Экологичный транспорт — один из ключевых рычагов зеленого перехода. Сейчас транспортный сектор ответственен за пятую долю глобальных выбросов СО2 и уступает только энергетике.
И электрические моторы — далеко не единственная альтернатива ископаемому топливу. Механический движок, водород и даже атом — все они значительно экологичнее бензина. Но на какой из них делать ставку? И можно ли с их помощью удовлетворить все текущие потребности — от грузоперевозок до городской мобильности? Какие перспективы у каждого из этих типов энергии и насколько они применимы уже сейчас — читайте в статье.
Сила колеса
Самоходный транспорт редко воспринимают всерьез. А зря: горожане часто совершают поездки на короткие расстояния. Притом повсеместное внедрение компактных гаджетов избавляет от необходимости возить с собой много груза. Так что можно обойтись без багажника: большинству достаточно рюкзака за плечами, сумки или вместительных карманов.
А выигрыш от развития индивидуальной мобильности очень крупный. Дело не только в сокращении выбросов, но и в сокращении количества ДТП. Выделенные полосы, ограничения скоростей, пешеходные зоны — неминуемые следствия такой городской политики. В итоге в городах падает смертность, потому что движение в целом становится безопаснее.
Само по себе снижение выхлопов тоже предотвращает лишние смерти, поскольку загрязнение воздуха преждевременно губит людей. Но эти смерти не мелькают в газетных заголовках и воспринимаются не как несчастные случаи, а как неизбежные болезни. На самом же деле их можно избежать. И эта задача сейчас стоит перед ВОЗ во всех странах, которые приняли план действий для безопасности дорожного движения.
Когда жилой квартал приспособлен для передвижения пешком, на велосипедах или самокатах, пространство становится уютнее и безопаснее. Удобный для жизни квартал выглядит так: парковка спрятана под землю или внутри специальных построек, автодвижение строго ограничено, есть зеленые зоны, пешеходные тропки и велодорожки,а также хватает пространства, чтобы посидеть, поиграть или позаниматься спортом. Внутри таких дворов спокойно могут ходить пенсионеры и дети — а скоростное движение разрешено лишь на больших улицах.
Сейчас, правда, электросамокаты уже стали популярнее механических, да и электровеликов на улицах заметно прибавляется. Но у аналоговых вариантов — или гибридов — есть свои преимущества. Самый экологичный транспорт — тот, который едет на энергии движущегося. А здоровая нагрузка улучшает качество и увеличивает продолжительность жизни.
Электромобили — новая классика
У электрокаров не зря столько недоброжелателей: медленно, но верно они захватывают рынок. В 2023 году доля продаж электромобилей на мировом рынке авто составила уже около 16%.
А в некоторых скандинавских странах они уже преобладают. Больше всех впечатляет Норвегия — доля продаж электромобилей там превышает 90%. В сентябре 2022 года четверть всех норвежских легковых авто была электрическими. Прочие скандинавы стремятся следовать этому примеру. На втором месте по внедрению электрокаров — Исландия, дальше с незначительным отрывом идут Швеция и Финляндия.
Частным использованием дело не ограничивается. Многие государства переходят на электрический общественный транспорт. Особенно активно происходит этот процесс в Китае и странах Евросоюза. Сопровождается он появлением инфраструктуры — технических и зарядных станций.
Как раз на их нехватку многие жалуются. Особенно в тех странах, где электромобили стали значимой частью рынка не так давно, — например, в России. Недостаточная мобильность электрокаров, их зависимость от источника питания и линии электропередач — один из основных пунктов критики.
Хотя раньше с топливными авто была сложность того же толка, и бензином приходилось запасаться впрок: возить канистры с собой. Но в течение XX века бензоколонки успели заполонить трассы и населенные пункты. А до тех пор, пока электрозарядки им уступают, можно ориентироваться на удачные примеры прошлого, и держать при себе энергоканистру, портативную зарядную станцию и запасной аккумулятор.
Но даже если зарядок построят так много, чтобы хватило всем, проблемы все равно останутся. Если представить, что все перешли на электромобили, нагрузки на электричество получатся колоссальные. Это означает, что электроэнергии придется производить намного больше: по разным оценкам, существующее энергопотребление вырастет от 7% до 20%. Такие масштабные потребности не получится удовлетворить за счет уже имеющихся мощностей.
Значит, нужны новые сети, заточенные под невероятно высокие нагрузки. Еще неизвестно, как это скажется на электромагнитном поле планеты и на состоянии живых организмов.
Второй существенный минус электродвигателя — низкая энергоемкость. Из-за этого массивные транспортные средства на электрической тяге пока не могут преодолевать далекие расстояния.
Та же проблема препятствует выпуску электрических кораблей и подводных лодок. А вот компактные плавсредства, которые движутся по определенному маршруту и имеют возможность подзарядиться на любой из остановок, на электричестве работают отлично. Известный пример — московский речной трамвайчик.
Однако критика электромобилей адресована к настоящему моменту и не учитывает быстрого развития технологий. Уже в 2020 году Tesla разработали новую модель аккумуляторов: она мощнее в шесть раз, запасает в пять раз больше энергии и увеличивает запас хода на 16%. Но примечательнее всего то, что их производство еще и обходится дешевле. И оно уже поставлено на конвейер, хотя пока и в небольших масштабах.
Надо сказать, что прямо сейчас целые команды ученых занимаются разработкой электрохимических аккумуляторов, которые стали бы альтернативой литий-ионным. Одна из перспективных технологий — литий-серные батареи. Сера заменяет собой дорогой, редкий и очень токсичный кобальт. Экспериментальные модели уже показали высокую эффективность. Во-первых, химикам удалось найти недорогой способ производства. А во-вторых, емкость такой батареи выше в пять раз. Еще новому аккумулятору не так страшен перегрев: он выдерживает температуры до +80°С.
Есть и другой подход — создание экологичных гибридов. Например, электромобилей с солнечными панелями. Некоторым моделям фотоэлектричество добавляет запаса хода, но существуют и такие, которые подзаряжаются от солнца прямо в процессе.
Американской компании Aptera и вовсе удалось создать солнечно-электрический трицикл — то есть авто на трех колесах. Выглядит машина очень футуристично: ее необычная форма повышает аэродинамику. А еще для электромобиля он рекордно легкий — за счет необычного подбора материалов.
Другой известный солнечный автомобиль — Lightyear One — разработанный студентами Нидерландского технического университета. В отличие от Aptera, у него целых пять мест, а пробег рекордно высокий: превышает 700 километров без подзарядки. Если Lightyear One пока все еще занимается разработкой второй модели, то Aptera уже вовсю продается.
Что насчет развития электросетей — сейчас они становятся все более экологичными и автономными. Страны Европы массово переходят на энергию солнца и ветра. А Кения уже генерирует 80% электричества с помощью возобновляемых источников: эта страна является крупнейшим производителем геотермальной и ветряной энергии в Африке.
Солнечная электрогенерация не требует массовой инфраструктуры: каждый дом, оснащенный батареями, может обеспечивать себя отдельно. В Германии уже достаточно домов, которые обеспечивают потребности жителей в электроэнергии, включая зарядку электромобилей.
А вот проблема энергоемкости — это отдельная тема. И для нее существуют принципиально иные решения.
Топливный элемент
Достаточно чистым топливом, с точки зрения выбросов, является водород. Но это не единственное его преимущество. Вообще-то по энергоемкости он существенно обгоняет обычное топливо. И при этом водород более легкий, что делает его идеальным решением для крупногабаритного транспорта. Например, грузовых автомобилей и судов.
Есть, конечно, с водородом и свои трудности. Он настолько легкий и горючий, что просачивается сквозь мельчайшие щели и воспламеняется от малейшей искры. Поэтому транспортировать его сложно и небезопасно. Да и подзарядка становится рискованной высокоточной процедурой. Страшно доверить ее обычному пользователю. Поэтому постройка и эксплуатация водородных зарядных станций обойдется недешево.
Наиболее конструктивное решение — мотор на водородных топливных элементах.
Эти конструкции не только более закрытые и безопасные, но и более экологичные, потому что внутри них не происходит классической реакции горения. А значит, и вовсе нет побочных выбросов. Используются они 8—15 лет и не требуют техобслуживания: в итоге получаются экономичнее как обычных топливных моторов, так и литий-ионных аккумуляторов. Остается только поставить на поток производство.
Другая трудность — получение водорода. До недавнего времени самыми дешевыми и эффективными считались грязные технологии, например, добыча с помощью газификации угля или конверсии метана. Но не так давно произошло три знаменательных события.
Первое — нескольким исследовательским группам удалось сильно упростить получение экологически чистого водорода с помощью электролиза воды. Второе — в Китае создали высокотемпературный атомный реактор четвертого поколения, который попутно может производить водород. Третье — оказалось, что на нашей планете есть огромные залежи природного водорода, которые быстро пополняются. В нескольких странах уже обнаружены крупные месторождения: и Россия в их числе.
Массовое внедрение водородного транспорта уже не за горами. В Пекине, Сеуле, Абердине, Лондоне — тестировали водоробусы. В Москве даже думали запускать их на постоянной основе. В Исландии на водороде передвигаются подводные лодки и суда. Существуют и водородные поезда.
С переводом авиации на водород пока еще не все гладко, но эту отрасль, без преувеличения, можно назвать активно развивающейся. Водородные самолеты уже летают — а дальше дело за усовершенствованием конструкции. Например, Airbus собирается выпустить свою модель в 2035 году.
Самое ядреное топливо
Другое решение для массивного транспорта, которое давно и успешно применяется, — это ядерные силовые установки. Они работают за счет цепной реакции деления обогащенного урана. Такие реакторы без «дозаправки» служат от 10 до 50 лет. Сейчас атомный флот преимущественно используется в исследовательских и военных целях. Это крейсеры, подводные лодки и арктические ледоколы.
А для перехода к массовой эксплуатации реакторы должны стать более компактными и безопасными. Рабочие прототипы уже есть — например, реакторы на расплаве солей. Они меньше по объему, чем классические установки, не требуют охлаждения. Но больше всего подкупает то, что все утечки будут контролируемы. Снаружи реактора такой расплав быстро затвердеет, да еще и закроет собой пробоину. Срок службы составляет около 25 лет — примерно столько сейчас и эксплуатируются корабли.
Жидкосолевые реакторы сейчас проходят испытания. Их выпуск в широкое производство назначено на 2030-е годы. Коммерческие и частные производители судов с интересом следят за новостями атомной энергетики, потому что атомный двигатель — вещь довольно эффективная и экономичная. Разумеется, придется внедрить новые стандарты безопасности и переучить обслуживающий персонал, но это неизбежный шаг при переходе на более прогрессивные технологии.
Эксплуатация широко распространенных нефтяных танкеров и топливных лайнеров влекут за собой не меньшие издержки и сопряжены с не меньшими рисками. Вдобавок, сама по себе конструкция любого реактора является более защищенной, поэтому аварии — статистически редкое явление. Чего не скажешь про разливы нефти.
В настоящий момент использование ядерных реакторов — прерогатива государства. Пока что атомная энергетика требует настолько высокой квалификации, что частные компании, которые занимаются подобными разработками, можно пересчитать по пальцам. Но разработок уже столько, что мечты фантастов прошлого века о доступном ядерном транспорте скоро станут былью. Не в этом десятилетии — так в следующем. Атомные батарейки уже успешно себя показали, а среди дальних перспектив — атомные автомобили и самолеты.
Выигрышная комбинация
Очевидно, у каждого из экологичных двигателей есть свои преимущества и недостатки, и поэтому они подходят для решения разных задач. Для обеспечения индивидуальной мобильности хватает и древнейшей механики, а наиболее массивным и автономным средствам как нельзя лучше подходит энергия атома. В комбинации все эти типы мотора закрывают транспортные потребности человечества.
На самом деле для внедрения всех износостойких технологий, будь то водородные топливные элементы или малые ядерные реакторы, есть одно неявное, но весомое препятствие. Длительный срок службы никак не вяжется с рыночной логикой максимизации продаж. «Чересчур экологичны для этого мира» — это основная их проблема, а вовсе не недостаток инженерного оборудования.
Но срок службы этого мира, то есть индустрии перепотребления и экономики неравенства — уже подходит к концу. Дальше так цивилизация просто не протянет. Поэтому как бы ни было жалко терять привычные выгоды, отказаться от этой логики придется. А это значит, что литий-ионные аккумуляторы — вовсе не венец технологического совершенства, и будущее транспорта гораздо интереснее и разнообразнее, чем многие привыкли думать.
Автор: Екатерина Доильницына