Несомненно, двигатель — главная деталь любого транспортного средства. Двигатели бывают разные, и, конечно, они постоянно совершенствуются — машины потребляют все меньше топлива, электромобили едут все дальше, поезда становятся все более быстрыми...
Работа над улучшением двигателей идет во всех крупных машиностроительных компаниях мира постепенно и неспешно, и, казалось бы, уж где-где — а в этой сфере никаких неожиданностей не предвидится. Однако более 30 инновационных компаний кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково» занимаются как раз разработками новых технологий для транспорта. Уж они-то точно знают — прорывные проекты придут на рынок совсем скоро!
Традиционный, но не забытый
Создание элементов для нового транспорта — одно из популярных и передовых направлений работы кластера энергоэффективных технологий, что совпадает с общемировыми тенденциями: тематика нового взгляда на транспортные средства сегодня актуальна как никогда. Пожалуй, сложнее всего модернизировать самые распространенные двигатели внутреннего сгорания (ДВС). «Традиционный транспорт на углеводородном топливе — с бензиновыми и дизельными двигателями — самый распространенный во всем мире, но именно здесь речи о кардинальных технологических прорывах пока не идет, — констатирует Антон Скибин, руководитель энергетического сектора кластера энергоэффективных технологий Фонда «Сколково». — Но и ДВС нуждаются в улучшениях, которые позволили бы повышать (хоть и ненамного) эффективность их использования».
Сегодня всего около 40% от сжигаемого топлива идет в полезную работу, остальная энергия просто теряется. Соответственно для улучшения работы ДВС можно попытаться собрать эти потери, например, попробовать преобразовать тепло выхлопных газов в электроэнергию, которая используется для питания систем автомобиля. И резиденты, которые над этим работают, в «Сколково» есть. Разрабатываются четыре проекта на тему термоэлектрики, их основная задача — уменьшить стоимость и повысить эффективность преобразования бросового тепла в энергию. «Это та новинка, которая сейчас на слуху в области модернизации традиционных двигателей внутреннего сгорания», — отмечает Антон Скибин.
Есть и технологические проекты, крепкие инженерные команды, которые работают над повышением эффективности традиционных компонент транспорта: трансмиссии, системы впрыска топлива, турбонаддува, управления двигателем.
Преобразуя энергию
Однако самое актуальное направление в работе над новыми транспортными технологиями — направление гибридных приводов. На этом поприще инноваторы ожидают самых больших перемен, предсказывая, что ближайшее будущее именно за такими системами смешанного типа.
Сегодня энергетическая емкость (запас энергии) бензина или дизеля — около 10 тыс. Вт ч на 1 л. Для сравнения: у современного дорогого аккумулятора этот показатель составляет 200 Вт ч на 1 кг. Это значит, что батарея должна весить гораздо больше, чем объем топлива в баке, и, чтобы проехать 500 км, батарейку весом в несколько сотен килограмм придется тащить за машиной на прицепе, а бензина надо 30–50 л — всего один бак. «Но эти 10 тысяч ватт-часов на 1 килограмм традиционными ДВС используются с КПД всего 40%, а скромные 200 ватт-часов на 1 килограмм могут использоваться с энергетической эффективностью более 90%, — объясняет Антон Скибин. — Получается, что использование электричества для передвижения гораздо более выгодно, но есть ограничения: сколько энергии мы можем увезти с собой? На ДВС — много, а на электродвигателе — очень мало».
Вот тут-то и появляется гибридный двигатель, который позволяет возить с собой не огромную батарейку, а генератор энергии: при работе ДВС вырабатывается электроэнергия, которая впоследствии используется в электрическом приводе. «При этом ДВС используется гораздо меньшего размера, потребляет меньше топлива и меньше загрязняет окружающую среду», — отмечает Антон Скибин.
Самая популярная идея для преобразования одной энергии в другую — это использование суперконденсаторов. «Это техническая новинка, накопитель, который может запасать энергию очень быстро и выдавать ее так же быстро и концентрированно, — рассказал Анатолий Долголаптев, генеральный директор компании ТЭЭМП, резидента «Сколково». — Мы специализируемся на разработке суперконденсаторов на кислотных электролитах, массовое производство которых возможно уже во второй половине 2014 года». В компании уверены, что их выход на рынок станет основой для создания и распространения экономически эффективных гибридных автомобилей.
Гибридам — «зеленый свет»
Еще одно направление, в котором успешно развивается компания ТЭЭМП, это создание электромеханических преобразователей, имеющих беспрецедентно высокие энергетические и эксплуатационные показатели. В большинстве случаев о таких преобразователях говорят как о мотор-колесах.
В ТЭЭМП разработано несколько типов мотор-колес для самых разных электромобилей, в том числе для такси и общественного транспорта. «Мотор-колеса имеют жидкостное охлаждение, весят от 50 до 100 килограммов и при требуемых оборотах (очень низких — до 600 оборотов в минуту) и сравнительно небольшом объеме (R20–22 дюйма) способны создать крутящий момент до 2500 Нм в 20-дюймовом и до 4500 Нм в 22-дюймовом колесе, — рассказывает Анатолий Долголаптев. — При торможении и спуске мотор-колеса работают как генераторы электроэнергии».
Если одновременно применить два энергосберегающих принципа — возврат энергии через рекуперацию (когда часть энергии при торможении автомобиля возвращается в электродвигатель и может использоваться при разгоне) в суперконденсаторы (это дает в городе примерно 15–20% экономии) и отказ от трансмиссии (это еще минус 10–15% энергии), то получается, что при прочих равных условиях для движения автомобилей, снабженных разработками ТЭЭМП, требуется на 25–35% меньше энергии.
Таким образом, гибридные автомобили впервые получают возможность конкурировать по своей цене с автомобилями, оснащенными ДВС. Имеется и ряд других преимуществ: например, за счет выноса двигателей в колеса и отсутствия трансмиссии значительно увеличиваются полезный объем автомобиля и его управляемость. «Переход на массовое использование транспорта с гибридными приводами или электродвигателями возможен только при поддержке государства, — уверен Антон Скибин. — Без государственного стимулирования и поддержки этой идеи российские инвесторы не готовы рисковать, и хорошо, что государство нам эту поддержку готово оказывать. Именно поэтому большинство резидентов «Сколково» работают именно в сфере гибридного транспорта. Это отражает мировой тренд, этого требует рынок».
Гибридными могут быть не только автомобили, но и электровозы. Сколковская компания «Центр инновационного развития СТМ» уже создала гибридный локомотив, который работает как на дизельном топливе, так и с использованием накопленной электроэнергии. «В России начитывается порядка 17 тысяч маневровых тепловозов, в основном дизельных, — рассказывает Антон Скибин. — Около 10 тысяч работают в РЖД, 7 тысяч — на станциях и в цехах промышленных предприятий».
По словам экспертов, большую часть рабочего времени эти машины стоят и «тарахтят» на холостом ходу, ожидая погрузки-выгрузки или сцепки вагонов, или еще чего-нибудь. Локомотив стоит, но топливо все равно расходуется. Так вот, разработка резидентов «Сколково» позволяет в 3 раза уменьшить мощность дизельного двигателя и дополнить локомотив аккумуляторами, которые запасают энергию и рекуперируют ее. «Опытный образец гибридного локомотива показал, что экономия топлива составляет более 30% — более 60 тонн в год! — отметил Антон Скибин. — И это только с одного локомотива, а их 17 тысяч!»
Сейчас компания завершает процесс сертификации опытного образца, чтобы его могли закупать РЖД. Подписано предварительное соглашение, в соответствии с которым первые продажи должны начаться уже в этом году.
Энергия метро
Следующее поколение — это чисто электрический транспорт, на борту которого вообще не используется бензин. «Это более отдаленная перспектива, идеи более сложные, достижения будут не сегодня и не завтра, а через 3–5 лет, — рассказывает Антон Скибин. — Основная проблема: сколько энергии мы можем увезти с собой? Эту проблему пока не решил никто, ни в России, ни в мире, хотя успешные попытки решения уже есть».
Сделать маленькую емкую, дешевую и безопасную батарею — процесс долгий, требующий больших ресурсов и высококлассных специалистов. Крупнейшие мировые корпорации трудятся над решением этой проблемы. Но есть и небольшие стартапы (как у нас, так и за рубежом), которые с успехом работают над решением этой задачи. «Российские стартапы и научные коллективы не уступают зарубежным, потому что у нас в стране сохранились серьезные компетенции в области химии, физики, фундаментальных наук, и это наши преимущества», — уверен Антон Скибин.
Конечная цель любого резидента инновационного центра «Сколково» — это создание серийного производства. Сам Фонд «Сколково» поддерживает стартапы на этапах разработки, производства и испытаний опытных образцов, поиска инвесторов, затем к делу подключаются инвестиционные фонды и стратегические инвесторы. Например, во всем, что касается новинок на транспорте, российские региональные инвестиционные фонды заинтересованы, и, чтобы развивать экономику региона, они готовы инвестировать в создание производства на своей территории. «И тогда мы передаем проект наших участников стратегическим инвесторам для налаживания производства, а разработчики могут браться за создание новых продуктов», — поясняет Антон Скибин.
Так случилось и с ЗАО «Элтон», компанией, которая разработала системы накопления энергии для электрического транспорта. «Это многотонные накопители, которые стоят стационарно и представляют собой что-то среднее между традиционными конденсаторами и аккумуляторными батареями, — рассказывает генеральный директор компании Михаил Родионов. — Электрический транспорт мы с вами видим каждый день: троллейбусы, поезда, метро... И вот, представьте, такой накопитель стоит в туннеле метрополитена и возвращает в полезную работу до 30% энергии торможения поезда!»
С 2013 года системы накопления энергии торможения на основе суперконденсаторов «Элтон» эксплуатируются на двух тяговых подстанциях московского метро, завершается оценка их эффективности. Разработаны технико-экономические обоснования применения накопителей для электрического и гибридного транспорта, и скоро продукт будет запущен в серийное производство.
Ну а компания «Элтон» не намерена останавливаться на достигнутом! «В данный момент наиболее перспективным направлением, позволяющим увеличить КПД транспортного средства, является электрификация привода, — считает Михаил Родионов. — И самым действенным решением этой задачи будет разработка такого суперконденсатора, который станет лучшим, наиболее эффективным накопителем энергии».