"Любой электромобиль, в котором нет теплового насоса, уже динозавр", - говорит один из экспертов.
Возможно, вы уже слышали: Во многих местах действительно очень холодно. На этой неделе глубокие заморозки охватили широкие полосы США; снег и ледяной дождь обрушились на север Европы. Все это не лучшим образом подходит для электромобилей, которые исторически не любят холода. На этой неделе несколько чикагских станций Tesla Supercharger попали в заголовки газет после того, как у некоторых электромобилей, пострадавших от низких температур, полностью разрядились батареи и их пришлось буксировать.
Электромобилям приходится нелегко в холодную погоду по двум причинам. Одна из них - химическая: Литий-ионные батареи, на которых работают электромобили (и телефоны), основаны на перемещении ионов лития от отрицательно заряженных проводников (катодов) к положительно заряженным (анодам). Холод заставляет ионы медленнее двигаться к аноду, а значит, зарядить холодный аккумулятор сложнее, чем теплый. Другая причина более практична: В холодную погоду пассажиры автомобиля чаще включают отопление, а обогреватели, используемые для прогрева автомобиля, потребляют энергию от электрической батареи. Это сокращает запас хода, иногда значительно. Тесты, проведенные AAA, Consumer Reports и компанией Recurrent, специализирующейся на данных об аккумуляторах EV, показали, что морозная температура сокращает запас хода автомобилей на 16-46 процентов. (Очень холодная погода также сокращает пробег бензиновых автомобилей - на 15-24 процента.)
Но за последние несколько лет в электромобилях появилась технология-герой климатических изменений, которая улучшила, но не решила проблему холодов: тепловые насосы. Тепловые насосы передают тепло извне автомобиля, чтобы помочь пассажирам согреться и тем самым избежать переизбытка энергии от аккумулятора. И да, тепловые насосы могут подавать теплый воздух в автомобиль, даже если на улице мороз, хотя и с переменным успехом. Как бы контринтуитивно это ни звучало, но из воздуха, температура которого составляет, скажем, 10 градусов по Фаренгейту, все еще можно извлечь достаточное количество тепла.
Сегодня тепловые насосы устанавливаются на многие, но не на все новые электромобили. Teslas оснащается собственным тепловым насосом с 2021 года. В I-Pace от Jaguar он встроен, как и в последние автомобили i-серии от BMW, Ioniq 5 от Hyundai, новейший e-Tron от Audi и новый электрифицированный флагман EV9 от Kia.
"Любой электромобиль, который выходит прямо сейчас и не оснащен тепловым насосом, уже динозавр", - говорит Джон Келли, профессор автомобильных технологий и преподаватель, специализирующийся на технологиях гибридных и электрических автомобилей в Университете штата Вебер.
Тепловые насосы сверхэффективны, поскольку они передают тепло от существующих источников, а не создают его. Так, в доме, если вы используете печь, вы сжигаете разогревающий планету газ, чтобы генерировать новое тепло, которое затем раздувается по всему строению. Тепловой насос вместо этого извлекает тепло из наружного воздуха и закачивает его внутрь.
По такому же принципу работают тепловые насосы в электромобилях. Автомобиль внутреннего сгорания сжигает бензин, чтобы привести машину в движение, но при этом выделяется большое количество отработанного тепла, которое затем закачивается в салон. Электромобили гораздо эффективнее: по данным федеральных властей США, более трех четвертей электроэнергии уходит на приведение колес в движение. Это означает, что для обогрева пассажиров требуется меньше отработанного тепла. С помощью теплового насоса электромобиль может извлекать тепло из наружного воздуха - опять же, даже если на улице лютый мороз - для обогрева салона и даже аккумулятора, что повышает эффективность автомобиля в холодную погоду.
Ранние поколения электромобилей, как правило, оснащались электрическим сопротивлением - по сути, электрическим чайником или настенным обогревателем, но для автомобилей. Тепловые насосы в целом с трудом извлекали тепло из особенно холодного воздуха. Но последние достижения в технологии тепловых насосов, от компрессоров с регулируемой скоростью вращения до более сложных систем хладагента, сделали новые модели тепловых насосов настолько эффективными, что они могут обогревать дом или электромобиль даже тогда, когда воздух на улице совсем холодный. Исследований тепловых насосов в электромобилях не так много, но некоторые исследования показывают, что тепловые насосы могут помочь электромобилям вернуть от 3 до 15 процентов запаса хода - до 50 миль - в холодную погоду.
Но даже с этими новыми достижениями морозная погода - не друг теплового насоса. "Эффективность будет падать при очень низких температурах", - говорит Ян Роузноу, изучающий вопросы электрификации в рамках Проекта содействия регулированию (Regulatory Assistance Project), общественной организации, занимающейся вопросами политики в энергетическом сообществе. Но по сравнению с электрическим отоплением по сопротивлению, говорит Розеноу, "тепловой насос значительно сокращает потребность в энергии для отопления, может быть, на две трети или около того, в зависимости от внешней температуры и эффективности теплового насоса".
В некоторых электромобилях тепловой насос работает в паре с нагревателем сопротивления, который может довести воздух в автомобиле до температуры, позволяющей тепловому насосу включиться. В дополнение к воздуху вокруг автомобиля тепловой насос Tesla использует 16 различных источников, включая двигатель вентилятора и бортовой компьютер автопилота, отбирая все возможные отходы тепла. "Это очень инновационно, - говорит Келли, преподаватель автомобильной техники. (Tesla просто очень любит тепловые насосы: "Переход на тепловые насосы в жилых домах, на предприятиях и в промышленности" - это третий шаг в ее генеральном плане из шести пунктов по отказу от ископаемого топлива, сразу после "перехода на электромобили".)
В самые сильные морозы водители электромобилей могут сделать несколько вещей, чтобы их батареи не подводили. Если у них есть доступ к зарядному устройству дома, на работе или в школе, они должны подключать свои автомобили к сети при любой возможности, что не только позволит им быстрее заряжаться, но и сохранит аккумулятор в лучшем состоянии. Они должны ознакомиться с функциями зарядки своих автомобилей. Многие из них оснащены режимами "предварительного кондиционирования", которые помогают подготовить аккумулятор к зарядке, чтобы автомобиль мог эффективнее потреблять электроэнергию, как только подключится к зарядному устройству. Кроме того, водители могут добиваться создания большего количества местных зарядных станций, чтобы даже если зимой их батареи станут менее эффективными, автомобили никогда не исчерпали возможности пополнить запасы энергии.