Новая программа ARPA-E направлена на повышение эффективности существующих автомобильных аккумуляторов и разработке новых технологий
Повысить конкурентоспособность электромобилей можно только за счет снижения стоимости аккумуляторов. Возможно, на это потребуются десятилетия, но повышение эффективности литий-ионных батарей может привести к появлению недорогих электромобилей. Есть много причин, почему электрические автомобили не завоевывают популярность, но одна из основных проблем точно известна: аккумуляторы стоят слишком дорого.
Для электромобилей и гибридов, чтобы они смогли конкурировать с автомобилями на газу (как недорогими в обслуживании и экологически чистыми), цены на аккумуляторы должны снизиться от 50 до 80 процентов, согласно последним оценкам Министерства энергетики США. Для этого может потребоваться появление совершенно новых видов батарей, так есть определенные опасения, что простой модернизации литий-ионных батарей, являющихся основой нынешнего поколения электрических транспортных средств, может быть недостаточно.
В США, где электромобили достаточно популярны, могли бы к 2015 году наладить производство аккумуляторов для 500 000 автомобилей. Но объемы продаж не дотягивают и до 10% потенциальных возможностей. И многие производители батарей либо обанкротились, либо испытывают серьезные финансовые трудности, в связи с недостаточным использованием производственных мощностей, которые ориентировались на перспективный рынок.
Электрические транспортные средства значительно дешевле и удобнее в эксплуатации, чем газовые, но все это экономическое преимущество исчезает когда мы вспоминаем о цене аккумуляторов. Например, аккумулятор для Chevrolet Volt стоит около $ 8000, а большая батарея в Nissan стоит около $ 12 000. И, надо напомнить, что аккумуляторы далеко не вечные.
Стоимость аккумуляторов может снизиться до $ 4000 и ниже, к 2025 году, согласно недавнему исследованию, проведенному McKinsey, за счет увеличения масштабов производства аккумуляторов, снижающего стоимость компонентов за счет конкуренции, и ожидаемому удвоение плотности энергии батарей, что снижает материальные расходы.
Проблема известна, и предпринимаются меры, чтобы решить ее как можно скорее. Агентство передовых исследований в области энергетики (ARPA-E), потратило порядка $30 млн. на исследования, которые помогут поднять эффективность существующих литий-ионных батарей на 25-30%. В качестве основного метода повышения их КПД без принципиального обновления технологии предлагается размещение в каждой аккумуляторной ячейке собственной системы датчиков. Повышение КПД означает уменьшение веса и стоимости аккумулятора, ну и расхода топлива, т.к. энергия тратится ведь и на перевозку его «мертвого» веса.
Литий-ионная технология очень капризна: перегрев снижает эффективность батареи, а переохлаждение может даже вывести его из строя. Все усложняет то, что аккумулятор не является монолитной конструкцией, а состоит из множества ячеек, которые местами могут быть перегреты, а где-то находиться в нормальном состоянии.
Кроме того, при зарядке часть ячеек может быть уже заряжена, а другая недозаряжена, что вынуждает оставлять некоторый запас. Все современные многоэлементные аккумуляторы заряжаются и разряжаются не до конца, производители оставляют резерв. Этот резерв висит «мертвым грузом». Но делается это по одной простой причине: не знают текущего состояния отдельной ячейки, и не умеют управлять им. Они могут только оценить на основе некоторой модели диапазон состояний всех ячеек на основе среднего состояния всего аккумулятора.
Для того чтобы решить проблему с контролем состояния отдельных независимых ячеек, при этом не зависеть от токов, протекающих в батареях, распределенные датчики используют оптоволокно, которое не подвержено влиянию аккумулятора. Проект, развиваемый в рамках ARPA-E программы в Palo Alto, повышает стоимость литий-ионной батареи на 5%,но в соответствии с компьютерным моделированием и экспериментами, позволит безопасно уменьшить на 25% размеры, что существенно снизит стоимость.
Другой проект ARPA-E, в Oak Ridge National Laboratory, направлен не только на разработку датчиков для отдельных ячеек, но и технологий, которые могут нагревать и охлаждать элементы аккумулятора изнутри, сохраняя каждую ячейку в оптимальном диапазоне температур и продлевая таким образом срок службы.
Также в рамках ARPA-E программы, в компании Ford разрабатывается ультраточный тестер аккумулятора, который может определить даже незначительные химические реакции, происходящие в ячейках аккумулятора. Ближайшей целью является использование тестера, чтобы ускорить развитие новых химических батарей. "Но наша мечта иметь такие миниатюрные версии тестеров на борту каждой машины. Это позволит автомобилю контролировать, сколько энергии используется в зависимости от состояния аккумулятора, когда автомобиль находится в движении", говорит Альваро Мазиас(Alvaro Masias), научный сотрудник Форда. Точный и детальный контроль за состоянием аккумулятора позволит эксплуатировать его с максимальной эффективностью.
Некоторые исследователи не разделяют оптимизма этой программы ARPA-E в плане получения до 50% экономии, но здраво рассуждая, полагают, что даже более скромные успехи все равно оправдают затраченные средства с лихвой. Что будет в будущем с аккумуляторами трудно сказать, но очень хотелось бы, чтобы электромобили появились на улицах и составили конкуренцию бензиновым и газовым двигателям.
(по материалам www.technologyreview.com)