Битва источников энергии. Кто победит — топливный элемент или аккумулятор
Заголовки новостей который год рассказывают нам об Илоне Маске и его электромобилях Tesla, перевернувших наше представление об автотранспорте. Вот только проехать на ней много не получится — сядет аккумулятор. И сколько бы ни пытались ученые всего мира сделать их компактнее, пока это выходит с большим трудом. Но всему есть альтернатива, и в этой статье мы расскажем о топливном элементе (ТЭ) — устройстве, которое способно вывести многие отрасли современной промышленности на совершенно иной уровень, и проведем баттл между ним и традиционным аккумулятором.
Представьте на секунду, что вместо power bank у вас в кармане маленький портативный топливный бак, который в результате своей деятельности выделяет в атмосферу только воду. Вы заправляете его раз в неделю, а до этого времени спокойно заряжаете свой смартфон или ноутбук, не пользуясь розетками. Думаете, это нереально? И ошибаетесь.
В середине позапрошлого века британский физик Уильям Грове изобрел гальванический элемент (устройство, преобразующее энергию химической реакции в электричество), состоящий из двух блоков: первый вырабатывал водород, а второй — потреблял его, выдавая в цепь электроэнергию.
Элемент Грове послужил прототипом для создания первых топливных элементов. Позже о них на некоторое время незаслуженно забыли из-за изобретения двигателя внутреннего сгорания и повсеместного распространения аккумуляторов.
Однако сегодня топливные элементы переживают свой новый рассвет. Их начали использовать везде: от бытовых устройств до самолетов. Всё это благодаря ряду особенностей, дающих ТЭ большие преимущества по сравнению с аккумуляторами.
Прежде чем начать наш баттл между топливным элементом и аккумулятором, нужно, чтобы они представились и рассказали о себе.
МС справа — аккумулятор. Родился в 1803 году и с тех пор постоянно совершенствовался. В конце концов, достиг таких высот, что начал использоваться в различных модификациях везде, куда ни плюнь: если сейчас отобрать у человечества все аккумуляторы, оно не сможет прожить и дня. Его можно сравнить с копилкой: вы складываете туда электроэнергию (деньги), а затем по мере необходимости достаете ее и используете. Это происходит благодаря химическим реакциям заряда и разряда, протекающим внутри и представляющим собой обратимые процессы, в ходе одного из которых электроэнергия запасается, а в ходе другого — выделяется обратно в цепь.
Настала очередь МС слева — топливного элемента. Родился он, как мы уже говорили, чуть позже, чем его противник, в 1843 году. Сперва никто не воспринимал его всерьез, но многие сулили большие перспективы. Совершенствуясь, он достиг значительных успехов и завоевал репутацию долговечного и удобного. Так что, если вам нужно выдавать небольшое количество энергии в течение длительного времени, вы можете на него положиться. Устройство топливного элемента можно сравнить с печкой: вы загружаете туда топливо и на выходе получаете энергию, образовавшуюся в результате горения. Однако процессы, происходящие в топливном элементе, намного эффективнее тех, что происходят в печи. И всё по одной простой причине: сжигая дрова напрямую, мы расходуем очень много тепла на побочные процессы, в результате чего коэффициент полезного действия (КПД) такого процесса не превышает 20 %. То есть максимум одна пятая часть от того, что мы положили в печь, может реально послужить нам.
В топливном элементе всё намного эффективнее. Реакция сгорания там протекает с минимальным выделением тепла и максимальной отдачей электроэнергии. Таким образом его КПД может достигать 85 % — нереальной цифры для большинства современных устройств.
Итак, представление участников баттла закончилось. Переходим к первому раунду. Пошумим… Нет, обойдемся без этого. Кстати, ни один из наших участников не издает сколь-нибудь заметного звука в процессе своей работы. Они оба совершенно бесшумны и не выделяют избыточную энергию в виде детонационных звуковых волн, как, например, двигатель внутреннего сгорания. Ну ладно, со звуком вроде бы всё хорошо. А что до главных характеристик любого источника энергии: ёмкости и потери заряда? Как известно, ёмкость существующих аккумуляторов ограничена их габаритами. Поэтому мы будем пользоваться понятием «плотность энергии», которое показывает, сколько электроэнергии запасается в единице объема устройства. По этому показателю аккумулятор обходит топливный элемент лишь потому, что не требует поставки топлива извне. Поэтому, если взять одинаковую массу аккумулятора и топливного элемента с водородом, то аккумулятор выиграет по времени полного разряда. Правда, такое справедливо только при небольшой массе каждого из устройств.
А что до потери заряда со временем? Вот тут пришла пора топливному элементу дать отпор: он держит заряд намного лучше и не теряет в ёмкости — в отличие от аккумулятора, который уже после двух лет эксплуатации становится на 20 % менее ёмким.
С равным счетом мы переходим ко второму раунду. Какие еще положительные черты есть у аккумулятора по сравнению с его противником? Он не требует дополнительного запаса топлива. Для него как нельзя кстати подходит выражение «всё свое ношу с собой». Топливный элемент же фактически представляет собой двигатель, который перерабатывает топливо в электричество. Однако в отличие от тепловых машин он делает это более эффективно и экологично (при работе водородного топливного элемента, например, в атмосферу выделяется только вода).
Аккумулятор достаточно компактен, а развитые сети электроэнергии позволяют зарядить его в любом месте, где есть розетка. Этого не скажешь о топливном элементе: ему для питания нужен сжатый водород или метиловый спирт (который, кстати, крайне ядовит для человека).
Это был достаточно сильный выпад в сторону топливного элемента. Однако и у него есть козыри в рукаве. Если аккумулятору для увеличения длительности работы на одном заряде требуется повышение количества блоков, то у топливного элемента вообще нет понятия «заряд»: время его эксплуатации определяется количеством топлива, имеющегося в данный момент. Как мы уже говорили, если сравнивать одинаковые массы обоих устройств, то при их небольшом значении будет выигрывать аккумулятор. Но при увеличении массы превосходство топливного элемента становится очевидным: ведь больше 90 % всей его массы составляет само устройство. Топливо же фактически ничего не весит, если мы говорим о водороде. К тому же количество потребляемого топлива у водородного или спиртового элемента не такое большое, чтобы таскать за собой целые канистры. Что ж, счет 2:2. Продолжаем.
Настало время решающего раунда. Первым начинает, как всегда, аккумулятор. Только вот ему нечего сказать в свою защиту. А между тем у аккумуляторов есть серьезный недостаток: он выделяет заметное количество тепла. Поэтому их становится очень легко отследить, если снимать местность в инфракрасном диапазоне. Этот недостаток больше характерен для разведывательной техники, где незаметность — ваше всё. Топливный элемент, напротив, выделяет настолько малое количество тепла, что за стальным корпусом какого-нибудь беспилотника просто не будет заметен.
Наш баттл подошел к концу. Мы, конечно, могли бы сказать, что победил топливный элемент, однако это не так. Каждое из рассмотренных нами устройств имеет свои наиболее подходящие области применения. И если где-то выгоднее заменить аккумулятор топливным элементом, то в других областях это будет невозможно из-за ряда причин: рентабельности, неприменимости разработки в условиях эксплуатации, или из-за необходимости дорогостоящей инфраструктуры.