Самое слабое звено в современных электронных устройствах – это, вне всякого сомнения, источник питания. Радость от использования новейших достижений IT-индустрии способна несколько померкнуть из-за необходимости, к примеру, слишком уж часто подзаряжать смартфоны от розетки. Два года назад мы уже публиковали статью о перспективах дальнейшего развития аккумуляторных батарей, автор которой пришёл к выводу о том, что прорыва в данной области можно ждать не ранее, чем через пять лет. Изменилось ли что-то в этой ситуации на сегодняшний день?
Казалось бы, новостей на эту актуальную тему хватает, в том числе и на нашем сайте. Последнее громкое событие в мире потребительских батарей – это представленный 30 апреля бытовой аккумулятор Tesla Powerwall. Впрочем, громкость этой презентации – не столько в реальной пользе от предложенного компанией Илона Маска продукта, сколько в самом факте традиционно эффектного выхода Tesla на рынок бытовых источников энергии. Сразу заметим, что отечественного потребителя батареи Powerwall (предлагаемые, напомним, за $3–3,5 тыс за модели 7/10 кВтч, не считая доставки, установки и, при необходимости, подключения трансформатора постоянного/переменного тока) вряд ли заинтересуют: пока что весь их смысл, помимо функционирования в качестве своего рода недешёвого источника бесперебойного питания, – в накоплении энергии, получаемой либо из сети, либо от солнечных батарей, с возможностью её дальнейшего использования по назначению.
Илон Маск на презентации Tesla Powerwall
Первое, как можно догадаться, актуально только в случае различных расценок на электроэнергию для населения в зависимости от времени суток. В реалиях Украины это может быть оправдано разве что теоретически, – к примеру, Киевэнерго предлагает своим абонентам двухзонные (0,5 тарифа с 23:00 до 7:00) и трёхзонные (1,5 тарифа с 08:00 до 11:00 / с 20:00 до 22:00 и 0,4 тарифа с 23:00 до 07:00) планы. Правда, для этого нужно ещё приобрести многозонный счётчик – от 1100 грн за однофазный или от 2050 грн за трёхфазный, не считая стоимости установки (около 180 грн). Нетрудно заметить, что для того, чтобы такой счётчик смог окупиться, необходимо, прежде всего, перейти на потребление электричества в ночное время, – и как раз в этом вопросе аккумуляторы Tesla Powerwall вполне способны помочь. Другое дело, что для оправдания дополнительных затрат на покупку ещё и такой батареи, на фоне которых цены на многозонные счётчики уже просто теряются, объёмы потребления должны быть очень немаленькими (или же совсем не домашними), где-то так на уровне 140–150 тыс грн, – то есть, вдвое превышать стоимость оборудования при нынешних курсах и тарифах. Скажем, при потреблении по 200 кВтч в месяц это означает окупаемость примерно за 120 лет. Но даже если потреблять ежемесячно по 1000 кВтч, то сэкономить на половинном тарифе получится только лет так через тринадцать, а к тому времени и тарифы неоднократно поменяются, и батареи явно устареют.
Помимо бытовых моделей, Tesla предлагает и промышленные варианты батарей-накопителей энергии
Впрочем, Tesla Motors делает акцент именно на втором способе экономии при помощи новых аккумуляторов – на оптимизации использования солнечной энергии, по самой природе своей довольно хаотичной и неравномерно распределяемой. Домашняя батарея позволяет накапливать избыточную энергию в солнечное время и использовать затем по необходимости, вместо того, чтобы днём сбывать её задёшево энергетическим компаниям, заново покупая её у них же вечером намного дороже. В перспективе, особо подчёркивает Илон Маск, целью компании является полный отказ от ископаемого топлива, так что Powerwall – такой же значимый и закономерный шаг на пути к достижению этой цели, как и электромобили.
В то же время, и в этом плане новинка не является сама по себе чем-то революционным – поскольку для такого экологического использования аккумулятора от Tesla потребуется, прежде всего, приобретение набора солнечных панелей, которые ещё далеко не так доступны и распространены, как того хотелось бы. К примеру, комплект мощностью 2 кВтч для использования на даче или в офисном помещении, способный вырабатывать от 7,6 до 19,2 кВт в сутки, обойдётся почти в 100 тыс грн. Даже в более солнечных странах Западной и Южной Европы солнечные панели, при всём регулярном падении цен на этот вид энергетической продукции, остаются довольно дорогостоящими, и распространение их в быту во многом зависит от активного поощрения со стороны государства. При этом в состав готовых комплектов панелей уже входят и аккумуляторные батареи, аналогичные тем, что предлагает компания Илона Моска, пусть и далеко не такие стильные, – так что в технологическом отношении Tesla Powerwall не представляет собой ничего нового по сравнению со стационарными литий-ионными батареями менее именитых конкурентов.
Более того, как показывает анализ, проведенный журналом «Nature», нет особой уверенности и в том, что компании удалось значительно снизить стоимость таких батарей, которая доныне остаётся основным препятствием на пути их широкого распространения. Согласно мнению директора исследовательской лаборатории LG Chem Power Мохамеда Аламгира, цена собственно топливных элементов литий-ионных аккумуляторов, которые Tesla пока что закупает у Panasonic, равна примерно двумстам долларов за один кВтч; конструирование же самой батареи, как правило, удваивает эту сумму. Получается, что при себестоимости моделей Powerwall в районе $4000 Tesla, похоже, предполагает начать продажу своих новинок по убыточной цене – вероятно, в надежде перейти на окупаемость после запуска своего собственного завода по производству элементов питания, который ныне строится в США в штате Невада за $5 млрд. Для сравнения – по оценке Министерства энергетики США, конкурентоспособный аккумулятор должен стоить не дороже $150 за кВтч – показатель, который новинки от Tesla всё равно превышают более чем в два раза.
Достижения ХХІ века: мобильность в действии
С другой стороны, даже если Tesla действительно удастся в ближайшие годы радикально снизить стоимость литий-ионных бытовых аккумуляторов, сама эта технология хотя и остаётся наиболее популярной и распространённой, – за один только позапрошлый год в мире было продано около 5 миллиардов Li-ion батареек, – особо передовой и перспективной уже никак не выглядит. Как утверждает Джордж Крабтри, директор расположенного в окрестностях Чикаго Объединённого центра исследований накопителей энергии, пусть на сегодня литий-ионные аккумуляторы и отличаются в два раза большим объёмом и на порядок меньшей стоимостью от первого поколения моделей, представленных Sony в 1991 году, в настоящее время они уже вплотную приближаются к пределу своих возможностей. Так что ни снабжения электромобилей источником энергии, сравнимым по ёмкости с бензобаком на 800 км, ни предоставления современным смартфонам хотя бы недели автономного использования от этого типа аккумуляторов ждать, увы, не приходится вне зависимости от их себестоимости.
Каждый тип аккумуляторов имеет свои пределы плотности – количества содержащейся в нём энергии на единицу веса, – и пределы эти возросли с момента появления в самом начале ХХ века первых перезаряжаемых свинцово-никельных батареек всего лишь в шесть раз. Исследовательский центр, возглавляемый Дж. Крабтри, получил от Министерства энергетики США заказ на разработку к 2017 г. нового типа аккумуляторов, в пять раз более ёмкого и настолько же более дешёвого, чем Li-ion, – но большинство других специалистов считают этот план практически неосуществимым.
Источник: «Nature»
В то же время, новых идей в лабораториях по всему миру хватает. Одной из наиболее перспективных является технология литий-серных батарей, не только более дешёвых и лёгких, благодаря замене графитовых электродов из Li-ion чистым литием, но и теоретически в пять раз более ёмких, чем литий-ионные (пусть на практике перевес и оказывается только двукратным). Некоторые проблемы, связанные с реакцией между литием и серой и не очень высоким числом циклов перезарядки, пока ещё не полностью преодолены, но именно эта «технология» будущего представляется едва ли наиболее близкой к воплощению в массово-промышленном виде. По крайней мере, британская компания Oxis Energy планирует выпустить коммерческие Li-S батареи для электромобиля ёмкостью 400 Вт*ч/кг в 2017 году, а ещё спустя два года достичь и показателя в 500 Вт*ч/кг.
Oxis подчёркивает высокую надёжность своих литий-серных аккумуляторов, выдерживающих не только забивание гвоздём, но даже и пулевые выстрелы
Ещё более амбициозной является идея литий-водородных (или литий-воздушных) аккумуляторов, способных подзаряжаться в буквальном смысле из воздуха и обеспечивающих плотность энергии, на порядок превышающую нынешние стандарты индустрии батарей и прямо соответствующую бензиновым двигателям внутреннего сгорания. Однако, история 30-летних исследований в этой области демонстрирует настолько невысокую скорость прогресса, что многие учёные относят Li-O технологию скорее к области фантастики.
Зато совсем уже свежей оказывается новость об алюминиево-ионных аккумуляторах, разработанных на основе графитовых электродов исследователями китайского происхождения в Стэнфордском университете. Профессор химии Хун-цзе Дай и его коллеги из Стэнфорда и Тайваньского национального научно-технологического университета говорят о небывалой дешевизне, безопасности, о рекордных сроках зарядки, вплоть до одной минуты, и о 7,5 тысячах циклах перезарядки, сравнительно с 1000 циклов у нынешних моделей Li-ion и не более ста – у алюминиевых батарей других лабораторий. Правда, авторы изобретения не скрывают и его недостатков: напряжение тока составляет 2 в против 3,6 в у литий-иона, а по показателю плотности энергии алюминиево-ионные батареи пока что напоминают скорее никель-кадмиевые – всего 40 Вт*ч/кг. Всё это может означать как значительный вес готовых промышленных продуктов, так и отдалённость даты их появления на рынке: потребуется ещё немало усилий для достижения конкурентоспособного уровня этих последних показателей.
Petalite Flux: чем заняться в ожидании литий-серных аккумуляторов и других чудес техники будущего
А потому, если вы озабочены продлением срока дневной службы своего смартфона уже сегодня, и не желаете ждать появления новых технологий как минимум ещё два года – придётся смотреть в сторону внешних батарей. К счастью, технологии Tesla оказываются небесполезными и здесь – к примеру, британская новинка Petalite Flux, гордо именуемая её авторами «самой быстро-заряжающейся внешней батареей в мире», вдохновлялась как раз суперзарядными устройствами для электромобилей. Полной зарядки от док-установки симпатичный цилиндрик 9 х 2,9 см весом 93 г достигает за 15 минут, в дальнейшем позволяя подкармливать энергией различные мобильные устройства (Micro USB / Apple Lightning). Девяти минут подпитки аккумулятора от сети хватает на то, чтобы затем подзарядить iPhone 5s до 100%, – при этом разработчики гарантируют не менее 1500 циклов перезарядки. Краудфандинговая кампания Petalite Flux увенчалась успехом несколько месяцев назад, но и доныне базовый комплект можно заказать за 68 долл. – а отгрузки обещают начать в августе.
И пусть такая внешняя батарея – всего лишь полумера по сравнению с намного более радужными перспективами дальнейшего развития аккумуляторов, она служит неплохим напоминанием того, что прогресс всё же не стоит на месте, хотя технические революции в один день и не делаются.