Электрокары и экология: о перспективных источниках питания

Статья от инициативной группы «Зеленая энергетика»

Данную статью также можно прочитать на английском языке

ФЕДОРЕЦ С.Г., ФЕДОРОВ С.И., БОЖОК И.Н., МАЗАН Н.Н.

УКРНИИТМ (Украинский научно исследовательский институт технологий и машиностроения, Днепр, Украина; Национальный Технический Университет «Днепровская политехника», Днепр, Украина).

Аннотация

В статье рассмотрены вопросы состояния источников электрической энергии, в частности, таких как современные АКБ (аккумуляторные батареи) для электромобилей. Приведены требования к таким накопителям энергии. Отмечены недостатки и преимущества существующих АКБ. Рассмотрены современные технологии, позволяющие увеличить дальность поездки без длительной подзарядки. Предложен способ подзарядки АКБ электромобиля с помощью суперконденсаторов.

Разработка перспективных источников питания для электромобилей

     Опыт развития транспортных средств и альтернативных энергетических систем предполагает наличие в их составе современных источников электрической генерации. Принимая во внимание масштабы и перспективы развития электромобилестроения, важность применения новых инновационных технологий в этой области не может ставиться под сомнение.

     Электромобили, в основном более экологичны, чем автомобили, работающие на бензине, дизельном топливе или газе, однако они все равно оказывают воздействие на окружающую среду. Это воздействие происходит в основном на стадии производства и утилизации, а не в процессе эксплуатации. Наибольшую опасность для экологии представляет производство и утилизация АКБ. Проведенные компанией Mazda исследования показали, что электромобили с аккумуляторными батареями большой емкости более вредны для окружающей среды, чем даже автомобили с бензиновыми и дизельными двигателями.

Электромобили Mazda в основном комплектуются довольно низкоемкостными батареями (35.5 кВтч). Директор по исследованиям бренда Christian Schultze в интервью Automotive News заявил, что таким образом компания заботится об экологии нашей планеты и, что при производстве и утилизации аккумулятора подобной емкости выделяется столько же двуокиси углерода (CO2) (даже учитывая замену АКБ после 100 тыс. миль пробега), как и при использовании дизельного хэтчбека Mazda за всю его службу. АКБ 95 кВтч (Tesla Model S и Model X) выбросит больше двуокиси углерода, чем дизель или авто на бензине. Еще хуже, если владелец решит заменить аккумулятор. Эксперты International Council on Clean Transportation рассчитали: Nissan LEAF с АКБ 30 кВтч на 30% экологичнее, чем Peugeot 208 с 1,6-литровым мотором BlueHDi.

     Anika Regett из исследовательского центра предприятий энергетики (FfE), признает, что «в производстве электромобиль уступает обычному». Но «электромобиль расходует меньше энергии на километр пути» и оказывается более экологичным, чем бензиновый, уже через 50 тысяч километров.

     Соответственно производство и эксплуатация электромобилей будут с каждым годом все более экологичными. Как указывает министр Германии по вопросам экономического сотрудничества и развития, а ранее министр экологии, охраны природы, строительства и ядерной безопасности, эксперт Svenja Schulze, что уже сейчас такие машины на 16% чище, чем дизельные, и на 27 % — чем бензиновые. А к 2025 году разрыв станет еще больше. Средний выброс бензиновой машины за всю ее автомобильную жизнь будет, по средним оценкам, составлять 168 грамм СО2 на километр пути, дизельной – 148 грамм, а на электрической тяге – 101 грамм.

     «В сфере легковых машин я не вижу альтернативы электрокарам в том, что касается защиты климата», — подводит итог Петер Кастен из НИИ во Фрайбурге.

     По данным фонда «Fondation pour la Nature et pour l`Homm» и Европейского климатического фонда в сотрудничестве с партнерами (WWWF, Renault  и др.) и брендами производителями АКБ: электромобили с малыми емкостями АКБ в городских условиях выделяют парниковых газов в три раза меньше, чем дизельные автомобили.

     В энергетических системах электромобилей получили широкое распространение кислотные тяговые, стартерные и литий-ионные накопители энергии, процесс эксплуатации которых может осуществляться в различных условиях, что требует от них соответствия определенным требованиям:

     Для конечного потребителя важнейшим являются требования к безотказной работе источника энергии без длительного по времени дополнительного заряда. На практике же химические источники энергии могут обеспечить пробег электромобиля на одном заряде лишь на небольшую дистанцию.

     Автопроизводители активно разрабатывают новые технологии, которые позволят увеличить дальность поездки без длительной подзарядки. Например, применение быстрой роботизированной замены аккумуляторов электромобилей (очень сложное оборудование пунктов зарядки).

     Одной из таких технологий является применение вместо аккумуляторных батарей – сборок суперконденсаторов. Супеконденсаторы имеют высокую емкость по сравнению с обычными конденсаторами, но отстают от современных аккумуляторных батарей по этому параметру. Суперконденсатор более надежен, прост и практически не подвержен износу, в отличие от аккумуляторной батареи (в основе работы которой лежит химическая реакция). Суперконденсатор может выдержать сотни тысяч циклов заряда и разряда, а расчетный срок его службы составляет более 15-20 лет. Такие системы протестированы и нашли свое применение в городском транспорте (китайские компании Sinautec, Shanghai Aowei Technology и Beiqi Foton Motors, американские Sinautec Automobile Technologies и Foton America Bus и многие другие). Разработками этих компаний является суперконденсаторный автобус (Ultracap Bus), который подзаряжается на остановках.

     Такая технология хорошо подходит для городских автобусов, остановки которых расположены каждые несколько километров, однако для электромобилей (применяемых для более длительных поездок) она не подходит. Одним из простейших технических решений для увеличения дальности поездки электромобиля является увеличение емкости аккумулятора, что ведет к значительному увеличению его габаритов, массы и стоимости. Увеличение количества горючих веществ в аккумуляторе приведет к значительному повышению электро-и пожаробезопасности при аварийных ситуациях. Начавшееся короткое замыкание при большой емкости аккумулятора приведет к высвобождению большого количества энергии (тепла) и значительно повышает пожароопасность автомобиля.

Если проблемы с обычными АКБ на электромобилях можно как-то контролировать, то с литий-ионными источниками (больше емкость, ток разряда, большое количество горючего материала) не дают возможности прекратить химическую реакцию и осуществить быстрое и успешное пожаротушение. Кроме того, из-за своей большой массы АКБ должна располагаться снизу, под дном электромобиля улучшая устойчивость (центр тяжести авто должен находиться по возможности ниже), но ухудшая безопасность. Неровности дороги, камни и т.п. могут привести к пробитию корпуса АКБ и возникновению пожара. Кроме того, увеличение количества веществ в АКБ электромобиля ведет к ухудшению экологии при их утилизации. В настоящее время уже скопилось достаточное количество использованных АКБ, что привело к необходимости сооружения новых заводов по их переработке.

Согласно отчету Гринпис, к 2030 году во всем мире закончится срок службы у около 13 млн. тонн никель-ионных аккумуляторов от электромобилей, которые требуют переработки. Так компания Nissan Motor готовится построить новые заводы по утилизации аккумуляторов в США и Европе до конца 2025 года. Hydrovolt запускает крупнейший в Европе завод по переработке аккумуляторов для электромобилей, его мощностей достаточно для всего объема тяговых АКБ пришедших в негодность в Норвегии. На заводе VW в Зальцгиттере, в 2020 году стартовал пилотный проект по рециклингу АКБ для авто. Утилизации подвергаются около 3000 батарей в год, затем мощности будут постепенно наращиваться.

     Соединив несколько суперконденсаторов, можно «собрать» емкость, равную емкости аккумулятора электромобиля. Вес такой батареи в 3-4 раза больше веса аккумуляторов электромобиля, что для современного автотранспорта недопустимо.

     Одной из новейших концепций в развитии электромобильного транспорта является совмещение двух разных типов накопителей энергии – графеновых или иных суперконденсаторов и аккумуляторных батарей.  Первые, имея удельную емкость до 1/4 — 1/5 от запаса установленных на электромобиле литиево-ионных аккумуляторов, заряжаются до 3-7 киловатт-час за 30 секунд. Вторые же вмещают от 30 до 70-100 кВтч, но их зарядка, даже ускоренная, требует уже более 5-6 часов. При этом зарядка суперконденсаторов может происходить при движении по дороге, оснащенной беспроводными зарядными станциями в дорожном полотне или при кратковременной остановке с быстрой зарядкой большими токами. (1-3)

     Авторами был изучен современный опыт отечественных и зарубежных компаний-производителей электромобилей и суперконденсаторов. На его основе выполнен комплекс исследований в лабораторных условиях НТУ «ДП».  Было выявлено, что основным недостатком АКБ для эксплуатации на электромобилях является скорость их зарядки.

     Для быстрого аккумулирования энергии нужны другие подходы и устройства, например, такие как суперконденсаторы.(4,5)

     В результате было предложено использовать суперконденсатор для быстрой зарядки, а затем в процессе движения с помощью системы заряд-разряд, которая входит в состав преобразователя-конвертера, подзаряжать АКБ электромобиля. Подзарядка в данном случае проходит в комфортных для АКБ условиях: при номинальных токах зарядки с малыми потерями на нагрев проводов и оборудования от больших токов, возможности снижения сечения и массы проводов (от разъемов на корпусе до АКБ, находящихся над днищем электромобиля).

     При необходимости накопленная в суперконденсаторе энергия может помогать батарее преодолевать повышенную нагрузку и пики потребления (уменьшая токи разряда). После разряда суперконденсатор снова готов получить новую порцию энергии. В процессе исследования использования суперконденсаторов вместе с АКБ проводилась проверка работоспособности системы заряд-разряда суперконденсаторов в АКБ. В составе системы: суперконденсатор, преобразователь-конвертер с блоком управления и АКБ. Система управления конвертером предназначена для равномерного, быстрого процесса заряда суперконденсатора (большими токами) и медленного его разряда на АКБ (токами, которые ей не вредят) с возможностью регулирования скорости протекания этих процессов.

     Кроме того, в нашем случае АКБ работает согласовано с блоком, регулирующим режим работы АКБ (эконом режим). Экономрежим АКБ необходим для увеличения дальности поездки электромобиля без дополнительной подзарядки.

     Проверка работоспособности проводилась на различных режимах и в разных условиях эксплуатации. Предложенная система находится на стадии патентования.

     Приведем некоторые преимущества применения суперконденсаторов:

     — быстрая зарядка (в тысячу раз быстрее АКБ)

     — относительно низкая стоимость (в 2-4 раза ниже за 1КВтч аккумулированной энергии).

     — плотность электроэнергии (особенно у графеновых суперконденсаторов).

     — экологичность (разложение под действием солнечных лучей);

     — пожаробезопасность (по отношению к АКБ).

     Выводы: Предложенные системы, снабженные суперконденсаторами дают возможность быстро от 0,5 до 4 минут зарядить суперконденсатор (значительным количеством энергии вплоть до уровня установленной АКБ) на кратковременных остановках, а затем передавать накопленную энергию уже при движении электромобиля (малыми токами в течении десятков минут) АКБ.

Авторы статьи:

Федорец С.Г. УКРНИИТМ, Днепр, Украина, ведущий конструктор. Область специализации: производство и утилизация батарей для электромобилей, инновационные аккумуляторы (создание аккумуляторных батарей нового поколения), разработка перспективных источников питания электромобилей.

Федоров С.И. Национальный Технический Университет «Днепровская политехника», Днепр, Украина, старший преподаватель кафедры электротехники

Область специализации: электричество, электротехника, классические и возобновляемые источники энергии, электромобили, обогащение полезных ископаемых.

Божок И.Н. УКРНИИТМ, Днепр, Украина, ведущий инженер. Область специализации: Инновационные технологии производства и утилизации аккумуляторных батарей для электромобилей. Управление процессами заряда аккумуляторов.

Мазан Н.Н. УКРНИИТМ, Днепр, Украина, инженер. Область специализации: экологические и юридические аспекты применения аккумуляторов для электромобилей, сертификация продукции, испытания на соответствие техническим регламентам.

Литература:

1. В.Шурыгина. Суперконденсаторы. Помощники или возможные конкуренты батарейным источникам питания. «ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес», Выпуск № 3/2003.
2. Суперконденсаторы на основе графена увеличивают запас хода электромобиля /Электронный ресурс/. – Режим доступа: https://www.imena.ua/blog/electric-cars_supercapacitors/ дата обращения: 17.10.22.
3. S.R.C.Vivekchand, Chandra Sekhar Rout, K. S. Subrahmanyam, A. Govindaraj and C. N. R. Rao. Graphene-Based Electrochemical Supercapacitors // J. Chem. Set. Indian Academy of Sciences. – 2008. – C.9-13.
4. Graphene-Based Supercapacitor with an Ultrahigh Energy Density Chenguang Liu, Zhenning Yu, David Neff, Aruna Zhamu and Bor Z. Jang [electronic resource]. – access mode: https://pubs.acs.org/doi/10.1021/nl102661q date of access 17.10.22.
5. Патент Украины на корисну модель № UA 146811 U, 18.03.2021. Электромобиль // Патент Украины № 146811. Опуб. 17.03.2021, бюл. № 11/2021. / Федорец С.Г., Божок І.М., Мазан Н.М.

_____________________________________________________

✒️Подписывайтесь на наш Telegram канал «Гранит науки»
✒️Читайте нас на Яндекс Дзен

📩У нас есть страница на Facebook и Вконтакте
📩Журнал «Гранит Науки» в Тeletype
📩Прислать статью [email protected]
📩Написать редактору [email protected]