Выгодные электромобили: всё о принципиально новых аккумуляторах

У планируемой повсеместно электрификации транспортных средств есть проблема с ресурсами. Одно только реализованное намерение компании Tesla ежегодно выпускать 500000 экземпляров своей Model 3 потребует производства для каждой из них аккумуляторов емкостью по меньшей мере 60 КВтч, что означает огромное увеличение потребности в таком сырье, как литий.

На самом деле, литий является одним из довольно часто встречающихся в земной коре элементов, но его добыча в промышленных масштабах получается экономически целесообразной только в солевых озерах, большая часть которых находится в Южной Америке. Совершенно ясно: разведанных запасов лития будет недостаточно для того, чтобы полностью электрифицировать всемирный парк легковых и грузовых автомобилей. Но на данный момент альтернатив созданным с применением лития аккумуляторам у автопроизводителей не имеется.

Проблема для потребителей: медленная зарядка батарей

Также с потребительской стороны имеются пока еще неразрешенные вопросы. Любимый сценарий, приводимый в качестве аргумента теми, кто скептически относится к электромобилям, является поездка в отпуск: например, если ваши каникулы начались в немецкой федеральной земле Северный Рейн-Вестфалия, то повсюду в вашем путешествии в южном направлении у вас будет поддержка со стороны закусочных с бензоколонками и просто заправочных станций. При этом сегодня автомобили могут пополнить запасы топлива всего за пять минут.

Supercharger от Tesla для восполнения 80 процентов энергетических запасов аккумулятора потребуется 45 минут, и даже в случае с самой мощной зарядной техникой (например, у Porsche заявлены: 800 В, до 350 КВт) электрокару потребуется заряжаться по меньшей мере 15 минут. Если бы во время отпускных поездок все автомобили самое позднее каждые 500 километров должны бы были заряжаться так долго, движение на автобанах могло бы просто замереть.

Обречены на провал?

Одновременно с этим в европейской энергосистеме растет доля электричества, полученного из возобновляемых источников энергии. Все чаще метеорологическая ситуация складывается так, что солнечная и ветряная энергия то не могут быть получены совсем, то вырабатываются в избыточном количестве. Автомобили могли бы стать своеобразным буфером для такой энергии, но для этого им понадобилось бы большее количество аккумуляторов большего размера. Итак, обречена ли на провал миссия сделать мир CO2-нейтральным к 2050 году? Является ли нынешний способ обеспечения электрокаров энергией из «ископаемых» источников безальтернативным? Три предприятия дают свой ответ: нет.

Решение от Audi: природный газ для двигателей внутреннего сгорания

В настоящее время имя Audi в первую очередь встречается в заголовках СМИ в связи со скандалом вокруг дизельных двигателей, так называемым дизельгейтом. Но дочернее предприятие, Volkswagen, в фоновом режиме работает, однако, над технологией, которая могла бы внести значимый вклад в дело сокращения выбросов CO2: ветряные генераторы и фотовольтаика являются источниками энергии, от которых питаются модели марки с шильдиком «g-tron».

Audi g-tron используют совершенно обычные двигатели внутреннего сгорания, но вместо бензина они работают на природном газе — метане. То, что это в принципе возможно, каким-то открытием не является: электрическая энергия сначала берется для процесса гидролиза, во время которого вода расщепляется на кислород и водород. Водород отделяется в специальный «танкер» автомобиля, работающего на топливных элементах. Система Audi наглядно демонстрирует, что этот вид «электрогазификации» возможно применять в промышленных масштабах.

Топливные элементы слишком дорогие в производстве

Хотя у Audi имеются способные двигаться на водороде прототипы с шильдиком «h-tron», у таких производителей, как Honda, Hyundai и Toyota уже есть даже целые тестовые автопарки с тысячами автомобилей, работающих на топливных элементах (ТЭ). Тем не менее, в ближайшее время ТЭ массовой темой стать не смогут: производственные расходы у данной технологии очень высокие, и предпосылок для прорыва в этом направлении не видно. Поэтому в установке Audi выполняется следующий шаг: с помощью двуокиси углерода водород превращается в метан.

Процесс превращения очень энергозатратен, но зато для автомобилей, работающих на метане, есть простая в эксплуатации инфраструктура: сеть станций для заправки природным газом. К сети заправок природным газом в Германии относятся также CNG-заправки (CNG — Compressed Natural Gas, то есть сжатый природный газ, не путать со сжиженным углеводородным газом LPG, то есть пропан-бутаном). На таких заправках владельцы моделей Audi g-tron могут заполнить баллоны своих автомобилей.

Газовые двигатели приводят к катастрофичному энергобалансу

Компания Audi гарантирует, что потребление газа g-tron-автопарком полностью покрывается выработкой установки предприятия, находящейся в Верльте (Эмсланд, Нижняя Саксония). Фактически эти Audi при езде остаются CO2-нейтральными. О реальных затратах на производство «электро-газа» Audi ничего не говорит, но скорее всего речь может идти о многократном превышении стоимости обычного природного газа.

Энергобаланс представленного компанией Audi процесса на первый взгляд кажется катастрофичным: при производстве водорода посредством гидролиза КПД составляет примерно 75%, и добрых 5% теряется на преобразовании в метан. Сгорание метана в моторе происходит с такой же эффективностью, как и в случае с обычным современным бензиновым двигателем: в среднем КПД составляет около 30%. Таким образом, от электрической энергии для приведения автомобиля в движение остается менее, чем 20%.

В итоге по сравнению с электроприводом, использующим литий-ионный аккумулятор (от 60 до 70 процентов), модели с шильдиком «g-tron» теряют очень много. Кроме того, газовому двигателю необходима еще и система отведения и очистки выхлопных газов. Тем не менее, при перепроизводстве энергии степень эффективности отходит на второй план, так как на самом деле эта энергия получается как бы бесплатной. Кроме того, модель газификации можно адаптировать для водородных установок с топливными элементами, и тогда степень эффективности должна повыситься как минимум в два раза.

IFBattery: технология проточной батареи для электрокаров

Совершенно другой подход к решению данной проблемы предлагает использовать американское предприятие, которое называется IFBattery: стартовав в качестве исследовательской группы в университете Пердью (Purdue University, Indiana), команда Джона Кушмана (John Cushman) поставила перед собой цель сделать технологию проточных батарей пригодной для использования в автомобилях.

Проточные батареи уже используется в промышленности в качестве энергетических буферов. В так называемом ядре проточной батареи находится мембрана, с каждой стороны которой находятся растворы электролита, ионный обмен между которыми приводит к выработке электрической энергии. Электрический процесс можно обратить вспять, то есть при подаче напряжения на электроды ионы начнут двигаться в обратном направлении через мембрану, а электролит станет заряжаться.

Аналогичная аккумуляторной технология с проточными ячейками

Принципиально электрохимический процесс обычного аккумулятора очень похож. Но проточные батареи интересны тем, что электроды и мембрана не «реагируют» на электролит. Емкость проточной батареи зависит не от компонент аккумулятора, а исключительно от пополнения электролита, который находится во внешних резервуарах. При промышленных масштабах это могут быть контейнеры размером даже с целое здание.

Однако, для использования в мобильном виде плотность энергии в электролите получается слишком низкой: один литр может сохранять лишь около 80 Втч, то есть для применения в стандартном e-Golf (35 Квтч) потребуется резервуар объемом целых 440 литров. При этом электролит, созданный на основе цинка и брома, является токсичным и разъедает мембраны из органических материалов, что ограничивает длительность срока эксплуатации. Несмотря на это продолжаются многолетние попытки адаптировать технологию для использования в автомобильной индустрии. Например, немецкий Институт химической промышленности Fraunhofer ICT еще в 2009 году представил транспортное средство в масштабах игрушечного автомобиля, которое двигалось с помощью проточной батареи.

Другие виды сырья вместо ядовитого электролита

Исследователи из университета Пердью, по их собственным утверждениям, совершили в данной области сразу несколько прорывов: вместо ядовитых веществ для изготовления электролита они смогли использовать «простые» виды сырья, а мембрану смогли сделать из пористого материала, который не поддается коррозии, возникающей в результате электрохимического процесса. Кроме того, им удалось существенно увеличить энергетическую плотность электролита, хотя точные данные, конечно же, не называются. Применительно к автомобилям они предлагают схему, в которой разряженный электролит на «заправочной» станции менялся бы на новый, заряженный.

При этом компания IFBattery обращает внимание на то, что для предлагаемого ей процесса достаточно просто можно использовать уже имеющуюся заправочную инфраструктуру: замена электролита может осуществляться на АЗС, а затем бензовозы могут доставлять его для перезарядки к ветряным генераторам или солнечным фотоэлектрическим установкам. Тем не менее, хотят инженеры оставить и возможность подзарядки от обычной розетки. В этом случае преимущества традиционного «углеводородного» привода (дальность пробега и быстрая заправка) будут сочетаться с плюсами электротяги (никаких выбросов, домашняя зарядка).

nanoFlowcell в автомобилях Quant: передвижение с дешевым, нетоксичным электролитом

Точный состав электролита — это большая тайна, причем не только у IFBattery, но и у швейцарского предприятия, которое называется nanoFlowcell. Компания предпринимателя Нунцио Ла Веккиа (Nunzio La Vecchia) уже несколько лет мелькает на автомобильных выставках и показывает под брендом «Quant» нечто невероятное: раньше, например, это было транспортное средство, способное передвигаться исключительно на энергии, получаемой от встроенных солнечных батарей.

Теперь, по заявлению производителя, в Quant-прототипы Quantino и Quant FE устанавливаются проточные батареи. В резервуарах этих автомобилей находится жидкость-электролит, называемая как bi-ION, которая должна быть не только абсолютно нетоксичной, но и может быть изготовлена в большом количестве без серьезных затрат из доступного сырья. Показатели энергетической плотности такого электролита должны приближаться к отметке около 600 Втч на литр. Это означает, что емкость самого большого аккумулятора автомобиля от компании Tesla (100 КВтч) может быть реализована в пригодном для практического использования баке объемом 170 литров. А еще nanoFlowcell обещает простую организацию инфраструктуры для заправки электролита на базе уже существующей сети АЗС.

Правдоподобно? Стремление делать тайну из всего, что касается технических подробностей об электрокарах

В отличие от проточных батарей других производителей, автомобили Quant жидкость электролита будут расходовать. Следовательно, из выхлопной системы будет выходить чистый водяной пар, а отработанные минеральные соединения должны собираться в фильтре, который нужно будет чистить, например, каждые 1000 километров пробега.

Правдоподобности заявлений nanoFlowcell отнюдь не способствует стремление компании сделать тайну из всего, что касается технических деталей проекта: прототипы с немецкими регистрационными номерами ездят исключительно по швейцарским трассам, ни один посторонний человек не может ни видеть топливо, ни даже просто понюхать его. Технические характеристики выглядят отчасти нереалистичными: вариант прототипа Quantino должен использовать буфер на 10 КВтч, изготовленный по технологии Supercap (такая емкость для современного Supercap будет весить больше тонны). Новейший прототип Quantino с 80 КВтч должен ускоряться с 0 до 100 км/ч быстрее, чем за пять секунд (невозможно для транспортного средства массой более 1200 кг).

Будущее электромобилей: прототипы уже в пути

Для «старшего» Quant FE производитель обозначил высочайшую максимальную скорость в 380 км/ч, но одновременно с этим напротив строки с производительностью проточного аккумулятора указал цифру 30 КВт. Серьезно ли настроена компания nanoFlowcell или нет: осенью 2016 года некоторые автожурналисты могли прокатиться на прототипах. При этом они подтверждали принципиальные постулаты: транспортное средство совершенно очевидно приводится в действие электромоторами, дальности пробега оказалось достаточно для того, чтобы выдержать тестовые поездки по швейцарским улицам на протяжении всей второй половины дня, а для прототипов автомобили имели еще и удивительно высокое качество исполнения.

Между тем, компания nanoFlowcell уже сообщила о проведении тестовой поездки с японскими инженерами, во время которой расстояние, преодоленное без дозаправки, составило более 1000 километров. Если все, что утверждает nanoFlowcell, соответствует истине, то ничего больше не может помешать тому, чтобы автомобильное будущее стало чистым, долгим и экономически выгодным.