Немного об альтернативах
В начале ХХ века бензин продавался в аптеках. А вот сети зарядных станций для электротранспорта существовали во всех крупных городах Америки. Например, в Детройте компания Anderson Carriage эксплуатировала три двухэтажные станции, каждая из которых могла принять одновременно более сотни машин. За $35 в месяц клиенты могли получить роскошный сервис: персонал отгонял электромобиль на ночь под крышу одной из станций, где его мыли, полировали, проверяли исправность подвески, меняли истощенную батарею на заряженную и в назначенное время возвращали владельцу. Кроме того, в Anderson Carriage каждый желающий мог купить или взять в аренду гаражное зарядное устройство.
В те благословенные времена об изменении климата никто, естественно, не думал. А когда угроза загрязнения атмосферы стала реальностью, лучшие умы человечества взялись за изобретение альтернативных источников энергии для автомобилей.
Что предлагалось:
- Водород. Вредные выбросы нулевые, но его сложно хранить и перевозить. Получать топливо очень трудно, да и взорваться может в любой момент.
- Газ. Идея давно воплощена в жизнь, но ожидаемого эффекта не принесла. Да, запасы газа в мире огромны, выбросов немного меньше, технологии имеются. Но опять же, транспортировать его опасно, заправок мало, воздух загрязняет.
- Биотопливо. Возить безопасно, двигатели достаточно просто адаптировать, легко выращивать. Но под сырье для биотопливо необходимо использовать огромные площади плодородных земель, для чего вырубаются леса. Растет угроза голода из-за сжигания продовольственной продукции, да и в атмосферу поступает много углекислого газа.
- Солнечная энергия. Абсолютно возобновляемый ресурс и бесконечный источник, но производительность минимальная. Кроме того, приходится полностью полагаться на погоду. Технологии очень дорогие, для изготовления панелей используются редкие металлы.
- Про воздух и воду все и так понятно.
Остается электричество. Электромобили уже прочно вошли в нашу жизнь, и кажется, что за ними будущее. Но все ли так прекрасно и экологично?
Электромобили экологичнее машин с двигателем внутреннего сгорания?
В наше время глобальной угрозы человечеству от вредных выбросов ставка на безопасные автомобили абсолютно оправдана. Среди всех транспортных средств, загрязняющих атмосферу, автомобили абсолютный лидер. Весь транспорт выбрасывает в окружающую среду 14% всего поступающего туда СО2, и на долю машин приходится 72% этого объема. На втором месте самолеты со скромными 10%.
Фундаментальное различие между обычными тепловыми двигателями и электродвигателями связано с процессом преобразования потенциальной энергии в кинетическую. Основной вред экологии от двигателей, работающих на бензине, солярке или газе, выброс в атмосферу продуктов сгорания топлива.
Благодаря литий-ионным батареям процесс сгорания в электродвигателе отсутствует, значит при его работе СО2 в атмосферу не выделяется. Но можно ли утверждать, что электромобили более экологичны? К сожалению, не всегда.
Экологичность электромобиля полностью зависит от способа получения электричества для их зарядки. Если это не солнечные батареи, ветряные турбины или даже атомные и гидроэлектростанции, а электростанции, работающие на угле или мазуте, то выбросы в атмосферу СО2 будут значительно выше. Просто атмосфера будет загрязняться не там, где электромобиль едет по современному скоростному шоссе, а в месте работы электростанции.
Например, в США на ископаемое топливо приходится 63% вырабатываемой электроэнергии, а Исландия полностью перешла на гидро-, геотермальную и солнечную энергетику. Поэтому вред окружающей среде от одного и того же электромобиля в этих странах несопоставим.
Тут необходимо сделать отступление и разобраться, что вообще происходит в мире со спросом на различные источники энергии. Если отвлечься от общего информационного зеленого фона и речей активистов уровня Греты Тунберг, то ситуация с возобновляемыми источниками выглядит не так уж оптимистично.
По прогнозам Международного энергетического агентства (IEA) мировой спрос на энергию будет расти пропорционально росту населения и снижения уровня бедности. В отчете за 2020 год IEA прогнозируется, что к 2040 году:
- Население мира вырастет еще на 1,3 миллиарда человек; с 7,7 миллиарда в 2019 году до более чем 9 миллиардов в 2040 году. Увеличится спроса на энергоносители со стороны стран с формирующейся рыночной экономикой и развивающихся стран.
- Мировой спрос на энергию вырастет на 19%.
- Миру потребуется в два раза больше энергии, несмотря на постоянный рост энергоэффективности.
- Потребность в природном газе вырастет на 29%. Многие страны ищут поставщиков природного газа для доступной и надежной выработки электроэнергии, которая производит меньше вредных выбросов, чем уголь.
- Общий рост спрос на нефть повысится на 7%. В то время как использование нефти для транспортировки достигнет своего пика, рост нефтехимического производства означает, что в будущем потребуется больше нефти.
- В 2020 году из-за эпидемии COVID-19 примерно на 2% выросло число людей, не имеющих в доме электричества, что свело на нет прогресс в этой области, достигнутый в последние десятилетия. Это произошло впервые с 2013 года.
- Мировой спрос на энергию восстановится до предкризисного уровня в начале 2023 года.
То есть по прогнозам самых авторитетных экспертов ни о каком падении спроса на не возобновляемые источники энергии в обозримом будущем речь не идет. Так почему же несмотря на тренд на экологичность, мир не спешит отказываться от ископаемого топлива и в перспективе стремится нарастить его добычу?
А вот тут уместно вспомнить о том, что, например, академик Петр Леонидович Капица доказал, что альтернативная энергетика не имеет перспектив. Рассматривая гипотетическую возможность замены источников ископаемого топлива на солнечную энергию, он приводил как аргумент простые расчеты: для этого нужно построить вдоль всей сухопутной части экватора сплошную полосу солнечных батарей шириной 5060 километров. Совершенно очевидно, что подобный проект в обозримом будущем не может быть реализован ни по техническим, ни по финансовым, ни по политическим причинам.
Но это тема для отдельного серьезного разговора, а пока вернемся к вопросу экологичности электромобилей и причины популярности этой идеи. Может быть, сам процесс производства электромобилей более экологичен?
Нулевые выбросы при производстве электромобилей?
Цикл производства автомобиля начинается с добычи, очистки и транспортировки сырья, из которого далее изготавливаются комплектующие. В принципе, особой разницы в технологии нет, но почему-то ученые утверждают, что именно в конце цикла производства электромобилей в атмосферу выделяется большой объем углекислого газа.
С чем это связано? С тем, что энергия электромобилей накапливается в аккумуляторах большой емкости, чем больше аккумулятор, тем длиннее пробег без дозаправки. Большие батареи дают высокие экологические издержки, так как производятся из редкоземельных металлов лития, никеля, кобальта или графита. Все эти металлы залегают глубоко под землей, и их добыча связана с процессами, крайне негативно влияющими на окружающую среду.
Так, по данным китайской Ассоциации в отрасли производства редкоземельных металлов (а Китай монополист в этой области, на его долю приходится 95-97% всей мировой добычи) при производстве 1 тонны чистого металла остается 75 тонн кислотных отходов (которые далеко не всегда правильно утилизируются) и 1 тонна радиоактивных. Но, несмотря на такой высокий ущерб экологии, добыча этих металлов будет только расти: по самым скромным подсчетам, например, запасов лития хватит на ближайшие 185 лет.
В первую очередь, взрывной спрос коснулся лития, используемого в производстве батарей для электромобилей. Он будет расти прямо пропорционально количеству выпускаемых машин, а оно по прогнозам Bloomberg New Energy Finance (BNEF) к 2030 году увеличится в 30 раз.
Добыча лития крайне негативно влияет на экологию. Это связано с тем, что для выпаривания литиевых растворов требуются огромные объемы воды: 2 млн литров для добычи одной тонны металла. А наиболее богатые рассолом лития месторождения находятся в высокогорных районах Южной Америки, как раз там, где расположено самое сухое место на Земле пустыня Атакама. За период с 2000 по 2015 годы для добычи лития было выбрано на 21% больше воды, чем поступило с дождем и талыми водами, и местные фермеры впервые ощутили недостаток влаги для орошения пастбищ и полей с зерновыми.
Да и само производство аккумуляторных батарей существенно увеличивает углеродный след, т.е. объем парниковых газов, попадающих в атмосферу в процессе человеческой деятельности. По данным Volkswagen именно на батареи для электромобилей приходится 40% выбросов углекислого газа во время всего производственного цикла. Это в два раза больше, чем при изготовлении дизельного двигателя.
У концерна есть опыт производства модели и в дизельной версии, и его электрического варианта e-Golf. Эти версии имеют одинаковый кузов, так что сравнение максимально репрезентативно.
Суммарный углеродный след у электрического и дизельного Volkswagen Golf уравнивается только при пробеге около 125 тысяч километров. Если принять средний годовой пробег в 25 тысяч километров в год а это немало для частного владельца, экологические преимущества электропривода начинают проявляться только на шестом году эксплуатации.
Но это только полбеды. Вторая половина все то же электричество для производства аккумуляторов. Этот процесс очень энергоемкий, а энергия в подавляющем большинстве случаев поступает опять же с тепловых электростанций, сильно загрязняющих атмосферу. Все тот же замкнутый круг.
А что делать с отработавшими ресурс аккумуляторами?
В среднем литий-ионные батареи гибридных и электромобилей весят не один центнер. Например, один из самых больших аккумуляторов для Mercedes-Benz EQC тянет на 700 кг. Что с ним делать после выработки ресурса?
Сегодняшние технологии пока что не подразумевают демонтаж элементов батарей, так как сделать это практически невозможно. Батареи, в лучшем случае, разбираются на модули, которые затем попадают в измельчитель или высокотемпературный реактор, где они одновременно пассивируются. Но при этом для последующего извлечения материалов из батарей требуется сложный набор физических и химических процессов. Например, процессы пирометаллургической переработки в промышленном масштабе могут принять любые модули электромобильных аккумуляторов без их разборки. Однако, это решение не позволяет использовать энергию, которая еще остается в аккумуляторах, а также приводит к усложнению химических методов разделения, так как подаваемый в процесс материал представляет собой разнородную смесь. Усложненность процесса и большое количество образующихся при этом отходов снижает экономическую эффективность данных методов переработки.
По данным Международного совета по экологически чистому транспорту (ICCT) в США перерабатывается 99% свинцово-кислотных аккумуляторов, используемых в традиционном автомобилестроении. С литий-ионными батареями ситуация в корне другая: их компоненты мало интересуют рынок переработки, а лития в них мало. В итоге, например, в Европе перерабатывается только 5% литиевых батарей, остальные либо сжигаются, либо выбрасываются на свалки. Так что говорить об экологичности тут не приходится.
Ради справедливости нужно сказать, что сейчас ведутся многочисленные исследования на тему переработки литиевых батарей и восстановлению редкоземельных компонентов. Ищутся варианты решения вопроса о повторном использовании аккумуляторов с использованием ветряной или солнечной энергии.
Резюме: так ли экологичны электромобили, как нам об этом рассказывают маркетологи?
Конечно, нет, нулевые выбросы электромобилей красивая сказка. Примерно такая же, как вечный двигатель. Несмотря на то, что на протяжении своего жизненного цикла они более экологичны, чем автомобили, работающие на ископаемом топливе, они не могут решить проблему парниковых газов и глобального изменения климата.
Например, в Китае крупнейшей стране-потребителе и производителе энергии в мире вырабатывает четверть всего объема электроэнергии в мире. В 2014 году ее произведено почти в полтора раза больше, чем в США. К 2035 году спрос на первичные энергоресурсы в Китае по разным оценкам (BP British Petroleum; IEA NP the International Energy Agency (New Policies Scenario), ХОМ ExxonMobil, WM EMS WoodMackenzie) составит от 3700 до 4450 тонн нефтяного эквивалента.
В структуре потребления первичной энергии Китая доля угля чрезмерно высока, она достигла 66 % в 2014 году и вызвала серьезные проблемы, такие как загрязнение окружающей среды и увеличение выбросов парниковых газов. Уже сейчас Китай занимает первое место по объему эмиссий, в основном, из-за деятельности национальных транспортных компаний. Объем выбросов углекислого газа в Китае, США, ЕС и России за период 2006-2016 гг. показан на диаграмме (млн т3).
С началом взрывного роста производства электроэнергии Китай стал рассматриваться как главная угроза климату во всем мире. Обоснованные упреки в климатической недобросовестности звучат из уст ведущих политиков, экономистов и экологов. По словам Олега Дерипаски негативное влияние выбросов в атмосферу в Китае негативно влияет даже на экологию Сибири.
А власти Китая не спешат тратить средства на чистоту автопрома. Более того, они решили ослабить действующую с 2019 года строгую норму, согласно которой транспорт на новых источниках энергии в структуре продаж каждой компании должен занимать долю не менее 10%.
К машинам на новых источниках (New Energy Vehicles) относят электромобили, подзаряжаемые гибриды и авто на топливных ячейках. Однако 22 июня китайские регуляторы объявили, что в зачет зеленых будут идти и обычные гибриды, без возможности внешней подзарядки. Послабление начало действовать с 1 января 2021 года.
<
Хотя электромобили позиционируются как экологически чистые, факт остается фактом: производство энергоемких аккумуляторов для таких автомобилей неизменно способствует значительным выбросам CO2, поэтому у электромобилей возникает огромный дефицит углерода, когда они выезжают на дорогу, и они начнут сокращать выбросы только после того, как проедут 60 тысяч километров.
Согласно отчету Международного энергетического агентства (МЭА), даже если доля электромобилей в мире вырастет в 15 раз по сравнению с нынешним числом, то это сократит глобальные выбросы CO2 только на 1 процент.
В 2018 году электромобили сэкономили 40 миллионов тонн CO2 во всем мире, что эквивалентно снижению глобальной температуры всего на 0,000018C или чуть более чем на стотысячную градуса Цельсия к концу века.
Помимо проблем экологии, переход на электромобили невозможен без решения проблем зарядных станций, инфраструктуры и многих других. К тому же в ближайшие десятилетия на первый план выйдут вопросы не производства новых типов автомобилей, а развития общественного транспорта.
По прогнозам ООН, в 2050 году 68% мирового населения будет проживать в городах, поэтому необходимо будет решить и такие вопросы, как движение транспорта, парковка и высокий уровень потребления.
