Википедия
Глава Daimler Мартин Даум и Билл Гейтс в разное время, но вполне единодушно отмечали, что законы физики делают грузовую фуру — ключевой элемент современных перевозок — несовместимой с чистой электротягой. Многотонная батарея отнимает слишком много пространства и веса у коммерческого груза, поэтому проекты Tesla Semi Дауму и Гейтсу представлялись «непрактичными». А теперь Илон Маск наконец начал поставки этого грузовика — и просачивающиеся данные о его реальной массе показывают, что Гейтс и Даум ошибались. Как Маску удалось то, что все в один голос считали настолько невозможным, что никто даже не попытался составить ему конкуренцию?
Почему законы физики были против Tesla Semi
Физика реального мира — неумолимая вещь. Давным давно, в конце 1950-х годов, в США в серии экспериментов выяснили, что при росте нагрузки на одну ось автомобиля в 10 раз износ дорог от него увеличивается в 10 тыс. раз. Да, вы прочитали правильно: износ трассы растет пропорционально четвертой степени от нагрузки на одну ось. Ваша легковушка делает это в 10 тыс. раз слабее груженой фуры. Поэтому более 95% всего износа дорог по всему миру приходится на тяжелые грузовики.
По этой причине в странах, где власти знакомы с упомянутыми выше исследованиями, существуют жесткие ограничения на предельную массу грузовиков. В США — 36,16 тонны («Класс-8»). Это не прихоть: если ее сделать хотя бы на 20% выше, каждая такая фура станет изнашивать дорогу вдвое сильнее (1,2х1,2х1,2х1,2=~2,07).
Для обычных грузовиков это не проблема: 450-литровый бак с дизтопливом весит 0,4 тонны, а уехать на нем можно на 1200-1300 км (типичный расход — 35 литров на 100 км). Поэтому грузовик с пустым полуприцепом в США весит лишь 10-16 тонн (из которых лишь 5,5-11,5 тонны сама фура). На груз остается 20-26 тонн.
Билл Гейтс, Мартин Даум и многие другие отмечали: фуре с большим запасом хода нужен многотонный аккумулятор. Это резко сократит перевозимый ею груз, что делает машину «непрактичной» (выражение Гейтса). Глава Daimler и вовсе сказал:
«Если Tesla действительно реализует это обещание, мы определенно купим два таких грузовика: один — чтобы разобрать, второй — чтобы протестировать. Потому что если это случится, что-то прошло мимо нас. Но пока одинаковые законы физики действуют и в Германии, и в Калифорнии».
Этим он вежливо дал понять: реализовать планы Tesla по Semi объективно невозможно. Законы физики не позволяют.
Однако недавний тестовый пробег первой серийной Tesla Semi показал, что машина с суммарной массой 36,7 тонны (недизельным фурам в США можно быть на 0,9 тонны тяжелее дизельных) прошла 800 км, причем с подъемом в серьезные горы. И везла при этом 11 бетонных барьеров, каждый 1,8 тонны массой. Получается, она показала общую нагрузку 19,8 тонны — очень близко к 20-26 тоннам дизельных фур «Класса-8». При этом сама фура с пустым полуприцепом весила лишь 16,9 тонны. Стандартный полуприцеп (16,165 метра) в США весит 4,5 тонны, следовательно, Tesla Semi имеет массу ~12,4 тонны.
Фото: Daimler
eCascadia, лучший электрогрузовик Daimler. Как и Semi, он имеет предельную массу в 37 тонн, но вот дальность у него 370 км. Учитывая, что пополнить батарею еще на 80% можно только за полтора часа, такая фура не имеет шансов на рынке дальних перевозок. Почему вроде бы приличный немецкий производитель, стоявший у истоков мирового автомобилестроения, так сильно отстал от явного новичка?
Илон Маск сам не огласил эти цифры на презентации первой серийной машины, скорее всего, по простому нежеланию устраивать резкие колебания курса акций своей компании. Учитывая, что пресса обычно слабо вникает в технические вопросы, понятно, что газеты вышли бы с заголовками «Semi берет груза на шесть тонн меньше дизельных фур».
Однако нетрудно заметить: на самом деле эти шесть тонн — цифра не очень большая. Из всех грузов в США 68% (27 тонн на душу населения в год) перевозят именно фуры — и большинство этих грузов представляют собой потребительские товары в картонных коробках и иной упаковке. Их типичная плотность невелика, и объем полуприцепа в любом случае просто не позволит разместить в нем более 20 тонн потребительских товаров.
Масса имеет большое значение только для нишевых (грузовики с топливом) или сравнительно редких видов перевозок. Именно поэтому у Tesla уже сейчас множество предзаказов и планы на производство 50 тыс. единиц в год.
Как это получилось
Возникает вопрос: неужели глава Daimler да и тот же Билл Гейтс не могли заранее просчитать, что все так и случится? Ведь не секрет, что электромобили Tesla далеко не вчера добились емкости 1 киловатт-час на шесть килограммов веса. Более крупная батарея явно должна была иметь более высокую емкость просто за счет эффекта масштаба: при росте размеров объем объекта растет пропорционально кубу линейных размеров, а площадь стенок и структурных компонентов — только пропорционально квадрату. Как это можно было не предусмотреть?
Ответ на этот вопрос таков: Билл Гейтс, как и Мартин Даум, ориентировался на мнение инженеров из традиционной западной автоиндустрии. Те мыслят просто: груженая дизельная фура тратит ~35 литров на 100 км, КПД у нее ~40%, литр дизеля при сгорании дает 10,7 киловатт-часа в пересчете на тепло, значит, такой машине надо 150 киловатт-часов энергии на 100 км.
Фото: Wikimedia Commons
Подавлющее большинство попыток войти на такой сложный рынок как тяжелые грузовики заканчиваются неудачей. Например, так было с Nikola Motors: она выбрала водород, топливо заведомо тупиковое, в силу его неустранимо высокой цены.
Tesla планирует Semi c дальностью до 800 км? Даже при 150 киловатт-часах на сотню на такой дистанции нужно 1200 киловатт-часов емкости. Такая 6,5-тонная батарея будет огромной, тяжелой, и реальный расход энергии будет еще выше, чем у дизельных фур. Следовательно, потери груза в сравнении с типичным ДВС-конкурентом у Semi будут от 7 тонн и выше.
На практике типовая фура в США везет не более 23-24 тонн (до 26 тонн получается у более легких категорий, не очень пригодных для дальних поездок). А Tesla Semi, как показала испытания, вполне везет 20 тонн на 800 км. То есть потери перевозимой массы у Tesla вышли вдвое меньше ожидавшихся Daimler и прочими. Почему?
Ответ на этот вопрос тоже предсказуем. Tesla не проектирует машины так, как другие компании: она стремится сделать их гораздо лучше. Основную часть времени нормальная фура (напомним, речь идет не о России) движется со скоростью выше 80 км/ч, а в США — даже выше 90 км/ч. Уже при 80 км/ч более 50% энергозатрат грузовика приходится на преодоление сопротивления воздуха.
Фото: Wikimedia Commons
График источников энергозатрат для грузовиком и автобусов. Хорошо видно, что сопротивление воздуха на 80 км/ч начинает доминировать над сопротивлением качению.
Традиционные производители на этот аспект всегда закрывали глаза. Оптимизировать аэродинамику здоровенной фуры сложно, да и начальство типичной автокомпании не любит слишком революционных решений — с ними оно чувствует себя менее уверенными, чем с давно известными, пусть и не очень хорошими.
Именно поэтому коэффициент аэродинамического сопротивления обычной фуры — от 0,5 до 0,9 (и это речь о хороших образцах, с жестким тентом и прочим). А вот у Tesla Semi этот коэффициент — 0,36. Это космическая разница: только она одна снижает общее потребление энергии грузовиком более чем на 10%. Если бы кто-то делал такими дизельные грузовики, они бы тратили на 5 тыс. литров в год меньше, чем сегодня.
Однако традиционные автопроизводители по каким-то причинам не смогли добиться такого результата — не исключено, что в силу косности мышления их менеджеров.
У Tesla ситуация иная. Ключевые инженерные решения, включая и саму мысль о создании электрофуры, здесь исходят от ее владельца. Поэтому ему не нужно переубеждать никакое начальство, отчего он и может себе позволить аэродинамику в пару раз лучше типичного конкурента.
Одна из ключевых причин такого снижения коэффициента аэродинамического сопротивления: плотно прилегающий к полуприцепу кожух-обтекатель. Чем меньше зазор между ними, тем ниже турбулентность в этой зоне, а турбулентность повышает сопротивление. Нельзя сказать, чтобы Маск был первым, кому пришло в голову, что тут «надо бы чем-то прикрыть».
Еще при СССР был создан концепт «МАЗ-2000», где зазора между кабиной и кузовом нет вообще (за счет подвижности колесных пар). Но надо понимать, как работает традиционный автопром: действительно новое там интересно только инженерам-разработчикам, а начальство практически всегда выходит не из них. Разумеется, провести через него «МАЗ-2000» или Tesla Semi в принципе невозможно — но, в отличие от белорусских инженеров, Илон Маск сам себе начальство.
Другой важнейший момент — регенеративное торможение. Общая мощность трех электромоторов Semi огромна, втрое мощнее привычной фуры. Оно и не удивительно: ведь их взяли от Tesla Model S, самой быстроразгоняющейся серийной машины на планете. Груженая, она разгоняется до 96,5 км/ч за 20 секунд, пустая — за пять секунд (да, примерно вдвое быстрее вашей легковой машины). Простейшие расчеты показывают, что ее мощность — порядка тысячи лошадиных сил, на уровне танка Т-72.
Производитель выгодно выставляет это как плюс для подъема в гору и обгонов на трассе, нужных и в США. И это формально так и есть, достаточно вспомнить про видео, где детище компании обгоняет дизельного конкурента на затяжном шестиградусном подъеме.
Но реальная причина высоких мощностей — скорее, в другом. Чем выше мощность мотора, тем больше мощность торможения двигателем. И дело не только в том, что тормоза типичной фуры при спуске с горки часто перегреваются, но и в том, что на торможении двигателем электрофура получает серьезнейшую подзарядку: ее моторы работают в режиме генераторов, извлекая энергию из замедления своей машины. Это хорошо заметно на графике ниже, показывающем пробег первой серийной Semi.
Мы не будем утомлять читателя перечислением всех оптимизаций грузовика — аэродинамический и регенеративный аспект вопроса и так говорят сами за себя. Подчеркнем лишь результат: Tesla Semi тратит всего 106 киловатт-часов на 100 км. А вовсе не 150 киловатт-часов эквивалента, как ее дизельные предшественники. Снижение потребления энергии на 29% — неплохой результат для первой серийной фуры компании, которая до того не выпускала их вообще никогда. В результате емкость батарей у нее — всего ~900 киловатт-часов, существенно меньше, чем ожидали традиционные автоигроки при такой дальности на одной заправке.
Теперь нам понятно, почему Даум, Гейтс и прочие полагали «дальнобойные» Semi невозможным. И отчего даже не планировали создавать собственные грузовики с 800-километровой дальностью. Они считали, что традиционные компании не просто так делают грузовики больше века. Что они «вылизали» их конструкцию до оптимальной, что там особенно нечего улучшать.
Однако они ошибались. Но эту ошибку было легко предсказать: ведь совершенно точно так же Tesla Model 3, тратившая менее 16 киловатт-часов на 100 км, до этого обошла по аэродинамике и энергоэффективности свои ДВС-аналоги. И причины были те же: Маск стремится сделать свои машины явно лучше, чем у окружающих, и при этом не чурается самых радикальных идей. Ни одна из компаний-конкурентов не имеет подобных достоинств, и именно поэтому им так трудно предвидеть саму возможность проектов, за которые он берется.
Почему решение Илона Маска далеко от идеала
Кажется, что глава Tesla сделал все как можно лучше. Уронил потребление энергии грузовика на 29% и намерен вскоре побить и этот рекорд. За счет этого поставил батарею менее 5 тонн и потому сможет возить груза по 20 тонн, почти как дизельные аналоги.
Экономически Semi — безусловная победа. Как отмечают американские наблюдатели, при типичных для этой страны ценах на электричество и солярку Semi за свой жизненный цикл сэкономит оператору очень немаленькие деньги. Гарантия производителя по ресурсу машины — 1,609 млн. км. И в принципе, у дизельных грузовиков такие пробеги тоже не редкость. При цене за электричество девять центов за киловатт-час (столько платят крупные покупатели в США) и текущих среднеамериканских ценах на солярку за свою жизнь электрофура потратит на заправку 0,18 млн. долларов, а дизельная — 0,71 млн. Полмиллиона долларов — очень большой зазор.
Фото: IEA
Интерес Маска к грузовому сектору понятен. Несмотря на малочисленность грузовиков, они потребляют ~70% от мирового расхода легковушек. К тому же, их потребление растет быстрее, чем у пассажирского сектора. Полностью электрифицировав их, можно сократить мировое потребление нефти как минимум на 18%.
Финальные цены на серийные Semi пока не объявляли, но даже если предположить, что они будут в полтора раза выше расчетных цен производителя в 200 тыс. долларов, все равно останутся на уровне 300 тыс. Дизельная фура «Класса-8» дешевле 100 тыс. просто не встречается, обычно она стоит 120-130 тыс. долларов. Следовательно, Tesla Semi даже при исходной цене на 200 тыс. долларов выше сэкономит покупателю 320 тыс. примерно за 16 лет жизни (дальнобойные фуры там имеют пробег ~100 тыс. км в год). Более высокая исходная цена «отобьется» за шесть-восемь лет. Несложно понять, почему Tesla планирует серию 50 тыс. громадных фур в год уже в 2024-м году: у нее не будет отбоя от покупателей.
Вытеснение дизельных грузовиков электрическими — событие огромной значимости. На грузовики в США приходится 36% выбросов микрочастиц, а микрочастицы из выхлопных газов там убивают полсотни тысяч человек в год. То есть фуры уносят ~18 тыс. жизней в год только в США. Даже если Tesla Semi заправлять только от угольных электростанций, зарядка миллиона таких машин в год (примерно столько «Класса-8» в США) будет убивать ~1070 человек в год. В реальности, конечно, эта цифра будет ниже, поскольку газ в США стабильно теснит уголь на ТЭС, а от него смертность на киловатт-час выработки в два с половиной раза меньше «угольной». Выходит, кроме экономической победы перед нами еще и серьезное уменьшение потока людей, ежегодно приезжающих на кладбище.
И все-таки с технико-экономической точки зрения решение Маска далеко от идеала. Проведем умственный эксперимент: представим, что наш выходец из Африки захотел сделать Semi метановым, а не электрическим. Батарея в 4,9 тонны заменилась бы на 160-180 кг сжиженного газа и сравнительно легкий бак для него. Да, метановый ДВС и трансмиссия весили бы до полутора тонн, но даже с учетом этого условная Methane Semi весила бы на 3 тонны меньше, чем весит ее электрособрат.
Но дело даже не в весе. Как мы уже описали выше, фуры в основном возят настолько неплотные товары, что там и 20 тонн груза не особенно частый гость. Дело в цене: среднемноголетняя цена газа в США ~0,23 доллара за кубометр. Метановый «Класс-8» с аэродинамикой тесловского уровня съест ~30 куб. метров газа на 100 км (30 x 0,23 доллара = 7 долларов).
Получается, что Methane Semi будет заправляться на >30% дешевле электрической Semi. А еще он будет не на десятки тысяч долларов дороже обычной фуры, а лишь на 10-15 тыс. долларов (цена криогенного бака со сжиженным газом). Легко видеть, что за жизненный цикл газофура обойдется как минимум на 100 тыс. долларов дешевле фуры электрической.
При этом выбросы ею микрочастиц буду весьма малы: сжигая 35 млрд. куб. метров газа в год, они убьют своими микрочастицами примерно тысячу человек в год. То есть очень близко к цифрам Tesla Semi.
Почему Маск не пошел по этому пути, ведь он очевидно лучше? Возможно, дело в том, что он видит в глобальном потеплении серьезную угрозу, хотя, как мы не раз отмечали, оно, скорее, благо, чем зло. Ну а метановые автомобили в принципе нельзя сделать безуглеродными, в отличие от электрических. Есть и другой, еще более вероятный ответ: он начал с электромобилей в легковой сфере и здесь силен. А в ДВС у него особых знаний и навыков нет, как и у подобранных им инженеров. Проще идти от знакомых тебе вещей, чем каждый раз погружаться в новое.
Как все это повлияет на Россию
Как известно, легковые электромобили не смогут завоевать существенную часть нашего рынка в обозримые десятилетия. Основная причина — цена литиевых батарей «в сборе». Для современных электромобилей она выше 200 долларов за киловатт-час, то есть при приемлемой дальности 400 честных километров она одна стоит как приличный легковой автомобиль. Наше население на настолько богато, чтобы доплачивать такую «нагрузку», поэтому большинство не выберут электромобили еще очень долго: здесь мы описывали, почему ждать революции в батареях не стоит.
С электрофурами ситуация другая. Да, сегодня они дороже обычных как минимум вдвое. И даже в перспективе батарея на 900 киловатт-часов будет стоить как дизельный грузовик. Вот только пробег активно используемой фуры легко достигает 100 тыс. км в год, впятеро больше легковушки. Поэтому выбирая между машинами, тратящим на заправку 35 долларов на 100 км и шесть долларов на 100 км, отечественный оператор сэкономит 28 тыс. долларов в год. Значит, он отобьет свои инвестиции в более дорогую машину в разумные сроки.
Разумеется, это случится не завтра. Санкции не отменят во всем обозримом будущем, Tesla, соответственно, не придет на наш рынок. А как можно видеть из истории с легковыми электроавтомобилями, повторить параметры тесламобилей за разумные деньги остальные иностранные автопроизводители смогут не ранее, чем через десять лет.
Отечественные производители без ввоза большого числа импортных автокомпонентов не смогут этого вообще никогда, пока рубль стоит к доллару так дорого, как сегодня. Это, собственно, и есть основное содержимое голландской болезни: настолько высокий реальный курс национальной валюты, что мы получили из-за западных санкций, делает недостаточно зрелую обрабатывающую промышленность неконкурентоспособной по цене. Труд рабочего в долларах выходит слишком дорогим, чтобы развертывать массовое производство сложных изделий, выгодно производить только то, в чьей цене труда рабочих мало, вроде нефти или металлов. Поэтому местным грузовым операторам придется дождаться китайских копий Semi, чтобы заменить ими дизельные «КамАЗы». И пусть это случится в 2030-х, но это случится — и тем самым большое количество жизней наших сограждан будет спасено. Чему нельзя не порадоваться.
Конечно, встает вопрос: а что если «КамАЗ» сделает нормальную газовую фуру, она ведь будет намного дешевле в эксплуатации, чем метановая? Чисто теоретически это возможно. «Газпром» явно не прочь увеличить продажи на внутреннем рынке, а метан на заправке можно продать гораздо дороже, чем домовладельцу, греющему им свой дом.
Фото: КАМАЗ
KAMAZ-5490-80804-5Р(90) пытается обойти недостатки как сжиженного, так и сжатого газа: справа у него стоит криобак на 530 литров (вместимостью 203 кг), слева — четыре баллона по 123 литра общей вместимостью 98 куб. метров. Запас хода, со слов производителя, на одной заправке 950 км. По дальности он явно не хуже Tesla Semi, да еще и дешевле в эксплуатации (как и по цене), даже несмотря на ужасную, в сравнении с ней, аэродинамику и нулевую регенерацию. Увы, для успешной конкуренции с Semi «КамАЗу» кое-чего сильно не хватает
И производитель вроде бы уже потянулся к теме: KAMAZ-5490-80802-5Р(90) уже существует, и хотя его запас хода далек от заявленных 1400 км, он, несомненно, выше, чем у Tesla Semi. К тому же, заправки мегаваттной мощности, которые строит своим грузовикам Tesla, явно будут дороже заправок для сжиженного газа, которые способны работать в десять с лишним раз быстрее. Ведь жидкий газ заливать быстрее, чем заряжать батарею на 0,9 мегаватт-часа, то есть меньше надо и заправочных мест на одну машину, отчего выше отдача от единицы оборудования.
Но есть нюанс, а точнее, два. Во-первых, чтобы отечественный автопроизводитель взял и создал что-то такое, чего в мире пока нет, это у нас не в моде, и после конца СССР такого просто не случалось (да и при нем не пускалось в серию). Под метан ДВС надо капитально переделывать: его октановое число 120, то есть степень сжатия надо резко менять, иначе мотор будет неэффективен.
Само собой, «КамАЗ» новый мотор делать не будет, это же не Tesla. Поэтому для своих газовых моделей он покупал их на стороне, например китайский Weichai WP12NG400. И дело не только в том, что этот мотор имеет неоптимальную для метана степень сжатия (китайские инженеры, видимо, экономили усилия при проектировании), но и в том, что называть отечественным грузовик, где такой двигатель, а трансмиссия — ZF16S2220 (и много других деталей в том же духе), могут разве что менеджеры «КамАЗа».
Вторая проблема: «Газпром» не против зарабатывать на продаже газа, но не хочет слишком активно строить заправки на трассе, пока нет массового автогазопотребления. Само собой, оно при таком подходе и не появится.
Как решать подобные проблемы? Достаточно найти автопроизводителю управленца, который наладит с нуля производство собственных высокоэффективных моторов и прочих компонентов — вплоть до сидений, которые традиционные производители почти никогда не делают сами. Такой управленец будет и достаточно вменяемым для того, чтобы вложиться в собственную массовую сеть заправок, — прекрасно понимая, что без этого спроса на его машины с новым топливом не будет.
В общем, нужно просто найти «КамАЗу» Илона Маска. В конце концов, все эти пункты выше люди из Tesla и выполнили, в итоге у них сейчас самые эффективные электромоторы в мире, они рекордно много используют инсорсинг (то есть не закупки на стороне, а производство «у себя», вопреки обычаям автопрома всего мира). И уже построили тысячи заправок с десятками тысяч колонок по всему миру.
Источник: https://naked-science.ru/