Мечта об электромобиле

Энергия, содержащаяся во всех других гальванических источниках - аккумуляторах, работающих на земном шаре, Электромобильравна, как это не удивительно, общей энергии всех электростанций мира. И еще более удивительно, что большую часть времени они не работают, а бездействуют в ожидании запуска автомобильного двигателя.

Когда-то Риттер изобрел вторичный элемент, который мог давать ток после того, как его заряжали с помощью другого источника тока, а Якоби удачно использовал его для практических целей. Все это послужило толчком к тому, чтобы в 1859 г. французский физик Гастон Планте (1834-1889) изобрел свинцовый аккумулятор. Впрочем, принцип его работы был известен еще Фарадею.

Свинцовая аккумуляторная батарея напряжением 12 вольт состоит из шести элементов. Процессы, генерирующие ток, идут, как известно, на электродах, и ток получается тем сильнее, чем больше поверхность электродов. Поэтому анод каждого элемента сделан из губчатого свинца, а катод - из порошкообразного диоксида свинца, заполняющего металлическую решетку. Оба электрода погружены в раствор серной кислоты. Во время работы батареи, когда происходит перенос электронов во внешней цепи, то есть разрядка аккумулятора, электроды покрываются сульфатом свинца, а концентрация серной кислоты уменьшается. Во время же зарядки батареи электроны от внешнего источника энергии перетекают в обратном направлении и сульфат свинца превращается на одном электроде в свинец, а на другом - в диоксид свинца.

Коэффициент полезного действия аккумулятора не превышает 80 процентов. Иными словами, при работе возвращается не более 80 процентов электрической энергии, затраченной при зарядке. Существуют и другие аккумуляторы. В электрокарах, например, используются щелочные железоникелевые, а в космических аппаратах и кораблях - цинково-серебряные или никель-кадмиевые.

К сожалению, аккумуляторы имеют слишком малую удельную энергию. У свинцового она равна 20 ватт-часам на килограмм массы. Кроме того, на них идут дорогие цветные металлы: свинец, кадмий, цинк, никель, марганец а иногда и серебро. Ежегодно одних только свинцовых автомобильных аккумуляторов во всем мире производится более 100 миллионов штук. Если так пойдет и дальше, то лет через сто или даже раньше запасы свинца на нашей планете будут исчерпаны. Тем не менее аккумуляторы, накапливающие электрическую энергию в виде химической и отдающие энергию, когда нам потребуется, очень удобны и весьма перспективны, особенно с экологической точки зрения. Кто не слышал о проблеме электромобиля, который перестал бы загрязнять воздух, как это делают сейчас миллионы автомобилей!

Самое интересное, что первый электромобиль появился за четыре года до первой машины с двигателем внутреннего сгорания. И однако вот уже более ста лет человечество делает для себя автомобили с бензиновым и дизельным двигателем. Они пока выгодны во всех отношениях, хотя расходуют на движение всего 15 процентов становящегося все дороже углеводородного топлива (запасы нефти тоже не бесконечны, и в ней нуждается химия) и несут ответственность за 35 процентов загрязнения атмосферы. Вдобавок двигатель внутреннего сгорания за тысячу километров пробега потребляет столько же кислорода, сколько один человек на протяжении всей своей жизни. Отработанные газы способствуют образованию кислотных дождей, губящих леса, посевы и сады, а шумовые нагрузки в городах исходят прежде всего от автомашин.

Можно ли создать электромобиль на аккумуляторах, который бы выдержал конкуренцию с автомобилем? Можно. Вот реальный проект электромобиля, простого по устройству и эксплуатации, не имеющего ни коробки скоростей, ни стартера (а с несколькими электродвигателями- и дифференциала), бесшумного и комфортабельного. Для работы ему потребуется батарея, обеспечивающая удельную энергию 56 ватт-часов на килограмм своей массы и выдерживающая 800 циклов заряда разряда, что вполне могут обеспечить нынешние никель-железные, никель-цинковые и даже свинцовые аккумуляторы, соответствующим образом усовершенствованные. Пробежать такой электромобиль от подзарядки до подзарядки сможет 160 километров.

Но этого всего мало. Чтобы электромобиль мог конкурировать с автомобилем, нужно, чтобы удельная энергия была в 3-4 раза выше и составляла не менее 200 ватт-часов на килограмм массы. Поэтому сейчас выпускаются только электромобили для коммунальных нужд с дальностью пробега меньше 100 километров. Например, в аэропорту Атланты (США) работает более сотни электромобилей разного назначения - они передвигают самолеты и трапы, возят багаж и тому подобное. Для личного же электромобиля (пробег до подзарядки 320 километров), для городского автобуса (пробег 200 километров) и для такси разрабатываются новые аккумуляторы: воздушно-железные, хлор-цинковые, серно-литиевые. Они обладают высокими удельными характеристиками, у них большой срок службы и они недороги, так как строятся не на дефицитных материалах. Накопительная мощность у серно-натриевого аккумулятора в 4 раза превышает мощность обычных свинцовых аккумуляторов, а долговечность вдвое больше.

Сегодняшние экспериментальные электромобили, имея свинцовую батарею весом 400 килограммов, могут без подзарядки преодолеть всего 100 километров. Серно-натриевый аккумулятор такой массы увеличил бы пробег до 250 километров. Вместо жидких электролитов (серной кислоты в обычных аккумуляторах) и твердых электродов (свинцовых пластин) в серно-натриевых аккумуляторных батареях применены твердые электролиты (окись алюминия) и жидкие электроды (натрий и сера). Отрицательным электродом служит расплавленный натрий, а положительным - расплавленная сера. Но для работы такого аккумулятора нужен разогрев до 300 °С - это единственный, но очень серьезный недостаток. Если электромобиль долгое время остается без движения, завести его тут же невозможно. Перед стартом понадобится аккумулятор разогреть. Правда, с этим справится обычный малый аккумулятор или ток от сети: при пропускании тока ячейки батареи нагреются, подобно спирали обычного кипятильника. При нынешних ценах на электричество и бензин эксплуатация такого электромобиля была бы вдвое дешевле; его «мотор»-электродвигатель не нуждался бы в уходе и практически не изнашивался. Эксплуатация, но не сам автомобиль! Серно-натриевый аккумулятор еще очень дорог. И не ясно, к сожалению, когда эти аккумуляторы подешевеют, войдут в производство и эксплуатацию. Но зато ясно, что господству свинцовой аккумуляторной батареи рано или поздно наступит конец.

Можно предполагать, что в ближайшие годы появятся автобусы на аккумуляторах, сочетающихся с двигателем внутреннего сгорания. По городу они будут ходить на аккумуляторах, а за городом - на двигателе, который будет заодно использоваться для подзарядки аккумуляторов. Уже сейчас на ВАЗе делают опытные партии «Жигулей» на аккумуляторах.

Электрохимические аккумуляторы применяются сейчас весьма широко: они служат для питания аппаратуры на самолетах, для освещения, сигнализации, связи и электроблокировки в метро, как резервные источники тока в вагонах поездов на железных дорогах, в подводных лодках. Они являются основным тяговым средством в шахтах и все шире и шире применяются в аэропортах. Интерес к аккумуляторам не ослабевает: количество патентов на аккумуляторы не уменьшается, а их выпуск пока растет.