Автоутопия. Будущее машин
Зачастую зарядные станции вдоль шоссе были сломаны или относились к той сети, на которую у меня не было подписки. Что хуже, их было не так много, чтобы оставить машину заряжаться на ночь и не переживать, нарушил ты новый этикет по пользованию станциями или нет. Придут ли владельцы электромобилей в ярость, заметив, что кто-то ее узурпировал? И вот после тяжелого дня я подъезжаю к отелю, ставлю машину на зарядку и… Вот незадача! Я не могу пропустить пару бокальчиков в баре, потому что через час мне придется перегонять машину на парковочное место, освободив станцию для других. Дело здесь не только в воспитании, ведь придется доставать кошелек. Tesla угрожает штрафами за простой: если оставить автомобиль подключенным к «заправке» после того, как аккумулятор полностью зарядился, то за каждую минуту нужно будет заплатить по 70 пенсов [3].
Аккумуляторы – главные виновники всех недостатков.
Ограничения лития
Обычно аккумулятор в автомобиле представляет собой собрание сотен или тысяч отдельных ячеек, которые напоминают огромную упаковку пальчиковых батареек из ближайшего супермаркета. Вместе они способны обеспечить электромобиль из премиум-сегмента аккумулятором, способным отдать нагрузку в 90 кВт ч. Этого достаточно, чтобы проехать более 300 километров по шоссе. Для такой же поездки на автомобиле с двигателем внутреннего сгорания потребуется 22 литра дизеля или 25 литров бензина. Но дизельное топливо такого объема весит 4,25 килограмма, и этот показатель только уменьшается, а аккумулятор весит целых 700 килограммов – это чуть меньше, чем Volkswagen Golf Mk1. Поэтому скорее всего электромобиль будет по меньшей мере на 20 % тяжелее машины на бензине. Чем больше дальность поездки, тем крупнее аккумулятор и заметнее разница, а вместе с тем и потребность в дополнительной энергии, чтобы привести транспортное средство в движение.
В ближайшее время значительных изменений не предвидится. Ионы лития привели к большому прорыву в области аккумуляторов, но сейчас они продвинулись гораздо дальше по пути развития. В теории можно рассчитать удельную энергоемкость идеального литий-ионного аккумулятора, если принять во внимание электрохимические характеристики элементов. Она в два раза превосходит лучшие современные аккумуляторы. Но достичь ее можно только в том случае, если она на 100 % эффективна, а вес блока аккумуляторов равен нулю – ни того, ни другого добиться невозможно.
Зарядиться по максимуму
Разработка аккумуляторов нового типа, которые будут заметно отличаться от имеющихся, займет годы. При этом в лабораториях трудится множество ученых в надежде совершить открытие. Наиболее перспективный вариант – твердотельные аккумуляторы, в которых вместо жидкого электролита используется твердый материал. Они появятся не раньше середины или конца 2020-х годов. Их разработкой занимаются в том числе Dyson и Toyota. Такие аккумуляторы должны обладать большей емкостью, быстрее заряжаться, иметь более долгий срок службы, измеряемый в циклах зарядки, а также дать возможность конструкторам подстраивать их форму под корпус автомобиля. Твердый электролит считается более жаростойким и способным работать в широком диапазоне температур.
Литий-воздушные аккумуляторы больше похожи на топливные элементы, чем на батареи. Ожидается, что они будут обладать большей удельной энергоемкостью, а дальность поездки составит тысячи километров. Но экспериментальные модели забивались из-за того, что в воздухе ионы лития соединялись с углекислым газом и водяным паром, что приводило к короткому сроку службы.
Идея создания стеклянного аккумулятора может показаться глупой, но изобретатель литий-ионных батарей Джон Гуденаф, которому уже далеко за 90, относится к ней со всей серьезностью. Гуденаф сообщил, что у него есть образцы, сделанные исключительно из соли и натрия без использования горючего или редко-земельных элементов. Изобретатель заявил, что по сравнению с литий-ионными батареями у новых аккумуляторов в разы выше удельная энергоемкость, долгий срок службы и быстрая зарядка. Другие ученые относятся к этому скептически.
Суперконденсаторы (ионисторы) могут накапливать и отдавать энергию очень быстро. И в отличие от аккумуляторов для них не существует теоретических ограничений по количеству сохраненной энергии на заданный вес. Проблема в том, что их удельная энергоемкость на данном этапе никуда не годится: она составляет четверть от показателей литий-ионных батарей. Но научные открытия не за горами. Британская компания Super Dielectrics Ltd совместно с университетом Суррея и Бристольским университетом исследует возможности использования полимеров вроде тех, что встречаются в одноразовых контактных линзах, для создания суперконденсаторов следующего поколения. Они должны догнать или даже перегнать существующие аккумуляторы по удельной энергоемкости. Графен, вокруг которого много шума, благодаря обширной поверхности также имеет потенциал для формирования структуры будущего суперконденсатора, который изменит отрасль.
Ситуацию удастся постепенно улучшить с помощью более совершенного охлаждения и подобных вещей, но революции не произойдет. Альтернативные технологии появятся лишь через много лет. Вольфганг Зибарт работает в Jaguar и отвечает за программу I-Pace – созданный в ее рамках автомобиль должен стать конкурентом Tesla. Зибарт предупреждает, что не стоит возлагать большие надежды на аккумуляторы: «Мы каждый месяц читаем, что кто-то изобрел нечто великое и перевернул игру. Но на самом деле за последние 10 лет просто увеличивалась энергоемкость – на 5 % каждый год. А еще уменьшалась стоимость элементов – на 10–12 % в год. Я знаю, что сейчас происходит в отрасли, поэтому могу сказать, что в следующие пять лет ситуация будет такой же. Мне кажется, что в целом мы продолжим использовать ту же технологию, которая лежит в основе современных аккумуляторов».
По какой бы технологии ни изготавливался аккумулятор, автомобиль все равно придется заряжать, а законы физики не позволят воссоздать процесс заправки бензином на АЗС. Чтобы машина заряжалась за 2 минуты, к ней нужно направить 3 МВт электричества, но кабель с сечением для 3 МВт был бы неподъемным. Кроме того, снабжение станции таким количеством энергии и борьба с перегревом тоже относятся к практически непреодолимым трудностям.
Заядлые автолюбители вроде меня задаются вопросом, насколько экологичны электромобили в действительности. Они тяжелее машин с двигателем внутреннего сгорания, поэтому при езде и торможении от шин отделяется большее количество частиц. Помимо этого, при производстве аккумуляторов выделяется углекислый газ, а сырье для батарей добывают люди, работающие в ужасных условиях в странах вроде Демократической Республики Конго и Боливии. Политики готовы запретить небольшие машины на бензине, которые наносят не такой большой вред окружающей среде, и при этом поддержать производство электромобилей внушительных размеров, которые работают на аккумуляторах и выделяют вредные частицы и углекислый газ.
Переработка – другая крупная проблема, связанная с батареями. Литий содержится в аккумуляторе в малом количестве, и так сложилось, что перерабатывать его экономически невыгодно. Обычно батареи разбивают на части для образования однородной массы и затем нагревают, чтобы отделить различные металлы. Но при таком способе теряется много лития. Но помимо всех этих недостатков, которых уже немало, существует еще одна проблема: нет уверенности в том, что аккумулятор проработает так же долго, как и сама машина. Это серьезный повод для беспокойства, если вы собираетесь покупать машину, а не арендовать ее.
Позитивное мышление
Тем не менее у электроэнергии есть очевидные преимущества. Электромобиль с электродвигателем на 85 % эффективнее переводит энергию в движение, и этот показатель может дойти до 90 %. В то же время у двигателя внутреннего сгорания он никогда не превысит 50 %. Самые эффективные ДВС сейчас показывают 35–40 %. Самый низкий показатель – 25 % энергии топлива переходит в движение, а остальное тратится впустую при нагреве. Обычная машина, работающая на топливе, рассеивает 100 кВт тепла от двигателя, несмотря на решетки и воздухозаборники, которые установлены на всех автомобилях. Это крайне неэффективно.