Спасёт ли электромобили быстрая замена батарей?

Предыдущий материал из цикла про электромобили «В чем главный подвох всеобщего перехода на электромобили?» вызвал определенный интерес читателей и, соответственно, большой поток критики. Среди прочего читатели указывали, что многие проблемы электромобилей решит технология быстрой замены батарей. Поясним: при этом методе для пополнения заряда батареи ее не надо подключать к сети и ждать — достаточно просто снять с авто, а на ее место установить предварительно заряженную. Примерно так:

Подобная технология не нова. Относительно давно свои решения предлагают компании Nio, CATL, BYD, Geely, Ample, Honda и Gogoro (больше специализируются на электрических скутерах и мотоциклах), Sun Mobility. Также масштабные планы в этом направлении были у Renault, Tesla и других производителей, но из-за ряда сложностей компании пока приостановили работы.

В Интернете периодически появляются новости о запуске очередных станций быстрой замены и выпуске автомобилей под них, вот из недавнего на нашем сайте: «Nio и Shell открыли первую совместную станцию быстрой замены аккумуляторных батарей в Европе», «Nio развернула в Китае 1 313 станций по быстрой замене аккумуляторных блоков», «Представлена первая модель электромобиля Geely с возможностью как быстрой зарядки, так и замены аккумуляторной батареи».

Даже при беглом взгляде на заголовки видно, что лидер в этой области — Китай. В США и Европе дело обстоит хуже, но скоро все может измениться. Так, согласно публикации Forbes, одна только Nio планирует открыть 5000 станций замены батарей по всему миру к 2025 году (по состоянию на конец 2022 года вне Китая их было около 800).

На первый взгляд технология выглядит перспективно, но так ли с ней все гладко? Давайте разбираться!

Начнем с самого простого — базовых физических параметров. Так, тяговая батарея популярной бюджетной модели Nissan Leaf (версия на 30 кВт) имеет габариты 154,7 х 118,8 х 26,4 см, а вес — 294 кг. Источник питания премиумной Tesla еще больше: 210 х 150 х 15 см, 540 кг. При этом запас хода первого автомобиля составляет около 170 км, а второго — до 500 км. Для сравнения с бензиновыми аналогами возьмем по максимуму: на 500 км пути потребуется 50 л топлива или пять 10-литровых канистр. Сравним наглядно:

Уже понятно, что при переходе на электромобили с заменяемыми батареями нам потребуется гораздо больше места. А теперь, как обычно, масштабируем. Возьмем зарядную станцию EVOGO от CATL: площадь — 40 м², содержит 48 батарей с запасом хода 200 км каждая. Нашим традиционным авто на это расстояние потребуется около 1000 л топлива (48 авто по 20 л бензина на каждое, итого 960 л). Сравним наглядно с учетом возросшего масштаба:

А теперь масштабируем на большой город — Москву. По данным ресурса benzin-price.ru, в столице около 750 АЗС, а количество легковых автомобилей приблизительно оценивается в 4 млн. Потерпите немного несложных вычислений:

• рассчитаем требуемую площадь станций быстрой замены на 4 млн авто (40 м² — для станции с батареями на 48 машин):
  • 4 000 000 : 48 * 40 = 3 333 333 м2

• разделим это значение на количество ныне существующих АЗС, чтобы получить площадь одной зарядной станции в реалиях Москвы:
  • 3 333 333 : 750 = 4 444 м2

Это число соответствует размеру футбольного поля (по стандартам ФИФА, его размер не может быть меньше 4050 м²). И это в условиях тесной застройки Москвы и дороговизны земли в этом городе. Только если футбольное поле хотя бы будет радовать зеленой травкой или мягким ковровым покрытием, то станция по замене батарей «обрадует» взрывопожароопасным и токсичным содержимым в десяток ярусов. Местные жители «оценят» такое соседство.

Но только большой площадью проблемы здесь не ограничатся. Из-за неравномерности потребности в заряженных батареях пользователи будут сталкиваться с возросшим спросом на их замену в зависимости от времени. Повышенный спрос будет возникать в вечернее время, когда большинство водителей отъездили дневную норму, или, например, накануне майских праздников, когда многие захотят выехать за город на природу. Проблема пробок и так стоит достаточно остро, не хотелось бы ее усугублять.

Но самое интересное не в этом. Этот цикл материалов начинался как «энергетический», вот и рассмотрим технологию быстрой замены батарей с этой точки зрения.

С одной стороны, имеем массивную плиту в несколько сотен килограмм, с другой — десяток литров жидкости. Что же легче и проще, а главное, энергоэффективнее использовать на «заправке»? Да, ответ очевиден, но насколько велик разрыв между двумя технологиями? Давайте посмотрим.

Возьмем обычный погружной насос для АЗС: мощность — 0,75 л.с. (0,55 кВт), производительность — 200 л/мин. Другими словами, наш насос заправит примерно 240 автомобилей (с баками объемом 50 л) в час, а счетчик электроэнергии «накрутит» нам 0,55 кВтч.

А теперь возьмем батарею для электромобиля с запасом хода 500 км (эквивалент 50 л бензина), ее вес составит около 500 кг. Эту плиту надо снять с машины пользователя, переместить на зарядку, взять уже заряженную батарею и доставить к месту установки. Для уже известной нам станции EVOGO от CATL на все эти операции тратится около шести минут. Небольшими 0,75 л.с. здесь уже не отделаться, а производители станций замены не спешат распространять информацию о том, сколько требуется мощности для специализированного оборудования. Зайдем с другой стороны, посмотрим на аналогичный механизм — электропогрузчик с грузоподъемностью 500 кг. Мощность его двигателя составляет от 3 кВт.

Получаем, что за один час механизм замены обслужит 10 автомобилей, а счетчик зафиксирует затраты электроэнергии на уровне 3 кВтч. Для 240 автомобилей потребуется 24 механизма и, соответственно, 72 кВтч энергозатрат, то есть в 130 раз больше, чем при работе погружного насоса. Учтем, что разные механизмы могут иметь разные особенности, режимы работы и отличающийся КПД, округлим до 100… и все равно впечатляет. Просто вдумайтесь в эти цифры, энергозатраты на какой-то вид работ предлагается повысить на два порядка. И это в мире, где нам постоянно твердят о необходимости экономии энергии, бытовая техника маркируется по классу энергопотребления и даже мелкие приборы имеют режимы энергосбережения. А экоактивистов такой скачок непременно приведет в ярость (если они работают не только в режиме «вижу бензин — ругаю, вижу электромобиль — хвалю»), так как эти деятели уже и не знают, к кому придраться и где еще искать улучшений энергоэффективности.

По традиции подведем итоги. Как и водородные системы и «зеленая» энергетика, электромобили и сопутствующие технологии очень плохо масштабируются. Как ни прискорбно, они предназначены для локального применения с небольшим количеством участников.

Стоит признать, что данный материал получился несколько суховатым и изобилующим цифрами, зато читателям будет сложнее обвинить автора в конспирологии, поверхностности и глупости. Однако критика в комментариях приветствуется, так как только с ее помощью мы можем получить объективную картину по описанной проблематике.