Норберт Лоссау: Величайшая иллюзия об электромобиле. Перевод Леонида Комиссаренко

 366 total views (from 2022/01/01),  2 views today

Аккумуляторы в современных электромобилях почти всегда — литий-ионные. В целом, они являются доминирующей технологией даже для инструментов с электрическим приводом и бытовой техники, поскольку имеют сравнительно высокую плотность энергии и срок службы.

Величайшая иллюзия об электромобиле

Норберт Лоссау
Перевод с немецкого Леонида Комиссаренко

Норберт Лоссау

Электромобили считаются экологически чистыми, но для многих водителей их аккумуляторы слишком дороги или непродуктивны.

Когда же, наконец, исследователи смогут представить недорогой и долговечный автомобильный аккумулятор, с помощья которого можно будет преодолевать большие расстояния? Эксперты считают: никогда. Причиной этого является таже и фактор два.

Автомобили с электрическим приводом желанны и политически. Так как они служат защите климата. Если бы 100 процентов электричества для электромобилей вырабатывалось с использованием возобновляемых источников энергии, то поездки на таких авто были бы без выбросов CO2. Но до этого еще далеко. В настоящее время значительно больше 50 процентов электроэнергии в стране вырабатывается из ископаемого топлива.

Кроме того, аккумуляторная технология — прежде чем электромобили смогут получить широкое признание — все еще нуждается в значительном улучшении. Для многих ассортимент сегодняшних электромобилей с литий-ионными батареями слишком мал, чтобы решиться на выбор такой формы ​​мобильности. Кроме того, сравнительно высокая стоимость приобретения электромобилей и, соответственно, аккумуляторов для них, до сих пор отпугивала потенциальных покупателей.

Вот уже несколько лет в Германии всё больше денег вкладывается в исследования и разработку новых батарей. Большая цель — создать супер-аккумулятор с максимально возможной емкостью, который быстро заряжается, имеет длительный срок службы и к тому же стоит недорого. Но насколько реалистично это видение?

Пока что литий-ионные аккумуляторы вне конкуренции

Аккумуляторы в современных электромобилях почти всегда — литий-ионные. В целом, они являются доминирующей технологией даже для инструментов с электрическим приводом и бытовой техники, поскольку имеют сравнительно высокую плотность энергии и срок службы. «Они характеризуются сочетанием многих полезных свойств, — объясняет профессор Мартин Винтер, исследователь аккумуляторов из Университета Мюнстера, — ни одна другая система хранения электроэнергии не может сравниться с этой».

Мартин Винтер
Мартин Винтер

Помимо своей университетской деятельности, Винтер также возглавляет центр исследований аккумуляторов Meet (Münster Electrochemical Energy Technology). Работа там в основном направлена ​​на дальнейшее совершенствование литий-ионной технологии. Ученые Meet также изучают другие варианты батарей с более высокой плотностью энергии на основе лития, в частности так называемые твердотельные литиевые батареи, которые могут обходиться без жидкого электролита. Исследователей также волнует вопрос, являются ли альтернативные аккумуляторные системы на основе натрия, магния или кальция практичной и, возможно, более дешевой альтернативой литиевым.

Все эксперты по аккумуляторам сходятся на том, что никогда не будет супер- аккумулятора, оптимального для любого применения. Потому что не все свойства батареи можно улучшить параллельно. По некоторым параметрам законы физики неизбежно приводят к конфликту целей. К примеру, возможность быстрой зарядки всегда идет за счет длительности жизни аккумулятора.

Емкость может быть увеличена не более чем вдвое

Андре Тесс
Андре Тесс

Существуют также теоретические верхние пределы ёмкости батарей, которые в принципе невозможно преодолеть. Если спуститься на уровень квантовой физики, то можно предположить еще фактор 5, увеличивающий ёмость батарей, — говорит физик Андре Тесс, директор Института технической термодинамики Немецкого центра воздушных и космических полётов (DLR).

Однако он предполагает, что на практике может быть достигнуто увеличение ёмкости только в два раза, то есть удвоение сегодняшней. «Однако это был бы конец истории», — подтверждает профессор Армин Шнеттлер, руководитель отдела энергетических исследований компании «Siemens».

Азиатские производители заявили, что они будут поставлять такие батареи с середины следующего десятилетия.

Армин Шнеттлер
Армин Шнеттлер

Мартин Винтер также имеет в виду фундаментальные ограничения сегодняшних литий-ионных систем. «Плотность энергии может быть увеличена максимум на 40%, — говорит он, — с переходом на литий-металлические твердотельные батареи, однако, улучшение возможно на 80–100%». Итак, вот он опять, ограничивающий фактор два.

«Но фактора два будет недостаточно, чтобы помочь электромобилям добиться широкого прорыва, — говорит Шнеттлер, — для этого нам потребуются улучшить аккумуляторные технологии в десять раз». Винтер по этому поводу более оптимистичен. В конце концов, удвоение ёмкости означало бы, что электромобиль, который сегодня имеет практический запас хода 300 километров, в будущем сможет проехать до 600 километров. А это уже кое-что.

Прогресс не всегда достигает практики

Даже в старых учебниках по электрохимии, говорит Винтер, можно прочесть, что возможная ёмкость батареи на практике составляет всего около 25 процентов от теоретически достижимого значения. В общем, в этом плане ничего не изменилось. Единственное исключение — литий-ионные системы. «С этими батареями мы сейчас достигли 40 процентов теоретического предела», — говорит Винтер.

Но даже это само по себе положительное утверждение косвенно дает понять, что и эти батареи нельзя улучшать по желанию. Альтернативные аккумуляторные системы в настоящее время достигают лишь 10-15 процентов своего теоретического потенциала. Так что, если говорить оптимистично, нововведения еще возможны.

«Технологический прорыв нельзя просто заказать», — предупреждает профессор Тесс. Суть фундаментальных исследований заключается в том, что нельзя зарание знать, что получим в конце. «Сбои планировать невозможно». И даже если некоторые параметры батареи могут быть улучшены в лабораторных масштабах, все еще далеко не ясно, можно ли перенести этот прогресс в практическое использование. Этого нельзя добиться только за счет миллиардного финансирования.

Винтер также видит это так: «То, что сегодня очень хорошо работает в лаборатории, не должно изображаться как aпогей в будущем». В прошлом «Ура!» иногда кричали слишком рано. Например, в статье в «Scientific American» в 1966 году было предсказано, что так называемые воздушно-цинковые батареи будут готовы к использованию всего несколько лет спустя, и что тогда может начаться эра электромобильности. В 90-х годах были проведены полевые испытания этой технологии, в том числе и в автопарке Deutsche Post, однако эта батарея так и не прижилась.

Развитие батарей — это вопрос цены

Сегодня исследовательские лаборатории снова работают над металл-воздушными батареями, на этот раз литий является наиболее многообещающим кандидатом в качестве электродного материала. Снова слышим, что такие батареи могут быть готовы к использованию через несколько лет. «Но ни литий-воздушные, ни литиевые твердотельные батареи не демонстрируют признаков революции», — говорит Тесс. И Винтер подчеркивает: «На исследовательском горизонте не видно ничего, что бы по большому счёту могло заменить литий-ионную технологию для использования в системах хранения и в электромобилях».

По словам Тесса, то, какую роль будут играть аккумуляторы в электромобильности и в энергетической системе в целом как накопитель энергии — в первую очередь вопрос цены. «За последние десять лет цены на литий-ионные батареи упали более чем в десять раз, — говорит профессор Винтер, — с примерно 1000 до менее 100 евро за киловатт-час энергии». Но это развитие не может продолжаться с той же динамикой. По оценкам Винтера, цена выровняется между 50 и 100 евро за киловатт-час — в зависимости от количества произведенных единиц и динамики цен на сырье.

«Литий содержится в элементе в таких малых количествах и в настоящее время настолько дешев, что даже переработка не имеет смысла, — говорит Винтер, — но это может измениться в будущем». Андре Тесс убежден, что для приемлемости электромобилей более низкая цена в любом случае важнее, чем улучшение различных технических параметров.

По словам Тесса, закупочная цена батареи — это только половина дела. Батарея немного теряет свою емкость при каждой зарядке. Это означает, что стоимость аккумулятора также уменьшается каждый раз при зарядке. «Сегодня эта потеря стоимости составляет около десяти центов за цикл зарядки и киловатт-час ёмкости батареи, — говорит Тесс, — поэтому 100-киловаттная батарея теряет в стоимости десять евро с каждым процессом зарядки».

Чем больше емкость, тем меньше срок службы батареи

Однако одна из самых больших проблем для исследователей аккумуляторов заключается в том, что до сих пор повышение ёмкости всегда приводит к сокращению срока службы аккумулятора, то есть количества возможных циклов зарядки. С точки зрения практического использования также применимо следующее: если батарея заряжается до предела и, с другой стороны, всегда полностью разряжается, это также влияет на срок службы. При разработке батарей для электромобилей всегда есть определенные компромиссы. Каждая батарея может выдержать только ограниченное количество циклов зарядки, прежде чем она попадет в спецотвал или будет переработана. Идея о том, что аккумуляторы в электронных транспортных средствах могут использоваться в качестве общего энергетического буфера для энергосистемы, звучит довольно иллюзорно, учитывая потерю стоимости для владельцев.

Срок службы литий-ионных аккумуляторов, используемых сегодня в электромобилях, составляет от 1500 до 2000 циклов зарядки. «В нашей лаборатории мы уже экспериментируем с литий-ионными аккумуляторами, которые без проблем могут выдержать 20 000 циклов зарядки», — сообщает Винтер. Но это не всегда желательно.

«Желание заполучить батарею с числом циклов большим, чем, собственно говоря, необходимо, то это зачастую обозначает бòльшие издержки при её изготовлении. За такую ​​батарею нужно и платить больше, — говорит Винтер. На данный момент это нереалистичный вариант.

Тесс не хочет предсказывать, насколько мощной может быть аккумуляторная технология через пять или десять лет. «Некоторые исследователи поддаются искушению давать обещания, о которых еще не известно, насколько они реалистичны», — критикует он. В конце концов, то, какие технологии будут преобладать в области мобильности, будет определять рынок, — убежден Тесс. Наиболее важные достижения в области аккумуляторных технологий — это те достижения, которые приводят к значительному снижению цен. Поэтому производители всегда будут задаваться вопросом, стоит ли все еще прилагать усилия для небольших улучшений. Важный фактор цены должен предотвратить выжимание до последнего квантика технически выполнимого из практически осуществимой технологии.

«Есть много аккумуляторов будущего»

«Но и политическая структура также играет свою роль», — говорит Уинтер. От неё также зависит, будет ли вождение автомобилей с электрическими двигателями или двигателями внутреннего сгорания примерно равным по цене. Но электромобили с аккумуляторами раньше или позже пробьются, убеждён Винтер. Открытым оастаётся вопрос соревнования между топливными элементами и бензиновым или дизельным приводом. «В конце концов все эти технологии вкупе с аккумулятором лучше, чем без него», — говорит Винтер. Топливные элементы превращают водород в электроэнергию, которая промежуточно хранится в аккумуляторе и используется для привода электромоторов.

«Не может и не будет универсального решения для автомобильных приводов», — убежден Шнеттлер. Вот почему важно, чтобы исследования проводились нейтрально с точки зрения технологий, и чтобы также учитывался водород как носитель энергии для мобильности. Шнеттлер прекрасно понимает, что на практике будут конкурировать разные технологии.

«Почему на переходной период, до тех пор, пока ископаемое топливо не перестанет играть свою роль, не может быть параллельных заправочных станций для газа, дизельного топлива, бензина, водорода и электроэнергии?» — риторически спрашивает Шнеттлер.

Аналогично это видит и Тесс, убежденный, что для каждой из этих технологий есть ниши. «Для поездок на короткие расстояния, например в пределах города, электромобиль с аккумулятором, вероятно, будет самым дешевым, — прогнозирует Тесс. — Для бóльших расстояний, в окрестностях, более дорогая технология топливных элементов и заправка водородом, вероятно, будут идеальными. И для большИх расстояний вероятно, понадобится еще более дорогое синтетическое топливо».

Георг Шютте
Георг Шютте

«В любом случае батареи будущего не существует, — говорит Винтер, — есть много батарей будущего, и одна из них будет литий-ионной». С политической стороны очень похожие оценки. Литий-ионная технология «будет доминировать в аккумуляторных технологиях как минимум еще десять лет», — говорит Георг Шютте, который до конца августа 2019 года занимал пост государственного секретаря Федерального министерства образования и исследований, на ежегодной конференции German Battery Forum в январе 2019 года.

«Действительно ли революционные системы держат то, что от них ожидают — пока еще не ясно. Если следить за публичными обсуждениями, то может сложиться впечатление, что для введения новшеств почти нет препятствий, и что Святой Грааль найден. Но это впечатление обманчиво. Многие вопросы по твердотельным аккумуляторам и твердым электролитам еще предстоит выяснить. Всесторонняя критическая оценка концепции твердотельных аккумуляторов все еще не завершена».

Print Friendly, PDF & Email

7 комментариев к «Норберт Лоссау: Величайшая иллюзия об электромобиле. Перевод Леонида Комиссаренко»

  1. привлекательность электромобилей обусловлена не только аккумулятором.
    Цена акб и ограниченность циклов зарядки — разрядки — фактор против покупки электромобиля, но напрашиваются для дополнения некоторые «за».
    Хотя уже сейчас пробег на 1 зарядке в премиум-марках может достигать 380-450 км, а время заряда акб с 5% до 80% составляет 25 минут.
    А уж мелкий е-мобиль для поездки на работу и домой с временем заправки на трудовой стоянке — работает.

    А теперь, эксклюзивно для высоких сетевых:

    Электромотор — работает тише и из-за бесконтактности магнитной индукции не ходит ходуном — из чего следует уменьшение колебаний и вибраций на порядок.
    Это означает убеньшение вибраций и дребезга — что делает более надёжной работу бортовой сети с приборами и всей механики.
    Электромотор означает не такие высокие термические нагрузки на себя и на подкапотное пространство — а температуры — так же весомый источник выхода из строя электронных и механических компонентов.
    Электромотор конструктивно менее громоздок чем двс и его компоненты более монолитны и его режимы работы легче синхронизируются с бортовой электроникой вспомогательных систем.
    В двс много трущихся поверхностей, текучих материалов (герметико-зависимость: температуры и вибрации), давление, сгорание, электро-кпд выше.
    В результате — электро-силовой агрегат более долговечен, гораздо менее подвержен поломкам и менее требователен к техобслуживанию и ремонту, как и весь е-мобиль.
    Все это означает ощутимую экономию на ремонте и обслуживании.

    Но это все еще не главная фишка. А главная вишка — в существенном уменьшении конструктивных размеров силового агрегата, необходимого для создания двс той же мощности.
    В результате (как сказали бы женщины): «вижу — compact, а как легли унутри — чуйствую — премиум-space».

  2. Avraam 21Aвгуста 2020 at 9:02 | Permalink EDIT
    Литий очень редкий металл и цена на него постоянно растет. Надежда на электромобили напоминает давно угасшую надежду на термоядерные элетростанции 20 века

    +++++++++++++++++++++++++++++++++
    Уважаемый Аvraam!
    На этом месте не могу с Вами согласиться. Слухи о смерти (угасании) надежды сильно преувеличены. Оказывается, токамаки не канули в лету. Недели 2 назад все СМИ(О) были полны репортажей с перерезанием ленточек на грандиозной стройке во Франции. Вот лишь один линк: @http://www.ixbt.com/news/2020/07/30/revoljucija-v-jenergetike-vo-francii-pristupili-k-postrojke-pervogo-jeffektivnogo-termojadernogo-reaktora-itjer.html@
    и тысячи других.

  3. Литий 0чень редкий металл и цена на него постоянно растет. Надежда на электромобили напоминает двно угасшую надежду на термоядерные элетростанции 20 века

  4. Возможно, я бы даже согласился со скептиками, несмотря на то, что слово «невозможно» всегда предшествовало прорывам, а сам я как раз из тех, кто часто «рвал» помелочам:), но:
    https://www.store-dot.com

  5. Во-первых, огромное спасибо за труд по переводу статьи на актуальную тему.
    Во-вторых, вся Австралия усеена ветряками и солнечными батареями. Но автомобили по-прежнему использкют бензин или солярку.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.

Арифметическая Капча - решите задачу *