Дело в химии. Как все устроено? - Джузеппе Алончи
Любопытный факт, который известен не всем: электромобиль был изобретен отнюдь не недавно, а еще в период между 1830 и 1840 годами, чуть ли не раньше, чем авто на бензиновом двигателе. Первые бензиновые прототипы были созданы только в 1870 году, они были усовершенствованы и распроданы окончательно в последние годы ХХ века. Те первые бензиновые коммерческие модели имели явно более низкие показатели по сравнению с электрическими, поэтому был создан знаменитый электромобиль Jamais Contente (Вечно недовольна), а пилотом его стал бельгиец Камиль Женатци. Он первым в истории превысил скорость в 100 км/час. Несмотря на первые успехи, развитие двигателей внутреннего сгорания быстро вытеснило аккумуляторные двигатели с рынка – они не смогли выдержать конкуренцию в плане автономии и технических характеристик, продемонстрировав все те же проблемы, что и сегодня сдерживают развитие этого типа легковых автомобилей.
Электромобили, даже самые дорогие и совершенные, не достигают пока необходимых стандартов и по производительности отстают от собратьев на бензине или дизеле, хотя демонстрируют явные преимущества в области сохранения окружающей среды и тишины.
Главной причиной отставания является тот факт, что плотность энергии у батареи ниже, чем у углеводородного двигателя: говоря простыми словами, аккумулятор весом в один килограмм способен произвести гораздо меньше энергии, чем килограмм углеводородного топлива. А когда речь идет о транспорте, килограммом больше или килограммом меньше имеет большое значение.
Другой серьезной проблемой является время зарядки аккумулятора: даже при современных технологиях этот процесс требует долгих часов, что делает электромобиль совершенно негодным к длительным путешествиям и снижает эффективность эксплуатации. Даже гипотетические новые технологии подзарядки, способные «заправить» электромобиль за минуты, все равно порождают вопросы: а откуда взять всю эту электроэнергию? Проблема вовсе не банальная, если учесть, что и сегодня значительная часть электроэнергии производится с использованием все тех же горючих полезных ископаемых, например на теплоэлектростанциях на угле. Ездить на «чистом» электромобиле, но заряжать его энергией, получаемой при сжигании углеводородов, выглядит смешно, но это именно то, что происходило на гонках Формулы Е[32] в Риме в апреле 2019 года: часть станций подзарядки работала от генераторных установок на дизельном топливе. Ситуация парадоксальная, но вполне естественная: согласно последнему отчету Итальянского национального института исследований и охраны окружающей среды (ISPRA)[33], в 2017 году в Италии 65 % электрической энергии производилось на основе невозобновляемых источников, таких как природные газ и уголь, за исключением 12 % энергии, импортируемой из других стран[34]. Получается, что водитель, управляющий итальянским электромобилем, тоже загрязняет окружающую среду, пусть и не непосредственно через выхлопные газы. Конечно, следует отдать должное, загрязняет меньше, чем тот, что ездит на бензине или дизеле. Оценивая тотальный ущерб окружающей среде, нужно учесть, что КПД электромотора намного выше, чем всего 20–30 % двигателя внутреннего сгорания, и поэтому автомобиль на электричестве наносит существенно меньший вред, чем традиционный.
Автомобили на водороде являются в некотором смысле переходной ступенью между электромобилями и классическими авто, поскольку действующей силой, вращающей колеса, служит электричество, но его источником служит не аккумулятор, а специальное устройство, так называемый топливный элемент. Ячейка этого элемента (ее схематическое изображение можно посмотреть выше) напоминает батарейку, в которой идет контролируемая реакция водорода из емкости с кислородом из воздуха; это не реакция горения, при которой происходит выделение тепла, а электрохимический процесс, каковой мы уже видели в батарейке. У элемента есть отрицательный полюс, на котором газообразный водород превращается в ион Н— и испускает электроны, и положительный полюс, на котором кислород из воздуха забирает электроны, реагирует с Н+ и превращается в воду. Какова же разница между топливным элементом (по-английски fuel cell) и обычной батарейкой? Батарейка представляет собой закрытую систему, она не выделяет материю вовне, только энергию. Работа обычной батарейки прекращается после достижения химического равновесия, она становится непригодной для использования, в то время как многоразовую батарейку-аккумулятор можно перезарядить, используя энергию электричества для восстановления ее исходного состояния. Топливный элемент, наоборот, не сможет никогда достичь химического равновесия, потому что отходы деятельности, то есть вода, удаляются, а израсходованные реагенты восполняются. Эти виды батарей можно систематизировать:
• одноразовая батарейка: реагент А отдает электроны реагенту Б, образуя продукты В и Г; в один прекрасный момент разность потенциалов становится равной нулю, ток перестает течь, и батарейка прекращает функционировать – ее нужно утилизировать;
• многозарядная батарея: реагент А отдает электроны реагенту Б, образуя продукты В и Г, разность потенциалов становится равной нулю, ток перестает течь, и батарея прекращает функционировать (она разряжена). Ее нужно зарядить с помощью электрического тока, поменяв местами полюса. В и Г превращаются обратно в А и Б, батарея снова готова к работе;
• топливный элемент: реагент А отдает электроны реагенту Б, образуя продукты В и Г; В и Г идут в отходы, а запасы реагентов А и Б пополняются заново, и процесс повторяется заново.
Это серьезная разница. Батарея служит хранилищем энергии, а тепловой элемент похож на двигатель, который перерабатывает химическую энергию, содержащуюся в питающем его топливе, то есть водороде, в энергию электричества. В то время как эффективность двигателя внутреннего сгорания сильно ограничена причинами термодинамического характера (его КПД примерно 25 %), эффективность топливного элемента достигает 60 %. Это значит, что, если наш бак содержит 100 Дж воображаемой энергии, сохраненной в химической форме связей в атомах водорода, реакция этого водорода с кислородом напрямую, в виде огня, позволит получить только 25 Дж полезной энергии, которая будет двигать машину вперед, а 75 Дж безвозвратно рассеется в атмосфере; однако та же самая реакция, происходящая внутри топливного элемента, позволит использовать почти 60 Дж энергии для движения машины, а потери составят только 40 Дж.
Самая распространенная конструкция топливного элемента сегодня – это два платиновых электрода, подключенных к электроцепи и разделенных между собой мембраной из особого полимера Нафион. Один из электродов соединен с источником газообразного водорода (баллон со сжатым газом), а второй контактирует с воздухом, поступающим снаружи. Когда молекула водорода Н2 входит в контакт с платиновым электродом, разрывается связь между атомами водорода и каждый из атомов теряет по электрону; два электрона поступают в цепь. Когда атомы водорода теряют электроны, они превращаются в катионы, то есть ионы Н+, которые проходят сквозь мембрану и попадают на второй электрод, где вступают в контакт с воздухом. Молекула кислорода, поступившая из воздуха, захватывает четыре электрона из цепи и реагирует с четырьмя ионами Н+, образуя две молекулы воды, выбрасываемые вместо выхлопных газов. Для реакции
