Как экономическая война между Россией и Западом изменит лицо зеленого транспорта

Зеленый переход в автомобильной отрасли необходим. Согласно научным работам, только в США в XXI веке выхлопы машин убивают по 50 тысяч человек в год. В России авто вшестеро раз меньше, но и действующие стандарты чистоты выхлопов ниже. Поэтому можно с некоторой степенью уверенности утверждать: десятки тысяч наших соотечественников умирают от выбросов ДВС-мобилей ежегодно. Не исключено, что жертв выхлопной трубы даже больше, чем погибших при ДТП.

Но дело не только в очевидном вреде для здоровья. ДВС-машины не подходят для продолжения энергичной автомобилизации в России. В 2012 году в стране было куплено 2,94 миллиона легковых и легких коммерческих машин, а в 2021-м — уже только 1,67 миллиона. Спад более чем на 40% случился не на ровном месте: авторынок страдает от того, что многие просто не готовы купить машину за условный миллион рублей, да еще тратить потом на ее заправку по 0,1 миллиона рублей в год (даже без учета ТО и замен резины).

Между тем автомобиль для крупных стран типа США или России — не то что не роскошь, но и далеко не только средство передвижения. Это важнейший драйвер роста экономики: большая часть жилого фонда и в Штатах, и с недавних пор в нашей стране строится именно за городом. Причины вполне очевидны любому, кто сравнивал стоимость квадратного метра в городе и пригородах. Но из этого следует: люди, которые не могут позволить себе машину, не появятся и на российском рынке загородной недвижимости.

Это замедлит рост ВВП страны: при строительстве загородных домов (в сравнении с квартирами) неизбежно увеличивается спрос на авто, бытовую технику, мебель и прочее. В доме для этого просто больше места. Именно поэтому бумы такого строительства США совпадали и совпадают со всплесками спроса на все перечисленные выше товары.

Кажется, перед нами — неразрешимые требования. Радикально снизить смертность от выхлопов — значит, перейти на электромобили. Но электромобили — благодаря мощному росту цен на алюминий, никель и прочее — резко подорожали. Четыре года назад Тesla Model 3 можно было заказать по телефону в США за 35 тысяч долларов. Сегодня — от 47 тысяч. Есть более дешевые электромобили, но среди них практически нет тех, у которых честный пробег без дозаправки составляет хотя бы 400 километров.

А из практики известно, что большинство владельцев ДВС-машин не выберут транспорт, требующий 20-30 минут зарядки каждые пару часов движения. Именно поэтому до Тesla Model 3 на планете не было электромобилей, выпущенных миллионной серией. Просто именно Tesla сочетала четыре-пять сотен километров запаса хода на одной зарядке с возможностью пополнить эту зарядку еще на 320 километров пробега всего за 15 минут. Остальные электромобили планеты пока в положении догоняющих. Как же выйти из мощного кризиса, в котором оказался автомобиль в России?

Увидим ли мы электромобиль за разумные деньги?

Совсем недавно Илон Маск отмечал: он будет очень разочарован, если его компания не сможет начать выпускать литиевые аккумуляторы по цене 100 долларов за киловатт-час емкости. Почему самый богатый человек в мире так сконцентрирован на этой цифре?

Все просто. Каким обтекаемым ни делай электромобиль, как ни изощряйся со снижением его энергопотребления, но чтобы проехать 400 километров в повседневных условиях, ему нужно 60 киловатт-часов емкости батарей. Если бы удалось производить их по 100 долларов за киловатт-час, это добавило бы к цене электромобиля шесть тысяч долларов. Учитывая, что во всем, кроме батареи, электромобиль проще и дешевле ДВС-авто, разница в цене вышла бы в районе пяти тысяч долларов.

Но на практике получилось обратное тому, что планировал Маск, — и, пожалуй, он в этом не виноват. Дело в том, что 60% цены литиевого аккумулятора — материалы: литий, кобальт, никель, алюминий (из него для снижения веса выполнена часть «упаковки» батареи). Цена карбоната лития на графике ниже показывает рост в разы за последний год. Алюминий, никель и прочие ведут себя не лучше. Общая стоимость материалов для электромобильной батареи на 60 киловатт-часов (~Model 3) за последний год выросла с 1395 до 7400 долларов  И в этой оценке не учитывают алюминиевые компоненты, образующие «скелет», куда устанавливают элементы аккумулятора.

Можно сколько угодно оптимизировать производственные процессы, но они влияют только на 40% цены литиевого накопителя. Остальные 60% от особенностей производства не зависят. Их контролируют санкции против России и массовый отток капитала из добывающих отраслей в западных странах (мы писали о нем здесь).

Оба эти фактора вытекают из особенностей западной культуры, поэтому их не «откатят» назад как минимум в ближайшие десятки лет. Значит, нужны альтернативные решения.

Чем заменить литий

Если дороговизна литиевого аккумулятора определяется в основном ценой того же лития и материалов электродов (никель, кобальт, плюс алюминий, из которого сделан корпус батареи), — то напрашивается простейшее решение: следует выбрать другие материалы.

В теории это несложно. Литиевые накопители — далеко не самый эффективный накопитель энергии на планете. И уж точно не самый дешевый. Взглянем в зеркало: если вы мужчина и не злоупотребляете спортом, то 20% вашего веса приходится на жир. То есть, скорее всего, у вас его не менее 15 килограмм. Между тем жир — отличный «аккумулятор»: один его килограмм при окислении отдает 10,28 киловатт-часа — почти как килограмм бензина.

Значит, один только жировой «накопитель» внутри нас содержит более 150 киловатт-часов энергии. Это почти втрое больше, чем у Tesla Моdel 3. Конечно, часть энергии жира уходит на подогрев организма. Но даже несмотря на это, человек (после тренировок, конечно) может пробежать сотни километров без единой остановки и на длительной дистанции обогнать лошадь или антилопу любой степени тренированности — за счет лучшего отвода тепла.

К сожалению, химия превращения жира в энергию не очень простая. Поэтому цивилизация еще не умеет эффективно получать электричество при расщеплении липидов — и, главное, быстро синтезировать эти жиры после их расхода. Нам в этом отношении пока плохо дается даже сахар с его вдвое меньшей энергоемкостью.

Все, что хорошо получается у рукотворных аккумуляторов, — это соединения с простой химией: металлы и их оксиды. Атом свинца, например, способен цеплять часть атомов из молекулы серной кислоты и отдавать при этом пару электронов. Сходно действуют никель — кадмий в одноименных аккумуляторах и тот же литий, отдавая часть электронов в химической реакции и тем самым создавая ток.

К сожалению, огромную роль в эффективности таких «простых» металлических батарей играет вес атома металла, отдающего электроны. Литий очень легкий — в итоге его батареи запасают по 200 ватт-часов на килограмм массы. Это в 50 раз меньше, чем отдает при расщеплении жир в нашем теле. Но втрое больше, чем могут отдать никель и кадмий, — ведь эти металлы куда тяжелее. Свинцовые аккумуляторы уступают литиевым минимум впятеро.

Построить электромобиль даже на никель-кадмиевой альтернативе будет нереально. На таком материале аккумуляторы Model 3 весили бы не полтонны, как сейчас, а сразу полторы. Легковушка с массой в две с половиной тонны была бы неэффективной энергетически, да и износ дорог от настолько тяжелых машин чересчур велик.

Причины лидерства лития в этой области понятны: металла легче просто нет. Поэтому единственный путь удешевления литиевых накопителей — менять в них другие, вспомогательные металлы. Так делает Илон Маск, заместивший сначала часть кобальта в электродах литиевых батарей на никель. Теперь он собирается заменить и подорожавший — до 100 тысяч долларов на тонну в пике — никель на марганец, так как тот подорожать еще не успел.

Но при этом литиевые аккумуляторы (вместе с «упаковкой») все равно стоят по 400 долларов за киловатт-час емкости. И даже полная замена кобальта и лития в них не уронит цену сильнее, чем до 300 долларов за киловатт-час емкости.

Давайте на секунду поверим в чудо: цены на металлы вдруг упадут или Tesla найдет некий волшебный путь снизить стоимость аккумуляторов до 200 долларов за киловатт-час. Что тогда?

Ничего. Батарея Model 3 по-прежнему будет стоить от 11 тысяч долларов — то есть как весь бюджетный ДВС-мобиль B-класса. В Соединенных Штатах покупатель такое удорожание еще перенесет (и то не каждый), в Евросоюзе — уже только с бюджетной субсидией. Потому что экономия на топливе до 900 долларов в год — вполне реальная для электромобиля — будет окупаться дюжину лет, что для типичного потребителя слишком долго.

В Китае, России и остальном мире 11 тысяч долларов в качестве минимально возможной цены батареи для «шоссейного» электромобиля означают, что он так и не вытеснит большинство местных машин. Для этого нужно падение цен на аккумуляторы как минимум до 150 долларов за киловатт-час. Прямо скажем: в эпоху экономической войны между Россией и Западом такие цены на литий, никель и прочий алюминий мы вряд ли увидим.

Уже сегодня ясно, что такая война может продлиться десятки лет, шансов на снижение стоимости «шоссейного» электромобиля до 20-25 тысяч долларов просто нет. А до этого потребитель по всему миру его так и не выберет.

На Западе эту проблему закроют просто: напечатают еще долларов и покроют разницу госсубсидиями. Вне западного мира печатные станки на эмиссию не работают, а значит, и электромобили останутся слишком дорогими для большинства. Так что же делать тем, кто живет далеко от прогретого печатного станка? Как им спасти своих граждан от десятков тысяч смертей в год?

Третий путь: газомобиль

К этой крайне важной цели есть еще один путь — причем для России, возможно, он стал бы оптимальным.

Ключевая причина убийственности ДВС-мобиля — выхлопы двигателя. Они убивают микрочастицами, образующимися при сгорании бензина или солярки. Мы не видим эти частицы, но легкие доставляют их в кровь, где те образуют тромбы, провоцируя инсульты и инфаркты. Однако есть виды топлива, при сгорании которых образуется намного меньше микрочастиц, чем при сгорании содержимого бака обычных машин. В энергетике давно известно: один триллион киловатт-часов, полученный при сжигании газа, убивает всего четыре тысячи человек (один Чернобыль). А это в девять раз меньше, чем 36 тысяч человек, погибающих при получении того же количества энергии от сжигания нефтепродуктов. 

Все это было понятно ученым давно, еще в советское время. Именно поэтому в самом начале 1980-х в СССР запустили программу перевода легковых автомобилей на пропан, а грузовых — на метан. Перестройка и наступивший после нее хаос программу, естественно, «обнулили». В 1990-х экономически наивное руководство страны закрепило правило: метан должен стоить в разы дешевле обычного бензина. И стали ждать массового перехода на метан. Разумеется, из этого ничего не вышло.

Несложно понять, почему не вышло: достаточно обратиться к истории Honda Civic GX. Так называлась Honda Civic, которую производитель целиком перевел на метан. Конструкторы японской компании особенно не напрягались: чтобы не создавать новое, они взяли обычный Civic, поставили ему в багажник метановый баллон на 320 километров пробега и стали продавать таксистам. Их годовой пробег так высок, что заправка газом — в разы дешевле бензина — волновала владельцев куда больше, чем уменьшение места для багажа.

Итог можно было предсказать заранее: через несколько лет выпуск Civic GX прекратили. Причины честно изложил вице-президент American Honda Motor Джон Мендель: «Инфраструктура просто не была такой же удобной, как у бензина». Переводя с корпоративного на человеческий: не хватало заправок.

Во многих странах эту проблему обойти крайне сложно. Бензиново-солярочные заправки многочисленны, это привычный бизнес нефтяных корпораций. Зачем им массово строить газовые заправки, если продажи при этом неизбежно упадут в разы? Ведь даже в Штатах кубометр газа в период низких цен может стоить 20 центов, а равный ему по запасенной энергии литр бензина никак не купить дешевле 50 центов. В наши дни — еще дороже.

Вложения в газозаправки будут большими: в Америке используют сжиженный природный газ (СПГ), который возят специальными фурами. Такая перевозка дороже трубопроводной, да и оборудование под СПГ на заправке нужно совсем не то, что для хранения бензина.

В России ситуация иная: у «Газпрома» нет нужды конкурировать с самим собой. Он не зарабатывает на обычных заправках. То есть строительство газовых заправок, с точки зрения корпорации, не уменьшает, а увеличивает продажи.

Но есть одно «но» — наши автопроизводители. Раньше они делились на две категории: иностранные компании и условно отечественные («условно», поскольку тот же ВАЗ контролировался и пока контролируется зарубежным концерном). И тем и другим метановый автомобиль был неинтересен. Поэтому любые программы строительства метановых заправок в итоге упирались в ограниченный спрос: туда ездили в основном те, кто поставил газовое оборудование на машину кустарно.

Отчего же крупные местные производители не хотели вкладываться в специализированные газовые модели легковушек?

И опять нам поможет история Honda Civic GX. Ее переделка показала: сделать приличный газомобиль, просто поставив баллоны в исходно бензиновую машину, нельзя.

Во-первых, современные ДВС сжимают топливовоздушную смесь всего в 8-12 раз. Природный газ имеет октановое число 120 — несравнимо выше бензина. Поэтому он горит медленнее него, а мощность двигателя с «бензиновым» сжатием падает примерно на 10%. Можно ли это поправить? Конечно, можно: нужно поднять степень сжатия.

Но будем честными: это значит, что нужно перепроектировать мотор, да еще и под небольшой российский рынок. Иностранцам это неинтересно: они знают, что за рубежом массово переделку не использовать — мало газозаправок. Местным автопроизводителям вообще не слишком интересно все, что требует слова «перепроектировать». Их любимый метод решать все вопросы — просто копировать зарубежное, в идеале не производя новые узлы самим, а импортируя их из-за рубежа.

Во-вторых, у газомобиля есть еще одна особенность: возросший объем топливного бака. Бензиновый бак на 45 литров дает легковушке дальность Мodel 3 на одной зарядке. Метановые баллоны дадут эквивалентные 42 кубометра газа при объеме в 200 литров. Где их разместить? Воровать столько из багажника означает снижать практичность машины. К тому же это повышает риск разгерметизации бака при ДТП. Именно чтобы избежать этого, бензиновый бак так часто находится под задним сиденьем. Машины конструируют так, что области спереди и сзади от осей авто сминаются, гася энергию, — чтобы то, что внутри, осталось целым.

В общем-то, ничто не мешает поместить под задним сиденьем газовые баллоны. Но для этого надо на считаные сантиметры сдвинуть заднюю ось «в багажник» и приподнять заднее сиденье (и крышу над ней). Иначе два баллона диаметром 0,25-0,30 метра под сиденье не влезут.

Баллоны под метан на 200 литров весят от 60 (пластиковые армированные) до 200 килограммов (стальные). Если выбрать вторые, машине нужно усиливать подвеску, если первые — готовьтесь выложить за них тысячу долларов. Конечно, за полтора года эксплуатации экономия на метане покроет тысячу долларов, но автопроизводителя не то чтобы волнует экономия потребителя. Зато он беспокоится из-за своих дополнительных затрат.

Изменения в конструкции, требующиеся из-за метана, невелики. Тем не менее они все равно означают, что нужно перепроектировать не только двигатель, но и кузов. Само собой, местный автопроизводитель по своей воле никогда таким не займется, а иностранец — тем более.

Газ в конце тоннеля

Итак, электромобили для нас слишком дороги, а газомобили требуют таких деятельных частных автопроизводителей, которых в России еще не видывали. До февраля-2022 это означало, что отрасль в нашей стране обречена на технологическую стагнацию и низкий уровень продаж (в полтора раза ниже 2012 года).

Теперь, однако, ситуация существенно изменилась. Взглянем на цифры: где в мире больше всего машин на метане? Это Иран и Аргентина, там их миллионы. Первый, попав под санкции, понял, что надо как-то считать деньги. А метан в два с лишним раза дешевле нефтепродуктов. Аргентина долго имела проблемы с платежным балансом — перевод миллионов машин на метан снизил ее зависимость от нефтяного импорта.

Россия в стратегическом смысле может получить сочетание обоих факторов. Против нее есть санкции — в этом году они уже сжали реальные доходы населения, рост их начнется только в 2023-м. И у страны вполне может случиться ухудшение платежного баланса. ЕС ввозил до 145 миллиардов кубометров газа в год, но любовь Брюсселя к зеленому переходу в ближайшее время может резко сжать этот объем, а затем и обнулить. 

Конечно, Россия сможет продать немало газа Китаю. Но с точки зрения и платежного баланса, и роста ВВП намного выгоднее лет за 10-12 перевести местный транспорт на газ, а сэкономленные при этом огромные объемы нефтепродуктов экспортировать. Ведь они будут стоить в разы больше, чем экспорт заменяющего такие нефтепродукты газа. Настолько же вырастет экспортная выручка.

Потенциал в этом смысле более чем серьезный: Россия потребляет около 65 миллионов тонн автотоплива в год. Это примерно 80 миллиардов долларов в год — а заменить их могут 90 миллиардов кубометров газа, типичная экспортная цена которых — 30 миллиардов долларов. Почти  втрое меньше, чем у бензина и солярки. То есть на одном лишь автотранспорте потенциально можно увеличить вывоз на 50 миллиардов долларов ежегодно. Попутно настолько же снизив издержки собственной экономики, ведь общая стоимость автоперевозок для нее упадет на те же 50 миллиардов долларов.

Общая выгода от газификации автомобилей здесь приближается к одной десятой части годового ВВП. Честно говоря, у нашей страны пока не просматривается другого единичного проекта с бóльшим экономическим потенциалом.

Что это дает: техническая сторона вопроса

Попутно переход на газ закроет важнейшие экологические и технические проблемы автотранспорта. Для начала в шесть раз упадет смертность от выхлопных газов — с десятков тысяч до тысяч в год.

Помимо этого, газовый переход позволил бы серьезно поднять эффективность автотранспорта. Да, газовые ДВС требуют большей степени сжатия. Но это минус только для тех, кто ничего не хочет менять, и плюс для всех остальных.

Ведь чем выше степень сжатия в цилиндрах, тем выше КПД мотора. Если поднять степень сжатия, можно добиться той же температуры сгорания при меньшем количестве топлива в цилиндрах. Одна из причин более высокого КПД дизеля как раз в том, что его типичная степень сжатия — 14-23 раза, чуть ли не вдвое выше, чем у мотора бензинового.

Если в обычном ДВС (цикл Отто) сжимать бензиновые пары и воздух в 13 и более раз, начнется детонация. Горение со скоростью выше скорости звука дает стук в цилиндрах — и резкое падение мощности. Чтобы детонации не было, надо повысить октановое число, а в случае бензина без сверхтоксичных присадок это сделать крайне сложно.

Октановое число природного газа безо всяких присадок 120 — то есть двигатель с циклом Отто на нем может иметь КПД как у дизеля, заметно выше обычного. Расход топлива на сто километров при этом падает примерно на 10%.

Есть дополнительный плюс: с падением температуры на улице пробег негазовых автомобилей уменьшается. У электроавто — за счет трат энергии на подогрев аккумуляторного блока. У бензиновых — потому что плотность воздуха при минус 20 на 20% выше, чем при плюс 30 градусах. От сопротивления воздуха резко меняется расход топлива на трассе, так что и ДВС-мобили зимой страдают.

Не то что с газом: при падении температуры с летних плюс 30 до зимних минус 20 вместимость метанового баллона растет на 17%. У сжиженного природного газа — а фуры еще при СССР планировали переводить именно на него — в зимние холода снижаются паразитные потери на его охлаждение.

Итак, газомобили позволяют получить большинство экологических преимуществ электромобиля (за счет снижения вреда выбросов). При этом такая машина стоит ненамного дороже — примерно на тысячу долларов, а не на 15-20 тысяч, как это получается в случае даже самых дешевых полноценных («шоссейных») электромобилей современности.

Кроме того, газомобили позволяют резко снизить траты владельцев на заправке. Типичное ДВС-авто эксплуатируется более десятка лет. Метановые автомобиль будет даже долговечнее, благо газ сильно снижает износ мотора. На заправку нефтепродуктами водитель тратит от тысячи долларов в год, а при переходе на метан сэкономит 60% от этой суммы. То есть за свой жизненный цикл метаномобиль сберегает никак не менее пяти тысяч долларов. Цифра вроде бы небольшая. Но в пересчете на полтора-два миллиона новых машин в год (столько их продается в России) она превращается в 7-10 миллиардов долларов.

При такой экономии на эксплуатации многолетняя стагнация российского рынка имеет все шансы, наконец, завершиться. Ведь совокупная стоимость владения автомобилем серьезно упадет.

Тест на способность государства гнуть свою линию

Следует четко понимать: новые сложные технологии внедряются сами собой только в теории. Если бы Вашингтон не ввел сильнейшие меры госстимулирования для электромобилей, даже Маск обанкротился бы. Как честно признает сам миллиардер, в 2013 году его компания почти стала банкротом, несмотря на субсидии. История внедрения электромобилей в Соединенных Штатах Америки показывает путь к внедрению газомобилей в России: госрегулирование.

Во-первых, государству надо сделать так, чтобы автопроизводители, несмотря на свою вековую нелюбовь ко всему новому, все же спроектировали ДВС под более высокую, «метановую» степень сжатия. Принуждать их бесполезно. Ведь принуждение практически всегда сложнее подкупа, а наш госаппарат с трудом справляется со сложными задачами. Куда легче выделить субсидию на создание такого двигателя (сходные получала Tesla).

Во-вторых, аналогичные меры должны простимулировать создание ДВС-мобиля с увеличенным пространством под задним сиденьем — такого, в котором все 150-200 литров газовых баллонов были бы там, а не занимали багажник, повышая риски при ДТП. Учитывая размеры отечественных авто, не обойтись без увеличения колесной базы (заодно и места для коленей пассажиров станет побольше).

В-третьих, имеет смысл выделить субсидию каждому покупателю нового газомобиля. Например, в размере 15-20% от цены (для первых 200 тысяч машин). Это те же меры, которые привели к успеху Tesla, и их трудно назвать дорогими — не более 400 миллионов долларов, меньше, чем уже принятые госсубсидии по переводу машин на газ.

В-четвертых, можно позаимствовать и другую типично западную меру выкручивания рук автокомпаниям — zero-emisson credits. В ее рамках те, кто производит машины на нефтепродуктах, должны покупать квоты на их выпуск у тех, кто выпускает «безвыхлопные» (в России — газовые) машины.

Назначив заметную стоимость такого квотирования — предположим, на уровне в две тысячи долларов, — можно добиться того, что даже традиционно не любящий новое «АвтоВАЗ» быстро захочет выпускать только газовые автомобили. Разумеется, чтобы все это не превратилось в профанацию, стимулирование не должно работать для газовых машин, имеющих еще и бензобак, иначе субсидии массово пойдут обычным авто.

Еще придется обеспечить строительство газовых заправок в темпах, которыми Tesla строит суперчарджеры. Но это, прямо скажем, наименьшая часть проблемы. «Газпром» своего не упустит: было бы кого на них заправлять.

При достаточно сильном денежном нажиме со стороны государства на перепроектирование существующих ДВС и легковушек под метан уйдет год. Еще столько же — на запуск производства, и только через три года мы увидим массовую серию. 

Но иного пути нет: как ясно из начала нашего текста, при обычном ходе событий электромобили в России не станут большинством среди новых машин ни через 10, ни через 15 лет. Кажется, у нас сейчас есть только один выбор: либо газ, либо экономико-экологическая стагнация авторынка с темпами покупки машин резко ниже 2012 года. То есть ниже уровня десятилетней давности.

Способно ли российское государство показать ту же зрелость в плане мер принуждения производителей, что и американское? Поживем — увидим. Если не способно, можно уверенно прогнозировать: технического прогресса в этой области лучше не ждать. И не только в этой.