Блог им. Logo

мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе

Классическая термодинамика – это единственная физическая теория общего содержания, относительно которой я убеждён, что в рамках применимости её основных понятий она никогда не будет опровергнута.  – А. Эйнштейн

Как думаете, в чём содержится больше энергии – в килограмме человеческого жира или килограмме тротила? Вы удивитесь, но животный жир на единицу массы содержит в 8 раз больше энергии, чем тринитротолуол (37 МДж / кг против 4,184 МДж / кг). Жир, конечно, не взрывается так же, как тротил, но способен запасать гораздо больше энергии. Это свойство химических веществ называется плотностью энергии.

 

Самые лучшие литий-ионные аккумуляторы имеют плотность энергии в 6 – 10 раз меньше, чем тринитротолуол (0,46 – 0,72 МДж / кг).

 

Если посмотреть на таблицу плотности энергии различных химических веществ, станет понятно, что любые аккумуляторы в этом плане серьёзно уступают тому же бензину или дизельному топливу. Также становится очевидно, почему, когда требуется взять с собой большое количество энергии, бензин, дизельное топливо или авиакеросин становятся практически безальтернативными. Аккумуляторы запасают почти в 30 раз меньше энергии на единицу своей массы, чем химическое топливо (топливо для горения требует кислород, и на 1 часть топлива надо добавить примерно 2 части кислорода, чтобы оно загорелось).

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Въедливый читатель может возразить – батареи генерируют электрическую энергию, в то время как из взрывчатки и химического топлива энергия освобождается в виде тепла. Это весомый аргумент, поэтому посмотрим на современный дизель-генератор. При оптимальной нагрузке в 60-70%, он выдаст примерно 3 КВт*ч электроэнергии на 1 литр топлива (https://bryan-power.com/wp-content/uploads/diesel-generator-fuel-consumption.pdf). Это соответствует примерно 10,8 МДж энергии, что по-прежнему будет примерно в 20 раз больше, чем вы получите с 1 кг батарей.

 

Теперь давайте ещё раз взглянем на таблицу плотностей энергии, чтобы понять, что никаких прорывов в части аккумуляторов ожидать не следует. Какие бы мы батареи не изобретали, принцип их устройства окажется неизменным: для того, чтобы она дала электрический ток в виде хотя бы одного электрона, нам потребуется как минимум 1 атом на аноде, чтобы этот электрон отдать, 1 атом на катоде, чтобы его принять, и ещё нужно N атомов для разделения анода и катода (электролит). Химическое топливо или взрывчатка запасают энергию в 100% молекул, у аккумулятора этот показатель много меньше 50% при том, что сейчас литий-металлические аккумуляторы имеют плотность энергии лишь в 10 раз меньше.

 

Для аккумулятора это весьма хороший показатель, так как взамен уменьшенной плотности энергии мы получаем относительную безопасность использования. Представьте, что мы могли бы запасать в аккумуляторах энергию с такой же плотностью энергии, как в тротиле. Захотелось бы вам иметь такой аккумулятор?

 

Что будет, если вы «закоротите» такую батарею? Сделаем очень щедрое предположение, и дадим ей, например, теплоёмкость как у воды – 4180,6 Дж/(кг•К), то есть, для того, чтобы подогреть воду на 1 градус, необходимо потратить столько энергии, и я повторяю, это очень щедро – круче воды в этом плане только гелий, аммиак и водород. Так вот, если 1 кг батарея высвободит около 4 млн. джоулей, то она «согреется» на 1000 градусов Цельсия. На практике же, нагрев будет ещё больше, так удельная теплоёмкость этой батареи не будет и близко подходить к такому значению, как у воды.

 

Собственно, даже современные аккумуляторы представляют собой определённую опасность:

 

Теперь, наверное, становится понятно, почему бензин (и прочее углеводородное топливо) является сегодня наиболее предпочтительным «переносным» источником энергии. Бензин является почти что идеальным топливом – при огромной плотности энергии, он остаётся относительно безопасным. Да, пары бензина тоже могут взрываться, но на миллиард автомобилей в мире, на подобные случаи статистика отводит доли процента. Кроме того, чтобы потушить бензин, необходимо всего лишь перекрыть доступ кислорода пламени. Повреждённая батарея, с другой стороны, будет продолжать отдавать свою энергию, пока не освободит её полностью. Потушить её нельзя. Энергия, способная заставлять автомобиль двигаться 600-800 км, легко и безопасно запасается в бензобаке объёмом 40-60 литров, в то время как аккумуляторы электромобиля сейчас занимают в 3-4 раза больший объём, и при этом имеют запас хода всего 200-250 км.

 

Я уже не говорю про авиацию, где аккумуляторы не применимы в принципе – вы не сможете сделать хоть сколько-нибудь годный самолёт, так как для необходимой мощности двигателей потребуется большая масса батарей, чтобы поднять которую потребуется более мощный двигатель, чтобы его запитать потребуется больше батарей… ну вы поняли.

 

Сейчас активно продвигаются два вида автомобилей, не использующих углеводородное топливо – электромобили и автомобили на водородных ячейках.

 

Водород, казалось бы, идеальное топливо. Его плотность энергии 142 МДж на 1 кг. Выше – только у ядерного и термоядерного топлива. Однако, добавьте к массе, собственно, водорода, массу баллона для его хранения, и всё уже не выглядит таким радостным. Обычный стальной промышленный баллон для сжатого газа, выдерживающий давление 150 атм. имеет массу почти 60 кг и вмещает всего 40 литров газа. Плотность водорода в нормальных условиях 0,08987 г/л, это значит, что при давлении в 150 атмосфер, масса водорода, помещающегося в этот баллон составит… всего около 0,45 кг. Для хранения 450 грамм водорода требуется «тара» массой 60 кг! Сжигая это количество, я получу ~63,9 МДж энергии, что эквивалентно ~1,5 кг дизельного топлива.

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Возьмём обычный автомобиль с объёмом топливного бака, скажем 50 л. Масса пустого топливного бака пусть будет 10 кг, масса всей топливной системы при плотности топлива 875 г/л составляет 53,75 кг, при этом, в таком автомобиле запасено 2,1 ГДж энергии.

 

Чтобы запасти такое же количество энергии, в случае с водородом мне потребуется 14 кг водорода… то есть примерно 33 баллона, которые весят по 60 кг каждый, то есть почти 2 тонны. При этом кто-то ещё должен будет потратить энергию на то, чтобы сжать весь этот водород до 150 атмосфер.

 

Вот Тойота-Миллениум. Одна заправка для неё – это примерно 5 кг водорода (эквивалент ~22 литра бензина), однако суммарная масса топливной системы вместе с баками составляет 92,5 кг. (и это при использовании высокотехнологичных ультра-лёгких материалов, а не стали).

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Дальность хода на одной заправке для такого автомобиля составляет 500 км. Вроде неплохо, но если мы возьмём эквивалентную массу бензина (~80 кг или 91 л) на обычном автомобиле сходного класса мы проедем в 2 – 2,5 раз большее расстояние.

 

Ещё не стоит забывать тот факт, что водород взрывается при смеси с воздухом в концентрациях от 18,3 до 59% (то есть, практически всегда) И взорваться он может просто от искры статического электричества на вашей одежде или просто от косого взгляда. Представьте себе, что будет, если водородные баки такого автомобиля повредятся в результате ДТП!

 

Да, сейчас безопасности водородных автомобилей уделяется большое внимание, но на скорость, с которой из бака исходит струя газа – она сопоставима со скоростью пули. И, помните, этот газ может взорваться от любой искры чуть позже, даже если он не взорвался от выстрела.

 

Теперь посмотрим на флагман электромобилестроения Tesla Model 3. В документации указано, что на одной зарядке, этот «лучший электромобиль» пробегает 215 миль или 346 км (это если используется форм-фактор 18650). На элементах форм-фактора 2170 будет на 100 миль больше и Тесла догонит среднюю дальность пробега стандартной легковушке на 1 заправке (500 км). При этом масса батарей составляет около 500 кг! То есть, у Теслы топливная система имеет массу почти в 10 раз больше при меньшем пробеге! Характеристики даже хуже, так как разряженный аккумулятор весит столько же, чем заряженный (на самом деле нет, но погрешность пренебрежительно мала).

 

Теперь про дозаправку. Если у бензинового транспорта и даже автомобилей на водороде проблем заправкой нет, и её длительность составляет несколько минут, у электромобиля скорость зарядки аккумуляторов исчисляется часами! При этом, чем выше скорость передвижения, тем быстрее я посажу батареи. При перемещении со скоростью 100 км/ч на каждые следующие 100 – 120 км, мне необходимо будет целый час подзаряжать аккумуляторы (и это если я найду розетку!).

 

Аккумуляторы Илона Маска – одни из лучших в мире на сегодняшний день, но что бы он нам не обещал на тему «революций» в аккумуляторостроении, термодинамику ему не победить и по плотности энергии, аккумуляторы всегда будут гораздо хуже химического топлива.

 

Разумеется, у химического топлива есть один недостаток – при его сгорании образуется углекислый газ, который вносит серьёзное влияние в процесс глобального потепления климата. Разумеется, у электромобилей, как у городского транспорта есть будущее, и есть своя ниша, однако посмотрите на эту картинку и подумайте вот о чём – так ли уж чиста эта «чистая» энергия:

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Вот прогноз динамики развития мировой энергетики до 2040 года (источник). Разумеется, я тоже очень рад, что доля возобновляемых источников энергии растёт, однако, не стоит думать, что их доля в ближайшие годы превысит долю, приходящуюся на выработку электроэнергии из ископаемого топлива:

Грустные мысли по поводу транспорта на альтернативном топливе Электромобиль, Альтернативная энергетика, Экология, Глобальное потепление, Термодинамика, Тесла, Гифка, Длиннопост

Подумайте, автомобиль на водороде будет тратить энергию не только на перевозку вас, но ещё и на перемещение тяжёлых топливных баллонов, к тому же водород – не самое безопасное топливо в мире. Но это ещё не всё, на то, чтобы сжать водород до 150 – 200 атмосфер тоже будет потрачена энергия (на заправке).

 

То же самое касается электромобилей – подумайте, сколько лишнего веса в виде аккумуляторах ездит вместе с вами, подумайте, что почти половина энергии данных аккумуляторов тратится лишь на перемещение их собственного веса.

 

Автомобильный бензин или дизельное топливо, если упростить, при сжигании производят воду и углекислый газ. Больше того, если потратить определённую энергию, то эти два компонента можно заново скомбинировать в углеводородное топливо и кислород. Да, на производство топлива таким способом потратится больше энергии, чем потом может получиться при его сжигании, но раз мы всё равно хотим тратить энергию на перевозку «мёртвой массы» аккумуляторов или газовых баллонов, не лучше ли сосредоточить усилия в этом направлении?

отсюда

★6
В нашей стране я за метан. ИМХО пока не изобретут мгновенное восполнение ёмкости электрических АКБ, углеводороды будут актуальны. И метан — отличная альтернатива бензину и ДТ как в плане цены, так и в плане экологичности. Из минусов только сложное оборудование и системы хранения, сложность АЗС, продающих метан, в разы выше, чем продающих бензин.
avatar

Auximen

Auximen, Я слышал о пунктах обмена батарей. Подъезжаешь, вынимаешь свои блоки, из специального устройство ( куда осуществил оплату) вынимаешь новые блоки, на их место ставишь свои старые, а новые уже вставляешь в своё средство передвижения.
Виктор Петров, это нереально) Производители не могут договориться о едином стандарте зарядных устройств для телефонов, а тут универсальные батареи во всех автомобилях.
avatar

Auximen

Auximen, согласитесь что, в теории, это было бы замечательной альтернативой.
Виктор Петров, это из ряда фантастики. То же, что предложить в качестве альтернативы какие-нибудь ВАРП-двигатели.
avatar

Auximen

Auximen, в качестве примера, я напомню Вам о USB.
Виктор Петров, ну USB? Сейчас у трети телефонов Lightning, у трети USB-C, у трети MicroUSB. А универсальные АКБ для автомобилей — это не какой-то там провод с разъёмом.
avatar

Auximen

Auximen, не совсем так — у бытовых батареек есть общепринятые стандарты  (АА и тд)
avatar

aps

aps, так их сотни, стандартов. Представляете АЗС, которая располагается каждые 25 км., на которой сотни разных типов заряженных батарей, весом в 200 кг. каждая?
avatar

Auximen

Auximen, абсолютно нет.
так же. одна на один заряд, другая батарея на другой и т.д.
Виктор Петров, ну как нет? Вы представляете, что значит договориться всем производителям мира о едином стандарте и оснастить батареями все АЗС? Это же не просто стандарт батарей, это и механизм их установки. Батарея весит 500 кг., нужны автоматические станции. Это из раздела фантастики.
avatar

Auximen

Auximen, Да ладно — какими батарейками Вы пользуетесь в быту? Наверное в основном АА и ААА? Какие сотни стандартов? Все в мире пользуются одними и теми же стандартами
avatar

aps

Что спорить?
Лучше вспомните, что САМ Николло Тесла не раз говорил про «Кастрюлю Форда», признавая ее преимущества на долгие-долгие годы.

Как мне кажется он в этом лучше многих разбирался. Во всяком случае, лучше меня.

avatar

Shmulia

Очередная ретроградская статья… Сколько я таких диферамбов нефтеэнергетике слышал с момента постройки своего первого электромобиля в 2001 году… Тысячи… А меж тем здесь лукавства через край. Ну вот хотя бы некоторые ваши недомолвки: Да, аккумы тяжёлые, но мотор лёгкий и обслуживания не требует. Да и полный привод получается как песня. А теперь припомните, сколько весит ДВС, да ещё с полным приводом и АКПП? Уже не так радужно, не так ли? Про стоимость и частоту регламента обслуживания, а так же ресурс современных силовых агрегатов бензо- и дизельных машин вообще молчу! А вот главный лично для меня аргумент — автономность от всей безумной инфроструктуры по добыче, переработке, доставке и реализации нефти и нефтепродуктов (масла, смазки). Поставил с собственном доме ветряк и Сол.Панели и обеспечен энергией и транспортом. личным, заметьте.  Вы как-то малодушно не считаете, сколько энергии потребляет весь этот комплекс, какую опасность и какую нагрузку на окр. среду он создаёт. Думаю, не ошибусь, если грубо прикину, что весь этот комплекс по нефтедобыче и переработке  сжирает добрую половину той энергии, которую добывает из нефти. Электромобили — это другая парадигма транспорта. Вы спите ночью 7 часов, и ваша машина заряжается эти 7 часов. Только жить надо не в муравейнике-мегаполисе, а комфортабельно, в собственном доме. В общем, если говорить грубо и цинично, электромобили — для обеспеченных людей и чистого окружающего мира, нефте-индустрия с потребителями оной — для малообеспеченных людей, которые сами для себя создают некомфортные условия жизни, сами мужественно их преодолевают, засирая при этом всё вокруг, и громко кричат, что качественно жить не хотят… Ну дело ваше…
avatar

Владислав

Владислав, У мня с ветряком и солнечными панелями не получается обеспечить энергетику загородного дома.
И ветра у нас мало и света.

А с дровами, пока газ проводят, самое оно.
И веками проверено и возобновляемое топливо.
avatar

sergik99

sergik99, это вопрос только количества установленных СБ и ветряков. И эффективности их использования. Я, например, дачу отапливаю сплит-системой (MUZ-GE50VA-E1). До -7 С за окном на 80 м2 хватает. 2.2 кВт из розетки, 5.8 кВт тепла в дом. 
avatar

Владислав

Владислав, И вам ветряки дают 2.2 Квт именно в то время когда холодно?
avatar

sergik99

sergik99, у меня сейчас нет такой необходимости, поскольку есть 3 фазы на 15 кВт по 5р днём и по 1.5р ночью за кВт. Но если сеть пропадёт, то наращу мощности до необходимых. Карта ветров в нашем регионе есть, по месяцам. Инсоляция известна. Аккумы есть. А вот если нефтезавод встанет — всё, привет, приехали. Я отлично помню бензиновые кризисы 90х. Сам с канистрами катался на нефтебазу около Ш2. Мож эта пугалка и кажется нереальной сейчас… но кто знает... 
avatar

Владислав

Владислав, Вы уверены, что очень быстро окупите эту энергию в условиях Вашего проживания?
Виктор Петров, в мире горы денег, как вы видите, даже мусорные активы, типа нашего рынка, скупают оптом. Вопрос не в окупаемости, а в принципиальной независимости от нефтяной инфроструктуры.
avatar

Владислав

Владислав, о май гад… Если бы производство солнечных батарей, или ветряков, было бы с положительным КПД в среднем, то мы бы уже давно изобрели вечный двигатель. Но его, увы, не существует. Можете не сомневаться, электромобили тоже будут делать в скорости точно так же как бензиновые — ломаться, и требовать обслуживания они точно так же будут. Плюс не забывайте, что у вас есть аккумулятор, который нужно менять. Нефтедобыча, нефтепереработка, нужна для того, чтобы сделать ваши источники «зелёной энергии». Не из святого духа они сделаны. Электромобили — да, другая парадигма. Мёртворождённая. Как бы мне не хотелось писать обратного, но будущего, увы, в них нету. Если все будут жить в загородных домах, у Вас аккумуляторов не хватит чтобы до работы добраться.
avatar

Виктор

Виктор, агумент, «если бы это было выгодно, все бы это делали» — не доказательство. У нас отравау продают в виде алкоголя и табака, по вашей логике это всё должно было бы быть под жесточайшим запретом, убивает же безвременно! Ан нет, вполне нормально стоит и лежит на полочках. Есть стереотип мышления, глубочайший, и он поощряется. Пока люди не стнут думать своей головой и анализировать подлинные факты, всё будет как и сейчас. «Пока живут на свете дураки, обманом жить нам стало быть с руки :)»
avatar

Владислав

Владислав, да полностью соглашусь с написанным. Так или иначе, никакой заботы об экологии и прочих вещах в электромобилях я не вижу совсем :) Но да, покупать будут. Всё совершенно верно написано Вами.
avatar

Виктор

Жаль что перепост, но очень годно!
avatar

Виктор

Виктор, поэтому сюда и скопипастил.
Для Теслы тяжелая батарея плюс — она расположена на днище и обеспечивает авто большую устойчивость. А приведенная дальность- для самых дешевых моделей.
Вообще-то, если электромобили подсчитать без стоимости аккумуляторов, то они должны стоить в разы дешевле авто с ДВС. Не говоря про сервис. Но то, что вопрос в аккумуляторах — это бесспорно, а то электромобили давно отжали бы ДВС. Но вдруг сейчас Тесла пользуется ситуацией а-ля первые Айфоны, а то и хуже — ситуация первых телефонов-кирпичей 90-х за сумасшедшие цены. Потом появятся и на них свои Самсунг Галакси и Сяоми. В 90-х тоже говорили, что цены ниже не будут, аккумуляторы дорогие и тд. Посмотрим, что будет с ценами? Может статься, что наоборот — авто с ДВС станут признаком элитарности со временем… Ого — у тебя авто с 8 цилиндрами, налог на него в 100 тыс. долларов в год платишь, да ты миллиардер, хромированные бочки с бензином будут привозить на дом, автомасла в серебряных банках!!! А все вокруг на электрокарах как лохи)))
С другой стороны от недостаточной эффективности накопителей энергии и аккумуляторов, ведь есть вопросы и к углеводородам — исчерпаемы они всё-таки или нет? Если исчерпаемы, то мы сейчас как алкаши «пропиваем» ресурсы у будущего поколения? Также, есть вопросы к цене на углеводороды и к той же стабильности их цен, поставок. Солнце и ветер все-таки халява и не требуют инфраструктуры про стоимость которой все забывают (кстати про АЭС и ГЭС еще более сложный вопрос в этом смысле).

PS Начало статьи зацепило — я уж подумал, что предлагают из людей энергию добывать самым жестоким образом (Матрица отдыхает)
avatar

aps

Помимо плотности энергии, есть еще стоимость. И энергия, получаемая из нефти (бензина) намного дороже, чем из газа и угля. А выбросы — это не только углекислый газ. Причем на стационарных электростанциях делать очистку рентабельнее, чем на автомашинах.
Ограничение по пробегу — оно есть. Но большей части машин достаточен дневной пробег в 200 км.
Возможно, произойдет разделение классов машин — на чистые электро и гибриды. Гибриды дадут большую автономность, чем электро и большую экономичность и чистоту, чем ДВС. За счет постоянного режима работы ДВС. 
avatar

Andrew_Kl

Andrew_Kl, есть еще подзаряжаемые гибриды, с повышенным запасом хода на электричестве по сравнению с обычными гибридами, более емкие батареи которых можно подзаряжать от внешних источников.
avatar

Supric

Supric, Я о них и говорил. У них, как правило, достаточная автономность для города, и возможность подзарядки в движении. 
avatar

Andrew_Kl

Пока пишут такие статьи, нужно эксплуатировать электромобиль или гибрид, чтобы платить за передвижение в 2-4 раза меньше остальных.

У электромобиля есть свои эксплуатационные преимущества, не описанные в статье. Например рекуперация, при езде с горки у вас не будет вырабатываться бензин, а вот батарейка в таком режиме может вернуть себе часть энергии. Как и при торможении, вместо того чтобы стирать в пыль тормозные колодки, дарим себе несколько десятков метров запаса хода. Есть и свои недостатки конечно. Но и технология пока относительно молодая, прогресс не стоит на месте.

avatar

Supric

Supric, маркетинговая хрень вся эта рекуперация.
avatar

Виктор

Виктор, я так понимаю, у вас есть электромобиль или гибрид, и вы со знанием дела это заявляете?
avatar

Supric

Supric, нет, конечно. У меня есть реальные потребности, а не придуманные статьи в виде расходов на авто. Физику то не обмануть, была бы рекуперация действительно годной идеей, тогда можно было бы «заправлять» теслу на половину :) Но в реальности, пробег ± равен тому, что и заявляет производитель со всеми наворотами вроде рекуперации.
avatar

Виктор

Виктор, так и думал, как обычно по картинкам судят о технологиях. Производитель и заявляет пробег с учетом рекуперации по измерительному циклу.

Почему наполовину заряжать логики не понял, а вот то что после сотни километров на галстуке за фурой тесла зарядится на 50-60 км пробега — факт. А если педальку тормоза придерживать то гораздо больше.
avatar

Supric

Supric, прикольно про галстук и фуру. Действительно не плохо. Да, я понимаю, что эти данные с учетом рекурперации. По этому и написал что в целом, чуда нету в этом, увы. Бензин пока лидер. Всё электрическое мало пригодно пока в массовом сегменте. :(
avatar

Виктор

 И ещё, а никого не смущает, что авто массой тонна или полторы тоскает 1-2 бренных тушки весом 70-100 кг/штука? На этом фоне вес батареи не имеет значения, машина всё равно тяжелее, какая разница, как именно внутри неё распределяется масса. На силовой агрегат и бензобак с глушителем или коробку с аккумами? Вам — как пользователю, до этого вообще дела нет.
avatar

Владислав

Важное замечание:

Говоря о "плотности энергии" нужно помнить, что речь идет об энергии, которую люди способны извлечь из удельного объема вещества с помощью существующих примитивных технологий — в основном за счет химических реакций (окисление, горение, восстановление и т.п.).

Как только люди дойдут до манипуляций на уровне протонов и электронов, плотность энергии будет определяться совсем другими параметрами. На одной капле воды можно будет проехать несколько километров. Хотя… может быть, и ездить уже не придется)
avatar

Сергей Симонов

Сергей Симонов: Как только люди дойдут до манипуляций на уровне протонов и электронов, плотность энергии будет определяться совсем другими параметрами. На одной капле воды можно будет проехать несколько километров. Хотя… может быть, и ездить уже не придется)

потом, как в фильме киндзадза, оставим планету без воды

Только зарегистрированные и авторизованные пользователи могут оставлять комментарии.

Залогиниться

Зарегистрироваться
....все тэги
UPDONW