Почему гибридные автомобили на 80 лет исчезли?

Гибридные автомобили исчезли на 80 лет, потому что проблема была не технической, а экономической: в начале 1900-х годов Lohner-Porsche трансмиссия была функциональной и зрелой, но вес аккумуляторов, отсутствие электросетей и особенно дешёвый бензин сделали смешанный привод коммерчески мертворождённым на десятилетия. Идея возродилась лишь в 1997 году, когда нефтяные кризисы, нормы выбросов и созревание NiMH-аккумуляторов сошлись в одной точке.

Первым гибридом был не Toyota Prius: линия, ведущая к 1900 году

История гибридного привода, вопреки распространённому мнению, начинается не в начале XX века, а в конце XIX. Фердинанд Порше, в 1893 году, в 18 лет, поступил в венскую электротехническую компанию Béla Egger & Co., ещё не имея формального инженерного диплома; он был заочным студентом Венского технологического университета. Но именно в этой компании он разработал первый электрический мотор-колесо - и этот мотор стал краеугольным камнем всей истории.

В 1898 году, в 23 года, он создал свои первые автомобили на заводе Якоба Лонера: аккумуляторные электропрототипы с мотор-колёсами на двух передних колёсах. Каждый мотор выдавал 2,5–3,5 л.с. и на коротких отрезках мог подниматься до 7 л.с. Эта система, названная "System Lohner-Porsche", вызвала большой интерес прессы в Европе, и на Всемирной выставке в Париже 1900 года был представлен первый Lohner-Porsche Electromobile: с мощностью 2 x 2,5 PS он мог развивать скорость 37 км/ч .

Любопытно, что обоснование выбора Лонером электрического привода буквально совпадает с сегодняшним: воздух города "безжалостно загрязнялся многочисленными используемыми бензиновыми двигателями". Сто двадцать лет назад забота о выбросах была среди причин рождения гибрида.

Semper Vivus и Mixte: как родился принцип последовательного гибрида

Главной слабостью аккумуляторного электромобиля был запас хода, и чтобы решить эту проблему, Порше создал конструкцию, которую сегодня мы называем "последовательным гибридом". В 1900 году спроектированный им Semper Vivus (с латыни "вечно живой") был первым в мире функциональным гибридным автомобилем: вместо опоры на аккумулятор двигатель внутреннего сгорания вращал генератор, а вырабатываемое электричество шло напрямую к моторам в ступицах колёс. Бензиновый двигатель никогда не соединялся с колёсами механически; его единственной задачей было производство электроэнергии.

Готовая к серийному производству версия в 1901 году - Lohner-Porsche "Mixte" родился под этим именем. Porsche с Mixte выиграл ралли Exelberg 1902 года; в 1905 году аккумуляторный гоночный автомобиль 2 x 30 PS с скоростью свыше 130 км/ч достиг. Эта производительность не была пустой инженерной демонстрацией: Porsche в 1905 году получил премию Пёттинга как самый успешный автомобильный инженер Австрии. Техническая картина ясна - система работала.

Чтобы показать силу идеи последовательного гибрида, история впоследствии представила ещё два доказательства. Boeing и NASA изучили конструкцию Lohner-Porsche для Lunar Roving Vehicle программы Apollo; концепция последовательного гибрида же сегодня лежит в основе многих современных железнодорожных локомотивов. То есть принцип был не ошибочным - ошибочным было лишь время.

Автомобиль весом почти четыре тонны: цена тяжести

То, что затмевало технические достижения ранних гибридов, была очень осязаемая цена, которую можно выразить цифрами: вес. Построенный по заказу английского клиента E.W. Hart, работавший как на бензине, так и на электричестве La Toujours Contente является самым крайним примером этой цены. Цифры говорят сами за себя:

Аккумулятор весом 1,8 тонны, переносимый благодаря энергетической плотности свинцово-кислотной химии, с самого начала разрушал экономическое уравнение гибрида. Сам Lohner-Porsche, несмотря на скромную мощность, весил почти две тонны . Каждый лишний килограмм означал больше конструктивной прочности, больше шин, больше топлива - и всё это отражалось на ценнике.

Почему гибриды исчезли на 80 лет?

Гибриды, произведённые с технологией Mixte, выпускались до 1910-х годов. То есть идея не умерла и не была внезапно запрещена. Она производилась, продавалась, а затем тихо проиграла конкуренцию на рынке. У этого есть три измеримые причины, и ни одна из них не связана с технологией.

Дешёвый бензин нарушил уравнение

Открытие дешёвой сырой нефти в Техасе в первые десятилетия XX века резко снизило стоимость топлива. Бензиновые автомобили стали и дешевле, и практичнее для больших расстояний. Гибриды Mixte же были и дороже, и менее мощными, чем их бензиновые аналоги - результатом стал плохой сбыт большинства из них. Для компании, готовой инвестировать, расчёт не сходился; по выражению из исторической оценки Смитсоновского института, некоторые обанкротившиеся в начале XX века компании просто сделали ставку на "не ту лошадь" в типе топлива. Паровые, электрические и бензиновые варианты конкурировали, и бензин благодаря дешевизне выиграл эту гонку.

Электрическая инфраструктура так и не появилась

Будущее электрического привода, независимо от аккумулятора, зависело от электросетей. Однако в начале 1900-х годов не существовало такого понятия, как зарядная инфраструктура в домах и на улицах. Этот недостаток инфраструктуры в сочетании с малым запасом хода аккумуляторов на долгие годы закрыл путь электромобильности. Электрический автомобиль, который невозможно было зарядить, на практике был гаражным экспериментом.

Экономия серийного производства была на стороне бензина

Технологии, внедрение и серийное производство развиваются вместе; там снижается себестоимость. В те годы электромобили составляли около одной трети транспортных средств на дорогах - то есть рыночная доля была вовсе не малой. Но по мере того как импульс экономики серийного производства смещался к бензиновому двигателю, бензиновые автомобили стремительно дешевели и совершенствовались. Электрическая тяга осталась вне этого цикла развития и к 1935 году практически полностью исчезла с дорог. Даже такие повседневные преимущества, как отсутствие хлопот с ручной заводкой и выхлопного загрязнения, не смогли изменить этот экономический факт.

Итог таков: идея гибрида была технически зрелой, но коммерчески мертворождённой. Её погубила не инженерная ошибка, а тройной экономический барьер: дешёвая нефть, неразвитая инфраструктура и эффект масштаба.

Почти 80 лет тишины

Гибридный автомобиль, как это отражено и в собственной истории Toyota, стал частью автомобилестроения лишь примерно через 80 лет после этого. Тем временем случились интересные промежуточные попытки: в 1976 году небольшой спортивный автомобиль с газотурбинным генератором и электродвигателем показал, что идея гибрида была ещё раз «отрепетирована»; Audi также представила концепт Duo. Но это были изолированные попытки, не превратившиеся в продукт. Условия ещё не созрели: нефть была дешёвой, давление по выбросам - слабым, а аккумуляторы всё ещё ползали в свинцово-кислотной эпохе.

Перелом начался в середине 1980-х годов. После нефтяных кризисов гибридные разработки вспыхнули с новой силой, и на этот раз три переменных уравнения начали меняться одновременно: обеспокоенность энергетической безопасностью, экологическое регулирование и химия аккумуляторов.

Почему именно в 1997-м? Нефтяные кризисы, нормы по выбросам и NiMH

Вопрос должен звучать так: почему идея гибрида возродилась не в 1900 году, а именно в 1997-м ? Ответ кроется в пересечении трёх независимых событий в один момент времени.

Нефтяные кризисы породили стратегическую озабоченность

Гибридная стратегия Toyota формировалась в контексте ответа на Второй нефтяной кризис. Когда 80-летний комфорт дешёвой нефти дал трещину, топливная эффективность перестала быть маркетинговым бонусом и превратилась в вопрос корпоративного выживания. В декабре 1997 года выведенный на рынок в Японии Prius, как первый в мире серийный гибрид, одновременно повысил топливную эффективность и очистил выхлопные выбросы. Числовые результаты были ясны: комбинированная топливная экономичность 57,6 миль на галлон, выбросы CO2 - 104 г/км. Со стороны инженерии цикл Аткинсона в конструкции повысил термическую эффективность; низкую мощность бензинового двигателя компенсировал электромотор. С точки зрения IEEE автомобиль был зафиксирован как поворотный момент, способствующий снижению выбросов CO2 и смягчению истощения нефти.

NiMH-аккумуляторы созрели

Смертельной проблемой 1900 года был вес; к 1997 году эта проблема была в значительной степени решена. Honda Insight, первое поколение (1999–2006), в виде трёхдверного двухместного лифтбека - 144-вольтовый никель-металлгидридный (NiMH) аккумуляторный пакет и электронный блок управления питанием (Power Control Unit). Тогда же, когда вышел Prius, Insight также опирался на зрелость технологии NiMH. На смену свинцово-кислотному наследию весом в 1,8 тонны пришла химия, способная нести энергетические потребности автомобиля в разумном весе. Та же идея, что и в 1900-х, теперь имела источник энергии, который она могла переносить.

Нормы выбросов подтолкнули рынок

Ужесточающиеся нормы выбросов превратили топливную эффективность из опции в необходимость. Гибрид был единственным технологическим ответом на пересечении этих трёх сил - и, в отличие от 80 лет назад, на этот раз экономическая стена была разрушена.

Следующие шаги: эпоха литий-ионных и plug-in гибридов

Основы, заложенные первой волной гибридов, ускорились. На аккумуляторном фронте в 1998 году Nissan Altra EV стал первым серийным автомобилем с литий-ионной батареей. Приспособление литий-ионных технологий к использованию в автомобилях и растущее законодательство о выбросах надолго оживили интерес к электрическим силовым установкам. В 2010 году Chevy Volt был представлен как первый коммерчески продаваемый plug-in гибрид и воспользовался технологиями, разработанными министерством энергетики. В том же году Porsche начала свой переход к электромобильности с моделью Cayenne S Hybrid ; а Panamera S E-Hybrid 2015 года стала первым в мире plug-in гибридом в своём сегменте, предложив электрический запас хода 36 км .

Симметрия этой эволюции поразительна. Последовательно-гибридный принцип, реализованный Фердинандом Порше в 1900 году, сегодня с той же логикой работает в подключаемых гибридах и до сих пор на железнодорожных локомотивах. Идея нисколько не устарела; она лишь однажды оказалась экономически невыгодной, а затем один раз полностью подошла.

Не побеждает технология - побеждает уравнение

80-летнее молчание гибрида - один из самых чистых контрольных экспериментов в истории автомобилестроения. Одна и та же идея с сопоставимым инженерным качеством испытывалась в две разные эпохи: система, работавшая в 1900 году как ювелирное изделие, была стёрта с рынка дешёвым бензином, отсутствием электрической сети и давлением экономии на масштабе. В 1997 году та же идея благодаря стратегической тревоге, порождённой нефтяными кризисами, ужесточением норм выбросов и зрелостью NiMH-аккумулятора превратилась в коммерческий успех. Менялась не сама технология; менялось экономическое уравнение, окружавшее идею. Этот урок, который редко вспоминают в автомобильной инженерии, нельзя забывать: хорошее решение не только решает проблему - оно ещё и должно расплатиться за решение проблемы.

Источники

• Lohner–Porsche
• The history of Porsche begins electrically
• How the Prius Traces Its Lineage to a 1900 Car From ...
• Lohner Porsche Electric Car
• The First Porsche: An Electric Car from 1898? Meet ...
• Development of Prius and Hybrid Strategy - Toyota Global
• Milestones: Toyota Prius - ETHW
• History of the Toyota Prius - Toyota UK Magazine
• The Story Behind the Birth of the Prius, Part 2 - Toyota Global
• Honda Insight -- Introduction - Honda News
• Honda Insight
• The History of the Electric Car - energy.gov
• Making Sense of "Failed" Technology
• Fact check: Electric vehicles in early 1900s - USA Today
• EVs Were Outselling Gas Cars 100 Years Ago
• A Brief History Of Hybrid Cars
• What Is the History of Hybrid Cars?
• The Evolution of Battery Technology
• Ferdinand Porsche