Отвязаться от розетки

Энергоемкость автономных источников электроэнергии постепенно догоняет аналогичный параметр двигателей внутреннего сгорания. 

В середине ноября был установлен новый мировой рекорд по продолжительности пробега электромобиля без подзарядки: экспериментальный вариант малолитражки Daihatsu Mira Van прошел на аккумуляторах 555 км от Токио до Осаки за тринадцать с половиной часов. Правда, установленные в этой машине литиевые аккумуляторы от фирмы Sanyo Electricтоже были экспериментальные, и пока для массового потребителя недоступные. Показатели рядового современного электромобиля куда скромнее — менее 200 км от розетки до розетки.

Сейчас уже почти никто и не помнит, что первый расцвет автомобильного транспорта был связан с электромобилями. Но появление надежного бензинового двигателя их почти сразу похоронило: практически весь полезный объем электромобиля приходилось отдавать под аккумуляторы. Фото (Creative Commons license): J Brew

Электрические источники энергии за последний век постепенно стали наиболее универсальными среди всех изобретенных человечеством источников энергии. Главное преимущество электрической энергии перед другими формами (прежде всего тепловой) — удобство доставки потребителю, простота дозирования и масштабирования потребляющих устройств. От одной и той же розетки с одинаковым успехом можно питать и кухонную микроволновку мощностью в пару киловатт, и настольные часы с ЖК-индикатором, потребляющие в тысячу раз меньше.

Но если в области изобретения все новых способов потребления электроэнергии человечество достигло поистине впечатляющих успехов, то по части её производства за прошедший век серьезное новшество было внедрено в практику фактически только одно: это атомные электростанции. Но и они, вместе с доминирующими по сей день тепловыми и гидроэлектростанциями, могут распределять и доставлять энергию лишь в рамках некоей централизованной стационарной инфраструктуры. А мобильному потребителю, который не хочет быть «привязан к розетке», остается, как и сто лет назад, только одно — электрохимические источники тока.

Последние, как известно, делятся на одноразовые «батарейки» и перезаряжаемые аккумуляторы. В последнее время идут также разговоры о третьей разновидности: топливных элементах, но пока более теоретические (о чем далее). Заметим, что бытовые «батарейки» в большинстве случаев правильнее называть элементами, так как «электрическая батарея» — это несколько электрохимических элементов, соединенных между собой. Например, пальчиковая «батарейка» типоразмера АА или ААА — это элемент, а типоразмера «Крона» — действительно батарея. Но в разговорном языке давно принято называть и то и другое батарейками, и мы не будем нарушать традиции.

В принципе любая электрохимическая реакция обратима и может применяться как для однократного — до исчерпания реагирующих веществ — производства электричества, так и для запасания его впрок с периодической перезарядкой. Но практика диктует свое: лишь немногие химические реакции среди всего бесчисленного их многообразия могут быть реально применены для этих целей с достаточной эффективностью.

Причем эффективность элементов, выпускаемых промышленностью, мягко говоря, оставляет желать лучшего. Так, одна из самых выгодных реакций с точки зрения выработки энергии на единицу массы — это реакция между литием и кислородом, которая в практических конструкциях современных литий-ионных аккумуляторов использует свой потенциал лишь на величину, едва превышающую один процент (удельная энергоемкость реальных Li-ion-аккумуляторов составляет 130–150 Вт-ч/кг при теоретической эффективности реакции более 11 кВт-ч/кг!).

Номенклатура электрохимических элементов чрезвычайно разнообразна: они могут быть сильно непохожи друг на друга по весу, размеру, форме и емкости, только напряжение на выходе (эдс) почти всегда одно и то же, поскольку определяется типом химической реакции. Фото (Creative Commons license):yellowcloud

Потому электрохимическим элементам есть куда расти. И они растут, но медленнее, чем хотелось бы: появлением ряда устройств с увеличенным временем автономной работы в последние годы (например, электронных «читалок», работающих пару-тройку недель без подзарядки, или нетбуков с автономностью порядка шести-семи часов) мы обязаны в большей части успехам электроники, придумавшей новые способы энергосбережения без снижения потребительских качеств, чем прогрессу в области батареек и аккумуляторов.

На практике массовых типов электрохимических элементов выпускается не так уж и много, и каждый тип имеет свои достоинства и недостатки, отчего области их применения заметно различаются.

Одноразовые батарейки

Среди одноразовых батареек в последние годы безусловно доминируют щелочные (alkaline) элементы. Они по всем статьям обходят традиционные, которые принято называть солевыми (их можно отличить от щелочных ещё по маркировке General Purpose — «общего применения»), за исключением цены: щелочные того же типоразмера раза в два-три дороже. Но разовая экономия средств оборачивается убытками в перспективе: щелочные имеют в среднем в три раза большую энергоемкость (то есть в пересчете на каждый полученныйджоуль энергии они оказываются даже несколько дешевле), и значительно дольше хранятся — до пяти-семи лет без принципиальной потери емкости, что важно в таких устройствах, например, как телевизионные пульты, где основную часть времени батарейки просто лежат. Наконец, они могут отдать больший единовременный ток, и есть ряд устройств (например, цифровые камеры), где обычные солевые батарейки просто не «потянут».

Другой широко используемый тип одноразовых элементов — литиевые. Они заметно дороже щелочных, но имеют ещё меньший саморазряд (гарантия обычно составляет порядка 10 лет), что и обуславливает основную область их применения: в качестве резервных источников питания (это, например, всем известные «таблетки» типоразмера 2032 для компьютерных материнских плат, где они обеспечивают непрерывный ход часов и календаря, а также сохранение настроек BIOS) и в качестве элементов питания очень малопотребляющих устройств, таких как наручные часы.

Аккумуляторы

Хорошо известно, что одна выброшенная в лесу батарейка способна отравить большой муравейник. Ещё больший ущерб наносят батарейки, попадающие в водоемы — никогда не кидайте использованные элементы в воду! Так зачем, спросите вы, нужно выбрасывать в окружающую среду ежегодно тонны не очень полезных веществ, если, как говорилось, в принципе каждая электрохимическая реакция обратима, и, казалось бы, куда эффективнее применять перезаряжаемые элементы? Многоразовые аккумуляторы, увы, полностью заменить одноразовые элементы не в состоянии, прежде всего из-за высокого саморазряда. Любой аккумулятор (кроме литий-ионных) имеет саморазряд в среднем не менее 5–10% в месяц, и если вы попробуете поставить пальчиковые аккумуляторы в телевизионный пульт, то, скорее всего, он не проработает и полугода, как их придется перезаряжать.

Зато аккумуляторы незаменимы там, где энергии требуется много — на мобильный телефон, или даже на цифровую камеру, не говоря уж об электрическом шуруповерте, одноразовых батареек не напасешься. Потому разнообразие типов перезаряжаемых источников больше, чем одноразовых, и для каждого из них есть своя область применения.

Как ни странно, но одним из самых распространенных типов аккумуляторов до сих пор являются запущенные в производство ещё в позапрошлом веке свинцово-кислотные (СКА). СКА, хоть и стали в последние десятилетия герметизированными и необслуживаемыми, но все-таки довольно неудобны в применении — например, они «боятся» глубокого разряда («в ноль»), перезаряда, хранения в незаряженном состоянии. Кроме того, они имеют среди всех распространенных типов самую низкую энергоемкость в расчете на единицу массы — не более 20–30 Вт-ч/кг.

Тем не менее СКА дешевы, неприхотливы, не боятся низких температур и способны отдать достаточно большой ток за короткое время. Потому они лидируют в тех применениях, где требуется значительное количество запасенной энергии в условиях больших перегрузок: в стартерных устройствах для автомобилей, в источниках бесперебойного питания. Ещё недавно они лидировали также и в области электротранспорта (и до сих пор применяются, например, в электрокарах или электроподъемниках), но для понемногу развивающейся отрасли производства массовых электромобилей они оказались слишком тяжелыми и неэкономичными — батарее приходится по большей части возить саму себя. К тому же СКА без надлежащей утилизации крайне вредны с точки зрения загрязнения окружающей среды.

Чтобы закончить со СКА, следует ещё упомянуть о появлении в последние десятилетия усовершенствованных типов — SLA-аккумуляторов (Sealed Lead Acid — «герметизированные свинцово-кислотные») с гелевым электролитом, не боящихся переворачивания вверх ногами и обладающих улучшенными характеристиками: на некоторые их разновидности дают гарантию на двенадцать лет безотказной работы.

Самовозгорание этого ноутбука стало причиной эвакуации многоэтажного офисного здания. Само же оно, в свою очередь, было вызвано неисправным аккумулятором фирмы SONY. Фото (Creative Commons license): Stewart Butterfield

Все меньше используют никель-кадмиевые (Ni-Cd) аккумуляторы, в первую очередь из-за природоохранных соображений. Но они также дешевы, обладают достаточно высокой энергоемкостью (вдвое больше СКА в расчете на единицу массы), перегрузочной способностью, и к тому же, в отличие от СКА, не боятся глубокого разряда. Потому и по сей день они доминируют, например, в области недорогого электроинструмента, шахтерских фонарей и прочих применений, где требуется достаточно большое количество энергии при относительной мобильности.

Крупный недостаток Ni-Cd — они обладают вредным «эффектом памяти», при котором регулярный заряд недоразряженного до конца аккумулятора ведет к быстрому снижению характеристик, а затем и выходу из строя. Откуда и ведет свое происхождение легенда, что будто бы мобильные телефоны следует стараться использовать до полного разряда батарей и лишь потом ставить на подзарядку. Это не так — в наиболее распространенных для мобильных устройств литий-ионных аккумуляторах «эффект памяти» отсутствует совсем, и даже в «пальчиковых» никель-металлогидридных он значительно меньше. А Ni-Cd, за исключением некоторых устаревших типов цифровых фотокамер или видеокамер, уже давно в мобильных электронных устройствах не применяются.

Область применения никель-металлогидридных (Ni-Mh) разновидностей в быту практически ограничивается пальчиковыми аккумуляторами, могущими заменять одноразовые батарейки там, где, как говорилось, не требуется долговременного хранения. Полностью заменить ни никель-кадмиевые аккумуляторы, ни батарейки они не в состоянии, так как обладают высоким саморазрядом (до 10 и более процентов в месяц), и заметно хуже работают при перегрузках — отчего их нельзя применять, например, в некоторых старых конструкциях цифровых камер. Есть ещё одна область, где Ni-Mh доминируют в настоящее время: это электромобили, в том числе популярные гибридные конструкции (например, знаменитый Toyota Prius), хотя в этой области они постепенно вытесняются литий-ионными.

Литий-ионные (Li-ion), которые несравненно выгоднее всех других типов прежде всего по энергоемкости, достигающей, как мы говорили, 130–150 Вт-ч/кг, а также по небольшому саморазряду (не более 3% в месяц), наиболее распространены в области питания высокотехнологичных устройств — мобильных телефонов, ноутбуков всех классов, цифровых камер. Это обусловлено тем, что Li-ion относительно дороги и требуют довольно аккуратного обращения — в частности, все они имеют встроенный контроллер и не подлежат зарядке от «самодеятельных» зарядных устройств. Заметим, что часто упоминающиеся в прессе литий-полимерные (Li-pol) есть просто разновидность литий-ионных, где жидкий электролит заменен на специальный полимер.

Главный недостаток Li-ion — кроме дороговизны — в том, что при несоблюдении режима заряда (как, увы, и при неисправности встроенного контроллера) они попросту взрываются, что сильно ограничивает их применение. Скандалы с отзывом миллионов батарей по всему миру происходят с пугающей регулярностью. Самый крупный был в 2006 году, когда Sony была вынуждена, из-за ряда возгораний блоков питания мобильных устройств, отозвать примерно десять миллионов своих аккумуляторов почти на полмиллиарда долларов, а самый последний, уже в 2009 году, связан с возгораниями блоков питания знаменитых iPhone и iPod фирмы Apple, чем даже заинтересовались на правительственном уровне в Европе. Toyota собиралась перевести свои гибридные автомобили на Li-ion ещё в 2006 году, но в настоящее время эти планы отнесены на 2010 год, хотя ряд конкурентов Toyota (например, Nissan, равно как и Tesla Motors — единственная компания, серийно выпускающая в настоящее время модели персональных автомобилей полностью на электрической тяге) литий-ионные аккумуляторы уже широко использует.

Тем не менее за Li-ion, безусловно, будущее. Следует отметить достижение небольшой компании A123Systems, инженеры которой научились делать литий-ионные аккумуляторы с железофосфатным катодом, отличающимся исключительной стойкостью, полностью устраняя в том числе и проблему самовозгорания. Причем применение нанотехнологий позволило увеличить полезную площадь электродов примерно на четыре порядка, что повысило удельную энергоемкость, а, главное, значительно увеличило отдаваемый ток при перегрузках. Эти аккумуляторы можно даже использовать в качестве стартерных в обычных автомобилях, с чем до сих пор не справлялись и никелевые. Судя по заключенным A123Systems соглашениям с некоторыми ведущими производителями мира (General Motors, General Electric, китайской BAK Battery), мы вправе ожидать таких аккумуляторов на прилавках и в составе различных устройств в ближайшем будущем.

Здание на Таймс-сквер, известное как Конде-наст-билдинг, снабжается электроэнергией от двух топливных элементов и своим сиянием иллюстрирует перспективы новой идеи. Фото (Creative Commons license): star5112

Топливные элементы

Топливный элемент — это реализация идеи о том, что процесс непосредственного превращения электрической энергии в химическую (например, в такой реакции, как электролиз воды — разложение её на водород и кислород электрическим током) также может быть обратимым. Непосредственное, без промежуточного преобразования в тепловую энергию, превращение химической энергии в электрическую могло бы быть крайне выгодным способом использования топлива: ведь такой процесс, кроме всего прочего, позволяет обойти законы термодинамики, принципиально ограничивающие к.п.д. тепловых машин при заданных температурах нагревателя и холодильника. Теоретически к.п.д. топлвного элемента может максимально приблизиться к 100-процентной эффективности.

В реальности топливный элемент оказался крепким орешком — полезных на практике конструкций не было построено вплоть до второй половины XX века. С тех пор практических конструкций уже придумано довольно много, но для них действует общее правило: чем неприхотливее такой элемент, то есть чем меньшую чистоту исходного топлива он допускает, и чем больше разновидностей топлива может использовать, тем сложнее его конструкция, и тем при более высокой температуре он должен работать. В пределе типы топливных элементов на основе твердой керамики могут питаться даже загрязненными продуктами газификации каменного угля, но рабочая температура их составляет порядка 1000 градусов.

Понятно, что подобные элементы могут существовать лишь в виде стационарных установок достаточно большой мощности. Так, один из новых небоскребов Манхэттена, 48-этажный «Condé Nast Building @ Four Times Square» на углу Бродвея и 42-й улицы, построенный в 2000 году, снабжается электричеством от двух установок с кислотным электролитом (ортофосфорной кислотой), мощностью по 200 кВт каждая, работающих на природном газе при температуре рабочей среды около 200 градусов (тепло также утилизируется для отопления здания, отчего общий к.п.д. составляет порядка 85%).

При относительно небольшой рабочей температуре — порядка 80–100 градусов, — фактически могут работать только топливные элементы на чистом водороде, отчего они не получили широкого распространения — водород неудобен для хранения и взрывоопасен. Однако в конце 1980-х годов физик из Лос-Аламосской лаборатории Роберт Хокадэй (Robert Hockaday) придумал топливный элемент, который может быть реализован в миниатюрном исполнении, с метиловым спиртом (метанолом) в качестве топлива. С тех пор этот элемент пытаются приспособить для питания электронных устройств.

Уже к середине 2000-х практические конструкции миниатюрных топливных элементв на метаноле, могущие заменить традиционные батарейки и аккумуляторы, были фактически готовы к производству, однако компании-разработчики одна за другой постепенно стали сворачивать эти программы (из крупных компаний лишь Toshiba продолжает подогревать интерес публики, но на прилавках мы и её устройств пока не видим). Главным препятствием стала не столько сложность и дороговизна конструкции ячейки (хотя и это тоже), но тот факт, что сам метанол ядовит и огнеопасен, а значит, категорически запрещен к провозу на борту воздушных судов. Американское Федеральное авиационное агентство даже специально подтвердило, что запрещает иметь на борту самолета топливные ячейки с содержанием метилового спирта выше 24%. А кому нужен ноутбук или мобильник, который нельзя захватить с собой в путешествие?

Поэтому в области малогабаритных топливных элементов, видимо, придется подождать новых достижений, которые позволят применять не столь ядовитое и огнеопасное топливо. Не особо «пошли» топливные элементы и в качестве энергоустановок для электромобилей — слишком сложно возить с собой взрывоопасный водород под давлением, превращая тем самым автомобиль в «мечту шахида», а топливный элемент на менее экзотическом топливе не годится в силу громоздкости и, как мы говорили, высокой рабочей температуры. Но энтузиасты этого направления не сомневаются — все ещё в будущем.

Юрий Ревич, Вокруг света