Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе
Классическая термодинамика – это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убеждён, что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута. – А. Эйнштейн
Как думаете, в чём содержится больше энергии – в килограмме человеческого жира или килограмме тротила? Вы удивитесь, но животный жир на единицу массы содержит в 8 раз больше энергии, чем тринитротолуол (37 МДж / кг против 4,184 МДж / кг). Жир, конечно, не взрывается так же, как тротил, но способен запасать гораздо больше энергии. Это свойство химических веществ называется плотностью энергии.
Самые лучшие литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии в 6 – 10 раз меньше, чем тринитротолуол (0,46 – 0,72 МДж / кг).
Если посмотреть на таблицу плотности энергии различных химических веществ, станет понятно, что любые аккумуляторы в этом плане серьёзно уступают тому же бензину или дизельному топливу. Также становится очевидно, почему, когда требуется взять с собой большое количество энергии, бензин, дизельное топливо или авиакеросин становятся практически безальтернативными. Аккумуляторы запасают почти в 30 раз меньше энергии на единицу своей массы, чем химическое топливо (топливо для горения требует кислород, и на 1 часть топлива надо добавить примерно 2 части кислорода, чтобы оно загорелось).
Въедливый читатель может возразить – батареи генерируют электрическую энергию, в то время как из взрывчатки и химического топлива энергия освобождается в виде тепла. Это весомый аргумент, поэтому посмотрим на современный дизель-генератор. При оптимальной нагрузке в 60-70%, он выдаст примерно 3 КВт*ч электроэнергии на 1 литр топлива (https://bryan-power.com/wp-content/uploads/diesel-generator-fuel-consumption.pdf). Это соответствует примерно 10,8 МДж энергии, что по-прежнему будет примерно в 20 раз больше, чем вы получите с 1 кг батарей.
Теперь давайте ещё раз взглянем на таблицу плотностей энергии, чтобы понять, что никаких прорывов в части аккумуляторов ожидать не следует. Какие бы мы батареи не изобретали, принцип их устройства окажется неизменным: для того, чтобы она дала электрический ток в виде хотя бы одного электрона, нам потребуется как минимум 1 атом на аноде, чтобы этот электрон отдать, 1 атом на катоде, чтобы его принять, и ещё нужно N атомов для разделения анода и катода (электролит). Химическое топливо или взрывчатка запасают энергию в 100% молекул, у аккумулятора этот показатель много меньше 50% при том, что сейчас литий-металлические аккумуляторы имеют плотность энергии лишь в 10 раз меньше.
Для аккумулятора это весьма хороший показатель, так как взамен уменьшенной плотности энергии мы получаем относительную безопасность использования. Представьте, что мы могли бы запасать в аккумуляторах энергию с такой же плотностью энергии, как в тротиле. Захотелось бы вам иметь такой аккумулятор?
Что будет, если вы «закоротите» такую батарею? Сделаем очень щедрое предположение, и дадим ей, например, теплоёмкость как у воды – 4180,6 Дж/(кг•К), то есть, для того, чтобы подогреть воду на 1 градус, необходимо потратить столько энергии, и я повторяю, это очень щедро – круче воды в этом плане только гелий, аммиак и водород. Так вот, если 1 кг батарея высвободит около 4 млн. джоулей, то она «согреется» на 1000 градусов Цельсия. На практике же, нагрев будет ещё больше, так удельная теплоёмкость этой батареи не будет и близко подходить к такому значению, как у воды.
Собственно, даже современные аккумуляторы представляют собой определённую опасность:
Теперь, наверное, становится понятно, почему бензин (и прочее углеводородное топливо) является сегодня наиболее предпочтительным «переносным» источником энергии. Бензин является почти что идеальным топливом – при огромной плотности энергии, он остаётся относительно безопасным. Да, пары бензина тоже могут взрываться, но на миллиард автомобилей в мире, на подобные случаи статистика отводит доли процента. Кроме того, чтобы потушить бензин, необходимо всего лишь перекрыть доступ кислорода пламени. Повреждённая батарея, с другой стороны, будет продолжать отдавать свою энергию, пока не освободит её полностью. Потушить её нельзя. Энергия, способная заставлять автомобиль двигаться 600-800 км, легко и безопасно запасается в бензобаке объёмом 40-60 литров, в то время как аккумуляторы электромобиля сейчас занимают в 3-4 раза больший объём, и при этом имеют запас хода всего 200-250 км.
Я уже не говорю про авиацию, где аккумуляторы не применимы в принципе – вы не сможете сделать хоть сколько-нибудь годный самолёт, так как для необходимой мощности двигателей потребуется большая масса батарей, чтобы поднять которую потребуется более мощный двигатель, чтобы его запитать потребуется больше батарей... ну вы поняли.
Сейчас активно продвигаются два вида автомобилей, не использующих углеводородное топливо – электромобили и автомобили на водородных ячейках.
Водород, казалось бы, идеальное топливо. Его плотность энергии 142 МДж на 1 кг. Выше – только у ядерного и термоядерного топлива. Однако, добавьте к массе, собственно, водорода, массу баллона для его хранения, и всё уже не выглядит таким радостным. Обычный стальной промышленный баллон для сжатого газа, выдерживающий давление 150 атм. имеет массу почти 60 кг и вмещает всего 40 литров газа. Плотность водорода в нормальных условиях 0,08987 г/л, это значит, что при давлении в 150 атмосфер, масса водорода, помещающегося в этот баллон составит… всего около 0,45 кг. Для хранения 450 грамм водорода требуется «тара» массой 60 кг! Сжигая это количество, я получу ~63,9 МДж энергии, что эквивалентно ~1,5 кг дизельного топлива.
Возьмём обычный автомобиль с объёмом топливного бака, скажем 50 л. Масса пустого топливного бака пусть будет 10 кг, масса всей топливной системы при плотности топлива 875 г/л составляет 53,75 кг, при этом, в таком автомобиле запасено 2,1 ГДж энергии.
Чтобы запасти такое же количество энергии, в случае с водородом мне потребуется 14 кг водорода… то есть примерно 33 баллона, которые весят по 60 кг каждый, то есть почти 2 тонны. При этом кто-то ещё должен будет потратить энергию на то, чтобы сжать весь этот водород до 150 атмосфер.
Вот Тойота-Миллениум. Одна заправка для неё – это примерно 5 кг водорода (эквивалент ~22 литра бензина), однако суммарная масса топливной системы вместе с баками составляет 92,5 кг. (и это при использовании высокотехнологичных ультра-лёгких материалов, а не стали).
Дальность хода на одной заправке для такого автомобиля составляет 500 км. Вроде неплохо, но если мы возьмём эквивалентную массу бензина (~80 кг или 91 л) на обычном автомобиле сходного класса мы проедем в 2 – 2,5 раз большее расстояние.
Ещё не стоит забывать тот факт, что водород взрывается при смеси с воздухом в концентрациях от 18,3 до 59% (то есть, практически всегда) И взорваться он может просто от искры статического электричества на вашей одежде или просто от косого взгляда. Представьте себе, что будет, если водородные баки такого автомобиля повредятся в результате ДТП!
Да, сейчас безопасности водородных автомобилей уделяется большое внимание, но посмотрите на это видео, где в топливный водородный бак стреляют практически в упор. Посмотрите внимательно на скорость, с которой из бака исходит струя газа – она сопоставима со скоростью пули. И, помните, этот газ может взорваться от любой искры чуть позже, даже если он не взорвался от выстрела.
Теперь посмотрим на флагман электромобилестроения Tesla Model 3. В документации указано, что на одной зарядке, этот «лучший электромобиль» пробегает 215 миль или 346 км (это если используется форм-фактор 18650). На элементах форм-фактора 2170 будет на 100 миль больше и Тесла догонит среднюю дальность пробега стандартной легковушке на 1 заправке (500 км). При этом масса батарей составляет около 500 кг! То есть, у Теслы топливная система имеет массу почти в 10 раз больше при меньшем пробеге! Характеристики даже хуже, так как разряженный аккумулятор весит столько же, чем заряженный (на самом деле нет, но погрешность пренебрежительно мала).
Теперь про дозаправку. Если у бензинового транспорта и даже автомобилей на водороде проблем заправкой нет, и её длительность составляет несколько минут, у электромобиля скорость зарядки аккумуляторов исчисляется часами! При этом, чем выше скорость передвижения, тем быстрее я посажу батареи. При перемещении со скоростью 100 км/ч на каждые следующие 100 – 120 км, мне необходимо будет целый час подзаряжать аккумуляторы (и это если я найду розетку!).
Аккумуляторы Илона Маска – одни из лучших в мире на сегодняшний день, но что бы он нам не обещал на тему «революций» в аккумуляторостроении, термодинамику ему не победить и по плотности энергии, аккумуляторы всегда будут гораздо хуже химического топлива.
Разумеется, у химического топлива есть один недостаток – при его сгорании образуется углекислый газ, который вносит серьёзное влияние в процесс глобального потепления климата. Разумеется, у электромобилей, как у городского транспорта есть будущее, и есть своя ниша, однако посмотрите на эту картинку и подумайте вот о чём – так ли уж чиста эта «чистая» энергия:
Вот прогноз динамики развития мировой энергетики до 2040 года (источник) . Разумеется, я тоже очень рад, что доля возобновляемых источников энергии растёт, однако, не стоит думать, что их доля в ближайшие годы превысит долю, приходящуюся на выработку электроэнергии из ископаемого топлива:
Подумайте, автомобиль на водороде будет тратить энергию не только на перевозку вас, но ещё и на перемещение тяжёлых топливных баллонов, к тому же водород – не самое безопасное топливо в мире. Но это ещё не всё, на то, чтобы сжать водород до 150 – 200 атмосфер тоже будет потрачена энергия (на заправке).
То же самое касается электромобилей – подумайте, сколько лишнего веса в виде аккумуляторах ездит вместе с вами, подумайте, что почти половина энергии данных аккумуляторов тратится лишь на перемещение их собственного веса.
Автомобильный бензин или дизельное топливо, если упростить, при сжигании производят воду и углекислый газ. Больше того, если потратить определённую энергию, то эти два компонента можно заново скомбинировать в углеводородное топливо и кислород. Да, на производство топлива таким способом потратится больше энергии, чем потом может получиться при его сжигании, но раз мы всё равно хотим тратить энергию на перевозку «мёртвой массы» аккумуляторов или газовых баллонов, не лучше ли сосредоточить усилия в этом направлении?
