CC BY
25НАУЧНАЯ ПОЛЕМИКА
-У
Водород или литий?
Чем завтра заправить
электромобиль?
Л.А. Скрипко
заведующий сектором гибридизации и электрификации АТС ФГУП НАМИ, к.т.н.
статье оцениваются преимущества альтернативных видов топлива ранспорта. Привычным уже электромобилям противопоставляется омобиль на водородных топливных элементах. Обзор выпускаемых сегодня экологически чистых автомобилей и анализ энергетической цепочки для литиевого аккумулятора и водорода дают повод на продолжение дискуссии заинтересованных сторон.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА:
альтернативные источники энергии, электромобили, литиевый аккумулятор, автомобиль на водородном топливе.
Электромобили ещё лет десять назад казались диковинной фантазией энтузиастов и любителей экзотики, а сегодня спокойно себя чувствуют в транспортном потоке на улицах многих городов. Более того, в некоторых странах они уже становятся безальтернативным видом транспорта. При этом их безальтернативность - это не преувеличение и не желание подогреть интерес сомневающихся покупателей. Полагаю, можно утверждать, что электромобили в этом больше не нуждаются.
Как же иначе расценивать информацию о том, что, например, в Норвегии в июле 2020 года доля проданных автомобилей, подзаряжаемых от электросети, составила более 68 % от общего числа? Очевидно, что в Норвегии роли уже поменялись, и покупать привычный автомобиль с двигателем внутреннего сгорания стало теперь немодным трендом. Справедливости ради стоит сказать, что Норвегия является мировым носителем идеи электрификации транспорта, и мы часто ориентируемся по ней, когда говорим о достижениях в этой области.
Что же позволяет электромобилю так быстро завоёвывать нашу любовь? Не стоит преувеличивать его заслуги. Без стремительного усовершенствования технологичности электромобиля наша сознательность и ответственность в части охраны окружающей среды мало чего стоят. Давайте вспомним, о каких недостатках электромобиля вам скажет какой-нибудь среднестатистический водитель. Главные его претензии будут заключаться в небольшом пробеге на одной заправке и высокой цене. Такая точка зрения всё ещё имеет право на существование, но и наука не стоит на месте.
Сегодня производители аккумуляторов нацелены на пробеги до 800 км и выше, ведь пробегами Tesla в 400 км уже никого не удивить. Одновременно с увеличением ёмкости аккумуляторов, производители
>
работают над снижением их стоимости. Так, на конференции, состоявшейся в Шанхае в августе 2020 года, представитель крупнейшего китайского производителя аккумуляторов CATL рассказал, что его компания работает над новым типом аккумуляторов, сделанных без применения дорогостоящих никеля и кобальта.
Оценивая темпы, с которыми производители аккумуляторов улучшают их характеристики, можно не сомневаться, что кажущиеся сегодня смелые идеи и заявления уже завтра превратятся в заурядные технологии. Глобальная сеть сегодня пестрит графиками и диаграммами о ежегодном падении цен на литиевые аккумуляторы и стремительном росте удельной ёмкости. Миф о ненадёжности и недолговечности аккумуляторов уже развеян владельцами Tesla, проехавших на своих электромобилях более 500 тыс. км. С такими показателями сможет потягаться не каждый бензиновый двигатель.
Итак, двигатели внутреннего сгорания отживают свой век. Этот факт вызывает сомнение только у закоренелых скептиков. Выходит, что будущее полностью принадлежит литиевым аккумуляторам? А как же ущерб, наносимый нашей планете при добыче металлов, необходимых для их производства? Да и массовый переход на чистую энергетику пока что ещё нескорая перспектива. Стоит также напомнить о сложности при утилизации аккумуляторов и об отсутствии надёжной технологии в этой области.
Признайтесь, такие размышления могут немного подпортить радужное настроение. Но не стоит отчаиваться. Параллельно и уже довольно давно ведутся работы по изучению другого источника энергии. Это водород. Сторонники использования этого топлива знают, что вдобавок к преимуществам электромобилей у водорода есть свои - это пробег на одной заправке не менее 600 км и длительность заправки менее 5 минут. Кроме того, запасы водорода на планете неисчерпаемы. Плюс масса и вместительность водородного транспортного средства сравнима с обычным автомобилем. Неудивительно, что водород всё настойчивее привлекает внимание правительств многих стран, ищущих замену отравляющему воздух углеводородному топливу.
Можно вспомнить, как в 2003 году президент США Джордж Буш объявил о необходимости исследований и разработок в области водородных топливных элементов и инфраструктурных технологий, которые позволят таким автомобилям выйти на коммерческий рынок в период до 2020 года. Среди целей инициативы президента были следующие: снижение зависимости от импортируемой нефти и польза окружающей среде. В 2005 году правительством было выделено более 3,2 млрд долларов на разработку водородной технологии для коммерческого внедрения на транспортных средствах.
Почему же вложенные финансы и внимание правительства не оправдали себя, ведь сегодня хорошо известны такие электромобили как Tesla, Nissan LEAF, BMW i3, Renault Zoe, VW e-Golf и ещё примерно десяток моделей. Сегодня практически каждый мировой автопроизводитель имеет если не серийный, то хотя бы опытный образец. С другой стороны, доступные нам автомобили на водородном топливе -это лишь Toyota Mirai, Honda Clarity и Hyundai Nexo. При этом некоторые производители вообще сворачивают свои водородные программы.
НАУЧНАЯ ПОЛЕМИКА
К примеру, в 2020 году стало известно о нежелании Mercedes-Benz продолжать выпуск GKC F-Cell в связи с его высокой ценой и убыточностью проекта.
В итоге получается, что большинство компаний всё-таки верят в электромобили, другие настойчиво обращаются к водородной теме, третьи стоят пока перед непростым выбором. Интересно наблюдать, как Tesla, которая категорически отвергает водородные технологии и создаёт всё новые и новые электромобили на батареях, начала соперничать с проектом Nikola (рис. 1), создавшим несколько водородных прототипов грузовиков. Что интересно, оба производителя практически одновременно начали строительство своих заводов в США, чтобы запустить выпуск магистральных тягачей. При этом каждый из них попытается в честной борьбе доказать верность выбранного пути. А нам же предстоит с интересом наблюдать за выявлением победителя.
РИС. 1
Грузовик на топливных элементах Nikola One
Недавно водородную тему поддержали инженеры Калифорнийской компании Hyperion Motors, выпустив фантастический суперкар XP-1. На базе свой машины они показали, каких совершенств уже достигли топливные элементы, намекая, что это и есть технология будущего. К сожалению, нам не удалось в этом году оценить преимущества японских водородных автобусов, подготовленных для перевозки участников и зрителей Олимпийских игр (рис. 2). Но настойчивость, с которой Toyota работает в направлении водорода, не оставляет сомнений в долгосрочных планах по развёртыванию этой технологии в Японии.
Со стороны может показаться, что автопроизводители ищут ориентиры в попытках понять, какая же технология лучше. Тем более сложно разобраться в этом обычному водителю, когда он придёт в автосалон. И всё же даже неподготовленному человеку понятно, что чистые электромобили пока добились больших успехов, несмотря на то, что водородному транспорту лет десять назад предсказывали более уверенное развитие.
Почему же водород никак не может отбить рынок у электромобилей, если его преимущества и удобство пользования так очевидны? Недостаток кроется не в водородном автомобиле, а, как это ни парадоксально,
именно в самом водороде и способе его получения. Точнее будет сказать - в способе доставки энергии к электромашине.
Давайте проанализируем две энергетические цепочки и посмотрим, какой ценой нам достаётся энергия, когда мы заряжаем электромобиль или закачиваем в бак водород. Поскольку мы изначально нацелены на получение чистой энергии, предположим, что она вырабатывается ветровой электростанцией. Вначале разберёмся с электромобилем.
На первом этапе мы должны подвести электроэнергию от ветро-генератора по высоковольтной линии до городского трансформатора и понизить напряжение до промышленного уровня (рис. 3). Потери при транспортировке электроэнергии оцениваются в 5 %. При понижении напряжения промышленным трансформатором мы теряем еще 10 %. Далее следует вычесть потери зарядной станции электромобиля. Это еще минус 5 %. Теперь мы должны зарядить аккумуляторы. В результате экспериментальных исследований, проводимых ФГУП НАМИ, было установлено, что эффективность цикла заряд/разряд литиевых аккумуляторов составляет порядка 92 %. Можно уточнить и потери в аккумуляторах из-за саморазряда. К сожалению, этот показатель сложно оценить или усреднить, поскольку он зависит от времени, прошедшего от момента заряда до начала поездки.
В результате проведённых в институте исследований было установлено, что в течение месяца такие потери составляют не более 10 % в зависимости от условий хранения. В нашем случае мы можем принять, что электромобиль эксплуатируется ежедневно, и потерями на саморазряд можно пренебречь. Далее, если вспомнить устройство электромобиля, необходимо учесть потери в инверторе - преобразователе постоянного тока в переменный трёхфазный, которым питается электромашина. Они составляют порядка 10 %. Затем останется учесть только КПД электромашины. Принимаем на уровне 95 %. Произведя итоговый подсчёт, получаем КПД нашей энергетической цепочки около 64 %.
Попробуем теперь провести подобные расчёты для автомобиля на водороде (см. рис. 3). Как мы решили, за исходную точку принимается ветрогенератор. От него электроэнергию необходимо
РИС. 3
Потери
электроэнергии:
а - при заряде
электромобиля;
б - при заправке автомобиля
на топливных
элементах
подвести к трансформатору и далее к генератору водорода. Пусть производство водорода будет осуществляться с помощью электролиза воды на протонообменной мембране. Этот способ сегодня оценивается как наиболее экологически чистый и эффективный (80 %). Допустим, что генератор водорода установлен вблизи заправочной станции, и подача водорода производится по трубам, что избавляет нас от потерь при транспортировке в грузовых цистернах. Чтобы на такой станции заправить автомобиль водородом, его необходимо сжать до давления более чем в 75 МПа. Энергией, требуемой для создания такого давления, пренебрегать невозможно. К сожалению, и здесь придётся вычесть 13 %. Теперь остаётся учесть потери в самом автомобиле. Эффективность современных топливных элементов сегодня достигает 60 %. Потери в инверторе и электромашине остаются на том же уровне, как и в электромобиле. В итоге мы получаем суммарный КПД 30 %.
Как пояснить итог простыми словами? В случае использования электромобиля на аккумуляторных батареях мощность электростанции в 1 кВт преобразовалась в 640 Вт на валу электромашины. Для автомобиля на топливных элементах нам досталось всего 300 Вт. Теперь ответ на вопрос, каким путём дальше развивать чистый транспорт, - кажется очевиден? Но не следует спешить. Сторонники водородной технологии вновь будут отстаивать своё мнение и будут утверждать, что мы не учли, например, эффективность самого транспортного средства. Ведь в электромобиле половину его грузоподъёмности занимают аккумуляторы, а пробег оказывается в два раза ниже, чем у водородного автомобиля. Они также не забудут упомянуть о неприемлемо большой длительности заряда батарей. Ведь даже быстрая подзарядка в 20 минут вряд ли устроит большинство автовладельцев. Противники же водорода вспомнят «легенду» о его небезопасности.
Какой же напрашивается вывод из наших нехитрых подсчётов с учётом тенденций развития транспорта. Несомненно, известные нам электромобили сегодня идут на шаг впереди, а водородный автомобиль так и остаётся практически экзотикой и экспериментальной базой нескольких производителей. Поклонникам водородных автомобилей придётся ещё немного подождать, пока не появится очередная прорывная технология в этой области. Не исключено, что обе технологии смогут мирно ужиться, ведь сегодня сосуществуют и дизельные, и бензиновые, и газовые двигатели. Нет лишь сомнений, что выбранный наконец-то путь в сторону электрификации транспорта не принесёт ничего, кроме пользы, для нас и для нашей планеты.
