Источники энергии: почем электроход для народа?
Знаете ли вы, сколько энергии необходимо современному автомобилю класса В, чтобы пробежать 100 км? Оказывается, не так уж и много – около 18 кВт.ч. Если взять эту энергию из розетки, то заправка обойдется (по московским тарифам 2011 года) в 68 рублей днем или в 17 – ночью. Ну а бензина на сотню понадобится около 7 л, то есть рублей на двести. Получается огромный выигрыш – в три раза, а то и во все двенадцать! В Европе – еще больше. Игра явно стоит свеч, но…
НЕ МУДРСТВУЯ ЛУКАВО
Решение задачи в лоб – набрать обычных свинцовых аккумуляторов, да побольше. Вот, скажем, стандартная батарея на 60 А.ч – сколько в ней той самой энергии? При очень грубом подсчете можно просто умножить эту емкость на 12 В, получим 0,72 кВт.ч. На 100 км пробега, стало быть, требуется поставить в авто 25 таких аккумуляторов, по 4000 рублей и 16 кг каждый. Умножаем, получаем 100 000 рэ и 400 кг лишнего веса. Из-за этих четырех центнеров наша машина, кстати, задуманные 100 км все равно не пробежит.
Еще одна засада: работающие в циклическом режиме с глубоким разрядом, свинцовые аккумуляторы не слишком долговечны. Если умудритесь наездить 50 000 км, все батареи придется менять (а не самые лучшие и дорогие, может статься, и через 5000 км!). И чем ближе «час Х», тем короче будет становиться пробег после каждой зарядки.
РАСКУРОЧИМ ТЕЛЕФОН, РАЗБЕРЕМ ГАЙКОВЕРТ
Там-то батарейки куда более продвинутые! Да еще и легкие – сравните плотность свинца и лития. В каждом литиево-ионном килограмме можно накопить аж 0,13 кВт.ч энергии, тогда как в свинцовом – лишь 0,03 кВт.ч. Снова беремся за калькулятор. Итак, на 100 км пробега нам хватит батареи массой всего 138 кг и ценой…
А тут все просто: сегодня киловатт-час из литиево-ионной батареи стоит не менее 700 евро, а скорее всю тысячу. Получаем 12 600 евро за сотню верст. В рубли лучше не переводить, при любом курсе получится сумма запредельная. Правда, долговечность вполне пристойная: лет на пять-десять хватит.
Худо, что морозов и перегрева такая батарея очень боится. В первом случае просто не повезет, во втором – взорвется!
Придется добавить систему термостатирования, которая тоже недешева да еще и тратит энергию почем зря. В электроинструменте часто используют никель-металлогидридные аккумуляторы. По удельной энергоемкости они стоят между свинцовыми и литиево-ионными, накапливая в килограмме массы около 0,08 кВт.ч. С долговечностью тоже неплохо: должно хватить на 100 000–250 000 км пробега. С ценой хуже: каждый киловатт-час обойдется примерно в 400 евро. На морозе они тоже не работают, нужно подогревать.
ПРОСТИТЕ, А ДРУГИЕ БАТАРЕИ ЕСТЬ?
Да, перечисленными типами ассортимент аккумуляторных электрохимических систем не исчерпывается. Например, апологеты так называемых воздушно-цинковых батарей обещают вскоре достичь удельной плотности энергии втрое большей, чем у литиево-ионных. Вот только пока после сотни циклов заряда-разряда их приходится выбрасывать.
Натрий-никель-хлоридные аккумуляторы ZEBRA, натрий-серные NGK Insulators требуют для работы высокой температуры – от 100 до 300 °C. Не очень здорово для автомобиля. Других реальных кандидатов на вакантное место бензобака пока не видно.
А НУ ЕЕ, ЭТУ ХИМИЮ!
Природа температурных проблем в аккумуляторах объясняется тем, что процессы накопления и отдачи энергии в них всегда сопряжены с химическими реакциями, которые сильно зависят от температуры. Но сегодня есть и другие, чисто физические накопители – суперконденсаторы. Если выбрать высоковольтные (на 400 В) образцы, для пробега в 100 км потребуется емкость около 1000 Ф. Сколько это в килограммах? Удельная плотность энергии в суперконденсаторах – около 0,005–0,01 кВт.ч/кг, то есть на 100 км потребуется ящик весом около пары тонн. Куда бы его запихнуть?
Связь отдаваемой удельной мощности и удельной энергоемкости аккумуляторных батарей разных типов:
ЧТО ЕЩЕ МЕШАЕТ ПЛОХОМУ ТАНЦОРУ?
Есть у всех аккумуляторных батарей и некоторые особенности, дополнительно осложняющие их применение в электромобиле. Например, зависимость удельной отдаваемой мощности от удельной плотности энергии. Это наглядно видно на графике выше, а на пальцах объясним так: чем более энергоемкую батарею удастся сделать, тем меньшую мощность она сможет отдать. Это прямая иллюстрация пословицы «Тише едешь – дальше будешь».
Именно из-за указанной зависимости электромобили чаще получаются электромобильчиками: последним не нужны сотни киловатт для достаточно резвой, динамичной езды. Самое забавное, что слабее всего эта вредная связь проявляется в древних свинцовых батареях, а наиболее сильно – в новомодных литиево-ионных…
Еще одна загвоздка в том, что чем быстрее мы пытаемся зарядить батарею, тем раньше она «кончится». И хотя сейчас уже существуют относительно быстродействующие зарядные станции (им требуется минут тридцать), лучше все же потерпеть часов восемь. Но это возможно далеко не всегда да и вряд ли прибавит энтузиазма сторонникам электромобилизации.
Можно, конечно, сделать батареи легкосъемными и менять их на каждой «ЭЗС». Такой принцип, кстати, известен очень давно: вспомните езду на перекладных. Но она подойдет не каждому: одно дело состоявший на королевской службе д’Артаньян и совсем другое – барон Данглар, купивший за баснословные деньги лучших в Париже лошадей, чтобы ездить именно на них!
Наконец, проблема климатконтроля в электромобиле. К сожалению, и кондиционер, и печка потребляют довольно много. А оказавшись в пробке, легко достояться до пустой батареи, не проехав и полпути до офиса с розеткой. Выход пока находят в автономных отопителях, работающих на этаноле, но это опошляет изначальную идею: опять нужен бак. А коли он все равно есть, может, ну его, электричество!
А ЕСЛИ БАБАХНЕТ?
Литиево-ионные батареи еще как взрываются, причем регулярно. Пока дело ограничивается небольшими батарейками в мобильниках да ноутбуках, и тем не менее в мире зафиксировано с десяток случаев гибели человека от взорвавшегося телефона. Достаточно положить его в левый нагрудный карман – и вы ни от чего не застрахованы.
Например, в 2007 году в Китае погиб 22-летний сварщик. Осколки его телефона (как говорят, с поддельной батарейкой) разорвали грудную клетку, сломали ребро и впились в сердце. Житель Калифорнии получил ожоги второй и третьей степени после того, как мобильный телефон рванул в кармане его штанов. Зафиксирован и пожар в московской квартире от возгорания телефонного аккумулятора.
Если уж в крохотной телефонной батарейке скрыта такая разрушительная сила, можно представить масштаб взрыва тяговой автомобильной батареи. Именно поэтому все они снабжены сложной системой контроля температуры, моментально прекращающей заряд (или разряд) при опасности перегрева.
УЧИСЬ, СТУДЕНТ!
Возить свинцовые аккумуляторы, как мы убедились, не слишком хорошая идея, но для обучения студентов университета в Рио-де-Жанейро сойдет, решил профессор Луис Перес и выдал техзадание на превращение старенького заднемоторного «Фольксвагена-Транспортер Т1» в электромобиль.
Взяв промышленный трехфазный мотор на 220 В, развивающий 22 кВт и 81 Н·м крутящего момента, студенты быстренько прикинули, что им нужно соединить последовательно 20 тяговых 12-вольтовых батарей емкостью по 47 А·ч, добавить инвертор, блок управления и…
И получилось нечто бесшумно едущее, с торчащим сзади двигателем в ящике и салоном, заставленным аккумуляторами.
До сотни километров пробега, правда, не дотянули, но полсотни учебный электромобиль пробегает. И даже кое-что перевозит с факультета на факультет. Зато на борту зелененького фургона с полным на то правом красуется гордая надпись: Emissão Zero. Машина получила статус прототипа городского автобуса и даже поучаствовала в прошлом году в форуме «Мишлен Челлендж Бибендум», завоевав почетную грамоту.
В заключение приведем слова президента альянса «Рено-Ниссан» Карлоса Гона: «Я не думаю, что Россия будет в первых рядах в том, что касается электромобилей и гибридов. Во-первых, Россия добывает много нефти, во-вторых, Россия – очень большая страна, в‑третьих, в России пока никто не стимулирует развитие рынка гибридов и электромобилей».
19303