Электротранспорт ощутил сырьевую недостаточность

Добыча африканского кобальта нередко связана с использованием детского труда. Фото Reuters

Не так давно новый федеральный министр транспорта Германии Фолькер Виссинге предостерег граждан своей страны от приобретения автомобилей с двигателем внутреннего сгорания. По его мнению, наиболее эффективным двигателем для транспорта является электромотор. Он подчеркнул что, традиционные бензин и дизель в перспективе будут все время дорожать из-за растущих налогов на выбросы двуокиси углерода, и поэтому пора пересаживаться на двигатели без выбросов парниковых газов. Журнал Spiegel предупреждает в одном из последних номеров, что бензин и дизель, произведенные из органического сырья, ждут тяжелые времена. Решение о переходе на электромобильность уже давно принято в рамках ЕС, заявил он, и если немцы форсируют переход на электромобили, то этим помогут быстрее добиться поставленных климатических целей. До 2030 года по планам правительства по немецким дорогам должны передвигаться уже 15 млн электромобилей. А пока, по данным статистического ведомства Statista, количество допущенных к эксплуатации электромобилей в Германии по состоянию на 1 октября 2021 года составляет 517 тыс. единиц.

Если же посмотреть на мировые прогнозы, то на этот счет существуют различные показатели. Например, Международное энергетическое агентство еще три года тому назад прогнозировало к 2040 году 40 млн электромобилей. Но сейчас этот прогноз изменился как минимум на 145 млн штук. Если же правительства различных стран мира будут поддерживать эту отрасль, то число электромобилей может достигнуть к 2030 году уже 230 млн штук. Эксперты российского Института энергетических исследований РАН и Аналитического центра при российском правительстве в своем прогнозе до 2040 года отмечали, что перспектива электромобилей связана прежде всего с совершенствованием аккумулятора.

В поиске материалов

Наиболее активно совершенствуются литий-ионные аккумуляторы. Идут поиски материалов для электродов и электролита, разрабатываются новые технологии их изготовления. Перспективным считается использование наноструктурированных композитных материалов большой пористости, в частности нанокомпозитов на базе лития и фосфата железа или сульфита лития и углерода – для изготовления катодов, кремниевых наноструктурированных анодов вместо графитовых и т.д.

Это должно многократно повысить энергоемкость аккумулятора, увеличить пробег на одной зарядке до 600–800 км, сократить время полной зарядки до 10 минут и менее, продлить срок службы до 8–10 лет. Больших перспектив можно ожидать от разработки литий-воздушных батарей. Их теоретическая энергоемкость в 8–10 раз выше, чем у литий-ионных. Запас хода электромобиля на одной зарядке может составить 800–1000 км. Такие аккумуляторы разрабатываются многими организациями, в частности консорциумом компаний в составе американской IBM и японских Asahi Kasei и Central Glass при научной поддержке ряда национальных лабораторий США (прежде всего Argonne National Laboratory) в рамках амбициозного проекта Battery 500 Project. Батарея должна удовлетворять всем перспективным требованиям DOE, а ее энергоемкость – достигать 1700 Вт-ч/кг. На рынке она должна появиться через 8–10 лет. Ведутся активные исследования по созданию еще более эффективных аккумуляторов. Так, в Стэнфордском университете в качестве носителя заряда рассматриваются ионы калия вместо лития и делаются электроды из наноматериалов на основе железа и меди, что позволит увеличить число циклов «зарядка–разрядка» в батареях до 40 000. В Университете Массачусетса разработан воздушный ванадиево-боридный элемент (vanadium boride air cell), который сможет превзойти по энергоемкости бензин и дизтопливо. Теоретическая энергоемкость этого элемента составляет 27 тыс. Вт-ч/кг, а практически достижимую авторы оценили в 5 тыс. Вт-ч/кг при энергоемкости бензина 12,1 тыс. Вт-ч/кг и дизтоплива – 11,8 тыс. Вт-ч/кг, а с учетом КПД двигателя (30–40%) эти величины равны 3,6–4,7 тыс. Вт-ч/кг.

Серьезные проблемы данного аккумулятора связаны с сильной коррозией элемента, приводящей к быстрой потере емкости и выделению водорода, что делает аккумулятор взрывоопасным. Авторы надеются достаточно быстро решить их, стабилизировав анод из борида ванадия путем нанесения на него тонкого покрытия из диоксида циркона. Ученые из университетов Майами, Токио и Тохоку открыли явление генерации электродвижущей силы (ЭДС) в статическом магнитном поле. ЭДС имеет спиновое происхождение и создается за счет спин-зависимых эффектов в специально подготовленной наноструктуре, состоящей из квантовых наномагнитов определенного состава. Техническая реализация этого явления может открыть дорогу к созданию так называемой спиновой батареи – аккумуляторов фантастической энергоемкости и мощности, хранящих огромную энергию «в квантовой форме». Но воплощения спиновой батарейки до 2040 года не ожидается. Улучшение аккумуляторных батарей может дать совершенствование систем управления для улучшения всех их характеристик. Достигается это новыми методами и техническими средствами мониторинга состояния электрохимических ячеек, эффективных алгоритмов оптимизации стратегии зарядки и последующего использования батареи в зависимости от физического состояния ячеек. Реализация подобного проекта Калифорнийским университетом совместно с компаниями Bosch и Cobasys при поддержке Агентства передовых исследований в области энергетики (ARPA-E, США, грант в размере 9,6 млн долл.), как ожидается, позволит на 25% снизить стоимость литий-ионных аккумуляторов и вдвое сократить время их зарядки.

Параллельно с разработкой аккумуляторов ведется совершенствование электротехнического оборудования электромобилей для снижения потребления электроэнергии на 1 км пробега. Например, компания Yasa Motors представила сверхлегкий и мощный электрический двигатель DD500, разработанный в Оксфордском университете. Объем данного двигателя на 50% меньше, чем у стандартных тяговых моторов, а удельный пиковый крутящий момент вдвое выше (30 Нм/кг) и в Yasa Motors намерены довести его до 40 Нм/кг.

Пока же переход на полную электромобильность связан с рядом проблем, которые в будущем кажутся сложноразрешимыми. Так, эксперты немецкого общества Фрауэнхофера полагают, что изготовление электромобиля по сравнению с автомобилем с двигателем внутреннего сгорания в связи со процессом изготовления электробатареи выглядит намного более энергетически интенсивным. При этом в зависимости от применяемого источника электроэнергии и размера батареи эмиссия парниковых газов будет на 70–130% выше, чем при обычном автомобиле с двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Однако у приобретенного сегодня электромобиля за время эксплуатации (в среднем в Германии автомобиль эксплуатируется 12 лет, для сравнения: в России – 13,9 лет) эмиссия парниковых газов составит на 15–30% меньше, чем у автомобиля с ДВС. Правда, это также будет зависеть от источника электроэнергии, которым будут заправлять электромобиль. В этом плане процесс энергоперехода именно для климатического баланса электромобиля чрезвычайно важен.

Предполагается, что с продвижением альтернативных источников энергии как результата реализации энергоповорота климатический баланс электромобиля будет все улучшаться. Сейчас в Германии 50% пользователей электромобилями имеют собственную солнечную установку для производства электроэнергии, а треть из этих энтузиастов фотовольтаики – еще и собственный накопитель электроэнергии. Если подобная тенденция будет расти, то климатический баланс электромобилей будет еще выше. Правда, возникает проблема утилизации электромобилей после их эксплуатации. Как известно, на сегодня для накапливания энергии в электромобилях используются литиевые аккумуляторы. Или, точнее сказать, литий-ионные. Пока это наиболее экономически обоснованный тип источника питания. Их энергоемкость, как правило, составляет 100–2 Вт-ч/кг и ресурс по 1000–3000 циклов «заряд–разряд», что существенно выше традиционных свинцово-кислотных и щелочных аккумуляторов.

Когда заканчивается ресурс использования литиевых батарей, от них приходится избавляться. Но они токсичны и занимают обширные площади на свалках. Поэтому при подсчете климатического баланса всегда учитываются процесс изготовления и утилизации электромобиля. При этом именно батарея играет одну из ведущих ролей. Ведь с повышением мощности батареи увеличивается дальность пробега, но для подобного повышения существуют как экономические, так и технологические границы. Правда, сейчас уже появляются методы полного инжинирингового цикла по переработке литиевых аккумуляторов – от методов извлечения пригодного сырья до организации производственных мощностей. Одним из таких методов является криогенно-вакуумная установка. Она позволяет без риска взрыва извлекать литий и диоксид марганца из аккумуляторных батарей, в том числе из особо взрывоопасных электрохимических систем, к которым относятся литий-тионилхлоридные, литий-фторуглеродные и даже в перспективе литий-азотнокислые химические источники тока.

Литий остается оптимальным на сегодня вариантом для автотранспорта, а технология его переработки позволит уменьшить общую себестоимость электромобилей на 30%. Поэтому, утверждают эксперты Фраунхоферовского общества, большинство анализов по балансу парниковых газов говорит о том, что завершающий ресайклинг не окажет существенного влияния на климатический баланс электромобилей. В случае же двойного использования аккумуляторов, например для накопления энергии от солнечных батарей, баланс по парниковым газам может выглядеть лучше. Правда, многое будет зависеть от условий эксплуатации электромобиля. Другими словами, если электромобиль с большой емкостью батареи и заряжаемый имеющимся на сегодня так называемым немецким миксом, то есть электроэнергией, полученной на допущенных к эксплуатации электростанциях, как альтернативных, так и тепловых, то его климатический баланс будет зависеть от интенсивности эксплуатации. При малой интенсивности он будет не лучше, чем у традиционных автомобилей с ДВС. Но кроме утилизации аккумуляторов, считают франгоферовские ученые, электромобили имеют по сравнению с автомобилями с ДВС, если говорить о полном цикле использования транспортного средства, недостатки с точки зрения охраны окружающей среды по следующим категориям: это эмиссия пыли, или увеличение количества взвешенной в воздухе и осевшей на поверхности пыли, которая объясняется повышенным износом асфальтового покрытия автомобильных дорог, особенно при применении ошипованной резины. При этом не нужно забывать, что и в выбросах автомобиля содержатся твердые частицы.

Потери воды в основном связаны с производственным процессом. На немецком интернет-портале Lebensraum Wasser, посвященном использованию воды в технических нуждах, указывается, что ряд автоконцернов намерен снизить объемы использования в производстве автомобилей питьевой воды до нуля, в частности за счет создания замкнутых циклов. Более серьезную проблему представляет окисление окружающей среды при производстве и утилизации транспортного средства. Речь идет о выбросах вызывающих окисление газов, которые неблагоприятно действуют на окружающую среду, в том числе и на человека. В этом плане электромобили имеют явное преимущество в сравнении с автомобилями с ДВС, поскольку при их эксплуатации нет так называемого летнего, или фотохимического, смога, который образуется благодаря оксидам азота и углеводородам, из которых при интенсивном солнечном свете образуются фотооксиданты, преимущественно озон. Имеющиеся статистические данные говорят о том, что летний смог может вызывать гибель людей. К вредным последствиям эксплуатации транспортных средств с ДВС относится также эмиссия нитратов и фосфатов и, разумеется, парниковых газов.

Различные анализы перспектив экологичности транспортных средств к 2030 году говорят о том, что значительную роль в повышении экологичности электромобилей играет переход на полностью альтернативные источники электроэнергии для их зарядки. В принципе снижение негативного экологического воздействия на окружающую среду личного транспорта, считают эксперты Фраунгоферовского общества, возможны только при снижении уровня использования личного автотранспорта, всемерного сокращения его количества и развития сети общественного транспорта.

Важные элементы

Мало кто из поборников электромобилизма задумывается о том, откуда берутся составные элементы для электромобилей. И прежде всего речь пойдет об аккумуляторах. Для их производства необходимы кобальт, литий, никель, марганец и графит. Сами электромобили нуждаются в таких редких элементах, как неодим, представляющий собой химический элемент 3-й группы шестого периода периодической системы химических элементов Менделеева с атомным номером 60, который относится к семейству лантаноидов. По своему внешнему виду это мягкий редкоземельный металл серебристо-белого цвета с золотистым оттенком. Его месторождения находятся в России, США, Казахстане, в Украине, Австралии, Бразилии, Индии, Скандинавии и в Китае.

Именно Китай является основным производителем и экспортером неодима. Далее для двигателя кроме неодима необходимы празеодим и диспрозий, также относящиеся к семейству антоноидов. Празеодим содержится в земной коре – 9 г на тонну, в воде океанов – 2,6 на 10 в минус шестой степени миллиграммов на литр. Его получают в смеси с другими редкоземельными элементами. А диспрозий в природе в чистом виде не встречается, но входит в состав некоторых минералов, например ксенотима.

Столь подробное описание таких редкоземельных материалов нужно, чтобы подчеркнуть их ограниченное количество в природе и сложность доступа к ним. Например, литий добывают из соляных озер в Чили, Аргентине и Боливии. И это представляет собой значительную проблему в условиях общей нехватки воды в этих странах. К этому следует добавить проблемы из-за этого с местным индейским населением. 60% добываемого кобальта в мире имеет свое происхождение в Конго. Причем от 15 до 20% его добычи приходится на мелкие шахты, не оснащенные современными средствами добычи и применяющие детский труд. Это ведет к многочисленным несчастным случаям.

Уже ранние анализы периода 2009–2015 годов приводили к выводу, что для глобальной электромобильности имеющихся запасов лития, кобальта, никеля, марганца и графита должно было бы хватить. Однако, отмечают эксперты из Общества Фраунгофера, нельзя исключать временных ограничений и нехватки сырья из-за колебания цен на отдельные его виды. Уже в период 2016–2019 годов появились разделяемые подавляющим большинством экспертов анализы относительно развития конкретных технологических процессов на ближайшие 10 лет, необходимых для глобальной электромобильности. Поэтому предполагается с позиций сегодняшнего дня, что спрос на литий будет выше, чем в предшествовавших анализах, на кобальт примерно на отмеченном ранее уровне, а на никель значительно вырастет. Впрочем, и кобальт и никель могут на 90% добываться из уже отработавших свой срок аккумуляторов, благодаря чему возможная острота спроса на эти металлы будет снижена.

Необходымое условие

Однако с точки зрения одного из ведущих производителей автомобилей – баварского концерна BMW не так все однозначно. Немецкий автомобильный журнал Auto опубликовал интервью с Франком Вебером, членом правления, ответственным за развитие бизнеса BMW. Он полагает, что еще рано говорить о полном доминировании электромобиля после 2035 года, хотя на этот счет имеется недвусмысленная позиция руководства ЕС. По его мнению, сначала необходимо создать всеохватывающую инфраструктуру, которой пока нет.

Исходя из этого он предлагает следующую стратегию концерна: предлагать покупателю все модели с новым достаточно экономным ДВС, в том числе и дизельные. Переходная технология между двигателем внутреннего сгорания и электромобилем он видит в гибридах с увеличенной дальностью пробега при использовании электромотора.

По его словам, в ближайшие годы BMW не намерен отказываться от двигателя внутреннего сгорания и работает над повышением его эффективности за счет сокращения выбросов двуокиси углерода.