Без батареек. Какими будут аккумуляторы для автомобилей?

Электромобиль появился еще в XIX веке, но бензин вытеснил электричество на сто лет

Электромобиль, который впервые разогнался до скорости ⁠свыше 100 км/час, 1899 год. 
Фото: Bettmann / Getty Images

Китай, Индия, Великобритания, Франция и некоторые другие страны планируют запретить продажи автомобилей на традиционном топливе к 2030–2040 годам. О планах по переводу самолетов и морских судов на электрическую тягу также объявляют регулярно. Кажется, дни нефти и газа как энергоносителя сочтены, и уйдут они именно под давлением электрических технологий.

Бесспорно, машины с электродвигателями не просто динамичнее и экологичнее машин с двигателями внутреннего сгорания, но и конструктивно проще. Они производят меньше шума и не выбрасывают в атмосферу ядовитые вещества. В городах, где ездили бы только на электромобилях, действительно стало бы легче дышать.

Однако неприятные вопросы появляются, когда мы начинаем говорить об источниках энергии для электромоторов. На данный момент есть три варианта. При первом она вырабатывается (все-таки) специальным двигателем внутреннего сгорания, то есть мы имеем гибридную схему, при втором – топливными элементами из водорода или природного газа (метана), при третьем – она поступает из аккумуляторных батарей.

Гибридные автомобили уже давно перестали быть экзотикой, правда, с конструкторской точки зрения это самый сложный вариант. Автомобили на топливных элементах предполагают внедрение совершенно новой технологии, что потребует времени. А вот для электромобилей с химическими аккумуляторами ничего изобретать не нужно, по сути, годятся те же батарейки, что и для ноутбуков, только больше. Правда, вероятно, этот путь, которым сейчас идет та же Tesla, рационален только на первых порах развития мирового электротранспорта.

Как упаковать ⁠энергию?

На ⁠заре автомобилизма конструкторы в первую очередь обратили внимание на электрическую ⁠тягу. Весной 1899 года именно ⁠электромобиль впервые разогнался до скорости свыше 100 км/час. Тогда ⁠же была реализована идея станций ⁠зарядки и даже сменного блока аккумуляторов. И в течении всего ⁠первого десятилетия ХХ века электромобиль считался самым удобным и выгодным транспортным средством для городской езды. Все было бы хорошо – если бы не проблема плотности энергии в батареях.

Плотность энергии – это ее количество, приходящееся на единицу массы или объема носителя. В зависимости от разновидности у углеводородного топлива она колеблется от 2500 до 5500 ватт-часов на килограмм. У литий-ионных аккумуляторов она доходит до 200 ватт-часов на килограмм – это в 12,5 раз меньше, чем у бензина и дизельного топлива. У свинцово-кислотных батарей плотность энергии и вовсе меньше в 50 раз.

Свойства аккумулятора зависят от его содержимого – от материала электродов и состава электролита (вещества, в которое эти электроды погружены). Так, привычные свинцово-кислотные батареи относительно дешевы и просты в изготовлении, а главное – способны отдавать сильные токи, что важно при запуске двигателя внутреннего сгорания. А вот литий-ионные аккумуляторы относительно «неторопливы», но зато не требуют обслуживания.

Любые аккумуляторы стареют, причем литий-ионные даже в том случае, если не используются. Многие процессы, происходящие в аккумуляторах, особенно аккумуляторах новых типов еще до конца не изучены, и предварительные, оптимистичные результаты слишком часто оказываются призрачным миражом. При этом стоимость батарей по-прежнему остается чересчур высокой.

Какие риски у электротранспорта?

Вопрос не только в объеме электроэнергии, но и в ее получении. Где и как вы будете заряжать свой автомобиль?

Часто энтузиасты электротранспорта говорят о Норвегии как о стране, где прекрасно развивается личный электротранспорт. Однако Норвегия – исключение, которое подтверждает правило. Cтрана перенасыщена гидроэлектроэнергией, и закачка ее излишков в батареи электромобилей даже полезна для энергобаланса страны. Там можно заряжать свои машины и на работе, и дома, и на общественных зарядных станциях. А что будет, если жители московской многоэтажки вечером поставят на зарядку свои машины? Готова ли энергосистема микрорайонов к таким нагрузкам?

И что делать, если вам надо зарядить автомобиль по дороге? Заправка машины жидким топливом занимает от силы пять минут. Одна колонка способна обслужить 12 машин в час. Сколько машин способна обслужить одна электрическая заправочная колонка за то же время? Две-три в лучшем случае. Придется или увеличивать количество электроколонок, или возвращаться к идее сменных батарей. Это прекрасная идея в сухом климате Калифорнии или Эмиратов. Но можно себе представить обледенелую машину, которая подъезжает к такой колонке московской зимой. Разумеется, ее можно осушить и безопасно заменить батареи, но сколько это займет времени?

Энтузиасты на это возражают, что можно придумать разумные схемы зарядки, чтобы не стоять в очередях. Особенно их привлекает дешевизна электрозаправки машин и очевидные преференции владельцам электротранспорта, вроде права езды по выделенным полосам, бесплатной парковки и прочих приятных мелочей.

По этому случаю скептики предлагают взглянуть на структуру топливных цен. В странах Европейского союза налоги на топливо превышают 60%. Невозможно представить, что государства откажутся от такого источника пополнения казны. Рост числа электромобилей наверняка будет сопровождаться ростом цен на электричество и появлением энергетических акцизов. Исчезнут и налоговые льготы на приобретение электротранспорта, и его преференции для парковок, что совсем немаловажно.

Еще один аргумент сторонников аккумуляторных автомашин – это их экологическая чистота. Однако даже электромобиль, который заряжается от ветряка или солнечной батареи создает угрозу экологии. Она и в самой машине, и в ее батарее. Согласно исследованиям китайских ученых, уже сейчас каждый год выбрасывается более 100 тысяч тонн литий-ионных батарей. Это несет большую угрозу: они могут быть источниками токсических веществ, таких как литийсодержащие оксиды, мышьяк, сера, соли кобальта и меди. И, что очень важно, – по мнению китайских специалистов, без организации вторичной переработки лития к 2028 году китайские месторождения вещества иссякнут. Это означает только одно – стоимость батарей никак не будет уменьшаться «до бесконечности», так как в их цену будут включаться и расходы по их сложной и опасной для окружающей среды переработке.

Какие есть выходы?

Возможно, в будущем и вовсе откажутся от химических батарей. Аккумулировать энергию можно с помощью водорода. Водород в чистом виде почти отсутствует на Земле, но его можно получить самыми разными способами. Половину всего промышленного водорода сейчас получают из метана. Но если у вас есть электроэнергия, тем более даровая, от солнечных батарей, вы можете его получить, разложив воду на водород и кислород. Современная промышленность купит ваш кислород, он очень нужен для целого ряда производств, а водород можно закачать в баки электромобиля на топливных элементах. Опыт создания серийного водородного автомобиля Toyota Mirai показал, что машина с запасом хода в 480 км может заправляться за 5 минут.

Использовать водород как аккумулятор электроэнергии особо привлекательно для городского транспорта, где уже существуют специальные централизованные парки для обслуживания техники. Хранение водорода – давно решенный вопрос, этот газ не токсичен, и что важно – он очень легок, то есть не накапливается у земли в случае утечек. На данный момент в Европейском союзе развиваетсяпрограмма внедрения автобусов на топливных элементах.

Но также вполне возможно, что магистральный путь развития энергетики лежит в другом направлении – в диверсификации источников энергии. Что хорошо для Калифорнии, не подойдет для Москвы или Якутска.

Примером может служить проект японского круизного оператора Peace Boat по строительству пассажирского лайнера Ecoship. Это судно будет использовать в качестве основного топлива сжиженный природный газ, что исключит выбросы соединений серы. При этом силовая установка сможет использовать и биотопливо.

Ecoship должен быть оснащен десятью автоматическими жесткими парусами-мачтами, которые могут обеспечить до 10% необходимой для движения судна тяги. Судно покрыто солнечными батареями общей площадью 12 тысяч квадратных метров. Кроме этого, на судне будет десять ветрогенераторов, мощностью около 300 киловатт. Этого должно быть достаточно, чтобы обеспечить электроэнергией для освещения все пассажирские каюты и общественные помещения. На корабле смогут путешествовать 2000 человек.

Строить судно будет финская судоверфь Arctech Helsinki Shipyard (входит в российскую «Объединенную судостроительную корпорацию»). Эксперимент покажет, насколько энергосберегающие технологии эффективны и что еще можно сделать в этом направлении.

Константин Ранкс Геолог, журналист