Банк знаний
15 Февраля 2019, ПостНаука

Электротранспорт

Химик Юрий Добровольский о том, в чем электродвигатели проигрывают двигателям внутреннего сгорания, что такое топливные элементы и почему городской транспорт перейдет на водородное топливо.


В проекте «Движение будущего» при поддержке организаторов Технологических конкурсов Up Great рассказываем о главных тенденциях в разработке новых видов транспорта.

Представьте себе: конец XIX века, крупный город. Это век возникновения и взрыва автомобильной промышленности. Какие автомобили в это время были на улицах города? Если посмотреть статистику, треть автомобилей были электрическими, и приблизительно поровну было автомобилей на двигателях внутреннего сгорания и на паровых двигателях. Кроме того, электромобили становились все более и более популярными. Почему? Они бесшумны, в отличие от остальных видов двигателей, не создают выбросов. Обычный автомобиль того времени — это дым, копоть, грохот. Электрический автомобиль этим не обладал.

Итак, в начале ХХ века одним из основных видов транспорта был электромобиль. Что же случилось за сто лет, что в следующий раз мы к этой тематике вернулись только сейчас? На самом деле мы периодически возвращаемся к этой тематике, она была популярна в 1960–1970-е годы, а затем стала популярна совсем недавно, меньше десяти лет тому назад. Что же произошло и почему у электромобилей такая странная история?

Что было плохо в электромобилях? Они проезжали небольшое расстояние с не очень большой скоростью. Пока двигатели внутреннего сгорания были несовершенны, они тоже ехали мало и приблизительно с такой же скоростью. Более того, первый рекорд скорости в 100 километров в час был преодолен электромобилем. Однако достаточно быстро двигатели внутреннего сгорания получили свое развитие. Кроме того, подешевела нефть, и мы научились делать из нее достаточно хорошее и чистое топливо и избавляться от гари и копоти, которые возникают при работе автомобилей на ДВС. Электромобили работали в то время на свинцовых аккумуляторах с невысокой энергоемкостью, так и продолжали работать дальше, не улучшая своих характеристик. Недостатки электродвигателя, то есть маленькая скорость пробега и достаточно длительная зарядка, не были ликвидированы.

Чем электротранспорт отличается от всего остального? Электротранспорт — это движущееся средство, в котором движение осуществляется за счет электроэнергии, за счет электродвигателя. Двигатели внутреннего сгорания — это тепловые машины; электродвигатели — это электрохимические преобразователи. На начальной стадии электромобили проиграли конкуренцию — и экономическую, и техническую — двигателям внутреннего сгорания. Что же произошло дальше и почему мы все время возвращаемся к этой тематике?

В 1980-е годы многие города стали сильно задымлены, зашумлены, загрязнены. Даже сейчас основное количество выбросов и загрязнений в крупных городах — это не промышленность, а автомобили. Особенно ярко это проявлялось в 1980-е, практически все мегаполисы задыхались. В это время опять всколыхнулся интерес к электромобилям. Но, к сожалению, в то время с электромобилями ничего не вышло, потому что ни скорость зарядки, ни энергоемкость — то есть сколько он может пробегать — не изменились с конца XIX века. На двигатель внутреннего сгорания были наложены определенные ограничения. Мы перешли на стандарты Евро-1, Евро-2, сейчас Евро-5, Евро-6, регулируя выбросы от обычного автомобиля.

Следующий толчок, на мой взгляд, произошел в 2005–2008 годах благодаря трем разным событиям. Первое событие: в 1992 году фирмой Sony был изготовлен первый литиевый аккумулятор. Его энергоемкость оказалась в разы выше, чем у других применяемых аккумуляторов. Энергоемкость батареи оценивается в киловатт-часах, отнесенных к массе, то есть киловатт-час на килограмм или ватт-час на килограмм. В самом хорошем свинцовом аккумуляторе — а он развивается уже двести лет — энергоемкость 40–50 ватт-час на килограмм. Самый плохой литий-ионный аккумулятор — это 100 ватт-час на килограмм, то есть энергоемкость в 2,5 раза больше. А значит, при одной и той же массе вы можете проехать в 2,5 раза большее расстояние.

Новый этап развития электромобилей появился благодаря очень критикуемому, очень публичному человеку — замечательному менеджеру Илону Маску. Он выпустил свой электромобиль, который по характеристикам не отличался, а во многом превосходил современные автомобили на двигателе внутреннего сгорания. В 2008 году был продан первый автомобиль, и он вызвал революцию. Ничего революционного с точки зрения электрохимических источников энергии в нем не было, но благодаря очень хорошей динамике, хорошему дизайну и качественной рекламе, в чем Маск, безусловно, мастер, этот автомобиль вышел в массы. Маленькая компания, у которой в 2008 году не было капитализации, сейчас является одной из самых крупных.

Остальные автопроизводители двинулись этим же путем. Практически все серьезные фирмы говорят о том, что выпускают или в ближайшее время будут выпускать электромобили. Более того, большинство компаний понимает, что в скором времени придется отказаться от автомобилей на двигателе внутреннего сгорания. Почему это возникло сейчас? Человек стал жить более богато и стремиться к комфортной жизни. Что нам мешает жить в городе комфортно? Транспорт в большой степени: его много, он грязный, и городская среда обитания очень неуютна из-за шума и экологии за счет большого количества транспортных средств.

Отсюда возникло два разных направления в автомобилестроении, замечательно стыкующихся между собой. Первое — электрификация автомобилей, второе — их роботизация. Это два взаимодополняющих понятия. Что дает электродвижение? Замечательную экологию, замечательную динамику, очень комфортное вождение. Что дает роботизация? Она может дать меньшее количество автомобилей, необходимое для того же количества пассажиров. Сейчас уже существует каршеринг, когда одним автомобилем может пользоваться много людей. На каждого человека придется меньше автомобилей, и наша городская среда будет гораздо менее загрязнена. Электромобили удобны, потому что любая розетка дает возможность зарядить электромобиль. В Осло, например, городской транспорт почти наполовину электрический. Это осуществлено за счет того, что практически на каждом углу есть станция подзарядки. Вы подъехали, включились — едете дальше.

Что же ограничивает электромобили? Казалось бы, конструкции есть, замечательные автомобили есть, но они не выпускаются массово. Есть три ограничения, которые сейчас не дают возможности электромобилям выстрелить. Первое — это все тот же аккумулятор, в данном случае уже литий-ионный, который обладает определенными характеристиками, энергоемкостью, предел которой мы знаем. Этот предел находится в районе 250–400 ватт-час на килограмм. Что это значит? На одной заправке мы можем проехать не очень большое расстояние. Это неплохо для городских условий, расстояние в 100–200 километров — максимальное в поездке по городу. При хороших аккумуляторах этого вполне хватает любому электромобилю.

Но возникает второй вопрос: для того чтобы аккумулятор долго работал, его надо очень медленно заряжать. Чем быстрее вы заряжаете аккумулятор, тем быстрее он выходит из строя. Не очень поможет быстрая зарядка, придется заряжать очень долго или маленькими порциями. Для городского транспорта это вполне нормальный режим: вы подъехали куда-то, тут же подключились к розетке и зарядились. Но для более длительных путешествий это уже невозможно. Чтобы полностью зарядить аккумулятор, нужно 6–8 часов. В принципе, это можно делать ночью дома.

Третье ограничение — стоимость аккумулятора. Самая дорогая часть электромобиля — это блок аккумуляторов. Сейчас электромобиль стоит дороже, и если бы не госсубсидии, то значительно дороже, чем обычный автомобиль.

Как можно это преодолеть? Кроме аккумуляторов существуют другие электрохимические источники энергии. Одним из них является топливный элемент. Что такое топливный элемент? Это устройство, очень похожее на аккумулятор тем, что непосредственно вырабатывает электроэнергию, минуя тепловую стадию. Как и почти любой электрохимический источник энергии, топливный элемент не загрязняет окружающую среду.

В чем отличие от двигателя внутреннего сгорания и в чем близость к нему? Мы не химически, а электрохимически сжигаем топливо. Топливом является водород, поэтому это экологически чисто: сжигая водород, мы получаем воду. Сжигаем, не повышая температуры, потому что практически вся энергия водорода переходит в электроэнергию. Если КПД двигателя внутреннего сгорания составляет от 30 до 40%, то КПД самого плохого топливного элемента — 40–45%. Его можно довести до достаточно высокого значения. КПД 70–80% для топливных элементов — это не предельное значение. Для транспортных средств все равно используют где-то между 50 и 60%, потому что при таких КПД топливный элемент может выдать максимальную мощность.

Энергоемкость водорода, в отличие от литий-ионного аккумулятора, огромна. Если там мы говорили о величине в несколько сот ватт-часов на килограмм, в лучшем случае полкиловатта на килограмм, то тут у нас с полкиловатта на килограмм начинается отсчет. Когда устройство маленькое, мы имеем энергоемкость полкиловатта на килограмм, а когда огромное устройство, может дойти до нескольких единиц киловатт, то есть в разы больше, чем в обычном аккумуляторе.

В конце XX века две электрохимических технологии — технология аккумуляторная и технология топливных элементов — вступили в конкуренцию. Если бы меня в 1998 году спросили, какой из электрических видов транспорта будет наиболее востребован в 2020 году, я бы, наверное, сказал, что водородный. В то время литиевые аккумуляторы были недостаточно развиты, а топливные элементы уже применялись в опытных образцах. Прошло двадцать лет, и мы видим, что основная часть электротранспорта все-таки на аккумуляторах. Однако большая часть производителей уже смотрит в сторону топливных элементов. Это связано с ликвидацией тех самых недостатков обычного электромобиля, о которых мы говорили в начале. Водородом мы заправляемся точно так же, как обычным бензином, это занимает минуты. Если обычный автомобиль на аккумуляторах пробегает 100 километров, то аналогичный автомобиль на топливных элементах будет пробегать от 300 до 400 километров минимум.

Совсем недавно появились уже не опытные образцы, которые есть у всех, а промышленный продукт, являющийся водородным автомобилем, — это Toyota Mirai. Продажи начались в Японии и Америке, а теперь уже и в Европе. Должен сказать, что речь идет о легковом электротранспорте. А на самом деле водородным электротранспортом мы пользуемся давно. В Лондоне с конца прошлого века ездит очень много автобусов. Практически каждый крупный город имеет в транспортной сети водородные автобусы. Этого нет в России, но, например, близкая к нам Латвия уже закупила несколько водородных автобусов, которые ходят по Риге и хорошо функционируют в условиях, близких к нашим.

Чего стоит ожидать? В ближайшее время для городских условий мы абсолютно откажемся от транспорта, основанного на сжигании. Весь транспорт будет электрическим. Наверное, останутся двигатели внутреннего сгорания на длительных трассах, на перевозке больших количеств продуктов, поскольку пока это экономичнее. Кроме того, продолжится конкуренция между технологиями топливных элементов и технологиями аккумуляторов. Аккумуляторы будут удешевляться, будет увеличиваться энергоемкость. Водородные двигатели будут удешевляться и упрощаться в конструкции. Наверное, мы увидим скоро оба вида транспорта просто для разных применений. Скорее всего, городской автомобиль останется аккумуляторным, потому что мы не очень много двигаемся по городу. Это удобно, если можно зарядиться от ближайшего столба. Для водорода нужна своя инфраструктура, нужны такие же заправки, как заправки на углеводородном топливе. Общественный транспорт, который перевозит большие количества пассажиров на большие расстояния, скорее всего, станет водородным, потому что аккумуляторный оказывается в данном случае невыгодным по всем характеристикам.

Интересное решение всегда находится на границе двух технологий. Мы уже привыкли видеть гибриды электричества и двигателей внутреннего сгорания. Они хороши для городских условий, хотя и загрязняют среду, но уже гораздо меньше, чем обычные двигатели внутреннего сгорания, потому что вам не надо сжигать горючее, когда вы стоите в пробке. Но очень интересны оказываются гибриды на двух электрохимических источниках одновременно, например топливный элемент и литий-ионный аккумулятор. Большую длительность пробега дает топливный элемент, а хорошую компактность и мощность — аккумуляторы. Сочетание этих двух технологий внутри одного автомобиля, наверное, будет самым большим прогрессом. Например, «Рено» пытается сделать такие автомобили, где аккумулятор во время стояния в пробках подзаряжается от топливного элемента маленькой мощности. Это называется «удлинитель пробега»: пробег на одном аккумуляторе увеличивается в разы.

Второй вариант: когда вы редко стоите и очень много ездите, основное количество энергии вырабатывает топливный элемент, но когда надо резко ускориться или затормозить, то вы используете дополнительно литий-ионную батарею.

Вероятно, следующее десятилетие станет десятилетием водородной энергетики не только для водородных топливных элементов и не только потому, что развивается автотранспорт. Возникло много других применений и новых рынков. В первую очередь это рынки робототехники, которая требует больших количеств энергии, находящейся в малом объеме. Здесь водород оказывается незаменим. Очень интересен опыт применения топливных элементов в беспилотных летательных системах. Если обычный квадрокоптер или мультикоптер на аккумуляторах летает 30–40 минут, то на водороде он летает 4 часа. Что такое коптер, который летает полчаса, с точки зрения потребительских свойств? Это вы можете только вокруг себя съемку провести либо отлететь на очень небольшое расстояние. Что такое 4 часа? Вы можете доставлять посылки, снимать на расстоянии сотни километров от себя, не дозаправляясь.

Еще больше это видно на самолетах. Если электрический самолет летает час, то беспилотный летательный аппарат на водороде будет летать уже 6 часов. Вы можете пролететь до пятисот километров на водороде и меньше полусотни километров на аккумуляторе. Эта разница может придать новые потребительские свойства тем изделиям, с которыми мы сейчас сталкиваемся.


Юрий Добровольский
доктор химических наук, профессор, руководитель Центра Компетенций НТИ при Институте проблем химической физики РАН «Технологии новых и мобильных источников энергии»



Источник: ПостНаука
Хочу быть в курсе
Спасибо!