Сравним аккумуляторы с другими источниками энергии
Введения
В последнее время появляется много новостей о совершенствовании аккумуляторных технологий. Каждое нововведение добавляет свои преимущества, но пока ни одно из них не является универсальным решением и не покрывает существующих на сегодняшний день потребностей энергетики. Хотя аккумуляторы уже могут смело “соревноваться” с другими источниками энергии, они имеют ряд специфических ограничений, которые и побуждают учёных на новые открытия в этой сфере. Давайте посмотрим, в каких “дисциплинах” аккумуляторы сильны, а какие нуждаются в улучшениях.
Хранение энергии
Аккумуляторы достаточно хорошо и долго сохраняют энергию. Однако первичные источники тока (неперезаряжаемые батарейки) содержат больше энергии, а саморазряд у них ниже. Помимо этого, аккумуляторы на основе свинца, никеля и лития нуждаются в периодической подзарядке для компенсации потерь энергии.
Энергия
По сравнению с ископаемым топливом способность аккумулятора накапливать энергию менее впечатляющая. Энергия, получаемая, например, от бензина составляет более 12 000 Втч/кг. Современный литий-ионный аккумулятор имеет энергетическую ёмкость около 200 Втч/кг, но при это он поставляет энергию более эффективно, чем, например, тепловой двигатель.
Оперативность
Одно из важнейших преимуществ аккумуляторов перед другими источниками питания: они готовы к работе в кратчайшие сроки, буквально здесь и сейчас. Их не нужно прогревать, как двигатель внутреннего сгорания (ДВС), их мощность передаётся в течение доли секунды! Для сравнения, реактивному двигателю требуется несколько секунд, чтобы набрать обороты, топливному элементу требуется несколько минут, чтобы набрать мощность, а холодному паровому двигателю локомотива нужны часы, чтобы набрать пар.
Мощность
Большинство аккумуляторов имеют широкий диапазон мощности, то есть они могут эффективно справляться с малыми и большими нагрузками (это характерно и для дизельного двигателя). Топливные элементы лучше всего работают при какой-то определённой нагрузке. То же самое можно сказать и о реактивном двигателе, который работает наиболее эффективно при конкретном числе оборотов в минуту.
Условия эксплуатации
Качественный современный аккумулятор не должен сильно греться во время работы. Конструкция большинства аккумуляторов не предполагает вентиляционных отверстий, соответственно - не создаётся никаких посторонних звуков. Здесь виден резкий контраст с ДВС и большими топливными элементами, для которых требуются компрессоры и охлаждающие вентиляторы. ДВС также нуждается в воздухозаборнике и приспособлении для выпуска токсичных газов.
Эффективность
Литий-ионный аккумулятор имеет КПД заряда 99%, а потери при разряде невелики. Для сравнения, энергоэффективность топливного элемента составляет от 20 до 60%, а ДВС — от 25 до 30%. При оптимальной скорости и температуре воздухозаборника эффективность турбовентиляторного двигателя GE90-115 на лайнере Boeing 777 достигает 37%. Такая эффективность заряда у аккумулятора связана с высокой способностью принимать заряд.
Установка
Герметичный аккумулятор может работать в любом положении, он достаточно устойчив к ударам и вибрации. Большинство ДВС должны быть расположены вертикально и установлены на специальных амортизаторах для смягчения вибрации. Тепловым двигателям также необходимы впускные коллекторы и глушители выхлопа.
Расходы
Аккумуляторы на основе лития и никеля лучше всего подходят для портативных устройств; свинцово-кислотные аккумуляторы хороши для колёсного транспорта и стационарных установок. Однако цена и вес делают аккумуляторы непрактичными для электрической трансмиссии в более крупных и тяжёлых транспортных средствах. Стоимость получения энергии от аккумулятора примерно в три раза выше, чем от сети переменного тока. Расчет включает стоимость самого аккумулятора, его зарядку от сети и возможную замену.
Обслуживание
За исключением долива воды в свинцово-кислотные аккумуляторы и “тренировки” никель-кадмиевых элементов для предотвращения эффекта памяти, аккумуляторы довольно неприхотливы в обслуживании. Уход за ними включает в себя очистку коррозии на внешних клеммах и проведение периодических проверок работоспособности.
Срок службы
Аккумуляторы (за некоторым исключением) имеют относительно короткий срок службы и способны стареть, даже если ими не пользоваться. Срок службы от 3 до 5 лет является оптимальным для многих потребительских товаров, но неприемлем для сложных устройств и установок. Например, гарантия на аккумуляторы для гибридных и электромобилей составляет 8–10 лет, топливный элемент обеспечивает 2000–5000 часов работы, а большие стационарные батареи способны работать от 5 до 20 лет (в зависимости от температуры).
Экстремальные условия
Низкие температуры замедляют электрохимическую реакцию, и большинство аккумуляторов плохо работают при температуре ниже 0°C; с топливными элементами та же проблема. А вот двигатель внутреннего сгорания работает хорошо (но после прогрева). Быстрая зарядка аккумулятора должна выполняться выше “точки замерзания”. Что касается работы при высокой температуре, она может повысить производительности, но вызовет быстрое старение аккумулятора из-за дополнительной нагрузки.
Время заряда
Здесь аккумулятор имеет неоспоримый недостаток. Для зарядки элементов на основе лития и никеля требуется 1–3 часа; свинцово-кислотная АКБ заряжается примерно за 14 часов. Чтобы заправить автомобиль топливом, вам понадобится несколько минут. Хотя некоторые электромобили можно зарядить до 80% менее чем за час от станции быстрой зарядки, литий-ионные аккумуляторы подвергаются высокой нагрузке при сверхбыстрой зарядке и могут перегреваться.
Утилизация
Вопрос экологии в аккумуляторной сфере стоит достаточно остро. Никель-кадмиевые, свинцово-кислотные и большинство литий-ионных аккумуляторов содержат опасные вещества, их нельзя оставлять на свалках. Никель-металлогидридные и железо-фосфатные источники тока не содержат токсичных элементов, однако также нуждаются в правильной переработке. Она позволяет ещё больше снизить риски для окружающей среды и сэкономить на повторном использовании металлов. Более подробно мы говорили об этом здесь.
Выводы
Описанные выше преимущества и недостатки - это достаточно усреднённый портрет аккумуляторов. Безусловно, они имеют место и в современных моделях, но в гораздо меньшей степени, чем 5 или 10 лет назад. Помимо исправления давно известных проблем (вроде ёмкости, безопасности переработки и т.д.), создаются совершенно новые типы аккумуляторов с новыми химическими составами (от цинковых аккумуляторов на водном электролите до аккумулятора из пищевых продуктов, абсолютно безопасного для окружающей среды). Возможно, следующие 5-10 лет научного прогресса (может быть и меньше) избавят аккумуляторы от всех существующих на сегодняшний день проблем и выведут портативные источники тока на новый уровень.