишь по последствиям от его работы, но и по ряду других факторов. Учитывать следует весь жизненный цикл электромобилей — от этапов производства до момента утилизации, в том числе процессы пополнения энергией и обслуживания машин, подсказывают специалисты Калифорнийского университета (The University of California, США).
Рассмотрим главный козырь автоконцернов, занимающихся выпусков электромобилей — заявление об отсутствии выхлопов. Выбросы парниковых газов и ядовитых соединений в воздух при переходе на электротранспорт на самом деле нисколько не уменьшаются, хотя на самом деле загрязняют воздух уже не машины на электрической тяге, а тепловые электростанции, которые производят энергию для зарядки автомобильных аккумуляторов.
Хотя КПД электростанций выше, чем аналогичный показатель двигателей внутреннего сгорания, всё же КПД силовой установки электромобилей также далёк от 100% с учётом невысокой эффективности аккумуляторов, потерь на преобразовании энергии для зарядки батарей и обеспечения работы машин. То есть выбросы имеют место, просто меняется их источник — вместо выхлопных труб автомобилей дополнительный объём загрязнений воздуха исходит из труб электростанций.
В настоящее время основными источниками электроэнергии во всём мире являются именно тепловые станции, 40% от объёмов выработки приходится на генерирующие объекты, работающие на угле и торфе, ещё 22% — на газе и 5% — на фракциях нефти. В расчёте на единицу получаемой энергии степень экологической опасности ТЭС гораздо большая, чем от работы бензиновых и дизельных двигателей, поскольку к минимизации загрязнённости выхлопов современных машин во всём мире выдвигаются жёсткие требования.
Что же попадает в воздух над тепловыми станциями? Помимо углекислого газа, это зола, ангидриды, оксид азота, соли натрия, соединения ванадия, мышьяк и диоксины. Кроме того, угольные станции в совокупности потребляют колоссальное количество воды, сопоставимое с объёмом, который за аналогичный временной промежуток удовлетворил бы потребности пяти миллиардов человек. В международном энергетическом агентстве полагают, что в силу увеличения мощностей ТЭС показатель водопользования станций вырастет вдвое уже к 2035 году.
Специалисты Научно-технического университета Норвегии сделали безапелляционный вывод — внедрение электромобильного транспорта в тех регионах, обеспечение энергией которых осуществляется на станциях путём сжигания угля, нефти или лингита, с экологической точки зрения попросту бессмысленно. Для того же, чтобы обеспечить экологичность электрических машин в разрезе минимизации загрязнения воздуха, их нужно перевести на зарядку энергией, генерируемой «чистыми» электростанциями — объектами альтернативной энергетики или АЭС.
Если внедрение станций, работающих на возобновляемых источниках (за исключением ГЭС), в мире пока осуществляется пока в недостаточной мере, то в случае с атомными станциями ситуация складывается лишь немногим лучше. Доля выработки АЭС не превышает 10%. Кроме того, АЭС стремительно утрачивают популярность и закрываются под давлением природоохранных организаций и во исполнение госпрограмм, принятых в разных странах мира после катастроф в Чернобыле и Фукусиме. Исходя из сложившейся ситуации, переход на «чистую» энергетику вряд ли возможен в ближайшем будущем, и такое положение дел приводит к присвоению производству электромобилей статуса бесперспективного направления в аспекте улучшения экологии.
Результаты исследований не в пользу электрокаров
Первой страной в мире, которая на собственном опыте сумела убедиться в том, что экологичность электромобилей — это миф, стал Китай. Доля использования машин на электрической тяге в КНР самая высокая в мире. В некоторых городах количество электромобилей больше, чем стандартных машин, к примеру, в Шанхае на инновационный транспорт пересели в том числе сотрудники полиции и других государственных служб. Напомним, к 2018 году в Китае анонсировали запуск 800 тыс. «заправок» — зарядных станций для электротранспорта.
Наряду с дороговизной нефти, одной из причин тотального перехода китайцев на электромобили является то, что эта страна лидирует в мире по объёмам добычи лития — материала, из которого производятся аккумуляторы для таких машин, а также серьёзные загрязнения воздуха в городах вследствие автомобильных выхлопов. Тем не менее, освоение электротранспорта не спасло китайское государство от экологических проблем. Смог невиданных масштабов накрывает Пекин и другие крупные города, хотя доля использования электромобилей в мегаполисах страны достаточно высока.
Китайские специалисты, анализировавшие данную проблему, провели расчёты и пришли к определённым выводам. Дело в том, что 85% электроэнергии в КНР производятся на тепловых электростанциях, использующих преимущественно уголь. С переходом на электромобили потребление электричества, вырабатываемого на станциях, загрязняющих воздух, только растёт. Учёные подсчитали, что на каждый выработанный киловатт-час энергии для электромобилей в воздух выбрасывается до 274 граммов углекислого газа. Для сравнения, на киловатт-час энергии, вырабатываемой при сжигании бензина в двигателях внутреннего сгорания, углекислотный выброс не превышает 180 граммов.
Китайские исследователи не остановились на этом и продолжили изучение работы электромобилей. Выяснилось, что при сжигании угля, необходимого для выработки энергии, достаточной для движения электромобиля на расстояние длиной в километр в атмосферу выбрасывается больше загрязняющих веществ, чем от работы двигателя внутреннего сгорания при сжигании эквивалентного количества бензина в обычной машине. Подчёркивается, что объём выбросов, связанный с энергообеспечением легкового электромобиля, сопоставим с количеством выхлопов автобуса с дизельным двигателем.
Серьёзные исследовательские работы были проведены в Гонконге. Оказалось, что экологичность электромобилей существенно отличается в зависимости от производителя машины. Специалисты сравнили работу ряда моделей электромашин, число которых в регионе превышает четыре тысячи единиц. Выяснилось, что для пробега 150 тыс. километров популярнейшего электромобиля Tesla Model S потребовалось на 20% больше энергии, чем для модели BMW AG320i. Соответственно, различаются и объёмы выбросов.
Показателен случай с экологическим налогом, который обязали выплатить владельца электромобиля Tesla Model S в Сингапуре, получившего счёт на $11 тыс., что эквивалентно сборам за работу стандартного легкового автомобиля. Налоговые органы внесли автомобиль в категорию C3, предусматривающую выброс 220 граммов углекислоты на каждый километр пути. Чиновники исходили из того, что на это расстояние машина на электрической тяге потратит 444 ватт-часа. Для выработки такого количества энергии ТЭС выбрасывает в атмосферу полграмма углекислого газа. Аналогичный выхлоп производит стандартный автомобиль с расходом 10 литров бензина на сотню километров, а ведь в настоящее время существует множество недорогих машин с гораздо меньшими затратами горючего.
Изучают проблему экологичности электротранспорта и на Западе. Специалисты Всеобщего немецкого автомобильного клуба (Allgemeiner Deutscher Automobil-Club) отмечают, что компактный Smart на электрической тяге на километр пути потребляет энергию, в процессе генерации которой в воздух выбрасывается 107 граммов углекислого газа, что на 21 грамм больше, чем содержится в выхлопах Smart с бензиновым двигателем.
Неутешительными стали выводы и сотрудников Университета штата Северная Каролина (North Carolina State University at Raleigh), констатировавших большую степень загрязнённости воздуха в тех американских регионах, где доля использования электрокаров выше, в сравнении со штатами, в которых используется преимущественно традиционный автотранспорт.
Американские эксперты пояснили, что повышение уровня потребления электроэнергии, связанное с необходимостью зарядки электрокаров, приводит к большей интенсивности работы электростанций. Кроме наращивания выбросов, дополнительное энергопотребление сказывается и на стабильности сетей — случаются перегрузки на «последней миле», увеличиваются риски аварий систем.
По большому счёту, разговоры о степени большего или меньшего вреда от выхлопов обычных автомобилей или же от выбросов электростанций, обеспечивающих зарядку машин на электрической тяге, не имеют большого значения для экологии в целом. Автомобильный фактор, вне зависимости от типа машины, имеет лишь небольшой удельный вес в процессе загрязнения воздуха.
Мировая промышленность, энергетика и вся инфраструктура человеческой цивилизации — это лишь 25% от количества таких выбросов, остальные объёмы формируются исключительно естественными причинами, в числе которых лесные пожары, извержения вулканов, пылевые бури, испарение солевых частиц океанов, дыхание и другие процессы жизнедеятельности животного и растительного мира.
Если же оценивать вред от автомобильных выхлопов в разрезе других последствий человеческой деятельности, то для среднего города доля таких загрязнений не превышает 20%. Для сравнения, в России только от бытовых источников, в том числе газовых плит и других приборов в городской воздух выбрасывается 21% от совокупных загрязнений угарным газом.
Аккумуляторная угроза
Гораздо большая экологическая опасность электромобилей кроется вовсе не в выбросах энергогенерации, а в последствиях процессов производства и использования мощных аккумуляторов. Так, представители упомянутого Норвежского университета наук и технологий занялись изучением производственных процессов, связанных с выпуском электромобилей и высчитали, что предприятия данной отрасли выбрасывают в окружающую среду гораздо большее количество токсических отходов, чем обычные автомобильные заводы. Выяснилось, что при производстве машин на электротяге в атмосферу также выходит в два раза больше парниковых газов, что оказалось связано с повышенным энергопотреблением ввиду технологических причин.
По расчётам исследователей, только на производство одного электромобиля расходуется энергия, эквивалентная сжиганию 10 тыс. литров бензина, а такой объём достаточен для поездок обычной машины среднего класса на весь период её эксплуатации. Основная доля энергозатрат и токсических выбросов приходится на выпуск аккумуляторов. Даже на этапе производства электромобилей риски экологических последствий в районах размещения заводов, таких, как кислотные дожди и сокращение биоресурсов, гораздо выше, чем для обычных автостроительных предприятий, отмечают учёные.
Мощные аккумуляторы для электромобилей достаточно тяжелы — их вес достигает 400 килограммов. При этом большая часть состава батарей — высокотоксичные компоненты, в том числе литий, опасные соединения никеля, меди и алюминия, кобальта. Такие яды гораздо опаснее, чем выхлопные газы. Ввиду ограниченного срока службы аккумуляторов — до пяти лет — острой становится проблема их утилизации.
Данная процедура сложна и трудоёмка, крайне дорога, то есть угроза нарушений технологии утилизации на фоне масштабного производства электромобилей неизбежна. Даже при соблюдении норм колоссальные объёмы работ при утилизации чреваты рисками загрязнения окружающей среды. Переработка аккумуляторов — это и очень энергозатратный процесс. Для извлечения металлов из батарей требуется почти в десять раз больше энергии, чем при их производстве, что закономерно вызовет наращивание объёмов выбросов на ТЭС.
Опасность от использования аккумуляторов проявилась и с другой, неожиданной стороны, о чём предупредили сотрудники Эдинбургского университета (University of Edinburgh). Их исследование связано с жалобами владельцев электромобилей на то, что им приходится чаще менять автопокрышки по сравнению с обычными машинами. Эксперты выяснили, что причиной быстрого износа покрышек является больший вес электромобилей — в среднем на 24% по сравнению с бензиновыми «собратьями». Электрокар Tesla Model S весит 2,1 тонны (сопоставимая по классу BMW 7-Series с ДВС — 1,7 тонны), электромобиль Nissan Leaf — 1,5 тонны, а схожий по классу бензиновый Volkswagen Golf — 1,2 тонны. Причиной такого резкого расхождения в весе оказалась большая масса аккумуляторов электромобилей.
Учёные продолжили исследование, пытаясь выяснить, к чему приводит наращивание веса машины и оказалось, что оно увеличивает объём выброса в воздух твёрдых частиц при движении автомобиля. Инициативу экспертов подхватил Университет Хертфордшира (University of Hertfordshire), научная группа не ограничилась теоретическими расчётами, а провела фактические замеры.
В автомобильном тоннеле были установлены детекторы твёрдых частиц. После анализа полученных данных стало ясно, что в среднем на данном участке трассы одна обычная автомашина выбрасывает примерно 50 микрограммов таких частиц, при этом всего треть от этого объёма приходилась на выхлопы двигателя внутреннего сгорания. Был изучен качественный состав выбросов.
Большая доля оказалась частичками битума от дорожного покрытия, пылью с деталей тормозной системы и отслоившейся резиной с автопокрышек. По итогам расчётов учёные пришли к выводу о том, что показатель выброса твёрдых частиц при движении электромобилей выше, чем у стандартных машин, а именно вследствие истирания дорожного покрытия — на 10%, износа тормозов — на 2% и шин — на 1,5%.
Исследователи акцентируют внимание на том, что твёрдые частицы представляют собой большую угрозу, чем те, которую несут выхлопные газы двигателя. Последние становятся опасными только при значительном накоплении в атмосфере и действуют в совокупности с другими загрязнениями воздуха, то есть имеют достаточно отдалённый во времени эффект.
Твёрдые же частицы немедленно поглощаются человеком при дыхании и приводят к ухудшению работы сердечно-сосудистой системы, создают предпосылки для астматических заболеваний. Таким образом, если верить расчётам учёных, электромобили из-за увеличенного веса вследствие внушительной массы аккумуляторов в большей степени угрожают здоровью человека и загрязняют воздух чужеродными элементами, чем бензиновые автомобили.
Несмотря на немалое количество приведённых доводов не в пользу экологичности электромобилей, следует учитывать, что в данной статье мы лишь указали отдельные заявления критиков тенденции распространения такого транспорта. Единого же мнения на счёт вреда машин на электрической тяге для экологии пока не существует.
Несмотря на заверения ряда исследователей, оглашающих, казалось бы, достаточно уверенные доказательства существования проблем для окружающей среды, связанных с использованием электромобилей, споры в научной сфере относительно последствий производства и работы таких машин не прекращаются. Против внедрения автомобилей на электрической тяге в целом пока не выступают ни учёное сообщество, ни власти государств.
В силу дороговизны и несовершенства технических характеристик электромобилей единственным их преимуществом перед обычными машинами является отсутствие загрязняющих выхлопов. Очевидно, что если явных экологических преимуществ электромоторов перед двигателями внутреннего сгорания не окажется, а уж тем более в случае, если достоверно выяснится, что электромобили наносят больший вред природе, то они наверняка сдадут завоёванные позиции и полностью утратят шанс вытеснить бензиновые автомашины в будущем.