Еще не поздно пить боржом
РЕКВИЕМ ПО ДВС. Моторы внутреннего сгорания... Больше сотни лет они «везут» нашу цивилизацию. И привезли ее к загрязнению атмосферы и всеобщему потеплению. Похоже, что их нынешняя песнь – лебединая. Молодежь, спешите оседлать мотоциклы! И тогда в старости будете внукам рассказывать, какой это был кайф: нажимаешь на кнопочку стартера – и с утробным рыком оживает металлический динозавр...
Все эксперты сходятся в том, что на нынешнем этапе развития техники единственная альтернатива ДВС – электромотор. Неугомонные пессимисты тут же вылезают с возражениями. Во-первых, совокупной мощности современных электростанций просто не хватит для того, чтобы подзарядить все автомобили и мотоциклы, если они вдруг одномоментно перейдут на электротягу. Во-вторых, и производство энергии на электростанциях вовсе не экологично – тепловые электростанции выбрасывают газы и подогревают атмосферу не хуже авто-мототранспорта, водохранилища ГЭС затопляют землю, про атомные вовсе умолчим... А те электростанции, что можно отнести к относительно безопасным (ветровые, геотермальные и на солнечных батареях), пока еще вырабатывают ничтожный процент электроэнергии в общем объеме ее производства.
Оптимисты свое: зато электростанции делают свое черное дело вдали от больших городов, а ведь сегодня главное – снять с мегаполисов экологическую нагрузку. А там, глядишь, потомки что-нибудь да придумают – что им еще остается?..
Но ведь прогресс электротранспорта тормозит другое : так и не решена задача, как запасти достаточно энергии на борту. С помощью аккумуляторов? До сих пор они – ахиллесова пята электромобилей и иже с ними. Поиски «чистого лучистого» не прекращаются ни на миг. В последнее время возникли основания утверждать, хотя и с некоторой долей осторожности, что в деле перехода транспорта на электроэнергию наметился прогресс. По крайней мере, на скорый прорыв позволяют надеяться новейшие разработки. О них и поговорим.
«ХЭВИ-МЕТАЛЛ» – В ОТСТАВКУ. Свинцово-кислотные аккумуляторы сопровождают практически все развитие электротехники, хотя все знают о присущих им врожденных недостатках. Свинец – металл дорогой, не меньше удручает то, что он очень тяжелый. Если масса батареи в общей массе мотоцикла с ДВС не критична, то для питания тягового электромотора приходится сооружать такой «дивизион», что он тянет чуть ли не на половину «живого веса» всего аппарата. Дальше, из-за того, что электролит жидкий (и очень агрессивный), батарею приходится размещать в строго определенном положении. Глубокого разряда она не любит – структура пластин нарушается, и они осыпаются. Еще одна неприятность – для полной зарядки «пустой» АКБ требуется очень много времени, а развращенным безотказностью ДВС мотоциклистам ждать невмоготу.
Когда в последние десятилетия появилось множество электронных мобильных устройств – телефоны, ноутбуки и т.д., – их разработчики решились заменить свинец литием. Этот элемент не только самый легкий из металлов – у него еще и наибольший электрохимический потенциал, обеспечивающий самую высокую емкость запасаемой энергии. Но у лития есть слабина – очень низкая температура плавления, и при цикличной работе (заряд-разряд) тепловое состояние аккумулятора иногда выходит из-под контроля. Помните страшилки о взрывающихся телефонах? Это не сказки: при достижении точки плавления происходит воспламенение бурно выделяющихся газов.
Такова матушка-природа – на каждую бочку меда у нее припасена ложка дегтя. Однако «человек мыслящий» не сдается: в конце прошлого века были созданы аккумуляторы на основе ионов лития – так называемые литий-ионные. Чтобы в них не происходила металлизация лития, их приходится оснащать встроенными устройствами, ограничивающими максимальное напряжение при заряде и контролирующими температуру, а также отключающими их при сильном разряде (который для такой батареи губителен).
Итак, подытожим достоинства литий-ионного аккумулятора по сравнению со свинцово-кислотным:
1. малые масса и размеры;
2. быстрая зарядка;
3. низкий саморазряд.
Теперь о недостатках:
1. высокая стоимость – как в силу дороговизны материалов, так и из-за необходимости применять встроенную схему защиты;
2. ограниченный температурный диапазон работы: высокая температура разрушает аккумулятор, при температуре ниже нуля он не воспринимает зарядку, а ниже –20°С вообще перестает работать;
3. аккумулятор подвержен старению, причем вне зависимости от того, работает он или лежит на полке. За три года он практически полностью выходит из строя.
Еще один интересный вариант – литий-полимерный аккумулятор. В нем вместо пористого сепаратора, пропитанного электролитом, использован твердый полимерный электролит – мембрана, не проводящая электрический ток, но допускающая обмен ионами (электрически заряженными атомами). Такой аккумулятор совершенно безопасен, компактен (толщина мембраны – около 1 мм) и ему можно придать абсолютно любую форму. Да вот беда: из-за высокого внутреннего сопротивления работать он может лишь при температуре выше 60 градусов. Приходится его или подогревать, илиѕ пропитывать мембрану гелеобразным электролитом. Такие аккумуляторы тоже называют литий-полимерными, хотя правильнее было бы называть их литий-ион-полимерными – ведь фактически они гибриды обоих типов литиевых батарей.
«ЭЛЕКТРИЧКИ» ДЛЯ ДОРОГ И БЕЗДОРОЖЬЯ. Но все же, несмотря на несовершенство (а в особенности – дороговизну) литий-ионных аккумуляторов, именно они дали толчок к дальнейшему развитию «электроциклизма». Больно уж привлекательным оказалось сочетание малой массы и высокой энергоемкости. Некоторые компании даже предлагают компромиссный вариант: основная свинцово-кислотная батарея работает в паре с дополнительной (небольшой, а потому и не столь дорогой) литий-ионной. Зачем нужен «партнер»? Положим, вы приезжаете на электроскутере на работу, берете с собой легкий вспомогательный аккумулятор и заряжаете его в офисе (пока начальство не видит). А по возвращении домой подсоединяете скутер к розетке.
Да что там скутеры или электровелосипеды – достоинства литий-ионных аккумуляторов всерьез заинтересовали даже создателей спортивной техники. Ведь экологические требования (в первую очередь – по шуму) все сильнее давят и на устроителей соревнований. Даже появился спрос на электрические «внедорожники». Малая мощность двигателя компенсируется высоким крутящим моментом (в отличие от ДВС, у электромотора крутящий момент максимален на малых оборотах) и небольшой массой самого аппарата. Одной зарядки хватает для того, чтобы в течение часа-полутора поноситься по кроссовой трассе. Еще совсем недавно такими машинами занимались лишь крохотные инновационные фирмочки. Но прошедшей осенью о разработке и скором начале серийного производства «кроссачей» на электротяге заявил один из крупнейших производителей спортивной мототехники – австрийская компания КТМ.
На что способна электротяга, показывает недавний рекорд американской команды KillaCycle. Построенный в союзе с производителем литиевых батарей A123 Systems аппарат преодолел четверть мили (402 м) с места за 7,89 сек., разогнавшись до 270,4 км/ч. Время разгона с места до 100 км/ч всего одна секунда!
ЭЛЕКТРОСТАНЦИЯ НА БОРТУ. Есть еще один способ преодолеть ограничения, вызванные несовершенством аккумуляторов: вырабатывать электроэнергию прямо на самой машине. Например, ДВС соединить с мощным генератором – это так называемая гибридная схема. Вы спросите, в чем здесь смысл, ведь загрязняющий атмосферу и потребляющий бензин ДВС остается? Но, во-первых, если он будет работать в паре с электромотором, значит, можно взять менее мощный (но экономичный) бензиновый двигатель. Во-вторых, максимум выбросов из ДВС наступает на переходных режимах (разгон – сброс газа), а как электростанция он работает в оптимальном стационарном режиме... Какое достоинство использовать – зависит от конструктора: он может спроектировать машину, в которой параллельно работали бы двигатели обоих типов (например, ДВС крутил бы одно колесо, электромотор – другое), или же оставить за бензиновым мотором исключительно роль электростанции – такой вариант еще называют «электротрансмиссией».
Гибридный вариант в наши дни уже отработан и вполне доступен – производство автомобилей такого типа в последние годы растет лавинообразно, и нет сомнений в том, что и 2-колесный транспорт ступит на ту же стезю. Но существуют и более экзотические способы вырабатывать электричество. Например, используя топливный элемент. С виду это просто коробочка, чудо-сундучок. Представьте: в нее подается водород и кислород, а на выходе получаете... воду и электрический ток. Весь фокус – во внутренней мембране: она разделяет два электрода и пропускает протоны, но не электроны. Водород на одном из электродов (аноде) под действием катализатора теряет электроны, которые идут во внешнюю цепь (собственно, это и есть ток); оставшиеся протоны проходят через мембрану и под воздействием катализатора соединяются с кислородом, образуя воду.
Вроде бы все проще простого, но разработки топливных элементов продолжаются уже больше полувека, а применяются они в основном в космической технике. Дорого! Потому как катализатор – это платина или ее соединения. Процесс получения кислорода и в особенности водорода также требует энергетических затрат. К тому же газы не так-то легко хранить. Но работа идет! В новейших системах уже используются не чистые газы, а их соединения (метанол и воздух).
И вот обнадеживающие вести: Yamaha уже передала для опытной эксплуатации мини-байки, оборудованные топливными элементами, а Suzuki обещает наладить производство такой мототехники в ближайшие годы.
А как вам такой способ получения электроэнергии – фотоэлементы? Конечно, и с ними не все просто: их надо где-то удачно разместить (площадь элементов должна быть немалой). Эффективность «всасывания» солнечной энергии резко падает в пасмурную погоду (ночью она, понятно, вовсе нулевая). А уж падать с хрупкими пластинами фотоэлементов и вовсе не рекомендуетсяѕ Зато один раз потратился – всю жизнь пользуешься дармовой энергией.
Человечество славно умением выкручиваться из тяжелых ситуаций, которые само же себе и создает. Выкрутится и на сей раз!
Но советую: не спешите выбрасывать «джиксер» или «файер» даже тогда, когда весь мир поголовно перейдет на электротягу. И закопайте канистру с бензином: через полвека на ретро-ралли произведете фурор.
3888