Дмитрий Мыльников (mylnikovdm) wrote,
Дмитрий Мыльников
mylnikovdm

Categories:

Личный электромобиль — роскошь не для всех. Часть 2.

Начало

Личный электромобиль — роскошь не для всех.
Часть 2.

Прежде чем перейти к обсуждению инфраструктурных проблем, которые возникают при переходе к массовому использованию электромобилей вместо автомобилей с двигателями внутреннего сгорания (ДВС), я хочу подробнее остановиться на тех фундаментальных ограничениях, которые определяются законами нашего физического мира, и которые мы не можем изменить по своему желанию.

Откуда берутся 46 часов 42 минуты, которые необходимы для полной зарядки аккумулятора емкостью 95 кВт*час от обычной бытовой розетки через зарядное устройство мощностью 2.3 кВт? Тут всё просто. Через устройство мощностью 2.3 кВт за один час мы можем максимально получить только 2.3 кВт*час энергии. То есть, делим 95 кВт*час на 2.3 кВт и получаем 41,3 часа. Но это в идеальном случае, когда у нас нет никаких потерь на преобразование и передачу энергии. У реальных устройств КПД всегда меньше 100%. В данном конкретном случае время в 46 часов 42 минуты означает, что реальная мощность зарядки составляет 2,03 кВт, то есть КПД данной зарядной станции около 88%.

Аналогичный расчёт мы можем сделать и для станции быстрой зарядки мощностью 150 кВт, которая позволяет нам зарядить нашу батарею за 48 минут. Реальная мощность зарядки в этом случае составляет 118,75 кВт, что даёт КПД данной станции в 79%. То есть, почти на 10% ниже. Что, в общем-то не удивительно, так как сила тока в этом случае значительно выше, значит выше будут и потери.

Теоретически, мы можем улучшить потребительские свойства электромобилей, если научимся делать аккумуляторные батареи большей ёмкости, да ещё и позволяющие их быстро заряжать. Но при этом мы только ещё больше усугубим проблему с их зарядкой, поскольку для того, чтобы зарядить батарею ещё большей емкости, нам потребуется каким-то образом передать в неё ещё больше электрической энергии. А чтобы быстро заряжать даже те батареи, которые уже используются на электромобилях, например не за 48 минут, а за те же 5 минут, которые уходят на заправку бака обычного автомобиля бензином, нам потребуется зарядное устройство, которое выдаёт мощность на батарее в 1140 кВт. При КПД в 70% реальная потребляемая мощность такой зарядной станции будет почти 1700 кВт (1.7 мегаватта!).


Другими словами, решая проблемы, которые имеются у электромобилей, и улучшая какой-то из параметров, мы тем самым усугубляем другие проблемы. Повышая емкость аккумуляторных батарей, мы тем самым ещё больше увеличиваем время их зарядки. Повышая скорость зарядки батарей, мы создаём проблему подачи большого количества электроэнергии за короткое время к зарядной станции, что одновременно создаёт сильную неравномерность потребления энергии, чего современные сети электроснабжения не любят больше всего.

Одной из главных характеристик любого носителя энергии, которая определяет эффективность его использования, является плотность энергии, то есть, отношение количества запасённой энергии на единицу массы энергоносителя. Вторым важнейшим фактором является удобство и технологичность практического использования данного энергоносителя.

По показателю «плотность энергии» из всех известных современной цивилизации на сегодняшний день носителей энергии первое место занимает ядерное топливо. Например, новые атомные ледоколы проекта «Лидер» будут требовать перезарядки своих ядерных реакторов через 7-10 лет, в зависимости от интенсивности эксплуатации. По этой же причине автономность хода ядерных подводных лодок определяется не запасом ядерного топлива, а объёмом запасов системы жизнеобеспечения экипажа, в первую очередь продовольствия, поскольку кислород и пресную воду можно получать непосредственно внутри самой подводной лодки за счёт энергии, которую в избытке генерирует ядерный реактор.

Но если мы начинаем рассматривать второй показатель, то есть удобство и технологичность использования ядерного топлива, то необходимость в сложной и дорогостоящей системе защиты окружающей среды, а также серьёзной организации всех технологических процессов использования ядерного топлива от момента производства до момента утилизации отработанных отходов, сводят на нет все его преимущества в плотности хранения энергии и резко ограничивают возможные области его практического применения.

С точки зрения удобства и технологичности использования углеводородное жидкое топливо до сих пор находится вне конкуренции. Плотность энергии достаточно высока не только для создания наземных транспортных систем, но и для создания летательных аппаратов тяжелее воздуха, которые помимо самого топлива могут взять на борт достаточную массу полезной нагрузки. В то время как построить самолёт на ядерной энергии  мы не сможем, поскольку сложная и тяжёлая конструкция ядерной энергоустановки и системы защиты от радиации полностью сводят на нет высокую плотность энергии ядерного топлива. Жидкое углеводородное топливо сравнительно легко хранить и транспортировать. В этом плане газообразное углеводородное топливо уже заметно уступает традиционному бензину или солярке.

Некоторые из читателей в комментариях к первой части статьи упоминали водород в качестве альтернативы углеводородному топливу. Я не буду в данной работе подробно разбирать все плюсы и минусы использования водорода на транспорте, в том числе автомобильном, отмечу лишь главные моменты.

Во-первых, в свободном виде водород на Земле практически не существует. То есть, мы не можем его добывать как нефть или природный газ, а вынуждены производить. Из закона сохранения энергии, а также невозможности создания технических систем с КПД 100%, потери внутри цепочки «производство водорода — использование водорода» будут неизбежны.

Существует несколько эффективных промышленных способов получения водорода, одним из которых является электролиз воды, то есть разложение воды на водород и кислород при пропускании через воду электрического тока. Вот только прежде чем мы получим водород подобным способом, нужно вначале каким-то образом получить саму электрическую энергию, которой для получения 1 кубического метра водорода потребуется 3,56 кВт*час. Но большая часть электроэнергии в мире до сих пор вырабатывается на тепловых электростанциях, в 2018 году 63,9% электроэнергии было произведено за счёт сжигания ископаемого топлива разных видов. Так что признать «экологически чистым» данный метод получения водорода не получится.

Существует также целый ряд химических способов получения водорода, из которых те, которые могут быть использованы для эффективного получения большого количества водорода в промышленных масштабах, происходят с выделением либо углекислого газа CO2, либо угарного газа CO. Из них самым эффективным с точки зрения энергозатрат способом является каталитическое окисление метана CH4 (основа природного газа) кислородом с образованием из двух молекул метана CH4 и одной молекулы кислорода O2 двух молекул угарного газа CO и четырёх молекул водорода H2. Но, поскольку угарный газ нам в таких объёмах не требуется, его затем нужно будет всё равно доокислить до углекислого газа CO2, чтобы его можно было сбросить в атмосферу. Другими словами, в этом случае нам всё равно требуется ископаемое топливо и возникает достаточно сильный «углеродный след».

Но на этом недостатки водорода у нас не заканчиваются. С хранением и транспортировкой водорода тоже всё не так просто. Для этого требуется достаточно дорогая и сложная инфраструктура. Из-за очень низкой плотности, перевозить водород без сжатия это всё равно, что перевозить пустоту. Чтобы транспортировка водорода стала экономически эффективной, его необходимо сжимать до очень высокого давления. А чтобы при этом уменьшить проникающую способность водорода, которая усиливается высоким давлением, водород необходимо охладить до сверхнизких температур. В итоге инфраструктура работы с водородом включает в себя ещё и весьма дорогостоящую криогенную (охлаждающую) составляющую.

Отдельной проблемой является то, что чистый водород является газом без цвета и запаха. Поэтому, если у нас началась где-то утечка водорода, то без специального газоаналитического оборудования обнаружить такую утечку невозможно. При этом, само собой, что как и любое другое горючее, водород обладает свойством взрываться, если его смешать с воздухом. При этом температура возгорания воздушно-водородной смеси самая низкая среди всех горючих газов.

Во-вторых, мы не можем использовать водород просто как замену традиционному углеводородному топливу на уже существующей технической инфраструктуре. С одной стороны, температура горения водорода заметно выше, чем у бензина, солярки или природного газа. С другой стороны, в результате сгорания водорода образуется водяной пар, перегретый до очень высоких температур, который в таком состоянии обладает очень сильным корродирующим действием на всевозможные материалы, включая металлы, пластик, а главное смазку, без которой традиционные ДВС работать не могут в принципе.

Таким образом, для использования водорода в качестве обычного топлива, нам всё равно придётся разработать специальные двигатели, которые будут приспособлены для использования именно водорода. Просто поставить водородные баллоны и некую вспомогательную систему, аналогичную сейчас широко применяемому газобаллонному оборудованию, позволяющему обеспечить работу от природного газа бензиновых ДВС, мы в случае с водородом не можем. При этом, насколько мне известно, на данный момент нет каких-либо серьёзных планов создания именно ДВС, которые будут использовать водород в качестве топлива.

Практически все активно продвигаемые сейчас проекты по использованию водорода в качестве топлива на транспорте ориентированы на использование так называемых «водородных топливных элементов», суть работы которых в том, что они реализуют процесс обратный электролизу воды, когда при пропускании через воду электрического тока вода разделяется на водород и кислород. В «водородных топливных элементах», во многом похожих на традиционные гальванические элементы, водород из нашего бака и кислород из воздуха снова соединяются в молекулу воды, генерируя при этом электрический ток. Сами по себе топливные элементы известны человечеству с 1839 года, но все ранее разработанные топливные элементы обладали целым рядом недостатков, которые не позволяли начать их массовое использование. С одной стороны, топливные элементы обладали низким сроком службы, с другой, требовали применения очень чистого водорода, поскольку наличие любых примесей приводило к быстрой деградации катализатора. С третьей стороны, топливные элементы обладают низкой инертностью, поэтому на тех же автомобилях не могут использоваться без дополнительных накопителей энергии в виде суперконденсаторов или тех же аккумуляторов, что дополнительно усложняет и удорожает водородные автомобили. В четвёртых, в наиболее эффективных топливных элементах в качестве катализатора применяются редкоземельные металлы, например платина, что создаёт дополнительные проблемы именно для их массового использования. Одно дело, если вы ставите такие топливные элементы на систему Space Shuttle, когда ваша потребность в подобных топливных элементах исчисляется в пределах одной сотни экземпляров, и совсем другое дело, когда вам необходимо наладить выпуск нескольких сотен миллионов подобных топливных элементов.

Кроме того, конструкция из топливных элементов, водородных баков с необходимой технической инфраструктурой, а также аккумуляторов достаточно большой емкости, получается громоздкой и тяжёлой, поэтому на данный момент массовое применение топливных элементов рассматривается только для магистрального грузового транспорта. Попытки создать и даже начать мелкосерийное производство легковых автомобилей предпринимались по всему миру, но особого успеха водородные легковые автомобили с топливными элементами у потребителей не вызвали. Стоят они ощутимо дороже, чем традиционные автомобили с ДВС на углеводородном топливе, в то время как стоимость водорода соизмерима или даже выше, чем стоимость бензина или дизельного топлива. Поэтому в 2019-2020 годах вначале концерн Volkswagen объявил о том, что он делает основную ставку именно на электромобили и не собирается организовывать выпуск легковых автомобилей на топливных элементах, а чуть позже концерн Daimler AG, производитель автомобилей Mercedes-Benz, заявил о том, что закрывает программу разработки легковых автомобилей, использующих в качестве топлива водород, и направит освободившиеся ресурсы на развитие технологий электрохимических генераторов обратимого цикла (электромобилей с перезаряжаемыми батареями). При этом крест на технологии в Daimler не ставят, весь штат исследователей и инженеров, а также все наработки поступят в распоряжение нового совместного предприятия грузового подразделения Daimler Truck и Volvo Group, которое будет адаптировать водородные топливные ячейки к дальнемагистральным грузоперевозкам. В мае 2021 года генеральный директор Daimler Truck Мартин Даум (Martin Daum) снова подтвердил, что концерн не собирается отказываться от водородных технологий, но их основное применение рассматривается именно для грузового тяжёлого транспорта.

Почему в случае с магистральными грузовиками встал вопрос об использовании топливных элементов, а не аккумуляторов, как в случае с легковыми автомобилями? Потому, что главной задачей грузового автомобиля является перевозка как можно большего количества груза, а для этого масса самого грузовика должна быть как можно меньшей. При этом полная масса магистральных грузовиков составляет от 30 до 50 тонн (зависит от страны, а также конструкции грузовика и прицепов). Чтобы разогнать автомобиль такой большой массы нам необходимо израсходовать достаточно много энергии, на порядок больше, чем требуется для легкового автомобиля, чья полная масса находится в пределах от 1.5 до 3-х тонн. Соответственно, для более-менее эффективной эксплуатации тяжёлого грузового автомобиля нам необходимо также на порядок (в 10 раз) увеличить объём аккумуляторов, а значит в те же 10 раз увеличится занимаемое таким аккумулятором место и его масса. Соответственно, если аккумулятор упомянутого выше легкового электромобиля Ауди весит 700 кг, то вес аналогичного аккумулятора для тяжёлого грузовика будет порядка 7000 кг или 7 тонн. Вес баков для водорода, топливных элементов и небольшой аккумуляторной батареи получается заметно меньше, а дальность хода значительно больше. В тоже время, как показал уже имеющийся опыт создания легковых автомобилей с топливными элементами, водородную подсистему не получается сделать достаточно небольшой, лёгкой и дешевой, чтобы её установка на легковом автомобиле оказалась достаточно выгодной с экономической точки зрения.

Казалось бы, что топливные элементы, использующие в качестве энергоносителя водород, являются идеальным решением для тяжёлого транспорта. Но, похоже, что с ними всё не так гладко, как об этом рассказывают их сторонники. Из той информации, которая на данный момент имеется в свободном доступе, пока не ясно, удалось ли разработать новые эффективные топливные элементы, которые должны были стать основой для магистральных тягачей американской компании Nikola Motors, массовый выпуск которых планировалось начать в 2022 году. Пока все имеющиеся демонстрационные образцы  водородных грузовиков оснащены топливными элементами «предыдущего поколения», которые не в состоянии обеспечить характеристик, заявленных руководством данной фирмы изначально. Но судя по тому, что в конце сентября 2020 года, через две недели после того, как корпорации General Motors и Bosch приобрели крупные пакеты акций компании Nikola Motors, её основатель и руководитель, американский миллиардер Тревор Милтон вынужден был уйти со своего поста, есть основания полагать, что на данный момент топливных элементов с необходимыми характеристикам у компании нет.

В общем, поживём — увидим, возможно, что водородные грузовики с топливными элементами через некоторое время на самом деле побегут по нашим дорогам, но в любом случае создание необходимой водородной инфраструктуры для их эксплуатации будет весьма дорогим и не быстрым процессом. При этом на данный момент никто не обсуждает планов по массовому производству и использованию легковых автомобилей с водородными топливными элементами. Поэтому давайте вернёмся к обсуждению тех проблем, которые возникают при переходе к массовому использованию именно электромобилей.

Здесь я хочу сделать ещё одно отступление от основной темы и сделать теоретическое пояснение, которое поможет лучше понять суть тех проблем, которые необходимо решить.

На данный момент наша техногенная цивилизация научилась использовать энергию в самых разных формах, а также достаточно эффективно извлекать (активировать) энергию из различных энергоносителей и преобразовывать эту энергию из одной формы в другую. Ведь мы не случайно называем бензин, дизельное топливо или природный газ термином «энергоноситель», поскольку данные вещества сами по себе не являются той энергией, с помощью которой можно выполнить ту или иную работу. Чтобы высвободить запасённую в таких энергоносителях энергию, мы их должны сжечь, чтобы затем тем или иным образом использовать полученное при их сжигании тепло, в том числе преобразовать в механическое движение, которое затем также может быть преобразовано, например в электрический ток.

Другими словами, в так называемых «энергоносителях» энергия находится в пассивном, неактивном состоянии. В углеводородах эта энергия запасена в виде химических связей и свойствах самих химических элементов выделять много тепла при из окислении кислородом (горении). А вот то тепло, которое выделилось при сгорании топлива, уже является энергией в активной форме, которую необходимо сразу же использовать для выполнения той или иной работы, поскольку иначе она просто рассеется в окружающем пространстве.

Также мы научились достаточно эффективной преобразовывать одну форму активной энергии в другую. Например, ту же тепловую энергию мы можем преобразовать в механическое движение, превратив в кинетическую энергию двигающегося объекта, которая также является активной формой энергии. Либо с помощью турбины и электрического генератора превратить в электрический ток, который мы умеем передавать на большие расстояния и дальше трансформировать в необходимую нам работу с помощью разнообразных электрических машин: электродвигателей, нагревателей, излучателей и т. п. Но в любом случае, активированную энергию, которую мы высвободили тем или иным образом из энергоносителей, мы можем использовать только здесь и сейчас. Чтобы запасти энергию, её необходимо снова перевести в ту или иную пассивную форму каким либо способом. И вот это, то есть запасать энергию, мы пока умеем очень плохо.

Ведь когда мы заряжаем тот же аккумулятор, мы на самом деле запасаем вовсе не электрический ток. Мы создаём пассивный носитель энергии, в котором энергия запасается в  форме химических связей внутри электролита, которым заполнен наш аккумулятор. А в тот момент, когда нам снова потребуется энергия в активной форме, мы получим её от аккумулятора в виде электрического тока, который образуется за счёт обратной химической реакции внутри электролита.

И даже если мы наконец-то изобретём очень емкий и при этом лёгкий аккумулятор, который позволит при небольшой массе аккумулятора запасать в нём больше энергии, у нас всё равно останется последовательность: генерация электрической энергии→ передача электрической энергии потребителю → зарядка аккумулятора с преобразованием в химическую энергию связей → разрядка аккумулятора за счёт протекания обратной химической реакции с генерацией электрической энергии → использование электрической энергии тем или иным способом.

Если же мы рассмотрим схему передачи и использования энергии для автомобиля с ДВС, то там мы на всех этапах имеем дело именно с энергоносителем, где энергия была запасена самой Природой. Мы лишь извлекаем этот энергоноситель, превращаем в форму, удобную для эффективного использования, после чего перераспределяем в жидкой или газообразной форме. Всё это время энергия находится внутри нашего природного энергоносителя в пассивной форме. В активную форму мы переведём энергию в самый последний момент, внутри ДВС или другой тепловой машины, то есть именно тогда, когда эта энергия нам потребовалась для выполнения той или иной работы.

Таким образом, в случае с автомобилями, работающими на ископаемом углеводородном топливе, критически важной для их эксплуатации первичной инфраструктурой является система по добыче нефти и её траспортировке, преобразованию её в необходимые виды топлива на нефтеперегонных заводах (НПЗ), система распределения произведённого топлива до автозаправочных станций (АЗС) и сами АЗС. Вторичной инфраструктурой является всё, что обеспечивает функционирование первичной инфраструктуры, то есть, это компании и их заводы по производству оборудования для добычи и транспортировки нефти и нефтепродуктов, оборудования для НПЗ, оборудования для АЗС и т. д. К этому необходимо добавить огромное количество людей, которые задействованы во всех этих достаточно сложных процессах, которые имеют необходимые образование и практический опыт.  Данная технологическая инфраструктура создавалась много десятков лет, то есть, достаточно продолжительное время.

Когда мы начинаем говорить о массовом переходе к использованию электромобилей вместо традиционных автомобилей с ДВС, то необходимо отдавать себе отчёт в том, что нам необходимо будет за очень короткий срок создать новую технологическую инфраструктуру двух уровней, которая должна будет обеспечивать нормальное функционирование сотен миллионов электромобилей по всему миру, а также провести обучение или переобучение огромного количества людей, которые должны будут обслуживать всю эту новую инфраструктуру. Причём всё это необходимо будет сделать максимум за 20 лет. Почему за 20? А потому, что передельный срок эксплуатации современных массовых автомобилей с ДВС сократился с 30-40 лет, который был обычным для западных автомобилей выпуска 1990-х годов, до 7-10 лет для автомобилей, которые производятся после 2010 года. В последние годы производители сознательно меняли технологии производства массовых автомобилей, чтобы физически сократить срок их предельной эксплуатации и вынудить их владельцев приобретать новые автомобили. Соответственно, если в той же Европе продажи автомобилей с ДВС будут запрещены в 2030 году, то к 2040 году существующий парк автомобилей с ДВС в основном физически выработает свой ресурс и его необходимо будет заменить на новые электромобили.

Что это означает на практике? По мнению некоторых экспертов, в случае замены имеющегося парка автомобилей с ДВС на электромобили, объём генерации электроэнергии необходимо будет увеличить минимум в два раза. В том случае, если удастся наладить массовый выпуск сравнительно недорогих и эффективных топливных элементов, чтобы перевести магистральные грузовики и другой тяжёлый транспорт на водородную схему, то в полтора раза. Следовательно, необходимо будет построить за следующие 20 лет либо ещё половину от уже имеющихся электростанций, либо ещё столько же, сколько у нас уже есть сейчас. И это с учётом того, что действующие электростанции постепенно вырабатывают свой ресурс и требуют постоянного обновления.

Но одними только электростанциями дело не ограничится, поскольку кроме генерации электроэнергии, нам требуется ещё довести эту электроэнергию до потребителей. Следовательно, нам потребуется существенно модернизировать сети распределения электроэнергии, по сути, также в 1.5 или 2 раза увеличив их пропускную способность. На практике это означает, что необходимо будет построить новые ЛЭП, трансформаторные и распределительные подстанции и т. п.

При этом нам будет недостаточно просто количественно нарастить объёмы нашей распределительной электросети. В связи с тем, что для быстрой зарядки аккумуляторов большой ёмкости нам необходимо подвести к зарядным станциям электрический ток большой мощности, придётся качественно перестроить распределительную электрическую сеть на уровне конечного потребителя. Например, если мы собираемся построить общественную зарядную станцию на десять точек экспресс-зарядки, каждая из которых будет выдавать по 150 кВт мощности, то нам придётся подвести к такой зарядной станции 1.5 мегаватта электрической мощности. В случае использования трёхфазной сети на 380 вольт для передачи такой мощности потребуется кабель очень большого сечения, а потери при передаче будут очень большими. Соответственно, нам придётся подводить к таким общественным зарядкам непосредственно высоковольтное напряжение 10 киловольт и уже на месте понижать его до того, которое будет требоваться конечным зарядным станциям. Следовательно, потребуется другое оборудование а также много квалифицированного персонала, который обучен работать с высоковольтным напряжением.

Тоже самое будет касаться и посёлков с частными домами, хозяева которых захотят установить собственные зарядные станции большой мощности. Даже если мы ограничим мощность частных зарядных станций мощностью в 22 кВт, которая сегодня является максимально доступной для Европы, при среднем нормативе потребления одного домохозяйства в 12-15 кВт нам придётся увеличить пропускную способность сети распределения электроэнергии также в 1.5 - 2 раза. А это, как минимум, замена трансформаторных подстанций на подстанции большей мощности, а каких-то случаях и самих ЛЭП.

Отдельная проблема, что потребление электроэнергии в этих сетях будет обладать заметно большей неравномерностью, чем сейчас, поскольку подключение электромобиля на зарядку резко увеличивает потребление электроэнергии в разы. Никакие другие бытовые потребители электрической энергии не создают таких резких скачков в потреблении электроэнергии. Причём характер использования электромобилей в пригородах мегаполисов, когда жители малоэтажных посёлков днём массово уезжают на работу в мегаполис, а вечером также массово возвращаются домой и ставят свои электромобили на подзарядку примерно в одно и тоже время, будет ещё больше усугублять ситуацию.

Отдельно ещё раз хочу подчеркнуть, что разработка новых типов аккумуляторов, обладающих ещё большей ёмкостью и ещё меньшим временем зарядки, над чем сейчас ведётся активная работа по всему миру, лишь усугубит проблему сетей распределения электроэнергии, поскольку в этом случае нам потребуется передавать ещё больше энергии за единицу времени, а значит, создать сети распределения электроэнергии ещё большей мощности.

В комментариях к первой части некоторые из читателей высказывали идею о том, что одним из способов решения проблемы времени зарядки аккумуляторов может стать разработка системы сменных аккумуляторов, которые будут просто заменяться на зарядных станциях и заряжаться отдельно от самого электромобиля. Тут тоже не всё так просто, как кажется на первый взгляд.

Во-первых, как я уже поминал выше, современный автомобильный аккумулятор имеет достаточно большой вес. У Ауди e-tron 55 quattro вес аккумуляторной батареи составляет 700 кг. То есть, сам по себе процесс замены аккумулятора такой массы уже будет требовать применение специального подъёмного и перемещающего оборудования, поскольку просто так руками вы 700 кг не поднимете и не перенесёте.

Во-вторых, необходимо будет решить проблему создания унифицированных силовых контактов, с помощью которых съёмная аккумуляторная батарея должна будет подключаться к силовой цепи электромобиля. Здесь необходимо учитывать, что токи, которые возникают в цепи аккумулятор-двигатель в момент разгона электромобиля в разы больше, чем те токи, которые необходимы для зарядки этого аккумулятора. Поэтому надёжный электрический контакт в данной цепи крайне важен. В противном случае очень высока вероятность перегрева и возгорания. Отдельная проблема в данном случае состоит в том, что эти контакты должны хорошо выдерживать постоянное частое отключение и подключение сменных аккумуляторов, не теряя со временем своих свойств. Исходя из личного опыта работы с силовыми электрическим машинами на сварочном производстве, могу сказать, что подобные разъёмы точно будут весьма не дешёвыми.

В-третьих, необходимо будет решить проблему надёжного крепления подобного тяжёлого аккумулятора в корпусе автомобиля. Сейчас на большинстве современных электромобилей силовой внешний корпус аккумулятора одновременно является частью силовой схемы кузова автомобиля. То есть, он, с одной стороны, обеспечивает защиту аккумуляторных элементов, из которых собирается батарея, от возможных внешних повреждений, а с другой стороны, обеспечивает прочность днища кузова автомобиля. Если же мы сделаем эту деталь съёмной, то, во-первых, прочность кузова необходимо будет обеспечить другими средствами, а во-вторых, обеспечить надёжную систему крепления самого аккумулятора внутри кузова, чтобы обеспечить его надёжную фиксацию внутри кузова, что особенно важно в случае столкновений во время ДТП.

Отдельно необходимо отметить те проблемы, которые возникают в случае повреждения мощных аккумуляторных батарей во время столкновений. Практически любое нарушение целостности конструкции подобных аккумуляторов приводит к тому, что запасённая в них энергия начинает неконтролируемо высвобождаться, результатом чего будет либо взрыв, либо пожар, а чаще и то, и другое вместе. При этом отдельную головную боль для муниципалитетов, которые в большинстве стран отвечают за обеспечение противопожарной защиты, является тот факт, что электрические аккумуляторы нельзя тушить водой и другими средствами тушения с содержанием воды, поскольку в данном случае вода будет дополнительно активизировать процесс дальнейшего разрушения аккумулятора и высвобождения запасённой в нём энергии. Мало того, в большинстве случаев подобный аккумулятор в принципе невозможно потушить до тех пор, пока запасённая в нём энергия не будет израсходована и аккумулятор полностью не разрядится. В Германии и Австрии после того, как будет потушено основное пламя, горевшие электромобили помещают в специальные баки в водой на срок от 48 до 72 часов (фото по ссылке), чтобы гарантировать, что автомобиль самопроизвольно не загорится снова. А рекомендации самого производителя автомобилей Тесла содержат пункт о том, что для тушения их электромобиля пожарным необходимо иметь с собой не менее 11.5 тонн воды, при этом первоочередной задачей пожарных перед началом тушения электромобиля является отключение высоковольтной системы, для чего они должны получить доступ к энергоконтуру электромобиля, пробив кузов Теслы в специальных местах. Кроме того, литий-ионные батареи при внешнем воздействии и высокой температуре выделяют очень токсичные пары, поэтому применение дыхательных аппаратов при тушении электромобилей является обязательным. По этой же причине для пассажиров электромобилей, которые оказались зажаты повреждённым кузовом, у которых при этом оказалась также повреждена аккумуляторная батарея, близки к нулю. Даже если они не сгорят от начавшегося пожара, то с высокой вероятностью задохнутся от токсичных паров, выделяемых повреждённым аккумулятором.

Ещё одна проблема сменных аккумуляторов состоит в том, что для этой схемы нам потребуется как минимум двойной комплект аккумуляторов. Один стоит в автомобиле, второй в это время заряжается на зарядной станции. При этом, помимо двойного количества аккумуляторов, которые и так весьма не дёшевы, нам необходимо будет решить весьма непростую проблему собственности на данные аккумуляторы. Сейчас мы просто покупаем электромобиль вместе с аккумулятором, который является собственностью владельца электромобиля. Если же аккумуляторы будут съёмными, то как организовать процесс совместного использования данных аккумуляторов? Кому они будут в этом случае принадлежать? Заправочной станции? Производителю электромобилей? В момент получения аккумулятора для своего электромобиля, владелец будет получать его в аренду или во временную собственность? В общем, тут тоже масса чисто юридических проблем, которые усугубляются высокой стоимостью современных автомобильных аккумуляторов большой ёмкости.

Интересную концепцию станций быстрой зарядки, которая позволяет сгладить часть проблем массового использования электромобилей, предложена концерном Ауди. Они собираются построить сеть станций быстрой зарядки, которые будут оснащены зарядными терминалами мощностью по 300 кВт. А для того, чтобы сгладить пики потребления и иметь возможность подключать данные станции зарядки к обычной электрораспределительной сети, на самих станциях будут установлены литий-ионные аккумуляторы емкостью 2.45 МВт*час. То есть, стационарные аккумуляторы постепенно заряжаются от обычной сети электроснабжения, а затем быстро сбрасывают часть своего заряда на заряжаемый электромобиль. Идея, несомненно, красивая, но для её массовой реализации также необходимо будет иметь, по сути, второй комплект аккумуляторов, но только стационарно установленных.

Здесь мы подходим к ещё одной важной теме, которую необходимо обсудить. Очевидно, что предстоящая неизбежная модернизация электрической инфраструктуры, а также начало массового производства электромобилей, также неизбежно приведут к росту цен как на все металлы и материалы, которые используются как в самих электромобилях, так и в обеспечивающей их технической инфраструктуре. В первую очередь это литий, различные редкоземельные металлы и, само собой, медь, без которой современная электротехника невозможна. Также это должно привести к неизбежному росту стоимости самой электроэнергии, поскольку все эти затраты на развитие энергетической инфраструктуры электроснабжающим компаниям должен кто-то компенсировать. И даже если на эти цели будут использованы дотации из государственных бюджетов, необходимо понимать, что в деньги в бюджете не возникают из воздуха. Это налоги, которые были уплачены гражданами данного государства.

Мало того, сегодня экономики всех без исключения стран очень сильно завязаны друг на друга, а цены на стратегические товары, те же металлы, по сути являются общемировыми.  На практике это означает, что неизбежный рост цен на редкоземельные и цветные металлы, в первую очередь литий и медь, распространится на всех, а не только на те страны, которые играются у себя в «чистый транспорт» и пытаются запретить автомобили с ДВС и перейти на массовое использование электромобилей. При этом неизбежно вырастут цены не только на сами электромобили, но и на всё электротехническое и бытовое электрооборудование, бытовую технику и электронику. Другими словами, за удовольствие «развитых стран» жить в экологически чистой среде и дышать чистым воздухом в конечном итоге заплатит весь мир, в том числе и мы с вами.

Tags: реальная экономка, технологии, экология, электромобили
Subscribe

Recent Posts from This Journal

  • Post a new comment

    Error

    Anonymous comments are disabled in this journal

    default userpic

    Your reply will be screened

    Your IP address will be recorded 

  • 7 comments