Honda Clarity Fuel Cell
Электромобильность распространяется все больше и больше. С этим уже все согласны. Но как только дело доходит до вопроса о том, какая технология станет в будущем преобладать в электрификации автомобилей и соответственно в производстве систем хранения электроэнергии, сразу же возникают разногласия.
Такие автопроизводители как Тесла считают, что будущее за аккумуляторными батареями. Однако, немецкие автопроизводители считают, что в долгосрочной перспективе топливные элементы являются основной надеждой для электрификации их автопарка. Очевидно, что сегодня пока еще нет окончательного ответа на этот вопрос. Скорее всего, в будущем обе концепции будут развиваться и сосуществовать. В этой статье мы хотим лишь более внимательно рассмотреть преимущества и недостатки обеих концепций, оставив за пределами рассмотрения такие темы, как экологический баланс и выбросы CO2.
Топливные элементы очень эффективны только в теории
На первый взгляд концепция транспортного средства с топливным элементом кажется очень интересной. Для привода электродвигателя не нужны большие и тяжелые аккумуляторные батареи в качестве хранилища для электроэнергии, потому что благодаря топливному элементу необходимая энергия создается реакцией водорода с кислородом непосредственно в автомобиле. Из выхлопной трубы выходит только водяной пар. Теоретически, топливный элемент может достичь эффективности до 83%. К сожалению, это теоретическое значение пока еще не достигнуто на практике. Что становится очевидным уже при первом сравнении между Honda Clarity и Tesla Model S.
По данным Хонды, Clarity способна проехать на пяти килограммах водорода в соответствии с EPA (Агентство по охране окружающей среды США) 585 километров. Также, в соответствии с EPA, Модель Tesla S 100D с установленной на ней аккумуляторной батареей на 100 кВтч может проехать 539 километров. Но сколько энергии действительно расходуется транспортными средствами при прямом сравнении? Энергоемкость одного килограмма водорода составляет 40 кВтч — или 142 кДж. Таким образом, количество энергии, хранящейся в баке при давлении 700 бар, составляет 200 кВтч. Чтобы проехать то же самое расстояние, что и модель S, Хонде нужно вдвое больше энергии. Причина этого заключается в том, что топливный элемент может использовать свою эффективность только при очень низких уровнях мощности. С увеличением мощности связанные с этим потери увеличиваются. Итак, в действительности эффективность топливного элемента при эксплуатации транспортного средства составляет около 50%.
В дополнение к потере эффективности есть еще и потери при заправке. Для заполнения бака при давлении в 700 бар расходуется около 15% энергетического содержания водорода. Для заправки Honda Clarity расходуется около 30 кВтч энергии.
Кроме того, для производства водорода также требуется энергия. Хотя в промышленности водород образуется как побочный продукт, однако, в основном он производится электролизом. На сегодняшний день даже самые лучшие электролизные элементы имеют эффективность 70%. Чтобы произвести пять килограммов водорода для Honda Clarity и сжать их для хранения в баке, требуется 300 кВтч энергии. Однако, эффективно на колеса из них поступают только около 100 кВтч. Более того, если производство водорода не происходит непосредственно на заправочной станции, то для транспортировки водорода также необходима дополнительная энергия. Таким образом, эффективно используется только около трети энергии, необходимой для движения.
Имеющиеся сегодня в продаже автомобили на топливных элементах по-прежнему очень дорогие. Для топливных элементов необходимы редкоземельные элементы, а для нынешнего поколения требуется, например, 40 г платины. За 40 граммов этого драгоценного металла на мировом рынке нужно заплатить около 1200 швейцарских франков. Кроме того, в них используются и другие дорогие компоненты, а также то, что они выпускаются в небольшом количестве, приводит к повышению цен на автомобили на топливных элементах. Безусловно, что в будущем с увеличением их количества и с падением производственных затрат они станут более доступными.
С топливными элементами пользователям не нужно менять свою ментальную модель
Наряду с эффективностью топливных элементов и высокой ценой автомобилей, есть еще один момент, который также нужно учитывать. Водородных заправочных станций, необходимых для заправки, по-прежнему мало. В Германии насчитывается около 70 водородных заправочных станций, а в Швейцарии есть только одна общественная водородная заправочная станция. Но автомобили на топливных элементах могут стать убедительными на рынке только при увеличении числа заправочных станций. И именно в этих заправочных станциях кроется фактор успеха. Владельцам транспортных средств на топливных элементах не нужно менять свою ментальную модель. Как и в случае с автомобилями с двигателем внутреннего сгорания, пустой бак на заправке пополняется за короткое время, и путешествие можно продолжать без проблем и без больших перерывов. Маршруты не нужно планировать заранее, и не нужно принимать во внимание длительные остановки, связанные с электромобилями на аккумуляторных батареях.
Вес и время зарядки — самые большие проблемы для аккумуляторных батарей
При таком прямом сравнении перерывы, связанные с более длительным временем зарядки, являются недостатком для электромобилей на аккумуляторных батареях. Однако, разработки в области аккумуляторных батарей и их зарядки демонстрируют значительные успехи. В последнее время были представлены зарядные станции мощностью 400 киловатт и более, а новейшие концепции аккумуляторных батарей могут обеспечивать зарядку всего за 10 минут. Но пока что этого нет, так что электромобили на аккумуляторных батареях нужно подключать к розетке быстрозарядной станции на минимум 30-60 минут после каждых 200-500 километров.
Еще одна проблема с аккумуляторными батареями — их большой вес и объем. Здесь в разработках также есть большой прогресс. Например, Renault удалось значительно увеличить количество энергии на килограмм. Емкость батареи для Renault Zoe почти удвоилась с 22 до 41 кВтч — при тех же размерах. Чтобы оставаться в нашем сравнительном анализе между Хондой и Теслой, то следует учитывать, что собственная масса двух автомобилей при одинаковых размерах отличается на 325 килограммов.
Электромобили на аккумуляторных батареях имеют наивысшую эффективность
Что касается энергоэффективности, то электромобили на аккумуляторных батареях более убедительны. Их эффективность составляет около 85%. Она складывается из потерь, связанных с управлением температурой, потреблением энергии вспомогательным оборудованием и потерей энергии самим электродвигателем. В дополнение к потере 15% на приводе также возникают потери при зарядке. В зависимости от силы тока зарядной станции и внешних условий, таких как температура воздуха или температура батареи, следует рассчитывать на потерю еще от 5 до 20%. Однако, в конце концов, около 75% энергии, необходимой для движения, эффективно воздействует на колеса.
В прошлом электромобили на аккумуляторных батареях были очень дорогими. Между тем, цены на батареи резко упали. За последние семь лет цена за киловатт-час снизилась на 80%. Это снижение цен продолжится и в ближайшие несколько лет. По словам Теслы, целью является менее 100 долларов США за киловатт-час. Эта цель может быть достигнута путем массового производства батарей на крупных заводах, таких как Tesla Gigafactory. Автомобильный рынок ожидает, что стоимость автомобилей на аккумуляторных батареях через несколько лет снизится до уровня автомобилей с двигателем внутреннего сгорания.
В заключении мы хотели бы остановится на возможностях для зарядки электромобилей. В Германии сегодня насчитывается более 8000 зарядных станций, в общей сложности 23 000 точек подключения. Для сравнения: в то же время в Германии насчитывается около 14 100 обычных автозаправочных станций. В Швейцарии сегодня построено чуть более 2 500 зарядных станций с 7000 точек подключения. А вот обычных заправочных станций в Швейцарии насчитывается около 3600. Не следует забывать и о бесчисленных домашних розетках, которые также позволяют заряжать электромобили — хотя и очень медленно. Политики, частные компании, а также производители автомобилей последовательно занимаются расширением зарядной инфраструктуры.
В следующей статье мы сосредоточим наше внимание на оценке экологического баланса и выбросе вредных веществ в процессе производства и эксплуатации.
Источник: https://www.econaut.ch/brennstoffzelle-und-batterie-im-vergleich/